B KÝ Ệ Ữ Ế Ắ V Vải địa kỹ thuật eotextile PTHH hần tử hữu hạn FEM _ Finite Element Method HNH_RESS hần mềm tính ổn định nền đắp gia cường Reinforced Embankment Stability Software K hệ s
Trang 2L M
ôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tác giả luận án
Huỳnh Ngọc Hào
Trang 3L I C M
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến iáo sư, iến sỹ
Vũ ình hụng – Người Thầy hướng dẫn đã tận tâm, tận tình giúp cho tác giả hoàn thành luận án đúng thời gian
Tác giả xin trân trọng biết ơn iến sỹ Vũ ức Sỹ - Thầy hướng dẫn đã giúp đỡ tận tình, tạo mọi thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bùi Xuân ậy, Lã Văn hăm; rần Thị im ăng và tập thể Bộ môn ường Bộ đã có những đóng góp quý báu và quan tâm, giúp đỡ, tạo thuận lợi cho tác giả trong quá trình làm nghiên cứu sinh
Tác giả xin trân trọng cảm ơn hầy Hiệu rưởng, Ban Giám Hiệu rường ại học Giao thông Vận tải, hòng ào tạo au đại học đã giúp tác giả hoàn thiện các thủ tục, tổ chức báo cáo luận án đúng thời gian
-Tác giả xin trân trọng cảm ơn các iáo sư, hó iáo sư, iến sỹ và các nhà khoa học từ rường ại học Giao thông Vận tải, ại học Xây Dựng, ại học Thủy lợi, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ại học Kiến trúc Hà Nội, ại học Duy Tân, ại học Bách Khoa à Nẵng, ại học Kiến rúc à Nẵng, ại học Bách Khoa Tp.HCM, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Hội Cầu đường Việt Nam, ại học Bang California-Fullerton đã có những đóng góp, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ba, Mẹ, gia đình, người thân và xin chân thành cảm ơn thầy, cô, bạn đồng nghiệp đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu này
Tác giả luận án
Trang 4MỤC LỤC
MỞ ẦU……… 1
1 Giới thiệu công trình nghiên cứu……… 1
2 Lý do lựa chọn đề tài……… 1
3 Mục đích……… 1
4 ối tượng nghiên cứu……… 1
5 Phạm vi nghiên cứu……… 2
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài……… 2
ƯƠN 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ D N V ƯƠN PHÁP TÍNH TOÁN NỀN Ắ ƯỜNG VẢ ỊA KỸ THUẬT 3 1.1 Các nghiên cứu sử dụng và tính toán nền đắp gia cường vải địa kỹ thuật trong và ngoài nước……… 3
1.1.1 Lịch sử phát triển và sử dụng vải địa kỹ thuật……… 3
1.1.1.1 Giới thiệu chung……… 3
1.1.1.2 Phân loại vải địa kỹ thuật……… 4
1.1.1.3 Một số tiêu chí đánh giá vải địa kỹ thuật……… 5
1.1.1.4 Các chức năng của vải địa kỹ thuật……… 5
1.1.1.5 Một số công trình xây dựng sử dụng vải địa kỹ thuật ở V.Nam 9 1.1.2 ác phương pháp tính toán nền đắp gia cường vải địa kỹ thuật ở trong và ngoài nước hiện nay 12 1.1.2.1 hương pháp giải tích tính nền đắp có cốt trên nền đất yếu 12 Nhận xét phương pháp giải tích tính nền đắp gia cường trên đất yếu 15 1.1.2.2 hương pháp giải tích tính nền đắp có cốt trên đất tự nhiên tốt 16 Nhận xét các phương pháp giải tích 23 1.1.2.3 hương pháp số và các phần mềm tính toán 24 Nhận xét các phương pháp tính toán 27 1.2 Những vấn đề tồn tại mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu…… 28
1.3 Mục tiêu của đề tài……… 28
1.4 Nội dung nghiên cứu……… 29
1.5 hương pháp nghiên cứu……… 29
ƯƠN 2 MÔ N ÍN B N NỀN Ấ Ắ ƯỜNG BẰNG CỐT MỀM VẢ ỊA KỸ THUẬT
30
Trang 52.1 Mục đích và yêu cầu……… 30
2.1.1 Mục đích……… 30
2.1.2 Yêu cầu……… 30
2.2 Các tính chất của vải địa kỹ thuật……… 31
2.2.1 Một số khái niệm về thuộc tính của vải địa kỹ thuật 31 2.2.2 ường quan hệ ứng suất – biến dạng của vải địa kỹ thuật… 33
2.2.3 Một số ví dụ xác định tính cơ lý của vải địa kỹ thuật……… 34
2.3 Xây dựng mô hình bài toán……… 36
2.3.1 Một số giả thiết……… 37
2.3.2 Xây dựng mô hình tính toán bài toán ổn định của nền đường đắp có cốt mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn… 37
2.3.2.1 ác phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi……… 38
2.3.2.2 hương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn…… 39
2.3.2.3 Hệ số an toàn theo phương pháp giảm c-φ……… 42
Nhận xét 42 ƯƠN 3 XÂY ỰN UẬ N V ƯƠN R N TÍNH B N NỀN Ấ Ắ ƯỜN VẢ Ị Ỹ UẬ BẰN ƯƠN PTHH 43 3.1 Xây dựng thuật toán……… 43
3.1.1 hần tử tấm tam giác……… 43
3.1.2 hần tử tấm tam giác đẳng tham số……… 44
3.1.3 Mô hình Mohr- oulomb……… 46
3.1.4 hần tử tiếp xúc……… 50
3.1.4.1 Lý thuyết phần tử tiếp xúc……… 50
3.1.4.2 Mô hình phi tuyến tiếp xúc giữa vải địa kỹ thuật và đất nền… 52 3.1.5 hần tử vải địa kỹ thuật……… 52
3.1.5.1 Lý thuyết tính toán phần tử vải địa kỹ thuật……… 52
3.1.5.2 Mô hình phi tuyến của phần tử vải địa kỹ thuật……… 53
3.1.6 hân tích phi tuyến……… 53
3.1.6.1 hương pháp Newton-Raphson (N-R)……… 54
3.1.6.2 hương pháp Newton-Raphson cải tiến……… 55
3.1.7 ơ đồ khối tổng quát chương trình……… 55
3.2 Xây dựng chương trình tính ……… 55
Trang 63.2.1 Giới thiệu giao diện chương trình tính hnh_ress V1 00……… 55
3.2.2 Giới thiệu chương trình tính hnh_ress V1 00……… 57
Kết luận chương 3 59 ƯƠN 4 Ự N ỆM ÍN N NỀN Ắ ƯỜN V R N XÂY ỰN ƯỜN Ô Ô 60 4.1 Nền đường đắp trên đất tự nhiên tốt……… 60
4.1.1 Dữ liệu chung tính toán……… 60
4.1.2 Phân tích ổn định của nền đường đắp……… 62
4.1.2.1 Nền đắp cao 6m……… 63
4.1.2.2 Nền đắp cao 8m……… 64
4.1.2.3 Nền đắp cao 10m……… 68
4.1.2.4 Nền đắp cao 12m……… 72
4.1.3 Xây dựng biểu đồ tra V sử dụng trong nền đắp cao…… 75
4.2 Nền đường đắp trên đất yếu……… 77
4.3 Xác định dạng cung trượt mái dốc theo phương pháp xấp xỉ mặt trượt mái dốc ………
80 4.3.1 hương pháp xấp xỉ mặt trượt 80 4.3.2 Một số ví dụ vẽ đường biến dạng trượt và tính xấp xỉ mặttrượt 81 4.3.2.1 rường hợp nền đắp có gia cường vải địa kỹ thuật 81 4.3.22 rường hợp nền đắp không gia cường vải địa kỹ thuật 85 4.4 Xây dựng công thức tính toán lực căng ( max) các lớp V
trong nền đắp………
88 4.4.1 Lực căng V trong phân mảnh cho mặt trượt trụ tròn 88 4.4.2 Xây dựng công thức tính toán lực căng vải địa kỹ thuật (Tmax) bằng phương pháp phần tử hữu hạn theo mặt trượt Ellipse… 89 4.5 Xác định ảnh hưởng của độ cứng vđkt (EA) đến hệ số an toàn ổn định nền đắp………
96 4.5.1 Xây dựng biểu thức xác định độ cứng vđkt (EA) ảnh hưởng đến hệ số an toàn ổn định……… 96
4.5.2 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số an toàn ổn định…… 99
