Nghiên cứu ổn định vách hào thi công trong dung dịch bentonite theo trạng thái không gian ba chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TÔ QUANG TRUNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÁCH HÀO THI CÔNG TRONG DUNG DỊCH BENTONITE THEO TRẠNG THÁI KHÔNG GIAN BA CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TÔ QUANG TRUNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÁCH HÀO THI CÔNG TRONG DUNG DỊCH BENTONITE THEO TRẠNG THÁI KHƠNG GIAN BA CHIỀU Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60-58-40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái Hà Nội – 2013 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 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 lãnh đạo Viện Thủy cơng, trung tâm Cơng trình Ngầm tạo điều điện thuận lợi thời gian để tác giả có thời gian nghiên cứu hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng 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 tháng năm 2013 Tô Quang Trung LỜI CAM KẾT Tên là: Tô Quang Trung Học viên lớp: 19C12 Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung kết trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học Tác giả luận văn Tô Quang Trung MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .1 I Tính cấp thiết đề tài II Mục tiêu nghiên cứu .1 III Cách tiếp cận .2 IV Phương pháp nghiên cứu V Ý nghĩa khoa học thực tiễn .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 1.1 Vai trò nguồn nước đập đất .4 1.2 Các cố cơng trình dịng thấm gây 1.3 Biện pháp chống thấm dạng truyền thống cho đập đất .8 1.3.1 Chống thấm thân đập 1.3.2 Chống thấm cho đập 10 1.4 Biện pháp chống thấm cho đập đất .13 1.4.1 Chống thấm cho đập đất màng địa kỹ thuật (Geomembrane) 13 1.4.2 Chống thấm công nghệ khoan truyền thống 15 1.4.3 Công nghệ khoan cao áp (Jet – grouting) 16 1.4.4 Chống thấm công nghệ tường hào Bentonite 18 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH HÀO BENTONITE TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU .30 2.1 Sự ổn định hào bentonite 30 2.2 Phương pháp cân giới hạn không gian ba chiều (LEM-3D) 32 2.2.1 Một số dạng mặt trượt đề xuất [12] .33 2.2.2 Lập cơng thức tính tốn ổn định mặt trượt hình nêm 34 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn không gian ba chiều (FEM-3D) .40 2.3.1 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn [2] 40 2.3.2 Giải toán ổn định phương pháp phần tử hữu hạn [2] 40 2.4 Mơ hình vật liệu phương pháp phần tử hữu hạn 44 2.4.1 Mơ hình đàn hồi tuyến tính .44 2.4.2 Mơ hình Mohr-coulomb (mơ hình dẻo tuyệt đối) .44 2.4.3 Mơ hình mềm (soft-soil) 45 2.4.4 Mơ hình Hardening soil (Mơ hình tăng bền kép) 45 2.5 Lựa chọn mơ hình vật liệu để tính tốn 46 2.6 Lựa chọn phần mềm để tính tốn .46 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HÀO BENTONITE TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU .47 3.1 Đặt vấn đề 47 3.2 Tính tốn ổn định vách hào phương pháp cân giới hạn (LEM) 48 3.3 Tính tốn ổn định vách hào phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 52 3.3.1 Mơ hình tính tốn 52 3.3.2 Chỉ tiêu lý tính tốn 53 3.3.3 Mơ hình hóa bước tính tốn 53 