Luan van Thac si LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và làm luận văn, được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong trường Đại học Thuỷ lợi, các cán bộ, nhân viên thư viện trường Đại học Thuỷ lợ[.]
Trang 1Sau thời gian học tập và làm luận văn, được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong trường Đại học Thuỷ lợi, các cán bộ, nhân viên thư viện trường
Đại học Thuỷ lợi Tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Phân tích ứng suất trong đập đá đổ bọc bê tông trên nền đất”
Các kết quả trong luận văn là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong q trình phân tích ứng suất ứng suất trong đập bê tơng khơng đồng nhất trên nền đất Do thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ kỹ thuật còn tồn tại một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Tác giả rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp
Tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy giáo – PGS.TS Nguyễn Quang Hùng đã nhiệt tình hướng dẫn, cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn các thầy, cơ giáo khoa Cơng trình - Trường Đại học Thuỷ lợi, và bạn bè đồng nghiệp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập nghiên cứu để tác giả hoàn thành tốt luận văn
Sau cùng tác giả xin cảm ơn bạn bè và những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ trong q trình nghiên cứu và làm luận văn
Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 11 năm 2014
Tác giả
Trang 2Tên tôi là Nguyễn Việt Anh, tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào
TÁC GIẢ
Trang 3PHẦN MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 4
1.1.Tổng quan về tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới và ở Việt Nam 4
1.1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới 4
1.1.2 Tổng quan về tình hình xây dựng đập bê tơng ở Việt Nam 7
1.2 Các cơng trình khoa học, các nghiên cứu có liên quan tới đề tài 11
1.3 Một số mặt cắt ngang đập xây dựng trên nền mềm 12
1.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 13
1.5 Kết luận chương 1 13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 14
2.1 Đặc tính chịu lực của bê tông 14
2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông 14
2.3 Chuẩn tắc phá hoại của vật liệu bê tông 17
2.4 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích nội lực 18
2.4.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn 18
2.4.2 Các bước giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 18
2.5 Kết luận chương 2 29
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG KHÔNG ĐỒNG NHẤT TRÊN NỀN ĐẤT 30
3.1 Lựa chọn mơ hình và phần mềm tính tốn 30
3.1.1 Lựa chọn mơ hình tính tốn 30
3.1.2 Lựa chọn phần mềm tính tốn 31
3.2 Các thơng số cơ bản của cơng trình 31
3.2.1 Chiều cao của cơng trình nghiên cứu trong luận văn 31
3.2.2 Mô đun đàn hồi của đất 32
3.2.3 Mặt cắt của đập đá đổ bọc bê tông 34
3.3 Các lực tác dụng và tổ hợp lực tác dụng lên cơng trình 36
Trang 43.4 Xây dựng mơ hình trong phần mềm 39
3.4.1 Xây dựng mơ hình phân tích ứng suất trong phần mềm Sap 39
3.4.2 Trường hợp tính tốn và chỉ tiêu cơ lý của vật liệu xây dựng đập 41
3.5 Phân tích ứng suất trong đập bê tơng được xây dựng trên nền đất 43
3.5.1 Kết quả phân tích ứng suất đập bê tông đồng nhất xây dựng trên nền đất 43
3.52 Kết quả phân tích ứng suất đập đá đổ bọc bê tông xây dựng trên nền đất 45
3.5.2 Phân tích về ứng suất trong đập đá đổ bọc bê tơng 48
3.6 Phân tích ảnh hưởng của ứng suất cục bộ phát sinh đối với công trình 51
3.7 Nhận xét và đánh giá kết quả 52
3.8 Kết luận chương 3 53
Chương 4: ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH ĐẬP TRÀN XẢ LŨ HỒ MIỄU 55
4.1 Giới thiệu chung về cơng trình 55
4.1.1 Tổng quan về cụm cơng trình Hồ Miễu 55
4.1.2 Điều kiện địa hình, địa mạo tại vị trí đập Hồ Miễu 55
4.1.3 Điều kiện địa chất tuyến tràn 56
4.2 Phân tích ứng suất cục bộ trong đập bê tông không đồng chất trên nền đất 59
4.2.1 Xây dựng mơ hình trong phần mềm 59
4.2.2 Trường hợp tính tốn và chỉ tiêu cơ lý của vật liệu xây dựng đập 60
4.2.3 Kết quả phân tích ứng suất đạp tràn hồ Miễu 61
4.3 Phân tích kết quả 67
4.4 Kết luận chương 68
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 68
1 Những kết quả đạt được 68
2 Những tồn tại trong quá trình thực hiện luận văn 69
3 Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 69
Trang 5DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Bảng thống kê số lượng đập của các châu lục 4
Bảng 1.2: Bảng thống kê một số đập bê tông được xây dựng ở Việt Nam giai đoạn trước năm 1945 7
Bảng 3.1 - Trị tiêu chuẩn của lực dính cho đơn vị ctc (kPa), góc ma sát trong ϕtc (°) và mô đun biến dạng E (kPa) của đất cát 32
Bảng 3.2 - Trị tiêu chuẩn của mô đun biến dạng của đất sét E (MPa) 33
Bảng 3.3: Bề rộng đáy đập đá đổ bọc bê tông 36
