Nghiên cứu ứng suất và biến dạng của nền đê, đập gia cố bằng cọc xi măng đất

LỜI TÁC GIẢ

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ với đề
tài: " Nghiên cứu ứng suất và biến dạng của nền đê, đập gia cố bằng cọc xi
măng đất " được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của Khoa sau đại học,
Khoa Công trình, bộ môn Thuỷ công Trường đại học Thuỷ lợi cùng các thầy
cô, các chuyên gia, bạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thuỷ công
và phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, trường Đại học Thủy lợi.
Xin chân thành cảm ơn Tổng công ty tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam,
Công ty CPTVXDTLTĐ Thăng Long, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo
mọi điều kiện và động viên về nhiều mặt để tác giả hoàn thành luận văn.
Đặc biệt tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn
Quốc Dũng, NCS.ThS Phùng Vĩnh An - những người đã tận tình hướng dẫn
tác giả trong quá trình thực hiện luận văn.
Tuy nhiên, do thời gian có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên luận
văn không thể tránh được các thiếu sót, rất mong các thầy cô, bạn bè và
đồng nghiệp quan tâm góp ý để tác giả có thêm kiến thức và kinh nghiệm
trong lĩnh vực này.
Luận văn được hoàn thành tại phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học
trường Đại học Thủy lợi tháng 11 năm 2010.

Hà Nội, 30 tháng 11 năm 2010


Hồ Sỹ Hùng
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………
0B1

2. Mục đích của đề tài…………………………………………………….
1B2
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu……………………
2B2
4. Kết quả đạt được của luận văn…………………………………
3B3
4BCHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GIA CỐ NỀN BẰNG
CỌC XI MĂNG - ĐẤT
1.1
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cọc xi măng đất để gia cố nền
đê, đập trên thế giới………………………………………………

4
1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cọc xi măng đất để gia cố nền
đê, đập tại Việt Nam……………………………………………

5
1.3 Tổng quan về các mô hình vật liệu dùng để phân tích ứng suất,
biến dạng và các phương pháp tính ứng suất , biến dạng………

8
1.3.1 Các mô hình vật liệu dùng để phân tích ứng suất , biến dạng… 8
1.3.2 Các phương pháp phân tích ứng suất , biến dạng………………. 17
1.4 Kết luận………………………………………………………… 22
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ XỬ LÝ CHO ĐÊ, ĐẬP KHI GIA CỐ NỀN BẰNG
CỌC XI MĂNG - ĐẤT
2.1 Các phương pháp thí nghiệm……………………………………. 23
2.1.1 Khảo sát địa chất công trình……………………………………. 23
2.1.2 Các thí nghiệm trong phòng xác định cường độ cọc XMĐ… 23
2.1.3 Các thí nghiệm tại hiện trường…………………………………. 24

2.2 Sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc xi măng - đất…………… 26
2.2.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc làm việc như cọc… 27
2.2.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương……… 29
2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp……………… 30
2.3 Bố trí cọc xi măng - đất để xử lý nền đê, đập…………………… 42
2.3.1 Dạng cách đều………………………………………………… 42
2.3.2 Dạng khung…………………………………………………… 43
2.4 Kết luận …………………………………….…………………… 44
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ
LỰA CHỌN PHẦN MỀM TÍNH TOÁN
3.1 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính toán…………………… 45
3.1.1 Phương pháp sai phân hữu hạn …………………………………. 47
3.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn………………………………… 47
3.1.3 Phương pháp biến phân cục bộ………………………………… 59
3.2 Lựa chọn phần mềm tính toán ………………………………… 60
3.2.1 Giới thiệu về phần mềm Plaxis ……………………………… 60
3.2.2 Cơ sở lý thuyết phần mềm Plaxis ………………………………. 61
3.2.3 mô hình hoá trong phần mềm Plaxis ………………………… 67
3.3 Kết luận …………………………………….…………………… 70
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CỦA CỌC XI MĂNG - ĐẤT ĐỂ XỬ LÝ
NỀN ĐẬP KHE NGANG – TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

4.1 Giới thiệu công trình…………………………………………… 71
4.1.1 Nhiệm vụ của dự án…………………………………………… 71
4.1.2 Phương án thiết kế xử lý nền đập……………………………… 73
4.2 Lựa chọn các thông số đầu vào…………………………………. 77
4.2.1 Các thông số của đập thiết kế…………………………………… 77
4.2.2 Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền…………………………………… 77
4.2.3 Các chỉ tiêu cơ lý của cọc XMĐ dự kiến ………………………. 78
4.2.4 Các chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương………………………… 79

4.3 Mô hình bài toán ……………………………… ……………… 80
4.3.1 Phương pháp tính toán………………………………………… 80
4.3.2 Mô hình bài toán………………………………………………… 80
4.4 Phân tích và đánh giá kết quả tính toán…………………………. 81
4.4.1 Về ứng suất ……………………………………………………… 81
4.4.2 Về biến dạng ………………………………………………… 81
4.4.3
Về tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng ………………………………
82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Những kết quả đạt được ………………………………………………. 83
2. Những vấn đề còn tồn tại …………………………………………… 83
3. Hướng phát triển của luận văn…………………………………… 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………… 85
PHỤ LỤC ……………………………………………………………… 86

