1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Ảnh hưởng của sự tương tác giữa kết cấu và nền đất đối với công trình có tầng hầm sâu khi chịu tải động đất

97 84 2

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 97
Dung lượng 2,86 MB

Nội dung

ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN ĐẤT ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH CÓ TẦNG HẦM SÂU KHI CHỊU TẢI ĐỘNG ĐẤT Học viên: BÙI TRỌNG PHƯỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng Mã số: …

Trang 1

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2018

Trang 2

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 01 năm 2018

Bùi Trọng Phước

Trang 4

ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN ĐẤT ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH CÓ TẦNG HẦM SÂU KHI CHỊU TẢI ĐỘNG ĐẤT

Học viên: BÙI TRỌNG PHƯỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng

Mã số: ………Khóa: K32 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Các công trình tầng thường phải chịu các tác động rất lớn theo phương ngang

(động đất, gió), để đảm bảo khả năng chống lật cho công trình, thông thường các công trình sẽ được hạ trọng tâm và ngàm sâu vào trong đất Trong các phương pháp tính toán trước đây, người

ta thường coi công trình được ngàm ở mặt móng và bỏ qua tương tác giữa nền đất và kết cấu Mục tiêu chính của luận văn là phân tích ứng xử của công trình có đến sự tương tác của kết cấu ngầm và nền đất Luận văn này trích dẫn các phương pháp biểu diễn tương tác giữa nền đất và công trình và áp dụng vào phân tích một công trình điển hình Ứng xử của công trình sẽ được phân tích tùy thuộc vào hệ nền móng của công trình, từ đó có thể đánh giá ảnh hưởng của phương pháp bố trí hệ nền móng đến ứng xử của công trình

Từ khóa - tương tác nền đất và kết cấu, ứng xử công trình, dao động, hệ nền móng,

phần tử hữu hạn.

EFFECT OF THE SOIL STRUCTURE INTERACTION ON THE RESPONSE OF THE CONCRETE DEEP BASEMENT HIGH RISE BUILDINGS UNDER

EARTHQUAKE

Abstract - The high rise buildings are often subjected to strong lateral loads (earthquake and

wind load), to guaranty the resistance of the structure, the buildings normaly have a deep underground system In litterature, the structure is supposed to encastre at the level of the foundation and ignore the soils-structure interaction The main purpose of this study is analyzing the response of the structure including the soils-structure interaction This paper present modelization method to take into accound this interaction and applying to analyze an representative buildings to evaluate the effect of the foundation system to the response of the structure

Key words - soil-structure interaction, response of the structure, modal response,

foundation system, finite element method.manufacturing; capability expansion

Trang 5

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Tình hình nghiên cứu về tương tác giữa nền đất và kết cấu (SSI) 1

3 Mục tiêu của đề tài 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Nội dung thực hiện 3

6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CÓ TẦNG HẦM SÂU VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 4

1.1 Tổng quan về xây dựng nhà cao tầng và xu hướng thiết kế công trình có nhiều tầng hầm 4

1.1.1 Tổng quan về xây dựng nhà cao tầng 4

1.2 Các loại kết cấu tường tầng hầm 7

1.2.1 Tường vây - tường Barrette 7

1.2.2 Tường hầm bê tông cốt thép thi công từ dưới lên 8

1.2.3 Một vài kết cấu tường hầm khác 8

1.3 Tải trọng động đất và ảnh hưởng của nó lên công trình 8

1.3.1 Động đất và tác hại của động đất đối với đời sống con người 8

1.3.2 Ảnh hưởng của động đất đến công trình 11

1.4 Quá trình phát triển các phương pháp xác định tải trọng động đất 11

1.4.1 Hệ kết cấu đàn hồi nhiều bậc tự do chịu tác động động đất 11

1.4.2 Phương trình chuyển động 12

1.4.3 Chu kỳ và dạng dao động của hệ kết cấu 14

1.5 Tương tác giữa nền đất và công trình 16

1.5.1 Các phương pháp phân tích tương tác nền và công trình 16

1.5.1.1 Phương pháp thay nền bằng các thanh liên kết đàn hồi (lò xo) 16

1.5.1.2 Phương pháp tính toán kết cấu và nền như một môi trường liên tục 17

Trang 6

1.5.2 Một số phần mềm ứng dụng PTHH giải bài toán tương tác giữa nền và

công trình 17

1.6 Kết luận chương 18

CHƯƠNG 2 TƯƠNG TÁC GIỮA NỀN ĐẤT VÀ CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 19

