Nghiên Cứu Vùng Hoạt Động Cố Kết Theo Thời Gian Dưới Tải Trọng Nền Đắp Đường Ô Tô

Bài toán cố kết thấm một chiều được ứng dụng để dự báo độ lún theo thời gian của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng nền đắp. Các phương pháp hiện hành thường sử dụng nghiệm của bài toán cố kết một chiều với tải trọng phân bố đều vô hạn (sơ đồ 0) để tính toán cho trường hợp tải trọng phân bố hình thang của nền đường ô tô. Điều này có thể dẫn đến sai số, đặc biệt khi bề rộng nền đắp nhỏ. Việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp tính toán chính xác hơn, phù hợp với thực tế tải trọng hình thang, là cần thiết để nâng cao độ tin cậy của thiết kế. Việc xác định vùng cố kết theo thời gian giúp tính toán lún chính xác hơn.

Khái niệm vùng hoạt động cố kết theo thời gian có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong thiết kế nền đường. Bằng cách xác định vùng đất thực sự chịu tác động của cố kết tại mỗi thời điểm, kỹ sư có thể tính toán độ lún và độ tăng sức chống cắt chính xác hơn. So với phương pháp truyền thống coi toàn bộ vùng gây lún là vùng hoạt động cố kết, phương pháp này cho phép mô tả chính xác hơn quá trình làm việc của đất yếu và đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu. Nghiên cứu của Vũ Đức Sĩ là nền tảng quan trọng cho việc ứng dụng khái niệm này.

Các phương pháp tính toán cố kết hiện hành trong thiết kế nền đường ô tô trên đất yếu có một số hạn chế. Việc sử dụng khái niệm "vùng gây lún" không phản ánh đúng thực tế quá trình cố kết diễn ra. Việc áp dụng nghiệm của bài toán sơ đồ 0 cho trường hợp tải trọng hình thang gây ra sai số. Việc thiếu các công thức và phương pháp tính toán đơn giản, dễ áp dụng cho trường hợp tải trọng hình thang gây khó khăn cho kỹ sư. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để khắc phục những hạn chế này.

Mặc dù các giải pháp số như phương pháp sai phân hữu hạn có thể giải quyết bài toán cố kết cho trường hợp tải trọng hình thang, nhưng độ chính xác của các giải pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như kích thước lưới, sơ đồ sai phân và các điều kiện biên. Việc lựa chọn các thông số phù hợp và kiểm tra tính hội tụ của kết quả là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của giải pháp. Ngoài ra, việc so sánh kết quả của các giải pháp số với các kết quả thực nghiệm là cần thiết để đánh giá độ chính xác của mô hình.

Phương trình cố kết thấm một chiều của K.Terzaghi là cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu quá trình cố kết của đất yếu dưới tải trọng. Phương trình này mô tả mối quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng, thời gian và độ sâu trong nền đất. Các giả thiết cơ bản của phương trình bao gồm đất bão hòa hoàn toàn, biến dạng và thoát nước một chiều, định luật Darcy và hệ số thấm không đổi. Luận văn này sử dụng phương trình Terzaghi làm nền tảng để xây dựng mô hình tính toán áp lực nước lỗ rỗng và vùng hoạt động cố kết.

Phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng để giải phương trình cố kết thấm và xác định áp lực nước lỗ rỗng tại các điểm khác nhau trong nền đất và tại các thời điểm khác nhau. Phương pháp này chia nền đất thành các phần tử nhỏ và thay thế các đạo hàm trong phương trình bằng các biểu thức sai phân. Bằng cách giải hệ phương trình sai phân, có thể tính toán được áp lực nước lỗ rỗng tại mỗi phần tử. Việc lựa chọn kích thước phần tử và sơ đồ sai phân phù hợp là quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

Phần mềm yêu cầu các số liệu đầu vào như chiều rộng và chiều cao nền đắp, hệ số thấm, hệ số nén, hệ số rỗng ban đầu của đất yếu và tải trọng tác dụng. Kết quả đầu ra bao gồm phân bố áp lực nước lỗ rỗng theo độ sâu và thời gian, chiều sâu vùng hoạt động cố kết theo thời gian và độ cố kết tại các điểm khác nhau. Việc phân tích các kết quả này giúp kỹ sư hiểu rõ hơn về quá trình cố kết và đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến vùng hoạt động cố kết.

Để đảm bảo tính chính xác của phần mềm, các ví dụ tính toán cụ thể đã được thực hiện và so sánh với các kết quả đã được công bố trong các nghiên cứu trước đây. Các ví dụ này bao gồm các trường hợp tải trọng khác nhau và các loại đất yếu khác nhau. Kết quả cho thấy phần mềm cho kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây, chứng tỏ tính tin cậy của phần mềm. Việc sử dụng phần mềm giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình tính toán và phân tích.

Quy hoạch thực nghiệm được sử dụng để xác định hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa chiều sâu vùng hoạt động cố kết (zat) và thời gian (Tv). Phương pháp bình phương nhỏ nhất được áp dụng để tìm ra hàm hồi quy phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm. Hàm hồi quy này cho phép dự đoán chiều sâu vùng hoạt động cố kết tại bất kỳ thời điểm nào, dựa trên các thông số của nền đất và tải trọng.

Phương pháp bình phương nhỏ nhất được sử dụng để xác định các hệ số của hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa chiều sâu vùng hoạt động cố kết và các yếu tố ảnh hưởng. Phương pháp này tìm ra các hệ số sao cho tổng bình phương sai số giữa giá trị dự đoán và giá trị thực nghiệm là nhỏ nhất. Việc áp dụng phương pháp này giúp tìm ra các công thức tính toán đơn giản và chính xác, dễ dàng áp dụng trong thực tế thiết kế.

Độ lún cố kết theo thời gian được tính toán bằng cả phương pháp truyền thống (sử dụng khái niệm vùng gây lún) và phương pháp mới (sử dụng khái niệm vùng hoạt động cố kết). Kết quả được so sánh để đánh giá sự khác biệt giữa hai phương pháp và chứng minh ưu điểm của phương pháp mới trong việc mô tả chính xác hơn quá trình làm việc của đất yếu. Ví dụ tính toán cụ thể được đưa ra để minh họa sự khác biệt này.

Độ tăng sức chống cắt của nền đất yếu theo thời gian được tính toán bằng cách sử dụng khái niệm vùng hoạt động cố kết. Phương pháp này cho phép xác định chính xác hơn độ tăng sức chống cắt trong vùng đất thực sự chịu tác động của cố kết. Kết quả tính toán được so sánh với các phương pháp truyền thống để đánh giá sự khác biệt và chứng minh ưu điểm của phương pháp mới.