Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp ( Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MINH KHOA

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT GIỚI HẠN
TRONG NỀN ĐẤT TỰ NHIÊN DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
NỀN ĐƢỜNG ĐẮP VÀ BỆ PHẢN ÁP

Chuyên ngành:

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số:

62 58 02 05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Hoàng Đình Đạm

HÀ NỘI - 2013


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Minh Khoa


ii
LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới
GS.TSKH Hà Huy Cương và TS Hoàng Đình Đạm đã tận tình hướng dẫn về
khoa học, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu và thực hiện hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cám ơn các Giáo sư, phó Giáo sư, Tiến sỹ, các
Chuyên gia, các Nhà khoa học trong và ngoài Học viện Kỹ thuật Quân sự đã
tạo có nhiều ý kiến đóng góp và chỉ dẫn quý báu cho luận án.
Tác giả xin trân trọng cám ơn các cán bộ, giảng viên của Bộ môn Cầu
Đường Sân bay, Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, Phòng Sau đại học - Học
viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả trong quá trình
học tập và nghiên cứu tại Học viện.
Tác giả xin trân trọng cám ơn Ban Giám hiệu, Khoa Công trình, Bộ môn
Đường bộ - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, nơi tác giả đang
công tác, đã tạo điều kiện về kinh phí cũng như thời gian để tác giả có thể
hoàn thành được bản luận án.
Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân
trong gia đình đã động viên khích lệ và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt
thời gian thực hiện luận án.

Tác giả luận án

Nguyễn Minh Khoa


iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 3
3. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 3
5. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 3
6. Bố cục của luận án ........................................................................................ 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ TẢI
TRỌNG GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT TỰ NHIÊN DƢỚI TÁC DỤNG
CỦA TẢI TRỌNG NỀN ĐƢỜNG ĐẮP ....................................................... 6
1.1. Nền đường đắp ........................................................................................... 6
1.2. Nền đất yếu................................................................................................. 7
1.2.1. Khái niệm đất yếu ............................................................................... 7
1.2.2. Nền đất yếu ở Việt Nam ...................................................................... 8
1.2.3. Hiện tượng mất ổn định của nền đường đắp trên đất yếu ................... 9
1.3. Tải trọng của nền đường đắp tác dụng lên nền đất tự nhiên .................... 10
1.4. Trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn của nền đất .............................. 11
1.4.1. Cân bằng đàn hồi và cân bằng dẻo .................................................... 11
1.4.1.1. Đất là vật liệu đàn - dẻo lý tưởng ............................................... 11
1.4.1.2. Đất là vật liệu cứng - dẻo lý tưởng ............................................ 13
1.4.2. Lý thuyết biến dạng tuyến tính ......................................................... 14
1.4.3. Lý thuyết cân bằng giới hạn .............................................................. 20

1.4.3.1.Cơ sở của lý thuyết cân bằng giới hạn ........................................ 20
1.4.3.2. Hệ phương trình cơ bản ............................................................. 20
1.4.3.3. Các lời giải của hệ phương trình cơ bản .................................... 21


iv
1.4.4. Lý thuyết đàn - dẻo dùng cho khối đất ............................................ 23
1.4.4.1. Tải trọng giới hạn đàn hồi .......................................................... 23
1.4.4.2. Bài toán hỗn hợp đàn - dẻo về khối đất ..................................... 24
1.4.4.3. Lý thuyết Cam - Clay ................................................................. 25
1.4.5. Các phương pháp dùng mặt trượt giả định ....................................... 25
1.4.5.1.Phương pháp mặt trượt giả định mặt phẳng................................ 25
1.4.5.2.Phương pháp mặt trượt trụ tròn................................................... 26
1.4.5.3. Phương pháp mặt trượt theo lý luận cân bằng với nền đồng nhất ....26
1.4.6. Phương pháp phân tích giới hạn ....................................................... 29
1.4.7. Phương pháp xác định ứng suất theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất
đạt giá trị nhỏ nhất trong nền đất ................................................................ 30
1.5. Giải pháp tăng cường sức chịu tải (tải trọng giới hạn) của nền đất yếu .. 31
1.6. Kết luận .................................................................................................... 34
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT TRONG NỀN
ĐẤT TỰ NHIÊN DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LƢỢNG BẢN
THÂN VÀ TẢI TRỌNG NỀN ĐƢỜNG ĐẮP............................................ 37
2.1. Đặt vấn đề................................................................................................. 37
2.2. Xây dựng bài toán trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tải
trọng của nền đường đắp ................................................................................. 39
2.2.1. Bài toán trạng thái ứng suất trong nền đất ........................................ 39
2.2.2. Bài toán trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tải trọng của
nền đường đắp ............................................................................................. 46
2.3. Phương pháp giải bài toán trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới
tải trọng của nền đường đắp ............................................................................ 49

