Bài giảng địa kỹ thuật công trình và phương pháp luận thiết kế

Trờng đại học thuỷ lợi Môn học tự chọn ịa kỹ thuật công trènh Phơng pháp luận thiết kế GS Nguyễn Công Mẫn PLAXIS FINITE ELEMENT CODES ịa kỹ thuật công trỡnh phơng pháp luận thiết k a k thut Khái niệm đặc điểm ủất - ủá xây dựng Khái quát phát triển khoa học trái đất đặc điểm phát triển KT Công trỡnh xây dựng Phơng pháp luận tiếp cận thiết kế KT Tam giác a học Burland Vai trò máy tính phần mềm chuyên dùng (MH số ) đào tạo, sn xuất phát triển KT Tác nhân gây tác động ĐC ngoại động lực Khái niệm đặc điểm ủất - ủá xây dựng Sơ đồ trỡnh biến đổi ủất - ủá Nâng cao xói mòn Phân biệt đất đá Môi trờng phong hoá ã Vỏ trái đất dày: 30 40km lục địa, gấp 6-8 lần chiều dày vỏ đáy đại dơng ã Hoạt động ngời đạt tới 2km: 75% đá thứ sinh, 25% macma Từ 2-15km: 95% macma, 5% đá thứ sinh Chôn vùi sâu macma xâm nhập Môi trờng nhiệt thiêu biến chất Xói mòn Vận chuyển Trầm tích Vr thể tích rỗng Vn thể tích nớc Vk - thĨ tÝch khÝ V – tỉng thĨ tÝch Vr Vk Vr Môi trờng trầm tích V Vn Vh ã Đất đợc tạo nên khoảng vài trăm met sâu, nhiều TH khó phân biệt đá mềm đất cứng ã Trong xây dựng, phân biệt đá đất: quy ớc Môi trờng thuỷ nhiệt tạo đá Vh Chôn vùi Nung nóng Đá Đất Vr n% = ì 100% V Đá: n 1% ữvài chục %; Đất: n = 50% ữ60% Hydrothermal deposit A mineral deposit formed by precipitation of ore and gangue minerals in fractures, faults, breccia openings, or other spaces, by replacement or open-space filling, from watery fluids ranging in temperature from 500 to 7000C but generally below 4000C, and ranging in pressure from to kilobars The fluids are of diverse origin Alteration of host rocks is common ( 1bar = 10-4 kG/cm2) ðÊt - ð¸: vËt liƯu tù nhiên - lịch sử ã ã ã ã ất - đá biến đổi theo môi trờng xung quanh, khó định ranh giới thật rõ ràng gia chúng tiêu chuẩn đơn gin Theo quy ớc chia ủất ủá Tính đặc ( n %) cờng độ liên kết gia hạt khoáng vật ( độ cứng ) đặc trng để phân biệt Trong trỡnh sử dụng, đất đá tiếp tục biến đổi theo môi trờng xung quanh tác động ngời ất - có khác nhau, nhng nghiên cứu chúng, dùng PP tơng tự (Tam giác Cơ học đất Burland ) Sự tơng tác gia môi trờng ủất - ủá với công trỡnh xây dựng, tuỳ thuộc khác tính chất gia vật liệu công trỡnh ủất - ủá cần đợc xem xét nghiêm túc Khái quát phát triển khoa học trái đất Khí Thuỷ Thạch Nội Địa chất học Nguồn gốc Lịch sử phát triển Cấu trúc Quá trình Địa chất Các KH trái đất - Xu phân ngành Khoáng vật học - Thạch học - Thổ nhỡng - Địa mạo - Kiến tạo - Khí tợng Địa vật lý - Địa chấn - Thuỷ văn - Địa chất TV - ĐC công trình (1929) Cơ học Đất (1925) - Cơ học Đá (1957) Xu liên ngành Địa kỹ thuật - Địa kỹ thuật Công trình - Địa kỹ thuật Môi trờng (Geoenviro Engineering)- Địa học - Địa Cơ học ứng