Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tính phù hợp để tính toán ứng suất tường kè vạn hòa thành phố lào cai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI PHẠM VĂN THÀNH NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN SƠ ĐỒ TÍNH PHÙ HỢP ĐỂ TÍNH TỐN ỨNG SUẤT TƯỜNG KÈ VẠN HỊA, THÀNH PHỐ LÀO CAI CHUN NGÀNH: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY MÃ SỐ: 60 - 58 - 02 - 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM VIẾT NGỌC HÀ NỘI - 2016 BẢN CAM KẾT Họ tên học viên: Phạm Văn Thành Học viên lớp: 23C11 Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tính phù hợp để tính tốn ứng suất tường kè Vạn Hịa, thành phố Lào Cai” Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khoa học Những số liệu kết nghiên cứu có sử dụng luận văn trích dẫn theo quy định Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2016 Học viên Phạm Văn Thành i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tính phù hợp để tính tốn ứng suất tường kè Vạn Hòa, thành phố Lào Cai” tác giả hồn thành với giúp đỡ tận tình Thầy giáo, Cơ giáo ngồi Bộ mơn Sức bền- Kết cấu, Khoa Cơng trình, Trường đại học Thủy lợi bạn bè đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, Cô giáo Khoa Cơng trình, Khoa Sau đại học, Gia đình Bạn bè tạo điều kiện cho tác giả suốt trình học tập thực luận văn tốt nghiệp Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Viết Ngọc, thầy cô Bộ mơn Sức bền- Kết cấu Khoa Cơng Trình - Trường Đại học Thuỷ lợi tạo điều kiện thuận lợi nhất, giúp đỡ, hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình, tập thể lớp Cao học 23C11, động viên, ủng hộ tác giả q trình học tập hồn thành luận văn Mặc dù có cố gắng định, thời gian có hạn trình độ tác giả hạn chế, nên luận văn nhiều thiếu sót Tác giả kính mong Thầy giáo, Cơ giáo, Bạn bè & Đồng nghiệp góp ý để luận văn hoàn chỉnh trọn vẹn Tác giả xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2016 Học viên Phạm Văn Thành ii MỤC LỤC BẢN CAM KẾT .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ xi MỞ ĐẦU 1.4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG KÈ 1.1 Khái niệm phân loại tường kè 1.1.1 Khái niệm tường kè 1.1.2 Phân loại tường kè 1.1.2.1 Phân loại theo độ cứng 1.1.2.2 Phân loại theo nguyên tắc làm việc 1.1.2.3 Phân loại theo chiều cao 1.1.2.4 Phân loại theo góc nghiêng lưng tường 1.1.2.5 Phân loại theo kết cấu 1.2 Tình hình tường kè có sườn chống Việt Nam cố 11 1.3 Các phương pháp sơ đồ tính ứng suất tường kè 14 1.3.1 Các phương pháp tính ứng suất tường kè 14 1.3.2 Các sơ đồ tính ứng suất tường kè 14 1.4 Tồn tại, đề xuất, giới hạn nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tính ứng suất tường kè 14 1.4.1 Tồn lựa chọn sơ đồ tính ứng suất tường kè 14 1.4.2 Giới hạn nghiên cứu 15 CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỨNG SUẤT TRONG TƯỜNG KÈ 16 2.1 Các phương pháp tính ứng suất – biến dạng tường kè 16 2.1.1 Phương pháp giải tích 16 2.1.1.1 Phương pháp sức bền vật liệu 16 iii 2.1.1.2 Phương pháp lý thuyết đàn hồi 17 2.1.1.3 Ưu nhược điểm phương pháp giải tích 19 2.1.2 Phương pháp số 19 2.1.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn (PPSPHH) 19 2.1.