Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng của hào bentonite chống thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian dài tập trung nghiên cứu làm việc nghiêm túc, tác giả hoàn thành luận văn thời hạn theo quy định nhà trường giao Có kết trên, trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái dành nhiều thời gian, tâm huyết, tận tình hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn giảng viên khoa sau Đại học, trường Đại học Thủy lợi tận tình giảng dạy, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức tới tác giả suốt trình học tập Đại học trình học Cao học Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban giám đốc Sở NN&PTNT Nghệ An, Phịng QLXD cơng trình tạo điều điện thuận lợi thời gian để tác giả có thời gian nghiên cứu hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến Gia đình ni dưỡng, động viên tạo điều kiện tốt cho tác giả học tập nghiên cứu Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, người ln nhiệt tình giúp đỡ tác giả để hoàn thành tốt luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2012 Vũ Quý Phát LỜI CAM KẾT Tên là: Vũ Quý Phát Học viên lớp: 18C21 Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố công trình khoa học Tác giả luận văn Vũ Quý Phát MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 1.1 Vai trò nguồn nước đập đất 1.2 Các cố công trình dịng thấm gây 1.3 Những biện pháp chống thấm xây dựng cơng trình 1.3.1 Chống thấm thân đập 1.3.2 Chống thấm cho đập 10 1.4 Những biện pháp chống thấm cho cơng trình xây dựng 12 1.4.1 Chống thấm cho đập đất vải địa kỹ thuật 12 1.4.2 Chống thấm công nghệ khoan chống thấm 13 1.4.3 Chống thấm công nghệ tường hào Bentonite 17 1.4.4 Công nghệ chống thấm tường hào đất-bentonite…………… 20 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỨNG SUẤT- BIẾN DẠNG TƯỜNG HÀO ĐẤT - BENTONITE 27 2.1 Trạng thái ứng suất- biến dạng hào đất- bentonite đất 27 2.1.1 Trạng thái ứng suất chỗ đất đắp từ hỗn hợp đất-bentonite 27 2.1.2 Biến dạng Tường chống thấm đất-bentonite phần đất xung quanh 32 2.2 Các phương pháp tính tốn ứng suất- biến dạng 37 2.3 Giải toán ứng suất- biến dạng phương pháp PTHH 38 2.3.1 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn 38 2.3.2 Giải toán US - BD cố kết phương pháp PTHH 38 2.4 Các mơ hình vật liệu phương pháp PTHH 48 2.4.1 Mơ hình đàn hối tuyến tính 48 2.4.2 Mơ hình Mohr – Coulomb (mơ hình dẻo tuyệt đối) 49 2.4.3 Mơ hình đất mềm (soft – soil) 49 2.4.4 Mơ hình Hardening soil (Mơ hình tăng bền kép) 49 2.4.5 Mơ hình tương tác tường hào đất PP PTHH 51 2.5 Lựa chọn mơ hình vật liệu tính toán 51 2.6 Lựa chọn phần mềm tính tốn 51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG HÀO ĐẤT- BENTONITE 52 3.1 Đặt vấn đề 52 3.2 Ảnh hưởng bề rộng hào đến ứng suất- biến dạng hào đấtbentonite trình cố kết 52 3.2.1 Mặt cắt điển hình tính tốn 52 3.2.2 Chỉ tiêu lý tính tốn 53 3.2.3 Mơ hình hóa bước tính tốn tổ hợp 54 3.2.4 Kết tính tốn 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 KẾT LUẬN 82 NHỮNG HẠN CHẾ 83 KIẾN NGHỊ 83 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự cố thấm mái hạ lưu đập Am Chúa- Khánh Hịa Hình 1.2 Mạch sủi hạ lưu đập Am Chúa- Khánh Hòa Hình 1.3 Sình lầy thấm hạ lưu đập Kim Sơn- Hà Tĩnh Hình 1.6 Đập đất đồng chất có tường 10 Hình 1.7 Đập có tường nghiêng chân răng, tường lõi chân 11 Hình 1.8 Chống thấm cho cọc 11 Hình 1.9 Chống thấm tường nghiêng sân phủ 12 Hình 1.10 Chống thấm vải địa kĩ thuật 13 Hình 1.11 Ngun lý số cơng nghệ khoan chống thấm 14 Hình 1.12 Phạm vi ứng dụng loại khoan 14 Hình 1.13 Sơ đồ khoan có nút bịt 15 Hình 1.14 Thi công cọc xi măng đất 16 Hình 1.16 Thi cơng hào chống thấm 20 Hình 1.17 Một số cơng trình hào đất- bentonite xây dựng 23 Hình 2.1 Ảnh hưởng áp lực cố kết đến hệ số thấm 27 Hình 2.2 Đồ thị ứng suất theo chiều sâu hào 29 Hình 2.3 Biến dạng thi cơng tường hào 32 Hình 2.4 Lún lân cận thi công tường hào (Cowland and Thorley 1985) 34 Hình 2.5 Ứng suất