Tài liệu Nghiên cứu xây dựng đường bao tải trọng giới hạn của nền đập xà lan vùng đồng bằng sông cửu long

-i- MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i MỤC LỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iv MỤC LỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... ix KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỘT SỐ THUẬT NGỮ THƯỜNG DÙNG ....................xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................... 1 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ............................................................................... 3 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU.......................................................... 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................3 3.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................3 4. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................... 3 4.1. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................3 4.2. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................3 5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ................................................... 4 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ......................................................... 4 7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN ............................................................................ 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 6 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ...................................................................................... 6 1.1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng đập Xà lan ở Việt Nam ......................6 1.1.2 Nguyên lý, cấu tạo và những kỹ thuật căn bản của đập Xà lan .................8 1.1.3 Tình hình ứng dụng ĐXL ở nước ngoài ..................................................10 1.2 NỀN ĐẤT YẾU VÙNG ĐBSCL.................................................................... 12 1.3 HÌNH THỨC MẤT ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ...... 13 1.4 BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH ĐXL TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ................................... 15 1.5 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN .... 20 1.5.2 Móng chịu tải trọng đứng .........................................................................21 1.5.3 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang ............................................22 1.5.4 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng và mô men .....................................24 1.5.5 Móng chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang và mô men ..........................25 1.5.6 Đặc trưng của đường bao tải trọng giới hạn ............................................27 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................................... 34 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN .............................................................. 36 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................. 36 - ii - 2.2 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN ...................................................................................................................... 36 2.2.1 Góc ma sát tiếp xúc ..................................................................................36 2.2.2 Phần tử tiếp xúc ........................................................................................36 2.3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC MSTX TỚI ĐƯỜNG BAO TTGH .................................................................................................................... 40 2.3.1 Mô hình tính toán .....................................................................................40 2.3.2 Thông số và chia lưới mô hình tính toán .................................................41 2.3.3 Phương pháp xác định tải trọng giới hạn .................................................42 2.3.4 Ảnh hưởng của góc MSTX tới tải trọng đứng giới hạn ...........................42 2.3.5 Ảnh hưởng của góc MSTX tới đường bao TTGH đứng và ngang ..........45 2.3.6 Ảnh hưởng của góc MSTX tới quan hệ tải trọng đứng và mô men.........46 2.4 THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH GÓC MSTX ................................ 48 2.4.1 Mục đích và nội dung thí nghiệm ............................................................48 2.4.2 Thiết kế mô hình thí nghiệm ....................................................................49 2.4.3 Công tác xây dựng và lắp đặt thiết bị thí nghiệm ....................................54 2.4.4 Các chỉ tiêu vật liệu trên mô hình ............................................................55 2.4.5 Quy trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm ............................................57 2.5 THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG..................................................................... 62 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................... 67 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG ĐƯỜNG BAO TẢI TRỌNG GIỚI HẠN ................ 68 3.1 TỔNG QUÁT.................................................................................................. 68 3.1.1 Mục đích xây dựng...................................................................................68 3.1.2 Phương pháp xây dựng ............................................................................68 3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ..................................................................... 68 3.2.1 Biên mô hình toán ....................................................................................68 3.2.2 Mô hình vật liệu tính toán ........................................................................68 3.2.3 Lựa chọn phần tử cho đất nền ..................................................................70 3.2.4 Điểm đặt lực tính toán ..............................................................................71 3.2.5 Phương pháp xây dựng đường bao từ mô hình toán ................................71 3.3 XÂY DỰNG MÔ ĐUN PHẦN MỀM ............................................................ 77 3.3.1 Lưu đồ phân tích ......................................................................................77 3.3.2 Giao diện và lựa chọn phân tích ...............................................................78 3.4 KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH BÀI TOÁN PHẲNG .............................................. 81 3.4.1 Móng chịu tải trọng đứng .........................................................................81 3.4.2 Móng chịu tải trọng đứng và ngang .........................................................82 3.4.3 Móng chịu tải trọng đứng và mô men ......................................................83 3.4.4 Móng chịu tải trọng đứng, ngang và mô men ..........................................84 - iii - 3.5 KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH BÀI TOÁN KHÔNG GIAN BA CHIỀU ............... 89 3.5.1 Mô hình bài toán không gian ...................................................................89 3.5.2 Kết quả tính toán ......................................................................................93 3.6 XÂY DỰNG ĐƯỜNG BAO TTGH CHO BÀI TOÁN KHÔNG GIAN ...... 97 3.6.1 Móng chịu tải trọng đứng .........................................................................97 3.6.2 Móng chịu tải trọng đứng và ngang .........................................................99 3.6.3 Móng chịu tải trọng đứng và mô men ................................................... 100 3.6.4 Móng chịu tải trọng đứng, ngang và mô men ....................................... 102 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................. 106 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN, KIỂM TRA CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ .................................................... 108 4.1 CÔNG THỨC KIỂM TRA ỔN ĐỊNH ĐXL THEO ĐƯỜNG BAO TTGH 108 4.2 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ XÁC ĐỊNH SƠ BỘ KÍCH THƯỚC ĐXL ............ 109 4.2.1 Mục đích và phương pháp xây dựng ..................................................... 109 4.2.2 Sơ đồ tải trọng tác dụng ........................................................................ 110 4.2.3 Điều kiện ổn định thấm ......................................................................... 112 4.2.4 Tổng hợp tải trọng tác dụng .................................................................. 113 4.2.5 Xây dựng biểu đồ .................................................................................. 116 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................. 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 124 1. KẾT LUẬN ..................................................................................................... 124 2. HƯỚNG NGHIÊN CỨU ................................................................................ 125 3. KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............................................................. 127 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. 128 PHẦN PHỤ LỤC................................................................................................... 134 PHỤ LỤC 1: TỔNG HỢP MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐẬP XÀ LAN ĐÃ XÂY DỰNG ................................................................................................................. 134 PHỤ LỤC 2: TỔNG HỢP PHÂN TÍCH THIẾT KẾ SƠ BỘ ĐXL ................... 136 PHỤ LỤC 3: HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ HIỆN TRƯỜNG .... 152 PHỤ LỤC 4: CODE CHƯƠNG TRÌNH FAILURE ENVELOPE FOR DAM 159 - iv - MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 - Bố trí kết cấu ĐXLLH ...........................................................................7 Hình 1.2 - Bố trí kết cấu ĐXL tháo lắp hàng năm .................................................8 Hình 1.3 - Mô hình ĐXL hộp .................................................................................9 Hình 1.4 - ĐXL hộp ở công trình cống Phước Long .............................................9 Hình 1.5 - Mô hình ĐXL bản dầm .......................................................................10 Hình 1.6 - Công trình ĐXL bản dầm thực tế .......................................................10 Hình 1.7 - Cắt ngang cống LiDo, Malamocco, Chioggia ở Italia .......................10 Hình 1.8 - Xử lý nền công trình Vinece ...............................................................10 Hình 1.9 - Phương án xử lý nền của đập Brad dock ...........................................11 Hình 1.10 : Sơ đồ phá hoại cắt (trượt) tổng thể [34, 56] ....................................14 Hình 1.11 : Sơ đồ Phá hoại cắt (trượt) cục bộ [34, 56] ......................................14 Hình 1.12 : Sơ đồ phá hoại cắt (trượt) kiểu xuyên [34, 56] ................................14 Hình 1.13 : Mô hình bài toán móng chịu đồng thời V:H;M ................................15 Hình 1.14 - Sơ đồ tổ hợp tải trọng tác dụng lên ĐXL .........................................15 Hình 1.15 - Ký hiệu các kích thước của ĐXL ......................................................16 Hình 1.16 : Quy ước chiều tải trọng ....................................................................16 Hình 1.17 - Quy đổi tải trọng xiên thành tải trong theo các phương ..................17 Hình 1.18 - Sơ đồ tính trượt hỗn hợp...................................................................19 Hình 1.19 - Đồ thị quan hệ t gh ~ pgh ....................................................................19 Hình 1.20 : Hình thức móng nông .......................................................................20 Hình 1.21 : Sơ đồ mất ổn định của ĐXL chịu trải trọng phức tạp ......................21 Hình 1.22 : Đường bao TTGH ( V V0 , H V0 ) của móng băng M=0 ...................24 Hình 1.23 - Đường cong quan hệ V/Vo và M/BVo ở trạng thái (H = 0) .............25 Hình 1.24 : Chuyển đổi tải trọng tương đương ...................................................26 Hình 1.25 : Diện tích móng hiệu quả Meyerhof [49] ..........................................26 Hình 1.26 Móng tròn chân giàn khoan dầu .........................................................29 Hình 1.27 Đường bao phá hoại theo Buterfield and Ticof, 1979 ........................29 Hình 1.28 : Đường bao phá hoại của Martin, 1994 ............................................30 Hình 1.29 : Lưới PTHH, (a) móng vuông L=B, (b) móng chữ nhật L=5B .........31 Hình 1.30 Hình dạng biểu đồ bao TTGH [52] ...................................................32 Hình 1.31 : Biểu đồ đường bao TTGH khi V/Vo 0,5, Ngo Tran [50] ..............33 Hình 1.32 : Biểu đồ đường bao TTGH khi V/Vo 0,5, Ngo Tran [50] ..............33 Hình 1.33 : Biểu đồ đẳng M/BVo, (M>0), Ngo Tran [50] .................................34 Hình 2.1 - Sơ đồ phần tử tiếp xúc của Goodman (14 các nút) ..........................37 -v- Hình 2.2 - Quan hệ ứng suất pháp và tiếp với biến dạng pháp tuyến (a) và biến dạng trượt (b) .......................................................................................................38 Hình 2.3 - Mô hình tử tiếp xúc độ dày không và phần tử tiếp xúc liên tục ..........39 Hình 2.4 - Vùng trượt với giới hạn bởi ứng suất cắt cực hạn .............................39 Hình 2.5 - Phương trình mặt tiếp xúc theo Ngo Tran (1996) ..............................40 Hình 2.6 - Mô hình bài toán phẳng .....................................................................41 Hình 2.7 - Chia lưới bài toán phẳng....................................................................41 Hình 2.8 – Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị với bốn loại đất .......................42 Hình 2.9 – Quan hệ giữa w/B ~ Nc với góc MSTX 15 0 .......................................43 Hình 2.10 – Quan hệ giữa w/B ~ Nc với góc MSTX 20 0 .....................................43 Hình 2.11 – Quan hệ giữa w/B ~ Nc với góc MSTX 25 0 .....................................44 Hình 2.12 – Quan hệ giữa w/B ~ Nc với góc MSTX 30 0 .....................................44 Hình 2.13 – Quan hệ góc MSTX và hệ số Nc ......................................................45 Hình 2.14 – Quan hệ V/V0 và H/V0 với w/u=0,4 .................................................46 Hình 2.15 – Quan hệ V/Vo và H/Vo với w/u=1,0 ................................................46 Hình 2.16 – Quan hệ V/Vo và M/BVo với w/B = 0,1.........................................47 Hình 2.17 – Quan hệ V/Vo và M/BVo với w/B=0,33.........................................47 Hình 2.18 – Quan hệ V/Vo và M/BVo với w/B=1,0...........................................47 Hình 2.19 – Quan hệ V/Vo và M/BVo với w/B= 3,0..........................................48 Hình 2.20 : Bố trí máng thí nghiệm .....................................................................49 Hình 2.21 Tấm nén bê tông thí nghiệm 0,2m và 0,3m .........................................50 Hình 2.22 Tấm nén bê tông thí nghiệm 0,4m .......................................................51 Hình 2.23 Tấm thép dùng để gia tải đứng ...........................................................51 Hình 2.24 Bể nước dùng để gia tải ngang ...........................................................52 Hình 2.25 Đồng hồ đo chuyển vị .........................................................................52 Hình 2.26 Bố trí đồng hồ đo chuyển vị đứng và ngang .......................................53 Hình 2.27 - Chụp ảnh chuyển vị nền bên máng ...................................................53 Hình 2.28 - Sơ đồ thí nghiệm tải trọng đứng, ngang ...........................................54 Hình 2.29 - Tiến hành gia tải đứng bằng tấm nén thép .......................................58 Hình 2.30 - Tiến hành gia tải ngang kéo tấm móng đến khi trượt ......................59 Hình 2.31 – Tấm nén tách nền khi bị trượt ..........................................................59 Hình 2.32 - Quan hệ H/Vo - Chuyển vị ngang u(mm) với B=0,2m .....................60 Hình 2.33 - Quan hệ H/Vo - Chuyển vị ngang u(mm) với B=0,3m .....................60 Hình 2.34 - Quan hệ H/Vo - Chuyển vị ngang u(mm) với B=0,4m .....................61 Hình 2.35 - Quan hệ V / V0 ~ H / V0 ứng với các trường hợp thí nghiệm ............62 Hình 2.36 - Sơ đồ thí nghiệm tải trọng V, H ........................................................63 - vi - Hình 2.37 - Bố trí tổ chức thí nghiệm tại hiện trường .........................................63 Hình 2.38 - Quan hệ tải trọng ngang - chuyển vị ngang với B=0,7m .................65 Hình 2.39 - Quan hệ tải trọng ngang - chuyển vị ngang với B=1,0m .................66 Hình 3.1 - Mô hình bài toán không gian ba chiều ...............................................69 Hình 3.2 - Mặt chảy trong mặt phẳng kinh tuyến (a) và mặt phẳng vuông góc trục thủy tĩnh (b) ..................................................................................................69 Hình 3.3 - Phần tử phẳng trong Abaqus (a) Phần tử phẳng 3 nút (b) phần tử phẳng 4 nút (c) phần tử phẳng 8 nút ...................................................................70 (a) Phần tử khối 8 nút (b) phần tử khối 20 nút (c) phần tử chóp 10 nút .............70 Hình 3.4 - Phần tử khối trong Abaqus (a) Phần tử khối 8 nút (b) phần tử khối 20 nút (c) phần tử chóp 10 nút (d) các ký hiệu quy ước ...........................................71 Hình 3.5 - Sơ đồ điểm đặt tải tính toán................................................................71 Hình 3.6 - Tập hợp quan hệ a) (V,M) a) (V/ H) trong thử nghiệm .....................72 Hình 3.7 - Phân tích theo tỷ lệ chuyển vị .............................................................73 Hình 3.8 - Phân tích theo tải trọng bao ...............................................................74 Hình 3.9 - Trình tự gia tải xác định đường bao V-H hoặc V-M [37] ..................75 Hình 3.10 - Chuyển vị tổng hợp trong mặt bằng H - V .......................................75 Hình 3.11 - Xác định quỹ đạo điểm TTGH V - H ................................................76 Hình 3.12 - Chuyển vị ngang và chuyển vị xoay với mỗi cấp tải trọng đứng .....77 Hình 3.13 - Trình tự thí nghiệm xây dựng biểu đồ bao V-H, V-M [37] ..............77 Hình 3.14 - Lưu đồ phân tích ...............................................................................78 Hình 3.15 - Lưu đồ xây dựng đường bao TTGH .................................................79 Hình 3.16 - Giao diện chính của phần mềm ........................................................80 Hình 3.17 - Tổng hợp kết quả từ số liệu xuất ra của Abaqus ..............................81 Hình 3.18 - Thiết lập thông số biểu đồ cần vẽ .....................................................81 Hình 3.19 - Trình tự gia tải đứng (w) và ngang (u).............................................82 Hình 3.20 - Đường bao tải trọng V-H với =300 ................................................83 Hình 3.21 - Trình tự gia tải đứng (w) và xoay (B) ............................................83 Hình 3.22 - Đường bao tải trọng V-M với =300 ................................................84 Hình 3.23 - So sánh đường bao tải trọng V-M với lời giải của Ngo Tran ..........84 Hình 3.24 - Trình tự gia tải theo phương pháp tỷ lệ chuyển vị ...........................85 Hình 3.25 - Phương pháp phân tích tải trọng bao ứng với u- B theo cấp wi(Vi) ..............................................................................................................................85 Hình 3.26 - Biểu đồ bao TTGH với V/Vo=0.35, =300 .......................................86 Hình 3.27 - Biểu đồ bao TTGH với V/Vo=0.45, =300 .......................................87 Hình 3.28 - Đường bao TTGH với V/Vo=0,05-0,5 với =300 ............................87 - vii - Hình 3.29 - So sánh đường bao TTGH với V/Vo=0,3 so với kết quả của Ngo Tran ......................................................................................................................88 Hình 3.30 - So sánh đường bao TTGH với kết quả của Ngo Tran [50] .............89 Hình 3.31 - Mô hình tính toán .............................................................................90 Hình 3.32 - Chia lưới mô hình tính toán .............................................................90 Hình 3.33 - Chuyển vị tổng sau gia tải đứng với móng B=1,0m .........................91 Hình 3.34 - Chuyển vị tổng ứng với bước gia tải ngang với móng B=1,0m .......91 Hình 3.35 - Ứng suất Von-mises trong đất nền khi phá hoại với móng B=1,0m 92 Hình 3.36 - Mặt trượt dưới đáy móng trong không gian ba chiều ......................92 Hình 3.37 - Mặt trượt dưới đáy móng nhìn từ mặt bên với móng B=1,0m .........92 Hình 3.38 - Kiểm định mô hình toán với B= 1,0m, cấp V1 ..................................94 Hình 3.39 - So sánh thí nghiệm và mô hình với B= 1,0m, cấp V2 .......................94 Hình 3.40 - So sánh thí nghiệm và mô hình với B= 1,0m, cấp V3 ......................94 Hình 3.41 - So sánh thí nghiệm và mô hình với B= 0,7m, cấp V1 .......................95 Hình 3.42 - So sánh thí nghiệm và mô hình với B= 0,7m, cấp V2 .......................96 Hình 3.43 – Quan hệ tỷ lệ B/L và hệ số Nc ..........................................................98 Hình 3.44 - Biểu đồ bao TTGH V V0  H V0  với =300 ...................................99 Hình 3.45 - Biểu đồ bao TTGH V V0  H V0  với =24,30 ............................. 100 Hình 3.46 - So sánh đường TTGH V V0  H V0  với =300 và 24,30 .............. 100 Hình 3.47 - Trình tự gia tải đứng (w) và xoay (B) ......................................... 101 Hình 3.48 - Biểu đồ bao TTGH V V0  M BV0  với =300 ............................. 101 Hình 3.49 - Biểu đồ bao TTGH V V0  M BV0  với =24,30 .......................... 102 Hình 3.50 - So sánh đường bao TTGH V V0  M BV0  .................................. 102 Hình 3.51 - Biểu đồ bao TTGH với V V0 =0.3,   300 .................................... 103 Hình 3.52 - Biểu đồ bao TTGH với V/Vo=0.45, =300 .................................... 104 Hình 3.53 - Đường bao TTGH V V0 , H V0 , M BV0  với góc =300 ................. 104 Hình 3.54 - Đường bao TTGH V V0 , H V0 , M BV0  với góc =300 ................ 105 Hình 3.55 - Đường bao TTGH V V0 , H V0 , M BV0  với góc =24,30 .............. 105 Hình 3.56 - Biểu đồ bao TTGH V V0 , H V0 , M BV0  với góc =24,30 ............. 106 Hình 4.1 - Chính diện ĐXL bản dầm ................................................................ 110 Hình 4.2 - Cắt ngang ĐXL bản dầm ................................................................. 110 Hình 4.3 - Chính diện ĐXL phao hộp ............................................................... 110 Hình 4.4 - Cắt ngang ĐXL phao hộp 10m ........................................................ 111 Hình 4.5 - Tải trọng tác dụng lên ĐXL bản dầm theo phương dòng chảy ....... 111 - viii - Hình 4.6 - Tải trọng tác dụng lên ĐXL theo phương vuông góc dòng chảy .... 111 Hình 4.7 - Tải trọng tác dụng lên ĐXL phao hộp theo phương dòng chảy ...... 112 Hình 4.8 – Biểu đồ quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có Lt=5,0 (m) ................... 117 Hình 4.9 – Biểu đồ quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có Lt=6,0 (m) ................... 117 Hình 4.10 – Biểu đồ quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có Lt=7,0 (m) ................. 118 Hình 4.11 – Biểu đồ quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có Lt=8,0 (m) ................. 118 Hình 4.12 – Biểu đồ quan hệ B/Ld - H (m) với ĐXL có Lt=9,0 (m) ............... 118 Hình 4.13 – Biểu đồ quan hệ B/Ld - H (m) với ĐXL có Lt=10,0 (m) ............. 118 Hình 4.14 – Tổng hợp quan hệ B/L - H (m) với ĐXL có Lt=5-:-10 (m)......... 119 Hình 4.15 – Biểu đồ quan hệ V/V0 - H (m) với ĐXL có Lt=5,0 (m) ............... 120 Hình 4.16 – Biểu đồ quan hệ V/V0 -H (m) với ĐXL có Lt=6,0 (m) ................ 120 Hình 4.17 – Biểu đồ quan hệ V/V0 - H (m) với ĐXL có Lt= 7,0 (m) .............. 121 Hình 4.18 – Biểu đồ quan hệ V/V0 - H (m) với ĐXL có Lt=8,0 (m) ............... 121 Hình 4.19 – Biểu đồ quan hệ V/V0 - H (m) với ĐXL có Lt=9,0 (m) ............... 122 Hình 4.20 – Biểu đồ quan hệ V/V0 - H (m) với ĐXL có Lt=10,0 (m) ............. 122 Hình 4.21 - Biểu đồ quan hệ V/V0 - H ứng với ĐXL có Lt=5,0-:-10 (m) ...... 122 - ix - MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh An Giang và tỉnh Bến Tre [4] ....12 Bảng 1.2 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh Trà Vinh và tỉnh Bạc Liêu [4], [15] ......................................................................................................................13 Bảng 1.3 - Đặc trưng cơ lý của đất yếu ở tỉnh Cà Mau và tỉnh Kiên Giang [4] .13 Bảng 1.4 - Tổng hợp các nghiên cứu công bố về hệ số hình dạng sc ..................22 Bảng 2.1 - Thông số mô hình ...............................................................................49 Bảng 2.2 - Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đất nền ..........................................................55 Bảng 2.3 – So sánh một số chỉ tiêu của đất yếu trên mô hình và ở Nam Bộ .......55 Bảng 2.4 – Độ cứng tấm nén bê tông thí nghiệm ................................................57 Bảng 2.5 - Tổng hợp kết quả thí nghiệm ..............................................................62 Bảng 2.6 - Tổng hợp kết quả thí nghiệm hiện trường với B= 0,7m .....................64 Bảng 2.7 - Tổng hợp kết quả thí nghiệm hiện trường với B= 1,0m .....................64 Bảng 2.8 – Góc tiếp xúc theo TN hiện trường và so sánh với TN mô hình .........66 Bảng 3.1 - Tổng hợp kết quả mô hình toán với B= 1,0m ....................................93 Bảng 3.2 - Tổng hợp kết quả tính toán mô hình với móng 0,7m .........................95 Bảng 3.3 - Tổng hợp so sánh kết quả tính toán mô hình với thí nghiệm .............96 Bảng 3.4 - Tổng hợp nghiên cứu về hệ số sức chịu tải và hệ số hình dạng.........98 Bảng 4.1 - Tổng hợp tải trọng và các hệ số với Lt= 5m ................................... 113 Bảng 4.2 - Tổng hợp tải trọng và các hệ số với Lt= 10m ................................. 115 -x- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị Tên gọi các ký hiệu A m2 Diện tích móng A’ m2 Diện tích móng hiệu quả B m Bề rộng móng (theo chiều dòng chảy) B’ m Bề rộng móng hiệu quả Bs m Bề rộng nền trong mô hình tính toán BV0 kNm Tích của bề rộng móng với tải trọng đứng giới hạn c kPa Lực dính đơn vị D m E0 kPa Mô đun tổng biến dạng của đất nền Eoed kPa Mô đun nén một trục Ep kPa Mô đun biến dạng e0 ko G kPa Mô đun chống cắt H kN Tải trọng ngang tác dụng H0 kN Tải trọng ngang giới hạn Hs m Chiều cao nền mô hình tính toán Ht m Chiều cao đập xà lan H/V0 ko Hệ số tải trọng ngang không thứ nguyên L m Chiều dài móng (theo phương vuông góc dòng chảy) Ls m Chiều dài nền trong mô hình tính toán Lt m Chiều rộng thông nước của đập xà lan M kNm Mô men tác dụng M0 kNm Mô men giới hạn M/BV0 ko Hệ số mô men không thứ nguyên Nc ko Hệ số sức chịu tải theo lực dính Nq ko Hệ số sức chịu tải theo áp lực bên N ko Hệ số sức chịu tải theo dung trọng Độ sâu chôn móng Độ rỗng ban đầu của đất nền - xi - Hệ số thấm của đất nền K m/s u m Chuyển vị ngang V kN Tải trọng đứng tác dụng V0 kN Tải trọng đứng giới hạn V / V0 ko Hệ số tải trọng đứng không thứ nguyên qu kPa Cường độ kháng nén nở hông qult kPa Sức chịu tải cực hạn q0 kPa Áp lực hông qa kPa Sức chịu tải cho phép su kPa Cường độ kháng cắt không thoát nước w m w kN/m3 Trọng lượng tự nhiên của đất nền k kN/m3 Trọng lượng khô của đất nền u kN/m3 Trọng lượng bão hòa của đất nền ’ kN/m3 Trọng lượng đẩy nổi của đất nền ’v kPa Ứng suất hiệu quả thẳng đứng của đất nền ’c kPa Áp lực tiền cố kết  Độ Góc xoay  Độ Góc ma sát trong ’ Độ Góc nghiêng tải trọng  Độ Góc ma sát tiếp xúc giữa đập xà lan và nền  ko Hệ số Poisson của đất Chuyển vị đứng ko: Ký hiệu không thứ nguyên - xii - KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỘT SỐ THUẬT NGỮ THƯỜNG DÙNG BĐKH: Biến đổi khí hậu ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long ĐXL: Đập Xà lan DSS: Direct shear stress : Ứng suất cắt trực tiếp MC: Mô hình Mohr-Coulomb MCC: Mô hình Cam-Clay cải tiến Swipe analysis: Phương pháp phân tích tải trọng bao Probe analysis: Phương pháp phân tích theo tỷ lệ chuyển vị PP PTHH: Phương pháp Phần tử hữu hạn TTGH: Tải trọng giới hạn MSTX: Ma sát tiếp xúc -1- MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu đã và đang tác động rất lớn đến mọi ngành kinh tế của tất cả các quốc gia trên thế giới. Đối với nước ta, vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của BĐKH. Ảnh hưởng của BĐKH đã làm cho thời tiết diễn biến cực đoan hơn, hạn hán, xâm nhập mặn gia tăng, việc quản lý và sử dụng hiệu quả nguồn nước gặp nhiều khó khăn hơn. Ngoài ảnh hưởng của BĐKH, ở thượng nguồn các quốc gia dùng nhiều nước để phát triển kinh tế gây cho nguồn nước ngọt chảy về ĐBSCL ngày càng giảm, làm cho ĐBSCL thiếu nguồn nước về mua khô để đảm bảo sản xuất. Để phát triển ổn định và bền vững Nông nghiệp Nông thôn nói riêng và kinh tế xã hội vùng ĐBSCL nói chung, việc xây dựng các công trình thủy lợi nhằm chủ động tạo nguồn nước đáp ứng các yêu cầu của thực tế sản xuất đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Bên cạnh giải pháp xây dựng các hồ chứa trữ nước, thì việc nghiên cứu đề xuất phương án kết cấu và giải pháp xây dựng các công trình ngăn sông để kiểm soát nguồn nước (vừa đảm bảo ngăn mặn, ngăn nước biển dâng, vừa tạo nguồn nước ngọt nhưng không làm ảnh hưởng đến khả năng tiêu thoát lũ) có một ý nghĩa chiến lược rất quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội. Hầu hết các công trình ngăn sông ở nước ta từ trước đến cách đây 10 năm đều được xây dựng theo công nghệ truyền thống. Công nghệ truyền thống có ưu điểm là dễ kiểm tra chất lượng trong quá trình thi công, công tác thiết kế và xây dựng công trình đã có nhiều kinh nghiệm. Tuy nhiên, khi áp dụng công nghệ truyền thống vào những vùng như vùng ĐBSCL hay những nơi địa chất nền móng quá yếu, dẫn dòng thi công phức tạp, nơi tập trung dân cư thì cống truyền thống có những nhược điểm khó khắc phục như thu hẹp lòng sông thông thường từ 30-50% nên kết cấu gia cố tiêu năng đồ sộ, khối lượng xây lắp cống lớn. Mặt khác do phải chặn dòng thi công nên ảnh hưởng nhiều đến giao thông thuỷ, môi trường sinh thái; diện tích mất đất lớn, khối lượng đền bù giải phóng mặt bằng nhiều, phức tạp nên ảnh hưởng đến giá thành và tiến độ công trình. Chính vì vậy, trong những năm qua, việc nghiên cứu, đề xuất các công nghệ mới -2- trong xây dựng các công trình ngăn sông đã được đẩy mạnh và có những bước chuyển biến mạnh mẽ. Nhiều công nghệ mới đã được áp dụng một cách hiệu quả vào thực tế sản xuất như công nghệ đập Trụ đỡ, đập Xà lan, đập Cọc cừ... Trong đó nổi bật là công nghệ đập Trụ đỡ và công nghệ đập Xà lan (ĐXL) do Viện Khoa học Thủy lợi Việt nam đề xuất nghiên cứu. Mỗi loại công nghệ sẽ có một phạm vi ứng dụng hiệu quả nhất, trên cơ sở căn cứ vào điều kiện cụ thể ở vị trí bố trí công trình. Đập xà lan là một công nghệ mới, được áp dụng thử nghiệm lần đầu tiên vào năm 2003 tại Bạc Liêu, sau đó cải tiến kết cấu để có dạng bản dầm như nguyên lý. Từ đó đến nay đã có gần 100 công trình được áp dụng tại ĐBSCL. Do tính ưu việt của công nghệ, triển vọng ứng dụng công nghệ này vào vùng ĐBSCL là rất lớn. Nguyên lý ổn định của đập là mở rộng diện tích đáy móng nhằm giảm ứng suất nền để có thể đặt trực tiếp trên nền đất yếu mà không phải gia cố hoặc gia cố rất ít. Đặc điểm của ĐXL là chịu tải trọng ngang và mô men lớn hơn so với tải trọng đứng. Trong nghiên cứu ĐXL thì vấn đề ổn định chống trượt là quan trọng nhất để chống lại áp lực nước gây tải trọng ngang lớn. Tuy nhiên, trong thực tế khi tính toán thiết kế ổn định chống trượt của ĐXL, thường có quan niệm đơn giản là lấy diện tích bản đáy nhân với lực dính đơn vị của nền đất yếu tại đáy móng xây dựng, các thông số phục vụ công tác tính toán thiết kế liên quan đến tiếp xúc giữa bản đáy ĐXL với nền đất yếu thường được lấy theo kinh nghiệm hoặc vận dụng các công thức tính toán tương đương. Điều này đã gây khó khăn cho công tác thiết kế cũng như nghiên cứu phát triển công nghệ. Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu xây dựng đường bao tải trọng giới hạn của nền đập xà lan vùng đồng bằng sông Cửu Long ” nhằm nghiên cứu phương pháp xây dựng đường bao tải trọng giới hạn của của móng đập xà lan trên nền đất yếu dưới tác dụng đồng thời của tải trọng đứng, ngang và mô men. Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hoàn thiện lý thuyết và phương pháp tính toán ổn định ĐXL, đây là vấn đề vừa có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. -3- 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Xây dựng được đường bao tải trọng giới hạn của đập Xàlan trên nền đất yếu chịu tải trọng phức hợp (đứng, ngang và mô men). 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Móng đập Xà lan đặt trên nền đất yếu (không xử lý) chịu tải trọng phức hợp gồm tải trọng đứng, ngang và mô men. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Móng nông đặt trực tiếp trên nền đất yếu vùng ĐBSCL, đắp đất hai bên mang đối xứng và bỏ qua ảnh hưởng ma sát của thành bên. Tải trọng đứng nhỏ ( V V0  0,5 ) phù hợp với đặc điểm của móng đập Xà lan. - Chưa xét tới biến dạng lún và cố kết theo thời gian. 4. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Nội dung nghiên cứu 1. Nghiên cứu ổn định móng ĐXL trên nền đất yếu chịu tác dụng phức hợp. 2. Thí nghiệm mô hình vật lý để nhằm chuẩn hóa và xây dựng mô hình toán. 3. Quy trình xây dựng đường bao TTGH của ĐXL chịu tải trọng phức hợp trên nền đất yếu. 4. Xây dựng mô đun phần mềm phục vụ tính toán ổn định ĐXL chịu tải trọng phức hợp. 5. Ứng dụng đường bao TTGH kiểm tra một số công trình ĐXL. 4.2. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau: 1. Thu thập, phân tích, tổng hợp các tài liệu Thu thập các tài liệu trong và ngoài nước về ổn định móng trên nền đất yếu. Phân tích các nghiên cứu về thí nghiệm mô hình vật lý và tổng hợp để ứng dụng thí nghiệm mô hình và Phân tích các nghiên cứu về mô hình toán và tổng hợp để ứng dụng phân tích mô hình toán. -4- 2. Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu lý thuyết về ổn định của móng nông và nghiên cứu về ổn định móng trên nền đất yếu trên cơ sở các lý thuyết cổ điển và hiện đại. 3. Nghiên cứu thực nghiệm Thí nghiệm mô hình vật lý nhằm xác định góc ma sát tiếp xúc của ĐXL trên nền đất yếu, từ đó chuẩn hóa mô hình phần tử tiếp xúc. 4. Nghiên cứu mô hình toán Với góc ma sát tiếp xúc (MSTX) xác định từ thực nghiệm, xây dựng mô hình toán để tìm ra đường bao TTGH của ĐXL chịu tải trọng phức hợp trên nền đất yếu. 5. Kiểm định mô hình toán bằng cách so sánh kết quả nghiên cứu với các công trình nghiên cứu đã công bố cho một trường hợp góc MSTX. 5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Luận án đã có những đóng góp mới như sau: (1) Nghiên cứu tìm được được góc ma sát tiếp xúc (  0 ) của móng nông đặt trên nền đất yếu không xử lý, điển hình ở đồng bằng sông Cửu Long chịu tải trọng phức hợp đứng, ngang với V V0  0,5 . (2) Phát triển được công cụ (một mô đun phần mềm) để xây dựng họ đường bao tải trọng giới hạn cho nền đập Xà Lan vùng đồng bằng sông Cửu Long, phục vụ tính toán thiết kế sơ bộ và kiểm tra ổn định. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học: Luận án là cơ sở khoa học để tính toán thiết kế ĐXL đảm bảo ổn định khi chịu đồng thời tải trọng đứng, ngang, mô men, từng bước hoàn thiện công nghệ xây dựng công trình ngăn sông bằng ĐXL, là công nghệ có hiệu quả kinh tế xã hội cao. Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung thêm lý thuyết tính toán ổn định công trình trên nền đất yếu nói chung và ĐXL nói riêng, cụ thể là: Đưa ra phương pháp đánh giá ổn định ĐXL đặt trực tiếp trên nền đất yếu (không xử lý) chịu tác động đồng thời của tải trọng đứng, ngang và mô men. -5- Đưa ra đường bao TTGH của ĐXL với góc ma sát tiếp xúc 24,30 làm cơ sở để soát xét TCVN 10398 : 2015 khi cần thiết. Bổ sung cách tính TTGH trong vùng có V V0  0,5 trước đây chấp nhận tính theo công thức H0=A.su. Ý nghĩa thực tiễn: Dựa vào kết quả nghiên cứu kết nối phần mềm Abaqus để nhập liệu, tự động chia lưới, kết nối để phân tích và xử lý kết quả lập đường bao TTGH tiết kiệm nhiều thời gian và công sức trong thiết kế. Ứng dụng kết quả này trong thiết kế ĐXL và các công trình tương tự một cách thuận lợi, dễ dàng. 7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án gồm 4 chương; gồm 135 trang khổ A4; 2 phụ lục trình bày trong 25 trang; hình vẽ trong phần chính luận án và hình vẽ trong phần phụ lục; bảng biểu trong phần chính luận án và bảng biểu trong phần phụ lục. Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng đường bao TTGH Chương 3: Xây dựng đường bao TTGH Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán, kiểm tra cho công trình thực tế -6- CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng đập Xà lan ở Việt Nam Đập xà lan lần đầu tiên được đề xuất và nghiên cứu trong đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu công nghệ tiên tiến để tạo nguồn nước ngọt vùng ven biển”, mã số KC12-10A từ năm 1992-1995 do GS.TS. Trương Đình Dụ làm chủ nhiệm. Kết quả nghiên cứu trong đề tài này mới chỉ dừng lại ở sơ đồ nguyên lý kết cấu của ĐXL. Đến năm 2003, Bộ Nông Nghiệp và PTNT đã cho phép tiếp tục nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo đập Xà lan di động, phục vụ chuyển đổi cơ cấu kinh tế vùng đồng bằng Sông Cửu Long” [2]. Năm 2004, ĐXL được phép sản xuất thử nghiệm cấp nhà nước DAĐL- 2004/06 “Hoàn thiện công nghệ thiết kế, chế tạo thi công và quản lý vận hành ĐXL di động áp dụng cho vùng triều phục vụ các công trình ngăn sông vùng ven biển” [3, 14]. Công nghệ được áp dụng thử nghiệm thành công cho đập Phước Long – Bạc Liêu (2004), đập Thông Lưu - Bạc Liêu (2005) [12]. Năm 2006, Bộ Nông Nghiệp và PTNT cho áp dụng công nghệ này vào thiết kế và thi công 7 cống thuộc dự án Omon xano tỉnh Cần Thơ, Hậu Giang, Kiên Giang. Năm 2007, được tỉnh Cà Mau áp dụng vào xây dựng hai cống Minh Hà và Rạch Lùm, huyện Trần Văn Thời, tỉnh Cà Mau. Năm 2008, Bộ Nông Nghiệp và PTNT tiếp tục cho áp dụng ĐXL vào 63 công trình thuộc dự án phân ranh mặn ngọt Sóc Trăng - Bạc Liêu. Đến nay các địa phương như Cà Mau, Bạc Liêu, Kiên Giang đã ứng dụng rộng rãi công nghệ ĐXL, lên đến hàng trăm công trình [18]. Năm 2008, GS.TS. Trần Đình Hòa và các cộng sự [7] đã nghiên cứu, phát triển ĐXL thêm dạng đập xà lan liên hợp (ĐXLLH). Công nghệ ĐXLLH có kết cấu bao gồm nhiều đơn nguyên kết hợp với nhau, nền móng của ĐXLLH được gia cố thêm hệ thống cọc ngàm vào nền (Hình 1.1). Giải pháp công nghệ này được kiến nghị áp dụng cho các công trình ngăn sông lớn, cột nước cao. -7- Hình 1.1 - Bố trí kết cấu ĐXLLH Năm 2018, trong đề tài cấp Quốc gia [8], GS.TS. Trần Đình Hòa và các cộng sự đã tiếp tục nghiên cứu, đề xuất một số giải pháp công nghệ dạng ĐXL kiểu phao nổi tháo lắp hàng năm, đặt trên nền đã được xử lý bằng bê tông cốt thép (Hình 1.2). Giải pháp công nghệ này được kiến nghị áp dụng cho các công trình dâng nước điều tiết trên sông Hồng. Do ưu điểm nổi trội của ĐXL có giá thành rẻ, chi phí cho ĐXL [7], bằng 3070% so với cống truyền thống. Khả năng di chuyển của công trình trong trường hợp thay đổi vị trí tuyến phục vụ yêu cầu chuyển đổi cơ cấu sản xuất không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn đem lại lợi ích kinh tế cao do sử dụng lại kết cấu công trình và không mất chi phí phá dỡ. Tính năng di động của ĐXL đáp ứng được yêu cầu quy hoạch mở, phát triển kinh tế trong tương lai, góp phần vào công cuộc hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn. ĐXL sử dụng khả năng chịu lực của nền tự nhiên để xây dựng công trình mà không phải xử lý nền đất yếu một cách tốn kém. Đập được chế tạo, lắp đặt theo tính chất công nghiệp, giảm diện tích chiếm đất nên thời gian thi công nhanh. -8- Hình 1.2 - Bố trí kết cấu ĐXL tháo lắp hàng năm Công nghệ ĐXL đặc biệt phù hợp với những vùng giao thông kém phát triển, vận chuyển nguyên vật liệu khó khăn, điều kiện tự nhiên phức tạp như vùng sâu, vùng xa bán đảo Cà Mau hay những nơi khó giải phóng mặt bằng. Công nghệ ĐXL gần như không làm thay đổi cảnh quan môi trường tự nhiên do không phải làm mặt bằng và dẫn dòng thi công. Khẩu độ của ĐXL cũng được mở rộng nên tăng khả năng tiêu thoát lũ và bảo vệ môi trường cho khu vực tốt hơn so với cống truyền thống. Do đó, tiềm năng và triển vọng ứng dụng ĐXL trong vùng ĐBSCL là rất lớn. 1.1.2 Nguyên lý, cấu tạo và những kỹ thuật căn bản của đập Xà lan 1.1.2.1 Nguyên lý đập Xà lan Theo [2, 3, 14], ĐXL có các nguyên lý công nghệ cụ thể: Ổn định lún dựa trên việc tối ưu kết cấu đập nhẹ để ứng suất lên nền nhỏ hơn ứng suất cho phép của đất nền mềm yếu, không phải xử lý nền. Ổn định trượt, lật: Dùng ma sát đất nền với đáy công trình và đất đắp mang cống với tường bên. Ổn định thấm: Theo nguyên lý đường viền ngang dưới đáy công trình.