2.3.1. Phương pháp giải bài toán bằng sai phân hữu hạn ........................... 49
2.3.2. Phương pháp giải bài toán quy hoạch phi tuyến ............................... 53
2.3.3. Lập chương trình giải bài toán bằng ngôn ngữ Matlab ..................... 54


v
2.4. Trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên .............................................. 56
2.4.1. Trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên chịu trọng lượng bản thân ....56
2.4.2. Trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tải trọng của nền
đường đắp .................................................................................................... 62
2.4.3. Khảo sát sự xuất hiện và phát triển vùng biến dạng dẻo .................. 63
2.5. Kết quả và bàn luận .................................................................................. 65
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT GIỚI HẠN
TRONG NỀN ĐẤT TỰ NHIÊN DƢỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
NỀN ĐƢỜNG ĐẮP VÀ BỆ PHẢN ÁP ....................................................... 67
3.1. Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của
tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp ........................................................... 67
3.1.1. Xây dựng bài toán ............................................................................. 67
3.1.2. Xây dựng phương pháp giải bài toán ................................................ 70
3.1.2.1. Phương pháp giải bài toán bằng sai phân hữu hạn .................... 70
3.1.2.2. Lập chương trình giải bài toán bằng ngôn ngữ Matlab ............. 72
3.1.3. Trạng thái ứng suất và sự phát triển của vùng biến dạng dẻo........... 74
3.1.3.1. Trạng thái ứng suất .................................................................... 74
3.1.3.2. Sự phát triển của vùng biến dạng dẻo ........................................ 75
3.2. Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác
dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp ............................................ 77
3.2.1. Đặt vấn đề.......................................................................................... 77
3.2.2. Xây dựng bài toán trạng thái ứng suất giới hạn ................................ 77
3.2.3. Phương pháp giải bài toán trạng thái ứng suất giới hạn ................... 79
3.2.3.1. Phương pháp giải bài toán bằng sai phân hữu hạn .................... 79

3.2.3.2. Lập chương trình giải bài toán bằng ngôn ngữ Matlab ............. 80
3.3. Trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải
trọng nền đường đắp và bệ phản áp ................................................................ 81


vi
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của lưới sai phân hữu hạn đến tải trọng giới hạn ....81
3.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước ô lưới sai phân .................. 81
3.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước lưới sai phân hữu hạn ....... 81
3.3.2. Khảo sát đánh giá kết quả bài toán trạng thái ứng suất giới hạn ...... 82
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của chiều rộng tải trọng nền đắp đến tải trọng
giới hạn ........................................................................................................ 86
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của trọng lượng nền đất đến tải trọng giới hạn87
3.3.5. Khảo sát đường đẳng bền và vùng biến dạng dẻo ............................ 88
3.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng bệ phản áp đến vùng biến dạng dẻo ...95
3.4. Kết quả và bàn luận .................................................................................. 97
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU BỆ PHẢN ÁP ĐỂ LÀM TĂNG TẢI
TRỌNG GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƢỚI TẢI TRỌNG NỀN
ĐƢỜNG ĐẮP .............................................................................................. 101
4.1. Đặt vấn đề............................................................................................... 101
4.2. Khảo sát quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu với tải trọng bệ
phản áp .......................................................................................................... 103
4.2.1. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn và chiều rộng tải trọng bệ phản áp . 103
4.2.2. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp.. 105
4.3. Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất
yếu dưới tải trọng nền đường đắp ................................................................. 107
4.3.1. Trường hợp không xét góc ma sát trong của đất yếu ..................... 107
4.3.1.1. Xây dựng toán đồ thiết kế bệ phản áp...................................... 107
4.3.1.2. Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp hợp lý ................................... 110
4.3.2. Trường hợp xét góc ma sát trong của nền đất yếu .......................... 115

