Thạc Sĩ Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp
Định dạng file word


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục đích nghiên cứu. 3
3. Phạm vi nghiên cứu. 3
4. Phương pháp nghiên cứu. 3
5. Nội dung nghiên cứu. 3
6. Bố cục của luận án. 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ TẢI TRỌNG GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT TỰ NHIÊN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP 6
1.1. Nền đường đắp. 6
1.2. Nền đất yếu. 7
1.2.1. Khái niệm đất yếu. 7
1.2.2. Nền đất yếu ở Việt Nam 8
1.2.3. Hiện tượng mất ổn định của nền đường đắp trên đất yếu. 9
1.3. Tải trọng của nền đường đắp tác dụng lên nền đất tự nhiên. 10
1.4. Trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn của nền đất 11
1.4.1. Cân bằng đàn hồi và cân bằng dẻo. 11
1.4.1.1. Đất là vật liệu đàn - dẻo lý tưởng. 11
1.4.1.2. Đất là vật liệu cứng - dẻo lý tưởng. 13
1.4.2. Lý thuyết biến dạng tuyến tính. 14
1.4.3. Lý thuyết cân bằng giới hạn. 20
1.4.3.1.Cơ sở của lý thuyết cân bằng giới hạn. 20
1.4.3.2. Hệ phương trình cơ bản. 20
1.4.3.3. Các lời giải của hệ phương trình cơ bản. 21
1.4.4. Lý thuyết đàn - dẻo dùng cho khối đất 23
1.4.4.1. Tải trọng giới hạn đàn hồi 23
1.4.4.2. Bài toán hỗn hợp đàn - dẻo về khối đất 24
1.4.4.3. Lý thuyết Cam - Clay. 25
1.4.5. Các phương pháp dùng mặt trượt giả định. 25
1.4.5.1.Phương pháp mặt trượt giả định mặt phẳng. 25
1.4.5.2.Phương pháp mặt trượt trụ tròn. 26
1.4.5.3. Phương pháp mặt trượt theo lý luận cân bằng với nền đồng nhất 26
1.4.6. Phương pháp phân tích giới hạn. 29
1.4.7. Phương pháp xác định ứng suất theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất đạt giá trị nhỏ nhất trong nền đất 30
1.5. Giải pháp tăng cường sức chịu tải (tải trọng giới hạn) của nền đất yếu. 31
1.6. Kết luận. 34
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT TỰ NHIÊN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LƯỢNG BẢN THÂN VÀ TẢI TRỌNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP. 37
2.1. Đặt vấn đề. 37
2.2. Xây dựng bài toán trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tải trọng của nền đường đắp. 39
2.2.1. Bài toán trạng thái ứng suất trong nền đất 39
2.2.2. Bài toán trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tải trọng của nền đường đắp 46
2.3. Phương pháp giải bài toán trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tải trọng của nền đường đắp. 49
2.3.1. Phương pháp giải bài toán bằng sai phân hữu hạn. 49
2.3.2. Phương pháp giải bài toán quy hoạch phi tuyến. 53
2.3.3. Lập chương trình giải bài toán bằng ngôn ngữ Matlab. 54
2.4. Trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên. 56
2.4.1. Trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên chịu trọng lượng bản thân 56
2.4.2. Trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tải trọng của nền đường đắp 62
2.4.3. Khảo sát sự xuất hiện và phát triển vùng biến dạng dẻo. 63
2.5. Kết quả và bàn luận. 65
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT GIỚI HẠN TRONG NỀN ĐẤT TỰ NHIÊN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
NỀN ĐƯỜNG ĐẮP VÀ BỆ PHẢN ÁP. 67
3.1. Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp. 67
3.1.1. Xây dựng bài toán. 67
3.1.2. Xây dựng phương pháp giải bài toán. 70
3.1.2.1. Phương pháp giải bài toán bằng sai phân hữu hạn. 70
3.1.2.2. Lập chương trình giải bài toán bằng ngôn ngữ Matlab. 72
3.1.3. Trạng thái ứng suất và sự phát triển của vùng biến dạng dẻo. 74
3.1.3.1. Trạng thái ứng suất 74
3.1.3.2. Sự phát triển của vùng biến dạng dẻo. 75
3.2. Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp. 77
3.2.1. Đặt vấn đề. 77
3.2.2. Xây dựng bài toán trạng thái ứng suất giới hạn. 77
3.2.3. Phương pháp giải bài toán trạng thái ứng suất giới hạn. 79
3.2.3.1. Phương pháp giải bài toán bằng sai phân hữu hạn. 79
3.2.3.2. Lập chương trình giải bài toán bằng ngôn ngữ Matlab. 80
