BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ THẮNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố. Mã số: 62.58.02.05.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TSKH. HÀ HUY CƯƠNG 2. TS. VŨ ĐỨC SỸ Hà Nội - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Đỗ Thắng ii LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới GS.TSKH Hà Huy Cương và TS Vũ Đức Sỹ đã tận tình hướng dẫn về khoa học, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Giao thông Vận tải đã có nhiều ý kiến đóng góp và chỉ dẫn quý báu cho luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn cán bộ, giảng viên của Bộ môn Đường bộ, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu tại Nhà trường. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Kiến trúc & Công trình - Trường Đại học Dân lập Phương Đông, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện để tác giả có thể hoàn thành được luận án. Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã động viên khích lệ và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Đỗ Thắng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 5. Bố cục của luận án 4 6. Đóng góp mới của luận án 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN 7 1.1. Phân tích các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước 7 1.1.1. Các dạng mất ổn định nền đắp trên nền thiên nhiên 7 1.1.2. Phương pháp nghiên cứu ổn định nền đường 9 1.1.2.1. Các liên hệ cơ bản của vật liệu đàn dẻo lý tưởng 9 1.1.2.2. Phương pháp nghiên cứu ổn định khối đất 16 1.1.2.3. Cường độ giới hạn nền thiên nhiên 17 1.1.2.4. Phương pháp nghiên cứu ổn định mái dốc 27 1.2. Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên 33 1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án 34 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN 36 iv 2.1. Lý thuyết min ( max ) 36 2.1.1. Trường ứng suất đàn hồi trong đất 37 2.1.2. Trường ứng suất dựa trên lý thuyết min (  max ) 40 2.2. Xây dựng bài toán xác định trường ứng suất trong đất 44 2.3. Phương pháp sai phân hữu hạn để giải bài toán 46 2.4. Lời giải bài toán Flamant bằng số 48 2.5. Lời giải bài toán phẳng theo lý thuyết min ( max ) 52 2.6. Kết quả và bàn luận 54 Chương 3 BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ TẢI TRỌNG GIỚI HẠN VÀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 56 3.1. Trạng thái ứng suất tự nhiên của nền đất trong nửa không gian vô hạn 56 3.2. Bài toán Prandtl 57 3.3. Bài toán góc dốc giới hạn của khối cát khô 61 3.4. Kết quả và bàn luận 67 Chương 4 NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT CÓ MÁI DỐC THẲNG ĐỨNG 69 4.1. Nghiên cứu ổn định mái dốc thẳng đứng do tải trọng ngoài 69 4.2. Nghiên cứu ổn định mái dốc thẳng đứng do trọng lượng bản thân 77 4.3. Kết quả và bàn luận 83 Chương 5 PHƯƠNG PHÁP MỚI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN 85 5.1. Nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên 85 5.1.1. Xây dựng bài toán 85 5.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của lưới sai phân đến chiều cao giới hạn nền đắp 87 5.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của bề rộng nền đắp đến chiều cao giới hạn nền đắp 87 5.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của độ dốc taluy đến chiều cao giới hạn nền đắp 88 v 5.