hiệu hào đất theo chiều rộng 37 Hình 2.6 Các điều kiện biên 41 Hình 2.7 Sơ đồ xác định lượng nước thấm qua biên 46 Hình 3.1 Mơ hình sử dụng plaxis tính tốn 53 Hình 3.2 Mơ hình lưới phần tử tính tốn 55 Hình 3.3 Phát sinh áp lực lỗ rỗng ban đầu 55 Hình 3.4 Phát sinh ứng suất hiệu ban đầu 56 Hình 3.5 Lưới chuyển vị hào B=,12m sau cố kết 30 ngày 57 Hình 3.6 Chuyển vị đứng hào B=1,2m sau cố kết 30 ngày 57 Hình 3.7 Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kêt 30 ngày 58 Hình 3.8 Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kết 30 ngày 58 Hình 3.9 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,2m sau cố kết 30 ngày 59 Hình 3.10 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,2m sau cố kết 30 ngày 59 Hình 3.11 Lưới chuyển vị hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày 60 Hình 3.12 Chuyển vị đứng hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày 60 Hình 3.13 Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kêt 60 ngày 61 Hình 3.14 Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày 61 Hình 3.15 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày 62 Hình 3.16 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày 62 Hình 3.17 Lưới chuyển vị hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày 63 Hình 3.18 Chuyển vị đứng hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày 63 Hình 3.19 Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kêt 90 ngày 64 Hình 3.20 Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày 64 Hình 3.21 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày 65 Hình 3.22 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày 65 Hình 3.23 Lưới chuyển vị hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày 66 Hình 3.24 Chuyển vị đứng hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày 66 Hình 3.25 Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kêt 180 ngày 67 Hình 3.26 Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày 67 Hình 3.27 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày68 Hình 3.28 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày 68 Hình 3.29 Chuyển vị mặt hào B=0,9m theo thời gian…………………… …69 Hình 3.30 Chuyển vị mặt hào B=1,2m theo thời gian 72 Hình 3.31 Chuyển vị mặt hào B=1,5m theo thời gian 73 Hình 3.32 Chuyển vị mặt hào B=1,8m theo thời gian 75 Hình 3.33 Ứng suất, chuyển vị hào sau thời gian cố kết 30 ngày 76 Hình 3.34 Ứng suất, chuyển vị hào sau thời gian cố kết 60 ngày 77 Hình 3.35 Ứng suất, chuyển vị hào sau thời gian cố kết 90 ngày 78 Hình 3.36 Ứng suất, chuyển vị hào sau thời gian cố kết 180 ngày 79 Hình 3.37 Kết quan trắc lún…………………………………………………80 Hình 3.38 Ứng suất hiệu thẳng đứng tính tốn theo cơng thức (2.2)….80 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thống kê số cơng trình tường hào đất - bentonite 21 Bảng 3.1 Chuyển vị hào B=0,9m cố kết theo thời gian 69 Bảng 3.2 Ứng suất hiệu hào B=0,9m cố kết theo thời gian 70 Bảng 3.3 Chuyển vị hào B=1,2m cố kết theo thời gian 71 Bảng 3.4 Ứng suất hiệu hào B=1,2m cố kết theo thời gian 71 Bảng 3.5 Chuyển vị hào B=1,5m cố kết theo thời gian 72 Bảng 3.6 Ứng suất hiệu hào B=1,5m cố kết theo thời gian 73 Bảng 3.7 Chuyển vị hào B=1,8m cố kết theo thời gian 74 Bảng 3.8 Ứng suất hiệu hào B=1,8m cố kết theo thời gian 74 PHẦN MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Đập vật liệu địa phương loại hình ngăn sông sử dụng phổ biến nước ta toàn giới Tận dụng nguồn vật liệu sẵn có phổ biến khu vực xây dựng cơng trình, giá thành xây dựng rẻ nhiều so với loại hình ngăn sơng khác Trong q trình khai thác sử dụng số đập xuất số cố, hư hỏng, ổn định cơng trình Có nhiều ngun nhân dẫn đến cố, hư hỏng đập đất đầm nén không tốt, sử lý tiếp giáp kém, thiết bị thoát nước bị hỏng, ảnh hưởng dòng thấm… Theo báo cáo tổng kết giới, cơng trình thuỷ lợi làm vật liệu địa phương bị hư hỏng dòng thấm gây nguyên nhân lớn chiếm khoảng 35 ÷ 40% tổng số nguyên nhân gây hư hỏng Vì