Nghiên cứu xây dựng đường bao tải trọng giới hạn của nền đập xà lan vùng đồng bằng sông cửu long

Tuy nhiên, trong thực tế khi tính toán thiết kế ổn định chống trượt của ĐXL, thường có quan niệm đơn giản là lấy diện tích bản đáy nhân với lực dính đơn vị của nền đất yếu tại đáy móng x

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

MỤC LỤC HÌNH VẼ iv

MỤC LỤC BẢNG BIỂU ix

KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỘT SỐ THUẬT NGỮ THƯỜNG DÙNG xii

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3

3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

4.1 Nội dung nghiên cứu 3

4.2 Phương pháp nghiên cứu 3

5 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 4

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 4

7 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 6

1.1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng đập Xà lan ở Việt Nam 6

1.1.2 Nguyên lý, cấu tạo và những kỹ thuật căn bản của đập Xà lan 8

1.1.3 Tình hình ứng dụng ĐXL ở nước ngoài 10

1.2 NỀN ĐẤT YẾU VÙNG ĐBSCL 12

1.3 HÌNH THỨC MẤT ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 13

1.4 BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH ĐXL TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 15

1.5 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN 20

1.5.2 Móng chịu tải trọng đứng 21

1.5.3 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang 22

1.5.4 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng và mô men 24

1.5.5 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang và mô men 25

1.5.6 Đặc trưng của đường bao tải trọng giới hạn 27

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 34

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN 36

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 36

2.2 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI

HẠN 36

2.2.1 Góc ma sát tiếp xúc 36

2.2.2 Phần tử tiếp xúc 36

2.3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC MSTX TỚI ĐƯỜNG BAO TTGH 40

2.3.1 Mô hình tính toán 40

2.3.2 Thông số và chia lưới mô hình tính toán 41

2.3.3 Phương pháp xác định tải trọng giới hạn 42

2.3.4 Ảnh hưởng của góc MSTX tới tải trọng đứng giới hạn 42

2.3.5 Ảnh hưởng của góc MSTX tới đường bao TTGH đứng và ngang 45

2.3.6 Ảnh hưởng của góc MSTX tới quan hệ tải trọng đứng và mô men 46

2.4 THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH GÓC MSTX 48

2.4.1 Mục đích và nội dung thí nghiệm 48

2.4.2 Thiết kế mô hình thí nghiệm 49

2.4.3 Công tác xây dựng và lắp đặt thiết bị thí nghiệm 54

2.4.4 Các chỉ tiêu vật liệu trên mô hình 55

2.4.5 Quy trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm 57

2.5 THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 62

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 67

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN 68

3.1 TỔNG QUÁT 68

3.1.1 Mục đích xây dựng 68

3.1.2 Phương pháp xây dựng 68

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN 68

3.2.1 Biên mô hình toán 68

3.2.2 Mô hình vật liệu tính toán 68

3.2.3 Lựa chọn phần tử cho đất nền 70

3.2.4 Điểm đặt lực tính toán 71

3.2.5 Phương pháp xây dựng đường bao từ mô hình toán 71

3.3 XÂY DỰNG MÔ ĐUN PHẦN MỀM 77

3.3.1 Lưu đồ phân tích 77

3.3.2 Giao diện và lựa chọn phân tích 78

3.4 KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH BÀI TOÁN PHẲNG 81

3.4.1 Móng chịu tải trọng đứng 81

3.4.2 Móng chịu tải trọng đứng và ngang 82

3.4.3 Móng chịu tải trọng đứng và mô men 83

3.4.4 Móng chịu tải trọng đứng, ngang và mô men 84

3.5 KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH BÀI TOÁN KHÔNG GIAN BA CHIỀU 89

3.5.1 Mô hình bài toán không gian 89

3.5.2 Kết quả tính toán 93

3.6 XÂY DỰNG ĐƯỜNG BAO TTGH CHO BÀI TOÁN KHÔNG GIAN 97

3.6.1 Móng chịu tải trọng đứng 97

3.6.2 Móng chịu tải trọng đứng và ngang 99

3.6.3 Móng chịu tải trọng đứng và mô men 100

3.6.4 Móng chịu tải trọng đứng, ngang và mô men 102

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 106

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN, KIỂM TRA CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 108

4.1 CÔNG THỨC KIỂM TRA ỔN ĐỊNH ĐXL THEO ĐƯỜNG BAO TTGH 108 4.2 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ XÁC ĐỊNH SƠ BỘ KÍCH THƯỚC ĐXL 109

4.2.1 Mục đích và phương pháp xây dựng 109

4.2.2 Sơ đồ tải trọng tác dụng 110

4.2.3 Điều kiện ổn định thấm 112

4.2.4 Tổng hợp tải trọng tác dụng 113

4.2.5 Xây dựng biểu đồ 116

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 124

1 KẾT LUẬN 124

2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU 125

3 KIẾN NGHỊ 126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 127

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

PHẦN PHỤ LỤC 134

PHỤ LỤC 1: TỔNG HỢP MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐẬP XÀ LAN ĐÃ XÂY DỰNG 134

PHỤ LỤC 2: TỔNG HỢP PHÂN TÍCH THIẾT KẾ SƠ BỘ ĐXL 136

PHỤ LỤC 3: HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ HIỆN TRƯỜNG 152 PHỤ LỤC 4: CODE CHƯƠNG TRÌNH FAILURE ENVELOPE FOR DAM 159

