(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Ổn Định Mái Dốc Có Cốt Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

LÊ HỒNG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CÓ CỐT BẰNG

PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

LÊ HỒNG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CÓ CỐT BẰNG

PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy

Mã số : 60 – 58 - 40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Cảnh Thái

HÀ NỘI – 2014

i

LỜI CẢM ƠN

Xin bày tỏ long biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái, người đã dành nhiều

thời gian hướng dẫn và vạch ra những định hướng khoa học cho luận văn.

Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Hoàng Việt Hùng, người đã có

nhiều ý kiến đóng góp quan trọng cho luận văn.

Tác giả xin cảm ơn các thầy, cô giáo ở khoa Công trình, các thầy cô giáo ở khoa

Sau đại học đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian tác giả

học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này.

Tác giả chân thành cám ơn lãnh đạo cùng đồng nghiệp trong bộ môn Thủy công

đã hết sức tạo điều kiện và giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian học và hoàn thành

luận văn.

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Gia đình và những người

thân, đã luôn ủng hộ và động viên tác giả hoàn thành luận văn này.

Hà nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Lê Hồng Phương

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết

quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được người nào công bố

trong bất kỳ công trình nào khác.

TÁC GIẢ

Lê Hồng Phương

iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................... 1

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ............................................................................ 2

3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU............................................................................... 2

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................... 2

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ..................................................................................... 3

1.1. CÔNG NGHỆ ĐẤT CÓ CỐT .......................................................................... 3

1.1.1. Hình thức thứ nhất về đất có cốt ............................................................... 3

1.1.2. Hình thức thứ hai về đất có cốt:................................................................ 6

1.2. NGUYÊN LÝ ĐẤT CÓ CỐT VỀ MẶT CƠ HỌC ........................................... 7

1.2.1. Tính chất cơ học của đất có cốt ................................................................ 7

1.2.2. Cơ chế gia cường đất trong mái dốc....................................................... 10

1.2.3. Cơ chế tương tác đất với cốt ................................................................... 11

1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ......................... 12

1.3.1. Phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) ................................................. 12

1.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ................................................... 20

1.3.3. Phương pháp tính toán ổn định mái dốc có cốt thường dùng hiện nay .. 24

1.4. KẾT LUẬN .................................................................................................... 30

CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CÓ CỐT ............................. 31

2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ................... 31

2.1.1. Xây dựng lưới phần tử ............................................................................ 31

2.1.2. Xấp xỉ chuyển vị ...................................................................................... 32

2.1.3. Các phương trình cơ bản cho phần tử .................................................... 32

2.1.4. Tính toán chuyển vị ................................................................................. 32

2.1.5. Điều kiện tương thích .............................................................................. 33

2.1.6. Hành vi ứng xử của vật liệu .................................................................... 33

2.1.7. Điều kiện cân bằng cho phần tử ............................................................. 34

2.1.8. Thiết lập phương trình tổng thể cho cả hệ .............................................. 35

iv

2.1.9. Xác định điều kiện biên ........................................................................... 35

2.1.10. Giải phương trình tổng thể ................................................................... 35

2.2. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CÓ CỐT .... 36

2.2.1. Mô hình vật liệu ...................................................................................... 37

2.2.2. Mô hình tiếp xúc ...................................................................................... 40

2.3. XÂY DỰNG BÀI TOÁN MẪU ..................................................................... 43

2.3.1. Mô hình nghiên cứu ................................................................................ 43

2.3.2. Kết quả nghiên cứu mô hình ................................................................... 44

2.3.3. Lực kéo huy động T trong cốt ................................................................. 48

2.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CỐT ...................................................... 51

2.4.1. Ảnh hưởng của chiều cao mái dốc .......................................................... 51

2.4.2. Ảnh hưởng của độ cứng cốt .................................................................... 52

2.4.3. Ảnh hưởng của khoảng cách đặt cốt ....................................................... 53

2.4.4. Ảnh hưởng của cường độ đất đắp ........................................................... 54

2.4.5. Ảnh hưởng của chiều dài cốt .................................................................. 56

