tóm tắt luận án tiến sĩ tự động hóa tính toán thiết kế, lựa chọn tường chắn đất hợp lý trong xây dựng đường ô tô ở chdcnd lào

Chương 3: Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát, tính áp lực đất lên tường chắn và ổn định trượt sâu kết cấu tường chắn trọng lực.. - Bước 2 : Tính toán thiết kế kích thước

Trường đại học giao thông vận tải

-








-

VI KHONE SAY NHA VONG

tự động hóa tính toán thiết kế, lựa chọn tường chắn đất hợp lý trong xây

Trường đại học giao thông vận tải

-








-

thầy hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Bùi Xuân Cậy

2 PGS.TS Trần Tuấn Hiệp

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Xuân Đào

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hữu Trí

Luận án đ" được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Bộ môn Họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải

Vào hồi 8 giờ 30' ngày 25 tháng 03 năm 2011

Mở đầu

1 Đặt vấn đề

Một trong những yêu cầu cơ bản đối với nền đường là sự ổn định toàn khối Sự ổn

định này không những phải đảm bảo được trong quá trình thi công mà còn cả trong quá trình khai thác, nhất là các tuyến đường đi qua khu vực miền núi Công tác thiết kế đảm bảo ổn định taluy nền đường chiếm một vai trò quan trọng, khối lượng công việc lớn, do vậy chi phí thường rất lớn

Hiện tượng sụt trượt taluy nền đường được con người biết đến từ rất lâu Các giải pháp phòng chống đảm bảo ổn định cho các công trình cũng rất đa dạng Tuy nhiên hiện tượng này luôn mang tính thời sự bởi tính bất ngờ cùng với những hậu quả nghiêm trọng khi nó xảy ra Hàng năm có rất nhiều vụ sụt trượt xảy ra và hậu quả do chúng để lại thường gây ra tổn thất lớn như: thiệt hại về người, gây hư hỏng các công trình, đình trệ các quá trình sản xuất, lưu thông, do vậy gây lHng phí về thời gian và tiền của

Nước CHDCND Lào là nước thuộc miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ chênh lệch cao, mưa nhiều, một số vùng có lượng mưa lớn và không đều trong năm CHDCND Lào có diện tích phần lớn là đồi núi, có địa hình dốc, phân cắt mạnh và địa chất có cấu trúc phức tạp Khi các tuyến đường cắt qua khu vực miền núi đến mùa mưa thường xuyên phải đối mặt với những hiện tượng sạt lở taluy nền đường, nhất là ở khu vực có

hoạt động của nước mặt và nước ngầm diễn ra mHnh liệt

Nhưng trong thời gian qua, giải pháp phòng chống sụt lở taluy nền đường trên các tuyến đường ô tô ở Lào đa số mang tính chất đề xuất phương án xử lý khắc phục khẩn cấp hoặc cấp cứu tạm thời để đảm bảo thông tuyến đường khi đH có sự sụt trượt trên các tuyến đường xảy ra

Theo báo cáo hàng năm của các Sở Giao thông Vận tải báo cáo lên Bộ trưởng Bộ Giao thông Vận tải Lào thì tình trạng sụt trượt đất đá trên các tuyến đường xảy ra thường xuyên, nhiều nhất là các tuyến đường khu vực miền núi ở các tỉnh phía Bắc và các tỉnh nằm dọc theo dHy núi Trường Sơn giáp biên giới Lào - Việt Nam như: QL1A, QL1C, QL1D, QL1F, QL2E, QL3, QL4, QL5, QL6, QL7, QL8 QL12, QL13, QL18B Nguyên nhân là do mưa nhiều và các giải pháp phòng chống sụt trượt chưa được đa dạng

Trong thời gian qua, các giải pháp phòng chống sụt trượt ở Lào chủ yếu sử dụng loại hình kết cấu tường chắn trọng lực như: tường chắn đất đá xếp khan, tường chắn đất

đá xây và tường chắn đất rọ đá Tường chắn đất đá xếp khan đH được thi công trên tuyến

