Thí nghiệm khả năng giảm áp lực nổ lên kết cấu đặt trong môi trường đất bằng vật liệu đàn hồi - Lê Anh Tuấn

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 19 
THÍ NGHIỆM KHẢ NĂNG GIẢM ÁP LỰC NỔ LÊN KẾT CẤU ĐẶT 
TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT BẰNG VẬT LIỆU ĐÀN HỒI 
TS.LÊ ANH TUẤN, ThS.NGUYỄN CÔNG NGHỊ, ThS.TẠ ĐỨC TUÂN 
Học viện Kỹ thuật Quân sự 
Tóm tắt:Bài báo trình bày nghiên cứu thực 
nghiệm hiện trường về khả năng hấp thụ, tiêu tán 
năng lượng nổ của vật liệu đàn hồi. Kết quả thí 
nghiệm nổ trong đất cho thấy vật liệu đàn hồi làm 
suy giảm đáng kể giá trị cực đại của giá trị sóng nổ 
và làm thay đổi dạng biểu đồ áp lực theo thời gian, 
kéo dài thời gian áp lực sóng nổ đạt đến giá trị cực 
đại. 
Từ khóa: Sóng nổ, vật liệu đàn hồi, hấp thụ, 
tiêu tán. 
Abstract: This paper presents experimental 
research on the energy absorption, dissipation 
possibility of elastomer materials. The results of the 
explosion tests in the soil showed that the elastic 
material significantly reduced the maximum value of 
the explosive wave value, deforming the pressure 
graph over time, extending the time the explosion 
pressure reached the maximum value and reducing 
the momentum of compression wave at the 
measurement point. 
Keywords: explosive wave, possibility of 
elastomer materials, absorption, dissipation. 
1. Mở đầu 
Tác dụng của vụ nổ gây ra áp lực và rung động 
lớn lên kết cấu công trình làm ảnh hưởng lớn đến 
sự ổn định của công trình và hoạt động của con 
người trên công trình. Do đó cần có các nghiên cứu 
làm giảm áp lực nổ cho công trình từ đó làm giảm 
nội lực trên kết cấu. Khi giảm được nội lực do tải 
trọng động sẽ cho phép giảm được kích thước tiết 
diện của kết cấu và tăng sự ổn định cho công trình. 
Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng các vật 
liệu đàn hồi chống rung động cho các công trình 
chịu tác dụng rung động từ hệ thống đường sắt cao 
tốc, hệ thống nhà xưởng đã được ứng dụng rộng rãi 
và đem lại hiệu quả lớn [5]. Bên cạnh đó đã có một 
số nghiên cứu sử dụng các vật liệu đàn hồi cho kết 
cấu chịu tác động nổ. 
Trong nước, đã có một số công trình nghiên 
cứu đưa ra được phương pháp giảm dao động 
bằng các thiết bị tiêu tán năng lượng. Tuy nhiên, 
các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các 
phương pháp giảm dao động cho kết cấu nhà cao 
tầng chịu tác động của các loại tải ngang như gió và 
động đất bằng các thiết bị giảm chấn và cách chấn 
như TMD (Tuned Mass Damper), TLD (Tuned 
Liquid Damper),... Với yêu cầu chế tạo phức tạp, 
quá trình sử dụng cần bảo dưỡng thường xuyên [1]. 
Các nghiên cứu về ứng dụng các vật liệu đàn hồi để 
hấp thụ năng lượng, giảm áp lực nổ cho các công 
trình quân sự ít được đề cập đến. 
Việc sử dụng các thiết bị chuyên dụng kiểu 
TMD, TLD không thực sự phù hợp với điều kiện xây 
dựng và làm việc của các công trình quân sự 
thường dìm sâu dưới đất, đòi hỏi thời gian xây 
dựng nhanh chóng, không gian nhỏ hẹp, không có 
điều kiện bảo dưỡng thường xuyên. Cũng như các 
dạng công trình này được tính toán chịu tác dụng 
cực hạn do bom đạn nổ gây ra với áp lực lớn và 
thời gian tác dụng rất ngắn, do đó việc nghiên cứu 
giải pháp làm giảm tác dụng của áp lực do vụ nổ 
gây ra là hết sức cần thiết. 
Một trong những giải pháp đặt ra nhằm giảm áp 
lực nổ lên kết cấu công trình đặc thù là sử dụng các 
lớp vật liệu có khả năng đàn hồi tốt nhằm hấp thụ 
và tiêu tán năng lượng của tải trọng tác dụng vào 
kết cấu [5], [8]. Các sản phẩm từ vật liệu đàn hồi 
thường được chế tạo dạng tấm nên dễ thi công và 
phù hợp với việc tạo ra các lớp giảm chấn hoặc gia 
cường cho kết cấu nhằm giảm tác dụng do xung nổ 
gây ra [7]. 
