Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp tính toán nền đắp có gia cường bằng vải địa kỹ thuật trong các công trình xây dựng ô tô ở Việt Nam

i BƠ Ề Ĩ ỊA KỸ THU T TRONG CÁC NG BẰNG V NG Ô TÔ Ở VIỆT NAM CÔNG TRÌNH XÂY DỰ Chuyên ngành: XÂY DỰN Mã số: 62.58.30.01 ẮP ƯỜN Ô Ô V ƯỜNG THÀNH PHỐ LU N ÁN TIẾN SỸ KỸ THU T N ƯỜI Ư N ẪN V V 2014 N ỨC SỸ N ii L M cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học tơi thực Các kết quả, số liệu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Huỳnh Ngọc Hào iii L IC M Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến iáo sư, iến sỹ Vũ ình hụng – Người Thầy hướng dẫn tận tâm, tận tình giúp cho tác giả hồn thành luận án thời gian Tác giả xin trân trọng biết ơn iến sỹ Vũ ức Sỹ - Thầy hướng dẫn giúp đỡ tận tình, tạo thuận lợi cho tác giả suốt trình thực luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn hăm; rần Thị im Bùi Xuân ậy, ăng tập thể Bộ mơn Lã Văn ường Bộ có đóng góp quý báu quan tâm, giúp đỡ, tạo thuận lợi cho tác giả trình làm nghiên cứu sinh Tác giả xin trân trọng cảm ơn rường hầy Hiệu ại học Giao thơng Vận tải, hịng rưởng, Ban Giám Hiệu - tạo au đại học giúp tác giả hoàn thiện thủ tục, tổ chức báo cáo luận án thời gian Tác giả xin trân trọng cảm ơn nhà khoa học từ iáo sư, hó iáo sư, iến sỹ rường ại học Giao thông Vận tải, ại học Xây Dựng, ại học Thủy lợi, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ại học Kiến trúc Hà Nội, ại học Duy Tân, ại học Bách Khoa Nẵng, ại học Kiến rúc Nẵng, ại học Bách Khoa Tp.HCM, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Hội Cầu đường Việt Nam, ại học Bang California-Fullerton có đóng góp, giúp đỡ quý báu cho tác giả trình nghiên cứu hoàn thiện luận án Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến Ba, Mẹ, gia đình, người thân xin chân thành cảm ơn thầy, cô, bạn đồng nghiệp chia sẻ, động viên, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu Tác giả luận án iv MỤC LỤC MỞ ẦU…………………………………………………… Giới thiệu cơng trình nghiên cứu…………………………… Lý lựa chọn đề tài………………………………………… Mục đích……………………………………………………… ối tượng nghiên cứu……………………………………… Phạm vi nghiên cứu………………………………………… Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài…………………… 1 1 2 ƯƠN TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ D N V ƯƠN PHÁP TÍNH TỐN NỀN Ắ ƯỜNG VẢ ỊA KỸ THUẬT 1.1 Các nghiên cứu sử dụng tính tốn đắp gia cường vải địa kỹ thuật nước…………………………… 1.1.1 Lịch sử phát triển sử dụng vải địa kỹ thuật……………… 3 1.1.1.1 Giới thiệu chung……………………………………………… 1.1.1.2 Phân loại vải địa kỹ thuật…………………………………… 1.1.1.3 Một số tiêu chí đánh giá vải địa kỹ thuật…………………… 1.1.1.4 Các chức vải địa kỹ thuật………………………… 1.1.1.5 Một số công trình xây dựng sử dụng vải địa kỹ thuật V.Nam 1.1.2 ác phương pháp tính tốn đắp gia cường vải địa kỹ thuật nước 1.1.2.1 