Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp tính toán nền đắp có gia cường bằng vái địa kỹ thuật trong các công trình xây dựng đường ôtô Việt Nam

Chia sẻ: Trần Khánh Dư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:131

Thêm vào BST

Báo xấu

230
lượt xem 63
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp tính toán nền đắp có gia cường bằng vái địa kỹ thuật trong các công trình xây dựng đường ôtô Việt Nam

i BÔ Ề ẮP Ó NG BẰNG V ỊA KỸ THU T TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰ NG Ô TÔ Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: XÂY DỰN ƯỜN Ô Ô V ƯỜNG THÀNH PHỐ Mã số: 62.58.30.01 LU N ÁN TIẾN SỸ KỸ THU T N ƯỜI Ư N ẪN 1. V N N 2. V ỨC SỸ 2014
ii L M ôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Huỳnh Ngọc Hào
iii L IC M Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến iáo sư, iến sỹ Vũ ình hụng – Người Thầy hướng dẫn đã tận tâm, tận tình giúp cho tác giả hoàn thành luận án đúng thời gian. Tác giả xin trân trọng biết ơn iến sỹ Vũ ức Sỹ - Thầy hướng dẫn đã giúp đỡ tận tình, tạo mọi thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bùi Xuân ậy, Lã Văn hăm; rần Thị im ăng và tập thể Bộ môn ường Bộ đã có những đóng góp quý báu và quan tâm, giúp đỡ, tạo thuận lợi cho tác giả trong quá trình làm nghiên cứu sinh. Tác giả xin trân trọng cảm ơn hầy Hiệu rưởng, Ban Giám Hiệu - rường ại học Giao thông Vận tải, hòng ào tạo au đại học đã giúp tác giả hoàn thiện các thủ tục, tổ chức báo cáo luận án đúng thời gian. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các iáo sư, hó iáo sư, iến sỹ và các nhà khoa học từ rường ại học Giao thông Vận tải, ại học Xây Dựng, ại học Thủy lợi, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ại học Kiến trúc Hà Nội, ại học Duy Tân, ại học Bách Khoa à Nẵng, ại học Kiến rúc à Nẵng, ại học Bách Khoa Tp.HCM, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Hội Cầu đường Việt Nam, ại học Bang California-Fullerton đã có những đóng góp, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ba, Mẹ, gia đình, người thân và xin chân thành cảm ơn thầy, cô, bạn đồng nghiệp đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu này. Tác giả luận án
iv MỤC LỤC MỞ ẦU…………………………………………………… 1 1. Giới thiệu công trình nghiên cứu…………………………… 1 2. Lý do lựa chọn đề tài………………………………………… 1 3. Mục đích……………………………………………………… 1 4. ối tượng nghiên cứu……………………………………… 1 5. Phạm vi nghiên cứu………………………………………… 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài…………………… 2 ƯƠN 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ D N V ƯƠN 3 PHÁP TÍNH TOÁN NỀN Ắ ƯỜNG VẢ ỊA KỸ THUẬT 1.1 Các nghiên cứu sử dụng và tính toán nền đắp gia cường vải 3 địa kỹ thuật trong và ngoài nước…………………………… 1.1.1 Lịch sử phát triển và sử dụng vải địa kỹ thuật……………… 3 1.1.1.1 Giới thiệu chung……………………………………………… 3 1.1.1.2 Phân loại vải địa kỹ thuật…………………………………… 4 1.1.1.3 Một số tiêu chí đánh giá vải địa kỹ thuật…………………… 5 1.1.1.4 Các chức năng của vải địa kỹ thuật………………………… 5 1.1.1.5 Một số công trình xây dựng sử dụng vải địa kỹ thuật ở V.Nam 9 1.1.2 ác phương pháp tính toán nền đắp gia cường vải địa kỹ thuật 12 ở trong và ngoài nước hiện nay 1.1.2.1 hương pháp giải tích tính nền đắp có cốt trên nền đất yếu 12 Nhận xét phương pháp giải tích tính nền đắp gia cường trên 15 đất yếu 1.1.2.2 hương pháp giải tích tính nền đắp có cốt trên đất tự nhiên tốt 16 Nhận xét các phương pháp giải tích 23 1.1.2.3 hương pháp số và các phần mềm tính toán 24 Nhận xét các phương pháp tính toán 27 1.2 Những vấn đề tồn tại mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu…… 28 1.3 Mục tiêu của đề tài…………………………………………… 28 1.4 Nội dung nghiên cứu………………………………………… 29 1.5 hương pháp nghiên cứu…………………………………… 29 ƯƠN 2 MÔ N ÍN B N NỀN Ấ Ắ ƯỜNG 30 BẰNG CỐT MỀM VẢ ỊA KỸ THUẬT
