Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng của hào bentonite chống thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian dài tập trung nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, tác
giả đã hoàn thành luận văn đúng thời hạn theo quy định nhà trường đã giao.
Có được kết quả trên, trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến
thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Cảnh Thái đã dành nhiều thời gian, tâm huyết, tận
tình hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các giảng viên khoa sau Đại học,
trường Đại học Thủy lợi đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức
tới tác giả trong suốt quá trình học tập ở Đại học cũng như trong quá trình học
Cao học.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban giám đốc Sở NN&PTNT Nghệ
An, Phòng QLXD cơng trình đã tạo điều điện thuận lợi về thời gian để tác giả
có thời gian nghiên cứu và hồn thành luận văn này
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến Gia đình đã ni dưỡng, động viên
và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, những
người đã luôn nhiệt tình giúp đỡ tác giả để hồn thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2012

Vũ Quý Phát


LỜI CAM KẾT

Tên tôi là: Vũ Quý Phát
Học viên lớp: 18C21
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Những nội
dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào.

Tác giả luận văn

Vũ Quý Phát


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................... 1
I. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG ........ 3
1.1. Vai trò của nguồn nước và đập đất ......................................................... 3
1.2. Các sự cố cơng trình do dòng thấm gây ra......................................... 4
1.3. Những biện pháp chống thấm khi xây dựng cơng trình mới ........... 7
1.3.1 Chống thấm thân đập............................................................................ 7
1.3.2. Chống thấm cho nền đập ................................................................... 10
1.4. Những biện pháp chống thấm cho cơng trình đã xây dựng ........... 12
1.4.1. Chống thấm cho đập đất bằng vải địa kỹ thuật................................. 12
1.4.2. Chống thấm bằng công nghệ khoan phụt chống thấm ...................... 13
1.4.3. Chống thấm bằng công nghệ tường hào Bentonite ........................... 17
1.4.4. Công nghệ chống thấm bằng tường hào đất-bentonite……………...20
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT- BIẾN
DẠNG TƯỜNG HÀO ĐẤT - BENTONITE........................................... 27
2.1. Trạng thái ứng suất- biến dạng hào đất- bentonite và đất nền..... 27
2.1.1. Trạng thái ứng suất tại chỗ ở đất đắp từ hỗn hợp đất-bentonite ...... 27
2.1.2 Biến dạng của Tường chống thấm đất-bentonite và phần đất xung
quanh ........................................................................................................... 32
2.2. Các phương pháp tính tốn ứng suất- biến dạng ............................ 37
2.3. Giải bài toán ứng suất- biến dạng bằng phương pháp PTHH ....... 38
2.3.1. Nội dung cơ bản phương pháp phần tử hữu hạn............................... 38
2.3.2. Giải bài toán US - BD và cố kết bằng phương pháp PTHH ............ 38
2.4. Các mơ hình vật liệu trong phương pháp PTHH ............................ 48
2.4.1 Mơ hình đàn hối tuyến tính................................................................. 48

2.4.2 Mơ hình Mohr – Coulomb (mơ hình dẻo tuyệt đối)............................ 49
2.4.3. Mơ hình đất mềm (soft – soil)............................................................ 49
2.4.4. Mơ hình Hardening soil (Mơ hình tăng bền kép) .............................. 49
2.4.5. Mơ hình tương tác giữa tường hào và đất trong PP PTHH.............. 51
2.5. Lựa chọn mơ hình vật liệu trong tính tốn ...................................... 51
2.6. Lựa chọn phần mềm tính toán .......................................................... 51
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG
CỦA TƯỜNG HÀO ĐẤT- BENTONITE............................................... 52
3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................ 52
3.2. Ảnh hưởng của bề rộng hào đến ứng suất- biến dạng hào đấtbentonite trong quá trình cố kết............................................................... 52
3.2.1. Mặt cắt điển hình tính tốn................................................................ 52
3.2.2. Chỉ tiêu cơ lý trong tính tốn............................................................. 53
3.2.3. Mơ hình hóa các bước tính tốn trong tổ hợp................................... 54
3.2.4. Kết quả tính toán ............................................................................... 56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................... 82
1. KẾT LUẬN.............................................................................................. 82
2. NHỮNG HẠN CHẾ ................................................................................ 83
3. KIẾN NGHỊ............................................................................................. 83