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sửa chữa chống thấm cống D10-Hà Nam ………… … 6
Hình 1.2: Thi công tường chống thấm nền đập Đá Bạc- Hà Tĩnh .……7
Hình 1.3: Hình ảnh chống thấm cho đê quai công trình Sơn La …… 7
Hình 1.4: Quan hệ ứng suất-biến dạng mô hình biến dạng tuyến tính 9
Hình 1.5: Quan hệ ứng suất- biến dạng trong mô hình lý thuyết cân
bằng giới hạn ………………………………………………11
Hình 1.6: Quan hệ ứng suất- biến dạng trong mô hình đàn hồi- cân
bằng giới hạn ………………………………………………12
Hình 1.7: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn hồi phi tuyến 13
Hình 1.8: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn dẻo lý tưởng 15
Hình 1.9: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn dẻo tăng bền….16
Hình 1.10: Lý thuyết phá hoại Mohr - Coulomb ……………… 18
Hình 1.11: Áp lực đất tĩnh Lý thuyết phá hoại Mohr - Coulomb … 19
Hình 1.12: Các trạng thái cân bằng dẻo của Rankine ….………… 20
Hình 2.1: Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc XMĐ …… 31
Hình 2.2: Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu XMĐ … …… 33
Hình 2.3: Phá hoại khối ………… … …………………………… 33
Hình 2.4: Phá hoại cắt cục bộ …… … …………………………… 33
Hình 2.5: Sơ đồ tính toán biến dạng … …………………………… 35
Hình 2.6: Sơ đồ tải trọng truyền cho cọc … …………….…… 37
Hỡnh 2.7: S ti trng truyn cho t khụng n nh gia cỏc cc khi
ti trng vt quỏ bn róo .38
Hỡnh 2.8: Cỏc hỡnh thc b trớ cc XM vi mc ớch gia c nn 43
Hỡnh 2.9: B trớ gia c kiu khung . 43
Hỡnh 3.1: S tớnh toỏn theo Phng phỏp PTHH 50
Hỡnh 4.1: Phng ỏn búc b tng t yu nn p Khe Ngang 74

Hỡnh 4.2: Thi cụng cc XM ti cụng trng p chớnh Khe Ngang
thỏng 6/2010 .76
Hình 4.3: Mô hình cọc XMĐ và nền làm việc riêng rẽ 81
Hình 4.4: Mô hình nền tơng đơng 81
Bài toán Cọc XMĐ và nền làm việc riêng rẽ
Hỡnh 4.5: S chia li phn t 87
Hỡnh 4.6: Mụ phng ng sut hin trng 87

Hỡnh 4.7: V trớ cỏc im theo dừi im A (mt nn); im B (nh gia
c); im C (ỏy gia c) 87
Hỡnh 4.8: Kt qu tớnh chuyn v tng th ..88
Hỡnh 4.9: Kt qu tớnh chuyn v ngang ..88
Hỡnh 4.10: Kt qu tớnh chuyn v ng ..88
Hỡnh 4.11: Kt qu tớnh s tiờu tỏn ỏp lc nc l rng .88
Hỡnh 4.12: lỳn ca im cỏc im theo dừi .89
Hỡnh 4.13: Tiờu tỏn ỏp lc nc l rng theo thi gian 89

Bµi to¸n nÒn ®ång nhÊt
Hình 4.14: Sơ đồ chia lưới phần tử .…….…………………………90
Hình 4.15: Mô phỏng ứng suất hiện trường ….………………………90

Hình 4.16: Vị trí các điểm theo dõi điểm A (mặt nền); điểm B (đỉnh gia
cố); điểm C (đáy gia cố) …………………………………90
Hình 4.17: Kết quả tính chuyển vị tổng thể ……………………… 91
Hình 4.18: Kết quả tính chuyển vị ngang .…………………………91
Hình 4.19: Kết quả tính chuyển vị đứng …………………………91
Hình 4.20: Kết quả tính sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng ………… 91
Hình 4.21: Độ lún của điểm các điểm theo dõi ……….………… 92
Hình 4.22: Tiêu tán áp lực nước lỗ rống theo thời gian ……………92

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1:
Các thông số của đập thiết kế ……………………………….77
Bảng 4.2:
Các chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán ……………………77
Bảng 4.3:
Các chỉ tiêu cơ lý của cọc xi măng đất dự kiến ……… 78
Bảng 4.4:
Các chỉ tiêu cơ lý tương đương của khối hỗn hợp ………… 79


1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Khi xây dựng đê, đập trên nền đất yếu nếu không được quan tâm xử lý
đúng mức thì có thể dẫn đến hư hỏng công trình. Trong thực tế, một số dạng
hư hỏng thường gặp là: (1) Biến dạng nền dẫn đến lún sụt đê, đập - Dạng này
thường gặp ngay trong quá trình thi công. Nứt ngang và dọc cục bộ đê, đập -