v 2.1 Mục đích và yêu cầu………………………………………… 30 2.1.1 Mục đích…………………………………………………… 30 2.1.2 Yêu cầu……………………………………………………… 30 2.2 Các tính chất của vải địa kỹ thuật…………………………… 31 2.2.1 Một số khái niệm về thuộc tính của vải địa kỹ thuật 31 2.2.2 ường quan hệ ứng suất – biến dạng của vải địa kỹ thuật… 33 2.2.3 Một số ví dụ xác định tính cơ lý của vải địa kỹ thuật……… 34 2.3 Xây dựng mô hình bài toán………………………………… 36 2.3.1 Một số giả thiết……………………………………………… 37 2.3.2 Xây dựng mô hình tính toán bài toán ổn định của nền đường 37 đắp có cốt mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn… 2.3.2.1 ác phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi……………… 38 2.3.2.2 hương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn…… 39 2.3.2.3 Hệ số an toàn theo phương pháp giảm c-φ………………… 42 Nhận xét 42 ƯƠN 3 XÂY ỰN UẬ NV ƯƠN RN TÍNH B N NỀN Ấ Ắ ƯỜN VẢ Ị Ỹ UẬ 43 BẰN ƯƠN PTHH 3.1 Xây dựng thuật toán………………………………………… 43 3.1.1 hần tử tấm tam giác……………………………………… 43 3.1.2 hần tử tấm tam giác đẳng tham số………………………… 44 3.1.3 Mô hình Mohr- oulomb…………………………………… 46 3.1.4 hần tử tiếp xúc……………………………………………… 50 3.1.4.1 Lý thuyết phần tử tiếp xúc…………………………………… 50 3.1.4.2 Mô hình phi tuyến tiếp xúc giữa vải địa kỹ thuật và đất nền… 52 3.1.5 hần tử vải địa kỹ thuật……………………………………… 52 3.1.5.1 Lý thuyết tính toán phần tử vải địa kỹ thuật………………… 52 3.1.5.2 Mô hình phi tuyến của phần tử vải địa kỹ thuật…………… 53 3.1.6 hân tích phi tuyến…………………………………………… 53 3.1.6.1 hương pháp Newton-Raphson (N-R)……………………… 54 3.1.6.2 hương pháp Newton-Raphson cải tiến……………………… 55 3.1.7 ơ đồ khối tổng quát chương trình…………………………… 55 3.2 Xây dựng chương trình tính ………………………………… 55
vi 3.2.1 Giới thiệu giao diện chương trình tính hnh_ress V1 00……… 55 3.2.2 Giới thiệu chương trình tính hnh_ress V1 00………………… 57 Kết luận chương 3 59 ƯƠN 4 Ự N ỆM ÍN N NỀN Ắ ƯỜN 60 V R N XÂY ỰN ƯỜN Ô Ô 4.1 Nền đường đắp trên đất tự nhiên tốt………………………… 60 4.1.1 Dữ liệu chung tính toán……………………………………… 60 4.1.2 Phân tích ổn định của nền đường đắp……………………… 62 4.1.2.1 Nền đắp cao 6m……………………………………………… 63 4.1.2.2 Nền đắp cao 8m……………………………………………… 64 4.1.2.3 Nền đắp cao 10m…………………………………………… 68 4.1.2.4 Nền đắp cao 12m…………………………………………… 72 4.1.3 Xây dựng biểu đồ tra V sử dụng trong nền đắp cao…… 75 4.2 Nền đường đắp trên đất yếu………………………………… 77 4.3 Xác định dạng cung trượt mái dốc theo phương pháp xấp xỉ 80 4.3.1 mặt trượt mái xấp xỉ mặt trượt hương pháp dốc …………………… 80 4.3.2 Một số ví dụ vẽ đường biến dạng trượt và tính xấp xỉ mặttrượt 81 4.3.2.1 rường hợp nền đắp có gia cường vải địa kỹ thuật 81 4.3.22 rường hợp nền đắp không gia cường vải địa kỹ thuật 85 4.4 Xây dựng công thức tính toán lực căng ( max) các lớp V 88 4.4.1 Lực căng V trong phân mảnh cho mặt trượt trụ trong nền đắp……………………………………… tròn 88 4.4.2 Xây dựng công thức tính toán lực căng vải địa kỹ thuật (Tmax) 89 4.5 Xác phương pháp phần tử cứng vđkt (EA) đến hệ Ellipse… bằngđịnh ảnh hưởng của độ hữu hạn theo mặt trượt số an toàn 96 4.5.1 Xây dựng biểu thức xác định độ cứng vđkt (EA) ảnh hưởng ổn định nền đắp…………………………………… 96 đến hệ số an toàn ổn định……………………… 4.5.2 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số an toàn ổn định…… 99 4.5.3 Biểu đồ quan hệ ảnh hưởng của độ cứng (EAg), cường độ Tmax 104 vđkt và mô đun đàn hồi đất nền (Es) đến an toàn ổn định 4.6 o sánh khảnăng đứt và tuột cốt V ảnh hưởng đến antoàn 105 4.7 ổn định nền quả chạy trên chương trình hnh_ress và plaxis o sánh kết đắp gia cường 106 4.8 Kết quả nghiên cứu chương 4……………………………… 110 Ế LUẬN V ẾN N Ị 112