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Bố trí kết cấu ĐXLLH 7

Hình 1.2 - Bố trí kết cấu ĐXL tháo lắp hàng năm 8

Hình 1.3 - Mô hình ĐXL hộp 9

Hình 1.4 - ĐXL hộp ở công trình cống Phước Long 9

Hình 1.5 - Mô hình ĐXL bản dầm 10

Hình 1.6 - Công trình ĐXL bản dầm thực tế 10

Hình 1.7 - Cắt ngang cống LiDo, Malamocco, Chioggia ở Italia 10

Hình 1.8 - Xử lý nền công trình Vinece 10

Hình 1.9 - Phương án xử lý nền của đập Brad dock 11

Hình 1.10 : Sơ đồ phá hoại cắt (trượt) tổng thể [34, 56] 14

Hình 1.11 : Sơ đồ Phá hoại cắt (trượt) cục bộ [34, 56] 14

Hình 1.12 : Sơ đồ phá hoại cắt (trượt) kiểu xuyên [34, 56] 14

Hình 1.13 : Mô hình bài toán móng chịu đồng thời V:H;M 15

Hình 1.14 - Sơ đồ tổ hợp tải trọng tác dụng lên ĐXL 15

Hình 1.15 - Ký hiệu các kích thước của ĐXL 16

Hình 1.16 : Quy ước chiều tải trọng 16

Hình 1.17 - Quy đổi tải trọng xiên thành tải trong theo các phương 17

Hình 1.18 - Sơ đồ tính trượt hỗn hợp 19

Hình 1.19 - Đồ thị quan hệ t gh ~ p gh .19

Hình 1.20 : Hình thức móng nông 20

Hình 1.21 : Sơ đồ mất ổn định của ĐXL chịu trải trọng phức tạp 21

Hình 1.22 : Đường bao TTGH ( V V0, H V0 ) của móng băng M=0 24

Hình 1.23 - Đường cong quan hệ V/Vo và M/BVo ở trạng thái (H = 0) 25

Hình 1.24 : Chuyển đổi tải trọng tương đương 26

Hình 1.25 : Diện tích móng hiệu quả Meyerhof [49] 26

Hình 1.26 Móng tròn chân giàn khoan dầu 29

Hình 1.27 Đường bao phá hoại theo Buterfield and Ticof, 1979 29

Hình 1.28 : Đường bao phá hoại của Martin, 1994 30

Hình 1.29 : Lưới PTHH, (a) móng vuông L=B, (b) móng chữ nhật L=5B 31

Hình 1.30 Hình dạng biểu đồ bao TTGH [52] 32

Hình 1.31 : Biểu đồ đường bao TTGH khi V/Vo 0,5, Ngo Tran [50] 33

Hình 1.32 : Biểu đồ đường bao TTGH khi V/Vo 0,5, Ngo Tran [50] 33

Hình 1.33 : Biểu đồ đẳng M/BVo, (M>0), Ngo Tran [50] 34

Hình 2.1 - Sơ đồ phần tử tiếp xúc của Goodman (14 các nút) 37

Hình 2.2 - Quan hệ ứng suất pháp và tiếp với biến dạng pháp tuyến (a) và biến

dạng trượt (b) 38

Hình 2.3 - Mô hình tử tiếp xúc độ dày không và phần tử tiếp xúc liên tục 39

Hình 2.4 - Vùng trượt với giới hạn bởi ứng suất cắt cực hạn 39

Hình 2.5 - Phương trình mặt tiếp xúc theo Ngo Tran (1996) 40

Hình 2.6 - Mô hình bài toán phẳng 41

Hình 2.7 - Chia lưới bài toán phẳng 41

Hình 2.8 – Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị với bốn loại đất 42

Hình 2.9 – Quan hệ giữa w/B ~ N c với góc MSTX 150 43

Hình 2.10 – Quan hệ giữa w/B ~ N c với góc MSTX 200 43

Hình 2.11 – Quan hệ giữa w/B ~ N c với góc MSTX 250 44

Hình 2.12 – Quan hệ giữa w/B ~ N c với góc MSTX 300 44

Hình 2.13 – Quan hệ góc MSTX và hệ số Nc 45

Hình 2.14 – Quan hệ V/V 0 và H/V 0 với w/u=0,4 46

Hình 2.15 – Quan hệ V/Vo và H/Vo với w/u=1,0 46

Hình 2.16 – Quan hệ V/Vo và M/BVo với w/B = 0,1 47

Hình 2.17 – Quan hệ V/Vo và M/BVo với w/B=0,33 47

Hình 2.18 – Quan hệ V/Vo và M/BVo với w/B=1,0 47

Hình 2.19 – Quan hệ V/Vo và M/BVo với w/B= 3,0 48

Hình 2.20 : Bố trí máng thí nghiệm 49

Hình 2.21 Tấm nén bê tông thí nghiệm 0,2m và 0,3m 50

Hình 2.22 Tấm nén bê tông thí nghiệm 0,4m 51

Hình 2.23 Tấm thép dùng để gia tải đứng 51

Hình 2.24 Bể nước dùng để gia tải ngang 52

Hình 2.25 Đồng hồ đo chuyển vị 52

Hình 2.26 Bố trí đồng hồ đo chuyển vị đứng và ngang 53

Hình 2.27 - Chụp ảnh chuyển vị nền bên máng 53

Hình 2.28 - Sơ đồ thí nghiệm tải trọng đứng, ngang 54

Hình 2.29 - Tiến hành gia tải đứng bằng tấm nén thép 58

Hình 2.30 - Tiến hành gia tải ngang kéo tấm móng đến khi trượt 59

Hình 2.31 – Tấm nén tách nền khi bị trượt 59

Hình 2.32 - Quan hệ H/Vo - Chuyển vị ngang u(mm) với B=0,2m 60

Hình 2.33 - Quan hệ H/Vo - Chuyển vị ngang u(mm) với B=0,3m 60

Hình 2.34 - Quan hệ H/Vo - Chuyển vị ngang u(mm) với B=0,4m 61

Hình 2.35 - Quan hệ V V/ 0 ~ H V/ 0ứng với các trường hợp thí nghiệm 62

Hình 2.36 - Sơ đồ thí nghiệm tải trọng V, H 63

Hình 2.37 - Bố trí tổ chức thí nghiệm tại hiện trường 63

Hình 2.38 - Quan hệ tải trọng ngang - chuyển vị ngang với B=0,7m 65

Hình 2.39 - Quan hệ tải trọng ngang - chuyển vị ngang với B=1,0m 66

Hình 3.1 - Mô hình bài toán không gian ba chiều 69

Hình 3.2 - Mặt chảy trong mặt phẳng kinh tuyến (a) và mặt phẳng vuông góc trục thủy tĩnh (b) 69

Hình 3.3 - Phần tử phẳng trong Abaqus (a) Phần tử phẳng 3 nút (b) phần tử phẳng 4 nút (c) phần tử phẳng 8 nút 70

(a) Phần tử khối 8 nút (b) phần tử khối 20 nút (c) phần tử chóp 10 nút 70

Hình 3.4 - Phần tử khối trong Abaqus (a) Phần tử khối 8 nút (b) phần tử khối 20 nút (c) phần tử chóp 10 nút (d) các ký hiệu quy ước 71

Hình 3.5 - Sơ đồ điểm đặt tải tính toán 71

Hình 3.6 - Tập hợp quan hệ a) (V,M) a) (V/ H) trong thử nghiệm 72

Hình 3.7 - Phân tích theo tỷ lệ chuyển vị 73

Hình 3.8 - Phân tích theo tải trọng bao 74

Hình 3.9 - Trình tự gia tải xác định đường bao V-H hoặc V-M [37] 75

Hình 3.10 - Chuyển vị tổng hợp trong mặt bằng H - V 75

Hình 3.11 - Xác định quỹ đạo điểm TTGH V - H 76

Hình 3.12 - Chuyển vị ngang và chuyển vị xoay với mỗi cấp tải trọng đứng 77

Hình 3.13 - Trình tự thí nghiệm xây dựng biểu đồ bao V-H, V-M [37] 77

Hình 3.14 - Lưu đồ phân tích 78

Hình 3.15 - Lưu đồ xây dựng đường bao TTGH 79

Hình 3.16 - Giao diện chính của phần mềm 80

Hình 3.17 - Tổng hợp kết quả từ số liệu xuất ra của Abaqus 81

Hình 3.18 - Thiết lập thông số biểu đồ cần vẽ 81

Hình 3.19 - Trình tự gia tải đứng (w) và ngang (u) 82

Hình 3.20 - Đường bao tải trọng V-H với =30 0 .83

Hình 3.21 - Trình tự gia tải đứng (w) và xoay (B) 83

Hình 3.22 - Đường bao tải trọng V-M với =30 0 .84

Hình 3.23 - So sánh đường bao tải trọng V-M với lời giải của Ngo Tran 84

Hình 3.24 - Trình tự gia tải theo phương pháp tỷ lệ chuyển vị 85

Hình 3.25 - Phương pháp phân tích tải trọng bao ứng với u- B theo cấp wi(Vi) .85

Hình 3.26 - Biểu đồ bao TTGH với V/Vo=0.35, =30 0 .86

Hình 3.27 - Biểu đồ bao TTGH với V/Vo=0.45, =30 0 .87

Hình 3.28 - Đường bao TTGH với V/Vo=0,05-0,5 với =30 0 .87

Hình 3.29 - So sánh đường bao TTGH với V/Vo=0,3 so với kết quả của Ngo

Tran 88

Hình 3.30 - So sánh đường bao TTGH với kết quả của Ngo Tran [50] 89

Hình 3.31 - Mô hình tính toán 90

Hình 3.32 - Chia lưới mô hình tính toán 90

Hình 3.33 - Chuyển vị tổng sau gia tải đứng với móng B=1,0m 91

Hình 3.34 - Chuyển vị tổng ứng với bước gia tải ngang với móng B=1,0m 91

Hình 3.35 - Ứng suất Von-mises trong đất nền khi phá hoại với móng B=1,0m 92 Hình 3.36 - Mặt trượt dưới đáy móng trong không gian ba chiều 92

