Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ổn định vách hào thi công trong dung dịch bentonite theo trạng thái không gian ba chiều

• Tác giả: Tô Quang Trung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Ổn Định Vách Hào Trong Dung Dịch Bentonite Theo Không Gian 3D
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM KẾT
• 1. PHẦN MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục nghiên cứu
• 1.3. Cách tiếp cận. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG
• 1.1. Vai trò của nguồn nước và đập đất
• 1.2. Các sự cố công trình do dòng thấm gây ra
• 1.3. Biện pháp chống thấm dạng truyền thống cho đập đất
• 1.3.1. Chống thấm thân đập. Chống thấm cho nền đập
• 1.3.2. Biện pháp mới chống thấm cho đập đất
• 1.3.2.1. Chống thấm cho đập đất bằng màng địa kỹ thuật (Geomembrane)
• 1.3.2.2. Chống thấm bằng công nghệ khoan phụt vữa thẳng
• 1.3.2.3. Công nghệ khoan phụt cao áp (Jet — grouting)
• 1.3.2.4. Chống thấm bằng công nghệ tường hào Bentonite
• 3. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH HÀO BENTONITE TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU
• 2.1. Sự ổn định của hào bentonite
• 2.2. Phương pháp cân bằng giới hạn trong không gian ba chiều (LEM-3D)
• 2.2.1. Một số dạng mặt trượt đã được đề xuất
• 2.2.2. Lập công thức tính toán ổn định mặt trượt hình nêm
• 2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn trong không gian ba chiều (FEM-3D)
• 2.3.1. Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.3.2. Giải bài toán ổn định bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.3.3. Mô hình vật liệu trong phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.3.3.1. Mô hình đàn hồi tuyến tính
• 2.3.3.2. Mô hình Mohr-Coulomb (mô hình đứt tuyệt đối)
• 2.3.3.3. Mô hình Hardening soil (Mô hình tăng bền kếp)
• 2.4. Lựa chọn mô hình vật liệu để tính toán
• 2.5. Lựa chọn phần mềm để tính toán
• 4. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HÀO BENTONITE TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU
• 3.1. Đặt vấn đề
• 3.2. Tính toán ổn định vách hào bằng phương pháp cân bằng giới hạn (LEM)
• 3.3. Tính toán ổn định vách hào bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
• 3.3.1. Mô hình tính toán
• 3.3.2. Chỉ tiêu cơ lý trong tính toán
• 3.3.3. Mô hình hóa các bước tính toán
• 3.3.4. Kết quả tính toán
• 3.3.5. Kiểm chứng hai phương pháp tính toán LEM và FEM
• 3.4. Nghiên cứu ổn định vách hào bằng phương pháp LEM
• 3.4.1. Giới hạn nghiên cứu
• 3.4.2. Ảnh hưởng của kích thước hào đến sự ổn định vách hào trong đất dính ít
• 3.4.3. Ảnh hưởng của áp lực bentonite với ổn định vách hào
• 3.4.4. Ảnh hưởng của góc ma sát nội và lực dính C với ổn định vách hào
• 3.4.5. Ảnh hưởng của lực dính C
• 3.4.6. Ảnh hưởng của góc ma sát
• 3.4.7. Kết luận chương
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Những hạn chế của đề tài
• 5.2. Kiến nghị
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu về vách hào trong dung dịch bentonite theo không gian 3D đã trở thành một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi. Đề tài này nhằm mục đích đánh giá sự ổn định của vách hào trong điều kiện môi trường phức tạp. Việc sử dụng dung dịch bentonite không chỉ giúp duy trì cấu trúc của vách hào mà còn tạo ra một môi trường an toàn cho các hoạt động xây dựng. Theo tác giả Tô Quang Trung, "Quá trình ổn định vách hào được giữ bằng dung dịch bentonite là quá trình dễ gây mất ổn định nhất trong toàn bộ quá trình thi công hào chống thấm." Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và tính toán chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định của vách hào.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Việc nghiên cứu ổn định của vách hào là rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay khi mà các công trình thủy lợi đang ngày càng phát triển. Sự gia tăng nhu cầu chống thấm cho các công trình này đòi hỏi các phương pháp thi công hiệu quả và an toàn. Theo thống kê, nhiều công trình đã gặp sự cố do thấm nước, dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng. Đề tài này không chỉ đáp ứng nhu cầu thực tiễn mà còn đóng góp vào việc hoàn thiện các phương pháp thiết kế và thi công cho các công trình tương lai.

II. Cơ sở lý thuyết về ổn định vách hào

Trong chương này, các phương pháp tính toán ổn định của vách hào trong dung dịch bentonite được trình bày chi tiết. Phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là hai phương pháp chính được áp dụng để tính toán. Các mô hình 3D được xây dựng nhằm mô phỏng chính xác các điều kiện thực tế. "Lập công thức tính toán ổn định vách hào theo phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) 3D và kiểm chứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 3D" cho thấy sự cần thiết của việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong nghiên cứu này. Việc lựa chọn mô hình vật liệu cũng như phần mềm tính toán phù hợp là yếu tố quan trọng quyết định đến độ chính xác của kết quả.

2.1. Phương pháp tính toán

Phương pháp LEM cho phép đánh giá sự ổn định của vách hào thông qua việc xác định các điều kiện giới hạn mà tại đó vách hào có thể bị mất ổn định. Phương pháp FEM, ngược lại, cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về ứng suất và biến dạng trong vách hào khi chịu tác động của áp lực bên ngoài. "Giải bài toán ổn định bằng phương pháp phần tử hữu hạn là cách tiếp cận hiện đại và hiệu quả để đánh giá sự ổn định của các công trình xây dựng." Sự kết hợp giữa hai phương pháp này giúp nâng cao tính chính xác và độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các yếu tố như kích thước hào, áp lực bentonite, và góc ma sát đều có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của vách hào. Việc phân tích các yếu tố này giúp đưa ra các giải pháp thiết kế hiệu quả hơn cho các công trình thủy lợi. "Nghiên cứu ổn định vách hào bằng phương pháp LEM và FEM đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số thiết kế có thể cải thiện đáng kể độ bền của vách hào." Điều này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn quan trọng trong việc thiết kế và thi công các công trình thủy lợi trong tương lai.

3.1. Đánh giá và ứng dụng

Việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại trong nghiên cứu ổn định vách hào không chỉ giúp cải thiện chất lượng công trình mà còn giảm thiểu rủi ro trong thi công. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tế để tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu quả thi công. "Từ những kết quả đạt được, có thể đưa ra các khuyến nghị về thiết kế và thi công cho các công trình tương tự, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế."

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và sự gia tăng nhu cầu sử dụng nguồn nước ngọt, việc bảo vệ và khai thác hiệu quả nguồn nước trở thành vấn đề cấp thiết. Việt Nam với nguồn tài nguyên nước phong phú nhưng phân bố không đều theo thời gian và không gian, đặc biệt là các công trình thủy lợi như đập đất đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết nước. Theo thống kê, trên thế giới hiện có khoảng 400,000 đập, trong đó đập đất chiếm tới 78%, là loại công trình phổ biến tại Việt Nam. Tuy nhiên, các sự cố do dòng thấm gây ra chiếm khoảng 35-40% nguyên nhân hư hỏng các công trình thủy lợi, gây thiệt hại lớn về kinh tế và an toàn công trình.

Luận văn tập trung nghiên cứu ổn định vách hào đào trong dung dịch bentonite trong nền đất ít dính, một giai đoạn quan trọng trong thi công tường hào chống thấm cho đập đất. Mục tiêu chính là xây dựng công thức tính toán ổn định vách hào theo phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) 3D và kiểm chứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 3D, từ đó phân tích ảnh hưởng của các yếu tố không gian ba chiều và các yếu tố địa chất đến sự ổn định vách hào. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên số liệu thực tế từ các công trình đập đất tại Việt Nam và quốc tế, trong đó có các công trình như đập Dầu Tiếng, đập Am Chúa, đập Kim Sơn.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong thiết kế và thi công tường hào bentonite mà còn góp phần giảm thiểu rủi ro sự cố thấm, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho các công trình thủy lợi trong nước, đặc biệt trong giai đoạn thi công và sửa chữa nâng cấp các đập đất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Lý thuyết ổn định vách hào trong dung dịch bentonite: Tường hào bentonite được xây dựng bằng cách đào hào trong dung dịch bentonite, tạo màng bentonite mỏng trên vách hào giúp giữ ổn định vách và cân bằng áp lực thủy tĩnh. Áp lực thủy tĩnh của dung dịch bentonite phải bằng hoặc lớn hơn áp lực nước ngầm để đảm bảo ổn định vách hào. Ba trường hợp hình thành màng bentonite được phân tích, trong đó luận văn tập trung vào trường hợp hình thành màng không thấm hoàn chỉnh.

2. Phương pháp cân bằng giới hạn trong không gian ba chiều (LEM-3D): Phương pháp này sử dụng mô hình khối trượt hình nêm với mặt cắt tam giác để tính toán hệ số an toàn của vách hào. Các lực tác dụng lên khối trượt bao gồm trọng lượng đất, áp lực dung dịch bentonite, lực dính và ma sát của đất nền. Công thức tính toán được lập dựa trên cân bằng lực và áp lực đất chủ động, đồng thời xét đến hiệu ứng không gian ba chiều nhằm tăng độ chính xác.

3. Phương pháp phần tử hữu hạn trong không gian ba chiều (FEM-3D): Phương pháp này mô phỏng trạng thái ứng suất, biến dạng và áp lực trong vách hào bằng cách chia mô hình thành các phần tử hữu hạn liên kết. FEM cho phép phân tích chi tiết hơn các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định vách hào, đặc biệt trong điều kiện địa chất phức tạp và tải trọng đa dạng.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực thủy tĩnh, hệ số an toàn (Fs), lực dính (C), góc ma sát (φ), trọng lượng riêng đất và bentonite, mặt trượt hình nêm, và hiệu ứng không gian ba chiều.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các công trình đập đất thực tế tại Việt Nam và quốc tế, các báo cáo kỹ thuật, tài liệu chuyên ngành về công nghệ chống thấm và ổn định vách hào bentonite. Ngoài ra, số liệu khảo sát thực địa và phân tích mẫu đất được sử dụng để xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và dung dịch bentonite.

Phương pháp phân tích chính gồm:

• Phân tích lý thuyết và xây dựng công thức tính toán dựa trên phương pháp cân bằng giới hạn 3D, áp dụng các giả thiết về lực tác dụng và điều kiện ổn định vách hào.
• Mô phỏng số bằng phần mềm FEM-3D để kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết, đồng thời phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như kích thước hào, áp lực bentonite, góc ma sát và lực dính đất.
• So sánh kết quả giữa hai phương pháp LEM và FEM nhằm đánh giá độ tin cậy và tính ứng dụng của công thức tính toán.

Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2011 đến 2013, với cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều tổ hợp địa chất và điều kiện thi công khác nhau để đảm bảo tính tổng quát và thực tiễn của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của kích thước hào đến ổn định vách hào: Kết quả tính toán cho thấy hệ số an toàn Fs tăng khi tỷ lệ chiều dài trên chiều cao hào (L/H) tăng. Ví dụ, với chiều cao hào 30m, khi L tăng từ 3m lên 30m, Fs tăng từ khoảng 1.1 lên 1.5, cho thấy hiệu ứng không gian ba chiều làm tăng độ ổn định vách hào.

2. Ảnh hưởng của áp lực bentonite: Áp lực bentonite trong hào có tác động lớn đến hệ số an toàn. Khi áp lực bentonite tăng từ 0 kN/m² lên 5 kN/m², hệ số an toàn Fs tăng trung bình 15-20%, giúp vách hào ổn định hơn trong quá trình thi công.

3. Ảnh hưởng của góc ma sát và lực dính đất nền: Góc ma sát φ và lực dính C của đất nền ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số an toàn. Khi φ tăng từ 20° lên 35°, Fs tăng khoảng 25%. Lực dính C cũng làm tăng Fs nhưng mức độ ảnh hưởng thấp hơn so với góc ma sát.

4. So sánh phương pháp LEM và FEM: Kết quả tính toán bằng FEM-3D tương đồng với LEM-3D, với sai số dưới 10%, chứng tỏ công thức tính toán LEM-3D có độ tin cậy cao và phù hợp để áp dụng trong thiết kế thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do hiệu ứng không gian ba chiều làm giảm áp lực ngang tác dụng lên mặt trượt, đồng thời áp lực bentonite giữ ổn định vách hào bằng cách tạo màng bentonite không thấm. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào mô hình 2D, nghiên cứu này đã mở rộng và làm rõ vai trò của các yếu tố không gian ba chiều, giúp nâng cao độ chính xác trong tính toán ổn định vách hào.

Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo của ngành và các công trình thực tế tại Việt Nam như đập Dầu Tiếng và đập Am Chúa, nơi áp dụng công nghệ tường hào bentonite đã giảm thiểu được sự cố thấm và tăng tuổi thọ công trình. Việc sử dụng đồng thời hai phương pháp LEM và FEM giúp kiểm chứng chéo, tăng tính thuyết phục cho kết quả nghiên cứu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hệ số an toàn Fs theo tỷ lệ L/H, áp lực bentonite, góc ma sát và lực dính, cũng như bảng so sánh kết quả giữa LEM và FEM để minh họa rõ ràng các ảnh hưởng và độ chính xác của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng công thức LEM-3D trong thiết kế tường hào bentonite: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và thi công sử dụng công thức tính toán ổn định vách hào theo phương pháp cân bằng giới hạn 3D để đảm bảo độ an toàn và hiệu quả kinh tế, đặc biệt trong giai đoạn thi công hào đào.

2. Tăng cường kiểm soát áp lực bentonite trong quá trình thi công: Đề xuất duy trì áp lực bentonite trong hào ở mức đủ cao để hình thành màng bentonite không thấm, giúp giữ ổn định vách hào, giảm thiểu rủi ro sạt lở và sự cố.

3. Khảo sát kỹ thuật địa chất chi tiết trước thi công: Chủ đầu tư và nhà thầu cần thực hiện khảo sát địa chất kỹ lưỡng để xác định chính xác các chỉ tiêu cơ lý của đất nền, từ đó lựa chọn thông số thiết kế phù hợp, đặc biệt là góc ma sát và lực dính.

4. Sử dụng phần mềm FEM-3D để mô phỏng và kiểm tra thiết kế: Trong các dự án lớn hoặc địa chất phức tạp, nên áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá chi tiết hơn về ổn định vách hào, từ đó điều chỉnh thiết kế và biện pháp thi công phù hợp.

5. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ kỹ thuật: Đào tạo chuyên sâu về công nghệ tường hào bentonite và các phương pháp tính toán hiện đại nhằm nâng cao chất lượng thiết kế, thi công và giám sát công trình.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-3 năm, với sự phối hợp giữa các chủ thể như cơ quan quản lý nhà nước, đơn vị thiết kế, nhà thầu thi công và các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và xây dựng dân dụng: Luận văn cung cấp công thức tính toán và phương pháp phân tích ổn định vách hào bentonite, giúp nâng cao chất lượng thiết kế và đảm bảo an toàn công trình.

2. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Thông tin về ảnh hưởng các yếu tố kỹ thuật và địa chất đến ổn định vách hào hỗ trợ trong việc kiểm soát chất lượng thi công, đặc biệt trong giai đoạn đào hào và lắp đặt tường hào.

3. Cơ quan quản lý và ban quản lý dự án: Nghiên cứu giúp đánh giá hiệu quả các biện pháp chống thấm, từ đó xây dựng tiêu chuẩn, quy trình kiểm tra và nghiệm thu phù hợp cho các công trình đập đất.

4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp tính toán và ứng dụng công nghệ tường hào bentonite trong thực tiễn, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải sử dụng dung dịch bentonite trong thi công tường hào?
   Dung dịch bentonite tạo màng mỏng không thấm trên vách hào, giữ ổn định vách trong quá trình đào và thi công, ngăn ngừa sạt lở và mất ổn định. Ví dụ, áp lực bentonite giúp cân bằng áp lực nước ngầm, giảm nguy cơ sụt lún.

2. Phương pháp LEM-3D có ưu điểm gì so với phương pháp 2D?
   LEM-3D xét đến hiệu ứng không gian ba chiều, cho kết quả chính xác hơn trong tính toán ổn định vách hào, đặc biệt với các hào có kích thước giới hạn. Điều này giúp thiết kế an toàn và tiết kiệm chi phí hơn.

3. Làm thế nào để kiểm soát áp lực bentonite trong quá trình thi công?
   Áp lực bentonite được duy trì bằng hệ thống bơm và giám sát liên tục trong hào đào, đảm bảo áp lực luôn cao hơn áp lực nước ngầm. Việc này giúp duy trì màng bentonite và ổn định vách hào.

4. Phương pháp FEM-3D được ứng dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   FEM-3D mô phỏng chi tiết trạng thái ứng suất và biến dạng trong vách hào, giúp kiểm chứng kết quả lý thuyết và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố địa chất phức tạp, từ đó tối ưu thiết kế và thi công.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại đất khác không?
   Nghiên cứu tập trung vào nền đất ít dính, tuy nhiên phương pháp và công thức có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại đất khác sau khi khảo sát và hiệu chỉnh các chỉ tiêu cơ lý phù hợp.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công công thức tính toán ổn định vách hào đào trong dung dịch bentonite theo phương pháp cân bằng giới hạn 3D, được kiểm chứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3D với sai số dưới 10%.
• Ảnh hưởng của hiệu ứng không gian ba chiều, áp lực bentonite, góc ma sát và lực dính đất nền được phân tích chi tiết, giúp nâng cao độ chính xác và an toàn trong thiết kế tường hào bentonite.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thiết kế, thi công và kiểm soát chất lượng các công trình đập đất, góp phần giảm thiểu sự cố thấm và tăng tuổi thọ công trình.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm nâng cao hiệu quả thi công và vận hành tường hào bentonite trong vòng 1-3 năm tới.
• Khuyến khích các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý công trình thủy lợi áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và an toàn công trình.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng công thức và phương pháp nghiên cứu vào các dự án thực tế, đồng thời đào tạo cán bộ kỹ thuật để nâng cao năng lực chuyên môn trong lĩnh vực này.