vii MỤC LỤC HÌNH VẼ Ồ THỊ ƯƠN 1 Hình 1.1 V gia cường, đoạn qua cầu Xương iang – Bắc Giang 4 ình 1 2 V trong mái dốc Bukit Panggal Mosque, Tutong, Brunei 6 ình 1 3 V tường chắn Arca Budaya, Kuala Lumpur, Quốc……………………………………………………… Malaysia. 6 ình 1 4 V trong đường đê unarbhava, West Bengal, Ấn ộ 6 ình 1 5 V gia cường nền nhà dân dụng 6 ình 1 6 V làm tường chắn, hánh ương, ỉnh Cam Túc, TQ 7 ình 1 7 V với chức năng làm tường chắn đất 7 ình 1 8 V ường chắn Novotel Hotel, Patong, Phuket, Thailand 7 ình 1 9 V tiêu, thoát nước đường cao tốc Nam Carolina, Hoa Kỳ 7 ình 1 10 V sử dụng ở hào bố trí ống dẫn nước (Australia) 8 ình 1 11 V sử dụng với chức năng vật liệu thấm ( ảo Solomon) 8 Hình 1.12 V làm chức năng phân cách 9 ình 1 13 V gia cố mái dốc 9 ình 1 14 V làm chức năng lọc 9 Hình 1.15 V làm lớp phân cách và bảo vệ 9 ình 1 16 V chức năng tiêu thoát nước 9 Hình 1.17 Mặt cắt ngang mở rộng QL5, V làm lớp ngăn cách 10 Hình 1.18 V được dùng ở bãi rác Tam Tân, Củ Chi, TP.HCM 10 ình 1 19 V sử dụng ở bãi rác Bố Trạch, Quảng Bình 10 Hình 1.20 hương pháp phân tích mặt trượt tròn để xác định lực kéo lớn 14 nhất yêu cầu đối với cốt tăng cường ở đáy nền đắp Hình 1.21 Chiều dài neo bám của cốt tại vị trí j dọc theo đáy nền đắp 14 ình 1 22 hương pháp khối nêm hai phần cho mái dốc có cốt 16 Hình 1.23 Sự phân bố gần đúng ứng suất xáo động với mỗi lớp cốt 18 Hình 1.24 ính toán trượt tròn theo phương pháp phân mảnh 19 Hình 1.25 Tính toán theo mặt trượt xoắn ốc logarit 22 ình 1 26 ính toán theo phương pháp trọng lực dính kết 23
viii Hình 1.27 Quan hệ ứng xử đất - vải địa kỹ thuật theo tiêu chuẩn phá 26 hoại Mohr-Coulomb ƯƠN 2 Hình 2.1 Ứng xử kéo của vđkt theo mô hình Robert M.Koerner 33 Hình 2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng của tiếp xúc vải địa kỹ thuật và 34 đất nền theo Robert M.Koerner Hình 2.3 ơ đồ tính không bố trí cốt (a) và có bố trí cốt (b) 37 ƯƠN 3 Hình 3.1 ình dạng của phần tử tam giác………………………… 43 Hình 3.2 hần tử tam giác 3 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa phương 44 Hình 3.3 hần tử tam giác 6 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa phương 45 Hình 3.4 iêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb trong k gian Ư chính 47 Hình 3.5 Xác định góc ma sát trong và lực dính đơn vị…………… 49 ình 3 6 Xác định góc giãn nở…………………………………… 50 Hình 3.7 hần tử tiếp xúc…………………………………………… 51 Hình 3.8 àm dạng của phần tử thanh chịu lực dọc trục………… 53 ình 3 9 hương pháp Newton-Raphson và Newton-Raphson cải tiến 54 ình 3 10 ơ đồ khối tổng quát chương trình tính bằng … 55 Hình 3.11 ên và biểu tượng chương trình………………………… 56 Hình 3.12 hai báo quan hệ ứng suất – biến dạng của vải địa kỹ thuật 56 Hình 3.13 hai báo độ cứng(E g) theo đường ứng suất- biến dạng 56 của vải địa kỹ thuật Hình 3.14 Vẽ đường xấp xỉ mặt trượt 57 Hình 3.15 Xác định sai số đường xấp xỉ mặt trượt Ellipse và trượt tròn 57 Hình 3.16 Xác định độ cứng cát tuyến theo ứng xử kéo của V 58 ƯƠN 4 Hình 4.1 ơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ………………… 61 Hình 4.2 Mô hình tải trọng xe tính toán…………………………… 62 Hình 4.3 Vị trí mặt trượt (nền đắp cao 6 m)……………………… 62 Hình 4.4 Vị trí mặt trượt khi có vải địa kỹ thuật (nền đắp cao 8 m) 63 Hình 4.5 ơ đồ biến dạng (4 lớp V , khoảng cách 0 5m)…… 67 Hình 4.6 Mặt trượt (4 lớp vải địa kỹ thuật, khoảng cách 0 5m)…… 67
ix Hình 4.7 ơ đồ biến dạng (4 lớp V , khoảng cách 1 5m)…… 68 Hình 4.8 Mặt trượt (4 lớp vải địa kỹ thuật, khoảng cách 1 5m)…… 68 Hình 4.9 Quan hệ giữa cường độ vải địa kỹ thuật và số lớp vải địa 76 Hình 4.10 Quan đắp cao cường độ vải địahệ số mái dốc 1/1 vải địa kỹ thuật trong nền hệ giữa có 6m dưới đắp kỹ thuật và số lớp 76 Hình 4.11 Quan hệ giữa có 6m dưới đắp kỹ thuật dốc 1/1 25 kỹ thuật trong nền đắp cao cường độ vải địahệ số mái và số lớp vải địa 77 kỹ thuật trong ơ đồ đắp cao có 6m dưới địa kỹ thuật………………… Hình 4.12 nền hình học khi có vải đắp hệ số mái dốc 1/1 5, 79 Hình 4.13 Mặt biến dạng trượt khi không có vải địa kỹ………… 79 Hình 4.14 Mặt biến dạng trượt khi có vải địa kỹ thuật…………… 79 Hình 4.15 ung trượt hình elipse nền đắp trên đất yếu……… … 79 ình 4 16 hương pháp xấp xỉ mặt trượt…………………………… 81 Hình 4.17 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 8m, cóV 82 Hình 4.18 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 10m, cóV 83 Hình 4.19 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 12m, cóV 84 Hình 4.20 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 12m, cóV 82 Hình 4.21 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 8m, không cóV 85 Hình 4.22 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 10m,không cóV 86 Hình 4.23 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 12m,không cóV 87 Hình 4.24 hương pháp phân mảnh cổ điển cho mặt trượt trụ tròn… 89 Hình 4.25 ung trượt hình ellipse, xây dựng công thức tính max… 90 Hình 4.26 ơ đồ tính lực căng trong V theo cung trượt ellipse 92 Hình 4.27 ết quả phân tích lực căng max các lớp V ………… 96 Hình 4.28 Quan hệ của độ cứng vđkt (E g) và mô đun đàn hồi đất đắp 104 (Es) đến an toàn ổn định Fs =cứng Tmax = 12;g) và 16 kN/mđàn hồi đất đắp 104 ình 4 29 Quan hệ của độ 1.2. vđkt (E 14; mô đun (Es) đến an toàn ổn định Fs =cứng Tmax = 18;g) và 22 kN/mđàn hồi đất đắp 105 ình 4 30 Quan hệ của độ 1.2. vđkt (E 20; mô đun kN…………………………………………………………… (Es) đến an toànđồ tính ổn sđịnh nền max =cao 6m bằng phần mềm laxis ình 4 31 ơ ổn định F = 1.2. T đắp 24; 26; 28 kN/m 106 Hình4.32 Biến dạng nền đắp cao 6m tính bằng phần mềm laxis 106 ình4 33 ệ số an toàn nền đắp cao 6m tính bằng phần mềm laxis 106 ình 4 34 ơ đồ tính ổn định nền đắp cao 8m bằng phần mềm laxis 107 ình4 35 Biến dạng nền đắp cao 8m tính bằng phần mềm laxis 107 ình4 36 ệ số an toàn nền đắp cao 8m tính bằng phần mềm laxis 107
x MỤ LỤ B BỂ Bảng 3 1 ọa độ và trọng số của tích phân số trên miền tam giác… 46 Bảng 3 2 ác tham số của mô hình Mohr- oulomb……………… 49 Bảng 4.1 ặc trưng của nền đường đắp trên đất tốt……………… 60 Bảng 4.2 ặc trưng vải địa kỹ thuật theo 1m chiều rộng………… 60 Bảng 4 3 ải trọng xe cộ………………………………………… 61 Bảng 4 4 ệ số an toàn ổn định mái dốc………………………… 64 Bảng 4 5 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 64 Bảng 4 6 Lực căng trong vải địa kỹ thuật khi mái dốc bị phá hoại 65 Bảng 4 7 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền 8m………………… 66 Bảng 4 8 Ảnh hưởng của cường độ V và số lớp V …… 67 Bảng 4 9 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 68 Bảng 4 10 Lực căng trong vải địa kỹ thuật khi mái dốc bị phá hoại… 69 Bảng 4 11 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền đắp 10m……… 70 Bảng 4 12 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật… 71 Bảng 4 13 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 72 Bảng 4 14 Lực căng trong vđkt khi mái dốc bị phá hoại, nền 12m 73 Bảng 4 15 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền 12m ……… …… 74 Bảng 4 16 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật… 74 Bảng 4 17 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật 75 Bảng 4 18 ặc trưng nền đất yếu…………………………………… 77 Bảng 4 19 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 6 m…………………… 78 Bảng 4 20 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 8 m…………………… 78 Bảng 4 21 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 10 m………………… 78 Bảng 4 22 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 12 m………………… 78 Bảng 4.23 Một số kết quả tính xấp xỉ mặt trượt 87 Bảng 4.24 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn, T=12kN/m 99 Bảng 4.25 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn,T= 14kN/m 99 Bảng 4.26 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn,T= 16kN/m 100 Bảng 4.27 Ảnh hưởng của EAg, Tmax vđkt và Es đến hệ số an toàn Fs 100 Bảng 4.28 ết quả hệ số an toàn tính bằng nhress và laxis 108