Hình 3.37 - Mặt trượt dưới đáy móng nhìn từ mặt bên với móng B=1,0m 92

Hình 3.38 - Kiểm định mô hình toán với B= 1,0m, cấp V 1 .94

Hình 3.39 - So sánh thí nghiệm và mô hình với B= 1,0m, cấp V 2 .94

Hình 3.40 - So sánh thí nghiệm và mô hình với B= 1,0m, cấp V3 94

Hình 3.41 - So sánh thí nghiệm và mô hình với B= 0,7m, cấp V 1 .95

Hình 3.42 - So sánh thí nghiệm và mô hình với B= 0,7m, cấp V 2 .96

Hình 3.43 – Quan hệ tỷ lệ B/L và hệ số N c .98

Hình 3.44 - Biểu đồ bao TTGH V V0H V0 với =30 0 .99

Hình 3.45 - Biểu đồ bao TTGH V V0H V0 với =24,3 0 100

Hình 3.46 - So sánh đường TTGH V V0H V0 với =30 0 và 24,3 0 100

Hình 3.47 - Trình tự gia tải đứng (w) và xoay (B) 101

Hình 3.48 - Biểu đồ bao TTGH V V0M BV0 với =30 0 101

Hình 3.49 - Biểu đồ bao TTGH V V0M BV0 với =24,3 0 102

Hình 3.50 - So sánh đường bao TTGH V V0M BV0 102

Hình 3.51 - Biểu đồ bao TTGH với V V0=0.3, 0 30   103

Hình 3.52 - Biểu đồ bao TTGH với V/Vo=0.45, =30 0 104

Hình 3.53 - Đường bao TTGH V V H V M BV0, 0, 0với góc =30 0 104

Hình 3.54 - Đường bao TTGH V V H V M BV0, 0, 0 với góc =30 0 105

Hình 3.55 - Đường bao TTGH V V H V M BV0, 0, 0với góc =24,3 0 105

Hình 3.56 - Biểu đồ bao TTGH V V H V M BV0, 0, 0với góc =24,3 0 106

Hình 4.1 - Chính diện ĐXL bản dầm 110

Hình 4.2 - Cắt ngang ĐXL bản dầm 110

Hình 4.3 - Chính diện ĐXL phao hộp 110

Hình 4.4 - Cắt ngang ĐXL phao hộp 10m 111

Hình 4.5 - Tải trọng tác dụng lên ĐXL bản dầm theo phương dòng chảy 111

Hình 4.6 - Tải trọng tác dụng lên ĐXL theo phương vuông góc dòng chảy 111

Hình 4.7 - Tải trọng tác dụng lên ĐXL phao hộp theo phương dòng chảy 112

Hình 4.8 – Biểu đồ quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có L t =5,0 (m) 117

Hình 4.9 – Biểu đồ quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có L t =6,0 (m) 117

Hình 4.10 – Biểu đồ quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có L t =7,0 (m) 118

Hình 4.11 – Biểu đồ quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có L t =8,0 (m) 118

Hình 4.12 – Biểu đồ quan hệ B/L d - H (m) với ĐXL có L t =9,0 (m) 118

Hình 4.13 – Biểu đồ quan hệ B/L d - H (m) với ĐXL có L t =10,0 (m) 118

Hình 4.14 – Tổng hợp quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có L t =5-:-10 (m) 119

Hình 4.15 – Biểu đồ quan hệ V/V 0 - H (m) với ĐXL có L t =5,0 (m) 120

Hình 4.16 – Biểu đồ quan hệ V/V 0 -H (m) với ĐXL có L t =6,0 (m) 120

Hình 4.17 – Biểu đồ quan hệ V/V 0 - H (m) với ĐXL có L t = 7,0 (m) 121

Hình 4.18 – Biểu đồ quan hệ V/V 0 - H (m) với ĐXL có L t =8,0 (m) 121

Hình 4.19 – Biểu đồ quan hệ V/V 0 - H (m) với ĐXL có L t =9,0 (m) 122

Hình 4.20 – Biểu đồ quan hệ V/V 0 - H (m) với ĐXL có L t =10,0 (m) 122

Hình 4.21 - Biểu đồ quan hệ V/V 0 - H ứng với ĐXL có L t =5,0-:-10 (m) 122

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh An Giang và tỉnh Bến Tre [4] 12

Bảng 1.2 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh Trà Vinh và tỉnh Bạc Liêu [4], [15] 13

Bảng 1.3 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh Cà Mau và tỉnh Kiên Giang [4] 13 Bảng 1.4 - Tổng hợp các nghiên cứu công bố về hệ số hình dạng s c .22

Bảng 2.1 - Thông số mô hình 49

Bảng 2.2 - Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đất nền 55

Bảng 2.3 – So sánh một số chỉ tiêu của đất yếu trên mô hình và ở Nam Bộ 55

Bảng 2.4 – Độ cứng tấm nén bê tông thí nghiệm 57

Bảng 2.5 - Tổng hợp kết quả thí nghiệm 62

Bảng 2.6 - Tổng hợp kết quả thí nghiệm hiện trường với B= 0,7m 64

Bảng 2.7 - Tổng hợp kết quả thí nghiệm hiện trường với B= 1,0m 64

Bảng 2.8 – Góc tiếp xúc theo TN hiện trường và so sánh với TN mô hình 66

Bảng 3.1 - Tổng hợp kết quả mô hình toán với B= 1,0m 93

Bảng 3.2 - Tổng hợp kết quả tính toán mô hình với móng 0,7m 95

Bảng 3.3 - Tổng hợp so sánh kết quả tính toán mô hình với thí nghiệm 96

Bảng 3.4 - Tổng hợp nghiên cứu về hệ số sức chịu tải và hệ số hình dạng 98

Bảng 4.1 - Tổng hợp tải trọng và các hệ số với L t = 5m 113

Bảng 4.2 - Tổng hợp tải trọng và các hệ số với L t = 10m 115

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỘT SỐ THUẬT NGỮ THƯỜNG DÙNG

BĐKH: Biến đổi khí hậu

ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long

ĐXL: Đập Xà lan

DSS: Direct shear stress : Ứng suất cắt trực tiếp

MC: Mô hình Mohr-Coulomb

MCC: Mô hình Cam-Clay cải tiến

Swipe analysis: Phương pháp phân tích tải trọng bao

Probe analysis: Phương pháp phân tích theo tỷ lệ chuyển vị

PP PTHH: Phương pháp Phần tử hữu hạn

TTGH: Tải trọng giới hạn

MSTX: Ma sát tiếp xúc

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu đã và đang tác động rất lớn đến mọi ngành kinh tế của tất cả các quốc gia trên thế giới Đối với nước ta, vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của BĐKH Ảnh hưởng của BĐKH đã làm cho thời tiết diễn biến cực đoan hơn, hạn hán, xâm nhập mặn gia tăng, việc quản lý và sử dụng hiệu quả nguồn nước gặp nhiều khó khăn hơn Ngoài ảnh hưởng của BĐKH, ở thượng nguồn các quốc gia dùng nhiều nước để phát triển kinh tế gây cho nguồn nước ngọt chảy về ĐBSCL ngày càng giảm, làm cho ĐBSCL thiếu nguồn nước về mua khô để đảm bảo sản xuất Để phát triển ổn định và bền vững Nông nghiệp Nông thôn nói riêng và kinh tế xã hội vùng ĐBSCL nói chung, việc xây dựng các công trình thủy lợi nhằm chủ động tạo nguồn nước đáp ứng các yêu cầu của thực tế sản xuất đóng vai trò đặc biệt quan trọng Bên cạnh giải pháp xây dựng các hồ chứa trữ nước, thì việc nghiên cứu đề xuất phương án kết cấu và giải pháp xây dựng các công trình ngăn sông để kiểm soát nguồn nước (vừa đảm bảo ngăn mặn, ngăn nước biển dâng, vừa tạo nguồn nước ngọt nhưng không làm ảnh hưởng đến khả năng tiêu thoát lũ) có một ý nghĩa chiến lược rất quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội

Hầu hết các công trình ngăn sông ở nước ta từ trước đến cách đây 10 năm đều được xây dựng theo công nghệ truyền thống Công nghệ truyền thống có ưu điểm là dễ kiểm tra chất lượng trong quá trình thi công, công tác thiết kế và xây dựng công trình

đã có nhiều kinh nghiệm Tuy nhiên, khi áp dụng công nghệ truyền thống vào những vùng như vùng ĐBSCL hay những nơi địa chất nền móng quá yếu, dẫn dòng thi công phức tạp, nơi tập trung dân cư thì cống truyền thống có những nhược điểm khó khắc phục như thu hẹp lòng sông thông thường từ 30-50% nên kết cấu gia cố tiêu năng đồ

sộ, khối lượng xây lắp cống lớn Mặt khác do phải chặn dòng thi công nên ảnh hưởng nhiều đến giao thông thuỷ, môi trường sinh thái; diện tích mất đất lớn, khối lượng đền

bù giải phóng mặt bằng nhiều, phức tạp nên ảnh hưởng đến giá thành và tiến độ công trình Chính vì vậy, trong những năm qua, việc nghiên cứu, đề xuất các công nghệ mới

trong xây dựng các công trình ngăn sông đã được đẩy mạnh và có những bước chuyển biến mạnh mẽ Nhiều công nghệ mới đã được áp dụng một cách hiệu quả vào thực tế sản xuất như công nghệ đập Trụ đỡ, đập Xà lan, đập Cọc cừ Trong đó nổi bật là công nghệ đập Trụ đỡ và công nghệ đập Xà lan (ĐXL) do Viện Khoa học Thủy lợi Việt nam

đề xuất nghiên cứu Mỗi loại công nghệ sẽ có một phạm vi ứng dụng hiệu quả nhất, trên cơ sở căn cứ vào điều kiện cụ thể ở vị trí bố trí công trình Đập xà lan là một công nghệ mới, được áp dụng thử nghiệm lần đầu tiên vào năm 2003 tại Bạc Liêu, sau đó cải tiến kết cấu để có dạng bản dầm như nguyên lý Từ đó đến nay đã có gần 100 công trình được áp dụng tại ĐBSCL Do tính ưu việt của công nghệ, triển vọng ứng dụng công nghệ này vào vùng ĐBSCL là rất lớn Nguyên lý ổn định của đập là mở rộng diện tích đáy móng nhằm giảm ứng suất nền để có thể đặt trực tiếp trên nền đất yếu mà không phải gia cố hoặc gia cố rất ít Đặc điểm của ĐXL là chịu tải trọng ngang và

mô men lớn hơn so với tải trọng đứng Trong nghiên cứu ĐXL thì vấn đề ổn định chống trượt là quan trọng nhất để chống lại áp lực nước gây tải trọng ngang lớn Tuy nhiên, trong thực tế khi tính toán thiết kế ổn định chống trượt của ĐXL, thường

có quan niệm đơn giản là lấy diện tích bản đáy nhân với lực dính đơn vị của nền đất yếu tại đáy móng xây dựng, các thông số phục vụ công tác tính toán thiết kế liên quan đến tiếp xúc giữa bản đáy ĐXL với nền đất yếu thường được lấy theo kinh nghiệm hoặc vận dụng các công thức tính toán tương đương Điều này đã gây khó khăn cho công tác thiết kế cũng như nghiên cứu phát triển công nghệ

Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu xây dựng đường bao tải trọng

giới hạn của nền đập xà lan vùng đồng bằng sông Cửu Long ” nhằm nghiên cứu

phương pháp xây dựng đường bao tải trọng giới hạn của của móng đập xà lan trên nền đất yếu dưới tác dụng đồng thời của tải trọng đứng, ngang và mô men Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hoàn thiện lý thuyết và phương pháp tính toán ổn định ĐXL, đây là vấn đề vừa có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Xây dựng được đường bao tải trọng giới hạn của đập Xàlan trên nền đất yếu chịu tải trọng phức hợp (đứng, ngang và mô men)

3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Móng đập Xà lan đặt trên nền đất yếu (không xử lý) chịu tải trọng phức hợp gồm tải trọng đứng, ngang và mô men

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Móng nông đặt trực tiếp trên nền đất yếu vùng ĐBSCL, đắp đất hai bên mang đối xứng và bỏ qua ảnh hưởng ma sát của thành bên Tải trọng đứng nhỏ (V V0  0,5) phù hợp với đặc điểm của móng đập Xà lan

- Chưa xét tới biến dạng lún và cố kết theo thời gian

4 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1 Nội dung nghiên cứu

1 Nghiên cứu ổn định móng ĐXL trên nền đất yếu chịu tác dụng phức hợp

2 Thí nghiệm mô hình vật lý để nhằm chuẩn hóa và xây dựng mô hình toán

3 Quy trình xây dựng đường bao TTGH của ĐXL chịu tải trọng phức hợp trên nền đất yếu

4 Xây dựng mô đun phần mềm phục vụ tính toán ổn định ĐXL chịu tải trọng phức hợp

5 Ứng dụng đường bao TTGH kiểm tra một số công trình ĐXL

4.2 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

1 Thu thập, phân tích, tổng hợp các tài liệu

Thu thập các tài liệu trong và ngoài nước về ổn định móng trên nền đất yếu Phân tích các nghiên cứu về thí nghiệm mô hình vật lý và tổng hợp để ứng dụng thí nghiệm mô hình và Phân tích các nghiên cứu về mô hình toán và tổng hợp để ứng dụng phân tích mô hình toán

2 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết về ổn định của móng nông và nghiên cứu về ổn định móng trên nền đất yếu trên cơ sở các lý thuyết cổ điển và hiện đại

3 Nghiên cứu thực nghiệm

Thí nghiệm mô hình vật lý nhằm xác định góc ma sát tiếp xúc của ĐXL trên nền đất yếu, từ đó chuẩn hóa mô hình phần tử tiếp xúc

4 Nghiên cứu mô hình toán

Với góc ma sát tiếp xúc (MSTX) xác định từ thực nghiệm, xây dựng mô hình toán để tìm ra đường bao TTGH của ĐXL chịu tải trọng phức hợp trên nền đất yếu

5 Kiểm định mô hình toán bằng cách so sánh kết quả nghiên cứu với các công trình nghiên cứu đã công bố cho một trường hợp góc MSTX

5 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

Luận án đã có những đóng góp mới như sau:

(1) Nghiên cứu tìm được được góc ma sát tiếp xúc (0) của móng nông đặt trên nền đất yếu không xử lý, điển hình ở đồng bằng sông Cửu Long chịu tải trọng phức hợp đứng, ngang với V V0  0,5

(2) Phát triển được công cụ (một mô đun phần mềm) để xây dựng họ đường bao tải trọng giới hạn cho nền đập Xà Lan vùng đồng bằng sông Cửu Long, phục vụ tính toán thiết kế sơ bộ và kiểm tra ổn định

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Ý nghĩa khoa học:

Luận án là cơ sở khoa học để tính toán thiết kế ĐXL đảm bảo ổn định khi chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang, mô men, từng bước hoàn thiện công nghệ xây dựng công trình ngăn sông bằng ĐXL, là công nghệ có hiệu quả kinh tế xã hội cao Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung thêm lý thuyết tính toán ổn định công trình trên nền đất yếu nói chung và ĐXL nói riêng, cụ thể là:

Đưa ra phương pháp đánh giá ổn định ĐXL đặt trực tiếp trên nền đất yếu (không xử lý) chịu tác động đồng thời của tải trọng đứng, ngang và mô men

Đưa ra đường bao TTGH của ĐXL với góc ma sát tiếp xúc 0

24,3 làm cơ sở để soát xét TCVN 10398 : 2015 khi cần thiết

Bổ sung cách tính TTGH trong vùng có V V0  0,5 trước đây chấp nhận tính theo công thức H0=A.su

Ý nghĩa thực tiễn:

Dựa vào kết quả nghiên cứu kết nối phần mềm Abaqus để nhập liệu, tự động chia lưới, kết nối để phân tích và xử lý kết quả lập đường bao TTGH tiết kiệm nhiều thời gian và công sức trong thiết kế

Ứng dụng kết quả này trong thiết kế ĐXL và các công trình tương tự một cách thuận lợi, dễ dàng

7 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN

Luận án gồm 4 chương; gồm 135 trang khổ A4; 2 phụ lục trình bày trong 25 trang; hình vẽ trong phần chính luận án và hình vẽ trong phần phụ lục; bảng biểu trong phần chính luận án và bảng biểu trong phần phụ lục

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng đường bao TTGH Chương 3: Xây dựng đường bao TTGH

Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán, kiểm tra cho công trình thực

tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng đập Xà lan ở Việt Nam

Đập xà lan lần đầu tiên được đề xuất và nghiên cứu trong đề tài cấp nhà nước

“Nghiên cứu công nghệ tiên tiến để tạo nguồn nước ngọt vùng ven biển”, mã số KC12-10A từ năm 1992-1995 do GS.TS Trương Đình Dụ làm chủ nhiệm Kết quả nghiên cứu trong đề tài này mới chỉ dừng lại ở sơ đồ nguyên lý kết cấu của ĐXL Đến năm 2003, Bộ Nông Nghiệp và PTNT đã cho phép tiếp tục nghiên cứu

trong đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo đập Xà lan di động, phục vụ chuyển đổi cơ cấu kinh tế vùng đồng bằng Sông Cửu Long” [2] Năm 2004, ĐXL được phép sản xuất thử nghiệm cấp nhà nước DAĐL- 2004/06 “Hoàn thiện công nghệ thiết kế, chế tạo thi công và quản lý vận hành ĐXL di động áp dụng cho vùng triều phục vụ các công trình ngăn sông vùng ven biển” [3, 14]

Công nghệ được áp dụng thử nghiệm thành công cho đập Phước Long – Bạc Liêu (2004), đập Thông Lưu - Bạc Liêu (2005) [12] Năm 2006, Bộ Nông Nghiệp

và PTNT cho áp dụng công nghệ này vào thiết kế và thi công 7 cống thuộc dự án Omon xano tỉnh Cần Thơ, Hậu Giang, Kiên Giang Năm 2007, được tỉnh Cà Mau

áp dụng vào xây dựng hai cống Minh Hà và Rạch Lùm, huyện Trần Văn Thời, tỉnh

Cà Mau Năm 2008, Bộ Nông Nghiệp và PTNT tiếp tục cho áp dụng ĐXL vào 63 công trình thuộc dự án phân ranh mặn ngọt Sóc Trăng - Bạc Liêu Đến nay các địa phương như Cà Mau, Bạc Liêu, Kiên Giang đã ứng dụng rộng rãi công nghệ ĐXL, lên đến hàng trăm công trình [18]

Năm 2008, GS.TS Trần Đình Hòa và các cộng sự [7] đã nghiên cứu, phát triển ĐXL thêm dạng đập xà lan liên hợp (ĐXLLH) Công nghệ ĐXLLH có kết cấu bao gồm nhiều đơn nguyên kết hợp với nhau, nền móng của ĐXLLH được gia cố thêm hệ thống cọc ngàm vào nền (Hình 1.1) Giải pháp công nghệ này được kiến nghị áp dụng cho các công trình ngăn sông lớn, cột nước cao

Hình 1.1 - Bố trí kết cấu ĐXLLH

Năm 2018, trong đề tài cấp Quốc gia [8], GS.TS Trần Đình Hòa và các cộng sự

đã tiếp tục nghiên cứu, đề xuất một số giải pháp công nghệ dạng ĐXL kiểu phao nổi tháo lắp hàng năm, đặt trên nền đã được xử lý bằng bê tông cốt thép (Hình 1.2) Giải pháp công nghệ này được kiến nghị áp dụng cho các công trình dâng nước điều tiết trên sông Hồng

Do ưu điểm nổi trội của ĐXL có giá thành rẻ, chi phí cho ĐXL [7], bằng 70% so với cống truyền thống Khả năng di chuyển của công trình trong trường hợp thay đổi vị trí tuyến phục vụ yêu cầu chuyển đổi cơ cấu sản xuất không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn đem lại lợi ích kinh tế cao do sử dụng lại kết cấu công trình và không mất chi phí phá dỡ Tính năng di động của ĐXL đáp ứng được yêu cầu quy hoạch mở, phát triển kinh tế trong tương lai, góp phần vào công cuộc hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn ĐXL sử dụng khả năng chịu lực của nền tự nhiên để xây dựng công trình mà không phải xử lý nền đất yếu một cách tốn kém Đập được chế tạo, lắp đặt theo tính chất công nghiệp, giảm diện tích chiếm đất nên thời gian thi công nhanh

30-Hình 1.2 - Bố trí kết cấu ĐXL tháo lắp hàng năm

Công nghệ ĐXL đặc biệt phù hợp với những vùng giao thông kém phát triển, vận chuyển nguyên vật liệu khó khăn, điều kiện tự nhiên phức tạp như vùng sâu, vùng xa bán đảo Cà Mau hay những nơi khó giải phóng mặt bằng Công nghệ ĐXL gần như không làm thay đổi cảnh quan môi trường tự nhiên do không phải làm mặt bằng và dẫn dòng thi công Khẩu độ của ĐXL cũng được mở rộng nên tăng khả năng tiêu thoát lũ và bảo vệ môi trường cho khu vực tốt hơn so với cống truyền thống Do đó, tiềm năng và triển vọng ứng dụng ĐXL trong vùng ĐBSCL là rất lớn

1.1.2 Nguyên lý, cấu tạo và những kỹ thuật căn bản của đập Xà lan

1.1.2.1 Nguyên lý đập Xà lan

Theo [2, 3, 14], ĐXL có các nguyên lý công nghệ cụ thể: Ổn định lún dựa trên việc tối ưu kết cấu đập nhẹ để ứng suất lên nền nhỏ hơn ứng suất cho phép của đất nền mềm yếu, không phải xử lý nền

Ổn định trượt, lật: Dùng ma sát đất nền với đáy công trình và đất đắp mang cống với tường bên

Ổn định thấm: Theo nguyên lý đường viền ngang dưới đáy công trình

Ổn định xói: Mở rộng khẩu độ cống để lưu tốc sau cống nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép của lớp gia cố đơn giản