đường QL13N, tường chắn đất đá xây được thi công trên các tuyến đường QL1C, QL3, QL7 và QL13N, tường chắn đất rọ đá được thi công trên các tuyến đường QL1C, QL2E, QL3, QL7, QL13, QL18B Các kích thước tường chắn thường lấy theo cấu tạo hoặc thiết kế điển hình của nước ngoài

Các công trình tường chắn đH được thiết kế và thi công chất lượng thường kém và tuổi thọ công trình thấp Các dạng hư hỏng như: đất đá trên đỉnh tường trượt xuống va

đập và lấp kín tường chắn, kết cấu tường bị biến dạng hoặc nứt gẫy do nền móng tường lún không đều Nhiều trường hợp toàn bộ khối tường chắn bị trôi mất do mái đất bị trượt

sâu Nguyên nhân dẫn đến tường chắn đất hư hỏng ở Lào là do: khi thiết kế tường chắn

đất thường chỉ đưa ra cấu tạo cho phù hợp với địa hình, còn việc tính toán khả năng chống lại áp lực đất lưng tường chắn và khả chịu tải của đất nền thường chưa được xét

đến Mặc dù áp dụng thiết kế điển hình nhưng lại không kiểm tra lại xem điều kiện ban

đầu đH đúng với tiêu chuẩn quy định trong bản thiết kế điển hình hay không và cũng chưa có một công trình nào có xét đến bài toán trượt sâu

Từ đó dẫn đến việc cần thiết phải nghiên cứu kỹ việc tính toán, thiết kế tường chắn

đất cho các công trình giao thông ở CHDCND Lào Đề tài nghiên cứu “ Tự động hoá

tính toán, thiết kế, lựa chọn tường chắn đất hợp lý trong xây dựng đường ô tô ở CHDCND Lào” mà nghiên cứu sinh (NCS) lựa chọn là cần thiết Kết quả nghiên cứu

nhằm góp phần giải quyết các vấn đề nêu trên và áp dụng vào thực tế trong việc xây dựng giao thông ở đất nước mình

2 Mục tiêu của luận án

- Nghiên cứu các dạng phá hoại kết cấu tường chắn tại Lào

- Nghiên cứu các phương pháp tính kết cấu tường chắn hiện có, từ đó lựa chọn phương pháp tính hợp lý cho kết cấu tường chắn

- Nghiên cứu và phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát để tính kết cấu tường chắn (đặc biệt bài toán trượt sâu)

- Xây dựng chương trình tính kết cấu tường chắn trên máy tính

- ứng dụng chương trình tính kết cấu tường chắn tối ưu hoá kết cấu tường chắn trọng lực

3 Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tính toán kết cấu tường chắn trọng lực có xét đến khả năng chống lật của tường chắn, khả năng chịu tải của đất nền và bài toán trượt sâu

- Chưa xét đến ảnh hưởng của mực nước ngầm, kết cấu tường chắn có gia cường neo, gia cường vải địa kỹ thuật

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án

- Khảo sát, thu thập, phân tích đánh giá số liệu, thông tin thực tế

- Nghiên cứu lý thuyết và kết hợp lập trình tính trên máy tính

5 Cấu trúc của luận án

Mở đầu

Chương 1: Khái quát về đặc điểm điều kiện tự nhiên, thực trạng mạng lưới giao thông, tình hình áp dụng kết cấu tường chắn đất ở Lào và một số loại hình tường chắn

đất điển hình

Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tính toán tường chắn đất

Chương 3: Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát, tính áp lực đất lên tường chắn và ổn định trượt sâu kết cấu tường chắn trọng lực

Chương 4: Tối ưu hóa tính toán lựa chọn kết cấu tường chắn trọng lực hợp lý

Kết luận và kiến nghị

Chương 1: Khái quát về đặc điểm điều kiện tự nhiên, thực trạng mạng lưới giao thông, tình hình áp dụng kết cấu tường chắn đất

ở Lào và một số loại hình tường chắn đất điển hình

1.1 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên của nước CHDCND Lào

1.2 Thực trạng mạng lưới giao thông của Lào

Hình 1.4 - Tình trạng sụt trượt taluy dương đường vùng núi

Hình 1.5 - Tình trạng sụt trượt taluy âm đường vùng núi

1.3 Tình hình áp dụng kết cấu tường chắn đất ở Lào

- Tường chắn đá xếp khan:

