NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP CÓ GIA CƯỜNG BẰNG VÁI ĐỊA KỸ THUẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ VIỆT NAM

Mục tiêu luận án Nghiên cứu phương pháp tính toán nền đắp có gia cường bằng vái địa kỹ thuật trong các công trình xây dựng đường ôtô Việt Nam nhằm hoàn thiện phương pháp tính toán cho bài toán nền đắp có sử dụng vái địa kỹ thuật trong công trình xây dựng đường ôtô. Mời bạn đọc cùng tham khảo.

- i -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- ii -

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1: GS.TS Vũ Đình Phụng 2: TS Vũ Đức Sỹ

Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Văn Quảng

Đại học Kiến Trúc Hà Nội Phản biện 2: GS.TS Đỗ Bá Chương

Phản biện 3: PGS.TSKH Nguyễn Văn Cận

Đại học Mỏ Địa Chất Hà Nội

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại: Trường Đại học Giao Thông Vận Tải vào hồi giờ ’ ngày tháng năm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Quốc gia

2 Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

- iii -

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1- ThS Huỳnh Ngọc Hào, GS.TS Vũ Đình Phụng (2009), "Một số phương pháp thiết kế có sử dụng Vải địa kỹ thuật để ổn định nền đất yếu trong

xây dựng đường và đê đập", Tạp chí Cầu Đường, (số 11), Tr 08 -11

2- ThS Huỳnh Ngọc Hào, GS.TS Vũ Đình Phụng (2013), "Những khả năng gây mất ổn định công trình nền đất đắp nhìn từ góc độ tính toán thiết kế",

Tạp chí Cầu Đường ISSN 1859-459X, (số 8), Tr.19-22

3- ThS Huỳnh Ngọc Hào, GS.TS Vũ Đình Phụng (2013), "Mô hình tính bài toán ổn định nền đắp đường, đê, đập gia cường vải địa kỹ thuật (VĐKT) bằng phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến ứng xử kéo của VĐKT và quan hệ ứng suất biến dạng của phần tử tiếp xúc giữa đất nền và VĐKT",

Tạp chí Cầu Đường ISSN 1859-459X, (số 11),Tr.08-11

- 4 -

MỞ ĐẦU 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 VĐKT

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, đề xuất tính toán và đưa ra các biểu đồ tiện ích sử dụng

trong thiết kế

2- Lý do lựa chọn đề tài: Nhằm hoàn thiện phương pháp tính toán cho bài toán nền đắp có sử dụng VĐKT trong các công trình xây dựng đường ô tô

3- Mục đích: Xây dựng mô hình tính toán nền đường đất đắp có gia cường

bằng VĐKT, góp phần hoàn thiện phương pháp tính toán sát với thực tế làm việc của vật liệu và dự báo khả năng mất ổn định một cách chính xác nhằm đem lại

hiệu quả cao, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thiết kế nền đắp gia cường VĐKT

4- Đối tƣợng nghiên cứu: Nền đất đắp có sử dụng VĐKT trong các công trình nền đường

5- Phạm vi nghiên cứu: Lựa chọn, xây dựng mô hình tính bài toán nền đắp

gia cường VĐKT Xây dựng thuật toán và chương trình tính bằng phương pháp

phần tử hữu hạn Nghiên cứu bài toán nền đường đắp cao có gia cường VĐKT 6- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: VĐKT (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 VĐKT (VĐKT) đã ra đời ở các nước phương tây Do có những đặc tính

ưu việt nên VĐKT 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, VĐKT được sử dụng rộng rãi

ở nhiều nước như Pháp, Hà Lan, Mỹ, Nhật, đặc biệt ở các nước Đông Nam Á như Thái Lan, Philippin, Inđônêxia, Malaysia, Ở nước ta, VĐKT được đưa vào sử dụng công trình xây dựng đường từ năm 1993 và ngày càng được sử dụng rộng