4.5.3 Biểu đồ quan hệ ảnh hưởng của độ cứng (EA g ), cường độ T max vđkt và mô đun đàn hồi đất nền (E s) đến an toàn ổn định 104 4.6 o sánh khảnăng đứt và tuột cốt V ảnh hưởng đến antoàn ổn định nền đắp gia cường 105 4.7 o sánh kết quả chạy trên chương trình hnh_ress và plaxis 106 4.8 Kết quả nghiên cứu chương 4……… 110
Trang 7ình 1 6 V làm tường chắn, hánh ương, ỉnh Cam Túc, TQ 7
ình 1 8 V ường chắn Novotel Hotel, Patong, Phuket, Thailand 7 ình 1 9 V tiêu, thoát nước đường cao tốc Nam Carolina, Hoa Kỳ 7 ình 1 10 V sử dụng ở hào bố trí ống dẫn nước (Australia) 8 ình 1 11 V sử dụng với chức năng vật liệu thấm ( ảo Solomon) 8
nhất yêu cầu đối với cốt tăng cường ở đáy nền đắp
14
Hình 1.21 Chiều dài neo bám của cốt tại vị trí j dọc theo đáy nền đắp 14 ình 1 22 hương pháp khối nêm hai phần cho mái dốc có cốt 16 Hình 1.23 Sự phân bố gần đúng ứng suất xáo động với mỗi lớp cốt 18 Hình 1.24 ính toán trượt tròn theo phương pháp phân mảnh 19
ình 1 26 ính toán theo phương pháp trọng lực dính kết 23
Trang 8Hình 1.27 Quan hệ ứng xử đất - vải địa kỹ thuật theo tiêu chuẩn phá
Hình 3.2 hần tử tam giác 3 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa phương 44 Hình 3.3 hần tử tam giác 6 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa phương 45 Hình 3.4 iêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb trong k gian Ư chính 47 Hình 3.5 Xác định góc ma sát trong và lực dính đơn vị……… 49
Hình 3.8 àm dạng của phần tử thanh chịu lực dọc trục………… 53 ình 3 9 hương pháp Newton-Raphson và Newton-Raphson cải tiến 54 ình 3 10 ơ đồ khối tổng quát chương trình tính bằng … 55
Hình 3.12 hai báo quan hệ ứng suất – biến dạng của vải địa kỹ thuật 56 Hình 3.13 hai báo độ cứng(E g) theo đường ứng suất- biến dạng
Hình 3.15 Xác định sai số đường xấp xỉ mặt trượt Ellipse và trượt tròn 57 Hình 3.16 Xác định độ cứng cát tuyến theo ứng xử kéo của V 58 ƯƠN 4
Hình 4.1 ơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ……… 61
Hình 4.3 Vị trí mặt trượt (nền đắp cao 6 m)……… 62 Hình 4.4 Vị trí mặt trượt khi có vải địa kỹ thuật (nền đắp cao 8 m) 63 Hình 4.5 ơ đồ biến dạng (4 lớp V , khoảng cách 0 5m)…… 67 Hình 4.6 Mặt trượt (4 lớp vải địa kỹ thuật, khoảng cách 0 5m)…… 67
Trang 9Hình 4.7 ơ đồ biến dạng (4 lớp V , khoảng cách 1 5m)…… 68 Hình 4.8 Mặt trượt (4 lớp vải địa kỹ thuật, khoảng cách 1 5m)…… 68 Hình 4.9 Quan hệ giữa cường độ vải địa kỹ thuật và số lớp vải địa
kỹ thuật trong nền đắp cao có 6m dưới đắp hệ số mái dốc 1/1
76 Hình 4.10 Quan hệ giữa cường độ vải địa kỹ thuật và số lớp vải địa
kỹ thuật trong nền đắp cao có 6m dưới đắp hệ số mái dốc 1/1 25
76 Hình 4.11 Quan hệ giữa cường độ vải địa kỹ thuật và số lớp vải địa
kỹ thuật trong nền đắp cao có 6m dưới đắp hệ số mái dốc 1/1 5,
77 Hình 4.12 ơ đồ hình học khi có vải địa kỹ thuật……… 79 Hình 4.13 Mặt biến dạng trượt khi không có vải địa kỹ………… 79 Hình 4.14 Mặt biến dạng trượt khi có vải địa kỹ thuật……… 79 Hình 4.15 ung trượt hình elipse nền đắp trên đất yếu……… … 79
Hình 4.17 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 8m, cóV 82 Hình 4.18 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 10m, cóV 83 Hình 4.19 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 12m, cóV 84 Hình 4.20 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 12m, cóV 82 Hình 4.21 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 8m, không cóV 85 Hình 4.22 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 10m,không cóV 86 Hình 4.23 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 12m,không cóV 87 Hình 4.24 hương pháp phân mảnh cổ điển cho mặt trượt trụ tròn… 89 Hình 4.25 ung trượt hình ellipse, xây dựng công thức tính max… 90 Hình 4.26 ơ đồ tính lực căng trong V theo cung trượt ellipse 92 Hình 4.27 ết quả phân tích lực căng max các lớp V ………… 96 Hình 4.28 Quan hệ của độ cứng vđkt (E g) và mô đun đàn hồi đất đắp
(Es) đến an toàn ổn định Fs = 1.2 Tmax = 12; 14; 16 kN/m
kN………
104 ình 4 29 Quan hệ của độ cứng vđkt (E g) và mô đun đàn hồi đất đắp
(Es) đến an toàn ổn định Fs = 1.2 Tmax = 18; 20; 22 kN/m
104 ình 4 30 Quan hệ của độ cứng vđkt (E g) và mô đun đàn hồi đất đắp
(Es) đến an toàn ổn định Fs = 1.2 Tmax = 24; 26; 28 kN/m
105 ình 4 31 ơ đồ tính ổn định nền đắp cao 6m bằng phần mềm laxis 106 Hình4.32 Biến dạng nền đắp cao 6m tính bằng phần mềm laxis 106 ình4 33 ệ số an toàn nền đắp cao 6m tính bằng phần mềm laxis 106 ình 4 34 ơ đồ tính ổn định nền đắp cao 8m bằng phần mềm laxis 107 ình4 35 Biến dạng nền đắp cao 8m tính bằng phần mềm laxis 107 ình4 36 ệ số an toàn nền đắp cao 8m tính bằng phần mềm laxis 107
Trang 10MỤ LỤ B B Ể
Bảng 3 1 ọa độ và trọng số của tích phân số trên miền tam giác… 46
Bảng 3 2 ác tham số của mô hình Mohr- oulomb……… 49
Bảng 4.1 ặc trưng của nền đường đắp trên đất tốt……… 60
Bảng 4.2 ặc trưng vải địa kỹ thuật theo 1m chiều rộng………… 60
Bảng 4 3 ải trọng xe cộ……… 61
Bảng 4 4 ệ số an toàn ổn định mái dốc……… 64
Bảng 4 5 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 64 Bảng 4 6 Lực căng trong vải địa kỹ thuật khi mái dốc bị phá hoại 65 Bảng 4 7 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền 8m……… 66
Bảng 4 8 Ảnh hưởng của cường độ V và số lớp V …… 67
Bảng 4 9 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 68 Bảng 4 10 Lực căng trong vải địa kỹ thuật khi mái dốc bị phá hoại… 69 Bảng 4 11 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền đắp 10m……… 70
Bảng 4 12 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật… 71
Bảng 4 13 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 72 Bảng 4 14 Lực căng trong vđkt khi mái dốc bị phá hoại, nền 12m 73 Bảng 4 15 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền 12m ……… …… 74
Bảng 4 16 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật… 74
Bảng 4 17 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật 75 Bảng 4 18 ặc trưng nền đất yếu……… 77
Bảng 4 19 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 6 m……… 78
Bảng 4 20 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 8 m……… 78
Bảng 4 21 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 10 m……… 78
Bảng 4 22 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 12 m……… 78