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) 20 2.1.2.3 Ưu điểm, nhược điểm phương pháp số 20 2.1.3 Phương pháp thực nghiệm mơ hình 20 2.1.3.1 Nội dung phương pháp 20 2.1.3.2 Ưu điểm, nhược điểm phương pháp 22 2.2 Lựa chọn phương pháp tính phù hợp 22 2.2.1 Tiêu chí lựa chọn phương pháp tính 22 2.2.2 So sánh, lựa chọn phương pháp tính 23 2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 23 2.2.3.1 Giới thiệu chung phương pháp 23 2.2.3.2 Tính kết cấu theo mơ hình tương thích 25 2.2.3.3 Giải hệ phương trình 31 2.2.3.4 Xử lý điều kiện biên 31 2.2.4 Phần mềm tính toán 31 2.3 Kết luận chương 33 CHƯƠNG III: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ TÍNH ỨNG SUẤT PHÙ HỢP CHO CƠNG TRÌNH TƯỜNG KÈ VẠN HÒA, THÀNH PHỐ LÀO CAI 35 3.1 Giới thiệu cơng trình tường kè Vạn Hịa, thành phồ Lào Cai 35 3.1.1 Giới thiệu chung 35 3.1.2 Vị trí cơng trình 35 3.1.3 Mục tiêu nhiệm vụ cơng trình 36 3.1.4 Biện pháp cơng trình 37 3.1.5 Kết cấu tường kè cơng trình 38 3.1.6 Tài liệu tính tốn 39 3.1.6.1 Tài liệu quy mơ cơng trình 39 3.1.6.2 Tài liệu địa chất 39 3.1.6.3 Tài liệu vật liệu làm kè 40 iv 3.1.7 Trường hợp tính tốn 41 3.1.7.1 Kích thước cơng trình chi tiết 41 3.1.7.2 Tải trọng tác dụng 42 3.1.7.3 Tổ hợp tải trọng 47 3.1.7.4 Hệ số nền: 47 3.2 Các sơ đồ tính ứng suất tường kè tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính hợp lý 49 3.2.1 Tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính phù hợp 49 3.2.2 Các sơ đồ tính ứng suất tường kè 49 3.3 Sơ đồ tính ứng suất tường kè dạng 50 3.3.1 Giới thiệu phương pháp PTHH sơ đồ tính dạng 50 3.3.2 Xây dựng sơ đồ tính ứng suất tường kè phần tử 56 3.3.3 Kết ứng suất tường kè phần tử 59 3.4 Sơ đồ tính ứng suất tường kè dạng khối 62 3.4.1 Giới thiệu phương pháp PTHH sơ đồ tính dạng khối 62 3.4.2 Xây dựng sơ đồ tính ứng suất tường kè phần tử khối 62 3.4.3 Kết ứng suất tường kè phần tử khối 65 3.5 Các nội dung so sánh ứng suất tường kè 68 3.5.1 So sánh ứng suất vị trí mặt ngồi tường kè 68 3.5.1.1 Các vị trí so sánh ứng suất bề mặt tường 68 3.5.1.2 Các vị trí so sánh ứng suất bề mặt ba sườn nằm 69 3.5.1.3 Các vị trí so sánh ứng suất bề mặt hai sườn nằm 70 3.5.2 So sánh theo ứng suất cực trị phận tường kè 71 3.6 Kết so sánh nhận xét 71 3.6.1 Kết so sánh trị số ứng suất vị trí 71 3.6.2 Kết so sánh theo trị số lớn phận tường kè 74 3.7 Giải thích kết ứng suất lựa chọn sơ đồ 79 3.7.1 Giải thích kết ứng suất 79 3.7.2 Lựa chọn sơ đồ tính phù hợp 79 3.8 Kết luận chương 80 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 4.1 Các kết đạt luận văn 81 v 4.2 Một số vấn đề tồn 81 4.3 Các kiến nghị 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thí nghiệm G.A Đubrôva quan hệ biến dạng, chuyển vị tường (nét đứt) áp lực đất (nét liền) Hình 1.2 Các kết thí nghiệm áp lực đất phụ thuộc vào biến dạng tường kè Hình 1.3 Các loại tường kè theo nguyên tắc làm việc Hình 1.4 Phân loại tường chắn theo góc nghiêng lưng tường Hình 1.5 Các loại tường liền khối Hình 1.6 Các loại tường góc: Có khơng có sườn Hình 1.7 Các loại tường kè lắp ghép, rọ đá, đất có cốt 10 Hình 1.8 Tường kè góc có sườn chống 11 Hình 1.9 Tường kè bờ công viên sông Đồng Nai 12 Hình 1.10 Tường kè BTCT sơng Cần Thơ sau thi công 13 Hình 1.11 Tường kè BTCT sơng Cần Thơ thi công 13 Hình 2.1 Mơ hình thí nghiệm tường kè Đại học