- 2 - rãi Theo kết quả nghiên cứu của nhiều chuyên gia trong và ngoài nước cho thấy VĐKT 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 VĐKT 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP GIA CƯỜNG VĐKT 1.1 Các nghiên cứu sử dụng và tính toán nền đắp gia cường VĐKT trong

và ngoài nước

1.1.1 Lịch sử phát triển và sử dụng VĐKT

1.1.1.1 Giới thiệu chung: VĐKT xuất hiện lần đầu tiên với tên thương mại

Bidium vào những năm 60 của thế kỷ trước ở Pháp, nhưng chưa được chú ý và được sử dụng rất ít Từ sau năm 1975, VĐKT được nhiều nước nghiên cứu hoàn thiện từ khâu chế tạo, phương pháp tính toán và công nghệ thi công VĐKT 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 VĐKT

được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước như Pháp, Hà Lan, Mỹ, Nhật, Trung Quốc,

Ấn Độ, Hàn Quốc, đặc biệt ở các nước Đông Nam Á: Thái Lan, Philippin,

Inđônêxia, Malaysia, Brunei

Ở nước ta năm 1993 VĐKT lần đầu tiên được sử dụng trong dự án nâng cấp QL5 (Hà Nội – Hải Phòng) do Công ty Tư vấn Thiết kế KEI – Nhật Bản thiết kế với trên 500.000 m2

VĐKT rất có hiệu quả để xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu Và từ 1995 cho đến nay VĐKT 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: Đường cao tốc TP.Hồ Chí Minh – Trung Lương, Đại lộ Thăng Long (từ Láng đi Hòa Lạc, Hà Nội), Cao tốc Hà Nội – Hải Phòng, Cao tốc Giẽ - Ninh Bình, Cao tốc Nội Bài – Lào Cai, Cao tốc Long Thành – Dầu Giây và Cao tốc Bến Lức – Long Thành …

- 3 -

1.1.1.2 Phân loại VĐKT [14], [28], [29], [30] Dựa theo công nghệ chế tạo,

VĐKT được phân làm hai loại: VĐKT loại dệt (Woven Geotextile) và VĐKT loại

không dệt (Nonwoven Geotextile)

Một số tiêu chí đánh giá VĐKT: Phụ lục 1: Bảng 1.3 giới thiệu chỉ tiêu cơ lý

chính theo ứng dụng của VĐKT; Bảng 1.4 thông số kỹ thuật vải không dệt

polyfelt TS; Bảng 1.5 và bảng 1.6 VĐKT không dệt HD – Việt Nam [50]

1.1.1.3 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)

VĐKT 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

2 Chức năng gia cường đất yếu (reinforcement) Đối 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 do đó cần sử dụng VĐKT gia cường VĐKT còn được sử dụng trong trường hợp gia cường nền đất không yếu nhưng nền cần đắp cao

3 VĐKT làm cốt tường chắn đất (tường chắn cốt mềm): để tăng khả năng đắp đất cho tường chắn có chiều cao lớn, hoặc độ dốc đứng đến 900, người ta đã sử dụng VĐKT 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]

4 Chức năng lọc, thoát nước sau lưng tường chắn (drainage): (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 Lần đầu tiên ở Việt Nam, chức năng lọc, thoát nước đã được dùng

ở tường chắn đất của đường dẫn lên cầu Tân Thịnh trên QL1, Hà Nội - Lạng Sơn

5 VĐKT với chức năng vật liệu thấm hạ mực nước ngầm Người ta sử dụng VĐKT 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 thang 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 VĐKT 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

- 4 - qua chỗ thu hẹp lòng sông lưu vực cầu… ví dụ như chống xói ở thượng và hạ lưu của các cầu: cầu Phù Đổng (qua sông Đuống), cầu Như Nguyệt (qua sông Cầu), cầu Sương Giang (qua sông Thương) trên QL1 đoạn Hà Nội – Lạng Sơn

