Nghiên cứu phương pháp tính toán nền đắp có gia cường bằng vải địa kỹ thuật trong các công trình xây dựng đường ô tô ở Việt Nam

-iBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI Huỳnh Ngọc Hào C CĨ AC Ờ BẰ VẢ CƠ RÌ XÂY DỰ ỊA KỸ Ờ Ậ R Ô ÔỞVỆ C C AM Chuyên ngành: Xây dựng đƣờng ô tô đƣờng thành phố Mã số: 62.58.30.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 06/2014 - ii CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: GS.TS Vũ Đình Phụng 2: TS Vũ Đức Sỹ Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Văn Quảng Đại học Kiến Trúc Hà Nội Phản biện 2: GS.TS Đỗ Bá Chương Đại học Xây Dựng Hà Nội Phản biện 3: PGS.TSKH Nguyễn Văn Cận Đại học Mỏ Địa Chất Hà Nội Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại: Trường Đại học Giao Thông Vận Tải vào hồi ’ ngày tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải - iii CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 1- ThS Huỳnh Ngọc Hào, GS.TS Vũ Đình Phụng (2009), "Một số phương pháp thiết kế có sử dụng Vải địa kỹ thuật để ổn định đất yếu xây dựng đường đê đập", Tạp chí Cầu Đường, (số 11), Tr 08 -11 2- ThS Huỳnh Ngọc Hào, GS.TS Vũ Đình Phụng (2013), "Những khả gây ổn định cơng trình đất đắp nhìn từ góc độ tính tốn thiết kế", Tạp chí Cầu Đường ISSN 1859-459X, (số 8), Tr.19-22 3- ThS Huỳnh Ngọc Hào, GS.TS Vũ Đình Phụng (2013), "Mơ hình tính tốn ổn định đắp đường, đê, đập gia cường vải địa kỹ thuật (VĐKT) phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến ứng xử kéo VĐKT quan hệ ứng suất biến dạng phần tử tiếp xúc đất VĐKT", Tạp chí Cầu Đường ISSN 1859-459X, (số 11),Tr.08-11 4- ThS Huỳnh Ngọc Hào, TS Vũ Đức Sỹ, GS.TS Vũ Đình Phụng (2014), “So sánh kết phân tích mặt trượt ổn định mái dốc theo phương pháp phần tử hữu hạn chương trình tính hnh_ress phương pháp giải tích”, Tạp chí Cầu Đường ISSN 1859-459X, (số 1+2), Tr.38-41 -4- 1- 23- 45- 6- -5MỞ ĐẦU Giới thiệu cơng trình nghiên cứu: Cùng với phát triển mạnh mẽ ứng dụng công nghệ vật liệu giới, Việt Nam quan tâm nghiên cứu sử dụng vật liệu địa kỹ thuật gia cường đắp cơng trình đường, đê, đập Từ đặt việc nghiên cứu hồn thiện phương pháp tính tốn cho kết đạt độ tin cậy cao toán đắp gia cường VĐKT cơng trình xây dựng đường ô tô Việt Nam trở nên cần thiết Trong phạm vi cơng trình nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn - phương pháp số có nhiều ưu điểm thời điểm để áp dụng xây dựng thuật tốn, lập chương trình tính phần mềm phù hợp với điều kiện Việt Nam cho số kết nghiên cứu toán ổn định, trạng thái ứng suất-biến dạng đắp, đề xuất tính tốn đưa biểu đồ tiện ích sử dụng thiết kế Lý lựa chọn đề tài: Nhằm hồn thiện phương pháp tính tốn cho tốn đắp có sử dụng VĐKT cơng trình xây dựng đường tơ Mục đích: Xây dựng mơ hình tính tốn đường đất đắp có gia cường VĐKT, góp phần hồn thiện phương pháp tính tốn sát với thực tế làm việc vật liệu dự báo khả ổn định cách xác nhằm đem lại hiệu cao, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thiết kế đắp gia cường VĐKT Đối tƣợng nghiên cứu: Nền đất đắp có sử dụng VĐKT cơng trình đường Phạm vi nghiên cứu: Lựa chọn, xây dựng mô hình tính tốn đắp gia cường VĐKT Xây dựng thuật tốn chương trình tính phương pháp phần tử hữu hạn Nghiên cứu toán đường đắp cao có gia cường VĐKT Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: VĐKT (Geotextiles) loại vật liệu chế tạo từ vật liệu polyme tổng hợp sản phẩm có liên quan đến polyme nhờ công nghệ chế tạo khác Từ năm 70 kỷ trước VĐKT (VĐKT) đời nước phương tây Do có đặc tính ưu việt nên VĐKT nhanh chóng dùng để gia cường nâng cao sức chịu tải tính ổn định cho cơng trình xây dựng, đặc biệt cơng trình đất đắp xây dựng cầu đường, thủy lợi Những năm đầu thập niên 90 - kỷ trước, VĐKT sử dụng rộng rãi nhiều nước Pháp, Hà Lan, Mỹ, Nhật, đặc biệt nước Đông Nam Á Thái Lan, Philippin, Inđônêxia, Malaysia, Ở nước