Áp lực sóng nén tác dụng lên công sự được xác 
định bằng các công thức thực nghiệm, phụ thuộc 
vào các tham số của môi trường đất đá, do vậy độ 
chính xác không cao. Trong nội dung nghiên cứu sử 
dụng thí nghiệm trong môi trường đồng nhất, khối 
lượng chất nổ và chiều sâu chôn chất nổ như nhau 
và đo bằng các đầu đo áp lực sóng nén để lấy năng 
lượng nổ tương đương trong mỗi lần thí nghiệm so 
sánh. 
2.Các đặc trưng của vật liệu đàn hồi 
 Vật liệu có tính đàn hồi tốt được nghiên cứu 
ứng dụng trong chống rung động và hấp thụ năng 
lượng thường được chia làm hai loại là vật liệu đàn 
KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
20 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 
hồi không nén được (incompressible elastic) và vật 
liệu đàn hồi dạng xốp nén được (incompressible 
foam). Trong phần này trình bày các đặc trưng cơ 
bản của hai dạng vật liệu này. 
2.1. Đặc trưng vật liệu đàn hồi không nén được 
Một trong những đặc trưng cơ bản nhất của 
loại vật liệu này là tính đàn hồi rất cao đặc biệt 
khi so sánh tính chất này với các loại vật liệu 
khác như thép, nhựa, bê tông, Có thể biểu 
diễn tính chất của vật liệu dưới dạng kết hợp 
của lò xo đàn hồi và khả năng cản của vật liệu. 
Đặc trưng quan trọng về khả năng đàn hồi của 
vật liệu là khả năng phục hồi trạng thái ban đầu 
của vật liệu sau khi bị kéo, nén và biến dạng 
bất kỳ theo cách nào khi tác nhân gây biến 
dạng bị loại bỏ. 
Hình 1. Biểu diễn tính chất của vật liệu đàn hồi dạng không nén được 
Vật liệu đàn hồi có khả năng phục hồi trạng thái 
ban đầu cao gấp khoảng 400 lần so với vật liệu thép. 
So với vật liệu đàn hồi, thép bao gồm các nguyên tử 
kim loại được sắp xếp theo mạng lưới tinh thể trong 
khi cấu trúc vật liệu đàn hồi bao gồm các dạng phân 
tử sợi dài. Khi ở trạng thái thông thường các phân tử 
của vật liệu đàn hồi không được định hướng theo 
dạng thẳng mà theo trạng thái dạng cuộn. Dưới tác 
dụng của áp lực ngoài các phần tử dạng cuộn không 
định hướng này sẽ được sắp xếp theo thứ tự. Cấu 
trúc vật liệu và quan hệ ứng suất - biến dạng được thể 
hiện trong các hình 2 và hình 3[4]. 
Hình 2.Cấu trúc phần tử vật liệu đàn hồi dạng không nén được 
Hình 3.Đường cong ứng suất - biến dạng kim loại, chất dẻo thông thường và vật liệu đàn hồi không nén được 
KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 21 
2.2. Đặc trưng vật liệu đàn hồi nén được 
Vật liệu cấu trúc dạng xốp là vật liệu có mật độ thấp 
biểu diễn quan hệ phi tuyến tính và thường được dùng 
trong các ứng dụng hấp thụ năng lượng. Cấu trúc dạng 
xốp được phân loại theo dạng lỗ rỗng mở hoặc đóng kín 
(hình 4). Các lỗ rỗng đóng kín được ngăn cách bởi các 
vách ngăn của pha rắn vật liệu sẽ ngăn không cho không 
khí thoát ra ngoài các lỗ rỗng. Còn đối với các lỗ rỗng mở 
là cấu trúc dạng xương cho phép không khí có thể luân 
chuyển giữa các lỗ rỗng. 
Hình 4. Cấu trúc lỗ rỗng mở (a) và lỗ rỗng đóng kín (b) 
Đối với cấu trúc xốp dạng lỗ rỗng đường 
cong quan hệ ứng suất - Biến dạng được chia 
thành ba giai đoạn. Ban đầu là quan hệ tuyến 
tính thể hiện ứng xử quá trình trước khi bị ép 
sát của cấu trúc lỗ rỗng, sau đó là quá trình ép 
sát của màng hoặc xương trong cấu trúc lỗ rỗng 
và cuối cùng là quá trình ép chặt của pha rắn 
vật liệu trên hình 5. 
