Nghiên cứu xây dựng đường bao tải trọng giới hạn của nền đập xà lan vùng đồng bằng sông cửu long tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN HẢI HÀ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẬP XÀ LAN VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình thủy Mã số : 9.58.02.02 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2019 Cơng trình hồn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: GS TS TRẦN ĐÌNH HỊA TS TRẦN VĂN THÁI Phản biện 1: PGS.TS Đoàn Thế Tường Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Đức Mạnh Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM, số 171 Tây Sơn; Phường Trung Liệt; Quận Đống Đa; Hà Nội Vào hồi …… …… phút Ngày …… tháng …… năm …… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện QUỐC GIA VIỆT NAM - Thư viện VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM -1MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Đập xà lan (ĐXL) lần đề xuất nghiên cứu đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu công nghệ tiên tiến để tạo nguồn nước vùng ven biển”, mã số KC12-10A từ năm 1992-1995 GS.TS Trương Đình Dụ làm chủ nhiệm Kết nghiên cứu đề tài dừng lại sơ đồ nguyên lý kết cấu ĐXL Công nghệ áp dụng thử nghiệm thành công cho đập Phước Long – Bạc Liêu (2004), đập Thông Lưu - Bạc Liêu (2005) [12] Đến địa phương Cà Mau, Bạc Liêu, Kiên Giang ứng dụng rộng rãi công nghệ ĐXL, lên đến hàng trăm cơng trình [18] Do ưu điểm trội ĐXL có giá thành rẻ [7], công nghệ ĐXL gần không làm thay đổi cảnh quan môi trường tự nhiên làm mặt dẫn dòng thi cơng Khẩu độ ĐXL mở rộng nên tăng khả tiêu thoát lũ bảo vệ môi trường cho khu vực tốt so với cống truyền thống Do đó, tiềm triển vọng ứng dụng ĐXL vùng ĐBSCL lớn TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việc nghiên cứu đề xuất phương án kết cấu giải pháp xây dựng cơng trình ngăn sơng để kiểm sốt nguồn nước có ý nghĩa chiến lược quan trọng phát triển kinh tế xã hội Đập xà lan công nghệ mới, áp dụng thử nghiệm lần vào năm 2003 Bạc Liêu, đến có gần 100 cơng trình áp dụng ĐBSCL Do tính ưu việt cơng nghệ, triển vọng ứng dụng công nghệ vào vùng ĐBSCL lớn Chính vậy, đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu xây dựng đường bao tải trọng giới hạn (TTGH) đập xà lan vùng đồng sông Cửu Long ” nhằm nghiên cứu phương pháp xây dựng đường bao tải trọng giới hạn của móng đập xà lan đất yếu tác dụng đồng thời tải trọng đứng, ngang mô men Nội dung kết nghiên cứu luận án góp phần hồn thiện lý thuyết phương pháp tính tốn ổn định ĐXL, vấn đề vừa có ý nghĩa khoa học thực tiễn MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng đường bao tải trọng giới hạn ĐXL đất yếu chịu tải trọng phức hợp (đứng, ngang mô men) ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Móng ĐXL đặt đất yếu (không xử lý) chịu tải trọng phức hợp gồm tải trọng đứng, ngang mô men GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU Trong giới hạn nghiên cứu này, tác giả nghiên cứu phạm vi - Móng nơng đặt trực tiếp đất yếu vùng ĐBSCL, đắp đất hai bên mang đối xứng bỏ qua ảnh hưởng ma sát thành bên Tải trọng đứng nhỏ phù hợp với đặc điểm móng ĐXL - Chưa xét tới biến dạng lún cố kết theo thời gian -26 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN  Nghiên cứu tìm được góc ma sát tiếp xúc (  ) móng nơng đặt đất yếu khơng xử lý, điển hình ĐBSCL chịu tải trọng phức hợp đứng, ngang với V/V0≤ 0,5  Phát triển công cụ (một mô đun phần mềm) để xây dựng họ đường bao tải trọng giới hạn cho ĐXL vùng đồng sông Cửu Long, phục vụ tính tốn thiết kế sơ kiểm tra ổn định Ý NGHĨA KHOA HỌC&THỰC TIỄN Ý NGHĨA KHOA HỌC Cơ sở khoa học để tính tốn thiết kế ĐXL đảm bảo ổn định chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang, mơ men, bước hồn thiện cơng nghệ xây dựng cơng trình ngăn sơng ĐXL, cơng nghệ có hiệu kinh tế xã hội cao Kết nghiên cứu luận án góp phần bổ sung thêm lý thuyết tính tốn ổn định cơng trình đất yếu nói chung ĐXL nói riêng, cụ thể là:  Đưa phương pháp đánh giá ổn định ĐXL đặt trực tiếp đất yếu (không xử lý) chịu tác động đồng thời tải trọng đứng, ngang mô men  Đưa đường bao TTGH ĐXL với góc ma sát tiếp xúc 24,30 làm sở để soát xét TCVN 10398 : 2015 cần thiết  Bổ sung cách tính TTGH vùng có trước chấp nhận tính theo công thức H0=A.su Ý NGHĨA THỰC TIỄN  Dựa vào kết nghiên cứu kết nối phần mềm Abaqus để nhập liệu, tự động chia lưới, kết nối để phân tích xử lý kết lập đường bao TTGH tiết kiệm nhiều thời gian công sức thiết kế  Ứng dụng kết thiết kế ĐXL cơng trình tương tự cách thuận lợi, dễ dàng CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Mở đầu Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Nghiên cứu sở khoa học phương pháp xây dựng đường bao TTGH Chương 3: Xây dựng đường bao TTGH Chương 4: Ứng dụng kết nghiên cứu vào tính tốn, kiểm tra cho cơng trình thực tế Kết luận kiến nghị Các cơng trình khoa học công bố Tài liệu tham khảo -3CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ĐXL Việt Nam Công nghệ áp dụng thử nghiệm thành công cho đập Phước Long Bạc Liêu (2004), đập Thông Lưu - Bạc Liêu (2005) [12] Đến địa phương Cà Mau, Bạc Liêu, Kiên Giang ứng dụng rộng rãi công nghệ ĐXL, lên đến hàng trăm công trình [18] 1.1.2 Nguyên lý, cấu tạo kỹ thuật ĐXL Nguyên lý công nghệ cụ thể: Ổn định lún dựa việc tối ưu kết cấu đập nhẹ để ứng suất lên nhỏ ứng suất cho phép đất mềm yếu, xử lý Ổn định trượt, lật: Dùng ma sát đất với đáy cơng trình đất đắp mang cống với tường bên Ổn định thấm: Theo nguyên lý đường viền ngang đáy cơng trình Ổn định xói: Mở rộng độ cống để lưu tốc sau cống nhỏ lưu tốc xói cho phép lớp gia cố đơn giản ĐXL có hai dạng: ĐXL hộp phao kín (hình 1-1) Dạng - ĐXL dầm (Hình 1-2) Hình 1-1 Mơ hình ĐXL hộp ĐXL Phước Long – Bạc Liêu Hình 1-2 Mơ hình ĐXL dầm ĐXL dầm thực tế 1.1.3 Tình hình ứng dụng ĐXL nước ngồi Các cơng trình dạng ĐXL nghiên cứu xây