ta, VĐKT đưa vào sử dụng cơng trình xây dựng đường từ năm 1993 ngày sử dụng rộng rãi Theo kết nghiên cứu nhiều chuyên gia nước cho thấy VĐKT dùng cơng trình xây dựng đường đắp cao đất, hay đắp đất yếu đạt hiệu kinh tế kỹ thuật cao, dễ dàng thi công, giảm giá thành từ 15 - 20%, tăng chất lượng sử dụng, tăng tuổi thọ cơng trình Do việc nghiên cứu hồn thiện phương pháp tính tốn, thiết kế đắp có sử dụng VĐKT gia cường cần thiết để phục vụ yêu cầu thực tế thời kỳ hội nhập, thực cơng nghiệp hóa, đại hóa phát triển đất nước CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP GIA CƢỜNG VĐKT 1.1 Các nghiên cứu sử dụng tính tốn đắp gia cƣờng VĐKT nƣớc 1.1.1 Lịch sử phát triển sử dụng VĐKT 1.1.1 Giới thiệu chung: VĐKT xuất lần với tên thương mại Bidium vào năm 60 kỷ trước Pháp, chưa ý sử dụng Từ sau năm 1975, VĐKT nhiều nước nghiên cứu hoàn thiện từ khâu chế tạo, phương pháp tính tốn cơng nghệ thi cơng VĐKT nhanh chóng dùng để gia cường nâng cao sức chịu tải tính ổn định cơng trình xây dựng nói chung đặc biệt cơng trình đất đắp xây dựng cơng trình đường tơ thủy lợi Vào thập niên 80 kỷ trước VĐKT sử dụng rộng rãi nhiều nước Pháp, Hà Lan, Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, đặc biệt nước Đông Nam Á: Thái Lan, Philippin, Inđônêxia, Malaysia, Brunei Ở nước ta năm 1993 VĐKT lần sử dụng dự án nâng cấp QL5 (Hà Nội – Hải Phòng) Cơng ty Tư vấn Thiết kế KEI – Nhật Bản thiết kế với 500.000 m VĐKT có hiệu để xử lý đường đắp đất yếu Và từ 1995 VĐKT dùng nhiều với chức khác nhiều dự án xây dựng đường dự án nâng cấp QL1, QL10, QL18, QL3, QL51, QL32, QL38, QL39 dự án xây dựng đường cao tốc như: Đường cao tốc TP.Hồ Chí Minh – Trung Lương, Đại lộ Thăng Long (từ Láng Hòa Lạc, Hà Nội), Cao tốc Hà Nội – Hải Phòng, Cao tốc Giẽ - Ninh Bình, Cao tốc Nội Bài – Lào Cai, Cao tốc Long Thành – Dầu Giây Cao tốc Bến Lức – Long Thành … .1.1.2 Phân loại VĐKT [14], [28], [29], [30] Dựa theo công nghệ chế tạo, VĐKT phân làm hai loại: VĐKT loại dệt (Woven Geotextile) VĐKT loại không dệt (Nonwoven Geotextile) Một số tiêu chí đánh giá VĐKT: Phụ lục 1: Bảng 1.3 giới thiệu tiêu lý theo ứng dụng VĐKT; Bảng 1.4 thông số kỹ thuật vải không dệt polyfelt TS; Bảng 1.5 bảng 1.6 VĐKT không dệt HD – Việt Nam [50] 1.1.1.3 Các chức VĐKT [13], [14], [27], [31], [34], [35], [36], [38], [44], [56], [58], [61], [62], [63], [66], [68] 1.Làm lớp phân cách lớp vật liệu với (separation) VĐKT làm lớp ngăn cách lớp đệm cát lớp bùn bên dưới; ngăn cách lớp móng (subbase) lớp đáy áo đường đắp cát bên 2.Chức gia cường đất yếu (reinforcement) Đối với đắp cao đất yếu, đạt đến độ cao bị trượt trồi – trượt toàn khối, trượt cục mái taluy cần sử dụng VĐKT gia cường VĐKT sử dụng trường hợp gia cường đất không yếu cần đắp cao 3.VĐKT làm cốt tường chắn đất (tường chắn cốt mềm): để tăng khả đắp đất cho tường chắn có chiều cao lớn, độ dốc đứng đến 90 , người ta sử dụng VĐKT xây dựng nhiều tường chắn vừa đạt yêu cầu chiều cao đắp tường, độ bền sử dụng tạo cảnh quan thẩm mỹ giá thành rẻ từ 25% đến nửa so với tường bêtông cốt thép [14], [19], [34], [44], [45] 4.Chức lọc, thoát nước sau lưng tường chắn (drainage): (hoặc hệ thống nước ngầm cơng trình đất đắp giao thơng, thủy lợi…), trước người ta dùng vật liệu hạt làm tầng lọc ngược – với cấp phối vật liệu định Lần Việt Nam, chức lọc, thoát nước dùng tường chắn đất đường dẫn lên cầu Tân Thịnh QL1, Hà Nội - Lạng Sơn 5.VĐKT với chức vật liệu thấm hạ mực nước ngầm Người ta sử dụng VĐKT bao lấy vật liệu đá dăm cỡ nhỏ để thoát nước, bao lấy ống thoát nước ngầm trước đắp cát, bao bọc lấy vật liệu đá dăm khơng có ống nước, bao lấy vật liệu đá dăm có dạng cắt ngang hình thang hở khơng có ống nước, làm chức lớp thấm nước để hạ mực nước ngầm 6.Bảo vệ, chống xói mòn đường đắp, đê biển xói ta luy mái hồ đập VĐKT sử dụng với chức chống xói mòn [31], bảo