Dạng này thường gặp trong quá trình khai thác; (2) Trượt mái thượng và hạ
lưu đê, đập vv
Khi đó, các giải pháp xử lý và gia cố nền đê, đập sẽ được đưa ra bao gồm
một số nhóm sau:
- Nhóm các giải pháp làm chặt bằng cơ học.
- Nhóm các giải pháp làm chặt bằng các thiết bị tiêu nước.
- Nhóm các giải pháp xử lý bằng chất kết dính.
Trong các phương pháp để xử lý nền kể trên thì xu hướng chung hiện
nay đang thiên về hướng xử lý đất tại chỗ bằng chất kết dính. Trong đó,
phương pháp xử lý nền bằng cọc xi măng- đất (XMĐ) là phương pháp được
quan tâm nhiều trong thời gian qua vì một số ưu điểm nổi trội sau đây:
- Thiết bị thi công linh hoạt, cho phép thi công tại các khu vực chật hẹp.
- Chất lượng vật liệu đồng đều, sức kháng nén linh hoạt tuỳ theo yêu cầu
của tải trọng (khi cần thiết có thể đạt tới 15 kg/cm
P
2
P).
- Ít phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết, không gây ô nhiễm môi trường.
- Vật liệu sử dụng là xi măng rất sẵn có vv

2
Trên thực tế, việc xử lý nền cho đê, đập là không hề đơn giản. Đặc biệt
tại những khu vực có mực nước ngầm cao hoặc những khu vực có mưa nhiều.
Biện pháp xử lý là bóc bỏ lớp đất yếu để thay thế bằng loại đất tốt hơn. Tuy
nhiên, biện pháp này lại rất khó thực hiện bởi một số lý do như : (1) Tăng
khối lượng đào bóc ảnh hưởng đến giá thành công trình; (2) Sau khi đào bỏ
thì vấn đề vị trí bãi thải đặt ra làm ảnh hưởng đến công tác giải phóng và đền
bù mặt bằng; (3) Phải tìm mỏ vật liệu để thay thế tầng đất yếu dẫn đến phát
sinh các công tác khảo sát, vận chuyển và tích trữ vv
Do đó, hiện nay trên thế giới và trong nước, việc nghiên cứu ứng dụng

của giải xử lý nền bằng cọc XMĐ là yêu cầu đặt ra của thực tiễn sản xuất.
Trong đó, việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng là một nội dung quan trọng
của vấn đề này.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất, biến dạng phẳng của nền
đê, đập gia cố bằng cọc XMĐ thi công bằng công nghệ Jet – Grouting.
3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Phương pháp tiếp cận:
3.1.1. Tiếp cận trên cơ sở đánh giá nhu cầu:
Nhu cầu trong vấn đề xử lý nền đất yếu khi xây dựng đê, đập.
3.1.2. Tiếp cận với thực tiễn công trình:
Khi tính toán ứng suất, biến dạng cho đập chính Hồ chứa nước Khe
Ngang- Tỉnh Thừa Thiên Huế, hội đồng khoa học đã đặt vấn đề cho Tư vấn
thiết kế phải làm rõ các nội dung như sau:
- Cơ chế hoạt động của cọc XMĐ.

3
- Sau khi cọc XMĐ làm việc có nứt tách cục bộ nền hay không?
- Cọc XMĐ hoạt động như các nệm lò xo hay theo một cơ chế khác?
3.2. Phương pháp nghiên cứu:
3.2.1. Phương pháp thu thập thông tin:
- Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu trong và ngoài
nước có liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ.
3.2.2. Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia:
Song song với việc thu thập và tổng hợp thông tin, lấy ý kiến các chuyên
gia để bổ sung cho quá trình nghiên cứu.
3.2.3. Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán:
- Lựa chọn phần mềm tính toán.
- Chọn công trình cụ thể để thiết lập mô hình.

4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN
- Đề xuất được phương pháp và mô hình tính toán ứng suất, biến dạng
của nền đê, đập gia cố bằng cọc XMĐ.
- Thiết lập quan hệ làm việc giữa Nền- Cọc- Công trình với tải trọng
tác dụng theo thời gian có liên quan tới sự ổn định của công trình,
phục vụ tới công tác Tư vấn thiết kế và Quản lý vận hành.
- Ví dụ điển hình xử lý nền đập chính hồ chứa nước Khe Ngang - tỉnh
Thừa Thiên Huế.



4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC XI MĂNG
ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỂ
GIA CỐ NỀN ĐÊ, ĐẬP TRÊN THẾ GIỚI
Công nghệ trộn sâu (Deep Mixing) tạo cọc xi măng- đất (XMĐ) là công
nghệ trộn xi măng với đất tại chỗ- dưới sâu được phát minh đồng thời tại
Thuỵ Điển và Nhật Bản vào giữa thập niên 70 của thế kỷ XX. Cọc XMĐ
được sử dụng khá rộng rãi trên toàn thế giới trong xử lý nền móng công trình
xây dựng, đặc biệt là xử lý nền đê, đập xây dựng trên nền đất yếu. Mục đích
gia cố của công nghệ là làm thay đổi, nâng cao chất lượng của đất bằng cách
cứng hóa tại chỗ.
Những quốc gia ứng dụng công nghệ DM nhiều nhất là Nhật Bản và các
nước thuộc vùng Scandinaver. Trong những năm 1977-1993 có trên 300 dự
án với lượng đất gia cố bằng DM trên 23 triệu m
P
3

