Luận án Nghiên cứu ổn định trượt sâu của mố cầu trên móng nông bằng phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (Glem)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _____________________________ Soukha YAKOSHI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU CỦA MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG GIỚI HẠN TỔNG QUÁT (GLEM) NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM MÃ SỐ: 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _____________________________ Soukha YAKOSHI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU CỦA MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG GIỚI HẠN TỔNG QUÁT (GLEM) NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM MÃ SỐ: 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Lương Xuân Bính 2. PGS.TS. Nguyễn Phương Duy HÀ NỘI, NĂM 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực, đáng tin cậy và không trùng với bất kỳ một nghiên cứu nào khác đã được công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Người cam đoan ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi muốn nói xin chân thành giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Lương Xuân Bính và PGS.TS. Nguyễn Phương Duy là người thầy đã hướng dẫn rất tận tình và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo đã đọc luận án tiến sĩ của tôi và cho tôi những nhận xét sâu sắc và có ý nghĩa quan trọng cho luận án này. Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã cho sự giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian qua. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ viii DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG ................................................................................................... 9 1.1. Tính toán ổn định chống lật mố cầu trên móng nông ............................................. 9 1.2. Tính toán ổn định chống trượt mố cầu trên móng nông ....................................... 10 1.3. Tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông ........................................... 11 1.3.1. Các phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng ............................... 12 1.3.2. Các phương pháp cân bằng giới hạn để tính ổn định mái dốc .......................... 13 1.3.3. Một số nghiên cứu tính toán ổn định mố cầu .................................................... 16 1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................................ 19 CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG GIỚI HẠN TỔNG QUÁT (GLEM) TÍNH ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG ............................................................................................ 21 2.1. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của đất đắp sau lưng mố bằng phương pháp GLEM .......................................... 23 2.1.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ................................................................... 23 2.1.2. Các phương trình cơ bản ................................................................................... 27 2.1.3. Thiết lập bài toán ............................................................................................... 31 2.2. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của tải trọng xe thi công sau lưng mố bằng phương pháp GLEM ..................... 32 2.2.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ................................................................... 32 2.2.2. Các phương trình cơ bản ................................................................................... 33 2.2.3. Thiết lập bài toán ............................................................................................... 35 iv 2.3. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất bằng phương pháp GLEM ............................................................ 36 2.3.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ................................................................... 36 2.3.3. Thiết lập bài toán ............................................................................................... 40 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................ 41 CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG GIỚI HẠN TỔNG QUÁT (GLEM) TÍNH ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC ......................................................................................... 42 3.1. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và hoạt tải bằng phương pháp GLEM .................................... 43 3.1.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ................................................................... 43 3.1.2. Các phương trình cơ bản ................................................................................... 46 3.1.3. Thiết lập bài toán ............................................................................................... 48 3.2. Tính ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác có xét đến ảnh hưởng của nước ngầm bằng phương pháp GLEM ...................................................... 49 3.2.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ................................................................... 49 3.2.2. Các phương trình cơ bản ................................................................................... 50 3.2.3. Thiết lập bài toán ............................................................................................... 55 3.3. Tính ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của động đất bằng phương pháp GLEM ............................................................................ 55 3.3.1. Sơ đồ kết cấu và mô hình tính toán ................................................................... 55 3.3.2. Các phương trình cơ bản ................................................................................... 56 3.3.3. Thiết lập bài toán ............................................................................................... 