Lựa chọn tỷ số hợp lý giữa chiều dài cốt và chiều cao tường khi thiết kế tính toán tường chắn đất có cốt

1 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô môn Xây dựng Đường ôtô đường đô thị, quý Thầy cô truyền đạt cho kiến thức quý báu suốt khóa học Hơm nay, với dịng chữ tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Ngọc Bích trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ nhiều tài liệu, bảo, quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình thực hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy cô môn Đường ô tô đường thị nhiệt huyết lịng u nghề tận tâm hướng dẫn cung cấp nhiều tài liệu cần thiết suốt trình học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn Khoa Xây dựng cầu đường, Khoa đào tạo sau Đại học trường Đại Học Xây dựng Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn Xin cảm ơn gia đình người thân ln khuyến khích, động viên tạo điều kiện để giúp suốt trình học tập thực đề tài Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 28 tháng năm 2011 Học viên Nguyễn Đức Tiến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10 MỞ ĐẦU 11 Đặt vấn đề 11 Mục đích nghiên cứu 12 Đối tượng nghiên cứu 12 Phạm vi nghiên cứu 13 Phương pháp nghiên cứu 13 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 13 Cấu trúc luận văn 13 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT ĐẮP CÓ CỐT 15 1.1 Các khái niệm .15 1.1.1 Khái niệm đất có cốt .15 1.1.2 Tường chắn đất có cốt 15 2.1 Lịch sử phát triển tường chắn đất có cốt giới .16 1.3 Lịch sử nghiên cứu ứng dụng đất có cốt Việt Nam 24 1.4 Phạm vi ứng dụng tường chắn đất có cốt dự án giao thông .26 1.5 Ưu điểm tường chắn đất có cốt .27 1.6 Kết luận chương 28 Chương : CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TỐN - THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN ĐẤT CĨ CỐT 30 2.1 Đặc điểm yêu cầu vật liệu tường chắn đất có cốt 30 2.1.1 Vật liệu cốt 30 2.1.2 Hệ thống bảo vệ bề mặt 32 2.2.3 Đất đắp có cốt 35 2.2 Tương tác đất cốt 36 2.2.1 Sự làm việc cốt .36 2.2.2 Cơ chế truyền ứng suất 38 2.2.3 Kiểu tác dụng cốt .39 2.3 Lý thuyết tính tốn ổn định ngồi tường chắn đất có cốt ổn định học (SMEW) 42 2.3.1 Tính tốn ổn định trượt theo chân tường (FSsl ) 43 2.3.2 Phân tích ổn định lật (FSov ) 45 2.3.3 Phân tích ổn định sức chịu tải (FSbc ) 45 2.3.4 Tính tốn độ lún đất (u) 46 2.3.5 Tính tốn ổn định tổng thể (FSg ) 48 2.4 Tính tốn ổn định .49 2.4.1 Phân tích phá hoại kéo đứt cốt 51 2.4.2 Phân tích phá hoại tuột cốt .52 2.5 Thi cơng tường chắn đất có cốt 53 Chương 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN TỈ SỐ HỢP LÝ GIỮA CHIỀU DÀI CỐT VÀ CHIỀU CAO TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT 61 3.1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm địa kỹ thuật Macstars 2000 tính tốn ổn định tường chắn đất có cốt 61 3.1.1 Giới thiệu phần mềm địa kỹ thuật Macstars 2000 61 3.1.2 Hướng dẫn thiết lập phân tích tốn Macstars 2000 62 3.1.3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm Macstars 2000 phân tích tính tốn ổn định cho tường chắn đất có cốt 63 3.2 Mơ hình nghiên cứu .71 3.2.1 Nội dung phân tích tìm hợp lý: 71 3.2.2 Đặt trưng cốt gia cường cho trường hợp nghiên cứu 71 3.2.3 Đặt trưng tải trọng tác dụng lên tường chắn 71 3.2.4 Đặt trưng địa chất đất nghiên cứu 72 3.3 Phân tích lựa chọn tỷ số hợp lý chiều dài cốt chiều cao tường điều kiện sử dụng vật liệu lựa chọn theo tiêu chuẩn 72 3.3.1 Mục đích 72 3.3.2 Sơ đồ tính tốn cho tốn điển hình 72 3.3.3 Các kết phân tích cho tốn điển hình 74 3.4 Phân tích lựa chọn tỷ số hợp lý chiều dài cốt chiều cao tường điều kiện sử dụng số loại vật liệu đất đắp địa bàn tỉnh Quảng Nam thành phố Đà Nẵng 78 3.4.1 Đặc trưng lý số loại đất khai thác địa bàn tỉnh Quảng Nam – thành phố Đà Nẵng 78 3.4.2 Sơ đồ tính tốn phân tích 79 3.4.3 Các kết phân tích 79 3.4.4 Phân tích tìm hợp lý tỷ số L/H 101 3.5 Kết luận chương 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 Kết luận 103 Kiến nghị 104 Các mặt hạn chế đề tài 104 Hướng nghiên cứu 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 Tiếng Việt 106 Tiếng Anh 107 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mặt cắt điển hình tường chắn đất có cốt ổn định học (MSEW) 16 Hình 1.2 Mơ hình dạng tường chắn đất có cốt ổn định học (MSE Wall) .17 Hình 1.3 Tường chắn đất có cốt mang tên Vạn Lý Trường Thành Trung Quốc (hơn 1000 năm trước Công Nguyên) 18 Hình 1.4 Một tường chắn đất có cốt cao 10 m đường cao tốc A13 (Incarville, Pháp, 1967) 19 Hình 1.5 Tường chắn đất có cốt hai đoạn đường dẫn vào cầu làm mố cầu đường cao tốc Mỹ .21 Hình 1.6 Một đoạn tường đất có cốt dạng bậc thang công viên Kennedy, Giorgia, Mỹ 22 Hình 1.7 Một đoạn tường đất có cốt chạy qua vùng nơng thơn nước Anh .23 Hình 1.8 Tường chắn đất có cốt bảo vệ đường sắt (Malaysia, 2007) 23 Hình 1.9 Cơng trình tường chắn đất có cốt thuộc dự án Cầu Phố Mới 25 Hình 2.1 Một số loại cốt thường sử dụng MSEW 31 Hình 2.2 Một số kiểu tường bao dạng bê tơng cốt thép đúc sẵn .33 Hình 2.3 Một số kiểu tường bao dạng Modun đúc sẵn 34 Hình 2.4 Bề mặt tường BTCT chiều cao tường MSE 34 Hình 2.5 Bề mặt tường làm kim loại 34 Hình 2.6 Kiểu bề mặt bảo vệ tường chất dẽo địa kỹ thuật 35 Hình 2.7 Mô tả làm việc cốt giữ ổn định tường chắn 37 Hình 2.8 Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát đất cốt 38 Hình 2.9 Sức kháng bị động bề mặt cốt 38 Hình 2.10 Cách xác định kích thước lưới để tính khả chịu nhổ .40 Hình 2.11 Các dạng phá hoại ngồi Tường chắn đất có cốt .42 Hình 2.12 Sơ đồ phân tích ổn định ngồi 43 Hình 2.13 Sơ đồ tính tốn ứng suất phân bố điểm P(x,z) .48 Hình 2.13 Các dạng phá hoại ổn định bên tường chắn đất có cốt 49 Hình 2.14 Sơ đồ phân tích khả đứt cốt 51 Hình 2.15 Sơ đồ phân tích khả tuột cốt .53 Hình 2.16 Chuẩn bị mặt trước thi công tường chắn đất có cốt 54 Hình 2.17 Thi cơng lớp móng 54 Hình 2.18 Thi cơng lớp Block (Modun) 55 Hình 2.19 Thi cơng lớp đất đắp gia cường 57 Hình 2.20 Phương pháp rải đất nối cốt lớp 58 Hình 3.1 Sơ đồ tính tốn tường chắn đất có cốt 63 Hình 3.2 Hướng dẫn khai báo đặc trưng lớp đất 65 Hình 3.3 Hướng dẫn khai báo mặt cắt địa chất đất 66 Hình 3.4 Hướng dẫn khai báo loại cốt, đặc trung hình học tường 66 Hình 3.5 Hướng dẫn khai báo đặc trưng lớp đất tường .66 Hình 3.6 Hướng dẫn khai báo đặc trưng tải trọng .67 Hình 3.7 Hướng dẫn khai báo tính toán hệ số ổn định 68 Hình 3.8 Kết tính tốn hệ số ổn định .68 Hình 3.9 Kết tính tốn hệ số ổn định