Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên

Chia sẻ: Trần Khánh Dư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

377
lượt xem 87
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên nhàm xây dựng phương pháp mới (phương pháp áp dụng trực tiếp định lý giới hạn) đánh giá ổn định nền đất phù hợp với sự làm việc thực của môi trường đất, góp phần phát triển nghiên cứu về ổn định nền đường; áp dụng phương pháp trên để xây dựng một số chương trình tính, lập được bảng tra và toán đồ giúp người kỹ sư nhanh chóng xác định được chiều cao và độ dốc giới hạn của nền đắp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ THẮNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố. Mã số: 62.58.02.05.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TSKH. HÀ HUY CƯƠNG 2. TS. VŨ ĐỨC SỸ Hà Nội - 2014
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Đỗ Thắng
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới GS.TSKH Hà Huy Cương và TS Vũ Đức Sỹ đã tận tình hướng dẫn về khoa học, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Giao thông Vận tải đã có nhiều ý kiến đóng góp và chỉ dẫn quý báu cho luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn cán bộ, giảng viên của Bộ môn Đường bộ, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu tại Nhà trường. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Kiến trúc & Công trình - Trường Đại học Dân lập Phương Đông, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện để tác giả có thể hoàn thành được luận án. Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã động viên khích lệ và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Đỗ Thắng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC .............................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... viii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................... 3 5. Bố cục của luận án ........................................................................................ 4 6. Đóng góp mới của luận án ............................................................................. 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN ................................................................................... 7 1.1. Phân tích các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước.......................... 7 1.1.1. Các dạng mất ổn định nền đắp trên nền thiên nhiên .......................... 7 1.1.2. Phương pháp nghiên cứu ổn định nền đường .................................... 9 1.1.2.1. Các liên hệ cơ bản của vật liệu đàn dẻo lý tưởng ...................... 9 1.1.2.2. Phương pháp nghiên cứu ổn định khối đất .............................. 16 1.1.2.3. Cường độ giới hạn nền thiên nhiên ......................................... 17 1.1.2.4. Phương pháp nghiên cứu ổn định mái dốc .............................. 27 1.2. Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên ......................................................................................... 33 1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án ........................................... 34 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN ................................................................................. 36
iv 2.1. Lý thuyết min (max) ................................................................................. 36 2.1.1. Trường ứng suất đàn hồi trong đất.................................................. 37 2.1.2. Trường ứng suất dựa trên lý thuyết min (max) ................................. 40 2.2. Xây dựng bài toán xác định trường ứng suất trong đất.............................. 44 2.3. Phương pháp sai phân hữu hạn để giải bài toán ........................................ 46 2.4. Lời giải bài toán Flamant bằng số ............................................................. 48 2.5. Lời giải bài toán phẳng theo lý thuyết min (max) ...................................... 52 2.6. Kết quả và bàn luận .................................................................................. 54 Chương 3 BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ TẢI TRỌNG GIỚI HẠN VÀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC .... 56 3.1. Trạng thái ứng suất tự nhiên của nền đất trong nửa không gian vô hạn ..... 56 3.2. Bài toán Prandtl........................................................................................ 57 3.3. Bài toán góc dốc giới hạn của khối cát khô ............................................... 