Luận văn thạc sĩ nghiên cứu lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ảnh hưởng đến công trình lân cận trên địa bàn tỉnh trà vinh

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
––––––––––––––––––––––––

VÕ ĐÌNH DUY KHOA

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN SÓNG TRONG
NÊN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG THI CƠNG CỌC
ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƠNG TRÌNH LÂN CẬN
TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH
\

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

ĐÀ NẴNG – NĂM 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
–––––––––––––––––––––––––

VÕ ĐÌNH DUY KHOA

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN SÓNG TRONG
NÊN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG THI CƠNG CỌC
ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƠNG TRÌNH LÂN CẬN

TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH
\

Chuyên ngành
Mã số

: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
: 85.80.205

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LAN

ĐÀ NẴNG – NĂM 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tác giả.
Các số liệu và kết quả tính tốn đưa ra trong luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả

Võ Đình Duy Khoa
.

0


Trang phụ bìa
Lời cam đoan

Mục lục
Tóm tắt luận văn
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.............................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................................... 2
5. Kết quả dự kiến ........................................................................................................................ 2
............. 3
1.1. Các loại sóng lan truyền trong nền đất ............................................................................. 3
1.1.1. Sóng khối ......................................................................................................3
1.1.2. Sóng mặt .......................................................................................................4
1.2. Ảnh hưởng sóng chấn động đến cơng trình lân cận và môi trường ........................... 5
1.3. Các qui định giới hạn cường độ sóng chấn động trong nền đất .................................. 6
1.3.1. Rung động ngắn hạn ...................................................................................6
1.3.2. Rung động dài hạn.......................................................................................8
1.4. Kết luận chương 1............................................................................................................... 10
NỀN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG ĐÓNG CỌC BTCT............................................... 11
2.1. Cơ sở bài tốn lan truyền sóng do hạ cọc trong nền đất ............................................. 11
2.1.1. Phương trình vi phân của phân tố ứng suất trong môi trường không
gian đàn hồi [13] .................................................................................................11
2.1.2. Mối quan hệ giữa biên độ và khoảng cách đến nguồn rung của phân tố
trong môi trường bán đàn hồi. ............................................................................13
2.1.3. Lan truyền sóng ứng suất trong thanh [13]: ............................................15
2.1.4. Vận tốc các hạt trong vùng chịu ứng suất ................................................17
2.2. Cơ sở phương pháp PTHH phân tích lan truyền sóng do hạ cọc [13]:.................... 18
2.3. Cơ sở phần mềm PTHH phân tích lan truyền sóng do hạ cọc .................................. 20
2.3.1. Giới thiệu Midas GTS NX .........................................................................20

2.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn và phân tích lịch sử thời gian ...............22
2.4. Ví dụ số phân tích lan truyền sóng do hạ cọc ................................................................ 23
2.5. Kết luận chương 2............................................................................................................... 34


.......................................................................................................................... 35
3.1. Phương pháp tiêu chuẩn đo đạc lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi
cơng cọc ........................................................................................................................................ 35
3.2. Chương trình thực nghiệm tại hiện trường................................................................... 36
3.2.1 Nguồn gây rung chấn .................................................................................36
3.2.2. Hiện trường thực hiện thí nghiệm ............................................................ 37
3.2.3. Thiết bị đo rung chấn ................................................................................37
3.2.4. Thực hiện thí nghiệm đo rung tại hiện trường do đóng cọc ...................39
3.2.5. Cơng trình lân cận khu vực thi cơng ........................................................ 42
ng ............................................................................. 43
3.4. So sánh kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm ................................................... 48
3.5. Kết luận và ngoại suy xác định bán kính ảnh hưởng cho các loại búa đóng cọc
khác ............................................................................................................................................... 49
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 51
1. Kết luận .................................................................................................................................... 51
2. Kiến nghị .................................................................................................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 53
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)
PHỤ LỤC


TÓM TẮT LUẬN VĂN
LAN TRUYỀN SÓNG TRONG NỀN ĐẤT
ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƠNG TRÌNH LÂN CẬN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH

Học viên: Võ Đình Duy Khoa
Chun ngành: KTXD cơng trình giao thơng
Mã số: 85.80.205. Khóa 36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
Tóm tắt - Hiện nay vẫn còn rất nhiều bất cập tồn tại trong hoạt động thi cơng cơng trình cầu
đường trên địa bàn tỉnh Trà Vinh, một trong số đó là các sự cố ảnh hưởng, hư hỏng đến các cơng
trình lân cận, khu vực dân cư do thiết bị thi công gây ra lan truyền sóng chấn động gây ra. Có thể kể
đến các phương tiện như búa đóng cọc, lu rung, búa rung cừ larsen, búa rung hạ ống vách cọc khoan
nhồi,...v.v. là những nguồn rung chấn khá phổ biến, được ứng dụng rộng rải nhằm đáp ứng biện pháp
thi công ngày nay. Tuy nhiên nhiều sự cố đã xảy ra do ảnh hưởng bởi rung chấn trong q trình thi
cơng như nứt nẻ nhà dân, sụt lún nền đất đắp, nền đất tự nhiên, thậm chí gây đổ vỡ cơng trình, gây
thiệt hại cho người dân, chủ đầu tư dự án, lãng phí trong đầu tư các dự án xây dựng.
Luận văn này tập trung chủ yếu vào tác động rung chấn do thi cơng đóng cọc gây ra, sử dụng
phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết, kiểm chứng kết quả bằng cách sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Midas GTS NX. Từ đó đưa ra được phạm vi
ảnh hưởng do hoạt động thi cơng đóng cọc đặc thù trên địa chất, thiết bị thi công trên địa bàn tỉnh
Trà Vinh, hổ trợ các cấp quản lý, đơn vị thiết kế, đơn vị thi cơng cơng trình có căn cứ qui hoạch,
lựa chọn biện pháp và công nghệ thi công hợp lý, giảm thiểu các ảnh hưởng bất lợi đến cơng trình
lân cận, tiết kiệm chi phí phát sinh, chi phí đền bù trong tổng chi phí đầu tư các dự án cơng trình
xây dựng trên địa bàn tỉnh.
T
: Vận tốc đỉnh chất điểm, thi cơng cọc, rung động, lan truyền sóng, nguồn rung, phần
tử hữu hạn, bán kính ảnh hưởng, vận tốc rung giới hạn.
RESEACH FOR GROUND WAVE PROPAGATION DUE TO PILE DRIVEN IN
TRANPORTATION CONSTRUCTION ACTIVITIES.
Abstract – Currently, there are still many shortcomings in the construction of bridges and
roads in Tra Vinh province, one of which is the incident affecting and damaging neighboring
buildings and residential areas caused by construction equipment causing wave propagation.
Means including pile driving hammers, vibrating rollers, larsen piles, vibrating hammers, etc. are
quite common sources of vibration, are widely applied to meet today's construction methods.
However, many incidents have occurred due to the vibration during construction such as cracking