vệ mái dốc khơng bị xói lở làm hư hỏng đường, rãnh dọc hai bên đường, chống xói mòn mái dốc đường, đê, đập, đáy kênh đào, khu lấp đất lấn biển, đường đắp ven sông hồ, mái dốc khu vực thượng, hạ lưu sông, đặc biệt đoạn -8qua chỗ thu hẹp lòng sơng lưu vực cầu… ví dụ chống xói thượng hạ lưu cầu: cầu Phù Đổng (qua sông Đuống), cầu Như Nguyệt (qua sông Cầu), cầu Sương Giang (qua sông Thương) QL1 đoạn Hà Nội – Lạng Sơn 7.VĐKT làm ống địa kỹ thuật (nhóm SI Geosolution) [35] Ống địa kỹ thuật sử dụng đa dạng với nhiều hình thức khác nhau: người ta lấy VĐKT may thành ống bơm đầy cát vào, xếp thành bờ bảo vệ chống xói mòn bờ đê, cơng trình chạy dọc bờ biển 1.1.1.4 Một số cơng trình xây dựng sử dụng VĐKT Việt Nam 1.VĐKT với chức làm lớp ngăn cách Dự án nâng cấp QL5 vào năm 1993-1994, mở rộng mặt đường cũ thêm 20 mét đất đắp yếu Cũng với chức ngăn cách VĐKT, hệ thống đường giao thơng khu thị Trung Hòa – Nhân Chính (TP Hà Nội), trước rải lớp cấp phối đá dăm người ta cho trải lớp VĐKT để ngăn cách với đắp cát bên nhằm ngăn cách trộn lẫn cát lớp đá dăm dễ dẫn đến ổn định mặt đường Với chức VĐKT sử dụng nâng cấp QL5, QL1, QL10, QL18 số loại đường cao tốc như: cao tốc Tp Hồ Chí Minh – Trung Lương; Giẽ - Ninh Bình; Nội Bài – Lào Cai; Hà Nội – Hải Phòng; Hà Nội – Thái Ngun… Ngồi VĐKT sử dụng bãi rác nhằm làm phân cách đất lớp rác phế thải như: lót đáy bãi rác Tam Tân (Củ Chi, TP HCM năm 2011), bãi rác huyện Bố Trạch (Quảng Bình), bãi rác huyện An Nhơn (Bình Định), bãi rác thành phố Hưng Yên … 2.VĐKT với chức gia cường đắp đất yếu: Vào năm 20002003, trước xây dựng đường đắp tuyến Trới – Vũ Oai [40], đường cấp III đồng (Quảng Ninh), chủ trì thiết kế dùng 2, lớp VĐKT vừa làm lớp ngăn cách vừa làm nhiệm vụ gia cường cho đường đắp đất yếu Cũng vào năm 2002, QL1 đoạn tránh thành phố Vinh[39] chủ trì thiết kế dùng VĐKT làm lớp ngăn cách đất yếu độ sâu đào 80cm cát đổ lên Sau tiếp tục sử dụng lớp VĐKT nữa, lớp cách 40cm để gia cường phần đào (80cm) phần đắp cao ÷ 5m Hai cơng trình khai thác đến (2013) 10 năm, chất lượng tốt Đây cơng trình sử dụng VĐKT để xử lý đắp đất yếu lần Việt Nam, thi công đơn giản, giảm giá thành xây dựng Hai cơng trình làm tiền đề tốt cho việc sử dụng VĐKT để gia cường đắp đất yếu cho nhiều dự án xây dựng đường khác như: đường cao tốc TP Hồ Chí Minh – Trung Lương, Giẽ - Ninh Bình, Hà Nội – Thái Nguyên, Nội Bài – Lào cai,… 3.VĐKT với chức chống xói mòn mái taluy Khi xây dựng đắp bảo vệ bờ biển Bãi Cháy - Quảng Ninh, VĐKT dùng để trải bề mặt taluy đắp, đặt lên viên đá hộc dạng gạch bê tơng xi măng nhằm chống xói mòn áp lực dội đập sóng Ngồi VĐKT dùng để bảo vệ, gia cố mái taluy hồ chứa như: hồ chứa công viên trung tâm TP Lào Cai (được thiết kế năm 2000 Sở GTVT Lào Cai làm chủ đầu tư), hai hồ điều tiết Trung tâm Hội nghị quốc gia – Hà Nội Tư vấn Đức thiết kế sử dụng VĐKT làm lớp bảo vệ chống xói mòn Dự án nâng cấp QL1 đoạn Hà Nội – Lạng Sơn PMU18 đại diện chủ đầu tư, đoạn dẫn vào cầu Phù Đổng (Sông Đuống), cầu Như Nguyệt (Sông Cầu), cầu Xương Giang (Sông Thương), người ta sử dụng VĐKT để làm lớp bảo vệ chống xói mòn hai bên mái sông thượng – hạ lưu ba cầu 4.VĐKT dùng thay vật liệu tầng lọc ngược Trên QL1 qua cầu Tân Thịnh – Thị trấn Vôi (Lạng Giang, Bắc Giang) đoạn nối cầu Tân Thịnh cầu vượt đường sắt (QL1 cũ) dài 80m, người ta xây dựng tường chắn bê tông cốt thép có chiều cao H = 7,2m vào năm 1998 Ở đáy tường chắn phía bên đắp đổ sỏi phủ lên lớp VĐKT trước đắp nhằm thay vật liệu tầng lọc ngược để thoát nước chân tường chắn .1.2 Các phƣơng pháp tính tốn đắp gia cƣờng VĐKT nƣớc nay: Các phương pháp giải tích tính tốn đắp có cốt để đánh giá mức độ ổn định sử dụng phương pháp cân giới hạn (mơ men lực) kèm theo việc sử dụng hệ số riêng phần tương ứng [15], [63] .1.2.1Phương pháp giải tích tính tốn đắp có cốt đất yếu [2], [3], [7], [9], [15], [16], [17], [21], [32], [33],[35], [37]: Cốt đặt nằm nội đất thân đắp, nhằm ngăn ngừa phá hoại cắt trượt qua thân đắp cắt trượt vùng đất yếu Ổn định cục [7], [15], [32], [33]: Kiểm tra ổn định cục mái dốc đắp theo bất đẳng thức sau: (1.1) H: chiều cao đắp; Ls: chiều dài cạnh nằm ngang mái dốc (bề rộng chân mái dốc); φ’cv: góc ma sát vật liệu đắp lúc có biến dạng lớn điều kiện ứng suất hữu hiệu; fms: hệ số vật liệu riêng phần áp dụng cho tg φ’cv (fms = 1) Ổn định trượt tròn (Phương pháp phân tích mặt trượt): Phương pháp phân tích mặt trượt dùng phổ biến tính tốn ổn định trượt tròn đối -6với đắp có sử dụng cốt đặt đáy đắp Mômen gây trượt MD đất tải trọng là: (1.2) Mômen giữ MRS đất: (1.3) Mômen giữ MRR cốt tăng cường: (1.4) đó: ffs hệ số tải trọng riêng phần trọng lượng đơn vị đất; wi: trọng lượng cột đất i; bi: bề rộng cột đất thứ i; αi : góc tiếp tuyến đáy cột đất thứ i hợp với phương ngang; Rd : bán kính cung trượt tròn; fms : hệ số vật liệu riêng phần áp dụng cho tgφ’cv ; φ’cv: góc ma sát vật liệu đắp lúc có biến dạng lớn điều kiện ứng suất hữu hiệu; ui : áp lực nước lỗ rỗng tác dụng mặt trượt mảnh thứ i ; Lực kéo Troj yêu cầu 1m dài đắp điểm j dọc theo đáy đắp xác định là: (1.5) Trong đó: Yj cánh tay đòn theo hướng thẳng đứng mômen tâm mặt trượt nguy hiểm điểm j đáy đắp; MRRj: mô men giữ lớn cốt tăng cường điểm j đáy đắp; MDj: mô men trượt lớn j đáy đắp (đã nhân hệ số); MRSj: mô men giữ lớn đất tạo điểm j đáy đắp (đã nhân hệ số) .1.2.2Phương pháp giải tích tính tốn đắp có cốt đất tự nhiên tốt Ổn định ngồi Trường hợp kết có nhiều cách phá hoại xảy lựa chọn xử lý theo cách như: giảm độ dốc mái đắp, tăng bề rộng vùng bố trí cốt, sử dụng vật liệu đắp có chất lượng tốt, tăng cường móng biện pháp gia cố đất, bệ phản áp, sử dụng vật liệu đắp có trọng lượng nhẹ, tổ hợp cốt mức độ cao khác nhau, bố trí thêm hệ thống nước để giảm áp lực nước lỗ rỗng, xử lý kết hợp phương án [15],[32] Ổn định nội [15], [32], [33], [35], [57], [53], [63] Các phương pháp tính tốn đắp có cốt dựa sở phương pháp cân giới hạn sử dụng hệ số riêng phần tương ứng với trạng thái giới hạn tính Bao gồm: a Phương pháp khối nêm hai phần (mặt trượt dạng gãy khúc) [12], [15] (3.37) Nếu EA số: EA  −1 K=   Le −1  (3.38) 3.1.5.2 Mơ hình phi tuyến phần tử VĐKT: Ứng xử phi tuyến phần tử VĐKT phức tạp Có thể mơ hình ứng xử phi tuyến đoạn thẳng, vào mức độ biến dạng VĐKT mà xác định ứng suất tương ứng Quan hệ ứng xử thể hình 2.1 1.6 Phân tích phi tuyến [24] Khi phân tích kết cấu theo mơ hình phi tuyến vật liệu hay phi tuyến hình học, ma trận độ cứng véc tơ tải trọng phụ thuộc vào chuyển vị Thông thường, toán phi tuyến giải dựa xấp xỉ hố tuyến tính Hiện nay, hai phương pháp sử dụng nhiều NewtonRaphson Newton-Raphson cải tiến .1.7 Sơ đồ khối tổng quát chƣơng trình 3.2 Xây dựng chƣơng trình tính : 3.2.1 Giới thiệu giao diện chƣơng trình tính hnh_ress V 1.00 Tên chương trình: hnh_ress V 1.00 (HNH_ Reinforced Embankment Stability Software - Phần mềm tính tốn ổn định đắp gia cường) Hình 3.12 Khai báo quan hệ ứng suất – biến dạng VĐKT Hình 3.14 Vẽ đường xấp xỉ mặt trượt (đi qua điểm có biến dạng lớn nhất) Hình 3.13 Khai báo độ cứng(EAg) tính theo đường ứng suất- biến dạng VĐKT Hình 3.15 Xác định sai số đường xấp xỉ mặt trượt ellipse trượt tròn 3.2.2 Giới thiệu chƣơng trình tính hnh_ress V1.00 Chương trình hnh_ress xây dựng phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn đắp gia cường VĐKT Trong quan hệ ứng suất biến dạng VĐKT tính theo mơ hình Robert M Koerner – mơ tả sát với làm việc thực tế vải địa đất Tính tốn phản lực VĐKT theo đường cong ứng xử sau: Phản lực VĐKT việc tính tốn tải trọng cân bước giải lặp phương pháp phần tử hữu hạn xác định theo đường cong ứng xử lực - chuyển vị Đường cong xây dựng từ kết thí nghiệm mẫu VĐKT (có dạng hình vẽ 3.16) Ở bước