P. Đến năm 1994, hãng SWS
Seiko của Nhật Bản đã thi công 4000 dự án trên toàn thế giới. Ngoài ra, cọc
XMĐ được sử dụng để tránh sạt lở bờ sông như trong trường hợp của bờ sông
Kumatomoken- đảo Kyushu- Nhật Bản.
Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu được bắt đầu từ năm 1970. Đến
năm 1990 tổng cộng đã có trên 500.000 m
P
3
P đất được gia cố.
Tại Mỹ, việc xử lý và nâng cấp các đập đất nhằm đáp ứng các mục tiêu
an toàn trong vận hành rất được quan tâm. DM đã được ứng dụng để nâng cấp
các đập đất, tạo ra các tường chống thấm nhằm làm tăng cường độ, khống chế
biến dạng và kiểm soát các dòng thấm.

5
Tại Bungaria, nền các công trình thường được xây dựng bằng sét macma,
người ta đã sử dụng các cột XMĐ đường kính 0,25m, khoảng cách 2,5m để
gia cố. Kết quả sau khi xử lý không có dấu hiện nền bị lún.
Xu hướng phát triển của công nghệ DM trên Thế giới hiện nay hướng
vào khai thác mặt mạnh của DM đó là khả năng gia cố nhanh, có thể cố định
tại chỗ các nguồn ô nhiễm không cho chúng thoát lên khỏi mặt đất. Khi mới
phát minh, yêu cầu đối với DM chỉ là nhằm đạt được cường độ cao và chi phí
thấp. Nhưng gần đây do những nan giải trong vấn đề xây dựng đã đặt yêu cầu
cao về sự tin cậy và hoàn chỉnh của công nghệ. Ưu thế của DM hứa hẹn cho
những nghiên cứu tiếp tục.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỂ
GIA CỐ NỀN ĐÊ, ĐẬP TẠI VIỆT NAM
Công nghệ DM đã được miêu tả trong “Xử lý sự cố nền móng công
trình” của GS Nguyễn Bá Kế xuất bản năm 2000. Năm 2002, Viện KHCN
Xây dựng đã có đề tài nghiên cứu về cọc Xi măng - Vôi. Bộ Xây dựng đang

chuẩn bị ban hành Tiêu chuẩn thiết kế cọc XMĐ.
Năm 2004, Viện Khoa học Thuỷ lợi VN đã tiếp nhận chuyển giao công
nghệ DM từ Nhật Bản. Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bj này trong
nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang,
ảnh hưởng của hàm lượng xi măng… nhằm ứng dụng cọc XMĐ vào xử lý đất
yếu cho các công trình thuỷ lợi. Sau đây, là một số công trình đê, đập được
gia cố nền bằng cọc XMĐ theo công nghệ DM.
Chống thấm cho cống dưới đê D10 - Thị xã Phủ lý - Hà Nam: Cống tiêu
D10 thuộc hệ thống thuỷ nông thị xã Phủ Lý tỉnh Hà Nam được xây dựng
năm 2002. Móng đặt trên lớp á sét nhẹ số (3) dày 3m; tiếp theo là lớp số (4)
cát bụi, hạt nhỏ dày 5m; tiếp đến là lớp sét màu nâu xám. Mùa lũ năm 2002,

6
khi đi vào vận hành xảy ra sự cố mạch sủi phía đồng, sau bể tiêu năng. Địa
phương đã phải đắp đê quai phía đồng để dâng cao mực nước phía đồng, giảm
chênh lệch nước. Nguyên nhân gây mạch sủi được đánh giá như sau: Lớp đất
số (4) là lớp cát bụi, lớp này bắt đầu từ cao trình - 4.48m. Thiết kế đã đóng
cọc tre đến đến cao trình - 4.0m, tức là gần như xuyên hết (cũng có thể xuân
hết) lớp số 3 có khả năng chống thấm tương đối tốt. Do chênh lệch mực nước
khi lũ ngoài sông cao, tạo ra dòng chảy ngầm trong lớp số 4 Lớp cát bụi này
rất dễ bị xói ngầm, các hạt nhỏ theo dòng thấm đi về hạ lưu và tạo ra mạch
đùn phía đồng. Biện pháp sửa chữa lần đầu của địa phương đã tiến hành sửa
chữa như sau: Đào đất hai bên mang cống rồi bọc xung quanh cống (trừ dưới
đáy không làm được) bằng đất sét luyện dày 0.5m. Đắp trả đất xung quanh
cống bằng đất thịt đảm bảo dung trọng. Làm một hàng cừ gỗ phía sông cuối
bể tiêu năng và một hàng cừ gỗ phía đồng, chiều dài cừ là 3m. Luồn ống để
bơm- phụt dung dịch sét - xi măng xuống dưới đáy cống. Tháng 7 năm 2004,
khi có lũ phía trong đồng lại bị đùn sủi, đe doạ vỡ đê. Như vậy giải pháp sửa
chữa đã làm không có hiệu quả. Địa phương lại phải tiếp tục hoành triệt cống.
Phương án sửa chữa sử dụng công nghệ Jet-grouting: Tạo ra được một tường

hào chống thấm cắt qua lớp đất (4) là lớp cát bụi - cắm vào lớp 5 là lớp sét
nhẹ màu nâu xám. Qua đợt lũ lớn năm 2005, qua theo dõi các trận lũ nhỏ cho
thấy không còn hiện tượng đùn sủi như trước, việc sửa chữa đã thành công.

