Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu cơ sở tính toán ứng suất, biến dạng, ổn định đập bê tông đầm lăn theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam - Nga áp dụng cho công trình thủy điện Mỹ Lý

theo điều kiện không cho phép các khe nút nghiêng 70 Bang 3.5: Tống hợp kết quả tính toán én định ứng suất đập đập dâng theo tiêu chuẩn Mỹ 1 Bảng 3.6: Tổng hợp kết quả tinh toán ổn định

LỜI CAM ĐOAN

Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân học viên Các kết

quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ

một nguồn nào và dưới bat kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tai liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Hà Nội, ngày thang năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hồng Thiện

LỜI CẢM ON

“Trong thời gian học vita qua với sự giảng day nhiệtình của các thấy cô, sự đồng hình

của tắt cả các học viên trong lớp, sự ủng hộ củ gia đình và được thấy giáo TS, Dio

‘Van Hưng hướng dẫn tôi đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ với đề tải: "Nghiên cứu cơ sởtinh toán ứng sult, biến dạng, dn định đập bê tông dim lăn theo iêu chun Mỹ

chuẩn Việt Nam - Nga

“Trong quá trình học tập, thực hiện luận văn, học viên đã học hỏi được rit nhiều kiếnthức và kinh nghiệm quý báu từ các thầy cô và những điều đó sẽ di theo học viên trong.suốt sự nghiệp cũng như cuộc sống của mình Đổi với luận văn, do thời gian cỏ hạn,kinh nghiệm bản thản còn nhiều hạn chế nên luận văn còn có những thiếu sót Họcviên mong nhận được những hướng dẫn, góp ý tir cá thấy cô và đồng nghiệp để luận

văn hoàn chỉnh hon và bản thân được bu dip các thiếu sốt đó.

Cùng với luận văn này, học viên xin được bay tỏ lòng kính trọng tới các thầy cô đãluôn cổng hiển vì sự nghiệp giảng dạy của mình, đặc biệt học viên xin gửi tới thầy

giáo hướng din TS, Đào Văn Hưng đã luôn theo sắt, và hướng dẫn học viên cả về nội

dung, chất lượng và tiển độ thực hiện.

Cuối cùng, một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn tới tất cả các thẫy cô đã luôn tận

tâm với các thế hệ học trò của mình, xin cảm ơn tắt cả các thành viên của lớp

(CH23C21, cảm ơn gia đình đã giúp đỡ tôi thực hiện luận văn này.

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Hồng Thiện

MỞ ĐẦU

'CHƯƠNG 1: TINH HÌNH XÂY DỰNG VÀ MỘT SO PHƯƠNG PHÁP TÍNHTOÁN UNG SUAT, BIEN DANG, ÔN ĐỊNH DAP BÊ TONG ĐÀM LAN,

1.1 Tình hình xây đựng đập bê tông đầm lan ở Việt Nam và trên thé giới 4

1.1.1 Tình hình xây đựng đập bê tông đầm lăn trên thé giới”” 41.1.2 Tình hình xây dung đập bê tông đầm lin ở Việt Nam"!

1.2 Khải quát tình hình nghiên cứu về ứng suất, biển dạng và ôn định 9

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng suất, biến dạng[4]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ôn định ø

CHUONG 2: TÍNH TOÁN UNG SUAT, BIEN DANG, ÔN ĐỊNH DAP BÊ

‘TONG DAM LAN THEO TIEU CHUAN MỸ VÀ TIEU CHUAN VIỆT NAM

-NGA.

2.1 Cơ sở khoa học và phương pháp tinh toan ứng suất, in dang, én định

2.1.1 Cơ sở khoa học và phương pháp tinh toán ứng suất 1s

2.1.2 Cơ sở khoa học và phương phip tinh toán biển dang 21 2.1.3 Cơ sở khoa học và phương pháp tinh toán én định 24

2.2 Tinh toán ứng suất, biển dạng, én định đập bê tông đầm lăn theo tiêu chuẳn Mỹ 42.2.1 Tiêu chuẩn tính toán”? 342.2.2 Giới thiệu phần mén ứng dụng tính toán (cadam) 35

3.1.3 Đập không trần

3.2 Tính toán theo tiêu chuẩn.

3.2.1 Các trường hợp tính toán.

3.2.2 Hệ số antoàn về ứng suất, biến dang, én định

3.2.3 Đánh giá khe nứt tai mặt tiếp giáp thượng lưu đập và nền sau động đắt

3.3 Tinh toán theo tiêu chuẩn Việt Nam - Nga

3.3.1 Các trường hợp tính toán.

ôn định

3.3.2 Hệ số an toàn về ứng suất, biến dạng,

3.3.3 Kết quả tinh toán

3.4 Lựa chọn cường độ bê tng dam lăn[ 1] [2].

60

62 68 72 n B 15

15

15

16

1 NGH wnnnnennnnnnnnninmnnnnnnnnnnnnenn TS

0

DANH MỤC HÌNH VE

Hình 1.1; Đập Alpa Gera - Đập đầu tign được xây dựng bằng công nghệ bê tông

Hình 1.2; Đập Miyagase - Nhật Ban 6

Hình 1.3: Biểu đồ đập BTDL trên th giới 7

Hình 1.4: Quan hệ giữa ứng sudt và biến dang 2

Hình 2.1: Vật thé đưới tic dụng của ngoại lực 16

Hình 22: Digu kiện cân bằng phần A 16Hình 2.3: Tương quan giữa biển dạng và ứng suất có xét đến biển dang déo 2

Hình 2.4: Hướng dẫn nhập kích thước hình học 35

Hình 2.5: Hướng dẫn nhập nền 36

Hình 2.7: Hướng dẫn xóa vat liệu 38

Hình 3.9: Hướng dẫn khai báo cao trình 40

Hình 2.10: Hướng dẫn khai báo hệ thống tiêu nước ngầm 40

Hình 2.11: Hướng dẫn khai báo động đất (gia inh) 41 Hình 2.12: Hướng dẫn khai báo động dit (gi động) 4 Hình 2.13: Hướng dẫn khai báo tinh chất đập 4 Hình 2.14: Hướng dẫn khai báo tổ hợp tai trong 4

Hình 2.15: Phân tích nguy cơ động đắt theo tiêu chuẩn Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam

-Nea 46 Hình 2.16: Pho thiết kế cho đập Mỹ Lý 47 Hình 2.17: Nội dung tinh toán dn định đập bê tông trong lục hay bê tông dim lin 51

Hình 3.1: Bình đồ bổ trí công trình 59

Hình 3.2: Mặt cắt ngang điền hình của đập 60

Hình 3.3: Sơ đồ tinh toán ứng suất cất chính 4Hình 3.4: So đồ tính toán ứng suất biên 6Hình 3 5:Sơ đồ tính toán ứng suất trong thân đập 66

DANH MỤC BANG BIEUBảng 1.1: Quy mô và tinh hình xây dụng đặp bê tông dầm lin của 5 nước dẫn đầu thé

giới 8

Bảng 1.2: Các đập bé tông đầm lan đã hoàn thành va dang thi công ở Việt Nam

Bảng 2.1 Bảng xác định hệ số lệch tải 26

Bing 22: Bảng xác định hệ số điều kiện làm việc m

Bảng 2.3: Phan tích ổn định dp bê tông trọng lực theo các iều chuẩn thiết kể 8

Băng 24: Bảng bệ số an toàn cho phép vỀ trượt và ứng su cho phép của đập 3

Bình thường ey

Bang 2.5: So sánh hai hệ thông tiêu chuẩn Mỹ và Việt Nam 53

Bảng 3.1: Các chi tiéu tinh toán 37

Bảng 3.2: Bảng hệ số an toàn về ứng suất 61

Đăng 3.3: Chiều sâu giối han của vùng chịu kéo bgh ở mặt thượng lưu của đập trọng Mực “

Bang 3.4: Chiều sâu giới hạn ITH của sự mở rộng khớp nối tại mặt thượng lưu đập

theo điều kiện không cho phép các khe nút nghiêng 70

Bang 3.5: Tống hợp kết quả tính toán én định ứng suất đập đập dâng theo tiêu chuẩn

Mỹ 1

Bảng 3.6: Tổng hợp kết quả tinh toán ổn định ứng suất đập dâng theo tu chuẳn Việt

Nam Nga 78

Bảng 3.7: Bing xác định cường độ thiết kế nh toán của bê tông thân đập theo phương,

pháp Sức bẻn vật liệu (theo tiêu chuẩn Mỹ) T6 Bảng 3.8: Bing cdc đặc trưng cường độ thiết kế yêu cầu của bê tông thin đập 7

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

‘Dap bê tông đầm lăn với đặc điểm mặt phân lớp có tinh bám dính kém, dễ bị bong tách

và trượt nhất là khi đập chịu ải trong động đắt Mặt khác, bề tông đầm lan thườngkhông sử dụng cốt thép nên ứng suất kéo không cho phép xuất hiện ở diễu kiện làmviệc bình thường và chỉ cho phép xuất hiện ở một mức độ nhất định trong điều kiện

lâm việc không bình thường (ví dụ: động đất, tải trong bắt thường

Mặt khác, đập bê tông đầm lăn hiện nay tại Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế, các.đập be tông đầm lăn lớn trong nước (vĩ dục Định Bình, Pleikrong, Sơn La, Bản Vẽ )

đã thiết kế đều tham khảo các iêu chun nước ngài Tập đoàn điện lục Việt Nam đã

Š tính toán thi Tin theo tiêu chuẩnnhiều lần tổ chức hội thảo é đập bê tông

Mỹ vả đã ra lập hướng đẫn thiết kế lạm thôi và thống nhất sử dụng hướng dẫn tạm thời

của Tập đoàn theo tiêu chuẩn Mỹ Theo đó, đề tài đã sử dụng phần mềm Cadam

‘(Computer Analysis of concrete gravity DAMs) để tinh toán én định đập theo tiêu chuẩn Việt Nam - Nga và tiêu chuẩn My.

CCadam là phần mềm của Canada được ip với mục dich dio tạo vi miễn phi rên mạng

Intermet,tuy nhiên đã được các kỹ sư của Nhật Thụy sỹ, Pháp sử dụng nhiều tong

tính toán thiết kế nhiều công trình trên thể giới

Phin mén này giáp cho các kỹ sư có thể nhanh chồng tính toán én định dip bê tông

đầm lăn một cách nhanh chóng và chính xác, đặc biệt với tổ hợp tai trong động đất.

Dir ân thủy điện Mỹ Lý (Nghệ An) được xây dựng với nhiệm vụ phát điện lên lưới

quốc gia với công suất lấp máy 250 MW, điện lượng trung bình năm 913.2 triệu kWh

và tham gia ct lũ, bổ sung nguồn nước cho hạ lưu, Công tinh Dập bê tông đầm lăn

tính toán én định thuộc dự án thủy điện Mỹ Lý là công trình cấp đặc biệt Do đó vig

“của đập cảng được nâng cao,

2 Mục tiêu của đề t

Lâm chủ được công nghệ tỉnh toán ứng suắt, ôn định của đập BTDL theo các hệ thống

tiêu chuẩn: tiêu chuẳn Việt Nam ~ Nga và tiêu chuẩn Mỹ.

Nắm bắt được cách sử dụng phần mén Cadam trong tinh toán đập bé tong trong lực

nối chung và đập bê tông đầm lần nói riêng.

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4, Cách tiếp cận

~ Tiếp cận trên cơ sở đánh giá nhu cầu

Hiện nay như cầu nâng cao chất lượng các công trình trong lĩnh vực xây dựng

cơ bản nói chung và trong công trình thủy lợi nói riêng cũng như nhu cầu nâng cao trình độ chuyên môn của các kỹ sư Các phương pháp, công nghệ mới ngày cảng được tiếp cận và áp dụng Do đó, việc tham khảo và áp dụng các tiêu

chuẩn, hướng dẫn nước ngoài là điều rất cần thiết

- Tiếp cận trên cơ sở đảm bảo các tiêu chuẩn hiện hành

+ Các tiêu chuẩn vẻ thiết kế đập, công trình thủy lợi, tiêu chuẩn xây dựng Việt

Nam.

+ Các tiêu chuẩn về ứng suất, biển dạng, vật liệu xây dựng.

- Tiếp cận với thực tiễn công trình

Đập Mỹ Lý là công trình cấp đặc biệt Nghiên cứu về công trình giúp học viên

nắm bắt rõ hơn việc tính toán ôn định đập cần được quan tâm ngay từ bước thiết

kế cơ sở.

~ Tiếp cận trên cơ sở Hợp tác Quốc tế

ng nghệ thông tin ngày càng phat triển cho phép tiếp cận nhanh với các

thuật của thể giới

5, Phương pháp nghiên cứu.

- Thu thập thông tin

+ Thu thập từ các dé tai, dự án liên quan đến tính toán ồn định đập RCC

+ Thu thập từ internet các tiêu chuẩn thiết ké, tính toán đập RCC

2

~ Phương pháp nghiên cứu phần mén: Sử dụng phần mềm tính Cadam để nghiên

cứu.

4 Két quả đạt được

Đề tài giúp cho học viên tông quan được các phương pháp tinh toán ứng suất, ồn

định và cách tiếp cận các tiêu chuẩn Từ đó nâng cao nhận biết về đập bé tông,

đặc biệt đập BTL.

'Ngoài ra, việc ứng dụng mô hình Cadam cho phép người dùng tính toán nhanh

việc lựa chọn phương án mặt cắt đập phù hợp cũng như tính toán lực tác dụng,giúp tính toán nhanh kết cấu và cho kết quả đáng tin cậy

CHUONG 1: TINH HÌNH XÂY DỰNG VÀ MOT SO PHƯƠNG PHAP

‘TINH TOÁN UNG SUAT, BIEN DANG, ON ĐỊNH DAP BE

LAN

1.1 Tinh hình xây đựng đập bê tông đầm lăn ở Việt Nam và trên thé giới

Dap dắt và đập bê tong trong lục có cách đây nhiều thé kỹ Dập đất được ti công dựa

trên công nghệ dim nén với wu điểm dé thi công, giá thành rẻ tuy nhiên vật liệu đắt lại

đễ bị hư hỏng Đập bê tông được thực hiện dựa trên công nghệ chế tạo bê tông tuoi,

vat liga bê ông đã khắc phục được những nhược điểm của vật liệu đt Giữa thể ky 20,các nhà khoa học va công nghệ đặt ra vấn để có cách nao phối hợp thé mạnh, ưu điểm

của hai loại vật liệu này Từ ý tưởng đồ, các nhà khoa học, công nghệ đã đề xuất a bê

tông dim lăn Đập bê tông dim lăn là một hỗn hợp gồm cốt liệu (đá, cát, sỏi), xi măng,

và các phụ gia với một độ âm phủ hợp cho phép vân chuyển, đổ, san như đổi với đất,

đá và được dim chặt bằng đầm lăn!

Sử dung bê tổng đầm lan được xem là bước phát triển đột ph trong công nghệ xây

dung đập bê tông trọng lực công trình thủy điện, thủy lợi Ưu điểm cơ bản của bê tông

đầm lăn là giá thành rẻ, tốc độ thi công nhanh, giảm được ứng suất nhiệt trong lòngkhối đổ do lượng ding xi măng thấp Tuy nhiên bê tong dim lan cũng có những nhược

điểm không nhỏ đó là chất lượng bám dính giữa các lớp đổ, tinh chống thắm nước kém

và chất lượng của bê ông dim lin không đồng đều

1.1.1 Tình hình xây dựng đập bê tong dam lăn trên thé giới”'

Ra đời vào khoảng năm 1961, được đánh dẫu bing sự kiện xây đựng đề quây của đập

Thạch Môn ở Dai Loan - Trung Quốc, sử dụng ct liệu cắp phối liên tục, có đườngkính cốt liệu lớn nhất là 76mm Lượng dùng chit kết dính là 107kw'm3, độ dày một

lớp đồ là 30cm.

Năm 1961-1964, Italia đã xây dựng thành công đập Alpe Gera

p đổ là 70cm.

ing bé tông khô,

nghèo chất kết dinh với độ day mỗi

Hình 1.1: Đập Alpa Gera - Đập đầu tiên được xây dựng bằng công nghệ bê tông

đầm lăn

Năm 1972, tại hội nghị “Thi công kinh tế đập bê tông”, trong bài báo của Robert W.Canon người Mỹ về “Ding phương pháp dim dit để xây dựng đập bê tông", phát

triển ý tưởng của Raphael, hình thành lên khái niệm đầu tiên về “Bê tổng dim lăn”

Đến nay, Mỹ có tổng cộng 29 đập bê tông dim lăn, độ cao trung bình của các đập là

“6m, thấp hơn so với các dip của Trung Quốc và Nhật Bản

Năm 1974, Nhật Bản đã xây dựng kế hoạch *Nghiên cứu hợp lý đập bê tôn;

én hành nghiên cứu một cách hg thống về bê tông dim lan, đã ra phương pháp thi công mới đập bê tông Năm 1976, đã tiến hành thí nghiệm hiện trường đắp để quai thượng lưu dip Shimajigawa, Năm 1978, thân đập Shimajigawa đã sử dụng bê tông

dim lan đầu tiên Nhật Bán là nước có tốc độ phát triển đập BE tông dim lăn rấtnhanh Tính đến năm 2006, trong tổng số 352 đập bê tông dim lăn cao hơn 15m thìnước Nhật đã chiếm 13% Đập bê tông din lan cao nhất của Nhật Ban li đập Urayama

(cao 156m) đã được hoàn thành vào năm 1999.

Hình 1.2: Đập Miyagase - Nhật Bản Năm 1975, Viện Nghiên cứu khoa học Thủy công Lién Xô (ed) da bit đầu nghiên cứu.

sử dụng bê tông nghèo xi măng dé xây dựng đập bê tông trọng lực Năm 1978, đã bắt

đầu triển khai kế hoạch nghiên cứu tổng hợp thí nghiệm cho đập bê tông dim lan, Năm 1979-1980, một bộ phận công trình Curpvai Hydaulic Electric Staition đã sử dụng bê tông đầm lin, Đến năm 1984, Liên Xô đã chính thức sử dụng bê tông đầm lăn

để xây dựng các nhà máy Thủy điện Tashkumr, Bureixo và Cuvinse, v.v.

Céng nghệ bê tông dim lăn sau hơn nửa thé ky phát triển đã trở nên phổ biển tại nhiều quốc gia trên thé giới như Mỹ, Nhật Bản, Trung Quéc, Trong số dé phải kể đến Trung

lượng tiến sản phẩm.

“Quốc là nước dang đi đầu thé giới về công nghệ này với nhiều kỳ lục đáng kể về s

dự án được áp dụng, cường độ thi công và những bước tiến bộ trong cị

Tại Trung Quốc, đập đầu tiên bằng bê tông dim lăn đã xây dựng thành công là đập Khang Khẩu ại huyện Đại Đin tỉnh Phúc Kiến, chỉ tong vòng 6 thing đã thi công xong toin bộ đập vào th % tổng số 1g 5 năm 1985, Đến nay đã hơn 100 đập được xây dựng (chiếm 2

sửa thé giới) Trang Quốc xây đựng đập vòm bê lông dim lăn đầu iên vào năm 1993

(đập Ph Định) và đã xây dựng gin chục đập vòm bê tông dm lan với chiều cao từ SÔm

đn 130m, Đập vom bé tông đầm lăn đã xây dụng cao nhất thế giới đập Sa Thai cao132m và đập b tông dim lin đang xây đựng cao nhất thể gii (đập Long Tan) cao 192m

ở giải đoạn 1 và cao 216,5m ở giải đoạn 2 cũng đều nằm trên lãnh thổ Trung Quốc.

Tinh đến năm 2001, sổ dp bê tông dim lăn đã và đang xây dựng chiếm 61.3 chủ

yếu ở 4 Quốc gia: Trung Quốc, Nhật Bản, Mỹ, Tây Ban Nha, còn lại chiếm 16.5% ở các nước Brazil, Nam Phi và Ue.

“Công nghệ bê tông dim lan chủ yếu được áp dụng trong thi công xây dựng các đập

thủy điện và dé chắn nước Sau hơn 50 năm ứng dụng trên thể giới, công nghệ xây

cưng đập bê ông liên tục được cải tiễn cả về vậtliệu ch tạo và kỹ thuật thi công Cho

tới nay, đập bê tông dim lan được thi công xây đụng ở nhiễu nước rên th giới, ở nơi

số nhiệt độ môi trường từ rất thấp cho đến rit sao và cổ thé trong cả những vũng

thường xuyên có mưa lớn Tính đến năm 2005 đã có trên 300 dap bê tông đầm lăn được xây dựng.

Tinh đến cuỗi năm 2009 đã có 51 nước trong tổng số 181 nước có thủy điện trên thể

giới đã và đang xây dựng đập bê tông đầm lăn Với tổng số 429 đập, trong đó có 189

dập cao hơn 60 m, 107 dip cao hơn 80 m, 72 đặp cao hơn 100m Đập bê tông dim lansao nhất đã được xây đựng là đập Long Tan Ở Trung Quốc cao 216, 5m

Ti Ig đập bề tông đầm lấn đã hoàn thành và đang thi công theo các châu lục trong tổng

số 429 đập như sau:

Biểu đồ t lệ đập BTĐL trên thé giới

%

Châu A Châu Mỹ

L s Châu Âu

Châu Phi Châu Úc

Hình L3: Biểu đỗ đập BTDL trên th giới

7

Cho đến nay, 5 nước dẫn đầu th về số lượng

tông dầm lan là Trung Quốc, Nhật Bán, Mỹ, Bnzil và Tay Ban Nha

ang như quy mô xây dựng đập bê

Bảng 1.1; Quy mô và tỉnh hình xây dựng đập bê tông dim lăn của S nước dẫn

đầu thể giới Quốc | Số | Do cao cia dap be | Khỏilượngbêtông | Tổngkhổi lượngbê

đập | Trung |Caonhit| Trung jCaonhi Trung | Cao

1.1.2 Tình hình xây dựng đập bê tong dam lăn ở Việt Nam"!

‘Tir năm 2004, công nghệ bê tông dim lăn trong xây dựng đập bê tông trọng lực mới được được áp dụng ở nước ta tại công trình thủy điện Pleikrong tinh Kon Tum do Tổng công ty Điện lực Việt Nam nay là Tập đoàn Điện lực Việt Nam làm chủ đầu tư, đập đã được hoàn thành năm 2008 Tuy phát triển muộn, song đập bê tông đầm lăn của 'Việt Nam phát triển rit nhanh cả về số lượng cũng như quy mô đập về độ cao cũng

như khối lượng bê tông dim lan

‘Theo kế hoạch phát triển thuỷ điện đến năm 2013 cả nước sẽ có 22 nhà máy thuỷ điện mới được đưa vào khai

Bảng 1.2: Các đập bề tông dim lan đã hoàn thành và đang thi công ở Việt Nam

STT Tên Tỉnh Chiếu cao (m) | Năm hoàn thành

r ‘A Vương Quảng Nam 70 2008

2 Bắc Hà Tào Cải 100 2008

3 Bản Chat Tai Châu, 70

-+ Ban Về Nghệ An, 138 2010,

5 Bình Điện Thừa Thiên - Huế T5 2007-2008.

6 COB: “Thừa Thiên - Huế 70 2008

7 Dak Rink Quảng Ngãi 100 2008

8

Em Tên Tỉnh “Chiếu cao (im) | Năm hoàn thành

H Định Bình Bình Dinh 32 :

9 Đồng Nai 3 Die Nông 10 B

10 | ĐôngNai4 Đặc Nông 129 2008

" Hua Na Nghệ An - 200

12 | Huội Quảng Son La - 2012

1 Tai Châu, Tại Châu = =

14 | NậmChiến Sơn La 130 2013

15 Pleikrong Kon Tum 75

-16 An 4 Gia Lai $0 2007.2008

17 Son La ‘Son La 18 2009

TS_| Sông Bung 2 ‘Quang Ngài 95 2010-2012

19 | SôngCôn2 ‘Quang Nam 50 200

20 | Sông Tranh 2 Quang Ngãi 100 2010

21 | Thượng Kon Tum [Kon Tum - 2009

22 | Trung Sơn “Thanh Hoa $5 2011

“Các đập bê tông diim lăn đã va dang được xây dựng 6 Việt Nam đều là các đập lớn, 12

trong tổng số 20 đập do Tập đoàn Điện lye Việt Nam lim chủ đầu tư có chiễu cao trên

70 m Đặc biệt có 2 đập Sơn La cao 138 n

trên 130 m rên thể giới tính đến cuối năm 2010 không kể đập Lai Châu e

Bản Vẽ cao 136 m là 2 trong số 19 đập cao

ao 137 m dang thi công

1.2 Khái quit tinh hình nghiên cứu về ứng suất, biển dạng và ôn định

1.2.1 Tinh hình nghiên cứu ứng suất, biến dụng"!

Trong thé kỷ 18, những khái niệm đổu tiễn đã được hình thành Năm 1729

và biển dang Buynphighe đã đưa ra khi niệm về quan hệ phi tuyển giữa ứng st

Khái niệm ứng suất đặc trưng cho khả năng chịu lực của vật liệu yi một điểm, khỉ ứng

suit vượt quả giới hạn cho phép thì ật liệu bị phá hoại.

Năm 1769 Hooke đã nêu khải niệm vẻ quan hệ ty lệ thuận giữa ứng suất và biển dang

ở giai đoạn biển dạng tuyén tính của vật liệu Trong phạm vi đ ti, vit liệu làm việc

tuân theo định luật Hooke, quan hệ giữa ứng suit và biến dang xuất hiện trong quátrình tác động của tải trong theo quan hệ bậc nhất

Năm 1822 Cossi đã đưa ra khái niệm vé trạng thái ứng suất tại một điểm và viết các

ftphương trình cân bằng cũng với ede biéu thức biểu diễn sự tương quan giữa ứng ø

và biển dạng cho vật thể đẳng hướng.

Các nha bác học như Poisson, Euler, Lomorovsov, Ortrografski đã có nhiều đồnggóp cho sự phát triển của cơ học nói chung và lý thuyết tinh toán ứng suất, biển dang

và én định nói riêng Nhà bác học Người Pháp Navie đã cho ra đời giáo trình

các vẫn đề trên đầu tiên vào cubi thể ky I8

Vio c thể kỹ 19 và đầu thé kỹ 20 nghành cơ học vật dạng đã phát triển vôi cùng rộng lớn đặc biệt trong lĩnh vực bãi toán phẳng và lý thuyết din hỗi Cũng với sự

ra đồi và phát triển của công nghệ thông tin, những thành tựu về Toán học và Vật liệu

đã yêu cầu và tạo điều kiện cho ngành cơ học vật rắn b dạng phát tin Người ta

ứng dụng các phương pháp sai phân, biến phân, phần từ hữu bạn rong việc giải các

bài loin mà trước đây chưa giải được hoặc giữi rit khó khăn đã giúp ching ta

nghiên cứu sâu hơn và toàn điện hơn sự làm việc, đồ bền, độ cứng vững, độ ổn định

của các bài toàn thực t do sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày nay đồi hỏi Thành

tu đăng kế mới của lý thuyết dn hồi là lý thuyết đàn hồi phi tuyến rong lĩnh vực

chính xác hóa ta có lý thuyết din hồi moomen.

Vio cui thé kỳ 20 đã phát riển mạnh các ý thuyết do, ý thuyếttừ và lưu biến,

Kkhái niệm ứng suất được hiểu hiểu là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biển dang do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi

nhiệt độ, với phương trình ứng suất tong quan: o trong đó: ø là ứng suất, F là

lực và A là điện tích.

Ung suất gồm có:

Ung suất kéo: là trang thái ứng suất khi vật liệu chịu tác động kéo căng hướng trục

Bat ky một vật liệu nào thuộc loại đàn

bi

thì phần lớn chịu được ứng suất kéo trung.

„ ngược lại là các vật liệu chịu đựng lực kéo kém như: gồm, hợp kim giòn Trong

ngành chế tạo thép, một số loại thép có khả năng chịu được ứng s lớn, như các sợi dây cáp thép trong các thiết bị nâng ha.

10

của vật liệu Khi vật lig

bị kéo bằng hai lực ngược chiều nhan, tì phần lớn các wt lậu sẽ bị đất ở một giới

hạn ứng suất nào đó Tại thời điểm vật liệu bị kéo đứt, thông số ứng suất đó được ghinhận và được xem như độ bền kéo của vật liệu đó

Ứng suất nén: là trạng thái ứng suất khi vật liệu bị tác động ép chặt Trường hợp đơn.

giản của sự ép li lục ép đơn gây ra bởi phần lực tác động, lực dy Sức bén nề của vật

liệu luôn cao hơn sức bền kéo của vật liệu đó, tuy nhiên hình thể lại quan trọng để

phan tích khi ứng suất nén đạt đến giới hạn cong vênh.

Với những vật liệu déo, khi chịu ứng suất nén thường biển dạng méo mó, nhưng với các vật liệu có tính đòn thì khi vượt sức chịu đựng sẽ gây vỡ vụn.

Ứng suất cắc là ết quả khi lực tác động lên sản phẩm mà gây ra biển dang trượt của

vật liệu trên một mặt phẳng song song với hướng tác động của lực áp vào Ví dụ như.

người ta đăng kéo để cắt một tim tôn mỏng, hay việc đột dip tôn trong chế tạ lõi

thép máy điện.

ich

Áp lực: là lực tie động trên di tt của một vật Luc ép vuông góc với điện tích bề mặt chịu lực Theo nghĩa chung, cũng như khái niệm lực tổng quit, ấp lực là đại lượng vée-tơ Tuy nhiên vì đã xác định được phương (vuông góc với bề mat chịu

lực) và chiều (hướng vio mặt chịu lực) nền khi nói về áp lực, người ta có thể chỉ nối

về độ lớn (cường độ).

Quan hệ giữa ứng suất và biển dang xuất hiện trong vật trong quá trình tác động.

của tải trọng Về mặt toán học ứng suất là một him số của biển dang: ø = fl)

trong dé: 6; ứng suất

e: biển dạng Nếu vật liệu làm việc tuân theo định luật Húc (Hooke) thì phương trình trên tuyến

tính hay còn gọi là din hồi tuyến tính

"Nếu quan hệ đồ không phải là tuyển tính bộc nhất nhưng vẫn thỏa mãn điều kiện quátrình đặt tải v cắt ti là thuận nghịch Nghĩa là khi đặt ti, quan hệ giữa ứng suất ơ vàbiển dang e là đường cong OAB, thì khi cắt tải tương quan đó cũng giảm theo đường

in

BAO (đường không liên tục BAO thực

BAO được vẽ tích ra để để nhin) và biển dang mắt đi hoàn toàn hi không còn ti Ta

trùng với đường liên tục BAO trên hình

xem bài toán này là din hdi nhưng không phải tuyển tính mà là đàn hồi phi tuyến vàbigu thức ø = fle) vẫn phù hợp

Hình It: Quan hệ giữa ứng suất và biển dạng1.3.2 Tình hình nghiên cứu én định

"Với đặc điểm trọng lực bê tông lớn, đập duy trì ồn định nhờ trong lượng của khối

tông này Đập bê tông dim lăn có ưu điểm là thi công nhanh, hig quả kính t

nhiệt lượng thủy hóa trong khối bê tâm đầm lin nhỏ Tuy nhiên khi thiết kế đập bê

tông đầm lăn edn kiểm soát chặt chẽ mặt tiếp xúc giữa các lớp đỗ tránh làm ảnh hưởngtới khả năng chống thấm Cũng với đặc điểm tinh bám đính kém, dễ bị bong tác và

trượt tai các mặt tiếp xúc thì bẽtông dim lấn không sử đụng cốt thép do đó vấn đề ổn

định cảng được ning cao trong én định bé ông dim lăn

Về ea bản, khi phân tích ổn định và phân tich ứng suất của đập bê tông dm lần vẫn

dùng các phương pháp sử dung cho đập bê tông thường, song trong tính toán và đảnh

iá phải xét đến nhũng điểm khác biệt về mặt ứng xử cơ học của bê tông dim lin so với bé tông thường

Trong thiết kế đập trong lực bê tông dim lan hiện nay vẫn sử dụng các qui định về tổ

hop tải trọng, phương pháp tính toàn ứng suất và tiêu chi đánh giá độ bên tương tự như cho đập trọng lực bê tông thường,

Trong các nghiên cứu về én định của đập bê tông trọng lực có nhiều quan điểm khác

nhau về lựa chọn tiêu chuẳn én định đập như sau:

n trên mặt cắt bị phá hoại thi coi như toàn bộ mặt cắt tính toán đó bị phá

+ Lấy tiêu chuẩn biến hình cực hạn làm tiêu chuẩn tính toán, khi đập làm việc vượt

quá giới hạn này thi coi như đập lâm việc không bình thường Quan điểm biến hình

cực hạn phủ hợp về mặt lý luận tuy nhiên trả lời được câu hỏi khi nào gọi là biển hình

cực hạn? Day là một khó khăn, khi tinh toán phải kết hợp với tiêu chuiin cường độ để

nghiên cứu,

+ Tiêu chuẩn én định tạm thời Có thể hình dùng tiêu chuẩn này nằm giữa giới hạn phá

"hoại và không phá hoại Giới hạn tam thời cho phép đập làm việc đến một giới hạn phá

hoại nào đó của vật liệu hoặc một phạm vi nào đó của mặt cắt nhưng so với khả năng.

lam việc của vật liệu hoặc tổng thể đập vẫn còn đủ nhỏ, vẫn còn phủ hợp với các điều

kiện kinh tế ky thuật Đây là một quan điểm tương đổi toàn diện Tuy nhiên các nghiên

cứu chưa hoàn thiện Hi my, ở Việt Nam chưa thấy các duy phạm, iêu chun nào

h toán thất kế đập bê tông đầm lăn

đề cập đến th

Dé nhận bi

mắt n định của đặp bê tng trọng lực như sau

đánh ổn định của đập bê tông trọng lực, người ta xem xét các dang

1.2.2.1 On định của công trình xây trên nền đá

‘a, Các khả năng mắt ôn định

~ Trượt theo một mặt nào đó, có thé là mặt đáy đập tiếp xúc với nén, hay mặt phẳng đi

«qua đầy của các chân khay (khỉ dp có lim chân khay cắm sâu vào nên)

Lat the trục nằm ngang đọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đồ, thường là mặtday đập, hay mặt cắt mà đập bị khoét 15, giảm yếu

- Nền đập bi phá hoại khi tị số ứng suất từ đập truyỄn xuống vượt quá sức chịu ải của

nền

On định về trượt phẳng.

~ Với mặt trượt nằm ngang,

Với mặt trượt nghiêng về thượng lưu một góc B

B

~ Với mặt trượt nghiêng về hạ lưu một góc [3

© On định về lật

1.22.2 Ôn định của công trình xây trên nén đắt

4 Phần đoán khả nang trượt

nền cát, đất hôn lớn, ắt có sết cứng và nữa cứng

~ Với nên đắt sét đèo, do cứng và đềo mềm

~ Khi không thỏa man các điều kiện quy định trên

- Khi mat rt nằm ngang

- Khi mặt trượt nằm nghiêng

b Ôn định theo sơ đỗ trượt hỗn hop

cc Ôn định theo sơ 46 trượt sâu.

bê tông truyền thống về kết cầu

Củng với sự phát triển cảng nhanh về số lượng và quy mô các loại đập bê tông dimlăn, yêu cầu tính toán vẻ thiết kế đập cảng được nâng cao Với tinh hình nghiên cứu.đập bể tông dim lan như hiện nay, cảng cin có những quý định, hướng din và đặc big

có tiêu chuẩn riêng dành cho đập bê tông dim lăn Trong chương tiếp theo, luận văn xin được trình bay phương pháp tính toán ứng suất, bi dạng và én định đập bé tông

dầm lăn đ bản thân và đồng nghiệp phần nào có thêm cách nhìn nhận về thi kế đập

bê tông dim lăn

'CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN UNG SUÁT, BIEN DANG, ON ĐỊNH

DAP BÊ TONG DAM LAN THEO TIÊU CHUAN MỸ VA

“TIÊU CHUAN VIỆT NAM - NGA

2.1 Cơ sở khoa học và phương pháp tính toán ứng suất, bién dang, ôn định

2.1.1 Cơ sở khoa hye và phương pháp tink toán ứng suất

“Trong tỉnh toán ứng suất, ta thừa nhận rằng khi không có ngoại lực tắc dụng lê vật thểthì trong lòng vật thể không có ứng suất Giả thuyết này được gọi là giả thuyết về trạng.thai không cổ img suất ban đầu Ứng suất mã ta sẽ xác định là phẫn ứng suất tang lên

tai điểm đang xét do ngoại lực sinh ra chứ không kể đến ứng suất sẵn có ban đầu tại

ta thấy rằng trên sợi dây tạ chỗ cắt ác động một hệ lực cân bằng Dữ cho lực cắt khả

lớn thì ti những điểm xa chỗ cắt của sợi đây hầu như ứng suất bằng không

Với nguyên li Xanh Vor Năng ta cổ thể thay thé một hệ lực cân bằng bằng một hệ lúctương đương khác để tinh ứng sult trong vật thể Sự thay thể đó chi lâm thay đổi sự

phân bổ của ứng suất ở vùng lân cận, còn lại những đ

bố

im cách xa vị trí đặt lực sự phân

ng suất là như nhau Ta có thé phát biểu nguyên lí

vật thể cách xa điểm đặt lực thì ứng suất phụ thuộc rất ít vào cách tác dụng của lực.

Ứng suất tại một điểm: Xét vật thé din hồi ở trang thải cân bằng dưới tác dung của

ngoại lục (bình 2.1) Tưởng tượng cắt qua vật thể một mặt cắt bắt kỳ, mat cất chia vật

thể thỉnh ha phin A và B Tưởng tượng vit bỏ phần B và xé

phần A (đình 22) Sở dV A giữ được trang thái ci bằng là nhờ phần B đã tác động lên

§êu kiện cân bằng của

phần A một hệ lực phân bồ trên khắp mặt cắt Ngược lại nếu xét sự cân bằng của phần

B, A sẽ tác động lên B một hệ lực tương tự có chiều ngược lại Hệ lực đó gọi là hệ nội

lực hay ứng lực trong lòng vật thể Hệ lục đó sinh ra để chồng lại biển dạng do ngoại

lực gây nên.

15

Hình 2.1: Vật thé dưới tác dụng của ngoại lực.

P,

Hình 2.2: Điều kiện cân bằng phần A

“Sự phân bổ của hệ lực trên mặt cắt là chưa xúc định, nhưng dé dàng tính được hợp lực

của chính vì chúng phải cân bằng với ngoại lực ác động lên mỗi phần.

Trạng thái ứng suit: Nếu tại mỗi điểm, ứng với mỗi mặt cắt khác nhau ta được mộtvóc tơ ứng suất ÿ Tập hợp tất cả mọi véc tơ ứng suất ổ của tất cả các mặt cất quan

điểm đó được gọi là trạng thái ứng su tại một di

Tập hợp đó không phải là một tập hợp những véc tơ độc lập mà ứng lực do ứng suất ổ

trên mặt nào đó gây nên phải cân bằng với các ứng lực trên các mặt còn li

Trang thái ứng suất chia làm ba trạng thái: trạng thái ứng suất đơn, trạng thái ứng suất

phẳng và trang thi ứng sut khối

Da trên cơ sở nêu rên các phương pháp xác định ứng suất được xác định như sau

2.1.1.1 Phương pháp thực nghiệm.

Sử dụng các máy đo với các cảm biển thu nhận tín hiệu - xử lý Tăng tải trọng tác,

dung din din từng bước để kiểm tra, Thưởng áp dung cho các công trình kể cấu lớn,

Tuy nhiên, cúc kết quả của phương pháp thực nghiệm cin được đổi chiếu với với các

số liệu tính toán lý thuyết dé có cái nhìn tổng quan, đồng thời góp phần hoàn thiện và

k

triển khai dự án th hơn

2.1.1.2 Phương pháp sức bén vật liệu

>_ Sử dụng 3 giả thiết cơ bản:

Vat liệu có tính đồng chất, liên tục va đẳng hướng

"Vật liệu dn hồi tuyệt đối và tuân theo định luật Hooke

Dưới tác dụng của nguyên nhân bên ngoài, vật thể bị thay đổi hình dạng, kích thước.

at thể

Nhưng khỉ bỏ các nguyễn nhân này đi khuynh hưởng trở về hình dang và

kích thước ban đầu Đây là tính đàn hồi của vật liệu và vật thể tương ứng được coi là vật thé dan hồi.

> Hệ qui của giả thiết

Có thể nghiên cứu một phân tổ “để suy rộng ra cho vật thé lớn áp dụng thuận lợi các phép toán vi phân, tích phân.

Ap dụng được nguyên lý cộng tác dụng: tác dụng gây ra đồng thời do nhiều yếu tố

bằng tổng tắc dung do từng yếu tổ riêng rễ gây ra

1

3.1.1.3 Phương pháp sai phân hữu han

Phuong pháp sai phân hữu hạn đã được dùng khá phổ biến trong các thập niên 60-70 của thể ky 20 Phương pháp này cho phép giải các bài toán có Modulus biến dang E và

hệ số Poisson thay đổi Mặt khác, miễn gidi có thể có hình dạng bắt kỳ, kể cả điểm góc

và cổ thể giải các bãi toán với điều kiện biên bắt kỹ

Khi xây dựng thuật toán và chương trình theo phương pháp sai phân hữu hạn người

lập có thể thực hiện dễ dàng trên máy tin

Phuong pháp sai phân hữu hạn sử dụng các đạo him riêng thay các sai phân riêng có

giá trị hữu bạn Dig đó dẫn đến việc thay hệ phương trình vi phân bằng hệ phươngtrình đại số tuyển tính của các sai phân riêng

Trong dạng chung với bai toản không gian, các phương trình vi phân cơ bản của phương pháp sai phân hữu hạn giải với các ẩn số là chuyển vị U và V, tuân theo phương trình Lame, Các chuyển vị này thỏa mãn điều kiện biên và các phương trình

ø,=(320) HaHa 7)

Oxy = ogee Fe) 28)

s„=6Ó1489 a9)

sự = OG +2) 210)

‘Dé giải bài toán theo chuyển vị tại các biên cần phải biết trước các chuyển vị (chẳng

hạn tại nền chuyển vị bằng), sau dé chuyển phương trình Lame (phương trình đạo him

ving bộc 2) thành phường tình si phân bằng cách thay đội vi phân bằng các sai

phn

2.1.1.4 Phương pháp phan từ hữu han

ite Elenment Method

“Tính toán theo phương pháp phần tr hữu han `M) - là một

trong những phương pháp tính toán mới được áp dựng.

Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời vào cuối những năm 50 và đã có những bướcphát triển nhanh chống Đến nay có thé nồi ring phương pháp phần từ hữu hạn được

coi là một trong những phương pháp hiệu quả nhất dé giải các bai toán cơ học vật rắn

sng và cơ học môi trường liên tục nói chung Phương pháp phẩn tử hữu hạn là phương pháp tổng quit và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác

nhau Từ việc phân tích trạng thải ứng suất, biến dạng trong các kết cấu công trình

thủy lợi, xây dựng dân dụng, giao thông đến các bải toán của lý thuyết trường như:

lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thủy đàn hỗi, khí đàn hỗi, điện - từ trường,

Phương pháp phần từ hữu hen là một phương pháp gin đúng để giải một số lớp bãi

toán biên Theo phương pháp phần tử hữu han, trong cơ học: vật thể được chia thành

những phần tứ nhỏ có kích thước hữu hạn, liên kết với nhau tại một số hữu hạn các(điểm trên biên (gọi là các điểm nit), Các đại lượng cần tim ở nút sẽ là dn số của bãitoán (gọi là các dn số ni), Tải rong rên các phần từ cũng được đưa về các nút

“Trong mỗi phần tỉ, đại lượng cin tim được xắp xi bing những biễu thức đơn giản và

19

có hoàn toàn qua các an số nút Dựa trên nguyên lý năng lượng, có théthiết lập được các phương trình dại số diễn tả quan hệ giữa các ấn số nút và tải trọngnút của phin tử Tập hợp các phin tử theo điều kiện liên tục sẽ nhận được hệ phương

trình đại số đối với dn số nút của toàn vật thí

“Trong phương pháp phần tử hữu han, môi trường liên tục được chia thành các phần từ nhỏ mà ở đó các phương trình vi, tích phân phúc tạp đều được biểu diễn dưới dang bic nhất Điểm đặc biệt là khi hợp nhất tắt cá các phần từ đó lại với nhau vẫn có được môi

trường liên tục và tuy in như ban đầu, Đó là ưu điểm của phươngtính hoặc phi tu pháp phan từ hữu hạn.

Cách làm như trên gọi là mô hình hóa hay tuyến tính hóa phương trình phi tuyến của

kết cấu công trình Tắt cả các phương trình toán học được lập và giả bị toán trạng,

thái ứng suất biến dạng của môi trường liên tục đều đựa trên cơ sở mô hình nay Các

bước thực hiện cơ bản lần lượt như sau:

- Phân tích trang thái ứng suất và biến dang của mỗi phần tử hữu hạn

~ Phân tích trang thải ứng suất và biển dạng của toàn hệ gồm nhiều phần tử liên kết với

nhau ở một số hữu hạn nút với mỗi liên hệ tuyến tinh giữa ứng suất va biến dang.

Phân tích trạng thái ứng suất và biển dang của toàn hệ gồm nhiều phần từ với mỗi

khoảng 10-20 năm lại đây nhiều tính toán phí tuyển đã được thực hiện Ba

toán phi tuyển được phân làm hai lại: phí uyến vật lý và ph tuyển hình học Tuy

u hạn, cả hai dang bai toán phi tuyển nàynhiên khi giải bằng phương pháp phần tử hi

đồu được giải trên cơ sở bài toán tuyển tinh!

Phuong pháp phan tir hữu hạn là phương pháp được áp dụng cho nhiều phần mễn tính

toán thông dụng Phương pháp đã được thưc tẾ chứng minh có hiệu quả lớn, độ chính xác cao, triển khai được cho nhiều bài t ăn có cấu trúc phúc tạp

2.1.15 Phương pháp hin phân cục bộ

Phuong pháp biển phân cục bộ là một trong những phương pháp tính mạnh mẽ nhất

20

hiện nay Phương pháp này đã được PLL Tremouko sử dụng lẫn đầu

1965 để giải bằng phương pháp số đối với các bai toán biến phân, là những bãi toánliên quan tới việc tìm cực tiểu một phiểm ham cho trước

Việc kết hợp phương pháp biển phân cục bộ và phương pháp phần từ hữu hạn để giảiquyết bài toán kết cầu vật liệu ở giai đoạn đàn dẻo phi tuyến lần đầu tiên cũng do P.L

‘Tremouko và N.V Banitsuk kiến nghị vào năm 1973

Sơ đồ tính toán và những giả thiết ban đầu của phương pháp biển phân cục bộ có nhiều

điểm tương tự phương pháp phần tứ hữu hạn

“Chia môi trường liên te thành các phần tử rai rac (hình tam giác hoặc hình vuông).

“Các phần từ được liên hệ với nhau ở các điểm nút để thỏa mãn điều kiện biển dạng

liên tục.

Ứng suất và biến dạng bên trong phần từ là không đổi, chuyển vị trong phần từ là

him tuyển tính của toa độ.

Ưu điểm của phương pháp Bign phân cục bộ so với phương pháp phần tử hữu hạn chủ

yếu ở chỗ phương pháp Biến phân cục bộ không thành lập ma trận độ cứng của các

phần từ và ma trận độ cứng của hệ, hay nói cách khác là không cần phải giải hệ

phương trình đại số tuyển tính Thay vì phải tính ma trận độ cứng, phương pháp Biển

phân cục bộ di tim biển dạng thông qua các him toa độ

(Quan hệ Ứng suất - biển dạng của vật liệu có các dang: giai đoạn din hỗi tuyển tính,

giai đoạn chuyển tiếp phi tuyển, giai đoạn đản déo phi tuyển

Bay là phương pháp cần những phần mén máy điện tử mạnh với các thuật toán

phức tạp và là một trong những phương pháp ưu việt nhất hiện nay.

2.1.2 Cơ sở khoa học và phương pháp tink toán biển dang

Nghành phát triển đầu tiên của Cơ học vật rắn biến dạng là ngành Lý thuyết đàn hồi

là vật thể đản

Đối tượng nghiên cứ của lý thuyết din hỗ lý tưởng, mô hình này do

Hive (Hooke) đề ra nên được gọi là mô hình vật en của Hic, Tính đàn hồi lý tưởng là

khả năng của vật thé lấy lạ toàn vẹn hình dạng ban đầu khi nguyên nhân gây ra biến

dạng đã bị loại bỏ Công của ngoại lục được tích lay đưới dạng thé năng din hai tong

vật thể Hình dạng của vật thể chỉ phụ thuộc vào tải trong dang tie động, không phụ thuộc vào qua trình đặt tải trọng quá khứ.

Lý thuyết din hồi được xem là một bộ môn của vt ý toán, Nhiệm vụ của môn học làtim cách xác định ứng suất và biển dạng trong vật thể din hồi dưới tác dụng của ngoạilực ở trang thái sân bing tỉnh cũng như ở tring thi cân bằng động như giao động

Phuong pháp giải của môn học là đi tir điều kiện chuyển vị hay ngoại lực ở bề mặt để suy ra trạng thai ứng suất ở mọi nơi trong vật thé Với phương pháp đỏ lý thuyết đản

hồi có đỀ cập đến các bài toán với vit thể có hình dang da dạng Két qu lý thuyết dinhồi đã được sử dung trong nhiễu lĩnh vực: xây dựng, địa chắn, vật lý, chế tạo máy

Sự phát triển cũ lý thuyết đàn hồi đã dẫn đến lý thuyết din hồi phí tuyển

Mỗi quan hệ giữa ứng suất và biến dạng thông qua định luật Húc (Hooke) tổng quát

- Xết môi trường dan hồi uyển tinh của Húc

- Khi vật thé đàn hồi là dị hướng, nghĩa là tính đàn hồi của vật thé theo những phương, khác nhau là không giống nhau, thi tương quan giữa sáu thành phẩn ứng suất và sáu

thành phần biển dạng phải thông qua 36 hằng số đàn hồi như sau:

diễn bằng định luật Húc tổng quát Điều đó chỉ đúng trong một chừng mực nào đó khi

ứng suất chưa vượt quá một giới hạn nhất định, Thi nghiệm đã chứng tỏ rằng khi ứng

suất vượt quá giới hạn din hồ thì quan hệ giữa ứng suất và biến dạng không còn là

bậc nÏ

tuân theo định luật Húc Tương quan giữa ứng suất và biến dạng được biểu thị đưới

nữa Quan hệ đó là đường cong Trong thực tễ có nhiều loại vật liệu không

dang một ham số đã nêu trong phần 1.2, ở Chương 1 Trong phạm vi luận văn, mỗi

2

quan hệ giữa ứng suất biến dạng được coi là bậc nhất

Trên thực t các thí nghiệm đối với sắt cũng như đối với hợp kim cho thấy khi ứngsuất vượt quá giới hạn chảy thi trong quan giữa biển dạng và ứng suất là một đường

cong (hình 2.3), quá trình đó là một quá trình không thuận nghịch Khi ting tải lên

đến B rồi giảm tải đi thì quá trình giảm tải không theo đường cong OAB nữa mà theo.

đường BC, nghĩa là su khi giảm tải hoàn toàn vẫn còn một lượng bién dạng còn dư

thể hiện bằng đoạn thẳng OC Biến dạng đó được gọi là biến dạng déo, Lý thuyết

nghiên cứu quy luật hình thành biến dang déo và trạng thái ứng suất với quá trình biển dang đồ được gợi là ý thuyết déo Với lý thuyết déo, cổ hai nghành: ngành lý thuyết dêo toán học mang tính chất chặt chẽ của toán học và lý thuyết déo ứng dụng mà trong

đồ các phương pháp tinh được đơn giản hóa nhờ da vào các giả thuyẾt về mặt hình

học hay vẻ mặt vật lý Hiện tượng biến dạng déo dưới tác dụng lâu dải của tải trong

được gọi là từ biển Từ đó sinh ra một ngành cơ học là lý thuyết từ biến Hiện tượng tir

biển xây ra không những trong giai dona vật liệu đã bước vào giai đoạn chảy đèo ma

còn xây ra trong giai đoạn đàn hỗi vi vật, lý thuyết từ biển đã sử dụng các phươngtrình của lý thuyết din hồi và lý thuyết do, DSi tượng luận văn nghiên cứu là đập bê

tông dim lăn, không sử dụng cốt thép nên trong phạm vi dưới đây luận văn không đề

cập đến khía cạnh này.

Hình 23: Tương quan giữa biển dạng và ứng suất có xét đến biển dạng déo

Gin diy đã phát sinh ra một ngành lý thuyết lưu biển Lý thuyết này nghiên ứu những

định luật chung về sự phát sinh và phát triển của biến dạng theo thời gian của vật liệu

do những nguyên nhân khác nhau trong những điều kign nhiệt độ và lý hóa khác nhau.

Lý thuyết lưu biển cho phép ta xác định được biển dang và ứng suất tại một điểm bit

kỹ trong vật thể ở một thời điểm xác định khi biết được thông số của yếu tổ tắc động

bên ngoài và quá trình biến đổi của các thông số trong quả khứ Ở Việt Nam, do hạn

| nghiên cứu cũng như khả năng của tác giả nên trong khía cạnh này khi 1g được nêu trong luận văn.

2.1.3 Cơ sở khoa học và phương pháp tính toán Ổn định

Yêu cầu đảm bảo điều kiện én định là các bộ phận công trình phải có kích thước saocho dưới tác dụng của ngoại lực chúng không mắt hình dang căn bằng ban đầu ĐỂ

đơn giản chứng ta đưa ra giả thuyết chung nhất là giả thuyết về tính liên tục và đồng

nhất cả vật liệu

Tinh liên tục có nghĩa là ta xem rằng ở mọi nơi trong vật thể có vật liệu RO rang điều

tt liệu thực luôn có cấu trúc nhất định Giữa các tỉnh

đó là mâu thuần với thực.

thể là một khoảng không gian rộng lớn Cũng đã cổ nhiều công tình chủ ÿ đến khoảng,

không gian này, thừa nhận giả thuyết về cấu trúc các hạt rời nhau, giữa chúng có lực.hút và lực dy trong nhiệt độ thông thường Lý thuyết này gọi fi thud din hỏi ri

rac, Song lý thuyết đó đã sặp rắt nhiều khó khan về phương điện toán hoạc và ngay

những lý thuyết đồ đã cho thấy giá thuyết vé vật liệu ign tục li cổ thé chấp nhận được.Tính đồng nhất có nghĩa là tắt cả mọi nơi trong vật thể, vật liệu có tính chất lý hóa như

nhau

Việc tính toán dn định và ban của công trình có thể tiền bảnh theo các phương pháp

sau

2.1.3.1 Phương pháp tính toán theo trạng thái giới han! 117? 9

Diy là phương pháp tính toán cơ bản dang được sử dụng rộng ri

a Những luận điểm cơ bản

Nó đặc thủ của phương pháp tính theo trang tái giới han là việc sử đụng một nhóm

các hệ số an toàn mang đặc trưng thống kê: hệ số tổ hợp tải trọng ne, hệ số điều kiện

m, hệ số tin cậy Kn, hí ố lệch tải n, hệ số an toàn về vật liệu Ky, Nhóm các

hệ số nay thay thé cho một hệ số an toàn chung K.

+b, Các trang thái giới han

Công trình và nền của nó được gọi là đạt đến trạng thái giới hạn khi chúng mắt khảnăng chống li các tả trọng và tác động từ bên ngoài, hoặc khi chúng bị hư hỏng hay

biến dang qué mức cho phép, không còn thoả mãn được các yêu cầu khai thác bình

thường

Người ta phân biệt 2 nhóm trang thái giới hạn:

u và nền của chúng làm việc trong điều

“Trạng thái giới hạn thứ nhất: Công trình,

kiện khai thác bit lợi nhất, gồm: các tinh toán về én và n định chung của hệ công

trình - nền; độ bền thắm chung của nén và công tri di; độ bên của các bộ phân mà

su hư hỏng của chúng sẽ lâm cho việc khai thắc công trình bị ngững tr: các tính toán

về ứng suất, chuyển vi của kết cấu bộ phận mi độ bền hoặc độ ôn định công nh

chung phụ thuộc vào chúng v.v.

Trang thái giới hạn thứ hai: Công trình, kết cấu và nỀn cña chúng làm việc bit lợi

trong điều kiện khai thác bình thường, gồm: các tinh toán độ bền cục bộ của nẻtinh toán về hạn ch chuyển vị và biển dang, về sự tạ thành hoặc mở rộng vét nút và

mỗi nối thi công: về sự phá hoại độ bên thắm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận

mà chúng chưa được xem xét trạng thái giới hạn thứ nhất

s Biểu thức tính toán

Việc đánh giá sự xuất hiện các trạng thải giới hạn được thực hiện bằng cách so sánhcác trị số tỉnh toán của ứng lực, ứng suit, biển dạng, chuyển vị, sự mở rộng khe nút

‘i Khả năng chịu tải tương ứng của công trình, độ bản của vật liệu, tị số cho phép của

bề rộng khe nứt, biến dang Các tị số nảy được quy định trong QCVN

04-.05:2012/BNNPTNT về Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia công trình Thủy lợi - Các quy

định thiết kế,

Điều kiện đảm bảo én định hay độ bền của công trình là

nà, < mR/K,, 2412)

trong dé:

hộ s tổ hợp tải trọng:

N,- tỉ số tinh toán của ti trọng tổng hợp;

mm - hệ số làm việc

Rts tính toán cũa sức chu tổng hợp của công nh hay nền;

K, - hệ số bảo đảm được xét theo quy mô, nhiệ: vy của công trình.

Khi kiểm tra theo (212), để đảm bảo điều kiện kinh ế, thường yêu cầu đại lượng ở vềphải không vượt quá (10-T-15)% so với dai lượng ở vỀ ti ứng với tổ hợp tải trọng bắt

1 —_ Trong lượng bản thân cng tinh 105 (095)

2 — Ap lực thẳng đứng của tong lượng đất 1109)

3—_ | Ap hve ngang của dat 12008)

4— |ÂpMeblneit

5— | Ấp lực thuỷ nh, sống gió, thấm, 10

© Taitrong nbigt, âm II

7 Tai trong do động đất Ll

Ghi chú: trị số n trong ngoặc don được dùng trong trường hợp ứng với nó công trình

sẽ ở thé bat lợi hơn

> BG bền tính toán của vật liệu công trình hay nên

“Trong trường hợp chung R được xác định như sau:

R=RWKy, 14)

trong đó:

Ry - cường độ tiêu chuẩn của vật liệu;

Ky - hệ số an toàn về vật liêu, xét đến khả năng giảm nhỏ độ bền so với tị số tiêuchuẩn do sự thay đổi tinh chất vật liêu và ảnh hưởng của các yếu tố khác (phươngpháp thí nghiệm, dung sai, dang của trạng thái ứng suất v.v

Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất ấu kim loại, Ky = 1,5 Khi tínhtoán theo trang thái giới hạn thứ bai, lấy Ky = 1,0

"Độ bn tiêu chuin của vật liêu được xác định trên cơ sở xử lý thống kí

nghiêm mẫu

> HG số tổ hợp tải trong: Việc tính toán kiểm tra theo (2-12) được thực hiên với các

tổ hop ti trọng khác nhau, Các tổ hợp này được sắc địnhtừ sự phân tích cúc điều kiên

‘cng tác thực tế của công trình ở giai đoạn xây dựng, khai thác và sửa chữa Giá trị của

hệ tổ hợp tải trong ne như sau:

Với tổ hợp tải trọng cơ bản: nụ = 1,0,

Với tổ hợp tải trong đặc biệt: ne = 0,9;

0,95,

‘Véi tổ hợp tải trọng trong thi công: n

> Hi số điều kiện lâm v tính gần đúng của sơ đổ và phươngHệ số này xét đ hip tính toán, kid công trnh, kết cầu hay nền, loại ậtliêu xây đụng, dạng trạng thi

giới hạn và các yếu tố khác chưa được tính đến Trị số của hệ số điều kiện làm việc m

khi sin theo trạng thi gới hon thứ hit ly theo bảng 2.2; còn theo trạng thi giới hạn

thứ bai th lấy m= 1

Bang 2.2: Bảng xác định hệ số điều kiện làm việc sit

1_| Công trình bêtông và bê tông cot thép trên nền dat, đá nữa cứng 1,00

2 _ | Công tình bôtông và bê tông cốt thép trên nên đá

a | Khi mặt trượt di qua các khe nứt trong đã nền 100

ai công trình và nền m

“Khi mặt trượt đi qua mặt tiếp xúc giữa bêtông và đá hoặc di trong

® _ Í đá nên có một phan qua khe nứt một phần qua đá nguyên khối 095

3 | Đập vom và các công trình ngăn chồng khác trên nên đá 05

4 | Các mái đốc tự nhiên và nhân tạo 100)

> Hệ số ún cậy Km: xét đến tằm quan trọng (cắp) của công trình, các hậu quả khi xây

bì

ra trang thái giới hạn Khi tỉnh toán các trang thi giới hạn nhóm 1, tỉ số Kn lấy như

Công trinh cấp 1, Ky = 1,25:

20,

-_ Công tình cấp I, K,

'Công trình cấp IIL, IV, V, Ky = 1,15

Khi tinh toán én định của Khi tính toán theo trạng thái giới hạn nhóm 2, lấy Ky

Ky lấy theo cắp của công tình nằm kể sát nó

mái đốc tự nhí

2.1.3.2 Phương pháp ứng suất cho pháp

‘Theo phương pháp này, điều kiện bền có dạng:

msl] (2-15)

trong đồ;

myx ~ ứng suất tinh toán lớn nhất tại một điểm nào đó trong công trình, xác định từ tổ

hop tải trong bất lợi nhất,

liệu tiêu chuẩn đối với vật liệt

lo] ứng suất cho phép, lấy theo

dạng của trạng thái ứng suất (kéo, nén, xoắn )

Phương pháp này rit ign dụng kh thiết kế các bộ phận kết cầu cũng kiểu, sử dựng

tong các điều kiện ôn định của tải trong Với một vải điểm bổ sung, hign nay phương:

pháp này vin được ấp dung khi thiết kế cia van, và ở giai đoạn thiết kế sơ bộ các đập

bêtông cốt thép.

2.1.3.3 Phương pháp tính theo hệsố an toàn

Phuong pháp này thường được ứng dụng trong tinh toán én định Khi đỏ công thức kiểm tra là

K 2 >Kep (2-16)

trong đó.

an toàn, là tý lệ giữa yêu ổ (lực hay momen) tổ gây ta E, và ví

2.1.3.4 Phương pháp tinh theo độ tin cập

4) Con đường phat triển của các phương pháp tính toán công trình

Sự tiến triển logic của các phương pháp tính toán kết cfu và công trình đã được tổngkết như sau Ban đầu chúng được tính theo các phương pháp tit định (theo ứng suất

cho phép và hệ số an toàn), với tiên để là tải trong và độ bền tinh toán đã được mặc định trong suốt quá trình làm việc của công trình Thực té thì các ham tải trọng và độ

nhiên.

in chịu tác động của rất nhiều yêu tổ khác nhau, va biển đổi theo quy luật ng

Vi vậy việc dn định trước các giá trị tính toán của chúng trong suét thời gian làm việc

của công trình là chưa thoi đáng Bà li, để ting mức độ dự trữ an toàn, người ta phải

giảm bat các tỉ số ứng suất cho phép, hay ting hệ số an toàn cho phép lên Việc tănghay giảm này không tránh khỏi yếu tổ chủ quan

Sự chuyển sang phương pháp trang thải giới hạn là một bước tiến trên con đường cải

tiến các phương pháp tính kết cầu và công trình Phương pháp trạng thái giới hạn thực.

chit là phương pháp nữa xác suit, ở diy các hệ số an toàn cục bộ (mạ K, m.n, Ki)

cđược xác định theo con đường xác suất thống kê.

Bước tiến tấp theo là việc chuyển sang các phương pháp xác suit trong khuôn khổ lý

thuyết độ tn cây, Lý thuyết này xét đến bản chất thay dỗi thường xuyên của tải trong

và tác động, tính chất vật liệu, bản thân kết cấu và các điều kiện khai thác ching,

Hiện nay lý thuyết này đã được ấp dung tương đối phổ biển trong xây dụng dân dung,công nghiệp, giao thông Trong xây dựng thuỷ lợi, lý thuyết này cũng đã bắt đầuđược ứng dụng và đang tiếp tục được nghiên cứu để hoàn thiện quy trình tính toán.

5) Nội dung phương pháp tinh theo độ tin cậy.

Ta gọi thông số ải trong N là một tổ hợp bất ky của tải trọng lên công tri, côn thông

số độ bên R là một đặc trưng của kết edu hay tinh chất của vật liệu xây dựng đảm bảo.cho khả năng chịu ải của công tình Quan hệ giữa thông số ải trọng N vả thông số độbền R cho phép thiết lập bài toán tinh độ tin cậy của công trinh như là xác suất p đảm

bảo sự làm việc an toàn của nó

trong đó: pụ ác suất tin cây tiêu chun, sác định theo cấp công nh và loại kết cầu

“Xác suất làm việc an toàn p và xác suất có sự cổ (rủi ro) V có quan hệ với nhau như sau:

p=l-V (220)

FN) = exp L: (222)

10) = geo [1G] aa

N, R - tị số bình quân số học (kỳ vọng toán học) của tải trọng và độ ben;

oy, On - khoảng léch quân phương của tải trong và độ bền.

Ta gọi him y = R - N Trong trường hợp chung, him nảy cũng có dang phân phổi

chuẩn với trị số bình quân

-N (224)

30

và khoảng lêch quân phương:

“Các nội dung cần tiếp tục nghiên cứu là tìm cách xác đỉnh đặc trưng thống kê N, R.„

‘Oy, Ox cũng như mức độ tương quan của 2 ham R và N cho từng loại công trình, loại

nền và trạng thấ chịu lực của kết cầu

2.1.3.5 Phương pháp cân bằng giới han

Phương pháp cân bằng giới hạn hạn (limit equilibrium methods ~ LEM) khởi đầu từ

Fellenius năm 1936, sau đó phát triển thành slice methods bởi Bishop năm 1955.

Trong phương pháp cân bing giới hạn thường giả định các mặt trượt là mặt phẳng

hoặc mặt trugt trụ tròn Lăng th trượt được coi là một cổ th, điều kiện trượt chỉ xây

ra tai mặt day của lãng thé trượt, khi tính toán lãng thể trượt có thể được chia thành các.

mảnh chia nhỏ với mặt giữa các minh là thẳng đứng và không xảy ra điều kiện trượttrên các mặt phẳng này, Sau đó viết các phương trình cân bằng tinh v lực và momentcho mặt trượt gi dịnh Mặt trượt có thể được chia nhỏ thành các lớp với giả thất là

hệ số an toàn của các lớp là như nhau, Các phương trình cân bằng lực và moment cóthể được viết và giải cho từng lớp

Đặc điểm của phương pháp cân bằng giới hạn là đựa trên nỀn cân bằng tĩnh học, bỏ

qua mỗi quan hệ giữa ứng suất — biển dang theo quá trình tác dụng của tải trọng.

3.1.3.6 Phương pháp phan tử hữu han

Phương pháp này phân tich trang thải ứng suất - biến dang Dây là phương pháp choquả khá tốt về quan hệ giữa ứng suất ~ biển dạng trong suốt quá trình chịu tải củakết c cho đến khi đạt trang thai iới hạn Tuy nhiền yêu cầu các tham số đầu vào khỉ

tính toán lại khá phức tap như: mô đun đàn hồi, hệ số poisson cần những thí nghiệm

31

inh toán chính xác, bi chuyên dụng kết hợp phân tích, cạnh đó là khối lượng tính

toán lớn, nhiều khi dẫn tối sai số tinh toán ích lũy đáng kể.

Qua những nét cơ bản chính của hệ thống tiêu chuẩn nêu trên, phương pháp chủ yếu

được ấp dụng là phương pháp trạng thi gi hạn Ngoài ra phương pháp cân bằng

giới hạn đã được áp dụng rộng rã tai nhiều quắc gia, rong đó Mỹ là 1 tong những

nước đã đưa phương pháp đỏ vio tiều chuin của mình, dưới đây là một số điểm khác

nhau cơ bản trong việc tính toán kiểm ta ổn định của đập bê ông trọng lực theo 2 tiêu

chuẩn:

Bảng 23: Phân ích ủn định đập bê tông trong lực theo cic tiêu chuẩn tide kế

ee

Trường Tiêu chuân Việt Nam - Nga Tiêu chuẩn Mỹ

TT

hợp Sơ đồ tinh “Công thức Sơ đồ tính “Công thức

Í- Tính toán theo bài toán trạng thái giới han ~ Tính toán theo bài toán cân bằng giới han

~ Hệ số an toàn cho phép [K] được xác định theo cấp | - Hệ số an toàn cho phép [Fs] được xác định theo tổ hợp

ps ÚM +Vi)sosø, +, = Hạ sing, +(P|, =P Jung, =U, lan, +L,

- (H,, -H,,)cosa, + (P., -PJeosa, ~(W, + V, sin,

2.2 Tinh toán ứng suất, biến dang, én định đập bê tông dim lăn theo tiêu

chuẩn Mỹ.

2.2.1 Tiêu chuẩn tính toán”!

“Trong tinh toán thiết kế đã tham khảo một số tiêu chuẩn tính toán, hướng dẫn tinh toánchính của một số nước, cụ thể như sau

~ Federal Eneray Regulatory Commission (FERC): 2002 Cẩm nang kỹ thuật xây dựng cho Đánh giá các công trình thủy điện

~_ Đánh giá và thiết kế động đất cho công trình xây dựng (Earthquake Design and Evaluation for Civil Works Projects) số ER 1110-2-1806 của Cục công trình quân đội

Mj xuất bản năm 1995, trong đồ bao gém cả cúc Tiêu chun tinh toán được viện dẫn

- Bé téng dam lăn của Viện bê tông Hoa kỳ ACI 207.5R-99.

1g số an toàn cho phếp v8 mượt và ứng sắt cho phếp của dp được cho trong bảng sa

Bảng 2.4: Bảng hệsố an toàn cho phép về trượt và ứng sắt cho phép của đập

rong đầy Dinh | Dư Nén Kéo