1.1.2.2 Kết cấu đập Xà lan

Đập Xà lan có hai dạng, dạng 1- ĐXL hộp phao kín (Hình 1.3 và Hình 1.4) [2,

3, 12, 14] ĐXL loại này có đáy và trụ pin dạng hộp với kết cấu bản sườn và khung chịu lực Vật liệu chế tạo ĐXL là vật liệu xây dựng thông dụng như bê tông cốt thép Hộp đáy ĐXL được chia làm nhiều khoang hầm Mỗi công trình có thể bao

kết cấu kín nước tuỳ theo chiều rộng của sông

Dạng 2 - ĐXL bản dầm (Hình 1.5 và Hình 1.6) - bản đáy và trụ pin có kết cấu

bản dầm đổ liền khối, hai đầu thượng hạ lưu cống là vị trí lắp đặt cửa van hoặc khe phai, thân cống và phai hai đầu tạo thành một hộp kín nước xung quanh nhưng hở mặt trên, vì vậy cống có thể nổi trên mặt nước và di chuyển đến vị trí xây dựng công trình Cửa van sử dụng trong công trình có thể là cửa Clape, cửa van cung, cửa van cao su, cửa tự động, cửa phẳng…Theo [14], khoảng 70% số ĐXL được xây dựng từ trước đến nay là ĐXL bản dầm Đập Xà lan được chế tạo trong nhà máy, hố đúc sẵn, hay trên ụ nổi tại một vị trí thuận lợi để không cần giải phóng mặt bằng Cửa van được lắp đặt sẵn trên ĐXL ở hố móng khô Giai đoạn tiếp theo là cho nước vào hố đúc và làm nổi đập để di chuyển đến vị trí lắp đặt công trình và hạ chìm ĐXL Đắp đất mang cống, xây dựng cầu, hoàn thiện công trình và bàn giao

Phước Long

Hình 1.7 - Cắt ngang cống LiDo,

Malamocco, Chioggia ở Italia

Hình 1.8 - Xử lý nền công trình Vinece

Tại Mỹ, trong dự án xây dựng các bậc nước trên sông Monongahela để phục

vụ cho vận tải thuỷ, có rất nhiều công trình ngăn sông lớn được xây dựng [7] Trong

đó, đập Braddock là một điển hình cho việc xây dựng công trình ngay trên sông với nguyên lý dạng phao Đập gồm 5 khoang, mỗi khoang rộng 33,6m Toàn bộ đập được ghép bởi hai đơn nguyên xà lan bê tông Mỗi đơn nguyên đều có kích thước từ thượng lưu về hạ lưu là 31,9m và tất cả các khoang cửa rộng 33,6m Sau khi các đơn nguyên được chế tạo xong trong hố móng, chúng được làm nổi và di chuyển ra

vị trí công trình và đánh chìm xuống nền cọc đã chuẩn bị sẵn

Cống ngăn mặn Montezuma [7] trên cửa sông Montezuma, được thiết kế và xây dựng để ngăn nước mặn xâm nhập vào sông Sacramento từ vịnh San Fransisco Công trình có 3 khoang cửa van cung rộng 11m để điều tiết nước và 2 khoang cửa khống chế mực nước rộng 20,1m, ngoài ra còn có một âu thuyền rộng 6,1m dài 21,3m

Hình 1.9 - Phương án xử lý nền của đập Brad dock

Công trình được hoàn thành vào năm 1988 với chi phí khoảng 12,5 triệu USD

so với khoảng 25 triệu USD nếu thi công công trình theo phương án truyền thống Ở

Hà Lan, từ những năm 1950, họ đã triển khai xây dựng nhiều công trình ngăn sông quy mô lớn như dự án Deltaplan với một hệ thống các công trình được xây dựng để

bảo vệ 150.000 ha đất, đầu tiên là công trình ngăn cửa sông Brieles' Gat và Botlek được xây dựng, sau đó lần lượt các cửa sông Western Schelde, Eastern Schelde, Haringvliet, Brouwershavense Gat [7] Các công trình tiêu biểu ứng dụng nguyên

lý phao nổi như đập Veersegat được xây dựng để bảo vệ cho vùng Walcheren, Bắc - Beveland và Nam - Beveland nước Hà Lan khỏi các thảm hoạ từ thuỷ triều Biển Bắc Công trình được hoàn thiện năm 1961 Toàn bộ công trình có 24 xà lan và xà lan cuối cùng được đánh chìm vào ngày 24/9/1961

Đập Grevelingen (Hà Lan) cũng được bắt đầu xây dựng vào năm 1958 và được hoàn thành 10 năm sau đó với chiều dài tuyến đập là 6km Các công trình dạng ĐXL đã nghiên cứu và xây dựng trên thế giới có nguyên lý chịu lực bằng gia

cố nền, cụ thể như đập Braddock (Mỹ) gia cố nền bằng hệ cọc chịu lực, khác với nghiên cứu trong luận án là ĐXL đặt trực tiếp trên nền đất yếu Trong luận án, nguyên lý chịu lực đứng của ĐXL là mở rộng bản đáy giảm ứng nền, chịu lực ngang bằng ma sát bản đáy

1.2 NỀN ĐẤT YẾU VÙNG ĐBSCL

Theo tài liệu [4], [15] một số đặc trưng cơ lý thí nghiệm đất bùn sét tại các lỗ khoan đại diện đã được thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý ở trạng thái bão hòa nước Sức chống cắt của đất nền theo sơ đồ thí nghiệm nén không cố kết, không thoát nước trên máy cắt phẳng (sơ đồ UU) như Bảng 1.1, Bảng 1.2 và Bảng 1.3

Bảng 1.1 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh An Giang và tỉnh Bến Tre [4]

Bảng 1.2 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh Trà Vinh và tỉnh Bạc Liêu [4], [15]

Bảng 1.3 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh Cà Mau và tỉnh Kiên Giang [4]

1.3 HÌNH THỨC MẤT ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU

Các hình thức mất ổn định của công trình do phá hoại cắt của đất có ba dạng bao gồm: Phá hoại cắt (trượt) tổng thể, phá hoại cắt (trượt) cục bộ và phá hoại cắt (trượt) kiểu xuyên [1, 10, 11, 34, 40, 56] Trạng thái phá hoại xảy ra khi tải trọng tác dụng vượt quá khả năng chịu tải của nền Phá hoại cắt (trượt) tổng quát như Hình 1.10 Phá hoại xảy ra khi có mặt trượt chảy dẻo hình thành rõ dưới móng và phát triển ra ngoài về một hoặc hai phía và cuối cùng tới mặt đất Phá hoại này xảy ra đột

ngột và thường đi theo là công trình bị nghiêng dẫn tới đổ về một phía Dạng phá hoại này thường xảy ra với đất cát chặt hay đất dính quá cố kết

Hình 1.10 : Sơ đồ phá hoại cắt (trượt) tổng thể [34, 56]

Phá hoại cắt (trượt) cục bộ như Hình 1.11 thường xảy ra trong đất có tính chịu nén cao, chuyển dịch lớn thẳng đứng có thể xảy ra trước khi có biểu hiện của mặt trượt Khi đất ở dưới móng đạt tới điều kiện chảy, mặt trượt hình thành nhưng phát triển tới mặt đất và có thể xảy ra sự đẩy trồi mặt bên nhưng độ nghiêng hình thành rất nhỏ, độ lún phát triển nhanh

Hình 1.11 : Sơ đồ Phá hoại cắt (trượt) cục bộ [34, 56]

Phá hoại cắt (trượt) kiểu xuyên như Hình 1.12 xảy ra trong các loại đất sét và bùn có tính nén lún cao Khi gia tải, đất chuyển dịch thẳng đứng lớn xảy ra cùng với

sự phát triển của mặt trượt giới hạn cùng mặt phẳng thẳng đứng sát với các cạnh của móng Mặt đất thường không có phễu lún mà được thay bằng sự kéo xuống

Hình 1.12 : Sơ đồ phá hoại cắt (trượt) kiểu xuyên [34, 56]

Với móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang và mô men, hình thức phá hoại phức tạp hơn nhiều thể hiện ở việc giảm tiếp xúc đáy móng, sự lún và trượt đồng thời của móng trên nền Sơ đồ phá hoại đồng thời như Hình 1.13