59 3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................ 60 CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN, CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG .......................................................... 61 4.1. Giải hệ phương trình cơ bản xác định trường lực, hệ số an toàn tương ứng với mặt trượt giả định ............................................................................................................... 61 4.2. Giải bài toán tối ưu hóa xác định hệ số an toàn Fs nhỏ nhất và mặt trượt nguy hiểm nhất ...... ....................................................................................................................... 62 4.3. Thuật toán xác định hệ số an toàn nhỏ nhất và mặt trượt nguy hiểm nhất ........... 65 v 4.4. Lập chương trình tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông ................ 67 4.4.1. Giới thiệu nội hàm Solver ................................................................................. 68 4.4.2. Xây dựng chương trình giải bài toán ổn định mố cầu trên móng nông ............. 72 4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................................ 73 CHƯƠNG 5 THÍ DỤ TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................................ 74 5.1. Tính toán ổn định mái dốc đồng nhất ................................................................... 74 5.2. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công ............ 76 5.2.1. Tính ổn định trượt sâu mố cấu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp lực đất đắp sau lưng mố .......................................................................... 76 5.2.2. Tính ổn định trượt sâu mố cấu trên móng nông trong giai đoạn thi công khi xét đến tải trọng xe thi công sau lưng mố ......................................................................... 84 5.2.3. Tính ổn định trượt sâu mố cấu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất ........................................................................................................ 87 5.3. Tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác .......... 90 5.3.1. Tính ổn định trượt sâu mố cấu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải ................................................................................... 90 5.3.2. Tính ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác có xét đến ảnh hưởng của nước ngầm ................................................................................................. 97 5.4. Ứng dụng phương pháp GLEM đề nghị vào tính toán ổn định trượt sâu mố cầu Nặm Sương, CHDCND Lào ........................................................................................ 99 5.5. Kết luận chương 5 .............................................................................................. 107 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 111 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Fsmed Hệ số an toàn về ổn định khi biến dạng trượt xảy ra cả trên mặt trượt đáy và mặt trượt giữa các khối trượt Fsmin Hệ số an toàn về ổn định khi biến dạng trượt chỉ xảy ra trên mặt trượt đáy khối trượt GLEM Generalized Limit Equilibrium Method: Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát GLEM-BA-CS 1 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 1: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của đất đắp sau mố GLEM-BA-CS 2 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 2: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của xe thi công sau lưng mố GLEM-BA-CS 3 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 3: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất GLEM-BA-IS 1 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 1: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và hoạt tải GLEM-BA-IS 2 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 2: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và hoạt tải khi có xét đến nước ngầm GLEM-BA-IS 3 Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 3: Chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu vii trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của động đất LEM Limit Equilibrium Method: Phương pháp cân bằng giới hạn Log-Spiral Logarithmic spiral viii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1. Hệ số ma sát giữa đáy móng và đất nền [27].............................................. 11 Bảng 2. 1. So sánh số phương trình và số ẩn .............................................................. 31 Bảng 5. 1. Hệ số an toàn ổn định của mái dốc đồng nhất theo phương pháp GLEM đề nghị và các phương pháp cân bằng giới hạn LEM ........................................ 76 Bảng 5. 2. Kích thước mố cầu qua sông ÉT (đơn vị: m) ............................................ 77 Bảng 5. 3. Tĩnh tả൴ của khố൴ trượt có mố (trường hợp Hđ=8,19m) ............................ 78 Bảng 5. 4. Tổ hợp tả൴ trọng tính theo TTGHCĐ 1 (Vớ൴ Hđ=8,19m) .......................... 79 Bảng 5. 5. Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu qua sông ÉT trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp lực đất đắp sau lưng mố .............................................. 80 Bảng 5. 6. Khảo sát ảnh hưởng của số lượng khối trượt đến hệ số an toàn ................ 81 Bảng 5. 7. Hệ số an toàn theo phương pháp GLEM và phần mềm GEOSLOPE ....... 83 Bảng 5. 8. Tĩnh tả൴ của khố൴ trượt có mố (trường hợp Hđ=2,05m và xe 3 trục)......... 86 Bảng 5. 9. Tổ hợp tải trọng (trường hợp Hđ=2,05m và xe 3 trục).............................. 86 Bảng 5. 10. Hệ số an toàn về ổn định mố cầu trên móng nông chịu tải trọng xe thi công sau lưng mố ................................................................................................... 87 Bảng 5. 11. Tĩnh tả൴ của khố൴ trượt có mố (trường hợp Hđ=2,05m) .......................... 89 Bảng 5. 12. Tổ hợp tải trọng (trường hợp Hđ=2,05m) ............................................... 89 Bảng 5. 