Xác định áp lực đất tác dụng lên cống ngầm

Tính toán áp lực đất tác dụng lên cống ngầm là một vấn đề thường gặp trong thực tế. Bài báo Xác định áp lực đất tác dụng lên cống ngầm đề cập đến kết quả tính toán áp lực đất lên đỉnh và thành cống của nhiều phương pháp khác nhau. Với các bạn chuyên ngành Kiến trúc - Xây dựng thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.

XÁC ĐỊNH ÁP LỰC ĐẤT TÁC DỤNG LÊN CỐNG NGẦM PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái - ĐHTL ThS Lưu Thị Hương Giang - HV CH15 Tóm tắt: Tính tốn áp lực đất tác dụng lên cống ngầm vấn đề thường gặp thực tế Bài báo đề cập đến kết tính tốn áp lực đất lên đỉnh thành cống nhiều phương pháp khác Các yếu tố ảnh hưởng đến áp lực đất tiêu lý đất đắp đỉnh cống, mái dốc hào, chiều sâu chôn cống, độ cứng xem xét Các kết thể dạng đồ thị để tham khảo biến dạng vòm ngược lại áp lực đất tác dụng lên cống giảm lực ma sát hướng lên tác dụng vào khối đất trung tâm, trường hợp ny c xem nh vũm dng H Hh Mặt đất đắp Hp Mặt đất tự nhiên Hỡnh 1a Cng chụn ni tan tan H Mặt đất tự nhiên Hh Bd Bc Hỡnh 1b Cng chụn ho Hf Mặt đất đắp H Mặt đất tự nhiên Bd Bc tan Hp tan Hn Hh Mở đầu Cống ngầm đóng vai trò quan trọng giao thơng, thủy lợi… Nó xây dựng để dẫn nước qua thân đê, đập, đường giao thông … Khác với loại kết cấu làm việc mặt đất, cống ngầm làm việc điều kiện có đất bao quanh Vì dù kết cấu cống ngầm đơn giản tải trọng tác dụng lên thời gian thi cơng hay làm việc bình thường phức tạp Tải trọng tác dụng lên cống ngầm bị chi phối đặc tính đất, hình dạng, độ cứng cống… Vào năm đầu kỷ 20, Marston[5] người tiên phong việc nghiên cứu ứng xử ống dẫn lòng đất phân tích thực nghiệm Sau nghiên cứu Marston, Spangler vị trí đặt cống khống chế độ lớn phương lún khối khối đất phía cống khối đất hai bên Độ lún sinh lực ma sát hay ứng suất cắt tác động lên khối đất làm ảnh hưởng đến áp lực đất tác dụng lên cống ngầm Khi độ lún thẳng đứng tương đối khối đất phía cơng trình phân tố liền kề, trường hợp thường thấy cống chơn (hình 2.a), áp lực đất tác dụng lên cống tăng lên lực ma sát xuống tác dụng lên khối đất trung tâm, xem vòm âm Ngược lại, độ lún tương đối khối đất cơng trình lớn khối đất liền kề, trường hợp cống chơn hào (hình 2.b), lớp đất khối đất trung tâm chịu Hình 1c Cống chơn phần hào Hf: chiều cao đất đắp phía đỉnh hào Hp: chiều cao cống phía mặt đất liền kề Hh: chiều cao đất đắp phía đường kính nằm ngang cống Hn: chiều cao từ đỉnh cống đến mặt đất tự 117 nhiên : góc hợp mái nghiêng hào phương thẳng ng Fv Độ lún tương đối Fv Fh Fh Độ lún tương đối a Cống chôn Fh Fv Fh Fv b Cống chôn hào Hỡnh S chuyn i áp lực phạm vi cống – đất Để xác định áp lực đất tác dụng lên cống ngầm có hàng loạt tiêu chuẩn đưa như: AASHTO LRFD[4], EM 1110-22902[3] hay thuyết Marston Spangler [2],[5] Những tiêu chuẩn xét đến vài nhân tố ảnh hưởng Để kiểm chứng độ tin cậy trình sử dụng phương pháp tìm cách xác định áp lực đất xác tác giả tiến hành nghiên cứu áp lực đất tác dụng