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của lực dính đơn vị đến chiều cao giới hạn nền đắp 89 5.1.6. Khảo sát ảnh hưởng của góc nội ma sát đến chiều cao giới hạn nền đắp 90 5.1.7. So sánh kết quả tính toán chiều cao giới hạn nền đắp theo phương pháp phân tích giới hạn với phương pháp cân bằng giới hạn 92 5.1.8. Khảo sát ảnh hưởng của nền đất không đồng nhất đến chiều cao giới hạn nền đắp 94 5.2. Ứng dụng phương pháp mới nghiên cứu ổn định nền đường trong tính toán thiết kế 99 5.3. Kết quả và bàn luận 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU B Bề rộng nền đường c Lực dính đơn vị c 0 Lực dính đơn vị của nền thiên nhiên c 1 Lực dính đơn vị của nền đắp E Môđun đàn hồi G Môđun trượt H Chiều cao nền đắp H gh Chiều cao giới hạn nền đắp i, j Thứ tự hàng và cột trong lưới sai phân K 0 Hệ số áp lực đất tĩnh m, n Số nút lưới sai phân theo trục y và theo trục x N c , N q , N  Hệ số tải trọng giới hạn p Tải trọng tác dụng p gh Tải trọng giới hạn  x,  y Kích thước ô lưới sai phân theo trục x và trục y  Góc nội ma sát  0 Góc nội ma sát của nền thiên nhiên  1 Góc nội ma sát của nền đắp  Trọng lượng thể tích  Biến dạng tương đối   Hệ số Poisson  Ứng suất nén  x ,  y Ứng suất pháp theo phương x, y  1 ,  2 Các ứng suất chính  Ứng suất tiếp  f Ứng suất tiếp giới hạn  max Ứng suất tiếp lớn nhất  xy ,  yx Các ứng suất tiếp vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Ứng suất pháp  y theo lý thuyết đàn hồi tại vị trí giữa dải tải trọng 50 Bảng 4.1. Tải trọng giới hạn khối đất có mái dốc thẳng đứng 71 Bảng 4.2. Tải trọng giới hạn khối đất có mái dốc thẳng đứng 73 Bảng 4.3. Chiều cao giới hạn khối đất có mái dốc thẳng đứng 79 Bảng 4.4. Chiều cao giới hạn khối đất có mái dốc thẳng đứng 80 Bảng 5.1. Chiều cao giới hạn nền đường theo bề rộng ô lưới sai phân 87 Bảng 5.2. Chiều cao giới hạn nền đường theo chiều rộng nền đường 88 Bảng 5.3. Chiều cao giới hạn nền đường theo độ dốc taluy 88 Bảng 5.4. Chiều cao giới hạn nền đường theo lực dính đơn vị 89 Bảng 5.5. Chiều cao giới hạn nền đường theo góc nội ma sát 91 Bảng 5.6. Chiều cao giới hạn nền đường theo phương pháp phân tích giới hạn 92 và phương pháp cân bằng giới hạn đối với trường hợp đất dính lý tưởng (m) 92 Bảng 5.7. Chiều cao giới hạn nền đường theo phương pháp phân tích giới hạn 93 và phương pháp cân bằng giới hạn đối với trường hợp đất thông thường (m) 93 Bảng 5.8. Quan hệ giữa tỷ số H gh */c 0 với góc nội ma sát và tỷ số lực dính đơn vị 97 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các hiện tượng mất ổn định nền đường đắp 7 Hình 1.2. Mô hình đàn dẻo lý tưởng 10 Hình 1.3. Vòng tròn Mohr 11 Hình 1.4. Điều kiện chảy dẻo Mohr-Coulomb 12 Hình 1.5. Mặt chảy dẻo và vectơ tốc độ biến dạng dẻo 14 Hình 1.6. Sơ đồ tính toán theo định lý giới hạn dưới 17 Hình 1.7. Sơ đồ tính toán theo định lý giới hạn trên 19 Hình 1.8. Sơ đồ tải trọng và vùng cân bằng giới hạn 19 Hình 1.9. Sơ đồ khả năng chịu tải của nền theo Terzaghi 20 Hình 1.10. Sơ đồ khả năng chịu tải của nền theo Berezansev 21 Hình 1.11. Sơ đồ xác định trạng thái ứng suất trường hợp tải trọng hình băng phân bố đều 22 Hình 1.12. Sơ đồ xác định trạng thái ứng suất trường hợp tải trọng hình băng phân bố dạng tam giác 24 Hình 1.13. Đường đẳng K min và bề rộng vùng dẻo R 26 Hình 1.14. Sơ đồ tính ổn định mái dốc 28 Hình 1.15. Trường ứng suất giả thiết 31 Hình 1.16. Mặt trượt giả thiết dạng xoắn ốc logarit 32 Hình 2.1. Đầm chặt đất 36 Hình 2.2. Ứng suất trên phân tố đất 37 Hình 2.3. Ứng