Tiến Sĩ Tự động hóa tính toán thiết kế, lựa chọn tường chắn đất hợp lý trong xây dựng đường ô tô ở CHDCND Là

Luận án tiến sĩ năm 2011
Đề tài: Tự động hóa tính toán thiết kế, lựa chọn tường chắn đất hợp lý trong xây dựng đường ô tô ở CHDCND Lào


mục lục
lời cam đoan
lời cảm ơn
Danh mục ký hiệu cơ bản sử dụng trong luận án
Danh mục các hình trong luận án
danh mục các bảng trong luận án
Mở đầu1
Chương 1: Khái quát về đặc điểm điều kiện tự nhiên,
thực trạng mạng lưới giao thông, tình hình áp
dụng kết cấu tường chắn đất ở Lào và một số
loại hình tường chắn đất điển hình . 4
1.1 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên của nước CHDCND Lào . 4
1.1.1 Đặc điểm về vị trí địa lý và địa hình của Lào . 4
1.1.2 Đặc điểm về điều kiện địa chất của Lào 6
1.1.3 Đặc điểm về khí hậu ở Lào . 7
1.2 Thực trạng mạng lưới giao thông của Lào . 8
1.2.1 Thực trạng hệ thống mạng lưới giao thông của Lào 8
1.2.2 Tình trạng hư hỏng taluy nền đường mạng lưới đường ở Lào 11
1.2.2.1 Nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng taluy nềnđường . 11
1.2.2.2 Thực trạng hư hỏng taluy nền đường . 12
1.3 Tình hình áp dụng kết cấu tường chắn đất ở Lào 13
1.4 Tình trạng hư hỏng tường chắn đất ở Lào . 17
1.5 Tổng quan về tường chắn đất điển hình 20
1.5.1 Tường chắn trọng lực 20
1.5.2 Tường mỏng bê tông cốt thép . 24
1.5.3 Tường chắn đất có cốt 25
1.6 Kết luận chương 1 . 29
Chương 2: tổng quan về CáC phương pháp tính toán
tường chắn đất 30
2.1 Tổng quan về phương pháp tính toán tường chắn đất . 30
2.1.1 Phương pháp tính toán áp lực đất lên tường chắn 30
2.1.1.1 Nguyên lý tính áp lực đất chủ động theo C.A.Coulomb 30
2.1.1.2 Nguyên lý tính áp lực đất bị động theo C.A.Coulomb . 37
2.1.1.3 Lý luận áp lực đất của V.V.Sokolovsky . 38
2.1.2 Phương pháp tính toán thiết kế tường chắn trọng lực 40
2.1.3 Phương pháp tính toán tường chắn đất rọ đá 46
2.1.3.1 Tính áp lực đất chủ động tác dụng lên tườngchắn đất rọ đá 46
2.1.3.2 Tính kiểm tra ổn định trượt của tường chắnđất rọ đá 48
2.1.2.3 Tính kiểm tra ổn định lật của tường chắn đất rọ đá . 49
2.1.3.4 Tính toán ổn định trượt sâu 50
2.1.3.5 Tính độ bền của tường chắn rọ đá 51
2.1.4 Phương pháp tính toán tường chắn đất có cốt lưới thép . 52
2.1.5 Phương pháp tính toán tường chắn đất có cốt vải địa kỹ thuật . 55
2.1.5.1 Xác định các ứng suất tác dụng vào tường chắn . 55
2.1.5.2 Xác định khoảng cách giữa các lớp vải địa kỹ thuật . 57
2.1.5.3. Xác định chiều dài của vải địa kỹ thuật . 57
2.1.5.4 Kiểm tra ổn định tường chắn . 58
2.2 Tổng quan về các phương pháp tính ổn định trượtsâu 60
2.2.1 Nhóm phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng . 60
2.2.2 Nhóm phương pháp cân bằng giới hạn . 61
2.2.2.1 Phương pháp tính ổn định mái dốc bằng phương pháp của Fellenius
và Bishop . 61
2.2.2.2 Ưu nhược điểm của nhóm phương pháp cân bằnggiới hạn 64
2.3 Nhận xét chung . 64
CHƯƠNG 3: PHáT TRIểN PHƯƠNG PHáP CÂN BằNG GIớI HạN
TổNG QUáT TíNH áp lực đất lên TƯờNG CHắN và ổn
định trượt sâu kết cấu tường chắn TRọNG LựC . 66
3.1 Giới thiệu phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát . 66
3.1.1 Mô tả chung về phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát 66
3.1.2 Mô hình tính và các phương trình cơ bản trongphương pháp cân