61 3.4. Kết quả và bàn luận .................................................................................. 67 Chương 4 NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT CÓ MÁI DỐC THẲNG ĐỨNG .............. 69 4.1. Nghiên cứu ổn định mái dốc thẳng đứng do tải trọng ngoài ...................... 69 4.2. Nghiên cứu ổn định mái dốc thẳng đứng do trọng lượng bản thân ............ 77 4.3. Kết quả và bàn luận .................................................................................. 83 Chương 5 PHƯƠNG PHÁP MỚI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN ................................................................................. 85 5.1. Nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên..................... 85 5.1.1. Xây dựng bài toán ........................................................................... 85 5.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của lưới sai phân đến chiều cao giới hạn nền đắp ..................................................................................................... 87 5.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của bề rộng nền đắp đến chiều cao giới hạn nền đắp ..................................................................................................... 87 5.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của độ dốc taluy đến chiều cao giới hạn nền đắp............................................................................................................ 88
v 5.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của lực dính đơn vị đến chiều cao giới hạn nền đắp ..................................................................................................... 89 5.1.6. Khảo sát ảnh hưởng của góc nội ma sát đến chiều cao giới hạn nền đắp ..................................................................................................... 90 5.1.7. So sánh kết quả tính toán chiều cao giới hạn nền đắp theo phương pháp phân tích giới hạn với phương pháp cân bằng giới hạn ....... 92 5.1.8. Khảo sát ảnh hưởng của nền đất không đồng nhất đến chiều cao giới hạn nền đắp ....................................................................................... 94 5.2. Ứng dụng phương pháp mới nghiên cứu ổn định nền đường trong tính toán thiết kế .................................................................................................... 99 5.3. Kết quả và bàn luận ................................................................................ 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 105
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU B Bề rộng nền đường c Lực dính đơn vị c0 Lực dính đơn vị của nền thiên nhiên c1 Lực dính đơn vị của nền đắp E Môđun đàn hồi G Môđun trượt H Chiều cao nền đắp Hgh Chiều cao giới hạn nền đắp i, j Thứ tự hàng và cột trong lưới sai phân K0 Hệ số áp lực đất tĩnh m, n Số nút lưới sai phân theo trục y và theo trục x Nc, Nq, N Hệ số tải trọng giới hạn p Tải trọng tác dụng pgh Tải trọng giới hạn x, y Kích thước ô lưới sai phân theo trục x và trục y  Góc nội ma sát 0 Góc nội ma sát của nền thiên nhiên 1 Góc nội ma sát của nền đắp  Trọng lượng thể tích  Biến dạng tương đối  Hệ số Poisson  Ứng suất nén x, y Ứng suất pháp theo phương x, y 1, 2 Các ứng suất chính  Ứng suất tiếp f Ứng suất tiếp giới hạn max Ứng suất tiếp lớn nhất xy, yx Các ứng suất tiếp
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Ứng suất pháp y theo lý thuyết đàn hồi tại vị trí giữa dải tải trọng ....... 50 Bảng 4.1. Tải trọng giới hạn khối đất có mái dốc thẳng đứng ................................ 71 Bảng 4.2. Tải trọng giới hạn khối đất có mái dốc thẳng đứng ................................ 73 Bảng 4.3. Chiều cao giới hạn khối đất có mái dốc thẳng đứng............................... 79 Bảng 4.4. Chiều cao giới hạn khối đất có mái dốc thẳng đứng............................... 80 Bảng 5.1. Chiều cao giới hạn nền đường theo bề rộng ô lưới sai phân ................... 87 Bảng 5.2. Chiều cao giới hạn nền đường theo chiều rộng nền đường .................... 88 Bảng 5.3. Chiều cao giới hạn nền đường theo độ dốc taluy ................................... 88 Bảng 5.4. Chiều cao giới hạn nền đường theo lực dính đơn vị ............................... 89 Bảng 5.5. Chiều cao giới hạn nền đường theo góc nội ma sát ................................ 91 Bảng 5.6. Chiều cao giới hạn nền đường theo phương pháp phân tích giới hạn ..... 92 và phương pháp cân bằng giới hạn đối với trường hợp đất dính lý tưởng (m) ........ 92 Bảng 5.7. Chiều cao giới hạn nền đường theo phương pháp phân tích giới hạn ..... 93 và phương pháp cân bằng giới hạn đối với trường hợp đất thông thường (m) ........ 93 Bảng 5.8. Quan hệ giữa tỷ số Hgh*/c0 với góc nội ma sát và tỷ số lực dính đơn vị .................................................................................................................... 97