2.4.6. Ảnh hưởng của đất nền ........................................................................... 57

2.5. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CÓ CỐT BẰNG PHƯƠNG PHÁP

PHẦN TỬ HỮU HẠN .......................................................................................... 58

2.5.1. Mặt phá hoại ........................................................................................... 58

2.5.2. Hệ số an toàn .......................................................................................... 60

2.6. KẾT LUẬN .................................................................................................... 66

CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG CÔNG TRÌNH THỰC TẾ............. 67

3.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH ................................................................... 67

3.2. LỊCH SỬ HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI MÁI DỐC Ở DỐC KIỀN .................. 67

3.3. CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ CẦN THỰC HIỆN ............................................... 68

3.3.1. Nguyên nhân trượt lở mái dốc Kiền ........................................................ 68

3.3.2. Các giải pháp xử lý cần thực hiện .......................................................... 68

3.4. THIẾT KẾ BẢO VỆ MÁI TALUY DƯƠNG ................................................ 70

3.4.1. Kết cấu mái taluy dương ......................................................................... 70

v

3.4.2. Tính toán ổn định mái dốc có cốt ............................................................ 71

3.5. KẾT LUẬN .................................................................................................... 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 78

1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN ........................... 78

2. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI ............................................................... 78

3. KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 80

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN ......................................................................................... 82

vi

THÔNG KÊ HÌNH VẼ

Hình I-1. Đất trộn cốt _____________________________________________________ 3

Hình I-2. Khối đất trộn mảnh lưới địa kỹ thuật __________________________________ 4

Hình I-3. Lấp hàm ếch chống sạt lở bờ sông bằng đống nòng nọc đất ________________ 4

Hình I-4.. Vòng Mohr ứng suất của đất: 1) Đất không có cốt; 2) Đất có cốt ___________ 5

Hình I-5. Xác định tính chất cơ học của đất có cốt theo quan điểm vật liệu mới bằng máy

ba trục _________________________________________________________________ 5

Hình I-6. Lá nhôm làm cốt và những vết nứt, rách ở lá nhôm khi mẫu thí nghiệm ở trạng

thái phá hoại ____________________________________________________________ 6

Hình I-7. Sơ đồ cấu tạo tường - mái dốc có cốt VĐKT cuộn lên làm mặt tường ________ 7

Hình I-8.. Xác định chiều dài neo ____________________________________________ 7

Hình I-9. Tác dụng của cốt đối với đất ________________________________________ 8

Hình I-10. Nguyên lý cơ bản đất gia cường ____________________________________ 9

Hình I-11. Cơ chế gia cường mái dốc bằng cốt _________________________________ 10

Hình I-12. Mái dốc gia cố điển hình, mô hình tương tác - cốt đất. __________________ 11

Hình I-13. Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i _____________________ 13

Hình I-14. Sơ đồ lực theo PP Fellenius _______________________________________ 16

Hình I-15. Sơ đồ lực tính toán theo PP Bishop đơn giản _________________________ 16

Hình I-16. Sơ đồ lực tính toán theo PP Spencer ________________________________ 17

Hình I-17. Hàm biến thiên của hướng lực tương tác của PP GLE __________________ 18

Hình I-18. Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu _________________________ 19

Hình I-19. Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu _________________________ 22

Hình I-20. Tính toán ổn định nội bộ dốc đắp có cốt theo phương pháp “ khối nêm hai

phần”. ________________________________________________________________ 26

Hình I-21. Các phương pháp khác nhau để dùng kiểm tra ổn định nội bộ của mái dôc đắp

có cốt _________________________________________________________________ 28

Hình II-1. Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 1 __________________________ 38

Hình II-2. Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 2 _________________________ 38

Hình II-3. Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1 ______________________________ 38

Hình II-4. Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2 ______________________________ 38

Hình II-5. Quan hệ ứng suất – biến dạng của mô hình đàn dẻo ____________________ 40

vii

Hình II-6. Mô hình phần tử tiếp xúc phẳng ____________________________________ 41

Hình II-7. Mô hình mái dốc không cốt và có cốt ________________________________ 43