4.4. Nghiên cứu bệ phản áp rộng vô hạn để làm tăng tải trọng giới hạn của
nền đất yếu dưới nền đường đắp ................................................................... 118


vii
4.4.1. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu và cường độ tải trọng
bệ phản áp rộng vô hạn ............................................................................. 118
4.4.2. Xây dựng toán đồ thiết kế bệ phản áp rộng vô hạn ........................ 119
4.5. Kết quả và bàn luận ................................................................................ 121
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 123
Kết luận chung .............................................................................................. 123
Kiến nghị ....................................................................................................... 125
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...... CT-1
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... TL-1
PHỤ LỤC ................................................................................................... PL-1


viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN
b - chiều rộng tải trọng nền đường đắp
bd - chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng dẻo trong nền đất
B và H - chiều rộng và chiều cao nền đường đắp
c - lực dính đơn vị của đất nền
cu - lực dính đơn vị theo kết quả cắt nhanh không thoát nước của đất nền
e - hệ số rỗng của đất nền
f( ) - hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ma sát trong của đất nền
f(k) - giá trị bền theo điều kiện Morh - Coulomb
G - mô đun trượt của đất nền
h - chiều cao của bệ phản áp
hd - chiều sâu lớn nhất vùng biến dạng dẻo trong nền đất

hhl - chiều cao hợp lý của bệ phản áp
i, j - thứ tự hàng và cột trong lưới sai phân hữu hạn
k - hệ số áp lực ngang của nền đất
L - chiều rộng tải trọng bệ phản áp
Lhl - chiều rộng hợp lý của tải trọng bệ phản áp
N - hệ số sức chịu tải theo trọng lượng thể tích
Nc - hệ số sức chịu tải theo lực dính đơn vị
Nq - hệ số sức chịu tải theo tải trọng bên
n0 - điểm giữa của lưới sai phân hữu hạn tại hàng trên (tại mặt thoáng)
na và ma - số nút lưới sai phân hữu hạn theo trục x và z
p - cường độ tải trọng của nền đường đắp
pgh - tải trọng giới hạn của nền đất
q - cường độ tải trọng của bệ phản áp
qhl - cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp


ix
u - áp lực nước lỗ rỗng đối với đất bão hòa nước
ua, un và u - áp lực khí lỗ rỗng, áp lực nước lỗ rỗng và áp lực lỗ rỗng đối với
đất không bão hòa nước
u và v - các chuyển vị ảo theo phương x và z
V - miền lấy tích phân
za - chiều sâu khu vực tác dụng của tải trọng xe cộ
ZG - lượng cưỡng bức theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss
- góc ma sát trong của đất nền
- trọng lượng thể tích của đất nền
- hệ số nở hông của đất nền
- biến phân
x,

z

và

xz

- các ứng suất tổng trong hệ trục x0z

’ox, ’oz và ’oxz - các ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân nền đất
’x, ’z và ’xz - các ứng suất hữu hiệu trong hệ trục x0z
và

1
đ

và

max
s

2
b-

- các ứng suất chính lớn nhất và bé nhất trong nền đất
trọng lượng thể tích của đất đắp nền đường và bệ phản áp

- ứng suất tiếp lớn nhất

- cường độ chống cắt của đất nền
- ứng suất tiếp và ứng suất pháp trên mặt đang xét