houses, subsidence of embankment, natural ground, even causing work breakdowns, causing
damage to people, project investors, wasteful in investing construction projects.
This dissertation focuses mainly on the impact of vibration caused by pile construction,
using experiment methods combined with theoretical analysis, verifying the results by using finite
element method through soft Midas GTS NX. Since then given the scope of influence due to the
construction of specific piles on geology, construction equipment in Tra Vinh province,
supporting management levels, designer, construction units. Based on the planning, selecting
appropriate construction methods and technologies, minimizing adverse impacts on neighboring
buildings, saving arising and compensation costs in the total investment cost of the construction
projects in the province.
Key words - Peak particle velocity (PPV), pile driving, vibration, wave propagation,
vibration sources, Finite Element (FEM), radius influence; vibration limit velocity.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

1.4

Tiêu chuẩn giới hạn rung cho cơng trình theo DIN 4150-3 [6]
Đề xuất PPV khi sử dụng chất nổ [8]
Giá trị tối đa cho phép về mức gia tốc rung đối với hoạt động xây
dựng [9]
Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với công trình khi chịu tác động
rung gián đoạn

1.5

Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với cơng trình khi chịu
tác động rung liên tục

1.1
1.2
1.3

3.2

Giá trị vận tốc rung giới hạn
Phản ứng của con người và thiệt hại cho các tòa nhà ở các mức độ
rung động khác nhau [12]
Số liệu đầu vào
Bảng 2.2. Bảng tổng hợp kết quả vận tốc dao động lớn nhất từ phần
mềm Midas GTS
Bán kính ảnh hưởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn
Tham số kỹ thuật khi đo dao động tại vị trí thí nghiệm
Bảng tổng hợp kết quả vận tốc dao động lớn nhất được ghi nhận
thí nghiệm tại cơng trường

3.3
3.4
3.5

Bán kính ảnh hưởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn
So sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết
Bán kính giới hạn cho các loại búa khác nhau

1.6
1.7

2.1
2.2
2.3
3.1

Trang
6
7
7
8
8
8
9
23
32
33
40
46
48
48
49


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5

2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5

Tên bảng

Biến dạng nền đất do sóng khối gây ra
Biến dạng nền đất do sóng mặt gây ra
Hình ảnh tổng quan về cầu Ba Trường và hiện tượng nứt các
cơng trình lân cận
Các nhà dân bị nứt do thi công Dự án đầu tư xây dựng đường
Hồ Chí Minh đoạn tuyến tránh đơ thị Pleiku
Tiêu chuẩn DIN 4160 so với tiêu chuẩn OSM [7]
Phân tố ứng suất
Sóng đàn hồi dọc thanh
Chuyển động sóng đàn hồi dọc thanh
Vận tốc lan truyền sóng và vận tốc hạt [13]
Mơi trường mô phỏng sử dụng phương pháp PTHH
Midas GTS trong mô phỏng động học
Các dạng dao động của kết cấu [13]
Phân tích phổ dao động theo lịch sử thời gian [13]
Sơ đồ tổng thể q trình mơ phỏng mơ hình
Khai báo vật liệu
Mơ hình hóa 3D khối đất và khu vực thí nghiệm
Tạo lưới khối 3D
Gán điều kiện biên phần hông khối 3D
Gán điều kiện biên lớp đáy khối 3D
Chạy mơ hình lấy tham số các khối đất
Thực thi lệnh chạy tham số
Kết quả trên thể hiện tham số chu kỳ của địa hình
Khai báo và định nghĩa hàm tải trọng
Gán tải trọng động lên đầu cọc
Định nghĩa tần số mẫu thực hiện phân tích
Nhập giá trị tham số đã phân tích ở bước trước đó
Thực thi lệnh phân tích mơ hình
Biểu đồ quan hệ Vận tốc - Bán kính ảnh hưởng

Quy trình đánh giá và đo đạc thực nghiệm
Búa đóng cọc đang thi cơng tại cơng trường
Cơng trường thi công
Thiết bị đầu đọc và cảm biến đo rung chấn
Sơ đồ kết nối hệ thống và quy trình đo đạc dữ liệu rung chấn

Trang
4
4
5
6
7
12
16
16
17
18
21
22
22
23
25
25
26
26
26
27
27
28
28

29
29
30
30
33
35
36
37
37
38


3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14

Đầu đo dao động
Chương trình phần mềm đo rung chấn
Sơ đồ bố trí đầu đo dao động trên mặt đất tại hiện trường
Vị trí điểm đo dao động tại vị trí thí nghiệm
Quy trình thực nghiệm tại hiện trường
Lắp đặt thiết bị đo tại hiện trường
Cơng trình nhà dân lân cận
Biểu đồ quan hệ Vận tốc – Bán kính ảnh hưởng

