Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ổn định trượt sâu của mố cầu trên móng nông bằng phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:128

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nghiên cứu ổn định trượt sâu của mố cầu trên móng nông bằng phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM)" là phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) xây dựng một phương pháp tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng động trong cả giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác.

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 trượt sâu của mố cầu trên móng nông bằng phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _____________________________ Soukha YAKOSHI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU CỦA MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG GIỚI HẠN TỔNG QUÁT (GLEM) NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM MÃ SỐ: 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _____________________________ Soukha YAKOSHI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU CỦA MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG GIỚI HẠN TỔNG QUÁT (GLEM) NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM MÃ SỐ: 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Lương Xuân Bính 2. PGS.TS. Nguyễn Phương Duy HÀ NỘI, NĂM 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực, đáng tin cậy và không trùng với bất kỳ một nghiên cứu nào khác đã được công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Người cam đoan
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi muốn nói xin chân thành giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Lương Xuân Bính và PGS.TS. Nguyễn Phương Duy là người thầy đã hướng dẫn rất tận tình và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo đã đọc luận án tiến sĩ của tôi và cho tôi những nhận xét sâu sắc và có ý nghĩa quan trọng cho luận án này. Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã cho sự giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian qua.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ viii DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... ix MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG ...................................................................................................9 1.1. Tính toán ổn định chống lật mố cầu trên móng nông .............................................9 1.2. Tính toán ổn định chống trượt mố cầu trên móng nông .......................................10 1.3. Tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông ...........................................11 1.3.1. Các phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng ...............................12 1.3.2. Các phương pháp cân bằng giới hạn để tính ổn định mái dốc ..........................13 1.3.3. Một số nghiên cứu tính toán ổn định mố cầu ....................................................16 1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................................19 CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG GIỚI HẠN TỔNG QUÁT (GLEM) TÍNH ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG ............................................................................................21 2.1. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của đất đắp sau lưng mố bằng phương pháp GLEM ..........................................23 2.1.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ...................................................................23 2.1.2. Các phương trình cơ bản ...................................................................................27 2.1.3. Thiết lập bài toán ...............................................................................................31 2.2. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của tải trọng xe thi công sau lưng mố bằng phương pháp GLEM .....................32 2.2.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ...................................................................32 2.2.2. Các phương trình cơ bản ...................................................................................33 2.2.3. Thiết lập bài toán ...............................................................................................35
