tính toán thiết kế công trình ngầm thi công bằng phương pháp đào hở

KẾT CẤU XÂY DỰNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HỞ TS. VŨ THỊ NGỌC VÂN 1. Khái quát chung Tính toán kết cấu công trình ngầm (CTN) là một trong những công việc rất phức tạp nhất trong lĩnh vực tính toán kết cấu. Do tương tác phức tạp giữa đất nền và CTN, các lời giải đều gần đúng và đã được kiểm nghiệm qua hàng loạt các thực nghiệm. Tính toán kết cấu CTN thường được tiến hành theo 3 trạng thái ứng suất giới hạn có kể đến các điều kiện làm việc bất lợi của kết cấu và nền móng trong thời kỳ xây dựng và sử dụng: - Trạng thái giớ hạn thứ nhất: Trạng thái giới hạn về độ bền đảm bảo cho công trình khong bị phá hoại về độ bền (cường độ, ổn định, độ chịu mỏi) hoặc phát triển biến dạng lớn. Trạng thái giới hạn thứ nhất về cường độ phải tính bắt buộc đối với tất cả các dạng CTN với hệ số vượt tải k i (bảng 1 và bảng 2) và tải trọng tạm thời phải nhân với hệ số động lực (1+μ). Giá trị của hệ số này phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất trên nóc công trình. + μ=0,3- khi dưới nền đường không có đất đắp 0,3 0 µ + = ÷ - khi chiều dày đất đắp trong khoảng 0,25-0,5m (giá trị ở giữa được xác định theo phương pháp nội suy tuyến tính), 0 µ + = - khi chiều dày đất đá lớn hơn 0,5m. - Trạng thái giớ hạn thứ hai: Trạng thái giới hạn về biến dạng bảo đảm cho công trình không phát sinh biến dạng quá lớn ảnh hưởng dến việc sử dụng bình thường của công trình. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG - Trạng thái giớ hạn thứ ba: Bảo đảm dộ bền chống nứt cho công trình. Với CTN kết cấu BTCT có đường kính lớn hoặc công trình BTCT lắp ghép với tiệt diện lớn, sự suất hiện và mở rộng vết nứt sẽ gây ra ăn mòn cốt thép, thấm nước hoặc các chất lỏng khác gây bất lợi cho việc sử dụng bình thường của CTN. Bề rộng lớn nhất cho phép của vết nứt với những đường ống không áp lực và không có ảnh hưởng của nước ăn mòn là 0,2mm. Với những đường ống ở nơi có nước có tính xâm thực thì bề rộng giới hạn của vết nứt là 0,1mm. Tính toán theo trạng thái giớ hạn thứ 3 có ý nghĩa quan trọng đối với các loại ống BTCT thành mỏng, đặc biệt khi cố thép là thép có cường độ cao. 2. Tổ hợp tải trọng Tải trọng bao gồm tất cả các tải trọng có thể tác động đồng thời lên công trình hoặc trong từng thời điểm khác nhau. Tính toán kết cấu CTN phải đề cập tới các tổ hợp tải trọng (tổ hợp cơ bản hoặc tổ hợp đặc biệt) gây ra những nội lực bất lợi nhất cho công trình. Tổ hợp cơ bản: gồm tỉa trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời của các phương tiện giao thông và tải trọng tạm thời chỉ có trong quá trình xây dựng hoặc sử dụng. Tổ hợp đặc biệt: gồm một số tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời từ tổ hợp cơ bản và tải trọng đặc biệt. Trong nhiều trường hợp, sử dụng tổ hợp cơ bản để tính toán và tổ hợp đặc biệt để kiểm tra. Mọi tải trọng trong tổ hợp cơ bản cũng như tổ hợp đặc biệt đều được tiêu chuẩn hóa. Khi tính toán một CTN cụ thể, tương ứng với tiêu chuẩn tính toán của hệ kết cấu, tải trọng sử dụng là tải trọng tính toán, giá trị của chúng tính theo công thức: . tt n i R R k = (1) Trong đó: R tt - tải trọng tính toán R n - tải trọng tiêu chuẩn k i - hệ số vượt