dụng - Đá Công trình (Rock Engineering) -Thuỷ Địa học - Địa chất Môi trờng ( Environ Geology6 ) Từ đơn ngành đến liên ngành ã G phát triển đơn ngành: Tỡm hiểu bn chất vật chất vỏ trái đất Cơ học đất (1925) Cơ học ủá (1957) đợc hỡnh thành riêng biệt, theo cấu trúc nội dung không giống nhau, nhằm đáp ứng yêu cầu thiết kế xây dựng công trỡnh giai đoạn đầu phát triển ã GĐ phát triển đa ngành: Đánh giá tổng thể tơng tác công trình môi trờng đất - đá, bảo đảm công trình xây dựng làm việc bình thờng môi trờng phát triển bền vững, cần gộp số nội dung số môn học có liên quan liên môn (Interdiscipline) ã Địa kỹ thuật công trình (Geotechnical Engineering) Quan trọng xây dựng công trình: 30% cố công trình xảy có nguồn gốc từ sai sót mặt ĐKT Các môn học liên ngành thuộc KH trái đất ã Geotechnics The application of Scientific methods & engineering principles to the acquisition, interpretation & use of knowledge of materials of the Earth’ s Crust ( Soil - Rock ) for the solution of engineering problems: the applied science of making the Earth more habitable It embraces the fields of S.M and R.M, & many of the engineering aspects of Geology, Geophysics, Hydrology and related sciences; (Glossary of Geology - Robert L Bates & Julia A Jackson -1987) ã KTCT liên môn học, áp dụng nhng nguyên lý bn Cơ học đất, Cơ học đá, Kỹ thuật xây dựng móng công trỡnh , để gii vấn đề thiết kế, thi công, sử lý - ci tạo loại công trỡnh xây dựng, khai thác tài nguyên thiên nhiên, đặt trên, trong, tơng tác với môi trờng đất đá ( Nguyễn Công Mẫn, 1997) ã Geotechnical Engineering is the application of the sciences of Soil Mechanics and Rock Mechanics, Engineering Geology and other related disciplines to Civil engineering construction, the attractive industries and the preservation and enhancement of the environment (Ground Engineering, Nov 1999British Geot Assoc) Các môn học liên ngành thuộc KH trái đất ã Geomechanics ( Geo – Mechanics) - Science du composant mecanique de l’ ecorce terrestre et des processus de son developpement causes par differentes sollicitations physiques naturelles - temperature: refroidissement et chauffage, mÐcanique: attraction de la Terre et des Corps celestes, forces centrifuges causees par le tournement de la Terre ( Grande Encyclopedie Sovietique – 1971) • Applied Geomechanics - Matiere interdisciplinaire, qui peut remplacer la M des Sols et M des Roches pour etudier quantitativement des processus mecaniques et physico-chimique ( contrainte, deformation, rupture, ) dans les couches superficielles de l’ecorce terrestre, provenant essentiellement des facteurs anthropiques et naturels afin de servir la construction de Genie Civil et de l’extraction miniere (N.C.Man - 1986 - Cours de