3.3. Trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp. 81
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của lưới sai phân hữu hạn đến tải trọng giới hạn 81
3.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước ô lưới sai phân. 81
3.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước lưới sai phân hữu hạn. 81
3.3.2. Khảo sát đánh giá kết quả bài toán trạng thái ứng suất giới hạn. 82
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của chiều rộng tải trọng nền đắp đến tải trọng giới hạn 86
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của trọng lượng nền đất đến tải trọng giới hạn 87
3.3.5. Khảo sát đường đẳng bền và vùng biến dạng dẻo. 88
3.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng bệ phản áp đến vùng biến dạng dẻo 95
3.4. Kết quả và bàn luận. 97
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU BỆ PHẢN ÁP ĐỂ LÀM TĂNG TẢI TRỌNG GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI TẢI TRỌNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP. 101
4.1. Đặt vấn đề. 101
4.2. Khảo sát quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu với tải trọng bệ phản áp 103
4.2.1. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn và chiều rộng tải trọng bệ phản áp 103
4.2.2. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp 105
4.3. Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới tải trọng nền đường đắp. 107
4.3.1. Trường hợp không xét góc ma sát trong của đất yếu. 107
4.3.1.1. Xây dựng toán đồ thiết kế bệ phản áp. 107
4.3.1.2. Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp hợp lý. 110
4.3.2. Trường hợp xét góc ma sát trong của nền đất yếu. 115
4.4. Nghiên cứu bệ phản áp rộng vô hạn để làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới nền đường đắp. 118
4.4.1. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu và cường độ tải trọng bệ phản áp rộng vô hạn. 118
4.4.2. Xây dựng toán đồ thiết kế bệ phản áp rộng vô hạn. 119
4.5. Kết quả và bàn luận. 121
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123
Kết luận chung. 123
Kiến nghị 125
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CT-1
TÀI LIỆU THAM KHẢO TL-1
PHỤ LỤC PL-1


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của đất nước, mạng lưới đường giao thông được đầu tư xây dựng rất lớn.
Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là các vùng đồng bằng của sông Hồng, sông Cửu Long và ven biển miền Trung. Ở miền núi và trung du, đất yếu nằm trong dải trũng rộng, vùng hồ cạn, bãi thềm và vùng trũng dưới chân núi. Những vùng này dân cư đông đúc và chiếm một vị trí quan trọng.
Sự mất ổn định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra trên những vùng đất yếu này, rõ ràng nguyên nhân chủ yếu từ nền đất yếu. Có thể nói rằng sự hiểu biết chưa đầy đủ về nền đất yếu là nguyên nhân thiết kế nền đường đắp bị mất ổn định hoặc gây lãng phí tốn kém. Nghiên cứu về nền đất yếu nói riêng hay nền đất nói chung, xác định trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn là vấn đề đầu tiên quan trọng.
Lý thuyết tính toán hiện nay thường giả thiết đất là vật liệu đàn hồi, đàn - dẻo, cứng - dẻo để dựa vào lời giải các bài toán đàn hồi, đàn - dẻo hoặc dựa theo lý thuyết cân bằng giới hạn với lời giải không xét trọng lượng nền đất đối với tải trọng móng cứng của L. Prandtl và các phương pháp gần đúng (phương pháp mặt trượt giả định) xét tới trọng lượng nền đất. Các lý thuyết này đã giải quyết được nhiều vấn đề cụ thể mà thực tế đặt ra nhưng vẫn còn những hạn chế.
Tuy vậy, giả thiết đất là một vật liệu mang các tính chất của môi trường hạt rời là tương đối phù hợp và sử dụng phương pháp đã có xem nền đất ổn định theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất đạt giá trị nhỏ nhất, xét được trọng lượng bản thân để xác định trạng thái ứng suất sẽ cho ta kết quả phù hợp hơn, nhưng các nghiên cứu theo phương pháp này còn ít.