tải của tải trọng i và tương ứng với mỗi loại tổ hợp tải trọng Bảng 1. Hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên TT Tải trọng Hệ số vượt tải Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG Áp lực chủ động của đất nền: -khi có vòm áp lực 1 +áp lực thẳng đứng 1.5 2 +áp lực nằm ngang 1.8 (1.2) -khi không hình thành vòm áp lực 3 +áp lực thẳng đứng 1.4 4 +áp lực nằm ngang 1.2 -Trọng lượng khối đất trên đỉnh hầm 5 +áp lực thẳng đứng 1.1 6 +áp lực nằm ngang 1.3 (0.9) 7 Áp lực bị động của đất nền: 1.2 (0.8) 8 Trọng lượng của các lớp thuộc kết cấu mặt đường, lớp bảo vệ, vỉa hè 1.5 (0.9) Trọng lượng riêng của kết cấu: 9 +Đổ tại chỗ 1.2 (0.8) 10 +Lắp ghép 1.1 (0.9) 11 Áp lực nước 1.1 (0.9) 12 Ứng suất nước 1.3 (0.7) 13 Tác động do co ngót của BT 1.0 (0.9) 14 Tác đọng do lún của nền đất 1.5 (0.9) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG Chú ý: -Các giá trị trong ngoặc của hệ số vượt tải được sử dụng khi sự giảm củaloại tải trọng này dẫn đến trạng thái bất lợi cho công trình, -Khi tính toán áp lực ngang lên CTN từ t6air trọng chuyển động thẳng đứng theo công thức 2 0 d . . (45 ) 2 t q h tg ϕ γ = − Giá trị của góc ma sát trong (φ) tăng thêm 5 0 khi hệ số vượt tải k>1 và giảm đi 5 0 khi k<1, tùy theo trị số nào cho tác động bất lợi nhất cho công trình (h td – chiều cao tương đương của lớp đất). Bảng 2. Hệ số vượt tải của tải trọng tạm thời TT Loại tải trọng Hệ số vượt tải theo tổ hợp tải trọng Tổ hợp cơ bản Tổ hợp đặc biệt 1 Đoàn ô tô loại H-30 1.4 1.0 2 Xe loại HK-80 1.1 - 3 Đường sắt T-Z: +Tầu chở hàng +Tàu không chở hàng 1.1-1.3 * 1.0 0.7 - 4 Tầu điện ngầm 1.3 - 5 Tải từ máy bay: +khu vực biên của san bay +Giữa sân bay 1.0 0.85 - - 6 Đoàn người qua lại 1.4 - 7 Tải trọng quá trình xây dựng 1.3 ** - 8 Động đất - 1 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG Chú ý: *-Hệ số vượt tải phụ thuộc vào chiêu dài của tải λ và có giá trị như sau: =1.3 khi λ=0, =1.15 khi λ=50m, =1.1 khi λ>150m, **-Hệ số này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện công nghệ thi công tại chỗ. Với tổ hợp tải trọng phụ, trừ tải trọng số 8(không tham gia), hệ số vượt tải lấy bằng 0.8. 3. Kết cấu đổ liền khối có mặt cắt ngang là hình chữ nhật Tính toán CTN có mặt cắt ngang là hình chữ nhật thi công liền khối bằng phương pháp đào hở hoặc các loại tunnel thi công bằng phương pháp giếng thả là tương tự nhau. Kết cấu BTCT liền khối hoặc lắp ghép bằng các đốt nguyên vẹn có đặc trưng tiết diện ngang kín và nút cứng, được tính toán như khung kín siêu tĩnh trên nền đàn hồi. 3.1. Tính toán trường hợp khung một nhịp đối xứng trên nền đàn hồi(hình 1.a). Dưới tác động của tải trọng đối xứng theo phương pháp lực có thể lựa chọn sơ đồ cơ bản như hình 1.b. Giá trị của các ẩn số được tính từ hệ phương trình chính tắc như sau: 11 1 12 2 1 21 1 22 2 2 0 0 p p X X X X δ δ δ δ + +∆ =    + +∆ =   (1) Trong đó: Các chuyển vị δ ij , Δ ip ( 1 2i = ÷ , 1 2j = ÷ ) được tính như tổng của chuyển vị đơn vị (x (1) -tải trọng) và chuyển vị gây ra do tác động của nền đàn hồi(x (0) ): (1) (0) ij ij ij δ δ δ = + (2) (1) (0) ip ip ip ∆ = ∆ + ∆ Các giá trị δ ij (1) , Δ ip (1) được tính theo các công thức thông thường của cơ kết cấu, các giá trị δ ij (0) , Δ ip (0) tính theo công thức More đối với phần tử trên nền đần hồi: Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG (0) EJ EF i p i p i p ip i p M M N N Q Q Kby y ds ds ds ds GF µ ∆ = + + + ∑ ∑ ∑ ∑ ∫ ∫ ∫ ( ) 3 (0) 11 2 (0) 21 (0) 22 2 3 2 3 1 2 EJ h EJ h EJ h δ δ δ = = + = (3) (4) Trong đó : K- Hệ số kháng lực đàn hồi của đất nền, b- bể rộng tính toán của đáy, y i , y p - độ lún của đấy dưới tác dụng của lực đơn vị và tải trọng, μ- hệ số hiệu chỉnh, lấy như trong cơ kết cấu. Các giá trị δ ij (0) , Δ ip (0) cũng có thể xác định theo công thức chung tính góc xoay của nút khung trên nền đàn hồi ở dạng môi trường biến dạng tuyến tính: 2 ( ) (0) 2 2 11 ( ) (0) 2 2 21 ( ) ( ) (0) 2 2 22 2 ( ) EJ 2 ( EJ 2 ( ) EJ C C D C C C D C C C D C lh lh l β β δ α β β δ α β β δ α − = − = − = (5) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG Trong đó: 2 C D β - là góc xoay của đáy ở tiết diện C 1 D M Ebl π = gây ra, ( ) 2 C C β - là góc xoay của đáy ở tiết diện C 1 MC Ebl π = gây ra, 0 EJ E bl π α = - chỉ số độ cứng, E –modul đàn hồi của vật liệu đáy, E 0 -modul biến dạng của nền đất, b- chiều rộng của kết cấu, l- nhịp của tấm nóc, h- chiều cao của kết cấu, J- momen quán tính của tiết diện đáy. 3.2. Vỏ hầm được coi như là khung trên nền đất đàn hồi với giải thiết biến dạng cục bộ Có thể tính theo phương pháp của Viện thiết kế xe điện ngầm –SN trong đó nền đàn hồi được thay bằng các gối đàn hồi(hình 1.c). Hệ được giải theo phương pháp lực, sơ đồ cơ bản như hình 1.d. Tùy thuộc vào số gối tựa, các ẩn số được tính từ hệ phương trình chính tắc sau: Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG 0 n ik i ip l M δ + ∆ = ∑ (6) Trong đó: n- tổng số ẩn và i, k= 1 n ÷ . Các chuyển vị được tính theo công thức More: EJ EF i k i k i k ik M M N N s R R ds D = + + ∑ ∑ ∫ (7) EJ EF i p i p i p ip M M N N s R R ds D ∆ = + + ∑ ∑ ∫ Trong đó: , , , , , i k p i p k M M M N N N − momen và lực dọc trong hệ cơ bản do các momen ẩn bằng đơn vị và tải trọng gây ra, , , i k p R R R − phản lực tại các gối đàn hồi do các momen ẩn đơn vị và tải trọng gây ra trong hệ cơ bản, D=Ksb – độ cứng quy đổi của gối đàn hồi, K- hệ số lực kháng đàn hồi của đất nền, s - khoảng cách giữa các gối đàn hồi trong đáy, b – bề rộng tính toán của đáy kết cấu. Sơ đồ tính và tải trọng tác động như hình 1.d: bao gồm áp lực đứng và áp lực ngang của địa tầng và các momen đơn vị tại các gối đàn hồi và điểm giữa của mái. Các ứng lực trong hệ cơ bản được xác định bằng cách tách lần lượt Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG nút trong phần đáy. Giá trị cuối cùng của nội lực tại phần tử của vỏ được xác định như sau: p i i p i i M M M M N N N N = + = + ∑ ∑ (8) Trong đó: , , , i p i p M M N N - như của công thức (7). 3.3. Đáy hầm có thể tích như dầm trên nền đàn hồi a) Sử dụng giải thiết biến dạng cục bộ hoặc biến dạng tổng thể. Với giải thiết biến dạng cục bộ, có thể sử dụng các công thức và bảng lập sẵn để tính nội lực, góc xoay, độ võng và phản lực nền trong đáy. Khi ấy chỉ số độ cứng s 0 và chiều dài quy đổi của dầm λ 0 có giá trị như sau: 0 0 0 4 , EJ l s Kb s λ = = (9) Trong đó: EJ- độ cứng chống uốn của dầm, K- hệ số lực kháng đàn hồi của dất nền, l- chiều dài của dầm, b- chiều rộng của dầm, lấy giá trị =1. Tùy thuộc vào giá trị của λ 0 có thể phân loại dầm như sau: λ 0 <1: dầm coi như cứng tuyệt đối, 1 ≤ λ 0 <2.5: dầm ngắn, λ 0 ≥ 2.75: dầm dài vô hạn. HÌNH 1 b) Khi tính toán trên nền đàn hồi với giải thiết biến dạng tổng quát: Có thể được sử dụng phương pháp của A.l.Ximvulidi. Ở đây sử dụng công thức tổng quát tính góc xoay của dầm trên nền đàn hồi để tính ứng lực và chuyển vị chưa biết. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG c) Khi tính khung trên nền đàn hồi, kết cấu được phân tích thành: tấm mái, tường và tấm đáy (hình 1.e). Góc xoay của tấm mái tại chỗ nối với tường xác định trên cơ sở công thức tổng hợp của đường đàn hồi của dầm: 3 ( ) 1 1 ( ) EJ 2 24 AB A A M l pl β = − (10) Xét tính đối xứng của hệ và sử dụng các điều kiện tĩnh học có thể viết: |M A |=|M B |, Y A =Y B =pl/2, |X A |=|X B | Tường bên được tính như dầm chịu áp lực bên của địa tầng. Sử dụng công thức tổng hợp của đường đàn hồi của dầm và các điều kiện tĩnh học, có xác định được các ứng lực và góc xoay sau: 3 ( ) 2 1 2 3 ( ) 2 1 2 1 2 1 2 1 (2 ) (8 7 ) EJ 6 360 1 ( 2 ) (7 8 ) EJ 6 360 ' ( 2 ) 6 ' (2 ) 6 AC C C A AC C C A C A C C A A h h M M q q h h M M q q M M h X q q h M M h X q q h β β   = + − +       − = + + +     − = + + − = + + (11) Bằng cách sử dụng công thức tổng quát đối với góc xoay của dầm trên nền đàn hồi, góc quay của tấm đáy được tính như sau: { } ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 3 3 2 0 1 CD C C C C C C C D D C D M M l Y Y E bl β β β β β π   = + + +   (12) Trong đó: ( ) 2 C C β - là góc xoay của đáy ở tiết diện C do 0 C M E bl π =1 gây ra, ( ) 2 C D β - là góc xoay của đáy ở tiết diện C do 0 D M E bl π =1 gây ra, Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 [...]... trong các cấu kiện của kết cấu Các phương pháp tính toán cho khung vuông một nhịp nêu trên có thể mở rộng để tính toán cho hầm liền khối nhiều tằng, nhiều nhịp(hình 3) HÌNH 3 3.5 Công trình ngầm, thi công bằng phương pháp Tường trong đất” Có thể tính gần đúng bằng cách cắt vỏ ra thành các phần riêng biệt như trần, tường, đáy với tác động tương hỗ lẫn nhau(hình 4) Tùy thuộc vào liên kết giữa trần và tường... này có thể dùng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc phân tích hầm trụ thành hệ thanh siêu tĩnh-khung khong gian Phần kết cấu dạng hở dẫn vào phần ngầm của đường hầm được tính như khung hở nằm trên nền đàn hồi dưới tác động của áp lực ngang của đất nền (hình 5) Phương pháp tính của dạng kết cấu này cũng giống như các phương pháp đã trình bày ở các mục phía trên HÌNH 4 HÌNH 5 4 Kết cấu ngầm lắp ghép có mặt... thể coi là không đổi hoặc thay đổi tuyến tính theo chiều dài của cấu kiện Sơ đồ tính toán như theo hình 2.a,b 3.4 HÌNH 2 Phương pháp tính toán hầm ngầm với các đốt nguyên vẹn như kết cấu khung trên nền đàn hồi với giải thi t biến dạng cục bộ có thể tính hệ số kháng lực đàn hồi của đất trên thành hầm thay đổi theo chiều sâu của hầm Hầm nguyên đốt cũng có thể tính như khung với thành và đáy hầm tựa trên... dạng chữ п: bước đầu tiên là tính bản giũa các dầm sườn chịu tác động của lực phân bố đều từ áp lực của đất và phương tiện giao thông qua lại Giá trị của tải trọng từ phương tiện giao thông được tính toán theo quy định túy thuộc vào chiều sâu đặt công trình Việc tính toán được thực hiện với bản trần rộng 1m với chiều dài tính toán bằng: Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG l p = l0 + h∏... nằm trong nền đồng nhất có thể tính theo bài toán biến dạng phẳng Nếu chiều dài công trình tương đương với chiều ngang, tải trọng tác động lên công trình thay đổi đột ngột theo chiều dài công trình hoặc xuất hiện lún sụt không đều của đất nền thì CTN phải tính toán theo hệ không gian Những năm trước đây và kể cả hiện tay, trong thực tế thường sử dụng những phương pháp tính đơn giản, gần đúng với tải... nền Sơ đồ tính toán như khung có đáy vỏ tựa trên nền đàn hồi chỉ hợp lý đối với kết cấu liền khối đủ cứng Hầm ngầm với kết cấu vỏ mỏng (ví dụ như các đốt nguyên vẹn) được tính như kết cấu mềm, đáp và thành của hầm tựa trê nền đàn hồi Tác động tuong hỗ giữa đất nền và kết cấu được tính đến qua nhưng mô hình nền đang hồi khác nhau Trong thực tế, khi sử dụng giải thi t biến dạng cục bộ, đặc tính của nền... đây để giải bài toán này, các cách tính của cơ học kết cấu được sử dụng, nhưng chỉ trong phạm vi hẹp vì sự phức tạp của tính toán Với sự phát triển và ứng dụng của tin học trong thực tế, việc sử đụng máy tính điện tử (MTĐT) để giải các bài toán về CTN được phát huy Quá trình tự đông hóa bằng MTĐT làm giảm đáng kể các khó khăn trong tính toán và cho Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG... không gian và được tính toán không những cho phương ngang mà cả theo phương dọc Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/1999 KẾT CẤU XÂY DỰNG trục Bước đầu tiên của việc tính gần đúng theo phương dọc công trình có thể coi như dầm trên nền đàn hồi để xác định momen uốn và lực cắt Tùy thuộc và các đặc trưng kết cấu, sự có mặt của các khe biến dạng có thể xem chúng như dầm nằm tự do hoặc có các liên kết của các đầu... của tất cả mọi hoạt tải Nhược điểm chính của phương pháp này là không thể hiện được tác động tương tác giữa đất nền và công trình Ngoài ra, trong thực tế ta sử dụng cả phương pháp bài taons biên theo lý thuyết môi trường liên tục trên cơ sở của bài toán đàn hồi dẻo hoặc trạng thái cân bằng giới hạn Trạng thái ứng suất biến dạng cưa CTN và đất nền được tính toán dựa trên điều kiện cùng chuyển dịch của... chóng thu được kết quả MTĐT còn có thể trợ giúp để đề cập đến nhiều yếu tố tác động đến sự làm việc cơ học của công trình, tăng thêm một cách đáng kể độ chính xác của các phương án đề ra trong nhiều trường hợp có thể tránh được việc đơn giản hóa và tiếp nhận sơ đồ tính toán chính xác và phức tạp hơn, ở mức độ cao nhất – điều kiện làm việc thực của công trình và có thể giải bài toán theo nhiều phương án, . KẾT CẤU XÂY DỰNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HỞ TS. VŨ THỊ NGỌC VÂN 1. Khái quát chung Tính toán kết cấu công trình ngầm (CTN) là một trong những công. là hình chữ nhật thi công liền khối bằng phương pháp đào hở hoặc các loại tunnel thi công bằng phương pháp giếng thả là tương tự nhau. Kết cấu BTCT liền khối hoặc lắp ghép bằng các đốt nguyên. của kết cấu. Các phương pháp tính toán cho khung vuông một nhịp nêu trên có thể mở rộng để tính toán cho hầm liền khối nhiều tằng, nhiều nhịp(hình 3). HÌNH 3 3.5. Công trình ngầm, thi công bằng