iv 2.3. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất bằng phương pháp GLEM ............................................................36 2.3.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ...................................................................36 2.3.3. Thiết lập bài toán ...............................................................................................40 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................41 CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG GIỚI HẠN TỔNG QUÁT (GLEM) TÍNH ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC .........................................................................................42 3.1. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và hoạt tải bằng phương pháp GLEM ....................................43 3.1.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ...................................................................43 3.1.2. Các phương trình cơ bản ...................................................................................46 3.1.3. Thiết lập bài toán ...............................................................................................48 3.2. Tính ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác có xét đến ảnh hưởng của nước ngầm bằng phương pháp GLEM ......................................................49 3.2.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ...................................................................49 3.2.2. Các phương trình cơ bản ...................................................................................50 3.2.3. Thiết lập bài toán ...............................................................................................55 3.3. Tính ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của động đất bằng phương pháp GLEM ............................................................................55 3.3.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ...................................................................55 3.3.2. Các phương trình cơ bản ...................................................................................56 3.3.3. Thiết lập bài toán ...............................................................................................59 3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................60 CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN, CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG ..........................................................61 4.1. Giải hệ phương trình cơ bản xác định trường lực, hệ số an toàn tương ứng với mặt trượt giả định ...............................................................................................................61 4.2. Giải bài toán tối ưu hóa xác định hệ số an toàn Fs nhỏ nhất và mặt trượt nguy hiểm nhất ...... .......................................................................................................................62 4.3. Thuật toán xác định hệ số an toàn nhỏ nhất và mặt trượt nguy hiểm nhất ...........65
v 4.4. Lập chương trình tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông ................67 4.4.1. Giới thiệu nội hàm Solver .................................................................................68 4.4.2. Xây dựng chương trình giải bài toán ổn định mố cầu trên móng nông.............72 4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................................73 CHƯƠNG 5 THÍ DỤ TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................................74 5.1. Tính toán ổn định mái dốc đồng nhất ...................................................................74 5.2. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công ............76 5.2.1. Tính ổn định trượt sâu mố cấu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp lực đất đắp sau lưng mố ..........................................................................76 5.2.2. Tính ổn định trượt sâu mố cấu trên móng nông trong giai đoạn thi công khi xét đến tải trọng xe thi công sau lưng mố .........................................................................84 5.2.3. Tính ổn định trượt sâu mố cấu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất ........................................................................................................87 5.3. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác ..........90 5.3.1. Tính ổn định trượt sâu mố cấu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải ...................................................................................90 5.3.2. Tính ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác có xét đến ảnh hưởng của nước ngầm .................................................................................................97 5.4. Ứng dụng phương pháp GLEM đề nghị vào tính toán ổn định trượt sâu mố cầu Nặm Sương, CHDCND Lào ........................................................................................99 5.5. Kết luận chương 5 ..............................................................................................107 KẾT LUẬN ...............................................................................................................109 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................111