tổng thể 69 Hình 3.10 Kết tính tốn độ lún đất .70 Hình 3.11 Sơ đồ thuật tốn cho tốn điển hình 73 Hình 3.12 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSslRS 74 Hình 3.13 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSovRS 74 Hình 3.14 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSbcRS 75 Hình 3.15 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSiRS 76 Hình 3.16 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSgRS .76 Hình 3.17 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số uRS 77 Hình 3.18 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSslRS1 80 Hình 3.19 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSbcRS1 81 Hình 3.20 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSiRS1 81 Hình 3.21 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSgRS1 82 Hình 3.22 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số uRS1 82 Hình 3.23 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSslRS2 84 Hình 3.24 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSbcRS2 85 Hình 3.25 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSiRS2 85 Hình 3.26 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSgRS2 86 Hình 3.27 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số uRS2 86 Hình 3.28 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSslRS3 88 Hình 3.29 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSbcRS3 89 Hình 3.30 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSiRS3 89 Hình 3.31 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSgRS3 90 Hình 3.32 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số uRS3 90 Hình 3.33 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSslRS4 92 Hình 3.34 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSbcRS4 93 Hình 3.35 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSiRS4 94 Hình 3.36 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSgRS4 94 Hình 3.36 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số uRS4 95 Hình 3.37 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSslRS5 97 Hình 3.38 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSbcRS5 98 Hình 3.39 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSiRS5 98 Hình 3.40 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSgRS5 99 Hình 3.41 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số uRS5 99 10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các thông số khai báo thiết kế tường cho toán mẫu 63 Bảng 3.2 Chỉ tiêu lý đất vật liệu đất đắp cho toán mẫu .64 Bảng 3.3 Các đặc trưng cốt mềm 71 Bảng 3.4 Đặc trưng lý đất xây dựng cơng trình 72 Bảng 3.5 Các đặc trưng lý đất đắp có cốt đất sau lưng tường cho tốn điển hình .73 Bảng 3.6 Các đặc trưng lý vật liệu đất đắp có cốt khai thác địa bàn tỉnh Quảng Nam – thành phố Đà nẵng .79 Bảng 3.7 Kết tính tốn hệ số ổn định lật FSovRS1 80 Bảng 3.8 Kết tính toán hệ số ổn định lật FSovRS2 84 Bảng 3.9 Kết tính tốn hệ số ổn định lật FSovRS3 88 Bảng 3.10 Kết tính tốn hệ số ổn định lật FSovRS4 93 Bảng 3.11 Kết tính tốn hệ số ổn định lật FSovRS5 97 93 Bảng 3.10 Kết tính tốn hệ số ổn định lật FSovRS4 H L/H=0,6 L/H=0,7 L/H=0,8 L/H=0,9 L/H=1,0 L/H=1,1 L/H=1,2 - - - - - - - 10 7,329 9,952 12,974 18,872 31,694 54,820 99,510 15 5,601 8,245 11,462 15,137 19,051 22,853 26,924 Kết phân tích ổn định sức chịu tải FSbcRS4 Kết phân tích tương quan hệ số ổn định sức chịu tải đất FSbcRS4 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.34 Hình 3.34 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSbcRS4 Kết phân tích ổn định FSiRS4 Kết phân tích tương quan hệ số ổn định FSiRS4 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.35 94 Hình 3.35 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSiRS4 Kết phân tích ổn định tổng thể FSgRS4 Kết phân tích tương quan hệ số ổn định tổng thể FSgRS4 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.36 Hình 3.36 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSgRS4 Kết phân tích độ lún uRS4 Kết phân tích tương quan độ lún uRS4 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.36 95 Hình 3.36 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số uRS4 Nhận xét 5: Hệ số ổn định trượt FSslRS4 - Khi tăng lượng ΔL/H = 0,1 hệ số ổn định trượt FSslRS4 tường tăng theo Khi chiều cao tường tăng hệ số ổn định trượt FSslRS4 giảm - Ở tỷ số L/H=(0,6÷1,2) có hệ số ổn định trượt FSslRS4 >1,5 Hệ số ổn định lật FSovRS4 - Khi tăng lượng ΔL/H = 0,1 hệ số ổn định lật FSovRS4 tăng lên Khi chiều cao tường tăng hệ số ổn định lật FSovRS4 giảm - Hệ số ổn định lật FSovRS4 đạt giá trị cao FSslRS4 >2 Hệ số ổn định sức chịu tải FSbcRS4 - Khi tăng lượng ΔL/H = 0,1 hệ số ổn định sức chịu tải FSbcRS4 tăng theo Khi chiều cao tường tăng hệ số ổn định sức chịu tải FSbcRS4 giảm Ở tỷ số L/H=(0,6÷1,2) có hệ số ổn định sức chịu tải FSbcRS4 >1,5 96 Hệ số ổn định FSiRS4 - Khi tỷ số L/H tăng lên hệ số ổn định FSiRS4 tăng theo Đối với trường hợp chiều cao tường H ≥10m hệ số ổn định FSiRS4 tăng nhanh cấp tăng L/H =(0,6÷0,9), sau tăng chậm khơng tăng cấp tăng L/H =(0,9÷1,2) Hệ số ổn định tổng thể FSgRS4 - Khi tỷ số L/H tăng lên hệ số ổn định tổng thể FSgRS4 tăng theo Ở chiều cao tường cao có tỷ số L/H hệ số ổn định tổng thể FSgRS4 lớn - Khi chiều cao tường H=15m, hệ số ổn định tổng thể FSgRS4 tăng nhanh cấp tăng L/H =(0,6÷0,7) sau tăng chậm khơng tăng cấp tăng ∆L/H Ngược lại, trường hợp chiều cao tường H ≤10m hệ số ổn định tăng chậm cấp tăng đầu L/H =(0,6÷0,9) tăng nhanh cấp tăng L/H =(0,9÷1,2) Độ lún uRS4: - Qui luật phát triển độ lún phù hợp với lý thuyết tính tốn độ lún đất.Khi chiều cao tường tăng lên độ lún tăng theo 3.4.3.5 Trường hợp sử dụng vật liệu đất đắp đất Cát hạt thơ RS5 có góc ma sát φRS5 =350 (c = 0) làm vật liệu đất đắp vùng bố trí cốt Kết phân tích ổn định trượt FSslRS5 Kết phân tích tương quan hệ số ổn định trượt FSslRS5 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.37 97 Hình 3.37 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSslRS5 Kết phân tích ổn định lật thể FSovRS5 Kết phân tích tương quan hệ số ổn định lật FSovRS5 tỷ số L/H lập thành bảng 3.11 Bảng 3.11 Kết tính toán hệ số ổn định lật FSovRS5 H L/H=0,6 L/H=0,7 L/H=0,8 L/H=0,9 L/H=1,0 L/H=1,1 L/H=1,2 - - - - - - - 10 7,399 10,047 13,099 19,053 31,999 55,346 100,470 15 5,657 8,327 11,575 15,287 19,241 23,082 27,197 Kết phân tích ổn định sức chịu tải FSbcRS5 Kết phân tích tương quan hệ số ổn định sức chịu tải đất FSbcRS5 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.38 98 Hình 3.38 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSbcRS5 Kết phân tích ổn định FSiRS5 Kết phân tích tương quan hệ số ổn định FSiRS5 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.39 Hình 3.39 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSiRS5 Kết phân tích ổn định tổng thể FSgRS5 Kết phân tích tương quan hệ số ổn định tổng thể FSgRS5 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.40 99 Hình 3.40 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số FSgRS5 Kết phân tích độ lún uRS5 Kết phân tích tương quan độ lún uRS5 tỷ số L/H biểu diễn hình 3.41 Hình 3.41 Ảnh hưởng tỷ số L/H đến hệ số uRS5 Nhận xét 5: 100 Hệ số ổn định trượt FSslRS5 - Khi tăng lượng ΔL/H = 0,1 hệ số ổn định trượt FSslRS5 tường tăng theo Khi chiều cao tường tăng hệ số ổn định trượt FSslRS5 giảm - Ở tỷ số L/H=(0,6÷1,2) có hệ số ổn định trượt FSslRS5 >1,5 Hệ số ổn định lật FSovRS5 - Khi tăng lượng ΔL/H = 0,1 hệ số ổn định lật FSovRS5 tăng lên Khi chiều cao tường tăng hệ số ổn định lật FSovRS5 giảm - Hệ số ổn định lật FSovRS5 đạt giá trị cao FSslRS5 >2 Hệ số ổn định sức chịu tải FSbcRS5 - Khi tăng lượng ΔL/H = 0,1 hệ số ổn định sức chịu tải FSbcRS5 tăng theo - Khi chiều cao tường tăng hệ số ổn định sức chịu tải FSbcRS5 giảm Ở tỷ số L/H=(0,6÷1,2) có hệ số ổn định sức chịu tải FSbcRS5 >1,5 Hệ số ổn định FSiRS5 - Khi tỷ số L/H tăng lên hệ số ổn định FSiRS5 tăng theo Đối với trường hợp chiều cao tường H ≥10m hệ số ổn định FSiRS5 tăng nhanh cấp tăng L/H =(0,6÷0,9), sau tăng chậm khơng tăng cấp tăng L/H =(0,9÷1,2) Hệ số ổn định tổng thể FSgRS5 - Khi tỷ số L/H tăng lên hệ số ổn định tổng thể FSgRS4 tăng theo Ở chiều cao tường cao có tỷ số L/H hệ số ổn định tổng thể FSgRS4 lớn 101 - Khi chiều cao tường H=15m, hệ số ổn định tổng thể FSgRS5 tăng nhanh cấp tăng L/H =(0,6÷0,7) sau tăng chậm khơng tăng cấp tăng ∆L/H Ngược lại, trường hợp chiều cao tường H ≤10m hệ số ổn định tăng chậm cấp tăng đầu L/H =(0,6÷0,9) tăng nhanh cấp tăng L/H =(0,9÷1,2) Độ lún uRS5: - Qui luật phát triển độ lún phù hợp với lý thuyết tính tốn độ lún đất.Khi chiều cao tường tăng lên độ lún tăng theo 3.4.4 Phân tích tìm hợp lý tỷ số L/H Căn vào kết phân tích tính tốn (Phụ lục1 ÷ Phụ lục 6) nhận xét mục 3.4.3 ta thấy: - Ở tỷ số L/H ≥ 0,7 hầu hết trường hợp xem xét ổn định ổn định kết cấu thỏa mãn yêu cầu - Tường cao hệ số ổn định thấp - Khi tỷ số L/H tăng lên hệ số ổn định kết cấu tăng lên.Đối với tường có chiều cao H ≥10m, tỷ số L/H ≥ 0,9 hệ số ổn định hệ số ổn định tổng thể tăng chậm không tăng lên nữa, lúc ứng suất kéo cốt đạt giá trị cực đại lực neo giữ cốt lớn lực kéo tuột nhỏ Đối với loại tường thấp tăng lên hệ số ổn định hệ số ổn định tăng cấp tăng ∆L/H =0,1 tạo bước nhảy tỷ lệ L/H ≥ 1,1 - Vật liệu đất đắp có góc ma sát φ lực dính C lớn kết cấu ổn định Qua kết phân tích trên, tỷ số L/H hợp lý đề xuất lựa chọn sau: 102 - Đối với kết cấu tường chắn đất có cốt có chiều cao tường tương đối lớn H ≥ 10m, để đảm bảo đạt tiêu chuẩn kỹ thuật kinh tế tỷ số L/H nên lựa chọn tỷ số L/H=(0,6÷0,8), lực căng kéo cốt gần đạt đến giá trị lớn - Đối với kết cấu tường chắn đất có cốt có chiều cao tường thấp H