xi B KÝ Ệ Ữ Ế Ắ V Vải địa kỹ thuật ( eotextile) PTHH hần tử hữu hạn (FEM _ Finite Element Method) HNH_RESS hần mềm tính ổn định nền đắp gia cường (Reinforced Embankment Stability Software) K hệ số an toàn tính toán (giải tích) Kbh hệ số an toàn nền đắp ngập nước bão hòa Kk hệ số an toàn nền đắp không ngập nước Kmin hệ số an toàn tối thiểu MD mô men gây trượt do đất nền và tải trọng MRS mô men giữ do đất MRR mô men giữ do cốt tăng cường H chiều cao nền đắp Ls chiều dài cạnh nằm ngang mái dốc (bề rộng chân mái dốc) φ’cv góc ma sát của vật liệu nền đắp lúc có biến dạng lớn trong điều kiện ứng suất hữu hiệu fms hệ số vật liệu riêng phần áp dụng cho tg φ’cv (fms = 1) fn là hệ số phá hoại riêng phần; fp hệ số chịu kéo tuột riêng phần đối với cốt tăng cường; Troj lực yêu cầu cốt tăng cường phải có trong phạm vi 1m dài nền đắp tại j; ɣ trọng lượng đơn vị của vật liệu đắp nền; h chiều cao trung bình vật liệu đắp trong phạm vi chiều dài cốt tăng cường Lj; α’ hệ số tương tác biểu thị liên hệ giữa góc neo bám cốt – đất với tgφ’cv; fms hệ số vật liệu riêng phần; Lj chiều dài neo bám cần thiết của cốt tăng cường trong phạm vi cung trượt cho 1m dài nền đắp;
xii αbc’ hệ số tương tác biểu thị liên hệ giữa lực dính bám giữa đất và cốt tăng cường với cu. Rh lực gây xáo động tổng hợp đối với 1m dài dọc theo mặt mái dốc ffs hệ số riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất K tỉ số giữa ứng suất (áp lực) nằm ngang và ứng suất thẳng đứng ɣ trọng lượng đơn vị của đất H chiều cao nền đắp ffs hệ số riêng phần cho trọng lượng đơn vị của đất fq hệ số riêng phần cho ngoại tải wsi ngoại tải tác dụng lên mảnh i ui áp lực nước lỗ rỗng tác dụng trên mặt trượt mảnh thứ i hệ số hiệu chỉnh momen i , ci và su ,i là các góc ma sát trong, lực dính đơn vị và lực dính không thoát nước của đất nền;  r , cr và su ,r là các góc ma sát trong, lực dính đơn vị và lực dính không thoát nước đã suy giảm của đất nền Fs Hệ số an toàn ổn định Es Mô đun đàn hồi của đất Eg Mô đun đàn hồi vải địa kỹ thuật  Hệ số Poisson  Góc dãn nở EAg ộ cứng vải địa kỹ thuật
1 MỞ ẦU 1- Giới thiệu công trình nghiên cứu: Cùng với sự phát triển mạnh mẽ trong ứng dụng công nghệ vật liệu mới trên thế giới, Việt Nam cũng rất quan tâm nghiên cứu sử dụng vật liệu địa kỹ thuật trong gia cường nền đắp công trình đường, đê, đập. Từ đó đặt ra việc nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính toán cho kết quả đạt độ tin cậy cao đối với bài toán nền đắp gia cường bằng vải địa kỹ thuật (V ) trong các công trình xây dựng đường ô tô ở Việt Nam trở nên cần thiết. Trong phạm vi công trình nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn – phương pháp số có nhiều ưu điểm ở thời điểm hiện nay để áp dụng xây dựng thuật toán, lập chương trình tính trên phần mềm phù hợp với điều kiện Việt Nam và cho một số kết quả nghiên cứu của bài toán ổn định, trạng thái ứng suất – biến dạng nền đắp cao, đề xuất tính toán và đưa ra các biểu đồ tiện ích sử dụng trong thiết kế. 2- Lý do lựa chọn đề tài: ề tài được chọn nhằm hoàn thiện phương pháp tính toán cho bài toán nền đắp có sử dụng V trong các công trình xây dựng đường ô tô. 3- Mục đích: Xây dựng mô hình tính toán nền đường đất đắp có gia cường bằng V , góp phần hoàn thiện phương pháp tính toán sát với thực tế làm việc của vật liệu và dự báo khả năng mất ổn định một cách chính xác nhằm đem lại hiệu quả cao trong công tác đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thiết kế nền đắp gia cường V . 4- ố tượng nghiên cứu: Nền đất đắp có sử dụng V trong các công trình xây dựng nền đường.
