Tiến Sĩ Nghiên cứu phương pháp tính ổn định mái dốc có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác - Ứng

Luận án tiến sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu phương pháp tính ổn định mái dốc có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác - Ứng dụng cho xây dựng đê biển
Định dạng file word


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án 1
2. Mục đích của luận án 2
3. Phương pháp nghiên cứu 2
4. Nội dung nghiên cứu 3
5. Phạm vi nghiên cứu 3
6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3
7. Những đóng góp mới của luận án 4
8. Cấu trúc luận án 4
Chương I: Tổng quan 5
1.1. Đặc điểm của đê biển Việt Nam 5
1.1.1 Đê biển được thiết kế như công trình bán vĩnh cửu 6
1.1.2 Đê biển có thể phải để cho tràn nước 7
1.1.3 Đê biển là công trình có khối lượng đào đắp lớn 8
1.1.4 Đặc điểm địa chất nền đê và đất đắp đê biển 9
1.2. Vải địa kỹ thuật và công nghệ đất có cốt VĐKT 10
1.2.1 Vải địa kỹ thuật 10
1.2.2 Công nghệ đất có cốt 14
1.2.3 Một số ứng dụng công nghệ đất có cốt VĐKT trong xây dựng đê biển ở nước ta và trên thế giới 19
1.3. Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc đê, đập đất thường dùng hiện nay 22
1.3.1 Phương pháp phân tích giới hạn 23
1.3.2 Phương pháp cân bằng giới hạn 23
1.3.3 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc có cốt VĐKT thường dùng hiện nay 33
1.3.4 Nhận xét 37
1.4. Kết luận chương I 38
Chương II: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích ổn định mái dốc có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác 40
2.1. Đặt vấn đề 40
2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp 41
2.2.1 Hệ phương trình cơ bản của phương pháp 41
2.2.2 Phương pháp xác định giá trị hai đại lượng Ei và Xi 44
2.3 Kết luận chương II 59
Chương III: Kiểm định phương pháp luận 61
3.1. Xây dựng phần mềm tính toán ổn định mái dốc có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác 61
3.1.1. Tóm tắt các phương trình tính toán giá trị các đại lượng ∆E và ∆X tác dụng lên thỏi đất trong các trường hợp khác nhau 61
3.1.2. Xây dựng phần mềm tính toán ổn định của mái dốc có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác 63
3.2. Tính toán kiểm chứng phương pháp luận 65
3.2.1 Kết quả tính toán với các cung trượt ở trạng thái cân bằng giới hạn (Hệ số an toàn ổn định Fs=1) 65
3.2.2 Kết quả tính toán với các cung trượt có hệ số an toàn ổn định Fs khác 1 68
3.3 Kết luận chương III 78
Chương IV: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đất có cốt VĐKT tại công trình thử nghiệm (Đê biển Bình Minh 3 - Kim Sơn -Ninh Bình) 80
4.1 Giới thiệu chung về công trình thử nghiệm 80
4.2 Thí nghiệm xác định tương tác giữa cốt VĐKT và đất 82
4.2.1. Mục đích thí nghiệm 82
4.2.2. Thí nghiệm xác định lực dính, góc ma sát trong giữa đất và VĐKT 82
4.2.3. Kết quả thí nghiệm 84
4.3 Thí nghiệm mô hình vật lý tỷ lệ 1:1 86
4.3.1. Mục tiêu thí nghiệm 86
4.3.2. Trường hợp thí nghiệm và thao tác thí nghiệm 87
4.3.3. Kết quả thí nghiệm 89
4.4 Thiết kế và thi công đoạn đê thử nghiệm Bình Minh 3 (Kim Sơn - Ninh Bình) 94
4.4.1. Các chỉ tiêu thiết kế 94
4.4.2. Thi công công trình thử nghiệm 96
4.5 So sánh và đánh giá hiệu quả từ công trình thử nghiệm 100
4.5.1. Về kết cấu mặt cắt đê 100
4.5.2. Về biến dạng của đê 100
4.5.3. Về tiến độ và thời gian đắp đê 101
4.5.4. Về cố kết và ổn định của đê 102
4.5.5. Về khả năng chịu nước tràn của đê 102
4.5.6. Về hiệu quả kinh tế 103
4.6. Sử dụng phương pháp nghiên cứu để tính toán với công trình thử nghiệm 103
4.6.1 Trường hợp tính toán 103
4.6.2 Kết quả tính toán 103
4.7. Kết luận chương IV 107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109
Kết luận 109
Kiến nghị 110
CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO 112
PHỤ LỤC 118
PHỤ LỤC 1 119
PHỤ LỤC 2 134
PHỤ LỤC 3 140
PHỤ LỤC 4 142


MỞ ĐẦU1. Tính cấp thiết của đề tàiHệ thống đê biển Việt Nam là công trình đất đồ sộ tuy không cao nhưng có tổng chiều dài khá lớn, vào khoảng 2700 km (trong đó đê trực tiếp với biển khoảng 1400km, còn lại là đê cửa sông ven biển) trải dài từ Quảng Ninh đến Kiên Giang. Trong những năm qua, hệ thống đê biển có vai trò lấn biển, khai hoang, chống biển lấn, ngăn mặn, giữ ngọt, chống bão lũ bảo vệ được các vùng đất ven biển, bảo vệ được dân sinh kinh tế và đã góp phần phát triển kinh tế, văn hóa, du lịch, ., ở các vùng ven biển.
Mặt khác, do sự biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu nhiệt độ trái đất nóng lên dẫn đến mực nước biển dâng cao sẽ làm ngập nhiều vùng đất ven biển. Những vùng dự tính chịu tác động lớn nhất của BĐKH và nước biển dâng (NBD) là đồng bằng sông Cửu Long, vùng ven biển Trung bộ và đồng bằng sông Hồng. Một trong những giải pháp quan trọng, tích cực và hiệu quả để thích ứng và đối phó với tác động của BĐKH và NBD nhằm bảo vệ dân cư, các khu kinh tế, các khu công nghiệp, phát triển kinh tế - xã hội và chống mất đất ở các vùng ven biển Việt Nam là đầu tư xây dựng, nâng cấp hệ thống đê biển, đê cửa sông.
Tuy nhiên, hệ thống đê biển nước ta được xây dựng trên nền đất yếu và thường được đắp bằng đất tại chỗ kém chất lượng nên khi gặp các trận bão, gió kèm theo triều cường, phần lớn bị phá hoại rất nghiêm trọng, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng các giải pháp công nghệ mới tận dụng đất khai thác tại chỗ để nâng cấp, xây dựng mới các tuyến đê biển ổn định trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt trong thực tế là một việc làm rất cần thiết và cấp bách. Một trong các công nghệ này là công nghệ đất có cốt vải địa kỹ thuật (VĐKT) để xây dựng và nâng cấp đê biển.
Công dụng nổi bật của công nghệ đất có cốt VĐKT là huy động được sức chịu kéo của cốt VĐKT để tăng ổn định của mái dốc. Vấn đề đặt ra khi phân tích ổn định của mái dốc có cốt theo lý thuyết phân thỏi là cần có một phương pháp phân tích có thể xét được đầy đủ lực tương tác giữa các thỏi đất trong đó có sự tham gia của các lớp cốt VĐKT. Bài toán phân tích ổn định mái dốc theo lý thuyết phân thỏi hiện nay là bài toán siêu tĩnh, để giải được bài toán này, các nhà khoa học đã đưa vào các giả thiết khác nhau (như các giả thiết bỏ bớt lực tương tác, giả thiết điểm đặt của lực tương tác, giả thiết về hướng tác dụng của lực tương tác giữa các thỏi đất) và coi lực neo của cốt VĐKT là lực neo cả khối đất trượt vào phần đất ổn định. Vì vậy, mục đích chính của luận án là nghiên cứu phương pháp tính ổn định mái dốc có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác và ứng dụng cho xây dựng đê biển.