Bristol - Ấn Độ 21 Hình 2.2 Các thiết bị đo kết thí nghiệm tường kè Đại học Bristol - Ấn Độ 21 Hình 2.3 Thí nghiệm mơ hình tường kè 22 Hình 3.1 Vị trí cơng trình đồ Quốc gia 36 Hình 3.2 Sơ đồ vị trí dự án 36 Hình 3.3 Mặt cắt ngang hình chiếu đứng lưu kè 38 Hình 3.4 Trường hợp tính tốn cơng trình 41 Hình 3.5 Áp lực đất tính tác dụng lên tường điểm 44 Hình 3.6 Áp lực đất pháp tuyến áp lực nước tác dụng lên tường (kN/m2) 45 Hình 3.7 Tổng áp lực đất nước tác dụng lên đáy 45 Hình 3.8 Áp lực nước đẩy ngược tác dụng lên đáy cơng trình 46 Hình 3.9 Áp lực đất nước tác dụng lên sườn 47 Hình 3.10 Phần tử tam giác tứ giác 50 Hình 3.11 Nội lực phần tử chịu uốn 52 Hình 3.12 Phần tử tứ giác Kirchoff 53 Hình 3.13 Sơ đồ tường kè phần tử 57 Hình 3.14 Áp lực đất pháp tuyến tác dụng lên tường sườn phần tử 57 vii Hình 3.15 Áp lực nước pháp tuyến tác dụng lên tường sườn phần tử 58 Hình 3.16 Áp lực nước đất tác dụng lên mặt đáy tường kè (trái); Áp lực nước đẩy ngược tác dụng lên mặt đáy tường kè (phải ) phần tử 58 Hình 3.17 Gán điều kiện biên cho tốn phần tử 59 Hình 3.18 Ứng suất tường kè S11 (trái) S22 (phải) phần tử 59 Hình 3.19 Ứng suất tường S11 (trái) S22 (phải) phần tử 60 Hình 3.20 Ứng suất sườn phía S11 (trái) S22 (phải) phần tử 60 Hình 3.21 Ứng suất sườn phía ngồi S11 (trái) S22 (phải) phần tử 61 Hình 3.22 Ứng suất đáy S11 (trái) S22 (phải) phần tử 61 Hình 3.23 Phần tử dạng khối có mặt mặt 62 Hình 3.24 Sơ đồ tường kè phần tử khối 63 Hình 3.25 Áp lực đất pháp tuyến tác dụng lên tường sườn phần tử khối 63 Hình 3.26 Áp lực nước pháp tuyến tác dụng lên tường sườn phần tử khối 64 Hình 3.27 Áp lực đất nước tác dụng lên đáy tường kè (bên trái) áp lực nước đẩy ngược tác dụng lên đáy (bên phải) phần tử khối 64 Hình 3.28 Gắn điều kiện biên cho tường kè phần tử khối 65 Hình 3.29 Ứng suất tường kè S11 phần tử khối 65 Hình 3.30 Ứng suất tường kè S22 phần tử khối 66 Hình 3.31 Ứng suất tường S11 (trái) S22 (phải) phần tử khối 66 Hình 3.32 Ứng suất sườn phía S11 (trái) S22(phải) phần tử khối 67 Hình 3.33 Ứng suất sườn phía ngồi S11 (trái) S22(phải) phần tử khối 67 Hình 3.34 Ứng suất đáy S11 (trái) S22 (phải) phần tử khối 68 Hình 3.35 Các vị trí tính tốn, so sánh ứng suất tường 69 Hình 3.36 Các vị trí tính tốn, so sánh ứng suất ba sườn phía 70 Hình3.37 Các vị trí tính tốn, so sánh ứng suất ba sườn phía ngồi 70 Hình 3.38 Các vị trí tính tốn, so sánh ứng suất đáy 71 viii Hình 3.39 So sánh ứng suất cực trị S11 tường theo phần tử (trái) khối (phải) 75 Hình 3.40 So sánh ứng suất cực trị S22 tường theo phần tử (trái) khối (phải) 75 Hình 3.41 So sánh ứng suất cực trị S11 sườn bên theo phần tử (trái) khối (phải) 76 Hình 3.42 So sánh ứng suất cực trị S22 tường bên theo phần tử (trái) khối (phải) 77 Hình 3.43 So sánh ứng suất cực trị S11 đáy theo phần tử (trái) khối (phải) 77 Hình 3.44 So sánh ứng suất cực trị S22 tường theo phần tử (trái) khối (phải) 78 ix alpha neta 0,197122 11,3 Kcđ= phi Nelta 0,261667 15 gama 18,8 10 1,57 0,661168 z= Ko= 0,741309 m= 0,26941 2,1 pn= 9,4 11 29,65862 70,61577 100,2744 pt= 1,955805 4,656678 6,612483 alpha neta 0 Kcđ= phi Nelta 0,261667 15 gama 18,8 10 1,57 0,588953 z= Ko= 0,741309 m= 2,1 pn= 9,4 11 29,26689 69,68306 98,94995 pt= 0 alpha neta 0,197122 11,3 Kcđ= phi Nelta 