Geomecanique appliquee - Universite d Agostinho Neto- Angola) Các môn học liên ngành thuộc KH trái đất ã Environmental Geology (Geoecology)- The application of geologic principle & knowledge to problems created by Man’ occupancy & exploitation of the physical environment It invoves studies of hydrology,topography, engineering geology, and economic geology, and is concerned with Earth processes, Earth resources and engineering properties of Earth materials It involves problems concerned with construction of buildings & transportation facilities, safe disposal of solid & liquid wastes, management of water resouces, evaluation & mapping of rock & mineral resources & long-range physical planning & development of the most efficient & beneficial use of the land ( Glossary of Geology -1987 ) 10 Ví dụ áp dụng phần mềm ĐKT học tập, nghiên cứu phục vụ sản suÊt SEEP/W - Thấm tường cừ d/2 A T−êng cõ B h=0 5m E F G d = 4m d 10m Phân bố JV dọc theo DD 0,7m D D JV K = 6,5x10-5 m/sec C D Tầng không thÊm D C JV JV TN Craig (1995) d/2 = 2m PHẦN MỀM SEEP/W Tương tự định tính cho thơng số định lượng đầy đủ 72 VÝ dụ áp dụng phần mềm ĐKT học tập phục vơ s¶n st SEEP/W - Thấm tường cừ XY-Gradient vs Distance 0.4 T−êng cõ 0.3 d = 4m XY-Gradient 5m 0,7m 10m 0.1 D K= D 6,5x10-5 0.2 0.0 m/sec 10 15 Distance Đờng phân bố gradien thấm dọc theo mặt đáy hố đào Tầng không thấm 15 11 13 13.5 14 12.5 12 11 14 Elevation 12 0 10 15 20 25 Distance Hệ đờng thấm đờng đẳng ¸p 30 1.Phù hợp với TN mơ hình Craig; SEEP/W cho thơng số dịng thấm đầy đủ, ñịnh lượng; TN MH VL, PP tương tự ñiện khơng cần thiết 73 VÝ dơ ¸p dụng phần mềm ĐKT học tập phục vụ sản suÊt SIGMA/W - Phân bố Ư.S - B.D TH có lớp cứng nằm AS thẳng đứng dọc đáy móng D = 10m p = 100kPa Y-Total Stress vs Distance A B E2= x107 kPa µ2 = 0,30 Tầng đá cứng 150 100 100 Y-Total Stress E1 = x103 kPa µ1 = 0,42 Y-Total Stress H = 5m Tầng đất Y-Total Stress vs Distance 150 50 50 Có lớp cứng Nền đồng chất -50 -50 Distance 10 Distance ƯS thẳng ñứng dọc trục qua tâm Y-Total Stress vs Distance 10 10 8 Distance Distance Y-Total Stress vs Distance TËp trung øng suÊt líp mỊm n»m trªn 4 2 Cã líp cøng 40 NỊn ®ång chÊt 60 80 Y-Total Stress 100 120 40 60 80 Y-Total Stress 100 120 74 10 Ví dụ áp dụng phần mềm §KT häc tËp phơc vơ s¶n st SIGMA/W - Phân bố Ư.S - B.D TH có lớp cứng nằm Y-Displacement vs Distance -0.00 §ång chÊt -0.10 -0.15 -0.20 10 Distance Chun vÞ thẳng đứng dọc đáy móng 100 80 90 70 40 E=40.000.000 kPa µ=0.3 0 10 15 20 Distance 10 100 E=3000 kPa µ=0.42 80 70 10 Y-Displacement -0.05 20 10 50 20 50 30 60 30 Distance E=3000 kPa µ=0.42 Cã líp cøng 40 90 10 10 -0.15 60 -0.10 10 Elevation Y-Displacement -0.05 Đẳng ứng suất vectơ chuyển vị Elevation Có lớp cứng 0.00 Biến dạng chủ yếu xảy líp mỊm Y-Displacement vs Distance 0.05 NỊn ®ång chÊt 0 10 15 20 Distance 75 SLOPE/W - SEEP/W ghép đôi thiết kế xử lý trợt đê La Giang HT GS N.C.Mẫn ã N m 1996, đê đ ợc nnâng âng cao rrộng: ộng: Nm đợc cao,, m më ∆ H = 8,72m - 8,50m = 0,22m; ∆ B = 4m - 2m = 2m ∆H ∆B →m ë rréng éng vvỊ Ị ph Ýa ss«ng «ng vvíi ới độ ddốc ốc m m = mở phía mái ã Gi a th 5/97 ho àn th ành, 18/5 tr ợt qua llớp ớp Gia tháng hoàn thành, trợt đđất ất yyếu: ếu: đđoạn oạn ddài µi → kho ảng 120m, chi Òu rréng éng vvÕt Õt khoảng chiỊu nnøt øt ®®Ønh Ønh > 1m, ®®Êt ất ch ân đê ph ía đđồng ồng nnâng âng cao chân phía 2,50m đđoạn oạn ddài ài vu ông ggóc óc vvới ới tr ục đê vuông trục kho ảng 10 - 15m khoảng 76 Sù cè cha coi trng v ĐKT Sử lý trợt đê La Giang Hà Tĩnh Tháng - 1996 Phần mềm SLOPE/W Nứt chân đê Đỉnh đê dài:10-15m ; đẩy trồi-2,50m Nhìn ngang rộng > 1m Nhìn dọc : dài 120m 77 Sơ đồ mặt cắt đê sau xử lý 20 Seminar on Geotechnical Engineering - University of Saskatchewan - Canada - July 1998 LA GIANG DYKE Cross Section II-II After being filled in 1996 River Side Slope Stability Verification Designer : Eng N.H Nam Advisor : Prof N.C Man Software used: SLOPE/W -SEEP/W Version SOIL PROPERTIES Method: Morgenstern-Price - Figure 11 35 30 25 20 FS = 0,753 Elevation (m) 15 River Side B=4m 10 44 +1.2 24 1,2 17 78 1011 21 1b 25 Land Side 27 +8.72 22 Soil Gamma Phi C K (kN/m3) Deg kPa m/sec 1b 18.5 12 15 1.33e-09 16.2 5.40e-09 16.9 7 1.00e-07 20.4 14 20 1.00e-08 Kminmin=0.753 23 18 26 12 20 19 -5 30 33 32 31 1314 +1.0 15 16 45 -1.30 35 36 39 34 37 40 3,4 38 41 -10 -15 42 -20 43 Bedrock -25 -10 Bedrock 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Horizontal Distance (m) 78 100 110 KiÓm tra chất lợng đầm đất 79 Nội dung HNQT lần I Ging dạy & tạo ủịa kỹ thuât (1rst ICGEET) ã Tổ chức: Hội KT Rumani đợc hỗ trợ TC 31 - ISSMGE HNQT I vỊ GD ðKT (12-14 /6/ 2000, Sinaia - Rumani) • Qu¸ trình: HN CHð - NM QT I – Cambridge, Massachussetts – 1936: K Terzaghi, A Casagrande ⇒ ®· quan tâm tới vấn đề ging dạy KT ã Chỉ ®Õn 1-1994: HN CHð-NM XIII – New Delhi ⇒ Héi tho GD KT Tiếp HN Châu Âu (1995) – Copenhagen, HN CHð-NM QT XIV (1997) – Hamburg, vµ gần HN Châu Âu XII (1999) Amsterdam cã HT vÒ GD ðKT ⇒ Technical Committee TC31 đợc thành lập 80 Nội dung HNQT lần I Ging dạy & tạo ủịa kỹ thuât (1rst ICGEET) ã Trong HN đà có: ã b/c mời: H Brandl, F.B.J Barends, S Prakash, P.S.Seco & Pinto, S.Sharma and I Manoliu: GS tiếng quốc tế ã 19 b¸o c¸o Qc gia vỊ GD ðKT n−íc: Belgium, Brazil, Bulgaria, Chile, Ivory Coast, Croatia, France, Germany, Greece, Ireland, Japan, Lithuania, Mexico, New Zealand, Poland, Romania, Sri Lanka, Sweden & Vietnam (GS N.C.Man); ã 58 báo cáo chủ đề: 1.Vị trí, vai trò & nội dung KT chơng trỡnh