Luận án Nghiên cứu sự thay đổi một số đặc trưng cơ lý của đất yếu Thành phố Hồ Chí Minh theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính toán hố đào sâu

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu sự thay đổi một số đặc trưng cơ lý của đất yếu Thành phố Hồ Chí Minh theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính toán hố đào sâu

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM NGÔ ĐỨC TRUNG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT YẾU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SUẤT DỠ TẢI TRONG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2019
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM NGÔ ĐỨC TRUNG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT YẾU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SUẤT DỠ TẢI TRONG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU Chuyên ngành: Địa Kỹ thuật Xây dựng Mã số ngành: 9 58 02 11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. VÕ PHÁN 2. GS.TS. TRẦN THỊ THANH TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2019
3. Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. VÕ PHÁN 2. GS.TS. TRẦN THỊ THANH Phản biện 1: PGS.TS. TRẦN TUẤN ANH Phản biện 2: TS. NGUYỄN VIỆT TUẤN Luận án đã được bảo vệ thành công trước Hội đồng đánh giá Luận án cấp Cơ sở, họp tại: Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, số 658 Đại lộ Võ Văn Kiệt, Phường 1, Quận 5, Tp. Hồ Chí Minh vào hồi 8 giờ 30 ngày 31 tháng 08 năm 2018. Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
4. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án. Tác giả luận án NGÔ ĐỨC TRUNG
5. ii LỜI CẢM ƠN Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS. Võ Phán và GS.TS. Trần Thị Thanh đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả trân trọng gửi lời cảm ơn tới GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ đã có những góp ý rất quí báu trong suốt quá trình thực hiện luận án. Trân trọng cảm ơn Quý lãnh đạo, các thầy cô trong Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện khoa học Thuỷ lợi Miền Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và góp ý tận tình cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả trân trọng và biết ơn những đóng góp giá trị của PGS.TS. Lê Bá Vinh, PGS.TS. Trần Tuấn Anh, PGS.TS. Tô Văn Lận và các nhà khoa học ở trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, trường Đại học Kiến trúc TP. HCM. Cảm ơn ThS. Nguyễn Hữu Uy Vũ và cộng sự tại phòng thí nghiệm địa kỹ thuật Bros (Las 1136) đã hỗ trợ thiết bị và giúp đỡ kỹ thuật để tác giả có thể hoàn thành dữ liệu thí nghiệm cho luận án. Xin tri ân tình cảm từ gia đình, sự hỗ trợ giúp đỡ của anh chị em đồng nghiệp, bạn bè.
6. iii TÓM TẮT LUẬN ÁN Ở TP. Hồ Chí Minh (TP. HCM), hố đào sâu ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình ngầm, nhưng chúng cũng làm thay đổi điều kiện đất nền và tạo ra các biến dạng bề mặt có thể gây rủi ro cho các công trình, cơ sở hạ tầng lân cận. Thi công hố đào sâu là quá trình dỡ tải đất nền cũng đồng thời cũng là quá trình gia tải lại: dỡ tải khi đất ở trong hố đào được lấy ra và gia tải lại khi thi công hệ kết cấu chống vách hố đào. Trong quá trình này trạng thái ứng suất và biến dạng của đất nền sau lưng tường chắn và dưới đáy hố đào thay đổi theo nhiều lộ trình ứng suất khác nhau trong đó rõ nhất là đất sau lưng tường thay đổi theo lộ trình giảm ứng suất ngang σ3, còn ứng suất đứng σ1 không đổi và đất dưới đáy hố đào thay đổi theo lộ trình giảm ứng suất đứng σ1 và ứng suất ngang σ3 không đổi. Luận án này làm sáng tỏ sự thay đổi một số đặc trưng cơ lý của đất yếu ở TP. HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính toán hố đào sâu. Các thí nghiệm ba trục được thực hiện để mô phỏng trạng thái ứng suất của vùng đất xung quanh hố đào trong quá trình thi công. Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự suy giảm độ bền của vùng đất xung quanh hố đào trong quá trình đào đất. Ngược lại, mô đun biến dạng lại gia tăng đáng kể trong quá trình dỡ tải và gia tải lại. Các hệ số tương quan của thông số đất nền như sức kháng cắt, mô đun biến dạng, tham số mũ m được tác giả đề xuất và áp dụng để tính toán cho một số hố đào sâu trên vùng đất yếu TP. HCM bằng phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình Hardening Soil, là mô hình đàn dẻo phi tuyến có xét đến quá trình gia tải và dỡ tải lại cũng như kể đến sự phụ thuộc của mô đun biến dạng vào trạng thái ứng suất. Kết quả tính toán chuyển vị và biến dạng từ các mô hình nền được so sánh với dữ liệu quan trắc cho thấy sự phù hợp của các thông số và mô hình nền của tác giả đề xuất trong bài toán thiết kế hố đào trên vùng đất yếu TP. HCM.
