ÁP LỰC ĐẤT ĐÁ, TÁC DỤNG LÊN, CÔNG TRÌNH NGẦM, BÀI GIẢNG ,THIẾT KẾ HẦM THÀNH PHỐ
Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công Chương iv: 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 néi lùc lín nhÊt kÕt cÊu Th«ng thêng, 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 có tải trọng sau: - Tải trọng tạm thời trình thi công công trình hầm: áp lực phun vữa bêtông vào Trang 22 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công 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 đất, tượng sụt lở cục vỏ 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 Để tính toán kết cấu hầm, cần xác định nhóm tải trọng tác dụng gây nội lực lớn kết cấu 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 Việc kiểm tra tuỳ thuộc vào tính chất công trình để từ lựa chọn trạng thái giới hạn để tính toán Thường với hầm giao thông, việc tính toán tiến hành trạng thái giới hạn thứ Hệ số vượt tải cho số loại tải trọng lấy bảng sau đây: - 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 Trang 23 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công - 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 - Dạng KC BTCT ứng suất trước 1,3 4.2 áp lực đất đá tác dụng lên công trình hầm áp lực đất đá tải trọng trọng tải trọng tác dụng lên công trình hầm Khi đào hầm, lớp đất đá xung quanh đường hầm có phân bố lại ứng suất Do đó, đất đá xung quanh đường hầm có ổn định không an toàn áp lực đất đá tác dụng vào vật liệu gia cường đường hầm Vì thế, việc khảo sát xác định phương độ lớn áp lực đất đá công việc quan trọng không tính toán thiết kế mà thi công trình khai thác công trình Hiện nay, việc tính toán áp lực đất đá phức tạp, chưa hoàn thiện, tiến hành theo nhiều phương pháp khác dựa lý thuyết khác loại tải trọng phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức tạp Đó đặc điểm tính chất lý đất đá, độ sâu công trình hầm, nằm vỉa đá, hình dáng kích thước tiết diện đường hầm, đặc điểm cấu tạo vỏ hầm hệ thống chống đỡ, phương pháp thi công hầm, thời gian thi công, ảnh hưởng công trình lân cận áp lực đất đá tác dụng lên đường hầm bao gồm: áp lực thẳng đứng, áp lực nằm ngang, áp lực ngược (áp lực từ đáy hầm ngược lên) Phân loại theo trạng thái phân bố có: áp lực đối xứng không đối xứng Để đơn giản, tính toán thiết kế thường qui dạng áp lực đối xứng Tuy nhiên, thực tế điều kiện cấu tạo địa chất phức tạp, vỉa đá nằm nghiêng có cấu tạo đứt gãy, cấu tạo nếp uốn buộc phải chọn dạng áp lực 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 môi trường đàn hồi đằng hướng để khảo sát trạng thái phân bố ứng suất xung quanh tiết diện đường hầm - Phương pháp thực nghiệm: tiến hành nghiên cứu phòng thí nghiệm, chưa giải thích thoả đáng tượng áp lực đất đá thực tế - Phương pháp nghiên cứu điều kiện thực địa: tiến hành nghiên cứu, quan trắc tượng áp lực đất đá trực tiếp trường Đối với công trình hầm quan trọng phức tạp, cần kết 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) Trang 24 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công Trạng thái phân bố ứng suất đất đá tự nhiên (trước đào hầm) trạng thái ứng suất gây trọng