2.1 Tính toán tải trọng động đất 19

2.1.1 Điều kiện đất nền và vùng động đất 19

2.1.2 Tiêu chí về tính đều đặn công trình 19

2.1.3 Phân loại công trình và hệ số tầm quan trọng 20

2.1.4 Biểu diễn cở bản của tài trọng động đất 20

2.1.4.1 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương nằm ngang: 20

2.1.4.2 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng 21

2.1.4.3 Phổ thiết kế đàn hồi dùng cho phân tích đàn hồi 21

2.2 Áp lực đất tác dụng lên tường vây tầng hầm trong quá trình động đất 24

2.2.1 Các lý thuyết tính toán áp lực đất tác dụng lên tường chắn 24

2.2.2 Tính áp lực đất theo lý thuyết W.J.W Rankine 26

2.2.3 Tính áp lực đất theo lý thuyết của C.A.Coulomb 28

2.3 Phương pháp mô phỏng tương tác giữa kết cấu và nền đất 35

2.3.1 Các phương pháp tính hệ số nền 35

2.3.1.1 Phương pháp tra bảng 35

2.3.1.2 Phương pháp tính theo các công thức nền- móng 36

2.3.1.3 Tính theo mô đun biến dạng nền: 37

2.4 Kết luận chương 37

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ NỀN ĐẤT ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH CÓ TẦNG HẦM SÂU CHỊU ĐỘNG ĐẤT 39

3.1 Mô hình phân tích 39

3.2 Tính toán tương tác giữa nền đất và kết cấu ngầm của công trình 43

3.2.1 Tính toán áp lực đất chủ động vào tường tầng hầm 43

3.2.2 Tính toán độ cứng K của liên kết đàn hồi 43

3.3 Kết quả phân tích 47

3.3.1 Đặc trưng dao động và tải trọng động đất 47

3.3.2 Nội lực khung 51

3.3.3 Nội lực vách 56

3.4 Kết luận 57

Trang 7

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GİẢ 60

PHỤ LỤC 61 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

Trang 9

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Số hiệu

3.4: Mô hình Etabs 3D công trình sau khi gán độ cứng K vào cọc

Trang 11

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng Cùng với tầm quan trọng của loại công trình này, các phương pháp tính toán tải trọng cũng như phân tích ứng xử liên tục được thay đổi để phù hợp hơn với sự làm việc của công trình Trong tính toán kết cấu, một trong những yếu tố then chốt quyết định kết quả phân tích mô hình chính là sơ đồ tính kết cấu Một mô hình kết cấu càng tịnh tiến đến sự làm việc thực của kết cấu thì kết quả phân tích ứng xử công trình sẽ chính xác và đáng tin cậy hơn Đối với các công trình có quy mô lớn và có tầng hầm cắm sâu vào nền đất thì việc mô hình kết cấu càng

có ý nghĩa quan trọng và càng cần được quan tâm nhiều hơn Trong thực tế thiết kế hiện nay, các công trình cao tầng thường được mô hình theo các nguyên lý sau:

- Coi cột và vách cứng ngàm vào mặt móng;

- Sơ đồ tính được thực hiện rời rạc giữa kết cấu bên trên và bên dưới mặt móng;

- Không kể đến áp lực đất truyền vào tường vây tầng hầm;

- Không kể đến điều kiện nền đất;

- Không kể đến ảnh hưởng của độ lún kết cấu đến ứng xử công trình

Các nguyên lý mô hình này dẫn đến một số sai lệch so với sự làm việc thực của công trình Vì vậy, việc mô hình công trình có kể đến tương tác giữa nền đất và kết cấu sẽ giúp tối ưu kết quả phân tích ứng xử công trình

2 Tình hình nghiên cứu về tương tác giữa nền đất và kết cấu (SSI)

Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng Các phương pháp tính toán tải trọng cũng như phân tích ứng xử liên tục được thay đổi để phù hợp hơn với tính chất của công trình Đối với các công trình cao tầng, yêu cầu về độ chính xác khi phân tích ứng

xử kết cấu là mục tiêu sống còn Từ trước đến nay, các công trình cao tầng thường được quan niệm ngàm ở mặt móng khi phân tích ứng xử kết cấu mà hoàn toàn bỏ qua tương tác giữa kết cấu ngầm và nền đất Hiện vẫn chưa có nhiều tài liệu, chưa có nhiều phân tích rõ ràng về ảnh hưởng của sự tương tác này đến ứng xử của kết cấu Ảnh hưởng của tương tác giữa nền đất và kết cấu được nhóm nghiên cứu Nguyễn [1] đánh giá khi phân tích ứng xử của kết cấu cầu dây văng chịu động đất Cao [2] đã phân tích được ảnh hưởng của hệ cọc và đất nền đến ứng xử của kết cấu, và từ đó đưa ra các kiến nghị khi lựa chọn chiều dày móng bè trong hệ bè-cọc Tương tác giữa nền đất và