Hình 1.1: Phương án sửa chữa chống thấm cống D10 - Hà Nam

7
cắt ngang
giớ i hạn t - ờng chố ng thấm
T- ờng ch ống thấm
Đ- ờng phân giớ i lớ p 7 và l ớ p 8
Đỉnh t -ờ ng chống t hấm +7.00m
cắt dọc tim t- ờng chống thấm
sơ đồ thi công
1 24 5 43 1 2 5
3
p ỏ Bc tnh H Tnh: nn ca p ỏ Bc l cỏt thm nc, chiu
dy thay i t 3-18m, lũng sui xut hin nc ngm cú ỏp, trong nn ln
cỏc tng ỏ m cụi. Phng ỏn DM a ra khc phỳc

c nhng tr ngi m cụng ngh tng ho Bentonie gp khú khn v tit kim
20% kinh phớ.
a.Mt ct thit k



b.Cụng trỡnh ang thi cụng
Hỡnh 1.2: Thi cụng tng chng thm nn p ỏ Bc - H Tnh
Chng thm cho ờ quai Giai on II nh mỏy thu in Sn La: cu
to a tng ca ờ quai l lp bi tớch lũng sụng dy, lp ỏ gục nm di

lp bi tớch, xut hin cỏc t góy gõy phong hoỏ v bo mũn. Ban u, d
kin chng thm s s dng tng XM thi cụng kt hp hai cụng ngh
Trn khụ v DM. Kt qu thớ nghim thy kh nng chng thm t yờu cu.



8
a. Thi công tường xi măng đất
b. Hố móng sau khi chống thấm
Hình 1.3: Hình ảnh chống thấm cho đê quai công trình Sơn La
Những kết quả đạt được nói trên chỉ mới là bước đầu, nhưng cho thấy
công nghệ khoan phụt cao áp tạo cọc XMĐ là một công nghệ mới có nhiều
triển vọng áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng công trình thuỷ lợi, đặc
biệt là gia cố nền đê, đập. Qua đó, cũng đã mở ra nhiều hướng phát triển trong
thời gian tới tại Việt Nam.
1.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VẬT LIỆU ĐƯỢC DÙNG ĐỂ PHÂN
TÍCH ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG
1.3.1. Các mô hình vật liệu dùng để phân tích ứng suất biến dạng
Việc xác định trạng thái ứng suất khi thiết kế là điều bắt buộc trong thiết
kế công trình. Do đặc tính của nền đất không phải là một môi trường đàn hồi
hoàn toàn nên để xác định ứng suất, biến dạng nền người ta phải giả thuyết
nền làm việc theo một mô hình nào đó để có thể mô tả và giải bài toán tìm
ứng suất phân bố trong nền. Các mô hình đất tiêu biểu thường được sử dụng
trong tính toán bao gồm:
a) Mô hình biến dạng tuyến tính
b) Mô hình lý thuyết cân bằng giới hạn
c) Mô hình dẻo
d) Mô hình hỗn hợp môi trường biến dạng tuyến tính-cân bằng giới hạn

9
e) Mô hình đàn - dẻo
f) Mô hình biến dạng phi tuyến
Trong đó, mô hình đàn dẻo là mô hình kết hợp giữa lý thuyết đàn hồi và
lý thuyết đàn dẻo mô tả khá đúng sự làm việc của đất nền.
1.3.1.1. Mô hình biến dạng tuyến tính
Cơ sở của mô hình lý thuyết đàn hồi là định luật Hooke:
Trong điều kiện nén hoặc kéo đơn một trục, sẽ có quan hệ tuyến tính:
σ = E ε (1.1)
Trong đó:
ε - biến dạng dọc trục
E - môđun đàn hồi


Hình 1.4: Quan hệ ứng suất - biến
dạng trong mô hình biến dạng
tuyến tính
Đối với đất: đặc trưng lại là sự tồn tại chủ yếu của biến dạng dư vì thế
mô hình môi trường lý thuyết đàn hồi chỉ có thể áp dụng ở giai đoạn gia tải
một lần lên môi trường đất mà không có sự dỡ tải tiếp theo.
Hệ phương trình bao gồm:
- Các phương trình tĩnh (các phương trình cân bằng tĩnh)
- Các quan hệ hình học
- Các phương trình vật lý
Xét chủ yếu bài toán phẳng (biến dạng phẳng, ứng suất phẳng)
a) Dạng các phương trình cân bằng Navier : Phân tố nhỏ vô hạn









=+
∂
∂
+
∂
∂
=+
∂
∂
+
∂
∂
0Z
z
σ
x
τ
0X
z
τ
x
σ
zxz
zxx
(1.2)
X, Z - các thành phần lực thể tích (chẳng hạn, trọng lượng bản thân của đất)