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Fsmed Hệ số an toàn về ổn định khi biến dạng trượt xảy ra cả trên mặt trượt đáy và mặt trượt giữa các khối trượt Fsmin Hệ số an toàn về ổn định khi biến dạng trượt chỉ xảy ra trên mặt trượt đáy khối trượt GLEM Generalized Limit Equilibrium Method: Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát GLEM-BA-CS 1 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 1: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của đất đắp sau mố GLEM-BA-CS 2 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 2: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của xe thi công sau lưng mố GLEM-BA-CS 3 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 3: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất GLEM-BA-IS 1 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 1: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và hoạt tải GLEM-BA-IS 2 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 2: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và hoạt tải khi có xét đến nước ngầm GLEM-BA-IS 3 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 3: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu
vii trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của động đất LEM Limit Equilibrium Method: Phương pháp cân bằng giới hạn Log-Spiral Logarithmic spiral
viii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1. Hệ số ma sát giữa đáy móng và đất nền [27]..............................................11 Bảng 2. 1. So sánh số phương trình và số ẩn ..............................................................31 Bảng 5. 1. Hệ số an toàn ổn định của mái dốc đồng nhất theo phương pháp GLEM đề nghị và các phương pháp cân bằng giới hạn LEM ........................................76 Bảng 5. 2. Kích thước mố cầu qua sông ÉT (đơn vị: m) ............................................77 Bảng 5. 3. Tĩnh tả của khố trượt có mố (trường hợp Hđ=8,19m) ............................78 Bảng 5. 4. Tổ hợp tả trọng tính theo TTGHCĐ 1 (Vớ Hđ=8,19m) ..........................79 Bảng 5. 5. Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu qua sông ÉT trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp lực đất đắp sau lưng mố ..............................................80 Bảng 5. 6. Khảo sát ảnh hưởng của số lượng khối trượt đến hệ số an toàn................81 Bảng 5. 7. Hệ số an toàn theo phương pháp GLEM và phần mềm GEOSLOPE .......83 Bảng 5. 8. Tĩnh tả của khố trượt có mố (trường hợp Hđ=2,05m và xe 3 trục).........86 Bảng 5. 9. Tổ hợp tải trọng (trường hợp Hđ=2,05m và xe 3 trục)..............................86 Bảng 5. 10. Hệ số an toàn về ổn định mố cầu trên móng nông chịu tải trọng xe thi công sau lưng mố ...................................................................................................87 Bảng 5. 11. Tĩnh tả của khố trượt có mố (trường hợp Hđ=2,05m) ..........................89 Bảng 5. 12. Tổ hợp tải trọng (trường hợp Hđ=2,05m) ...............................................89 Bảng 5. 13. Hệ số an toàn về ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công khi có động đất xảy ra ...................................................................................90 Bảng 5. 14. Bảng các thông số hình học của mố cầu (đơn vị: m) ..............................91 Bảng 5. 15. Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu qua sông ÉT trong giai đoạn khai thác khi chịu tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải ...............................................97 Bảng 5. 16. Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu qua sông ÉT trong giai đoạn khai thác có xét đến nước ngầm ............................................................................98 Bảng 5. 17. Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu qua sông ÉT trong giai đoạn khai thác khi có động đất .......................................................................................99 Bảng 5. 18. Bảng các thông số hình học của mố cầu Nặm Sương ...........................100 Bảng 5. 19. Hệ số an toàn về ổn định của mố A1 cầu qua sông Nặm Sương trong giai đoạn khai thác khi có mực nước ngầm xảy ra .............................................107
ix DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 0. 1. Các bộ phận chính của mố cầu. ...................................................................1 Hình 0. 2. Mố cầu đặt trên móng nông (a) và móng cọc (b). .......................................1 Hình 0. 3. Cầu O Ro bị sụp đổ khi mố cầu trượt ra phía sông. ....................................2 Hình 0. 4. Mố cầu bị trượt sâu trong giai đoạn thi công vào ngày 27/5/2015 tại xã Vĩnh Bình, huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An. ................................................3 Hình 0. 5. Trượt sâu mố cầu Nặm Sương trên đường quốc lộ 13N lý trình 402+500 nước CHDCND Lào. ......................................................................................4 Hình 1. 1. Sơ đồ tải trọng đối với bài toán ổn định chống lật [27]. ..............................9 Hình 1. 2. Sơ đồ tải trọng đối với bài toán ổn định chống trượt [27] .........................10 Hình 1. 3. Các điểm biến dạng dẻo của mái dốc trong phương pháp phần tử hữu hạn.12 Hình 1. 4. Sơ đồ tính ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát của Enoki. .....................................................................................................16 Hình 1. 