2 5- Phạm vi nghiên cứu: Lựa chọn, xây dựng mô hình tính bài toán nền đắp gia cường V . Xây dựng thuật toán và chương trình tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Nghiên cứu bài toán ổn định nền đường đắp cao có gia cường bằng V . 6- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: V (Geotextiles) là loại vật liệu mới được chế tạo từ vật liệu polyme tổng hợp hoặc các sản phẩm có liên quan đến polyme nhờ các công nghệ chế tạo khác nhau. Từ những năm 70 của thế kỷ trước V đã ra đời ở các nước phương tây o có những đặc tính ưu việt nên V đã nhanh chóng được dùng để gia cường nâng cao sức chịu tải và tính năng ổn định cho các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình đất đắp trong xây dựng cầu đường, thủy lợi... Những năm đầu của thập niên 90 - thế kỷ trước, V được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước như háp, à Lan, Mỹ, Nhật, đặc biệt ở các nước ông Nam như hái Lan, hilippin, nđônêxia, Malaysia, Ở nước ta, V được đưa vào sử dụng công trình xây dựng đường từ năm 1993 và ngày càng được sử dụng rộng rãi. Theo kết quả nghiên cứu của nhiều chuyên gia trong và ngoài nước cho thấy V dùng trong các công trình xây dựng nền đường đắp cao bằng đất, hay nền đắp trên đất yếu đều đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, dễ dàng trong thi công, giảm giá thành từ 15 - 20%, tăng chất lượng sử dụng, tăng tuổi thọ của công trình. Do vậy việc nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính toán, thiết kế nền đắp có sử dụng V gia cường là cần thiết để phục vụ yêu cầu thực tế trong thời kỳ hội nhập, thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển đất nước.
3 C 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG TÍNH TOÁN NỀ Ắ NG V ỊA KỸ THU T 1.1. Các nghiên cứu sử dụng và tính toán nền đắp g a cường K trong v ngo nước 1.1.1. Lịch sử phát triển và sử dụng K 1.1.1.1. Giới thiệu chung V xuất hiện lần đầu tiên với tên thương mại Bidium vào những năm 60 của thế kỷ trước ở háp, nhưng chưa được chú ý và được sử dụng rất ít. Từ năm 1965 đến 1973, trong vòng 7 - 8 năm người à Lan đã dùng tới 5 - 6 triệu m2 V trong dự án đắp đê biển chống nước xâm nhập đất liền rất có hiệu quả. Vì vậy từ sau năm 1975, V được nhiều người ở nhiều nước nghiên cứu hoàn thiện từ khâu chế tạo, phương pháp tính toán và công nghệ thi công. V nhanh chóng được dùng để gia cường nâng cao sức chịu tải và tính ổn định của các công trình xây dựng nói chung và đặc biệt là các công trình nền đất đắp trong xây dựng các công trình đường ô tô và thủy lợi. Vào thập niên 80 của thế kỷ trước V được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước như háp, Hà Lan, Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Ấn ộ, Hàn Quốc, đặc biệt ở các nước ông Nam : Thái Lan, Philippin, Inđônêxia, Malaysia, Brunei... Ở nước ta năm 1993 V lần đầu tiên được sử dụng trong dự án nâng cấp QL5 (Hà Nội – Hải Phòng) do ông ty ư vấn Thiết kế KEI – Nhật Bản thiết kế với trên 500.000 m2 V rất có hiệu quả để xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu. Và từ 1995 cho đến nay V đã được dùng rất nhiều với các chức năng khác nhau ở nhiều dự án xây dựng đường như các dự án nâng cấp QL1, QL10, QL18, QL3, QL51, QL32, QL38, QL39 và trong các dự án xây dựng đường cao tốc như ường cao tốc TP.Hồ Chí Minh – Trung Lương, ại lộ hăng Long (từ Láng đi òa Lạc, Hà Nội), Cao tốc Hà Nội –