bằng giới hạn tổng quát . 68
3.1.2.1 Mô hình tính trong phương pháp GLEM 68
3.1.2.2 Các phương trình cơ bản trong phương pháp GLEM 69
3.1.3 Thiết lập bài toán và phương pháp giải trong GLEM . 71
3.1.3.1 Thiết lập bài toán trong GLEM . 71
3.1.3.2 So sánh số phương trình và số ẩn 71
3.1.3.3 Kỹ thuật giải phương trình . 72
3.1.4 Thuật toán tối ưu tìm mặt trượt nguy hiểm 75
3.1.4.1 Nguyên tắc xác định mặt trượt nguy hiểm . 75
3.1.4.2 Các tọa độ sử dụng trong quá trình tối ưu hóa . 75
3.1.4.3 Phương pháp lặp Newton để xác định mặt trượt nguy hiểm . 77
3.1.4.4 Thuật toán tối ưu tìm hệ số ổn định nhỏ nhất Fs
min
83
3.2 Phát triển GLEM tính tường chắn trọng lực trongtrường hợp đất
đồng nhất . 86
3.2.1 Phát triển GLEM tính toán áp lực đất chủ độnglên tường chắn trong
trường hợp đất đồng nhất 86
3.2.1.1 Mô hình tính và các phương trình tính áp lực đất chủ động lên
tường chắn trong trường hợp đất đồng nhất bằng GLEM . 86
3.2.1.2 Thiết lập bài toán và phương pháp giải bài toán tính áp lực đất chủ
động bằng GLEM 87
3.2.1.3 Nguyên tắc xác định mặt trượt nguy hiểm trong bài toán tính áp lực
đất chủ động bằng GLEM . 88
3.2.1.4 Thuật toán tối ưu hóa tính toán áp lực đất chủ động E
ax
. 90
3.2.2 Phát triển GLEM tính toán áp lực đất bị động lên tường chắn trong
trường hợp đất đồng nhất 92
3.2.2.1 Mô hình tính và phương trình tính áp lực đất bị động lên tường
chắn trong trường hợp đất đồng nhất bằng GLEM . 92
3.2.2.2 Thiết lập bài toán và phương pháp giải bài toán tính áp lực đất bị
động theo GLEM . 93
3.2.2.3 Nguyên tắc xác định mặt trượt nguy hiểm trong bài toán tính áp lực
đất bị động bằng GLEM 95
3.2.2.4 Thuật toán tối ưu hóa tính toán áp lực đất bị động E
px
96
3.2.3 Phương pháp tính toán ổn định lật của tường chắn trọng lực trong
trường hợp đất đồng nhất bằng GLEM . 99
3.3 Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát tính toán ổn định
trượt sâu tường chắn trọng lực trong trường hợp đấtđồng nhất 100
3.3.1 Mô hình tính và các phương trình cơ bản ổn định trượt sâu tường chắn
trọng lực trong trường hợp đất đồng nhất bằng GLEM 101
3.3.1.1 Mô hình tính ổn định trượt sâu tường chắn trọng lực trong trường
hợp đất đồng nhất bằng GLEM . 101
3.3.1.2 Các phương trình cơ bản tính ổn định trượt sâu tường chắn trọng lực
trong trường hợp đất đồng nhất bằng GLEM 103
3.3.2 Thiết lập bài toán và phương pháp giải bài toán tính ổn định trượt
sâu tường chắn trọng lực trường hợp đất đồng nhất bằng GLEM . 104
3.3.3 Nguyên tắc xác định mặt trượt nguy hiểm trong bài toán tính ổn
định trượt sâu tường chắn trọng lực trường hợp đất đồng nhất bằng
GLEM 105
3.4 Phát triển GLEM tính tường chắn trọng lực trongtrường hợp đất nhiều
lớp 107
3.4.1 Mô hình tính và các phương trình cơ bản tính tường chắn trọng lực
trong trường hợp đất nhiều lớp bằng GLEM . 107
3.5 Lập chương trình tính áp lực đất và ổn định trượt sâu tường chắn bằng
GLEM trên Excel 112
3.5.1 Lập bảng nhập số liệu tính toán . 112
3.5.2 Lập bảng tính toán 113
3.5.3 Lập bảng in kết quả tính cho từng phương án 113
3.6 Kết luận chương 3 . 113
CHƯƠNG 4: tối ưu hoá lựa chọn kết cấu tường chắn
TRọNG LựC hợp lý 114
4.1 Nguyên tắc chung 114
4.3 Mô hình bài toán tối ưu hoá 115