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các hiện tượng mất ổn định nền đường đắp ............................................. 7 Hình 1.2. Mô hình đàn dẻo lý tưởng ..................................................................... 10 Hình 1.3. Vòng tròn Mohr .................................................................................... 11 Hình 1.4. Điều kiện chảy dẻo Mohr-Coulomb....................................................... 12 Hình 1.5. Mặt chảy dẻo và vectơ tốc độ biến dạng dẻo.......................................... 14 Hình 1.6. Sơ đồ tính toán theo định lý giới hạn dưới ............................................. 17 Hình 1.7. Sơ đồ tính toán theo định lý giới hạn trên .............................................. 19 Hình 1.8. Sơ đồ tải trọng và vùng cân bằng giới hạn ............................................. 19 Hình 1.9. Sơ đồ khả năng chịu tải của nền theo Terzaghi ...................................... 20 Hình 1.10. Sơ đồ khả năng chịu tải của nền theo Berezansev ................................ 21 Hình 1.11. Sơ đồ xác định trạng thái ứng suất trường hợp tải trọng hình băng phân bố đều ........................................................................................................... 22 Hình 1.12. Sơ đồ xác định trạng thái ứng suất trường hợp tải trọng hình băng phân bố dạng tam giác ........................................................................................... 24 Hình 1.13. Đường đẳng Kmin và bề rộng vùng dẻo R ............................................. 26 Hình 1.14. Sơ đồ tính ổn định mái dốc .................................................................. 28 Hình 1.15. Trường ứng suất giả thiết..................................................................... 31 Hình 1.16. Mặt trượt giả thiết dạng xoắn ốc logarit ............................................... 32 Hình 2.1. Đầm chặt đất ......................................................................................... 36 Hình 2.2. Ứng suất trên phân tố đất....................................................................... 37 Hình 2.3. Ứng suất tiếp max (max) ........................................................................ 40 Hình 2.4. Sơ đồ tính nền đắp hình thang ............................................................... 44 Hình 2.5. Mặt thoáng nằm ngang .......................................................................... 45 Hình 2.6. Mặt thoáng nghiêng............................................................................... 45 Hình 2.7. Ô lưới sai phân tính toán ....................................................................... 46 Hình 2.8. Sơ đồ giải bài toán Flamant ................................................................... 48 Hình 2.9. Sơ đồ tính toán theo phương pháp sai phân ........................................... 49 Hình 2.10. Biểu đồ các đường đẳng ứng suất pháp y (kPa) theo lý thuyết đàn hồi .................................................................................................................. 50
ix Hình 2.11. Biểu đồ ứng suất pháp y (kPa) tại vị trí giữa dải tải trọng theo phương pháp sai phân hữu hạn và giải tích ............................................................ 51 Hình 2.12. Biểu đồ các đường đẳng ứng suất pháp y (kPa) theo lý thuyết min (max) .............................................................................................................. 53 Hình 2.13. Biểu đồ ứng suất pháp y (kPa) tại vị trí giữa dải tải trọng theo lý thuyết đàn hồi và lý thuyết min (max) ................................................................ 53 Hình 3.1a. Biểu đồ ứng suất x (kPa) .................................................................... 56 Hình 3.1b. Biểu đồ ứng suất y (kPa) .................................................................... 56 Hình 3.2. Ứng suất tiếp xúc dưới móng cứng ........................................................ 58 Hình 3.3. Sơ đồ giải bài toán Prandtl..................................................................... 