lên cống ngầm phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) so sánh kết với phương pháp đề cập Các phương pháp xác định áp lực đất lên đỉnh cống a Theo AASHTO + Cống chôn nổi: (1) W E  gFe  Bc H  10 9 H Fe   0.20 Bc + Cống chôn hào (2) WE  gFt  Bc H 109 C B2 Ft  d d  Fe HBc Fe, Ft: dung trọng hiệu dụng tỷ số áp lực đất đắp trọng lượng khối đất phía đỉnh cống Bc: bề rộng phía ngồi cống H: chiều cao đất đắp 118 Bd: bề rộng hào vị trí đỉnh cống : trọng lượng riêng đất đắp Cd: hệ số tải trọng b Theo EM 1110 – – 2902 + Cống chôn WE  1.5 Bc H h WE   Bc H h (3) (4) Gía trị áp lực đất lấy giá trị lớn hai giá trị tính từ công thức (3) (4) + Cống chôn hào (5) WE  Cd  Bd (6) WE   Bc H 2 k  ' Cd  K 1 e 2k  ' H Bd  1   2 1    : hệ số ma sát đất đắp  ' : hệ số đất đắp đất xung quanh hào Gía trị áp lực đất lấy giá trị lớn hai giá trị tính từ công thức (5) (6) + Cống đặt phần hào  Hf  WE  Cd  Bd   1.5 Bc H h  Cd  Bd   H  H   p    Hf  WE   Bc H h   1.5 Bc H h   Bc H h   H  H   p   (7) (8) Gía trị áp lực đất lấy giá trị lớn hai giá trị tính từ cơng thức (7)và (8) c Theo Marston & Spangler + Cống chôn W=Cc Bc (9) + Cống chôn hào W=C d Bd (10) + Cống đặt phần hào W=C n Bd Cc, Cn, Cd: hệ số tải trọng (11) 15 Giá trị Cn (p’=0.5) 14 10 13 11 10 Inc om dition Giá trị H/Bd K = 0.13 di t i on 1: K   K  '  0.1924 cho đất khơng dính 2: K   K  '  0.165 cho cát sỏi 3: K   K  '  0.15 cho đất thịt bão hòa 0 4: K   K  '  0.13 cho đất sét Comp lete d irc on dit io n p= +0 +0 0.5 + +2 +1 d p= s r ition cond ction je o r p plete Com K = 0.13 4 d= on d it ion Comp lete K = 0.33 -1.0 -0.5 -0.3 -0.1 Incomplete dirch condition rs hc Com plete dirch cond ition -0 - - -0 dir c dirch te -0 10 Giá trị H/Bd condit ion om ple n Giá trị hệ số Cn (p’=1.5) 10 Giá trị hệ số Cc I nc co nd itio 10 ed irc h 2 K = 0.19 -2 -1 -0 - -0 dition Inc om ple t n ditio d rs n ctio roje K = 0.13 ed i rc hc ep plet om Inc h dition rsd p=+ +0 1.0 +0 +0 Giỏ tr ca Cn (p=1) Giá trị H/Bd Inc om ple t 10 5: K   K  '  0.11 cho đất sét bão hòa Giá trị hệ số Cd 10 rs d= K = 0.13 rsd =0 Comp lete d irch c on Giá trị H/Bd hc on Giá trị H/Bd irc -0 Comp lete d irc ple te d h G iátrị H /B d rs d= -2 -1 -0 -0 -0 3 12 4 3 2 1 0 0 8 Giá trị hệ số Cn (p’=2) 119 P’: tỷ lệ hình chiếu cho trường hợp ống đặt hào có lớp đất đắp đỉnh hào, chiều sâu hào chia cho bề rộng hào d Theo phương pháp Vinogradop Áp lực đất tác dụng lên đỉnh cống chôn rãnh Gd  n K d '  d Btb H Btb  B  Htg  Trong đó:  : góc nghiêng vách rãnh so với phương thẳng đứng Kd: tính theo cơng thức A (1.4) H 1 e B B Kd  A H 2 1  C  tg1 A C 1 C: hệ số phân bố không áp lực đất thường chọn C = 0.3  tg1 ; lấy theo quy phạm HuTy 6-48 tùy thuộc vào đặc trưng đất sau - Đất cát ướt vừa bão hòa nước  tg1 = 0.215 - Đất sét không ướt  tg1 = 0.216 - Đất sét ướt  tg1 = 0.185 - Đất sét bão hòa nước  tg1 = 0.136 Các kích thước Bc, Bd , , H, Hf, H, Hp, Hh, Hn minh họa hình 1a, 1b, 1c e Theo phương pháp phần tử hữu hạn Các