Các vấn đề liên quan đến tính toán công trình trên nền đá

Các vấn đề liên quan đến tính toán công trình trên nền đá, tài liệu tham khảo về nghành xây dựng, báo cáo dành cho các bạn tham khảo cũng như nghiên cứu trong quá trình học tập, nghiên cứu, cũng như tìm hiểu vấn đề này.

CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN

TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH

TRÊN NỀN ĐÁ

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

I SỰ ỔN ĐỊNH TRÊN NỀN ĐÁ

1.Khái quát về các lý thuyết nền

1.1 Lý thuyết đàn hồi: như ta đã biết trong bài toán đàn hồi, cơ học đất.

1.1.1 Bài toán không gian biến dạng đàn hồi chịu tác dụng của

lực tập trung theo pương thẳng đứng Boussinesq (1985) đã cho lời giải như ta đã biết về ứng suất và chuyển vị như sau:

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

(1 )

2(1 2 ) 2

3 2

z

P x z r

3 2

xz

P xz r

1.1.2 Bài toán không gian biến dạng đàn hồi chịu tác dụng của tải trọng hình băng dài vô tận và công thức tính ứng suất, biến dạng như sau:

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

1 ( ) (sin 2 sin 2 )

1.1.3 Lý thuyết dẻo

1.1.3.1 Bài toán nền: dựa vào điều kiện coulomd và mặt khác bởi

phương trình cân bằng sau:

Giả sử nền đá chịu lực phân bố đều theo phương ngang, không ma sát và độ cứng Các đường trượt gồm tia xuất phát từ A, B và đường cong logarit có tâm là A,B và bán kính:

Trong đó : thay đổi từ đến

1.1.3.2 Sức chịu tải của nền:

Tải trọng đối xứng theo phương đứng, giả sử lớp đá bên dưới xuất hiện biến dạng dẻo thì ta có tải trọng giới hạn prandtl-Caquot như sau:

 Bảng áp lực giới hạn lê nền đá (theo tiêu chuẩn CSN No 731001 Cộng Hòa Séc)

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Tải trọng nghiêng: sức chịu tải xác định:

Trong đó: được xác định theo công thức:

Với Sc lực chống cắt ở biên

1.1.3.3 Nền đá công trình thủy công

Công trình này thường có quy mô phức tạp, trạng thái ứng suất biến dạng phức tạp nhiều so với lý thuyết

1.1.3.4 Đánh gía sức chịu tải của nền công trình

Sức chịu tải nền đập tính như sau:

Trong đó Np, R là giá trị tính toán tương đương với lực gây trượt, gây lật; kn,nc hệ số an toàn và tổ hợp tải trọng

p n

 Aùp lực bị động là lực chống đỡ hạ lưu đập tính như sau:

Trong đó: Q trọng lượng bản thân của khối trụ đở;

F diện tích mặt nén ép;

góc nghiêng mặt nén ép và phương ngang (hướng lực EH quy ước theo phương ngang)

1.2.3.5 Bài toán ổn định vai đập vòm

Sự phân bố lực như sau:

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Sơ đồ tính ổn định của đập:

14

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Trường hợp trượt xảy trên hai mặt yếu được tóm lượt bằng 5 bước tính toán như sau:

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Trường hợp trượt theo một mặt yếu thì sơ lược tính như sau:

18

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

1.1.6 Đánh giá ổn định của đập đối với điều kiện lật và xoay

Điều kiện ổn định lật

20

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

Trong đó các trị số a, d xác định như sau:

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Ngoài ra còn chú ý độ bền khối đá và bê tông theo RCM

Trong đó: l, h cánh tay đòn của các lực P,T;

Hay có thể dùng công thức sau tính cho đập bê tông trọng lực và đập có trụ đỡ có mặt truyền thống (tường thẳng đứng, nền nằm ngang, không có trụ đỡ ở chân hạ lưu)

 Ngoài ra còn tính đến việc ổn định thấm

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

2 1

tg

1.1.7 Đánh giá ổn định thấm

1.1.7.1 Một số khái niệm:

Ổn định thấm là khả năng của nó giữ được cấu trúc dưới tác dụng của dòng thấm , ổn định thấm được đánh giá qua lưu lượng , vị trí mặt thoáng, phản lực lên đất nền, phân bố áp lực thấm vùng cần quan tâm

Lúc đầu mất ổn định có tính cục bộ, dần dần phát triển gây nguy hại cho công trình Việc tính toán phải định hình đượ dòng thấm, xác định hình dáng đường viền, vị trí tầng cách nước, xây dựng mô hình thấm của nền Tính toán thấm nhằm đánh giá lưu lượng thấm, vị trí mặt nước thoáng, áp lực lên công trình

24

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

1.1.7.2 Điều kiện ổn định thấm nền đá công trình thủy công:

Trong nền đá nứt nẻ, phá hủy thấm xảy ra do xói ngầm

Khi bào mòn, thành khe nứt được mở rộng, dòng thầm sẽ tăng lên

Đánh giá ổn định thấm thì phải xác định khả năng xói ngầm, phải nắm rõ địa tầng kỹ thuật(hướng, mật độ, độ nở, chất lắp nhét, nứt nẻ, phá hủy kiến tạo)… lập ra sơ đồ phân bố vùng thấm, chia thành các khu vực theo mức độ xói ngầm

Mỗi sơ đồ có cách đánh giá ổn định riêng, tuy nhiên đều dựa vào nguyên tắc chung là tốc độ và gradien thủy lực của dòng thấm nằm trong giới hạn cho phép thể hiện như công thức sau:

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Tốc độ dòng thấm xác định phụ thuộc vào vật chất lắp nhét các khe nứt lớn hơn 1 mm (chất lắp nhét là sét : vgh= 50 cm/s, chất lắp nhét là sét pha: vgh= 50 cm/s, chất lắp nhét là cát pha : vgh= 50 cm/s, tố độ thấm tính bằng lưu lượng chia cho thể tích thực của khe vuông góc dòng chảy)

 Điều kiện ổn định theo sơ đồ a,b: về kích thước

26

6 17 90

10

0.46

m o o

d d

Trong đó: dm kích thước hạt trong đới đứt gãy cà nát,

d0 kích thước bề ngang kênh rỗng, e hệ số rỗng vật liệu nhét,

d10, d17, d90 kích thước hạt có tỷ lệ tương ứng trong đường cong cấp phối thành phần hạt trong đới đứt gãy

 Về dòng thấm mang được các hạt nhỏ qua lỗ hỏng của đất:

 Dci đường kính hạt lớn nhất có thể mang di, m= 1.2 chỉ số dòng thấm rối, v độ nhớt, n độ rỗng vật lắp nhét, g gia tốc trọng trường, hệ số hình dạng lỗ hổng, 0.9 cho đất rời tròn cạnh và 0.45 cho hạt rời ít được mài tròn cạnh, k hệ số thấm vật liệu lắp

 Điều kiện ổn định theo sơ đồ c:

 độ rộng khe nứt, A,B thông số độ nhám thành thủy lực khe nứt, thông thường lấy A=0.5, B=1.7 ( tham khảo về hình sau)

28

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

4 4

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Điều kiện ổn định theo sơ đồ d: hoặc

Trong đó:

Với A= 0.5-1,0, MT mođun khe nứt

J gh còn được xác định thông qua các thông số thí nghiệm hiện trường

Trong đó: H cgh = H ogh - H áp lực giới hạn cửa vào khe nứt, H tổn thất áp lực trong khe nứt, R bán kính ảnh hưởng của áp lực nước, r 0 bán kính lỗ khoan thí nghiệm.

ln

cgh gh

H J

R r

r



SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Độ mở khe nứt lớn nhất tính gần đúng: max

 Điều kiện ổn định theo sơ đồ e: nghiên cứu cho thấy ổn định khi tốc dộ dóng thấm nhỏ hơn 1 cm/s, hoặc độ bền của đá lớn hơn

1MPa( )

 Điều kiện ổn định theo sơ đồ e:

Trong đó: , Rp độä bền kéo tách lâu dài chất lắp nhét,

tỉ lệ giữa độ mở của khe nứt với một đơn vị chiều dài,

độ mở rộng khe nứt, IL độsệt vật liệu lắp, eL độ rỗng vật liệu lắp nhét trạng thái chảy, eL độ rỗng vật liệu lắp nhét



0,66.I L w

 



1.1.1.8 Đánh giá biến dạng nền đá

Tính toán biến dạng công trình nhầm hạn chế các dịch chuyển ngang, nghiêng sao cho nằm trong giới hạn cho phép nào đó nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường, sơ đồ tính toán cần phù hợp điều kiện địa chất, địa hình, tính chất cơ lý và đặc tính công trình Điếu này sẽ phụ thuộc vào kích thước bề rộng và chiếu cao cột nước (phẳng khi , không gian khi , chiều dày quy ước tầng chịu nén bằng 1 lần chiếu rộng công trình Trong bài toán phẳng tính toán tổ hợp tải trọng gồm trọng lượng bản thân công trình, áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm, trong thực tế tính toán ổn định biến dạng bằng góc lật trung bình (góc giữa nền và phương nằm ngang hướng theo phía dòng chảy) gồm các bài toán sau:

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Bài toán 1:

Đánh giá sự cần thiết của các giải pháp bảo vệ kết cấu chống thấm (vật liệu chống thấm như xi măng, sét) khi bị phá hủy kết cấu này dẫn tới nguy cơ mở rộng khe nứt, chính điều này tăng áp lực thấm Để không phát sinh khe nứt, thì khối đá xung quanh màng chống thấm, trạng thái ứng suất trong nền không có ứng suất kéo xảy ra đồng thời trên hai trục chính, ứng suất kéo nếu có trên một trục không được lớn hơn một giá trị nào đócó thể mở rộng hoặc phát sinh thêm khe nứt

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

 Bài toán 2:

Xét khả năng đạt được giới hạn bền Khi tính toán trạng thái ứng suất biến dạng của nền, cần xác định vùng mà đạt đến trạng thái giới hạn Nếu điều kiện độ bền cục bộ thõa mãn, trong nền có thể xảy

ra biến dạng kéo, biến dạng trượt làm cho nền bị nứt nẻ thêm

36

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

Bài toán 3:

Tìm giải pháp nâng cao độ bền ổn định công trình Khi không đạt điều kiện bền cần tìm gải pháp xử lý thích hợp Đánh giá ổn định cục bộ nhằm đưa ra hàng loạt giải pháp cần phải có, quy mô biện pháp khả dĩ, đánh giá độ tin cậy công trình trong quá trình làm việc (các giải pháp xử lý nền: neo, khoan phụt vữa…các giải pháp kết cấu: tấm, lưới bê tông, bê tông cốt thép, ), gia cố vùng phá hủy riêng biệt có thể do không thõa điều kiện bền, biến dạng kéo, trượt Khi có xử lý (neo, phụt vữa, tấm, lưới ) làm thay đổi trạng thái ứng suất cần thão mãn điều kiện bền cục bộ (*), dùng khi không cho phép xảy ra ứng suất kéo đồng thời trên hai trục chính

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

(**)

dùng khi không cho phép xảy ra ứng suất kéo trên một trục chính lớn hơn giá trị nguy hiểm cho sự mở rộng và phát sinh khe nứt Sự cần thiết của các giải pháp ngăn chặn sự hư hỏng kết cấu chống thấm, tìm những vùng không thõa điều kiện ứng suất biến dạng của nền và công trình, các gải pháp nâng cao độ bền khi , khi thì điều kiện chỉ giải cho bài toán 2,3 Thực hiện đối với các diện tích toán

 Trong tính toán lực kéo có dấu dương nên có thể tính như sau:

Để xác định đường viền các vùng nền, nơi không bảo đảm điều

kiện trên, đơn giản hơn cà là dùng đường đẳng trị

Trường hợp đó là cá đường đẳng trị , bên trong vẽ các đường đẳng trị (**) Nên đưa về dạng sau:

Có thể sử dụng đường đẳng trị Lúc đó đường viền của vùng tìm được là , bên trong vùng này có các đường viền

 Trong điều kiện(**) cần phải đánh giá mức độ không thõa mãn điều kiện đó ở những điểm khác trong vùng nói trên Trong tính toán đối với các diện tích không trùng bới cả mặt tiếp xúc lẫn khe nứt Góc nghiêng

 Sử dụng (**) chấp nhận nền biến dạng tuyến tính, trên tiết diện của chúng xem như nền biến dạng, cân bằng liên tục Khi có đủ các cơ sở có thể mô hình hóa, có thể giải bài toán lý thuyết đàn hồi hai chiều đối với một hoặc một số mặt cắt khi cho mặt nền là phẳng nền, đập đồng nhất Khi nền không đồng nhất cơ lý cần xét nền và bề mặt tự nhiên mô hình không gian.

 Khi xác định ứng suất và biến dạng nền có thể sử dụng phương pháp lý thuyết hoặc phương pháp thực nghiệm Mức độ chính xác tùy thuộc vào độ chi tiết hình thể hình học và cá tính chất cơ học của hệ nền công trình

Qua hình ta thấy điều kiện (*’) bị phá hoại ở vài điểm trong vùng

SỰ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐÁ

II ỔN ĐỊNH BỜ DỐC ĐÁ

Trong thực tế, các công trình trên nền đá ta thường gặp là đê đặp, công trình thủy công, và còn loại là bờ dốc đá Việc tính toán ổn định cho loại công trình này là rất cần thiết và góp phần kiểm soát được kha năng làm việc của nó

1 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định công trình:

 Kích thước: chiều dài, cao, góc nghiêng…

 Tính chất loại đất đá trong bờ dốc: bền nén, kéo, cắt, biến dạng mật độ, độ rỗng, ẩm…

 Tính chất loại khối đá ( sự không đồng nhất do phân bố cơ học dẫn đến phá hủy cục bộ)

 Chấn động, tải ngoài

42

ỔN ĐỊNH BỜ DỐC ĐÁ

 Tuổi của đất đá.

 Sự mất ổn định, phá hoại công trình tùy thuộc rất nhiều vào các yếu tố trên, tùy thuộc vào từng đặc tính mà công trình có ứng xử

2 Các dạng mất ổn định cơ bản:

Tùy theo cơ cấu, hình dạng hình học có thể có 6 loại mất ổn định sau:

 Lật gãy của khối cấu trúc

 Trượt trôi hay sụt trượt

ỔN ĐỊNH BỜ DỐC ĐÁ

Việc đánh giá ổn định công trình trên nền đá là rất cần thiết, qua đây đưa ra một số chỉ tiêu tính toán đánh giá ổn định công trình cũng như đánh giá mất ồn định nhằm hướng cho chúng ta một cacha1 nhìn tổng quan thân thiện với môi trường nền đá

trình trên nền đất, lý thuyết đàn hồi, dẻo, thực nghiệm được áp dụng, ứng suất biến dạng đàn hồi tuyến tính, phi tuyến đều gặp trong loại này

Các dạng mất ổn định lật trượt đều giống như công trình trên nền đất

44

ỔN ĐỊNH BỜ DỐC ĐÁ

Tuy nhiên có điểm khác biệt trong tính toán đánh giá ổn định ở đây là cần chú ý đến khe nứt trong đá, chính đây là nguyên nhân ảnh hưởng lến mất ổn định và gây nên hàng loạt các hệ lụy về ổn định thấm rất khác biệt so với công trình là nền đất.

Từ việc khe nứt như vậy nên xuất hiện thêm vấn đề là vật liệu mà nó được lắp nhét vào khe nứt, đây chình là yếu tố rất quan trọng cần xét đến trong tính toán công trình trên đá

ỔN ĐỊNH BỜ DỐC ĐÁ