Tóm tắt Luận án Nghiên cứu tính toán kết cấu công sự bằng tôn sóng chịu tác dụng tải trọng nổ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG 
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ 
===========o O o=========== 
Lê Hải Dương 
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÔNG SỰ 
BẰNG TÔN SÓNG CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG NỔ 
 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt 
 Mã số: 9 58 02 06 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
Hà Nội - 2020
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI 
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG 
Người hướng dẫn khoa học: 
PGS.TS Nguyễn Trí Tá 
Phản biện 1: GS. TS Nguyễn Văn Lệ 
Phản biện 2: PGS. TS Vũ Quốc Anh 
Phản biện 3: TS Nguyễn Xuân Kiều 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học 
viện theo Quyết định số 4724/QĐ-HV ngày 30 tháng 12 năm 2020 của 
Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân 
sự vào hồi:.. giờ ngày ...tháng .năm 2020 
Có thể tìm hiểu luận án tại: 
- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự 
- Thư viện Quốc gia 
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 
1. Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương, (2016), “Tính kết cấu tôn sóng theo mô 
hình trực hướng”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, số 1.2016, trang 119 
– 122. 
2. Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương, (2017), “Ứng dụng phần mềm ANSYS 
tính kết cấu công sự bằng tôn sóng tương tác với môi trường chịu tác 
dụng tải trọng nổ trong đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, số 
4.2017, trang 49 – 52. 
3. Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương, (2017), “Nghiên cứu ảnh hưởng của 
phần tử tiếp xúc trong tính kết cấu công sự bằng tôn sóng tương tác với 
môi trường chịu tải trọng nổ trong đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây 
Dựng, số 7.2017, trang 254 – 257. 
4. Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương, (2018), “Nghiên cứu quá trình tương tác 
của sóng nén với kết cấu công sự do nổ trong đất”, Tạp chí Xây dựng, 
Bộ Xây Dựng, số 4.2018, trang 49 – 52. 
5. Lê Hải Dương, Nguyễn Trí Tá, Cao Chu Quang, (2018), “Thí nghiệm 
hiện trường xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của công sự bằng 
tôn sóng chịu tác dụng tải trọng nổ trong đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ 
Xây dựng, số 11.2018, trang 174-177. 
6. Lê Hải Dương, Vũ Văn Hoàng, (2019), “Thí nghiệm hiện trường xác 
định đặc tính làm việc trực hướng của tôn sóng làm kết cấu công sự 
chịu tác dụng tải trọng nổ trong đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, 
số 7.2019, trang 292-295. 
MỞ ĐẦU 
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 
Trong hệ thống công trình phòng thủ, ngoài các đường hầm, công sự 
lâu bền thì hệ thống các công sự dã chiến, trang bị mang theo bộ đội rất 
cần thiết, không thể thiếu và có vai trò quan trọng. Hệ thống công sự dã 
chiến cùng với các công trình lâu bền đã tạo nên hệ thống phòng thủ vừa 
vững chắc, vừa linh hoạt góp phần hoàn thành tốt các nhiệm vụ chiến đấu 
của bộ đội. Trong chiến tranh giải phóng đất nước và bảo vệ Tổ quốc, bộ 
đội ta đã biết tận dụng các vật liệu tại chỗ để làm công sự dã chiến. Từ 
năm 1982, một số loại công sự dã chiến bằng bê tông cốt thép, bằng cót ép 
kết hợp bao cát, bằng thép, đã được nghiên cứu chế tạo. Tuy nhiên, các 
loại công sự dã chiến hiện có còn nhiều điểm còn hạn chế, đó là khả năng 
chịu lực thấp, khối lượng mang vác vận chuyển còn lớn, thời gian lắp dựng 
còn dài. Gần đây, công sự dã chiến tiếp tục được nghiên cứu nhằm trang bị 
cho bộ đội chiến đấu phòng ngự ở các loại địa hình khác nhau. Trong đó 
phải kể đến hai công trình nghiên cứu cấp Bộ Quốc phòng do PGS. TS 
Nguyễn Trí Tá và TS Cao Chu Quang chủ trì. Hai công trình trên tập trung 
nghiên cứu về: các loại vật liệu ứng dụng làm công sự dã chiến (trong đó 
có tôn sóng, composite, vải bạt), sức sống công trình, khả năng bảo vệ sinh 
lực bên trong công sự, liên kết lắp dựng, tính cơ động,  Các loại công sự 
này thường chịu tác dụng cục bộ của các loại đạn nổ trên nóc, nổ cạnh 
tường. Khi tính toán, tách rời kết cấu ra khỏi môi trường và thừa nhận tải 
trọng tác dụng trực tiếp lên bề mặt kết cấu, vật liệu làm việc trong giai 
đoạn đàn hồi. Vấn đề đặt ra cần tiếp tục được nghiên cứu là: khả năng làm 
việc của kết cấu khi chịu tác dụng của bom đạn nằm ngoài bán kính sát 
thương; sử dụng mô hình tương tác kết câu – môi trường để phản ánh đúng 
đắn hơn mô hình làm việc thực của kết cấu; tính đến khả năng làm việc 
của vật liệu ngoài giai đoạn đàn hồi, thậm chí có thể xét đến trạng thái tới 
hạn của kết cấu. 
Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tính toán kết cấu công sự bằng tôn sóng 
chịu tác dụng tải trọng nổ” là cần được nghiên cứu, có ý nghĩa khoa học 
và thực tiễn trong xây dựng công trình chiến đấu. 
2 
Mục đích nghiên cứu của luận án 
Nghiên cứu tính toán kết cấu công sự bằng tôn sóng chịu tác dụng của 
đạn (tương đương các loại đạn pháo) nổ trong đất: xây dựng mô hình tính, 
cơ sở lý thuyết giải bài toán, ứng dụng phần mềm ANSYS vào tính kết cấu 
và khảo sát ảnh hưởng của một số tham số, thí nghiệm hiện trường xác 
định trạng thái ứng suất – biến dạng của kết cấu công sự chịu tác dụng của 
tải trọng nổ trong đất, có kể đến tính phi tuyến của vật liệu kết cấu và môi 
trường. 
Phạm vi nghiên cứu của luận án 
- Kết cấu công sự bằng tôn sóng cho công sự ẩn nấp của phân đội bộ 
binh, tổ có 3 đến 4 chiến sĩ, trong trận địa phòng ngự; 
- Nghiên cứu bài toán kết cấu – môi trường chịu tác dụng của tải trọng 
nổ có xét đến tính phi tuyến của vật liệu kết cấu và môi trường, theo sơ đồ 
không gian, quá trình liên tục từ khi nổ đến lan truyền sóng nén và tác 
dụng lên kết cấu; 
- Thử nghiệm số nghiên cứu ảnh hưởng một số tham số của kết cấu, 
môi trường, tải trọng, đến trạng thái ứng suất – biến dạng trong công sự; 
- Nghiên cứu thí ngiệm hiện trường. 
Phương pháp nghiên cứu 
Nghiên cứu lý thuyết, ứng dụng phần mềm tính toán kết cấu, thí 
nghiệm hiện trường. 
Nội dung và cấu trúc của luận án 
Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương (Chương 1: Tổng quan về tải 
trọng nổ và sử dụng tôn sóng làm kết cấu công sự; Chương 2: Cơ sở giải 
bài toán động lực học của công sự tôn sóng – môi trường bằng phương 
pháp phần tử hữu hạn; Chương 3: Thử nghiệm số nghiên cứu tương tác kết 
cấu công sự bằng tôn sóng với môi trường chịu tác dụng tải trọng nổ trong 
đất và ảnh hưởng một số thông số đến trạng thái ứng suất – biến dạng của 
công sự; Chương 4: Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường), kết luận chung, 
danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục. 
3 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TẢI TRỌNG NỔ VÀ SỬ DỤNG 
TÔN SÓNG LÀM KẾT CẤU CÔNG SỰ 
1.1. Tổng quan về các loại tải trọng nổ tác dụng lên kết cấu công sự 
Khi bom đạn nổ trong đất, với lượng thuốc nổ nhỏ hơn 100kG và 
khoảng cách nhỏ hơn 5m, tác dụng nổ lên chướng ngại có thể coi là xung 
tức thời. Trường hợp lượng nổ C và khoảng cách R lớn, thường là nằm 
ngoài vùng bán kính phá hoại, tính theo xung lượng không thích hợp, cần 
phải tính theo áp lực sóng nén. Áp lực sóng nén tác dụng lên kết cấu tính 
theo công thức: 
m3 CP A
R (kG/cm2) (1.1) 
trong đó: 
 P - Áp lực sóng nén, kG/cm2; 
R - Khoảng cách từ tâm nổ đến điểm tính toán trên kết cấu, m; 
 A và m - Các hệ số thực nghiệm phụ thuộc loại đất. 
 Khi đạn nổ trên mặt đất, ở khoảng cách gần không vượt quá 20rz (rz là 
bán kính hiệu quả của lượng nổ), áp lực nổ với thời gian rất ngắn, tác dụng 
nổ lên kết cấu công sự có thể coi là xung tức thời. Ở khoảng cách lớn hơn 
20rz, áp lực nổ lên kết cấu công sự tính theo công thức của áp lực sóng 
xung kích. 
1.2. Tôn sóng và ứng dụng trong thiết kế công trình 
 So với kết cấu phẳng, kết cấu dạng sóng có rất nhiều ưu điểm như: 
làm tăng độ cứng kháng uốn theo phương dọc sóng; làm tăng diện tích bề 
mặt, quá trình hấp thụ nhiệt và tản nhiệt nhanh; định hướng thoát nước 
theo một phương. 
 Trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, tôn sóng được sử dụng phổ 
biến làm mái che và vách ngăn công trình, là một thành phần trong cấu tạo 
và tính toán chịu lực của kết cấu sàn deck liên hợp thép - bê tông, làm 
container chứa hàng  Trong công trình giao thông, tông sóng được ứng 
dụng phổ biến làm tường hộ lan, làm sườn tăng cứng cho cầu BTCT dự 
ứng lực, làm cống qua đường, Trong quốc phòng, tôn sóng được ứng 
dụng làm công trình chiến đấu, làm nhà vòm chứa máy bay, nhà kho, 
4 
 Do đặc thù cấu tạo hình học, lý thuyết tính cấu kiện tôn sóng không 
như tính một cấu kiện đơn giản. Hiện nay, có hai phương pháp chủ yếu để 
tính kết cấu tông sóng. Một là phương pháp tính với tấm trực hướng tương 
đương: xây dựng mô hình tấm phẳng có tính chất làm việc tương đương 
với mô hình thực của tôn sóng, gọi là mô hình trực hướng tương đương 
của tôn sóng (các tác giả: Seidel; A. Samanta và M. Mukhopadhyay; 
David Wennberg; Y.Xia và M.I. Friswell;). Hai là phương pháp phần tử 
hữu hạn: xây dựng mô hình tôn sóng trên các phần mềm mô phỏng, phân 
tích kết cấu với sự trợ giúp của máy tính, trong đó ANSYS là một công cụ 
hữu hiệu. 
1.3. Tổng quan về các phương pháp tính kết cấu công sự chịu tác dụng 
tải trọng nổ trong đất 
 Cho đến nay, trên thế giời và trong nước đã có nhiều công trình 
nghiên cứu về tương tác kết cấu công trình với môi trường đất nền chịu tác 
dụng của tải trọng động. Điển hình phải kể đến: nghiên cứu ứng xử của kết 
cấu tôn sóng làm cống qua đường với môi trường đất chịu tải trọng đoàn 
xe chạy (Josehp H. Byrne); nghiên cứu về ảnh hưởng của tương tác phi 
tuyến kết cấu – nền đất dưới tác dụng của trụ cầu (Houman Ghalibaflan, 
Carlos E. Ventura, và Ricardo O. Foschi); nghiên cứu phân tích tương tác 
phi tuyến kết cấu – môi trường sử dụng khớp nối lặp (H.Zolghadr Jahromi, 
B.A. Izzudin và L.Zdravkovic ); nghiên cứu về tương tác động lực học phi 
tuyến của kết cấu với nền biến dạng (Nguyễn Tương Lai); nghiên cứu về 
tương tác kết cấu công sự - môi trường phi tuyến chịu tác dụng tải trọng nổ 
(Nguyễn Trí Tá); nghiên cứu tương tác động lực học của kết cấu công sự 
dạng tấm với nền phi tuyến chịu tải trọng sóng nổ (Vũ Công Hoằng); 
nghiên cứu trình lan truyền của sóng nổ trong môi trường san hô và tác 
động của sóng nổ đối với công trình quân sự (Nguyễn Hữu Thế). 
 Có hai quan điểm tính kết cấu công sự chịu tác dụng của tải trọng nổ: 
Quan điểm tính học (tải trọng động được thay bằng tải trọng tĩnh tương 
đương q) Quan điểm động lực học (xác định được tần số dao động, các 
tham số động học và nội lực tương ứng với trạng thái động tại vị trí các 
khối lượng trong hệ cơ bản từ đó xác định nội lực trong kết cấu). 
5 
 Các phương pháp số tính kết cấu công trình chịu tải trọng động: 
 - Phương pháp sai phân hữu hạn: Nội dung của phương pháp này là 
thay các toán tử vi phân bằng các toán tử đại số cục bộ đơn giản hơn tác 
dụng trong các nút của miền nghiên cứu. Phương pháp này ít được sử dụng 
để giải các bài toán tổng quát; 
 - Phương pháp phần tử hữu hạn: Kết cấu có thể được chia ra thành các 
phần tử nhỏ hơn, có kích thước hữu hạn và được gọi là các “phần tử hữu 
hạn”. Hệ kết cấu ban đầu được coi là tập hợp các phần tử nối với nhau tại 
một số hữu hạn các điểm gọi là “điểm nút”. Phương trình cân bằng của 
toàn kết cấu được thành lập từ tổ hợp các phương trình cân bằng của phần 
tử sao cho bảo toàn tính liên tục của chuyển vị tại các nút, nơi các phần tử 
được nối với nhau. Phương pháp này cho phép giải bài toán hệ kết cấu – 
môi trường trong một thuật toán, khả năng xây dựng các chương trình có 
tính tổng quát; 
 - Phương pháp phần tử biên: Tư tưởng cơ bản của phương pháp này là 
không dựa vào việc nghiên cứu các đại lượng cần tìm trực tiếp trên toàn 
miền đã cho, mà chỉ nghiên cứu các phần tử trên biên của miền; 
 - Phương pháp hạt không lưới SPH: Cơ sở của phương pháp là giải bài 
toán tích phân của hàm lõi W(r), với vị trí r trong miền tính toán W, rất 
phù hợp cho mô phỏng sự lan truyền sóng xung kích lan truyền trong 
không khí. 
1.4. Kết luận chương 1 
Trong chương này, tác giả trình bày một cách tổng quát về các loại tải 
trọng nổ tác dụng lên kết cấu công sự, về các mô hình phi tuyến của môi 
trường và vật liệu kết cấu, tổng quan về tôn sóng và ứng dụng tôn sóng 
trong thiết kế công trình, các phương pháp tính toán kết cấu tôn sóng. Trên 
cơ sở phân tích một số công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 
về bài toán tương tác kết cấu công sự với môi trường chịu tác dụng tải 
trọng nổ có kể đến tính phi tuyến, nghiên cứu các phương pháp tính kết 
cấu công sự chịu tác dụng tải trọng nổ. 
Từ nghiên cứu tổng quan cho thấy việc tính toán kết cấu công sự chịu 
tác dụng của tải trọng nổ do bom đạn gây ra còn một số vấn đề chưa được 
6 
giải quyết đầy đủ là: bài toán tương tác giữa kết cấu và môi trường theo 
mô hình không gian 3D, làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi, chịu tác dụng 
của tải trọng nổ do bom đạn có xét đến sự tách trượt trên bề mặt kết cấu và 
môi trường. Đặc biệt, nghiên cứu ứng dụng vật liệu tôn sóng cho kết cấu 
công sự trong nước cũng còn ít công bố. 
Luận án sẽ tập trung nghiên cứu giải quyết nội dung sau: Nghiên cứu 
tính toán kết cấu công sự bằng tôn sóng theo mô hình không gian, kể đến 
tính phi tuyến của vật liệu kết cấu và môi trường, tải trọng nổ trong môi 
trường, có xét đến sự tách trượt trên bề mặt kết cấu. Luận án sử dụng 
phương pháp PTHH, ứng dụng phần mềm ANSYS làm công cụ tính, thí 
nghiệm hiện trường làm cơ sở đánh giá độ tin cậy phương pháp nghiên 
cứu và phần mềm ứng dụng làm công cụ tính. 
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÔNG SỰ 
TÔN SÓNG - MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 
2.1. Đặt bài toán, mô hình tính 
Tính toán công sự dã chiến điển 
hình, là công sự ẩn nấp của tổ đội bộ 
binh từ 3  4 người, kích thước 
thông thủy phần thân: rộng x dài x 
cao = B x L x H = 1,4 x 2,25 x 1,7 
(m). Công sự đặt trong môi trường 
đất á cát, chịu tác dụng của tải trọng 
nổ ngang thân tường, cách tường 
công sự một khoảng nhất định. 
Hình 2.1: Mô hình công sự 
Tôn sóng làm công sự được chế tạo từ thép CCT38, chiều dày  = 
3mm, biên độ sóng hs = 5cm, chiều dài bước sóng Ts = 15cm. Mô hình vật 
liệu kết cấu là mô hình đàn – dẻo tam tuyến tính. Mô hình vật liệu của môi 
trường là mô hình đàn – dẻo của Druker – Prager. Mô hình phần tử tiếp 
xúc là mô hình của R.Goodman, đã được chính R.Goodman và Mahtab 
mở rộng cho bài toán không gian ba chiều có kể đến vết nứt và sự tách 
trượt. Mô hình tải trọng là mô hình sóng nén hình thành do đạn nổ trong 
đất (công thức 1.1). 
7 
Hình 2.2: Mô hình đàn - dẻo tam 
tuyến tính 
Hình 2.3: Mặt giới hạn dẻo theo 
điều kiện Druker – Prager 
2.2. Cơ sở lý thuyết động lực học tính kết cấu công sự chịu tác dụng tải 
trọng nổ trong đất 
Đối với bài toán động, khi dao động trong hệ kết cấu - môi trường sẽ 
xuất hiện lực quán tính và lực cản nhớt, các lực này có thể coi là lực khối, 
có phương trình chuyển động của hệ: 
          M U C U K U R   (2.1) 
trong đó: 
[M] - Ma trận khối lượng tổng thể của hệ; 
[C] - Ma trận cản của hệ; 
[K] - Ma trận độ cứng tổng thể của hệ; 
{R} - Véc tơ ngoại lực của hệ (do lực bề mặt và lực khối); 
   U , U , U  - Tương ứng véc tơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị của hệ. 
Đối với vật liệu ứng xử phi tuyến, ma trận vật liệu [D] không là hằng 
số, mà phụ thuộc biến dạng ngoài giai đoạn đàn hồi  ...  phỏng tính toán bằng phần mềm ANSYS 
Kết quả phân tích bài toán ứng với mỗi trường hợp lượng nổ được 
tổng hợp theo (Bảng 3.2). 