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sự cố thấm mái hạ lưu đập Am Chúa- Khánh Hịa......................... 5
Hình 1.2. Mạch sủi hạ lưu đập Am Chúa- Khánh Hịa.................................... 5
Hình 1.3. Sình lầy do thấm hạ lưu đập Kim Sơn- Hà Tĩnh .............................. 6
Hình 1.6. Đập đất đồng chất có tường răng. ................................................. 10
Hình 1.7. Đập có tường nghiêng chân răng, tường lõi chân răng ................ 11
Hình 1.8. Chống thấm cho nền bằng bản cọc ................................................ 11

Hình 1.9. Chống thấm bằng tường nghiêng sân phủ ..................................... 12
Hình 1.10. Chống thấm bằng vải địa kĩ thuật ................................................ 13
Hình 1.11. Nguyên lý một số cơng nghệ khoan phụt chống thấm.................. 14
Hình 1.12. Phạm vi ứng dụng của các loại khoan phụt ................................. 14
Hình 1.13. Sơ đồ khoan phụt có nút bịt.......................................................... 15
Hình 1.14. Thi cơng cọc xi măng đất ............................................................. 16
Hình 1.16. Thi cơng hào chống thấm ............................................................. 20
Hình 1.17. Một số cơng trình hào đất- bentonite được xây dựng .................. 23
Hình 2.1 Ảnh hưởng của áp lực cố kết đến hệ số thấm.................................. 27
Hình 2.2. Đồ thị ứng suất theo chiều sâu của hào ........................................ 29
Hình 2.3. Biến dạng nền do thi cơng tường hào. ........................................... 32
Hình 2.4. Lún của nền lân cận do thi cơng tường hào (Cowland and Thorley
1985)................................................................................................................ 34
Hình 2.5. Ứng suất hiệu quả trong hào đất theo chiều rộng ......................... 37
Hình 2.6. Các điều kiện biên ......................................................................... 41
Hình 2.7 Sơ đồ xác định lượng nước thấm qua biên..................................... 46
Hình 3.1. Mơ hình sử dụng plaxis trong tính tốn ......................................... 53
Hình 3.2. Mơ hình lưới phần tử trong tính tốn............................................. 55
Hình 3.3. Phát sinh áp lực lỗ rỗng ban đầu ................................................... 55


Hình 3.4. Phát sinh ứng suất hiệu quả ban đầu ............................................. 56
Hình 3.5. Lưới chuyển vị hào B=,12m sau cố kết 30 ngày ............................ 57
Hình 3.6. Chuyển vị đứng hào B=1,2m sau cố kết 30 ngày.......................... 57
Hình 3.7. Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kêt 30 ngày ....................... 58
Hình 3.8. Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kết 30 ngày ........................ 58
Hình 3.9. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,2m sau cố kết 30 ngày ... 59
Hình 3.10. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,2m sau cố kết 30 ngày .............. 59
Hình 3.11. Lưới chuyển vị hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày .......................... 60
Hình 3.12. Chuyển vị đứng hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày......................... 60

Hình 3.13. Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kêt 60 ngày ..................... 61
Hình 3.14. Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày ...................... 61
Hình 3.15. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày . 62
Hình 3.16. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,2m sau cố kết 60 ngày .............. 62
Hình 3.17. Lưới chuyển vị hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày .......................... 63
Hình 3.18. Chuyển vị đứng hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày......................... 63
Hình 3.19. Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kêt 90 ngày ..................... 64
Hình 3.20. Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày ...................... 64
Hình 3.21. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày . 65
Hình 3.22. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,2m sau cố kết 90 ngày .............. 65
Hình 3.23. Lưới chuyển vị hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày ........................ 66
Hình 3.24. Chuyển vị đứng hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày....................... 66
Hình 3.25. Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kêt 180 ngày ................... 67
Hình 3.26. Ứng suất tổng σy hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày .................... 67
Hình 3.27. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày68
Hình 3.28. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,2m sau cố kết 180 ngày ............ 68
Hình 3.29. Chuyển vị mặt hào B=0,9m theo thời gian……………………..…69


