Tổng quan luận án
Bài toán ổn định mố cầu trên móng nông là nội dung quan trọng trong thiết kế và thi công công trình cầu. Mố cầu đảm nhận đồng thời nhiều chức năng: đỡ kết cấu nhịp, truyền tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang xuống đất nền, làm kết cấu chuyển tiếp êm thuận từ đường vào cầu, đồng thời đóng vai trò như tường chắn đất chịu áp lực đất đắp, hướng dòng chảy và chống xói lở bờ sông. Các bộ phận chính của mố cầu bao gồm tường đỉnh, mũ mố, tường thân, tường cánh, bệ mố và tứ nón mố.
Thực tế xây dựng và khai thác ghi nhận nhiều sự cố trượt mố nghiêm trọng gây sụp đổ công trình:
- Cầu O Ro (tỉnh Cà Mau) đưa vào khai thác năm 2013, bị sụp đổ hoàn toàn vào ngày 05/8/2016 do mố cầu mất ổn định.
- Cầu Vàm Cống trong quá trình xây dựng (ngày 20/8/2016) ghi nhận mố cầu dịch chuyển về phía sông 19 mm do nền đất đạt trạng thái giới hạn.
- Cầu dây văng Bình Phong Thạnh qua sông Vàm Cỏ Tây (huyện Mộc Hóa, tỉnh Long An) vào ngày 06/10/2015 bị đổ ụp một mố xuống sông trong giai đoạn bắc nhịp do nền đất yếu.
- Sự cố trượt sâu mố cầu tại xã Vĩnh Bình (huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An) ngày 27/5/2015 xảy ra ngay trong giai đoạn thi công.
- Cầu Nặm Sương trên Quốc lộ 13N (lý trình 402+500, tỉnh Luông Pha Bang, CHDCND Lào) xảy ra sự cố trượt sâu mố A1 vào tháng 8/2018 do móng nông chịu ảnh hưởng của nước ngầm kết hợp lưu lượng xe tăng cao.
Theo các quy trình và tiêu chuẩn thiết kế như 22TCN-18-79, 22TCN 272-05, TCVN 11823:2017 và AASHTO, việc kiểm toán mố cầu trên móng nông tập trung vào ba bài toán: ổn định chống lật, ổn định chống trượt phẳng đáy móng và ổn định trượt sâu. Trong đó, ổn định trượt sâu có cơ chế phá hoại phức tạp và ít được xem xét cụ thể trong thực hành thiết kế.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) nhằm xây dựng phương pháp tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng động trong cả giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác.
Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 5 nhiệm vụ:
- Nghiên cứu làm rõ đặc điểm của phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát trong tính toán ổn định mái dốc.
- Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông chịu tác dụng của tải trọng tĩnh, tải trọng động trong giai đoạn thi công.
- Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông chịu tác dụng của tải trọng tĩnh, tải trọng động trong giai đoạn khai thác.
- Xây dựng thuật toán, chương trình tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông chịu tác dụng của tải trọng tĩnh, tải trọng động trong cả giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác.
- Ứng dụng chương trình tính khảo sát tính toán đánh giá ổn định mố cầu trên móng nông.
Đối tượng nghiên cứu: Mố cầu đặt trên móng nông.
Phạm vi và giả thiết nghiên cứu:
- Đất nền và đất đắp sau mố ứng xử như vật liệu cứng - dẻo lý tưởng.
- Đất nền khảo sát trong phạm vi hai lớp đất: lớp đất tự nhiên và lớp đất đắp sau lưng mố.
- Không xét đến sự thay đổi thể tích của đất trong quá trình biến dạng.
- Không xét đến ảnh hưởng đồng thời của nước ngầm trong bài toán phân tích động đất.
- Không xét đến biến dạng nội tại của các khối trượt rời rạc.
- Chưa xét đến tương tác làm việc đồng thời giữa kết cấu nhịp và hệ mố trụ cầu.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các phương pháp tính toán ổn định trượt sâu mố cầu hiện nay phát triển dựa trên lý thuyết ổn định mái dốc và được phân chia thành hai nhóm chính:
Nhóm phương pháp phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng (tiêu biểu là phương pháp phần tử hữu hạn của Wymyslowski và các mô hình số): Phương pháp này mô tả sự hình thành và phát triển của các vùng biến dạng dẻo theo tiến trình gia tải mà không cần giả thiết trước hình dạng mặt trượt. Tuy nhiên, phương pháp đòi hỏi nhiều thông số đầu vào phức tạp (mô đun đàn hồi, hệ số Poisson) cần xác định qua các thí nghiệm chuyên dụng, đồng thời khối lượng tính toán lớn dễ tích lũy sai số.
Nhóm phương pháp cân bằng giới hạn (LEM): Phương pháp chỉ xét trạng thái giới hạn phá hoại của đất với các thông số đầu vào cơ bản (trọng lượng thể tích $\gamma$, lực dính $c$, góc ma sát trong $\varphi$). Các phương pháp cổ điển bao gồm:
- Phương pháp Swedish ($\varphi = 0$): Áp dụng cho mái dốc đồng nhất hoặc không đồng nhất trong điều kiện ngắn hạn, giả định mặt trượt trụ tròn.
- Phương pháp Log-Spiral: Giả thiết mặt trượt có dạng đường xoắn ốc logarit, loại bỏ mô men của ứng suất pháp và ứng suất tiếp đối với tâm trượt.
- Phương pháp đường tròn ma sát (Abramson và cộng sự, 1996): Áp dụng cho đất có $\varphi > 0$ với bán kính đường tròn ma sát $R_f = R \sin\varphi_m$.
- Các phương pháp phân mảnh thẳng đứng: Phương pháp Fellenius (1936) bỏ qua tương tác lực giữa các mảnh; phương pháp Bishop giản đơn (1955) giả thiết lực giữa các mảnh nằm ngang; phương pháp Janbu giản đơn (1957) và Janbu tổng quát GPS (1957) áp dụng cho mặt trượt bất kỳ; phương pháp Spencer (1967) giả thiết lực tương tác giữa các mảnh song song; phương pháp Morgenstern - Price (1965) thiết lập hàm quan hệ giữa lực cắt và lực pháp tuyến biên; phương pháp Sarma (1973) tích hợp hệ số gia tốc động đất ngang $k_c$.
Về lý thuyết cơ học đất, Sokolovsky (1960) đã chứng minh khi môi trường đất đạt trạng thái cân bằng giới hạn, trong lăng thể trượt xuất hiện đồng thời hai họ đường trượt xiên góc với nhau. Các phương pháp LEM truyền thống chỉ xét điều kiện trượt trên mặt đáy lăng thể trượt (một họ đường trượt) và thường áp đặt mặt trượt phẳng hoặc trụ tròn. Để giải quyết hạn chế này, Enoki (1990), Chao-Jun Ouyang và Chuanzhi Huang đã đề xuất phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM). GLEM chia lăng thể trượt thành các khối đa giác, cho phép điều kiện trượt thỏa mãn đồng thời trên cả mặt đáy và các mặt tiếp xúc giữa các khối.
Trong lĩnh vực công trình cầu, Young-Suk Song & Tae-Hyung Kim (2009) nghiên cứu dịch chuyển ngang mố cầu móng cọc trên đất yếu bằng phương pháp Bishop/Fellenius; Emad Farouz và cộng sự (2007) khảo sát trượt mố cầu móng cọc trong tầng đá phong hóa. Về ứng dụng GLEM, Trần Nhật Thăng và cộng sự (2016) đã phát triển GLEM để tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông, nhưng mới chỉ giải quyết cho giai đoạn khai thác chịu tải trọng tĩnh.
Khoảng trống học thuật mà luận án giải quyết là mở rộng phương pháp GLEM để tính toán toàn diện bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông cho cả giai đoạn thi công (xét áp lực đất đắp, tải trọng xe thi công, tải trọng động đất) và giai đoạn khai thác (xét tĩnh tải, hoạt tải xe trên nhịp và sau mố, áp lực nước ngầm và động đất).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp phương pháp giải tích cơ học và phương pháp mô phỏng số:
Cơ sở lý thuyết:
- Sử dụng lý thuyết cân bằng giới hạn tổng quát GLEM mở rộng: Tích hợp khối mố cứng làm bằng bê tông cốt thép vào hệ thống lăng thể trượt nhiều lớp đất. Lăng thể trượt được rời rạc hóa thành $n$ khối trượt tam giác và tứ giác.
- Sử dụng điều kiện bền Mohr - Coulomb trên mặt đáy và mặt biên giữa các khối trượt:
- Lực cắt giới hạn đáy khối: $T_i = N_i \tan\varphi_i + c_i S_i B$
- Lực cắt giới hạn mặt giữa khối: $V_i = H_i \tan\varphi_{bi} + c_{bi} R_i B$
Trong đó $B$ là bề rộng tính toán của mố cầu, $S_i$ và $R_i$ là chiều dài mặt đáy và mặt giữa khối thứ $i$.
Phương pháp giải tích:
- Thiết lập hệ phương trình cân bằng tĩnh học lực pháp tuyến ($N$) và tiếp tuyến ($T$) cho từng khối trượt đơn lẻ (khối đất thông thường thứ $i$, khối mố thứ $M$ và khối biên thứ $n$).
- Hệ phương trình tổng thể gồm $(4n - 1)$ phương trình với $(5n - 2)$ ẩn số. Để khép kín hệ phương trình, luận án đưa ra hai giả định về hệ số an toàn giữa các khối $F_{si}$:
- $F_{si} = \infty$: Biến dạng trượt chỉ xuất hiện tại mặt đáy lăng thể trượt, hệ số an toàn đáy tương ứng là $F_{s\min}$.
- $F_{si} = F_s = F_{s\text{med}}$: Biến dạng trượt xảy ra đồng thời trên cả mặt đáy và các mặt tiếp xúc giữa các khối trượt.
| Thành phần phương trình / Ẩn số |
Số lượng phương trình |
Thành phần ẩn số |
Số lượng ẩn số |
| Cân bằng lực theo phương $N_i$ |
$n$ |
Lực pháp tuyến đáy $N_i$ |
$n$ |
| Cân bằng lực theo phương $T_i$ |
$n$ |
Lực tiếp tuyến đáy $T_i$ |
$n$ |
| Điều kiện phá hoại mặt đáy |
$n$ |
Lực pháp tuyến biên $H_i$ |
$n - 1$ |
| Điều kiện phá hoại mặt giữa khối |
$n - 1$ |
Lực tiếp tuyến biên $V_i$ |
$n - 1$ |
| - |
- |
Hệ số an toàn đáy $F_s$ |
$1$ |
| - |
- |
Hệ số an toàn biên $F_{si}$ |
$n - 1$ |
| Tổng cộng |
$4n - 1$ |
Tổng cộng |
$5n - 2$ |
Phương pháp tính toán số:
- Ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn kết hợp thuật toán lặp Newton để giải bài toán tối ưu hóa phi tuyến tìm vị trí tọa độ các nút đáy $J_1, J_2, \dots, J_{n+1}$, xác định mặt trượt nguy hiểm nhất tương ứng với giá trị $F_s$ nhỏ nhất.
- Lập trình tự động hóa quy trình tính toán trên nền tảng nội hàm Solver của Microsoft Excel.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết tính toán ba trạng thái mất ổn định của mố cầu trên móng nông:
- Tính toán ổn định chống lật: Hợp lực đứng $N = \sum_{i=1}^7 P_i$ (với $P_1$ là tải trọng từ kết cấu nhịp truyền qua gối cầu, $P_2 \dots P_7$ là trọng lượng các bộ phận mố), hợp lực ngang $H = T_1 + T_2$, độ lệch tâm $e = M/N$. Điều kiện ổn định yêu cầu mô men gây lật $M$ nhỏ hơn mô men giới hạn $M_{gh} = N' \cdot y \cdot m$, với hệ số điều kiện làm việc $m = 0,8$ (móng trên nền đá) và $m = 0,7$ (móng trên nền đất).
- Tính toán ổn định chống trượt phẳng: Điều kiện $H' \le m \cdot N \cdot f$, với $m = 0,8$ và hệ số ma sát đáy móng $f$ được quy định cụ thể theo loại đất nền.
| STT |
Loại đất nền |
Hệ số ma sát $f$ |
| 1 |
Đất sét và đá bề mặt trơn phẳng (trạng thái ướt) |
0,25 |
| - |
Đất sét và đá bề mặt trơn phẳng (trạng thái khô) |
0,30 |
| 2 |
Đất sét pha và cát pha sét |
0,30 |
| 3 |
Đất cát |
0,40 |
| 4 |
Đất cuội sỏi |
0,50 |
| 5 |
Tầng lớp đá mặt không trơn phẳng |
0,60 |
- Tính toán ổn định trượt sâu: Phân tích cơ chế hình thành lăng thể trượt cung tròn và các hạn chế của phương pháp phân mảnh truyền thống; tổng kết các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết của Fellenius, Bishop, Janbu, Spencer, Morgenstern - Price, Sarma và Enoki.
Chương 2: Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công
Chương 2 thiết lập mô hình toán học giải bài toán trượt sâu trong giai đoạn thi công cho ba trường hợp tải trọng:
Trường hợp 1: Chịu tác dụng của áp lực đất đắp sau lưng mố. Lăng thể trượt gồm khối mố $M$ (có trọng lượng bản thân $Q_M = Q_{M1} + Q_{M2} + Q_{M3} + Q_{M4} + Q_{M5}$ và trọng lượng đất trong lòng mố $W_M$) cùng các khối đất tự nhiên và đất đắp. Thiết lập hệ phương trình cân bằng hình chiếu cho khối thứ $i$, khối mố $M$ và khối biên $n$:
- Khối thứ $i$:
$$H_i \sin(\alpha_i - \theta_i) + V_i \cos(\alpha_i - \theta_i) - H_{i+1} \sin(\alpha_i - \theta_{i+1}) - V_{i+1} \cos(\alpha_i - \theta_{i+1}) - W_i \cos\alpha_i + N_i = 0$$
$$-H_i \cos(\alpha_i - \theta_i) + V_i \sin(\alpha_i - \theta_i) + H_{i+1} \cos(\alpha_i - \theta_{i+1}) - V_{i+1} \sin(\alpha_i - \theta_{i+1}) + W_i \sin\alpha_i - T_i = 0$$
- Khối mố $M$: Bổ sung thành phần trọng lượng bản thân mố $Q_M$ vào các phương trình cân bằng lực pháp tuyến và tiếp tuyến đáy.
Trường hợp 2: Chịu tác dụng của tải trọng xe thi công sau lưng mố. Bổ sung các tải trọng trục xe thi công $q_{H1}, q_{H2}, q_{H3}$ (mô hình xe 2 trục, 3 trục hoặc xe lu) tác dụng lên mặt trên của khối mố $M$ và các khối đất đắp sau mố.
Trường hợp 3: Chịu tác dụng của tải trọng động đất trong giai đoạn thi công. Lực quán tính động đất được xác định qua thành phần gia tốc ngang $a_h$ và gia tốc đứng $a_v$, tác dụng trực tiếp lên từng khối trượt và khối mố.
Chương 3: Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác
Chương 3 mở rộng hệ phương trình GLEM cho giai đoạn khai thác công trình:
- Tác dụng của tĩnh tải kết cấu nhịp và hoạt tải xe: Lực thẳng đứng và lực ngang từ kết cấu nhịp truyền qua gối cầu xuống đỉnh mố được tích hợp vào phương trình cân bằng của khối mố $M$, kết hợp cùng hoạt tải xe sau lưng mố.
- Ảnh hưởng của mực nước ngầm: Luận án tích hợp lực đẩy nổi Archimedes làm giảm trọng lượng hiệu quả của các khối trượt chìm dưới nước, đồng thời xác định áp lực nước lỗ rỗng và lực thấm thủy tĩnh tác dụng lên các mặt phân chia khối.
- Tác dụng của động đất trong giai đoạn khai thác: Thiết lập bài toán giả tĩnh với gia tốc địa chấn tác dụng đồng thời lên kết cấu phần trên (kết cấu nhịp truyền lực quán tính qua gối), thân mố và lăng thể trượt.
Chương 4: Xây dựng thuật toán, chương trình tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông
Chương 4 trình bày cấu trúc giải thuật và quy trình tự động hóa tính toán:
- Giải thuật tìm trường lực và hệ số an toàn: Thiết lập ma trận giải hệ phương trình cân bằng tĩnh học tuyến tính tương ứng với một mặt trượt xác định.
- Bài toán tối ưu hóa mặt trượt: Hàm mục tiêu tìm $\min F_s(x_j, y_j)$ với biến số là tọa độ các điểm nút đáy $J_1 \dots J_{n+1}$. Điều kiện ràng buộc là điều kiện biên hình học của mái dốc và điều kiện không đảo chiều ứng suất.
- Xây dựng bộ công cụ tính toán dựa trên nội hàm Solver (Excel):
| Ký hiệu chương trình |
Tên đầy đủ và chức năng |
Giai đoạn |
| GLEM-BA-CS 1 |
Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 1 (Áp lực đất đắp sau mố) |
Thi công |
| GLEM-BA-CS 2 |
Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 2 (Tải trọng xe thi công sau mố) |
Thi công |
| GLEM-BA-CS 3 |
Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – Construction Stage 3 (Tải trọng động đất) |
Thi công |
| GLEM-BA-IS 1 |
Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 1 (Tĩnh tải kết cấu nhịp và hoạt tải) |
Khai thác |
| GLEM-BA-IS 2 |
Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 2 (Tĩnh tải, hoạt tải và nước ngầm) |
Khai thác |
| GLEM-BA-IS 3 |
Generalized Limit Equilibrium Method – Bridge Abutment – In Service 3 (Tác dụng động đất) |
Khai thác |
Chương 5: Thí dụ tính toán và đánh giá kết quả
Chương 5 tiến hành kiểm chứng và phân tích số liệu trên các công trình cụ thể:
Thí dụ 1: Tính toán mái dốc đồng nhất để kiểm chứng phương pháp GLEM đề xuất với các phương pháp LEM kinh điển.
Thí dụ 2: Tính toán mố cầu A1 qua sông ÉT trong giai đoạn thi công:
- Khi chịu áp lực đất đắp ($H_đ = 8,19\text{ m}$): Phương pháp GLEM xác định $F_{s\min} = 2,589$ và $F_{s\text{med}} = 3,036$. Kết quả được so sánh đối chứng với phần mềm thương mại GeoStudio (GEOSLOPE). Khảo sát số lượng khối trượt cho thấy giá trị $F_s$ hội tụ ổn định khi số khối chia đủ lớn.
- Khi chịu tải trọng xe thi công 3 trục ($H_đ = 2,05\text{ m}$): Xác định hệ số an toàn theo các tổ hợp tải trọng thi công.
- Khi chịu động đất trong thi công ($H_đ = 2,05\text{ m}$, gia tốc $a_v = 1\text{ m/s}^2, a_h = 1\text{ m/s}^2$): Đánh giá mức độ suy giảm hệ số ổn định dưới tác động địa chấn.
Thí dụ 3: Tính toán mố cầu sông ÉT trong giai đoạn khai thác:
- Đánh giá ổn định dưới tổ hợp tĩnh tải và hoạt tải xe.
- Phân tích ảnh hưởng của sự dâng cao mực nước ngầm làm giảm đáng kể hệ số an toàn $F_s$.
- Đánh giá tác động của tải trọng động đất trong giai đoạn khai thác.
Thí dụ 4: Ứng dụng phân tích sự cố mố A1 cầu Nặm Sương (Quốc lộ 13N, CHDCND Lào):
- Mố đặt trên móng nông, bị trượt sâu ra phía sông vào tháng 8/2018.
- Kết quả tính toán theo trạng thái giới hạn cường độ 1 (TTGHCĐ 1) khi có mực nước ngầm cho thấy: $F_{s\min} = 0,627 < 1,0$ và $F_{s\text{med}} = 0,899 < 1,0$. Kết quả tính toán của phương pháp GLEM phản ánh chính xác trạng thái mất ổn định thực tế của công trình.
Kết quả và những đóng góp mới
- Đã phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) cho bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công bằng cách tích hợp khối mố vào lăng thể trượt, xét đến áp lực đất đắp sau lưng mố, tải trọng xe thi công và lực quán tính động đất.
- Đã phát triển phương pháp GLEM cho bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng đồng thời của tĩnh tải kết cấu nhịp, hoạt tải xe trên nhịp và sau mố, áp lực đẩy nổi/áp lực thấm của nước ngầm và lực quán tính động đất.
- Đã xây dựng thuật toán tối ưu hóa và bộ chương trình tính toán (GLEM-BA-CS 1, 2, 3 và GLEM-BA-IS 1, 2, 3) trên nền tảng nội hàm Solver của Microsoft Excel. Chương trình cho phép tìm kiếm mặt trượt nguy hiểm nhất có dạng đường gấp khúc bất kỳ và xác định đồng thời hai cận hệ số an toàn $F_{s\min}$ và $F_{s\text{med}}$.
- Kết quả khảo sát số chứng minh hệ số an toàn $F_{s\min}$ tính theo GLEM luôn nhỏ hơn hệ số an toàn thu được từ các phương pháp cân bằng giới hạn truyền thống (vốn giả định mặt trượt tròn hoặc phẳng). Do đó, phương pháp GLEM xác định mức độ nguy hiểm về ổn định trượt sâu của mố cầu trên móng nông chuẩn xác và an toàn hơn.
Kiến nghị thực tiễn: Khi thiết kế mố cầu móng nông, cần kiểm soát chặt chẽ chiều cao đắp đất sau mố theo từng giai đoạn thi công, có biện pháp thoát nước ngầm hiệu quả và kiểm toán trượt sâu bằng phương pháp GLEM thay vì chỉ dựa vào các giả thiết mặt trượt tròn đơn giản.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Mô hình ứng xử của đất mới dừng ở mức cứng - dẻo lý tưởng, chưa xét đến lịch sử ứng suất và sự thay đổi thể tích của đất khi chịu tải.
- Phạm vi địa chất giới hạn trong mô hình hai lớp đất đồng nhất (đất tự nhiên và đất đắp).
- Chưa xét đến sự xuất hiện đồng thời của mực nước ngầm trong bài toán phân tích tác động động đất.
- Bỏ qua biến dạng nội tại của từng khối trượt riêng lẻ.
- Chưa mô phỏng tương tác động lực học làm việc đồng thời giữa toàn bộ hệ kết cấu nhịp - mố trụ - nền đất.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng phương pháp GLEM cho địa tầng phức tạp gồm nhiều lớp đất nghiêng và không đồng nhất.
- Tích hợp bài toán thấm phi ổn định kết hợp tải trọng động đất.
- Phát triển mô hình tương tác không gian ba chiều giữa kết cấu mố trụ và đất nền.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo cho:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Xây dựng Cầu Hầm, Địa kỹ thuật công trình: Tham khảo cơ sở lý thuyết GLEM mở rộng, cách thiết lập phương trình cân bằng cho hệ kết cấu - đất nền và giải thuật tối ưu hóa phi tuyến.
- Kỹ sư tư vấn thiết kế và thẩm tra công trình giao thông: Ứng dụng bộ công cụ GLEM-BA để kiểm toán ổn định trượt sâu mố cầu móng nông trong các điều kiện thi công và khai thác phức tạp.
- Các cơ quan quản lý và chuyên gia giám định sự cố công trình: Sử dụng phương pháp để phân tích nguyên nhân các sự cố trượt lở mố cầu, đánh giá mức độ suy giảm an toàn do tác động của tải trọng xe và nước ngầm.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao phương pháp GLEM lại xác định được hệ số an toàn $F_{s\min}$ nhỏ hơn các phương pháp cân bằng giới hạn truyền thống?
Các phương pháp truyền thống giả định mặt trượt có dạng hình học cố định (phẳng hoặc trụ tròn) và chỉ xét điều kiện cân bằng trượt tại mặt đáy lăng thể trượt. Phương pháp GLEM cho phép mặt trượt đáy có dạng đường gấp khúc bất kỳ (tự do tìm kiếm hình dạng nguy hiểm nhất qua tối ưu hóa) và xét đến sự xuất hiện đồng thời của hai họ đường trượt (trượt đáy và trượt giữa các khối), phù hợp với lý thuyết trạng thái giới hạn của Sokolovsky. Do mặt trượt tối ưu tìm được nguy hiểm hơn mặt trượt tròn giả định, hệ số an toàn $F_{s\min}$ đạt giá trị nhỏ nhất.
2. Ý nghĩa cơ học của hai chỉ số $F_{s\min}$ và $F_{s\text{med}}$ trong luận án là gì?
- $F_{s\min}$ là hệ số an toàn ứng với giả thiết $F_{si} = \infty$, nghĩa là biến dạng trượt chỉ xuất hiện trên mặt đáy lăng thể trượt. Trạng thái này tiêu tán ít năng lượng hơn nên cho giá trị hệ số an toàn nhỏ nhất.
- $F_{s\text{med}}$ là hệ số an toàn ứng với giả thiết $F_{si} = F_s$, nghĩa là biến dạng trượt xảy ra đồng thời trên cả mặt đáy và các mặt bên tiếp xúc giữa các khối trượt. Giá trị thực tế của hệ số an toàn công trình nằm trong khoảng từ $F_{s\min}$ đến $F_{s\text{med}}$.
3. Bộ chương trình tính toán của luận án được xây dựng trên công cụ nào và gồm bao nhiêu mô-đun?
Bộ chương trình được xây dựng trên nền tảng nội hàm Solver của Microsoft Excel (tương thích các phiên bản Excel 2003, 2007, 2010), gồm 6 mô-đun: GLEM-BA-CS 1, 2, 3 (phục vụ giai đoạn thi công chịu áp lực đất đắp, xe thi công, động đất) và GLEM-BA-IS 1, 2, 3 (phục vụ giai đoạn khai thác chịu tĩnh tải/hoạt tải, nước ngầm, động đất).
4. Kết quả phân tích sự cố mố A1 cầu Nặm Sương (Lào) trong luận án cho thấy điều gì?
Khi tính toán theo trạng thái giới hạn cường độ 1 (TTGHCĐ 1) có xét đến ảnh hưởng của mực nước ngầm, phương pháp GLEM xác định $F_{s\min} = 0,627$ và $F_{s\text{med}} = 0,899$. Cả hai giá trị đều nhỏ hơn 1,0, chứng minh mố cầu ở trạng thái mất ổn định trượt sâu nghiêm trọng, hoàn toàn phù hợp với thực tế sự cố sụp trượt mố ra phía sông tại hiện trường.
Kết luận
Luận án đã phát triển thành công phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) để giải quyết toàn diện bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong cả hai giai đoạn thi công và khai thác. Bằng việc tích hợp khối mố và các yếu tố tải trọng phức tạp (hoạt tải xe thi công, hoạt tải khai thác, nước ngầm, động đất), nghiên cứu đã khắc phục được các hạn chế của phương pháp cân bằng giới hạn truyền thống. Thuật toán tối ưu hóa và bộ chương trình tính toán trên nền tảng Solver cung cấp công cụ tính toán xác thực, góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn trong thiết kế, thi công công trình cầu.