lượng thân đất đá, gọi trạng thái ứng suất nguyên sinh Coi mặt đất mặt phẳng, xem xét trạng thái ứng suất phân tố đất đá hình lập phương độ sâu H Chọn hệ toạ độ Oxyz có trục Oz hướng xuống hình vẽ Phân tố chịu tác dụng thành phần ứng suất nén theo trục trạng thái cân x y y H z x x y z z øng suÊt lớn z tổng trọng lượng đất đá nằm bên phân tố: n z H i H i i 1 Víi: , H - dung trọng chiều dày lớp đất i , Hi - dung trọng chiều dày lớp đất thứ i Để cân với áp lực thẳng đứng, áp lực theo hai trục lại có độ lớn Phân tố trạng thái cân nên không sinh biÕn d¹ng ngang: x y z E y E x E 0 x y z Do ®ã: a/ NÕu xem đất đá môi trường đàn hồi áp dụng lý thuyết đàn hồi, ta có Với - hệ số áp lực ngang (còn gọi hệ số nở hông) đất đá - hƯ sè Poison Do tÝnh chÊt lu biÕn cđa ®Êt đá tự nhiên nên xem đất đá đàn hồi lý tưởng Vì thế, hệ số áp lực ngang cần phải xác định thực nghiệm cã xÐt tíi u tè thêi gian, lÊy theo b¶ng sau : Giới hạn độ bền chịu nén (KG/cm2) ngắn hạn dài hạn 15,0 70,0 0,67 0,95 0,70 0,98 DiƯp th¹ch sÐt 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 0,55 150,0 0,39 0,45 Loại đất đá Sét Sa thạch cát nhẹ Trang 25 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công b/ Nếu xem đất đá rời rạc áp dụng lý thuyết vật rắn rêi r¹c cđa Coulomb, ta cã tg 45 Víi 2 - góc ma sát đất Ta thấy, ứng suất tỷ lệ với độ sâu Tại độ sâu H đó, ứng suất đất đá phát triển vượt cường độ giới hạn làm cho đất đá bị phá hoại chuyển từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo - nhớt ứng suất treo trục 4.2.1.2 Trạng thái phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm (sau đào hầm) Khi đào hầm, trạng thái cân tự nhiên đất đá xung quanh hầm bị phá vỡ Một trạng thái ứng suất hình thành phân bố lại tải trọng đất đá, thoả mãn điều kiện cân Trạng thái gọi trạng thái phân bố ứng suất đất đá sau đào hầm hay gọi trạng thái ứng suất thứ sinh Bằng phương pháp thí nghiệm mô hình theo lý thuyết, ta xác định đường cong phân bố ứng suất thể trạng thái ứng suất đất đá Độ lớn ứng suất phát sinh đất xung quanh hầm tổng ứng suất tương ứng địa tầng tự nhiên với hệ số gia tăng so với ứng suất ban đầu: i0 K i i Với: i0 - ứng suất điểm i ®Êt xung quanh hÇm, KG/cm Ki - hƯ sè ứng suất tập trung điểm i i - ứng suất đất đá tự nhiên điểm i, KG/cm HƯ sè Ki phơ thc chđ u vµo hình dáng, độ lớn mặt cắt ngang hầm vị trí điểm i Tại vị trí trần đáy hầm có tượng tập trung ứng suất kéo, vách hầm có tượng tập trung ứng suất nén Càng xa đường hầm, loại ứng suất chuyển dần trạng thái ứng suất tự nhiên đất đá ứng suất biến dạng có vượt giới hạn hay không định trạng thái an toàn công trình Có thể kết luận độ an toàn hầm có thiết diện chữ dựa vào công thức sau: K K1 x K1 1 H K II n K 2 z K 2H n II Víi: K - øng suÊt kÐo sinh ë trÇn hÇm n - ứng suất nén sinh vách hầm K1 - hƯ sè tËp trung øng st ë trÇn hÇm K2 - hƯ sè tËp trung øng st ë vách hầm K II - cường độ giới hạn kéo địa tầng theo trục n II - cường độ giới hạn nén địa tầng theo trục - dung trọng trung bình đất đá Trang 26 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công H - độ sâu đặt hầm Trong công thức trên, giá trị n vách