Bảng 3.4 Bảng chỉ tiêu cơ lý của vật liệu xây dựng đập và nền 41
Bảng 3.5: Bảng các giá trị ứng suất của đập đồng chất xây dựng trên nền đất với các chiều cao khác nhau 44
Bảng 3.6:Ứng suất của đập đá đổ bọc bê tông ứng với các chiều cao của đập 47
Bảng 3.7:Bảng so sánh các giá trị ứng suất (giảm theo%) của đập bê tông đồng nhất với đập đá đổ bọc bê tông bản mặt được xây dựng trên nền đất 48
Bảng 4.1: Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 58
Bảng4.2 Bảng chỉ tiêu cơ lý của vật liệu xây dựng đập và nền 60
Trang 6Hình 1.1: Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000) 5
Hình 1.2: Đập Grande Dixence nhìn từ hạ lưu 5
Hinh 1.3: Tồn cảnh đập Tam Hiệp 6
Hình 1.4: Tồn cảnh đập Tucurui 6
Hình 1.5: Tồn cảnh đập Sơn La nhìn từ hạ lưu 8
Hình 1.6: Tồn cảnh đập Bản Vẽ nhìn từ hạ lưu 9
Hình 1.7: Mặt cắt ngang tại vị trí lịng sơng của đập Cửa Đạt 9
Hình 1.8: Thượng lưu hồ Cửa Đạt 10
Hình 1.9: Thượng lưu hồ chứa Tuyên Quang 10
Hình 1.10: Một số mặt cắt ngang đập được xây dựng trên nền mềm 12
Hình 1.11: đập Đáy được xây dựng ở Hà Tây 12
Hình 2.1: Đồ thị quan hệ ứng suất – biến dạng 15
Hình 2.2: Đồ thị quan hệ ứng suất – biến dạng (σ∼ε) 16
Hình 2.3: Đồ thị quan hệ biến dạng- thời gian (ε∼t) 16
Hình 2.4: Đồ thị quan hệ ứng suất – biến dạng trường hợp tải trọng lặp lại 17
Hình 2.5: Sơ đồ khối của chương trình PTHH 19
Hình 2.6: Bài tốn hai chiều 19
Hình 2.7: Rời rạc kết cấu bằng phần tử tam giác 21
Hình 2.8: Biểu diễn hình học các hàm dạng 22
Hình 2.9: Tọa độ diện tích 22
Hình 2.10: Lực tác dụng lên cạnh phần tử 27
Trang 7bằng phần mềm Sap2000 40
Hình 3.3 Mơ hình đập đá đổ bọc bê tông xây dựng bằng phần mềm Sap2000 40
Hình 3.4.Áp lực tác dụng lên mặt thượng lưu 42
Hình 3.5.Áp lực tác dụng lên mặt thượng lưu của đập 42
Hình 3.6.Áp lực tác dụng lên bản đáy đập 42
Hình 3.7: Vị trí xác định ứng suất thượng lưu, hạ lưu đập 43
Hình 3.8: Phương chiều của các giá trị ứng suất trong phần mềm Sap2000 43
Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ Ứng suất thượng lưu với chiều cao đập bê tông xây dựng trên nền đất 44
Hình 3.10 Ứng suất S11 của đập đá đổ bọc bê tơng bản mặt h =10m 45
Hình 3.11 Ứng suất S22 của đập đá đổ bọc bê tơng bản mặt h=10m 45
Hình 3.12 Ứng suất S12 của đập đá đổ bọc bê tông bản mặt h=10m 46
Hình 3.13 Ứng suất SMax của đập đá đổ bọc bê tơng bản mặt h=10m 46
Hình 3.14 Ứng suất SMin của đập đá đổ bọc bê tông bản mặt h=10m 47
Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ Ứng suất thượng lưu với chiều cao đập đá đổ bọc bê tông bản mặt được xây dựng trên nền đất 48
Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ độ giảm Ứng suất (A,B) với chiều cao đập đá đổ bọc bê tông 49
Hình 4.1 Mặt cắt ngang tràn xả lũ Hồ Miễu 59
Hình 4.2 Mơ hình phân tích ứng suất đập tràn xả lũ hồ Miễu bằng phần mềm Sap2000( Phương án 1) 59
Hình 4.3 Mơ hình phân tích ứng suất đập tràn xả lũ hồ Miễu bằng phần mềm Sap2000( Phương án 2) 60
Trang 8Hình 4.4 Biểu đồ ứng suất S22 của đập trà hồ Miễu 62
Hình 4.5 Biểu đồ ứng suất S12 của đập trà hồ Miễu 63
Hình 4.6 Biểu đồ ứng suất SMax của đập trà hồ Miễu 63
Hình 4.7 Biểu đồ ứng suất SMin của đập trà hồ Miễu 64
Hình 4.8Biểu đồ ứng suất S11 của đập tràn hồ Miễu 64
Hình 4.9 Biểu đồ ứng suất S22 của đập tràn hồ Miễu 65
Hình 4.10 Biểu đồ ứng suất S12 của đập tràn hồ Miễu 65
Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất SMax của đập tràn hồ Miễu 66
Trang 9PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài
Nước ta đang trong thời kỳ cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa nên nhu cầu điện, nước cho công nghiêp, nông nghiệp, sinh hoạt ngày càng tăng Điều đó đã đặt ra nhiều yêu cầu cấp thiết về năng lượng cũng như nhu cầu cấp nước cho q trình phát triển Chính vì vậy mà các cơng trình trạm thủy điện, hồ chứa được xây dựng ngày một nhiều
Muốn xây dựng được hồ chứa thuỷ lợi hay một nhà máy thủy điện, một u cầu khơng thể thiếu đó là việc xây dựng đập dâng để nâng đầu nước lên cao Tùy vào quy mơ của cơng trình mà các con đập có kích thước khác nhau nhưng nhìn chung tất cả các đập dâng nước đều có kích thước và tải trọng rất lớn
Có rất nhiều hình thức xây dựng đập dâng nước như: Đập đất, đập đá đổ, đập bê tông không đồng chất vv Tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, tình trạng cung ứng vật liệu vv mà có thể chọn hình thức đập dâng phù hợp
Đập bê tông là một kết cấu hình khối lớn, khá phức tạp về cả cấu trúc và hình dạng Tồn dạng đập nói chung và từng phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành Dưới tác dụng rất lớn của áp lực nước thượng lưu làm cho sự tương tác giữa đập với nền khá phức tạp
Đối với đập bê tông thì yêu cầu về nền là cao hơn đối với đập vật liệu địa phương cũng như các loại đập khác do diện tích tiếp xúc của của đập bê tông là nhỏ hơn các loại đập khác Do vậy tải trọng tác dụng lên nền của đập bê tông sẽ lớn hơn đập vật liệu địa phương cũng như các đập khác chính vì điều này nên địi hỏi cường độ đất nền trong trường hợp xây dựng đập bê tông là lớn hơn