60 Hình 3.4. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 61 Hình 3.5. Sơ đồ tính toán góc dốc giới hạn ........................................................... 62 Hình 3.6. Sơ đồ giải bài toán góc dốc giới hạn của khối cát khô............................ 64 Hình 3.7. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 65 Hình 3.8. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 65 Hình 3.9. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 66 Hình 3.10. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo .................................... 67 Hình 4.1. Sơ đồ tính ổn định của mái dốc thẳng đứng do tải trọng ngoài ............... 69 Hình 4.2. Sơ đồ giải bài toán tải trọng giới hạn của mái dốc thẳng đứng ............... 71 Hình 4.3. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 72 Hình 4.4. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 73 Hình 4.5. Sơ đồ tính ổn định của mái dốc thẳng đứng trong trường hợp đặt tải trọng rải đều vào phía trong .............................................................................. 74 Hình 4.6. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 75 Hình 4.7. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 76 Hình 4.8. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 77 Hình 4.9. Sơ đồ tính ổn định của mái dốc thẳng đứng do trọng lượng bản thân ..... 77 Hình 4.10. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo .................................... 79 Hình 4.11. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo .................................... 81 Hình 4.12. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo .................................... 82
x Hình 4.13. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo .................................... 83 Hình 5.1. Sơ đồ xác định chiều cao giới hạn nền đắp ............................................ 85 Hình 5.2. Sơ đồ lưới sai phân dùng để tính chiều cao giới hạn nền đắp ................. 86 Hình 5.3. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 90 Hình 5.4. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 91 Hình 5.5. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 95 Hình 5.6. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo ...................................... 96 Hình 5.7. Toán đồ xác định tỷ số Hgh*/c0 ............................................................. 98 Hình 5.8. Trắc dọc thiết kế .................................................................................. 100
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nền đường là bộ phận quan trọng của đường ôtô. Bảo đảm ổn định nền đường là điều kiện tiên quyết để bảo đảm ổn định của kết cấu áo đường. Hai vấn đề quan trọng nhất đối với nền đường là ổn định và lún. Theo tiêu chuẩn thiết kế nền đường ôtô hiện hành, nền đường đắp trên nền thiên nhiên phải đảm bảo các yêu cầu sau đây: - Nền đường phải đảm bảo ổn định toán khối, không bị sụt trượt mái taluy; trượt trồi, lún sụt nền đắp trên đất yếu; trượt phần đắp trên sườn dốc,… - Nền đường phải đảm bảo đủ cường độ, không xuất hiện vùng biến dạng dẻo nguy hiểm có thể gây cho kết cấu mặt đường bị lượn sóng, thậm chí gây phá hoại kết cấu mặt đường bên trên. Phương pháp nghiên cứu ổn định nền đường được sử dụng rộng rãi trong thiết kế hiện nay là phương pháp cân bằng giới hạn. Hệ phương trình cơ bản của phương pháp này bao gồm hai phương trình cân bằng (bài toán ứng suất phẳng) và điều kiện chảy dẻo Mohr- Coulomb. Vì không coi đất là vật liệu đàn hồi nên phải đưa thêm điều kiện chảy dẻo Mohr-Coulomb để có đủ phương trình để xác định trạng thái ứng suất trong đất. Những điểm trong khối đất thỏa mãn ba phương trình trên là những điểm ở trạng thái chảy dẻo. Sự xuất hiện một điểm chảy dẻo hoặc nhiều điểm chảy dẻo cục bộ chưa thể gây phá hoại khối đất. Khối đất chỉ bị phá hoại khi xuất hiện các lưới đường trượt (lưới các điểm chảy dẻo) cho phép các phần khối đất trượt tự do tương đối với nhau. Rankine (1857) là người đầu tiên giải hệ phương trên theo ứng suất để tìm phân bố lực ngang và hệ số áp lực ngang trong đất, áp lực chủ động và áp lực bị động tác dụng lên tường chắn [48]. Prandtl (1920) dựa trên ứng suất tìm được cường độ giới hạn của nền đất dưới tác dụng của áp lực truyền qua móng cứng (trình bày trong chương 1). Chiều cao giới hạn của mái dốc thẳng đứng cũng có thể tìm được từ việc xét trạng thái ứng suất trong khối đất (trình bày trong chương 1).
