Thạc Sĩ Nghiên cứu phương pháp tính toán nền đắp có gia cường bằng vái địa kỹ thuật trong các công trình xây

L I C M
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến iáo sư, iến sỹ
Vũ ình hụng – Người Thầy hướng dẫn đã tận tâm, tận tình giúp cho tác giả
hoàn thành luận án đúng thời gian.
Tác giả xin trân trọng biết ơn iến sỹ Vũ ức Sỹ - Thầy hướng dẫn đã
giúp đỡ tận tình, tạo mọi thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện
luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bùi Xuân ậy, Lã Văn
hăm; rần Thị im ăng và tập thể Bộ môn ường Bộ đã có
những đóng góp quý báu và quan tâm, giúp đỡ, tạo thuận lợi cho tác giả trong
quá trình làm nghiên cứu sinh.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn hầy Hiệu rưởng, Ban Giám Hiệu -
rường ại học Giao thông Vận tải, hòng ào tạo au đại học đã giúp tác
giả hoàn thiện các thủ tục, tổ chức báo cáo luận án đúng thời gian.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các iáo sư, hó iáo sư, iến sỹ và các
nhà khoa học từ 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 à Nẵng, ại học Kiến rúc à 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 đã có những đóng góp,
giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ba, Mẹ, gia đình, người
thân và xin chân thành cảm ơn thầy, cô, bạn đồng nghiệp đã chia sẻ, động
viên, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu này.
Tác giả luận án
iv

MỤC LỤC
MỞ ẦU 1
1. Giới thiệu công trình nghiên cứu 1
2. Lý do lựa chọn đề tài 1
3. Mục đích 1
4. ối tượng nghiên cứu 1
5. Phạm vi nghiên cứu 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2
ƯƠN 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ D N V ƯƠN
PHÁP TÍNH TOÁN NỀN Ắ ƯỜNG VẢ ỊA KỸ THUẬT
3
1.1 Các nghiên cứu sử dụng và tính toán nền đắp gia cường vải
địa kỹ thuật trong và ngoài nước

3
1.1.1 Lịch sử phát triển và sử dụng vải địa kỹ thuật 3
1.1.1.1 Giới thiệu chung 3
1.1.1.2 Phân loại vải địa kỹ thuật 4
1.1.1.3 Một số tiêu chí đánh giá vải địa kỹ thuật

5
1.1.1.4 Các chức năng của vải địa kỹ thuật 5
1.1.1.5 Một số công trình xây dựng sử dụng vải địa kỹ thuật ở V.Nam

9
1.1.2 ác phương pháp tính toán nền đắp gia cường vải địa kỹ thuật
ở trong và ngoài nước hiện nay
12
1.1.2.1 hương pháp giải tích tính nền đắp có cốt trên nền đất yếu

12
Nhận xét phương pháp giải tích tính nền đắp gia cường trên
đất yếu
15
1.1.2.2 hương pháp giải tích tính nền đắp có cốt trên đất tự nhiên tốt 16
Nhận xét các phương pháp giải tích

23
1.1.2.3 hương pháp số và các phần mềm tính toán 24
Nhận xét các phương pháp tính toán

27
1.2 Những vấn đề tồn tại mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu 28
1.3 Mục tiêu của đề tài 28
1.4 Nội dung nghiên cứu 29
1.5 hương pháp nghiên cứu 29
ƯƠN 2 MÔ N ÍN B N NỀN Ấ Ắ ƯỜNG
BẰNG CỐT MỀM VẢ ỊA KỸ THUẬT
30 v