Trạng thái ứng suất của nền đất phụ thuộc không những vào tính chất địa kỹ thuật của nền đất mà còn phụ thuộc vào đặc tính của công trình hay tải trọng ngoài. Do nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đắp được xem như là dưới tác dụng của móng mềm, vì thế không thể áp dụng cách tính là dưới tác dụng của móng cứng như hiện nay sử dụng. Nghiên cứu xây dựng và giải bài toán trạng thái ứng suất của nền đất tự nhiên dưới tải trọng móng mềm, đặc biệt nghiên cứu ở trạng thái giới hạn để từ đó xác định tải trọng giới hạn của nền đất làm cơ sở thiết kế nền đường đắp là vấn đề mới và cấp thiết.
Bệ phản áp là một giải pháp lâu đời được sử dụng nhiều, thực tế đã chứng minh hiệu quả tăng cường ổn định, đặc biệt làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu. Với công nghệ thi công đơn giản và tận dụng được vật liệu tại chỗ, bệ phản áp đã được xây dựng với nền đường đắp qua vùng đất yếu và sửa chữa nền đường mất ổn định. Tuy nhiên, tính toán thiết kế bệ phản áp của nền đường đắp còn dựa vào kinh nghiệm và các phương pháp gần đúng. Do đó, có thể dùng cách tính toán mới về tải trọng giới hạn của nền đất chịu tải trọng móng mềm để khảo sát ảnh hưởng của bệ phản áp, hợp lý hoá thiết kế kích thước, khắc phục nhược điểm để có thể vận dụng tiết kiệm và hiệu quả vào thực tế.
Từ những vấn đề nêu trên đặt ra việc nghiên cứu xác định trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất yếu nói riêng, nền đất tự thiên nói chung với những giả thiết hợp lý hơn với thực tế làm việc của nền đất chịu tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp sẽ góp phần bổ sung lý thuyết nghiên cứu, góp phần tích cực vào thực tế xây dựng nền đường đắp và mạng lưới giao thông ngày nay.
2. Mục đích nghiên cứu
Xác định trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự thiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp, với giả thiết nền đất mang tính chất của môi trường hạt rời và ổn định theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất đạt giá trị nhỏ nhất, nền đất tự nhiên chịu tác dụng của tải trọng móng mềm và tìm phương pháp toán hợp lý để xét trọng lượng bản thân nền đất.
Từ bài toán trạng thái ứng suất giới hạn, nghiên cứu bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn (sức chịu tải) của nền đất yếu.
3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu bài toán phẳng để xác định trạng thái ứng suất, đặc biệt ở trạng thái giới hạn trong nền đất tự nhiên đồng nhất có mặt thoáng nằm ngang, có xét trọng lượng bản thân nền đất, dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp.
Trạng thái ứng suất nghiên cứu là ứng suất hữu hiệu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết bài toán xác định trạng thái ứng suất của nền đất. Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn và lập trình bằng ngôn ngữ Matlab để giải, với thuật toán được dùng là quy hoạch phi tuyến. Bài toán được đánh giá bằng cách so sánh với một số kết quả đã có.
5. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan nền đường đắp, nền đất yếu, trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn của nền đất khi chịu tải trọng ngoài và giải pháp dùng bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn.
- Nghiên cứu xác định trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và tải trọng nền đường đắp, nội dung gồm:
+ Xây dựng bài toán; giải bài toán bằng phương pháp sai phân hữu hạn và lập chương trình tính toán bằng ngôn ngữ Matlab;
+ Trạng thái ứng suất của nền đất tự nhiên mặt thoáng nằm ngang, chịu trọng lượng bản thân (không chịu tác dụng của tải trọng ngoài) và dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp;
+ Khảo sát sự xuất hiện và phát triển của vùng biến dạng dẻo trong nền đất.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp, nội dung gồm:
+ Xây dựng bài toán bằng cách sử dụng hệ so sánh là trạng thái ứng suất của nền đất tự nhiên chỉ chịu tác dụng của trọng lượng bản thân; giải bài toán bằng phương pháp sai phân hữu hạn và lập chương trình tính toán bằng ngôn ngữ Matlab;
+ Đánh giá ảnh hưởng của kích thước ô lưới và lưới sai phân hữu hạn đến kết quả bài toán;
+ So sánh kết quả bài toán với của L. Prandtl;
+ Khảo sát ảnh hưởng của trọng lượng nền đất, chiều rộng tải trọng ngoài đến tải trọng giới hạn;
+ Khảo sát vùng biến dạng dẻo và ảnh hưởng của tải trọng bệ phản áp đến vùng biến dạng dẻo trong nền đất ở trạng thái giới hạn.