Biểu đồ so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết

38
39
40
41
41
42
43
47
49


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tỉnh Trà Vinh nằm ở phía Đơng Nam đồng bằng sơng Cửu Long, giữa 2 con
sơng Cổ Chiên và sơng Hậu. Phía Bắc Trà Vinh là tỉnh Bến Tre được ngăn cách bởi
sông Cổ Chiên (một nhánh của sơng Tiền), phía Tây Nam giáp với tỉnh Sóc Trăng qua
ranh giới sơng Hậu, phía Tây giáp tỉnh Vĩnh Long, phía Đơng là biển Đơng. Tổng diện
tích tự nhiên của tỉnh là 235.826 ha, với 09 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm: Thành
phố Trà Vinh, Thị xã Duyên Hải và 7 huyện: Càng Long, Châu Thành, Cầu Kè, Tiểu
Cần, Cầu Ngang, Trà Cú và Dun Hải; có 106 đơn vị hành chính cấp xã, phường và
thị trấn.
Hiện nay toàn tỉ
km do Trung ương quản lý; Đường tỉ
Đường huyệ
ớ
ố lượng cầu trên các tuyến

Đường tỉnh, Đường huyện là 186 cầu (trong đó cần phải xây dựng mới 92 cầu, do các
cầu cũ đã xuống cấp không đảm bảo tải trọng và khổ cầu theo tiêu chuẩn) do Sở Giao
thông vận tải quản lý và khai thác. Ngồi ra trên địa bàn tỉnh cịn có 5.545,42 km
đường giao thông nông thôn và 220 km đường đô thị do địa phương quản lý.
Do là một tỉnh thuộc đồng bằng sơng Cửu Long nên có hệ thống sơng, ngịi
chằng chịt, tổng chiều dài các tuyến kênh, sơng khoảng 917 km do đó số lượng cầu
cần đầu tư xây dựng là rất nhiều.
Trong những năm gần đây ngành giao thông vận tải đã đầu tư xây dựng nhiều
tuyến đường và cầu, góp phần phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phịng; góp phần
xây dựng thành cơng các Chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nơng thôn mới
và giảm nghèo bền vững của các địa phương nơi có cơng trình đi qua. Tuy nhiên, do
chi phí hạn hẹp nên đa số móng mố, trụ cầu được thiết kế là cọc đóng, trong q trình
thi cơng đóng cọc gây lan truyền rung chấn trong nền đất làm ảnh hưởng đến các cơng
trình nhà dân lân cận như: cầu Long Bình 3, cầu Ba Trường nằm trên tuyến Đường
tỉnh 915B; cầu Xây nằm trên Đường huyện 13; cầu số 3 nằm trên tuyến đường Phú
Thọ II – Cây Gịn… một số dự án khi thi cơng đóng cọc gây rung chấn làm nứt nhà
dân gây tranh chấp, người dân ngăn cản không cho thi công, đề nghị phải đền bù thiệt
hại mới cho tiếp tục thi công, dẫn đến cơng trình bị chậm tiến độ, cá biệt có cơng trình
phải ngưng khoảng 1 năm để thương lượng, th tư vấn đánh giá mức độ thiệt hại để
đền bù dẫn đến giảm hiệu quả đầu tư của dự án, qua tìm hiểu thì đây là vấn đề từng
xảy ra khơng riêng gì ở địa bàn tỉnh Trà Vinh. Trong một số trường hợp này giải pháp
dùng cọc đóng làm tăng kinh phí đầu tư do phải kéo dài thời gian thi công và đền bù
thiệt hại cho người dân xung quanh.
Học viên công tác trong ngành giao thông vận tải, tham gia và trực tiếp thẩm
định các dự án giao thông sử dụng vốn ngân sách nằm trên địa bàn tỉnh (theo Nghị


2

định số 59/2015/NĐ-CP ngày 18/6/2015 của Chính phủ về quản lý dự án đầu tư xây

dựng cơng trình quy định Sở quản lý cơng trình xây dựng chun ngành chủ trì thẩm
định các dự án quy mơ từ nhóm B trở xuống được đầu tư xây dựng trên địa bàn hành
chính của tỉnh Trà Vinh. Học viên xét thấy lựa chọn đề tài “Nghiên cứu lan truyền
sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ảnh hưởng đến công trình lân cận trên
địa bàn tỉnh Trà Vinh” là cần thiết và phù hợp với luận văn thạc sỹ ứng dụng.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Xác định được quan hệ cường độ sóng rung chấn - khoảng cách đến nguồn rung
do thi công hạ cọc vào nền đất tại một số dự án trên địa bàn tỉnh Trà Vinh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Quy luật lan truyền sóng do hoạt động đóng cọc gây ra.
- Phạm vi nghiên cứu: Xác định quy luật lan truyền sóng trong nền đất do hoạt
động đóng cọc nhằm xác định phạm vi, bán kính ảnh hưởng đến các cơng trình lân cận.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Cơ sở lý thuyết bài tốn và phân tích lan truyền sóng
trong nền đất do nguồn rung bằng phần mềm PTHH.
- Thực hành Đo đạc thực nghiệm xác định mức độ rung chấn của cơng tác đóng
cọc tại một cơng trình cụ thể.
- So sánh và đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết với kết quả thực nghiệm ngoài
hiện trường.
5. Kết quả dự kiến
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở tham khảo, phục vụ công tác
thẩm định thiết kế phương án móng cọc đóng; đánh giá phạm vi ảnh hưởng đến cơng
trình lân cận do thi cơng cọc làm cơ sở giải quyết tranh chấp hoặc đền bù do ảnh
hưởng rung chấn.