Trang 10trên nền đất ở trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng thì các nhà khoa học khuyến cáo không nên xây dựng đập trên nền đất có chiều cao >10m Tuy nhiên trong trường hợp bất khả kháng mà vẫn phải xây dựng đập bê tông trên nền đất mà có chiều cao>10m, từ đó đặt ra vấn đề là xử lý nền ra làm sao để đảm bảo ổn định đập trong quá trình thi cơng và vận hành sau này; Bài tồn đặt ra là phải đảm bảo yêu cầu về cường độ cũng như điều kiện chống thấm Trong nội dung của đề tài này hướng nghiên cứu là đảm bảo yêu cầu về cường độ đất nền Do yêu cầu cực cao về độ đồng nhất cũng như về cường độ và qua thực tế giải pháp tối ưu để gia cố nền trong trường hợp này là dùng phương án cọc BTCT dạng cọc ép hay cọc nhồi…Khi đó quan niệm thiết kế về vấn đề này là toàn bộ tải trọng của cơng trình phần nổi phía trên truyền vào cơng trình là thơng qua các đầu cọc Hay nói cách khác là vấn đề tương tác giữa đất với cọc là được tính quy đổi về sức chịu tải về phần đài cọc chính từ điều này nên ứng suất cục bộ phát sinh giữa phần sát đáy công trình và đầu cọc là lớn Áp dụng vào đập bê tơng thì nếu đập bê tơng đồng chất thì ứng suất cục bộ phát sinh đó sẽ được lan chuyền cho toàn bộ kết cấu thân đập Nhưng đối với đập bê tơng khơng đồng nhất thì chiều dày lớp bê tơng là nhỏ thì trong trường hợp này ứng suất cục bộ phát sinh là có hại cho cơng trình
Chính bởi lý do trên, việc đánh giá an tồn cục bộ của đập bê tơng khơng đồng chất trên nền đất có tính cấp thiết và có ý nghĩa khoa học cũng như tính ứng
Trang 112 Mục đích của đề tài
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, mơ hình tính tốn trong phân tích kết cấu, xác định ảnh hưởng của ứng suất cục bộ phát sinh đối với đập bê tông không đồng chất dưới tác dụng của tải trọng thường xuyên khi đập đặt trên nền đất từ đó đưa ra giải pháp gia cố nền
3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Đập bê tông đá đổ xây dựng trên nền đất Phạm vi nghiên cứu: Các đập bê tơng đá đổ có chiều cao từ >10m
Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp các nghiên cứu khoa học, các số liệu thí nghiệm
Trang 12CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
1.1.Tổng quan về tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới
Đập bê tông được ra đời sau đập đất và cũng không phổ biến như đập đất, nhưng đa số các đập cao được xây dựng đều là đập bê tông Theo thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD), tính đến năm 2000, trên thế giới đã có khoảng 45.000 đập lớn phân bố ở 140 nước nhưng số lượng đập không phân bố đều ở các châu lục Cụ thể được thể hiện ở bẳng sau:
Bảng 1.1: Bảng thống kê số lượng đập của các châu lục
STT Châu lục Số lượng Tỷ lệ 1 Châu Á 31.340 69.6% 2 Bắc + Trung Mỹ 8.010 17.8% 3 Tây Âu 4.227 8.4% 4 Đông Âu 1.203 2.7% 5 Châu Phi 1.200 2.6%
6 Châu Đại Dương 577 1.2%
Các thống kê về thể loại đập của ICOLD – 1986 cho thấy 78% là đập đất, đập đá đổ 5%, đập bê tơng trọng lực 12%, đập vịm chỉ 4% Trong số các đập có chiều cao hơn 100m thì tình hình lại khác, 30% là đập đất, 38% là đập bê tông, 21.5% là đập vịm Như vậy, trong số đập cao hơn 100m thì tỷ lệ đập bê tơng và đập vịm chiếm ưu thế Đứng đầu danh sách nước có nhiều đập nhất là Trung Quốc với khoảng 22.000 đập chiếm khoảng 48% số đập được xây dựng trên thế giới Việt Nam có gần 500 đập đứng thứ 16 trong các nước có nhiều đập cao trên thế giới
Trang 13Hình 1.1: Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000)
Một số đập bê tông đã được xây dựng trên thế giới:
Đập Grande Dixence (Thụy sĩ) là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới với chiều cao lên tới 285 m
Hình 1.2: Đập Grande Dixence nhìn từ hạ lưu
Trang 14Hinh 1.3: Toàn cảnh đập Tam Hiệp
Đập Tucurui (Brazil) là một đập bê tông trọng lực được xây dựng trên sông Tocantins nằm ở huyện Tucurui, Brazil
Trang 151.1.2 Tổng quan về tình hình xây dựng đập bê tơng ở Việt Nam
Ở Việt Nam đã xuất hiện một số đập bê tông được xây dựng vào những năm 30 của thế kỷ XX Đa số các đập này do người Pháp thiết kế và xây dựng Tuy chiều cao các đập thấp và có kết cấu đơn giản nhưng phần nào đã phản ánh được lịch sử phát triển của đập bê tông ở Việt Nam
Bảng 1.2: Bảng thống kê một số đập bê tông được xây dựng ở Việt Nam giai đoạn trước năm 1945
Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam (Giai đoạn trước năm 1945)
TTT Tên Địa điểm xây dựng Năm xây dựng
1 Cầu Sơn Sông Thương-Bắc Giang 1902
2 Liễn Sơn Sông Phó Đáy 1914-1917
3 Bái Thượng Sơng Chu- Thanh Hóa 1920 4 Thác Huống Sông Cầu- Thái Nguyên 1922-1929 5 Đồng Cam Sông Đà Rằng- Phú Yên 1925-1929
6 Đô Lương Sông Cả- Nghệ An 1934-1937
7 Đập Đáy Sông Đáy- Hà Tây 1934-1937
