intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu về ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:24

95
lượt xem
22
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án hướng tới xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng; đánh giá sự thay đổi trạng thái ứng suất-biến dạng khi gia cố, đồng thời giúp người kỹ sư dễ dàng thiết kế xử lý đất yếu nền đường bằng cọc đất xi măng đảm bảo yêu cầu độ bền trượt và độ lún cho phép.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu về ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng

  1. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Equation Chapter 1 Section 1Gia cố  nền đất yếu bằng cọc đất   xi măng đã được nghiên cứu áp dụng  ở  nhiều nước trên thế  giới.   Tại Việt Nam, công nghệ này cũng được nghiên cứu áp dụng ngày   càng phổ biến, song chúng ta còn gặp những khó khăn nhất định:  ­ Các tiêu chuẩn áp dụng trong nước còn thiếu (đặc biệt cho xử  lý đất yếu nền đường ô tô, sân bay) hoặc có nhưng ở mức chỉ dẫn   cơ bản và chủ yếu vẫn dựa vào các nguồn tài liệu nước ngoài như  của các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, ...v.v; ­ Mặc dù công nghệ gia cố ngày càng phát triển, nhưng do phụ  thuộc nhiều yếu tố, nên cường độ  cọc thi công vẫn rất phân tán,  do đó các nước thường đưa ra chỉ dẫn áp dụng cho công trình gia   cố cụ thể và thông qua thí nghiệm, các công thức thực nghiệm để  xác định các giá trị giới hạn mà chưa phân tích kỹ cơ chế biến đổi   ứng suất và độ bền dẫn đến phá hoại ­ biến dạng, đồng thời hình  thành nhiều quan điểm tính khác nhau khó áp dụng. Mặt khác, khi  áp dụng các công thức thực nghiệm này trong điều kiện Việt Nam  thì vẫn có những sai khác lớn.  Từ thực trạng gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng và trên  cơ  sở  đi sâu tìm hiểu lý thuyết cơ  học đất, luận án NC về   ứng  suất, ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc   đất xi măng. Thông qua đó đánh giá được diễn biến thay đổi trạng  thái ứng suất ­ chuyển vị bề mặt của nền đất trước và sau khi gia   cố, góp phần bổ sung vào các tài liệu, các tiêu chuẩn hiện hành để  thuận lợi hơn trong NC tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất  xi măng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
  2. 2 Xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất,  ứng  suất giới hạn và chuyển vị  của nền đất gia cố  bằng cọc đất xi  măng. Vận dụng NC, đánh giá sự  thay đổi trạng thái  ứng suất ­   biến dạng khi gia cố, đồng thời giúp người kỹ sư dễ dàng thiết kế  xử lý đất yếu nền đường bằng cọc đất xi măng đảm bảo yêu cầu  độ bền trượt và độ lún cho phép. 3. Đối tượng nghiên cứu của luận án Nghiên cứu nền đất yếu gia cố bằng cọc đất xi măng chịu tác   dụng của tải trọng thẳng đứng công trình giao thông. 4. Phạm vi nghiên cứu của luận án Nghiên   cứu  trạng   thái   ứng   suất,   ứng   suất   giới   hạn   và   biến  dạng (chuyển vị bề mặt) của nền hỗn hợp dưới nền đường đắp.  5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực tiễn gia cố  kết hợp với lý thuyết cơ học đất  để xây dựng mô hình bài toán lý thuyết, sử dụng các phương pháp  SPHH và phương pháp PTHH để  giải, lập trình bằng ngôn ngữ  Matlab. Kết quả  bài toán được kiểm chứng độ  tin cậy theo bài   toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm hiện trường. Vận dụng khảo   sát BT. 6. Nội dung bố cục của luận án Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan về  gia cố  nền đất yếu bằng cọc đất xi   măng Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất của nền đất gia cố   bằng cọc đất xi măng Chương 3: Nghiên cứu cường độ giới hạn của nền đất gia cố   bằng cọc đất xi măng Chương 4: Nghiên cứu chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc   đất xi măng Kết luận và kiến nghị Danh mục các công trình khoa học đã công bố: Liệt kê 6 bài  báo  được  đăng  trên  Tạp  chí   Cầu  đường   Việt   Nam   và   Tạp  chí  GTVT.