5. Mô hình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông theo phương pháp cân bằng giới hạn – phương pháp phân mảnh với mặt trượt giả định là mặt trụ tròn. .........................................................................................................17 Hình 2. 1. Sơ đồ mố cầu trong giai đoạn thi công. .....................................................21 Hình 2. 2. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của đất đắp sau lưng mố trong giai đoạn thi công. .........................................................................23 Hình 2. 3. Sơ đồ cấu tạo hình học của mố cầu. ..........................................................23 Hình 2. 4. Mô hình tính toán ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của đất đắp sau lưng mố bằng phương pháp GLEM. ............26 Hình 2. 5. Sơ đồ các lực tác dụng lên khối trượt thứ i trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. ................................................................27 Hình 2. 6. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối trượt thứ i trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. ....................27 Hình 2. 7. Sơ đồ các lực tác dụng lên khối trượt thứ M trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. ...........................................................28 Hình 2. 8. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối trượt thứ M trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. ....................28
x Hình 2. 9. Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt thứ n trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. ................................................................29 Hình 2. 10. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối thứ n trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố.............................29 Hình 2. 11. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của tải trọng xe thi công sau lưng mố trong giai đoạn thi công. .................................................32 Hình 2. 12. Mô hình tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của tải trọng xe thi công sau lưng mố bằng phương pháp GLEM. ..............33 Hình 2. 13. Sơ đồ lực dụng lên khối thứ M trong giai đoạn thi công khi có tải trọng xe thi công sau lưng mố.....................................................................................34 Hình 2. 14. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối thứ M trong giai đoạn thi công khi có tải trọng xe thi công sau lưng mố. ..............................34 Hình 2. 15. Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt thứ n trong giai đoạn thi công khi có tải trọng xe thi công sau lưng mố. .....................................................................35 Hình 2. 16. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối thứ n khi có tải trọng xe thi công sau lưng mố. .....................................................................35 Hình 2. 17. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất. ........................................................................................36 Hình 2. 18. Mô hình tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất bằng phương pháp GLEM.........37 Hình 2. 19. Sơ đồ tính toán xác định các thành phần gia tốc địa chấn tác dụng lên công trình. ..............................................................................................................37 Hình 2. 20. Lực tác dụng lên khối trượt thứ i trong giai đoạn thi công khi có động đất. ......................................................................................................................38 Hình 2. 21. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối trượt thứ i trong giai đoạn thi công khi có động đất. ...............................................................38 Hình 2. 22. Sơ đồ lực tác dụng lên khối thứ M trong giai đoạn thi công khi có động đất. ................................................................................................................39 Hình 2. 23. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối trượt M trong giai đoạn thi công khi có động đất. ......................................................................39
xi Hình 2. 24. Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt thứ n trong giai đoạn thi công khi có động đất. .......................................................................................................40 Hình 2. 25. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối thứ n trong giai đoạn thi công khi có động đất. ......................................................................40 Hình 3. 1. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác. .............43 Hình 3. 2. Sơ đồ cấu tạo hình học của mố cầu. ..........................................................44 Hình 3. 3. Mô hình tính toán ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác trường hợp chịu tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải bằng phương pháp GLEM. ..........................................................................................................46 Hình 3. 