giải nhằm tìm chuyển vị ban đầu hệ, độ cứng VĐKT để xây dựng ma trận độ cứng độ dốc đoạn thẳng từ gốc tọa độ (nếu xấp xỉ đường ứng xử đoạn thẳng) tiếp tuyến đường cong (nếu xấp xỉ đường ứng xử đường cong) gốc tọa độ Ki Sau bước giải, chuyển vị VĐKT xác định Uj xác định phản lực thực tế VĐKT xác định Tj Độ cứng cát tuyến xác định theo biểu thức: Ktj = Tj / Uj (3.43) Như vậy, phản lực VĐKT cập nhật theo bước lặp phản ánh ứng xử thực tế VĐKT thông qua đường cong ứng xử từ thí nghiệm, hình 3.16 Hình 3.16 Xác định độ cứng cát tuyến theo ứng xử kéo VĐKT Sau chạy chương trình phân tích tốn cho kết hệ số an tồn ổn định kết chuyển vị - biến dạng đồng thời tính tốn xuất kết từ chương trình dạng đồ họa (Display > Factor of Safety / Displacement / Stresses / Strain) xuất file văn (Report > Factor of Safety / Displacement / Stresses / Strain) Report > Geotextiles Forces – xác định lực căng VĐKT Ngoài chương trình tính hnh_ress V1.00 thiết lập thuật tốn để vẽ đường biến dạng trượt nối điểm có biến dạng trượt lớn đắp (Display > Slip Surface Stresses), đồng thời tính tốn xấp xỉ mặt trượt kết dạng mặt trượt hợp lý (Report > Slip line) Phương pháp kết tính xấp xỉ mặt trượt trình bày chương sau Chi tiết chương trình trình bày phần phụ lục hướng dẫn sử dụng chương trình phụ lục 4.2 Kết luận chƣơng 3: Chương trình tính đắp gia cường VĐKT HNH_RESS V1.00 chương trình phần mềm tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn Chương trình ngồi chức tính tốn, phân tích tốn ổn định, trạng thái ứng suất – biến dạng đắp thông thường phần tử hữu hạn chương trình khác, có chức sử dụng khác riêng có chương trình như: VĐKT đắp gia cường khai báo tính tốn theo đường quan hệ ứng suất – biến dạng gồm nhiều giai đoạn VĐKT theo mơ hình Robert M Koerner, độ cứng VĐKT khai báo tính tốn theo mơ hình này; chương trình cho kết hiển thị đồ họa văn dạng mặt trượt nguy hiểm đắp, đồng thời vẽ đường biến dạng trượt nối điểm có biến dạng trượt lớn đất tính tốn xuất kết văn xấp xỉ dạng mặt trượt kết luận dạng mặt trượt hợp lý Chương trình tính cho tốn, không hạn chế việc thay đổi thông số đầu vào (dạng hình học, vật liệu, tham số) sửa, viết bổ sung đáp ứng nhu cầu tính toán, nghiên cứu người sử dụng Các nội dung nghiên cứu, tính tốn thực nghiệm chương trình tính cho toán đường đắp gia cường VĐKT chịu tải trọng xe cộ trình bày chương thứ CHƢƠNG THỰC NGHIỆM TÍNH TỐN NỀN ĐẮP GIA CƢỜNG VĐKT TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ Trong chương này, trường hợp đường đắp đất tự nhiên tốt đất yếu, có gia cường khơng gia cường VĐKT tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng chương trình tính hnh_ress V1.00 để thực phân tích Ngồi số phân tích, nghiên cứu khác trình bày nội dung chương 4.1 Nền đƣờng đắp đất tự nhiên tốt 1.1 Dữ liệu chung tính tốn Bảng 4.1 Đặc trƣng đƣờng đắp đất tốt Lớp đất E Chiều cao Dung trọng Lực dính đơn vị φ đắp (m) (kN/m ) (kN/m ) (kN/m ; kPa) () Đất đắp 6, 8, 10, 12 17.0 15 20 10000 Nền 17.0 20 25 50000 Bảng 4.2 Đặc trƣng VĐKT theo 1m chiều rộng E (kN/m ) Chiều Dày (m) EA (kN) Tmax (kN/m) 24 486970 0,0033 1607 Bảng 4.3 Tải trọng xe cộ Loại xe n G B L Q qv 2 (kN/m ) (kN/m ) (kN) (m) (m) 130 10 4,2 6,2 15,5 2 300 10 6,6 14,3 35,7 800 10 4,5 35,5 88,75 1.2 Phân tích ổn định đƣờng đắp: Độ cứng cường độ VĐKT quan hệ với thông qua đặc trưng biến dạng đàn hồi giới hạn sau: Tmax (4.4) εe = EA 1.2.1 Nền đắp cao 6m: Bảng 4.4 Hệ số an toàn ổn định mái dốc Chiều cao đắp m Hệ số mái dốc Số lớp VĐKT Khoảng cách (m) Fs 1/1 0 1,20 Như với đắp cao 6m đảm bảo an toàn mức hệ số an toàn Fs = 1,2 trường hợp không cần gia cường VĐKT Trong trường hợp đắp mái dốc lớn 1/0,75 đảm bảo mức hệ số an tồn Fs = 1,2 cần gia cường VĐKT 1.2.2 Nền đắp cao 8m Ảnh hưởng số lớp VĐKT khoảng cách lớp VĐKT đến hệ số an toàn ổn định mái dốc Bảng 4.5 Ảnh hƣởng số lớp