Thí nghiệm máy ly tâm đánh giá phản ứng của hệ đất-kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động đất

Geo-centrifuge test evaluates response of soil-structure system under earthquake loading

Tóm tắt

Các trận động đất thường rất khó dự báo và có khả năng gây ra các thiệt hại lớn về người và tài sản, trong đó phần lớn liên quan đến sự sụp đổ của hệ đất – kết cấu cũng như các sự cố liên quan đến địa kỹ thuật. Hiện nay, để đánh giá ứng xử động của kết cấu và nền đất dưới tác dụng của tải trọng động đất bằng thực nghiệm, có hai phương pháp chính đó là sử dụng thí nghiệm mô hình bàn rung 1-G (1-G shaking table tests) và thí nghiệm mô hình máy ly tâm (geo-centrifuge tests). Khác với thí nghiệm bàn rung 1-G, trong thí nghiệm máy ly tâm, mô hình được gia tốc đến cấp độ thích hợp, do đó trọng lượng bản thân của đất và kết cấu có thể được tăng lên tương ứng với ở tỷ lệ nguyên mẫu và ứng xử của mô hình có thể được mô tả tương tự như thực tế.

Giới thiệu

Đối với thí nghiệm bàn rung 1-G, mô hình được đặt trên hệ thống bàn cố định phía dưới và chuyển động đầu vào được truyền thông qua bộ thiết bị truyền động thủy lực. Tuy nhiên, nhược điểm chính của thí nghiệm này đó là rất khó để mô tả đầy đủ ứng xử thực tế của hệ do sự khác biệt về ứng suất do trọng lượng bản thân giữa mô hình thí nghiệm và nguyên mẫu. Ý tưởng cơ bản của thí nghiệm máy ly tâm là đặt mô hình trong hệ thống máy có thể tăng gia tốc đến mức thích hợp để mô phỏng trường ứng suất nguyên mẫu. Do đó, nó mang lại nhiều ưu điểm như giảm kích thước mô hình và mô tả thực tế hơn phản ứng của hệ đất – kết cấu. Bằng cách tiến hành các thí nghiệm với mô hình quy mô nhỏ, việc tạo mô hình cũng dễ dàng hơn, có thể giảm thời gian và công sức chuẩn bị (Kim et al., 2013a).
Với lợi thế là các đặc tính biến dạng và cường độ của đất được xem xét đầy đủ, kết quả từ thí nghiệm mô hình máy ly tâm rất hữu ích để xác minh các mô phỏng số, từ đó có thể dự báo được ứng xử của hệ đất – kết cấu trong quá trình động đất. Lĩnh vực ứng dụng của mô hình máy ly tâm cũng đã mở rộng từ các bài toán địa kỹ thuật truyền thống sang các hệ thống địa kỹ thuật phức tạp hơn. Công nghệ mô hình hóa sử dụng máy ly tâm hiện đang được áp dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật địa kỹ thuật khác nhau: nền móng, tường chắn, công trình biển, các vấn đề liên quan đến động đất, nghiên cứu địa môi trường, v.v. (Kimura, 1998). Với sự phát triển của các công nghệ tiên tiến trong thiết bị máy ly tâm và thu thập dữ liệu, số lượng máy ly tâm địa kỹ thuật đã tăng lên nhanh chóng và hiện có hơn 100 máy ly tâm đang hoạt động trên toàn thế giới.

Nguyên lý của mô hình thí nghiệm máy ly tâm

Nguyên lý của mô hình thí nghiệm máy ly tâm được giới thiệu trên Hình 1. Khi mô hình được chế tạo với tỷ lệ thu nhỏ 1:N, nó sẽ được gia tốc gấp N lần trọng lực trái đất. Trong trường hợp này, ứng suất tại bất kỳ điểm nào trong mô hình cũng sẽ tương tự như điểm tương đương trên quy mô nguyên mẫu. Mô hình thí nghiệm thường được chế tạo với hình dạng giống như kết cấu thực tế nhưng ở tỷ lệ nhỏ hơn, do đó chúng ta có thể thu được ứng xử của kết cấu một cách chính xác (Kim et al., 2013a).
Các thí nghiệm mô hình được thiết kế dựa trên các luật tương tự xuất phát từ các phương trình cơ bản chi phối các hiện tượng quan tâm. Định luật tỷ lệ cơ bản của thử nghiệm máy ly tâm địa kỹ thuật bắt nguồn từ yêu cầu đảm bảo sự tương đồng về ứng suất giữa mô hình thí nghiệm và nguyên mẫu tương ứng. Khi gia tốc N lần trọng lực trái đất (g) được áp dụng cho vật liệu có trọng dung trọng ρ, ứng suất thẳng đứng σv ở độ sâu hm trong mô hình được tính là:

Ở quy mô nguyên mẫu tương ứng, ứng suất tại độ sâu hp sẽ là:

Xuất phát từ nguyên lý cơ bản về của thí mô hình máy ly tâm, các ứng suất của mô hình thí nghiệm và nguyên mẫu là giống hệt nhau tại các điểm tương đương:

và hệ số tỷ lệ cho kích thước là 1:N.