GD KTxây dựng, KT môi trờng & KT động đất, ĐH & SH Gang dạy, học tập đánh giá ging dạy ðKT Sư dơng c«ng nghƯ th«ng tin & trun thông ICT ging dạy KT Các TH thực tế ging dạy KT Lịch sử, vấn đề học suốt đời & HTQT trongđào tạoging dạy KT 81 Các báo cáo mời 1rst ICGEET ã H.Brandl KT xây dựng KT xà hội Các khía cạnh nhân & triển vọng tơng lai; ã F.B.J Barends Tác động qun lý kiến thức & công nghệ thông tin & truyền thông; ã S Prakash Ging dạy KT 1950 -2000 & tơng lai; ã P.S.Sêco e Pinto Ging dạy động đất KT : thực tiễn nhu cầu; ã S Sharma Phát triển truyền thụ nhờ máy tính ging dạy KT; ã I Manoliu Các xu ging dạy KT TG thích ứng ging dạy KT 82 nhận xét kết luận ất - loại sn vật tự nhiên lịch sử, cần có PP nghiên cứu sử dụng thích hợp để bo ủm công trỡnh xây dựng trong, trên, đất - đá đợc an toàn bền vng; ịa kỹ thuật liên môn học quan trọng đòi hỏi kiến thức rộng NC đất - đá cho xây dựng ngành học có liên quan, cần xây dựng chuyên ngành đào tạo Kỹ s cao học KT.Chú ý 50% cố công trỡnh sai sót KT Tin học máy tính cần đợc quan tâm đặc biệt đào tạo, nghiên cứu, häc tËp vµ sản xt vỊ ðKT 83 nhËn xÐt vµ kÕt luËn TG ðCH Burland - PPL ủại định hớng cho việc tiếp cận toán đKT nên cần đợc quán triệt sn xuất v nghiên cứu phát triển (Thc t: 70% CT h hỏng sai sót v KT); Các phần mm KT nên dùng nh mt mô hinh s: linh hoạt hiu qu MH vật lý, mô pháng c¸c qu¸ trinh vËt lý xảy tù nhiên cách xác, thay cho MH vật lý sè TH Nh−ng h¹n chế MH số (mô trinh hóa lý, bin ủổi nhit ) cần ủc tip tc NC phát trin; 84 nhận xét kết luận Vic khai thác MH số có hiu qu hay không tùy thuc ë ng−êi sư dụng Nếu khai th¸c tèt, ng−êi sư dng hiểu sâu sắc trỡnh vật lý cha bit, làm sâu sắc kin thức tích lũy cho bn thân: kinh nghim cã chän läc nh©n cđa TG ðCH Burland Do trinh khai thác sử dng phần mềm KT trỡnh tự ủào tạo, nên cần ci tin ging dạy KT, to ủiu kin cho SV tip cận khai thác chúng ủào tạo trờng ại học Nên tận dụng phần mềm KT nh công cụ MH số ủ dù tÝnh c¸c khả cã thĨ xảy cho c¸c dù ¸n NCKH, lùa chọn giải ph¸p hợp lý thiết kế sn xuất Nó cần ủợc khai thác qun lý sa cha CT hin có ây su th hợp lý ủ tiết kim thời gian, kinh phí công tác NCKH 85 86 ... liên ngành Địa kỹ thuật - Địa kỹ thuật Công trình - Địa kỹ thuật Môi trờng (Geoenviro Engineering)- Địa học - Địa Cơ học ứng dụng - Đá Công trình (Rock Engineering) -Thuỷ Địa học - Địa chất Môi...ịa kỹ thuật công trỡnh phơng pháp luận thiết k a k thut Khái niệm đặc điểm ủất - ủá xây dựng Khái quát phát triển khoa học trái đất đặc điểm phát triển KT Công trỡnh xây dựng Phơng pháp luận. .. môn học có liên quan liên môn (Interdiscipline) ã Địa kỹ thuật công trình (Geotechnical Engineering) Quan trọng xây dựng công trình: 30% cố công trình xảy có nguồn gốc từ sai sót mặt ĐKT Các môn