Khi nước nhà thống nhất năm 1975, công cuộc xậy dựng đất nước được tiến hành trên tất cả các lĩnh vực Ngành thủy lợi trong giai đoạn này đã đạt được những thành công to lớn Những đập bê tông cao và hiện đại đã được kỹ sư Việt Nam tự thiết kế và thi công Khả năng thiết kế và thi công đã bắt kịp được với các nước tiên tiếng trong khu vực và trên thế giới
Những đập bê tông cao được xậy dựng tại Việt Nam sau năm 1975 như là: Thạch Nham, Tân Giang, Lịng Sơng, PleiKrong, Sê San 3 và Sê San 4, Bản Vẽ, Tuyên Quang, Sơn La… là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu m3
Trang 16Việt Nam đã và đang sử dụng thành công kĩ thuật và công nghệ hiện đại để xây dựng các đập bê tông trọng lực có quy mơ cả về chiều cao và khối lượng bê tông ngày một lớn hơn
Một số đâp bê tông đã được xây dựng ở Việt Nam:
Đập Sơn La nằm trên dịng sơng Đà tại địa phận xã Ít Ong, huyện Mường La, tỉnh Sơn La
Chiều cao đập: 138 m Chiều dài đập: 1.000 m Tổng dung tích hồ: 9,26 tỷ m3 Dung tích phịng lũ: 7 tỷ m3 Diện tích mặt hồ: 224 km2 Số tổ máy phát điện: 6 tổ máy
Công suất phát điện thiết kế: 2400 MW
Điện lượng: 10,227 tỷ kWh/năm
Trang 17Đập Bản Vẽ được xây dựng tại tỉnh Nghệ An
Chiều cao đập: 137 m
Chiều dài đập: 509 m
Tổng dung tích hồ:1,8 tỷ m3
Số tổ máy phát điện: 2 tổ máy
Công suất phát điện thiết kế: 640 MW
Hình 1.6: Tồn cảnh đập Bản Vẽ nhìn từ hạ lưu
Một số đập đá đổ bê tông bản mặt được xây dựng trong thời gian gần đây: Đập Cửa Đạt được xây dựng tại tỉnh Thanh Hóa:
Trang 181- Khối gia tải; 2- Khối đất hỗ trợ chống thấm; 3- Bê tông bản mặt; 4-Lớp đệm dày 3m (IIA); 5 - Lớp đá chuyển tiếp dày 4m (IIIA); 6 - Tường chắn song; 7- Khối đá chính của đập (IIIB); 8-Khối đá đào móng tận dụng (IIIC); 9- Lớp đệm đặc biệt (IIB); 10-Màn khoan phụt chống thấm; 11-Đá bảo vệ mái hạ lưu (IIID)
Hình 1.8: Thượng lưu hồ Cửa Đạt
Hồ chứa Tuyên Quang được xây dựng tại tỉnh Tuyên Quang:
Trang 191.2 Các cơng trình khoa học, các nghiên cứu có liên quan tới đề tài
Trong thời gian qua đã có nhiều cơng trình khoa học, nghiên cứu được cơng bố có liên quan tới đề tài Gần đây nhất và được lấy làm tài liệu khoa học tham khảo để tác giả nghiên cứu đề tài của mình là “Sổ tay kỹ thuật thủy lợi: Phần 2 – Tập 2 – Mục A – Chương 2 – Đập bê tông và bê tông cốt thép trên nền mềm” do PGS.TS Nguyễn Phương Mậu biên soạn Tài liệu này trình bày khoa học và chi tiết về cách lựa chọn loại đập khi xây dựng trên nền mềm Một số đặc điểm khác biệt giữa đập đá đổ bọc bê tông được xây dựng trên nền mềm và đập bê tông xây dựng trên nền đá Đối với loại đập này, khi xây dựng thì cần xem xét kỹ các đặc trưng địa kỹ thuật của vật liệu nền
Trong tài liệu đã đề cập tới phương pháp tính tốn ổn định, phân tích ứng suất của các đập được xây dựng trên nền mềm Tuy nhiên, tài liệu này chưa đề cập nhiều tới phương pháp tính tốn ứng suất của đập được xây dựng trên nền mềm bằng phương pháp phần tử hữu hạn Một phương pháp khá phổ biến, và được áp dụng rộng rãi hiện nay khi phân tính ứng suất
Một số luận văn Thạc sĩ cũng có đề cập vấn đề có liên quan tới đề tài như: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất khu vực tiếp giáp giữa đập vật liệu địa phương và đập bê tơng - Ứng dụng cho cơng trình thủy điện Đồng Nai 2 ” của tác giả Đinh
Văn Thái lớp 20C11
“Nghiên cứu tính tốn ổn định, ứng suất, biến dạng của tường chắn đất nhiều nhịp có xét tới ảnh hưởng của biến dạng nền” của tác giả Lê Thị Hồng Nhung lớp 19C21
“ Đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng và ổn định đoạn đê xung yếu, đề xuất giải pháp khắc phục, áp dụng cho đoạn đê sông Hồng qua thị xã Sơn Tây” của tác giả
Trang 201.3 Một số mặt cắt ngang đập xây dựng trên nền mềm
Hình 1.10: Một số mặt cắt ngang đập được xây dựng trên nền mềm
a) kiểu đập xả tràn b) kiểu đập xả với các lỗ xả sâu c) kiểu xả hai tầng
Hình 1.11: đập Đáy được xây dựng ở Hà Tây
Dựa vào một số mặt cắt ngang ở trên, thì các đập được xây dựng trên nền mềm có bề rộng đáy đập lớn hơn so với các đập được xây dựng trên nền đá Các đập được xây dựng trên nền mềm thường có chiều cao hạn chế Do khả năng chịu lực và chống thấm của nền mềm kém hơn nền đá, nên các đập được xây dựng trên nền mềm không quá cao Ý nghĩa của việc tăng bề rộng đáy đập khi xây dựng đập trên nền mềm, nhằm mục đích giảm ứng suất của đáy đập Khi đó, ứng suất đáy đập sẽ nhỏ hơn khả năng chịu lực của nền Điều này làm cho cơng trình an toàn và ổn định hơn
Trang 211.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu các đập đá đổ bọc bê tông được xây dựng trên đất Đi sâu vào phân tích ứng suất của đập, để xác định vùng ứng suất nguy hiểm, những vị trí có ứng suất cục bộ tăng đột biến Đối tượng nghiên cứu chủ yếu loại đập đá đổ bọc bê tơng ở phía ngồi Trong q trình nghiên cứu quan tâm tới các đập có chiều cao nhỏ hơn 30 m (phù hợp với khả năng chịu lực của nền đất)