dựng giới có nguyên lý chịu lực gia cố nền, cụ thể đập Braddock (Mỹ) gia cố hệ cọc chịu lực, khác với nghiên cứu luận án ĐXL đặt trực tiếp đất yếu -41.2 NỀN ĐẤT YẾU VÙNG ĐBSCL Theo tài liệu số đặc trưng lý thí nghiệm bùn sét lỗ khoan đại diện nêu với tiêu lý trạng thái bão hòa nước [4], [15] Các số liệu cường độ đất cho thấy đất khu vực ĐBSCL yếu 1.3 HÌNH THỨC MẤT ỔN ĐỊNH CƠNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Các hình thức ổn định cơng trình phá hoại cắt đất có ba dạng bao gồm: Phá hoại cắt (trượt) tổng thể, phá hoại cắt (trượt) cục phá hoại cắt (trượt) kiểu xuyên [1, 10, 11, 34, 40, 56] 1.4 BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH ĐẬP XÀ LAN TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ĐXL thường thiết kế với hai tổ hợp làm việc tổ hợp giữ tổ hợp ngăn mặn Tải trọng tác động đồng thời V, H, M Mơ hình tốn ĐXL chịu tác động V:H:M (Hỡnh 1-3) Phía đồng V, w Phía Sông V, w Phía đồng Phía Sông M, M, H, u H, u a Tổ hợp giữ b Tổ hợp ngăn mặn Hình 1-3 Sơ đồ tổ hợp tải trọng tác dụng lên ĐXL Các kích thước ĐXL thể bao gồm: B: Chiều rộng đáy, L: Chiều dài đáy, Lt: Chiều rộng thông nước, Ht: Chiều cao đáy Zd Zng Hình 1-4 Ký hiệu kích thước ĐXL Theo tổng hợp cơng trình ĐXL xây dựng đặt trực tiếp đất yếu tỷ lệ V V0  0, (chi tiết xem phụ lục 1) Do luận án, tác giả tập trung nghiên cứu xây dựng biểu đồ bao tải trọng ứng với tải trọng đứng V V0  0, (H, M) chiều (cùng dấu) 1.5 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐƯỜNG BAO TTGH 1.5.1 Móng chịu tải trọng đứng Sức chịu tải móng đặt trực tiếp theo cơng thức (1-1): -5- V0  qu  Nc.sc B.su (1-1) Trong đó: qu sức chịu tải đứng hay tải trọng đứng giới hạn móng (V0) Nc : hệ số sức chịu tải móng, Với móng băng Nc =  + theo Prandtl [51] su: cường độ kháng cắt khơng nước sc: hệ số hình dạng móng, với móng băng sc= 1, Với móng chữ nhật có kích thước BxL, hệ số hình dạng móng xác định theo công thức (1-2): B sc   0, (1-2) L 1.5.2 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang Theo nghiên cứu bốn tác giả Meyerhof [49], Hansen [41], Vesic [55] Bolton [24], biểu diễn quan hệ V V0 H V0 theo hình 15 Cả bốn phương pháp dự báo khác điểm chuyển tiếp điểm phá hoại tải trọng đứng đến phá hoại tải ngang Meyerhof dự báo điểm chuyển tiếp lớn mà điểm móng chuyển từ ổn định trượt sang ổn định theo sức chịu tải, Hansen Bolton dự báo V= V0 (0,611; 0,194) (0,676; 0,194) 0,20 Meyerhof H0/V0 = 1/( 0,15 (0,5; 0,194) Bolton (1979) H/V0 Hansen 0,10 Phá hoại trượt (Sliding failure) 0,05 Vesic 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 V/V0 Hình 1-5 Đường bao TTGH ( V V0 , H V0 ) móng băng, M=0 1.5.3 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng mơ men Khi móng chịu tác dụng mô men, gây độ lệch tâm e = M/V, hợp lực tác dụng lên diện tích hiệu khối móng có tâm đặt tâm hợp lực, bề rộng móng hiệu B’ = B - 2e Quan hệ M V liên quan với công thức (1-3) M V  V   1   