4.3.1 Hàm mục tiêu . 115
4.3.2 Điều kiện ràng buộc . 116
4.4 Các trường hợp tính toán . 117
4.4.1 Bài toán 1: Tính toán, lựa chọn kết cấu tườngchắn trọng lực hợp lý
cho trường hợp đất đồng nhất 117
4.4.2 Bài toán 2: tính toán, lựa chọn kết cấu tườngchắn trọng lực hợp
lý cho trường hợp đất nhiều lớp . 125
Giải bài toán 2: 125
4). Tổng hợp kết quả và lựa chọn kết cấu tường chắnhợp lý 130
4.5 Kết luận chương 4 . 131
kết luận và kiến nghị 132
1. Kết luận . 132
2. Kiến nghị . 133
phụ lục
danh mục các công trình đ\ công bố
tài liệu tham khảo


Mở đầu
1. Đặt vấn đề
Một trong những yêu cầu cơ bản đối với nền đường làsự ổn định toàn
khối. Sự ổn định này không những phải đảm bảo được trong quá trình thi công
mà còn cả trong quá trình khai thác, nhất là các tuyến đường đi qua khu vực
miền núi. Công tác thiết kế đảm bảo ổn định taluy nền đường chiếm một vai
trò quan trọng, khối lượng công việc lớn, do vậy chi phí thường rất lớn.
Hiện tượng sụt trượt taluy nền đường được con ngườibiết đến từ rất lâu.
Các giải pháp phòng chống đảm bảo ổn định cho các công trình cũng rất đa
dạng. Tuy nhiên hiện tượng này luôn mang tính thời sự bởi tính bất ngờ cùng
với những hậu quả nghiêm trọng khi nó xảy ra. Hàng năm có rất nhiều vụ sụt
trượt xảy ra và hậu quả do chúng để lại thường gây ra tổn thất lớn như: thiệt
hại về người, gây hư hỏng các công trình, đình trệ các quá trình sản xuất, lưu
thông, do vậy gây lkng phí về thời gian và tiền của.
Nước CHDCND Lào là nước thuộc miền khí hậu nhiệt đớigió mùa, nhiệt
độ chênh lệch cao, mưa nhiều, một số vùng có lượng mưa lớn và không đều
trong năm. CHDCND Lào có diện tích phần lớn là đồi núi, có địa hình dốc,
phân cắt mạnh và địa chất có cấu trúc phức tạp. Khicác tuyến đường cắt qua
khu vực miền núi đến mùa mưa thường xuyên phải đối mặt với những hiện
tượng sạt lở taluy nền đường, nhất là ở khu vực có hoạt động của nước mặt và
nước ngầm diễn ra mknh liệt.
Nhưng trong thời gian qua, giải pháp phòng chống sụt lở taluy nền đường
trên các tuyến đường ô tô ở Lào đa số mang tính chất đề xuất phương án xử lý
khắc phục khẩn cấp hoặc cấp cứu tạm thời để đảm bảothông tuyến đường khi
đk có sự sụt trượt trên các tuyến đường xảy ra.
Theo báo cáo hàng năm của các Sở Giao thông Vận tảibáo cáo lên Bộ
trưởng Bộ Giao thông Vận tải Lào thì tình trạng sụttrượt đất đá trên các tuyến
đường xảy ra thường xuyên, nhiều nhất là các tuyến đường khu vực miền núi ở
các tỉnh phía Bắc và các tỉnh nằm dọc theo dky núi Trường Sơn giáp biên giới
-2-Lào - Việt Nam như: QL1A, QL1C, QL1D, QL1F, QL2E, QL3, QL4, QL5,
QL6, QL7, QL8 QL12, QL13, QL18B . Nguyên nhân là do mưa nhiều và các
giải pháp phòng chống sụt trượt chưa được đa dạng.
Trong thời gian qua, các giải pháp phòng chống sụt trượt ở Lào chủ yếu
sử dụng loại hình kết cấu tường chắn trọng lực như:tường chắn đất đá xếp
khan, tường chắn đất đá xây và tường chắn đất rọ đá. Tường chắn đất đá xếp
khan đk được thi công trên tuyến đường QL13N, tườngchắn đất đá xây được
thi công trên các tuyến đường QL1C, QL3, QL7 và QL13N, tường chắn đất rọ
đá được thi công trên các tuyến đường QL1C, QL2E, QL3, QL7, QL13,
QL18B . Các kích thước tường chắn thường lấy theo cấu tạo hoặc thiết kế
điển hình của nước ngoài.