2. Mục đích của luận án(i) Nghiên cứu áp dụng công nghệ đất có cốt VĐKT nhằm tận dụng đất khai thác tại chỗ, thường là đất xấu, để nâng cấp và xây dựng đê biển có thể làm việc ổn định lâu dài trong các điều kiện làm việc thực tế khác nhau.
(ii) Nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích ổn định mái dốc có cốt dựa trên điều kiện tương thích của lực tương tác giữa các thỏi đất.
(iii) Lập phần mềm tính toán để ứng dụng phương pháp phân tích đề xuất cho tính toán thiết kế công trình trong thực tế. Ứng dụng tính toán với công trình thử nghiệm.
3. Phương pháp nghiên cứu- Thu thập và phân tích số liệu
- Phương pháp phân tích lý thuyết (phương pháp giải tích)
- Phương pháp dùng mô hình vật lý và mô hình toán tương ứng.
4. Nội dung nghiên cứu(i) Nghiên cứu tổng quan về các đặc điểm của đê biển Việt Nam, các đặc tính của VĐKT và công nghệ đất có cốt VĐKT;
(ii) Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết của các phương pháp tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp phân thỏi;
(iii) Nghiên cứu phát triển lý thuyết phương pháp phân tích ổn định mái dốc có cốt VĐKT có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác giữa các thỏi đất;
(iv) Xây dựng phần mềm tính toán ổn định mái dốc có cốt có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác giữa các thỏi đất và tính toán kiểm chứng;
(v) Nghiên cứu ứng dụng với đoạn đê thử nghiệm tại tỉnh Ninh Bình.
5. Phạm vi nghiên cứu(i) Nghiên cứu ứng dụng giải pháp công nghệ đất có cốt VĐKT để xây dựng đê biển Việt Nam bằng đất khai thác tại chỗ.
(ii) Giới hạn nghiên cứu: Nghiên cứu phát triển phương pháp tính toán ổn định mái đê biển theo phương pháp phân thỏi với cung trượt tròn có xét đến sự phân bố lại ứng suất do tác dụng neo của VĐKT ứng với từng thỏi.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án(i) Ý nghĩa khoa học:
- Luận án phân tích những đặc điểm của đê biển Việt Nam; từ đó, nghiên cứu sự phù hợp của VĐKT trong vai trò làm cốt để xây dựng đê biển, đáp ứng được các yêu cầu cấp bách trong xây dựng đê biển nước ta:
+ Thích ứng được với các đặc điểm riêng của đê biển;
+ Sử dụng đất tại chỗ để đắp đê;
+ Chịu được tác động của bão lũ và các yếu tố tự nhiên khắc nghiệt khác;
- Luận án góp phần hoàn thiện phương pháp tính toán ổn định cung trượt có xét đến lực tương tác giữa các thỏi đất trong trường hợp không có và có cốt VĐKT.
(ii) Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể xem xét ứng dụng trong thiết kế xây dựng các công trình ổn định mái dốc vùng đồi núi có nguy cơ trượt lở cần được gia cố, taluy đường giao thông, đê sông và đặc biệt là ứng dụng trong Chương trình nâng cấp đê biển Việt Nam.
7. Những đóng góp mới của luận án- Xây dựng phương pháp tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp phân thỏi có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác giữa các thỏi đất.
- Xây dựng mô hình toán để tính hệ số ổn định có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác trên từng thỏi đất với sự có mặt của cốt đất.
- Lập phần mềm tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác và kiểm chứng với một phần mềm thương mại và trên công trình thực tế.
8. Cấu trúc của luận ánNgoài phần mở đầu, kết luận, nội dung nghiên cứu của Luận án được trình bày trong 4 chương:
Chương I: Tổng quan.
Chương II. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp phân thỏi có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác.
Chương III. Kiểm định phương pháp luận.
Chương IV. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đất có cốt VĐKT tại công trình thử nghiệm (Đê biển Bình Minh 3 - Kim Sơn - Ninh Bình).
CHƯƠNG ITỔNG QUANĐê biển được hình thành do yêu cầu sống còn của các hoạt động kinh tế xã hội ở một vùng đất phì nhiêu nhưng bằng phẳng và thấp, nơi tập trung một tỷ lệ đáng kể dân số của cả nước, có nhạy cảm đặc biệt với điều kiện tự nhiên. Các tuyến đê được xây dựng từ lâu đời và không ngừng được củng cố. Khi một vùng đất mới nổi lên và có xu thế ổn định thì lại hình thành tuyến đê mới. Bên cạnh những khu vực có xu thế bồi lớn là các khu vực biển tiến hình thành nên một tuyến đê uốn lượn theo xu thế phát triển của đường bờ. Hiện nay, nước ta có trên 2700 km đê biển và cửa sông, trải dài từ Quảng Ninh đến Kiên Giang, là tiền đề quan trọng để phát triển nền kinh tế biển. Đảng và Nhà nước ta đã quán triệt cần phải có giải pháp hợp lý để bảo vệ được đất đai, bảo vệ các khu kinh tế, các khu công nghiệp và đặc biệt là bảo vệ được sự an toàn của người dân khỏi những thảm hoạ do biển mang lại, mặt khác lại phải tận dụng hết những tiềm năng của nền kinh tế biển như du lịch, vận tải biển, đánh bắt và nuôi trồng hải sản, ., trong đó việc nâng cấp và củng cố hệ thống đê biển đóng vai trò quan trọng. Do điều kiện tự nhiên của khu vực duyên hải rất khắc nghiệt, mặt khác đê biển được xây dựng bằng vật liệu địa phương trên nền đất rất yếu, nên vấn đề cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra giải pháp khoa học công nghệ phù hợp để xây dựng hệ thống đê biển an toàn, ổn định và đáp ứng được các yêu cầu thực tế.
1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐÊ BIỂN VIỆT NAM Đê biển nước ta lại có lịch sử hình thành và điều kiện làm việc khác biệt so với các công trình đất khác. Chính vì vậy nó cũng có một số đặc điểm riêng biệt, trong phạm vi luận án, nghiên cứu sinh nghiên cứu và trình bầy các đặc điểm này.
1.1.1. Đê biển được thiết kế như công trình bán vĩnh cửuTrừ một số tuyến đê có vị trí đặc biệt, còn lại tuyến đê biển nước ta phải dịch chuyển định kỳ hoặc để lấn biển hoặc do biển lấn, do đó đê biển được thiết kế như công trình bán vĩnh cửu.
Theo số liệu thống kê [10],[14],[20],[24],[36],[44], quá trình xói lở, bồi tụ đang diễn ra trên hầu hết đường bờ biển nước ta với cường độ và tốc độ khác nhau. Đáng chú ý là cả nước có tới 80 đoạn đường bờ đã xây dựng công trình chỉnh trị (đê, kè, trồng cây) vẫn tiếp tục bị xói lở, nhiều đoạn bờ đá gốc


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phan Tiến An, Phan Trường Phiệt, Nguyễn Văn Hoàng, Vũ Đình Hùng (2010): Phân tích trượt sườn dốc theo phương pháp mô hình vật lý có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác- Tạp chí các Khoa học về trái đất, số 32(1)-3-2010, Hà Nội, Việt Nam.
2. Phan Tiến An, Phan Trường Phiệt, Nguyễn Văn Hoàng, Vũ Đình Hùng (2009): Tính toán hệ số ổn định sườn dốc theo phương pháp mô hình vật lý có xét đến điều kiện tương thích của lực tương tác - Tạp chí Địa kỹ thuật, số 4/2009, Hà Nội, Việt Nam.
3. Vũ Minh Cát (2009) và nnk: Nghiên cứu, đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam – Báo cáo đề tài, Hà Nội, Việt Nam.
4. Cao Văn Chí (2000): Địa kỹ thuật. Bài giảng Cao học - Trường ĐHTL, Hà Nội, Việt nam.
5. Cao Văn Chí, Trịnh văn Cương (2003): Cơ học đất, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, Việt Nam.
6. Trịnh Văn Cương (2002): Địa kỹ thuật công trình, Bài giảng cho lớp cao học khoa công trình, Hà Nội, Việt Nam.
7. Cục PCLL & QLĐĐ (2004): Chương trình bảo vệ nâng cấp đê biển hiện có tại các tỉnh ven biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam. Bộ Nông Nghiệp và PTNT, Hà Nội, Việt Nam.
8. Khổng Trung Duân (2002): Nghiên cứu ứng dụng vải địa kỹ thuật để làm cốt gia cố bờ bao vùng đất yếu. Luận văn Thạc sĩ khoa học kỹ thuật - Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội, Việt Nam.
9. Nguyễn Quốc Dũng và nnk (2009): Nghiên cứu giải pháp đắp đê bằng vật liệu địa phương và đắp đê trên nền đất yếu từ Quảng Ninh đến Quảng Nam - Báo cáo đề tài, Hà Nội, Việt Nam.
10. Đại học Thuỷ Lợi (1995): Giải pháp lâu dài bảo vệ đê biển Việt Nam - Tuyển tập báo cáo hội thảo, Hà Nội, Việt Nam.
11. Nguyễn Công Mẫn, Phan Trường Phiệt (2004): Sổ tay Kỹ thuật Thủy lợi (Tập 4 - Địa kỹ thuật công trình – Cơ học đất - đá). Bộ Nông nghiệp và PTNT, Hà Nội, Việt Nam.
12. Dương Ngọc Hải (2004): Thiết kế và thi công tường chắn đất có cốt. NXB Xây dựng, Hà Nội, Việt Nam.
13. Trần Như Hối (2003): Đê biển Nam Bộ. NXB Nông nghiệp, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam.
14. Lê Xuân Hồng (1996): Đặc điểm xói lở bờ biển Việt Nam - Luận án Tiến sĩ, Hà Nội, Việt Nam.
15. Bùi Đức Hợp (2000): Ứng dụng vải và lưới địa kỹ thuật trong xây dựng công trình. NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam.
16. Vũ Đình Hùng - Trung tâm Thuỷ Công (2001): Nghiên cứu ứng dụng VĐKT gia cố nền và làm cốt bờ bao trên nền đất yếu. Báo cáo đề tài, Hà Nội, Việt Nam.
17. Vũ Đình Hùng, Khổng Trung Duân, Phan Tiến An (2001): áp dụng Đất cốt VĐKT trong xây dựng Đê biển và Bờ bao trên nền đất yếu. Tạp chí Nông Nghiệp và PTNT, tháng 7/2001, trang 498-499, Hà Nội, Việt Nam.
18. Vũ Đình Hùng và nnk (2005): Nghiên cứu công nghệ xây dựng đê biển bằng vật liệu có hàm lượng cát cao ở miền Bắc Việt Nam, Báo cáo đề tài, Hà Nội, Việt Nam.
19. Phan Trường Giang (2006). Sử dụng lý thuyết phân tích hệ thống để phân tích ổn định của đập đất và công trình dâng chắn nước trên nền không đồng nhất. Luận án tiến sĩ, Hà Nội, Việt Nam.
20. Vũ Đình Hùng, Phan Tiến An (2001): Đê biển Việt Nam và những vấn đề cần nghiên cứu, Tạp chí Nông nghiệp và PTNT số 6/2001, Hà Nội, Việt Nam.