Trong giới hạn luận văn, đi sâu vào nghiên cứu mặt cắt đập dạng cơ bản là tam giác, vì theo mục 2.5 Nhận xét kết quả tính tốn trong luận văn cao học “Nghiên cứu xác định mặt cắt hợp lý của đập bê tơng trọng lực xây dựng trong vùng có động đất”
của tác giả Nguyễn Duy Hưng lớp 20C11 Với trường hợp nền tương đối yếu (f≤0,5)
thì diện tích mặt cắt cơ bản (A) của mặt cắt đa giác không nhỏ hơn so với mặt cắt cơ bản (A) của mặt cắt tam giác Do vậy, khi thiết kế các dạng đập bê tông trên nền tương đối yếu, có thể khơng cần xét đến dạng mặt cắt đa giác
1.5 Kết luận chương 1
Trong chương này, tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới và ở Việt Nam đã được đề cập tới Từ đó, đưa ra cái nhìn tổng quát về sự hình thành và phát triển của đập bê tông, những con số thống kê về số lượng đập, đất nước có nhiều đập nhất trên thế giới, vị trí của Việt Nam trong xếp hạng những nước có đập đã được xây dựng Ngồi ra, một số đập đá đổ bọc bê tơng bản mặt đã được đề cập
Bên cạnh đó, trong chương này một số tài liệu, cơng trình nghiên cứu khoa hoc, có liên qua tới luận văn cũng được trình bày Những cơng trình nghiên cứu này là cơ sở khoa học, tài liệu tham khảo Từ đó, để tác giả nghiên cứu phân tích ứng suất của đập đá đổ bọc bê tông được xây dựng trên nền đất
Trang 22CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Đặc tính chịu lực của bê tơng
Bê tơng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các cơng trình kiến trúc, móng, gạch khơng nung hay gạch block, mặt lát của vỉa hè, cầu và cầu vượt, đường lộ, đường băng, các cấu trúc trong bãi đỗ xe, đập, hồ chứa, bể chứa nước, ống cống, chân cột cho các cổng, hàng rào, cột điện và thậm chí là thuyền Một số cơng trình kiến trúc làm bằng bê tơng nổi tiếng có thể kể đến như Burj Khalifa (tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới), đập Hoover, kênh đào Panama
Một trong những ưu điểm của bê tông đó là nó có khả năng chịu nén rất tốt, khả năng chịu nén của bê tông được thể hiện qua cường độ kháng nén (Rn) Đặc điểm này giúp nó được sử dụng phổ biến và trong tương lai vẫn là lựa chọn hàng đầu cho ngành xây dựng Ngày này do tiến bộ khoa học kỹ thật, nhiều loại bê tơng có những đặc tính phù hợp với đặc điểm của những cơng trình xây đã được tạo ra, như có những loại bê tơng có độ sụt rất cao được dùng để bơm lên những vị trí xây dựng trên cao, nhưng có những loại lại cần rất ít nước như bê tơng đầm lăn (RCC)
Bên cạnh ưu điểm thì bê tơng cũng có những nhược điểm, một trong số nhược điểm đó là khả năng chịu kéo của nó khơng được tốt lắm Đây là mặt hạn chế của bê tông, có nhiều nghiên cứu khoa học đã được thực hiện để tăng khả năng chịu kéo cho bê tông như thêm phụ gia… Nhưng cách phổ biến và hay dùng nhất và ln ln được áp dụng đó là đặt các vật liệu chịu kéo tốt vào vùng chịu kéo như là thép Chúng được sắp xếp để đưa vào trong lịng khối bê tơng, đóng vai trị là bộ khung chịu lực nhằm cải thiện khả năng chịu kéo của bê tơng Loại bê tơng có phần lõi thép này được gọi là bê tông cốt thép
Do đặc tính chịu nén tốt hơn chịu kéo của bê tông nên khi xác định yêu cầu độ bền của đập bê tông thường do ứng suất kéo quyết định Vì vậy khi kiểm tra độ bền của các đập bê tơng thì điều kiện được kiểm tra đầu tiên là ứng suất kéo
Trang 23Qua thí nghiệm từ nhiều mẫu bê tơng thì ta nhận thấy bê tơng bị biến dạng gồm có: Biến dạng ban đầu do co ngót, biến dạng do tác dụng của tải trọng, của nhiệt độ và biến dạng do từ biến
Biến dạng do tải trọng có thể chia thành ba loại như sau: Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn
Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn Biến dạng do tải trọng tác dụng lập lại
Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn
Hình 2.1: Đồ thị quan hệ ứng suất – biến dạng
Từ thí nghiệm ta lập được đường quan hệ ứng suất – biến dạng như biểu đồ Hình 2.1 Đường quan hệ ứng suất σ ε ~ ngay từ đầu đã là đường cong, ứng suất càng tăng thì cong càng nhiều Khi ứng suất đạt tới R thì mẫu bị phá hoại (điểm C)
Nếu ứng suất đạt đến trị số σb chẳng hạn (điểm B), ta dần giảm tải thì được
Trang 24belpl
ε =ε +ε (2-1)
Như vậy quan hệ ứng suất ~ biến dạng của bê tông là quan hệ phi tuyến
Biến dạng do tải trọng dài hạn – tính từ biến của bê tơng
Khi tải trọng tác dụng dài hạn, biến dạng dẻo của bê tông vẫn tiếp tục tăng theo thời gian, mới đầu tăng rất nhanh sau chậm dần Hiện tượng biến dạng tăng theo thời gian trong lúc ứng suất không đổi gọi là tính từ biến của bê tơng Quan hệ ứng suất - biến dạng, biến dạng – thời gian do tải trọng tác dụng dài hạn thể hiện ở đồ thị sau:
Hình 2.2: Đồ thị quan hệ ứng suất – biến dạng (σ∼ε)
Hình 2.3: Đồ thị quan hệ biến dạng- thời gian (ε∼t)
Tốc độ gia tải khác nhau thì các đường biểu diễn quan hệ σ∼ε cũng khác nhau
Trang 25Nếu tải trọng được đặt vào rồi sau đó lại được dỡ tải ra nhiều lần thì biến dạng dẻo được tích lũy dần dần, đến khi đạt giá trị *
