CHƯƠNG 4, TẢI TRỌNG VÀ CÁC XÁC ĐỊNH, BÀI GIẢNG ,THIẾT KẾ HẦM THÀNH PHỐ

CHƯƠNG 4, TẢI TRỌNG VÀ CÁC XÁC ĐỊNH, BÀI GIẢNG ,THIẾT KẾ HẦM THÀNH PHỐ

Chương 4 Tải trọng và cách xác định 4.1 tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông

4.1.1 Khái niệm chung

Hầm thành phố là kết cấu đặt không sâu lắm trong

điều kiện thành phố chịu tác dụng của các tải trọngngoài khác nhau Đặc trưng phân bố và cường độ củachúng phụ thuộc vào rất nhiều nhân tố: chiều sâu đặthầm, các điều kiện địa chất công trình, đặc trưng xây

dựng trên mặt đất, sự chuyển động của giao thông trênmặt đất, công nghệ thi công…

Các tải trọng tác dụng lên công trình có thể là tảitrọng thường xuyên, tải trọng tạm thời hay tải trọng đặcbiệt Các tải trọng này tác dụng lên kết cấu hầm cùngmột lúc hoặc vào những thời điểm khác nhau, do đónhững tổ hợp tải trọng có thể khác nhau sẽ gây ra trongkết cấu hầm những trạng thái ứng suất khác nhau Đểtính toán kết cấu hầm cần phải xác định những tổ hợp tảitrọng bất lợi nhất và chúng sẽ gây ra nội lực lớn nhấttrong kết cấu

Thông thường, kết cấu hầm được tính theo trạng tháigiới hạn theo các qui trình hiện hành Những kết cấucông trình có chiều dài lớn, đặt trong môi trường đồngnhất được tính trong những điều kiện biến dạng phẳng.Tuy nhiên, nếu như kích thước tiết diện ngang là đáng kể

so với chiều dài công trình, tải trọng ngoài thay đổi lớntheo chiều dài hoặc độ lún của nền thể hiện không đồng

đều thì nên giải bài toán không gian

4.1.2 Các tải trọng tác dụng lên công trình hầm giao thông

Có thể phân chia các tải trọng tác dụng lên công trìnhhầm giao thông thành ba dạng cơ bản sau đây:

4.1.2.1 Tải trọng thường xuyên

Tải trọng thường xuyên tác dụng lên kết cấu hầm gồm

- Trọng lượng bản thân của kết cấu: được lấy phân bố

đều trên nóc công trình Trọng lượng bản thân của các

bộ phận kết cấu tương ứng với các thông số hình họcthiết kế và trọng lượng riêng của vật liệu Nếu trọnglượng bản thân của kết cấu nhỏ hơn 5% áp lực đất đátính toán thì có thể bỏ qua

4.1.2.2 Tải trọng tạm thời

Tải trọng tạm thời tác dụng lên kết cấu hầm gồm:

- Tải trọng tạm thời trong quá trình thi công công trìnhhầm: áp lực phun của vữa bêtông vào phía sau vỏhầm, lực co ngót khi bêtông đông cứng, áp lực củakích khi sử dụng khiên đào, lực lệch tâm khi đào pháhoặc lấp các khối lớn (khi thi công theo phương pháp

đào trần), vật liệu để tạm trên mặt đất khi thi công

- Tải trọng tạm thời trong quá trình khai thác: tải trọng

do các phương tiện giao thông qua lại trong hầm, ởmặt đất phía trên công trình

4.1.2.3 Tải trọng đặc biệt

Tải trọng đặc biệt tác dụng lên kết cấu hầm là nhữngtải trọng có tính chất ngẫu nhiên, xảy ra bất ngờ hoặc do

sự cố như: tải trọng do dộng đất, do hiện tượng sụt lở cục

bộ của vỏ hầm, áp lực nước do các túi nước trong đất bị

vỡ, các sự cố tai biến trong quá trình thi công và khaithác 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 thôngcùng lúc hoặc tác dụng độc lập Có thể chia các tải trọngnày thành 3 tổ hợp tải trọng tác dụng:

- Tổ hợp tải trọng chính: bao gồm những tải trọngthường xuyên và tải trọng tạm thời trong quá trìnhkhai thác

- Tổ hợp tải trọng phụ: bao gồm những tải trọng thườngxuyên và tải trọng tạm thời trong quá trình thi công

- Tổ hợp tải trọng đặc biệt: bao gồm các tải trọng trong

tổ hợp tải trọng chính kết hợp với các tải trọng đặcbiệt

Việc đưa tải trọng này hay tải trọng khác vào tổ hợptải trọng chính, phụ hay đặc biệt có tính chất đặc trưngcủa điều kiện tác dụng và phụ thuộc vào tình huống cụthể Tuy nhiên, có dạng tải trọng có thể vừa ở tổ hợp cơbản, vừa ở tổ hợp đặc biệt Trong đa số các trường hợp,việc tính toán được tiến hành với tổ hợp tải trọng chínhrồi so sánh với các tổ hợp tải trọng phụ và đặc biệt Tổhợp đặc biệt chỉ có tính chất để kiểm tra, so sánh

4.2 áp lực đất đá tác dụng lên công trình hầm

áp lực đất đá là tải trọng quá trọng nhất trong các tảitrọng tác dụng lên công trình hầm Khi đào hầm, trongcác lớp đất đá ở xung quanh đường hầm có sự phân bốlại ứng suất Do đó, đất đá ở xung quanh đường hầm có

ổn định hoặc không an toàn là bởi áp lực đất đá tác dụngvào vật liệu gia cường đường hầm Vì thế, việc khảo sát

và xác định đúng phương và độ lớn của áp lực đất đá làcông việc quan trọng không chỉ trong tính toán thiết kế

mà còn cả trong thi công và quá trình khai thác côngtrình Hiện nay, việc tính toán áp lực đất đá còn phứctạp, chưa hoàn thiện, có thể tiến hành theo nhiều phươngpháp khác nhau dựa trên các lý thuyết khác nhau do loạitải trọng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức tạp Đó là

đặc điểm tính chất cơ lý của đất đá, độ sâu của côngtrình hầm, thế nằm của vỉa đá, hình dáng và kích thướctiết diện của đường hầm, đặc điểm cấu tạo của vỏ hầm

và hệ thống chống đỡ, phương pháp thi công hầm, thờigian thi công, ảnh hưởng của các công trình lân cận…

áp lực đất đá tác dụng lên đường hầm bao gồm: áplực thẳng đứng, áp lực nằm ngang, áp lực ngược (áp lực

từ đáy hầm ngược lên) Phân loại theo trạng thái phân bốcó: áp lực đối xứng và không đối xứng Để đơn giản,trong tính toán thiết kế thường qui về dạng áp lực đốixứng Tuy nhiên, trong thực tế do điều kiện cấu tạo địachất phức tạp, các vỉa đá nằm nghiêng hoặc có cấu tạo

đứt gãy, cấu tạo nếp uốn… thì buộc phải chọn dạng áplực phân bố không đối xứng

Có nhiều phương pháp nghiên cứu áp lực đất đá:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: chủ yếu dựa vào

lý thuyết đàn hồi, xem đất đá là một môi trường đànhồi đằng hướng để khảo sát trạng thái phân bố ứngsuất ở xung quanh tiết diện đường hầm

- Phương pháp thực nghiệm: tiến hành các nghiên cứutrong phòng thí nghiệm, hiện nay vẫn chưa giải thíchthoả đáng được hiện tượng áp lực đất đá trong thực tế

- Phương pháp nghiên cứu ở điều kiện thực địa: tiếnhành nghiên cứu, quan trắc hiện tượng áp lực đất đátrực tiếp tại hiện trường

Đối với các công trình hầm quan trọng và phức tạp,cần kết hợp cả ba phương pháp để có phương án thiết kế

và thi công an toàn, hợp lý và kinh tế nhất

4.2.1 Trạng thái phân bố ứng suất của đất đá

4.2.1.1 Trạng thái phân bố ứng suất của đất đá trong

tự nhiên (trước khi đào hầm)

Trạng thái phân bố ứng suất của đất đá trong tự nhiên(trước khi đào hầm) là trạng thái ứng suất gây ra bởitrọng lượng bản thân đất đá, còn gọi là trạng thái ứngsuất nguyên sinh

Coi mặt đất là mặt phẳng, xem xét trạng thái ứng suấtcủa một phân tố đất đá cơ bản hình lập phương ở độ sâu

H Chọn hệ toạ độ Oxyz có trục Oz hướng xuống nhưhình vẽ Phân tố chịu tác dụng của 3 thành phần ứng suấtnén theo 3 trục ở trạng thái cân bằng

ứng suất lớn nhất z bằng chính tổng trọng lượng đất

Với: , H - dung trọng và chiều dày các lớp đất ở trên

i , Hi - dung trọng và chiều dày của lớp đất thứ i

Để cân bằng với áp lực thẳng đứng, áp lực theo haitrục còn lại có độ lớn bằng nhau Phân tố cơ bản ở trạngthái cân bằng nên không sinh ra biến dạng ngang:

Do tính chất lưu biến của đất đá trong tự nhiên nênkhông thể xem đất đá là đàn hồi lý tưởng Vì thế, hệ số

áp lực ngang cần phải được xác định bằng thực nghiệm

có xét tới yếu tố thời gian, lấy theo bảng sau :

Loại đất đá

Giới hạn độ bền chịu nén (KG/cm 2 )

 ngắn hạn  dài hạn

Diệp thạch sét 170,0  240,0 0,70  0,89 0,72  0,92 Diệp thạch cát 450,0  580,0 0,36  0,53 0,36  0,55

b/ Nếu xem đất đá là rời rạc thì áp dụng lý thuyết vật rắnrời rạc của Coulomb, ta có

Với  - góc ma sát trong của đất

Ta thấy, ứng suất tỷ lệ với độ sâu Tại độ sâu H nào

đó, ứng suất trong đất đá sẽ phát triển và vượt quá cường

độ giới hạn của nó và làm cho đất đá bị phá hoại hoặcchuyển từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo - nhớt

và ứng suất treo 3 trục đều bằng nhau

4.2.1.2 Trạng thái phân bố ứng suất của đất đá xung quanh hầm (sau khi đào hầm)

Khi đào hầm, trạng thái cân bằng tự nhiên của đất đáxung quanh hầm bị phá vỡ Một trạng thái ứng suất mới

được hình thành do sự phân bố lại tải trọng trong đất đá,thoả mãn điều kiện cân bằng mới Trạng thái này đượcgọi là trạng thái phân bố ứng suất trong đất đá sau khi

đào hầm hay còn gọi là trạng thái ứng suất thứ sinh.Bằng phương pháp thí nghiệm mô hình hoặc theo lýthuyết, ta xác định được đường cong phân bố ứng suấtthể hiện trạng thái ứng suất trong đất đá Độ lớn của ứng

suất phát sinh trong đất xung quanh hầm bằng tổng ứngsuất tương ứng của địa tầng tự nhiên với hệ số gia tăng

so với ứng suất ban đầu:

 - ứng suất của đất đá tự nhiên tại điểm i, KG/cm2

Hệ số Ki phụ thuộc chủ yếu vào hình dáng, độ lớnmặt cắt ngang hầm và vị trí điểm i

Tại vị trí trần và đáy hầm có hiện tượng tập trung ứngsuất kéo, ở vách hầm có hiện tượng tập trung ứng suấtnén Càng xa đường hầm, các loại ứng suất chuyển dần

về trạng thái ứng suất tự nhiên của đất đá ứng suất vàbiến dạng này có vượt quá giới hạn hay không sẽ quyết

định trạng thái an toàn của công trình Có thể kết luận độ

an toàn của hầm có thiết diện chữ nhất dựa vào côngthức sau:

Với: K - ứng suất kéo sinh ra ở trần hầm

 - cường độ giới hạn nén của địa tầng theo 2 trục

 - dung trọng trung bình của đất đá

H - độ sâu đặt hầm

Trong công thức trên, giá trị của II

n

 trong vách hầmphải chọn nhỏ hơn giá trị thu được khi thí nghiệm do kếtquả này chỉ đối với một lớp đất đá và diễn ra trong thờigian ngắn Vì thế, số liệu thí nghiệm phải được hiệuchỉnh như sau:

Điều kiện địa tầng  

Đá nứt nẻ ít (Granit, cát kết thạch anh ) 1,0  0,7

Đá nứt nẻ mạnh, biến dạng dẻo nhớt (đá phiến

chứa cát, phiến sét, đá vôi ) 0,7  0,5

Địa tầng nằm ngang có chiều dày lớp đá m>1/3

chiều cao đường hầm h, chiều sâu khe nứt l  m 0,8  1,0

Địa tầng nứt nẻ, khoảng cách min giữa các khe

Địa tầng nứt nẻ mạnh, h/20 < m < h/10 0,3  0,5

Địa tầng nứt nẻ mãnh liệt, hoặc nghiêng dốc,

hoặc h/50 < m < h/20 hoặc h/50 < l < h/2 0,1  0,3

Vùng đất đá nằm trong đới nứt vỡ có ứng suất giảm (vùng 1), ứng suất ở ngoài vùng nứt vỡ tăng cao đột ngột Ra khỏi vùng ứng suất cao (vùng 2) thì đất đá ở trạng thái ứng suất tự nhiên.

Đường hầm thi công ở địa tầng không thuận lợi sẽ có ứng suất theo phương thẳng đứng và phương ngang lớn.

Trần hầm có dạng cung tròn làm giảm ứng suất tậptrung so với hầm tiết diện hình tứ giác và có độ an toàncao hơn Chiều ngang giới hạn l0 của tiết diện hầm dạngcung vòm có thể đảm bảo an toàn được xác định gần

Với: L0 - chiều ngang giới hạn của tiết diện

 - dung trọng trung bình của đất đá

fkp - hệ số độ cứng của đất đá theo Protodiakonop

4.2.2 Xác định tải trọng do áp lực đất đá gây ra

áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu hầm gồm có:

4.2.2.1 Lý thuyết cột đất đá

Khi công trình hầm được xây dựng nông, hầm sẽ chịu ảnh hưởng của trong lượng bản thân cột đất đá phủ phía trên công trình ảnh hưởng này phụ thuộc vào điều kiện địa chất và chiều sâu đặt công trình Khi đất đá có hệ số độ cứng fkp < 0,8 thì H < 5a1 hoặc H < (1,5  2)h1 khi fkp  0,8

Với: H - chiều sâu đào hầm có thể nhận ảnh hưởng từ các lớp đất đá bên trên, m.

h1 - chiều cao trung bình vòm biến dạng của đất đá tự nhiên, m.

a1 - một nửa chiều rộng của vòm, m.

Công trình hầm chịu ảnh hưởng của toàn bộ cột đất

đá bên trên khi có chiều sâu đặt hầm H thoả mãn haicông thức trên

2a Q

Mô hình cột đất đá tác dụng lên công trình hầm

Tải trọng tập trung thẳng đứng tác dụng lên hầm là:

Q = 2.a.b.H. (T)Tải trọng thẳng đứng phân bố đều:

1

2

n

i i i

Với: H - chiều sâu đặt công trình, m.

2a - chiều rộng tiết diện ngang hầm, m.

 - dung trọng trung bình của đất đá, T/m 3

i - dung trọng của lớp đất đá thứ i, T/m 3

b - chiều dài đoạn hầm đang xét, lấy bằng 1m.

hi - chiều dày của lớp đất đá thứ i, m.

Lý thuyết này được Tuale đề xuất vào năm 1838 vàA.Heim đề cập lại vào năm 1905 Công thức này chỉ ápdụng cho trường hợp công trình ngầm nằm trong đất đárời rạc, ngậm nước, yếu, không ổn định và luôn luôn

đúng cho phương pháp thi công đào trần

4.2.2.2 Lý thuyết một phần trọng lượng của cột đất đá (dựa trên qui luật cân bằng của vật thể rời)

Nhóm tác giả, trong đó có Birbaumer thấy rằng cột

đất đá chỉ gây ra áp lực lên vỏ hầm tới một độ sâu nhất

định nào đó và chiều sâu đó là nhỏ Khi chiều sâu tănglên, lực chản chống tụt cột đất đá xuống cũng tăng lên

Do đó, vỏ hầm chỉ chịu một phần nào đó từ trọng lượng của toàn

bộ cột Lý thuyết này được xây dựng trên giả thiết sau: ở gần hàm đã

đào trong khối địa tầng tạo thành hai mặt trượt AM và BN nghiêng với phương thẳng đứng một góc 0

K I

đất đá

Trọng lượng cột đất phía trên công trình IKHG bịgiản yếu bởi các lực ma sát xung quanh cột đất:

Q' = Q - 2FVới Q là trọng lượng toàn bộ cột đất IKHG:

áp lực hông tác dụng lên hầm:

e  q  (T/m2)Hạn chế của lý thuyết này là chỉ áp dụng cho cáccông trình đặt rất sâu trong đất đá rời có TB = 300 hoặcthi công bằng phương pháp đào trần Hoặc đường hầmnằm trong đất đá có độ cứng fkp  0,8 và H < (22,5)h1hoặc fkp < 0,8 và H < 5a1 thì cũng áp dụng lý thuyết này

4.2.2.3 Lý thuyết vòm áp lực (vòm Protodiakonop)

Tác giả Protodiakonop đã tiến hành khảo sát sự cânbằng của vòm áp lực dạng parabol và đưa ra vào kháiniệm hệ số độ cứng của địa tầng Hệ số độ cứng fkp là hệ

số ma sát qui ước, là tang của góc nội ma sát qui ước 

xác định có xét đến lực dính C giữa các hạt đất đá Hệ số

ma sát qui ước bằng tỷ số giữa ứng suất tiếp và ứng suấtpháp tại điểm tiếp xúc giữa các hạt đất đá vào thời điểmcân bằng giới hạn:

Với  là góc ma sát trong của địa tầng Từ biểu thứcnày, ta thấy trong đất đá rời (C = 0) thì f trùng với tg.Trong đất đá cứng, lực dính thực C được thay bằnglực dính phân tử Protodiakonop đề nghị hệ số độ cứngcủa địa tầng phụ thuộc vào độ bền lập phương khi ép vỡ(R, KG/cm2):

100

R

f 

Trên cơ sở quan sát thực tế, Protodiakonop thấy rằng đất đá bị sụt lở theo đường cong AOB Phần vòm AOB chịu tác dụng của toàn bộ tải trọng

đất đá phía trên Phần vòm AOB chịu tác dụng của toàn bộ tải trọng đất đá bên trên Vùng đất đá dưới vòm bị phá hoại Chiều rộng của vòm AOB

được xác định qua công thức: 2a1 = 2[a + hKtg(45 0 -  /2)]

q

2a 2a 1

C¾t ra ph©n tè OA cña vßm C¸c lùc t¸c dông lªnvßm:

Y V

H

a 1

- Thành phần lực thẳng đứng:

V = q.a1 = .H.a1

- Thành phần lực nằm ngang:

H = V.f = V.fkp = .H.a1.fkpKết cấu ở trạng thái cân bằng phiếm định khi lực xô T

= H Để ổn định và thiên về an toàn, Protodiakonopthêm vào một thành phần lực phân bố theo phương nằmngang  (tức là dự trữ cho độ ổn định của chân vòm mộtlượng là  = .h1) sao cho:

T + .h1 = H

Xét tại một điểm bất kỳ có toạ độ D(x,y), điều kiệnlàm việc ổn định của vòm nén đúng tâm là:

q x y

T



Như vậy phương trình đường cong của vòm là mộthàm parabol bậc II



Như vậy, AOB được gọi là vòm áp lực (vòm P) cóchiều cao tính từ đỉnh kết cấu lên trên là h1, chiều rộng

là 2a1, vòm dạng parabol bậc II

Thay giá trị của h1 vào biểu thức tính lực xô T, ta có:

1

.2