hầm phải chọn nhỏ giá trị thu II thí nghiệm kết lớp đất đá diễn thời gian ngắn Vì thế, số liệu thí nghiệm phải hiệu chỉnh sau: K y K H nII Víi : , : hệ số theo điều kiện địa tầng, phụ thuộc vào biện pháp thi công, độ dốc địa tầng, cấu tạo, độ ẩm, thành phần vật chất địa tầng Mỗi trường hợp phải xác định theo thí nghiệm Theo kinh nghiệm kết nghiên cứu lấy giá trị gần đúng: Điều kiện địa tầng Đá nứt nẻ (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, chiỊu s©u khe nøt l m 0,8 1,0 Địa tầng nứt nẻ, khoảng cách khe nøt thuéc ph¹m vi h/10 < K < h/3 0,5 0,8 Địa tầng nứt nẻ mạnh, h/20 < m < h/10 0,3 0,5 Địa tầng nứt nẻ mãnh liệt, nghiêng dốc, h/50 < m < h/20 hc h/50 < l < h/2 0,1 0,3 H Vùng đất đá nằm đới nứt vỡ có ứng suất giảm (vùng 1), ứng suất vùng nứt vỡ tăng cao đột ngột Ra khỏi vùng ứng suất cao (vùng 2) đất đá trạng thái ứng suất tự nhiên Đường hầm thi công địa tầng không thuận lợi có ứng suất theo phương thẳng đứng phương ngang lớn Sơ đồ phân bố ứng suất đất đá - Vùng - Vùng Trần hầm có dạng cung tròn làm giảm ứng suất tập trung so với hầm tiết diện hình tứ giác có độ an toàn cao Chiều ngang giới hạn l tiết diện hầm dạng cung vòm đảm bảo an toàn xác định gần theo công thức: Trang 27 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho líp Giao th«ng C«ng chÝnh L 10 Víi: f kp L0 - chiỊu ngang giíi h¹n cđa tiết diện - dung trọng trung bình đất ®¸ fkp - hƯ sè ®é cøng cđa ®Êt ®¸ theo Protodiakonop 4.2.2 Xác định tải trọng áp lực đất đá gây áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu hầm gồm có: - áp lực thẳng đứng: tác dụng theo phương thẳng đứng từ xuống, thường ký hiệu q coi phân bố - áp lực hông: tác dụng theo phương nằm ngang, với qui luật phân bố hình thang - áp lực nền: tác theo theo phương thẳng đứng từ lên, ký hiệu q n coi phân bố q q e1 e2 qn Tải trọng áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu công trình hầm 4.2.2.1 Lý thuyết cột đất đá Khi công trình hầm xây dựng nông, hầm chịu ảnh hưởng lượng thân cột đất đá phủ phía công trình ảnh hưởng phụ thuộc vào điều kiện địa chất chiều sâu đặt công trình Khi đất đá có hệ số độ cứng fkp < 0,8 H < 5a1 H < (1,5 2).h1 fkp 0,8 Víi: H - chiỊu sâu đào hầm nhận ảnh hưởng từ lớp đất đá bên trên, m h1 - chiều cao trung bình vòm biến dạng đất đá tự nhiên, m a1 - mét nưa chiỊu réng cđa vßm, m Công trình hầm chịu ảnh hưởng toàn cột đất đá bên có chiều sâu đặt hầm H thoả mãn hai công thức Trang 28 H Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công hK Q 2a 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: q Víi: n Q H i hi 2ab i (T/m2) H - chiều sâu đặt công trình, m 2a - chiều rộng tiết diện ngang hầm, m - dung trọng trung bình đất ®¸, T/m i - dung träng cđa líp ®Êt đá thứ i, T/m3 b - chiều dài đoạn hầm ®ang xÐt, lÊy b»ng 1m hi - chiỊu dµy cđa lớp đất đá thứ i, m Lý thuyết Tuale đề xuất vào năm 1838 A.Heim đề cập lại vào năm 1905 Công thức áp dụng cho trường hợp công trình ngầm nằm đất đá rời rạc, ngậm nước, yếu, không ổn định luôn cho phương pháp thi công đào trần 4.2.2.2 Lý thuyết phần trọng lượng cột đất đá (dựa qui luật cân vật thể rời) Nhóm tác giả, có