Xác định kích thước hợp lý của bệ phản áp trong thiết kế ổn định nền đắp trên đất yếu và áp dụng xử lý cho tuyến cao tốc đà nẵng quảng ngãi, đoạn từ KM3+500 đến KM3+600

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÂN VĂN CHINH XÁC ĐỊNH KÍCH THƢỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU VÀ ÁP DỤNG XỬ LÝ CHO TUYẾN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI, ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÂN VĂN CHINH XÁC ĐỊNH KÍCH THƢỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU VÀ ÁP DỤNG XỬ LÝ CHO TUYẾN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI, ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600 Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông Mã số : 60580205 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỒNG HẢI Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Thân Văn Chinh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Hđ   đ : Chiều cao đƣờng đắp : Dung trọng đất đắp C : Lực dính đất đắp  : Góc nội ma sát đất đắp Hy : Chiều dày lớp đất yếu Cu : Lực dính khơng nƣớc b : Bề rộng bệ phản áp h : Chiều cao bệ phản áp Kmin : Hệ số ổn định đƣờng nhỏ MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Kết cấu luận văn CHƢƠNG ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU CÓ XỬ LÝBỆ PHẢN ÁP .3 1.1 KHÁI NIỆM ĐẤT YẾU 1.2 ỔN ĐỊNH NỀN ĐƢỜNG TRÊN ĐẤT YẾU VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ .4 1.2.1 Ổn định đƣờng đất yếu 1.2.2 Các biện pháp xử lý ổn định đƣờng đất yếu 1.3 PHƢƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH NỀN ĐƢỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 1.3.1 Nhóm phƣơng pháp giả định mặt trƣợt 1.3.2 Phƣơng pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng 11 1.3.3 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn áp dụng đất 11 1.3.4 Giới thiệu phần mềm Slope/w phân tích ổn định đƣờng 13 1.4 BỆ PHẢN ÁP VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU .14 1.4.1 Ứng dụng bệ phản áp thiết kế ổn định đắp đất yếu .14 1.4.2 Tác dụng bệ phản áp đến ổn định đắp đất yếu .16 1.4.3 Ảnh hƣởng kích thƣớc bệ phản áp đến hiệu xử lý ổn định đắp đất yếu 18 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 19 CHƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ NỀN ĐẮP, ĐẤT YẾU VÀ KÍCH THƢỚC BỆ PHẢN ÁP ĐẾN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG TRƢỜNG HỢP KHƠNG VÀ CĨ SỬ DỤNG BỆ PHẢN ÁP 20 2.1 MỞ ĐẦU .20 2.2 MƠ HÌNH BÀI TỐN VÀ LỰA CHỌN CÁC THƠNG SỐ TÍNH TỐN .20 2.2.1 Xây dựng mơ hình tốn .20 2.2.2 Đề xuất thơng số tính tốn cho đắp đất yếu 21 2.3 ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRONG TRƢỜNG HỢP KHÔNG SỬ DỤNG BỆ PHẢN ÁP .23 2.3.1 Kết phân tích hệ số ổn định đƣờng Kmin phần mềm Slope/W 23 2.3.2 Ảnh hƣởng thông số đặc trƣng đắp đất yếu đến ổn định đắp đất yếu .24 2.4 ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG TRƢỜNG HỢP CÓ SỬ DỤNG BỆ PHẢN ÁP 27 2.4.1 Ảnh hƣởng chiều cao bệ phản áp (h) đến hệ số ổn định Kmin .28 2.4.2 Ảnh hƣởng bề rộng bệ phản áp (b) đến hệ số ổn định Kmin 30 2.5 MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG TRƢỜNG HỢP KHƠNG VÀ CĨ XỬ LÝ BỆ PHẢN ÁP 35 2.5.1 Phân tích hồi qui tuyến tính đa biến (Regression Lineaire Multiple) .35 2.5.2 Mơ hình xác định hệ số ổn định đắp đất yếu trƣờng hợp không sử dụng bệ phản áp 36 2.5.3 Đề xuất mơ hình xác định kích thƣớc bệ phản áp độ dốc mái taluy đắp đảm bảo đắp đất yếu có hệ số ổn định nhỏ Kmin=1.4 37 2.