Trang 12

hệ móng được thực hiện thông qua các liên kết đàn hồi lên từng đoạn cọc, đây cũng là phương pháp phổ biến khi mô phỏng loại tương tác này Phương pháp mô phỏng này cũng được thực hiện trong các công trình nghiên cứu của Pham[3] và Nguyen[4] khi phân tích ứng xử của công trình cao tầng bê tông cốt thép chịu tải trọng gió và tải trọng động đất, có kể đến tương tác giữa nền đất và kết cấu Ngoài ra có thể kể đến hướng dẫn chi tiết khi xét đến tương tác nền đất và kết cấu trong báo cáo của NIST[5]

Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng Tòa nhà Bitexco – TP HCM

Int.Commerce Centre – Hong Kong World Financial Center – Shanghai

Hình 1: Nhà nhiều tầng

Tuy nhiên, ứng xử tổng hợp của một công trình khi được kể đến tương tác giữa nền đất và kết cấu lại chưa được phân tích thỏa đáng, đây chính là lý do để thực hiện

Trang 13

nghiên cứu đề tài: “Ảnh hưởng của sự tương tác gıữa kết cấu và nền đất đốı vớı

công trình có tầng hầm sâu khi chịu tải động đất”

3 Mục tiêu của đề tài

Trong việc phân tích ứng xử kết cấu khi kể đến tương tác với nền đất thì đặc trưng dao động, chuyển vị công trình là nhân tố rất quan trọng

Đề tài được thực hiện có được cái nhìn đầy đủ hơn về ứng xử của công trình khi

có xem xét đến tương tác giữa nền đất và kết cấu Trong đó:

- Xác định được áp lực nền đất tác dụng lên tường vây tầng hầm;

- Xác định được và mô hình được tương tác giữa nền đất và kết cấu;

- Đánh giá sự biến động của nội lực, chuyển vị cũng như các đặc trưng dao động của công trình khi kể và không kể đến tương các với nền đất

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các công trình cao tầng bê tông cốt thép có hệ khung - vách chịu lực Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm các vấn đề: các yếu tố ảnh hưởng tới sự tương tác giữa nền đất và kết cấu và ảnh hưởng của chúng đến ứng

xử tổng hợp của công trình cao tầng bê tông cốt thép chịu động đất

5 Nội dung thực hiện

 Lý thuyết:

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán động đất;

- Nghiên cứu áp lực nền đất tác dụng lên công trình trong quá trình động đất;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác nền đất và công trình đến ứng xử của công trình chịu động đất;

- Nghiên cứu phương pháp mô phỏng tương tác giữa nền đất và công trình

 Tính toán

- Tính toán áp lực đất tác dụng lên công trình trong quá trình động đất;

- Tính toán các độ cứng đàn hồi của nền đất để mô phỏng tương tác giữa kết cấu và nền đất (SSI);

- Tính toán tải trọng động đất tác dụng lên công trình;

- Phân tích ứng xử của công trình bê tông cốt thép khi có kể đến SSI

6 Bố cục đề tài

Chương 1: Tổng quan về công trình có tầng hầm sâu và tải trọng động đất

Chương 2: Tương tác giữa nền đất và kết cấu

Chương 3: Ảnh hưởng của sự tương tác gıữa kết cấu và nền đất đốı vớı công

trình có tầng hầm sâu chịu động đất

Kết luận và kiến nghị

Trang 14

là các công trình có tầng hầm sâu và xu hướng phát triển trong tương lai của dạng công trình này, sự ảnh hưởng của tải trọng động đất đến công trình Các khái niệm về phương pháp phân tích, tính toán về sự làm việc chung của công trình và nền đất cũng được thu thập và nêu lên

