Luận án Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo phù hợp vật liệu đắp khu vực miền Trung có xét thời gian phục vụ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THU HÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TƯỜNG CHẮN ĐẤT DÙNG CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO PHÙ HỢP VẬT LIỆU ĐẮP KHU VỰC MIỀN TRUNG CÓ XÉT THỜI GIAN PHỤC VỤ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2023 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THU HÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TƯỜNG CHẮN ĐẤT DÙNG CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO PHÙ HỢP VẬT LIỆU ĐẮP KHU VỰC MIỀN TRUNG CÓ XÉT THỜI GIAN PHỤC VỤ Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học 1. PGS.TS. CHÂU TRƯỜNG LINH 2. GS.TS. VŨ ĐÌNH PHỤNG ĐÀ NẴNG - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo phù hợp vật liệu đắp khu vực miền Trung có xét thời gian phục vụ” là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu sử dụng trong luận án được thu thập từ thực tế và từ các nghiên cứu, thí nghiệm của tôi trong thời gian thực hiện đề tài. Tất cả các số liệu trong luận án có tính chính xác, đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng, được xử lý trung thực và khách quan. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc và trích dẫn đầy đủ. Nghiên cứu sinh thực hiện luận án (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Thu Hà LỜI CÁM ƠN Luận án được nghiên cứu sinh thực hiện tại Bộ môn Đường ô tô - Đường thành phố, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Châu Trường Linh, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng và GS.TS. Vũ Đình Phụng, Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội. Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Châu Trường Linh và GS.TS. Vũ Đình Phụng đã tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành nội dung của luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Xây dựng Cầu đường, PGS.TS. Phan Cao Thọ, PGS.TS. Đỗ Hữu Đạo, TS. Hoàng Phương Tùng, TS. Nguyễn Văn Tê Rôn và các thầy/cô giáo Bộ môn Đường ô tô - Đường thành phố, Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài trường đã dành thời gian đọc và góp ý cho luận án của nghiên cứu sinh, giúp cho nghiên cứu sinh kịp thời bổ sung và hoàn thiện luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về cơ sở vật chất và thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Cầu đường và phòng thí nghiệm Địa cơ thuộc Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; phòng thí nghiệm LAS XD 123 thuộc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng nền móng công trình, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; phòng thí nghiệm LAS XD 1437 thuộc Trung tâm kiểm định công trình và thí nghiệm vật liệu xây dựng Đà Nẵng. Nghiên cứu sinh xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ nhiệt tình từ các cá nhân, tổ chức đã tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình thu thập số liệu, tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ từ quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Bộ giáo dục đào tạo trong đề tài mã số B2021-DNA-12; Trường Đại học Bách khoa với đề tài mã số T2022-02-21. Nghiên cứu sinh xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp là những người luôn ở bên cạnh, hỗ trợ về mặt tinh thần, chia sẻ với nghiên cứu sinh những lúc khó khăn trong quá trình học tập và nghiên cứu. Một lần nữa, nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn tất cả. NCS. Nguyễn Thu Hà i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1 2. Mục tiêu của đề tài .............................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2 4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 3 5. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................. 4 7. Cấu trúc của luận án ............................................................................................ 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT ...................... 5 1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................. 5 1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển tường chắn đất có cốt ............................... 5 1.1.2. Nguyên lý làm việc của tường chắn đất có cốt ............................................... 6 1.1.3. Các ứng dụng của tường chắn đất có cốt và ưu - nhược điểm ......................... 7 1.1.3.1. Các ứng dụng của tường chắn đất có cốt ......................................... 7 1.1.3.2. Ưu - nhược điểm của tường chắn đất có cốt................................... 11 1.1.4. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về tường chắn đất có cốt ................ 12 1.1.4.1. Hướng nghiên cứu về đặc tính của vật liệu đắp và cốt ................... 