Bảng 3.2: Kết quả tính theo phương pháp PTHH (bài toán tiếp xúc) 
 1,0 kG 1,5 kG 2,0 kG 
max (Mpa) 122,42 175,9 427,85 
umax (mm) 1,66 2,75 53,61 
max (%) 0,0017 0,0026 0,1663 
So sánh kết quả kết quả thu được giữa tính theo phương pháp truyền 
thống và phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm ANSYS mô phỏng quá 
trình tương tác két cấu – môi trường (Hình 3.2) 
Hình 3.2: Ứng suất theo phương pháp truyền thống và phương pháp PTHH 
14 
C(TNT) 
Chỉ số 
Nhận xét: 
Trong giai đoạn đàn hồi, phương pháp truyền thống tính đơn giản hơn, 
thiên về an toàn, nhưng chưa kể đến tính tương tác và làm việc đồng thời 
của môi trường. Trong khi phương pháp PTHH, mô phỏng mô hình làm 
việc đồng thời, phát huy tối đa khả năng làm việc của hệ kết cấu – môi 
trường. Môi trường có vai trò quan trọng, làm giảm tác dụng của tải trọng 
động lên kết cấu công sự, việc sử dụng mô hình tương tác kết cấu – môi 
trường là rất cần thiết. 
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số đến trạng thái ứng suất – 
biến dạng trong kết cấu công sự bằng tôn sóng 
3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của việc kể đến sự tách trượt của môi trường 
trên bề mặt kết cấu 
Khảo sát bài toán (mục 3.1.1), sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS theo 
phương pháp PTHH. Tại bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu công sự và môi 
trường đất, có xét đến yếu tố tách trượt (gọi là bài toán tách trượt). 
Bảng 3.3: Kết quả tính theo phương pháp PTHH (bài toán tách trượt) 
 1,0 kG 1,5 kG 2,0 kG 
max (Mpa) 319,98 343,5 421,09 
umax (mm) 4,46 7,45 24,45 
max (%) 0,0065 0,0092 0,1741 
So sánh kết quả tính giữa mô hình bài toán tiếp xúc và mô hình bài 
toán tách trượt: 
Hình 3.3: Biểu đồ so sánh ứng suất trên kết cấu công sự 
15 
Hình 3.41: Biểu đồ so sánh Hình 3.5: Biểu đồ so sánh 
chuyển vị trên kết cấu công sự biến dạng trên kết cấu công sự 
Nhận xét: Quy luật phát triển khác nhau của biểu đồ ứng suất và biểu đồ 
chuyển vị, trong khi quy luật tương tự nhau của biến dạng. Cho thấy, mô 
hình tiếp xúc ảnh hưởng nhiều đến ứng xử làm việc của công sự trong bài 
toán tương tác kết cấu – môi trường. 
3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự tương tác theo thời gian giữa sóng 
nén và kết cấu công sự 
Mục đích nhằm xem xét quá 
trình lan truyền sóng nén trong đất 
từ khi bắt đầu phản ứng nổ đến tác 
dụng của sóng nén lên kết cấu công 
sự bằng tôn sóng. 
Khảo sát bài toán (mục 3.1.1), 
tại bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu công 
sự và môi trường có xét đến yếu tố 
tách trượt. 
Hình 3.6: Vị trí đạt ứng suất, biến 
dạng lớn nhất 
Lượng thuốc nổ C = 3,6 kG, thay đổi khoảng cách đặt lượng nổ đến 
tường công sự lần lượt là R = 2,0m, R = 3,2m, R = 3,8m, và R = 4,4m. 
Kết quả khảo sát với khoảng cách đặt lượng nổ R = 3,2m: 
Hình 3.7: Ứng suất theo thời gian tại tường trước công sự, R = 3,2m 
16 
Hình 3.8: Biến dạng theo thời gian tại tường trước công sự, R = 3,2m 
Bảng 3.4: Tổng hợp kết quả tính với C = 3,6kG ở khoảng cách khác nhau 
Khoảng cách R 2,0 m 3,2 m 3,8 m 4,4m 
Biến dạng (%) 0,1921 0,0643 0,0376 0,0276 
Ứng suất (MPa) 438,7 315,3 230,7 156,5 
Thời gian truyền áp lực x10-2 (s) 0,72 1,45 1,80 2,12 
Thời gian đạt ứng suất cực đại x10-2 (s) 1,26 1,80 2,15 3,60 
Tốc độ truyền sóng đàn hồi a0 (m/s) 277 221 211 207 
trong đó: 
- Thời gian truyền áp lực: tính từ khi phản ứng nổ đến thời điểm áp 
lực tăng đột ngột gây ra ứng suất (biến dạng) tăng đột biến; 
- Thời gian đạt ứng suất cực đại: tính từ khi phản ứng nổ đến thời 
điểm ứng suất (biến dạng) đạt cực đại; 
- Tốc độ truyền sóng đàn hồi bằng khoảng cách từ tâm nổ đến công sự 
(R) chia cho thời gian truyền áp lực. 
Nhận xét: Có sự lan truyền áp lực trong đất mà không phải là sóng nổ, đó 
là sự nép ép đàn hồi của môi trường, gọi là lan truyền đàn hồi của môi 
trường, kết cấu chưa chịu tác dụng của sóng nén. Khi khảo sát bằng các 
phần mềm như SAP2000, ETAB, Plaxis  thường cho kết quả ngay của 
sóng nén tác dụng lên kết cấu, không có khoảng thời gian trễ. 