Hình 5. Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng vật liệu đàn hồi nén được 
Khi chịu áp lực nổ, nếu kết cấu đàn hồi xốp thì 
cấu trúc lỗ rỗng mở sẽ phức tạp hơn trong ứng 
xử với tác dụng của áp lực. Khi cấu trúc lỗ rỗng 
mở không có lớp màng chắn phía trước không khí 
áp suất cao sẽ đi vào trong lỗ rỗng trước khi quá 
trình nén xảy ra, sau đó khi cấu trúc vật liệu bị 
nén không khí có thể thoát ra ngoài. Trong trường 
hợp có lớp màng chắn phía trước cho phép 
không khí bên trong vật liệu bị nén ép tạo thành 
phản áp với áp lực nổ, quá trình tiếp theo là sự 
nén ép vật liệu làm cho không khí bên trong lỗ 
rỗng vượt quá áp lực và bắt đầu thoát ra ngoài. 
KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
22 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 
Quá trình thay đổi áp lực không khí bên trong lỗ 
rỗng và sự nén ép cấu trúc vật liệu do nén ép của 
áp lực sẽ làm tiêu tán áp lực khi đi qua lớp vật 
liệu dạng này [6]. 
Hình 6. Sự khác biệt luồng khí vào và ra lỗ rỗng trong quá trình bị nén 
3. Thực nghiệm đánh giá khả năng giảm áp lực 
nổ của vật liệu đàn hồi dạng xốp 
 Nhằm đánh giá khả năng hấp thụ và giảm áp 
lực nổ của vật liệu đàn hồi, tiến hành thí nghiệm nổ 
trong môi trường cát đồng nhất và đo các áp lực 
trong môi trường bằng các đầu đo áp lực ở hai 
trường hợp có và không có lớp đệm bằng vật liệu 
đàn hồi cao xu xốp dạng tấm trước đầu đo. 
3.1. Mô tả thí nghiệm 
 Tiến hành thí nghiệm nổ trong môi trường cát 
đồng nhất, kích thước vùng thí nghiệm 1.5x1.5x1m; 
lượng nổ TNT 25g chôn độ sâu 0.4m; 01 đầu đo áp 
lực đất KDC-1MPa và 03 đầu đo áp lực đất KDE-
200KPa đặt cùng độ sâu cách lượng nổ 0.4m; sử 
dụng máy đo động đa kênh NCXI-1000DC ghi dữ 
liệu từ các đầu đo; vật liệu đàn hồi dùng trong thí 
nghiệm dùng cao su xốp dạng tấm, kích thước 
200x200x20mm, đặt phía trước đầu đo. 
Hình 7.Thiết bị thí nghiệm 
KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 23 
Hình 8.Sơ đồ bố trí thí nghiệm 
3.2. Tiến hành thí nghiệm 
 Tiến hành làm các công tác chuẩn bị thí nghiệm 
(mỗi vụ nổ được tiến hành tương tự nhau): 
 - Chế tạo lượng nổ TNT; 
 - Tiến hành đổ và đầm cát theo từng lớp 20cm; 
 - Đặt lượng nổ, đầu đo và tấm đệm đàn hồi vào vị 
trí và được cân chỉnh chính xác bằng các dụng cụ đo; 
 - Chuẩn bị dây tín hiệu, máy đo và đánh số thứ 
tự kênh đo; 
 - Kiểm tra thông mạch hệ thống đo. 
 Hình ảnh thí nghiệm tại hiện trường: 
Hình 9.Công tác tiến hành thí nghiệm tại hiện trường 
3.3. Kết quả và bàn luận 
3.3.1. Kết quả áp lực nổ không có tấm đệm đàn hồi trước đầu đo 
c
01
02
0403
KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
24 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 
Hình 10. Kết quả áp lực nổ không có tấm đệm đàn hồi trước đầu đo 
Bảng 1. Kết quả áp lực nổ không có tấm đệm đàn hồi trước đầu đo 
Đầu đo Lần TN 01 Lần TN 02 Lần TN 03 Trung bình (KPa) 
01 40.95 59.63 42.60 47.73 
02 35.18 48.27 58.44 47.30 
03 52.51 44.98 56.62 51.37 
04 47.00 42.76 52.64 47.47 
3.3.2. Kết quả áp lực nổ khi có tấm đệm đàn hồi trước đầu đo 
Hình 11. Kết quả áp lực nổ khi có tấm đệm đàn hồi trước đầu đo 
Bảng 2. Kết quả áp lực nổ khi có tấm đệm đàn hồi trước đầu đo 
Đầu đo Lần TN 01 Lần TN 02 Lần TN 03 Trung bình (KPa) 
01 12.01 15.45 11.03 12.83 
02 28.55 12.42 12.03 17.67 
03 23.36 17.84 11.63 17.61 
04 20.54 16.34 11.74 16.21 
-80
-60
-40
-20
0
20
0.99 1 1.01 1.02 1.03
Á
p 
lự
c 
[K
Pa
]
Thời gian [s]