P

H M

P M

H

MÆt tr-ît

Hình 1.13 : Mô hình bài toán móng chịu đồng thời V:H;M

1.4 BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH ĐXL TRÊN NỀN ĐẤT YẾU

ĐXL thường được thiết kế với hai tổ hợp làm việc chính là tổ hợp giữ ngọt và

tổ hợp ngăn mặn Tổ hợp giữ ngọt có mục đích giữ nước trong đồng phục vụ sản xuất, khi đó mực nước trong đồng cao, mực nước ngoài sông thấp Tổ hợp ngăn mặn có mục đích ngăn nước mặn từ ngoài sông xâm nhập vào trong đồng, khi đó mực nước ngoài sông cao, mực nước trong đồng thấp Ứng với hai tổ hợp này, tải trọng tác động đồng thời của tải trọng đứng V, tải trọng ngang H, mô men M Mô hình bài toán ĐXL chịu tác động V:H:M (Hình 1.15)

Hình 1.14 - Sơ đồ tổ hợp tải trọng tác dụng lên ĐXL

Các kích thước cơ bản của ĐXL như thể hiện trong Hình 1.14 và Hình 1.15, trong đó:

B: Chiều rộng bản đáy, L: Chiều dài bản đáy

Lt: Chiều rộng thông nước, Ht: Chiều cao bản đáy

Zd

Hình 1.15 - Ký hiệu các kích thước của ĐXL

Với ĐXL, tải trọng đứng chủ yếu do trọng lượng bản thân và kết cấu bên trên, tải trọng ngang do chênh lệch áp lực nước thượng hạ lưu Kết cấu ĐXL bố trí đối xứng để thuận tiện lai dắt, hạ chìm nên mô men lệch tâm do tải trọng đứng nhỏ, chủ yếu do áp lực nước ngang Do đó chiều của áp lực nước ngang luôn cùng chiều với

mô men theo sơ đồ như Hình 1.15 và Hình 1.16

Theo tổng hợp các công trình ĐXL đã xây dựng đặt trực tiếp trên nền đất yếu thì tỷ lệ V V0  0,5 (chi tiết xem phụ lục 1) Do đó trong luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu xây dựng biểu đồ bao tải trọng ứng với tải trọng đứng

Hình 1.16 : Quy ước chiều tải trọng

Theo quy ước chiều tải trọng tác dụng của Butterfield [29], quy đổi tải trọng xiên về tải trọng theo phương đứng, ngang và mô men như Hình 1.17

M = Qecos

H=Qsin

V=Qcos

Hình 1.17 - Quy đổi tải trọng xiên thành tải trong theo các phương

ĐXL là một dạng công trình có tải trọng nhẹ đặt trên nền tự nhiên (không xử lý) chịu tải trọng đứng, ngang và mô men đồng thời Một trong những vấn đề chưa được nghiên cứu đầy đủ là ứng xử tiếp xúc của móng ĐXL và ổn định khi chịu lực phức hợp Trong thực tế với những ĐXL có chênh lệch mực nước nhỏ, không có cầu giao thông thì ta có thể đặt ĐXL trực tiếp lên nền đất yếu tự nhiên Hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới ít có những kết quả nghiên cứu về ổn định ĐXL trên nền đất yếu khi chịu tải trọng phức hợp và ít được chú trọng nghiên cứu vì lý do với loại bùn sét ở ĐBSCL (từ Bảng 1.1 đến Bảng 1.3) rất yếu và thường phải gia cố nền ĐXL đã được ứng dụng vào đúng phạm vi này và đã thu được những thành quả lớn

Theo TCVN 4253-2012 [19] về thiết kế nền móng và hướng dẫn qui trình thiết kế thi công đập xà lan di động, hình thức mất ổn định của đập có thể là trượt phẳng, hoặc trượt hỗn hợp Nếu các chỉ số N [N], Cv  4, Tg 0,45 thì chỉ cần tính toán trượt phẳng [1] Để đánh giá hệ số an toàn trượt phẳng theo công thức

cd

bd o

o

H H

E

E m A C V

Kt .tan . .

(1-1) Trong đó lực chống trượt đập xà lan:

V: Tổng lực đứng gồm trọng lượng bản thân, trọng lượng nước, đẩy nổi

A: Diện tích đáy móng

Ebd: áp lực bị động hạ lưu

Ecd: áp lực chủ động thượng lưu

Trường hợp ĐXL đặt trên mặt đất yếu mà không ngàm trong đất thì công thức

tính ổn định của ĐXL như công thức (1-3):

Mặt khác theo tài liệu “Hướng dẫn quy trình thiết kế ĐXL - sản phẩm của dự án sản xuất thử nghiệm ĐXL” [3] thì hệ số an toàn [K] được tính như sau:

p’: áp suất trung bình tính toán đáy móng

tgh: Cường độ chống trượt giới hạn của phần trượt sâu

B’1, B’2 : Chiều rộng tính toán của phần trượt sâu và trượt phẳng của móng

gh gh

gh gh

R t

B



Trong đó tgh tra trên đồ thị Hình 1.18, với giá trị áp lực đáy móng trung bình

Đồ thị Hình 1.19 được thiết lập bằng các công thức lý thuyết (1-6) và (1-8)

Nc, Nq, N : là các hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào giá trị , ’=0 tra theo TCVN 4253-2012

Với đất sét làm việc trong điều kiện không thoát nước, góc ma sát trong =0, pgh trong công thức (1-6) nhỏ hơn 0, do đó ta không xây dựng được biểu đồ ở Hình 1.19 và không xác định được Rhh theo công thức (1-4)

Trong quá trình xây dựng TCVN 10398-2015 [20], sử dụng kết quả nghiên cứu

30

trường phái GS Guy Houlsby tại đại học Oxford [37, 47, 50] có xét tới sự tác động đồng thời của tải trọng đứng, ngang và mô men khi móng đặt trên đất yếu) Để đạt

được góc MSTX như trên thì trong tiêu chuẩn có quy định rải lớp đá dăm loại 1-2

dày 2-3cm dưới đáy móng Cho nên với ĐXL không có lớp đá dăm thì góc MSTX

chưa được nghiên cứu Do đó việc nghiên cứu xác định góc MSTX của ĐXL khi

đặt trực tiếp trên nền đất yếu là cần thiết để đánh giá ảnh hưởng của lực ngang, mô

men tới ổn định ĐXL

1.5 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN

Kết cấu ĐXL có đặc điểm là mở rộng khoang cống, bản đáy công trình nhằm

giảm ứng suất nền móng và giảm gia cố nền Tuy nhiên việc mở rộng này không

phải lúc nào cũng khả thi và cũng chỉ mở rộng đến mức độ nhất định phụ thuộc vào

đặc điểm địa hình, kênh rạch khu vực công trình, đảm bảo điều kiện thi công công

trình

Với điều kiện ổn định chống thấm bằng đường viền ngang dưới bản đáy công

trình nên ĐXL thích hợp với nền đất sét yếu và có hệ số thấm nhỏ ĐXL làm việc

với tải trọng ngang lớn, do đó nghiên cứu tính toán ổn định ĐXL tập trung vào nền

đất yếu bão hòa nước, điều kiện làm việc không thoát nước Trong thiết kế ĐXL, do

đặc điểm thi công; đúc xà lan trong hố móng, lai dắt hạ chìm tại vị trí công trình với

kết cấu điển hình gồm hộp đáy, trụ pin Kích thước hộp đáy đảm bảo điều kiện ổn

định nổi, di chuyển hạ chìm Về đặc điểm làm việc móng ĐXL thuộc loại móng

nông Thông thường, có các hình thức móng công trình trên nền đất yếu như Hình

Hình 1.21 : Sơ đồ mất ổn định của ĐXL chịu trải trọng phức tạp

Theo Skempton [53], sức chịu tải móng chữ nhật có kích thước BxL đặt trực tiếp

trên nền theo công thức (1-10):

tải cho móng vuông, móng chữ nhật với nhiều tỷ lệ giữa hai cạnh móng và chiều sâu ngàm Liu (2017) tổng hợp các nghiên cứu về hệ số hình dạng và hệ số chiều sâu trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 - Tổng hợp các nghiên cứu công bố về hệ số hình dạng s c