7 VĐKT 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 VĐKT 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

1.1.1.4 Một số công trình xây dựng sử dụng VĐKT ở Việt Nam

1 VĐKT 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 Cũng với chức năng ngăn cách của VĐKT, 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 VĐKT 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 VĐKT cũng đã được sử dụng trong khi nâng cấp các QL5, QL1, QL10, QL18 và một số loại các đường cao tốc như: cao tốc Tp Hồ Chí Minh – Trung Lương; Giẽ - Ninh Bình; Nội Bài – Lào Cai; Hà Nội – Hải Phòng;

Hà Nội – Thái Nguyên… Ngoài ra VĐKT cũng được sử dụng trong các bãi rác nhằm làm phân cách giữa đất và các lớp rác phế thải như: lót đáy bãi rác Tam Tân (Củ Chi, TP HCM năm 2011), bãi rác huyện Bố Trạch (Quảng Bình), bãi rác huyện An Nhơn (Bình Định), bãi rác thành phố Hưng Yên …

2 VĐKT với chức năng gia cường nền đắp trên đất yếu: Vào những năm 2000-2003, trước khi xây dựng đường đắp tuyến Trới – Vũ Oai [40], đường cấp III đồng bằng (Quảng Ninh), chủ trì thiết kế đã dùng 2, 3 lớp VĐKT vừa làm lớp ngăn cách vừa làm nhiệm vụ gia cường cho nền đường đắp trên đất yếu Cũng vào những năm 2002, trên QL1 đoạn tránh thành phố Vinh[39] chủ trì thiết kế đã dùng VĐKT làm lớp ngăn cách giữa đất yếu ở độ sâu đào 80cm và cát đổ lên trên Sau đó tiếp tục sử dụng 3 lớp VĐKT nữa, mỗi lớp cách nhau 40cm để gia cường phần nền đào (80cm) và phần nền đắp cao 4 ÷ 5m Hai công trình này đã khai thác đến nay (2013) được trên 10 năm, chất lượng rất tốt Đây cũng là các công trình sử dụng VĐKT 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 VĐKT để gia cường nền đắp trên đất yếu cho nhiều dự án xây dựng đường khác như: đường cao tốc TP Hồ Chí Minh – Trung Lương, Giẽ - Ninh Bình, Hà Nội – Thái Nguyên, Nội Bài – Lào cai,…

- 5 -

3 VĐKT với chức năng chống xói mòn mái taluy Khi xây dựng nền đắp bảo vệ bờ biển ở Bãi Cháy - Quảng Ninh, VĐKT 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 VĐKT 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 Tư vấn Đức thiết kế cũng đã sử dụng VĐKT làm lớp bảo vệ chống xói mòn Dự án nâng cấp QL1 đoạn Hà Nội – Lạng Sơn do PMU18 đại diện chủ đầu tư, trên các đoạn dẫn vào cầu Phù Đổng (Sông Đuống), cầu Như Nguyệt (Sông Cầu), cầu Xương Giang (Sông Thương), người ta cũng đã sử dụng VĐKT để làm lớp bảo vệ chống xói mòn hai bên mái sông ở thượng – hạ lưu của ba cầu này

4 VĐKT 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 H = 7,2m vào năm 1998 Ở đáy tường chắn phía bên trong nền đắp đã được đổ sỏi rồi phủ lên đó một lớp VĐKT 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 gia cường VĐKT trong và ngoài nước hiện nay: Các 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 [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

1 Ổn định cục bộ [7], [15], [32], [33]: Kiểm tra ổn định cục bộ của mái dốc

H: là 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)

2 Ổn định trượt tròn (Phương pháp phân tích mặt trượt): Phương pháp phân tích mặt trượt được dùng phổ biến nhất trong tính toán ổn định trượt tròn đối

- 6 - với các nền đắp có sử dụng cốt đặt ở đáy nền đắp Mômen gây trượt MD do đất và

Mômen giữ MRS do đất:

(1.3)

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 ;

