www.phanmemxaydung.com 102 N .B 1 max < g , (2 - 32) - Đối với nền bao gồm đất sét phân tầng, cứng và mềm dẻo, bên cạnh các điều kiện đã đ?ợc đề cập phần tr?ớc : tgj + 45.0 c tb > , (2 - 33) ( ) 4 .1. 2 > + o o h tK , (2 - 34) trong đó: s max , s tb - các giá trị ứng suất pháp lớn nhất và trung bình tại đáy đập ; B- chiều rộng đáy đập ; g 1 , g - dung trọng của đất nền (đẩy nổi) và trọng l?ợng n?ớc ; N - Chỉ số mô hình hoá, khi không có tài liệu thí nghiệm lấy N = 3 ; K - hệ số thấm của đất nền ; j - góc ma sát trong ; c- lực dính đơn vị của đất ; t 0 - thời gian thi công ; e - độ rỗng ban đầu của đất; a = 12 21 - - - hệ số nén lún ; ( e 1 , e 2 - độ rỗng t?ơng ứng với s 1 và s 2 ) ; h 0 - chiều dày của lớp đất cố kết. h 0 = 2 hh 21 + (h 1 - chiều dày lớp đất chứa sét, h 2 - chiều dày lớp đất giữa đáy đập và lớp chứa sét, h 0 không lớn hơn B, khi h 2 =0, h 1 lấy không lớn hơn B). Hiện nay đã có một số ph?ơng pháp tính toán ổn định công trình theo sơ đồ tr?ợt sâu và sơ đồ tr?ợt hỗn hợp. II. Tr>ợt sâu với mặt tr>ợt trụ tròn trên nền đồng nhất. Khi tính toán ổn định của đập bê tông theo sơ đồ mặt tr?ợt trụ tròn, mặt tr?ợt giả thiết là một cung tròn (hình 2-27) đi qua điểm biên phía th?ợng l?u của đáy đập hoặc chân khay th?ợng l?u, ổn định của đập cùng với nền đ?ợc quyết định bởi hệ số an toàn K t - tỷ số giữa tổng mô men các lực chống tr?ợt và tổng mô men các lực gây tr?ợt. Hình 2-27. Sơ đồ tính toán ổn định đối với mặt tr?ợt tròn giới hạn, nền đồng nhất T G V R R A Q V B Q r a O 1 N 1 T 2 O 1 S 1 W t h T 3 N 2 S 2 www.phanmemxaydung.com 103 K t = ồ ồ gt ct M M (các giá trị momen lấy với tâm O của cung tr?ợt). Hợp lực R theo ph?ơng đứng (trọng l?ợng đập, sàn, n?ớc phía trên và d?ới khoang đập, trọng l?ợng của đất phía trên mặt phẳng đi qua biên của chân khay) và ph?ơng ngang (áp lực n?ớc tác dụng từ phía trên và phía d?ới khoang tràn) đ?ợc dời t?ơng đ?ơng về mặt phẳng nền AB và đ?ợc phân tích thành các lực theo ph?ơng đứng V và lực theo ph?ơng ngang Q. Các lực V và Q đ?ợc áp dụng cho cung tr?ợt và phân tích thành các thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến: N 1 =V.cosb, S 1 =V.sinb; N 2 =Q.sina, S 2 = Q.cosa. Trên cung tr?ợt, trọng l?ợng của phần đất tr?ợt bị đẩy nổi trong n?ớc bằng: G = g đn . 2 r.cos.sin 180 . ữ ứ ử ỗ ố ổ a- , trong đó: g đn = g bh - (1 - n). g n - dung trọng đẩy nổi của đất. Góc a , b và bán kính r đ?ợc chỉ ra trong hình 2-27. Các lực S 1 và S 2 đ?ợc h?ớng về phía d?ới khoang đập và có xu h?ớng quay một phần của nền và kết cấu xung quanh điểm O. Các lực ma sát T 1 = V.cosb.tgj ; T 2 = G.tgj và T 3 = Q.sina.tgj sẽ có tác dụng chống tr?ợt. Trong tr?ờng hợp đất dính, lực dính tác dụng lên từng phần của đáy cung tr?ợt lấy bằng c = 2arc cũng có tác dụng chống tr?ợt. Trong biểu thức này, c là lực dính đơn vị. Ngoài ra lực thấm tác động lên một phần của nền. Lực này đ?ợc xác định thông qua l?ới thấm (hình 2-28). Ph?ơng của lực thể tích g .J. w tác dụng lên mỗi một ô l?ới trùng với ph?ơng của đ?ờng dòng trung bình trong ô. Lực thấm tổng cộng sẽ bằng tổng các vectơ biểu diễn lực thấm thành phần trong từng ô l?