3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tấm chắn 
Mô hình và số liệu của bài 
toán tách trượt (mục 3.2.1), tấm 
chắn bằng gỗ dày 15cm, cách 
tường công sự 50cm. Giả thiết gỗ 
là vật liệu đẳng hướng, có mô 
đun đàn hồi E = 8500 MPa, ứng 
suất giới hạn [] = 10 MPa. 
c
Hình 3.8: Mô hình bài toán có tấm chắn 
17 
So sánh với trường hợp không có tấm chắn, ta được: 
Hình 3.9: Biểu đồ so sánh biến dạng 
trên kết cấu công sự 
Hình 3.10: Biểu đồ so sánh ứng suất 
trên kết cấu công sự 
Nhận xét: Tấm chắn làm giảm đáng kể áp lực sóng nén tác dụng lên kết 
cấu công sự. Khi có tấm chắn, kết cấu công sự làm việc hoàn toàn trong 
giai đoạn đàn hồi, biến dạng trên kết cấu là rất nhỏ. Vì vậy trong xây dựng 
công sự nên bố trí tấm chắn khi có thể, kể cả việc tận dụng vật liệu tại chỗ 
như gỗ, tre,  
3.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng sóng tôn 
Phân tích với kết cấu tôn sóng gấp nếp có cùng chiều dày, cùng chu 
kỳ, cùng biên độ so với tôn sóng tròn trơn, số liệu bài toán tách trượt (mục 
3.2.1). Kết quả như sau: 
Bảng 3.5: So sánh kết quả tính giữa tôn tròn trơn và tôn gấp nếp 
Lượng nổ C (kG) 1,0 1,5 2,0 
Ứng suất trong tôn tròn trơn (MPa) 319,98 343,50 421,09 
Ứng suất trong tôn gấp nếp (MPa) 289,29 326,78 402.14 
Chênh lệch (%) -9,59 -4,89 -4.50 
Nhận xét: Hình dạng múi tôn có ảnh hưởng đến kết quả tính, tuy nhiên kết 
quả tính sai khác không nhiều. Nguyên nhân chủ yếu xác định là do có sự 
thay đổi về thông số đặc trưng hình học như: diện tích tiết diện, mô men 
quán tính tiết diện, mô men kháng uốn 
3.3. Kết luận chương 3 
Kết quả cho thấy việc lựa chọn mô hình nghiên cứu phù hợp với phương 
pháp nghiên cứu, sát với mô hình làm việc thực tế của công sự, đánh giá khả 
18 
năng làm việc của công sự trong một mô hình tổng thể, phát huy tối đa hiệu 
quả làm việc của vật liệu, nâng cao sức sống công sự trận địa. 
Kết cấu công sự có thể làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi, vẫn đảm bảo 
an toàn chịu lực, có thể có biến dạng lớn, chuyển vị lớn nhưng vẫn đảm 
bảo tính ổn định, bảo vệ sinh lực bên trong, phù hợp với tính chất làm việc 
của công sự dã chiến, nâng cao hiệu quả sử dụng, tăng tính kinh tế, đáp 
ứng yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo an toàn khi sử dụng. 
Có thể dùng mô phòng nổ để xác định tốc độ lan truyền sóng nén 
trong các môi trường khác nhau là một giải pháp cần được xem xét đến 
khắc phục những khó khăn khi tiến hành các thí nghiệm hiện trường. Đồng 
thời, cần nghiên cứu ứng dụng đối với các loại vật liệu khác nhau, các loại 
vật liệu mới, các giải pháp gia công cấu trúc hình học khác nhau nhằm 
phát huy tối đa khả năng làm việc của vật liệu, cũng như các giải pháp 
ngăn chặn có hiệu quả tác động của sóng nổ lên kết cấu công sự. 
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 
4.1. Mục đích, nội dung của thí nghiệm 
 Mục đích: Xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của kết cấu công 
sự chịu tác dụng của sóng nổ lan truyền trong đất gây ra. 
 Nội dung: Đo biến dạng tại điểm giữa tường cấu công sự, ngang vị trí 
tâm nổ (điểm đo 1, Hình 4.1), xác định biến dạng tại điểm nguy hiểm nhất 
trên kết cấu công sự dưới tác dụng của lượng nổ khác nhau. Từ kết quả 
biến dạng đo được, xác định được ứng suất tại điểm đo trên kết cấu. 
4.2. Mô hình thí nghiệm 
Công sự được làm bằng vật liệu 
thép CCT38 (TCVN5575-2012), 
dày 3mm, biên độ sóng 5cm, chu kỳ 
sóng 15cm. Kích thước công sự ẩn 
nấp B x L x H = 1,4 x 2,25 x 1,7 
(m). 