4 Hải Phòng, Cao tốc Giẽ - Ninh Bình, Cao tốc Nội Bài – Lào Cai, Cao tốc Long Thành – Dầu Giây và Cao tốc Bến Lức – Long hành … Hình 1.1 VĐKT gia cường nền đất yếu trên QL1, đoạn qua cầu Xương Giang – Bắc Giang 1.1.1.2. Phân loại VĐKT [14], [28], [29], [30] Dựa theo công nghệ chế tạo, V được phân làm hai loại sau: 1. VĐKT loại dệt (Woven Geotextile) V loại dệt có tính thấm nhỏ, được chế tạo bằng những sợi nhân tạo và dệt thành vải ường độ của V phụ thuộc nhiều vào sức chịu kéo của các sợi. Sức chịu kéo theo phương dọc (theo chiều cuộn) thường lớn hơn so với phương ngang (chiều khổ vải). ặc trưng của nhóm V dệt là vải Robusta Nicolon (Hà Lan), Krafter (Nhật Bản), Amoco (Anh), Collins & Aikman. Ngoài ra còn có nhiều loại V dệt khác như , ML, E – WX, GT, GM, GSI – … Bảng 1.1 phụ lục 1 giới thiệu một số tính chất loại V dệt. 2. VĐKT loại không dệt (Nonwoven Geotextile) Loại V không dệt có tính thấm cao, được chế tạo từ sự sắp xếp một cách ngẫu nhiên các sợi trong cấu trúc phẳng hai chiều, rồi xử lý liên kết bằng phương pháp nhiệt, hóa, cơ Loại V không dệt này có khả năng chịu cường độ đẳng hướng rất tốt. ặc trưng của loại này là Fiberlex ( an- Mạch), Polyfelt (Úc), Terrafic (Canada), Sodoca, Bidium (Pháp). Ngoài ra
5 còn có nhiều loại V không dệt khác như ART, VNT, PH, HD của Việt Nam, TS - Polyfelt của Malaysia… Bảng 1.2 phụ lục 1 giới thiệu một số tính chất loại V không dệt. 1.1.1.3 Một số tiêu chí đánh giá VĐKT V là loại vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng: dân dụng, công nghiệp, cầu, đường, đê, đập… ác tính chất cơ lý của loại vật liệu này đã được nghiên cứu và hoàn thiện khá đầy đủ trên thế giới và Việt Nam V có nhiều chỉ tiêu cơ lý, tuy nhiên tùy thuộc vào mục đích sử dụng ở một kết cấu cụ thể mà ta chỉ cần xem xét một hoặc một số tiêu chí chính để lựa chọn tính toán V phù hợp với công trình xây dựng. Phụ lục 1: Bảng 1.3 giới thiệu chỉ tiêu cơ lý chính theo ứng dụng của V ; Bảng 1.4 giới thiệu thông số kỹ thuật vải không dệt polyfelt TS; Bảng 1.5 và bảng 1.6 giới thiệu loại V không dệt HD – Việt Nam [50]. 1.1.1.4 Các chức năng của VĐKT [13], [14], [27], [31], [34], [35], [36], [38], [44], [56], [58], [61], [62], [63], [66], [68] 1. Làm lớp phân cách giữa các lớp vật liệu với nhau (separation) V được làm lớp ngăn cách giữa lớp đệm cát và lớp bùn bên dưới, ngăn cách giữa lớp móng dưới (subbase) và lớp đáy áo đường đắp bằng cát bên trên. Sử dụng V trong trường hợp này nhằm tránh tình trạng sau khi đào bỏ một phần đất yếu thay bằng cát, cát sẽ chìm xuống đất yếu (bùn sét) và đất vẫn sẽ trồi lên lẫn vào cát. Lớp “cát – bùn” mới hình thành không thể lu chặt được, làm mất tác dụng của lớp đệm cát ũng tương tự như vậy khi thi công cấp phối đá dăm trên lớp bề mặt đường đắp bằng cát phải có một lớp V ngăn cách để không cho các hạt cấp phối đá dăm chui xuống cát và cát hạt cát không trồi lên đá dăm Và như vậy chúng ta mới thi công được cấp phối đá dăm đạt Kyc = 98%.