M0 V0  V0  (1-3) -61.5.4 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang mô men Meyerhof [41], Hansen [49], Vesic [55] Bolton [24] đề xuất công thức tương ứng từ (1-4) đến (1-7) sử dụng để xác định đường bao phá hoại sau: Meyerhof (1956) V  o A'  (1  o ) , H  A '.s u V0 90 A (1-4) Hansen (1970): V A'   0,5   ( H / ( A '.su ) , H  A '.su V0 A   (1-5) Vesic (1975): V 2.H A'  1 , H  A '.su V0 (  2).A '.su A (1-6) Bolton (1979):     ( H / A '.s u )  sin 1 ( H / ( A '.s u )) A ' V  , V0  2 A H  A '.s u (1-7) Phương trình từ (1-4) đến (1-7) thể hai vấn đề tải trọng xiên lực ngang giảm diện tích tác động mơ men Những phương trình sử dụng để vẽ đường bao TTGH ( H V , M BV0 ) 1.5.5 Đặc trưng đường bao TTGH Với móng chịu tải trọng phức hợp V:H:M, Hansen đưa đường bao mặt trượt móng tròn theo công thức (1-8):   V  0, B ' L '  0,5   H A ' su 1  0, B ' L ' A '  V0 1, A (1-8)  H  A' su  Công thức Vesic, đưa đường bao mặt trượt theo công thức (1-9)    B' L'     H  V   1 B ' L '       B ' L '  A'  1 V0    2 A ' su      A     (1-9)  H  A ' su  Đường bao TTGH Hansen Vesic chủ yếu có liên quan tới sức chịu tải ngang ứng với giá trị V V0 lớn (Martin, 1994) [47] -7- Hình 1-6 Đường bao phá hoại Martin [47] Kết lời giải đường bao TTGH cho móng băng chịu tải trọng phức tạp V:H:M đất sét, Ngo Tran [50] PP PTHH biểu diễn theo quan hệ H/V0 – M/BV0 V V  0, V V0  0, 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Tổng quan số dạng ĐXL giới có có biện pháp gia cố xử lý ĐXL Việt Nam đặt trực tiếp không xử lý Tổng quan phương pháp tính tốn ổn định ĐXL đất yếu chịu tải trọng phức hợp hạn chế phương pháp hành Trong nghiên cứu Meyerhof, Vesic, Hansen, Bolton tập trung nghiên cứu móng có tỷ lệ V V0 >0,5 Khi V V0 max, i ứng suất pháp mặt tiếp xúc, max ứng suất cắt giới hạn Khi trượt xảy giới hạn i = max thể hình 2-1 Hình 2-1 Vùng trượt với giới hạn ứng suất cắt cực hạn Ngo Tran [50] phân tích mơ hình tương tác móng với đồng ứng xử khơng nước Đất mơ hình theo tiêu chuẩn dẻo với tiêu sau: su=1,0 ; G= 100; =0,49 Ứng xử MSTX: Ks= Kn=10000; c1= 0; 1 = 300; 0= Ứng xử lực dính: c2  ; 2 = 0; 0= 0, su=1,0; G=100; =0,49 Hình 2-2 Phương trình mặt tiếp xúc theo Ngo Tran (1996) -11Để phân tích ảnh hưởng góc MSTX tới đường bao TTGH V-H, phân tích mơ hình móng chịu tải trọng đứng mô men đồng thời cách gán chuyển vị đứng chuyển vị xoay móng điểm tham chiếu tăng dần, tỷ lệ chuyển vị chuyển vị đứng w xoay B cố định Quan hệ V V0  M BV0 gần không thay đổi khi  tăng lên ứng với tỷ lệ chuyển vị khác w/B=0,1;0,33;1,0 3,0 THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH GĨC MSTX 2.4 2.4.1 Mục đích nội dung thí nghiệm Mục đích thí nghiệm Từ phân tích mục 2.3, góc  ảnh hưởng lớn tới quan hệ V V0  H V0 song không ảnh hưởng tới quan hệ V V0  M BV0 Do để xác định  thực tế cần thực nghiệm mơ hình móng chịu tải trọng đứng, ngang đồng thời Nội dung thí nghiệm Xây dựng ba mơ hình máng