7. iv ABSTRACT In Ho Chi Minh City (HCMC), deep excavations have been used worldwide for underground construction, but they also alter the ground conditions and induce ground movements which might cause risks to adjacent infrastructure. Construction of the deep exvacation is the process of unloading the ground is also the process of reloading: unloading when the soil in the excavation pit is removed and reloaded when the construction of the anti-wall system. During this process, the stress and deformation of the soil at the around excavation changes with different stress paths in which the most obvious change is that the back retaining wall changes with the stress path reduction horizontal stress σ3, while the vertical stress σ1 is constant and the bottom soil changes with the σ1 reduction and the σ3 is constant. This thesis clarifies the the mechanical characteristics of soft soil in HCMC according to the stress paths in the calculation of deep exvacations. Triaxial compression test were performed to simulate the stress state of the soil surrounding the excavation during construction. The results show that the shear strength of the soil around the excavation was reduced during excavation. In contrast, the deformation modulus increased considerably during unloading and reloading. The correlation parameters include shear strength, modulus, power m proposed by the author and applied to calculate some deep exvacations in the soft soil of HCMC by the finite element method with the Hardening Soil model, is a plastic nonlinear model that takes into account the loading and unloading process as well as the dependence of the modulus on the stress state. The results of displacement and deformation calculations from the constitutive models were compared with the observation data showing the suitability of the parameters and the constitutive model of the author's proposed in the design of the deep excavation in the soft soil of HCMC.
8. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. ii TÓM TẮT LUẬN ÁN ................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................... iv MỤC LỤC ....................................................................................................... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................. x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................... xiv DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ..................................................... xvi MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................... 1 2. Mục tiêu ............................................................................................. 2 3. Nội dung nghiên cứu của luận án ....................................................... 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 4 6. Những điểm mới của luận án ............................................................. 4 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn............................................................ 5 8. Cấu trúc của luận án .......................................................................... 5 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU THEO HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ........................................................ 6 1.1 Tổng quan về hố đào sâu ................................................................... 6 1.2 Đặc điểm đất yếu khu vực TP. HCM ................................................ 8 1.3 Các yếu tố địa kỹ thuật ảnh hưởng đến công trình hố đào sâu ........ 11 1.4 Các hiện tượng thường xảy ra ra khi thi công hố đào sâu ................ 12 1.5 Hướng tiếp cận của đề tài và các nghiên cứu trước đây liên quan đến trạng thái ứng suất của đất nền xung quanh hố đào sâu .................. 13 1.5.1 Các nghiên cứu trước đây về trạng thái ứng suất xung quanh hố đào ......................................................................................................... 14 1.5.2 Các nghiên cứu thực nghiệm và quan trắc hiện trường ................... 21
