CHƯƠNG 4, TẢI TRỌNG VÀ CÁC XÁC ĐỊNH, BÀI GIẢNG ,THIẾT KẾ HẦM THÀNH PHỐ
Chương Tải trọng cách xác định 4.1 tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông 4.1.1 Khái niệm chung Hầm thành phố kết cấu đặt không sâu điều kiện thành phố chịu tác dụng tải trọng khác Đặc trưng phân bố cường độ chúng phụ thuộc vào nhiều nhân tố: chiều sâu đặt hầm, điều kiện địa chất công trình, đặc trưng xây dựng mặt đất, chuyển động giao thông mặt đất, công nghệ thi công Các tải trọng tác dụng lên công trình tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời hay tải trọng đặc biệt Các tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm lúc vào thời điểm khác nhau, tổ hợp tải trọng khác gây kết cấu hầm trạng thái ứng suất khác Để tính toán kết cấu hầm cần phải xác định tổ hợp tải trọng bất lợi chúng gây nội lực lớn kết cấu Thông thường, kết cấu hầm tính theo trạng thái giới hạn theo qui trình hành Những kết cấu công trình có chiều dài lớn, đặt môi trường đồng tính điều kiện biến dạng phẳng Tuy nhiên, kích thước tiết diện ngang đáng kể so với chiều dài công trình, tải trọng thay đổi lớn theo chiều dài độ lún thể không đồng nên giải toán không gian 4.1.2 Các tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông Có thể phân chia tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông thành ba dạng sau đây: 4.1.2.1 Tải trọng thường xuyên Tải trọng thường xuyên tác dụng lên kết cấu hầm gồm có tải trọng sau: - áp lực đất đá: tải trọng quan trọng tải trọng tác dụng lên kết cấu vỏ hầm Nó xác định theo lý thuyết khác tuỳ thuộc vào chiều sâu đặt hầm tính chất địa tầng bao quanh - Trọng lượng thân kết cấu: lấy phân bố công trình Trọng lượng thân phận kết cấu tương ứng với thông số hình học thiết kế trọng lượng riêng vật liệu Nếu trọng lượng thân kết cấu nhỏ 5% áp lực đất đá tính toán bỏ qua - Trọng lượng công trình đặt mặt đất (do đường hầm đặt nông) - Trọng lượng trang thiết bị kỹ thuật ngầm sử dụng trình khai thác - áp lực nước ngầm 4.1.2.2 Tải trọng tạm thời Tải trọng tạm thời tác dụng lên kết cấu hầm gồm: - Tải trọng tạm thời trình thi công công trình hầm: áp lực phun vữa bêtông vào phía sau vỏ hầm, lực co ngót bêtông đông cứng, áp lực kích sử dụng khiên đào, lực lệch tâm đào phá lấp khối lớn (khi thi công theo phương pháp đào trần), vật liệu để tạm mặt đất thi công - Tải trọng tạm thời trình khai thác: tải trọng phương tiện giao thông qua lại hầm, mặt đất phía công trình 4.1.2.3 Tải trọng đặc biệt Tải trọng đặc biệt tác dụng lên kết cấu hầm tải trọng có tính chất ngẫu nhiên, xảy bất ngờ cố như: tải trọng dộng ®Êt, hiƯn tỵng sơt lë cơc bé cđa vá hầm, áp lực nước túi nước đất bị vỡ, cố tai biến trình thi công khai thác công trình 4.1.2 Các tổ hợp tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông Các tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông lúc tác dụng độc lập Có thể chia tải trọng thành tổ hợp tải trọng tác dụng: - Tổ hợp tải trọng chính: bao gồm tải trọng thường xuyên tải trọng tạm thời trình khai thác - Tổ hợp tải trọng phụ: bao gồm tải trọng thường xuyên tải trọng tạm thời trình thi công - Tổ hợp tải trọng đặc biệt: bao gồm tải trọng tổ hợp tải trọng kết hợp với tải trọng đặc biệt Việc đưa tải trọng hay tải trọng khác vào tổ hợp tải trọng chính, phụ hay đặc biệt có tính chất đặc trưng điều kiện tác dụng phụ thuộc vào tình cụ thể Tuy nhiên, có dạng tải trọng vừa tổ hợp bản, vừa tổ hợp đặc biệt Trong đa số trường hợp, việc tính toán tiến hành với tổ hợp tải trọng so sánh với tổ hợp tải trọng phụ đặc biệt Tổ hợp đặc biệt có tính chất để kiểm tra, so sánh Dạng tải trọng Hệ số vượt tải áp lực đất đá chủ động tính theo vòm áp lực - Tải trọng thẳng đứng 1,5 - Tải trọng nằm ngang 1,8 áp lực đất đá chủ động tính theo cột Tải trọng thẳng đứng 1,1 Tải trọng nằm ngang 1,3 áp lực bị động (phản lực đất đá) 1,2 Trọng lượng sụt lở - Tải trọng thẳng đứng 1,1 - Tải trọng nằm ngang 1,2 Tải trọng lớp làm phẳng, chống thấm, bảo vệ lớp khác 1,5 Trọng lượng thân kết cấu - Dạng KC đổ chỗ 1,2 - Dạng KC lắp ghép 1,1 - D¹ng KC BTCT øng st tríc 1,3 4.3.1 Tác dụng tương hỗ kết cấu hầm với khối địa tầng Với giả thiết xây dựng vỏ hầm sau đào hang, tải trọng tác dụng lên vỏ hầm phụ thuộc vào độ cứng thân kết cấu Nếu độ cứng kết cấu tương đương với độ cứng khối đất đá bị tách th× øng st tiÕp xóc sÏ b»ng øng st tù nhiên biên trước đào hang Khi độ cứng kết cấu lớn nhỏ độ cứng hang, trạng thái cân khối địa tầng bị phá hoại xảy phân bố lại ứng suất phạm vi khối đá gần hang Ngược lại, với giả thiết chậm xây vỏ hầm, khối đàn hồi không tác dụng áp lực lên chống, biến dạng đàn hồi xảy tức thời, có nghĩa xảy trước xây dựng vỏ hầm Đây đặc điểm đất đá cứng, nhiều trường hợp đào hang khai thác sau mà không cần xây dựng vỏ hầm Trong nhiều loại đất đá có tính chất lưu biến áp lực địa tầng phát triển xác định không thời gian thực tế đưa chống làm việc mà phụ thuộc dạng hình học biên vỏ hầm độ cứng vỏ Việc sử dụng kết cấu mềm đảm bảo ổn định công trình, ngược lại chống cứng nhiều trường hợp bị phá hoại áp lực địa tầng tăng lên Giá trị áp lực địa tầng trường hợp xác định khác trị số chuyển dịch chu vi không chống biến dạng cho phép chống Các loại đất đá bị phá hoại mạnh đất đá không dính thường không ổn định Tải trọng tác dụng lên chống xác định khối lượng vùng sụt lở tạo nên trị số nhiều trường hợp giảm lắp dựng chống không kịp thời 4.3.2 Lực kháng đàn hồi Dưới tác dụng tải trọng chủ động, kết cấu công trình hầm bị biến dạng phần kết cấu có chuyển vị phía địa tầng phát sinh phản lực chống lại biến dạng Đó lực kháng đàn hồi Tác dụng lực kháng đàn hồi làm giảm nhẹ làm việc kết cấu hầm, làm hạn chế biến dạng, tăng trị số lực dọc giảm trị số mômen uốn kết cấu Lực kháng đàn hồi phát sinh mặt kết cấu vỏ hầm dạng vòm tròn, trừ vùng bong vùng chuyển vị phía địa tầng Trong vỏ hầm nén trước vào địa tầng, lực kháng đàn hồi tác dụng toàn chu vi vỏ Lực kháng đàn hồi theo mặt bên vỏ dạng vòm tròn dạng pháp tuyến (chống nén) tiếp tuyến (chống trượt) Giá trị thành phần tiếp tuyến lực kháng đàn hồi xác định theo công thức sau: = . Với - hệ số ma sát vỏ địa tầng Khi tính toán vỏ hầm dạng vòm hay dạng tròn, thường bỏ qua thành phần lực tiếp tuyến mà tính toán thành phần pháp tuyến lực kháng đàn hồi nhằm mục đích để dự trữ độ bền cho kết cấu Khi vỏ hầm dạng chữ nhật thường phản lực đàn hồi xuất toàn phần đáy kết cấu Nếu kết cấu đủ mềm phản lực đàn hồi xuất thành bên kết cấu 4.3.2.1 Tính toán theo giả thuyết biến dạng cục Phuxx - Wincle Theo giả thuyết này, tồn mối quan hệ tuyến tính ứng suất biến dạng y nh sau: = K.y Víi : K - hệ số kháng lực đàn hồi, gọi hệ số Như vậy, biến dạng xảy vị trí đặt tải trọng Trị của K xác định thực nghiệm - Thí nghiệm ép tÊm ph¼ng: Fm K Fk Víi - áp lực tác dụng lên T/m2 - ®é lón cđa tÊm, m Fm - diƯn tÝch tÊm phẳng, m2 Fk - diện tích mặt tiếp xúc, m2, với điều kiện Fk < 10m2 - Khi vỏ hầm cã d¹ng cong: Rb K F Với Rb - bán kính vỏ hầm, m F - diƯn tÝch tiÕt diƯn hang, m2 - ¸p lùc tác dụng lên vỏ hầm, T/m2 - thay đổi bán kính vỏ hầm, m 4.3.2.2 Tính toán theo lý thuyết đàn hồi Trong nhiều trường hợp, người ta sử dụng mô hình biến dạng chung để tính toán kết cấu công trình hầm sở xem xét đất môi trường biến dạng tuyến tính Giả thiết xem thoả mãn thường xây dựng công trình hầm, ứng suất đất đá thay đổi từ áp lực thường xuyên sang áp lực sau đào hang phạm vi không lớn Trong trường hợp này, người ta sử dụng qui tắc lý thuyết đàn hồi nhằm giải toán tiếp xúc để thiết lập quan hệ ứng suất biến dạng biên hang - áp dụng lời giải toán tiếp xúc lý thuyết đàn hồi mặt tiếp xúc ph¼ng: 1 E E d zab K 1 E zab l Víi E - môđun biến dạng đá, T/m2 Ezab - môđun biến dạng lớp chèn sau vỏ, T/m2 dzab - chiỊu dµy cđa líp chÌn, m l - bỊ rộng mặt tiếp xúc, m Khi lớp chÌn (Rzab = Rb), víi kÕt cÊu èng h×nh trơ môi trường biến dạng tuyến tính: E K Rb (1 ) Víi: - hƯ sè Poison đất đá Các đặc trưng địa tầng, đại diện môđun biến dạng E hệ số Poison xác định theo số liệu thăm dò địa chất công trình cách thử mẫu đất đá dụng cụ nén chuyên dụng chất dỡ tải nhiều lần Việc tính toán vỏ hầm dạng tròn dạng vòm nhận lời giải cho lớp toán hạn chế Đối với kết cấu dạng hình chữ nhật, việc tính toán thực hệ khung đàn hồi Tách kết cấu thành dầm riêng rẽ sử dụng phương trình vi phân cho dầm đàn hồi để tính toán: EJ ( d y ) x x dx Trong trường hợp này, dầm coi mỏng, biến dạng xảy chiều dài, bỏ qua biến dạng ngang với trục tiết diện ma sát dầm với Câu hỏi ôn tập: Trình bày loại tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông Trình bày cách thành lập tổ hợp tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông Trình bày trạng thái phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm trước sau đào hầm Trình bày lý thuyết xác định tải trọng áp lực đất đá tác dụng lên công trình hầm Trình bày áp lực đất đá tác dụng lên công trình có hai hầm đặt song song Trình bày áp lực đất đá tác dụng lên giếng đứng Nêu tác động tương hỗ kết cấu hầm với địa tầng xung quanh công trình Trình bày hiểu biết lực kháng đàn hồi công trình hầm phương pháp xác định hệ số lực kháng đàn hồi ... 15,0 70,0 0,670,95 0,700,98 DiƯp th¹ch sÐt 170,0 240 ,0 0,700,89 0,720,92 Diệp thạch cát 45 0,0 580,0 0,360,53 0,360,55 150,0 0,39 0 ,45 Sét Sa thạch cát nhẹ b/ Nếu xem đất đá rời rạc áp dụng... hợp ba phương pháp để có phương án thiết kế thi công an toàn, hợp lý kinh tế 4. 2.1 Trạng thái phân bố ứng suất đất đá 4. 2.1.1 Trạng thái phân bố ứng suất đất đá tự nhiên (trước đào hầm) Trạng thái... giải toán không gian 4. 1.2 Các tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông Có thể phân chia tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông thành ba dạng sau đây: 4. 1.2.1 Tải trọng thường