và

x và z - kích thước ô lưới sai phân hữu hạn theo trục x và z
x,

z

và

xz

- các biến dạng ảo tương đối trong hệ trục x0z

- thế năng biến dạng cực tiểu


x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tác dụng, ưu và nhược điểm của giải pháp bệ phản áp ................. 32
Bảng 2.1. Ứng suất hữu hiệu ’x, ’z, ’xz và hệ số áp lực ngang k ............... 57
Bảng 2.2. Ứng suất hữu hiệu ’x, ’z, ’xz và hệ số áp lực ngang k ............... 58
Bảng 2.3. Ứng suất hữu hiệu ’x, ’z, ’xz và hệ số áp lực ngang k ............... 60
Bảng 3.1. Tải trọng giới hạn theo kích thước ô lưới sai phân hữu hạn .......... 81
Bảng 3.2. Tải trọng giới hạn theo kích thước lưới sai phân hữu hạn ............. 82
Bảng 3.3. Tải trọng giới hạn theo tải trọng bên .............................................. 84
Bảng 3.4. Tải trọng giới hạn theo góc ma sát trong của nền đất .................... 84
Bảng 3.5. Tải trọng giới hạn (pgh/c) khi thay đổi chiều rộng tải trọng nền đắp ......86
Bảng 3.6. Tải trọng giới hạn (pgh/c) khi thay đổi trọng lượng thể tích nền đất ......87
Bảng 3.7. Tổng hợp tải trọng giới hạn và kích thước vùng biến dạng dẻo..... 94

Bảng 3.8. Quan hệ giữa chiều rộng tải trọng bệ phản áp với vùng biến dạng dẻo 95
Bảng 3.9. Quan hệ giữa cường độ tải trọng bệ phản áp với vùng biến dạng dẻo 96
Bảng 4.1. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với chiều rộng tải trọng bệ
phản áp .......................................................................................................... 104
Bảng 4.2. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ tải trọng bệ
phản áp .......................................................................................................... 105
Bảng 4.3. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với tải trọng bệ phản áp .. 108
Bảng 4.4. Chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp ............. 110
Bảng 4.5. Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ma sát trong, f( ).................... 116
Bảng 4.6. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ của tải trọng
bệ phản áp rộng vô hạn ................................................................................. 118
Bảng 4.7. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ của tải trọng
bệ phản áp rộng vô hạn (q/c) và góc ma sát trong ( ) .................................. 119


xi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Trắc ngang của nền đường đắp ......................................................... 6
Hình 1.2. Các dạng mất ổn định của nền đường đắp trên nền đất yếu ............. 9
Hình 1.3. Mô hình đàn - dẻo lý tưởng............................................................. 11
Hình 1.4. Ứng suất tác dụng trên phân tố đất ................................................. 12
Hình 1.5. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ............................................... 14
Hình 1.6. Sơ đồ tính toán của bài toán phẳng ................................................. 15
Hình 1.7. Các quy định về mức độ phát triển của vùng biến dạng dẻo .......... 18
Hình 1.8. Vòng Mohr ứng suất tiếp xúc với đường Coulomb ....................... 21
Hình 1.9. Sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt ....................... 22
Hình 1.10. Sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt theo đề nghị
của Berezansev cho đất có trọng lượng .......................................................... 27
Hình 1.11. Các dạng bệ phản áp ..................................................................... 32
Hình 1.12. Vùng biến dạng dẻo dưới nền đường đắp ..................................... 34

Hình 2.1. Ứng suất tác dụng trên phân tố đất ................................................. 39
Hình 2.2. Ứng suất tiếp

max.............................................................................. 43

Hình 2.3. Bài toán phẳng................................................................................. 47
Hình 2.4. Khối đất có mặt thoáng nằm ngang ................................................ 48
Hình 2.5. Sơ đồ lưới sai phân hữu hạn ............................................................ 49
Hình 2.6. Ô lưới sai phân ................................................................................ 50
Hình 2.7. Mô đun trượt ................................................................................... 50
Hình 2.8. Điều kiện biên của khối đất............................................................. 53
Hình 2.9. Lưới sai phân hữu hạn ..................................................................... 55
Hình 2.10. Sơ đồ ẩn tính toán ......................................................................... 55
Hình 2.11. Biểu đồ ứng suất và giá trị bền ..................................................... 58
Hình 2.12. Biểu đồ ứng suất và giá trị bền ..................................................... 59