Hình 1. Nguyên lý của mô hình thí nghiệm máy ly tâm

Các hệ số tỷ lệ cơ bản cho các đại lượng vật lý trong thử nghiệm máy ly tâm được lấy dựa trên phân tích thứ nguyên sử dụng thang thứ nguyên tuyến tính này. Vì các tính chất cơ học của vật liệu địa kỹ thuật được sử dụng cho mô hình máy ly tâm giống hệt với các tính chất của vật liệu nguyên mẫu nên có thể dễ dàng xác định được các đại lượng vật lý của nó. Trong trường hợp các thành phần kết cấu, chẳng hạn như móng cọc, cần được mô phỏng trong mô hình máy ly tâm, thiết kế của các thành phần đó phải xem xét các đại lượng vật lý khác nhau chi phối hành vi của kết cấu. Ví dụ, độ cứng kháng uốn của móng cọc là thông số chính để mô phỏng ứng xử khi kết cấu chịu tải trọng ngang, do đó nó phải tuân theo hệ số tỷ lệ thích hợp. Bảng 1 cho thấy các hệ số tỷ lệ đối với các đại lượng cơ bản trong mô hình máy ly tâm.

Bảng 1. Hệ số tỷ lệ cơ bản trong mô hình thí nghiệm máy ly tâm

Đại lượngHệ số tỷ lệĐại lượngHệ số tỷ lệ
Ứng suất, Modun1Lực, tải trọngN-2
Tỷ trọng1Khối lượngN-3
Chiều dài, chuyển vịN-1Thời gian khuếch tánN-2
Trọng lựcNVận tốc sóng ứng suất1
Biến dạng1Gia tốc động đấtN
Thiết bị thí nghiệm

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy ly tâm được mô tả trong Hình 2. Nói chung, nó bao gồm một bộ mô phỏng động đất (earthquake simulator) và một hệ thống thu thập dữ liệu (data acquisition system) được kết nối với một máy ly tâm (centrifuge). Khi máy ly tâm hoạt động ở gia tốc ly tâm N(g), bộ mô phỏng động đất quay theo chiều ngang và gia tốc áp dụng cho mô hình cũng tăng lên Ng. Bằng cách này, trọng lượng bản thân của toàn bộ mô hình tăng lên, và ứng suất cũng tăng đến một giá trị giống như ở điều kiện nguyên mẫu.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của máy ly tâm (Nguyen, 2022)

Hình 3 là ví dụ về máy ly tâm của Trung tâm Thí nghiệm Máy ly tâm Địa kỹ thuật (Geotechnical Centrifuge Testing Center), thuộc viện KAIST, Hàn Quốc. Nó bao gồm một bộ mô phỏng động đất điện thủy lực gắn trên máy ly tâm. Máy ly tâm có bán kính hiệu dụng là 5 m và công suất tối đa là 240 g-tấn. Bộ mô phỏng động đất được thiết kế để hoạt động ở gia tốc ly tâm lên tới 100 g và gia tốc lắc cơ sở có thể được tác động đến giá trị tối đa là 20 g ở 40 g gia tốc ly tâm với tải trọng tối đa là 700 kg, tương ứng với 0,5 g trong quy mô nguyên mẫu. Nó có thể tạo ra các kích thích động đất kéo dài trong khoảng 2 giây, với tần số mô hình nằm trong khoảng từ 40 đến 300 Hz. Các thông số kỹ thuật chính của máy ly tâm và bộ mô phỏng động đất được liệt kê trong Bảng 2 (Kim et al., 2013b).

Hình 3. Máy ly tâm ở viện KAIST, Hàn Quốc (Nguyen et al., 2022)

Mô hình thí nghiệm thường được chế tạo và lắp đặt trong một thùng riêng biệt chuyên dụng sau đó lắp đặt vào bộ mô phỏng động đất trên máy ly tâm. Có hai kiểu thùng thường được sử dụng đó là thùng có biên cứng và thùng có biên mềm. Thùng có biên cứng không có khả năng hấp thụ các sóng phản xạ do kết cấu tạo ra, trong khi thùng có biên mềm có thể hấp thụ các sóng này để mô tả điều kiện biên sát với thực tế hơn. Hình 4 giới thiệu hai loại thùng sử dụng ở KAIST.