4. Sơ đồ lực tác dụng lên khối thứ M trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải. ..................................................................................47 Hình 3. 5. Các phương để viết phương trình cân bằng lực của khối thứ M trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải. ..................................47 Hình 3. 6. Sơ đồ lực tác dụng lên khối thứ n trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải. ..................................................................................48 Hình 3. 7. Các phương để viết phương trình cân bằng lực của khối thứ n trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải. ..................................48 Hình 3. 8. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác có xét đến ảnh hưởng của nước ngầm. ...........................................................................49 Hình 3. 9. Mô hình tính toán ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác có xét đến ảnh hưởng của nước ngầm bằng phương pháp GLEM. ..............50 Hình 3. 10. Lực tác dụng lên khối trượt thứ i trong giai đoạn khai thác có xét đến nước ngầm. ............................................................................................................51 Hình 3. 11. Các phương để viết phương trình cân bằng lực của khối thứ i trong giai đoạn khai thác khi có xét đến nước ngầm. ...................................................51 Hình 3. 12. Sơ đồ lực tương tác lên khối thứ M trong giai đoạn khai tháckhi có xét đến nước ngầm. ...................................................................................................52 Hình 3. 13. Các phương để viết phương trình cân bằng lực của khối thứ M trong giai đoạn khai thác khi có xét đến nước ngầm. ...................................................53 Hình 3. 14. Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt thứ n trong giai đoạn khai thác khi có xét đến nước ngầm..............................................................................................53
xii Hình 3. 15. Các phương để viết phương trình cân bằng lực của khối thứ n trong giai đoạn khai thác khi có xét đến nước ngầm. ...................................................54 Hình 3. 16. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác khi có động đất. .......................................................................................................55 Hình 3. 17. Mô hình tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của động đất bằng phương pháp GLEM. ......56 Hình 3. 18. Lực tác dụng lên khối trượt thứ i trong giai đoạn khai thác khi có động đất. ................................................................................................................57 Hình 3. 19. Các phương để viết phương trình cân bằng lực của khối trượt thứ i trong giai đoạn khai thác khi có động đất. .............................................................57 Hình 3. 20. Sơ đồ lực tương tác lên khối trượt thứ M trong giai đoạn khai thác khi có động đất. .......................................................................................................58 Hình 3. 21. Các phương để viết phương trình cân bằng lực của khối trượt thứ M trong giai đoạn khai thác khi có động đất. .............................................................58 Hình 3. 22. Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt thứ n trong giai đoạn khai thác khi có động đất. .......................................................................................................59 Hình 3. 23. Các phương để viết phương trình cân bằng lực của khối trượt thứ n trong giai đoạn khai thác khi có động đất. .............................................................59 Hình 4. 1. Hệ tọa độ và các thông số hình học của mặt trượt. ....................................62 Hình 4. 2. Sơ đồ khối xác định mặt trượt nguy hiểm nhất và hệ số an toàn nhỏ nhất. ....................................................................................................67 Hình 4. 3. Khởi động hàm Solver trong Excel 2003. .................................................68 Hình 4. 4. Vào Excel Options trong Excel 2007 và Excel 2010. ...............................68 Hình 4. 5. Hộp thoại Excel Options. ...........................................................................69 Hình 4. 6. Hộp thoại các nội hàm Add-in. ..................................................................69 Hình 4. 7. Biểu tượng của nội hàm Solver. ................................................................70 Hình 4. 8. Các tham số của hàm Solver. .....................................................................70 Hình 4. 9. Hộp thoại Solver Options. .........................................................................71 Hình 5. 1. Mái đất đồng nhất với mặt trượt nguy hiểm nhất ứng với phương pháp GLEM đề nghị và những phương pháp cân bằng giới hạn khác. .................74 Hình 5. 2. Bản vẽ kích thước của mố A1 cầu qua sông ÉT. .......................................77
xiii Hình 5. 3. Sơ đồ chia khối của lăng thể trượt tính ổn định mố cầu qua sông ÉT.78 Hình 5. 4. Mặt trượt giả định ban đầu và mặt trượt sau tối ưu hóa tương ứng với Fsmin=2,589 với chiều cao đất đắp sau lưng mố Hđ = 8,19 m. ............ 79 Hình 5. 5. Mặt trượt giả định ban đầu và mặt trượt sau tối ưu hóa tương ứng với Fsmed=3,036 với chiều cao đất đắp sau lưng mố Hđ = 8,19 m. ........... 80 Hình 5. 6. Biểu đồ quan hệ giữa Fsmin, Fsmed và Hđ. ....................................... 81 Hình 5. 7. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số an toàn và số lượng khối trượt. .............. 82 Hình 5. 8. Tính toán ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công chịu áp lực đất đắp sau lưng mố bằng phần mềm GEOSLOPE .................... 83 Hình 5. 9. Sơ đồ chia khối tính ổn định mố cầu chịu tải trọng xe thi công. ........ 84 Hình 5. 10. Biểu đồ quan hệ giữa Fsmin, Fsmed và Hđ khi mố cầu chịu tải trọng xe thi công.............................................................................................. 87 Hình 5. 11. Sơ đồ chia lăng thể trượt tính ổn định mố cầu trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất bằng phương pháp GLEM. ....................... 88 Hình 5. 12. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số an toàn và Hđ trong giai đoạn thi công khi có động đất xảy ra (v= 1 m/s2; h= 1 m/s2). ........................................ 90 Hình 5. 13. Mặt cắt ngang kết cấu nhịp. .............................................................. 92 Hình 5. 14. Sơ đồ chia khối lăng thể trượt tính ổn định mố cầu trong giai đoạn khai thác chịu tĩnh tải và hoạt tải bằng phương pháp GLEM ....................... 93 Hình 5. 15. Sơ đồ chia khối lăng thể trượt tính ổn định mố cầu trong giai đoạn khai có xét đến ảnh hưởng của nước ngầm bằng phương pháp GLEM. ....... 98 Hình 5. 16. Mặt cắt ngang kết cấu nhịp cầu Nặm Sương. ................................. 101 Hình 5. 17. Sơ đồ chia khối lăng thể trượt tính mất ổn định mố cầu Nặm Sương. ............................................................................................................. 102 Hình 5. 18. Mặt trượt giả định ban đầu và mặt trượt thực tế của mố cầu Nặm Sương khi tính theo TTGHCĐ1 có Fsmin=0,627. .......................................... 106 Hình 5. 19. Mặt trượt giả định ban đầu và mặt trượt thực tế của mố cầu Nặm Sương khi tính theo TTGHCĐ1 có Fsmed=0,899. ......................................... 107
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong công trình cầu, mố cầu là một bộ phận quan trọng, có chức năng chính là đỡ kết cấu nhịp, truyền các tải trọng thẳng đứng và ngang xuống đất nền. Mố cầu còn là bộ phận chuyển tiếp và đảm bảo cho xe chạy êm thuận từ đường vào cầu. Ngoài ra còn có nhiệm vụ như một tường chắn đất chịu áp lực ngang của đất đắp, điều chỉnh dòng chảy và đảm bảo chống xói lở bờ sông. Cấu tạo mố cầu bao gồm: tường đỉnh, mũ mố, tường thân, tường cánh, bệ mố và tứ nón mố Hình 0.1. Hình 0. 1. Các bộ phận chính của mố cầu Mố cầu có thể xây bằng đá, đúc bằng bê tông, bê tông cốt thép và cũng có khi được xây bằng gạch trong các cầu giao thông nông thôn. Mố cầu có thể đặt trên móng nông hoặc móng cọc Hình 0.2. Hình 0. 2. Mố cầu đặt trên móng nông (a) và móng cọc (b) Trong những năm gần đây, thường xảy ra các sự cố mất ổn định trượt sâu mố cầu kể cả trong giai đoạn khai thác cũng như trong giai đoạn thi công dẫn đến hư hại công trình cầu, gây thiệt hại lớn đến kinh tế - xã hội. Theo Tổng cục Đường bộ Việt Nam [1],
2 Cầu O Ro ở tỉnh Cà Mau đã được đưa vào khai thác từ năm 2013 trong đó cầu đã hoàn toàn bị sụp đổ vào ngày 05/8/2016 do mố cầu bị mất ổn định Hình 0.3. Cầu Vàm Cống khi đang xây dựng, vào ngày 20/8/2016 theo dữ liệu đã được giám sát cho thấy mố cầu có di chuyển về phía sông khoảng 19mm có thể do nguyên nhân chính là đất đạt trạng thái giới hạn, hai họ đường trượt xảy ra trong khu vực xung quanh mố. Mố cầu Hình 0. 3. Cầu O Ro bị sụp đổ khi mố cầu trượt ra phía sông Theo dữ liệu từ Sở Giao Thông Vận Tải Long An [2], vào khoảng 21h00 ngày 6/10/2015, công trình Cầu dây văng bắc qua sông Vàm Cỏ Tây, xã Bình Phong Thạnh, huyện Mộc Hóa, Tỉnh Long An đang trong quá trình thi công đến giai đoạn bắc nhịp thì một mố cầu bất ngờ từ từ đổ ụp xuống sông. Nguyên nhân là do phần đất ở mố cầu quá yếu, không chịu nổi khối lượng bê tông mố cầu nối với đường chính theo thiết kế nên đã bị trượt. Cũng nguyên nhân do địa chất yếu, tại xã Vĩnh Bình, huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An, một mố cầu bị trượt sâu ra phía song ngay trong giai đoạn thi công Hình 0.4. Tại nước CHDCND Lào trên đường quốc lộ 13N do mưa lũ nhiều kết hợp với các nguyên nhân khác cũng gây ra sự cố tương tự đối với công trình cầu. Tháng 8 năm 2018, mố cầu Nặm Sương trên đường quốc lộ 13N lý trình 402+500 tại tỉnh Luông Pha Bang