xii
Hình 2.13. Biểu đồ ứng suất và giá trị bền ..................................................... 61
Hình 2.14. Biểu đồ ứng suất ’z và ’x ........................................................... 62
Hình 2.15. Đường đẳng bền f(k) ..................................................................... 63
Hình 2.16. Sơ đồ các điểm chảy dẻo trên lưới sai phân.................................. 64
Hình 3.1. Bài toán phẳng................................................................................. 67
Hình 3.2. Khối đất có mặt thoáng nằm ngang ................................................ 70
Hình 3.3. Sơ đồ lưới sai phân hữu hạn ............................................................ 71
Hình 3.4. Điều kiện biên của khối đất............................................................. 72
Hình 3.5. Lưới sai phân ................................................................................... 73
Hình 3.6. Sơ đồ ẩn của bài toán ...................................................................... 73
Hình 3.7. Biểu đồ ứng suất ’z và ’x ............................................................. 75
Hình 3.8. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ............................................................. 76

Hình 3.9. Sơ đồ các điểm chảy dẻo trên lưới sai phân.................................... 76
Hình 3.10. Biểu đồ ứng suất ’z và ’x ........................................................... 83
Hình 3.11. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 83
Hình 3.12. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với góc ma sát trong của nền đất 85
Hình 3.13. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với chiều rộng tải trọng nền đắp 86
Hình 3.14. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với trọng lượng thể tích của
nền đất ............................................................................................................. 88
Hình 3.15. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 89
Hình 3.16. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 89
Hình 3.17. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 90
Hình 3.18. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 90
Hình 3.19. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 91
Hình 3.20. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 91
Hình 3.21. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 92
Hình 3.22. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 93


xiii
Hình 3.23. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 93
Hình 3.24. Đồ thị đường đẳng bền f(k) ........................................................... 94
Hình 3.25. Quan hệ giữa chiều rộng tải trọng bệ phản áp với vùng biến
dạng dẻo .......................................................................................................... 96
Hình 3.26. Quan hệ giữa cường độ tải trọng bệ phản áp với vùng biến
dạng dẻo .......................................................................................................... 97
Hình 4.1. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với chiều rộng tải trọng bệ
phản áp ....................................................................................................... 104
Hình 4.2. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ
phản áp .......................................................................................................... 106
Hình 4.3. Toán đồ xác định tải trọng giới hạn của nền đất yếu .................... 109
Hình 4.4. Quan hệ giữa chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ

phản áp .......................................................................................................... 111
Hình 4.5. Đường chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp .. 113
Hình 4.6. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với tải trọng bệ phản áp rộng
vô hạn ............................................................................................................ 119
Hình 4.7. Toán đồ xác định tải trọng giới hạn của nền đất yếu .................... 120


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của đất nước, mạng
lưới đường giao thông được đầu tư xây dựng rất lớn.
Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là các vùng
đồng bằng của sông Hồng, sông Cửu Long và ven biển miền Trung. Ở miền
núi và trung du, đất yếu nằm trong dải trũng rộng, vùng hồ cạn, bãi thềm và
vùng trũng dưới chân núi. Những vùng này dân cư đông đúc và chiếm một vị
trí quan trọng.
Sự mất ổn định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra trên những vùng
đất yếu này, rõ ràng nguyên nhân chủ yếu từ nền đất yếu. Có thể nói rằng sự
hiểu biết chưa đầy đủ về nền đất yếu là nguyên nhân thiết kế nền đường đắp
bị mất ổn định hoặc gây lãng phí tốn kém. Nghiên cứu về nền đất yếu nói
riêng hay nền đất nói chung, xác định trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn
là vấn đề đầu tiên quan trọng.
Lý thuyết tính toán hiện nay thường giả thiết đất là vật liệu đàn hồi, đàn
- dẻo, cứng - dẻo để dựa vào lời giải các bài toán đàn hồi, đàn - dẻo hoặc dựa
theo lý thuyết cân bằng giới hạn với lời giải không xét trọng lượng nền đất đối
với tải trọng móng cứng của L. Prandtl và các phương pháp gần đúng
(phương pháp mặt trượt giả định) xét tới trọng lượng nền đất. Các lý thuyết
này đã giải quyết được nhiều vấn đề cụ thể mà thực tế đặt ra nhưng vẫn còn
những hạn chế.