Birbaumer thấy cột đất đá gây áp lực lên vỏ hầm tới độ sâu định chiều sâu nhỏ Khi chiều sâu tăng lên, lực chản chống tụt cột đất đá xuống tăng lên Do đó, vỏ hầm chịu phần từ trọng lượng toàn cột Lý thuyết xây dựng giả thiết sau: gần hàm đào khối địa tầng tạo thành hai mặt trượt AM BN nghiêng với phương thẳng đứng gãc 45 Trang 29 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho líp Giao th«ng C«ng chÝnh G M H N H F D D Q K hK I A B 2a 2a1 Sơ đồ phát sinh áp lực đất đá theo lý thuyết phần trọng lượng cột đất đá Trọng lượng cột đất phía công trình IKHG bị giản yếu lực ma sát xung quanh cột đất: Q' = Q - 2F Với Q trọng lượng toàn cột đất IKHG: Q = 2.a1.b.H. Lực ma sát xung quanh cột đất: F = D.f f = tg Với D áp lực hông tác dụng lên mặt bên cột, tính toán theo lý thuyÕt têng ch¾n: D H tg ( 45 ) 2 Khi ®ã: Q' 2a bH H tg (45 ) tg 2 (T) Víi a1 = a + hK.tg(450 - /2) (m) V× thÕ: q Q H H.1 tg (45 ).tg 2a b 2a (T/m2) Khi bªn trªn công trình có nhiều lớp đất đá thì: n H q i hi 1 tg (45 ).tg i 1 2a1 (T/m2) áp lực hông tác dụng lên hầm: e q. (T/m2) Hạn chế lý thuyết áp dụng cho công trình đặt sâu đất đá rời có TB = 300 thi công phương pháp đào trần Hoặc đường hầm nằm đất đá có độ cứng fkp 0,8 H < (22,5)h1 fkp < 0,8 H < 5a1 áp dụng lý thuyết Trang 30 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công 4.2.2.3 Lý thuyết vòm áp lực (vòm Protodiakonop) Tác giả Protodiakonop tiến hành khảo sát cân vòm áp lực dạng parabol đưa vào khái niệm hệ số độ cứng địa tầng Hệ số độ cứng fkp hệ số ma sát qui ước, tang góc nội ma sát qui ước xác định có xét đến lực dính C hạt đất đá Hệ số ma sát qui ước tỷ số ứng suất tiếp ứng suất pháp điểm tiếp xúc hạt đất đá vào thời điểm cân giíi h¹n: f kp tg C tg Với góc ma sát địa tầng Từ biểu thức này, ta thấy đất đá rời (C = 0) f trùng với tg Trong đất đá cứng, lực dính thực C thay lực dính phân tử Protodiakonop đề nghị hệ số độ cứng địa tầng phụ thuộc vào ®é bỊn lËp ph¬ng Ðp (R, KG/cm 2): R 100 Trên sở quan sát thực tế, Protodiakonop thấy đất đá bị sụt lở theo đường cong AOB Phần vòm AOB chịu tác dụng toàn tải trọng đất đá phía Phần vòm AOB chịu tác dụng toàn tải trọng đất đá bên Vùng đất đá vòm bị phá hoại Chiều rộng vòm AOB xác định qua công thức: f 2a1 = 2[a + hKtg(450 - /2)] q O A B hK h1 X Y 2a 2a1 Mô hình vòm áp lực Cắt phân tố OA vòm Các lực tác dụng lên vòm: q = O X T y D h1 x H A V a1 Y Trang 31 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công - Thành phần lực thẳng đứng: V = q.a1 = .H.a1 - Thành phần lực nằm ngang: H = V.f = V.fkp = .H.a1.fkp Kết cấu trạng thái cân phiếm định lực xô T = H Để ổn định thiên an toàn, Protodiakonop thêm vào thành phần lực phân bố theo phương nằm ngang (tức dự trữ cho độ ổn định chân vòm lượng = .h1) cho: T + .h1 = H Xét điểm có toạ độ D(x,y), điều kiện làm việc ổn định vòm nén tâm là: MD q.x T y q.x 2.T Như phương trình đường cong vòm hàm parabol bậc II Tại vị trí chân vòm, ta cã: tõ ®ã suy ra: y f kp a H T Ha1 12 h1 h1 2h1 Xác định giá trị max (trường hợp an toàn với lượng dự trữ cực đại): d dh1 Từ đó, ta có: h1 a1 f kp Như vậy, AOB gọi vòm áp lực (vòm P) có chiều cao tính từ đỉnh kết cấu lên h1, chiều rộng 2a1, vòm dạng parabol bậc II Thay giá trị h1 vào biểu thức tính lực xô T, ta cã: T f kp q.a1 T¶i träng tËp trung đơn vị chiều dài hầm: P 4. a1 h1 4 a12 3 f kp (T) Tải trọng phân bố đều: q = .h1 (T/m2) Trị số áp lực đất đá thẳng đứng theo lý thuyết Protodiakonov xác định tích trọng lượng riêng địa tầng với tung độ tương ứng parabol bậc II: Trang 32 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công qx = .