3

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI SÓNG LAN TRUYỀ
T
DO HOẠT ĐỘNG THI CƠNG XÂY DỰNG
CƠNG TRÌNH
1.1. Các loại sóng lan truyền trong nền đất
Chấn động rung (hay rung động) phát sinh từ yếu tố tự nhiên và yếu tố con
người. Hoạt động kiến tạo trong vỏ Trái Đất như động đất, núi lửa là các tai biến tự
nhiên, năng lượng giải phóng ra truyền bên dưới mặt đất tạo nên các rung động ở
nhiều cấp độ khác nhau. Đây là những hiện tượng mà thời điểm phát sinh, con người
chưa hoàn toàn xác định trước được. Các nguồn phát sinh chấn động gây ra do hoạt
động của con người như: hoạt động giao thông đường bộ, đường sắt; vận hành các
thiết bị công nghiệp như các máy nghiền sàng, máy quay ly tâm trong đúc bê tông và
nghiền xi măng, bơm thủy lực; hoạt động xây dựng sử dụng búa máy đóng cọc bê tơng
vào nền móng cơng trình; các vụ nổ trong khai thác khoáng sản [1]. Chấn động rung
lan truyền trong môi trường gây thiệt hại cho các cơng trình lân cận cũng như ảnh
hưởng đến sức khỏe của con người.
Có 3 loại sóng đàn hồi cơ bản gây chấn động làm con người cảm nhận được và
phá hoại cơng trình xây dựng. Trong ba loại sóng đó, có 2 loại sóng có thể truyền từ
chấn tiêu qua nền đá cứng ra môi trường bao quanh gọi chung là sóng khối, cịn loại
thứ 3 chỉ lan truyền trong vùng sát mặt đất nên được gọi là sóng mặt [2].
1.1.1. Sóng khối
Sóng khối cịn gọi là sóng thể tích gồm hai loại khác nhau về bản chất đó là sóng
dọc và sóng ngang [2].
- Sóng dọc (ký hiệu P): Sóng này được truyền đi nhờ sự thay đổi thể tích vật
chất, gây ra biến dạng kéo và nén trong lòng đất, hướng chuyển động của vật chất
trùng với hướng di chuyển của sóng. Sóng dọc có khả năng truyền qua nền đá cứng
cũng như chất lỏng [2].
- Sóng ngang (ký hiệu S): hướng chuyển động của các phần tử vật chất vng
góc với hướng di chuyển của sóng. Sóng này gây ra hiện tượng xoắn và cắt mà không
làm thay đổi thể tích của mơi trường truyền sóng. Vì vậy sóng này cịn có tên là sóng

cắt. Sóng ngang khơng thể lan truyền trong mơi trường lỏng hoặc khí vì các mơi
trường này khơng có khả năng chịu ứng sứng cắt. Ở mặt đất sóng ngang có thể gây ra
các chuyển động theo phương đứng lẫn ngang [2].


4

Hình 1.1. Biến dạng nền đất do sóng khối gây ra
1.1.2. Sóng mặt
- Sóng Rayleigh (ký hiệu R): Đây là loại sóng làm cho các phần tử vật chất
chuyển động theo một quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng thẳng đứng song song với
hướng truyền sóng [2].
- Sóng Love (ký hiệu Q): Chuyển động của loại sóng này về cơ bản tương tự như
của sóng S nhưng khơng có thành phần thẳng đứng. Nó làm cho các phần tử vật chất
chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với mặt đất, vng góc với hướng
truyền sóng. Các sóng này chỉ gây ra ứng sứng cắt [2].

Hình 1.2. Biến dạng nền đất do sóng mặt gây ra
Tốc độ truyền của các sóng P và sóng S phụ thuộc vào mật độ và các tính chất
đàn hồi của các lớp tạo nên nền đất và đá mà chúng đi qua. Đất đá càng cứng, nén
càng chặt tốc độ truyền sóng càng lớn[2].


5

Sóng P, sóng S và sóng R di chuyển với tốc độ khác nhau. Sóng P đi nhanh nhất,
sau đó là sóng S và sóng R. Dọc theo mặt đất, sóng P và sóng S tiêu tán nhanh hơn
sóng R. Do đó, sóng R gây xáo trộn lớn nhất ở mặt nền và có thể nhận biết rõ ràng từ
một khoảng cách xa nguồn rung. Ví dụ, sóng R chiếm 67% tổng năng lượng sóng S
chiếu 26% và sóng P chiếm 7% khi lực kích thích tác động thẳng góc với phương

truyền sóng [3].
1.2. Ảnh hưởng sóng chấn động đến cơng trình lân cận và mơi trường
Nhiều hoạt động thi công xây dựng như hạ cọc, đầm chặt nền đường, nổ mìn phá
đá nền đường,.. gây ra sự rung chấn lan truyền trong nền tác động đến các cơng trình
lân cận. Nếu cường độ nguồn rung lớn, gây ra vận tốc rung các chất điểm lớn có thể
làm hư hỏng các cơng trình xung quanh.
Trong những năm qua, hoạt động thi cơng xây dựng các dự án nói chung và dự
án cơng trình giao thơng nói riêng đã gây ra rung chấn làm nứt nhà dân và các cơng
trình lân cận khu vực dự án, ảnh hưởng đến môi trường sống của người dân, cụ thể:
Sau đây là một số hình ảnh do thi cơng cơng trình làm ảnh hưởng đến các cơng
trình lân cận:
- Cơng trình đường tỉnh 915B, do Sở Giao thông vận tải tỉnh Trà Vinh làm chủ
đầu tư, trong q trình thi cơng đóng cọc mố Mb cầu Ba Trường đã làm nứt nhà một
số hộ dân sống lân cận cơng trình, hạng mục này phải tạm ngưng hơn một năm để
thương lượng, thuê tư vấn đánh giá mức độ thiệt hại để đền bù thiệt hại cho dân:

Hình 1.3. Hình ảnh tổng quan về cầu Ba Trường và hiện tượng nứt các cơng trình
lân cận
- Q trình thi cơng Dự án đầu tư xây dựng đường Hồ Chí Minh đoạn tuyến
tránh đơ thị Pleiku ngang qua hai huyện Ia Grai và Chư Păh (tỉnh Gia Lai) làm 80 hộ
dân bị ảnh hưởng do rung chấn. Tình trạng trên xảy ra từ tháng 01/2018 đến nay chưa
được giải quyết dứt điểm, gây bức xúc cho người dân [4].