9. vi 1.5.3 Các nghiên cứu trong tính toán tường chắn bằng phương pháp phần tử hữu hạn ........................................................................................ 24 1.6 Nhận xét chương 1 ........................................................................... 26 CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ TRONG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU........................................ 28 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán hố đào sâu ............................................... 28 2.1.1 Lý thuyết Coulomb (1776) .............................................................. 29 2.1.2 Lý thuyết áp lực đất của Rankine (1857) ........................................ 30 2.2 Các phương pháp tính toán HĐS chắn giữ bằng tường liên tục ...... 30 2.2.1 Phương pháp giải tích ...................................................................... 30 2.2.2 Phương pháp dầm trên nền đàn hồi ................................................. 31 2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn ......................................................... 32 2.3 Các mô hình đất nền ........................................................................ 33 2.3.1 Mô hình Mohr – Coulomb .............................................................. 34 2.3.2 Mô hình Hyperbol ........................................................................... 36 2.3.3 Mô hình Cam-Clay cải tiến ............................................................. 37 2.3.4 Mô hình Hardening Soil .................................................................. 39 2.4 Lộ trình ứng suất và các đặc trưng cơ lý có ảnh hưởng lớn đến tính toán hố đào sâu ................................................................................ 42 2.4.1 Lộ trình ứng suất trong tính toán hố đào sâu ................................... 42 2.4.2 Sức kháng cắt của đất ...................................................................... 43 2.4.3 Mô đun biến dạng ............................................................................ 44 2.5 Nhận xét chương 2 ........................................................................... 47 CHƯƠNG 3 - THÍ NGHIỆM BA TRỤC THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SUẤT DỠ TẢI MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT XUNG QUANH HỐ ĐÀO SÂU ...................... 49 3.1 Tổng quan về thí nghiệm ba trục xác định các chỉ tiêu cơ lý tính toán hố đào ....................................................................................... 49 3.1.1 Các lộ trình ứng suất trong thí nghiệm ba trục ................................ 50
10. vii 3.1.1.1 Lộ trình ứng suất nén ba trục thông thường (Conventional Triaxial Compression Stress Path: CTC) ............................ 51 3.1.1.2 Lộ trình ứng suất kéo ba trục giảm dần (Reduced Triaxial Extension Stress Path: RTE) ................................................ 51 3.1.1.3 Lộ trình ứng suất kéo ba trục thông thường (Conventional Triaxial Extension Stress Path: CTE) ................................... 51 3.1.1.4 Lộ trình ứng suất ba trục giảm (Reduced Triaxial Compression Stress Path: RTC) ............................................ 52 3.1.1.5 Lộ trình ứng suất nén ba trục (Triaxial Compression: TC) và kéo ba trục (Triaxial Extension: TE) ..................................... 52 3.1.2 Thí nghiệm ba trục với các lộ trình ứng suất tính toán hố đào sâu . 52 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm .......................................................................... 53 3.2 Thực hiện thí nghiệm ....................................................................... 55 3.2.1 Thí nghiệm ba trục với lộ trình ứng suất RTE (giảm 1 áp lực buồng  3 không đổi) ........................................................................ 56 3.2.2 Thí nghiệm ba trục với lộ trình ứng suất RTC (giảm  3 trong khi giữ cố định áp lực dọc trục1 ) ......................................................... 56 3.2.3 Mẫu thí nghiệm ................................................................................ 57 3.2.3.1 Lấy mẫu nguyên dạng tại hiện trường .......................................... 57 3.2.3.2 Đặc trưng cơ lý mẫu thí nghiệm ................................................... 58 3.2.4 Thực hiện thí nghiệm ........................................................................ 60 3.2.4.1 Bão hòa mẫu ................................................................................. 60 3.2.4.2 Cố kết mẫu .................................................................................... 61 3.2.4.3 Cắt mẫu ......................................................................................... 61 3.2.5 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm ........................................ 62 3.2.5.1 Quan hệ ứng suất và biến dạng (q-1) .......................................... 62 3.2.5.2 Phân tích mô đun biến dạng của các lộ trình ứng suất ................. 69 3.2.5.3 Sức kháng cắt của đất với các lộ trình ứng suất khác nhau .......... 73