Trong đó:

a B: Đường kính của móng tròn hoặc bề rộng của móng chữ nhật,

D: chiều sâu ngàm của móng

b k: Hệ số biến thiên tuyến tính của cường độ kháng cắt theo chiều sâu, Sum: Cường độ kháng cắt không thoát nước tại mặt đất tự nhiên;

c SE: Phương pháp bán kinh nghiệm,

MoC: Phương pháp đường đặc tính,

UB: Giới hạn dẻo cận trên,

FEA: Phương pháp phần tử hữu hạn,

FELA: Phương pháp phân tích giới hạn dựa trên PP PTHH;

d L: Chiều dài móng chữ nhật

1.5.3 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang

Bolton [24] đã nghiên cứu lời giải chính xác cho trường hợp móng băng chịu tải đứng và ngang trên nền đất sét đồng nhất Giá trị lực ngang lớn nhất xác định bởi

công thức sau:

Với V/V0 0,5, tải trọng ngang giới hạn không đổi và bằng H0 Khi tải trọng đứng lớn hơn, góc xiên tải trọng lớn hơn góc chuyển tiếp thì đường bao (V V0, H H0) theo công thức (1-13):

o o

V Vo

Hansen [41] và Vesic [55] đều chấp nhận một hệ số góc nghiêng Đối với móng băng chịu tải trọng nghiêng đúng tâm (M=0), công thức của Hansen là:

0 0

(V V , H V ) khi chuyển sang trạng thái mất ổn định trượt là đường thẳng, trong khi theo ba tác giả kia có dạng đường cong Cả bốn phương pháp trên dự báo khác nhau về điểm chuyển tiếp giữa điểm phá hoại do tải trọng đứng đến phá hoại do tải trong ngang Meyerhof [49], dự báo điểm chuyển tiếp lớn nhất mà tại điểm này móng chuyển từ ổn định trượt sang ổn định theo sức chịu tải, cả Hansen và Bolton đều dự báo V=V0/2 Trong trường hợp này, với đường cong trơn, nơi đó cả hai phương pháp Vesic và Meyerhof có điểm (V V0, H V0 ) giao với đường cong

+ Theo Hansen [41], móng băng chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang, ứng với

(0,611; 0,194) (0,676; 0,194)

(Sliding failure)

Hình 1.22 : Đường bao TTGH ( V V0, H V0 ) của móng băng M=0

1.5.4 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng và mô men

Khi móng chịu tác dụng của mô men, gây ra độ lệch tâm e = M/V, khi đó hợp lực chỉ tác dụng lên diện tích hiệu quả của khối móng có tâm đặt tại tâm của

hợp lực, bề rộng móng hiệu quả là B’ = B - 2e và tương ứng là diện tích móng quy ước A’= B’*L [49] Điều này dẫn đến ứng với mỗi giá trị V đều có một giá trị mô men phá hoại M, giữa M và V liên quan với nhau bởi biểu thức

Hình 1.23 - Đường cong quan hệ V/Vo và M/BVo ở trạng thái (H = 0)

1.5.5 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang và mô men

Từ lý thuyết dẻo, lời giải chính xác cho móng băng trên nền sét theo mô hình Tresca không trọng lượng, các nhà nghiên cứu trước đây đã thiết lập công thức (1-20) tính sức chịu tải của nền khi H= 0, M= 0 như công thức (1-20) [23, 50, 51]

0 / ( 2).su

Trong đó:

A: diện tích móng

Hình 1.24 : Chuyển đổi tải trọng tương đương

Hình 1.25 : Diện tích móng hiệu quả Meyerhof [49]

Meyerhof [49], Hansen [41], Vesic [55] và Bolton [24] đề xuất các công thức tương ứng từ (1-21) đến (1-24) có thể sử dụng để xác định đường bao phá hoại như sau: Meyerhof (1956)

0

' (1 ) , '.s 90

o

u o

bao TTGH (V V0,H V0 ), đường bao (H V0 ,M BV0 ), sử dụng phương trình Meyerhof, Vesic, sử dụng điểm chuyển tiếp từ phá hoại bởi trượt sang phá hoại bởi sức chịu tải, nơi đó phương trình Hansen và Bolton đều cho chuyển tiếp bằng đường cong trơn Ở vùng tải trọng V V0 lớn, phương trình Meyerhof, Vesic cho quan hệ H V0 , M BV0 là quan hệ tuyến tính Khi V V0 nhỏ, nơi mô hình phá hoại trượt xẩy ra, đường bao có 2 đoạn, một đoạn gần như thẳng nối với điểm chuyển tiếp Một đoạn giống như biểu đồ phá hoại bởi mô men khi H= 0, tại mỗi mức

0

chuyển tiếp từ phá hoại do sức chịu tải đến phá hoại trượt, hai ông chỉ ra rằng nó quan hệ không tuyến tính với H và M

Khi không có tải trọng đứng V V0=0, các tác giả dường như chấp nhận từ thí nghiệm: tải trọng ngang và momen bằng không và đường bao sẽ phải bắt đầu từ gốc tọa độ (H V0 = 0, M BV0 = 0) Lý thuyết của Bolton [24] đã trình bày ở công thức (1-24) và Meyerhof, Hansen, Vesic đều chấp nhận sự phá hoại xẩy ra khi

0 u

H H A s Điều đó là không đúng trong thực tế, nên tất cả những luận giải trên đều không cho ta được giải pháp nào khác cho móng có tải trong đứng (tương ứng

tỷ lệ V V0) nhỏ

1.5.6 Đặc trưng của đường bao tải trọng giới hạn

Các phương trình (1-21), (1-22), (1-23), (1-24) được giải theo phương pháp cân bằng giới hạn và kết hợp giữa phương pháp kinh nghiệm và bán kinh nghiệm Với cách tiếp cận này thì rất phức tạp để kiểm tra ổn định vì với mỗi công trình cần lập lại phân tích và đánh giá Để đơn giản có thể sử dụng đường bao TTGH giữa tải trọng đứng, ngang và mô men hay đường bao TTGH V V0, H V0, M BV0

Butterfied & Ticof [29], dựa trên cơ sở hàng trăm thí nghiệm, đã đề nghị sử dụng đường Elip (H, M) tại mỗi giá trị V V0 Xa hơn nữa là kết hợp đường Parabol (V, M) và (V, H) tại mỗi vị trí Các tác giả giả thiết rằng mặt phá hủy có dạng như Hình 1.27 Butterfied & Ticof, sử dụng giá trị cực hạn M0 BV0 =0,1; Ho/Vo=0,12 tại V V =0,5 đối với móng băng trên đất cát Đây là cách tiếp cận của các nhà

nghiên cứu quan trọng, để đánh giá sức chịu tải của móng dưới tác dụng của tải trọng phức tạp V, H, M

Gottardi (1999) [37], Cassidy (1999) [31] đã xác định đường bao TTGH dạng

elip như phương trình (1-27) cho móng tròn giàn khoan trên đất cát có hình dạng

tương tự như của Butterfied và Ticof Housby và Martin [42] cũng tìm ra đường bao

tương tự như vậy cho móng tròn trên đất sét ở phương trình (1-28), trong đó mô hình B của Martin (1994) theo phương trình (1-29)

Với móng chịu tải trọng phức hợp (V:H:M), Hansen đưa ra đường bao mặt

trượt đối với móng tròn theo công thức (1-25):

cát theo phương trình (1-27), biểu diễn theo Hình 1.27 Trong đó De là đường kính

lớn nhất của móng