BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN BẰNG GIANG NGHIÊN CỨU KẾT CẤU TƯỜNG KÈ ĐÊ BIỂN XỬ LÝ BẰNG MĨNG NƠNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU, ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH KÈ BIỂN ĐỒ SƠN - HẢI PHÒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN BẰNG GIANG NGHIÊN CỨU KẾT CẤU TƯỜNG KÈ ĐÊ BIỂN XỬ LÝ BẰNG MĨNG NƠNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU, ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH KÈ BIỂN ĐỒ SƠN - HẢI PHỊNG Chun ngành : XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Mã số : 60 – 58 - 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HD KHOA HỌC : TS ĐINH ANH TUẤN HÀ NỘI – 2013 LỜI CẢM ƠN Luận văn " Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển đồ sơn - Hải Phòng” hồn thành nhờ giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp, quan gia đình Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS Đinh Anh Tuấn tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu cần thiết cho luận văn Có thành nhờ truyền đạt kiến thức thầy, cô giáo trực tiếp giảng dạy công tác Trường Đại học Thủy lợi suốt thời gian tác giả học tập trường Tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy, cô giáo Trường Đại học Thủy lợi thời gian học tập đây, quan tâm giúp đỡ Phòng Nghiên Cứu Cơng trình Trạm - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, gia đình, bạn bè đồng nghiệp cơng tác học tập để tác giả hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, tháng năm 2013 Tác giả luận văn Trần Bằng Giang BẢN CAM KẾT VỀ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ Lợi Khoa Cơng Trình Phòng Đào tạo ĐH&SĐH Bộ mơn Cơng nghệ & Quản lý Xây dựng Tên là: Trần Bằng Giang Ngày tháng năm sinh: 06/10/1983 Học viên cao học lớp: CH18C11, niên khoá: 2010 - 2012, trường Đại học Thuỷ lợi Tôi viết cam kết xin cam kết đề tài luận văn “Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển đồ sơn - Hải Phòng” cơng trình nghiên cứu cá nhân Tơi nghiêm túc đầu tư thời gian công sức hướng dẫn TS Đinh Anh Tuấn để hoàn thành đề tài theo quy định nhà trường Nếu điều cam kết tơi có điểm khơng đúng, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cam kết chịu hình thức kỷ luật nhà trường Hà nội, tháng năm 2013 Cá nhân cam kết Trần Bằng Giang MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI KẾT CẤU TƯỜNG KÈ - BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN 1.1 Đặc điểm cơng trình kè biển cơng trình bảo vệ bờ nước ta 1.2 Các hình thức dạng tường kè biển nghiên cứu áp dụng 1.2.1 Tường kè bê tông cốt thép 1.2.2 Tường kè cừ thép 1.2.3 Tường kè đá xây 1.2.4 Một số cơng trình kè biển áp dụng nước ta 1.3 Nguyên nhân hư hỏng kết cấu kè bảo vệ bờ biển 11 1.3.1 Một số thiệt hại hư hỏng đê, kè biển gây 11 1.3.2 Nguyên nhân hư hỏng 12 1.4 Nhận xét 16 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH, BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN CƠNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 17 2.1 Khái quát chung ổn định 17 2.1.1 Các giả thiết 17 2.1.2 Trạng thái cân giới hạn 19 2.1.3 Mơ hình tính tốn thứ 20 2.1.4 Mơ hình tính tốn thứ hai 22 2.2 Các phương pháp ổn định cơng trình 23 2.2.1 Khái quát chung 23 2.2.2 Phân tích ổn định theo lý thuyết trượt phẳng 24 2.2.3 Phân tích ổn định theo lý thuyết trượt cung tròn 29 2.2.4 Nghiên cứu tính tốn ổn định tường kè biển 33 2.3 Biện pháp xử lý cơng trình đất yếu 36 2.3.1 Các loại đất yếu thường gặp 36 2.3.2 Ảnh hưởng đất yếu đến cơng trình xây dựng 37 2.3.3 Các biện pháp xử lý kết cấu cơng trình 38 2.3.4 Các biện pháp xử lý móng 38 2.3.5 Các biện pháp xử lý đất yếu 40 2.4 Áp dụng phần mềm tính tốn ổn định cơng trình 45 2.5 Nhận xét 47 CHƯƠNG ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH KÈ BIỂN ĐỒ SƠN - HẢI PHÒNG 48 3.1 Giới thiệu chung cơng trình kè biển Đồ Sơn – Hải Phòng 48 3.1.1 Tên cơng trình: 48 3.1.2 Điều kiện tự nhiên, vị trí cơng trình 48 3.1.3 Đặc điểm địa chất: 49 3.1.4 Đặc điểm khí tượng: 50 3.1.5 Chế độ thủy, hải văn 51 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng 3.2 Các dạng tường kè cần tính tốn 53 3.3 Sơ đồ trường hợp tính tốn 54 3.4 Các lực tác dụng lên cơng trình 55 3.4.1 Các lực tác dụng thẳng đứng: 55 3.4.2 Các lực tác dụng nằm ngang 56 3.5 Tính tốn áp lực sóng rút 57 3.6 Tính tốn kiểm tra ổn định cục 60 3.6.1 Hệ số ổn định lật: 60 3.6.2 Ứng suất 61 3.6.3 Xác định sức chịu tải 61 3.7 Kiểm tra ổn định lớp đất thứ 62 3.8 Tính toán ổn định tổng thể 64 3.8.1 Sơ đồ tính: 64 3.8.2 Trường hợp tính tốn: 64 3.8.3 Kết tính tốn: 64 3.9 Tính tốn ứng suất biến dạng với mặt cắt lựa chọn 68 3.9.1 Phương pháp tính tốn 68 3.9.2 Trường hợp tính toán 68 3.9.3 Điều kiện vật liệu 68 3.9.4 Kết tính tốn 69 3.10 Nhận xét kết tính tốn 75 KẾT LUẬN …………………………………………………………………………… 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng HÌNH VẼ Hình 1-1: Một số mặt cắt tường kè bê tông Hình 1-2: Tường kè đá xây Hình 1-3: Tường kè sử dụng cừ thép Hình 1-4: Mặt cắt điển hình kè Cửa Lò (đoạn tường bê tơng trọng lực) Hình 1-5:Mặt cắt ngang kè Thiên Cầm – tỉnh Hà Tĩnh Hình 1-6: Thi công gia cố kè Thiên Cầm – tỉnh Hà Tĩnh Hình 1-7: Tường kè Đồ Sơn – Hải Phòng 10 Hình 1-8: Tường kè huyện đảo Lý Sơn 10 Hình 1-9: Tường kè kết hợp đường giao thơng Quảng Ninh 11 Hình 1-10: Sóng trùm qua đê bão số 7/2005 12 Hình 1-11: Hư hỏng tường kè Đồ Sơn - Hải Phòng 13 Hình 1-12: Hư hỏng kè đường Nguyễn Tất Thành (Đà Nẵng) 13 Hình 2-1: Sơ đồ mặt cắt ngang mái dốc 17 Hình 2-2: Sơ đồ dạng mặt trượt theo mặt phẳng gãy khúc 18 Hình 2-3: Sơ đồ dạng mặt trượt cung tròn 18 Hình 2-4: Đường cong quan hệ Cgh = f (φ gh ) 19 Hình 2-5: Sơ đồ tính tốn ổn định theo phương pháp phân mảnh 21 Hình 2-6: Sơ đồ tính ổn định xem khối đất trượt vật rắn nguyên khối 22 Hình 2-7:Mái dốc vơ hạn với dòng chảy song song mặt dốc 25 Hình 2-8: Các lực tác dụng lên lăng thể mái dốc khơng nước 26 Hình 2-9: Các lực tác dụng lên lăng thể mái dốc thoát nước 27 Hình 2-10: Trượt mặt dốc theo mặt phẳng, cao hữu hạn 28 Hình 2-11: Phương pháp phân mảnh 30 Hình 2-12: Sơ đồ tính toán theo phương pháp W Fellenius 31 Hình 2-13: Sơ đồ tính tốn theo phương pháp W.Bishop 32 Hình 2-14: Xử lý đệm cát móng cơng trình 41 Hình 2-15:Xử lý bấc thấm đệm cát 42 Hình 2-16: Xử lý đệm cọc cát 44 Hình 3-1: Vị trí khu vực nghiên cứu 49 Hình 3-2: Dạng mặt cắt tính tốn 54 Hình 3-3: Sơ đồ tổ hợp tải trọng tác dụng dạng mặt cắt 55 Hình 3-4: Sơ đồ tổ hợp tải trọng tác dụng dạng mặt cắt 55 Hình 3-5:Các biểu đồ áp lực sóng lên tường chắn sóng sóng rút 57 Hình 3-6: Sơ đồ tính tốn kiểm tra ổn định lớp 63 Hình 3-7 Mơ hình tính tốn ổn định tường chắn MC 65 Hình 3-8: Miền phân tích ổn định tường kè hệ số ổn định MC 66 Hình 3-9 :Hệ số ổn định nhỏ k minmin = 1,293 MC 67 Hình 3-10: Hệ số ổn định nhỏ k minmin = 0,725 MC 67 Hình 3-11: Sơ đồ lưới phần tử tính tốn ứng suất - biến dạng cơng trình 70 Hình 3-12: Biến dạng tổng thể 70 Hình 3-13: Biến dạng ngang 71 Hình 3-14: Biến dạng đứng 71 Hình 3-15: Biến dạng ngang tường kè 72 Hình 3-16: Biến dạng đứng tường kè 72 Hình 3-17: Lực dọc tường kè 73 Hình 3-18: Lực cắt ngang tường kè 73 Hình 3-19: Biểu đồ mô men tường kè đáy 74 Hình 3-20: Mặt trượt tường kè tính tốn theo Plaxis 74 Hình 3-21: Hệ số ổn định tường