có bề rộng tương ứng 0,2m; 0,3m 0,4m Với bề rộng móng tiến hành gia tải đứng gia tải ngang nhằm: Đo đạc tải trọng đứng chuyển vị đứng móng Đo đạc tải trọng ngang chuyển vị ngang móng Quan sát chuyển vị nền, móng (qua mặt kính bên máng) nhằm để xác định góc  2.4.2 Thiết kế mơ hình thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm máng có bề rộng máng 0,2m; 0,3m 0,4m theo sơ đồ tốn biến dạng phẳng Trong điều kiện thí nghiệm phòng, nén hình vng bề rộng 0,2m, 0,3m 0,4m có diện tích tương ứng 0,04m2; 0,09m2; 0,16m2 Tải trọng đứng gia tải lên sử dụng thép có kích thước 0,3m x 0,3m với chiều dày 1cm, cm 5cm cho thí nghiệm nén có bề rộng 0,4m Gia tải ngang hệ thống cáp, pu ly dẫn hướng bể nước Hình 2-7 Sơ đồ thí nghiệm tải trọng đứng, ngang 2.4.3 Các tiêu vật liệu mơ hình Chỉ tiêu lý đất thí nghiệm xác định theo thí nghiệm cắt phẳng thực phòng thí nghiệm, so sánh với tiêu đất yếu Nam Bộ cụ thể bảng 1.1 -12Bảng 1.1 - So sánh số tiêu đất yếu mơ hình Nam Bộ Ký Đất yếu Đất yếu TT Chỉ tiêu lí Đơn vị hiệu Nam Bộ mơ hình Dung trọng tự nhiên Dung trọng khơ Hệ số rỗng ban đầu Góc ma sát Lực dính đơn vị w c e0  c kN/m3 kN/m3 độ kPa 1516,2 8,2710,2 1,4952,214 2o30’6o 2,87,6 15,3 8,8 1,94 2o36’ 2.4.4 Quy trình thí nghiệm kết thí nghiệm Thực thí nghiệm kéo trượt cho ba loại nén bề rộng tương ứng B=0,2m; 0,3m; 0,4m, với loại nén thí nghiệm với ba cấp tải trọng đứng tổng hợp bảng 2-2, lập đường hồi quy quan hệ V/V0 H/V0 hình 2-8, xác định tg()= 0,4507; tương ứng với góc ma sát tiếp xúc   24, Bề rộng móng (m) 0,2 0,3 0,4 Bảng 1.2 - Tổng hợp kết thí nghiệm Tải trọng đứng Loại tải trọng Cấp Cấp V/V0 H/V0 V/V0 H/V0 V/V0 H/V0 0,129 0,066 0,081 0,041 0,135 0,069 0,184 0,093 0,180 0,075 0,205 0,102 Cấp 0,388 0,172 0,231 0,104 0,304 0,122 Hình 2-8 Quan hệ V / V0  H V0 ứng với trường hợp thí nghiệm Góc   24, thí nghiệm với điều kiện móng bê tơng bình thường địa chất đại diện ĐBSCL 2.5 THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG Để phân tích tốn móng làm việc sơ đồ khơng gian, thực thí nghiệm kéo trượt nén bê tơng có kích thước vng (0,7x0,7)m (1,0 -13x1,0)m trường cống Biện Nhị thuộc huyện U Minh, tỉnh Cà Mau Kết thí nghiệm trường phù hợp với thí nghiệm phòng 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nghiên cứu ứng xử phần tử tiếp xúc móng với đất yếu đặc trưng góc MSTX Việc mơ tả xác tiếp xúc kết cấu định xác đến đường bao TTGH (V, H, M) Lựa chọn phần tử tiếp xúc nút có chiều dày khơng để tính tốn mơ hình, phần mềm Abaqus với ưu điểm khả mơ hình tốn mạnh hỗ trợ phần tử tiếp xúc chọn lựa để tính tốn Bằng mơ hình tốn, NCS chứng minh góc MSTX ảnh hưởng đến quan hệ (V-H), ảnh hưởng đến quan hệ (V-M) Đề xuất sử dụng thí nghiệm mơ hình vật lý kéo trượt nén bê tơng trường hợp có tải trọng (V, H) tác dụng Mơ hình thí nghiệm kéo trượt nén với bề rộng 0,2m; 0,3m 0,4m máng thí nghiệm Ứng với bề rộng móng thực cấp tải trọng đứng Kết thu góc MSTX với V/V0