6

Hình 1.4. Các nhà dân bị nứt do thi cơng Dự án đầu tư xây dựng đường Hồ Chí Minh
đoạn tuyến tránh đô thị Pleiku
- Theo báo cáo của Trường THPT Lý Sơn, giữa tháng 10/2018, trong q trình
thi cơng Dự án cảng Bến Đình (thơn Đơng, xã An Vĩnh, huyện Lý Sơn), Cơng ty Cổ

phần cơng trình Thủy Hà Nội đã nổ mìn đánh san hơ.Việc nổ mìn diễn ra liên tục gây
rung chấn, ảnh hưởng đến việc dạy và học của trường. Đặc biệt, ngày 22/10, Công ty
Cổ phần cơng trình Thủy Hà Nội nổ mìn gây rung chấn mạnh, làm vỡ mảng bê tông
của lớp học, một học sinh của trường bị thương [5].
1.3. Các qui định giới hạn cường độ sóng chấn động trong nền đất
1.3.1. Rung động ngắn hạn
Các giới hạn khác nhau về độ rung mặt đất đã được đề xuất bởi tiêu chuẩn trong
và ngồi nước. Một số tiêu chí nhằm giảm nhẹ thiệt hại về cơng trình do rung động
mặt đất, bên cạnh đó một số giới hạn cường độ âm thanh để giảm thiểu sự ảnh hưởng
của tiếng ồn đến con người.
a. Tiêu chuẩn của Đức DIN 4150 [6]
Tiêu chuẩn này quan tâm chủ yếu ảnh hưởng của rung chấn đến con người hơn là
thiệt hại đến các cơng trình xây dựng lận cận.
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn giới hạn rung cho cơng trình theo DIN 4150-3 [6]
Ngưỡng vận tốc dao động làm hư hỏng kết cấu, PPV (mm/s)
Nguồn rung
Nguồn rung ngắn hạn
dài hạn
Loại kết cấu
ở móng
ở mặt trên
ở mặt trên
sàn
sàn
0–10 Hz 10-50 Hz 50-100Hz Tất cả các
Tất cả các
tầng số
tầng số
Trung tâm thương
20

20-40
40-50
40
10
mại/cơng nghiệp
Nhà ở
5
5-15
15-20
15
5
Cơng trình lịch
sử/nhạy cảm với
5
3-8
8-10
8
25
dao động


7

b. Văn phòng Khai thác mỏ Hoa Kỳ (OSM)
Cục Mỏ Hoa Kỳ cơng bố sau một chương trình nghiên cứu kéo dài một thập kỷ
để đo lường và đánh giá các rung động nổ từ trái đất và tác động của chúng lên các cấu
trúc. Tài liệu này khuyến nghị một tiêu chí về vận tốc hạt cực đại là 2 in./s bất kể tần
số rung động. Khoảng một thập kỷ sau, nghiên cứu bổ sung của Siskind khuyến nghị
rằng tiêu chí này nên được sửa đổi bằng cách giảm tốc độ hạt tối đa cho phép đối với
tần số rung xuống dưới 40 Hz. Thậm chí sau đó, Văn phòng Khai thác mỏ Hoa Kỳ

(OSM) đã ban hành một quy định hướng dẫn về mức độ nổ bề mặt an tồn cho các cấu
trúc nhà ở điển hình [7].

Hình 1.5. Tiêu chuẩn DIN 4160 so với tiêu chuẩn OSM [7]
c. Tiêu chuẩn Úc 2187.2 (Australian standard 2187.2)[8]
Bảng 1.2. Đề xuất PPV khi sử dụng chất nổ [8]
Loại cơng trình hoặc kết cấu
PPV (mm/s)
Nhà ở và cơng trình thấp tầng; các tịa nhà thương mại khơng bao
10
gồm phần ngầm.
Các tịa nhà thương mại và công nghiệp hoặc kết cấu bê tông cốt
24,5
thép hoặc kết cấu thép
d. Tiêu chuẩn Việt Nam (QCVN 27:2010/BTNMT; TCVN 7378: 2004 )
- Quy chuẩn QCVN 27:2010/BTNMTquy định giá trị tối đa cho phép mức gia
tốc rung tại các khu vực có con người sinh sống, hoạt động và làm việc.
Bảng 1.3 – Giá trị tối đa cho phép về mức gia tốc rung đối với hoạt động xây
dựng [9]
Thời gian áp dụng
Mức gia tốc rung
TT
Khu vực
trong ngày
cho phép, dB
6 giờ - 18 giờ
75
Khu vực
1
đặc biệt

18 giờ - 6 giờ
Mức nền
6 giờ - 21giờ
75
Khu vực
2
thông thường
21 giờ – 6 giờ
Mức nền


8

- Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7378: 2004: Tiêu chuẩn này quy định mức rung
giới hạn (tính theo vận tốc) do các hoạt động sản xuất công nghiệp, xây dựng và giao
thơng, v.v… tác động lên các cơng trình dân dụng, di tích văn hóa, lịch sử.
Bảng 1.4 Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với cơng trình khi \chịu tác động rung
gián đoạn
Giá trị vận tốc rung giới hạn Vi, mm/s
Loại
Tần số rung ở
Tần số rung ở móng cơng trình
cơng
mái cơng trình
trình(*)
1Hz đến
Trên 10
Trên 50 đến
Trên
Tất cả các tần số