  3. 3 Tài liệu tham khảo: Liệt kê 54 tài liệu tiếng Việt, 10 tài liệu  tiếng Anh, 1 tài liệu tiếng Nga để hoàn thành luận án. Phụ lục: Gồm 14 phụ lục trình bày các chương trình tính toán,  các bảng biểu tính chất cơ học của đất và các số liệu kết quả  thí   nghiệm hiện trường trong khuôn khổ luận án. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG Equation Chapter 1 Section 1Equation Chapter 1 Section 1 Luận  án trình bày đặc điểm và phân bố đất yếu nói chung  ở Việt Nam,   các biện pháp chung xử lý đất yếu hiện nay. Trình bày phương pháp gia cố  nền đất yếu bằng cọc đất xi  măng: phân tích công nghệ trộn sâu, tình hình nghiên cứu cũng như  ứng dụng phát triển công nghệ  này trên thế  giới và tại Việt Nam,   quá trình hình thành cọc đất xi măng. Đặc biệt, luận án đi sâu tìm  hiểu các nghiên cứu tính toán về  cọc đất xi măng trong và ngoài   nước, như các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, ...v.v từ đó   rút ra các kết luận: ­ Trải dài từ  Bắc vào Nam, tại các khu vực xây dựng hạ  tầng  có nhiều loại đất yếu khác nhau. Trong đó, tồn tại khá phổ  biến  loại đất yếu là bùn sét, sét yếu, …v.v có tầng đất yếu nằm sâu,   khả  năng thấm nước rất kém, có tính dẻo và tính dễ  kết hợp với   các loại vật liệu dính kết (xi măng, vôi) tạo ra vật liệu mới, thì  trong nhiều trường hợp, gia cố bằng cọc đất xi măng được cho là   kinh tế kỹ thuật hơn các giải pháp xử lý khác.  ­ Mặc dù công nghệ gia cố nền đất bằng cọc đất xi măng ngày   càng được hoàn thiện, nhưng quá trình hình thành cọc đất xi măng  là quá trình lý hóa phức tạp và phụ  thuộc vào nhiều yếu tố, nên  cọc đất xi măng tạo ra có tính chất cơ lý và cường độ phân tán, do   đó trong tính toán hiện nay thường phải làm thực nghiệm, hoặc áp  dụng công thức kinh nghiệm đi kèm theo là nhiều quan điểm tính   khác nhau. Qua phân tích, thấy rằng phương pháp tính kết hợp  “nền cọc” phản ánh gần nhất tính chất chịu lực của hệ nền ­ cọc. Tuy nhiên,  ở  phương pháp chưa thấy rõ tính chất vật liệu phá   hoại, chưa đánh giá sự  phân bố   ứng suất ­ độ  bền khi đến giới  hạn, mà chỉ  giả  định các mặt trượt đơn giản hóa (trượt đất xung 
  4. 4 quanh cọc, trượt trụ tròn, ...v.v) để xác định sức chịu tải, dẫn đến  có nhiều công thức thực nghiệm khác nhau khó áp dụng. Dự  tính  chuyển vị  (lún) của hệ  nền ­ cọc khi quy đổi về  nền đồng nhất,  tuy vậy các quan điểm cũng rất khác nhau khi xác định mô đun đàn   hồi (biến dạng) của nền đất và của cọc. Từ   các   vấn   đề   nêu   trên,   hướng   nghiên   cứu   của   luận   án   là  nghiên cứu về  trạng thái  ứng suất (chương 2),  ứng suất giới hạn   (chương 3) và chuyển vị (chương 4) của nền đất gia cố bằng cọc   đất xi măng.  Chương 2 NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 2.1. Cơ  sở  lý thuyết nghiên cứu  ứng suất của nền đất gia cố  bằng cọc đất xi măng Để  xác định trạng thái  ứng suất của nền  đất trong bài toán  phẳng, dựa vào 2 phương trình cân bằng tĩnh học:                                                                (2.1) (trong đó:  , , ­  các thành phần  ứng suất tại một điểm;  γ  ­ trọng   lượng thể  tích của đất) và phải giả  thiết đất là vật liệu đàn hồi   (thỏa mãn điều kiện liên tục biến dạng). Đối với phần lớn các bài  toán thực tế  là khá phức tạp, nên thường sử  dụng phương pháp   giải gần đúng ­ giảm nhẹ  điều kiện liên tục biến dạng. Phương  pháp này được xây dựng trực tiếp từ  nguyên lý biến phân, theo   nguyên lý này dạng cân bằng thực của vật thể khác với dạng khả  dĩ của nó  ở  chỗ  trong trường hợp thực, năng lượng của hệ có giá   trị cực tiểu (nguyên lý Castigliano).                            (2.2) trong đó: E ­ mô đun đàn hồi; ν ­ hệ số Poisson;  Ω ­ miền lấy tích   phân của nền đất. Thực tế, nền đất gia cố là vật liệu có cấu tạo rất phức tạp. Từ  các nghiên cứu thực tiễn gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng   tại Nhật Bản, Thụy Điển, Việt Nam …v.v, cho thấy nền gia cố  tuy có cường độ  cao hơn nhiều so với nền đất tự  nhiên, nhưng  nhìn chung cường độ thấp hơn nhiều so với “cọc cứng” (đặc biệt   với lượng xi măng sử dụng dưới 300 kg/m 3 đất), tính chất chịu lực  của cọc khá tương đồng với nền đất. Do đó, trong nghiên cứu có 