Lực kéo Troj yêu cầu đối với 1m dài nền đắp tại mỗi điểm j dọc theo đáy

1.1.2.2 Phương pháp giải tích tính toán nền đắp có cốt trên đất tự nhiên tốt

1 Ổn định ngoài Trường hợp kết quả có một hoặc nhiều cách phá hoại xảy

ra thì có thể lựa chọn xử lý theo các cách như: giảm độ dốc mái nền đắp, tăng bề rộng vùng bố trí cốt, sử dụng vật liệu đắp có chất lượng tốt, tăng cường nền móng bằng các biện pháp gia 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] Các 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:

a Phương pháp khối nêm hai phần (mặt trượt dạng gãy khúc) [12], [15]

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: (1.7)Trong đó: Rh là lực gây xáo động tổng hợp đối với 1m dài dọc theo mặt mái dốc;

- 7 - ffs là hệ 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;

H là chiều cao nền đắp

Để cốt không bị kéo đứt, khoảng cách cốt theo phương thẳng đứng được xác định

Trong đó: 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 (phân bố đều ở mặt trên kết cấu [15, tr 10])

Đoạn 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]:

(1.9)

Trong đó: Lej là chiều dài neo bám cốt tối thiểu tính toán ở mức j ; fp : hệ số riêng phần khống chế hiện tượng cốt bị kéo tuột; fn : hệ số riêng phần khống chế do công trình bị phá hoại gây ra; fms : hệ số riêng phần áp dụng cho tgφ’p và c’; ws : ngoại tải; α’: hệ số tương tác biểu thị 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

Nhận xét phương pháp mặt trượt gãy khúc

- Phương 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) “Khối nêm hai phần” là một dạng tổng quát của phương pháp cân bằng giới hạn Phương 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 Phương 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, trường hợp này hệ số an toàn Fsmin được xác định theo nguyên

lý phân mảnh khối trượt, áp dụng cho loại nền đất không đồng nhất (có lớp đất yếu xen kẹp)

- 8 -

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; mômen 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: (1.10) Trong 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

Trong đó : Tj là lực kéo lớn nhất trong cốt ở mức j trong mái dốc ; Yj: khoảng cách lớp cốt thứ j đến tâm trượt theo trục Y ; ffs : hệ số riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất ; fq : hệ số riêng phần áp dụng cho ngoại tải ; Wi : trọng lượng cột đất thứ i ; wsi : ngoại tải tác dụng lên mảnh i ; c’ : lực dính đơn vị của vật liệu đắp xác định trong điều kiện ứng suất hữu hiệu ; ui : áp lực nước 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

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

- 9 - 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

Phương pháp cung trượt tròn đã được phát triển bởi [48]: K Terzaghi; A.V

Bishop; G.B Janbu; A.A Nichiprovich ; Phương pháp Lý thuyết độ ẩm

Nhận xét phương pháp phân mảnh trượt tròn: Phương 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 toàn Fsmin Phương pháp cung trượt tròn có thể tính toán ổn định cho các mái dốc thông thường có hình dạng khác nhau, 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 Phương 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 Trong 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 Phương pháp tính toán theo mặt trượt xoắn ốc logarit [15] 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

Trong đó: MRR là momen giữ do có mặt của cốt trong mái dốc; Mo : momen

Trong đó: Tj là lực căng của vải địa ở mức j ; Yj : là khoảng cách lớp cốt thứ j đến tâm trượt theo trục Y

(1.16) ffs là hệ số riêng phần cho trọng lượng đơn vị của đất; fq : hệ số riêng phần cho ngoại tải ; wi : trọng lượng cột đất thứ i; wsi : ngoại tải tác dụng lên mảnh i ; ui :

áp lực nước lỗ rỗng tác dụng trên mặt trượt mảnh thứ i ; : hệ số hiệu chỉnh momen Chiều dài neo bám của cốt cũng được xác định bởi công thức (1.14) iii Phương pháp trọng lực dính kết (Rankin) [15], [35], [63] Phương 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

- 10 - 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

Nhận xét các phương pháp giải tích

Các 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 định 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 Phương 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 Các phương pháp giải tích áp dụng tính toán trong các trường hợp mặt cắt hình học nền đắp thông thường, tương đối đơn giản