Tuy vậy, giả thiết đất là một vật liệu mang các tính chất của môi trường
hạt rời là tương đối phù hợp và sử dụng phương pháp đã có xem nền đất ổn
định theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất đạt giá trị nhỏ nhất, xét được trọng


2
lượng bản thân để xác định trạng thái ứng suất sẽ cho ta kết quả phù hợp hơn,
nhưng các nghiên cứu theo phương pháp này còn ít.
Trạng thái ứng suất của nền đất phụ thuộc không những vào tính chất địa
kỹ thuật của nền đất mà còn phụ thuộc vào đặc tính của công trình hay tải
trọng ngoài. Do nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đắp được
xem như là dưới tác dụng của móng mềm, vì thế không thể áp dụng cách tính
là dưới tác dụng của móng cứng như hiện nay sử dụng. Nghiên cứu xây dựng
và giải bài toán trạng thái ứng suất của nền đất tự nhiên dưới tải trọng móng
mềm, đặc biệt nghiên cứu ở trạng thái giới hạn để từ đó xác định tải trọng giới
hạn của nền đất làm cơ sở thiết kế nền đường đắp là vấn đề mới và cấp thiết.
Bệ phản áp là một giải pháp lâu đời được sử dụng nhiều, thực tế đã
chứng minh hiệu quả tăng cường ổn định, đặc biệt làm tăng tải trọng giới hạn
của nền đất yếu. Với công nghệ thi công đơn giản và tận dụng được vật liệu
tại chỗ, bệ phản áp đã được xây dựng với nền đường đắp qua vùng đất yếu và
sửa chữa nền đường mất ổn định. Tuy nhiên, tính toán thiết kế bệ phản áp của
nền đường đắp còn dựa vào kinh nghiệm và các phương pháp gần đúng. Do
đó, có thể dùng cách tính toán mới về tải trọng giới hạn của nền đất chịu tải
trọng móng mềm để khảo sát ảnh hưởng của bệ phản áp, hợp lý hoá thiết kế
kích thước, khắc phục nhược điểm để có thể vận dụng tiết kiệm và hiệu quả
vào thực tế.
Từ những vấn đề nêu trên đặt ra việc nghiên cứu xác định trạng thái ứng
suất giới hạn trong nền đất yếu nói riêng, nền đất tự thiên nói chung với
những giả thiết hợp lý hơn với thực tế làm việc của nền đất chịu tác dụng của
tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp sẽ góp phần bổ sung lý thuyết nghiên

cứu, góp phần tích cực vào thực tế xây dựng nền đường đắp và mạng lưới
giao thông ngày nay.


3
2. Mục đích nghiên cứu
Xác định trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự thiên dưới tác
dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp, với giả thiết nền đất mang
tính chất của môi trường hạt rời và ổn định theo điều kiện ứng suất tiếp lớn
nhất đạt giá trị nhỏ nhất, nền đất tự nhiên chịu tác dụng của tải trọng móng
mềm và tìm phương pháp toán hợp lý để xét trọng lượng bản thân nền đất.
Từ bài toán trạng thái ứng suất giới hạn, nghiên cứu bệ phản áp làm tăng
tải trọng giới hạn (sức chịu tải) của nền đất yếu.
3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu bài toán phẳng để xác định trạng thái ứng suất, đặc biệt ở
trạng thái giới hạn trong nền đất tự nhiên đồng nhất có mặt thoáng nằm
ngang, có xét trọng lượng bản thân nền đất, dưới tác dụng của tải trọng nền
đường đắp và bệ phản áp.
Trạng thái ứng suất nghiên cứu là ứng suất hữu hiệu.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết bài toán xác định trạng thái ứng suất của nền đất.
Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn và lập trình bằng ngôn ngữ Matlab để
giải, với thuật toán được dùng là quy hoạch phi tuyến. Bài toán được đánh giá
bằng cách so sánh với một số kết quả đã có.
5. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan nền đường đắp, nền đất yếu, trạng thái ứng suất và tải trọng
giới hạn của nền đất khi chịu tải trọng ngoài và giải pháp dùng bệ phản áp làm
tăng tải trọng giới hạn.
- Nghiên cứu xác định trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới tác
dụng của trọng lượng bản thân và tải trọng nền đường đắp, nội dung gồm:

+ Xây dựng bài toán; giải bài toán bằng phương pháp sai phân hữu
hạn và lập chương trình tính toán bằng ngôn ngữ Matlab;