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 40 CHƢƠNG ÁP DỤNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CƠNG TRÌNH ĐƢỜNG CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI,ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600 42 3.1 MỞ ĐẦU .42 3.2 GIỚI THIỆU DỰ ÁN .42 3.3 ĐẶC ĐIỂM ĐOẠN TUYẾN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600 43 3.3.1 Địa hình, địa mạo 43 3.3.2 Địa chất 43 3.4 CÁC YÊU CẦU VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ XỬ LÝ ỔN ĐỊNH (THEO HỒ SƠ THIẾT KẾ PHÊ DUYỆT) .44 3.4.1 Yêu cầu 44 3.4.2 Giải pháp thiết kế xử lý đƣợc áp dụng đoạn từ Km3+500 đến Km3+600 44 3.5 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƢỜNG VÀ ĐỀ XUẤT KÍCH THƢỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP .44 3.5.1 Xác định thơng số tính tốn đất yếu .44 3.5.2 Kiểm toán ổn định đƣờng trƣờng hợp chƣa bố trí bệ phản áp .45 3.5.3 Xác định độ dốc mái taluy (m) để đạt hệ số ổn định đƣờng Kmin=1,4 .48 3.5.4 Xác định kích thƣớc bệ phản áp b để đƣờng đạt Kmin=1,4 49 3.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .56 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Tên bảng Trang Các phƣơng pháp phân tích ổn định mái dốc theo phƣơng pháp cân giới hạn Thơng số đắp tại số dự án có xử lý đất yếu Thông số đất yếu tại số dự án Thông số đắp đất yếu đề xuất mơ hình tính tốn Ma trận tƣơng quan thơng số tính tốn Kết phân tích ANOVA Bảng tính tốn hệ số tƣơng quan bội R2 Tổng hợp số liệu khảo sát địa chất tại lỗ khoan Km3+515 Các chi tiêu lý lớp đất yếu đƣa vào tính tốn Tổng hợp kết phân tích xử lý ổn định đƣờng, ứng với Kmin= 1,4 Kết tính tốn tọa độ cung trƣợt (Xo; Yo) Kết tính tốn hệ số ổn định Kmin trƣờng hợp bố trí bệ phản áp theo mơ hình Shenbaca R Kaniraj Hasan Abdullah 10 21 22 23 26 36 39 43 45 51 52 53 DANH MỤC CÁC HÌ NH Số hiệu hình Tên hình Trang Cấu tạo bệ phản áp để tăng hệ số ổn định đƣờng 1.1 Mất ổn định đắp đất yếu 1.2 Các giải pháp xử lý đắp đất yếu 1.3 Phân tí ch ổn đị nh với nhiều cung trƣợt khác 1.4 Sơ đồ tí nh ổn đị nh theo phƣơng pháp phân mảnh 1.5 So sánh hệ số an toàn mái dốc giả định (Fredlund & Krahn, 1977) 10 1.6 Quan hệ ứng suất – biến dạng 12 1.7 Thuyết phá hoại Mohr - Coulomb đất 13 1.8 Ứng dụng bệ phản áp thiết kế ổn định đắp đất yếu (Pilot & Moreau, 1973) 15 1.9 Sử dụng bệ phản áp đƣờng cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 16 1.10 Mơ hình tính tốn ổn định đắp có sử dụng bệ phản áp 16 1.11 Ảnh hƣởng bệ phản áp đến độ ổn định mái dốc (Abramson 2002) 18 2.1 Mơ hình tốn tính tốn 21 2.2 Kết phân tích ổn định, trƣờng hợp Hđ=5m, Hy=10m, Cu=10kPa(Kmin =0.683) 23 2.3 Kết phân tích ổn định, trƣờng hợp Hđ=3m, Hy=4m, Cu=18kPa(Kmin =2,29) 24 2.4 Kết phân tích vịng trịn đơn vị tƣơng quan 25 2.5 Ảnh hƣởng chiều cao chiều rộng bệ phản áp đến hệ ổn định Kmin (trƣờng hợp mái dốc 1/1) 28 2.6 Ảnh hƣởng chiều cao chiều rộng bệ phản áp đến hệ ổn định Kmin (trƣờng hợp mái dốc 1/1,5) 29 2.7 Ảnh hƣởng chiều cao chiều rộng bệ phản áp đến hệ ổn định Kmin (trƣờng hợp mái dốc 1/2,0) 29 2.9 Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp Cu=8kPa mái dốc 1/m=1/1) 30 2.10 Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp Cu=8 kPa mái dốc 1/m=1/1,5) 31 Số hiệu Tên hình Trang Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp Cu=8 31 hình 2.11 kPa mái dốc 1/m=1/2) 2.12 Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp Cu=10 kPa mái dốc 1/m=1/1) 32 2.13 Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp 32 Cu=10 kPa mái dốc 1/m=1/1,5) 2.14 Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp Cu=10 kPa mái dốc 1/m=1/2) 33 2.15 Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp Cu=12 kPa mái dốc 1/m=1/1) 33 2.16 Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp 34 Cu=12 kPa mái dốc 1/m=1/1,5) 2.17 Quan hệ bề rộng b hệ số ổn định Kmin (trƣờng hợp Cu=12 kPa mái dốc 1/m=1/2) 34 2.18 So sánh Kmin từ mơ hình tính tốn đề xuất phần mềm Slope/W 37 2.19 So sánh kết m từ mơ hình đề xuất phần mềm Slope/W 38 2.20 So sánh kết tính tốn bề rộng b từ mơ hình phần mềm Slope/W (trƣờng hợp h=2,5m) 39 2.21 So sánh kết tính tốn bề rộng b từ mơ hình phần mềm Slope/W (trƣờng hợp h=2,0m) 39 2.22 So sánh kết tính tốn bề rộng b từ mơ hình phần mềm Slope/W (trƣờng hợp h=1,5m) 40 3.1 Tổng mặt tuyến cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 42 3.2 Mặt cắt ngang đƣờng cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 43 3.3 Quy đổi lớp đất yếu lớp đất tƣơng đƣơng 45 3.4 Hệ số ổn định đƣờng ứng với trƣờng hợp chƣa bố trí bệ phản áp 46 3.5 Độ dốc mái taluy đƣờng để đạt Kmin=1.4 (theo Slope/W) 48 3.6 Kết phân tích ổn định, trƣờng hợp chiều cao bệ phản áp h =1,5m 49 XÁC ĐỊNH KÍCH THƢỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU VÀ ÁP DỤNG XỬ LÝ CHO TUYẾN CAO TỐCĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI, ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600 Học viên: Thân Văn Chinh Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCTGT Mã số: 60580205 Khóa: 2015 - 2017 Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt –Luận văn trình bày kết phân tíchảnh hƣởng thơng số đắp, đất yếu kích thƣớc bệ phản áp (chiều rộng, chiều cao)đến hệ số ổn định Kmincủa đƣờng đắp đất yếu.Dựa kết quảphân tích thành phần (PCA) phân tích hồi qui đa biến, luận văn xây dựng mơ hình cho phép tính toán nhanh hệ số ổn định Kmin trƣờng hợp đắp đất yếu có mái dốc 1/1,5; đƣa khuyến nghị kích thƣớc sử dụng hợp lý bệ phản ápvà mơ hình tính tốn xác định sơ kích thƣớc bệ phản áp,đảm bảo đƣờng đạt hệ số ổn định Kmin=1,4 dựa thông số chiều cao đắp (Hđ), dung trọng đất đắp (đ), lực dính khơng nƣớc (Cu) chiều dày lớp đất yếu (Hy) Kết có ý nghĩa thực tế, giúp cho kỹ sƣ thiết kế đánh giá nhanh điều kiện ổn định đắp, đồng thời đƣa giải pháp thiết kế bệ phản áp cách nhanh chóng, hợp lý mà khơng cần phần mềm tính tốn phức tạp.Kết nghiên cứu đƣợc vận dụng xử lý cho đắp đất yếu đoạn từ Km3+500 đến Km3+600 tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi Từ khóa: bệ phản áp, hệ số ổn định, đất yếu, đắp, phần mềm Slope/W DETERMINING PROPER DIMENSIONS OF BERM INDESIGNINGSTABLE EMBANKMENT ON SOFT SOIL AND APPLYING INTO DA NANG – QUANG NGAI EXPRESSWAY, SECTION FROM KM3+500 TO KM3+600 Abstract:The thesis presents results of the analysis on theeffectofparameters embankment, soft soiland berm’s dimensions (width, height) towards the stability coefficient Kmin of embankment on soft soil On that basis,creates the models for quick calculation of the stability coefficientKmin in case slope is designed as 1/1,5;gives recommendations on the proper size for the berm used in case slope is designed as 1/1,5 and creates models for quick determination of counterweight berm’s dimensions with stability coefficient Kmin=1.4 based on parameters: embankment height (Hđ), density of embankment soil (đ), undrained adhesion (Cu) and the thickness of the soft soil (Hy) The result has practical meaning, helping the design engineers to come up with solutions of designing berm quickly and properly