6 Hình 1.2 Mái dốc Bukit Panggal Mosque, Hình 1.3 Tường chắn Arca Budaya, Kuala Tutong, Brunei. VĐKT chức năng ngăn Lumpur,Malaysia. VĐKT làm lớp phân cách giữa bụi đá và đất bên trên trồng cây cách hạt sét mềm ra khỏi mặt dốc [61] [61] 2. Chức năng gia cường đất yếu (reinforcement) ối với nền đắp cao trên nền đất yếu, khi đạt đến một độ cao nào đó nền sẽ bị trượt trồi – trượt toàn khối, trượt cục bộ mái taluy. ể chống lại sự phá hỏng đó, người ta sử dụng V để gia cố bằng cách đào bỏ một phần đất yếu rồi rải V , đắp cát lên trên, rồi rải tiếp lớp V tiếp theo… V gia cường còn được sử dụng trong trường hợp nền đất không yếu nhưng nền cần đắp cao. Việc tính toán gia cường V bao nhiêu lớp, khoảng cách… được tính toán thiết kế đảm bảo an toàn. Hình 1.4 Đường đê Punarbhava, West Bengal, Hình 1.5 Gia cường nền nhà ở dân dụng Ấn Độ. VĐKT gia cường ổn định nền [61] 3. V làm cốt tường chắn đất (tường chắn cốt mềm) Trên thế giới, để tăng khả năng đắp đất cho tường chắn có chiều cao lớn, hoặc độ dốc đứng đến 900, người ta đã sử dụng V xây dựng nhiều tường chắn vừa đạt yêu cầu về chiều cao đắp tường, độ bền sử dụng và tạo cảnh quan thẩm mỹ nhưng giá thành rẻ hơn từ 25% đến một nửa so với tường bêtông cốt thép [14], [19], [34], [44], [45]
7 Hình 1.6 VĐKT làm tường chắn, Thị trấn Hình 1.7 VĐKT với chức năng làm cốt Khánh Dương, Tỉnh Cam Túc, TQ [58] tường chắn đất 4. Chức năng lọc, thoát nước sau lưng tường chắn (drainage) Thoát nước sau lưng tường chắn đất hoặc một hệ thống thoát nước ngầm trong những công trình đất đắp về giao thông, thủy lợi… trước đây người ta dùng vật liệu hạt làm tầng lọc ngược – với một cấp phối vật liệu nhất định. Tuy nhiên hiệu quả của tầng lọc ngược không đạt yêu cầu sau một thời gian sử dụng do các hạt bụi, sét bám, lấp kín tầng lọc ngược làm giảm hoặc mất khả năng thoát nước của tầng lọc ngược. ể thay thế tầng lọc ngược này, người ta đã sử dụng V với chức năng lọc, thoát nước đạt yêu cầu và hiệu quả sử dụng cao hơn Lần đầu tiên ở Việt Nam, chức năng này đã được dùng ở tường chắn đất của đường dẫn lên cầu Tân Thịnh trên QL1 từ Hà Nội đi Lạng ơn Hình 1.8 Tường chắn Novotel Hotel, Patong, Hình 1.9 Chức năng tiêu, thoát nước Phuket, Thailand. VĐKT lọc, được quấn công trình đường cao tốc Nam quanh ống thu nước đáy tường chắn [61] Carolina, Hoa Kỳ [56] 5. V với chức năng vật liệu thấm hạ mực nước ngầm Người ta sử dụng V bao lấy vật liệu đá dăm cỡ nhỏ để thoát nước, bao lấy ống thoát nước ngầm trước khi đắp cát, bao bọc lấy vật liệu đá dăm khi không có ống thoát nước, bao lấy vật liệu đá dăm có dạng cắt ngang hình
8 thang hở không có ống thoát nước, làm chức năng lớp thấm nước để hạ mực nước ngầm. Hình 1.10 VĐKT sử dụng ở hào bố trí Hình 1.11 VĐKT sử dụng với chức ống dẫn nước (Australia) năng vật liệu thấm (Quốc đảo Solomon) 6. Bảo vệ, chống xói mòn nền đường đắp, đê biển và xói ta luy mái hồ đập V được sử dụng với chức năng chống xói mòn [31], bảo vệ mái dốc không bị xói lở làm hư hỏng nền đường, các rãnh dọc hai bên đường, chống xói mòn mái dốc nền đường, đê, đập, đáy các kênh đào, các khu lấp đất lấn biển, nền đường đắp ven sông hồ, mái dốc khu vực thượng, hạ lưu sông, đặc biệt là đoạn qua chỗ thu hẹp lòng sông lưu vực cầu… ví dụ như chống xói ở thượng và hạ lưu của các cầu: cầu hù ổng (qua sông uống), cầu Như Nguyệt (qua sông Cầu), cầu Sương iang (qua sông hương) trên QL1 đoạn Hà Nội – Lạng ơn do công ty ư vấn Thiết kế PCI Nhật Bản thiết kế (1998). 7. V làm ống địa kỹ thuật (nhóm SI Geosolution) [35] Ống địa kỹ thuật được sử dụng rất đa dạng với nhiều hình thức khác nhau: người ta lấy V may thành ống rồi bơm đầy cát vào, xếp thành bờ bảo vệ chống xói mòn bờ đê, các công trình chạy dọc bờ biển. Ống địa kỹ thuật cũng được dùng trong xử lý nạo vét lòng sông, biển. Ngoài ra ống địa kỹ thuật cũng được dùng để rút nước từ bùn. Ống địa kỹ thuật và hệ thống ngăn giữ là một giải pháp có tính kinh tế cao, có thể xử lý những vấn đề liên quan đến môi trường sinh thái ô nhiễm, chất thải từ nhà máy, xí nghiệp, các chất thải từ nông nghiệp, công nghiệp, ao, hồ …