2 Tuy nhiên phương pháp sử dụng trạng thái ứng suất để nghiên cứu ổn định khối đất cho ta rất ít kết quả. Phương pháp nghiên cứu hiệu quả và được dùng rộng rãi là phương pháp mặt trượt. Coulomb (1776) là người đầu tiên dùng giả thiết mặt trượt phẳng để nghiên cứu áp lực đất tác dụng lên tường chắn. Felenius (1926) dùng mặt trượt trụ tròn để đánh giá ổn định mái dốc (trường phái Thụy điển). Tuy nhiên, để có được mặt trượt đúng, thì cần biến đổi hệ phương trình trên về hệ phương trình trong tọa độ cong mà tiếp tuyến của đường cong trùng với vectơ đường trượt như Koiter (1903) đã làm. Prandtl (1920) là người đầu tiên tìm được hàm giải tích của đường trượt cho trường hợp móng cứng đặt trên nền đất không trọng lượng (trình bày trong chương 1): đó là họ các mặt trượt phẳng và họ các mặt trượt xoắn ốc logarit... Sokolovski (1965) dùng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình vi phân đường trượt và nhận được kết quả số cho nhiều trường hợp tính toán khác nhau. Terzaghi (1943) và Berezansev (1958) cũng sử dụng họ các mặt trượt trong nghiên cứu ổn định khối đất. Chú ý rằng điều kiện chảy dẻo Mohr- Coulomb đối với đất có ma sát làm thay đổi thể tích khối đất khi chảy dẻo, vi phạm quy tắc chảy dẻo kết hợp. Để tránh điều này, W. F. Chen đã dùng mặt trượt xoắn ốc logarit khi tính ổn định mái dốc [34]. Mặt trượt giữ vai trò quan trọng trong nghiên cứu ổn định khối đất cho nên W. F. Chen (1975) đã đưa ra phương pháp xây dựng mặt trượt giữa các khối đất cứng, giữa các khối bê tông và khối đá [34]. Từ cách làm đó đã hình thành nên lý thuyết đường trượt (slip-line field theory) hiện nay [41], [44]. Những vấn đề trên là cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính toán thực hành và nghiên cứu ổn định khối đất được trình bày trong chương tổng quan của luận án. Phương pháp cân bằng giới hạn với hai cách giải nêu trên, như W. F. Chen đã nhận xét [34], chưa phải là ứng dụng đúng đắn của phương pháp phân tích giới hạn (limit analysis) của lý thuyết đàn - dẻo lý tưởng bởi vì chưa xét đến hiện tượng thể tích khối đất bị thay đổi khi dùng điều kiện chảy dẻo Mohr-Coulomb. Mặt khác, hệ phương trình cơ bản nêu trên không cho phép xác định trạng thái ứng suất tại những điểm chưa chảy dẻo, tức là không xét được trạng thái ứng suất của toàn khối
3 đất. Vì vậy, trong luận án “Nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên” được trình bày sau đây, bằng cách sử dụng lý thuyết min (max), tác giả có thể áp dụng trực tiếp định lý giới hạn để nghiên cứu ổn định của khối đất nói chung và ổn định của nền đất đắp trên nền thiên nhiên. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng phương pháp mới (phương pháp áp dụng trực tiếp định lý giới hạn) đánh giá ổn định nền đất phù hợp với sự làm việc thực của môi trường đất, góp phần phát triển nghiên cứu về ổn định nền đường. Áp dụng phương pháp trên để xây dựng một số chương trình tính, lập được bảng tra và toán đồ giúp người kỹ sư nhanh chóng xác định được chiều cao và độ dốc giới hạn của nền đắp. Ngoài ra, sử dụng định lý giới hạn dưới của lý thuyết phân tích giới hạn cho ta biết được phân bố ứng suất trong khối đất trước khi phá hỏng và các mặt trượt xảy ra trong khối đất, từ đó có thể đưa ra các biện pháp phù hợp nâng cao ổn định nền đất khi cần thiết. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nền đường đắp đất trên nền thiên nhiên. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu vấn đề ổn định của nền đường đắp đất trên nền thiên nhiên xét trong trường hợp bài toán phẳng. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đất không phải là vật liệu đàn hồi nên trong bài toán phẳng, hai phương trình cân bằng không đủ để xác định được ba thành phần ứng suất. Tác giả dùng thêm điều kiện min (max) để có đủ phương trình xác định trạng thái ứng suất trong toàn khối đất và áp dụng trực tiếp định lý giới hạn để nghiên cứu ổn định đồng thời nền đắp và nền thiên nhiên. Trong luận án trình bày các bài toán ổn định khác nhau: cường độ giới hạn của nền đất nằm ngang dưới tải trọng móng cứng (bài toán Prandtl), mái dốc của khối cát khô, mái dốc thẳng đứng trên nền thiên nhiên dưới tác dụng của tải ngoài và trọng lượng bản thân, nền đắp hình thang trên nền thiên nhiên dưới tác dụng của
4 trọng lượng bản thân. Từ những nghiên cứu đó có thể rút ra các kết luận và nhận xét định tính và định lượng sau đây: - Điều kiện chảy dẻo Mohr- Coulomb cho biết vật liệu có nội ma sát càng lớn thì sức chịu tải càng lớn. Tuy nhiên đối với vật liệu xây dựng nền đắp như đất, cát các loại, đá dăm vụn... thì vật liệu có lực dính đơn vị lớn mới là vật liệu bảo đảm ổn định mái dốc tốt hơn. Thực tiễn xây dựng nền đường đắp ở nước ta đã chứng thực điều đó. - Mặt trượt xuất hiện trên mái dốc và mặt nền đắp khi có tải trọng ngoài tác dụng. - Khi nghiên cứu ổn định nền đường đắp mà chỉ xét trọng lượng bản thân của đất thì không xuất hiện mặt trượt trên mái dốc và mặt nền đắp. - Tùy theo cường độ (c, ) của vật liệu nền đắp và nền thiên nhiên mà xảy ra các trường hợp phá hoại: cường độ vật liệu đắp càng lớn thì chiều cao giới hạn nền đắp càng lớn, độ dốc taluy càng lớn. Khi nền đắp có cường độ (c, ) bằng hoặc nhỏ hơn cường độ nền thiên nhiên thì mặt trượt chỉ xuất hiện ở chân taluy nền đắp, Khi nền đắp có cường độ lớn hơn nền thiên nhiên thì mặt trượt ăn sâu vào nền thiên nhiên. - Những tính toán so sánh cho thấy chiều cao giới hạn nền đắp theo phương pháp của tác giả xấp xỉ với chiều cao có chiết giảm theo các phương pháp mặt trượt (lấy hệ số an toàn lớn hơn 1). Điều này giải thích được bởi vì phương pháp mặt trượt cho ta giới hạn trên của chiều cao nền đắp. Tác giả đã xây dựng một số chương trình tính, lập được bảng tra và toán đồ giúp người kỹ sư nhanh chóng xác định được chiều cao và độ dốc giới hạn của nền đắp. Ngoài ra, từ biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo sẽ xác định được lưới mặt trượt nên có thể đưa ra được các biện pháp gia cường phù hợp, đúng vị trí để nâng cao ổn định nền đường khi cần. 5. Bố cục của luận án Luận án gồm những phần và chương sau: - Mở đầu