without using complicated calculation softwears The study results are applied to treat embankment on soft soil, section from Km3+500 to Km3+600, Da Nang – Quang Ngai Expressway Keywords:berm, stability coefficient, soft soil, embankment, Slope/W 52 Bảng 3.4.Kết tính tốn tọa độ cung trượt (Xo; Yo) Giải pháp xử lý Chiều rộng Hệ số bệ phản áp, k1 b (m) Hệ số k2 Hệ số  Hệ số  Tọa độ Xo Tọa độ Yo Bệ phản áp h= 1,5m 29,80 0,30 5,96 16,01 4,45 -5,19 70,22 Bệ phản áp h= 2,0m 27,60 0,40 5,52 17,05 4,65 -7,29 73,46 Bệ phản áp h= 2,5m 27,00 0,50 5,40 18,63 4,96 -9,75 78,36 - Tổng momen giữ (Mr) đƣợc xác định theo công thức (2-2); (2-3) (2-4): M r  M re  M rf   M re  1,53(c  . H tan  ) ( D  H ) 0,53  D 0,53 Y01, 47 M rf  3,06.ca D0,53.Y01, 47 Trong đó: c - Lực dính đắp, c=24,2kPa;  - Dung trọng đất đắp, =17,9 kN/m3;  - Góc nội ma sát đất đắp, =22,7o; Ca: Lực dính đất yếu, Ca=12,67kPa;  - Xác định theo công thức (2-5),   0,19  0,02.n D H Với D  0,5 H - Momen gây trƣợt (M0) cho công thức (2-6),(2-7), (2-8): M  M oe  M ob M oe   H  X o (nH  X o )   (n.H ) H H H2  2Yo ( D  )  ( D  )  2 12  é (k - nK1 ).H ù M ob= Wb.ê + Xo ú ë û Với Wb trọng lƣợng bệ phản áp, Wb=k1.k2..H2 - Hệ số ổn định đƣờng Kmin đƣợc xác định theo cơng thức (2-1) K Mr Mo Kết tính toán hệ số ổn định đƣờng trƣờng hợp có bố trí bệ phản áp cho trƣờng hợp tính tốn thể bảng 3.5 53 Bảng 3.5 Kết tính tốn hệ số ổn định Kmin trường hợp bố trí bệ phản áp theo mơ hình Shenbaca R Kaniraj Hasan Abdullah Giải pháp Mre Mrf Mr Moe Mob Mo Kmin  xử lý (KN.m) (KN.m) (KN.m) (KN.m) (KN.m) (KN.m) Bệ phản áp 0,20 20436,34 68400,10 88836,43 68199,40 6869,12 61330,29 1,45 h= 1,5m Bệ phản áp h= 2,0m 0,20 24012,93 73089,16 69975,21 4950,28 65024,93 1,49 Bệ phản áp h= 2,5m 0,20 21837,32 80370,92 102208,23 72802,24 2265,47 70536,77 1,45 97102,09 Nhận xét:Kết tính tốn hệ số ổn định Kmin theo mơ hình tính tốn tác giảShenbaca R Kaniraj Hasan Abdullah [8]khi bố trí bệ phản áp với kích thƣớc h=1,5m; 2m;2,5mđều cho thấy đƣờng đảm bảo ổn định (Kmin>1,4) Các kết tính tốn so với phần mềm Slope/W có sai khác khơng lớn 3.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG Luận văn sử dụng mơ hình đề xuất để tính tốn hệ số ổn định Kmin trƣờng hợp không xử lý bệ phản áp mô hình xác định độ dốc mái taluy, kích thƣớc bệ phản áp để đảm bảo đắp đạt hệ số ổn định Kmin=1,4 Kết tính tốn mơ hình đề xuất đƣợc so sánh với kết tính tốn theo phƣơng pháp đề xuất tác giả S.R Kaniraj H Abdullah (1993) kết phân tích phần mềm Slope/W Sai khác kết tính tốn đạt đƣợc khơng lớn, điều cho phép kỹ sƣ bƣớc thiết kế sơ sử dụng mơ hình đề xuất để dự báo nhanh hệ số ổn định đƣờng, nhƣ xác định kích thƣớc bệ phản áp (trong trƣờng hợp cần xử lý bệ phản áp) để đảm bảo đạt đƣợc hệ số ổn định Kmin=1,4 mà không cần thiết sử dụng phần mềm để phân tích 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Ứng dụng bệ phản áp xử lý ổn định đắp đất yếu biện pháp đơn giản thiết kế đƣờng đắp đất yếu Trong trƣờng hợp điều kiện thi công cho phép (không xét ảnh hƣởng độ lún, diện thi công cho phép), trƣờng hợp cần tăng áp lực (chiều cao) đắp để đẩy nhanh tốc độ cố kết, giải pháp nên nghiên cứu lựa chọn Việc nghiên cứu ảnh hƣởng thông số đắp đất yếu đến hệ số ổn định đƣờng, từ xây dựng mơ hình cho phép xác định nhanh hệ số ổn định đƣờng, xác định kích thƣớc bệ phản áp sử dụng thiết kế xử lý đất yếu cóý nghĩa thực tiễn, giúp kỹ sƣ thiết kế xác định sơ đề xuất phƣơng án tối ƣu Kết nghiên cứu luận văn phạm vi tốn đắp có chiều cao Hđ