4
+ Trạng thái ứng suất của nền đất tự nhiên mặt thoáng nằm ngang,
chịu trọng lượng bản thân (không chịu tác dụng của tải trọng ngoài) và dưới
tác dụng của tải trọng nền đường đắp;
+ Khảo sát sự xuất hiện và phát triển của vùng biến dạng dẻo trong
nền đất.
- Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự nhiên dưới tác
dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp, nội dung gồm:
+ Xây dựng bài toán bằng cách sử dụng hệ so sánh là trạng thái ứng
suất của nền đất tự nhiên chỉ chịu tác dụng của trọng lượng bản thân; giải bài
toán bằng phương pháp sai phân hữu hạn và lập chương trình tính toán bằng
ngôn ngữ Matlab;
+ Đánh giá ảnh hưởng của kích thước ô lưới và lưới sai phân hữu
hạn đến kết quả bài toán;
+ So sánh kết quả bài toán với của L. Prandtl;
+ Khảo sát ảnh hưởng của trọng lượng nền đất, chiều rộng tải trọng
ngoài đến tải trọng giới hạn;
+ Khảo sát vùng biến dạng dẻo và ảnh hưởng của tải trọng bệ phản
áp đến vùng biến dạng dẻo trong nền đất ở trạng thái giới hạn.
- Nghiên cứu bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn nền đất yếu dưới nền
đường đắp, nội dung gồm:
+ Khảo sát ảnh hưởng của bệ phản áp đến tải trọng giới hạn (sức
chịu tải) của nền đất yếu;
+ Xác định chiều rộng và cường độ hợp lý của bệ phản áp;
+ Xây dựng các toán đồ phục vụ thuận tiện thiết kế bệ phản áp.
6. Bố cục của luận án

Gồm các phần như sau:
- Mở đầu;


5
- Chương 1. Tổng quan về trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn của
nền đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp;
- Chương 2. Nghiên cứu trạng thái ứng suất trong nền đất tự nhiên dưới
tác dụng của trọng lượng bản thân và tải trọng nền đường đắp;
- Chương 3. Nghiên cứu trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất tự
nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp;
- Chương 4. Nghiên cứu bệ phản áp để làm tăng tải trọng giới hạn của
nền đất yếu dưới tải trọng nền đường đắp;
- Kết luận và kiến nghị.


6
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ TẢI TRỌNG
GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT TỰ NHIÊN DƢỚI TÁC DỤNG
CỦA TẢI TRỌNG NỀN ĐƢỜNG ĐẮP
1.1. Nền đƣờng đắp
Nền đường nói chung hay nền đường ô tô nói riêng thường là một công
trình bằng đất, có tác dụng khắc phục địa hình tự nhiên nhằm tạo nên một dải
đủ rộng dọc theo tuyến đường có các tiêu chuẩn về bình đồ, trắc dọc, trắc
ngang và làm cơ sở cho áo đường.
Nền đường gồm có loại nền đường đào, nền đường đắp và nền đường
nửa đào nửa đắp. Khi đường đi qua các vùng thấp như chiêm trũng, khe sâu
hoặc đi qua các vùng đất yếu… thường phải làm nền đường đắp. Về cơ bản,
cấu tạo trắc ngang của nền đường đắp như hình 1.1.

Hình 1.1. Trắc ngang của nền đường đắp
(1 - nền đất tự nhiên; 2 - nền đường đắp)
Trong hình 1.1 ký hiệu: B và H là chiều rộng và chiều cao nền đắp; 1/m
là độ dốc ta luy nền đắp. Hiện nay, bề rộng nền đường ô tô được thiết kế B
6,0 m [34], [35]; thông thường độ dốc ta luy đắp được chọn 1/1,5. Chiều cao
nền đường đắp tối thiểu phải từ 1,2 ÷ 1,5 m kể từ chỗ tiếp xúc với đất yếu
[33].
Các hướng dẫn và yêu cầu thiết kế, thi công nền đường ô tô ở Việt Nam
trong tiêu chuẩn: Đường ô tô - Yêu cầu thiết kế - TCVN 4054:2005 và các tài


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full