khoảng cách lớp VĐKT Chiều cao đắp Khoảng cách Hệ số mái dốc Số lớp VĐKT Fs (m) (m) 1/1 0 1/1 1/1 0,5 1/1 0,5 1/1 0,5 1/1 0,3 1/1 0,3 1/1 0,3 1/1 0,4 1/1 0,4 1/1 0,4 1/1 0,6 1/1 1,0 1/1 1,0 1/1 1,5 1/1 1,5 1/1 2,0 1/1 2,0 Xác định lực căng VĐKT làm việc đắp Bảng 4.6 Lực căng VĐKT mái dốc bị phá hoại Ảnh hưởng hệ số mái dốc đến hệ số an toàn ổn định mái dốc Bảng 4.7 Ảnh hƣởng hệ số mái dốc Chiều cao Hệ số mái dốc (2m Số lớp VĐKT Khoảng cách 1,06 1,07 1,12 1,17 1,21 1,11 1,15 1,19 1,12 1,16 1,20 1,23 1,21 1,27 1,24 1,34 1,27 1,27 Fs đắp (m) m dưới) (m) 1/1 1/1,25 0 1,20 1/1 1/1,50 0 1,28 Ảnh hưởng cường độ VĐKT số lượng lớp VĐKT đến hệ số an toàn ổn định mái dốc Bảng 4.8 Ảnh hƣởng cƣờng độ số lớp VĐKT Hệ số mái dốc Số lớp VĐKT Khoảng cách (m) Fs Tmax (kN/m) 12 1/1 0,4 1,20 14 1/1 0,4 1,22 16 1/1 0,4 1,21 18 1/1 0,4 1,19 20 1/1 0,4 1,20 22 1/1 0,4 1,22 24 1/1 0,4 1,20 26 1/1 0,4 1,20 28 1/1 0,4 1,21 Trường hợp mái đất đắp theo tiêu chuẩn TCVN 4054-05 [5] Theo tiêu chuẩn TCVN4054-05 đắp cao 8m đắp với hệ số mái dốc 1/1,75, sử dụng loại đất đắp đất cho bảng 4.1 khơng cần gia cố VĐKT .1.2.3 Nền đắp cao 10m 12m: Luận án tính đầy đủ cho đắp cao 10m, 12m với trường hợp ảnh hưởng đến an toàn ổn định đắp mục đắp cao 8m Các kết lập thành bảng tính tốn luận án 1.3 Xây dựng biểu đồ tra VĐKT sử dụng đắp cao Từ kết tính tốn đắp cao 8m, 10m, 12m ghi bảng 4.8; bảng 4.12; bảng 4.16; bảng 4.17 xây dựng biểu đồ quan hệ cường độ VĐKT số lớp VĐKT Các biểu đồ sử dụng để tra cứu việc lựa chọn VĐKT tính tốn thiết kế sơ đường đắp cao sau: Hình 4.10 Quan Hìhệ cường độ số lớp VĐKT nh 4.9 Quan hệ số máihệ dốcgiữa 1/1cường độ số lớp VĐKT hệ số mái dốc Hình 4.11 Quan hệ cường độ số lớp VĐKT, hệ số mái dốc 1/1.5 4.2 Nền đƣờng đắp đất yếu Hình 4.15 Cung trượt có dạng hình elipse đắp đất yếu Hình 4.16Phương pháp xấp xỉ mặt trượt 4.3 Xác định dạng cung trƣợt mái dốc theo phƣơng pháp xấp xỉ mặt trƣợt 4.3.1 Phƣơng pháp xấp xỉ mặt trƣợt (Hình 4.16) 4.3.2 Một số ví dụ vẽ đƣờng biến dạng trƣợt tính tốn xấp xỉ xác định dạng mặt trƣợt chƣơng trình hnh_ress V1.00 Hình 4.23 Kết tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 12m, 6m mái dốc 1/1,5 6m mái dốc 1/1,5; không gia cường VĐKT Một số kết phân tích ghi bảng 4.23 sau: Bảng 4.23 Một số kết tính xấp xỉ mặt trƣợt Xấp xỉ mặt trượt Số lớp, khoảng Loại đắp cao Fs cách, cường độ Nhận xét kết mặt trƣợt mái dốc đắp: Kết phân tích tính tốn xấp xỉ mặt trượt đường đắp gia cường VĐKT theo phương pháp phần tử hữu hạn chương trình tính ổn định hnh_ress V1.00 (Reinforced Embankment Stability Software) trường hợp đắp đất tốt đắp đất yếu cho kết phân tích mặt trượt nguy hiểm đắp mái dốc có dạng cung trượt ellipse, tâm ellipse xác định có cao độ với mặt đường đắp Kết góp phần làm sáng tỏ thêm nghiên cứu trước cho cung trượt cung trượt tròn [57], [60] Với kết mặt trượt có dạng ellipse đóng góp vào nghiên cứu nhằm hồn thiện tính tốn ổn định đất đắp đất đắp gia cường Trong trường hợp mặt trượt dạng cung tròn xem trường hợp đặc biệt mặt trượt dạng ellipse [25] 4.4 Xây dựng cơng thức tính lực căng (Tmax) lớp VĐKT đắp Kết phân tích cho thấy tất lớp VĐKT đạt đến sức kháng kéo VĐKT Do lực căng VĐKT đất đắp xác định từ trạng thái cân ổn định 4.4.1 Lực căng VĐKT phƣơng pháp mặt trƣợt trụ tròn 4.4.2 Xây dựng cơng thức tính toán lực căng VĐKT (Tmax) phƣơng pháp phần tử hữu hạn theo mặt trƣợt ellipse Do kết phân tích phương pháp phần tử hữu hạn xác định mặt trượt Do sau có kết mặt trượt ellipse ta áp dụng để xác định lực căng lớp VĐKT từ điều kiện cân ổn định a b Hình 4.25 Cung trượt hình ellipse, xây dựng cơng thức tính Tmax x2 n Ti ,max Hình 4.26 Sơ đồ tính tốn lực căng Tmax VĐKT theo cung trượt ellipse x2 x2 ∑ Pi xi − ∫ ft rt dx − rn dx + ∫ wxrwdx i =1 x x x = n ∑ yi 1 ∫ fn (4.36) i =1 4.5 Xác định ảnh hƣởng độ cứng VĐKT (EAg) đến hệ số