12 1.1.4.2. Hướng nghiên cứu sự làm việc của tường trên mô hình thực nghiệm và mô hình số............................................................................................. 13 1.1.4.3. Hướng nghiên cứu về ăn mòn cốt và thời gian phục vụ của tường . 15 1.2. Vật liệu đắp và cốt kim loại dùng cho tường chắn đất có cốt ..................... 17 1.2.1. Vật liệu đắp dùng cho tường chắn đất có cốt ................................................ 17 1.2.2. Cốt kim loại dùng cho tường chắn đất có cốt ............................................... 17 1.3. Nguyên lý thiết kế và trình tự thi công tường chắn đất có cốt .................... 19 1.3.1. Nguyên lý thiết kế tường chắn đất có cốt ..................................................... 19 1.3.1.1. Tuổi thọ làm việc .......................................................................... 19 1.3.1.2. Hệ số an toàn ................................................................................. 19 ii 1.3.1.3. Kích thước kết cấu ........................................................................ 20 1.3.1.4. Ổn định ngoại bộ của kết cấu ........................................................ 21 1.3.1.5. Ổn định nội bộ .............................................................................. 22 1.3.1.6. Ổn định tổng thể ............................................................................ 23 1.3.2. Trình tự thi công tường chắn đất có cốt ........................................................ 23 1.3.2.1. Chuẩn bị vật tư thiết bị .................................................................. 23 1.3.2.2. Chuẩn bị mặt bằng thi công ........................................................... 24 1.3.2.3. Lắp đặt vỏ tường, hệ thanh chống, rải cốt, nối cốt với vỏ tường và đắp đất ....................................................................................................... 24 1.3.2.4. Thi công phần đỉnh tường, trên đỉnh tường và công tác hoàn thiện 25 1.4. Lý thuyết ăn mòn cốt và thời gian phục vụ của tường chắn đất có cốt ...... 25 1.4.1. Lý thuyết ăn mòn cốt ................................................................................... 25 1.4.2. Hư hỏng của tường chắn đất có cốt do ăn mòn điện hóa............................... 26 1.4.3. Thời gian phục vụ của tường chắn đất có cốt ............................................... 28 1.5. Đặc điểm về vật liệu đắp - cốt - môi trường tự nhiên khu vực miền Trung và triển vọng ứng dụng tường chắn đất có cốt dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo .... 29 1.5.1. Đặc điểm vật liệu đắp trong khu vực miền Trung ......................................... 29 1.5.2. Nguồn cung cấp vật liệu cốt thép trong khu vực miền Trung ....................... 30 1.5.3. Môi trường tự nhiên trong khu vực miền Trung ........................................... 30 1.5.4. Triển vọng ứng dụng tường MSE dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo ..................... 31 1.6. Một số vấn đề tồn tại trong nghiên cứu và ứng dụng tường chắn đất có cốt dùng cốt mạ kẽm ................................................................................................. 31 1.6.1. Về vật liệu đắp, cốt và sự làm việc của tường .............................................. 31 1.6.2. Về ăn mòn cốt và tuổi thọ của tường ............................................................ 32 1.7. Nhiệm vụ đặt ra cho luận án ........................................................................ 32 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH CỦA CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO VÀ VẬT LIỆU ĐẮP KHU VỰC MIỀN TRUNG .......... 33 2.1. Thí nghiệm đánh giá các đặc tính của cốt mạ kẽm tự chế tạo .................... 33 2.1.1. Giới thiệu về cốt mạ kẽm tự chế tạo ............................................................. 33 2.1.2. Các yêu cầu về cốt mạ kẽm dùng cho tường chắn đất có cốt ........................ 34 2.1.3. Thí nghiệm chất lượng kẽm và cốt mạ kẽm .................................................. 35 2.1.3.1. Mục đích thí nghiệm ..................................................................... 35 iii 2.1.3.2. Quá trình thí nghiệm ..................................................................... 36 2.1.3.3. Kết quả thí nghiệm ........................................................................ 38 2.1.4. Đánh giá chất lượng kẽm và cốt mạ kẽm ..................................................... 39 2.2. Thí nghiệm đánh giá đặc tính của vật liệu đắp khu vực miền Trung ........ 39 2.2.1. Các mỏ vật liệu đắp khu vực miền Trung ..................................................... 39 2.2.2. Các yêu cầu về vật liệu đắp dùng cho tường chắn đất có cốt ........................ 