10 Hz(**) đến 50Hz
100 Hz
100Hz
Loại I
20
20¸40
40 ¸ 50
40
40
Loại II
5
5¸ 15
15 ¸ 20
15
15
Loại III
3
3¸8
8 ¸ 10
8
8
Bảng 1.5. Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với cơng trình khi chịu tác động rung
liên tục
Loại cơng trình
Giá trị vận tốc rung giới hạn Vi, mm/s
Loại I
10
Loại II
5
Loại III

2,5
Trong đó: Cơng trình loại I: Là các cơng trình xây dựng cơng nghiệp kiên cố có
kết cấu khung bằng thép, bê tơng cốt thép hoặc các cơng trình kiến trúc xây dựng tương tự; Cơng trình loại II: Là các cơng trình cơng cộng nhà ở nhiều tầng (từ 2 tầng
trở lên), được xây dựng từ bê tông, bê tông cốt thép, gạch, tường chịu lực liên kết...;
hoặc các cơng trình kiến trúc xây dựng tương tự; Cơng trình loại III: Là các cơng trình
xây dựng khơng nằm ở loại I và loại II; các cơng trình nhẹ nhạy cảm với rung động
như các tượng đài, cơng trình lịch sử - văn hóa, di tích cổ, đền chùa, miếu mạo v.v…
1.3.2. Rung động dài hạn
Những rung động do hoạt động giao thông, hoạt động xây dựng (ngoại trừ đóng
cọc, nổ mìn) được xem là rung động dài hạn.
a. Tiêu chuẩn Thụy Sĩ
Thụy Sỹ đã phát triển tiêu chuẩn cho cả rung động ngắn hạn và dài hạn [11]:
Bảng 1.6. Giá trị vận tốc rung giới hạn
Cấp cơng
PPV
Nguồn rung
Tần số (HZ)
PPV (mm/s)
trình
(in/sec)
10-30
0,5
12
máy móc, giao thơng
30-60
0,5-0,7
12-18
I
10-60
1,2

30
nổ mìn
60-90
1,2-1,6
30-40


9

máy móc, giao thơng
II
nổ mìn
máy móc, giao thơng
III
nổ mìn
máy móc, giao thơng
IV
nổ mìn

10-30
30-60
10-60
60-90
10-30
30-60
10-60
60-90
10-30

0,6

0,3-0,5
0,7
0,1-1,0
0,2
0,2-0,3
0,54
0,5-0,7
0,12

30-60
10-60
60-90

0,12-0,2
0,3
0,3-0,5

8
8-12
18
18-25
5
5-8
12
12-18
3
3-5
8
8-12

Ghi chú: Cơng trình Cấp I - Các tịa nhà bằng thép hoặc bê tơng cốt thép; Cấp II
– Tường và nền bê tông, tường bê tông hoặcbê tơng, tường chắn xây bằng đá; Cấp IIICác tịa nhà như trên nhưng với trần nhà bằng gỗ và tường bằng vữa; Cấp IV- Các
cơng trình nhạy cảm với rung động.
b. Phịng thí nghiệm nghiên cứu giao thơng vận tải – Transport and Road
Research Laboratory (TRRL)
TRRL nghiên cứu rung động dài hạn, đề xuất mức độ rung động và phản ứng của
con người và các ảnh hưởng đối vớicác tòa nhà được trình bày:
Bảng 1.7. Phản ứng của con người và thiệt hại cho các tòa nhà ở các mức độ rung
động khác nhau [12]
PPV (in/sec)
Phản ứng của con người
Tác động đến cơng trình
0,006-0,019
Ngưỡng cảm nhận được
Khơng gây thiệt hại
0,08
Nhận thấy được
Không gây thiệt hại về kiến trúc
Cần lưu ý với các cơng trình cũ,
0,1
Ngưỡng gây khó chịu
di tích
Gây khó chịu với người
0,2
Gây thiệt hại đối với kiến trúc
trong các tịa nhà
Gây thiệt hại đối với kiến trúc và
0,4-0,6
Gây khó chịu
gây thiệt hại nhỏ về kết cấu

c. Theo tiêu chuẩn xây dựng sở giao thông Bang Florida (Florida Department of
Transportation Construction Specifications-FDOT)
Mục 455 của Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn FDOT cho xây dựng cầu đường yêu
cầu phải lắp đặt thiết bị giám sát rung khi nền móng kết cấu được xây dựng gần với
các cấu trúc hiện có. Khi phát hiện PPV bằng hoặc lớn hơn 0,5 in./s, các hoạt động xây
dựng phải được dừng lại và tham khảo ý kiến chuyên gia [12].


10

1.4. Kết luận chương 1
Ta có thể nhận thấy rằng việc xác định ảnh hưởng rung chấn dựa trên đặc tính
của nguồn rung và điều kiện địa chất đã được các nước thế giới cũng như ở Việt
Nam ban hành khung tiêu chuẩn quy định. Tuy nhiên để kiểm chứng được giới hạn
rung và hình thành kết quả chính xác cho từng vùng miền khác nhau thì việc
“Nghiên cứu lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi cơng cọc ảnh hưởng
đến cơng trình lân cận trên địa bàn tỉnh Trà Vinh” là rất cần thiết.
Kết quả nghiên cứu sẽ xác định phạm vi ảnh hưởng của rung chấn trên địa bàn
tỉnh, đánh giá đúng và quyết định được biện pháp thi công phù hợp với từng dự án.
Đồng thời kết quả nghiên cứu cũng có thể được áp dụng đối với các dự án tương tự
khác.