Bảng 2. Các thông số cơ bản của máy ly tâm ở KAIST, Hàn Quốc (Kim et al., 2013b)

ItemSpecification
Centrifuge
Platform radius5.0 m
Max. capacity240 g-tons
Max. acceleration130 g with 1,300 kg payload
Max. model payload2400 kg up to 100 g
Platform dimensions1.2 m (L) × 1.2 m (W) × 1.2 m (H)
Earthquake Simulator
Payload Dimension0.67 m (L) × 0.67 m (W) × 0.65 m (H)
Max. Model Payload700 kg
Centrifuge Acceleration Range10-100 g
Max. Shaking Acceleration (No Payload)40 g
Max. Shaking Acceleration (Full Payload)20 g
Max. Displacement6.5 mm
Max. Velocity1.0 m/s
Loading Frequency Range (Random Vibration)40-300 Hz
Loading Frequency Range (Sine Burst)40-200 Hz
Hình 4. Các loại thùng sử dụng trong chế tạo mô hình thí nghiệm máy ly tâm ở KAIST
Ví dụ thí nghiệm

Phần này trình bày ví dụ về thí nghiệm đánh giá phản ứng động của kết cấu bến trọng lực thùng chìm sử dụng máy ly tâm. Hình 4 là mặt cắt thiết kế của mô hình cùng với việc bố trí các thiết bị đo. Mô hình thí nghiệm được thiết kế với tỷ lệ 1/40 (Kim et al., 2021).

Hình 5. Mặt cắt ngang thiết kế mô hình thí nghiệm bến trọng lực thùng chìm
Hình 6. Dữ liệu động đất đầu vào cho thí nghiệm (tỷ lệ nguyên mẫu)
Hình 7. Chế tạo và lắp đặt mô hình trên máy ly tâm

Dữ liệu động đất đầu vào bao gồm 5 bản ghi gia tốc liên tiếp với PGA tăng dần như trong Hình 6. Hình 7 thể hiện quá trình chế tạo và lắp đặt mô hình.Một số kết quả cơ bản (ở tỷ lệ nguyên mẫu) thu được trong quá trình thí nghiệm được trình bày trong Hình 8 và 9.

Hình 8. Chuyển vị của thùng chìm trong quá trình thí nghiệm (tỷ lệ nguyên mẫu)
Hình 9. Gia tốc tại một số điểm đo
Kết luận

Bài viết đã giới thiệu tổng quan về mô hình thí nghiệm máy ly tâm đánh giá phản ứng của hệ đất-kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động đất. Mặc dù sử dụng mô hình thu nhỏ nhưng bằng cách gia tốc đến mức độ thích hợp, thí nghiệm có thể mô tả sát hơn ứng xử của hệ. Đây là thí nghiệm hiện đại có thể áp dụng cho nhiều dạng công trình khác nhau trong lĩnh vực địa kỹ thuật. Kết quả thí nghiệm cho chúng ta cái nhìn tổng quan và chi tiết về các vấn đề xảy ra của hệ đất – kết cấu trong quá trình động đất, đồng thời có thể sử dụng để kiểm nghiệm các mô hình phân tích số.

Nguyễn Anh Dân

Trường Đại học Giao thông Vận tải.

E-mail: [email protected]

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Kim, D.S., Kim, N.R., Choo, Y.W., and Cho, G.C. (2013a). A newly developed state-of-the-art geotechnical centrifuge in Korea: KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 77–84, DOI: 10.1007/s12205-013-1350-5.
Kim, D.S., Lee, S.H., Choo, Y.W., and Perdriat, J. (2013b). Self-balanced earthquake simulator on centrifuge and dynamic performance verification: KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 17, No. 4, pp. 651–661, DOI: 10.1007/s12205-013-1591-3.
Kim, Y.S., Nguyen, A.D., and Kang, G.O. (2021). Seismic behavior of caisson – type gravity quay wall renovated by rubble mound grouting and deepening: Geomechanics and Engineering, Vol. 27, No. 5, pp. 447–463, DOI: https://doi.org/10.12989/gae.2021.27.5.447.
Kimura, T. (1998). “Development of geotechnical centrifuges in Japan.” Centrifuge 98, Tokyo, p. 945–954.
Nguyen, A.D. (2022). Geo-centrifuge Test and Numerical Analysis for Developing Renovation Technology of Caisson-type Quay Wall by Grouting and Deepening, Chonnam National University.
Nguyen, A., Kim, Y.S., and Kang, G.O. (2022). “Comparison of dynamic behavior of caisson-type quay wall before and after renovation using geo-centrifuge test.” 10th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics, KAIST, Daejeon, Korea.