0,261667 15 gama 18,8 10 1,57 0,661168 z= Ko= 0,741309 m= 0,26941 2,1 pn= 9,4 11 29,65862 70,61577 100,2744 pt= 1,955805 4,656678 6,612483 11 43,83 1051,92 M US A M US b 58,6 1406,4 e M US 22 II IIIII 21,29 101,18 29,28 510,96 2428,32 702,72 c 83,05 1993,2 f 22,06 529,44 d 26,33 58,44 631,92 1402,56 g 31,21 749,04 h 10,24 21,25 245,76 510 M US M US M US M US 3,48 58 59,62 993,6667 95,04 1584 7,56 8,33 10,54 126 138,8333 175,6667 85,53 28,18 59,59 1425,5 469,6667 993,1667 133,86 45,37 91,25 2231 756,1667 1520,833 412,22 120,52 2008,667 6870,333 Bảng so sánh ứng suất Phương pháp So sánh S11 phần S22 phần Phần S11 góc phần S22 góc phần S11 A S11 B (gối) Bản tường Phần S11 C S11 D (gối) S11 E S11 F (gối) Phần S11 K S11 H (gối) S11 phần S22 phần Phần S11 góc phần S22 góc phần S11 A S11 B (gối) Phần S11 C Bản đáy S11 D (gối) S11 E S11 F (gối) Phần S11 K S11 H (gối) S22 N Phần S22 M ngàm Bản sườn Smax PP Sức bền vật liệu PP Phần tử Các loại dầm Phần tử 1051,92 1124,35 510,96 427,81 2428,32 2571,55 702,72 10659 1406,40 775,4 1993,20 1892,36 631,92 898,05 1402,56 1736,05 529,44 262,01 749,04 412,75 245,76 390,76 510,00 345,33 58,00 780,33 126,00 800,54 138,83 810,45 175,67 7000,65 993,67 850,67 1425,50 1037,95 469,67 580,73 993,17 1213,63 1584,00 1442,57 2231,00 2145,14 756,17 1146,57 1520,83 2406,56 2008,67 1167,97 6870,33 2505,67 1939,38 2347,55 2347,55 1550,96 Smax Ứng suất Smax kN/m2 2500,00 2000,00 1500,00 1000,00 500,00 0,00 Smax 1939,38 2347,55 Các Phương pháp tính 120 Ứng suất kN/m2 100 80 60 40 20 So sánh Ứng suất PP -bản đáy PP SBVL PP PTHH TẤM PP PTHH KHỐI 8000,00 7000,00 Ứng suất kN/m2 hữu hạn Phần tử khối 1008,05 760,6 1569,6 5440,59 598,21 486,52 510,49 637,13 205,78 92,46 270,38 129,83 287,78 700 1570,68 1080,23 315,69 264,73 328,15 358,67 486,91 421,18 533,26 484,96 576,63 5358,87 1550,96 6000,00 5000,00 4000,00 3000,00 2000,00 1000,00 0,00 S11 S22 S11 S22 giữa góc góc phần phần phần phần S11 A S11 B (gối) S11 C S11 D (gối) S11 E Vị trí phương S11 F (gối) 1550,96 h Biểu đồ So sánh Ứng suất PP -bản tường PP SBVL PP PTHH TẤM PP PTHH KHỐI 000,00 000,00 000,00 000,00 000,00 000,00 0,00 S11 phần S22 phần S11 góc phần S22 S11 S11 S11 S11 S11 S11 S11 S11 góc A B (gối) C D (gối) E F (gối) K H (gối) phần Vị trí phương so sánh y I F ) S11 K S11 H (gối) S22 N S22 M ngàm Lực Tải trọng Lực đứng Lực Cánh tay đòn với ngang mép hạ lưu (kN) đập(m) M (kNm) (-) E1 E2 G1 G2 G3 G4 W1 25,1 467,3 192,2 1067 130 153,8 402,3 10,3 3,67 6,6 6,13 3,22 4,5 3,5 Tổng (+) 258,5 1715 1268,5 6540,7 418,6 692,1 8919,9 1408 3381,5 ... Các sơ đồ tính ứng suất tường kè tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính hợp lý 49 3.2.1 Tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính phù hợp 49 3.2.2 Các sơ đồ tính ứng suất tường kè 49 3.3 Sơ đồ tính ứng. .. có mục tiêu nghiên cứu sau: - Nghiên cứu sơ đồ tính ứng suất tường kè, lựa chọn sơ đồ tính tốn phù hợp cho cơng trình tường kè Vạn Hòa, thành phố Lào Cai - Đưa đề xuất sơ đồ tính ứng suất cho cơng... Các sơ đồ tính ứng suất tường kè - Sơ đồ phần tử - Sơ đồ phần tử tấm, vỏ - Sơ đồ phần tử khối 1.4 Tồn tại, đề xuất, giới hạn nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tính ứng suất tường kè 1.4.1 Tồn lựa chọn sơ