hương pháp giải tích tính đắp có cốt đất yếu Nhận xét phương pháp giải tích tính đắp gia cường đất yếu 1.1.2.2 hương pháp giải tích tính đắp có cốt đất tự nhiên tốt Nhận xét phương pháp giải tích 1.1.2.3 12 12 15 16 23 hương pháp số phần mềm tính tốn 24 Nhận xét phương pháp tính tốn 27 1.2 Những vấn đề tồn mà luận án tập trung nghiên cứu…… 28 1.3 1.4 1.5 Mục tiêu đề tài…………………………………………… Nội dung nghiên cứu………………………………………… hương pháp nghiên cứu…………………………………… 28 29 29 ƯƠN MƠ N BẰNG CỐT MỀM VẢ ÍN B N NỀN Ấ ỊA KỸ THUẬT Ắ ƯỜNG 30 v 2.1 Mục đích yêu cầu………………………………………… 30 2.1.1 Mục đích…………………………………………………… 30 2.1.2 Yêu cầu……………………………………………………… 30 2.2 Các tính chất vải địa kỹ thuật…………………………… 31 2.2.1 Một số khái niệm thuộc tính vải địa kỹ thuật 31 2.2.2 ường quan hệ ứng suất – biến dạng vải địa kỹ thuật… 33 2.2.3 Một số ví dụ xác định tính lý vải địa kỹ thuật……… 34 2.3 Xây dựng mơ hình tốn………………………………… 36 2.3.1 Một số giả thiết……………………………………………… 37 2.3.2 Xây dựng mơ hình tính tốn tốn ổn định đường đắp có cốt mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn… 2.3.2.1 ác phương trình lý thuyết đàn hồi……………… 37 38 hương trình phương pháp phần tử hữu hạn…… 39 2.3.2.3 Hệ số an toàn theo phương pháp giảm c-φ………………… 42 2.3.2.2 Nhận xét ƯƠN XÂY B BẰN N NỀN ƯƠN 42 ỰN Ấ UẬ Ắ NV ƯỜN VẢ ƯƠN Ị Ỹ RN TÍNH UẬ 43 PTHH Xây dựng thuật toán………………………………………… 43 3.1.1 hần tử tam giác……………………………………… 43 3.1.2 hần tử tam giác đẳng tham số………………………… 44 3.1.3 Mơ hình Mohr- oulomb…………………………………… 46 3.1 hần tử tiếp xúc……………………………………………… 50 3.1.4.1 Lý thuyết phần tử tiếp xúc…………………………………… 50 3.1.4.2 Mơ hình phi tuyến tiếp xúc vải địa kỹ thuật đất nền… 52 hần tử vải địa kỹ thuật……………………………………… 52 3.1.5.1 Lý thuyết tính tốn phần tử vải địa kỹ thuật………………… 52 3.1.5.2 Mơ hình phi tuyến phần tử vải địa kỹ thuật…………… 53 3.1.4 3.1.5 3.1.6 hân tích phi tuyến…………………………………………… 53 3.1.6.1 hương pháp Newton-Raphson (N-R)……………………… 54 3.1.6.2 hương pháp Newton-Raphson cải tiến……………………… 55 3.1.7 đồ khối tổng quát chương trình…………………………… 55 3.2 Xây dựng chương trình tính ………………………………… 55 vi 3.2.1 Giới thiệu giao diện chương trình tính hnh_ress V1 00……… 55 3.2.2 Giới thiệu chương trình tính hnh_ress V1 00………………… 57 Kết luận chương 59 ƯƠN Ự N V R N ỆM ÍN N NỀN XÂY ỰN ƯỜN Ắ ƯỜN 60 Ô Ô 4.1 Nền đường đắp đất tự nhiên tốt………………………… 60 4.1.1 Dữ liệu chung tính tốn……………………………………… 60 4.1.2 Phân tích ổn định đường đắp……………………… 62 4.1.2.1 Nền đắp cao 6m……………………………………………… 63 4.1.2.2 Nền đắp cao 8m……………………………………………… 64 4.1.2.3 Nền đắp cao 10m…………………………………………… 68 4.1.2.4 Nền đắp cao 12m…………………………………………… 72 4.1.3 Xây dựng biểu đồ tra V sử dụng đắp cao…… 75 4.2 Nền đường đắp đất yếu………………………………… 77 4.3 Xác định dạng cung trượt mái dốc theo phương pháp xấp xỉ 80 4.3.1 hương mặt trượt 80 mặt trượtpháp mái xấp