Phương 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 Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss và sai phân hữu hạn [8] Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss do GS TSKH Hà Huy Cương đề xuất, tác giả Hoàng Đình Đạm xét bài toán trong trường hợp không có bố trí cốt và bài toán có cốt mềm nằm ngang Đây 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 Trong 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 Hoàng Đình Đạm đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để tính toán

2 Cơ 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: Cơ sở lý thuyết của tính toán ổn định trong chương

trình Geo.Slope 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: Phương 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 Slope/w, được xác định là tỷ số giữa tổng các phản lực cắt dọc theo mặt trượt (∑Sr) với tổng các lực cắt dọc theo mặt trượt đó (∑Sm):

b Phần mềm Plaxis (Hà Lan) Trong phân tích ổn định và biến dạng bài

toán mái dốc nền đắp có sử dụng VĐKT, Plaxis xem mô hình quan hệ ứng suất biến dạng của VĐKT 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 r u r

s tan c F

r

s

tan F

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 PTHH, hệ số an toàn tìm bằng phương pháp giảm c – φ Phase2

cũng tương

tự như Plaxis xem quan hệ ứng suất biến dạng của VĐKT và phần tử tiếp xúc VĐKT với đất nền là tuyến tính theo mô hình Mohr-Coulomb như hình 1.27

d

Nhận xét các phương pháp tính toán: Các phần mềm trình bày trên, trong tính

toán đều xem quan hệ ứng xử kéo của VĐKT và phần tử tiếp xúc VĐKT 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

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 VĐKT 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

Hình 1.27 Quan hệ ứng xử đất - VĐKT

theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb

có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác

1.2 Những vấn đề tồn tại mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu

1 Các 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 VĐKT theo phương pháp giải tích chỉ xét đến cường độ của VĐKT (Tmax) mà chưa xét đến độ cứng của VĐKT

(đặc trưng là mô đun đàn hồi E g)

3 Quan hệ ứng suất - biến dạng của VĐKT là một đường phi tuyến phức tạp Do 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 Tmax của VĐKT gia cường nền đắp cần được nghiên cứu tính toán để xác định giá trị tại mỗi điểm (vị trí) của các lớp VĐKT 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) VĐKT đến hệ số

an toàn ổn định nền đắp

6 Các nghiên cứu nền đường đắp gia cường VĐKT về: số lượng VĐKT cần thiết sử dụng, hệ số mái dốc nền đắp, cường độ và độ cứng của VĐKT 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 VĐKT, phục vụ cho tra cứu nhanh trong công tác thiết kế sơ bộ nền đắp gia cường VĐKT

1.3 Mục tiêu của đề tài: Chọn mô hình và xây dựng thuật toán chương

trình tính bài toán nền đắp gia cường VĐKT bằng phương pháp phần tử hữu hạn

- 13 -

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

1.4 Nội dung nghiên cứu Các ứng dụng của VĐKT trong các công trình

xây dựng và mô hình tính toán nền đắp gia cường VĐKT trên thế giới và Việt Nam Mô hình tính bài toán ổn định của nền đắp gia cường VĐKT bằng phương pháp phần tử hữu hạn So sánh với các chương trình, phần mềm khác trên thế giới

và Việt Nam để thiết lập thuật toán và chương trình phần mềm tính toán cho các

nghiên cứu

1.5 Phương pháp nghiên cứu: Trên cơ sở xây dựng mô hình tính toán bằng

phương pháp phần tử hữu hạn, lập thuật toán và chương trình phần mềm so sánh với các phương pháp và chương trình tính trong và ngoài nước khác, giải các bài toán và đề xuất các kết quả đạt được Lựa chọn và xây dựng mô hình tính bài toán

nền đắp gia cường vật liệu địa kỹ thuật được trình bày trong chương tiếp theo CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TÍNH BÀI TOÁN NỀN ĐẤT ĐẮP GIA CƯỜNG BẰNG

CỐT MỀM VĐKT 2.1 Mục đích và yêu cầu

2.1.1 Mục đích: Lựa chọn, xây dựng mô hình tính toán nền đắp có sử dụng cốt

mềm vật liệu địa kỹ thuật mô tả sát thực tế làm việc của vật liệu trong hệ kết cấu