Mô hình thí nghiệm là mô hình 
công sự thực, được nghiên cứu, sản 
xuất, thử nghiệm theo nội dung đề 
tài NCKH cấp BQP 
Hình 4.1: Mô hình thí nghiệm công sự 
19 
Hình 4.2: Công sự thí nghiệm 
Hình 4.3: Đo số liệu 
4.3. Kết quả thí nghiệm 
4.3.1. Thí nghiệm 1: Nghiên cứu đặc tính trực hướng của tôn sóng làm kết cấu công sự 
 Thí nghiệm với 3 lượng nổ ở với 3 điều kiện địa chất khác khau, cùng 
khoảng cách R = 2,0m. Đo biến dạng theo hai phương (dọc, ngang sóng tôn): 
 - Lượng nổ C = 1,0kG, môi trường đất mềm (Hình 4.4 và Hình 4.5); 
 - Lượng nổ C = 1,5kG, môi trường đất chặt (Hình 4.6 và Hình 4.7); 
 - Lượng nổ C = 2,0kG, môi trường đất tơi xốp (Hình 4.8 và Hình 4.9). 
Hình 4.4: Biểu đồ biến dạng 
Hình 4.5: Biểu đồ ứng suất 
Hình 4.6: Biểu đồ biến dạng Hình 4.7: Biểu đồ ứng suất 
20 
Hình 4.8: Biểu đồ biến dạng Hình 4.9: Biểu đồ ứng suất 
Nhận xét: có sự chênh lệch khá lớn về kết quả đo biến dạng theo hai 
phương của sóng tôn. Giá trị biến dạng cực đại theo phương dọc sóng tôn 
lớn hơn nhiều so với giá trị tương ứng theo phương ngang sóng tôn 
(khoảng 3 lần). Kết cấu tôn sóng làm việc trực hướng 
4.3.2. Thí nghiệm 2: Nghiên cứu tương tác công sự tôn sóng với môi 
trường chịu tác dụng tải trọng nổ trong đất 
Thí nghiệm với 3 lượng nổ ở cùng điều kiện địa chất đất mềm, ở 3 
khoảng cách R khác nhau. Đo biến dạng theo phương dọc sóng tôn: 
 - Lượng nổ C = 0,4kG, khoảng cách R = 1,8m (Hình 4.10 và Hình 4.11); 
- Lượng nổ C = 2,0kG, khoảng cách R = 3,2m (Hình 4.12 và Hình 4.13); 
- Lượng nổ C = 1,0kG, khoảng cách R = 2,0m (Hình 4.14 và Hình 4.15); 
Hình 4.10: Biểu đồ biến dạng 
Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất 
Hình 4.12: Biểu đồ biến dạng 
Hình 4.13: Biểu đồ ứng suất 
21 
Hình 4.14: Biểu đồ biến dạng 
Hình 4.15: Biểu đồ ứng suất 
Bảng 4.1: So sánh kết quả tính bằng phần mềm mô phỏng với kết quả thí 
nghiệm hiện trường (lượng nổ C = 1,0 kG) 
Chỉ số Mô hình Bài toán tiếp xúc 
Mô hình 
Bài toán tách trượt 
Thí nghiệm 
hiện trường 
ymax (MPa) 122,42 319,98 103,67 
Nhận xét: Kết quả thí nghiệm nhỏ hơn kết quả tính toán bằng phần mềm 
mô phỏng, Phản ánh việc tính toán theo lý thuyết thiên về an toàn hơn bài 
toán thực tế. Trong thực tế, năng lượng nổ bị tiêu tán qua phễu nổ tung và 
khe nứt của môi trường nhiều hơn tính toán theo lý thuyết. 
4.3.3. Thí nghiệm 3: Xác định trạng thái làm việc của công sự ẩn nấp chịu 
tác dụng tương đương đạn pháo 130mm nổ trong đất 
 Thí nghiệm với lượng nổ C = 3,6kG (tương đương đạn pháo 130mm), 
khoảng cách R = 1,8m. Đo biến dạng theo phương dọc sóng tôn (Hình 4.16). 
Nhận xét: Tải trọng tác dụng của 
sóng nén tiệm cận gần đến tác dụng 
của xung nổ, biến dạng dư lớn, vật 
liệu đã bị chảy dẻo, kết cấu làm việc 
ngoài giai đoạn đàn - dẻo nhưng vẫn 
đảm bảo ổn định. Công sự an toàn. 
 Hình 4.16: Biểu đồ biến dạng 
4.3.4. Thí nghiệm 4: Xác định trạng thái làm việc của công sự chỉ huy chịu 
tác dụng nổ trong đất 
Thí nghiệm với lượng nổ C = 2,0kG, công sự chỉ huy, khoảng cách R 
= 1,6m. Đo biến dạng theo phương dọc sóng tôn (Hình 4.17 và hình 4.18). 
22 
Hình 4.17: Biểu đồ biến dạng 
Hình 4.15: Biểu đồ biến dạng 
Nhận xét: biến dạng dư ổn định (xấp xỉ 0,14%). Biến dạng dư vượt qua 
ngưỡng của giới hạn đàn hồi (0,05%), chuyển sang giai đoạn đàn dẻo, ứng 
suất lớn nhất xác định được max = 365,98 MPa, xấp xỉ ngưỡng của giới 
hạn đàn dẻo khi có tính đến hệ số gia tăng cường độ của vật liệu khi chịu 
tác dụng của tải trọng động ngắn hạn. Công sự ổn định, đảm bảo an toàn. 
