Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tính ứng suất tường kè tại thành phố Lào Cai

• Tác giả: Phạm Văn Thành
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Việt Ngọc
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Sơ Đồ Tính Ứng Suất Tường Kè Công Trình Thủy Tại Lào Cai
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• BẢN CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG KÈ
• 1.1. Khái niệm và phân loại tường kè
• 1.1.1. Khái niệm tường kè
• 1.1.2. Phân loại tường kè
• 1.1.2.1. Phân loại theo độ cứng
• 1.1.2.2. Phân loại theo nguyên tắc làm việc
• 1.1.2.3. Phân loại theo chiều cao
• 1.1.2.4. Phân loại theo góc nghiêng của lưng tường
• 1.1.2.5. Phân loại theo kết cấu
• 1.2. Tình hình tường kè có sườn chống ở Việt Nam và những sự cố
• 1.3. Các phương pháp và sơ đồ tính ứng suất tường kè
• 1.3.1. Các phương pháp tính ứng suất tường kè
• 1.3.2. Các sơ đồ tính ứng suất tường kè
• 1.4. Tồn tại, đề xuất, giới hạn nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tính ứng suất tường kè
• 1.4.1. Tồn tại trong lựa chọn sơ đồ tính ứng suất tường kè
• 1.4.2. Giới hạn nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỨNG SUẤT TRONG TƯỜNG KÈ
• 2.1. Các phương pháp tính ứng suất biến dạng tường kè
• 2.1.1. Phương pháp giải tích
• 2.1.2. Phương pháp sức bền
• 2.1.3. Phương pháp lý thuyết đàn hồi
• 2.1.4. Ưu nhược điểm của phương pháp giải tích
• 2.1.5. Phương pháp số
• 2.1.5.1. Phương pháp sai phân hữu hạn (PPSPHH)
• 2.1.5.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH)
• 2.1.6. Ưu điểm, nhược điểm phương pháp số
• 2.1.7. Phương pháp thực nghiệm mô hình
• 2.1.7.1. Nội dung phương pháp
• 2.1.7.2. Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp
• 2.2. Lựa chọn phương pháp tính phù hợp
• 2.2.1. Tiêu chí lựa chọn phương pháp tính
• 2.2.2. So sánh lựa chọn phương pháp tính
• 2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.3.1. Giới thiệu chung về phương pháp
• 2.3.2. Tính kết cấu theo mô hình tương thích
• 2.3.2.1. Giải hệ phương trình cơ bản
• 2.3.2.2. Xử lý điều kiện biên
• 2.3.3. Phần mềm tính toán
• 2.3.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG III: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ TÍNH ỨNG SUẤT PHÙ HỢP CHO CÔNG TRÌNH TƯỜNG KÈ VẠN HÒA, THÀNH PHỐ LÀO CAI
• 3.1. Giới thiệu công trình tường kè Vạn Hòa, thành phố Lào Cai
• 3.1.1. Giới thiệu chung
• 3.1.2. Vị trí của công trình
• 3.1.3. Biện pháp công trình
• 3.1.4. Tài liệu nghiên cứu
• 3.1.4.1. Tài liệu quy mô công trình
• 3.1.4.2. Tài liệu địa chất
• 3.1.4.3. Tài liệu về vật liệu làm ke
• 3.1.4.4. Trường hợp tính toán
• 3.1.5. Kích thước công trình
• 3.1.6. Tải trọng tác dụng
• 3.1.6.1. Tổ hợp tải trọng
• 3.1.6.2. Hệ số nền
• 3.2. Các sơ đồ tính ứng suất trong tường kè và tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính hợp lý
• 3.2.1. Tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính phù hợp
• 3.2.2. Các sơ đồ tính ứng suất trong tường kè
• 3.3. Sơ đồ tính ứng suất tường kè dạng tấm
• 3.3.1. Giới thiệu về phương pháp phần tử tấm sơ đồ tính dạng tấm
• 3.3.2. Xây dựng sơ đồ tính ứng suất tường kè bằng phần tử tấm
• 3.3.3. Kết quả ứng suất tường kè bằng phần tử tấm
• 3.3.4. So sánh ứng suất tường kè dạng tấm
• 3.4. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn sơ đồ tính dạng khối
• 3.4.1. Xây dựng sơ đồ tính ứng suất tường kè bằng phần tử khối
• 3.4.2. Kết quả ứng suất tường kè bằng phần tử khối
• 3.5. Các nội dung trong so sánh ứng suất trong tường kè
• 3.5.1. So sánh ứng suất tại các vị trí trên mặt ngoài tường kè
• 3.5.2. Các vị trí so sánh ứng suất bề mặt bản trong
• 3.5.3. Các vị trí so sánh ứng suất bề mặt bản sườn nằm trong
• 3.5.4. Các vị trí so sánh ứng suất bề mặt hai bản sườn nằm ngoài
• 3.6. So sánh theo các ứng suất cực trị trên bộ phận tường kè
• 3.6.1. Kết quả so sánh về tỉ số ứng suất tại các vị trí
• 3.6.2. Kết quả so sánh theo các trị số lớn nhất trên bộ phận tường kè
• 3.7. Giải thích kết quả ứng suất và lựa chọn sơ đồ
• 3.7.1. Giải thích kết quả ứng suất
• 3.7.2. Lựa chọn sơ đồ tính phù hợp
• 3.8. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Các kết quả đạt được của luận văn
• 4.2. Một số vấn đề tồn tại
• 4.3. Các kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về tường kè

Tường kè là một trong những kết cấu quan trọng trong công trình thủy lợi, có chức năng giữ ổn định đất ở hai bên bờ sông. Tường kè được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí như độ cứng, nguyên tắc làm việc, chiều cao và góc nghiêng của lưng tường. Việc phân loại này giúp xác định các phương pháp tính toán và thiết kế phù hợp cho từng loại tường kè. Theo đó, tường kè có thể được chia thành tường cứng và tường mềm, mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng biệt. Tường cứng thường không có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất, trong khi tường mềm có thể chịu biến dạng khi chịu tải trọng. Việc lựa chọn loại tường kè phù hợp không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả thi công mà còn đảm bảo an toàn cho công trình. "Tường kè không chỉ là một công trình kỹ thuật mà còn là một phần quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và ổn định đất đai."

1.1. Khái niệm và phân loại tường kè

Khái niệm về tường kè rất đa dạng, bao gồm các kết cấu như tường chắn đất trong các công trình thủy lợi. Tường kè được phân loại theo độ cứng, nguyên tắc làm việc, chiều cao và góc nghiêng. Mỗi loại tường kè có những đặc điểm riêng, ảnh hưởng đến cách tính toán ứng suất trong thiết kế. Việc phân loại này giúp cho việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp tính toán trở nên dễ dàng hơn. "Việc phân loại tường kè không chỉ giúp cho công tác thiết kế mà còn giúp cho việc đánh giá hiệu quả thi công và bảo trì trong tương lai."

II. Các phương pháp tính toán ứng suất tường kè

Trong nghiên cứu này, việc lựa chọn phương pháp tính toán ứng suất cho tường kè là rất quan trọng. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp giải tích, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), và phương pháp thực nghiệm. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp giải tích thường đơn giản và dễ áp dụng nhưng có thể không chính xác trong các trường hợp phức tạp. Ngược lại, phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chi tiết hơn về ứng suất và biến dạng trong tường kè, nhưng yêu cầu phần mềm và kỹ thuật cao hơn. "Lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn cho công trình."

2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất trong việc tính toán ứng suất cho tường kè. Phương pháp này cho phép mô phỏng các điều kiện biên và tải trọng phức tạp, từ đó đưa ra kết quả chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống. Với sự phát triển của công nghệ phần mềm, việc áp dụng FEM đã trở nên phổ biến trong ngành xây dựng. "Phương pháp này không chỉ giúp xác định ứng suất mà còn cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền và ổn định của tường kè."

III. Lựa chọn sơ đồ tính ứng suất cho công trình tường kè Vạn Hòa

Công trình tường kè Vạn Hòa tại thành phố Lào Cai là một ví dụ điển hình để áp dụng các phương pháp tính toán đã được nghiên cứu. Trong quá trình lựa chọn sơ đồ tính toán, cần xem xét các yếu tố như điều kiện địa chất, tải trọng tác dụng và các yếu tố môi trường. Các sơ đồ tính toán ứng suất được đề xuất bao gồm sơ đồ tính dạng tấm và sơ đồ tính dạng khối. Việc lựa chọn sơ đồ phù hợp không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn đảm bảo tính an toàn cho công trình. "Mỗi sơ đồ tính toán đều có những ưu nhược điểm riêng, và việc lựa chọn đúng sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền của tường kè."

3.1. Giới thiệu về công trình tường kè Vạn Hòa

Công trình tường kè Vạn Hòa được xây dựng nhằm mục đích giữ ổn định đất ở khu vực bờ sông. Tường kè này không chỉ chịu áp lực đất mà còn phải đối mặt với các yếu tố môi trường như nước và gió. Việc thiết kế và thi công tường kè này đã được thực hiện với sự chú ý đến các tiêu chí về kỹ thuật và an toàn. "Công trình này không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn góp phần bảo vệ môi trường và ổn định khu vực xung quanh."

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn đã đưa ra những kết quả đáng chú ý về việc lựa chọn sơ đồ tính toán ứng suất cho tường kè Vạn Hòa. Các kết quả cho thấy tầm quan trọng của việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại trong thiết kế tường kè. Đồng thời, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cần phải có những kiến nghị cụ thể về việc nâng cao chất lượng thiết kế và thi công các công trình tường kè trong tương lai. "Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có tính ứng dụng cao trong thực tiễn xây dựng."

4.1. Các kết quả đạt được của luận văn

Luận văn đã đạt được mục tiêu nghiên cứu đề ra, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp tính toán ứng suất cho tường kè. Các kết quả nghiên cứu cho thấy sự cần thiết phải cải thiện các phương pháp thiết kế hiện tại để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình tường kè. "Những kết quả này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xây dựng và thiết kế công trình thủy."

Tổng quan nghiên cứu

Tường kè là công trình xây dựng quan trọng nhằm giữ ổn định đất bờ sông, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi dòng chảy và tác động của thiên nhiên ngày càng phức tạp. Tại Việt Nam, nhiều công trình tường kè đã được xây dựng nhưng vẫn tồn tại các sự cố nghiêm trọng do lựa chọn sơ đồ tính ứng suất chưa phù hợp. Công trình tường kè Vạn Hòa, thành phố Lào Cai, với chiều dài gần 5,8 km, được xây dựng nhằm chống xói lở bờ sông Hồng, bảo vệ các tuyến đường giao thông và phát triển đô thị. Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tính ứng suất phù hợp cho công trình này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, giúp nâng cao độ an toàn, hiệu quả và tiết kiệm chi phí thiết kế, thi công.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các phương pháp tính ứng suất trong tường kè, lựa chọn sơ đồ tính toán phù hợp cho tường kè Vạn Hòa và đề xuất áp dụng cho các công trình tương tự. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích ứng suất trong tường kè Vạn Hòa với điều kiện địa hình, địa chất đặc thù, sử dụng phần mềm SAP2000 để mô phỏng và tính toán. Nghiên cứu này góp phần hoàn thiện phương pháp thiết kế tường kè, giảm thiểu rủi ro công trình và nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên đất đai ven sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Lý thuyết đàn hồi mô tả quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vật liệu, dựa trên định luật Hooke và các phương trình cân bằng, hình học, vật lý. Phương pháp PTHH chia mô hình kết cấu thành các phần tử nhỏ, giải hệ phương trình đại số tuyến tính để xác định ứng suất, biến dạng trong từng phần tử, từ đó tổng hợp kết quả toàn bộ công trình.

Các khái niệm chính bao gồm: tường kè cứng và mềm, sơ đồ tính ứng suất dạng tấm và dạng khối, điều kiện biên trong mô hình hóa, và các loại tải trọng tác dụng lên tường kè (áp lực đất, áp lực nước, tải trọng động đất). Ngoài ra, các tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính dựa trên độ tin cậy, khả năng mô phỏng thực tế và chi phí tính toán cũng được phân tích kỹ lưỡng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu khảo sát thực địa công trình tường kè Vạn Hòa, tài liệu địa chất, vật liệu xây dựng, và các kết quả nghiên cứu trước đây về tường kè. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm SAP2000, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng suất và biến dạng tường kè dưới các tổ hợp tải trọng khác nhau.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ đoạn tường kè dài 5.789,4 m, được chia thành các đơn nguyên dài 11,8 m để phân tích chi tiết. Phương pháp chọn mẫu là khảo sát toàn bộ công trình nhằm đảm bảo tính đại diện và chính xác. Timeline nghiên cứu kéo dài trong vòng 12 tháng, bao gồm thu thập dữ liệu, mô hình hóa, tính toán, so sánh và đề xuất sơ đồ tính phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ứng suất phân bố không đồng đều trên tường kè: Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất cực đại tại các vị trí chân tường và các bản sườn ngoài, với giá trị ứng suất S11 lên đến khoảng 2,5 lần so với phần thân tường. Ứng suất S22 cũng có xu hướng tập trung tại các bản sườn phía ngoài, phản ánh sự tập trung lực tại các điểm chịu tải trọng lớn.

2. So sánh sơ đồ tính dạng tấm và dạng khối: Sơ đồ tính dạng khối cho kết quả ứng suất chính xác hơn, đặc biệt trong việc mô phỏng ứng suất tập trung và biến dạng phức tạp. Sơ đồ dạng tấm có ưu điểm tính toán nhanh nhưng không phản ánh đầy đủ sự tương tác giữa các bộ phận kết cấu.

3. Ảnh hưởng của điều kiện biên và tải trọng: Tổ hợp tải trọng bao gồm áp lực đất, áp lực nước và tải trọng động đất được mô phỏng chi tiết. Kết quả cho thấy áp lực đất tác dụng lên lưng tường có dạng phân bố cong, tăng dần từ chân lên đỉnh tường, phù hợp với các kết quả thí nghiệm thực tế.

4. Lựa chọn sơ đồ tính phù hợp: Sơ đồ tính ứng suất dạng khối với mô hình tương thích được đề xuất là phù hợp nhất cho công trình tường kè Vạn Hòa, đảm bảo độ chính xác cao và phản ánh đúng cơ chế làm việc của kết cấu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự phân bố ứng suất không đồng đều là do cấu trúc tường kè bản góc có sườn chống, chiều cao trung bình và tường dốc ngược, tạo ra các điểm tập trung lực đặc thù. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng với các mô hình thí nghiệm tại Đại học Bristol và các nghiên cứu thực nghiệm mô hình khác, khẳng định tính chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn.

Việc lựa chọn sơ đồ tính dạng khối giúp mô phỏng chính xác hơn các ứng suất tập trung và biến dạng phức tạp, từ đó nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và thi công. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố ứng suất S11 và S22 trên mặt cắt ngang tường kè, bảng so sánh giá trị ứng suất cực đại giữa các sơ đồ tính, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và ưu điểm của phương pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng sơ đồ tính ứng suất dạng khối cho các công trình tường kè tương tự: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu là nâng cao độ chính xác tính toán ứng suất, thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các đơn vị thiết kế và tư vấn xây dựng.

2. Đào tạo và nâng cao năng lực sử dụng phần mềm SAP2000: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư thiết kế nhằm tối ưu hóa việc mô hình hóa và phân tích kết cấu, mục tiêu tăng tỷ lệ áp dụng phần mềm hiện đại lên 80% trong ngành xây dựng công trình thủy lợi, thời gian 6-12 tháng.

3. Xây dựng bộ tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính ứng suất chuẩn: Phát triển hướng dẫn kỹ thuật dựa trên kết quả nghiên cứu để áp dụng đồng bộ trong thiết kế tường kè, giúp giảm thiểu sai sót và rủi ro công trình, thời gian 1 năm, chủ thể là các cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu.

4. Thực hiện thí nghiệm mô hình và kiểm định thực tế: Đề xuất xây dựng mô hình thí nghiệm quy mô nhỏ cho các công trình tường kè quan trọng nhằm kiểm chứng kết quả tính toán, nâng cao độ tin cậy thiết kế, thời gian 2 năm, chủ thể là các trường đại học và viện nghiên cứu chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình thủy lợi: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tính toán ứng suất chính xác, giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí và tăng độ bền công trình.

2. Chuyên gia quản lý dự án xây dựng: Hiểu rõ các tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính phù hợp để giám sát, đánh giá chất lượng thiết kế và thi công công trình tường kè.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo bổ ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về cơ học kết cấu và ứng dụng phần mềm mô phỏng.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và thủy lợi: Hỗ trợ xây dựng các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật trong thiết kế và thi công tường kè, góp phần nâng cao an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần lựa chọn sơ đồ tính ứng suất phù hợp cho tường kè?
   Lựa chọn sơ đồ tính phù hợp giúp mô phỏng chính xác ứng suất và biến dạng, đảm bảo an toàn kết cấu, tránh lãng phí vật liệu và chi phí thi công. Ví dụ, sơ đồ dạng khối phản ánh tốt hơn các ứng suất tập trung so với sơ đồ dạng tấm.

2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong tính toán tường kè?
   Phương pháp này cho phép mô hình hóa chi tiết kết cấu phức tạp, xử lý các điều kiện biên đa dạng và tải trọng phức tạp, cho kết quả tính toán nhanh và chính xác hơn so với phương pháp giải tích truyền thống.

3. Phần mềm SAP2000 được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   SAP2000 hỗ trợ mô hình hóa kết cấu tường kè với đa dạng phần tử, phân tích tĩnh và động lực học, giúp tính toán ứng suất, biến dạng dưới các tổ hợp tải trọng thực tế, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu.

4. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến ứng suất trong tường kè?
   Bao gồm chiều cao tường, loại đất nền, áp lực nước, tải trọng động đất, cấu trúc tường (bản góc, sườn chống), và điều kiện biên. Sự kết hợp các yếu tố này tạo nên phân bố ứng suất phức tạp cần được mô phỏng chính xác.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
   Các đơn vị thiết kế có thể sử dụng sơ đồ tính dạng khối và phần mềm SAP2000 để mô phỏng công trình tương tự, đồng thời tham khảo bộ tiêu chí lựa chọn sơ đồ tính để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả kinh tế trong thiết kế.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được sơ đồ tính ứng suất dạng khối với mô hình tương thích là phù hợp nhất cho công trình tường kè Vạn Hòa, thành phố Lào Cai.
• Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp phần mềm SAP2000 cho kết quả tính toán chính xác, phản ánh đúng cơ chế làm việc của tường kè.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ an toàn, hiệu quả và tiết kiệm chi phí trong thiết kế và thi công tường kè.
• Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi sơ đồ tính này cho các công trình tường kè tương tự trên toàn quốc.
• Các bước tiếp theo bao gồm đào tạo chuyên sâu, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và thực hiện thí nghiệm mô hình để kiểm chứng kết quả.

Hãy áp dụng những kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng thiết kế và thi công công trình tường kè, góp phần bảo vệ bờ sông và phát triển bền vững vùng ven sông.