Hình 1.6 - Một số tường chắn đá xếp khan ở Lào

- Tường chắn đá xây:

Hình 1.7 - Một số tường chắn đá xây ơ Lào

- Tường chắn đất bằng rọ đá: xem hình 1.8

Hình 1.8 - Một tường chắn rọ đá ở Lào

1.4 Tình trạng hư hỏng tường chắn đất ở Lào

Nói chung là các công trình tường chắn đH được xây dựng ở Lào có chất lượng chưa cao

Hình 1.9 - Một số loại tường chắn bị hư hỏng ở Lào

Hình 1.10 - Một số loại tường chắn bị hư hỏng do trượt sâu ở Lào

1.5 Tổng quan về tường chắn đất điển hình

Về nguyên tắc tính toán tường chắn đất, đối với mỗi một loại tường chắn, tuỳ theo kết cấu và khả năng chịu lực mà có các phạm vi áp dụng khác nhau Tuy nhiên, tất cả các tính toán tường chắn đều phải qua 3 bước cơ bản, đó là :

- Bước 1 : Tính toán xác định áp lực đất lên tường chắn

- Bước 2 : Tính toán thiết kế kích thước tường chắn trên cơ sở kiểm toán 4 điều kiện

về độ bền của thân tường, độ ổn định chống lật và chống trượt phẳng của tường (kết cấu)

và độ ổn định của nền móng chân tường dưới tác động do áp lực đất đá và tải trọng ngoài, kể cả động đất (nếu có) gây ra

- Bước 3 : Kiểm toán ổn định của toàn bộ công trình tường chắn với sự ổn định chung của nền đường và mái dốc

- Do đó, có thể kết luận: cần nghiên cứu một phương pháp mới vào tính toán áp lực

đất, tính toán ổn định chống lật, ổn định trượt sâu cho tường chắn Chính vì vậy, tác giả luận án lựa chọn nghiên cứu và phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát vào trong tính toán áp lực đất, tính toán ổn định chống lật, ổn định trượt sâu cho tường chắn

đất

CHƯƠNG 3: PHáT TRIểN PHƯƠNG PHáP CÂN BằNG GIớI HạN TổNG QUáT TíNH áp lực đất lên TƯờNG CHắN và ổn định trượt sâu kết cấu

tường chắn TRọNG LựC 3.1 Giới thiệu phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát

3.1.1 Mô tả chung về phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát

Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (Generalized Limit Equilibrium GLEM) là sự phát triển của phương pháp đường trượt tổng quát được đưa ra bởi nhóm tác giả Enoki và cộng sự (1990), trong đó tất cả các bài toán trạng thái giới hạn như: khả năng chịu tải, ổn định mái dốc và áp lực đất có thể giải quyết [36], (xem hình 3.1)

Hình 3.1 - Sơ đồ các khối trượt trong GLEM

Đặc điểm chính của GLEM là:

1) Lăng thể trượt được chia thành những khối trượt dạng tứ giác và tam giác Các khối được giới hạn bởi mặt đáy, mặt trong và mặt trên Mặt trượt chính được tạo bởi những mặt phẳng đáy khối liên tiếp nhau, vì vậy mặt trượt chính có thể có hình dạng bất

kỳ (mặt trượt tròn hoặc không tròn) với mặt lõm hướng vào trong

2) Khi mái đất bị mất ổn định, trạng thái cân bằng giới hạn có thể xảy ra cả trên mặt phẳng đáy khối và mặt phẳng trong khối

3) Chỉ điều kiện cân bằng lực được sử dụng, không cần điều kiện cân bằng mômen

Để làm rõ sự khác nhau của phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) và phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM), tác giả luận án đH lập bảng so sánh, (xem bảng 3.1)