- Nghiên cứu bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn nền đất yếu dưới nền đường đắp, nội dung gồm:
+ Khảo sát ảnh hưởng của bệ phản áp đến tải trọng giới hạn (sức chịu tải) của nền đất yếu;
+ Xác định chiều rộng và cường độ hợp lý của bệ phản áp;
+ Xây dựng các toán đồ phục vụ thuận tiện thiết kế bệ phản áp.
6. Bố cục của luận án
Gồm các phần như sau:
- Mở đầu;
- Chương 1. Tổng quan về trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn của nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp;
- Chương 2. Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và tải trọng nền đường đắp;
- Chương 3. Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp;
- Chương 4. Nghiên cứu bệ phản áp để làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới tải trọng nền đường đắp;
- Kết luận và kiến nghị.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

TIẾNG VIỆT
1. Lê Quý An, Nguyễn Công Mẫn, Hoàng Văn Tân (1998), Tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn, NXB Xây dựng.
2. Châu Ngọc Ẩn (2009), Nền móng công trình, NXB Xây dựng.
3. Châu Ngọc Ẩn (2004), Cơ học đất, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
4. N. I. Bêdukhốp (1978), Cơ sở lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết từ biến, tập 1, NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, HN. (Người dịch Phan Ngọc Châu).
5. N. I. Bêdukhốp (1978), Cơ sở lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết từ biến, tập 2, NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, HN. (Người dịch Phan Ngọc Châu).
6. Đào Huy Bích (2004), Lý thuyết dẻo và các ứng dụng, NXB Xây dựng.
7. Bộ Giao thông vận tải (2003), Bài giảng Công nghệ xây dựng đường trên nền đất yếu, Giai đoạn hai chương trình đào tạo nâng cao năng lực cán bộ ngành đường bộ - HRP2, HN.
8. Nguyễn Quang Chiêu, Lã Văn Chăm (2008), Xây dựng nền đường ô tô, NXB Giao thông vận tải, HN.
9. Đỗ Bá Chương (2008), Thiết kế đường ô tô, tập 1, NXB Giáo dục, HN.
10. Hà Huy Cương (2005), “Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật, IV/2005, Tr. 112 ư 118.
11. Phan Xuân Đại, Nguyễn Chính Bái (2001), Các giải pháp phòng chống đất đá sụt lở trên đường, NXB Giao thông vận tải, HN.
12. Nguyễn Văn Đạo (2001), Cơ học giải tích, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.
13. Phan Nguyên Di (2002), Cơ học môi trường liên tục, NXB Khoa học và kỹ thuật.
14. Tạ Văn Đĩnh (2002), Phương pháp sai phân và phương pháp phần tử hữu hạn, NXB Khoa học và kỹ thuật, HN.
15. Bùi Anh Định (1997), Cơ học đất, Trường Đại học Giao thông vận tải Hà nội, HN.
16. D. G. Fredlund, H. Rahardjo (1998), Cơ học đất cho đất không bão hoà, tập 1, NXB Giáo dục, HN (Người dịch Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Uyên).
17. D. G. Fredlund, H. Rahardjo (1998), Cơ học đất cho đất không bão hoà, tập 2, NXB Giáo dục, HN (Người dịch Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Trường Tiến, Nguyễn Uyên, Trịnh Minh Thụ).
18. Dương Học Hải, Nguyễn Xuân Trục (2002), Thiết kế đường ô tô, tập 2, NXB Xây dựng.
19. Dương Học Hải (2007), Xây dựng nền đường ô tô đắp trên đất yếu, NXB Xây dựng.
20. Dương Học Hải (2001), Thiết kế đường ô tô, tập 4, NXB Giáo dục, HN.
21. Ngô Thị Thanh Hương (2012), Nghiên cứu tính toán ứng suất trong nền đất các công trình giao thông, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự.
22. Đặng Hữu, Đỗ Bá Chương, Nguyễn Xuân Trục (1994), Sổ tay thiết kế đường ô tô, NXB Khoa học và kỹ thuật.
23. Lareal, Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lục, Công trình trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam, Trường Đại học kỹ thuật TP Hồ Chí Minh.
24. Lareal, Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lục (1994), Nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam,