Luận văn Ứng dụng mô hình đàn hồi phi tuyến hyperbolic vào công tác thiết kế tường chắn đất đắp trên đường giao thông trong điều kiện Việt Nam

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT MỤC LỤC MAI ANH PHƯƠNG i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC….. ...................................................................................................i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................vii KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT..............................................................................viii BẢNG CHỈ DẪN..............................................................................................x Chương 1 MỞ ĐẦU ..................................................................................1 1.1. Vấn đề thực tiễn...................................................................................1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................4 1.3. Phạm vi nghiên cứu và các nhiệm vụ cần thực hiện ............................4 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN ĐẤT....8 2.1. Mở đầu.................................................................................................8 2.2. Các yêu cầu lý thuyết cơ bản về lời giải cần thỏa mãn cho một phương pháp phân tích.........................................................................8 2.2.1. Điều kiện cân bằng ..............................................................................8 2.2.2. Điều kiện tương thích...........................................................................9 2.2.3. Hành vi ứng xử cơ bản.........................................................................9 2.2.4. Điều kiện biên....................................................................................10 2.3. Nhóm các phương pháp phân tích trong công tác thiết kế tường chắn và sự đáp ứng của chúng đối với các yêu cầu cơ bản lý thuyết và yêu cầu cung cấp thông tin cho công tác thiết kế ..........................10 2.3.1. Các phương pháp truyền thống .........................................................11 2.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ..........................................................12 2.3.3. Tổng kết các nghiên cứu ứng dụng FEM trong thiết kế tường chắn..14 2.4. Kết luận về sự lựa chọn phương pháp phân tích cho công tác thiết kế tường chắn đất đắp trên đường giao thông tại Việt Nam...............14 Chương 3 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MÔ HÌNH CHUYỂN VỊ - CÁC NỘI DUNG CƠ BẢN.........................16 3.1. Mở đầu...............................................................................................16 3.2. Xây dựng lưới phần tử hữu hạn .........................................................16 3.3. Xấp xỉ chuyển vị................................................................................16 3.4. Các phương trình cơ bản cho phần tử ................................................19 3.4.1. Tính toán chuyển vị............................................................................19 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT MỤC LỤC MAI ANH PHƯƠNG ii 3.4.2. Điều kiện tương thích.........................................................................19 3.4.3. Hành vi ứng xử cơ bản.......................................................................20 3.4.4. Điều kiện cân bằng cho phần tử ........................................................20 3.4.5. Tích phân số.......................................................................................21 3.5. Thiết lập phương trình tổng thể cho cả hệ..........................................23 3.6. Xác định điều kiện biên .....................................................................23 3.7. Giải phương trình tổng thể.................................................................23 3.8. Kỹ thuật phân tích phi tuyến..............................................................24 Chương 4 MÔ HÌNH ĐÀN HỒI PHI TUYẾN HYPERBOLIC CỦA DUNCAN VÀ CHANG (1970) [9]........................................27 4.1. Đặc điểm chung .................................................................................27 4.2. Mô đun ban đầu .................................................................................28 4.3. Mô đun tiếp tuyến..............................................................................29 4.4. Mô đun dỡ tải–gia tải.........................................................................30 4.5. Hệ số Poisson µ .................................................................................30 4.6. Vùng dẻo ...........................................................................................31 4.7. Vùng chịu kéo....................................................................................33 4.8. Kỹ thuật xác định các thông số hyperbolic từ kết quả thí nghiệm trong phòng........................................................................................33 Chương 5 PHÂN TÍCH TƯỜNG CHẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VỚI MÔ HÌNH CƠ BẢN ĐÀN HỒI PHI TUYẾN HYPERBOLIC ......................................52 5.1. Mở đầu...............................................................................................52 5.2. Các giả thiết cơ bản............................................................................53 5.3. Các tiêu chí kiểm soát thiết kế ...........................................................54 5.3.1. Kiểm soát thiết kế về ổn định cường độ .............................................54 5.3.2. Kiểm soát thiết kế về tính tiết kiệm.....................................................55 5.3.3. Kiểm soát thiết kế về chuyển vị ..........................................................55 5.4. Mô hình vật liệu.................................................................................55 5.4.1. Mô hình vật liệu cho thân tường........................................................55 5.4.2. Mô hình vật liệu cho đất đắp và nền tự nhiên....................................55 5.5. Tải trọng ............................................................................................55 5.6. Hệ số an toàn riêng phần....................................................................56 5.6.1. Hệ số an toàn riêng phần cho tải trọng .............................................56 5.6.2. Hệ số an toàn riêng phần cho thông số sức kháng cắt.......................56 5.6.2.1. Hệ số an toàn riêng phần cho lực dính...............................................56 5.6.2.2. Hệ số an toàn riêng phần cho góc nội ma sát .....................................57 5.6.2.3. Chỉ số độ tin cậy yêu cầu β0...............................................................59 5.6.2.4. Số lượng tổ mẫu thí nghiệm yêu cầu .................................................59 5.6.2.5. Hệ số an toàn riêng phần kiến nghị....................................................59 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT MỤC LỤC MAI ANH PHƯƠNG iii 5.7. Xác định mô men và lực cắt tương đương từ phân bố ứng suất trên mặt cắt để kiểm tra cường độ thân tường...........................................60 5.7.1. Xác định mô men tương đương từ phân bố ứng suất pháp trên mặt cắt ......................................................................................................60 5.7.2. Xác định lực cắt tương đương từ phân bố ứng suất tiếp trên mặt cắt 60 5.8. Các bước thực hiện cơ bản.................................................................60 Chương 6 ĐÁNH GIÁ TÍNH HIỆU QUẢ CỦA VIỆC ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HYPERBOLIC TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN ĐẤT ĐẮP............................................63 6.1. Mở đầu...............................................................................................63 6.2. Các thông số đầu vào chung cho quá trình phân tích và thiết kế theo 2 phương pháp ...................................................................................63 6.2.1. Thông số hình học..............................................................................63 6.2.2. Thông số vật liệu................................................................................64 6.2.3. Thông số tải trọng sử dụng ................................................................64 6.3. Thực hành phân tích và thiết kế kết cấu tường chắn theo 2 phương pháp ...................................................................................................65 6.3.1. Phân tích, thiết kế tường chắn theo 22 TCN 272-01..........................65 6.3.2. Phân tích, thiết kế tường chắn bằng FEM – mô hình Hyperbolic......78 6.4. So sánh chi phí vật liệu chính bê tông và cốt thép thân tường được thiết kế theo 2 phương pháp...............................................................85 Chương 7 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .......................................87 7.1. Kết luận .............................................................................................87 7.2. Khuyến nghị ......................................................................................87 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................88 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN................................................................................90 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MAI ANH PHƯƠNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1-1: Tìm kiếm quy trình thiết kế mới ....................................................1 Hình 3-1: Phần tử đẳng hướng 8 nút (nguồn: Konstantinos Georgiadis (2003) [10]) .................................................................................18 Hình 3-2: Vị trí các điểm Gauss (nguồn: Konstantinos Georgiadis (2003) [10]) .............................................................................................22 Hình 3-3: Thuật toán Newton-Raphson (nguồn: Konstantinos Georgiadis (2003) [10]) .................................................................................25 Hình 4-1: Đường hyperbolic biểu diễn đường cong ứng suất-biến dạng (nguồn: Duncan, J. M., Byrne, P., Wong, K. S., and Mabry, P. (1980) [6]) ...................................................................................28 Hình 4-2: Các mô đun kiểm soát hành vi của đất theo mô hình hyperbolic (nguồn: John Krahn (2004)[9])....................................................28 Hình 4-3: Xác định các thông số hyperbolic KL, n, Kb, m (nguồn: John Krahn (2004)[9])..........................................................................31 Hình 4-4: Độ lệch ứng suất tới hạn và độ lệch ứng suất phá hoại (nguồn: Al-Shayea N., Abduljauwad S., Bashir R., Al-Ghamedy H. and Asi I. (2003)[4])...........................................................................33 Hình 4-5: Ví dụ đường cong ứng suất-biến dạng cho thí nghiệm nén 3 trục chế độ cố kết – thoát nước(CD) (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) ...............................................................................................34 Hình 4-6: Ví dụ hiệu chỉnh đường cong ứng suất – biến dạng (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) .............................................................35 Hình 4-7: Ví dụ đường cong ứng suất - biến dạng của thí nghiệm nén 3 trục UU (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) .................................35 Hình 4-8: Ví dụ đường cong ứng suất – biến dạng sau khi hiệu chỉnh (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) ...............................................36 Hình 4-9: Ví dụ đường bao phá hoại Morh (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) ...............................................................................................37 Hình 4-10: Ví dụ đường bao phá hoại Morh cải tiến (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6])................................................................................37 Hình 4-11: Ví dụ đường bao phá hoại Morh cho thí nghiệm nén 3 trục, chế độ CD (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6])....................................39 Hình 4-12: Ví dụ biến thiên giá trị góc ma sát theo áp lực bên (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) .............................................................39 Hình 4-13: Ví dụ số liệu thí nghiệm nén 3 trục để xác định K,n (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) .............................................................43 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MAI ANH PHƯƠNG v Hình 4-14: Ví dụ đồ thị chuyển dạng quan hệ ứng suất – biến dạng (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) .............................................................44 Hình 4-15: Ví dụ đồ thị biến thiên mô đun tiếp tuyến ban đầu theo áp lực bên (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]).........................................45 Hình 4-16: Ví dụ đường cong ứng suất – biến dạng và biến thiên thể tích (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) ...............................................45 Hình 4-17: Ví dụ mẫu biểu tính toán thông số hyperbolic (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6])...........................................................................46 Hình 4-18: Ví dụ tính toán thông số hyperbolic (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6])................................................................................47 Hình 4-19: Ví dụ đường cong ứng suất – biến dạng và biến thiên thể tích theo mô hình hyperbolic (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6])........48 Hình 4-20: Ví dụ đường cong ứng suất – biến dạng và biến thiên thể tích theo mô hình hyperbolic cho loại đất có tính nở thể tích khi chịu cắt (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6])..........................................49 Hình 4-21: Ví dụ tính toán thông số hyperbolic cho loại đất có tính nở thể tích khi chịu cắt (Nguồn: Duncan et. al.(1980) [6]) .....................50 Hình 4-22: Một số dụng cụ thí nghiệm để xác định thông số hyperbolic.......51 Hình 5-1: Sơ đồ tính toán mô men tương đương từ phân bố ứng suất pháp trên mặt cắt ..................................................................................61 Hình 5-2: Sơ đồ tính toán lực cắt tương đương từ ứng suất tiếp phân bố trên mặt cắt ..................................................................................62 Hình 6-1: Sơ đồ tính (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) ...........65 Hình 6-2: Biểu đồ mô men uốn và đường bao khả năng chịu uốn thân tường (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) ..................75 Hình 6-3: Biểu đồ lực cắt và đường bao khả năng chịu cắt thân tường (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2)...................................75 Hình 6-4: Kiểm tra ổn định tổng thể theo phương pháp GLE (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2)...............................................76 Hình 6-5: Biểu đồ mô men uốn và khả năng chịu uốn của gót móng (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2)........................................77 Hình 6-6: Biểu đồ lực cắt và đường bao khả năng chịu cắt gót móng móng (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) ............................77 Hình 6-7: Mô phỏng trạng thái ứng suất ban đầu tại hiện trường ................78 Hình 6-8: Đào hố móng, đáy hố móng bùng lên 1cm, (phóng đại 50 lần). ..78 Hình 6-9: Bước 1: xây tường - Trường ứng suất σy. (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) .............................................................79 Hình 6-10: Bước 2: lấp hố móng - Trường ứng suất σy (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) .............................................................79 Hình 6-11: Bước 3: đắp lớp 1 - Trường ứng suất σy(Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) .............................................................80 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MAI ANH PHƯƠNG vi Hình 6-12: Bước 4: đắp lớp 2 - Trường ứng suất σy(Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) .............................................................80 Hình 6-13: Bước 5: đắp lớp 3 - Trường ứng suất σy(Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) .............................................................81 Hình 6-14: Bước 6: đắp lớp 4 - Trường ứng suất σy(Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) .............................................................81 Hình 6-15: Bước 7: đắp lớp 5 và tác dụng hoạt tải xe cộ - Trường ứng suất σy(Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2).........................82 Hình 6-16: Trường ứng suất σy – Vùng dẻo. (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2)..............................................................................82 Hình 6-17: Trường ứng suất σy trong tường (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2)..............................................................................83 Hình 6-18: Trường ứng suất σx trong tường (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2)..............................................................................83 Hình 6-19: Trường ứng suất τxy trong tường (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2)..............................................................................84 Hình 6-20: Chi phí vật liệu chính BTCT cho thân tường khi thiết kế theo 2 phương pháp (đất No. 1)..............................................................85 Hình 6-21: Chi phí vật liệu chính BTCT cho thân tường khi thiết kế theo 2 phương pháp (đất No. 2)..............................................................86 Hình 6-22: Chi phí vật liệu chính BTCT cho thân tường khi thiết kế theo 2 phương pháp (đất No. 3)..............................................................86 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MAI ANH PHƯƠNG vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Yêu cầu cơ bản lý thuyết về lời giải cho các phương pháp phân tích...............................................................................................10 Bảng 2-2: Yêu cầu về lời giải của thiết kế cho các phương pháp phân tích .10 Bảng 6-1: Thông số vật liệu của đất đắp và nền tự nhiên (nguồn: Duncan et. al. (1980)[6])...........................................................................64 Bảng 6-2: Thông số vật liệu của thép (nguồn: ASTM A615/A615M 01b) .64 Bảng 6-3: Thông số vật liệu của bê tông ......................................................64 Bảng 6-4: Bảng tính tường chắn 22TCN272-01(Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) .......................................................................65 Bảng 6-5: Kết quả tính toán, kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện thân tường (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) ..................74 Bảng 6-6: Kết quả tính toán, kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện gót móng (Ví dụ tính toán cho tường cao 5m, đất No. 2) ..................76 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT MAI ANH PHƯƠNG viii KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT BTCT Bê tông cốt thép EPC Hợp đồng trọn gói (Engineering Procurement Construction) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) GLE Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium Method) LEM Phương pháp cân bằng giới hạn khối trượt rắn SRF Hệ số giảm cường độ kháng cắt hay hệ số an toàn riêng phần cho thông số sức kháng cắt (Strength Reduction Factor) et al. và các cộng sự tr. trang Ei Mô đun ban đầu, hàm số của ứng suất bên σ3 ε Biến dạng tương đối dọc trục σ1- σ3 Độ lệch ứng suất (σ1- σ3)u Độ lệch ứng suất tại trạng thái tới hạn khi biến dạng lớn (σ1- σ3)f Độ lệch ứng suất tại trạng thái phá hoại KL Số mô đun gia tải không đơn vị Pa Áp suất khí quyển (được sử dụng làm thông số chuẩn hóa) n Số mũ để xác định ảnh hưởng của ứng suất bên tới mô đun ban đầu Et Mô đun tiếp tuyến φ Góc ma sát của đất c Lực dính của đất φf Góc nội ma sát nhân hệ số dùng trong kiểm tra ổn định cường độ cf Lực dính nhân hệ số dùng trong kiểm tra ổn định cường độ Rf Tỉ số giữa đường tiệm cận với đường cong hyperbolic với sức kháng cắt lớn nhất của đất. Giá trị của Rf thườn