3.3.4 Kết tính tốn .55 3.3.5 Kiểm chứng hai phương pháp tính tốn LEM FEM 57 3.4 Nghiên cứu ổn định vách hào phương pháp LEM 59 3.4.1 Giới hạn nghiên cứu 59 3.4.2 Ảnh hưởng kích thước hào đến ổn định vách hào đất dính 60 3.5 Ảnh hưởng áp lực bentonite với ổn định vách hào 64 3.6 Ảnh hưởng góc ma sát φ lực dính C với ổn định vách hào 67 3.6 Ảnh hưởng góc ma sát φ 67 3.6.2 Ảnh hưởng lực dính C .69 3.7 Kết luận chương 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 Kết luận .72 Những hạn chế đề tài 72 Kiến nghị .73 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 .7 Hình 1.3: Sình lầy thấm hạ lưu đập Kim Sơn- Hà Tĩnh Hình 1.4: Đập có tường lõi mềm .9 Hình1.5: Đập đất có tường nghiêng mềm 10 Hình 1.6: Đập đất đồng chất có tường 11 Hình 1.7: Đập có tường nghiêng chân răng, tường lõi chân .12 Hình 1.8: Chống thấm cho cọc 12 Hình 1.9: Chống thấm tường nghiêng sân phủ 12 Hình 1.10: Chống thấm vải địa kỹ thuật 14 Hình 1.11: Phạm vi ứng dụng loại khoan 15 Hình 1.12: Sơ đồ cơng nghệ Jet-grouting, thi công tạo tường chống thấm 17 Hình 1.13: Thi cơng Tường Hào Bentonite Albian, Ft McMurray, Alberta xây để bảo vệ mơi trường q trình khai thác dầu mỏ 19 Hình 1.14: Gầu đào trình lấp hào 19 Hình 1.15: Tường hào chống thấm bentonite 20 Hình 2.1: Quá trình hình thành màng bentonite vách hào .30 Hình 2.2: Hình dạng nêm trượt nghiên cứu 33 Hình 2.3: Khối trượt hình nêm 34 Hình 2.4: Phân vùng tính áp lực Sn1 Sn2 .37 Hình 3.1: Biểu đồ quan hệ θ ~ Fs 48 Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ H ~ Fs 51 Hình 3.3: Mơ hình tính tốn ổn định hào có kích thước LxBxH theo FEM 52 Hình 3.4: Mơ hình lưới phần tử 2D 53 Hình 3.5: Mơ hình lưới phần tử 3D 54 Hình 3.6: Điều kiện áp lực nước lỗ rỗng ban đầu .54 Hình 3.7: Điều kiện ứng suất hiệu ban đầu 54 Hình 3.8: Dung dịch hào thay áp lực phân bố 55 Hình 3.9: Lưới chuyển vị hào trượt dạng 3D 55 Hình 3.10: Lưới chuyển vị mặt cắt vách hào .55 Hình 3.11: Chuyển vị tổng thể mặt cắt giữ hào mặt cắt gần đầu hào 56 Hình 3.12: Kết tính tốn ổn định vách hào, Msf = 1.123 56 Hình 3.13: Biểu đồ L/H~Fs biểu đồ L/H~ Htr với TH1.3, γsl = 10,5kN/m3 61 Hình 3.14: Biểu đồ L/H~Fs biểu đồ L/H~ Htr với TH1.3, γsl = 11,0kN/m3 62 Hình 3.15: Biểu đồ L/H~Fs biểu đồ L/H~ Htr với TH1.3, γsl = 12,0kN/m3 63 Hình 3.16: Biểu đồ Fs ~ γsl với TH1.3, H = 20m, Hw = 1m, Hsl = 0m .65 Hình 3.17: Biểu đồ Fs ~ γsl trường hợp H = 20m, L = 6m, Hw = 1m, Hsl = 0m .66 Hình 3.18: Biểu đồ Fs ~ φ (độ), trường hợp H = 30m, L = 3m; 6m; 90m; 300m, Hw = 1m, Hsl = 0m, C = 0; 1; kN/m2, φ = 200; 250; 300; 350 .69 Hình 3.19: Biểu đồ Fs ~ C(kN/m2), trường hợp H = 30m, L = 3m; 6m; 90m; 300m, Hw = 1m, Hsl = 0m, φ = 200; 250; 300; 350, C = 0; 1; kN/m2 69 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thống kê số cơng trình tường hào đất - bentonite xây dựng giới [6] 26 Bảng 1.2 Thống kê số tường hào đất - bentonite xây dựng Việt Nam [6]28 Bảng 3.2 Xác định quan hệ H ~ Fs 50 Bảng 3.3 Chỉ tiêu lý đất quanh vách hào 53 Bảng 3.4 Giả thiết số tổ hợp địa chất đại diện tính tốn 57 Bảng 3.5 Kết tính tốn ổn định theo hai phương pháp .57 Bảng 3.6 Các chiều dài hào tính tốn 59 Bảng 3.7 