5 - Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên - Chương 2: Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên - Chương 3: Bài toán cơ bản về tải trọng giới hạn và ổn định mái dốc - Chương 4: Nghiên cứu ổn định khối đất có mái dốc thẳng đứng - Chương 5: Phương pháp mới nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên - Kết luận và kiến nghị - Phần phụ lục 6. Đóng góp mới của luận án 1- Khác với các phương pháp truyền thống của cơ học đất, tác giả sử dụng lý thuyết min (max) để có thể áp dụng trực tiếp lý thuyết phân tích giới hạn vào nghiên cứu ổn định nền đất (không cho trước trạng thái ứng suất và hoặc dạng mặt trượt). Sử dụng định lý giới hạn dưới của lý thuyết phân tích giới hạn cho ta biết được phân bố ứng suất trong khối đất trước khi phá hỏng và các mặt trượt xảy ra trong khối đất, từ đó có thể đưa ra các biện pháp phù hợp nâng cao ổn định nền đất khi cần thiết. 2- Khác với phương pháp truyền thống là phương pháp nghiên cứu tách rời ổn định mái dốc với cường độ giới hạn của nền thiên, tác giả xây dựng bài toán ổn định tổng thể của nền đắp trên nền thiên nhiên để có thể xét được ảnh hưởng qua lại giữa chúng. 3- Các bài toán ổn định khối đất trình bày trong luận án là đúng đắn về cơ học, chặt chẽ về toán học và mới. Xét về mặt toán thì đó là các bài toán quy hoạch phi tuyến do có ràng buộc là điều kiện chảy dẻo Mohr- Coulomb. Phương pháp giải số là phương pháp sai phân hữu hạn và để sử dụng các hàm tối ưu có sẵn, tác giả lập trình trên phần mềm Matlab để giải. Sơ đồ sai phân dùng trong luận án cho kết quả với độ chính xác cao, ví dụ như bài toán Flamant bằng số, góc dốc giới hạn của vật liệu có nội ma sát không dính đúng bằng góc nội ma sát của vật liệu, tải trọng giới
6 hạn của mái dốc thẳng đứng trùng với công thức lý thuyết (kết quả này cũng là mới), v.v... 4- Phương pháp nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên trình bày trong luận án là phương pháp mới. Tác giả đã xây dựng một số chương trình tính, lập được bảng tra và toán đồ giúp người kỹ sư nhanh chóng xác định được chiều cao và độ dốc giới hạn của nền đắp. Ngoài ra, từ biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo sẽ xác định được lưới mặt trượt nên sẽ đưa ra được các biện pháp gia cường phù hợp, đúng vị trí để nâng cao ổn định nền đường khi có yêu cầu.
7 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN Trong chương này trình bày các nghiên cứu về ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên đã và đang được áp dụng ở Việt Nam và các nước trên thế giới. Tiếp theo, tác giả phân tích ưu, nhược điểm và các tồn tại của các phương pháp đó. Cuối cùng trình bày mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài luận án. 1.1. Phân tích các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước 1.1.1. Các dạng mất ổn định nền đắp trên nền thiên nhiên Theo tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô TCVN 4054-2005 [7], nền đường phải đảm bảo ổn định, duy trì được các kích thước hình học, có đủ cường độ để chịu được các tác động của tải trọng xe và các yếu tố thiên nhiên trong suốt thời gian sử dụng. Do đó, với nền đường đắp phải đảm bảo không bị các hiện tượng như: trượt lở mái taluy, trượt phần đắp trên sườn dốc, trượt trồi, lún sụt nền đắp trên đất yếu…(hình 1.1). Hình 1.1. Các hiện tượng mất ổn định nền đường đắp a. Trượt mái dốc nền đắp b. Trượt phần đắp trên sườn dốc c. Lún sụt trên đất yếu d. Trượt trồi trên đất yếu Tiêu chuẩn hiện hành ở nước ta có các quy định để đảm bảo ổn định nền đắp trên nền thiên nhiên cho từng trường hợp như sau:
8 Trường hợp chiều cao mái dốc đắp lớn Khi chiều cao mái dốc đắp lớn hơn 12m phải kiểm toán ổn định [7], [8]. Với mái dốc bằng vật liệu rời rạc, ít dính thì nên áp dụng phương pháp mặt trượt phẳng; với đất dính kết thì nên dùng phương pháp mặt trượt tròn, hệ số ổn định nhỏ nhất phải bằng hoặc lớn hơn 1,25. Trên thực tế thường sử dụng phương pháp phân mảnh cổ điển do Fellenius đề xuất từ năm 1926 [38] và phương pháp Bishop (1955) [32] để kiểm toán ổn định mái dốc. Phương pháp phân mảnh cổ điển giả thiết khối đất trên mái dốc khi mất ổn định sẽ trượt theo mặt trượt hình trụ tròn nhưng không xét đến tác dụng của các lực giữa các phân mảnh, còn phương pháp Bishop có xét đến các lực đẩy ngang tác dụng từ hai phía của mảnh trượt (không quan tâm đến điểm đặt của hai lực ngang đó). Trường hợp nền đắp trên sườn dốc Khi xây dựng nền đường trên sườn dốc [5], để đảm bảo điều kiện ổn định, việc tính toán, thiết kế cần đáp ứng được hai yêu cầu sau: - Nền đường phải đặt trên một sườn dốc ổn định và bản thân sườn dốc đó vẫn ổn định sau khi xây dựng nền đường. - Trên cơ sở một sườn dốc chắc chắn ổn định, nền đắp phải không bị trượt trên mặt dốc đó và bản thân mái ta luy của nền đường phải đảm bảo ổn định. Đánh giá sự ổn định của sườn dốc thường dựa vào cách tính toán trên cơ sở xét điều kiện cân bằng tĩnh của khối trượt trên mặt trượt dự kiến (hoặc mặt trượt đã điều tra được). Các phương pháp thường được sử dụng là phương pháp Maslov, phương pháp Shakhunyants cho mặt trượt gẫy khúc và phương pháp mặt trượt trụ tròn khi khó xác định mặt trượt. Trường hợp nền đắp trên đất yếu Nền đắp trên đất yếu [6] phải đảm bảo ổn định, không bị phá hoại do trượt trồi trong quá trình thi công đắp (đắp phần nền theo thiết kế hoặc đắp cao hơn cao độ thiết kế để gia tải trước) và trong suốt quá trình đưa vào khai thác sử dụng sau đó.
9 Phương pháp được sử dụng để tính toán đánh giá mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu là phương pháp phân mảnh cổ điển hoặc phương pháp Bishop với mặt trượt tròn khoét xuống vùng đất yếu. Có thể nói yêu cầu vừa nêu trên của quy trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu không đảm bảo điều kiện an toàn và không phù hợp với truyền thống nghiên cứu ổn định khối đất. 1.1.2. Phương pháp nghiên cứu ổn định nền đường Đất là vật liệu phức tạp, chúng ta chưa biết được đầy đủ các đặc trưng cơ lý của nó. Tuy nhiên, nghiên cứu mẫu đất trong phòng thí nghiệm cũng như thí nghiệm tấm ép ở hiện trường cho thấy có thể coi đất là vật liệu đàn dẻo lý tưởng tuân theo điều kiện chảy dẻo Mohr- Coulomb [34] để có thể sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn hoặc tổng quát hơn là các định lý về phân tích giới hạn để nghiên cứu ổn định của khối đất. Vì vậy, trong mục này, trước khi giới thiệu các phương pháp nghiên cứu ổn định nền đất, tác giả trình bày các liên hệ cơ bản của vật liệu đàn dẻo lý tưởng. 1.1.2.1. Các liên hệ cơ bản của vật liệu đàn dẻo lý tưởng Để trình bày ngắn gọn, ta sẽ dùng các quy tắc chỉ số sau: a i a i  a1  a 2  a 3 2 2 2 (1.1a) a kk  a 1  a 2  a 3 Hệ số Kronecker  ij  0 nếu i  j (1.1b)  ij  1 nếu i  j Tenxơ môđun đàn hồi E  E ijkl  ( lk  ij   ij kl ) (1.1c) 1  1  2 Biến dạng dẻo Trên hình 1.2 trình bày quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu đàn dẻo lý tưởng khi chịu ứng suất một chiều [2], [41]. Ứng suất tăng từ không đến giới hạn