việc sử lý thấm cho đập, lúc thiết kế lúc sửa chữa đóng vai trị quan trọng đảm bảo cho hoạt động hiệu an toàn đập Những năm gần đây, có nhiều biện pháp chống thấm áp dụng cho cơng trình thuỷ lợi nói chung cơng trình đập đất nói riêng, khắc phục thấm tương đối tốt vấn đề đặt ra, đáp ứng yêu cầu kĩ thuật kinh tế Trong cần phải kể đến cơng nghệ tường chống thấm thi công biện pháp đào hào dung dịch Bentonite Công nghệ tạo nên hố móng hẹp dài sâu, vách hố móng giữ ổn định dung dịch Bentonite Ở nước ta số đập đập Dầu Tiếng, Am chúa, Iakao, Easoup-Đắk Lắc, Dương Đông-Kiên Giang… sử lý chống thấm công nghệ cho hiệu chống thấm tốt giá thành hợp lý Tuy nhiên tất cơng trình tường chống thấm thi công biện pháp đào hào dung dịch Bentonite thi công nước ta từ năm 1999 (thời điểm cơng trình nước ta áp dụng công nghệ thi công tường chống thấm biện pháp đào hào dung dịch Bentonite) thiết kế hay kiểm tra chất lượng dựa theo kinh nghiệm hay số liệu cơng trình có nước ngồi số cơng trình nước Điều gây nhiều khó khăn công tác thiết kế, thi công công tác đánh giá kiểm định chất lượng tường chống thấm Hiện công tác thiết kế, nâng cấp, sửa chữa nhằm mục tiêu an toàn hồ đập phạm vi nước trọng Việc ứng dụng công nghệ xây dựng tường hào chống thấm Bentonite có tính khả thi hiệu cao Do đặt vấn đề cần có nghiên cứu đầu tư kĩ lưỡng, đề xuất biện pháp tiêu chuẩn thiết kế, thi cơng thích hợp đơn giản u cầu thiết II Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng hào q trình thi cơng tường chống thấm đất – bentonite Tính tốn phân tích kết quả, lập bảng biểu đồ thị giúp cho người thiết kế lựa chọn nhanh thông số kỹ thuật hợp lý - Ứng dụng tính tốn cho cơng trình cụ thể III Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu: Trình tự thiết kế, thi cơng, cấp phối vật liệu, kích thước tường hào số cơng trình xây dựng - Ứng dụng phần mềm Plaxis V8.5 tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng cho tổ hợp khác IV Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Áp dụng cơng nghệ kết hợp máy tính để giải vấn đề ứng suất biến dạng vách hào phục vụ công tác thiết kế, thi công - Tiếp cận với công nghệ áp dụng vào thực tiễn xây dựng mới, nâng cấp sửa chữa cơng trình nước ta Hình 2.3 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,5m sau cố kết 30 ngày ỨN G S U ẤT H I ỆU Q U Ả T H ẲN G ĐỨN G C Ố K ẾT N G À Y ứng s u ất ( KN / m -50 -40 -30 -20 -10 -2 -4 M /c sát hào M /c hào -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 H ( m) Hình 2.4 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,5m sau cố kết 30 ngày Hình 2.5 Lưới chuyển vị hào B=1,5m sau cố kết 60 ngày H (m ) BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 60 NGÀY -0.1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 M/c sát hào M/c 1/4 hào -4 M/c hào -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 Uy (m ) -22 Hình 2.6 Chuyển vị đứng hào B=1,5m sau cố kết 60 ngày Hình 2.7 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,5m sau cố kết 60 ngày ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 60 NGÀY ứng suất ( KN / m2 ) -50 -40 -30 -20 -10 M /c sát hào -2 M /c hào -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 H ( m) Hình 2.8 - B=1,5m sau cố kết 60 ngày Hình 2.9 Lưới chuyển vị hào B=1,5m sau cố kết 90 ngày BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 90 NGÀY H (m) -0.1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 M/c sát hào M/c 1/4 hào -4 M/c hào -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 Uy (m) -22 Hình 2.10 Chuyển vị đứng hào B=1,5m sau cố kết 90 ngày Hình 2.11 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,5m sau cố kết 90 ngày ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 90 NGÀY ứng suất (KN/m 2) -50 -40 -30 -20 -10 0 -2 -4 M /c sát hào M /c hào -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 H (m ) Hình 2.12 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,5m sau cố kết 90 ngày Hình 2.13 Lưới chuyển