Hình II-8. Lưới phần tử của mái dốc có cốt ___________________________________ 43

Hình II-9. Các giai đoạn thi công mái dốc có cốt có chiều cao Hmax =18m __________ 44

Hình II-10. Phổ cường độ đất huy động trong mái dốc cao 18m(%) ________________ 45

Hình II-11. Phổ biến dạng góc εxy trong mái dốc cao 18m (%) ____________________ 46

Hình II-12. Phổ biến dạng ngang εx trong mái dốc cao 18m (%) ___________________ 46

Hình II-13. Phổ biến dạng đứng εy trong mái dốc cao 18m (%) ____________________ 47

Hình II-14. Phương biến dạng cắt lớn nhất γmax trong mái dốc ____________________ 47

Hình II-15. Lưới biến dạng mái dốc _________________________________________ 48

Hình II-16. Vector chuyển vị toàn phần mái dốc cao 18m ________________________ 48

Hình II-17. Phân bố lực kéo huy động dọc theo chiều dài cốt thứ nhất ______________ 49

Hình II-18. Thông số mô tả các quan hệ ______________________________________ 50

Hình II-19. Quan hệ hi/H với Ti/Tmax _______________________________________ 50

Hình II-20. Quan hệ Di/hi với Ti/Tmax _______________________________________ 51

Hình II-21. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với chiều cao mái dốc ______ 52

Hình II-22. Ảnh hưởng của độ cứng cốt EA (mái dốc cao 18m) ____________________ 53

Hình II-23. Ảnh hưởng của bước cốt b (mái dốc cao 18m) ________________________ 54

Hình II-24. Ảnh hưởng của cường độ đất đắp (mái dốc cao 18m) __________________ 55

Hình II-25. Ảnh hưởng của chiều dài cốt L (mái dốc cao 15m) ____________________ 56

Hình II-26. Ảnh hưởng của nền yếu (mái dốc cao 18m) __________________________ 57

Hình II-27. Quan hệ hi/H với Ti/Tmax (trường hợp đất nền tốt) ___________________ 58

Hình II-28. Mặt phá hoại của mái dốc cao 18m tính theo phương pháp PTHH ________ 59

Hình II-29. Mặt phá hoại của mái dốc cao 18m tính theo phương pháp CBGH _______ 59

Hình II-30. Phân phối lực cắt Tmax dọc theo chiều cao mái để tính Fr1 _____________ 61

Hình II-31. Phân phối lực cắt Tmax dọc theo chiều cao mái để tính Fr2 _____________ 61

Hình II-32.Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs với chiều cao mái dốc H của mái dốc không cốt

______________________________________________________________________ 62

Hình II-33. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs với chiều cao mái dốc H của mái dốc có cốt 63

Hình II-34. Quan hệ giữa Ir (%) với chiều cao mái dốc H (m) _____________________ 64

Hình II-35. Quan hệ giữa hệ số an toàn Fr1 và Fr2 với chiều cao mái dốc H (m) _______ 65

viii

Hình III-1. Hiện trạng sụt lở mái dốc taluy dương ______________________________ 68

Hình III-2. Biện pháp bảo vệ mái taluy dương _________________________________ 71

Hình III-3. Mặt cắt thiết kế mái taluy dương ___________________________________ 71

Hình III-4. Hình dạng lưới địa kỹ thuật 1 trục _________________________________ 73

Hình III-5. Mô hình lưới phần tử mái taluy dương ______________________________ 73

Hình III-6. Phổ ứng suất huy động trong mái dốc _______________________________ 74

Hình III-7. Vector chuyển vị trong mái dốc ____________________________________ 74

Hình III-8. Phương biến dạng cắt lớn nhất γ max trong mái dốc ____________________ 75

Hình III-9. Kết quả tính toán ổn định mái dốc có cốt ____________________________ 76

THỐNG KẾ BẢNG BIỂU

Bảng I-1. Tổng số đại lượng các lực tác dụng lên khối trượt gồm n thỏi đất __________ 14

Bảng II-1. Thông số mô hình vật liệu ________________________________________ 42

Bảng II-2. Kết quả tính toán ổn định theo hai phương pháp _______________________ 62