  5. 5 thể xem cọc chỉ chịu nén như nền đất dưới tác dụng của tải trọng   thẳng đứng. Khi xem hệ  nền ­ cọc là vật liệu chịu nén, áp lực do tải trọng   bản thân trong nền phân bố dưới dạng thủy tĩnh, thì dạng dễ  mất   ổn định nhất là bị  trượt do  ứng suất cắt  τ  gây ra (thay đổi hình  dạng mà không thay đổi thể tích khi phá hoại). Vì vậy, tác giả vận   dụng phân tích  ổn định trượt cắt theo  cực tiểu của  ứng suất tiếp   lớn nhất của các điểm trong nền  đất  (viết tắt là min τmax), để  nghiên cứu xác định trạng thái  ứng suất của hệ  nền gia cố  bằng  cọc đất xi măng (còn gọi là hệ nền ­ cọc).  Từ điều kiện min τmax này, kết hợp với ràng buộc (2.1), có được   hệ  phương trình xác định trạng thái  ứng suất của hệ  nền gia cố  (bài toán phẳng):                                                                     (2.3) trong đó: ­ ký hiệu ngắn gọn của toán tử Laplace. 2.2.  Xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái  ứng suất   của nền đất gia cố  bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của  ứng suất tiếp lớn nhất Bài toán nửa mặt phẳng vô hạn (hình 2.1) có mặt thoáng nằm  ngang chứa hệ nền ­ cọc, trong đó: + Nền đất yếu  có lực dính đơn vị  Hình 2.1. Bài toán xác định trạng thái ứng suất  cs, góc ma sát trong  của hệ nền gia cố cọc đơn φs và trọng lượng  thể tích γs. Gia cố  bằng cọc đất xi  măng đường kính  Dc, chiều dài cọc  Lc, lực dính đơn vị  cc, góc ma sát trong  φc, trọng lượng  thể tích γc. + Tải trọng tác dụng xuống hệ nền ­ cọc thông qua lớp đất đệm trên   đầu cọc là tải trọng thẳng đứng có cường độ  p, phân bố  trên bề  rộng b   (đất đắp công trình giao thông).  Xem giới hạn bền khi trượt là độc lập và phụ  thuộc chủ  yếu   vào ứng suất tiếp, trạng thái ứng suất của hệ nền ­ cọc được xác  định từ hàm mục tiêu: 
  6. 6                                                                                                 (2.4)  trong đó:  Ω ­ miền lấy tích phân của hệ nền ­ cọc;  Ωc, Ωs ­ miền  lấy tích phân của cọc,  đất xung quanh cọc trong hệ  nền ­ cọc   tương ứng;  ­  ứng suất pháp nén,  ứng suất tiếp của cọc (c), của đất (s) xung  quanh cọc tương ứng; G, Gc, Gs ­ lần lượt là mô đun trượt của hệ  nền ­ cọc, của cọc và đất xung quanh cọc tương ứng. Bài toán quy hoạch phi tuyến với hàm mục tiêu (2.4) phải đồng   thời thỏa mãn các ràng buộc (2.1), điều kiện bền Mohr ­ Coulomb:     (2.5) và thỏa mãn: điều kiện hệ  nền ­ cọc chỉ chịu nén, điều kiện biên  ứng suất của hệ nền ­ cọc. 2.3. Giải bài toán bằng phương pháp sai phân hữu hạn Sử dụng phương  pháp sai phân hữu  Hình 2.2. Sơ đồ chia lưới sai phân  hạn để giải bài toán  hệ nền ­ cọc đơn (sơ đồ chia lưới sai  phân hình 2.2). Tác giả lập trình  trên ngôn ngữ Matlab  chương trình HU1,  xác định được trạng  thái ứng suất và giá  trị bền f(k) tại các  điểm nút lưới trong  hệ nền ­ cọc.  2.4. Khảo sát kiểm nghiệm bài toán Đánh giá  ảnh hưởng của kích thước ô lưới sai phân, đánh giá  sự thay đổi ứng suất ­ độ bền của nền đất tự nhiên theo chiều sâu.  Bài toán cho kết quả tính toán  ổn định và hội tụ với kích thước ô   lưới ≤1m. 2.5. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đơn đất xi măng Thông qua các bài toán 2.2 đến 2.4, khảo sát sự  thay đổi  ứng  suất, độ bền các trường hợp. ­ Trường hợp nền đất tự nhiên chưa được gia cố; ­ Trường hợp nền đất được gia cố bằng cọc đất xi măng;
  7. 7 0 1 Usx 7 -2-3 85 1 2 -7 -7 Usz 7 -3 5 -2 8 2 Usxz 7 3 -7 -7 -4-429 f(k ) 3 f(k ) 4 -2 1 -2 1 4 5 -1 4 -1 4 -1 4 -1 4 -5 6 5 6 -3-258 -4 9 -3 5 -4 2 -6 3 T ru c z (-1 ) (m ) 7 T ru c z (m ) 6 -7 0-7 7 Tru d at x i m an g -5 6 -2 8 8 -4 2-6 3 7 -4 9 -2 1 -2 1 -2 1 -2 1 8 9 9 10 10 11 11 12 -2 8 -2 8 -2 8 12 13 -1 0 0 -8 0 -6 0 -40 -20 0 20 40 60 80 1 00 120 1 40 160 1 80 2 00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Tru c x (k P a ) T ru c x (d u o n g t ru c ) Hình 2.3a. σx, σz, τxz, f(k) tại các điểm trên  Hình 2.3b. Đồ thị đường đồng mức  trục tim hệ nền ­ cọc theo chiều sâu bền f(k) của hệ nền ­ cọc ­ Trường hợp gia cố nền bằng cọc đất xi măng có các chỉ  tiêu cơ  lý   khác nhau; ­ Trường hợp gia cố nền bằng cọc đất xi măng có kích thước   hình học khác nhau. Từ các kết quả trên, thấy rằng nền đất gia cố được chia thành  hai vùng bền theo chiều sâu: Vùng 1 dọc theo chiều dài cọc z ≤ Lc Độ bền cắt của hệ nền gia cố tăng tuyến tính theo tính theo độ  bền cắt của cọc cc ,φc. Quan sát đồ  thị  đường đồng mức bền f(k)   trên hình 2.3b, cho thấy trong vùng bề rộng 2D c xung quanh cọc thì  các đường đồng mức sít nhau và có giá trị  nhỏ  hơn không, càng   gần vào tâm cọc hoặc càng xuống sâu thì f(k) càng giảm.  Khảo sát định lượng giá trị bền theo chiều sâu, thấy z≤1,25b là  vùng kém bền khi chưa gia cố, nhưng khi gia cố thì độ  bền vùng  này tăng khá  nhanh, đặc biệt là tại điểm z=0,5b.  Vùng 2 dưới mũi cọc z > Lc Ứng suất nén vẫn tăng dần theo chiều sâu và ứng suất cắt bằng  không, độ  bền của hệ  nền ­ cọc do đất dưới mũi cọc đảm nhận   nên giảm so với vùng 1, tuy nhiên vẫn thể hiện được bản chất của  đất ổn định dần theo chiều sâu. Tóm lại, khi gia cố nền đất yếu bằng cọc đơn đất xi măng thì   hình thành một vùng nền ­ cọc bền có bề  rộng 2Dc và có độ  bền   tăng dần theo chiều sâu của cọc gia cố Lc. Một số vấn đề khi lựa chọn chiều dài cọc đất xi măng đảm   bảo độ bền:
  8. 8 Thông qua khảo sát  ảnh hưởng của bề  rộng đặt tải trước và   sau khi gia cố  đến  ứng suất (độ  bền cắt) của các điểm trong hệ  nền gia cố (hình 2.4) 0 1 2 3 4 b=7,6m Chieu sau z (m) b=2,4m 5 b=1,6m 6 b=0,8m Chua gia co 7 8 9 10 11 12 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Do ben f(k) (kPa) Hình 2.4. Độ bền f(k) theo chiều sâu của các điểm trên trục tim  nền đất trước và sau khi gia cố với bề rộng đặt tải khác nhau cho thấy, độ bền tại một điểm giảm khi tải trọng tác dụng trên một bề  rộng b nhỏ hơn. Đồng thời thấy rằng vùng kém bền chung (vùng xáo trộn   ứng suất) có chiều sâu z≤3m, trong đó z≤1m là vùng có độ bền nhỏ nhất.  Khi sử dụng cọc đất xi măng tạo ra vùng tăng bền theo chiều sâu cọc, vì   vậy để đáp ứng yêu cầu tăng bền ở những vị trí kém bền trên thì cọc đất  xi măng phải đi qua những vị trí đó, do đó chiều dài cọc đất xi măng tối  thiểu phải đạt Lc=3m (nền đường ô tô), Lc=6m (nền đường sân bay ­ theo  yêu cầu không còn đất yếu trong khu vực tác dụng của nền đường từ TC  thiết kế  nền đường sân bay XNiP 2­05­08­85 và XNiP 32­03­1996 của  Liên Xô cũ).  2.6. Gia cố nền đất yếu bằng nhóm cọc đất xi măng Tương tự  như  bài toán gia cố  nền đất yếu bằng cọc đơn, tác   giả  xây dựng bài toán phẳng xác định trạng thái  ứng suất của hệ  nền ­ nhóm cọc đất xi măng từ  phương trình hàm mục tiêu (2.4),  các điều kiện ràng buộc (2.1), (2.5) và các điều kiện  ứng suất,   điều kiện biên khác. Giải bài toán bằng phương pháp sai phân hữu  hạn. Theo  chiều  x  kích  thước  ô  lưới   cọc  2Δxc,  đất   xen  kẽ   2Δxs,  khoảng cách giữa các cọc: S=2(Δxc+Δxs); theo chiều z, kích thước  ô lưới  Δz (hình 2.5). Tác giả  lập trình bằng phần mềm Matlab   (HU2). 
  9. 9 Hình 2.5. Sơ đồ chia lưới sai phân bài toán hệ nền ­ nhóm 6 cọc Thông qua bài toán, khảo sát  đánh giá  ảnh hưởng hiệu  ứng của các  cột tăng bền tồn tại xung quanh mỗi cọc khi gia cố bằng nhóm cọc (hình   2.6). 1 -48 -4 8 -4 0 -4 0 -4 0 -4 0 -4 0 -40 -3 2 -3 2 -3 2 -3 2 -32 -32 f(k) -1 6 -8 -8 -8 -8 -8 -8 -8 2 -4 8 -4 8 -4 0 -4 0 -4 0 -4 0 -4 0 -4 0 -2 6 -3 24 -3 24 -3 24 -3 24 -1 6 -3 24 -1 6 -1 6 -3 2 -1 -2 -2 -2 -2 3 -1 6 -1 6 -4 86 -4 8 6 -4-58 6 -4-586 -5 4 -5 4 -5 66 4 -5 66 4 -6 -6 -6 4 - - -6 4 4 5 -24 -24 -24 -24 -24 -2 4 -24 -4 8 -4 8 6 -4 8 -4 8 -7 2 -7 2 -7 2 -7 2 -7 2 -7 2 7 Truc z (-1)m -48 -48 -40 -4 -40 -40 -40 -40 -32 -32 -3 2 -32 -32 -32 -56 -56 -56 -56 -48 -48 -56 -56 0 8 -3-40 -4 0 -8 0 -8 0 -8 0 -8-986 -8-986 -8-986 -8-98 6 -8-98 6 -8-986 -8 0 -40 -40 -40 -40 -8 0 -8 0 2 -32 -32 -32 -32 -32 -72 -72 -72 -72 -72 -72 -8 0 -8 0 -8 0 -8 0 -5 0 -5 0 -468 -4 8 9 -4 8 -4 8 6 6 -6 -6 4 -6 4 -6 4 -6 4 -6 4 -6 4 -6 4 -6 -6 6 -6 4-5 -6 4-5 -8 -8 6 6 -5 -5 4 4 4 10 -3 2 -32 -3 2 11 12 13 14 -4 0 -40 -40 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Truc x Hình 2.6. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền ­ nhóm cọc Ảnh hưởng đáng kể nhất so với trường hợp chỉ có cọc đơn là làm tăng   độ bền cắt của cột đất giữa các cọc theo chiều sâu. Tuy nhiên, do có áp  lực tập trung lớn  ở độ  sâu z≤1,25b, làm giảm độ  bền của nền đất giữa  các cọc  ở chiều sâu này, vì vậy khi gia cố  cần chú ý bố  trí khoảng cách  hợp lý giữa các cọc (Sc=2Dc) sao cho cải thiện được độ  bền của vùng  này. 2.7. Kết luận chương ­ Có nhiều điểm chung trong điều kiện hình thành cường độ,   tính chất vật liệu, điều kiện phân bố  chịu lực theo chiều sâu và   trong điều kiện ổn định …v.v của cọc đất xi măng so với nền đất,   cho phép tác giả  xem nền gia cố là vật liệu chịu nén và vận dụng  
  10. 10 phân tích độ bền trượt (min τmax) để nghiên cứu trạng thái ứng suất  độ bền của hệ nền gia cố. ­ Xem nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng là vật liệu chịu nén  dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng, trạng thái ứng suất ­ độ  bền của hệ được xác định từ bài toán quy hoạch phi tuyến tìm cực  trị  (2.4) thỏa mãn các điều kiện ràng buộc (2.1), điều kiện bền  Mohr – Coulomb (2.5).  ­ Sử  dụng phương pháp sai phân hữu hạn để  giải bài toán và  lập trình Matlab để viết các chương trình HU1, HU2 xác định trạng  thái  ứng suất, độ  bền của hệ  nền gia cố  cọc  đơn đất xi măng  (nhóm cọc) trong nửa mặt phẳng vô hạn. Với cách giải này, bài  toán không những xét được tải trọng bản thân của cọc, đất, kích  thước cọc mà còn xét điều kiện biên mở rộng xung quanh hệ nền ­   cọc, cũng như đảm bảo điều kiện tương tác giữa nền đất và cọc. ­ Lời giải số của bài toán xác định trạng thái ứng suất của nền  đất tự nhiên chịu tải trọng bản thân có nghiệm σx≈σz≈γ.z,  τxz≈0,  độ  bền f(k)