ới. Hình 2-28. Sơ đồ tính toán lực thấm W th Khi n c = 1, m = 1, hệ số K t bằng: K t = ( ) r a WQV crtgGQV th .cos.sin. .2.sin.cos. ++ + j + + b , (2 - 35) trong đó: a - cánh tay đòn của lực thấm. III. Tr>ờng hợp nền không đồng nhất . Nếu nền bao gồm các lớp có các chỉ tiêu cơ lý khác nhau (g i , c i , j i ) (hình 2 -29) thì tính toán ổn định đ?ợc thể hiện với các tiêu chuẩn khác nhau của các chỉ tiêu cơ lý đất nền. A a b c d B www.phanmemxaydung.com 104 W 0 A V B T Q sin Q V 0' N a =n.b n 3 2 1 no V I II III -I -II -III l i r bb Q q n 1 1 2 2 a M P n n1 V n2 V n3 V n n sn 111 C 2 2 2 C 3 3 3 C Vùng đất nền, sơ đồ thể hiện các ứng suất sinh ra do trọng l?ợng của kết cấu và tải trọng theo ph?ơng đứng lên đáy đập, sàn và sân sau đ?ợc chia thành các thỏi đất theo ph?ơng đứng có chiều rộng b. Các lực theo ph?ơng đứng tác động trong phạm vi của một thỏi đ?ợc cộng lại và dời đến cung tr?ợt. Chẳng hạn, V n =V no +V n1 +V n2 +V n3 tác dụng lên thỏi thứ n. ở đây, V no là tải trọng do trọng l?ợng của kết cấu và n?ớc t?ơng ứng với sơ đồ của các ứng suất (do các lực theo ph?ơng đứng) tác dụng theo chiều dọc của thỏi đất, V n1 , V n2 , V n3 là trọng l?ợng của các lớp đất bão hoà 1, 2 và 3 trong mỗi thỏi đất đó. Thỏi đất có đ?ờng tâm OO ký hiệu là thỏi số 0, các thỏi phía bên trái của thỏi số 0 đ?ợc ký hiệu dấu + gọi là thỏi +I, +III, +III, , +n, và các thỏi phía bên phải ký hiệu là - gọi là -I, -II, -III., , -n, Lực V n gây nên mô men quanh tâm O: M (V n ) = a n .V n = n.b.V n Lực V n nằm ở đáy cung tr?ợt của thỏi với dấu + gây ra mô men tr?ợt, với dấu gây nên mô men chống tr?ợt. Các lực ma sát và lực dính có tác dụng chống tr?ợt. Thành phần pháp tuyến của V n là N n = V n .cosb n . Lực thấm tác dụng lên đất, làm giảm thành phần pháp tuyến N n bởi giá trị : W tn = n nn cos b .h. , trong đó: h n là cột n?ớc áp lực thấm tại tâm của đáy thỏi. Hình 2-29. Sơ đồ tính toán ổn định của đập theo mặt tr?ợt trụ tròn giới hạn, nền không đồng nhất Mô men của lực ma sát tác dụng lên cung tr?ợt và mô men của lực dính chống lại sự tr?ợt: ồ ồ j-= rtgWNTM ntnnn .).()( ; ồ ồ = rlcCM nnn )( ; trong đó: l 1 , l 2 , l n là chiều dài của đáy cung tr?ợt của thỏi đang xét. www.phanmemxaydung.com 105 Chúng ta thay thế các thành phần theo ph?ơng ngang W 1 và W 2 của áp lực cột n?ớc th?ợng l?u và hạ l?u bởi Q. Bằng việc áp dụng các lực trực đối Q tại điểm B, chúng ta có mô men của các cặp lực Q.(r.cosa - q) = Qh và lực Q tại điểm B h?ớng về phía th?ợng l?u. Mô men của lực ma sát r.tg.sin.Q)T(M tbQ ja= sẽ xuất hiện do kết quả của sự phân tích trên. Góc ma sát trong của từng lớp đất ảnh h?ởng tới các giá trị ứng suất tiếp trên phần đáy cung tr?ợt OB. Vì vậy, ta th?ờng biểu diễn giá trị trung bình của góc ma sát: tg j tb = n nn llll tgltgltgltgl ++++ j + + j + j + j 321 332211 (2 - 36) trong đó: l 1 , l 2 , l 3 ,l n là chiều dài đáy cung tr?ợt của các thỏi trong đoạn OB có chứa các giá trị j i khác nhau. Hệ số an toàn chống tr?ợt của đập đảm bảo chống lại sự tr?ợt cùng với đất nền đ?ợc xác định theo công thức sau: K t = ( ) [ ] ồ ồ ồ + j++j-b h.Qsin.V.r tg.sin.Ql.CtgWcos.V.r nn tbnnntnnn (2 - 37) Nếu một lớp đất có góc nội ma sát và hệ số tr?ợt nhỏ (ví dụ, lớp 2 với bề mặt MP trên hình 2-29) nằm ở vị trí nông, thì sự mất ổn định của nền có thể xảy ra không chỉ khi tr?ợt dọc theo cung tr?ợt mà còn tr?ợt dọc theo mặt lớp đất yếu đó. Sơ đồ tính toán nh? trên hình 2-22d. Khối tr?ợt đ?ợc giới hạn từ phía tr?ớc và phía sau bởi các mặt thẳng đứng 1-1 và 2-2. 2.8 Tính toán ứng suất đáy đập Việc tính toán ứng suất tại mặt tiếp xúc giữa đáy đập và nền đập là nhằm xác định khả năng chịu tải của nền và tính toán ổn định của công trình. Hình dạng của sơ đồ ứng suất pháp ở đáy đập (hình yên ngựa, parabol) phụ thuộc vào độ cứng, chiều sâu của nền và các vùng truyền tải. Đối với nền có tính đàn hồi thay đổi, sơ đồ ứng suất pháp ở đáy đ?ợc chỉ ra trong hình 2-30 cho tr?ờng hợp nền biến dạng và tải trọng tập trung. Đối với nền có tính đàn hồi cao, sơ đồ ứng suất pháp có độ lồi lớn thì giá trị ứng suất ở các biên đáy nhỏ. Tính đàn hồi của nền đ?ợc xác định qua công thức: (M.I. Gorbunov-Posadov) 3 1 3 0 hE lE 10t ằ , (2 - 38) với: E 0 và E 1 - mô đun đàn hồi của nền và của vật liệu thân đập; l = 1/2 chiều rộng hoặc 1/2 chiều dài của nền ; h = chiều cao của dầm . Khi t đ Ơ thì nền cứng tuyệt đối; khi t đ 0 thì nền là đàn hồi hoàn toàn. ứng suất đáy đập t?ơng ứng với các tr?ờng hợp biến dạng phẳng đ?ợc tính toán nh? sau: www.phanmemxaydung.com 106 (a) Nếu nền gồm các loại đất không dính có độ chặt t?ơng đối J D Ê 0,5, thì ứng suất pháp đ?ợc tính từ công thức nén lệch tâm. (b) Trong tr?ờng hợp đất dính và không dính có J D > 0,5; ứng suất đáy đập đ?ợc tính từ công thức nén lệch tâm và sử dụng ph?ơng pháp lý thuyết đàn hồi, chiều sâu của tầng đất nén bị giới hạn là: 0,3B đối với đất cát và 0,7B đối với đất sét. ở đây, B là kích th?ớc đáy đập (từ th?ợng l?u về hạ l?u). Đối với công trình cấp III và cấp IV trên đất không dính và đối với công trình cấp IV trên đất dính, ứng suất đáy đập chỉ đ?ợc xác định từ công thức nén lệch tâm. ứng suất pháp ở các điểm góc của một mặt cắt đập hoặc vai đập s a , s b , s c , s d , đ?ợc xác định bằng công thức nén lệch tâm: s i = y y x x W M W M F V , (2-39) với: V- lực pháp tuyến (có xét đến áp lực ng?ợc); F- diện tích đáy; M x , M y , W x , W y - mômen uốn và mô men chống uốn với các trục quán tính chủ yếu của đáy đập. Trong tr?ờng hợp tải trọng tác động đối xứng đối với một trong các trục thì: M x = 0 hoặc M y = 0. 2.9 Tính toán độ bền của thân đập I. Luận điểm chung Đập bê tông có chiều dài lớn th?ờng đ?ợc phân thành nhiều đoạn (đơn nguyên) làm việc độc lập. Các đoạn này tiếp giáp với nhau tại vị trí khớp nối. Khớp nối th?ờng đ?ợc đặt tại trụ pin, nó đ?ợc chia thành hai nửa gọi là bán trụ. Mỗi bán trụ gắn với một đoạn của đập. Mỗi đoạn của đập có thể có một hay nhiều khoang (cửa) tràn. ở đầu mỗi đoạn có thể là trụ biên (khi tiếp giáp với bờ) hay bán trụ (khi tiếp giáp với đoạn khác). Ngăn cách giữa các khoang (cửa) trong mỗi đoạn là các trụ pin. Khi tính toán độ bền của đập, ng?ời ta xét riêng cho từng đoạn. Nội dung của tính toán độ bền là xác định các trị số ứng suất tại các vị trí khác nhau trong thân đập, trên cơ sở đó tiến hành kiểm tra độ bền về c?ờng độ và bố trí cốt thép khi cần thiết. Do đặc điểm cấu tạo của đập, khi tính toán độ bền của mỗi đoạn đập cần phải xét theo kết cấu không gian. Việc giải bài toán không gian để tìm giá trị ứng suất tại các điểm khác nhau trong một đoạn đập th?ờng gặp nhiều khó khăn và th?ờng phải áp dụng một số giả thiết làm đơn giản hoá bài toán về hình dạng kết cấu, phân bố tải trọng, quan hệ với nền Hình 2-30. Các sơ đồ ứng suất tiếp xúc pháp tuyến đối với các loại nền có tính dẻo khác nhau. P t=0 t=1 t=5 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 P/l 2l h www.phanmemxaydung.com 107 Do tính gần đúng của các kết quả tính toán, việc kiểm tra điều kiện bền của kết cấu cần phải đảm bảo một mức độ dự trữ cần thiết. Mức độ chính xác của sơ đồ bài toán cũng th?ờng đ?ợc phân biệt theo tầm quan trọng (cấp) công trình và giai đoạn thiết kế. 1- Tính toán độ bền chung của các đoạn đập các cấp nói chung và đặc biệt khi công trình là cấp I và II đ?ợc tiến hành nh? đối với kết cấu không gian trên nền đàn hồi và đ?ợc tính theo các ph?ơng pháp cơ học kết cấu hay lý thuyết đàn hồi. Đ?ợc ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các ph?ơng pháp số - ph?ơng pháp sai phân hữu hạn hay phân tử hữu hạn. 2- Tính toán độ bền của đập khi công trình là cấp III, IVvà V cũng nh? khi thiết kế sơ bộ các đập cấp I, II có thể tiến hành bằng các ph?ơng pháp cơ học kết cấu. Khi đó ng?ời ta xét riêng các bài toán kết cấu theo ph?ơng dọc (dọc theo dòng chảy) và ph?ơng ngang (vuông góc với dòng chảy). II. Tính toán độ bền của đập theo ph>ơng pháp cơ học kết cấu. 1. Tính toán đoạn đập có ng4ỡng tràn thực dụng. Tr?ờng hợp này các đoạn đập đ?ợc xem nh? kết cấu có s?ờn chống là trụ hay bán trụ (xem hình 2-26a, b). Các đập hai tầng và đập có lỗ xả sâu đ?ợc tính toán nh? kết cấu hộp. Khi đó trong mặt cắt tính toán chỉ đ?a vào một phần theo chiều cao của các trụ và bán trụ giới hạn bởi mặt phẳng nghiêng 45 0 so với ph?ơng ngang và đi qua điểm đầu và cuối của bản móng (hình 2-31a). a) b) c) d) Tuỳ theo đặc điểm kết cấu của đoạn đập mà có thể đề xuất các sơ đồ tính toán khác nhau và ph?ơng pháp tính toán gần đúng t?ơng ứng. Chẳng hạn ta xét việc tính toán tấm móng của một đoạn đập có hai khoang. Đoạn đập (hình 2-31b) đ?ợc xem nh? vật cứng tuyệt đối so với đất nền. Ngoài sự uốn chung thì trong tấm móng còn phát sinh sự uốn cục bộ trên các diện tích S 1 và S 2 . Việc tính toán tấm móng và uốn cục bộ có thể thực hiện nh? đối với tấm gối lên ba cạnh, và có một cạnh tự do ở th?ợng hay hạ l?u. Các tải trọng cần Hình 2-31. Sơ đồ tính toán một đoạn đập tràn có ng?ỡng thực dụng a. mặt cắt dọc dòng chảy; b. mặt cắt ngang; c. biểu đồ ứng suất trên mặt cắt B - B k hi xét uốn chung(I), uốn cục bộ(II), và uốn tổng cộng(III); d. mặt cắt bằng; p. phản lực nền tính theo ph?ơng pháp nén lệch tâm. B B p A - A 45 45 A A P IIIIII B - B 2211 2211 S 2 S 2 S 1 S 1 . trọng l?ợng của kết cấu và n?ớc t?ơng ứng với sơ đồ của các ứng suất (do các lực theo ph?ơng đứng) tác dụng theo chiều dọc của thỏi đất, V n1 , V n2 , V n3 là trọng l?ợng của các lớp đất bão hoà. 2-30. Các sơ đồ ứng suất tiếp xúc pháp tuyến đối với các loại nền có tính dẻo khác nhau. P t=0 t=1 t=5 1.0 0.8 0 .6 0.4 0.2 P/l 2l h www.phanmemxaydung.com 107 Do tính gần đúng của các kết. khác). Ngăn cách giữa các khoang (cửa) trong mỗi đoạn là các trụ pin. Khi tính toán độ bền của đập, ng?ời ta xét riêng cho từng đoạn. Nội dung của tính toán độ bền là xác định các trị số ứng