10
b) Các phương trình hình học: Liên hệ các biến dạng thẳng và các biến dạng
góc với chuyển vị (U,W), trong trường hợp tổng quát là phi tuyến, đối với bài
toán phẳng có dạng :









∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
=
∂
∂
=
x
W
z
U

z
W
x
U
xz
z
x
γ
ε
ε
(1.3)
c) Các phương trình vật lý: Biểu thị quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, có
dạng hệ thức định luật Hooke tổng quát (xét bài toán phẳng)





=
+
−−
=
+−−=
xzxz
xzz
z
xx
τγ
σ
ννσν

ε
σνν
σνε
])
1()1
[(
])1
()1[(
2
2
(1.4)
Dạng ma trận của định luật Hooke:
{σ} = [D] {ε} (1.5)
Trong đó:
[D] là ma trận đàn hồi;
{σ}: Véctơ các ứng suất của phân tố đất;
{ε}: Véctơ các biến dạng của phân tố đất;
Như vậy, trong trường hợp tổng quát, đối với bài toán phẳng, từ các
phương trình trên sẽ xác định được các ẩn gồm ba thành phần ứng suất là
(σ
R
x
R, σR
z
R, τR
xz
R), ba thành phần biến dạng (εR
x
R, εR
z

R, γR
xz
R) và hai thành phần chuyển vị
(U, W). Đối với trường hợp bài toán không gian thì bài toán sẽ có 15 phương
trình và 15 ẩn.
d) Các phương trình tương thích:
zx
γ
x
ε
z
ε
xz
2
2
x
2
2
x
2
∂∂
∂
=
∂
∂
+
∂
∂
(1.6)

11
Ngoài các phương trình đã nêu còn có các phương trình tương thích của
biến dạng, dùng thay thế các phương trình hình học, hoặc cho chúng giữ vai trò
các hệ thức kiểm tra điều kiện môi trường sau khi gia tải có còn liên tục hay
không. Nói cách khác, sau khi đặt tải trọng thì biến dạng của mỗi hình hộp
phân tố tưởng tượng tách ra của vật thể trớc khi đặt tải cần phải tương thích,
nghĩa là với biến dạng đó sẽ không phá hoại tính liên tục của môi trường
(không hình thành các khe hở giữa các mặt của các phân tố).
1.3.1.2. Mô hình lý thuyết cân bằng giới hạn
Mô hình này dựa trên giả thiết: ở tất cả mọi điểm của môi trường đất tồn
tại các mặt mà trên chúng điều kiện cân bằng giới hạn được thực hiện.

Hình 1.5: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong
Mô hình lý thuyết cân bằng giới hạn
Hệ phương trình tương ứng với trường hợp bài toán phẳng có dạng:
Hai phương trình cân bằng tĩnh:







=+
∂
∂
+
∂
∂
=+

∂
∂
+
∂
∂
0Z
z
σ
x
τ
0X
z
τ
x
σ
zxz
zxx
(1.7)
σ
R
1
R - σR
3
R = (σR
1
R + σR
3
R + 2σR
c
R) sinϕ

Phương trình thứ ba là điều kiện cân bằng giới hạn xác định tất cả các
đặc tính của mô hình. Phương trình là một trong các dạng của phương trình
Coulomb τ = σ tgϕ + c được biểu diễn qua các ứng suất chính. Chú ý rằng
trong mô hình môi trường lý thuyết cân bằng giới hạn chỉ nghiên cứu sự đạt
tới trạng thái giới hạn tại điểm bất kỳ, không có bất kỳ biến dạng trớc nào và

12
không xem xét sự chảy liên tục có thể của môi trường và các biến dạng của
nó, nghĩa là có thể nói rằng: mô hình này không biến dạng.
1.3.1.3. Mô hình đàn hồi - cân bằng giới hạn
Mô hình hỗn hợp lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính và môi
trường lý thuyết cân bằng giới hạn.
Giả thiết rằng trong môi trường đất tồn tại cả vùng môi trường lý thuyết
vật thể biến dạng tuyến tính cũng như vùng trạng thái cân bằng giới hạn

Hình 1.6: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong mô hình
đàn hồi - cân bằng giới hạn
Hệ phương trình mô tả trạng thái ứng suất của môi trường sẽ có dạng:
- Hai phương trình cân bằng tĩnh







=+
∂
∂
+

∂
∂
=+
∂
∂
+
∂
∂
0Z
z
σ
x
τ
0X
z
τ
x
σ
zxz
zxx
(1.8)
- Phương trình tương thích
z
x
γ
x
ε
z
ε
xz

2
2
x
2
2
x
2
∂∂
∂
=
∂
∂
+
∂
∂
(1.9)
- σ
R
1
R - σR
3
R = (σR
1
R + σR
3
R + 2σR
c
R) sinϕ (1.10)
Các phương trình cân bằng phải được thực hiện trên toàn bộ môi trường
đất; các phương trình tương thích - chỉ trong vùng đàn hồi; còn phương trình

sau cùng - chỉ trong vùng cân bằng giới hạn. Trên biên giữa hai môi trường và
trên các biên ngoài cần làm thoả mãn các điều kiện biên phù hợp.