an toàn ổn định đắp 5.1 Xây dựng biểu thức xác định độ cứng VĐKT (EAg) ảnh hƣởng đến hệ số an toàn: giá trị tối thiểu độ cứng VĐKT (EAg) sau:  ( )  1 f 3RCf K p  2c K p1−SE ν s EAg ≥ K p ν 1+ ( )   νσ1 − σ f (4.51) f Các phân tích phần tử hữu hạn cho thấy giá trị α lấy bằng: α = 0,024 5.2 Ảnh hƣởng độ cứng VĐKT đến hệ số an toàn ổn định 5.3 Biểu đồ quan hệ ảnh hƣởng độ cứng (EAg), cƣờng độ (Tmax) VĐKT mô đun đàn hồi đất (Es) đến an tồn ổn định Hình 4.28 Quan hệ độ cứng VĐKT (EAg) mô đun đàn hồi đất đắp (Es) đến an toàn ổn định (Fs = 1,2) Cường độ Tmax = 12; 14; 16 kN/m Hình 4.29 Quan hệ độ cứng VĐKT (EAg) mô đun đàn hồi đất đắp (Es) đến an toàn ổn định (Fs = 1,2) Cường độ Tmax = 18; 20; 22 kN/m Hình 4.30 Quan hệ độ cứng VĐKT (EAg) mô đun đàn hồi đất đắp (Es) đến an toàn ổn định (Fs = 1,2) Cường độ Tmax = 24; 26; 28 kN/m So sánh khả đứt cốt tuột cốt VĐKT ảnh hƣởng đến an toàn ổn định đắp gia cƣờng: Tổng lực tiếp xúc VĐKT đất lớn so với cường độ VĐKT lớn có Tmax = 28 kN/m Do cường độ VĐKT yếu tố ảnh hưởng, chi phối hệ số an toàn ổn định đắp Khi đạt trạng thái phá hoại, khả bị đứt cốt lớn nhiều so với khả bị tuột cốt So sánh kết chạy chƣơng trình hnh_ress plaxis (Bảng 4-28) Kết tính từ Plaxis khơng thể vùng có biến dạng trượt lớn đầy đủ chương trình Hnhress Kết nghiên cứu chƣơng Kết phân tích ổn định theo phần tử hữu hạn chương trình tính đắp gia cường hnh_ress V1.00 cho trường hợp đường đắp cao gia cường VĐKT có chiều cao đắp khác nhau, hệ số mái dốc khác nhau, đắp đất tốt đắp đất yếu cho kết mặt trượt nguy hiểm mặt có dạng hình ellipse Tâm cung trượt ellipse xác định vị trí có cao độ với mặt đường đắp Chương trình tính thiết lập thuật tốn để vẽ đường biến dạng qua điểm có biến dạng trượt lớn đắp (Display > Slip Suface Stresses), sau dùng phương pháp xấp xỉ mặt trượt để kiểm tra phương trình ellipse đồng thời vơ số mặt trượt tròn giả thiết có mặt trượt tròn gần Trong trường hợp mặt trượt dạng cung tròn xem trường hợp đặc biệt dạng ellipse Kết nghiên cứu góp phần làm rõ thêm nghiên cứu trước nước [57], [60] cho mặt trượt khơng phải mặt trượt tròn Xây dựng biểu thức tính tốn lực căng Tmax (4.36) lớp VĐKT gia cường đắp theo mặt trượt dạng ellipse tìm từ kết nghiên cứu, phân tích ổn định phương pháp phần tử hữu hạn Giá trị biểu thức tính lực căng Tmax lớp VĐKT xây dựng chương trình tính (Report > Geotextile Forces) Kết phân tích chương trình tính, ảnh hưởng đến an tồn ổn định đắp cao gia cường VĐKT bao gồm: i Ảnh hưởng số lượng lớp khoảng cách lớp VĐKT đến hệ số an toàn ổn định mái dốc đắp cao 6m, 8m, 10m, 12m Bảng 4-4; Bảng 4-5; Bảng 4-9; Bảng 4-13 ii Xác định lực căng Tmax lớp VĐKT đắp mái dốc bị phá hoại, đắp cao 8m, 10m, 12m Bảng 4-6; Bảng 4-10; Bảng 4-14 iii Ảnh hưởng hệ số mái dốc đắp (và hệ số mái dốc theo tiêu chuẩn TCVN 4054-05) đến hệ số an toàn ổn định đắp cao 8m, 10m, 12m Bảng 4-7; Bảng 4-11; Bảng 4-15 iv Ảnh hưởng cường độ VĐKT số lớp VĐKT đến hệ số an toàn ổn định đắp cao 8m, 10m, 12m Bảng 4-8; Bảng 4-12; Bảng 4-16; Bảng 4-17 v Ảnh hưởng độ cứng VĐKT đến hệ số an toàn ổn định đắp cao 12m Bảng 4-24; Bảng 4-25; Bảng 4-26; Bảng 4-27 vi Khi đắp đường loại đất thơng thường có tính chất lý cho bảng 4.1 tốt đắp theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4054-05 có hệ số - 46 mái dốc 1/1,75 đạt an toàn ổn định Fs > 1,2 nên không cần sử dụng VĐKT gia cường VĐKT dùng gia cường đắp đất có hệ số mái dốc đất yếu vii Xây dựng biểu đồ quan hệ cường độ VĐKT số lớp VĐKT sử dụng để tra cứu thiết kế sơ đường đắp cao 8m, 10m,12m theo hệ số mái dốc khác Hình 4-9; Hình 4-10; Hình 4-11 Xây dựng biểu thức xác định độ cứng VĐKT EAg (4.51) ảnh hưởng đến hệ số an toàn ổn định mái dốc đắp gia cường VĐKT Vẽ biểu đồ quan hệ độ cứng VĐKT (EAg), cường độ (Tmax) mơ đun đàn hồi đất đắp (Es) đến an tồn ổn định (Fs = 1,2) Hình 4-28; Hình 