40 2.2.3. Thí nghiệm các đặc tính của vật liệu đắp khu vực miền Trung ..................... 42 2.2.3.1. Mục đích thí nghiệm ..................................................................... 42 2.2.3.2. Quá trình thí nghiệm ..................................................................... 42 2.2.3.3. Kết quả thí nghiệm ........................................................................ 44 2.2.4. Đánh giá đặc tính của vật liệu đắp khu vực miền Trung ............................... 45 2.3. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 49 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO TRÊN MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM TỈ LỆ THỰC .................................................................................................................. 50 3.1. Chuẩn bị xây dựng mô hình thí nghiệm ...................................................... 50 3.1.1. Vị trí xây dựng và đặc điểm địa chất ............................................................ 50 3.1.2. Công nghệ và tiêu chuẩn áp dụng cho mô hình ............................................ 50 3.1.3. Thiết kế mô hình thí nghiệm và chuẩn bị vật liệu ......................................... 51 3.1.4. Chuẩn bị thiết bị thi công và thiết bị thí nghiệm ........................................... 53 3.1.5. Mô hình số mô hình thí nghiệm bằng phần mềm Flac 2D ............................ 54 3.1.5.1. Khai báo thông số trong mô hình thí nghiệm vào phần mềm ......... 54 3.1.5.2. Kết quả mô phỏng số mô hình thí nghiệm ..................................... 55 3.2. Xây dựng mô hình và thí nghiệm quan trắc ứng suất - biến dạng - chuyển vị của tường ......................................................................................................... 56 3.2.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm ...................................................................... 56 3.2.2. Lắp đặt các thiết bị đo ứng suất - biến dạng - chuyển vị ............................... 57 3.2.2.1. Lắp đặt thiết bị đo áp lực mặt nền .................................................. 57 3.2.2.2. Lắp đặt thiết bị đo ứng suất - biến dạng trên cốt và trên đất ........... 58 3.2.2.3. Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị của tấm tường .................................. 59 3.2.2.4. Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị của khung vây .................................. 60 3.2.3. Thí nghiệm quan trắc ứng suất - biến dạng - chuyển vị của tường ................ 60 iv 3.3. Sự làm việc của tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo trên mô hình thí nghiệm .................................................................................................................. 61 3.3.1. Biến dạng trong các lớp cốt.......................................................................... 62 3.3.2. Phân bố lực kéo trong các lớp cốt ................................................................ 66 3.3.3. Tải trọng gây đứt cốt .................................................................................... 72 3.3.4. Hiệu quả của ngạnh liên kết ......................................................................... 73 3.3.5. Tương tác đất - cốt trong tường .................................................................... 75 3.3.6. Chuyển vị của khối đất có cốt ...................................................................... 79 3.3.7. Chuyển vị ngang của tường ......................................................................... 82 3.3.8. Mặt phá hoại trong khối đất có cốt ............................................................... 85 3.4. Đề nghị công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất giữa đất - cốt ........................................................................................................ 87 3.4.1. Nhận xét về công thức tính theo lý thuyết .................................................... 87 3.4.2. So sánh giá trị hệ số ma sát biểu kiến giữa lý thuyết và thực nghiệm ........... 88 3.4.3. Đề nghị công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất giữa đất - cốt ................................................................................................................. 91 3.5. Kết luận chương 3 ......................................................................................... 92 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH DỰ ĐOÁN THỜI GIAN PHỤC VỤ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO ........................................................................... 94 4.1. Xây dựng mô hình ước lượng chiều dày ăn mòn cốt trong tường chắn đất có cốt theo lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo ....................................................... 