13. Hệ số an toàn về ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công khi có động đất xảy ra ................................................................................... 90 Bảng 5. 14. Bảng các thông số hình học của mố cầu (đơn vị: m) .............................. 91 Bảng 5. 15. Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu qua sông ÉT trong giai đoạn khai thác khi chịu tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải ............................................... 97 Bảng 5. 16. Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu qua sông ÉT trong giai đoạn khai thác có xét đến nước ngầm ............................................................................ 98 Bảng 5. 17. Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu qua sông ÉT trong giai đoạn khai thác khi có động đất ....................................................................................... 99 Bảng 5. 18. Bảng các thông số hình học của mố cầu Nặm Sương ........................... 100 Bảng 5. 19. Hệ số an toàn về ổn định của mố A1 cầu qua sông Nặm Sương trong giai đoạn khai thác khi có mực nước ngầm xảy ra ............................................. 107 ix DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 0. 1. Các bộ phận chính của mố cầu. ................................................................... 1 Hình 0. 2. Mố cầu đặt trên móng nông (a) và móng cọc (b). ....................................... 1 Hình 0. 3. Cầu O Ro bị sụp đổ khi mố cầu trượt ra phía sông. .................................... 2 Hình 0. 4. Mố cầu bị trượt sâu trong giai đoạn thi công vào ngày 27/5/2015 tại xã Vĩnh Bình, huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An. ................................................ 3 Hình 0. 5. Trượt sâu mố cầu Nặm Sương trên đường quốc lộ 13N lý trình 402+500 nước CHDCND Lào. ...................................................................................... 4 Hình 1. 1. Sơ đồ tải trọng đối với bài toán ổn định chống lật [27]. .............................. 9 Hình 1. 2. Sơ đồ tải trọng đối với bài toán ổn định chống trượt [27] ......................... 10 Hình 1. 3. Các điểm biến dạng dẻo của mái dốc trong phương pháp phần tử hữu hạn.12 Hình 1. 4. Sơ đồ tính ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát của Enoki. ..................................................................................................... 16 Hình 1. 5. Mô hình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông theo phương pháp cân bằng giới hạn – phương pháp phân mảnh với mặt trượt giả định là mặt trụ tròn. ......................................................................................................... 17 Hình 2. 1. Sơ đồ mố cầu trong giai đoạn thi công. ..................................................... 21 Hình 2. 2. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của đất đắp sau lưng mố trong giai đoạn thi công. ......................................................................... 23 Hình 2. 3. Sơ đồ cấu tạo hình học của mố cầu. .......................................................... 23 Hình 2. 4. Mô hình tính toán ổn định mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của đất đắp sau lưng mố bằng phương pháp GLEM. ............ 26 Hình 2. 5. Sơ đồ các lực tác dụng lên khối trượt thứ i trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. ................................................................ 27 Hình 2. 6. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối trượt thứ i trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. .................... 27 Hình 2. 7. Sơ đồ các lực tác dụng lên khối trượt thứ M trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. ........................................................... 28 Hình 2. 8. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối trượt thứ M trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. .................... 28 x Hình 2. 9. Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt thứ n trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố. ................................................................ 29 Hình 2. 10. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối thứ n trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của áp đất đắp sau lưng mố............................. 29 Hình 2. 11. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của tải trọng xe thi công sau lưng mố trong giai đoạn thi công. ................................................. 32 Hình 2. 12. Mô hình tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của tải trọng xe thi công sau lưng mố bằng phương pháp GLEM. .............. 33 Hình 2. 13. Sơ đồ lực dụng lên khối thứ M trong giai đoạn thi công khi có tải trọng xe thi công sau lưng mố. .................................................................................... 34 Hình 2. 14. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối thứ M trong giai đoạn thi công khi có tải trọng xe thi công sau lưng mố. .............................. 34 Hình 2. 15. Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt thứ n trong giai đoạn thi công khi có tải trọng xe thi công sau lưng mố. ..................................................................... 35 Hình 2. 16. Các phương để viết phương trình cân bằng lực cho khối thứ n khi có tải trọng xe thi công sau lưng mố. ..................................................................... 35 Hình 2. 17. Sơ đồ kết cấu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất. ........................................................................................ 36 Hình 2. 18. Mô hình tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của động đất bằng phương pháp GLEM. ........ 37 Hình 2. 19. Sơ đồ tính toán xác định các thành phần gia tốc địa chấn tác dụng lên công trình. .............................................................................................................. 37 Hình 2. 20. Lực tác dụng lên khối trượt thứ i trong giai đoạn thi công khi có động đất. ................................................................................................