  11. 11 ­ Khảo sát hiệu quả  tăng bền khi gia cố bằng nhóm cọc, thấy   khi các cột tăng bền ép sít nhau (tức là khoảng cách giữa các cọc  Sc=2Dc) thì cải thiện được độ bền trượt tối thiểu của đất yếu giữa   các cọc đất xi măng. Chương 3 NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ GIỚI HẠN  CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 3.1. Xây dựng và giải bài toán xác định cường độ giới hạn của  nền đất gia cố  bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của  ứng   suất tiếp lớn nhất 3.1.1. Cơ sở xây dựng bài toán  Để  xác định cường độ giới hạn của nền đất hiện nay, (1) xem  đất phá hoại đàn dẻo, sử dụng hai phương trình cân bằng (2.1) và   điều kiện chảy dẻo Mohr­ Coulomb (2.5) thì xác định được  giới   hạn đàn hồi (với khống chế  chặt chẽ  về  lý thuyết khi xem trong  đất xuất hiện điểm chảy dẻo đầu tiên, nhưng nhìn nhận từ  thực   tế  cho thấy khi trong nền đất có một hoặc nhiều điểm chảy dẻo  cục bộ  thì công trình phía trên vẫn làm việc bình thường); hoặc   giới hạn đàn dẻo (khi cho phép các điểm biến dạng dẻo phát triển  thành miền, nhưng vì lời giải không xét đến sự  phân bố  lại  ứng   suất trong miền  đàn hồi mà chỉ  công nhận vòng tròn Mohr cắt  đường giới hạn và lớn mãi khi tải trọng ngoài tăng lên, nên gặp sai   số  lớn khi kích thước vùng biến dạng dẻo càng lớn). (2) xem  đất  không phải là vật liệu đàn hồi, nên hiện nay thường sử  dụng lý  thuyết   cân  bằng  giới   hạn  để   giải   hệ   phương  trình  (2.1),   (2.5),   trong đó cho phép áp dụng phương pháp phân tích giới hạn để xác  định cường độ  giới hạn của nền đất (Prandtl là người đầu tiên  giải bài toán trên bằng giải tích). Đất  ứng xử  theo điều kiện cân  bằng giới hạn có ưu điểm nổi trội so với phương pháp đàn dẻo là  xác định được hình dạng các mặt trượt và tìm được tải trọng giới   hạn. Hạn chế của phương pháp: thứ  nhất là không xác định được  trạng thái  ứng suất tại những  điểm chưa chảy dẻo (không xác  định được trạng thái  ứng suất cho toàn khối đất), vì tại miền đó   chỉ  có hai phương trình cân bằng  ứng suất (ba  ẩn) nên không xác   định;  thứ   2,phương   pháp   phân   tích   giới   hạn   này   chưa   phải   là 
  12. 12 phương pháp đúng đắn khi xét đối với vật liệu đàn dẻo lý tưởng,   vì theo Shield, A.Verruijt, …v.v, khi biến dạng dẻo theo điều kiện   chảy dẻo Mohr­ Coulomb làm cho vật liệu bị  thay  đổi thể  tích   (θ≠0). Trong thực tế nghiên cứu, tính toán các mẫu đất trong phòng thí   nghiệm hoặc các thí nghiệm tấm ép  ở  ngoài hiện trường, có thể  xem đất là vật liệu đàn dẻo lý tưởng tuân theo điều kiện chảy dẻo   Mohr – Coulomb. Để giảm thiểu các hạn chế trên đối với bài toán  giới hạn theo vật liệu chịu nén đàn dẻo lý tưởng, đồng thời xác  định được trạng thái  ứng suất dẻo ­ bền cho toàn hệ,  sử  dụng   phương pháp phân tích giới hạn kết hợp với bài toán  ứng suất   (chương 2) xác định được trạng thái ứng suất giới hạn của hệ nền   ­ cọc mà không làm biến đổi thể tích (θ=0).                           (3.1) 3.1.2. Xây dựng và giải bài toán  xác định cường độ  giới hạn  của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Theo phương pháp phân tích giới hạn, cường độ  lực ngoài lớn  nhất (viết tắt là max p) làm cho hệ chảy dẻo là cường độ giới hạn   của hệ  nền gia cố  (giới hạn dưới) phải đồng thời thỏa mãn các  điều kiện ràng buộc: min τmax (2.4), điều kiện cân bằng  ứng suất  (2.1),   điều   kiện   chảy   dẻo   Mohr­Coulomb   (2.5),   điều   kiện   mọi  điểm trong hệ  nền ­ cọc đều có khả  năng chảy dẻo và thỏa mãn  các điều kiện khác tương tự như bài toán HU1 (điều kiện hệ nền ­   cọc chỉ chịu nén và các điều kiện biên ứng suất).  Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải, sơ đồ chia và   bố  trí ô lưới sai phân tương tự  như  bài toán HU1. Viết chương  trình HU3 bằng phần mềm Matlab, xác định trạng thái  ứng suất   giới hạn của hệ nền gia cố. 3.2. Kiểm chứng kết quả lý thuyết ­ thực nghiệm của bài toán 3.2.1. Khảo sát, đánh giá, lựa chọn kích thước ô lưới sai phân  của bài toán xác định cường độ giới hạn của nền đất tự nhiên