94 4.1.1. Lý thuyết ANN, cơ sở dữ liệu và phạm vi áp dụng mô hình ......................... 94 4.1.1.1. Lý thuyết mạng nơ ron nhân tạo (ANN) ........................................ 94 4.1.1.2. Cơ sở dữ liệu ................................................................................. 94 4.1.1.3. Phạm vi áp dụng mô hình .............................................................. 97 4.1.2. Đề xuất cấu trúc mạng và kỹ thuật huấn luyện mô hình ............................... 98 4.1.2.1. Đề xuất cấu trúc mạng ................................................................... 98 4.1.2.2. Kỹ thuật huấn luyện mô hình......................................................... 99 4.1.3. Huấn luyện và xác thực mô hình ước lượng ............................................... 100 4.1.4. Phân tích và đánh giá mô hình ước lượng .................................................. 102 4.1.4.1. Phân tích và đánh giá thông qua hiệu suất mô hình...................... 102 4.1.4.2. Phân tích và đánh giá thông qua độ nhạy của mô hình ................. 104 v 4.2. Xây dựng chương trình dự đoán thời gian phục vụ của tường chắn đất có cốt mạ kẽm ......................................................................................................... 105 4.2.1. Mục đích xây dựng chương trình, phạm vi và tiêu chuẩn áp dụng .............. 105 4.2.2. Xây dựng chương trình MSE-ANT dự đoán thời gian phục vụ của tường chắn đất có cốt mạ kẽm ................................................................................................ 106 4.2.2.1. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình ....................................................... 106 4.2.2.2. Chức năng của chương trình ........................................................ 106 4.2.2.3. Sơ đồ khối tổng quát của chương trình ........................................ 107 4.2.2.4. Cơ sở dữ liệu và tổ chức giao diện của chương trình ................... 108 4.2.3. Đánh giá tính năng của chương trình ......................................................... 111 4.3. Đánh giá hiệu quả ứng dụng của tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo ............................................................................................................................ 112 4.3.1. Sự làm việc theo thời gian của tường MSE trong mô hình thí nghiệm tỉ lệ thực thông qua chương trình MSE-ANT .............................................................. 112 4.3.1.1. Dự đoán thời gian phục vụ của tường .......................................... 112 4.3.1.2. Chiều dày tối ưu của cốt .............................................................. 114 4.3.1.3. Đánh giá sự phù hợp của vật liệu đắp khu vực miền Trung ......... 115 4.3.2. Ứng dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo nghiên cứu ổn định và giá thành xây dựng của tường chắn tại nút giao thông cầu vượt Trần Thị Lý - Đà Nẵng ..................... 117 4.3.2.1. Giới thiệu đoạn tường MSE trong nghiên cứu ............................. 117 4.3.2.2. Tính hệ số ổn định, lực kéo trong cốt và chuyển vị ngang của tường ................................................................................................................ 118 4.3.2.3. Tính toán giá thành xây dựng tường ............................................ 121 4.3.2.4. Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo ......... 123 4.4. Kết luận chương 4 ....................................................................................... 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 125 Những kết quả đạt được của luận án.. 125 Những đóng góp mới của luận án.. 127 Hạn chế của luận án... 127 Kiến nghị hướng phát triển của luận án. 127 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ ........ 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu tạo tường chắn đất có cốt [4] ............................................................. 6 Hình 1.2. Cơ chế tương tác giữa vật liệu đắp với cốt (dạng dải) ............................... 7 Hình 1.3. Tường chắn đất có cốt đầu tiên được thử nghiệm và ứng dụng ................. 8 Hình 1.4. Tường MSE trong xây dựng công trình giao thông đường bộ ................... 9 Hình 1.5. Tường MSE trong công trình ven bờ, cảng biển, đập chứa nước .............. 9 Hình 1.6 Tường MSE trong xây dựng công trình dân dụng, sân bay ........................ 9 Hình 1.7. Tường MSE trong xây dựng cầu đường bộ ở Việt Nam ......................... 10 Hình 1.8. Tường MSE chống sụt trượt cho các mái dốc cao .................................. 10 Hình 1.9. Cốt kim loại trong tường MSE ............................................................... 18 Hình 1.10. Qui ước các kích thước trong tường MSE ............................................ 20 Hình 1.11. Dạng mặt phá hoại tường ...............