Bảng 4.24 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn, T=12kN/m 99 Bảng 4.25 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn,T= 14kN/m 99 Bảng 4.26 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn,T= 16kN/m 100 Bảng 4.27 Ảnh hưởng của EAg, Tmax vđkt và Es đến hệ số an toàn Fs 100 Bảng 4.28 ết quả hệ số an toàn tính bằng nhress và laxis 108
Trang 11B KÝ Ệ Ữ Ế Ắ
V Vải địa kỹ thuật ( eotextile)
PTHH hần tử hữu hạn (FEM _ Finite Element Method)
HNH_RESS hần mềm tính ổn định nền đắp gia cường (Reinforced
Embankment Stability Software)
K hệ số an toàn tính toán (giải tích)
Kbh hệ số an toàn nền đắp ngập nước bão hòa
Kk hệ số an toàn nền đắp không ngập nước
Kmin hệ số an toàn tối thiểu
MD mô men gây trượt do đất nền và tải trọng
MRS mô men giữ do đất
MRR mô men giữ do cốt tăng cường
H chiều cao nền đắp
Ls chiều dài cạnh nằm ngang mái dốc (bề rộng chân mái dốc)
φ’cv góc ma sát của vật liệu nền đắp lúc có biến dạng lớn trong điều kiện ứng suất hữu hiệu
fms hệ số vật liệu riêng phần áp dụng cho tg φ’cv (fms = 1)
fn là hệ số phá hoại riêng phần;
fp hệ số chịu kéo tuột riêng phần đối với cốt tăng cường;
Troj lực yêu cầu cốt tăng cường phải có trong phạm vi 1m dài nền đắp tại j;
ɣ trọng lượng đơn vị của vật liệu đắp nền;
h chiều cao trung bình vật liệu đắp trong phạm vi chiều dài cốt tăng cường Lj;
α’ hệ số tương tác biểu thị liên hệ giữa góc neo bám cốt – đất với tgφ’cv;
fms hệ số vật liệu riêng phần;
Lj chiều dài neo bám cần thiết của cốt tăng cường trong phạm vi cung trượt cho 1m dài nền đắp;
Trang 12αbc’ hệ số tương tác biểu thị liên hệ giữa lực dính bám giữa đất và cốt tăng cường với cu
Rh lực gây xáo động tổng hợp đối với 1m dài dọc theo mặt mái dốc
ffs hệ số riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất
K tỉ số giữa ứng suất (áp lực) nằm ngang và ứng suất thẳng đứng
ɣ trọng lượng đơn vị của đất
H chiều cao nền đắp
ffs hệ số riêng phần cho trọng lượng đơn vị của đất
fq hệ số riêng phần cho ngoại tải
wsi ngoại tải tác dụng lên mảnh i
ui áp lực nước lỗ rỗng tác dụng trên mặt trượt mảnh thứ i
Es Mô đun đàn hồi của đất
Eg Mô đun đàn hồi vải địa kỹ thuật
Hệ số Poisson
Góc dãn nở
EAg ộ cứng vải địa kỹ thuật
Trang 13MỞ ẦU 1- Giới thiệu công trình nghiên cứu:
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ trong ứng dụng công nghệ vật liệu mới trên thế giới, Việt Nam cũng rất quan tâm nghiên cứu sử dụng vật liệu địa kỹ thuật trong gia cường nền đắp công trình đường, đê, đập Từ đó đặt ra việc nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính toán cho kết quả đạt độ tin cậy cao đối với bài toán nền đắp gia cường bằng vải địa kỹ thuật (V ) trong các công trình xây dựng đường ô tô ở Việt Nam trở nên cần thiết
Trong phạm vi công trình nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn – phương pháp số có nhiều ưu điểm ở thời điểm hiện nay để
áp dụng xây dựng thuật toán, lập chương trình tính trên phần mềm phù hợp với điều kiện Việt Nam và cho một số kết quả nghiên cứu của bài toán ổn định, trạng thái ứng suất – biến dạng nền đắp cao, đề xuất tính toán và đưa ra các biểu đồ tiện ích sử dụng trong thiết kế
V
4- ố tượng nghiên cứu:
Nền đất đắp có sử dụng V trong các công trình xây dựng nền đường
Trang 145- Phạm vi nghiên cứu:
Lựa chọn, xây dựng mô hình tính bài toán nền đắp gia cường V Xây dựng thuật toán và chương trình tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn Nghiên cứu bài toán ổn định nền đường đắp cao có gia cường bằng V
6- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
V (Geotextiles) là loại vật liệu mới được chế tạo từ vật liệu polyme tổng hợp hoặc các sản phẩm có liên quan đến polyme nhờ các công nghệ chế tạo khác nhau Từ những năm 70 của thế kỷ trước V đã ra đời ở các nước phương tây o có những đặc tính ưu việt nên V đã nhanh chóng được dùng để gia cường nâng cao sức chịu tải và tính năng ổn định cho các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình đất đắp trong xây dựng cầu đường, thủy lợi
Những năm đầu của thập niên 90 - thế kỷ trước, V được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước như háp, à Lan, Mỹ, Nhật, đặc biệt ở các nước ông Nam như hái Lan, hilippin, nđônêxia, Malaysia, Ở nước ta, V được đưa vào sử dụng công trình xây dựng đường từ năm 1993 và ngày càng được sử dụng rộng rãi Theo kết quả nghiên cứu của nhiều chuyên gia trong
và ngoài nước cho thấy V dùng trong các công trình xây dựng nền đường đắp cao bằng đất, hay nền đắp trên đất yếu đều đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, dễ dàng trong thi công, giảm giá thành từ 15 - 20%, tăng chất lượng
sử dụng, tăng tuổi thọ của công trình
Do vậy việc nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính toán, thiết kế nền đắp có sử dụng V gia cường là cần thiết để phục vụ yêu cầu thực tế trong thời kỳ hội nhập, thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển đất nước
Trang 15C 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG TÍNH TOÁN NỀ Ắ NG V ỊA KỸ THU T
1.1 Các nghiên cứu sử dụng và tính toán nền đắp g a cường K
trong v ngo nước
1.1.1 Lịch sử phát triển và sử dụng K
1.1.1.1 Giới thiệu chung
V xuất hiện lần đầu tiên với tên thương mại Bidium vào những năm
60 của thế kỷ trước ở háp, nhưng chưa được chú ý và được sử dụng rất ít Từ năm 1965 đến 1973, trong vòng 7 - 8 năm người à Lan đã dùng tới 5 - 6 triệu m2 V trong dự án đắp đê biển chống nước xâm nhập đất liền rất có hiệu quả Vì vậy từ sau năm 1975, V được nhiều người ở nhiều nước nghiên cứu hoàn thiện từ khâu chế tạo, phương pháp tính toán và công nghệ thi công
V nhanh chóng được dùng để gia cường nâng cao sức chịu tải và tính ổn định của các công trình xây dựng nói chung và đặc biệt là các công trình nền đất đắp trong xây dựng các công trình đường ô tô và thủy lợi
Vào thập niên 80 của thế kỷ trước V được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước như háp, Hà Lan, Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Ấn ộ, Hàn Quốc, đặc biệt
ở các nước ông Nam : Thái Lan, Philippin, Inđônêxia, Malaysia, Brunei
Ở nước ta năm 1993 V lần đầu tiên được sử dụng trong dự án nâng cấp QL5 (Hà Nội – Hải Phòng) do ông ty ư vấn Thiết kế KEI – Nhật Bản thiết kế với trên 500.000 m2 V rất có hiệu quả để xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu Và từ 1995 cho đến nay V đã được dùng rất nhiều với các chức năng khác nhau ở nhiều dự án xây dựng đường như các dự án nâng cấp QL1, QL10, QL18, QL3, QL51, QL32, QL38, QL39 và trong các dự án xây dựng đường cao tốc như ường cao tốc TP.Hồ Chí Minh – Trung Lương, ại lộ hăng Long (từ Láng đi òa Lạc, Hà Nội), Cao tốc Hà Nội –
Trang 16Hải Phòng, Cao tốc Giẽ - Ninh Bình, Cao tốc Nội Bài – Lào Cai, Cao tốc Long Thành – Dầu Giây và Cao tốc Bến Lức – Long hành …
1.1.1.2 Phân loại VĐKT [14], [28], [29], [30]
Dựa theo công nghệ chế tạo, V được phân làm hai loại sau:
1 VĐKT loại dệt (Woven Geotextile)
V loại dệt có tính thấm nhỏ, được chế tạo bằng những sợi nhân tạo
và dệt thành vải ường độ của V phụ thuộc nhiều vào sức chịu kéo của các sợi Sức chịu kéo theo phương dọc (theo chiều cuộn) thường lớn hơn so với phương ngang (chiều khổ vải) ặc trưng của nhóm V dệt là vải Robusta Nicolon (Hà Lan), Krafter (Nhật Bản), Amoco (Anh), Collins & Aikman Ngoài ra còn có nhiều loại V dệt khác như , ML, E –
WX, GT, GM, GSI – …
Bảng 1.1 phụ lục 1 giới thiệu một số tính chất loại V dệt
2 VĐKT loại không dệt (Nonwoven Geotextile)
Loại V không dệt có tính thấm cao, được chế tạo từ sự sắp xếp một cách ngẫu nhiên các sợi trong cấu trúc phẳng hai chiều, rồi xử lý liên kết bằng phương pháp nhiệt, hóa, cơ Loại V không dệt này có khả năng chịu cường độ đẳng hướng rất tốt ặc trưng của loại này là Fiberlex ( an- Mạch), Polyfelt (Úc), Terrafic (Canada), Sodoca, Bidium (Pháp) Ngoài ra
Hình 1.1 VĐKT gia cường nền đất yếu trên QL1, đoạn qua cầu Xương Giang – B ắc Giang
Trang 17còn có nhiều loại V không dệt khác như ART, VNT, PH, HD của Việt Nam, TS - Polyfelt của Malaysia…
Bảng 1.2 phụ lục 1 giới thiệu một số tính chất loại V không dệt
1.1.1.3 Một số tiêu chí đánh giá VĐKT
V là loại vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng: dân dụng, công nghiệp, cầu, đường, đê, đập… ác tính chất cơ lý của loại vật liệu này đã được nghiên cứu và hoàn thiện khá đầy đủ trên thế giới và Việt Nam V có nhiều chỉ tiêu cơ lý, tuy nhiên tùy thuộc vào mục đích
sử dụng ở một kết cấu cụ thể mà ta chỉ cần xem xét một hoặc một số tiêu chí chính để lựa chọn tính toán V phù hợp với công trình xây dựng
Phụ lục 1: Bảng 1.3 giới thiệu chỉ tiêu cơ lý chính theo ứng dụng của V ; Bảng 1.4 giới thiệu thông số kỹ thuật vải không dệt polyfelt TS; Bảng 1.5 và bảng 1.6 giới thiệu loại V không dệt HD – Việt Nam [50]
1.1.1.4 Các chức năng của VĐKT [13], [14], [27], [31], [34], [35], [36],
[38], [44], [56], [58], [61], [62], [63], [66], [68]
1 Làm lớp phân cách giữa các lớp vật liệu với nhau (separation)
V được làm lớp ngăn cách giữa lớp đệm cát và lớp bùn bên dưới, ngăn cách giữa lớp móng dưới (subbase) và lớp đáy áo đường đắp bằng cát bên trên Sử dụng V trong trường hợp này nhằm tránh tình trạng sau khi đào bỏ một phần đất yếu thay bằng cát, cát sẽ chìm xuống đất yếu (bùn sét) và đất vẫn sẽ trồi lên lẫn vào cát Lớp “cát – bùn” mới hình thành không thể lu chặt được, làm mất tác dụng của lớp đệm cát ũng tương tự như vậy khi thi công cấp phối đá dăm trên lớp bề mặt đường đắp bằng cát phải có một lớp
V ngăn cách để không cho các hạt cấp phối đá dăm chui xuống cát và cát hạt cát không trồi lên đá dăm Và như vậy chúng ta mới thi công được cấp phối đá dăm đạt Kyc = 98%
Trang 182 Chức năng gia cường đất yếu (reinforcement)
ối với nền đắp cao trên nền đất yếu, khi đạt đến một độ cao nào đó nền
sẽ bị trượt trồi – trượt toàn khối, trượt cục bộ mái taluy ể chống lại sự phá hỏng đó, người ta sử dụng V để gia cố bằng cách đào bỏ một phần đất yếu rồi rải V , đắp cát lên trên, rồi rải tiếp lớp V tiếp theo… V gia cường còn được sử dụng trong trường hợp nền đất không yếu nhưng nền cần đắp cao Việc tính toán gia cường V bao nhiêu lớp, khoảng cách… được tính toán thiết kế đảm bảo an toàn
3 V làm cốt tường chắn đất (tường chắn cốt mềm)
Trên thế giới, để tăng khả năng đắp đất cho tường chắn có chiều cao lớn, hoặc độ dốc đứng đến 900, người ta đã sử dụng V xây dựng nhiều tường chắn vừa đạt yêu cầu về chiều cao đắp tường, độ bền sử dụng và tạo cảnh quan thẩm mỹ nhưng giá thành rẻ hơn từ 25% đến một nửa so với tường bêtông cốt thép [14], [19], [34], [44], [45]
Hình 1.2 Mái dốc Bukit Panggal Mosque,
Tutong, Brunei VĐKT chức năng ngăn
cách hạt sét mềm ra khỏi mặt dốc [61]
Hình 1.3 Tường chắn Arca Budaya, Kuala
Lumpur,Malaysia VĐKT làm lớp phân cách giữa bụi đá và đất bên trên trồng cây
Trang 19
4 Chức năng lọc, thoát nước sau lưng tường chắn (drainage)
Thoát nước sau lưng tường chắn đất hoặc một hệ thống thoát nước ngầm trong những công trình đất đắp về giao thông, thủy lợi… trước đây người ta dùng vật liệu hạt làm tầng lọc ngược – với một cấp phối vật liệu nhất định Tuy nhiên hiệu quả của tầng lọc ngược không đạt yêu cầu sau một thời gian
sử dụng do các hạt bụi, sét bám, lấp kín tầng lọc ngược làm giảm hoặc mất khả năng thoát nước của tầng lọc ngược ể thay thế tầng lọc ngược này, người ta đã sử dụng V với chức năng lọc, thoát nước đạt yêu cầu và hiệu quả sử dụng cao hơn Lần đầu tiên ở Việt Nam, chức năng này đã được dùng
ở tường chắn đất của đường dẫn lên cầu Tân Thịnh trên QL1 từ Hà Nội đi Lạng ơn
5 V với chức năng vật liệu thấm hạ mực nước ngầm
Người ta sử dụng V bao lấy vật liệu đá dăm cỡ nhỏ để thoát nước, bao lấy ống thoát nước ngầm trước khi đắp cát, bao bọc lấy vật liệu đá dăm khi không có ống thoát nước, bao lấy vật liệu đá dăm có dạng cắt ngang hình
Hình 1.6 VĐKT làm tường chắn, Thị trấn
Khánh Dương, Tỉnh Cam Túc, TQ [58]
Hình 1.7 VĐKT với chức năng làm cốt
tường chắn đất
Hình 1.8 Tường chắn Novotel Hotel, Patong,
Phuket, Thailand VĐKT lọc, được quấn
quanh ống thu nước đáy tường chắn [61]
Hình 1.9 Chức năng tiêu, thoát nước
công trình đường cao tốc Nam Carolina, Hoa Kỳ [56]
Trang 20thang hở không có ống thoát nước, làm chức năng lớp thấm nước để hạ mực
nước ngầm
6 Bảo vệ, chống xói mòn nền đường đắp, đê biển và xói ta luy mái hồ đập
V được sử dụng với chức năng chống xói mòn [31], bảo vệ mái dốc không bị xói lở làm hư hỏng nền đường, các rãnh dọc hai bên đường, chống xói mòn mái dốc nền đường, đê, đập, đáy các kênh đào, các khu lấp đất lấn biển, nền đường đắp ven sông hồ, mái dốc khu vực thượng, hạ lưu sông, đặc biệt là đoạn qua chỗ thu hẹp lòng sông lưu vực cầu… ví dụ như chống xói ở thượng và hạ lưu của các cầu: cầu hù ổng (qua sông uống), cầu Như Nguyệt (qua sông Cầu), cầu Sương iang (qua sông hương) trên QL1 đoạn
Hà Nội – Lạng ơn do công ty ư vấn Thiết kế PCI Nhật Bản thiết kế (1998)
7 V làm ống địa kỹ thuật (nhóm SI Geosolution) [35]
Ống địa kỹ thuật được sử dụng rất đa dạng với nhiều hình thức khác nhau: người ta lấy V may thành ống rồi bơm đầy cát vào, xếp thành bờ bảo vệ chống xói mòn bờ đê, các công trình chạy dọc bờ biển Ống địa kỹ thuật cũng được dùng trong xử lý nạo vét lòng sông, biển Ngoài ra ống địa kỹ thuật cũng được dùng để rút nước từ bùn Ống địa kỹ thuật và hệ thống ngăn giữ là một giải pháp có tính kinh tế cao, có thể xử lý những vấn đề liên quan đến môi trường sinh thái ô nhiễm, chất thải từ nhà máy, xí nghiệp, các chất thải từ nông nghiệp, công nghiệp, ao, hồ …
Trang 21M t số mặt cắt minh họa các chức năng của K [55]
1.1.1.5 Một số công trình xây dựng sử dụng VĐKT ở Việt Nam
1 V với chức năng làm lớp ngăn cách
Dự án nâng cấp QL5 vào những năm 1993-1994, mở rộng mặt đường cũ thêm 20 mét đất đắp trên nền yếu ãng tư vấn thiết kế Nhật Bản KEI đã thiết
kế cho đào bỏ 50cm phần đất yếu, trải một lớp V không dệt làm chức năng ngăn cách, sau đó mới đắp đất từng lớp cho đến chiều cao thiết kế - Hình 1.17
ũng với chức năng ngăn cách của V , hệ thống đường giao thông trong khu đô thị Trung Hòa – Nhân Chính (TP Hà Nội), trước khi rải các lớp cấp phối đá dăm người ta cho trải một lớp V để ngăn cách với nền đắp cát bên dưới nhằm ngăn cách sự trộn lẫn giữa cát và lớp đá dăm dễ dẫn đến mất ổn định mặt đường Với chức năng này V cũng đã được sử dụng
Hình 1 14 Ch ức năng lọc (filtration)
Trang 22trong khi nâng cấp các QL5, QL1, QL10, QL18 và một số loại các đường cao tốc như cao tốc Tp Hồ Chí Minh – rung Lương; iẽ - Ninh Bình; Nội Bài – Lào Cai; Hà Nội – Hải Phòng; Hà Nội – hái Nguyên…
2 V với chức năng gia cường nền đắp trên đất yếu
Vào những năm 2000-2003, trước khi xây dựng đường đắp tuyến Trới –
Vũ ai [40], đường cấp đồng bằng (Quảng Ninh), chủ trì thiết kế đã dùng
2, 3 lớp V vừa làm lớp ngăn cách vừa làm nhiệm vụ gia cường cho nền
Trang 23đường đắp trên đất yếu, có chiều cao đắp từ 1 ÷ 1,5m Khoảng cách giữa các lớp V thay đổi từ 30 ÷ 35cm
ũng vào những năm 2002, trên QL1 đoạn tránh thành phố Vinh[39] chủ trì thiết kế đã dùng V làm lớp ngăn cách giữa đất yếu ở độ sâu đào 80cm
và cát đổ lên trên au đó tiếp tục sử dụng 3 lớp V nữa, mỗi lớp cách nhau 40cm để gia cường phần nền đào (80cm) và phần nền đắp cao 4 ÷ 5m
ai công trình này đã khai thác đến nay (2013) được trên 10 năm, chất lượng rất tốt ây cũng là các công trình sử dụng V để xử lý nền đắp trên đất yếu lần đầu tiên ở Việt Nam, thi công đơn giản, giảm giá thành xây dựng Hai công trình này làm tiền đề tốt cho việc sử dụng V để gia cường nền đắp trên đất yếu cho nhiều dự án xây dựng đường khác như đường cao tốc
TP Hồ Chí Minh – rung Lương, iẽ - Ninh Bình, Hà Nội – Thái Nguyên, Nội Bài – Lào cai …
3 V với chức năng chống xói mòn mái taluy
Khi xây dựng nền đắp bảo vệ bờ biển ở Bãi Cháy - Quảng Ninh, V được dùng để trải trên bề mặt taluy nền đắp, rồi đặt lên đó những viên đá hộc dạng gạch bê tông xi măng nhằm chống xói mòn do áp lực dội đập của sóng Ngoài ra V cũng đã được dùng để bảo vệ, gia cố mái taluy hồ chứa như
hồ chứa công viên trung tâm TP Lào Cai (được thiết kế năm 2000 do Sở GTVT Lào Cai làm chủ đầu tư), hai hồ điều tiết ở Trung tâm Hội nghị quốc gia – Hà Nội do ư vấn ức thiết kế cũng đã sử dụng V làm lớp bảo vệ chống xói mòn
Dự án nâng cấp QL1 đoạn Hà Nội – Lạng ơn do MU18 đại diện chủ đầu tư, trên các đoạn dẫn vào cầu hù ổng ( ông uống), cầu Như Nguyệt (Sông Cầu), cầu Xương iang ( ông hương), người ta cũng đã sử dụng
V để làm lớp bảo vệ chống xói mòn hai bên mái sông ở thượng – hạ lưu của ba cầu này
Trang 244 V được dùng thay vật liệu tầng lọc ngược
Trên QL1 qua cầu Tân Thịnh – Thị trấn Vôi (Lạng Giang, Bắc Giang) đoạn nối giữa cầu Tân Thịnh và cầu vượt đường sắt (QL1 cũ) dài 80m, người
ta xây dựng tường chắn bê tông cốt thép có chiều cao = 7,2m vào năm
1998 Ở đáy tường chắn phía bên trong nền đắp đã được đổ sỏi rồi phủ lên đó một lớp V trước khi đắp nền nhằm thay thế vật liệu tầng lọc ngược để thoát nước ở chân tường chắn
1.1.2 Các phương pháp tính toán nền đắp g a cường K ở trong và
ngo nước hiện nay
ác phương pháp giải tích tính toán nền đắp có cốt để đánh giá mức độ
ổn định sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn (mô men hoặc lực) và kèm theo đó là việc sử dụng các hệ số riêng phần tương ứng Các hệ số riêng phần bao gồm: Các hệ số tải trọng, các hệ số vật liệu đất, hệ số vật liệu cốt, các hệ
số về tương tác giữa đất và cốt, các hệ số riêng phần về an toàn [15], [63]
1.1.2.1 Phương pháp giải tích tính toán nền đắp có cốt trên nền đất yếu [2],
[3], [7], [9], [15], [16], [17], [21], [32], [33],[35], [37]
Cốt được đặt nằm trong nội tại nền đất và ngay cả trong thân nền đắp, nhằm ngăn ngừa sự phá hoại do cắt trượt qua thân nền đắp hoặc cắt trượt trong vùng đất yếu Cốt làm tăng thêm độ ổn định của nền đắp trên đất yếu là nhờ tác dụng ngăn ngừa vật liệu đắp dịch chuyển ngang, hạn chế đẩy trồi đất yếu cũng như ngăn ngừa phá hoại trượt tổng thể Mặt khác, ứng suất cắt trượt truyền từ đất yếu và vật liệu đắp làm cho cốt sẽ chịu kéo, nhờ lực kéo này mà nền đắp tăng được ổn định
1 Ổn định cục bộ [7], [15], [32], [33]
Kiểm tra ổn định cục bộ của mái dốc nền đắp theo bất đẳng thức sau:
Trang 25tg φ’cv (fms = 1)
2 Ổn định trượt tròn ( hương pháp phân tích mặt trượt)
hương pháp phân tích mặt trượt được dùng phổ biến nhất trong tính toán ổn định trượt tròn đối với các nền đắp có sử dụng cốt đặt ở đáy nền đắp, như hình 1.20 và hình 1.21
Mômen gây trượt MD do đất và tải trọng là:
Mômen giữ MRR do cốt tăng cường:
trong đó ffs là hệ số tải trọng riêng phần về trọng lượng đơn vị của đất; wi:
là trọng lượng cột đất i; bi: bề rộng cột đất thứ i; αi : góc tiếp tuyến đáy cột đất thứ i hợp với phương ngang; Rd : bán kính cung trượt tròn; fms : hệ số vật liệu riêng phần áp dụng cho tgφ’cv ; φ’cv: góc ma sát vật liệu đắp nền lúc có biến dạng lớn trong điều kiện ứng suất hữu hiệu; ui : áp lực nước lỗ rỗng tác dụng trên mặt trượt mảnh thứ i ;
Trang 26Hình 1.20 Phương pháp phân tích mặt trượt tròn để xác định lực kéo lớn
nhất yêu cầu đối với cốt tăng cường ở đáy nền đắp [15]
Hình 1.21 Chiều dài neo bám của cốt tại vị trí j dọc theo đáy nền đắp [15]
Trang 27nền đắp (đã được nhân hệ số); MRSj: mô men giữ lớn nhất do đất tạo ra tại điểm j trên đáy nền đắp (đã được nhân hệ số)
Phân tích mặt trượt nhằm tìm Tro, ngoài phương pháp trình bày trên cũng có thể sử dụng phương pháp Bishop và Janbu cải tiến. ể đảm bảo lực
Troj có thể có điều kiện phát sinh thì cốt tăng cường phải đủ chiều dài neo bám với đất xung quanh trên toàn bộ cốt tăng cường [15] Bên trong phạm vi mặt trượt phải bảo đảm điều kiện:
hệ số vật liệu riêng phần; Lj : chiều dài neo bám cần thiết của cốt tăng cường trong phạm vi cung trượt cho 1m dài nền đắp; αbc’: hệ số tương tác biểu thị liên hệ giữa lực dính bám giữa đất và cốt tăng cường với cu [15], [32], [33],[35],[37]
Nhận xét phương pháp giải tích tính nền đắp gia cường trên đất yếu:
- hương pháp phân tích là giả thiết mặt trượt tròn, xét trạng thái cân bằng giới hạn Giả thiết vô số mặt trượt với các hệ số an toàn tương ứng Cốt
V gia cường trong nền đắp chỉ được xét đến yếu tố lực căng ro
- Nền đắp trên đất yếu và rất yếu có thể gặp trường hợp nền có nhiều lớp đất yếu khác nhau Giả thiết cung trượt để tính cho bài toán sẽ phức tạp hơn
Trang 28Hình 1.22 Phương pháp khối nêm hai phần
cố đất, bệ phản áp, sử dụng vật liệu đắp có trọng lượng nhẹ, tổ hợp cốt ở các mức độ cao khác nhau, bố trí thêm hệ thống thoát nước để giảm áp lực nước
lỗ rỗng, hoặc xử lý kết hợp các phương án trên [15],[32]
2 Ổn định nội bộ [15], [32], [33], [35], [57], [53], [63]
ác phương pháp tính toán nền đắp có cốt dựa trên cơ sở các phương pháp cân bằng giới hạn và sử dụng các hệ số riêng phần tương ứng với trạng thái giới hạn đang tính Bao gồm các phương pháp phổ biến như phương pháp phân tích khối nêm hai phần, phương pháp mặt trượt tròn hoặc không tròn, phương pháp phá hoại theo mặt xoắn ốc logarit, phương pháp trọng lực dính kết (Rankin-ND) và một số phương pháp khác
a Phương pháp khối nêm hai phần (mặt trượt dạng gãy khúc) [12], [15]
hương pháp này giả thiết mặt phá hoại dạng gãy khúc như hình 1.22 và giả sử đã đưa ra được mặt phá hoại tiêu biểu hợp lý cho việc tính toán
mái dốc
Khi phân tích ổn định cần phải thử các mặt phá hoại khác nhau rồi đánh giá sự cân bằng của khối đất
Trang 29phía trên các mặt đã giả thiết đó rên mặt phá hoại giới hạn sẽ sinh ra lực gây trượt lớn nhất
ể đảm bảo được ổn định theo trạng thái giới hạn thì phải chống được lực gây trượt lớn nhất đó (hình 1.23) Giả sử mái dốc có lớp đất cuối được đắp nằm ngang thì lực gây trượt tổng hợp có thể được xem là hợp lực của các áp lực đất phía hông Lực này tăng dần theo tỷ lệ bậc nhất với độ sâu trong phạm
vi chiều sâu mái dốc Lực gây trượt tổng hợp (lực gây xáo động tổng hợp) trong trường hợp một mái dốc không chịu thêm ngoại tải được tính là:
rong đó
Rh là lực gây xáo động tổng hợp đối với 1m dài dọc theo mặt mái dốc ;
ffs làhệ số riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất;
K là tỉ số giữa ứng suất (áp lực) nằm ngang và ứng suất thẳng đứng;
ɣ là trọng lượng đơn vị của đất;
Svj là khoảng cách cốt theo phương thẳng đứng ở mức j trong mái dốc;
Tj là lực kéo lớn nhất trong cốt cho 1 m dài ở mức j trong mái dốc;
ffs là hệ số tải trọng riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất;
hj là chiều cao đắp trên mức j trong mái dốc;
fq là hệ số tải trọng riêng phần áp dụng cho ngoại tải;
ws là tải trọng ngoài do tĩnh và hoạt tải (tải trọng phân bố đều ở mặt trên kết cấu [15, tr 10])
Trang 30Ws
2 1
Lej Laj
oạn neo bám Lej để không xảy ra tuột cốt được xác định từ trạng thái giới hạn phá hoại, chiều dài neo cốt thõa mãn [15, tr 118]:
Hình 1.23 Sự phân bố gần đúng ứng suất xáo động với mỗi lớp cốt [15]
Mặt phá hoại giới hạn
Trang 31Hình 1.24 Tính toán trượt tròn theo
phương pháp phân mảnh
Nhận xét phương pháp mặt trượt gãy khúc
- hương pháp tính “khối nêm hai phần” chưa xét đến ảnh hưởng của lực đẩy nằm ngang do độ nghiêng của mặt phía trên tạo ra (chỉ xét đến lực thẳng đứng là trọng lượng khối đất)
- hương pháp “khối nêm hai phần” là một dạng tổng quát của phương pháp cân bằng giới hạn hương pháp này có ưu điểm là đơn giản, các mặt phá hoại có khả năng xảy ra có thể xác định gần đúng dần trong một phạm vi rộng Ngoài ra phương pháp này cũng dễ dàng để thiết lập một vòng lặp chương trình tính toán trên máy thuận tiện hơn
- hương pháp mặt trượt gãy khúc được dùng trong trường hợp nền đất xen kẹp lớp đất yếu ở giữa [12] Mặt trượt xảy ra sẽ theo bề mặt trượt gãy khúc lớp đất yếu rường hợp này hệ số an toàn Fsmin được xác định theo nguyên lý phân mảnh khối trượt
- hương pháp mặt trượt gãy khúc áp dụng cho loại nền đất không đồng nhất (có lớp đất yếu xen kẹp)
b Phương pháp phân mảnh để tính mặt trượt tròn [12], [15], [32], [33], [35], [49], [65], [63]
Các giả thiết đối với phương pháp phân mảnh để tính mặt trượt tròn trong nền đắp có cốt là lực tương tác giữa các mảnh được bỏ qua vì cốt có ảnh hưởng phức tạp đến các lực đó và sự có mặt của cốt làm cho khối đất trượt ít bị xáo động Ngoài ra phương pháp này cũng giả thiết lực tương tác giữa các cốt được bỏ qua
và các lớp cốt đều nằm ngang; cốt chỉ được xét đến tại những vị trí giao cắt với mặt trượt giả thiết tại mỗi mảnh riêng;
Trang 32mômen giữ cho các tác động tổ hợp của đất và cốt không được nhỏ hơn mômen trượt do trọng lượng đất gây ra (mô men được tính với tâm quay khối trượt) Như vậy điều kiện cân bằng cần thõa mãn để giải quyết bài toán là:
rong đó
MD mômen gây trượt do trọng lượng bản thân của đất và tải ngoài