kè tính theo phương pháp Plaxis, F s = 1,473 75 TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU RU U R U T TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU RU U TU RU U RU U T U RU U T U TU T U TU T U TU TU T U T U TU T U TU TU TU TU TU TU T U T U T U T U T U R U RU T U Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng BẢNG BIỂU Bảng 3-1 Bảng thông số lực tác dụng lên tường kè dạng mc 59 Bảng 3-2 Bảng thông số lực tác dụng lên tường kè dạng mc 60 Bảng 3-3 Kết tính tốn hệ số ổn định lật 61 Bảng 3-4 Kết tính tốn ứng suất 61 Bảng 3-5 Kết tính tốn sức chịu tải 62 Bảng 3-6 Bảng kết tính tốn ổn định trượt tổng thể phương án kè 64 Bảng 3-7 Số liệu tiêu lý đất 68 TU T U TU T U TU T U TU T U TU T U TU TU T U T U Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Đề tài: Đê biển cơng trình quan trọng góp phần phòng tránh giảm nhẹ thiên tai, ổn định đời sống nhân dân, đồng thời góp phần phát triển kinh tế, phát triển môi trường cảnh quan du lịch Tuy nhiên cơng trình đê biển chịu tác động nhiều yếu tố: sóng, thủy triều, bãi ngồi bị xói lở khơng ổn định u cầu cấp thiết cần có giải pháp cơng trình gia cố bảo vệ tuyến đê hữu hiệu Ở nước ta, cơng trình kè biển nghiên cứu xây dựng điều kiện, mơi trường biển mẻ, chưa có giải pháp cơng trình cụ thể Thực tế chứng minh số cơng trình xây dựng đảm bảo nhiệm vụ đề ra, song có cơng trình chưa thực hiệu Đề tài “Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng” vấn đề mang tính thực tiễn, khoa học lớn, góp phần giải tốn kết cấu ổn định thiết kế thi cơng cơng trình đê biển Mục đích Đề tài: Nghiên cứu hình thức kết cấu cho dạng kè đê biển nước ta Nghiên cứu biện pháp xử lý đất yếu xây dựng kè đê biển Ứng dụng thực tế Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: Phân tích, tổng hợp kế thừa thành tựu lĩnh vực nghiên cứu toán động học; Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cơng cụ máy tính để tìm lời giải hợp lý Kết dự kiến đạt được: Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng Đề xuất số dạng kết cấu tường kè tối ưu Biện pháp xử lý cụ thể cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng Nội dung luận văn: Chương I: Tổng quan loại kết cấu tường kè - biện pháp xử lý Chương II: Các phương pháp tính tốn ổn định, biện pháp xử lý cơng trình đất yếu Chương III: Ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển đồ sơn - hải phòng Kết luận kiến nghị Danh mục tài liệu tham khảo Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng 64 A 1/4 ,B,D: Những hệ số phụ thuộc vào góc ma sát đất; R R m: Hệ số điều kiện làm việc nền, cát hạt nhỏ nên m=0,8; γ: Dung trọng đất nền, γ = 1,71 T/m3 P P Theo tài liệu địa chất đất có ϕ = 5020’ nên tra bảng II-1 giáo trình P P móng trường Đại học Thuỷ lợi A 1/4 = 0,1; B = 1,39; D = 3,71; Thay R R số ta có: R = 0,8(0,1.1,71.5,5 + 1,39.7,42 + 3,71.0,6) = 10,784 T/m2 R R P 1,2R = 12,94 T/m2 R R P Nhận xét: ứng suất tác dụng lên lớp đất đáy móng quy ước nhỏ sức chịu tải tính tốn đất 2, đáy móng quy ước đảm bảo mặt cường độ 3.8 Tính tốn ổn định tổng thể 3.8.1 Sơ đồ tính: Sử dụng phần mềm địa kỹ thuật Geo - Slope, ver5.14 CANADA, tính ổn định theo chương trình SLOPE/W 3.8.2 Trường hợp tính tốn: Thượng lưu mực nước rút từ cao trình +2,73 xuống đến cao trình +0,8m, đất đắp sau tường bão hồ nước 3.8.3 Kết tính tốn: Bảng 3-6 Bảng kết tính tốn ổn định trượt tổng thể phương án kè TT Mặt cắt Mặt cắt dạng 1 Hệ số ổn định K minmin R 1,293 Mặt cắt dạng Ghi 0,725 Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng 65 All Soils Soil Wall Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 24 Cohesion: 70 Phi: 30 Soil 