Hình 3.30. Chuyển vị mặt hào B=1,2m theo thời gian .................................. 72
Hình 3.31. Chuyển vị mặt hào B=1,5m theo thời gian .................................. 73
Hình 3.32. Chuyển vị mặt hào B=1,8m theo thời gian .................................. 75
Hình 3.33. Ứng suất, chuyển vị hào sau thời gian cố kết 30 ngày................. 76
Hình 3.34. Ứng suất, chuyển vị hào sau thời gian cố kết 60 ngày................. 77
Hình 3.35. Ứng suất, chuyển vị hào sau thời gian cố kết 90 ngày................. 78
Hình 3.36. Ứng suất, chuyển vị hào sau thời gian cố kết 180 ngày............... 79
Hình 3.37. Kết quả quan trắc lún…………………………………………………80
Hình 3.38. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng tín-18
-20
-22

H (m)

Hình 1.12. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=0,9m sau cố kết 90 ngày


Hình 1.13. Lưới chuyển vị hào B=0,9m sau cố kết 180 ngày
BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 180 NGÀY

H (m )
0
-0.1

-2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

M/c sát hào
M/c 1/4 hào
M/c giữa hào

-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22

Uy (m )

Hình 1.14. Chuyển vị đứng hào B=0,9m sau cố kết 180 ngày


Hình 1.15. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=0,9m sau cố kết 180 ngày
ỨN G S UẤT H IỆU Q UẢ T H ẲN G ĐỨN G C Ố KẾT 18 0 N G À Y
ứng suất ( KN / m2 )

M /c sát hào

0
-50

-40

-30

-20

-10

0

M /c giữa hào

-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22

H ( m)

Hình 1.16. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=0,9m sau cố kết 180 ngày


2) Trường hợp B=1,5m

Hình 2.1. Lưới chuyển vị hào B=1,5m sau cố kết 30 ngày
CHUYỂN VỊ THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 30 NGÀY

H (m )
0
-0.1

-2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-4

M/c sát hào

-6

M/c 1/4 hào

-8

M/c giữa hào

-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22

Uy (m )

Hình 2.2. Chuyển vị đứng hào B=1,5m sau cố kết 30 ngày


Hình 2.3.. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,5m sau cố kết 30 ngày
ỨN G S U ẤT H I ỆU Q U Ả T H ẲN G ĐỨN G C Ố K ẾT 3 0 N G À Y
ứng s u ất ( KN / m 2
0
-50

-40

-30

-20

-10

0 -2
-4

M /c sát hào
M /c giữa hào

-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22

H ( m)

Hình 2.4. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,5m sau cố kết 30 ngày


Hình 2.5. Lưới chuyển vị hào B=1,5m sau cố kết 60 ngày

H (m )

BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 60 NGÀY

0
-0.1

-2 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

M/c sát hào
M/c 1/4 hào

-4

M/c giữa hào

-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20

Uy (m )

-22

Hình 2.6. Chuyển vị đứng hào B=1,5m sau cố kết 60 ngày


Hình 2.7. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,5m sau cố kết 60 ngày

ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 60 NGÀY
ứng suất ( KN / m2 )
0
-50

-40

-30

-20

-10

0

M /c sát hào

-2
M /c giữa hào

-4
-6
-8
-10

-12
-14
-16
-18
-20
-22

H ( m)

Hình 2.8. - B=1,5m sau cố kết 60 ngày


Hình 2.9. Lưới chuyển vị hào B=1,5m sau cố kết 90 ngày
BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 90 NGÀY

H (m)
0
-0.1

-2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

M/c sát hào
M/c 1/4 hào

-4

M/c giữa hào

-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20

Uy (m)

-22

Hình 2.10. Chuyển vị đứng hào B=1,5m sau cố kết 90 ngày


Hình 2.11. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,5m sau cố kết 90 ngày
ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 90 NGÀY

ứng suất (KN/m 2)
-50

-40

-30

-20

-10

0
0 -2
-4

M /c sát hào
M /c giữa hào

-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22 H (m )

Hình 2.12 Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,5m sau cố kết 90 ngày