2.1 Mục đích và yêu cầu 30
2.1.1 Mục đích 30
2.1.2 Yêu cầu 30
2.2 Các tính chất của vải địa kỹ thuật 31
2.2.1 Một số khái niệm về thuộc tính của vải địa kỹ thuật 31
2.2.2 ường quan hệ ứng suất – biến dạng của vải địa kỹ thuật 33
2.2.3 Một số ví dụ xác định tính cơ lý của vải địa kỹ thuật 34
2.3 Xây dựng mô hình bài toán 36
2.3.1 Một số giả thiết 37
2.3.2 Xây dựng mô hình tính toán bài toán ổn định của nền đường
đắp có cốt mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn
37
2.3.2.1 ác phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi 38
2.3.2.2 hương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn 39
2.3.2.3 Hệ số an toàn theo phương pháp giảm c-φ 42
Nhận xét 42
ƯƠN 3 XÂY ỰN UẬ N V ƯƠN R N TÍNH
B N NỀN Ấ Ắ ƯỜN VẢ Ị Ỹ UẬ
BẰN ƯƠN PTHH
43
3.1 Xây dựng thuật toán 43
3.1.1 hần tử tấm tam giác 43
3.1.2 hần tử tấm tam giác đẳng tham số 44
3.1.3 Mô hình Mohr- oulomb 46
3.1.4 hần tử tiếp xúc 50
3.1.4.1 Lý thuyết phần tử tiếp xúc 50
3.1.4.2 Mô hình phi tuyến tiếp xúc giữa vải địa kỹ thuật và đất nền 52
3.1.5 hần tử vải địa kỹ thuật 52
3.1.5.1 Lý thuyết tính toán phần tử vải địa kỹ thuật 52
3.1.5.2 Mô hình phi tuyến của phần tử vải địa kỹ thuật 53
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 ơ 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 3 59
ƯƠN 4 Ự N ỆM ÍN N NỀN Ắ ƯỜN
V R N XÂY ỰN ƯỜN Ô Ô
60
4.1 Nền đường đắp trên đất tự nhiên tốt 60
4.1.1 Dữ liệu chung tính toán 60
4.1.2 Phân tích ổn định của nền 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 trong nền đắp cao 75
4.2 Nền đường đắp trên đất yếu 77
4.3 Xác định dạng cung trượt mái dốc theo phương pháp xấp xỉ
mặt trượt mái dốc
80
4.3.1 hương pháp xấp xỉ mặt trượt 80
4.3.2 Một số ví dụ vẽ đường biến dạng trượt và tính xấp xỉ mặttrượt 81
4.3.2.1 rường hợp nền đắp có gia cường vải địa kỹ thuật

81
4.3.22 rường hợp nền đắp không gia cường vải địa kỹ thuật

85
4.4 Xây dựng công thức tính toán lực căng ( max) các lớp V
trong nền đắp
88
4.4.1 Lực căng V trong phân mảnh cho mặt trượt trụ tròn 88
4.4.2 Xây dựng công thức tính toán lực căng vải địa kỹ thuật (Tmax)
bằng phương pháp phần tử hữu hạn theo mặt trượt Ellipse
89
4.5 Xác định ảnh hưởng của độ cứng vđkt (EA) đến hệ số an toàn
ổn định nền đắp
96
4.5.1 Xây dựng biểu thức xác định độ cứng vđkt (EA) ảnh hưởng
đến hệ số an toàn ổn định
96
4.5.2 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số an toàn ổn định 99
4.5.3 Biểu đồ quan hệ ảnh hưởng của độ cứng (EAg), cường độ Tmax
vđkt và mô đun đàn hồi đất nền (Es) đến an toàn ổn định
104
4.6 o sánh khảnăng đứt và tuột cốt V ảnh hưởng đến antoàn
ổn định nền đắp gia cường
105
4.7 o sánh kết quả chạy trên chương trình hnh_ress và plaxis 106
4.8 Kết quả nghiên cứu chương 4 110
Ế LUẬN V ẾN N Ị 112
vii

MỤC LỤC HÌNH VẼ Ồ THỊ
ƯƠN 1
Hình 1.1 V gia cường, đoạn qua cầu Xương iang – Bắc Giang 4
ình 1 2 V trong mái dốc Bukit Panggal Mosque, Tutong, Brunei
Quốc
6
ình 1 3 V tường chắn Arca Budaya, Kuala Lumpur, Malaysia. 6
ình 1 4 V trong đường đê unarbhava, West Bengal, Ấn ộ 6
ình 1 5 V gia cường nền nhà dân dụng 6
ình 1 6 V làm tường chắn, hánh ương, ỉnh Cam Túc, TQ 7
ình 1 7 V với chức năng làm tường chắn đất 7
ình 1 8 V ường chắn Novotel Hotel, Patong, Phuket, Thailand 7
ình 1 9 V tiêu, thoát nước đường cao tốc Nam Carolina, Hoa Kỳ 7
ình 1 10 V sử dụng ở hào bố trí ống dẫn nước (Australia) 8
ình 1 11 V sử dụng với chức năng vật liệu thấm ( ảo Solomon) 8
Hình 1.12 V làm chức năng phân cách