1: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 18 Phi: 30 Soil 2: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 14.8 Phi: 27 Soil 3: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 17.1 Cohesion: Phi: 5.3 Soil 4: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 17.5 Cohesion 30 Phi 5.5 Soil Bedrock Soil Model Bedrock 12 10 q = 7KN/m +4,00 +0,80 VDKT T=50KN/m Cao (m) Phan ap +1,30 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 10 15 20 25 30 35 40 45 Khoangcach (m) Hình 3-7 Mơ hình tính tốn ổn định tường chắn MC Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng 50 66 9.564 2.849 1.784 11.228 1.952 1.750 4.686 5.382 7.497 12 1.836 1.715 1.293 1.719 1.717 1.466 2.080 4.108 1.767 3.409 10 3.011 1.879 2.032 2.001 4.789 2.075 4.588 1.655 4.364 q = 7KN/m +4,00 Phan ap +1,30 +0,80 VDKT T=50KN/m Cao (m) 1.360 All Soils Soil Wall Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 24 Cohesion: 70 Phi: 30 Soil 1: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 18 Phi: 30 Soil 2: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 14.8 Phi: 27 Soil 3: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 17.1 Cohesion: Phi: 5.3 Soil 4: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 17.5 Cohesion 30 Phi 5.5 Soil Bedrock Soil Model Bedrock -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Khoang cach (m) Hình 3-8: Miền phân tích ổn định tường kè hệ số ổn định MC Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng 00 00 2.9 2.3 00 2.9 12 10 1.400 1.500 All Soils Soil Wall Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 24 Cohesion: 70 Phi: 30 Soil 1: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 18 Phi: 30 Soil 2: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 14.8 Phi: 27 Soil 3: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 17.1 Cohesion: Phi: 5.3 Soil 4: Soil Model Mohr-Coulomb Unit Weight: 17.5 Cohesion 30 Phi 5.5 Soil Bedrock Soil Model Bedrock 1.293 1.6070 1.70 1.80 1.500 1.700 67 q = 7KN/m +4,00 Cao (m) Phan ap +1,30 +0,80 VDKT T=50KN/m -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Khoangcach (m) Hình 3-9 :Hệ số ổn định nhỏ k minmin = 1,293 MC R R 12 10 0.725 Cao (m) -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Khoang cach (m) Hình 3-10: Hệ số ổn định nhỏ k minmin = 0,725 MC R R Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng 68 e Kết luận: Với hệ số ổn định tính tốn ta thấy Mặt cắt loại lớn hệ số an toàn cho phép, kết cấu đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể lựa chọn mặt cắt loại làm mặt cắt áp dụng cho cơng trình 3.9 Tính tốn ứng suất biến dạng với mặt cắt lựa chọn 3.9.1 Phương pháp tính tốn Tính tốn ứng suất biến dạng tường kè thực phần mềm Plaxis ver 8.2 Hà Lan 3.9.2 Trường hợp tính tốn Tính tốn điều kiện tường kè làm việc bình thường, có kể thêm tải trọng phân bố đỉnh tường kè q=0,7T/m xét tới lực sóng rút với Px1=0,655T, Px2=2,86T 3.9.3 Điều kiện vật liệu Điều kiện địa chất lấy bảng đây, có tiêu đưa vào mơ hình bao gồm: Bảng 3-7 Số liệu tiêu lý đất Chỉ tiêu γ w (KN/m3) ϕ (Độ) R R P P Tên đất (Đất đắp) D-D (Lớp nền) Lớp Lớp Lớp Tường kè Đá xây C (KN/m2) P 18,0 20,0 17,1 17,5 22,0 30 o 26 58’ 5o20’ 5o34’ P P P P P P K (m/s) P E (Kg/cm2) P µ P 3x10-5 200 0,25 6,0 73 3x10-7 7x10-7 1x10-7 60 35 45 0,30 0,35 0,3 P P P P 170.103 P Đề tài: Nghiên cứu kết cấu tường kè đê biển xử lý móng nơng đất yếu, ứng dụng tính tốn cho cơng trình kè biển Đồ Sơn - Hải Phòng 69 - Lớp vải địa kỹ thuật gia cố sau lưng tường: Bố trí sau lưng tường 03 lớp vải địa kỹ thuật loại dệt có cường độ T=50KN/m, biến dạng thời điểm đứt ε