13
1.3.1.4. Mô hình đàn hồi phi tuyến
Đây là mô hình đàn hồi coi quan hệ ứng suất-biến dạng là phi tuyến. Để
mô tả tính đàn hồi phi tuyến, người ta vẫn dùng phương trình như đối với mô
hình tuyến tính nhưng thay ma trận [D] bằng ma trận [D
R
đd
R]. Trong đó các
thành phần của ma trận [D
R
đd
R] không phải là các trị số ổn định mà thay đổi
phụ thuộc vào biến dạng. Ma trận [D
R
đd
R] không nhất thiết phải cho ở dạng
tường minh: chỉ cần đưa ra một loại phép toán mà qua đó có thể tính được các
ứng suất theo biến dạng cho trước {ε} trong môi trường phi tuyến đã cho.
- Đặc trưng liên hệ ứng suất và biến dạng toàn phần được gọi là đặc trưng cát
tuyến và ma trận tương ứng với nó là ma trận cát tuyến [D
R
c
R]
{σ} = [D
R
c
R] {ε} (1.11)

- Đặc trưng và ma trận liên hệ độ tăng ứng suất và biến dạng nhỏ ở mức các
ứng suất đã đạt được, gọi là đặc trưng và ma trận tiếp tuyến
{dσ} = [D
R
t
R] {dε} (1.12)
Dựa trên các quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng được tiếp
nhận là duy nhất ở mọi điểm của khối đất, cả khi tăng tải cũng như khi dỡ tải.
Biến dạng dẻo được tính gộp với biến dạng đàn hồi bằng cách áp dụng
các quan hệ thực nghiệm “ứng suất - biến dạng toàn phần (đàn hồi + dẻo)”.

Hình 1.7: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong mô hình đàn hồi phi tuyến
Tính phi tuyến thể hiện bằng đặc trưng: Phi tuyến vật lý hoặc phi tuyến
hình học, hoặc trong trường hợp tổng quát có đồng thời cả hai.
- Tính phi tuyến vật lý: là tính phi tuyến của phương trình vật lý.

14
- Tính phi tuyến hình học: là tính phi tuyến của liên hệ biến dạng và
chuyển vị (hệ thức hình học).
Phần lớn các bài toán phi tuyến của cơ học đất là phi tuyến vật lý (mô hình
vật liệu). Các phương trình khởi điểm áp dụng trong lý thuyết đàn hồi phi
tuyến vật lý về thành phần cũng giống như trong lý thuyết đàn hồi tuyến tính.
Trong đó các phương trình cân bằng và các hệ thức hình học của cả hai lý
thuyết hoàn toàn đồng nhất, còn khác nhau chỉ là các phương trình vật lý.
Khi giải các bài toán phi tuyến, thông thường các phương trình vật lý tiếp
nhận dưới dạng các hệ thức của định luật Hooke tổng quát giống như trong lý
thuyết đàn hồi tuyến tính, nhưng với các giá trị Moduyl Young E và hệ số
Poisson ν (hoặc là các môđun tương ứng G và K) bị thay đổi tuỳ thuộc trạng
thái ứng suất.
1.3.1.5. Mô hình đàn - dẻo

Theo mô hình này thì biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo được mô tả
riêng biệt bằng các quan hệ vật lý khác nhau. Cơ sở của phần lớn các cách
giải đàn dẻo khác nhau đều dựa trên những khái niệm của lý thuyết chảy dẻo.
Vấn đề khá quan trọng trong tính toán đàn - dẻo các khối đất là sự lựa
chọn các hệ phương trình vi phân vật lý phù hợp đối với biến dạng dẻo được
xác định bởi mô hình đất đang thực hiện trong phép giải đã cho. Hiện nay
trong các ứng dụng thực tế thì các mô hình của môi trường đàn-dẻo lý tưởng
và môi trường đàn - dẻo tăng bền được áp dụng rộng rãi nhất.
a) Mô hình môi trường đàn-dẻo lý tưởng (môi trường Reuss- Prandtl):
- Mô hình này là sự tổng quát hóa của môi trường đàn hồi và dẻo cứng
có ma sát. Trong bài toán biến dạng, mô hình được dùng phải bảo đảm lời giải
nhận được là đồng nhất, ứng suất và biến dạng là đồng trục. Với bài toán của
môi trường này, đã có nhiều lời giải bằng giải tích được giới thiệu, điều đó
cho phép so sánh các lời giải bằng số với các lời giải giải tích chính xác. Về

15
bản chất, mô hình phối hợp hai lý thuyết cơ sở của cơ học hiện đại: lý thuyết
đàn hồi và lý thuyết trạng thái giới hạn; mô hình được mô tả bằng các đặc
trưng cơ học thông thường trong khảo sát địa chất công trình.
- Quan hệ ứng suất-biến dạng được thể hiện trong Hình 1.8. Cơ chế làm
việc của mô hình này cũng khá đơn giản. Trong mô hình này biến dạng được
mô tả bằng biểu đồ song tuyến tính:

Hình 1.8: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong mô hình đàn dẻo lý tưởng
- Đoạn 1: Thoả mãn trạng thái ứng suất trước giới hạn, đất được coi là phù
hợp với mô hình biến dạng tuyến tính. Có thể chấp nhận các phương trình vật
lý của định luật Hooke tổng quát - các phương trình này được dùng cho thành
phần biến dạng toàn phần đàn hồi khi biến dạng dẻo.
- Đoạn 2: Mô tả quá trình phát triển biến dạng dẻo của đất ở trạng thái ứng
suất giới hạn, chấp nhận quan hệ ứng suất-biến dạng của định luật chảy dẻo

kết hợp.
Hiện nay có nhiều giả thiết về tiêu chuẩn dẻo như của Tresca, Mises,
Coulomb, Coulomb-Mises tổng quát. Thông số chính để đánh giá mô hình
theo tiêu chuẩn dẻo là hàm số mô tả quỹ tích của điểm dẻo (còn gọi là hàm
dẻo F), trong đó có hàm biểu thị sự nới rộng mặt chảy dẻo theo mức độ tăng
thông số độ bền k. Hàm dẻo phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của đất đá:
F = F ({σ}) - Hàm thế dẻo, phụ thuộc các thành phần tenxơ ứng suất
ij
d
ij
F
dd
σ
λε
∂
∂
=
(1.13)

16
Tuỳ theo tiêu chuẩn dẻo khác nhau, có thể thu được các lời giải khác
nhau cho bài toán ứng suất-biến dạng.
Mô hình đàn-dẻo lý tưởng là mô hình tương đối phù hợp với điều kiện
làm việc của đất nền, nó không đòi hỏi các thí nghiệm địa kỹ thuật trong
phòng quá phức tạp, có thể được đáp ứng ở các phòng thí nghiệm cơ đất
thông thường. Mô hình này có thể áp dụng phù hợp cho hầu hết các loại đất.
b) Mô hình môi trường đàn - dẻo tăng bền:

Hình 1.9: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong mô hình đàn dẻo tăng bền
Các biến dạng đàn hồi hoàn toàn (thuận nghịch) và biến dạng dẻo ngay

từ bắt đầu tăng tải lên môi trường, kể cả khi trạng thái trước giới hạn, được
nghiên cứu và xác định riêng biệt và độc lập với nhau.
Phản ánh được những hiệu quả nào đấy của tính chất đất trước giới hạn
mà trong mô hình môi trường đàn dẻo lý tưởng không dễ kể tới được. Phương
trình vật lý mô tả hai loại biến dạng tách biệt là:
+ Đối với biến dạng đàn hồi, thì quan hệ ứng suất - biến dạng của định
luật Hooke tổng quát được chấp nhận, trong đó các môđun (G, K) là các
môđun đàn hồi được xác định theo các thí nghiệm khi dỡ tải.
+ Đối với biến dạng dẻo thì sử dụng các quan hệ của định luật chảy
dẻo, với hàm F = F({σ, k}) chứa các thông số tăng bền k. Các thông số tăng
bền “điều khiển” sự thay đổi hình học của mặt tải trọng (mặt chảy). Các thông
số này thường là các bất biến biến dạng dẻo tích luỹ nào đó.

17
1.3.1.6. Một số mô hình khác
Ngoài các mô hình nền đã nêu ở trên, còn có một số mô hình nền đã
được nghiên cứu như: mô hình nền Cam clay, Cam clay cải tiến; mô hình mũ;
mô hình lưu biến; mô hình cứng hoá biến dạng đàn hồi dẻo mới dựa trên cơ
sở Mohr-Coulomb không kể tới hiệu ứng dòng; mô hình cứng hoá động; mô
hình Duncan-Chang v.v…
Mỗi mô hình có những đặc điểm riêng và phù hợp với những loại môi
trường đất đá khác nhau. Điểm chung của các mô hình này là cần phải có
nhiều số liệu khảo sát địa chất công trình cũng như các thí nghiệm phức tạp,
tốn kém. Các mô hình này đang tiếp tục được hoàn thiện để có thể sử dụng
chúng một cách hợp lý trong các bài toán địa cơ học.
1.3.1. Các phương pháp dùng để phân tích ứng suất biến dạng
Để xác định trạng thái ứng suất - biến dạng, thông thường có hai phương
pháp là: phương pháp giải tích và phương pháp số.
1.3.2.1. Phương pháp giải tích
Phương pháp này xuất phát từ ba trạng thái biến dạng sau:

- Trạng thái tĩnh : cân bằng đàn hồi không có biến dạng hông.
- Trạng thái chủ động: cân bằng dẻo kèm theo dãn nở hông.
- Trạng thái bị động: cân bằng dẻo kèm theo ép co hông.
Ứng suất thẳng đứng và nằm ngang có thể biểu diễn qua tỉ số:
h
v
K
σσ
=
(1.14)
Trong đó, K là hệ số áp lực đất.
Ba trạng thái kể trên liên hệ với Lý thuyết phá hoại Mohr – Coulomb:
trong trường hợp phá hoại trượt hoặc biến dạng dẻo liên tục, vòng Mohr biểu