11

Chương 2

TRONG NỀN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG ĐÓNG CỌC BTCT
2.1. Cơ sở bài tốn lan truyền sóng do hạ cọc trong nền đất
2.1.1. Phương trình vi phân của phân tố ứng suất trong môi trường không

gian đàn hồi [13]
Đối với vật thể bán không gian đàn hồi trên mặt tự do người ta cịn phát hiện ra
hai loại sóng. Tùy theo phương chuyển động của các hạt, ta có sóng mặt Rayleigh
hoặc sóng Love. Các sóng này giảm đi rất nhanh theo chiều sâu. Tốc độ lan truyền
sóng bé hơn sóng ngang. Hao tán năng lượng xảy ra chậm hơn sóng dọc. Sự khác nhau
giữa hai loại sóng trên là ở chổ, sóng Rayleigh, các hạt chuyển động vng góc với
hướng lan truyền sóng, là hướng vng góc với mặt tự do, tương tự sóng hấp dẫn trên
mặt chất lỏng.
Cịn các hạt sóng Love cũng chuyển động vng góc với phương truyền sóng
nhưng lại song song với mặt tự do. Sóng này thường xuất hiện ở các lớp mà một mặt
tiếp xúc với bán khơng gian có mật độ khác khơng, cịn mặt kia là bán khơng gian coi
như khơng có khối lượng (ví dụ lớp đệm trên mặt đất).
Nghiên cứu sóng mặt có ý nghĩa rất lớn trong thực tế, nhất là khi tính tốn các
cơng trình trên mặt đất. Sóng dọc, sóng ngang truyền từ trung tâm kích động, thì
cường độ giảm đi rất nhanh, trong khi đó sóng mặt lan truyền theo mặt đất rất xa. Các
cơng trình ở xa tâm chấn động thực chất chịu ảnh hưởng của sóng mặt. Các nguồn
kích thích dao động cơng nghiệp hoặc giao thơng do sóng mặt mà ảnh hưởng đến các
vùng lân cận là đáng kể.
Ban đầu ta sẽ xét các thành phần của phương trình cân bằng phân tố ứng suất
trong không gian đàn hồi:
u, v, w là các thành phần chuyển vị của phân tố;  là khối lượng riêng phân tố
 2u  2 v  2 w
chính, 2 , 2 , 2 là gia tốc của các chuyển vị u, v, w phần tố.
t t t
Phương trình cân bằng của phân tố theo lý thuyết đàn hồi có dạng:


 2u 
 2  x  yx  zx  X
t

x
 xy

y
 y

z
 zy

 2v



Y
t 2
x
y
z


 2 w 
 2  xz  yz  z  Z
t
x
y
z



(2-1)

Để thiết lập phương trình truyền sóng trong mơi trường đàn hồi vô hạn (2-1) như
trên. Ta hãy xét sự cân bằng động học của một phân tố hình hộp có các cạnh dx, dy, dz


12

được tách ra từ mơi trường đó trong hệ tọa độ vng góc. Theo ngun lý Dalambe, ở thời
điểm t phân tố ở trạng thái cân bằng khi ta đặt vào đó các lực qn tính.
Theo phương pháp chuyển vị thì trong mơi trường đàn hồi, đẳng hướng nhờ biểu
thức quan hệ ứng suất – biến dạng (2-3) và biểu thức liên hệ giữa biến dạng – chuyển vị (24) từ ba phương trình (2-1) ta sẽ nhận được ba phương trình đối với chuyển vị sau:
 2u

  2u  (   )
X
2
t
x
 2v

 2   2 v  (   )  Y
t
y





(2-2)

2w

  2 w+(   )
+Z
2
t
z

Hình 2.1 Phân tố ứng suất
Trong đó:
Độ biến dạng thể tích, Modul cắt có quan hệ với modul đàn hồi và hệ số
Poisson  , hằng số có quan hệ với modul đàn hồi, hệ số Poisson và toán tử Laplace đối
với thành phần nội lực X, Y, Z được trình bày như sau:
2
2
2
E
E
2
 ;  
  x   y  z ; G 
;  2 2 2
x
y
z
(1  2 )(1   )
2(1   )

- Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tuân theo định luật Hooke:

1
1     x   I1 
E
1
 y  1     y   I1 
E
1
 z  1     z   I1 
E

x 

(2-3)

- Quan hệ giữa độ giãn dài tỷ đối  và góc trượt  :

x 

u
v
w
u v
w v
u w
;  y  ; z 
;  xy 
 ;  yz 
 ;  zx 

x

y
z
y x
y z
z x

(2-4)

Sự ảnh hưởng do tải trọng bản thân gây ra là không lớn nên có thể được bỏ qua.


13

Nếu giả định rằng đất là vật liệu bán đàn hồi biến dạng theo 3 phương thì nó sẽ
được chia làm hai loại sóng cơ độc lập với nhau truyền từ nguồn gây chấn động. Vậy
chuyển vị của mỗi điểm trong đất bằng tổng chuyển vị mỗi phương của mỗi loại sóng.

u  u1  u2 ; v  v1  v2 ; w  w1  w 2
Các thành phần chuyển vị u, v và w cũng thỏa mãn các điều kiện
w1 v1
u1 w1
v u

 0;

 0; 1  1  0
y
z
z
x

x y

(2-5)

Điều này đúng nếu
u1 




; v1 
; w1 
x
y
z

(2-6)

Và các thành phần chuyển vị u2 ; v2 ; w 2 thỏa mãn phương trình

2 

u2 v2 w 2


0
x y
z

(2-7)

Do đó ta có tổng biến dạng



u
 u2 ; v 
 v2 ; w 
 w2
x
y
z

(2-8)

Thay những giá trị u, v và w vào (2-2), chúng ta được nghiệm phương trình sóng
2
 a 22
2
t

(2-9)

 2u2
 2 v2
2 w2
2 2
2 2
 b  u2 ; 2  b  v2 ; 2  b22 w 2
2

t
t
t
Trong đó:

(2-10)