dốc xỉ …………………… Một số ví dụ vẽ đường biến dạng trượt tính xấp xỉ mặttrượt 81 4.3.2 4.3.2.1 rường hợp đắp có gia cường vải địa kỹ thuật 81 4.3.22 rường hợp đắp không gia cường vải địa kỹ thuật 85 4.4 Xây dựng cơng thức tính tốn lực căng ( 4.4.1 Lực phân mảnh cho mặt trượt trụ tròn trongcăng V đắp……………………………………… Xây dựng cơng thức tính tốn lực căng vải địa kỹ thuật (Tmax) 88 96 4.5.1 Xác ảnh hưởng độ cứnghạn vđkt (EA) hệ số an toàn bằngđịnh phương pháp phần tử hữu theo mặtđến trượt Ellipse… Xây dựng biểu thức xác định độ cứng vđkt (EA) ảnh hưởng ổn định đắp…………………………………… 4.5.2 đến hệ số an toàn ổn định……………………… Ảnh hưởng độ cứng vđkt đến hệ số an toàn ổn định…… 4.5.3 Biểu đồ quan hệ ảnh hưởng độ cứng (EAg), cường độ Tmax 4.6 vđkt mô đun đàn hồi đất (Es) đến an toàn ổn định o sánh khảnăng đứt tuột cốt V ảnh hưởng đến antoàn 105 4.4.2 4.5 4.7 4.8 max) lớp V sánh kết chương trình hnh_ress plaxis ổno định đắp chạy gia cường Kết nghiên cứu chương 4……………………………… Ế LUẬN V ẾN N Ị 88 89 96 99 104 106 110 112 vii MỤC LỤC HÌNH VẼ Ồ THỊ ƯƠN Hình 1.1 V ình V gia cường, đoạn qua cầu Xương iang – Bắc Giang mái dốc Bukit Panggal Mosque, Tutong, Brunei Quốc……………………………………………………… ình V tường chắn Arca Budaya, Kuala Lumpur, Malaysia ình V đường đê unarbhava, West Bengal, Ấn ộ ình V gia cường nhà dân dụng ình V làm tường chắn, hánh ương, ỉnh Cam Túc, TQ ình V với chức làm tường chắn đất ình V ường chắn Novotel Hotel, Patong, Phuket, Thailand ình V tiêu, thoát nước đường cao tốc Nam Carolina, Hoa Kỳ ình 10 V sử dụng hào bố trí ống dẫn nước (Australia) ình 11 V sử dụng với chức vật liệu thấm ( ảo Solomon) làm chức phân cách ình 13 V gia cố mái dốc ình 14 V làm chức lọc làm lớp phân cách bảo vệ chức tiêu nước Hình 1.12 V Hình 1.15 V ình 16 V Hình 1.17 Mặt cắt ngang mở rộng QL5, V Hình 1.18 V ình 19 V làm lớp ngăn cách 10 dùng bãi rác Tam Tân, Củ Chi, TP.HCM 10 sử dụng bãi rác Bố Trạch, Quảng Bình 10 Hình 1.20 hương pháp phân tích mặt trượt trịn để xác định lực kéo lớn 14 yêu cầu cốt tăng cường đáy đắp Hình 1.21 Chiều dài neo bám cốt vị trí j dọc theo đáy đắp 14 ình 22 hương pháp khối nêm hai phần cho mái dốc có cốt 16 Hình 1.23 Sự phân bố gần ứng suất xáo động với lớp cốt 18 Hình 1.24 ính tốn trượt trịn theo phương pháp phân mảnh 19 Hình 1.25 Tính tốn theo mặt trượt xoắn ốc logarit 22 ình 26 ính tốn theo phương pháp trọng lực dính kết 23 viii Hình 1.27 Quan hệ ứng xử đất - vải địa kỹ thuật theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb ƯƠN 26 Hình 2.1 Ứng xử kéo vđkt theo mơ hình Robert M.Koerner 33 Hình 2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng tiếp xúc vải địa kỹ thuật 34 đất theo Robert M.Koerner Hình 2.3 đồ tính khơng bố trí cốt (a) có bố trí cốt (b) 37 ƯƠN Hình 3.1 ình dạng phần tử tam giác………………………… 43 Hình 3.2 hần tử tam giác nút hệ tọa độ tổng thể địa phương 44 Hình 3.3 hần tử tam giác nút hệ tọa độ tổng thể địa phương 45 iêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb k gian Ư 47 Hình 3.4 Hình 3.5 ình Xác định góc ma sát lực dính đơn vị…………… 49 Xác định góc giãn nở…………………………………… 50 Hình 3.7 hần tử tiếp xúc…………………………………………… 51 Hình 3.8 àm dạng phần tử chịu lực dọc trục………… 53 ình hương pháp Newton-Raphson Newton-Raphson cải tiến 54 ình 10 55 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 đồ khối tổng quát chương trình tính … ên biểu tượng chương trình………………………… 56 hai báo quan hệ ứng suất – biến dạng vải địa kỹ thuật 56 hai báo độ cứng(E vải địa kỹ thuật g) theo đường ứng suất- biến dạng 56 Hình 3.14 Vẽ đường xấp xỉ mặt trượt Hình 3.15 Xác định sai số đường xấp xỉ mặt trượt Ellipse trượt trịn 57 Hình 3.16 Xác định độ cứng cát tuyến theo ứng xử kéo V 57 58 ƯƠN Hình 4.1 đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ………………… 61 Hình 4.2 Mơ hình tải trọng xe tính tốn…………………………… 62 Hình 4.3 Vị trí mặt trượt (nền đắp cao m)……………………… 62 Hình 4.4 Vị trí mặt trượt có vải địa kỹ thuật (nền đắp cao m) 63 Hình 4.5 Hình 4.6 đồ biến dạng (4 lớp V , khoảng cách 5m)…… Mặt trượt (4 lớp vải địa kỹ thuật, khoảng cách 5m)…… 67 67 ix Hình 4.7 đồ biến dạng (4 lớp V , khoảng cách 5m)…… 68 Hình 4.8 Mặt trượt (4 lớp vải địa kỹ thuật, khoảng cách 5m)…… Hình 4.9 Quan hệ cường độ vải địa kỹ thuật số lớp vải địa 76 68 Hình 4.10trongQuan hệ vảiđắp địahệ kỹsố thuật số1/1 lớp vải địa kỹ thuật đắp cao cường có 6m độ mái dốc 76 Hình 4.11trongQuan hệ vảiđắp địahệ kỹsố thuật lớp25vải địa kỹ thuật đắp cao cường có 6m độ mái dốcsố1/1 77 Hình 4.12trong ơnền đồ đắp hìnhcao họccókhi vải địa kỹ thuật 6mcódưới đắpkỹ hệthuật………………… số mái dốc 1/1 5, 79 Hình 4.13 Mặt biến dạng trượt khơng có vải địa kỹ………… 79 Hình 4.14 Mặt biến dạng trượt có vải địa kỹ thuật…………… 79 Hình 4.15 ung trượt hình elipse đắp đất yếu……… … 79 hương pháp xấp xỉ mặt trượt…………………………… 81 ình 16 Hình 4.17 ết tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 8m, cóV 82 Hình 4.18 ết tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 10m, cóV 83 Hình 4.19 ết tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 12m, cóV 84 Hình 4.20 ết tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 12m, cóV 82 Hình 4.21 ết tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 8m, khơng cóV 85 Hình 4.22 ết tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 10m,khơng cóV 86 Hình 4.23 ết tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 12m,khơng cóV 87 Hình 4.24 hương pháp phân mảnh cổ điển cho mặt trượt trụ trịn… 89 Hình 4.25 ung trượt hình ellipse, xây dựng cơng thức tính 90 Hình 4.26 đồ tính lực căng Hình 4.27 ết phân tích lực căng V Hình 4.28 Quan hệ độ cứng vđkt (E max… theo cung trượt ellipse max g) lớp V ………… 92 96 mô