b
ε thì mẫu bị phá hoại
Hình 2.4: Đồ thị quan hệ ứng suất – biến dạng trường hợp tải trọng lặp lại
2.3 Chuẩn tắc phá hoại của vật liệu bê tông
Khả năng chịu lực của vật liệu bê tông được thể hiện ở cường độ kháng nén và cường độ kháng kéo Bê tông chỉ bị phá hoại khi ngoại lực như: kéo, nén, uốn, cắt,va chạm tác dụng vào và vượt quá khả năng chịu lực của bê tông
Cường độ chịu nén (Rn) là chỉ tiêu quan trọng nhất trong tính chất cơ học của bê tông Trong trường hợp chịu tải đơn giản nhất – nén dọc trục – mẫu bê tông chịu đồng thời biến dạng nén và biến dạng kéo ngang theo phương thẳng góc với chiều tác dụng của lực nén Nguyên nhân cơ bản của sự phá hoại bê tông khi nén là sự vượt quá sức chống đỡ của nó khi biến dạng nở ngang Sự phá hoại này có thể xảy ra do sự phá hoại mối tiếp xúc của đá, xi măng với cốt liệu hoặc do sự đứt vỡ bản thân đá, xi măng và bản thân hạt cốt liệu Cường độ chịu nén của bê tông chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố:
Cường độ xi măng
Độ đặc chắc và cấu truc của bê tông
Trang 26Cường độ chịu kéo (Rk) của bê tông kém thua nhiều so với cường độ chịu nén Với bê tông nặng tỉ lệ so sánh giữa chúng với nhau như sau: Rn/Rk
(8-10) với mác bê tông: 50 – 100; (12-15) với bê tông mác: 200 – 400; (18-20) với bê tông mác: 500 – 600
Cường độ chịu kéo của bê tông thường được xác định bằng những phương pháp gián tiếp Khả năng chịu kéo của bê tông là yếu tố quan trọng, quyết định tới việc bê tông khi chịu tác dụng của ngoại lực có bị nứt hay không
2.4 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích nội lực
2.4.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài tốn kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ơ tơ, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường v.v Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính tốn và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng Hiện có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: ANSYS, ABAQAUS, SAP, v.v
Trang 27Hình 2.5: Sơ đồ khối của chương trình PTHH
Áp dụng phương pháp PTHH để tính kết cấu phẳng (2D) của bài tốn đàn hồi
2.4.2.1 Mơ hình và các khái niệm cơ bản
Hình 2.6: Bài tốn hai chiều
Tính tốn ma trận độ cứng phần tử k Tính tốn véctơ lực nút phần tử f
Giải hệ phương trình KQ = F (Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể Q)
- Các thông số cơ học của vật liệu - Các thơng số hình học của kết cấu - Các thông số điều khiển lưới - Tải trọng tác dụng
- Thông tin ghép nối các phần tử - Điều kiện biên
Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực
Áp đặt điều kiện biên
(Biến đổi các ma trận K và vec tơ F)
Tính tốn các đại lượng khác
(Tính tốn ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền, In kết quả
Trang 28Véctơ chuyển vị u được xác định bởi: u = [u v]T
(2-1a)
Trong đó: u, v là các chuyển vị theo phương x và y tương ứng (Hình 2.6)
Ứng suất và biến dạng được ký hiệu bởi:
σ = [σx, σy, τxy]T (2-2)
ε = [εx, εy, γxy] T (2-3) Lực thể tích, lực diện tích và vi phân thể tích được xác định như sau:
f = [fx fy]T ; T = [Tx Ty]T và dv = tdA (2-4) Trong đó: t là độ dầy theo phương z
Quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị:
Txvyuyvxu∂∂+∂∂∂∂∂∂=ε (2-5)
Xét quan hệ ứng suất với biến dạng cho hai trường hợp:
Trang 29Hoặc: σ = Dε (2-10) Trong đó: ()()−−−−+=221000101211 ν ν νννννED (2-11)
E là môđun đàn hồi; ν là hệ số Poisson của vật liệu
2.4.2.2 Rời rạc hóa kết cấu bằng các phần tử tam giác
Mỗi phần tử tam giác có 3 nút, mỗi nút có 2 chuyển vị (theo phương x và y) Ta ký hiệu véctơ chuyển vị nút chung bởi:
{}TnQQQQ= 12 L (2- 12)
Hình 2.7: Rời rạc kết cấu bằng phần tử tam giác
Ta ký hiệu véctơ chuyển vị của phần tử bởi:
{}T
q
q= 1 2 L 6 (2-13)
Từ bảng định vị các phần tử ở trên, sau khi tìm được véctơ chuyển vị chung
Q, ta sẽ tìm được véctơ chuyển vị nút của từng phần tử để rồi từ đó đi xác định các đại lượng khác như ứng suất, biến dạng trong mỗi phần tử
Chuyển vị tại một điểm bất kì trong phần tử được biểu diễn qua các thành
phần chuyển vị của nút phần tử Đối với phần tử tam giác có biến dạng là hằng số,
Trang 30Ta có thể biểu diễn các hàm dạng N1, N2, N3 như trên Hình 2.8
Hình 2.8: Biểu diễn hình học các hàm dạng
Trong ba hàm dạng, có hai hàm là độc lập Các hàm dạng được biểu diễn qua ξ và η
như sau: N1= 1- ξ- η; N2 = ξ; N3 =η (2-14) Trong đó ξ và η được gọi là các toạ độ chuẩn hoá hay toạ độ tự nhiên Về mặt vật lý, các hàm dạng được biểu diễn bởi các toạ độ diện tích Khi nối một điểm nằm trong một tam giác với ba đỉnh, tam giác đó sẽ được chia ra ba tam
giác có diện tích A1, A2, A3 như Hình 2.9
AANAANAAN 33221
1=;=;= Trong đó A là diện tích của phần tử
Hình 2.9: Tọa độ diện tích 2.4.2.3 Biểu diễn đẳng tham số
Ta biểu diễn chuyển vị trong phần tử qua các hàm dạng và các chuyển vị nút của nó như sau:
Trang 31Hay u = Nq (2-16) Trong đó: =321321000000NNNNNNN (2-17)
Thay 2-14 vào 2-15 ta có biểu thức xác định chuyển vị qua chuyển vị nút xét trong hệ toạ độ quy chiếu như sau:
() ()( − ) (+ − ) + =+−+−=2262411513qqqqqvqqqqquηξηξ (2-18)
Đối với phần tử tam giác, nhờ phép mô tả đẳng tham số, ta có thể biểu diễn
toạ độ (x,y) qua toạ độ nút phần tử với cùng các hàm dạng trên:
++=++=332211332211yNyNyNyxNxNxNx (2-19) Hay () ()( − ) (+ − ) + =+−+−=1131211312yyyyyyxxxxxxηξηξ (2-20) Ta kí hiệu: xij = xi - xj yij = yi - yjTừ (2-20), suy ra: ++=++=1312113121yyyyxxxxηξηξ (2-21)
Đây là mối liên hệ giữa (x, y) với (ξ, η) Để xác định các thành phần biến
dạng, ta cần tính các đạo hàm riêng u và v theo x và y
Trang 32Hoặc dưới dạng ma trận: ∂∂∂∂∂∂∂∂ ∂∂∂∂=∂∂∂∂yuxuyxyxuuηηξξηξ (2-23)
Trong đó ma trận vuông (2x2) được gọi là Jacobian của phép biến đổi, ký hiệu là J:
=31312121yxyxJ ( ((
Triển khai lấy đạo hàm của x và y theo ξ và η, ta được:
∂∂∂∂=∂∂∂∂−ηξuuJyuxu1 (2-24) 1−Jlà ma trận nghịch đảo của J : −−=−213121311det1xxyyJJ (2-25) Từ (2-23), (2-24), ta có thể viết: ∂∂+∂∂−∂∂−∂∂=∂∂∂∂ηξηξuxuxuyuyJyuxu21312131det1(2-26)
Thay vai trò của u bởi v, ta cũng được:
∂∂+∂∂−∂∂−∂∂=∂∂∂∂ηξηξvxvxvyvyJyvxv21312131det1(2-27)
Khi ấy, các thành phần biến dạng được xác định bởi:
Trang 33Trong đó: =122131132332211332123123000000det1yxyxyxxxxyyyJB (2-30)
Đây là ma trận liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị nút, trong đó các số hạng
đều là các hằng số và đựơc xác định qua các toạ độ nút của các phần tử
2.4.2.4 Thế năng
Thế năng của hệ được xác định bởi:
∑∫∫∫ −−−=∏iiTiLTATATPudlTtdAftudAtDε εε21 (2-31) Trong đó:
T: lực diện tích; f: lực thể tích; t: chiều dầy phần tử Pi: lực tập trung, Pi = [Px, Py]iT
Theo sơ đồ phần tử hữu hạn, thế năng được viết dưới dạng:
∑∑∫∑∫∑ ∫ − − −=∏iiTieeTeeTeeTPudlTtdAftudAtDε εε21 (2-32) Hoặc: ∏=∑ −∑∫ −∑∫ −∑iiTieeTeeTeeuftdATtdluPU ε (2-33) Trong đó: = ∫eTeDtdAU ε ε21
là năng lượng biến dạng của phần tử
2.4.2.5 Ma trận cứng của phần tử tam giác
Trang 34∫=eeTTeqBDBqtdAU21 (2-35) Mặt khác: eeAdA=
∫ , nên cuối cùng ta được:
qkqqDBBAtqUeTeeTTe2121 == (2-36) Trong đó: ke =teAeBTDB (2-37)
là ma trận độ cứng của phần tử tam giác; t là độ dầy của phần tử; Ae là
diện tích của phần tử; B là ma trận liên hệ biến dạng-chuyển vị nút của phần tử; D là ma trận liên hệ ứng suất-biến dạng, nó phụ thuộc vào vật liệu khảo sát Vì D là ma trận đối xứng, do đó kecũng là ma trận đối xứng
Từ các ma trận độ cứng ke của các phần tử, ta sẽ suy ra ma trận độ cứng K của cả kết cấu; khi ấy, thế năng biến dạng của cả kết cấu được xác định bởi:
QKQUTe21= (2-38) Ma trận K là ma trận đối xứng 2.4.2.6 Quy đổi lực về nút a) Quy đổi lực thể tích Ta có: ∫ = ∫( + )eyxeeTftdAtufvfdAu (2-39)
Áp dụng biểu thức nội suy của u và v ta được:
Trang 35()∫ ∫∫ ∫∫ = − = 1 − − − =0101010113112detξξξηηξξη eeeAddAddJNdAN (2-41a) ∫ ∫∫ ∫∫ = − = 1 − =010101022312detξξξηξξη eeeAddAddJNdAN (2-41b) ∫ ∫∫ ∫∫ = − = 1 − =010101023312detξξξηηξη eeeAddAddJNdAN (2-41c) biểu thức (2-40) sẽ cho TeeTftdAqfu =∫
Trong đó fe là véctơ lực thể tích qui đổi về nút, và
{}TyxyxyxeeeffffffAtf3= (2-42)
Sau khi xác định được các lực nút fe của phần tử, ta suy ra véctơ lực F chung
b )Quy đổi lực diện tích
Lực diện tích thường là các lực tác dụng trên các cạnh nối các nút phần tử Vấn đề là ta phải qui đổi các lực này về nút
Giả sử cạnh l1−2chịu tác dụng của lực kéo Tx và Ty (Hình 2.5)
Trang 361212121211213242Te xeye xeyLllllu Tt dlq t T N dl q t TN dl q t TN dA q t TN dA= + + + ∫∫∫∫∫ (2-44)
Vì N3 = 0 trên cạnh (1-2) suy ra: N1 + N2 = 1;
Do đó 1 122112ldlNl=∫Trong đó () ()21221212 xxyyl = − + −eTLTTtdlqTu =∫
ở đây, q là tập hợp các bậc tự do nút tương ứng với cạnh 1-2
{}Tqqqqq= 1 2 3 4 (2-45) Cuối cùng {}TyxyxeeTTTTltT 0 0212= (2-46) c) Lực tập trung
Để tiện cho việc tính tốn, người ta thường lấy nút tại điểm đặt lực tập trung
Nếu i là nút có lực: Pi = [Px, Py]Ttác dụng, thì
uiTPi = Q2i-1 Px + Q2i Py
(2-47)
Cuối cùng ta có thể viết: ∑(fe+Te)+P⇒F (2-48) Sau khi tính được năng lượng biến dạng và các thành phần lực nút, ta viết biểu thức thế năng toàn phần dưới dạng:
FQKQQT − T=∏21(2-49) Áp dụng điều kiện cực tiểu hố thế năng, ta thu được hệ phương trình:
K Q = F (2-50)
Trang 37d) Tính ứng suất
Vì biến dạng là hằng số trong phần tử, do đó ứng suất cũng là hằng số Ta cần xác định giá trị ứng suất trong mỗi phần tử: σ = Dε
Mà: ε = Bq, do đó: σ = DBq (2-51)
Từ chuyển vị chung Q, nhờ bảng ghép nối phần tử, suy ra các chuyển vị nút q của từng phần tử, sau đó thay vào (2-51) sẽ tính được ứng suất Ứng suất chính và phương chính được xác định nhờ vòng Mohr ứng suất
2.5 Kết luận chương 2
Nội dung của chương này chủ yếu là đề cập tới các lý thuyết có liên quan tới vấn đề nghiên cứu, để từ đó có cơ sở khoa học phục vục việc giải quyết vấn đề nghiên cứu Lý thuyết giải bài toán ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn, những đặc tính cơ bản của bê tông Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính của bê tơng, quan hệ ứng suất biến dạng
Trong chương này đã trình bày chi tiết các đặc điểm của bê tông như: cường độ, biến dạng, khả năng chịu lực, các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng chịu lực Đây là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu phân tích ứng suất đập đá đổ bọc bằng bê tong được xây dựng trên nền đất
Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng phổ biến, rộng rãi nhờ các đặc điểm ưu việt của nó Trong chương này, nội dụng của phương pháp phần tử hữu hạn đã được tác giả đề cập tới Trình bày chi tiết cách giải quyết 1 bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn (2D), hướng dẫn cách xây dựng ma trận cứng của từng phần tử, từ đó xây dựng được ma trận cứng tổng quát Đây là cơ sở lý thuyết cho việc giải bài tốn phân tích ứng suất
Trang 38CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG KHÔNG ĐỒNG NHẤT TRÊN NỀN ĐẤT
3.1 Lựa chọn mơ hình và phần mềm tính tốn
3.1.1 Lựa chọn mơ hình tính tốn
Hai mơ hình được sử dụng chủ yếu khi phân tích ứng suất hiện này là 2D và 3D Mỗi một mơ hình có những ưu, nhược điểm riêng của nó
Mơ hình 2D phân tích, tính tốn ứng suất trong khơng gian phẳng (OX, OY) Ưu điểm của mơ hình 2D: dễ lập mơ hình tính tốn, số lượng phần tử được chia ít
hơn mơ hình 3D Từ đó, khối lượng tính tốn ít hơn và thời gian tính tốn nhanh hơn mơ hình 3D
Nhược điểm của mơ hình 2D: chỉ cho kết quả, ứng suất, chuyển vị trong khơng gian hai chiều (XOY) Kết quả phân tích, tính tốn là tương đối chính xác Đủ độ tin cậy về mặt kỹ thuật và khoa học
Mô hình 3D phân tích, tính tốn ứng suất trong khơng gian ba chiều (OX, OY, OZ)
Ưu điểm của mơ hình 3D: Do mơ hình tính tốn được lập trong khơng gian nên kết quả phân tích, tính tốn là chính xác Kết quả tính tốn được xuất ra theo cả ba chiều trong không gian (OX, OY, OZ) Có độ tin cậy cao về mặt kỹ thuật và khoa học
Nhược điểm của mơ hình 3D: số lượng phần tử được chia là lớn hơn mơ hình 2D, khối lượng và thời gian tính tốn lâu hơn mơ hình 2D
Trang 393.1.2 Lựa chọn phần mềm tính tốn
Với sự phát triển của ngành Cơng nghệ thơng tin, nhiều phần mềm máy tính giúp phân tích ứng suất, chuyển vị đã được ra đời và phát triển Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng phổ biến vào nguyên lý tính toán của các phần mềm Những phần mềm áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn nổi tiếng như: ANSYS, ABAQAUS, SAP2000, v.v
Trong những phần mềm nêu trên thì phần mềm SAP có những ưu điểm sau: - Dễ dàng sử dụng, giao tiếp đồ hoạ trực tiếp trên các cửa sổ màn hình
- Hỗ trợ các cơng cụ mạnh như CAD , EXCELL để nhanh chóng xây dựng mơ hình kết cấu
- Hỗ trợ các tiêu chuẩn thiết kế của Mỹ và các nước khác
- Phần tử mẫu gồm có: thanh dàn, dầm, tấm vỏ, phần tử hai chiều-ứng suất phẳng biến dạng phẳng, đối xứng trục phần tử khối cho tới phần tử phi tuyến
- Vật liệu có thể là tuyến tính đẳng hướng hoặc trực hướng và phi tuyến - Các liên kết bao gồm: liên kết cứng, liên kết nửa cứng, liên kết đàn hồi, liên kết cục bộ khử bớt các thành phần phản lực
- Nhiều hệ toạ độ: hệ tọa độ gắn với từng phần tử, hệ tọa độ của toàn bộ kết cấu - Tải trọng gồm: các lực tập trung tại nút, áp lực lên phần tử ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng phổ gia tốc, tải trọng điều hồ và tải trọng di động… Chúng có thể đặt tại nút, hoặc phân bố đều hình thang tập trung và áp lực lên phần tử…
Từ những ưu điểm trên tác giả lựa chọn phần mềm SAP2000 để phân tích ứng suất cho đập đá đổ bọc bê tơng xây dựng trên nền đất
3.2 Các thông số cơ bản của cơng trình
3.2.1 Chiều cao của cơng trình nghiên cứu trong luận văn
Trang 40Trong thực tế những đập đá đổ bọc bê tông được xây dựng trên nền đất đã được xây dựng thì có chiều cao nhỏ hơn 30m, như đập Đáy (Hà Tây cũ), đập tràn hồ Miễu (Chương Mỹ – Hà Nội) Như vậy giới hạn của luận văn phù hợp với thực tế và khoa học
Trong luận văn tác giả tập trung phân tích ứng suất cho các đập đá đổ bọc bê tơng có chiều cao 5m, 10m, 15m, 20m, 25m, 30m Kết quả phân tích được làm căn cứ cơ sở để sơ bộ lựa chọn chiều cao của đập đá đổ bọc bê tông khi xây dựng trê nền đất
3.2.2 Mô đun đàn hồi của đất
Mô đun đàn hồi của đất (E) được xác định thơng qua thí nghiệm trực tiếp ở hiện trường, hoặc thí nghiệm mẫu đất ở trong phịng thí nghiệm Kết quả thí nghiệm được các số liệu tin cậy, có cơ sở khoa học Ngồi những phương pháp xác định Mô đun đàn hồi của đất như trên, thì Mơ đun đàn hồi của đất có thể được tham khảo trong TCVN 9362-2012 Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và cơng trình
Bảng 3.1 - Trị tiêu chuẩn của lực dính cho đơn vị ctc
(kPa), góc ma sát trong ϕtc (°) và mơ đun biến dạng E (kPa) của đất cát
Loại đất cát hiệu các đặc Ký trưng