MRS mômen giữ do cường độ chống cắt của đất
MRR mômen giữ do sự có mặt của cốt trong mái dốc
lỗ rỗng tác dụng lên mặt trượt ở mảnh i ; φ’p : góc kháng cắt lớn nhất của vật liệu đắp ; fms : các hệ số vật liệu riêng phần áp dụng cho tgφ’p và c’ ; : hệ số điều chỉnh mô men (trạng thái giới hạn phá hoại lấy bằng 1,25; trạng thái giới hạn sử dụng lấy bằng 1,0)
rong đó chiều dài cốt được xác định để không xảy ra phá hoại tuột cốt là:
Trang 33Lej là chiều dài neo bám cốt tối thiểu tại j trong mái dốc ; fp : hệ số riêng phần
để khống chế hiện tượng cốt bị kéo tuột ; fn : hệ số riêng phần để khống chế hậu quả kinh tế do công trình bị phá hoại gây ra ; fms : hệ số riêng phần áp dụng cho tgφ’p và c’ ; ws : ngoại tải (do tĩnh tải) ; α’ : hệ số tương tác biểu thị mối liên hệ giữa sức neo bám cốt và đất với tgφ’p ; φ’p : góc kháng cắt lớn nhất của vật liệu đắp ; αbc’ : hệ số dính bám biểu thị liên hệ giữa sức neo bám đất – cốt với c’ ; c’ : lực dính hữu hiệu của vật liệu đắp
hương pháp cung trượt tròn đã được phát triển bởi [48]:
- K Terzaghi: hương pháp erzaghi giả thiết cung trượt tròn, sử dụng
nguyên lý phân mảnh khối trượt để xác định hệ số an toàn và được sử dụng trong các tiêu chuẩn: 22TCN 207-1992 (Việt Nam), 22TCN 219-1994 (Việt Nam), OCDI (Nhật Bản), BS-6349 part1-1984 (Anh)
- A.V Bishop: hương pháp Bishop giả thiết cung trượt tròn, có xét đến
ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và nguyên lý phân mảnh khối trượt để xác định hệ số an toàn
- G.B Janbu: hương pháp Janbu giả thiết cung trượt tròn, có xét đến
ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và độ cố kết đất nền như V Bishop
- A.A Nichiprovich hương pháp này giả thiết mặt trượt cung tròn, có
xét đến áp lực nước lỗ rỗng, hệ số an toàn không thử dần mà tính trực tiếp
- Lý thuyết độ ẩm hương pháp này giả thiết mặt trượt dạng cung tròn,
dựa trên lý thuyết độ ẩm để xác định Fs thông qua lực dính đơn vị C và góc nội ma sát φ ở một thời điểm cố kết nhất định
Nhận xét phương pháp phân mảnh trượt tròn
hương pháp tính ổn định với giả thiết mặt trượt tròn có bán kính R được dùng phổ biến, tính toán tìm ra cung trượt nguy hiểm nhất với hệ số an
Trang 34Hình 1.25 Tính toán theo mặt trượt xoắn ốc
logarit
toàn Fsmin Phương pháp cung trượt tròn có thể tính toán ổn định cho các mái dốc thông thường có hình dạng khác nhau, đặc biệt chỉ phù hợp với nền đất đồng nhất Cốt gia cường được xét đến yếu tố cường độ kéo Tmax
c Một số phương pháp tính toán khác đối với nền đắp có cốt dựa trên điều kiện cân bằng mômen hoặc lực
i hương pháp tính toán ứng suất kết hợp [15], [32], [33]
Mặt phá hoại theo phương pháp tính toán ứng suất kết hợp, được xác định trên cơ sở lý thuyết ứng suất kết hợp và phương pháp phân tích ứng suất theo vòng Mohr rong phân tích tính toán, phương pháp này có phần phức tạp hơn nhưng có khả năng phân tích tốt hơn do có thể xét được biến đổi cục
bộ của ứng suất
ii hương pháp tính toán theo mặt trượt xoắn ốc logarit [15]
hương pháp mặt trượt xoắn
ốc logarit được nghiên cứu bởi các tác giả Leschinsky và Boedecker (1989); Bridle và Barr (1990) heo phương pháp này, mặt trượt giả thiết có dạng xoắn ốc logarit đã đơn giản hóa trình tự tính toán, có thể xác định được trực tiếp mômen gây mất cân bằng Mômen giữ (do
sự có mặt của cốt trong mái dốc
MRR) phải lớn hơn mômen gây mất cân bằng (M0), tức là MRR ≥ M0
rong đó MRR là momen giữ do có mặt của cốt trong mái dốc; Mo : momen gây mất cân bằng của mái dốc:
Trang 35Hình 1.26 Tính toán theo phương pháp
Chiều dài neo bám của cốt cũng được xác định bởi công thức (1.14)
iii hương pháp trọng lực dính kết (Rankin) [15], [35], [63]
hương pháp này áp dụng trong tính toán tường chắn đất được điều chỉnh để tính cho trường hợp mái dốc có cốt Trong tính toán áp dụng nguyên lý khối nêm hai phần nhưng điều chỉnh lại cách xác định
áp lực hông của đất và đường nối các điểm có lực kéo lớn nhất tương xứng với độ nghiêng của kết cấu hương pháp này do egrestin, P.,Fiorentini, F và Spiti, F nghiên cứu năm 1991
Nhận xét các phương pháp giải tích
- ác phương pháp giải tích tính theo trạng thái cân bằng giới hạn, phân tích ổn định nền đắp sử dụng mặt trượt giả thiết tròn, gãy khúc… với mỗi lần giả định mặt trượt tìm được một hệ số an toàn tương ứng Như vậy cần xác
Trang 36định vô số mặt trượt với các giá trị hệ số an toàn khác nhau Do vậy khả năng
tìm được mặt trượt nguy hiểm nhất với hệ số an toàn phù hợp khó chính xác
- hương pháp mặt trượt tròn chủ yếu áp dụng với nền đồng nhất; mặt
trượt gãy khúc áp dụng cho nền có nhiều lớp, tính chất cơ lý khác nhau
- ác phương pháp giải tích áp dụng tính toán trong các trường hợp mặt
cắt hình học nền đắp thông thường, tương đối đơn giản
- hương pháp giải tích chưa xét đến mô đun đàn hồi (E) của đất nền, đất
đắp, vật liệu gia cường và độ cứng (EA) của vật liệu gia cường trong nền
1.1.2.3 Phương pháp số và các phần mềm tính toán
1 hương pháp nguyên lý cực trị Gauss và sai phân hữu hạn [8]
heo phương pháp này, tác giả oàng ình ạm xét bài toán trong
trường hợp không có bố trí cốt và bài toán có cốt mềm nằm ngang ây là bài
toán hệ đàn hồi nhiều lớp, có quan hệ giữa trạng thái ứng suất_biến dạng trên
cơ sở lý thuyết đàn hồi cho trường hợp bài toán biến dạng phẳng
hương pháp nguyên lý cực trị auss do à uy ương đề
xuất để giải bài toán nền đường đắp không có bố trí cốt mềm nằm ngang
Phiếm hàm auss cho bài toán này được viết như sau
Ω iện tích tác dụng của lực ngoài
Ω1 Diện tích tiếp xúc đáy nền
Ω2 Diện tích bề mặt taluy
Ω3 Diện tích tiếp xúc giữa đất và đất
Md Mô đun trượt giữa đất và đất
Mc Mô đun trượt giữa đất và cốt
ui, ui+1 Chuyển vị của đất theo
…… phương x tại mặt tiếp xúc giữa
…… 2 lớp đất hoặc giữa đất với cốt
Trang 37Ω4 Diện tích tiếp xúc giữa đất và cốt
L Chiều dài cốt
P Tải trọng truyền qua vết bánh xe
w Chuyển dịch đất theo phương z
v Chuyển dịch cốt theo phương x
rong trường hợp nền đắp có cốt, để xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của nền đường đắp có cốt nằm ngang dưới tác dụng của tải trọng xe (phân bố trên đường tròn có bán kính xác định) là bài toán đối xứng trục, tác giả oàng ình ạm đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn (phương pháp số) để tính toán
