Bài giảng Công trình thủy nâng cao: Chương 3 - PGS.TS. Nguyễn Thống

Bài giảng Công trình thủy nâng cao - Chương 3: Đập vật liệu địa phương trình bày các nội dung: Ứng suất và biến dạng, các phương pháp tính ổn định mái dốc đất, đá hỗn hợp; ví dụ tính với phần mền Sigma; công nghệ và vật liệu mới trong xây dựng đập VLĐP.

Trang 1

10/25/2010 1

PGS TS NGUY Ễ N TH Ố NG

Email: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr

NỘI DUNG MƠN HỌC

Ch ươ ng 1: Th ấ m qua cơng trình.

Ch ươ ng 2: Áp l ự c khe r ỗ ng.

Ch ươ ng 3: ðậ p v ậ t li ệ u đị a ph ươ ng.

Ch ươ ng 3a: Mơ ph ỏ ng Monte Carlo áp

d ụ ng trong đ ánh giá ổ n đị nh mái d ố c.

Ch ươ ng 4: ðậ p bê tơng tr ọ ng l ự c

Ch ươ ng 4a: ðậ p bê tơng đầ m l ă ng (RCC)

PGS Dr Nguy?n Th?ng

NỘI DUNG MƠN HỌC

Ch ươ ng 4b: Bài tốn to ả nhi ệ t 3D.

Ch ươ ng 5: Phân tích ứ ng su ấ t trong đậ p

bê tơng khi x ả y ra độ ng đấ t.

Ch ươ ng 6: ðườ ng h ầ m th ủ y cơng

-Gi ế ng đ i ề u áp.

Ch ươ ng 7: ðườ ng ố ng áp l ự c – N ướ c va

trong đườ ng ố ng.

CơNG TRìNH TH ủ Y NâNG CA O

PGS Dr Nguy?n Th?ng

NỘI DUNG THỰC HÀNH

1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính nước va trong đường ống áp lực

WaterHammer_BK

2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính khuếch tán nhiệt 3D trong bê tơng thủy cơng.

3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm mơ phỏng Monte Carlo ứng dụng trong tính

ổn định mái dốc đập vật liệu địa phương.

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Thủy công – Tập 1 Trường ĐHXD T/g

Nguyễn Xuân Đặng.

2 Cơ học đất – Trường ĐHTL.

3 Phần mềm SIGMA.

4 Phần mềm SLOPE.

5 Phần mềm SEEP.

6 Phần mềm Crystal Ball.

Tài li ệ u download t ạ i đị a ch ỉ Web:

NỘI DUNG

1 Giới thiệu.

2 Ứng suất & biến dạng.

3 Các phương pháp tính ổn định mái dốc đất, đất đá hỗn hợp.

4 Ví dụ tính với phần mềm Sigma.

5 Công nghệ & vật liệu liệu mới trong xây dựng đập VLĐP.

Chương 3 : Đập vật liệu địa phương

Trang 2

10/25/2010 7

GIỚI THIỆU

- Đập vật liệu địa phương (VLĐP) dùng để chỉ

đập được xây dựng bằng vật liệu có sẵn tại

nơi xây dựng (đất cát, á cát, á sét, sét,…).

- Ưu điểm :

* Sử dụng vật liệu tại chổ phong phú

rẽ tiền.

* Kết cấu đơn giản.

* Độ bền vững ngày càng cao (nhờ tính chất

cố kết tự nhiên của đất đá dưới tác dụng

của tải trọng).

PGS Dr Nguyễn Thống

PHÂN LOẠI THEO MẶT CẮT ĐẬP

Tr ườ ng h ợ p t ầ ng th ấ m

n ướ c KHƠNG QUÁ DÀY

Tr ừ ng h ợ p t ầ ng n ề n

th ấ m n ướ c DÀY

Trang 3

10/25/2010 13

MỘT SỐ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG

ĐẬP ĐẤT ĐÁ ĐỔ HOÀ BÌNH

ĐẬP ĐÁ ĐỖ

Hmax>(40-50)m

Chương 3: Đập vật liệu địa phương

LIỆU ĐỊA PHƯƠNG

- Tính ổn định thấm.