tác giả xử dụng phần mềm Plaxis để tính tốn ứng suất, biến dạng tồn khối bao gồm nền, thân cống khối đất đắp bên Thân cống mô tả vật liệu đàn hồi Đất đất đắp bên mô tả mơ hình phi tuyến (mơ hình Hardenning) với thơng số sau đây: - c: lực dính hiệu - : góc ma sát - E50ref: độ cứng cát tuyến thí nghiệm ba trục - Eoedref: độ cứng tiếp tuyến nén lún với điều kiện chất tải lần đầu - Eurref: độ cứng dỡ - chất tải 120 Các giá trị c, , E50ref đất đắp khơng đổi tất trường hợp tính Hình 3: Lưới phần tử FEM Với điều kiện biên, lớp đất đắp bề rộng đất xung quanh cơng trình W s ảnh hưởng tới hệ số tác động đất – cơng trình hay dung trọng hiệu dụng (Fe) Kết bảng cho thấy dung trọng hiệu dụng tăng dần Ws/Bc = 25-30 đạt đến trạng thái ổn định Bởi vậy, Ws/Bc lấy 30 phân tích mơ hình tương tác đất – cơng trình Chiều sâu đất đáy cống lấy 15 lần bề rộng cống Bảng 1: Dung trọng hiệu dụng ứng với Ws/Bc Ws/Bc Fe 11 1.47 21 1.49 25 1.51 31 1.51 Ảnh hưởng tương tác đất – cống Hiện tượng liên kết miêu tả thường xuyên trượt đất thành cống Trong tính tốn thường có hai cách mô khác Cách thứ liên kết trượt (ma sát) cho phép tượng trượt tương đối đất thành cống xảy Cách thứ liên kết cứng không xảy tượng trượt đất thành cồng mặt tiếp xúc Bảng tổng hợp hệ số liên kết đất - cơng trình có xét đến khơng xét đến ảnh hưởng liên kết đất – cơng trình PLAXIS Mơ hình cống giả thiết nghiên cứu bảng giả thiết đặt độ sâu 10m, cống hộp có bề rộng Bc = 1m Có thể nhận thấy từ bảng ảnh hưởng trượt đất dọc theo thành cống đáng kể Vì vây phải kể đến tương tác đất – cống tính tốn Bảng 2: Ảnh hưởng tương tác cống – đất tới dung trọng hiệu dụng Dung trọng hiệu dụng Thông số Ec/E50 = 10 Ec/E50 = 100 Ec/E50 = 1000 Xét đến tương tác 1.170 1.236 1.374 Không xét tương tác 1.254 1.348 1.536 Khác biệt (%) 6.7 8.2 10.6 Ec/E50: tỷ số mô đuyn đàn hồi bê tông cống mô đuyn đàn hồi đất đắp Các tổ hợp kết tính tốn Bảng 3: Tổ hợp tính tốn cho cống đặt từ 1.25÷1.55, điều cho thấy với cống đặt áp lực đất tăng lên so với trọng lượng khối đất 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 H (m) 0.80 10 H=10m H=15m H H =20m =30m 2.20 H H =20m =30m 1.80 Bc = 2.2m, Hc =2.2m H=2m H=10m H=15m Bảng 4: Tổ hợp tính tốn cho cống chơn hào Bd=1.5Bc, Bd=2Bc , Bd=3Bc, Bd=4Bc Bc = 1m, H =5m, Hc=1m tg=0.50 tg=0.75 tg=1.00 tg=1.25 tg=1.50 Bc = 2.2 m, H = 5m, Hc=1m tg=0.50 tg=0.75 tg=1.00 tg=1.25 tg=1.50 Bc = 1m, H =15m, Hc=1m tg=0.50 tg=0.75 tg=1.00 tg=1.25 tg=1.50 Bc = 2.2m, H =15m, Hc=2.2m tg=0.50 tg=0.75 tg=1.00 tg=1.25 tg=1.50 Fe 30 FEM AASHTO Theo N.N Vinogradop EM 1110-2-2902 Thuyết M & S 2.00 1.60 1.40 1.20 1.00 H (m) 0.80 10 20 30 Hình 5: Dung trọng hiệu dụng cho cống đặt cứng (Bc = 1m) Fe 3.00 FEM AASHTO Theo N.N Vinogradop EM 1110-2-2902 Thuyết M & S 2.60 2.20 Bảng 5: Tổ hợp tính tốn cho cống đặt phần hào 20 Hình 4: Dung trọng hiệu dụng cho cống đặt mềm (Bc = 1m) Bc = 1m, Hc =1m H=2m FEM AASHTO Theo N.N Vinogradop EM 1110-2-2902 Thuyết M & S Fe 1.80 1.40 Bc = 1m, Hc=1m Bc = 2.2m, Hc=2.2m H=2m H=5m H=10m H=15m H=2m Hn=0 Hn=1 Hn=2 Cống đặt Từ kết tính tốn ta thấy: - Dung trọng hiệu dụng lớn 1, biến đổi 1.00 H (m) 0.60 10 20 30 40 50 Hình 6: Dung trọng hiệu dụng cho cống đặt mềm (Bc = 2.2m) 121 FEM AASHTO Theo N.N Vinogradop EM 1110-2-2902 Thuyết M & S Fe 2.60 2.20 1.80 1.40 1.00 H (m) 0.60 10 20 30 40 50 Hình 7: Dung trọng hiệu dụng cho cống đặt cứng (Bc = 2.2m) - Dung trọng hiệu dung tăng theo chiều cao đất đắp hầu hết phương pháp Riêng phương pháp EM 1110-2-2902 dung trọng hiệu dụng giảm theo chiều cao đất đắp - Khi H/Hc20 đường dung trọng hiệu dung gần nằm ngang, có nghĩa dung trọng hiệu dụng gần số Từ ta dự đốn chiều cao đất đắp H20.Hc áp lực đất có xu hướng ổn định - Dung trọng hiệu dụng cống đặt cứng (E lớn) lớn so với mềm (E nhỏ) Sự chênh lệch hai trường hợp lớn gần 4% - Khi cống đặt mềm tính tốn áp lực đất theo Marston & Spangler cho kết gần sát với FEM Còn cống đặt cứng nên tính tốn theo N.N Vinogradop cho kết gần sát với FEM cần nhân thêm với hệ số 1.1 Cống chôn hào Dung trọng hiệu dụng biểu diễn hàm tỷ số H/Bd Từ kết tính toán ta thấy: - Dung hiệu dụng biến đổi phụ thuộc vào độ dốc mái hào tỷ lệ Bd/Bc - Theo phương pháp dung trọng hiệu dụng có xu hướng giảm theo tỷ số H/Bd Tuy nhiên, đồ thị theo phương pháp AASHTO, EM 1110-2-2902, thuyết Marston & Spangler dốc nhiều so với FEM Điều chứng tỏ dung trọng hiệu dụng theo phương pháp tính thơng thường biến thiên lớn, theo FEM biến thiên nhỏ - So với FEM dung trọng hiệu dụng tính 122 theo phương pháp thông thường lớn gần lần H/Bd nhỏ Bc lớn Khi H/Bd tăng, giá trị lớn gần 2.5 lần cho trường hợp Bc lớn - Dung trọng hiệu dụng theo AASHTO, thuyết Marston & Spangler gần tất trường hợp (do sử dụng hệ số Cd) Riêng với EM – 1110- 2- 2902, dung trọng hiệu dụng có trị số gần tiêu chuẩn trường hợp Bc = 1m, Hc = 5m FEM AASHTO EM 1110-2-2902 Thuyết M & S Fe 3.5 2.5 1.5 0.5 H/Bd Hình 8: Dung trọng hiệu dụng cho cống chôn hào (Bc = 1m, H = 5m, tg =0) Fe FEM AASHTO EM 1110-2-2902 Thuyết M & S 2.5 1.5 0.5 H/Bd 12 Hình 9: Dung trọng hiệu dụng cho cống chôn hào (Bc = 1m, H = 15m, tg =0) - Theo FEM, dung trọng hiệu dụng tăng theo Bd, tăng nhanh, tăng nhiều gần 40% Bc=1m - Khi cống đặt cứng dung trọng hiệu dụng nhìn chung lớn mềm Riêng trường hợp Bc = 2.2m dung trọng hiệu dụng giảm đặt cứng có xu hướng tăng Bd lớn Nhìn chung dung trọng ... trình sử dụng phương pháp tìm cách xác định áp lực đất xác tác giả tiến hành nghiên cứu áp lực đất tác dụng lên cống ngầm phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) so sánh kết với phương pháp đề cập... tương đối Fv Fh Fh Độ lún tương đối a Cống chôn Fh Fv Fh Fv b Cống chôn hào Hỡnh S chuyển đổi áp lực phạm vi cống – đất Để xác định áp lực đất tác dụng lên cống ngầm có hàng loạt tiêu chuẩn đưa như:... kết với phương pháp đề cập Các phương pháp xác định áp lực đất lên đỉnh cống a Theo AASHTO + Cống chôn nổi: (1) W E  gFe  Bc H  10 9 H Fe   0.20 Bc + Cống chôn hào (2) WE  gFt  Bc H 109