3 nước CHDCND Lào mố cầu bị trượt sâu với nguyên nhân chính là do mố cầu đặt trên móng nông bị nước ngầm vào dần dần kết hợp với lưu lượng xe càng ngày càng tăng làm cho nền đất dưới mố không chịu được tải trọng nên mố bị trượt sâu ra phía ngoài sông Hình 0.5 [3]. Từ tình hình thực tế về các sự cố nêu trên, có thể thấy rằng bài toán ổn định trượt sâu mố cầu cần thiết được tiếp tục nghiên cứu phát triển các phương pháp tính toán sao cho đảm bảo an toàn ổn định cho mố cầu nói riêng, cho công trình cầu nói chung. Bài toán ổn định mố cầu trước đây (theo Quy trình thiết kế cầu 22TCN-18-79 [4] và Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 [5]) và hiện nay (Tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 [6,7], Tiêu chuẩn AASHTO [8]) vẫn cơ bản được thực hiện tính toán theo ba bài toán cơ bản sau: i) Bài toán ổn định chống lật; ii) Bài toán ổn định chống trượt phẳng; và iii) Bài toán ổn định chống trượt sâu. Trong đó bài toán ổn định chống trượt sâu là phức tạp hơn. Hình 0. 4. Mố cầu bị trượt sâu trong giai đoạn thi công vào ngày 27/5/2015 tại xã Vĩnh Bình, huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An
4 Hình 0. 5. Trượt sâu mố cầu Nặm Sương trên đường quốc lộ 13N lý trình 402+500 nước CHDCND Lào Hiện nay, việc tính ổn định trượt sâu mố cầu ít được xem xét cụ thể do tính phức tạp của bài toán. Về cơ bản, bài toán ổn định trượt sâu mố cầu có thể dựa trên bài toán ổn định mái dốc. Ở đó chủ yếu dựa trên hai nhóm phương pháp chính: Nhóm các phương pháp cân bằng giới hạn và nhóm các phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng. Thuộc về nhóm phương pháp cân bằng giới hạn có thể nêu một số ví dụ từ những phương pháp đơn giản như: Fellenius [9], Bishop [10], Spencer [11], Janbu [12], Morgenstern-Price [13], Azemeraw Wubalem [14] đến phương pháp số của Chen [15], Sloan [16,17]. Đặc điểm chung của các phương pháp cân bằng giới hạn là chỉ xét sự làm việc của kết cấu trong trạng thái giới hạn mà không quan tâm đến quan hệ ứng suất - biến dạng theo quá trình tác dụng của tải trọng. Do đó những phương pháp này khá đơn giản và yêu cầu các tham số đầu vào khi tính toán thường là trọng lượng thể tích, lực dính và góc ma sát trong của đất. Đây là những thông số cơ bản của đất có thể được xác định bằng những thí nghiệm kinh điển trong Cơ học đất. Thuộc về nhóm phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng có thể kể đến như phương pháp phần tử hữu hạn Wymyslowski [18] và các phương pháp số. Có thể nói phương pháp này cho kết quả khá tốt về quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong suốt quá trình chịu tải của kết cấu cho đến khi kết cấu đạt đến trạng thái giới hạn. Tuy nhiên, yêu cầu các tham số đầu vào khi tính toán lại khá phức tạp như: Mô đun đàn hồi, hệ số poisson của đất. Những thông số này cần những thí nghiệm chuyên dụng kết
5 hợp phân tích, tính toán để xác định, bên cạnh đó là khối lượng tính toán lớn nhiều khi dẫn tới sai số tính toán tích lũy đáng kể. Do vậy, ngày nay, các phương pháp cân bằng giới hạn vẫn được ứng dụng khá phổ biến trong việc giải quyết các bài toán ổn định mái dốc, sức chịu tải và áp lực đất. Trong nhóm các phương pháp cân bằng giới hạn thường giả định các mặt trượt là mặt phẳng, hoặc trụ tròn. Lăng thể trượt có thể được coi như là một cố thể hoặc cũng có thể được chia nhỏ thành các mảnh (khối) với mặt đáy của khối là mặt trượt, mặt giữa các mảnh là thẳng đứng, điều kiện trượt chỉ thỏa mãn trên mặt đáy của mỗi mảnh (khối). Tuy nhiên, theo lời giải của Sokolovsky [19] thì khi đạt đến trạng thái giới hạn, trong lăng thể trượt xuất hiện hai họ đường trượt xiên góc với nhau. Nếu quan niệm như các phương pháp cân bằng giới hạn thông thường thì mới chỉ xét được một họ đường trượt mà thôi. Để khắc phục nhược điểm này, Enoki [20,21,22], Chao-Jun Ouyang [23], Chuanzhi Huang [24,25] đã đề xuất phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (Generalized Limit Equilibrium Method – GLEM). Theo phương pháp này, lăng thể trượt được rời rạc hóa thành các khối con, trong đó mặt đáy của các khối con là các mặt trượt, đồng thời mặt giữa của các khối cũng là mặt trượt. Điều đó có nghĩa là điều kiện trượt thỏa mãn trên cả mặt đáy và mặt giữa các khối, tức là cả hai họ đường trượt đã được xét đến. Do mặt trượt chính được hình thành từ mặt đáy của các khối con nên mặt trượt có thể có dạng tổng quát chứ không nhất thiết phải là phẳng hay trụ tròn. Do đó, phương pháp GLEM cho thấy những ưu điểm nhất định so với các phương pháp cân bằng giới hạn khác. Trần Nhật Thăng và các cộng sự [26] đã phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (Generalized Limit Equilibrium method – GLEM) để tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tải trọng tĩnh. Trong phạm vi đề tài của luận án này, tác giả đi vào nghiên cứu phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát GLEM từ bài toán ổn định mái dốc với đề xuất đưa khối mố cầu vào lăng thể trượt và các yếu tố tải tương ứng với điều kiện làm việc của mố cầu thành bài toán tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng động trong giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác. Tên đề tài của luận án là “Nghiên cứu ổn định trượt sâu của mố cầu trên móng nông bằng phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM)”.