Hình 2.13. Lưới chuyển vị hào B=1,5m sau cố kết 180 ngày
BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 180 NGÀY

H (m )
0
-0.1

-2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

-4
-6
-8
M/c sát

-10

M/c 1/4

-12

M/c giữa

-14
-16
-18
-20

Uy (m )

-22

Hình 2.14. Chuyển vị đứng hào B=1,5m sau cố kết 180 ngày


Hình 2.15. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,5m sau cố kết 180 ngày
ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 180 NGÀY
ứng suất (KN/m 2)
-50

-40

-30

-20

-10

0
0 -2
-4

M / c sát hào
M / c giữa hào

-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22 H (m )

Hình 2.16. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,5m sau cố kết 180 ngày


3) Trường hợp B=1,80m

Hình 3.1. Lưới chuyển vị hào B=1,8m sau cố kết 30 ngày
CHUYỂN VỊ THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 30 NGÀY

H (m)

0
-0.1

-2 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

-4
-6

m/c sát hào

-8

M/c giữa hào

-10

M/c 1/4 hào

-12
-14
-16
-18
-20

Uy (m)

-22

Hình 3.2. Chuyển vị đứng hào B=1,8au cố kết 30 ngày


Hình 3.3. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,8m sau cố kết 30 ngày
ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 30 NGÀY
ứn g su ất ( K N / m 2

M /c sát hào

0
-50

-40

- 30

-20

- 10

0

-2
-4

M /c giữa hào

-6
-8
- 10
- 12
- 14
- 16
- 18
- 20
- 22

H ( m)

Hình 3.4. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,8m sau cố kết 30 ngày


Hình 3.5. Lưới chuyển vị hào B=1,8m sau cố kết 60 ngày
H (m)

CHUYỂN VỊ THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 60 NGÀY
0

-0.1

-2 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

-4
-6

M/c sát hào

-8

M/c 1/4 hào

-10

M/c giữa hào

-12
-14
-16

-18
-20

Uy (m)

-22

Hình 3.6. Chuyển vị đứng hào B=1,8m sau cố kết 60 ngày


Hình 3.7. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,8m sau cố kết 60 ngày
ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 60 NGÀY

ứng su ất ( KN / m 2

0
-50

-40

-30

-20

-10

0

-2

M /c sát hào

-4
-6

M /c giữa hào

-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22

H ( m)

Hình 3.8. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,8m sau cố kết 60 ngày


Hình 3.9. Lưới chuyển vị hào B=1,8m sau cố kết 90 ngày
ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 90 NGÀY
ứng su ất ( KN / m 2
M / c sát hào

0
-50

-40

-30

-20

-10

0
-2

M / c giữa hào

-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22

H ( m)

Hình 3.10. Ứng suất tổng σy hào B=1,8m sau cố kết 90 ngày


Hình 3.11.Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,8m sau cố kết 90 ngày
ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ THẲNG ĐỨNG CỐ KẾT 90 NGÀY

ứng su ất ( KN / m 2
M / c sát hào

0
-50

-40

-30

-20

-10

0
-2

M / c giữa hào

-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22

H ( m)

Hình 3.12. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,8m sau cố kết 90 ngày


Hình 3.13. Lưới chuyển vị hào B=1,8m sau cố kết 180 ngày
BIẾN DẠNG THẲNG ĐỨNG HÀO CỐ KẾT 180 NGÀY

H (m)
0
-0.1

-2 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7
M/c sát hào

-4

M/c 1/4 hào

-6

M/c giữa hào

-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20

Uy (m)

-22

Hình 3.14. Chuyển vị đứng hào B=1,8m sau cố kết 180 ngày


Hình 3.15. Ứng suất hiệu quả thẳng đứng hào B=1,8m sau cố kết 180 ngày
ỨN G S U ẤT H I ỆU Q U Ả T H ẲN G ĐỨN G C Ố K ẾT 18 0 N G À Y
ứng s u ất ( KN / m 2
0
-50

-40

-30

-20

-10

0

-2

M /c sát hào

-4

M /c giữa hào

-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22

H (m)

Hình 3.16. Ứng suất hiệu quả σ'y hào B=1,8m sau cố kết 180 ngày