“đất-cốt” bằng phương pháp PTHH, nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến kết

quả phân tích ổn định và trạng thái ứng suất – biến dạng của nền đắp gia cường 2.1.2 Yêu cầu Mô hình tính toán hướng đến sự làm việc sát với thực tế của

vật liệu trong hệ kết cấu “đất + cốt” được mô hình hóa và lựa chọn các đặc trưng

vật liệu đất, cốt gia cường sao cho thích hợp

2.2 Các tính chất của VĐKT [42], [62], [63]

2.2.1 Một số khái niệm về thuộc tính của VĐKT [62], [63]

Trong phạm vi luận án này, độ cứng không sử dụng theo khái niệm độ

cứng uốn mà ở đây khái niệm độ cứng được hiểu là: (EA / L) là độ cứng đơn vị

của phần tử thanh chịu lực dọc trục, mô hình hóa phần tử VĐKT trong bài toán

phần tử hữu hạn Và như vậy EA được gọi là độ cứng của phần tử VĐKT, đơn vị

tính là kN

2.2.2 Đường quan hệ ứng suất – biến dạng của VĐKT

Theo mô hình của Robert M.Koerner trong “Designing with Geosynthetics” phiên bản thứ 5, (Hoa Kỳ, 2005) [63] , VĐKT tùy theo cách chế tạo khác nhau có các

- 14 - quan hệ ứng xử kéo là đường cong khá phức tạp Một số loại VĐKT tiêu biểu có đường quan hệ ứng suất – biến dạng đặc trưng cho ở hình 2.1

Cũng theo Robert M.Koerner, quan hệ ứng suất biến dạng của phần tử tiếp xúc VĐKT với đất nền trong thí nghiệm kéo trượt là một quan hệ gồm nhiều giai đoạn: giai đoạn phi tuyến (nonlinear) - đoạn 0-1, ứng suất tiếp tăng nhanh và biến dạng tăng chậm; giai đoạn tái bền (hardening) – đoạn 1-2, ứng suất tiếp tăng đồng thời biến dạng tăng; và giai đoạn hóa mềm (softening) – đoạn 2-3, ứng suất tiếp giảm và biến dạng tăng Quan hệ đó được thể hiện ở hình 2.2

2.2.3 Một số ví dụ xác định tính cơ lý của VĐKT [63]

2.3 Xây dựng mô hình bài toán: Phương pháp PTHH trong các chương trình

Plaxis, Pharse2 đều xem quan hệ ứng suất- biến dạng khi kéo của VĐKT là đàn hồi dẻo lý tưởng theo mô hình Mohr-Coulomb (hình 1.27) Tức là độ dốc đường quan hệ ứng suất- biến dạng xem như tuyến tính (độ dốc này chính là đặc trưng

mô đun đàn hồi của VĐKT) Sau đó, khi đạt trạng thái cường độ thì VĐKT sẽ bị phá hoại ngay Tuy nhiên, theo mô hình của Robert M Koerner thì ứng suất – biến dạng của VĐKT là một đường phi tuyến bao gồm nhiều giai đoạn (hình 2.1)

Vì vậy tùy thuộc vào mức độ biến dạng của VĐKT mà trạng thái ứng suất sẽ khác nhau Phần sau sẽ xây dựng mô hình bài toán tính nền đắp gia cường VĐKT bằng phương pháp phần tử hữu hạn Trong đó, các đặc trưng quan hệ ứng suất - biến dạng của VĐKT được xây dựng theo mô hình phi tuyến của Robert M Koerner

2.3.1 Một số giả thiết: Giả thiết nền đất đắp n loại đất, nền tự nhiên là một

hoặc nhiều lớp đất, mỗi lớp đất đồng nhất Cốt mềm VĐKT đặt trong một lớp đất

Hình 2.1 Ứng xử kéo của VĐKT theo mô

hình Robert M.Koerner [63]

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng của tiếp

xúc VĐKT và đất nền theo Robert M.Koerner [63]