  2

; b  Vs 



a  Vp 

2.1.2. Mối quan hệ giữa biên độ và khoảng cách đến nguồn rung của phân tố
trong mơi trường bán đàn hồi.
Giả thuyết rằng nguồn sóng phát ra sóng điều hịa theo thời gian, chúng ta sẽ đi
giải phương trình (2-9) và (2-10) với

  eit  ( x, y, z )

(2-11)

u2  eitU ; v2  eitV ; w 2  eit W

(2-12)

Trong đó  là tần số của nguồn
Thế phương trình (2-11) và (2-12) vào (2-9) và (2-10), chúng ta tìm ra  , U, V

và W thỏa mãn phương trình

  h    0
U  0;   k V  0; 
2



2

 k2

2

2

2

(2-13)
2



 k 2 W  0;

(2-14)


14

Ngoài ra, phải thỏa mản quan hệ

U V W


0
x y z

(2-15)

Để giải phương trình (2-14) ta có
U

2
x y

V

2
y z

W

2
 k 2
z 2

(2-16)

Thay thế phương trình (2-16) vào (2-14), chúng ta tìm ra thành phần  thỏa mản

phương trình



2



 k2   0

(2-17)

Bây giờ, chúng ta sẽ đưa ra hệ phương trình trong hệ tọa độ góc trên bề mặt nền
đất, ta có

x  r  cos 

y  r  sin  ; z  z

Trong hệ tọa độ góc
2 1  2
  
r 2 2 r z 2
Gọi q là chuyển vị có phương là phương của vectơ r, ta có
2 

u

x
q

r

v

y
q
r

Theo phương trình (2-8) và (2-16), ta có
 2 
 2 
q

w
 2  k 2
r r z
z z
Giả thuyết rằng tải trọng động có dạng

Pz   PJ 0 (r )

(2-18)

(2-19)

Điểm đặt trên mặt đất, tại z=0, vì vậy

r  0

(2-20)

Lấy kết quả từ việc giải phương trình (2-13) và (2-17)
  Ae z J 0 (r )

  Be  z J 0 (r )

(2-21)

Trong đó A, B và  là các hằng số đề xuất.
Sử dụng điều kiện biên (2-19) và (2-20) ta có được
2 2  k 2 P
A

F ( )


B

2
P

F ( ) 

(2-22)

Trong đó hàm F () được xác định bởi (2-13).
Thành phần chuyển vị trên nền đất (tại y=0) tương ứng (2-21) và (2-22) như sau


15

 (2 2  k 2  2 )
P
q0 
J1 (r )
F ()

k 2
P
w0 
J 0 (r )
F ( )


(2-23)

Để xem xét sự hoạt động của sóng chấn động thơng qua một lực thẳng đứng
Pv e , đặt chúng vào hệ tọa độ góc và giả định rằng
it

P

Pv
d 
2

(2-24)

Thế P vào vế phải phương trình (2-23) và lấy tích phân từ 0 đến  ta xác định
được biên độ dao động của nền đất



Pv  2 (2 2  k 2  2 )
q0 
J1 (r )d 
2 0
F ()

(2-25)



Pv k 2
w0  
J 0 (r )d 
2 0 F ()

(2-26)

Trên đây là công thức xác định biên độ dao động trên bề mặt nền đất dựa trên lực
đơn tác dụng theo phương thẳng đứng. Để áp dụng cho các lực, hệ lực khác nhau cần
có các điều kiện biên khác nhau phù hợp để giải quyết vấn đề của bài tốn.
2.1.3. Lan truyền sóng ứng suất trong thanh [13]
Xét phân tố thanh như hình 2.2, A là diện tích cắt ngang thanh, E và γ là mô đun
đàn hồi và dung trọng vật liệu. Ứng suất tại mặt cắt a-a tăng một lượng σ, ứng suất tại
mặt cắt b-b tăng lượng σ

. Căn cứ định luật 2 của Newton (tổng các lực bằng

khối lượng nhân gia tốc).

(2-27)
A*Δ*γ khối lượng của phân tố trong đoạn
, g là gia tốc trọng trường, u là
chuyển vị theo phương x, t là thời gian. Đơn giản hóa cơng thức trên ta được:
(2-28)
Trong đó: ρ= γ/g – khối lượng riêng vật liệu thanh.
(2-29)
Thế (2-29) vào (2-28) ta có:
(2-30)
Hoặc:
(2-31)
Trong đó:

=

(2-32)


16

Hình 2.2. Sóng đàn hồi dọc thanh
Đại lượng υc gọi là vận tốc sóng ứng suất dọc trục thanh. Lời giải phương trình
(2-31) có thể viết dưới dạng sau:
u =F(υct + x) + G(υct – x)
(2-33)
trong đó F(υct + x) và G(υct – x) đại diện một số hàm của (υct + x) và (υct – x). Ở
thời điểm t, hàm F(υct + x) đại diện cho khối 1 ở hình 2.3.
ut =F(υct + x)
(2-34)

Hình 2.3. Chuyển động sóng đàn hồi dọc thanh
Ở thời điểm (t+Δt) hàm đại diện bởi khối 2 ở hình 2.3, do đó:
ut+Δt = F [υc (t + Δt) + (x – Δx)]
(2-35)
Nếu khối di chuyển mà khơng thay đổi hình dạng từ vị trí 1 sang vị trí 2:
ut = ut+Δt
hoặc: F(υct + x)= F [υc (t + Δt) + (x – Δx)]
(2-36)
hoặc:
υcΔt = Δx
(2-37)
Do đó vận tốc truyền sóng ứng suất dọc trục thanh là Δx/Δt = υc. Bằng cách
tương tự, có thể thấy rằng hàm G(υct - x) đại diện cho di chuyển sóng dọc hướng
ngược phương x.
Nếu thanh ở trên bị kiềm chế khơng có biến dạng ngang, cơng thức trên có thể
viết thành:
(2-38)