suất tiếp max ( max ) 40 Hình 2.4. Sơ đồ tính nền đắp hình thang 44 Hình 2.5. Mặt thoáng nằm ngang 45 Hình 2.6. Mặt thoáng nghiêng 45 Hình 2.7. Ô lưới sai phân tính toán 46 Hình 2.8. Sơ đồ giải bài toán Flamant 48 Hình 2.9. Sơ đồ tính toán theo phương pháp sai phân 49 Hình 2.10. Biểu đồ các đường đẳng ứng suất pháp  y (kPa) theo lý thuyết đàn hồi 50 ix Hình 2.11. Biểu đồ ứng suất pháp  y (kPa) tại vị trí giữa dải tải trọng theo phương pháp sai phân hữu hạn và giải tích 51 Hình 2.12. Biểu đồ các đường đẳng ứng suất pháp  y (kPa) theo lý thuyết min ( max ) 53 Hình 2.13. Biểu đồ ứng suất pháp  y (kPa) tại vị trí giữa dải tải trọng theo lý thuyết đàn hồi và lý thuyết min ( max ) 53 Hình 3.1a. Biểu đồ ứng suất  x (kPa) 56 Hình 3.1b. Biểu đồ ứng suất  y (kPa) 56 Hình 3.2. Ứng suất tiếp xúc dưới móng cứng 58 Hình 3.3. Sơ đồ giải bài toán Prandtl 60 Hình 3.4. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 61 Hình 3.5. Sơ đồ tính toán góc dốc giới hạn 62 Hình 3.6. Sơ đồ giải bài toán góc dốc giới hạn của khối cát khô 64 Hình 3.7. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 65 Hình 3.8. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 65 Hình 3.9. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 66 Hình 3.10. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 67 Hình 4.1. Sơ đồ tính ổn định của mái dốc thẳng đứng do tải trọng ngoài 69 Hình 4.2. Sơ đồ giải bài toán tải trọng giới hạn của mái dốc thẳng đứng 71 Hình 4.3. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 72 Hình 4.4. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 73 Hình 4.5. Sơ đồ tính ổn định của mái dốc thẳng đứng trong trường hợp đặt tải trọng rải đều vào phía trong 74 Hình 4.6. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 75 Hình 4.7. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 76 Hình 4.8. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 77 Hình 4.9. Sơ đồ tính ổn định của mái dốc thẳng đứng do trọng lượng bản thân 77 Hình 4.10. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 79 Hình 4.11. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 81 Hình 4.12. Biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo 82 [...]... 3 đất Vì vậy, trong luận án Nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên được trình bày sau đây, bằng cách sử dụng lý thuyết min (max), tác giả có thể áp dụng trực tiếp định lý giới hạn để nghiên cứu ổn định của khối đất nói chung và ổn định của nền đất đắp trên nền thiên nhiên 2 Mục đích nghiên cứu Xây dựng phương pháp mới (phương pháp áp dụng trực tiếp định lý giới hạn) đánh giá ổn. .. ta biết được phân bố ứng suất trong khối đất trước khi phá hỏng và các mặt trượt xảy ra trong khối đất, từ đó có thể đưa ra các biện pháp phù hợp nâng cao ổn định nền đất khi cần thiết 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nền đường đắp đất trên nền thiên nhiên Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu vấn đề ổn định của nền đường đắp đất trên nền thiên nhiên xét trong trường hợp bài toán phẳng... thuyết nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên - Chương 3: Bài toán cơ bản về tải trọng giới hạn và ổn định mái dốc - Chương 4: Nghiên cứu ổn định khối đất có mái dốc thẳng đứng - Chương 5: Phương pháp mới nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên - Kết luận và kiến nghị - Phần phụ lục 6 Đóng góp mới của luận án 