  13. 13 Thay đổi tổng  78 số điểm nút lưới  Pgh theo (ptx.ptz) (ptx.ptz) hoặc  76 thay đổi kích  Tai trong gioi han Pgh (kPa) thước ô lưới sai  phân (Δxs, Δxc, Δz)  74 thì giá trị giới hạn  ít thay đổi, pgh lần  72 sau so với lần  trước đều xấp xỉ  70 150 200 250 300 350 nhau (giảm đều  Tong so diem nut luoi (ptx.ptz)
  14. 14 giới  hạn làm   thỏa  mãn  điều  kiện chảy dẻo Mohr­Coulomb mà  không gây biến dạng thể tích. 3.2.4. Khảo sát, đánh giá bài toán xác định tải trọng giới hạn  của nền đất gia cố bằng cọc đơn đất xi măng với một số kết   quả thực nghiệm ­ Trong TCVN 9403 có khuyến nghị  tham khảo một số  công   thức thực nghiệm để đánh giá sức chịu tải, trong đó có đề cập đến   công thức tính của Broms, mặt khác điều kiện tính của công thức  này là khá sát với bài toán. Thông qua khảo sát số, tác giả  so sánh   đối chiếu với công thức thực nghiệm này, cho thấy bài toán xây  dựng có kết quả là sát công thức thực nghiệm (sai số nhỏ hơn 2%)   và là bài toán tổng quát.  ­ Để  thấy được tính thực tiễn cũng như  phạm vi áp dụng của   bài toán, tác giả  khảo sát so sánh với kết quả  thí nghiệm nén phá  hoại (theo TCXDVN 269:2002)  gia cố  nền bằng cọc đất xi măng  tại tỉnh Cà Mau, sai khác ­7, 49%; đồng thời trực tiếp xác định  được vùng trượt và vùng bền dựa vào f(k).  3.3.  Nghiên   cứu   đánh   giá   cường   độ   giới   hạn   của   nền   đất  trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng ­ Khảo sát Cường độ giới hạn của nền đất tự nhiên  Từ các chỉ  1 0 tiêu cơ lý của  -2 -2 2 0 -4 -4 -2 nền đất tự  -6 -6 3 -2 -6 -6 -4 -4 nhiên, bài toán  4 -4 -4 -4 5 -6 -6 xác định được  Truc z (ptz) 6 vùng ứng suất  7 -6 giới hạn, vùng  8 -6 cân bằng bền,  9 -6 -6 10 -6 -6 -6 đặc biệt là trực  -8 -8 -10 -12 -10 -1 2 -1-80 -14 -14 -1 4 -12 11 tiếp xác định  12 2 4 6 8 10 12 14 16 18 được tải trọng  Truc x (ptx) giới hạn của  Hình 3.2. Đường đồng mức bền và chảy dẻo  nền đất tự  nhiên.
  15. 15 ­ Khảo sát ứng suất, độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng   khi đạt trạng thái giới hạn Thông qua bài  0 usx (s) toán, khảo sát phân  2 usx (c) usz (s) vùng thay đổi ứng  usz (c) 4 usx z(s) usx z(c) suất ­ độ bền của  f(k)(s) Chieu sau z (x 0,4)m 6 f(k)(c) nền gia cố khi đạt  8 đến giới hạn, trong  10 Tru dat x i mang đó vùng biến dạng  12 dẻo phát sinh ngay  dưới điểm đặt tải z  14 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Ung suat, do ben (kP a) ≤ (0,5 ÷ 0,7)b. Hình 3.3. Ứng suất và độ bền theo chiều sâu ­ Khảo sát tải trọng giới hạn của nền đất gia cố  bằng cọc đất xi   măng theo các chỉ  tiêu cơ  lý và theo kích thước hình học của cọc đất xi   măng. 3.4. Kết luận chương  ­ Bài toán giới hạn của nền đất (nền đất gia cố bằng cọc đất xi  măng) hiện nay là chưa xác định đày đủ khi xem hệ này là vật liệu   đàn dẻo lý tưởng tuân theo điều kiện chảy dẻo Mohr ­ Coulomb.   ­ Xem nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng là vật liệu chịu nén  ­   đàn   dẻo   lý   tưởng   và   tuân   theo   điều   kiện   chảy   dẻo   Mohr   ­   Coulomb (2.5), áp dụng phương pháp phân tích giới hạn để  xây  dựng bài toán quy hoạch phi tuyến xác định cường độ giới hạn và  miền chảy dẻo của hệ với các điều kiện ràng buộc: điều kiện min   τmax, điều kiện cân bằng ứng suất (2.1), điều kiện mọi điểm trong  hệ  nền ­ cọc đều có thể  chảy dẻo và các điều kiện biên của hệ  nền ­ cọc.  ­ Sử  dụng lời giải số  là phương pháp sai phân hữu hạn. Dùng  ngôn ngữ lập trình Matlab để viết chương trình HU3 giải bài toán. ­ Lời giải số với kích thước ô lưới sai phân ≤1m cho kết quả  ổn định và hội tụ. Xác định tải trọng giới hạn của nền  đất tự  nhiên không trọng lượng cho kết quả sai khác nhỏ hơn 2,9% so với   lời giải giải tích của Prandtl, cho thấy tính đúng đắn về  mặt lý   thuyết xây dựng và phương pháp giải bài toán. Lời giải xét được   điều kiện không giãn nới thể  tích khi chảy dẻo, nên cho kết quả 