(h1 - y) (T/m2) Lý thuyết áp dụng cho địa tầng đồng nhất, không phân lớp, chiều dày vòm chịu lực tính từ mặt đất hay từ đáy lớp đất yếu nằm đỉnh vòm áp lực lớn chiều cao vòm áp lực Hoặc hầm nằm đất đá có f kp 0,8 H (1,52,0)h1 fkp < 0,8 H 5a1 áp dụng lý thuyết Đối với đất đá cứng, kết tính toán theo lý thuyết lớn so với thực tế Nhưng thực tế, thiên an toàn sử dụng công thức để tính toán 4.2.2.4 Tính toán áp lực hông áp lực hông tác dụng theo phương nằm ngang lên kết cấu công trình hầm chuyển dịch đất đá vào phía hầm gây Để xác định áp lực hông, xem tường hầm tường chắn - - Trong đất đá rời rạc: + Tại vị trí đỉnh hầm: e1 = q. = q.tg2(450 - /2) + Tại vị trí chân hầm: e2 = (q + hk.).tg2(450 - /2) + Tại vị trí bất kỳ: ei = (q + y.).tg2(450 - /2) Trong đất đá cứng (đất đá đàn hồi): +Tại vị trí đỉnh hầm: e1 = q. = q + Tại vị trí chân hầm: e2 = (q + hk.) + Tại vị trÝ bÊt kú: e2 = (q + y.) 1 áp lực hông có ảnh hưởng không lớn thường có lợi cho làm việc kết cấu Vì thế, số trường hợp để đơn giản thiên an toàn, bỏ qua có mặt loại tải trọng 4.2.2.5 Tính toán áp lực (áp lực bàn đáy) Trong địa tầng yếu, áp lực thẳng đứng, áp lực hông, có thêm áp lực đẩy từ lên đáy hầm Tại đáy móng tường, kết cấu chịu tác dụng áp lực đất thẳng đứng truyền từ vòm trọng lượng vỏ hầm, áp lực đất chủ động e c áp lực đất bị động eb vào đường thẳng kéo dài qua mặt phía vách hầm áp lực truyền qua mặt bàn đáy, phân bố lên chân tường q0 Nguyên nhân gây áp lực chênh lệch áp lực đất chủ động bị động - Khi ec > eb đất đá bị trượt trồi lên phía vị trí móng tường hầm - Khi ec < eb đất đá bị trượt vào phía vị trí móng tường hầm Trang 33 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công qo yo B Ec Eb C áp lực chủ động áp lực phân bố q0 gây ra: ec = (2q0 + .y0).tg2(450 - /2) Ec = ec.y0 áp lực bị động sinh để chống lại tượng trượt lăng thể: eb = .y0.tg2(450 + /2) Eb = eb.y0 ë mét độ sâu y0 ec = eb không áp lực Gọi y0 chiều sâu giới hạn công trình Ta có: y0 q0 tg (45 ) tg (45 ) tg (45 ) 2 q0 tg (45 ) 1 Víi chiều sâu y > y0 không tượng trồi, ép đất đá Sự chênh lệch hai áp lực đất chủ động bị động sinh áp lực hông D gây trượt lăng thể: D = Ec - Eb Phân tích D thành hai phần: T song song với mặt trượt R hợp với trục vuông góc mặt trượt góc Nguyên nhân đẩy lăng thể trượt ABC trồi lên lực trượt thẳng đứng vuông góc với bàn đáy N: sin 45 2 T =D T0 T R.tg cos N = T.sin(450 - ) Trang 34 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông C«ng chÝnh B A T N D R C áp lực tính theo công thức sau: qd N a* N y tg (45 ) ¸p lùc nỊn cã thĨ phân bố theo nhiều dạng phụ thuộc vào độ lớn lăng thể trượt ABC: Trong thực tế, áp lực bàn đáy nhỏ, đất đá có hệ số độ cøng f kp > , thêng xö lý b»ng cách láng mặt lớp vữa với hầm dành cho người hầm quân không cần xử lý Khi đất đá yếu, đặc biệt đất sét vừa yếu vừa có tính trương nở xử lý bàn đáy theo dạng cong 4.2.2.6 áp lực đất đá có hai hầm song song Trường hợp có hai hầm bố trí song song, thùc tÕ, ngêi ta cè g¾ng bè trÝ cho đảm bảo hình thành vòm áp lực độc lập Theo Protodiakonop, chiều dày trụ đá hai hầm là: B 0,65 aH f kp Theo Tsimbaravis khoảng cách phải thoả mãn điều kiện: B 5a Víi: a - mét nưa chiỊu réng mặt cắt ngang hầm H - chiều sâu chôn công trình - dung trọng riêng đất đá fKP - độ cứng đất đá 4.2.2.7 áp lực đất đá tác dụng lên giếng đứng Tác dụng lên giếng đứng có áp lực hông e Trang 35 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công Theo Protodiakonop, giếng có chiều sâu nhỏ 200m áp lực đất đá tác dụng lên giếng tính tương tự áp lực đất lên tường chắn: e y.tg (45 n i i 1 ) i hi tg (45 ) Mặt khác, Protodiakonop rút từ số liệu đo thực tế áp lực chiều sâu giếng đến 200m không phụ thuộc vào chiều sâu vào khoảng 3,3,T/m ei ei ei ei ei Các dạng phân bố áp lực đất đá lên giếng đứng 4.3 Tác động tương hỗ kết cấu hầm với khối địa tầng Lực kháng đàn hồi Cơ chế phức tạp tác động tương hỗ kết cấu công trình hầm với khối địa tầng xác định tính chất lý khối địa tầng chứa công trình, cấu trúc trạng thái ứng suất tự nhiên địa tầng kết cấu, dạng vật liệu chống trình tự công nghệ thi công công trình 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 ứng suất tiếp xúc sÏ b»ng øng st tù nhiªn ë trªn biªn tríc 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 ®é cøng cđa vá ViƯc sư dơng nh÷ng kÕt cÊu 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 Trang 36 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công 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 c«ng thøc sau: = . - hƯ số ma sát vỏ địa tầng Với 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 thut biÕn d¹ng cơc bé cđa Phuxx - Wincle Theo giả thuyết này, tồn mối quan hệ tuyến tính ứng suất biến dạng y sau: = K.y Víi : K - hƯ sè kh¸ng lực đàn hồi, gọi hệ số Như vậy, biến dạng xảy vị trí đặt tải trọng Trị của K xác định thùc nghiƯm - ThÝ nghiƯm Ðp tÊm ph¼ng: K Víi Fm Fk - ¸p lùc t¸c dụng lên T/m2 - độ lún tấm, m Fm - diƯn tÝch tÊm ph¼ng, m2 Fk - diện tích mặt tiếp xúc, m2, với điều kiện Fk < 10m2 Trang 37 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công - Khi vỏ hầm có dạng cong: K Rb F Với Rb - bán kính vỏ hầm, m F - diÖn tÝch tiÕt diÖn hang, m2 - áp lực 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 phẳng: E E d zab K 1 E zab l Víi 1 E - môđun biến dạng đá, T/m2 Ezab - môđun biến dạng lớp chèn sau vỏ, T/m dzab - chiỊu dµy cđa líp chÌn, m l - bề rộng mặt tiếp xúc, m Khi líp chÌn (Rzab = Rb), víi kÕt cÊu èng h×nh trụ môi trường biến dạng tuyến tính: K Với: E Rb (1 ) - hÖ 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 to¸n: EJ (d y ) x x dx Trong trường hợp này, dầm coi mỏng, biến dạng xảy chiều dài, bỏ qua Trang 38 Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công 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 Trang 39