9
ình 1 13 V gia cố mái dốc 9
ình 1 14 V làm chức năng lọc 9
Hình 1.15 V làm lớp phân cách và bảo vệ 9
ình 1 16 V chức năng tiêu thoát nước 9
Hình 1.17 Mặt cắt ngang mở rộng QL5, V làm lớp ngăn cách 10
Hình 1.18 V được dùng ở bãi rác Tam Tân, Củ Chi, TP.HCM

10
ình 1 19 V sử dụng ở bãi rác Bố Trạch, Quảng Bình 10
Hình 1.20 hương pháp phân tích mặt trượt tròn để xác định lực kéo lớn
nhất yêu cầu đối với cốt tăng cường ở đáy nền đắp
14
Hình 1.21 Chiều dài neo bám của cốt tại vị trí j dọc theo đáy nền đắp 14
ình 1 22 hương pháp khối nêm hai phần cho mái dốc có cốt

16
Hình 1.23 Sự phân bố gần đúng ứng suất xáo động với mỗi lớp cốt 18
Hình 1.24 ính toán trượt tròn theo phương pháp phân mảnh

19
Hình 1.25 Tính toán theo mặt trượt xoắn ốc logarit

22
ình 1 26 ính toán 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
26
ƯƠN 2
Hình 2.1 Ứng xử kéo của vđkt theo mô hình Robert M.Koerner 33
Hình 2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng của tiếp xúc vải địa kỹ thuật và
đất nền theo Robert M.Koerner
34
Hình 2.3 ơ đồ tính không bố trí cốt (a) và có bố trí cốt (b) 37
ƯƠN 3
Hình 3.1 ình dạng của phần tử tam giác 43
Hình 3.2 hần tử tam giác 3 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa phương 44
Hình 3.3 hần tử tam giác 6 nút trong hệ tọa độ tổng thể và địa phương 45
Hình 3.4 iêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb trong k gian Ư chính 47
Hình 3.5 Xác định góc ma sát trong và lực dính đơn vị 49
ình 3 6 Xác định góc giãn nở 50
Hình 3.7 hần tử tiếp xúc 51
Hình 3.8 àm dạng của phần tử thanh chịu lực dọc trục 53
ình 3 9 hương pháp Newton-Raphson và Newton-Raphson cải tiến 54
ình 3 10 ơ đồ khối tổng quát chương trình tính bằng 55
Hình 3.11 ên và biểu tượng chương trình 56
Hình 3.12 hai báo quan hệ ứng suất – biến dạng của vải địa kỹ thuật 56
Hình 3.13 hai báo độ cứng(E g) theo đường ứng suất- biến dạng
của vải địa kỹ thuật
56
Hình 3.14 Vẽ đường xấp xỉ mặt trượt 57
Hình 3.15 Xác định sai số đường xấp xỉ mặt trượt Ellipse và trượt tròn 57
Hình 3.16 Xác định độ cứng cát tuyến theo ứng xử kéo của V 58
ƯƠN 4
Hình 4.1 ơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ 61
Hình 4.2 Mô hình tải trọng xe tính toán 62
Hình 4.3 Vị trí mặt trượt (nền đắp cao 6 m) 62
Hình 4.4 Vị trí mặt trượt khi có vải địa kỹ thuật (nền đắp cao 8 m) 63
Hình 4.5 ơ đồ biến dạng (4 lớp V , khoảng cách 0 5m) 67
Hình 4.6 Mặt trượt (4 lớp vải địa kỹ thuật, khoảng cách 0 5m) 67 ix

Hình 4.7 ơ đồ biến dạng (4 lớp V , khoảng cách 1 5m) 68
Hình 4.8 Mặt trượt (4 lớp vải địa kỹ thuật, khoảng cách 1 5m) 68
Hình 4.9 Quan hệ giữa cường độ vải địa kỹ thuật và số lớp vải địa
kỹ thuật trong nền đắp cao có 6m dưới đắp hệ số mái dốc 1/1
76
Hình 4.10 Quan hệ giữa cường độ vải địa kỹ thuật và số lớp vải địa
kỹ thuật trong nền đắp cao có 6m dưới đắp hệ số mái dốc 1/1 25
76
Hình 4.11 Quan hệ giữa cường độ vải địa kỹ thuật và số lớp vải địa
kỹ thuật trong nền đắp cao có 6m dưới đắp hệ số mái dốc 1/1 5,
77
Hình 4.12 ơ đồ hình học khi có vải địa kỹ thuật 79
Hình 4.13 Mặt biến dạng trượt khi không có vải địa kỹ 79
Hình 4.14 Mặt biến dạng trượt khi có vải địa kỹ thuật 79
Hình 4.15 ung trượt hình elipse nền đắp trên đất yếu 79
ình 4 16 hương pháp xấp xỉ mặt trượt 81
Hình 4.17 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 8m, cóV 82
Hình 4.18 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 10m, cóV 83
Hình 4.19 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 12m, cóV 84
Hình 4.20 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt nền đắp cao 12m, cóV 82
Hình 4.21 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 8m, không cóV 85
Hình 4.22 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 10m,không cóV 86
Hình 4.23 ết quả tính xấp xỉ mặt trượt đắp cao 12m,không cóV 87
Hình 4.24 hương pháp phân mảnh cổ điển cho mặt trượt trụ tròn 89
Hình 4.25 ung trượt hình ellipse, xây dựng công thức tính max 90
Hình 4.26 ơ đồ tính lực căng trong V theo cung trượt ellipse 92
Hình 4.27 ết quả phân tích lực căng max các lớp V 96
Hình 4.28 Quan hệ của độ cứng vđkt (E g) và mô đun đàn hồi đất đắp
(Es) đến an toàn ổn định Fs
= 1.2. Tmax = 12; 14; 16 kN/m
kN
104
ình 4 29 Quan hệ của độ cứng vđkt (E g) và mô đun đàn hồi đất đắp
(Es) đến an toàn ổn định Fs
= 1.2. Tmax = 18; 20; 22 kN/m
104
ình 4 30 Quan hệ của độ cứng vđkt (E g) và mô đun đàn hồi đất đắp
(Es) đến an toàn ổn định Fs
= 1.2. Tmax = 24; 26; 28 kN/m
105
ình 4 31 ơ đồ tính ổn định nền đắp cao 6m bằng phần mềm laxis 106
Hình4.32 Biến dạng nền đắp cao 6m tính bằng phần mềm laxis

106
ình4 33 ệ số an toàn nền đắp cao 6m tính bằng phần mềm laxis

106
ình 4 34 ơ đồ tính ổn định nền đắp cao 8m bằng phần mềm laxis 107
ình4 35 Biến dạng nền đắp cao 8m tính bằng phần mềm laxis

107
ình4 36 ệ số an toàn nền đắp cao 8m tính bằng phần mềm laxis

107
x

MỤ LỤ B B Ể

Bảng 3 1 ọa độ và trọng số của tích phân số trên miền tam giác 46
Bảng 3 2 ác tham số của mô hình Mohr- oulomb 49
Bảng 4.1 ặc trưng của nền đường đắp trên đất tốt 60
Bảng 4.2 ặc trưng vải địa kỹ thuật theo 1m chiều rộng 60
Bảng 4 3 ải trọng xe cộ 61
Bảng 4 4 ệ số an toàn ổn định mái dốc 64
Bảng 4 5 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 64
Bảng 4 6 Lực căng trong vải địa kỹ thuật khi mái dốc bị phá hoại 65
Bảng 4 7 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền 8m 66
Bảng 4 8 Ảnh hưởng của cường độ V và số lớp V 67
Bảng 4 9 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 68
Bảng 4 10 Lực căng trong vải địa kỹ thuật khi mái dốc bị phá hoại 69
Bảng 4 11 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền đắp 10m 70
Bảng 4 12 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật 71
Bảng 4 13 Ảnh hưởng của số lớp và khoảng cách giữa các lớp vđkt 72
Bảng 4 14 Lực căng trong vđkt khi mái dốc bị phá hoại, nền 12m 73
Bảng 4 15 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc, nền 12m 74
Bảng 4 16 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật 74
Bảng 4 17 Ảnh hưởng của cường độ và số lớp vải địa kỹ thuật 75
Bảng 4 18 ặc trưng nền đất yếu 77
Bảng 4 19 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 6 m 78
Bảng 4 20 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 8 m 78
Bảng 4 21 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 10 m 78
Bảng 4 22 ệ số an toàn khi chiều cao đắp 12 m 78
Bảng 4.23 Một số kết quả tính xấp xỉ mặt trượt 87
Bảng 4.24 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn, T=12kN/m 99
Bảng 4.25 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn,T= 14kN/m 99
Bảng 4.26 Ảnh hưởng của độ cứng vđkt đến hệ số antoàn,T= 16kN/m 100
Bảng 4.27 Ảnh hưởng của EAg, Tmax vđkt và Es
đến hệ số an toàn Fs 100
Bảng 4.28 ết quả hệ số an toàn tính bằng nhress và laxis 108 xi

B KÝ Ệ Ữ Ế Ắ

V Vải địa kỹ thuật ( eotextile)
PTHH hần tử hữu hạn (FEM _ Finite Element Method)
HNH_RESS hần mềm tính ổn định nền đắp gia cường (Reinforced
Embankment Stability Software)
K hệ số an toàn tính toán (giải tích)
Kbh hệ số an toàn nền đắp ngập nước bão hòa
Kk hệ số an toàn nền đắp không ngập nước
Kmin hệ số an toàn tối thiểu
MD mô men gây trượt do đất nền và tải trọng
MRS mô men giữ do đất
MRR mô men giữ do cốt tăng cường
H chiều cao nền đắp
Ls
chiều dài cạnh nằm ngang mái dốc (bề rộng chân mái dốc)
φ’cv góc ma sát của vật liệu nền đắp lúc có biến dạng lớn trong điều kiện
ứng suất hữu hiệu
fms hệ số vật liệu riêng phần áp dụng cho tg φ’cv (fms = 1)
fn là hệ số phá hoại riêng phần;
fp hệ số chịu kéo tuột riêng phần đối với cốt tăng cường;
Troj lực yêu cầu cốt tăng cường phải có trong phạm vi 1m dài nền đắp tại j;
ɣ trọng lượng đơn vị của vật liệu đắp nền;
h chiều cao trung bình vật liệu đắp trong phạm vi chiều dài cốt tăng
cường Lj
;
α’ hệ số tương tác biểu thị liên hệ giữa góc neo bám cốt – đất với tgφ’cv;
fms hệ số vật liệu riêng phần;
Lj
chiều dài neo bám cần thiết của cốt tăng cường trong phạm vi cung
trượt cho 1m dài nền đắp; xii

αbc’ hệ số tương tác biểu thị liên hệ giữa lực dính bám giữa đất và cốt tăng
cường với cu.
Rh lực gây xáo động tổng hợp đối với 1m dài dọc theo mặt mái dốc
ffs hệ số riêng phần áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất
K tỉ số giữa ứng suất (áp lực) nằm ngang và ứng suất thẳng đứng
ɣ trọng lượng đơn vị của đất
H chiều cao nền đắp
ffs hệ số riêng phần cho trọng lượng đơn vị của đất
fq hệ số riêng phần cho ngoại tải
wsi ngoại tải tác dụng lên mảnh i
ui
áp lực nước lỗ rỗng tác dụng trên mặt trượt mảnh thứ i
hệ số hiệu chỉnh momen
i
,
i
c và
ui,
s là các góc ma sát trong, lực dính đơn vị và lực dính không thoát
nước của đất nền;
r
,
r
c và
ur,
s là các góc ma sát trong, lực dính đơn vị và lực dính không thoát
nước đã suy giảm của đất nền
Fs
Hệ số an toàn ổn định
Es
Mô đun đàn hồi của đất
Eg Mô đun đàn hồi vải địa kỹ thuật
 Hệ số Poisson
Góc dãn nở
EAg ộ cứng vải địa kỹ thuật