  16. 16 sát thực tế chịu tải hơn trường hợp xem đất là vật liệu đàn dẻo (từ  chương trình HU4).  ­ Lời giải của bài toán được so sánh với công thức thực nghiệm   của Broms, sai số ­0,26 ÷ 1,86%; xác định tải trọng giới hạn của   cọc đất xi măng xử  lý nền đất yếu tại Tỉnh Cà Mau, sai số  nhỏ  hơn ­7,49% so với kết quả nén tĩnh phá hoại cọc đơn. Các kết quả  cho thấy tính đúng đắn và khả  năng  ứng dụng thực tiễn của bài   toán để đánh giá sức chịu tải của cọc đất xi măng hiện nay. ­ Đánh giá diễn biến thay đổi  ứng suất, độ  bền dẫn đến giới   hạn đối với nền đất tự nhiên đồng nhất hoặc nền có hai lớp. Xác   định trực tiếp tải trọng giới hạn của nền đất tự nhiên theo các chỉ  tiêu cơ lý của đất, kết quả này có ý nghĩa thực tiễn trong tính toán   khảo sát thực trạng nền đất hiện nay. ­ Khảo sát đánh giá được tỷ lệ cải thiện sức chịu tải khi gia cố  bằng cọc đất xi măng. Mức cải thiện này tăng gần như tuyến tính   theo độ bền cắt của cọc (cc, φc), trong đó tỷ lệ cải thiện theo cc là  đáng kể khi cọc có độ cứng lớn. ­ Khảo sát phân vùng chảy dẻo và bền của nền gia cố khi đến  giới hạn. Trong đó cho rằng, vùng có chiều sâu z≤(0,5÷0,7)b trong  khu vực xáo trộn là vùng gián đoạn  ứng suất (tại đây dưới điểm  đặt lực nền gia cố  bị  chảy dẻo, vì vậy khi tăng chiều dài cọc   không tăng được sức chịu tải). Để  tăng được sức chịu tải khi tăng  chiều dài cọc thì phải làm tấm đệm hoặc lớp đệm có chiều dày  tối thiểu là 1m để bảo vệ vùng gián đoạn trên. Chương 4 NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 4.1. Cơ  sở xây dựng bài toán xác định chuyển vị  của nền đất  gia cố bằng cọc đất xi măng Trong thực tế  thường thông qua thí nghiệm nén lún hoặc chất  tải để kiểm tra độ lún. Luận án xét với cọc đã hình thành ổn định   các chỉ  tiêu cơ  lý và với mục đích là để  đánh giá mức thay đổi   chuyển vị  bề  mặt (độ  lún) của nền khi gia cố  bằng cọc đất xi   măng so với chưa gia cố, nên tác giả  chỉ xác định  độ  lún tức thời  của nền gia cố bằng cách áp dụng phương pháp nguyên lý cực trị 
  17. 17 Gauss với hệ  so sánh sử  dụng lời giải giải tích của Mindlin xác   định chuyển vị (độ lún) của điểm bất kỳ  trong nửa không gian vô  hạn đàn hồi. 4.2. Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố  bằng cọc đất xi măng  ­  Xây dựng phương trình xác định chuyển vị  của nền  đất  theo   phương pháp nguyên lý cực trị Gauss Xét lực P tác dụng thẳng đứng lên hệ  nền đất cần tính  Ω  (có   mô đun đàn hồi Et, hệ  số  Poisson νt) đặt trong nửa mặt phẳng đàn  hồi Es, νs; trên biên của hệ có các ứng suất σ, τ tác dụng.  Hệ so sánh cũng là  Ω, có mô đun đàn hồi Es, hệ  số  Poisson νs,  cũng chịu tác dụng của lực P; trên biên của hệ  so sánh có các  ứng   suất σ0 , τ0 tác dụng. Giả sử hệ cần tính nằm trong hệ so sánh trong nửa mặt phẳng   đàn hồi. Giải phóng các liên kết của hệ so sánh và đưa nội lực, các  lực liên kết của hệ  so sánh tác dụng lên hệ  cần tính theo một  lượng cưỡng bức Z và theo nguyên lý cực trị Gauss:                        (4.1)  trong đó: σx, σz, τxz, σ0x  , σ0z,   τ0xz ­ trạng thái  ứng suất của hệ  cần  tính và hệ  so sánh tương  ứng; εx, εz, γxz, ε0x  , ε0z,   γ0xz ­ biến dạng  dãn dài theo chiều x, chiều z và góc trượt trong mặt phẳng xz của   hệ cần tính và hệ so sánh tương ứng; λ ­ hằng số Lame’  ; u, w, u 0,  w0 ­ tương  ứng là chuyển vị ngang và đứng theo tọa độ  (x, z) của   hệ cần tính và hệ  so sánh; G, G0 ­ tương ứng là mô đun trượt của  hệ  cần tính và hệ  so sánh;  θ,  θ0 ­ biến dạng thể  tích của hệ  cần   tính và hệ so sánh tương ứng: ;                            (4.2)                 Lấy biến phân  (4.1)  theo u,  theo w  tương   ứng  thì   được  các  phương trình Navier xác định chuyển vị  u, w của hệ  cần tính từ  chuyển vị của hệ so sánh đã biết:                                 (4.3) trong đó: ­ tương ứng là ký hiệu ngắn gọn của toán tử Laplace  hệ cần tính và hệ so sánh,   ­ Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của hệ nền ­ cọc trong   nửa mặt phẳng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng
  18. 18 Tương tự, thiết lập hệ cần tính là hệ nền ­ cọc gia cố và hệ so  sánh Ω. Đặt hệ  nền ­ cọc cần tính trong hệ  so sánh, hệ  so sánh tác  dụng lên hệ  cần tính theo một lượng cưỡng bức Z= Z 1+ Z2. Theo  phương pháp nguyên lý cực trị  Gauss, bài toán xác định chuyển vị  của hệ nền ­ cọc sẽ dẫn về tìm cực trị của phiếm hàm Z                                                                                                      (4.4) 4.3. Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn Sử   dụng   phương   pháp   phần   tử   hữu   hạn   để   giải   bài   toán  chuyển vị  của hệ  nền ­ cọc nằm trong nửa mặt phẳng  đàn hồi   chịu tác dụng của lực thẳng đứng có cường độ p (bề rộng b). Chia hệ nền ­ cọc thành các phần tử hình chữ nhật 9 nút. (hình  4.1). Mỗi nút có hai  ẩn là chuyển vị  u(x) và w(z). Như  vậy, phần   tử có 2x9=18 ẩn chyển vị cần tìm. Chuyển vị  tại điểm bất kỳ  trong phần tử  xác định theo công   thức nội suy:                                             (4.5) trong đó: fi ­ các hàm nội suy chuyển vị của phần tử.