ÁP LỰC NỔ TRONG ĐẤT
Đấu đo 01 Đầu đo 02
Đầu đo 03 Đầu đo 04
-15
-10
-5
0
5
10
0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15
Á
p 
lự
c 
[K
Pa
]
Thời gian [s]
ÁP LỰC NỔ TRONG ĐẤT
Đầu đo 01 Đầu đo 02
Đầu đo 03 Đầu đo 04
KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 25 
3.3.3. So sánh áp lực nổ trong đất 
Hình 12. Kết quả đánh giá khả năng giảm áp lực và thời gian áp lực nổ của vật liệu đàn hồi 
Bảng 3. So sánh kết quả suy giảm áp lực nổ cực đại 
Đầu đo Trực tiếp Có đệm đh Suy giảm (%) 
01 47.73 12.83 73.11 
02 47.30 17.67 62.65 
03 51.37 17.61 65.72 
04 47.47 16.21 65.86 
Bảng 4. So sánh thời gian duy trì áp lực và thời gian tăng tải đến cực đại 
Đầu đo Thời gian Trực tiếp (s) Có đệm đh (s) Chênh lệch (%) 
01 
θ 0.016 0.0212 32.5 
τ1 0.00073 0.00973 1232.88 
02 
θ 0.0172 0.0268 55.81 
τ1 0.0007 0.00935 1235.71 
03 
θ 0.0165 0.0236 43.03 
τ1 0.00065 0.0095 1361.54 
04 
θ 0.0179 0.0213 18.99 
τ1 0.00066 0.00728 1093.03 
Các kết quả áp lực sau khi xử lý các tín hiệu đo 
cho thấy lớp đệm đàn hồi dạng xốp có tác dụng hấp 
thụ và tiêu tán phần lớn áp lực của sóng nén do nổ 
trong đất và làm kéo dài thời gian tăng áp lực sóng 
nén lên cực đại. 
Các kết quả đo ở 04 đầu đo có sự khác là do 
các yếu tố trong quá trình thí nghiệm hiện trường 
như khoảng cách sai lệch nhỏ khi đặt đầu đo tới vị 
trí tâm nổ, hiệu quả mỗi lần gây nổ, 
4. Kết luận 
Nghiên cứu bài toán cụ thể ở trên cho thấy tác 
dụng của vật liệu đàn hồi trong việc làm giảm áp lực 
nổ: 
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
0.97 0.99 1.01 1.03 1.05 1.07
Á
p 
lự
c 
[K
Pa
]
Thời gian [s]
SO SÁNH ÁP LỰC NỔ TRONG ĐẤT
Có đệm đàn hồi Trực tiếp
KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
 26 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 
- Làm suy giảm đáng kể giá trị cực đại của áp 
lực do tác dụng cực hạn của nổ gây ra (từ 62 đến 
73%); 
- Làm thay đổi đặc trưng tăng tải của sóng nổ, 
kéo dài thời gian tăng sóng nén lên giá trị cực đại 
(trên 1000%); 
- Kết quả thí nghiệm là cơ sở khoa học cho 
hướng nghiên cứu sử dụng vật liệu đàn hồi dạng 
xốp nhằm giảm tác dụng nổ lên kết cấu công trình. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Đông Anh, Lã Đức Việt (2007), Giảm dao 
động bằng thiết bị tiêu tán năng lượng, Nhà xuất bản 
Khoa học tự nhiên và công nghệ. 
[2] Võ Văn Thảo (2001), Phương pháp khảo sát - 
nghiên cứu thực nghiệm công trình,Nhà xuất bản 
Khoa học kỹ thuật. 
[3] Lê Anh Tuấn,Bài giảng Phương pháp nghiên cứu 
thực nghiệm công trình, Học viện Kỹ Thuật Quân 
Sự. 
[4] Franta I., Elastomers and rubber compounding 
materials: manufacture, properties and 
applications,Elsevier, 1989. 
[5] Getzner (2014), Increasing Value through Elastic 
Shielding of Buildings, 7726 
_Getzner_Broschuere_Gebaeudeabschirmung_en.indd
. 
[6] J.G. Nerenberg (1998), Blast Wave Loading of 
Polymeric Foams,McGill University, Montreal, 
Quebec, Canada. 
[7] S.N. Raman, T. Ngo, P. Mendis and T. Pham, 
“Elastomeric polymers for retrofitting of reinforced 
concrete structures against the explosive effects of 
blast”, Hindawi Publishing Corporation, Advances in 
Materials Science anh Engineering, Vol.1012, Article 
ID 754142, 8 pages, doi:10.1155/2012/754212. 
[8] TMS-1300, Design of Structures to Resist the Effects 
of Accidental Explosions, US Department of the 
Army Technical Manual, 1991. 
Ngày nhận bài: 14/8/2017. 
Ngày nhận bài lần cuối: 16/10/2017.