CSThietKeCTT chuong5 tinhtoanondinhcongtrinhthuy

Xác định các giá trị đại lượng và hệ số  Độ bền tính toán của vật liệu hay nền tc VL R R K   Rtc : cường độ tiêu chuẩn của vật liệu  KVL: hệ số an toàn của vật liệu khi tính với trạn

Trang 1

KHOA TÀI NGUYÊN NƯỚC

1

MÔN: CƠ SỞ THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY

Ths.NCS Lê Ngọc Anh

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH

THỦY

GV: Ths.NCS Lê Ngọc Anh

NỘI DUNG CHÍNH:

5.1 Các phương pháp tính toán

5.2 Ổn định của công trình trên nền đá

I Phương pháp xét lực ma sát trên mặt phá hoại

II Phương pháp xét lực chống cắt trên mặt phá hoại

5.3 Ổn định của công trình trên nền đất

I Những vấn đề chung

II Tính ổn định theo sơ đồ trượt phẳng

III Tính ổn định theo sơ đồ trượt hỗn hợp

IV Tính ổn định theo sơ đồ trượt sâu

2 Ths.NCS Lê Ngọc Anh

1

Trang 2

I Phương pháp trạng thái giới hạn

Công trình và nền của nó đạt đến trạng thái giới hạn khi chúng mất

khả năng chống lại các tải trọng và tác động từ bên ngoài, hoặc khi

chúng bị hư hỏng hay biến dạng quá mức cho phép, không còn

thoả mãn được các yêu cầu khai thác bình thường

5.1 Các phương pháp tính toán (1)

1 Điều kiện ổn định cho công trình

Có 2 trạng thái giới hạn:

 Trạng thái giới hạn thứ nhất: Công trình, kết cấu và nền của

chúng làm việc trong điều kiện khai thác bất lợi nhất

 Trạng thái giới hạn thứ hai: Công trình, kết cấu và nền của

chúng làm việc bất lợi trong điều kiện khai thác bình thường

1 Điều kiện ổn định cho công trình

c tt

n

m R

n N

K

 Điều kiện đảm bảo ổn định cho công trình:

 Kn: hệ số tin cậy

 nc: hệ số tổ hợp tải trọng

 m: hệ số điều kiện làm việc

 Ntt: trị số tính toán của tải trọng tổng hợp

 R: Trị số tính toán của sức chịu tổng hợp của công trình hay nền

 Vế phải của điều kiện bên không vượt quá (10÷15)% để đảm

bảo về điều kiện kinh tế

3

Trang 3

2 Xác định các giá trị đại lượng và hệ số

 Tải trọng tính toán

.

tt tc

N  n N  n: hệ số lệch tải (tra bảng) N

tc : tải trọng tiêu chuẩn

 Hệ số trong ngoặc đơn được dùng trong trường hợp ứng với nó công

trình sẽ trong điều kiện bất lợi.

 Độ bền tính toán của vật liệu hay nền

tc

VL

R R K

  Rtc : cường độ tiêu chuẩn của vật liệu

 KVL: hệ số an toàn của vật liệu

khi tính với trạng thái giới hạn thứ hai: K VL = 1,5

 Hệ số tổ hợp tải trọng

Việc tính toán kiểm tra theo điều kiện ổn định của công trình được

thực hiện với các tổ hợp tải trọng khác nhau Giá trị tổ hợp tải

trọng ncnhư sau:

 Tổ hợp tải trọng cơ bản: nc= 1,0

 Tổ hợp tải trọng đặc biệt: nc= 0,9

 Tổ hợp tải trọng trong thi công: nc= 0,95

5

Trang 4

 Hệ số điều kiện làm việc

Hệ số này xét đến tính gần đúng của sơ đồ và phương pháp tính

toán, kiểu công trình, kết cấu hay nền, loại vật liệu xây dựng, dạng

trạng thái giới hạn và các yếu tố khác chưa được tính đến

Hệ số điều kiện làm việc m khi tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất

lấy theo bảng dưới, còn theo trạng thái giới hạn thứ hai lấy m = 1

 Hệ số tin cậy Kn

Xét đến tầm quan trọng (cấp) của công trình, các hậu quả khi xảy

ra trạng thái giới hạn Khi tính toán các trạng thái giới hạn thứ 1,

trị số Knlấy như sau:

 Công trình cấp I: Kn= 1,25

 Công trình cấp II: Kn= 1,20

 Công trình cấp III, IV, V: Kn= 1,15

Khi tính toán các trạng thái giới hạn thứ 2: Kn= 1,0

7

Trang 5

II Các phương pháp khác

1 Phương pháp ứng suất cho trước

 

max

 : ứng suất tính toán lớn nhất tại một điểm nào đó

trong công trình

 : ứng suất cho phép, lấy theo tài liệu tiêu chuẩn đối với

vật liệu, loại kết cấu và dạng của trạng thái ứng suất

Hiện nay phương pháp này thường được áp dụng khi thiết kế

cửa van, và ở giai đoạn thiết kế sơ bộ các đập bêtông, bêtông

cốt thép

II Các phương pháp khác

2 Phương pháp hệ số an toàn

g cp t

F

 K: hệ số an toàn là tỷ lệ giữa các yếu tố (lực hay mômen

giữa Fgvà yếu tố gây ra mất ổn định Ft

 Kcp: hệ số an toàn cho phép, phụ thuộc vào cấp công trình

và tổ hợp tải trọng, xác định theo qui phạm

Thường dùng trong tính toán ổn định

3 Phương pháp theo độ tin cậy (đọc thêm)

9

Trang 6

5.2 Ổn định của công trình trên nền đá (1)

Các công trình được nói tới ở đây là các loại đập dâng nước,

tường chắn, cống bằng đá xây, bêtông, bêtông cốt thép đặt trên

nền đá

Khả năng mất ổn định toàn khối của công trình như sau:

 Bị trượt theo một mặt nào đó, có thể là mặt tiếp xúc giữa

công trình và nền, mặt nằm trong nền hay trong công trình

(tại các vị trí xung yếu) Mặt trượt được xét là mặt phẳng

(nằm ngang hoặc nghiêng)

 Bị lật quanh một trục nằm ngang (ví dụ đi qua điểm chân đập

hạ lưu) khi mômen của ngoại lực gây lật lấy đối với trục này

vượt quá mômen chống lật

 Bị đẩy nổi do tác dụng của các lực hướng từ dưới lên trên

(áp lực thấm, thuỷ tĩnh, động đất )

1 Phương pháp xét lực ma sát trên mặt phá hoại

 Khi mặt trượt nằm ngang

t

f P K

Q



 p: tổng hợp các lực thẳng đứng tác dụng lên phần công trình tính

từ mặt trượt trở lên (kể cả áp lực thấm và đẩy nổi nếu có);

 Q: tổng hợp các lực nằm ngang tác dụng lên công trình, tính từ mặt

trượt trở lên;

 f: hệ số ma sát tiếp xúc tại mặt trượt, có thể là giữa vật liệu công

trình với đá nền, đá nền với đá nền hay giữa các lớp vật liệu công

trình với nhau

Trị số của f cần xác định thông qua thí nghiệm và xử lý thống kê chuỗi

số liệu đo đạc được

11

Trang 7

 Khi mặt trượt nằm nghiêng

 P’: tổng hợp các lực thẳng đứng tác dụng lên phần công trình

tính từ mặt trượt trở lên, trừ phần lực đẩy nổi do áp lực thấm

và áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên mặt trượt (theo phương

vuông góc với mặt này);

 Q: tổng hợp các lực nằm ngang tác dụng lên công trình, tính

từ mặt trượt trở lên

 β: góc giữa phương mặt trượt và phương nằm ngang

 Khi mặt trượt nằm nghiêng

 Khi mặt trượt nghiêng

về phía thượng lưu

'

cos sin W

cos sin

dn t





 Khi mặt trượt nghiêng

về phía hạ lưu

'

cos sin W

cos sin

dn t





Công trình tăng thêm ổn định khi mặt trượt nghiêng về thượng lưu; ngược lại công trình bị giảm ổn định khi mặt trượt nghiêng về hạ lưu.

Phương pháp này cho các công thức tính toán đơn giản nhưng bỏ qua

nhiều yếu tố làm tăng ổn đinh cho công trình (như lực dính kết trên mặt

trượt) nên kết quả không phản ánh đúng thực tế, thiên về an toàn Phương

pháp này thường chỉ được dùng trong tính toán sơ bộ chọn mặt cắt đập, lựa

chọn phương án.

13

Trang 8

2 Phương pháp xét đến lực chống cắt trên mặt phá hoại

Phương pháp này xét đến thực tế là lực để chống trượt trên

một mặt bất kỳ không phải chỉ có ma sát, mà còn có cả lực dính

kết trên mặt đó

.

   

Cường độ chống cắt:

 f và c là các đặc trưng chống cắt trên mặt phá hoại, có ý nghĩa

tương tự như hệ số ma sát và lực dính đơn vị;

 : ứng suất pháp trên mặt tính toán

 Khi mặt trượt nằm ngang

.

t

K

Q



 A: diện tích mặt trượt

 Khi mặt trượt nằm nghiêng

Vận dụng tương tự như cách thiết lập các công thức như trong

phương pháp xét đến lực ma sát trên mặt phá hoại

5.3 Ổn định của công trình trên nền đất (1)

1 Hình dạng mặt trượt

Công trình xây dựng trên nền đất, chịu tác dụng của tải trọng

đứng và ngang, có thể hình thành các dạng mặt trượt sau đây:

Trượt phẳng (hình a) xảy ra khi đất ở mặt tiếp giáp giữa công

trình và nền bị phá hoại, còn đất trong nền còn ở trạng thái cân

bằng bền

Trượt hỗn hợp (hình b) mặt trượt bao gồm một phần của mặt tiếp

xúc giữa công trình và nền và một phần khoét sâu vào nền - ở đó

đất nền bị phá hoại và bị ép trồi lên

Trượt sâu (hình c) mặt trượt ăn sâu vào nền trong phạm vi toàn

công trình trong phạm vi khối trượt, đất nền bị phá hoại và bị ép

trồi lên

I Những vấn đề chung

15

Trang 9

1 Hình dạng mặt trượt

Các dạng mặt trượt khi công trình xây trên nền đất (a): trượt

phẳng, (b): trượt hổn hợp, (c): trượt sâu

2 Phán đoán khả năng trượt

 Với nền cát, đất hòn lớn, đất có xét cứng và nửa cứng:

tính theo sơ đồ trượt phẳng nếu thõa điều kiện về chỉ số

mô hình hóa.

lim max

I

B





 : chỉ số mô hình hoá;

 : ứng suất pháp lớn nhất tại điểm góc của đáy móng công trình;

 B: kích thước cạnh (chiều rộng) đáy móng công trình hình chữ nhật

song song với lực gây trượt (không tính chiều dài sân trước néo vào

móng công trình);

 : trọng lượng riêng của đất nền, khi nền nằm dưới mực nước ngầm

thì cần xét đến sự đẩy nổi của nước.

 : chuẩn số không thứ nguyên, lấy bằng 1,0 đối vói cát chặt và

3,0 đối với các loại đất khác.

17

Trang 10

 Với nền đất sét dẻo, dẻo cứng và dẻo mềm: chỉ cần xét sơ

đồ trượt phẳng nếu thõa mãn đồng thời các điều kiện sau:

lim max

I

B





 Điều kiện chỉ số mô hình:

 Điều kiện về cường độ chống

I

TB

C

tg tg



 Điều kiện về tốc độ cố kết: 0   0

2 0

1

4 h

th V

n

C

a



 Ψ : giá trị tính toán của hệ số kháng trượt

 : góc ma sát trong của đất nền

 : ứng suất pháp trung bình tại đáy móng

 h 0 : chiều dày tính toán của lớp cố kết

 : hệ số rỗng của đất ở trạng thái tự nhiên

 : hệ số thấm

 : lực dính đơn vị

 : thời gian thi công

 : hệ số nén của đất

 : hệ số cố kết

 Khi không thõa mãn các điều kiện quy định ở trên:

 Công trình trên nền đồng nhất, trong mọi trường hợp phải

tính toán ổn định theo sơ đồ trượt hỗn hợp

 Công trình chỉ chịu tải trọng thẳng đứng: tính theo sơ đồ

trượt sâu

 Công trình trên nền không đồng nhất, chịu tải trọng thẳng

đứng và nằm ngang: tính theo sơ đồ trượt sâu

19

Trang 11

II Tính ổn định theo sơ đồ trượt phẳng

K

c n tt

K

Điều kiện ổn định trượt:

 Kn: hệ số tin cậy

 nc: hệ số tổ hợp tải trọng

 m: hệ số điều kiện làm việc

 Ntt: trị số tính toán của tải trọng tổng hợp

 R: Trị số tính toán của sức chịu tộng hợp của công trình hay

nền

1 Khi mặt trượt nằm ngang, R và N tt xác định như sau:

 Lực chống trượt: RPtgIm E1 b2 AC I

 Lực gây trượt: N tt QT1E C1T2

 P: tổng các thành phần thẳng đứng của các tải

trọng tính toán.

 Eb2 : giá trị tính toán của áp lực bị động của đất

phía hạ lưu.

 m1: hệ số điều kiện làm việc có xét đến quan hệ giữa áp lực bị động của

đất với chuyển vị ngang của công trình Có thể lấy m1= 0,7.

 A: diện tích mặt trượt nằm ngang.

 T1 ,T2: Tổng giá trị tính toán của các lực chủ động từ phía thượng, hạ lưu

công trình, trừ áp lực chủ động của đất.

 EC1: giá trị tính toán của áp lực chủ động của đất từ phía thượng lưu.

Sơ đồ tính toán trượt phẳng

21

Trang 12

2 Khi mặt trượt nằm nghiêng, R và N tt xác định như sau:

 Lực chống trượt:

cos sin Wdn I b cos I

R P Q  tg m E AC

 Lực gây trượt:

cos 'sin

tt

N Q P 

 P’: tổng các thành phần thẳng đứng của các tải trọng tính toán

 Wdn: tổng áp lực đẩy ngược lên mặt trượt (bao gồm áp lực thấm

và thuỷ tĩnh)

 A’: diện tích mặt trượt nằm nghiêng

 : góc giữa phương mặt trượt và phương nằm ngang

III Tính ổn định theo sơ đồ trượt hỗn hợp

Chiều rộng móng được chia

thành 2 phần: phần có chiều

rộng B1 thuộc phạm vi trượt

sâu; phần có chiều rộng B2

thuộc phạm vi trượt phẳng

Công thức kiểm tra ổn định

như sau:

K

c n tt

K

Sơ đồ tính toán trượt hỗn hợp.

 Lực chống trượt:

 Lực gây trượt:

tt

N Q

R  tg C B L B L

 : Ứng suất tiếp giới hạn tại phần trượt ép trồi (TCVN-4253)

 L: chiều dài đáy móng chữ nhật (thẳng góc với lực gây trượt), bài toán phẳng L=1.

 : Ứng suất đáy móng trung bình trong phạm vi B2.

23

Trang 13

III Tính ổn định theo sơ đồ trượt hỗn hợp

Giá trị B1 được xác định theo giá trị =

. và tra theo đồ thị

Khi lực pháp tuyến P lệch tâm về phía hạ lưu thì các giá trị B, B1,

B2 phải thay bằng B*, B1*,B2* Trong đó: B* = B – 2ep;B ∗= B ∗;

ep: độ lệch tâm về hạ lưu của lực P

a) Đất có tgψ > 0,45 b) Đất có tgψ ≤ 0,45

lim

k N B I

: ứng suất pháp trung bình tại đáy móng công trình mà tại đó xảy ra

sự phá hoại nền chỉ do tải trọng đứng tính theo TCVN-4253

IV Tính ổn định theo sơ đồ trượt sâu

Áp dụng phưong pháp gần đúng của M.M.Grisin để tính

toán Phương pháp này, xem mặt trượt (trong bài toán

phẳng) là một cung tròn đi qua điểm đầu của đáy móng công

trình; xem công trình là một khối không biến dạng gắn chặt

vào nền và kiểm tra hệ số an toàn chống trượt cho toàn khối

công trình + nền

Hệ số an toàn ổn đinh cho phép được xác đinh theo công

thức:

K

c n cp

n K

m

 25

Trang 14

1 Trường hợp nền đồng chất

Các lực tác dụng bao gồm:

 Hợp lực P của các lực

thẳng đứng gồm: trọng

lượng công trình, sân sau

…, có cánh tay đòn đối

với đầu cung trượt (điểm

I) là x0

 Trọng lượng đất nằm trong cung trượt tính theo dung trọng đẩy nổi

2 0

sin cos 180

dn

 Hợp lực Q của các lực nằm ngang có cánh tay đòn lấy đối với I là

y0

 Áp lực thấm trong phần cung trượt

Wth n J ii

 Ji: gradient thấm tại ô lưới thứ i

 Ω : diện tích ô lưới thứ i

Cánh tay đòn của hợp lực thấm Wthlấy

đối với điểm O là r

Dời song song hệ trục (P,Q) đến vị trí mới (P1,Q1) có Q1đi qua điểm I,

khi đó hệ lực mới có P1= P, Q1= Q; điểm đặt P1: = +

Đối với thành phần P1, tại B: N1= Pcosβ; T1= Psinβ

Đối với thành phần Q1, tại D: N2= Qsinα; T2= Qcosα

 Các lực ma sát

27

Trang 15

 Các lực ma sát (tt)

S1= N1tgφ = P.cosβ.tgφ

S2= N2tgφ = Q.sinα.tgφ

S3= σ.tgφ

φ: góc ma sát trong của đất nền

 Lực dính dọc theo cung trượt

C = 2.α.R.c c: lực dính đơn vị

gt

M K M



 Mct : mômen chống trượt

Mct= S1.R + S2.R + S3.R + 2α.R.c.R

 Mgt: mômen gây trượt

Mgt= T1.R + T2.R + Wth.r Vậy, hệ số an toàn chống trượt:

W

ct at

th gt

M K

r

R

29

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	453,04 KB