  19. 19 Hình 4.1. Chia phần tử hệ nền ­ cọc đơn theo phương pháp PTHH Xem phần tử  như  hệ  nền ­ cọc cần tính, viết phiếm hàm Gauss cho   hệ bằng cách thay biến dạng thể tích θ = εx+εz vào công thức (4.4), ta có:              (4.6) Với ui, wi là các  ẩn chuyển vị  độc lập, mặt khác các hàm nội   suy chuyển vị đã biết vì vậy bài toán biến phân  δ(Z) =0 trở  thành   bài toán đạo hàm riêng của Z theo u, w. Với mỗi phương trình đạo hàm riêng theo u i, wi  thì cho một  phương trình bậc nhất. Từ đó được hệ phương trình bậc nhất xác  định chuyển vị u, w: có 18 phương trình gồm 9 phương trình theo u   và 9 phương trình theo w tương ứng (vế trái là dòng chứa 18 cột và  vế phải là một số), thỏa mãn phương trình sau: aexbe=c                                                                                   (4.7)   trong đó: ae  ­ ma trận độ  cứng phần tử  a(18x18), được tính bằng   cách lấy đạo hàm riêng (4.6) theo u, w tương  ứng; b e ­ véc tơ  cột  chuyển vị u, w (18x1); c ­ véc tơ cột c(18x1).  Tính chuyển vị  cho toàn hệ  nền ­ cọc từ  hệ  so sánh theo hệ  phương trình sau: AU=A0U0                                                                                                                          (4.8) trong đó: A ­ ma trận độ cứng tổng hợp của hệ cần tính; U ­ véc tơ  chuyển vị hệ  cần tính; A0 ­ ma trận độ  cứng hệ so sánh; U0 ­ véc  tơ chuyển vị hệ so sánh. 
  20. 20 Tác giả viết chương trình bằng phần mềm Matlab HU5 để xác  định chuyển vị tại các điểm trong hệ nền ­ cọc đơn chịu tác dụng  của tải trọng thẳng đứng có cường độ p tác dụng trên bề rộng b.  4.4. Kiểm chứng và đánh giá lý thuyết ­ thực nghiệm ­ So sánh kết quả  bài toán với chính lời giải giải tích xác định  chuyển vị  của Mindlin, Boussinesq. Kết quả, cho thấy chuyển v ị  xác định theo phương pháp của bài toán cho kết quả  trùng khớp  với các lời giải trên, cho thấy phương pháp xây dựng là đúng đắn   về mặt cơ học để xác định chuyển vị đàn hồi của hệ nền ­ cọc.  ­ So sánh với các kết quả  thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn đất xi  măng tại Hải Phòng (sai khác trung bình là ­12,34%) và tại sân bay   Cần Thơ (sai khác trung bình là ­3,30%). Kết quả là hội tụ và khá  sát với thực tiễn chịu nén lún của cọc đất xi măng. 4.5. Chuyển vị của nền đất trước và sau khi gia cố bằng cọc   đất xi măng ­ Khảo sát đánh giá sự  thay đổi chuyển vị  bề  mặt nền đất tự  nhiên theo các đặc trưng đàn hồi của nền đất. ­ Khảo  0 sát đánh giá  Chuyen vi dung w theo chieu ngang (cm) 0.02 sự thay đổi  w1 (chua gia co) w1 (Ec=3,25Es) chuyển vị bề  0.04 w1 (Ec=4Es) w1 (Ec=5Es) mặt nền gia  0.06 cố theo các  0.08 đặc trưng  0.1 đàn hồi của  0.12 cọc đất xi  măng (Ec, νc). 0.14 0 2 4 6 8 10 12 14 Truc x (delta x) 16 18 20 22 24 25 Hình 4.2. Chuyển vị của bề mặt hệ nền ­ cọc khi chưa gia cố  và được gia cố bằng cọc có Ec khác nhau ­ Khảo sát đánh giá sự thay đổi chuyển vị bề mặt nền gia cố theo kích  thước hình học của cọc đất xi măng (Dc, Lc):
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
3=>0