đun đàn hồi đất đắp 104 29 Quan củaFđộ 16 môkN/m đun đàn hồi đất đắp 104 (nh an tồn ổnhệđịnh 1.2 Tvđkt 12;g)14; s) đến s =cứng max =(E ình 30 Quan củaFđộ 22 môkN/m đun đàn hồi đất đắp 105 (E an toàn ổnhệđịnh 1.2 Tvđkt 18;g)20; kN…………………………………………………………… s) đến s =cứng max =(E 31 đồ đắp=cao phần mềm laxis 106 (nh an tồn ổntính địnhổnFsđịnh = 1.2 Tmax 24; 6m 26; 28 kN/m s) đến Hình4.32 Biến dạng đắp cao 6m tính phần mềm laxis 106 ình4 33 ệ số an tồn đắp cao 6m tính phần mềm laxis 106 ình 34 đồ tính ổn định đắp cao 8m phần mềm laxis 107 ình4 35 ình4 36 Biến dạng đắp cao 8m tính phần mềm laxis ệ số an toàn đắp cao 8m tính phần mềm laxis 107 107 x MỤ LỤ B BỂ Bảng ọa độ trọng số tích phân số miền tam giác… 46 Bảng ác tham số mơ hình Mohr- oulomb……………… 49 Bảng 4.1 ặc trưng đường đắp đất tốt……………… 60 Bảng 4.2 ặc trưng vải địa kỹ thuật theo 1m chiều rộng………… 60 Bảng ải trọng xe cộ………………………………………… 61 Bảng 4 ệ số an toàn ổn định mái dốc………………………… 64 Bảng Ảnh hưởng số lớp khoảng cách lớp vđkt 64 Bảng Lực căng vải địa kỹ thuật mái dốc bị phá hoại 65 Bảng Ảnh hưởng hệ số mái dốc, 8m………………… 66 Bảng Ảnh hưởng cường độ V 67 Bảng Ảnh hưởng số lớp khoảng cách lớp vđkt Bảng 10 Lực căng vải địa kỹ thuật mái dốc bị phá hoại… 69 Bảng 11 Ảnh hưởng hệ số mái dốc, đắp 10m……… 70 Bảng 12 Ảnh hưởng cường độ số lớp vải địa kỹ thuật… 71 Bảng 13 Ảnh hưởng số lớp khoảng cách lớp vđkt 72 Bảng 14 Lực căng vđkt mái dốc bị phá hoại, 12m 73 Bảng 15 Ảnh hưởng hệ số mái dốc, 12m ……… …… 74 Bảng 16 Ảnh hưởng cường độ số lớp vải địa kỹ thuật… 74 Bảng 17 Ảnh hưởng cường độ số lớp vải địa kỹ thuật 75 số lớp V …… 68 Bảng 18 ặc trưng đất yếu…………………………………… 77 Bảng 19 ệ số an toàn chiều cao đắp m…………………… 78 Bảng 20 ệ số an toàn chiều cao đắp m…………………… 78 Bảng 21 ệ số an toàn chiều cao đắp 10 m………………… 78 Bảng 22 ệ số an toàn chiều cao đắp 12 m………………… 78 Bảng 4.23 Một số kết tính xấp xỉ mặt trượt 87 Bảng 4.24 Ảnh hưởng độ cứng vđkt đến hệ số antoàn, T=12kN/m 99 Bảng 4.25 Ảnh hưởng độ cứng vđkt đến hệ số antoàn,T= 14kN/m 99 Bảng 4.26 Ảnh hưởng độ cứng vđkt đến hệ số antoàn,T= 16kN/m 100 Bảng 4.27 Ảnh hưởng EAg, Tmax vđkt Es đến hệ số an toàn Fs Bảng 4.28 ết hệ số an tồn tính nhress laxis 100 108 ... hệ cường độ vải địa kỹ thuật số lớp vải địa 76 68 Hình 4.10trongQuan hệ vải? ?ắp địahệ kỹsố thuật số1/1 lớp vải địa kỹ thuật đắp cao cường có 6m độ mái dốc 76 Hình 4.11trongQuan hệ vải? ?ắp địahệ kỹsố... loại vải địa kỹ thuật? ??………………………………… 1.1.1.3 Một số tiêu chí đánh giá vải địa kỹ thuật? ??………………… 1.1.1.4 Các chức vải địa kỹ thuật? ??……………………… 1.1.1.5 Một số công trình xây dựng sử dụng vải địa kỹ thuật. .. tâm nghiên cứu sử dụng vật liệu địa kỹ thuật gia cường đắp cơng trình đường, đê, đập Từ đặt việc nghiên cứu hồn thiện phương pháp tính tốn cho kết đạt độ tin cậy cao toán đắp gia cường vải địa kỹ