4.4. Kết luận chương 4 
Thí nghiệm được tiến hành trên mô hình công sự thực bằng tôn sóng, 
mô hình được nghiên cứu, sản xuất, thử nghiệm theo nhiệm vụ nghiên cứu 
khoa học cấp Bộ Quốc phòng, đã được nghiệm thu đạt kết quả tốt. 
 Số liệu đo được từ thí nghiệm hiện trường phản ánh đúng quy luật của 
sóng nén lan truyền trong đất, và tương tác của sóng nén lên kết cấu công 
sự nằm trong đất. 
 Kết quả thí nghiệm phán ánh tính chất làm việc trực hướng của tôn 
sóng làm kết cấu công sự, phù hợp với nghiên cứu về mặt lý thuyết và thử 
nghiệm số. 
 Kết quả thí nghiệm được phân tích, so sánh với kết quả phân tích bằng 
phần mềm mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn. Trong đó, thí 
nghiệm hiện trường cho kết quả nhỏ hơn, phản ánh tính thực tiễn của thí 
nghiệm hiện trường cũng như tính thiên về an toàn trong các phương pháp 
tính toán hiện nay. Đặt ra vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu về mặt lý thuyết 
cũng như khai thác phần mềm ứng dụng để hoàn thiện trong tính toán, sát 
với điều kiện thực tế. 
 Sai số giữa kết quả tính bằng phần mềm mô phỏng ANSYS trên mô 
hình tương tác với kết quả thí nghiệm hiện trường là chấp nhận được. Cho 
thấy, kết quả nghiên cứu bằng phần mềm mô phỏng ANSYS trên mô hình 
tương tác đảm bảo độ tin cậy, có tính khả thi. 
23 
KẾT LUẬN CHUNG 
1. Các kết quả mới và chính của luận án 
- Bài toán nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn xây dựng công 
trình quốc phòng nói chung và xây dựng hệ thống công sự trận địa nói 
riêng nhằm chuẩn sẵn sàng chiến đấu trong điều kiện tác chiến mới. 
Nghiên cứu với mô hình công sự thật, đang được nghiên cứu đồng bộ các 
chỉ tiêu chiến kỹ thuật, có tính ứng dụng cao, có khả năng được trang bị 
cho các đơn vị huấn luyện sẵn sàng chiến đấu, phục cho các nhiệm vụ cụ 
thể khi tình huống tác chiến xảy ra; 
- Sử dụng phần mềm ANSYS tiến hành phân tích các bài toán tương 
tác giữa kết cấu công sự bằng tôn sóng với môi trường đất á cát chịu tác 
dụng tải trọng nổ trong đất, khảo sát sự thay đổi của các tham số để thấy 
sự ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất – biến dạng trên kết cấu công sự; 
- Thí nghiệm hiện trường trên mô hình công sự thật, khối lượng lượng 
nổ tương đương với phương tiện sát thương dự kiến sử dụng trong chiến 
tranh, điều kiện thí nghiệm tương tự điều kiện làm việc thực tế của công 
sự. Do đó, kết quả thí nghiệm phản ánh sát thực nhất tính chất làm việc 
của công sự, là cơ sở để đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán theo lý 
thuyết truyền thống và kết quả phân tích bằng phần mềm ANSYS với mô 
hình và phương pháp nghiên cứu đã chọn. 
2. Các kết quả mới của luận án 
- Áp dụng phần mềm chuyên dùng (ANSYS) giải quyết bài toán 
chuyên môn về tương tác giữa kết cấu công sự bằng tôn sóng với môi 
trường đất chịu tác dụng tải trọng nổ trong đất theo mô hình không gian, 
tải trọng do nổ trong đất là liên tục từ thời điểm phản ứng nổ đến quá trình 
tác dụng lên kết cấu, vật liệu kết cấu và môi trường làm việc ngoài giai 
đoạn đàn hồi. Các kết quả khảo sát cho thấy phương pháp nghiên cứu có 
độ tin cậy, các khuyến nghị kỹ thuật có thể làm tài liệu tham khảo cho tính 
toán, thiết kế và sử dụng cho kết cấu công sự bằng tôn sóng; 
- Nghiên cứu thí nghiệm tại hiện trường với mô hình công sự thực và 
điều kiện thí nghiệm sát với thực tế chiến đấu. Kết quả đạt được cho thấy 
sự tương đồng giữa lý thuyết và thí nghiệm thực tế, làm phong phú thêm 
hoạt động thí nghiệm của lĩnh vực nghiên cứu. 
24 
3. Các vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo sau luận án 
- Tiếp tục giải quyết các bài toán trên đối với các loại vật liệu mới 
nghiên cứu trong thiết kế, chế tạo công sự; 
- Phân tích bài toán tương tự với mô hình tải trọng tổng thể, bao gồm 
tác dụng cục bộ và truyền sóng, xuyên suốt quá trình va chạm – xuyên – 
nổ - truyền sóng; 
- Tính toán kết cấu bằng tôn sóng theo mô hình trực hướng chịu tác 
dụng tải trọng sóng nổ. 
- Nghiên cứu tính toán kết cấu công sự dã chiến làm việc trong điều 
kiện biến dạng lớn.