Kết tính tốn hệ số an tồn Fs, γsl=10.5kN/m3,TH1.3: γw =19kN/m3, γbh =20kN/m3, φ = 30(độ), C = 0kN/m2 61 Bảng 3.8 Kết tính tốn hệ số an tồn Fs, γsl=11.0kN/m3,TH1.3: γw =19kN/m3, γbh =20kN/m3, φ = 30(độ), C = 0kN/m2 62 Bảng 3.9 Kết tính tốn hệ số an tồn Fs, γsl=12.0kN/m3,TH1.3: γw =19kN/m3, γbh =20kN/m3, φ = 30(độ), C = 0kN/m2 63 Bảng 3.10 Kết tính hệ số an tồn Fs theo trọng lượng bentonite,TH1.3: γw =19kN/m3, γbh =20kN/m3, φ = 30(độ), C = kN/m2, Hw = 1m, Hsl = 0m 65 Bảng 3.11 Kết tính tốn hệ số an toàn Fs theo trọng lượng bentonite theo tổ hợp địa chất khác trường hợp: L/H = 0,2; H = 30m, Hw = 1m, Hsl = 0m .66 Bảng 3.12 Kết tính hệ số an tồn Fs trường hợp H = 30m, γsl = 10.5 kN/m3, L = 3m; 6m; 9m; 30m, C = 0; 1; kN/m2 φ = 200; 250; 300; 350 68 Bảng 3.13 Kết tính hệ số an toàn Fs trường hợp H = 30m, Hw = 1m, Hsl = 0m, γsl = 10.5 kN/m3, L = 3m; 15m; 60m; C = 0; 1; kN/m2, φ = 200; 250; 300; 350 70 PHẦN MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Những năm gần công nghệ thi công chống thấm cho cho công trình xây dựng nói chung cơng trình thủy lợi nói riêng phát triển mạnh đa dạng Bên cạnh phương pháp truyền thống như: đắp sân phủ, đắp chân khay, tường lõi sét, cừ ván chống thấm nhiều công nghệ nghiên cứu ứng dụng như: Tường hào chống thấm Bentonite, công nghệ khoan vữa áp lực cao Jet-grouting, màng chống thấm vải địa kỹ thuật Bentonite vật liệu ứng dụng làm tường chống thấm lần vào năm 1999 cơng trình thủy lợi Dầu Tiếng tiếp cơng trình Am Chúa, Iakao, Easoup-Đắk Lắc, Dương Đông - Kiên Giang, cho hiệu chống thấm tốt với giá thành hợp lý Tuy nhiên, cơng trình tường chống thấm thi cơng biện pháp đào hào dung dịch Bentonite thiết kế, 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 cơng tác thiết kế, thi công công tác đánh giá kiểm định chất lượng tường chống thấm Trong trình thi công, vách hào giữ ổn định dung dịch bentonite Sau đó, bentonite thay vật liệu chống thấm (xi măng - bentonite hay đất - bentonite) có tiêu lý trọng lượng tốt nên vách hào ổn định xi măng thủy hóa đất cố kết làm tăng độ ổn định cho vách hào Như vậy, trình hào giữ ổn định dung dịch bentonite trình dễ gây ổn định tồn q trình thi cơng hào chống thấm Việc nghiên cứu lý thuyết tính tốn ổn định vách hào cần thiết II Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài ổn định vách hào đào sâu dung dịch Bentonite thi cơng dính theo trạng thái khơng gian ba chiều Phân tích yếu tố ảnh hưởng, chế giữ ổn định, hình dạng mặt trượt đến ổn định vách ... hưởng đến ổn định vách hào đào đất dính ổn định dung dịch bentonite 30 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH HÀO BENTONITE TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU 2.1 Sự ổn định hào bentonite Tường hào xây... gây ổn định tồn q trình thi cơng hào chống thấm Việc nghiên cứu lý thuyết tính tốn ổn định vách hào cần thi? ??t II Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài ổn định vách hào đào sâu dung dịch. .. dịch Bentonite thi cơng dính theo trạng thái khơng gian ba chiều Phân tích yếu tố ảnh hưởng, chế giữ ổn định, hình dạng mặt trượt đến ổn định vách hào Lập cơng thức tính ổn định vách hào theo