1- Khác với các phương pháp truyền thống của cơ học đất, ... định được chiều cao và độ dốc giới hạn của nền đắp Ngoài ra, từ biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo sẽ xác định được lưới mặt trượt nên sẽ đưa ra được các biện pháp gia cường phù hợp, đúng vị trí để nâng cao ổn định nền đường khi có yêu cầu 7 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN Trong chương này trình bày các nghiên cứu về ổn định nền đường đất đắp. .. Trường hợp nền đắp trên sườn dốc Khi xây dựng nền đường trên sườn dốc [5], để đảm bảo điều kiện ổn định, việc tính toán, thiết kế cần đáp ứng được hai yêu cầu sau: - Nền đường phải đặt trên một sườn dốc ổn định và bản thân sườn dốc đó vẫn ổn định sau khi xây dựng nền đường - Trên cơ sở một sườn dốc chắc chắn ổn định, nền đắp phải không bị trượt trên mặt dốc đó và bản thân mái ta luy của nền đường phải... Toán đồ xác định tỷ số Hgh*/c0 98 Hình 5.8 Trắc dọc thiết kế 100 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Nền đường là bộ phận quan trọng của đường ôtô Bảo đảm ổn định nền đường là điều kiện tiên quyết để bảo đảm ổn định của kết cấu áo đường Hai vấn đề quan trọng nhất đối với nền đường là ổn định và lún Theo tiêu chuẩn thiết kế nền đường ôtô hiện hành, nền đường đắp trên nền thiên nhiên phải... trượt trên mái dốc và mặt nền đắp - Tùy theo cường độ (c, ) của vật liệu nền đắp và nền thiên nhiên mà xảy ra các trường hợp phá hoại: cường độ vật liệu đắp càng lớn thì chiều cao giới hạn nền đắp càng lớn, độ dốc taluy càng lớn Khi nền đắp có cường độ (c, ) bằng hoặc nhỏ hơn cường độ nền thiên nhiên thì mặt trượt chỉ xuất hiện ở chân taluy nền đắp, Khi nền đắp có cường độ lớn hơn nền thiên nhiên. .. xác định được chiều cao và độ dốc giới hạn của nền đắp Ngoài ra, từ biểu đồ các đường đẳng trị khả năng chảy dẻo sẽ xác định được lưới mặt trượt nên có thể đưa ra được các biện pháp gia cường phù hợp, đúng vị trí để nâng cao ổn định nền đường khi cần 5 Bố cục của luận án Luận án gồm những phần và chương sau: - Mở đầu 5 - Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên. .. xuống vùng đất yếu Có thể nói yêu cầu vừa nêu trên của quy trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu không đảm bảo điều kiện an toàn và không phù hợp với truyền thống nghiên cứu ổn định khối đất 1.1.2 Phương pháp nghiên cứu ổn định nền đường Đất là vật liệu phức tạp, chúng ta chưa biết được đầy đủ các đặc trưng cơ lý của nó Tuy nhiên, nghiên cứu mẫu đất trong phòng thí nghiệm cũng như thí nghiệm... các yêu cầu sau đây: - Nền đường phải đảm bảo ổn định toán khối, không bị sụt trượt mái taluy; trượt trồi, lún sụt nền đắp trên đất yếu; trượt phần đắp trên sườn dốc,… - Nền đường phải đảm bảo đủ cường độ, không xuất hiện vùng biến dạng dẻo nguy hiểm có thể gây cho kết cấu mặt đường bị lượn sóng, thậm chí gây phá hoại kết cấu mặt đường bên trên Phương pháp nghiên cứu ổn định nền đường được sử dụng rộng . 5 - Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên - Chương 2: Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên - Chương 3:. luận 83 Chương 5 PHƯƠNG PHÁP MỚI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN 85 5.1. Nghiên cứu ổn định nền đường đất đắp trên nền thiên nhiên 85 5.1.1. Xây dựng bài toán 85. cao ổn định nền đường khi có yêu cầu. 7 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN Trong chương này trình bày các nghiên cứu về ổn định nền