Các công trình tường chắn đk được thiết kế và thi công chất lượng
thường kém và tuổi thọ công trình thấp. Các dạng hư hỏng như: đất đá trên
đỉnh tường trượt xuống va đập và lấp kín tường chắn, kết cấu tường bị biến
dạng hoặc nứt gẫy do nền móng tường lún không đều. Nhiều trường hợp toàn
bộ khối tường chắn bị trôi mất do mái đất bị trượt sâu. Nguyên nhân dẫn đến
tường chắn đất hư hỏng ở Lào là do: khi thiết kế tường chắn đất thường chỉ
đưa ra cấu tạo cho phù hợp với địa hình, còn việc tính toán khả năng chống lại
áp lực đất lưng tường chắn và khả chịu tải của đất nền thường chưa được xét
đến. Mặc dù áp dụng thiết kế điển hình nhưng lại không kiểm tra lại xem điều
kiện ban đầu đk đúng với tiêu chuẩn quy định trong bản thiết kế điển hình hay
không và cũng chưa có một công trình nào có xét đếnbài toán trượt sâu.
Từ đó dẫn đến việc cần thiết phải nghiên cứu kỹ việc tính toán, thiết kế
tường chắn đất cho các công trình giao thông ở CHDCND Lào. Đề tài nghiên
cứu “Tự động hoá tính toán, thiết kế, lựa chọn tường chắn đất hợp lý trong
xây dựng đường ô tô ở CHDCND Lào” mà nghiên cứu sinh (NCS) lựa chọn
là cần thiết. Kết quả nghiên cứu nhằm góp phần giảiquyết các vấn đề nêu trên
và áp dụng vào thực tế trong việc xây dựng giao thông ở đất nước mình.
-3-2. Mục tiêu của luận án
- Nghiên cứu các dạng phá hoại kết cấu tường chắn tại Lào.
- Nghiên cứu các phương pháp tính kết cấu tường chắn hiện có, từ đó lựa
chọn phương pháp tính hợp lý cho kết cấu tường chắn.
- Nghiên cứu và phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát để
tính kết cấu tường chắn (đặc biệt bài toán trượt sâu).
- Xây dựng chương trình tính kết cấu tường chắn trên máy tính.
- ứng dụng chương trình tính kết cấu tường chắn tối ưuhoá kết cấu tường
chắn trọng lực.
3. Phạm vi nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu tính toán kết cấu tường chắn trọng lựccó xét đến khả năng
chống lật của tường chắn, khả năng chịu tải của đấtnền và bài toán trượt sâu.
- Chưa xét đến ảnh hưởng của mực nước ngầm, kết cấu tường chắn có gia
cường neo, gia cường vải địa kỹ thuật .
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án
- Khảo sát, thu thập, phân tích đánh giá số liệu, thông tin thực tế.
- Nghiên cứu lý thuyết và kết hợp lập trình tính trên máy tính.
5. Cấu trúc của luận án
Mở đầu.
Chương 1: Khái quát về đặc điểm điều kiện tự nhiên, thực trạng mạng
lưới giao thông, tình hình áp dụng kết cấu tường chắn đất ở Lào và một số loại
hình tường chắn đất điển hình.
Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tính toán tường chắn đất.
Chương 3: Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát, tính áp
lực đất lên tường chắn và ổn định trượt sâu kết cấutường chắn trọng lực.
Chương 4: Tối ưu hóa tính toán lựa chọn kết cấu tường chắn trọng lực
hợp lý.
Kết luận và kiến nghị
-4-Chương 1
Khái quát về đặc điểm điều kiện tự nhiên, thực trạng
mạng lưới giao thông, tình hình áp dụng kết cấu
tường chắn đất ở Lào và một số loại hình
tường chắn đất điển hình


tài liệu tham khảo
[1] Đặng Hữu, Đỗ Bá Chương. Sổ tay thiết kế đường ôtô. NXB Khoa học
và Kỹ thuật, 1974.
[2] Nguyễn Xuân Trục, Dương Ngọc Hải, Vũ Đình Phụng. Sổ tay thiết kế
đường ô tô, tập I. NXB Giáo dục Hà Nội, 2001.