Bảng III-1. Các chỉ tiêu của đất đắp và đất nền ________________________________ 72

Bảng III-2. Các thông số kỹ thuật lưới địa kỹ thuật _____________________________ 72

Bảng III-3. Kết quả tính toán ổn định mái dốc có cốt ____________________________ 75

1

MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Từ lâu đời, đất được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng. So với các loại vật

liệu khác, đất rất rẻ tiền, sẵn có nhưng lại có các đặc trưng cơ học kém, đặc biệt là

không chịu được lực kéo. Để khắc phục nhược điểm này, ngoài những biện pháp gia

cố đất bằng các chất liên kết (vô cơ, hữu cơ, hóa chất), từ năm 1963, Henri Vidal,

một kỹ sư cầu đường người Pháp đã đề xuất ý tưởng dùng đất có cốt để xây dựng

các công trình. Cho đến nay khái niệm về đất có cốt và những ứng dụng của nó

trong các công trình xây dựng đã trở nên quen thuộc với các kỹ sư cầu đường, kỹ sư

xây dựng ở khắp nơi trên thế giới. Hiện nay, các ứng dụng phổ biến nhất của công

nghệ đất có cốt là trong xây dựng tường chắn đất, mái dốc, mái đường đắp.

Công dụng nổi bật của công nghệ đất có cốt là huy động được sức chịu kéo của

cốt để tăng ổn định của mái dốc. Hiện nay, phương pháp cân bằng giới hạn (Limit

Equilibrium Method-LEM) là phương pháp truyền thống và phổ biến nhất dùng để

phân tích ổn định mái dốc cũng như mái dốc có cốt. Bài toán phân tích ổn định mái

dốc theo LEM 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 là lực neo cả khối đất trượt vào phần đất ổn

định. Kết quả của bài toán theo phương pháp này không cung cấp bất cứ thông tin

nào về ứng suất biến dạng của mái dốc, cũng như của cốt. Phương pháp số là một

trong những phương pháp có thể giải quyết được những vấn đề trên. Hiện nay nhờ

sự phát triển tốc độ cao của tin học với các thế hệ máy tính hiện đại mà phương

pháp số được phát triển mạnh mẽ. Nổi bật trong phương pháp số có thể nói đến

phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method- FEM). Phương pháp này có

thể cho lời giải tới bất kỳ độ chính xác cần thiết nào, đồng thời nó có thể xét đến các

hình dạng phức tạp, các điều kiện biện phức tạp và tính phi tuyến của vật liệu. . . đó

là những điều kiện mà các phương pháp giải tích khác ví dụ LEM khó có thể xét

đến được.

2

Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có tài liệu chính thức về phương pháp tính toán

cho kết cấu sử dụng đất có cốt, chưa ban hành một tiêu chuẩn thiết kế nào cho loại

kết cấu này. Do đó, việc “Nghiên cứu ổn định mái dốc có cốt bằng phương pháp

phần tử hữu hạn” có ý nghĩa rất quan trọng góp phần hiểu rõ ứng xử của đất trong

mái dốc có cốt cũng như góp phần hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế đất có cốt.

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu ứng xử của đất khi gia cường thêm cốt.

- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến lực kéo trong cốt.

- Phương pháp tính toán ổn định mái dốc có cốt bằng phần tử hữu hạn.

3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu mái dốc có cốt trên nền tốt với các chiều cao khác nhau. Ứng xử

của đất và cốt theo quan hệ đàn – dẻo Mohr-Coloumb.

- Lời giải là của bài toán ứng suất tổng, không xét tới áp lực nước lỗ rỗng. Gia

tải ngắn hạn, không xét cố kết.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp thu thập thông tin : Thu thập tài liệu hiện có liên quan đến thiết kế

mái dốc có cốt.

- Phương pháp nghiên cứu trên mô hình số: Nghiên cứu sử dụng các phần mềm

địa kỹ thuật có khả năng giải quyết các bài toán liên quan đến đất có cốt như :

Plaxis, GeoStudio 2007.