vị hào B=1,5m sau cố kết 180 ngày BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 180 NGÀY H (m ) -0.1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -4 -6 -8 M/c sát -10 M/c 1/4 -12 M/c -14 -16 -18 -20 Uy (m ) -22 Hình 2.14 Chuyển vị đứng hào B=1,5m sau cố kết 180 ngày Hình 2.15 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,5m sau cố kết 180 ngày ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 180 NGÀY ứng suất (KN/m 2) -50 -40 -30 -20 -10 0 -2 -4 M / c sát hào M / c hào -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 H (m ) Hình 2.16 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,5m sau cố kết 180 ngày 3) Trường hợp B=1,80m Hình 3.1 Lưới chuyển vị hào B=1,8m sau cố kết 30 ngày CHUYỂN VỊ THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 30 NGÀY H (m) -0.1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -4 -6 m/c sát hào -8 M/c hào -10 M/c 1/4 hào -12 -14 -16 -18 -20 Uy (m) -22 Hình 3.2 Chuyển vị đứng hào B=1,8au cố kết 30 ngày Hình 3.3 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,8m sau cố kết 30 ngày ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 30 NGÀY ứn g su ất ( K N / m M /c sát hào -50 -40 - 30 -20 - 10 -2 -4 M /c hào -6 -8 - 10 - 12 - 14 - 16 - 18 - 20 - 22 H ( m) Hình 3.4 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,8m sau cố kết 30 ngày Hình 3.5 Lưới chuyển vị hào B=1,8m sau cố kết 60 ngày H (m) CHUYỂN VỊ THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 60 NGÀY -0.1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -4 -6 M/c sát hào -8 M/c 1/4 hào -10 M/c hào -12 -14 -16 -18 -20 Uy (m) -22 Hình 3.6 Chuyển vị đứng hào B=1,8m sau cố kết 60 ngày Hình 3.7 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,8m sau cố kết 60 ngày ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 60 NGÀY ứng su ất ( KN / m -50 -40 -30 -20 -10 -2 M /c sát hào -4 -6 M /c hào -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 H ( m) Hình 3.8 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,8m sau cố kết 60 ngày Hình 3.9 Lưới chuyển vị hào B=1,8m sau cố kết 90 ngày ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 90 NGÀY ứng su ất ( KN / m M / c sát hào -50 -40 -30 -20 -10 -2 M / c hào -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 H ( m) Hình 3.10 Ứng suất tổng σy hào B=1,8m sau cố kết 90 ngày Hình 3.11.Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,8m sau cố kết 90 ngày ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 90 NGÀY ứng su ất ( KN / m M / c sát hào -50 -40 -30 -20 -10 -2 M / c hào -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 H ( m) Hình 3.12 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,8m sau cố kết 90 ngày Hình 3.13 Lưới chuyển vị hào B=1,8m sau cố kết 180 ngày BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 180 NGÀY H (m) -0.1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 M/c sát hào -4 M/c 1/4 hào -6 M/c hào -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 Uy (m) -22 Hình 3.14 Chuyển vị đứng hào B=1,8m sau cố kết 180 ngày Hình 3.15 Ứng suất hiệu thẳng đứng hào B=1,8m sau cố kết 180 ngày ỨN G S U ẤT H I ỆU Q U Ả T H ẲN G ĐỨN G C Ố K ẾT 18 N G À Y ứng s u ất ( KN / m -50 -40 -30 -20 -10 -2 M /c sát hào -4 M /c hào -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 H (m) Hình 3.16 Ứng suất hiệu σ'y hào B=1,8m sau cố kết 180 ngày ... tốn phương pháp PTHH chương 2.2 Các phương pháp tính tốn ứng suất- biến dạng Có nhiều phương pháp để nghiên cứu trạng thái ứng suất -biến dạng đập như: Phương pháp Sức bền vật liệu, phương pháp. .. hồi, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp thí nghiệm mơ hình Giới hạn luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - PTHH) để giải toán ứng. .. TÍNH TỐN ỨNG SUẤT- BIẾN DẠNG TƯỜNG HÀO ĐẤT - BENTONITE 2.1 Trạng thái ứng suất- biến dạng hào đất- bentonite đất 2.1.1 Trạng thái ứng suất chỗ đất đắp từ hỗn hợp đất -bentonite Trạng thái ứng suất