[3] Nguyễn Xuân Trục (chủ biên), Dương Ngọc Hải, VũĐình Phụng. Sổ
tay thiết kế đường ô tô, tập II. NXB Xây dựng 2003.
[4] Đỗ Bá Chương. Thiết kế đường ô tô, tập I. NXB Giáo dục Hà Nội 1999.
[5] Bộ giao thông vận tải. Tiêu chuẩn kỹ thuật giaothông, tập VIII. NXB
Giao thông vận tải 2001.
[6] Nguyễn Ngọc Bích, Lê Thị Thanh Bình, Vũ Đình Phụng. Đất xây dựng
địa chất công trình và kỹ thuật cải tạo đất trong xây dựng. NXB Xây
dựng Hà Nội, 2005.
[7] Nguyễn Khánh Tường. Rọ đá trong các công trình Thuỷ lợi – Giao
thông xây dựng. NXB Xây dựng Hà Nội, 2001.
[8] Phan Xuân Đại, Nguyễn Chính Bái. Các giải pháp phòng chống sụt lở
đất đá trên đường ô tô. NXB Giao thông vận tải, 2001.
[9] Phòng chống các hiện tượng phá hoại nền đường vùng núi. NXB Khoa
học và Kỹ thuật, 2002.
[11] Nguyễn Sĩ Ngọc. Khảo sát địa chất công trình. NXB trường đại học giao
thông vận tải, 2002.
[10] Nguyễn Sĩ Ngọc. ổn định mái dốc. Giáo trình giảng dạy cao học. NXB
trường đại học giao thông vận tải, 2003.
[12] Uỷ ban thiết kế cơ bản nhà nước Việt Nam. Quyphạm thiết kế tạm thời.
Thiết kế tường chắn đất QP – 23 – 65. NXB Hà Nội 1965.
[13] Thiết kế điển hình tường chắn đất bê tông và đá xây 86 – 06X. Viện
thiết kế giao thông vận tải Hà Nội, 1986.
[14] Hkng Polyfelt. Giải pháp Geotextile cho các vấn đề xây dựng, 1994.
[15] Lực Đỉnh Trung – Trình Gia Câu. Công trình nền– Mặt đường tập I.
NXB Giao thông vận tải, 1996.
[16] Nguyễn Ngọc Bích, Vũ Đình Phụng, ThS. Lê Thị Thanh Bình. Đất xây
dựng - địa chất công trình và Kỹ thuật cải tạo đất trong xây dựng. NXB
Xây dựng Hà Nội, 2001.
[17] Bùi Đức Hợp. ứng dụng vải và Lưới địa kỹ thuật trong xây dựng công
trình. NXB Giao thông vận tải Hà Nội 2000.
[18] Phan Trường Phiệt. áp lực đất và tường chắn đất. NXB Xây dựng Hà
Nội 2001.
[19] Tiêu chuẩn thực hành. Đất và các vật liệu đắp khác có gia cường. Tiêu
chuẩn Anh Quốc BSI 8006, 1995. Bản dịch, 2003.
[20] Vũ Đình Phụng. Vải địa kỹ thuật dùng trong xây dựng. Tạp chí Xây
dựng, 1997.
[21] Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Phương Duy, Nguyễn Duy Lâm. Công
nghệ mới xử lý nền đất yếu. NXB Giao thông vận tải,2001.
[22] Bùi Anh Định. Cơ học đất. NXB Xây dựng, 2004.
[23] Bùi Xuân Cậy, Trần Thị Kim Đăng, Vũ Đức Sỹ, Nguyễn Quang Phúc.
Thiết kế nền đường ô tô. NXB Giao thông vận tải 2009.
[24] Nguyễn Uyên, Trịnh Văn Cương. Cơ học đất. R.WHITLOW, 1997.
[25] Dương Học Hải. Thiết kế và thi công tường chắncó cốt. NXB Xây dựng
Hà Nội, 2004.
[26] Bùi Đức Hợp. ứng dụng vải và lưới kỹ thuật trong xây dựng công trình.
NXB Giao thông vận tải, 2000.
[27] Dokn Minh Tâm. Nghiên cứu công nghệ mới và điều kiện áp dụng các
công nghệ trong phòng chống đất sụt ở Việt Nam. Viện KH và CN
GTVT Hà Nội, 2008.
[28] Fellenius, W. Calculation of the stability of earth dams, Proc., the 2
nd
Congress on Lage Dams,445-462, 1936.