-Tính ổn định mái dốc.

thượng và hạ lưu trong các trường hợp

khai thác khác nhau (bình thường, có không có thấm, động đất, sự cố các bộ phận kết cấu đập: vật thoát nước, màng chống thấm…).

Trang 4

10/25/2010 19

LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH

MÁI DỐC ĐẤT

- Phương pháp cân bằng giới hạn.

T ầ ng n ề n cĩ tính c ơ lý T Ố T

M ặ t tr ươ t cong

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI ĐẤT RỜI Đây là loại đất ở đó lực dính c(N/m2) xem như bằng 0 Mặt trượt dạng mặt phẳng.

* Mái đất rời khô hoặc ngập nước :

β

=

β

= cos

sin

W N

W T

W

ββββ ββββ

T lực gây trượt

N.tg( ϕϕϕϕ ) lực chống trượt.

Hệ số ổn định chống trượt k:

Khi ϕϕϕϕ > ββββ k > 1

mái dốc ổn định

& ngược lại.

β

ϕ

= β

ϕ β

=

ϕ

=

tg

tg W

T

Ntg

k

sin

cos

W

ββββ

* Mái đất rời có lực thấm :

Lực thấm Fthtại vị trí đường dòng đi ra khỏi mái dốc:

J

F th = γ n

W=V γγγγđn

Tββββ N

θθθθ

∆h

∆L

ββββ

V thể tích phân tố đất

J độ dốc thủy lực tại vị trí

ra khỏi mái dốc dòng thấm

n th

F

Trang 5

10/25/2010 25

θ Góc hợp bởi phương đường dòng ra

khỏi mái dốc và phương ngang.

Lực thấm Fthsẽ cùng phương đường dòng.

Xét thể tích V, hình chiếu của tổng lực

thấm xuống phương thẳng góc mái dốc

là:

).

sin(

JV )

sin(

V

F

Fthn = tn β − θ = γn β − θ

Hệ số ổn định mái dốc k trong trường hợp này:

) cos(

sin

) sin(

cos

) cos(

sin

) sin(

cos

θ

− β γ

+ β γ

ϕ θ

− β γ

=

θ

− β γ

+ β γ

ϕ θ

− β γ

=

J

tg J

J V V

tg J

V V

truot gay Luc

truot chong Luc k

n dn

N

Fth n

T

Xét trường hợp đường dòng thấm đi ra men

theo mặt dốc thì θθθθ = ββββ và:

∆h chỉ độ chênh cột nước áp lực, ∆L độ dài

đường thấm.

β

=

∆

L

h J

β

ϕ γ + γ

γ

= β

ϕ

β γ

+ γ

γ

=

⇒

tg

tg tg

k

n dn dn n

dn

sin

cos

Nhận xét: Khi có dòng thấm thì mái dốc kém ổn định hơn Một cách gần đúng ta thấy k chỉ còn khoảng 1/2 so với trường hợp không có dòng thấm (γγγγdn =1).

Tóm lại, khi có dòng thấm để mái dốc của đất rời ổn định thì gócββββphải thỏa điều kiện sau:

ββββ < arctg(0.5tg ϕϕϕϕ ) để k>=1

Ví dụ ϕϕϕϕ =240 ββββ < 12.550.

β

ϕ tg

tg 5 0

k ≈

⇒

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI ĐẤT DÍNH ĐỒNG CHẤT

Hê & sơ ( ổ n đị nh

má i d ố c

Trang 6

10/25/2010 31

CÁC PHƯƠNG PHÁP

(X) X (X) X

X

X X (x) X X

X

Fellenius

Bishop

Janbu đ/giản

Spencer

Morgenstern &

Price

Janbu c/xác

M/trượt không tròn M/trượt tròn

P/pháp

Hợp lực//cột đất Nằm ngang Nằm ngang Độ nghiêng k.đổi X/E=λλλλ.f(x) X/định đường áp lực

X X X

X

X X

X

Fellenius Bishop Janbu đ/giản Spencer Morgenstern

& Price Janbu c/xác

G/thiết lực hông (Z L,R )

C/bằng lực

C/bằng Moment P/pháp

ĐỊNH NGHĨA HỆ SỐ AN TOÀN ỔN ĐỊNH k

Khi phân tích sự ổn định mái dốc, độ bền cắt

phát triển dưới những đ/kiện bằng NHỎ

HƠN độ bền cắt có thể chịu lớn nhất của

mái dốc Ta định nghĩa hệ số an toàn k:

k = độ bền cắt giới hạn (tối đa)/ độ bền cắt

cần cho sự ổn định

Với mái dốc xác định Khảo sát một số mặt

trượt xác định kmin ta gọi đây là hệ

số an toàn của mái dốc xét.

PHƯƠNG PHÁP FELLENIUS Còn gọi là p/p thông thường (ordinary method) hay p/p Thụy điển (Swedish method).

α αα α

ZR

P

T l

Sơ đồ & kí hiệu dùng trong p/p Fellenius

Cung trượt

Các tính chất của đất: c’, φφφφ’, γγγγ .

Tại đáy cột đất có:

- Ứng suất pháp σσσσ

- Ứng suất cắt (tiếp tuyến) ττττ

- Aùp lực lỗ rỗng u

Hệ số án toàn k:

với

k

s s

τ

= s = c ′ + ( σ − u ) tg ϕ′

ssức chống cắt giới hạn 10/25/2010 36

CHÚ Ý

Hệ số an toàn k kFtrong trường hợp dùng phương trình cân bằng lực để xét ổn định khối đất

Khi dùng phương trình cân bằng moment để xác định cân bằng khối đất k kMchỉ hệ số ổn định.

Trang 7

10/25/2010 37

Xét cho 1 đ/v chiều rộng:

P=Wcos( α αα α ) σσσσ l = Wcos( αα α α

Cân bằng moment tổng thể quanh điểm o & chú

ý rằng các lực hông là những nội lực và do

đó moment thực sự của chúng bằng 0.

k sl

l

∑ α = ∑

TR

WR sin

[ c l P ul tg ] k

PHƯƠNG PHÁP FELLENIUS (TERZAGHI ?) Thay vào ta có:

∑ α = ∑ ′ + α − ϕ′

M k tg ul W

l c

∑

α

ϕ′

− α +

′

=

i

i M

W

tg ul W

l c k

sin

) cos

(

NHẬN XÉT

- kMkhông chứa ở vế phải nên không tính thử

dần đơn giản (một số phương pháp khác,

kM sẽ xuất hiện trong vế phải của p/t xác

định kM).

- Giả thiết lực hông không thỏa mãn đ/kiện cân

bằng tĩnh học có thể làm hệ số ổn định k

giảm nhỏ đến 60% ít được sử dụng hiện

nay.

VỀ CÁC P/P CỘT ĐẤT TRƯỢT Với các p/p này, khối đất trượt được chia thành một số cột đất với các kí hiệu lực tác dụng như sau:

W

Z L

θθθθL

u L θθθθR u R

Z R

u B P T

h L

h R a

ZL, ZRáp lực hông bên trái & phải.

hL, hRvị trí áp lực hông bên trái & phải.

θθθθL , θθθθRgóc nghiêng áp lực hông bên trái &

phải.

uL, uR, uBáp lực kẻ rỗng bên trái & phải và

đáy.

P phản lực tại đáy.

T lực tiếp tuyến tại đáy

a vị trí lực P

NHẬN XÉT

Giả sử khối đất trượt chia thành n cột đất:

Số ẩn số:

1 hệ số k liên kết lực cắt T & lực pháp tuyến P.

n lực pháp tuyến P

n vị trí a của lực P n-1 lực hông n-1 góc nghiêngθθθθ

n-1 vị trí các áp lực hông.

Tổng các ẩn số: (5n-2)

Trang 8

10/25/2010 43

Số phương trình:

3n số phương trình cân bằng lực phương ngang,

đứng và moment.

Cần có bổ sung (2n-2) phương trình từ các

giả thiết.

Các giả thiết phổ biến:

n vị trí phản lực đáy (thường là điểm giữa đáy)

(n-1) góc nghiêng θθθθ hay vị trí các áp lực hông

hL,R

BÀI TOÁN THỪA 1 PHƯƠNG TRÌNH

Bằng cách xét riêng lẽ phương trình cân bằng Moment hoặc cân bằng lực ta sẽ có hệ số an toàn kmhoặc kf

Nói chung, 2 giá trị này là khác nhau, tuy nhiên

ta có thể tìm được giá trị θθθθ để 2 giá trị k này bằng nhau.

Tổng quát, các phương pháp đều phải giải đúng dần để xác định k (vì phương trình giải không phải là pt tường minh theo k).

PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG TỔNG QUÁT

W

E L

E R

P T

X L

X R

l

b R

f d

Tâm quay tưởng tượng hoặc thực

α αα

Hình chiếu lực theo phương thẳng đứng : Pcos(αααα)+Tsin (αααα) = W-(X R -X L ) Với:

Ta có:

Với:

[ c l P ul tg ] k

k ultg

l c

X X W P

/ sin ) (

) (

α ϕ′

−

′

−

=

α

) / 1 (

Hình chiếu lực theo phương nằm ngang :

-Psin( αα α α )+Tcos ( α αα α ) + (ER-EL) = 0

(ER-EL) = Psin( αα α α ) -Tcos ( α αα α )

Ngoài ra, từ p/t theo phương thẳng đứng:

P = [W-(XR-XL) - Tsin ( αα α α ) ]/cos ( α αα α )

Thay vào trên ta có:

(ER-EL) = [W-(XR-XL) - Tsin ( α αα α ) ]tg( α αα α ) –

Tcos ( α αα α )

(ER-EL) = [W-(XR-XL)]tg(α αα α) - Tsin (α αα α)

tg(α αα α) -Tcos (α αα α)

(ER-EL) = [W-(XR-XL)]tg(α αα α) - Tsec(α αα α)

Với sec (α αα α) = 1/ cos (α αα α)

Thay giá trị T vào ta có:

(ER-EL) = [W-(XR-XL)]tg( α αα α ) –

[c’l+(P-ul)tg ϕϕϕϕ’]sec( α αα α )/k

Trang 9

10/25/2010 49

Xét cân bằng lực tổng thể khi không có tải

trọng trên mái dốc, hệ số ổn định kí hiệu kF:

Do đó:

0 ) (

; 0 )

i R L

i

E

) (

= α ϕ′

− +

′

− α

−

⇒

∑

F i

i

L R

k tg

ul P l

c

tg X X W

Do đó:

α ϕ′

− +

′

=

∑

tg X X W

tg ul P l c k

i

L R

i F

) (

sec )

(

(1)

CÂN BẰNG MOMENT QUANH O

Hệ số an toàn về moment kí hiệu kM:

Thay T vào và sắp xếp lại:

∑

i i

i

Pf TR

Wd

∑

−

ϕ′

− +

′

=

i i

i M

Pf Wd

R tg ul P l c k

) (

Xét mặt trượt tròn: f=0, d=Rsin α αα α , R hằng số:

Để tính kFhoặc kMtheo (1) hoặc (2) cần phải tính P (phương trình chiếu lực theo phương đứng):

α

ϕ′

− +

′

=

∑

i

i M

W

tg ul P l c k

sin

) (

(2)

Với:

Điều này đòi hỏi phải ước tính X R và X L Vì bài toán

không khép kín nên cần phải ra giả thiết cho các

lực hông Đây là nguồn gốc của các phương pháp

khác nhau.

X R =X L =0 (Bishop, 1955), (Janbu, 1956) [hình chiếu

xuống phương đứng của áp lực hông].

X / E = hằng số (Spencer, 1967).

X / E =λλλλ.f(X) (Morgenstern và Price, 1965).

k tg

l u l c

X X W P

/ sin ) (

) (

α ϕ′

−

′

−

=

E ch ỉ l ự c pháp tuy ế n bên hơng c ộ t đấ t

X Ch ỉ l ự c ti ế p tuy ế n bên hơng c ộ t đấ t

Trang 10

10/25/2010 55

Trên cơ sở các phương trình lập nêu trên,

nhiều tác giả đã đưa ra các giả thiết khác

nhau để từ đó xác định hệ số an toàn

chống trượt của mái dốc:

- Phương pháp Terzaghi (1936)

- Phương pháp Bishop (1955)

- Phương pháp Spencer (1967)

- Phương pháp Morgenstern & Price (1965)

PHƯƠNG PHÁP TERZAGHI

Theo p/pháp này, hệ số an toàn được tính từ cân bằng Moment k M và giả thiết là:

P = Wcos α αα α

Phương trình xác định hệ số an toàn là:

Kinh nghiệm cho thấy kết quả theo Terzaghi thiên

về an toàn (k M tính ra thiên nhỏ)

α

ϕ′

− α +

′

=

∑

i

i M

W

tg ul W

l c k

sin

) cos (

PHƯƠNG PHÁP BISHOP ĐƠN GIẢN

Với giả thiết XR=XL=0 (lực hông thẳng góc

với cột đất), p/t lực theo phương đứng trở

thành:

Theo p/pháp này, hệ số an toàn được tính từ

cân bằng Moment : kMtừ p/t (2).

[ − ′ − ϕ′ α ] α

α

ϕ′

− +

′

=

∑

i

i M

W

tg ul P l c k

sin

) (

PHƯƠNG PHÁP BISHOP ĐƠN GIẢN

Vì vế 2 của p/t khi tính P cần phải có

kF, giả thiết kF=kMvà giải thử dần.

Như đả nói trên, p/pháp này thừa phương trình và sự cân bằng lực theo phương ngang không thoả.

PHƯƠNG PHÁP JANBU ĐƠN GIẢN

Tương tự như Bishop vừa rồi, với giả thiết X R =X L =0,

p/t lực theo phương đứng trở thành:

Theo p/pháp này, hệ số an toàn được tính từ

phương trình cân bằng lực tổng thể k F từ p/t (1):

[ − ′ − ϕ′ α ] α

= W c l ultg k m

α

α ϕ′

− +

′

=

∑

tg W

tg ul P l c k

i

i F

.

sec )

( 0

Để kể đến ảnh hưởng thành phần tiếp tuyến lực hông, tác giả kiến nghị hệ số hiệu chỉnh f0và hệ số ổn định là:

0

0. F

d/L

f0

1.15

1.00 1.05 1.10

0.4 0.2

0

ϕϕϕϕ=0 C>0,ϕϕϕϕ>0 C=0

L d

Cung trượt

Trang 11

10/25/2010 61

Cũng giống như p/p Bishop, phương

pháp này thừa 1 p/trình và không

có sự cân bằng về moment

So với kMthì kF tìm được nhạy hơn

nhiều đối với giả thiết lực hông

Phân tích dựa vào cân bằng

Moment có vẻ thích hợp hơn.

PHƯƠNG PHÁP SPENCER

Với giả thiết X/E=tgθθθθ với θθθθlà góc nghiêng của lực hông so với phương ngang.

k F được tính theo (1)

k M được tính theo (2)

[ − − ] α

α ϕ′

− +

′

=

∑

tg X X W

tg ul P l c k

i

L R

i F

) (

sec ) (

α

ϕ′

− +

′

=

∑

i

i M

W

tg ul P l c k

sin

) (

Dùng cách tính thử dần: đầu tiên giả sử X R -X L =0,

sau đó tính E và X nhờ vào các p/t:

* X/E=tgθθθθ

* (E R -E L ) = [W-(X R -X L )]tg(αααα) –

[c ’ l+(P-ul)tgϕϕϕϕ’ ]sec(αααα)/k F Góc nghiêngθθθθsẽ được hiệu chỉnh sao cho k F =k M

Spencer đã khảo sát quan hệ giữa k F và k M cho 1 bài

toán cụ thể Kết quả cho thấy k M ít nhạy đối với

thành phần tiếp tuyến lực hông Điều này phù

hợp với nhận định của Bishop.

PHƯƠNG PHÁP MORGENSTERN & PRICE Với giả thiết X/E= λλλλ f(x), f là hàm biến đổi liên tục qua mặt trượt (một số dạng hàm f xem sau) và λλλλ là hệ số tỉ lệ.

Khi cho trước hàm f, tìm được giá trị λλλλ để thoả mãn kF= kM

Cách giải cũng thử dần như p/p Spencer.

SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP

- Các phương pháp theo lý thuyết cân bằng giới hạn nói trên được sử dụng rộng rãi để tính ổn định mái dốc.

- Ngoại trừ p/p Fellenius , kinh nghiệm cho thấy các p/p còn lại đều tin cậy và sự khác biệt kết quả là không lớn.

- Chú ý là không có p/p nào “vượt trội”.

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	2,37 MB