Bảng 3.1 - So sánh giữa LEM và GLEM

- Khối trượt được coi như một cố thể Khi tính toán

ổn định mái dốc, khối trượt được chia thành các khối

với mặt đáy của khối là mặt trượt và mặt giữa các

khối là thẳng đứng

- Khối trượt được chia thành các khối dạng tam giác và tứ giác với mặt đáy và mặt phẳng trong giữa các khối đều là mặt trượt có độ nghiêng bất

kỳ

- Điều kiện trượt chỉ xảy ra trên mặt phẳng đáy khối

trượt

- Điều kiện trượt xảy ra cả trên mặt phẳng đáy

và mặt phẳng giữa khối chia

- Có đưa ra phân tích lực tương tác giữa các khối

chia nhưng khi tính toán lại đưa ra các giả thiết

nhằm đơn giản hóa trong tính toán

- Có xét sự tương tác giữa các khối chia và xác

định được các lực tương tác giữa các mảnh

- Ưu điểm là việc tính toán đơn giản, có thể dùng để

giải quyết nhiều trường hợp phức tạp của mái dốc và

Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát có thể áp dụng để giải tất cả các bài toán trạng thái giới hạn của kết cấu địa kỹ thuật trong đó bao gồm tính toán ổn định mái dốc, sức chịu tải của nền đường và áp lực tường chắn Các điều kiện biên có thể thay đổi, mái dốc có thể phải xếp tải thêm Do đó, tác giả luận án quyết định nghiên cứu phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát và áp dụng vào tính toán ổn định trượt sâu tường chắn

đất trọng lực

3.1.2 Mô hình tính và các phương trình cơ bản trong phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát

βi - góc nghiêng của mặt phẳng đáy khối thứ i so với mặt nằm ngang

Ri, Ri+1 - độ dài của mặt phẳng giữa khối thứ i, i+1

Si - độ dài của mặt phẳng đáy khối thứ i

Hi, Hi+1 - lực pháp tuyến trên mặt phẳng giữa khối thứ i, i+1

Vi, Vi+1 - lực tiếp tuyến trên mặt phẳng giữa khối thứ i, i+1

θi, θi+1 - góc nghiêng của mặt phẳng giữa khối thứ i và thứ i+1 so với mặt phẳng nằm ngang

Ni - lực pháp tuyến trên mặt phẳng thứ i của mặt trượt chính

Ti - lực tiếp tuyến trên mặt phẳng thứ i của mặt trượt chính

Sự cân bằng của khối thứ i được chỉ ra, (xem hình 3.3), bao quanh bởi mặt phẳng

đáy thứ i, mặt phẳng giữa khối thứ i và i+1, được lập thành công thức sau:

<Điều kiện cân bằng của khối>

- Chiếu tất cả các lực tác dụng lên khối trượt theo phương pháp tuyến của mặt phẳng đáy ta có:

i i i

i i

i i i i i

- Chiếu tất cả các lực tác dụng lên khối trượt theo phương tiếp tuyến của mặt phẳng

đáy ta có:

i i i

i i

i i i i i

i i i

β θ α

β θ α

k

i

) ( +

i

i

Fs

cR tg H m

Fs, Fsi - hệ số ổn định trên mặt trượt đáy khối và giữa khối

k và mi, mi+1- tham số để xác định hướng của lực tiếp tuyến trên mặt phẳng

đáy khối và giữa khối

k - thông số xác định hướng của T1, , Tn

k = +1 khi các khối trượt về phía trái

k = -1 khi các khối trượt về phía phải

mi - thông số xác định hướng của V1, Vn+1

mi = +1 khi mặt phẳng đáy bị lõm tại điểm i

mi = -1 khi mặt phẳng đáy bị lồi tại điểm i

Đối với bài toán ổn định mái dốc, k = 1 và mi= 1

3.1.3 Thiết lập bài toán và phương pháp giải trong GLEM

3.1.3.1 Thiết lập bài toán trong GLEM

Khi một lăng thể trượt, (xem hình 3.2) được xem xét cho bài toán mái dốc, lực pháp tuyến và tiếp tuyến trên mặt phẳng giữa khối đầu tiên (H1 và V1) được đưa vào như tải trọng ngoài, còn lực pháp tuyến và tiếp tuyến trên đỉnh mái dốc của khối thứ n+1 (Hn+1 và Vn+1) như lực tác dụng xuống mặt nền đỉnh, hệ số ổn định mặt phẳng giữa khối

Fsi và hệ số ổn định mặt phẳng đáy khối Fs là hệ số cần tìm

Số khối trượt là n, số mặt phẳng đáy khối trên đó hệ số ổn định chung được xác

định là n, số mặt phẳng giữa khối trên đó hệ số ổn định được xác định là n-1

Lực trên mặt phẳng giữa khối:

- Lực pháp tuyến Hi

- Lực tiếp tuyến Vi

n-1 n-1

Hệ số ổn định:

- Trên mặt phẳng đáy khối Fs

- Trên mặt phẳng giữa khối Fsi

1 n-1

Trong bảng 3.2 cho thấy đây là bài toán siêu tĩnh, số ẩn lớn hơn số phương trình

Để giải hệ phương trình trên ta có thể giả định với một trong hai trường hợp sau:

- Trường hợp thứ nhất: Giả định giống với phương pháp cân bằng giới hạn truyền

thống coi khối trượt là vật thể nguyên khối, điều đó có nghĩa là hệ số ổn định Fsi được giả định bằng vô cùng lớn và hiện tượng phá hoại trượt dẻo chỉ xảy ra trên mặt trượt chính (mặt phẳng đáy khối) Như vậy ta có số phương trình bằng số ẩn là (4n-1), như vậy chúng ta hoàn toàn giải được phương trình trên và sẽ tìm được giá trị Fs=Fsmin

- Trường hợp thứ hai: Khi mái dốc phá hoại, hiện tượng phá hoại trượt dẻo không

những xảy ra trên mặt phẳng đáy khối mà còn xảy ra trên các mặt trong khối Giả định này phù hợp với lý thuyết đường trượt Điều đó có nghĩa là Fs=Fsi Như vậy ta có số phương trình bằng số ẩn (4n-1), như vậy chúng ta hoàn toàn giải được phương trình trên

và sẽ tìm được Fs=Fsi=Fsmed

0

1

1 1 1

1 1 1

1 1

2 1 1

g g g h f f f

g g g h

f f

g h f

H

n n

n n n

n

n n n

n n

n n n n

L

K L

K

Phương trình (3-16) chính là phương trình cân bằng giới hạn tổng quát (phương trình chìa khoá) mà sẽ hình thành quan hệ giữa các đại lượng H1; Hn+1; Fsi; Fs Như vậy

sẽ có hai bài toán:

định được giá trị Fs (đây chính là bài toán đánh giá khả năng ổn định mái dốc)

(đây chính là bài toán xác định khả năng mang tải của mái dốc)

3.1.4 Thuật toán tối ưu tìm mặt trượt nguy hiểm

3.1.4.1 Nguyên tắc xác định mặt trượt nguy hiểm

3.1.4.2 Các tọa độ sử dụng trong quá trình tối ưu hóa

3.1.4.3 Phương pháp lặp Newton để xác định mặt trượt nguy hiểm

3.1.4.4 Thuật toán tối ưu tìm hệ số ổn định nhỏ nhất Fs min

Bước 1: Cho các giá trị ban đầu:

[ ]ε - sai số cho phép

dx - số gia đủ nhỏ (không được lấy nhỏ hơn sai số cho phép)

n n

n

m i

R R R YP YP YP XP XP XP

x x x x X

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

0 1

0 0 0 0 1 0

1 2 1 1 2 1 1 2

1 2

2

, , , , , , , , , , , , , , ,

, , , , ,

+ +

Giải phương trình (3-16) và hệ phương trình (3-28) ta được giá trị hệ số ổn định ban

đầu Fs0 với giá trị 0

n n

n

m i

R R R YP YP

YP XP

XP XP

x x x x X

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0

1 0

0 1

0 0 0 0 1 0

1 2

1 1 2

1 1 2

1 2

2

, , , , , , , , , ,

, , , ,

,

, , , , ,

+ +

3.2.1.1 Mô hình tính và các phương trình tính áp lực đất chủ động lên tường chắn trong trường hợp đất đồng nhất bằng GLEM

- Các phương trình tính áp lực đất chủ động lên tường chắn trong trường hợp

đất đồng nhất bằng GLEM:

- Thiết lập bài toán tính áp lực đất chủ động lên tường chắn trong trường hợp

đất đồng nhất bằng GLEM:

3.2.1.4 Thuật toán tối ưu hóa tính toán áp lực đất chủ động E ax

Bước 1 Cho các giá trị ban đầu: