Phân tích ứng suất và biến dạng trong đập bê tông đầm lăn có xét đến sự phát triển của cường độ bê tông trong quá trình thi công

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI MAI THỊ HỒNG PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG Chuyên ngành: Xây

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

MAI THỊ HỒNG

PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60 - 58 - 40

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

Hµ Néi - 2010

Trang 2

Học viên: Mai Thị Hồng Lớp: CH17C1

LỜI CẢM ƠN

Luận văn đã được thực hiện trong thời gian ngắn với tất cả sự nỗ lực

của bản thân, tác giả đã hoàn thành với đề tài: “Phân tích ứng suất và biến dạng trong đập bê tông đầm lăn có xét đến sự phát triển của cường độ bê tông trong quá trình thi công” Trong quá trình thực hiện tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Công trình - Trường Đại học Thủy lợi cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới các cơ quan đơn vị và các cá nhân đã truyền thụ kiến thức, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn

Đặc biệt tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, PGS.TS Trịnh Đình Châm và Th.s Vũ Hoàng Hưng đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình tác giả trong quá trình thực hiện luận văn

Với trình độ hiểu biết và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên nội dung của luận văn không tránh khỏi những sai sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các độc giả quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 12 năm 2010 Tác giả

Trang 12

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ bê tông đầm lăn là loại công nghệ sử dụng bê tông không có

độ sụt, được làm chặt bằng thiết bị rung lèn từ mặt ngoài (lu rung) Công nghệ này thích hợp sử dụng cho các công trình bê tông khối lớn, không cốt thép và hình dáng không phức tạp như lõi đập, mặt đường Việc sử dụng hỗn hợp bê tông khô hơn (không có độ sụt) và đầm lèn bê tông bằng lu rung giúp cho thi

công nhanh hơn, rẻ hơn so với dùng công nghệ thi công bê tông truyền thống

Công nghệ BTÐL so với công nghệ thi công thông thường có các ưu điểm sau:

- Lượng dùng xi măng thấp, có thể sử dụng một số phế thải hoặc sản phẩm phụ của các ngành công nghiệp khác giúp hạ giá thành vật liệu

- So với bê tông thường, bê tông đầm lăn nhanh đạt cường độ cao ở thời gian đầu, sớm cho phép đưa vào hoạt động

- Nhiệt lượng tỏa ra ít hơn giúp cho bê tông tránh được ứng suất nhiệt cục bộ

- Phương pháp thi công không phức tạp, tương tự như thi công bê tông asphalt

- Tốc độ thi công nhanh giúp rút ngắn thời gian thi công và giảm tổng chi phí

- Ngoài ra, thiết bị thi công bê tông đầm lăn không phức tạp, các thiết

bị chính để thi công bê tông theo công nghệ này hiện đều có ở Việt Nam

4T

Hiệu quả áp dụng bê tông đầm lăn trong làm đập ở Việt Nam, v4Tề kinh

tế, hiệu quả lớn nhất mà công nghệ thi công bê tông đầm lăn đem lại là rút

Trang 13

ngắn thời gian thi công, sớm đưa công trình vào khai thác sử dụng, ngoài ra đối với xây dựng công trình thuỷ lợi và thuỷ điện, công nghệ này cho phép giảm giá thành vật liệu đáng kể tức giảm tổng vốn đầu tư Còn về kỹ thuật, khi áp dụng công nghệ BTÐL cho xây dựng các công trình khối lớn cho phép giảm nhiệt thuỷ hoá nhờ giảm được lượng dùng xi măng vì vậy giảm được nguy cơ nứt khối do ứng suất nhiệt Ðối với xây dựng mặt đường, việc sử dụng BTÐL có thể rút ngắn thời gian đưa công trình vào sử dụng nhanh gấp hai lần so với bê tông thường Về môi trường, nhờ việc giảm lượng dùng xi măng trong BTÐL và có thể thay thế một phần xi măng bằng phụ gia khoáng giúp giảm mức tiêu hao năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường

Do đặc điểm của bê tông đầm lăn là cường độ bê tông tăng lên theo thời gian, trong những ngày đầu sau khi thi công cường độ chịu nén và chịu kéo đều rất nhỏ, thời gian sau cường độ đạt ổn định hơn và dần đạt tới cường

độ tối đa Nên khi thi công đập bê tông đầm lăn với tốc độ thi công liên tục hoặc có những đợt nghỉ dài, bề mặt phơi lộ lâu đã có những ảnh hưởng không tốt về phát triển cường độ của bê tông, dẫn đến hiện tượng nứt nẻ cục bộ

Chính vì vậy, việc đi sâu nghiên cứu về sự thay đổi ứng suất và biến dạng đập

bê tông đầm lăn khi xét đến sự phát triển cường độ của bê tông trong quá trình thi công mang tính khoa học cũng như thực tiễn, nhằm đánh giá khả năng chịu tải của vật liệu trong thân đập, từ đó đánh giá tốc độ thi công hợp

lý

2 Mục đích của đề tài

Trên cơ sở nghiên cứu phân tích ứng suất và biến dạng trong thân đập

bê tông đầm lăn trong quá thi công, nhằm đánh giá khả năng chịu tải của vật liệu cũng như có kết quả bước đầu về đánh giá về khả năng phát sinh sự cố theo tốc độ thi công lên đập bê tông đầm lăn

Trang 14

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Tiếp cận thông qua phương pháp thống kê

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Nghiên cứu thực địa nhằm thống kê và đánh giá các nguyên nhân phá hoại của đập bê tông đầm lăn trong quá trình thi công

+ Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô hình toán trong các phân tích

Trang 15

CHƯƠNG 1

1.1 Tình hình xây dựng đập bê tông đầm lăn trên Thế giới

Bê tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông sử dụng các nguyên vật liệu tương tự như bê tông thường, nhưng với bê tông thường được đầm chặt bằng thiết bị rung đưa vào trong lòng khối đổ, BTĐL được làm chặt bằng thiết bị rung lèn từ mặt ngoài (lu rung) Công nghệ này thích hợp cho các công trình

bê tông khối lớn, hình dáng không phức tạp như đập, mặt đường Việc đầm lèn bê tông bằng lu rung cho phép sử dụng hỗn hợp bê tông khô, ít chất kết dính hơn so với bê tông thường, nhờ vậy đối với một số đập và đường bê tông, thi công bằng công nghệ này nhanh hơn và rẻ hơn so với dùng công nghệ đổ bê tông truyền thống Công nghệ BTĐL thường được áp dụng thích hợp cho thi công đập bê tông trọng lực và mặt đường, sân bãi

Công nghệ BTĐL áp dụng cho thi công đường giao thông so với công nghệ thi công thông thường có các ưu điểm như: phương pháp thi công không phức tạp, lượng dùng xi măng thấp, có thể sử dụng một số sản phẩm phụ hoặc phế thải công nghiệp giúp hạ giá thành vật liệu so với bê tông xi măng thông thường, tốc độ thi công nhanh

Công nghệ BTĐL đặc biệt hiệu quả khi áp dụng cho xây dựng đập bê tông trọng lực Khối lượng bê tông được thi công càng lớn thì hiệu quả áp dụng công nghệ BTĐL càng cao Việc lựa chọn phương án thi công đập bằng công nghệ BTĐL thường đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với đập bê tông thường và đập đất đắp bởi các lí do sau:

Thi công nhanh: So với đập bê tông thường, đập BTĐL được thi công với tốc độ nhanh hơn do có thể dùng băng tải để vận chuyển bê tông, dùng

Trang 16

máy ủi để san gạt, máy lu rung để đầm lèn và ít phải chờ khối đổ hạ nhiệt So với đập đất đắp có cùng chiều cao, khối tích của đập BTĐL nhỏ hơn nên thi công nhanh hơn Công trình đập càng cao, hiệu quả kinh tế của đập BTĐL càng lớn so với đập đất đắp

Giá thành hạ: Theo các tính toán tổng kết từ các công trình đã xây

dựng trên Thế giới, giá thành đập BTĐL rẻ hơn so với đập bê tông thi công bằng công nghệ truyền thống từ 25% đến 40% Việc hạ giá thành đạt được là

do giảm được chi phí cốp pha, giảm chi phí cho công tác vận chuyển, đổ, đầm bê tông

Giảm chi phí cho biện pháp thi công: Việc thi công đập bằng BTĐL có

thể giảm chi phí dẫn dòng trong thời gian xây dựng và giảm các thiệt hại, các rủi ro khi nước lũ tràn qua đê quai Hơn nữa thời gian thi công đập BTĐL ngắn nên các ống dẫn dòng cho đập BTĐL chỉ cần thiết kế để đáp ứng lưu lượng xả nước lớn nhất theo mùa thay vì lưu lượng lớn nhất theo năm như đối với đập bê tông và đập đắp Vì vậy đường kính cống dẫn dòng của đập BTĐL nhỏ hơn và chiều cao đê quai cho đập BTĐL cũng thấp hơn so với phương án đập bê tông thường và đập đắp

Năm 1982, Mỹ xây dựng đập trọng lực BTĐL đầu tiên trên Thế giới, đập Willow Creek Đập này cao 52m, chiều dài trục đập 543m, không có rãnh ngang dọc Hàm lượng keo dính trong BTĐL chỉ có 66 kg/mP

3

P Chiều dày tầng đầm là 30cm đổ liên tục để lên cao Với 331.000 mP

3

PBTĐL mà chỉ đổ trong 5 tháng là xong So với bê tông thường thì thời gian thi công rút ngắn được từ 1÷1,5 năm, giá thành chỉ bằng 40% giá thành của đập bê tông thường và bằng 60% giá thành của đập đá hộc Đập Willow Creek đã chứng minh rằng đập BTĐL kinh tế và tốc độ thi công nhanh hơn so với các đập bê tông thông

Trang 17

thường khác Việc xây dựng thành công đập BTĐL, đã thúc đẩy nhanh chóng

về xây dựng đập BTĐL trên nước Mỹ và các nước trên toàn Thế giới

Tính đến 2005, toàn Thế giới đã xây dựng được trên dưới 300 đập BTĐL với khối lượng tổng cộng khoảng trên 90 triệu mP

3

P BTĐL Hiện Trung Quốc là quốc gia đang dẫn đầu về số lượng đập BTĐL sau đó là Hoa Kỳ, Nhật Bản và Tây Ban Nha

Bảng 1.1 Số lượng đập BTĐL tại một số nước trên Thế giới

xây dựng

Thể tích BTĐL

Tỷ lệ theo

số lượng (%)

Tỷ lệ theo khối lượng (%) Châu Á

Trang 19

Hình 1.1 Thi công đập BTĐL bằng xe lu rung (Beni-Haroun - Algeri)

1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông đầm lăn ở Việt Nam

Trong tiến trình hội nhập và phát triển nhu cầu điện năng của nước ta năm sau cao hơn năm trước Với ưu thế về tiềm năng thuỷ điện việc xây dựng các công trình thuỷ điện mới được đặt ra hết sức cấp thiết Theo kế hoạch phát triển thuỷ điện đến năm 2013 cả nước sẽ có 22 nhà máy thuỷ điện mới được đưa vào khai thác, vì vậy việc lựa chon biện pháp xây dựng đập bằng công nghệ bê tông đầm lăn được chú trọng Đây là công nghệ thi công đập bê tông dựa trên nguyên lý thi công đập đất sử dụng thiết bị vận chuyển, rải và lèn chặt có công suất lớn Hỗn hợp bê tông có hàm lượng chất kết dính thấp và độ

ẩm nhỏ được lèn chặt bằng lu rung Tốc độ thi công nhanh, giá thành rẻ là những ưu việt của loại hình công nghệ này so với công nghệ thi công đập bê tông thường đã biến công nghệ bê tông đầm lăn trở nên phổ biến Trong điều kiện hiện tại tuy còn thiếu kinh nghiệm thi công đập BTĐLnhưng Việt Nam

đã có những cố gắng nhằm đốt cháy giai đoạn để đưa công nghệ thi công BTĐL vào áp dụng trong xây dựng nhiều đập thuỷ điện trên cả 3 miền

Trang 20

Đập thuỷ điện đầu tiên ở nước ta được thi công bằng công nghệ BTĐL

là đập Pleikrông tại tỉnh Kon Tum có chiều cao 75 m được thiết kế bởi Công

ty Tư vấn Xây dựng Điện I Sau đó một số đập khác đang trong quá trình triển khai thi công theo công nghệ BTĐL như: Đập thuỷ điện A Vương tại tỉnh Quảng Nam, có chiều cao 7m được thiết kế bởi Công ty Tư vấn Xây dựng Điện III; Đập thuỷ điện Bản Vẽ tại tỉnh Nghệ An, có chiều cao 138 m được thiết kế bởi Công ty Tư vấn Xây dựng Điện I; Đập thuỷ điện Sê San 4 tại tỉnh Gia Lai có chiều cao 80 m được thiết kế bởi Công ty Tư vấn Xây dựng Điện I; Đập thuỷ điện Sơn La tại tỉnh Sơn La có chiều cao 138 m được thiết kế bởi Công ty Tư vấn Xây dựng Điện I

Hình 1.2 Đập BTĐL Định Bình – Tỉnh Bình Định

Trang 21

Bảng 1.2 Các đập bê tông đầm lăn đang thi công hoặc trong giai đoạn thiết kế

5 Bình Điền Thừa Thiên - Huế 75

20 Sông Tranh 2 Quảng Ngãi 100

22 Trung Sơn

(Bản Uôn)

Trang 22

Hiệu quả áp dụng công nghệ bê tông đầm lăn để làm đập ở Việt Nam

- Về kinh tế, hiệu quả lớn nhất mà công nghệ thi công bê tông đầm lăn đem lại là rút ngắn thời gian thi công, sớm đưa công trình vào khai thác sử dụng, ngoài ra đối với xây dựng công trình thuỷ lợi và thuỷ điện, công nghệ này cho phép giảm giá thành vật liệu đáng kể tức giảm tổng vốn đầu tư

Về kỹ thuật, khi áp dụng công nghệ BTÐL cho xây dựng các công trình khối lớn cho phép giảm nhiệt thuỷ hoá nhờ giảm được lượng dùng xi măng, vì vậy giảm được nguy cơ nứt khối do ứng suất nhiệt Ðối với xây dựng mặt đường, sân bãi, việc sử dụng BTÐL có thể rút ngắn thời gian đưa công trình vào sử dụng nhanh gấp hai lần so với bê tông thường

- Về môi trường, nhờ việc giảm lượng dùng xi măng trong BTÐL và

có thể thay thế một phần xi măng bằng phụ gia khoáng giúp giảm mức tiêu hao năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường do ngành công nghiệp sản xuất xi măng gây nên Hơn nữa việc có thể tận dụng phế thải tro than, cho phép giải quyết xử lý phế thải công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường

1.3 Các phương pháp thi công đập bê tông đầm lăn

1.3.1 Thiết bị thi công

Thiết bị thi công bê tông đầm lăn không phức tạp, các thiết bị chính để thi công bê tông theo công nghệ này hiện đều có ở Việt Nam Thiết bị thi công BTÐL nói chung cũng giống nhau khi thi công BTÐL cho đập, đường

và các dạng công trình bê tông khối lớn không cốt thép khác Tuy nhiên ở mỗi loại hình công nghệ đó đòi hỏi thêm những thiết bị thi công đặc chủng riêng Các thiết bị cần thiết cho thi công đập bằng công nghệ BTÐL gồm: Máy trộn cưỡng bức có khả năng trộn hỗn hợp bê tông khô sử dụng cốt liệu có đường kính lớn; băng tải hoặc các thiết bị tương đương để vận chuyển bê tông; xe tải

tự đổ; máy san ủi; máy lu rung; máy nhồi tấm tạo khe co Hệ thống phun nước

Trang 23

cao áp làm sạch bề mặt bê tông mạch ngừng, Hệ thống phun nước bảo dưỡng Thiết bị cho thi công đường, sân bãi: Máy trộn cưỡng bức; xe tải tự đổ; máy rải (asphalt); xe lu rung; xe lu lốp; mắy cắt bê tông

Có thể thấy rằng các thiết bị chính cho thi công bê tông bằng công nghệ BTÐL đã có sẵn ở Việt Nam hoặc đều có thể chế tạo tại Việt Nam Nếu phổ biến công nghệ BTÐL ở Việt Nam thì có thể tận dụng được các thiết bị có sẵn

ở trong nước, không cần tốn thêm nhiều chi phí đầu tư mua thiết bị thi công mới

Hình 1.3 Thiết bị thi công BTĐL

Trang 24

1.3.2 Công nghệ thi công BTÐL

Công nghệ và tổ chức thi công BTÐL khác với bê tông khối lớn thông thường là được tiến hành cùng lúc trên một diện rộng Sau khi ngăn dòng và thi công xong phần nền móng đập thì tiến hành thi công lớp thềm chống xói bằng bê tông chịu lực Bê tông tường thượng lưu được đổ bằng bê tông thường theo công nghệ cốp pha trượt (hoặc leo) có đặt các băng cách nước vào khe co dãn (thông thường 15 m/khe) Tường hạ lưu có thể là bê tông đổ tại chỗ giống như tường thượng lưu, cũng có thể được lắp ráp bằng các tấm hoặc khối bê tông đúc sẵn Các lớp kết cấu tường này đóng vai trò cốp pha cho các lớp bê tông đầm lăn phía trong Hỗn hợp bê tông sau khi được trộn từ các trạm trộn được vận chuyển đến nơi đổ bằng các phương tiện như xe chạy trên ray, băng tải, xe ô-tô tự đổ chuyên dụng Hỗn hợp BTÐL được san gạt bằng xe ủi Sau đó chúng được đầm lèn bằng lu rung (7-12 tấn) Chiều dầy từng lớp đổ được quyết định bởi năng lực đổ, năng lực đầm của các thiết bị Thông thường mỗi lớp bê tông được san dày khoảng 30-40cm Ðể tăng tốc độ

di chuyển, tại một số công trình, các máy ủi san bê tông được cẩu tháp cẩu chuyển đến các vị trí cần thiết (tránh làm hỏng bề mặt bê tông đã đầm) Thời gian từ khi bê tông bắt đầu được trộn cho tới khi đầm lèn xong không vượt quá thời gian bắt đầu đóng rắn của bê tông (thường thời gian đóng rắn không quá 2 giờ)

1.3.3 Các phương pháp thi công lên đập

1.3.3.1 Thi công đập BTĐL theo phương đứng

Thi công đập BTĐL trên toàn bộ chiều dài tuyến đập, chiều cao đập được lên đều trên toàn tuyến đập Ưu điển của phương pháp này là tốc độ thi công nhanh, việc thi công trên một mặt bằng sẽ thuận lợi cho công tác tổ chức thi công Thi công theo phương pháp này thường áp dụng với các đập khối

Trang 25

lượng trung bình và chiều dài đập không quá lớn, cường độ cung cấp bê tông đảm bảo thi công đập trên toàn tuyến đập và sơ đồ dẫn dòng đơn giản

1.3.3 2 Thi công đập BTĐL theo phương pháp so le

Chia đập thành 2 phần dọc theo chiều dài tuyến đập và thi công 2 phần này so le nhau Thi công một nửa đập lên một chiều cao nhất định, sau đó chuyển thi công nửa đập còn lại, cứ như vậy cho đến hết cao trình thiết kế của đập

Phương pháp này cũng thuận tiện trong việc tổ chúc thi công đập, tốc

độ lên đập nhanh, thường được áp dụng đối với các đập có chiều dài lớn, khối lượng thi công lớn, không thể đáp ứng việc thi công trên toàn tuyến đập

1.3.3.3 Thi công đập BTĐL chia theo các khối đắp

Đập được chia thành nhiều khối riêng biệt để thi công Việc tổ chúc thi công đập theo phương pháp này phức tạp, tốc độ lên đập chậm, được áp dụng cho đập khối lớn, không thể đáp ứng thi công trên toàn tuyến đập, đồng thời đập có sơ đồ dẫn dòng phức tạp, dọc theo chiều dài tuyến đập có bố trí các hạng mục như: cửa lấy nước, cống dẫn dòng…

Trang 26

Hình 1.4 Sơ đồ phân khối đổ đập BTĐL ở Đập Thủy điện Sơn La

1.4 Những tồn tại trong quá trình tính toán phân tích ứng suất biến dạng đập bê tông đầm lăn

Đối với bài toán phân tích ứng suất biến dạng truyền thống, trong tính toán truyền thống trước đây khi tiến hành thiết kế cũng như kiểm tra, việc tính toán dựa trên mặt cắt kiểm tra với các tham số vật liệu tại tuổi thiết kế thường

là 360 ngày, theo sơ đồ hình 1.5 đối với bài toán biến dạng phẳng

Hình 1.5 Mô hình bài toán phân tích ứng suất biến dạng truyền thống

Trang 27

Tuy nhiên trong thực tế, nhất là đối với đập bê tông đầm lăn với tiến độ thi công liên tục, tốc độ lên đập nhanh Ví dụ như đập Thủy điện Sơn La (hình 1.4), tốc độ lên khối C1, C2 là 30m/45 ngày; C4, C5 là 42m/45 ngày; thì việc tính toán theo sơ đồ truyền thống (hình 1.5) với cường độ và các tham số ở tuổi thiết kế là 365 ngày, thì bài toán phân tích ứng suất biến dạng truyền thống không còn phù hợp nữa

Thực tế trong quá trình thi công đập Sơn La đã xuất hiện một số sự cố như: Trong thời gian thi công đập bê tông đầm lăn đã xuất hiện các vết nứt, các vết nứt này phát triển không cùng một thời gian, trong điều kiện nhất định vết nứt bề mặt có thể phát triển thành vết nứt tầng sâu, thậm chí thành vết nứt xuyên suốt

Theo tiến độ thi công đập: Đập được chia thành 12 khối đổ: C1÷C5; L1.1; L1.2; L2; R1÷R4 Trong quá trình thi công đã phát hiện các vết nứt tại các thời điểm khác nhau ở các khối C2, L1.1, C3 và C5 như sau:

Đầu tiên phát hiện trên bề mặt khối C2 xuất hiện vết nứt tại vị trí giữa khe J12/J13 phần tiếp giáp giữa khối C2 và C4, cách bề mặt thượng lưu 50m

Bề rộng khoảng 0,5mm, độ sâu của vết nứt lớn nhất là 6,5m và có hướng song song với tim đập dài 30,5m Tại mặt giáp khối C4 có khe nứt phương thẳng đứng từ cao độ 112-122m.Một vết nứt dọc theo trục đập ở khối đơn nguyên

số 12 tại gần giữa tâm của khối, độ rộng của vết nứt khoảng 0.5mm; có vẻ

như vết nứt bắt đầu ở góc của mặt trên với Khe 12/13;

Sau đó khoảng 3 tháng sau phát hiện trên bề mặt khối L1.1 cao trình 136,2m phát hiện 02 vết nứt theo hướng song song với tim đập Vết thứ nhất cách mép đập thượng lưu khoảng 50m (ở vị trí gân trung tâm khối L1) kéo dài

từ khe J7/8 (tiếp giáp khối C3) đến vai trái, dài 94,5m Vết thứ hai cách vết thứ nhất khoảng 18m về phía hạ lưu, kéo dài từ khe J7/8 đến cách vai trái

Trang 28

Trong hành lang ngang số 3 ở cao trình 138m (trong khối CVC trên định cống dẫn dòng) phát hiện vết nứt cách cửa ra hạ lưu 38m, chiều dài 12m

Bề rộng lớn nhất của vết nứt 0,5mm

Các vết nứt có xu hướng phát triển tăng về số lượng theo thời gian, cứ như vậy theo thời gian nếu các vết nứt hình thành thông từ khối đổ này sang khối đổ khác sẽ ảnh hưởng lớn đến an toàn và ổn định của đập, nhất là khi hồ tích nước, nước sẽ len lỏi qua các khe nứt dần dần sẽ làm cho các vết nứt phát

triển lớn hơn làm cho đập mất an toàn khi hoạt động

Trang 29

Hình 1.6 Các vết nứt liên thông giữa các khối đổ

Với tình hình các vết nứt như trên hình 1.6 thể hiện, nhận thấy rằng sự tiềm ẩn nguy cơ ảnh hưởng đến an toàn đập là rất cao Nguyên nhân gây ra hiện tượng nứt có thể do: điều kiện thi công, co ngót nhiệt, thời gian bóc lộ lâu, tốc độ thi công chưa hợp lý,

Đối với tốc độ thi công, luận văn đặt vấn đề đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phát triển cường độ bê tông trong quá trình lên đập, để

từ đó có những đánh giá về hiện tượng xảy ra nứt trong quá trình thi công đập bê tông đầm lăn Thông qua đó cũng thấy bức tranh về trạng thái ứng suất

biến dạng thực tế trong thân đập theo quá trình thi công

1.5 Kết luận chương 1

- Khái quát tình hình xây dựng đập bê tông đầm lăn trên Thế giới, tình hình xây dụng và hiệu quả áp dụng công nghệ bê tông đầm lăn để làm đập ở Việt Nam

- Công nghệ và biện pháp thi công đập bê tông đầm lăn

- Một số vấn đề kỹ thuật phát sinh trong quá trình thi công

Trang 30

- Thông qua phân tích để thấy rõ những tồn tại của bài toán phân tích ứng suất biến dạng theo phương pháp truyền thống đang được sử dụng

Để giải quyết các tồn tại trên, mục đích và nội dung nghiên cứu của

luân văn: “Phân tích ứng suất và biến dạng trong đập bê tông đầm lăn có xét đến sự phát triển của cường độ bê tông trong quá trình thi công” là:

Trên cơ sở nghiên cứu phân tích ứng suất và biến dạng trong thân đập bê tông đầm lăn trong quá thi công, nhằm đánh giá khả năng chịu tải của vật liệu cũng như có kết quả bước đầu về đánh giá tốc độ thi công lên đập bê tông đầm lăn

Trang 31

CHƯƠNG 2

CỦA ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA

CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG TRONG THỜI GIAN THI CÔNG

2.1 Sự phát triển cường độ và các đặc trưng cơ lý của bê tông đầm lăn

2.1.1 Sự phát triển cường độ của bê tông đầm lăn theo thời gian

Cường độ là chỉ tiêu cơ học quan trọng, là đặc trưng cơ bản của bê tông phản ánh khả năng chống lại sự phá hoại gây ra dưới tác dụng của tải trọng

Cường độ bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó Để xác định cường độ bê rông phải làm thí nghiệm Thí nghiệm phá hoại mẫu là phương pháp xác định cường độ một cách trực tiếp và dùng phổ biến Ngoài

ra có thể dùng phương pháp gián tiếp như: siêu âm, ép lõm viên bi trên bề mặt

bê tông,… và có thể thực hiện trên kết cấu được

Đặc điểm của bê tông đầm lăn là thời gian liên kết ban đầu chậm Vì trong bê tông đầm lăn lượng xi măng dùng ít, lượng tro bay cao, làm cho cường độ bê tông giai đoạn đầu thấp và cường độ ở giải đoạn sau tăng trưởng

rõ ràng Trong 7 ngày đầu cường độ chịu kéo phát triển rất chậm Trên hình 2.1 là đường cong phát triển cường độ chịu kéo của bê tông đầm lăn [2]

Trang 32

Hình 2.1 Cường độ chịu kéo của BTĐL

2.1.2 Các đặc trưng cơ lý của bê tông đầm lăn

2.1.2 1 Mô đuyn đàn hồi E của bê tông đầm lăn

Mô đuyn đàn hồi là một hàm của độ hyđrát hóa của bê tông, phụ thuộc vào thời gian và cường độ của bê tông Trong 7 ngày đầu mô đuyn đàn hồi E phát triển rất chậm Trên hình 2.2 là đường cong phát triển mô đuyn đàn hồi của bê tông đầm lăn theo thời gian [2]

Trang 33

Hình 2.2 Mô đuyn đàn hồi E của BTĐL theo thời gian

2.1.2.2 Hệ số Poisson ν của bê tông đầm lăn

Hệ số Poisson là tỉ số giữa độ biến dạng hông (độ co, biến dạng co) tương đối và biến dạng dọc trục tương đối (theo phương tác dụng lực) Hình 2.3 là đường cong của hệ số Poisson theo thời gian Trong thời kỳ phán tán của bê tông, thời gian đầu hệ số Poisson phát triển nhanh, theo thời gian hệ số

này càng giảm và dần dần bằng hằng số

Hình 2.3 Hệ số Poisson ν c ủa BTĐL theo thời gian

Trang 34

2.2 Ảnh hưởng của cường độ bê tông đối với tốc độ thi công đập

Đập BTĐL thường chọn để xây dựng cho các công trình lớn, được thi công liên tục, khi các lớp bê tông bê dưới cường độ còn thấp thì các lớp bê tông tiếp theo đã được thi công chồng lên Trong thời gian thi công, các lớp

bê tông phía dưới đã được thi công phải chịu quá trình chất tải khi cường độ

bê tông đang phát triển Tải trọng do quá trình chất tải sẽ ảnh hưởng tới sự phân bố ứng suất cũng như khả năng chịu lực của đập, khi cường độ BTĐL chưa đủ tuổi

Khi áp dụng cách đầm nén liên tục từng lớp mỏng hoặc chiều cao nâng đập lên tương đối lớn, cường độ bê tông chịu tải sẽ kém, song phương thức đổ

bê tông đó lại có thể giảm bớt lượng công tác xử lý mặt lớp, nâng cao được tốc độ thi công

Khi áp dụng phương thức đầm nén lớp mỏng, có thời gian nghỉ ngắt quãng và bê tông lên đều hoặc chiều cao đầm nén nâng lên, làm cho cường độ của bê tông được tăng lên, nhưng phương thức đổ bê tông này tăng thêm lượng công tác xử lý lớp bề mặt, làm chậm tiến độ thi công

2.3 Các p hương pháp phân tích ứng suất biến dạng đập bê tông đầm lăn

Việc tính toán ứng suất biến đạng của đập bê tông đầm lăn chính là giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng và buộc chúng phải thoả mãn các điều kiện biên động học và tĩnh học

Để giải quyết các bài toán ứng suất biến dạng có thể thực hiện theo các phương pháp:

2.3.1 Phương pháp giải tích

Là tìm nghiệm của bài toán thỏa mãn các phương trình vi phân tại mọi điểm trong thân đập và thỏa mãn điều kiện biên trên bề mặt Bao gồm các

Trang 35

phương pháp tính như: Phương pháp Sức bền vật liệu và phương pháp lý thuyết đàn hồi

* Phương pháp Sức bền vật liệu

- Ưu điểm: Phương pháp Sức bền vật liệu đươc coi là phương pháp tính

toán cơ bản giúp việc tính toán ứng suất biến dạng đơn giản, dễ dàng Thường được sử dụng để tính toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ đối với công trình cấp III, IV

- Nhược điểm: Kết quả tính có sai số lớn, không phản ánh đúng trạng

thái ứng suất biến dạng trong đập Nguyên nhân là khi tính theo Sức bền vật liệu coi đập như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời và giả thiết sự phân bố ứng suất pháp trên lát cắt nằm ngang là tuyến tính, trị số tại biên đập được xác định theo công thức nén lệch tâm và vật liệu được coi là đồng chất đẳng hướng Mặt khác, phương pháp Sức bền vật liệu không thể giải quyết các bài toán phức tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dị hướng không xét được trong giai đoạn thi công

- Kết luận: Do sai số lớn nên phương pháp sức bền vật liệu không được

sử dụng để phân tích ứng suất biến dạng của đập Phương pháp này thường dùng để tính toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ

* Phương pháp tính theo lý thuyết đàn hồi

- Ưu điểm: Giải quyết được những vấn đề như ứng suất tập trung, ứng

suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt mà phương pháp sức bền vật liệu không giải quyết được Tính toán tương đối đơn giản, dễ áp dụng, độ chính xác cao Vì giải theo lý thuyết đàn hồi chính là tìm nghiệm trực tiếp từ các phương trinh

Trang 36

vi phân, chúng vừa thỏa mãn điều kiện liên tục về biến dạng, vừa thỏa mãn điều kiện biên về lực

- Nhược điểm: Lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện với những trường hợp

phức tạp, như áp lực thấm và đẩy nổi, áp lực bùn cát, động đất… Kết quả tính toán chưa sát với thực tế làm việc của vật liệu không đồng chất, đẳng hướng Ngoài ra lý thuyết đàn hồi còn không xét đến ảnh hưởng của biến dạng nền, các lớp xen kẹp, đứt gãy, nền có tính di hướng, không tính được trong thi công

- Kết luận: Tính ứng suất biến dạng theo Lý thuyết đàn hồi cho kết quả

chính xác cao hơn so với sức bền vật liệu Tính toán đơn giản, dễ áp dụng, kết quả chấp nhận được Thường sử dụng tính toán trong thiết kế các công trình đập bê tông trọng lực có chiều cao dưới 60m (theo 14TCN56-88)

2.3.2 Phương pháp số

Là xác định gần đúng giá trị rời rạc của các hàm ẩn tại một điểm bên trong hoặc trên biên của vật thể đang xét Bao gồm các phương pháp như:

phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn,…

* Phương pháp sai phân hữu hạn

- Ưu điểm: Phương pháp này tương đối đơn giản

- Nhược điểm: Không thuận lợi trong việc lập trình tính toán ứng suất

biến dạng với khối lượng lớn, chưa phản ánh được sự lam việc của nền và vật liệu Phương pháp sai phân hữu hạn không giải quyết được các bài toán có điều kiện biên phức tạp Không phân tích được bài toán dị hướng và trong giai đoạn thi công công trình

- Kết luận: Độ chính xác của phương pháp còn phụ thuộc vào hình

dạng và kích thước mặt lưới, mắt lưới càng dày độ chính xác càng cao

Trang 37

Thường được áp dụng với các công trình nhỏ, đơn giản thì cho kết quả tương đối chính xác

* Phương pháp phần tử hữu hạn

- Ưu điểm: Phương phần tủ hữu hạn là một phương pháp tổng quát và

hữu hiệu cho lời giải có nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau, đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng, giao thông,…Phương pháp này đã giải đước bài toán có xét đến ảnh hưởng của biến dạng, tính dị hướng của nền, hoặc nền có tính xen kẹp, đứt gãy và giải được bài toán có điều kiện biên

phức tạp Phản ánh đúng thực tế làm việc của vật liệu là không đồng nhất, không đẳng hướng Phân tích được trạng thái ứng suất, biến dạng quanh lỗ khoét, ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt,… mà các phương pháp như sức bền vật liệu, lý thuyết đàn hồi,…không giải quyết được Cơ sở của phương pháp này là thay kết cấu, môi trường liên tục bằng mô hình bao gồm một số hữu

hạn phần tử riêng lẻ, liên kết với nhau chỉ ở một số hữu hạn điểm nút, tại các điểm nút tồn tại các lực hoặc các đại lượng đặc trưng khác tùy theo bài toán Các đại lượng tính toán bên trong phần tử được biểu diễn thông qua các trị số tại các điểm nút của phần tử

Cùng với với sự phát triển khoa học công nghệ, việc giải quyết các bài toán có khối lượng lớn, kết cấu phức tạp được giải quyết và cho kết quả có độ chính xác cao

Phương pháp phần tử hữu hạn thuộc loại bài toán biến phân, song khác với bài toán biến phân cổ điển ở chỗ không tìm dạng hàm xấp xỉ của hàm cần tìm trong toàn miền xác định mà chỉ trong từng miền con trong miền xác định

Trang 38

của nó Điều này rất thuận lợi khi giải bài toán mà miền xác định gồm nhiều miền con có những đặc tính khác nhau

- Nhược điểm: Khối lượng tính toán lớn, phức tạp, không thể thực hiện

bằng thủ công, mặt khác phải phân tích kết cấu thực tế đưa về kết cấu có tính toán sao cho hợp lý để cho kết quả đúng va sát với thực tế nhất

- Kết luận: Mặc dù khối lượng tính toán lớn, nhưng với sự phát triển của

lập trình trên máy tính đã giúp việc giải bài toán một cách dễ dàng và thuận lợi hơn Hơn nữa phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi với tính

ưu việt của nó, với miền tính toán bao gồm các loại vật liệu khác nhau và có

hình dáng kích thước bất kỳ, biên của bài toán có thể phức tạp Nên trong phạm vi luận văn này lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn là thích hợp để

giải bài toán ứng suất, biến dạng trong đập bê tông đầm lăn xét đến sự phát triển của cường độ bê tông trong quá trình thi công

2.4 Gi ải bài toán phân bố ứng suất biến dạng trong đập bê tông đầm lăn

b ằng phương pháp phần tủ hữu hạn

Hiện nay, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng rộng rãi

để giải quyết nhiều vấn đề gặp phải trong tính toán thiết kế Phạm vi ứng dụng từ phân tích ứng suất biến dạng của phần tử khối tổng quát tới phân tích sóng truyền âm, vật lý nơtron và những vấn đề về động lực chất lỏng Thực vậy, phương pháp PTHH đang được ứng dụng hiện nay là một phương pháp

số tổng quát cho việc tính toán từng phần khác nhau của hệ thống phương trình khi đối tượng đã biết là điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Phương pháp PTHH được sử dụng rộng rãi như là một công cụ thiết kế cho việc phân tích tuyến tính cũng như phi tuyến của vật liệu Để làm được như vậy, chúng phụ thuộc vào hai nhân tố chủ yếu sau Thứ nhất, khi quá trình tính toán tăng lên kết hợp với vấn đề phi tuyến, khả năng tính toán là

Trang 39

điều bắt buộc Sự phát triển của máy tính tốc độ cao trong những thập kỷ cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 đã làm cho đơn vị giá thành tính toán được giảm xuống và chúng sẽ còn tiếp tục giảm trong những năm tới Thứ hai, trước khi phương pháp PTHH có thể sử dụng trong tính toán thiết kế, độ chính xác cần được chứng minh Việc cải tiến đặc trưng phần tử và những kinh nghiệm thu được về vấn đề này của nhiều tác giả có thể khẳng định rằng phân tích PTHH vào bài toán phi tuyến vật liệu có thể thực hiện với độ tin cậy cao Vấn đề còn lại là hiệu quả kinh tế khi lựa chọn ứng dụng vào sản xuất

Về mặt vật lý, phương pháp PTHH chia không gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ) có tính chất hình học và cơ học đơn giản hơn kết cấu toàn thể Các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút Tương tự phương pháp chuyển vị, trong phương pháp PTHH, điều kiện tương thích về chuyển vị hay biến dạng của kết cấu chỉ được thỏa mãn tại các nút Thông thường ẩn cơ bản của phương pháp PTHH là các chuyển vị của các nút Các ẩn này được xác định dựa trên điều kiện cân bằng của toàn thể kết cấu theo phương trình có dạng:

[ ]K.{ } { }U = P (2-1) Trong đó:

[ ]K : là ma trận độ cứng của kết cấu, xây dựng từ ma trận độ cứng của các phần tử

{ }U : ma trận chuyển vị nút cần tìm

{ }P : ma trận ngoại lực nút

Nếu [ ]K , { }P không phụ thuộc vào{ }U , bài toán được coi là tuyến tính

và ngược lại nếu [ ]K hoặc { }P là hàm của { }U bài toán trở thành phi tuyến

Sau khi xác định được ma trận chuyển vị nút, chuyển vị tại một điểm bất kỳ trong phần tử được xác định dựa trên hàm dạng mô tả quan hệ chuyển

Trang 40

vị của một điểm bất kỳ với điểm nút Dựa vào các quan hệ cơ học, xác định được trường ứng suất biến dạng {σ}, {ε}

2.4 1 Phương pháp PTHH cho bài toán phi tuyến về vật liệu

2.4 1.1 Phương trình cơ bản của bài toán PTHH phi tuyến vật liệu [8]

Nội dung chủ yếu của bài toán phi tuyến về vật liệu được thể hiện ở

trạng thái làm việc của vật liệu không giống nhau trong từng giai đoạn Điều này được thể hiện ở quan hệ US-BD Khi xét vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, quy luật thay đổi của ứng suất và biến dạng là như nhau trong mọi thời điểm Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh rằng: trạng thái ứng suất và biến dạng có quan hệ mật thiết với nhau, sự thay đổi của đại lượng này sẽ chi phối

sự thay đổi của đại lượng khác Nói cách khác, hai đại lượng US-BD có quan

hệ mật thiết với nhau, chúng chi phối, tác động tương hỗ lẫn nhau Nội dung chính của phần này sẽ tập trung nghiên cứu phương trình cơ bản của phương pháp PTHH cho bài toán phi tuyến vật liệu cũng như việc tính toán xác định các thành phần của nó Hơn thế nữa cùng cần làm rõ những quan hệ cơ học của vật liệu để từ đó có những ứng xử thích hợp trong việc chính xác hóa lời giải của bài toán phân tích ứng suất biến dạng trong đập bê tông trọng lực

Khi mô phỏng vật liệu làm việc trong giai đoạn phi đàn hồi, có tính cơ

học thay đổi theo thời gian, lúc này quan hệ σ = σ(ε) giữa ứng suất và biến

dạng là quan hệ phi tuyến (hình 2.5)

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu đàn hồi

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	2,27 MB