4-29; Hình 4-30 So sánh khả đứt cốt tuột cốt ảnh hưởng đến an toàn ổn định đắp gia cường VĐKT So sánh kết phân tích chương trình Plaxis hnh_ress Bảng 4-28 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 1- Xây dựng mô hình tính tốn đắp gia cường VĐKT theo quan hệ ứng suấtbiến dạng đường phi tuyến nhiều giai đoạn VĐKT (Robert M Koener) mô tả sát với thực tế làm việc loại vật liệu 2- Chương trình tính hnh_ress V1.00 (Reinforced Embankment Stability Software) xây dựng phương pháp PTHH phù hợp với tiêu chuẩn tính tốn giới Việt Nam Đặc trưng quan hệ ứng xử kéo VĐKT theo đường cong đàn hồi dẻo khai báo mơ tả đầy đủ chương trình (Define > Stress – Strain Curve > Geotextile) Do độ cứng VĐKT (EAg), đặc trưng mô đun đàn hồi (E) tính theo độ dốc đường cong 3- Luận án đề xuất mặt trượt nguy hiểm mái dốc đường đắp cao gia cường VĐKT có dạng hình ellipse Tâm ellipse xác định vị trí có cao độ với mặt đường đắp Bằng phương pháp sai số xấp xỉ mặt trượt cho kết kiểm tra mặt trượt dạng ellipse hợp lý Trong trường hợp mặt trượt dạng cung tròn xem trường hợp đặc biệt mặt trượt dạng ellipse 4- Từ kết mặt trượt dạng ellipse, xây dựng biểu thức giải tích tính tốn lực căng Tmax lớp VĐKT gia cường đắp giải tích chương trình tính (Report > Geotextile Forces) 5- Độ cứng VĐKT có ảnh hưởng đến an tồn ổn định đắp Luận án xây dựng biểu thức xác định độ cứng tối thiểu VĐKT (EAg) biểu đồ quan 6i ii iii iv v hệ độ cứng (EAg), mô đun đàn hồi đắp (Es) thông số khác, ảnh hưởng đến an toàn ổn định đắp Kết phân tích chương trình tính, ảnh hưởng đến an toàn ổn định đường đắp cao gia cường VĐKT bao gồm: Số lớp khoảng cách lớp VĐKT có ảnh hưởng đến hệ số an toàn ổn định đắp Với số lượng lớp VĐKT, ta tăng khoảng cách lớp để bố trí lớp VĐKT theo chiều sâu đường (tính từ mặt đường đắp) hệ số an tồn ổn định tăng lên đáng kể Giá trị lực căng Tmax điểm lớp VĐKT đắp (khi mái dốc đạt đến trạng thái phá hoại) xác định Hệ số mái dốc có ảnh hưởng đến hệ số an toàn ổn định đắp Nền đất đắp chọn, đắp theo tiêu chuẩn TCVN 4054-05 khơng cần gia cường VĐKT VĐKT sử dụng để gia cường đắp có hệ số mái dốc lớn loại đất nền, đất đắp yếu Cường độ (Tmax) số lớp VĐKT có ảnh hưởng đến hệ số an toàn ổn định Cường độ VĐKT lớn hệ số an tồn ổn định cao Các biểu đồ quan hệ cường độ số lớp VĐKT có ảnh hưởng đến hệ số an tồn ổn định (Hình: 4.28; 4.29; 4.30) sử dụng thiết kế sơ đường đắp cao có gia cường VĐKT Độ cứng VĐKT (EAg) có ảnh hưởng đến hệ số an toàn ổn định mái dốc đắp Khi đắp gia cường vải địa đắp loại đất có mơ đun đàn hồi Es cần chọn loại vải địa có độ cứng EAg tối thiểu xác định biểu thức (4.51) để đạt an toàn ổn định tiết kiệm vật liệu Kiến nghị Tác giả luận án kiến nghị tiếp tục nghiên cứu, so sánh kết tính tốn đường đắp gia cường VĐKT phương pháp luận án với phương pháp khác (phương pháp sử dụng theo Quy trình 22TCN 262-2000, phương pháp giải tích tính áp lực đất tường chắn …) để tìm mức sai số rút quy luật; tính cho tất loại đất đắp đường khác nước Ngồi ra, tiếp tục nghiên cứu tốn thấm qua đường đắp có gia cường VĐKT Phương pháp tính tốn luận án tiếp tục nghiên cứu trường hợp đắp gia cường lưới địa kỹ thuật Tác giả đề xuất kết nghiên cứu luận án sử dụng cơng trình khoa học, quy phạm nghiên cứu khác ... cao toán đắp gia cường VĐKT cơng trình xây dựng đường tơ Việt Nam trở nên cần thiết Trong phạm vi cơng trình nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn - phương pháp số có nhiều... thiện phương pháp tính tốn cho tốn đắp có sử dụng VĐKT cơng trình xây dựng đường tơ Mục đích: Xây dựng mơ hình tính tốn đường đất đắp có gia cường VĐKT, góp phần hồn thiện phương pháp tính tốn... cứu: Lựa chọn, xây dựng mơ hình tính toán đắp gia cường VĐKT Xây dựng thuật tốn chương trình tính phương pháp phần tử hữu hạn Nghiên cứu toán đường đắp cao có gia cường VĐKT Ý nghĩa khoa học thực