2 ơ sở tính toán của một số chương trình phần mềm
a Phần mềm Geo.Slope (Canada) [10], [11], [12], [20], [22]
Tính toán ổn định:
ơ sở lý thuyết của tính toán ổn định trong chương trình eo lope là cân bằng các lực và cân bằng mômen để tìm hệ số an toàn dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium – GLE)
Tính ứng suất, biến dạng:
hương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng ở bài toán này dựa trên cơ
sở bài toán ổn định cân bằng giới hạn Các biến số, hệ số an toàn nhận được
từ sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn Do vậy, hệ số an toàn (Fs) được tính bằng phần tử hữu hạn của phần mềm này được coi như hệ số ổn định trong lope/w, được xác định là tỷ số giữa tổng các phản lực cắt dọc theo mặt trượt (∑ r) với tổng các lực cắt dọc theo mặt trượt đó (∑ m)
b Phần mềm Plaxis (Hà Lan)
Plaxis sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng chương trình tính toán với nhiều mô đun như laxis2 - giải quyết các bài toán địa kỹ thuật; Plaxis2D Dynamics - phân tích các dao động trong đất; Plaxis PlaxFlow - phân tích các bài toán thấm ổn định và không ổn định, môi trường đẳng hướng và bất đẳng hướng; Plaxis 3D Tunnel – phân tích công trình
Trang 38ngầm 3 chiều bài toán ổn định và biến dạng; Plaxis 3D Foundation – phân tích 3 chiều ổn định và biến dạng bài toán móng bè, móng cọc…
Trong phân tích ổn định và biến dạng bài toán mái dốc nền đắp có sử dụng V , Plaxis xem mô hình quan hệ ứng suất biến dạng của V và phần tử tiếp xúc giữa vải địa với đất nền giả thiết là đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb như hình 1.27
Phương pháp phần tử hữu hạn xác định hệ số an toàn ổn định là phương pháp giảm c – φ có nội dung như sau
, ,
u i
i i s
r
s
tan F
;
i r s
c c F
,
u i
u r s
s s F
c Phần mềm Phase 2 (Canada)
Phase2 là phần mềm phân tích tính toán ổn định hố đào và mái dốc được xây dựng bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong đó tìm hệ số an toàn sử dụng phương pháp giảm c – φ ( he hear trength Reduction -SSR)
Phase2 cũng tương tự như laxis xem quan hệ ứng suất biến dạng của
V và phần tử tiếp xúc V với đất nền là tuyến tính theo mô hình Mohr-Coulomb như hình 1.27
Trang 39Nhận xét các phương pháp tính toán
Các phần mềm trình bày trên, trong tính toán đều xem quan hệ ứng xử kéo của V và phần tử tiếp xúc V với đất nền là đàn hồi dẻo lý tưởng, quan hệ tuyến tính theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb Trong thực tế, quan hệ này rất phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn khác nhau theo mô hình Robert M.Koerner được trình bày ở chương sau Do vậy trong tính toán chưa mô tả sát với thực tế làm việc của vật liệu ơn nữa, đây là các phần mềm thương mại của nước ngoài được xây dựng, đóng gói và người dùng chỉ được sử dụng nhập liệu đầu vào, phân tích, xuất kết quả mà không thể can thiệp được vào chương trình để điều chỉnh, thay đổi phù hợp với nhu cầu tính toán của người sử dụng
So với các phương pháp giải tích chủ yếu giải quyết tốt bài toán mái dốc
có hình dạng thông thường, mặt trượt tròn, gãy khúc giả thiết, dựa trên trạng thái cân bằng giới hạn, tính toán có xét đến cường độ V nhưng chưa xét đến mô đun đàn hồi (E) của đất, của vật liệu gia cường và độ cứng (EA) của vật liệu gia cường; thì phương pháp phần tử hữu hạn tính toán được cho tất cả các loại mái dốc có hình dạng khác nhau, có nền đắp gồm nhiều lớp tính chất phức tạp, hệ số an toàn được xác định là duy nhất và mặt trượt duy nhất trên
cơ sở xét chuyển vị tại các nút phần tử Mặt khác, phương pháp phần tử hữu hạn còn kể đến nhiều yếu tố ảnh hưởng như mô đun đàn hồi của đất nền; mô đun đàn hồi, độ cứng của kết cấu vật liệu gia cường trong đất
So với phương pháp sai phân hữu hạn giải bài toán bằng cách xấp xỉ phương trình vi phân, cơ bản chỉ áp dụng được trong dạng hình chữ nhật với mối quan hệ đơn giản; trong khi đó phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán bằng cách xấp xỉ kết quả lời giải của bài toán, có thể áp dụng với nền có dạng hình học bất kỳ và bài toán có biên phức tạp trong mối quan hệ rời rạc
Từ các so sánh được trình bày ở trên cho thấy phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác
Trang 401.2 Những vấn đề tồn tại mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu
1 ác phương pháp tính toán ổn định mái dốc nền đắp có hoặc không có gia cường vật liệu địa kỹ thuật, thường sử dụng các phương pháp tính toán giải tích theo trạng thái cân bằng giới hạn dựa trên mặt trượt tròn giả thiết, mặt trượt gãy khúc giả thiết Tuy nhiên có nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng mặt trượt không phải là trượt tròn và cần được nghiên cứu đề xuất bằng những phương pháp tính khác [15], [57], [60]
2 Các tính toán ổn định nền đắp gia cường V theo phương pháp giải tích chỉ xét đến cường độ của V ( max) mà chưa xét đến độ cứng của
V (đặc trưng là mô đun đàn hồi E g)
3 Quan hệ ứng suất - biến dạng của V là một đường phi tuyến phức tạp
o đó cần xây dựng mô hình tính toán phù hợp với loại vật liệu vốn có quan hệ ứng xử kéo phức tạp này
4 Giá trị lực căng max của V gia cường nền đắp cần được nghiên cứu tính toán để xác định giá trị tại mỗi điểm (vị trí) của các lớp V gia cường trong nền đắp khi đạt trạng thái giới hạn cường độ
5 Nghiên cứu xác định sự ảnh hưởng của độ cứng (EA g) V đến hệ số an toàn ổn định nền đắp
6 Các nghiên cứu nền đường đắp gia cường V về: số lượng V cần thiết sử dụng, hệ số mái dốc nền đắp, cường độ và độ cứng của V gia cường ảnh hưởng đến an toàn ổn định nền đắp, cần được nghiên cứu tính toán Từ các kết quả tính toán thực nghiệm vẽ các biểu đồ sử dụng V , phục vụ cho tra cứu nhanh trong công tác thiết kế sơ bộ nền đắp gia cường
V
1.3 Mục tiêu của đề tài
Chọn mô hình và xây dựng thuật toán chương trình tính bài toán nền đắp gia cường V bằng phương pháp phần tử hữu hạn Từ đó thiết lập, giải quyết các bài toán thực tế trong xây dựng nền đắp gia cường và đề xuất các vấn đề còn tồn tại mà luận án tập trung nghiên cứu