1.1 Tổng quan về xây dựng nhà cao tầng và xu hướng thiết kế công trình có nhiều tầng hầm

1.1.1 Tổng quan về xây dựng nhà cao tầng

Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng Có rất nhiều loại công trình nhà cao tầng tùy theo mục đích sử dụng như: Chung cư cao tầng, Văn phòng cho thuể, Trung tâm thương mại

Việc xây dựng nhà cao tầng đã mang lại những hiệu quả to lớn như: cho phép giảm bớt mật độ xây dựng và tập trung dân cư trên mặt đất, tạo quỹ đất cho việc xây dựng các vườn hoa, công viên, các khu giải trí, thể thao , giải quyết được bài toàn về giao thông trong đô thị lớn, nơi mà nhu cầu về nhà ở ngày một cao

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam các công trình cao tầng có lịch sử phát triển lâu đời và đã đạt đến trình độ cao về tính toán thiết kế và công nghệ xây dựng

 Một số công trình nhà cao tầng trên thế giới hiện nay

Trải qua nhiều thế kỷ, mạng lưới nhà cao tầng trên thế giới, đặc biệt ở các nước phát triển như Mỹ, Anh, Nhật, Trung Quốc đã phát triển về cả số lượng và kỷ lục chiều cao

Công trình Buji Khalifa

Dây là một tòa nhà siêu cao ở “trung tâm mới” của Dubai, Các Tiểu Vương Quốc

Ả Rập Thống Nhất, là công trình cao nhất thế giới hiện nay với chiều cao 828m với

Trang 15

164 tầng được khánh thành ngày 04/01/2010

Hình 1.1: Công trình Buji Khalifa

Là tòa nhà cao nhất Thượng Hải, Trung Quốc, cao 101 tầng do công ty Kohn Pedersen Fox thiết kế Tòa tháp cao 492m hoàn thành năm 2008 Đây là tòa tháp cao nhất Trung Quốc và cao thứ 4 thế giới tính đến thời điểm hiện tại

Hình 1.2: Công trình trung tâm tài chính Thượng Hải

Trang 16

Công trình Willis Tower

Tháp Willis Tower thành phố Chicago, là tòa nhà cao nhất Hoa Kỳ kể từ năm

1973 Tòa tháp này có 108 tầng theo cách đếm tiêu chuẩn, dù tháp đếm cả nóc chính là tầng thứ 109 và penhouse cơ khí là tầng 110 Khoảng cách đến nóc tòa tháp là 442m tính từ sàn cửa vào phía Đông

Hình 1.3: Công trình trung tâm tài chính Thượng Hải

 Một số công trình cao tầng ở Việt Nam

Tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark Tower

Tòa nhà là một khu phức hợp khách sạn – văn phòng – căn hộ - trung tâm thương mại được xây dựng tại Quận Cầu Giấy, Hà Nội bởi tập đoàn Keangnam của Hàn Quốc Tòa tháp cao nhất có 70 tầng Khu phức hợp gồm một tháp chính cao 344m, được xếp hạng thứ 17 thế giới về chiều cao, dùng làm văn phòng cho thuê Tháp này là tòa tháp cao nhất Việt Nam

Hình 1.4: Tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark Tower

Trang 17

Tòa nhà Bitexco Financial

Tháp tài chính Bitexco là một tòa nhà được xây dựng ở Quận 1, thành phố Hồ Chí Minh do Bitexco làm chủ đầu tư Chiều cao từ mặt đất lên đến đỉnh là 262m, 68 tầng và 3 tầng hầm

Hình 1.5: Tòa nhà Bitexco Financial

1.2 Các loại kết cấu tường tầng hầm

Khi xây dựng công trình có tầng hầm, một vấn đề đặt ra khi lên phương án kết cấu của tường tầng hầm là biện pháp thi công hố đào, đặc biệt trong địa hình chật hẹp trong thành phố cũng như các yếu tốt kỹ thuật và môi trường liên quan Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong nền đất bị dịch chuyển và có thể lún gây hư hỏng công trình lân cận nếu không có giải pháp thích hợp Với mỗi biện pháp thi công khác nhau sẽ có hệ kết cấu tường hầm khác nhau Xét về mặt kết cấu nó cũng sẽ có ảnh hưởng tới kết cấu công trình khác nhau

Sau đây xin tóm lược các giải pháp kết cấu tường hầm phổ biến:

1.2.1 Tường vây - tường Barrette

Thực chất là một loại cọc khoan nhồi có tiết diện chữ nhật, là tường BTCT đổ tại chỗ dày 600mm đến 1200mm và có thể dày hơn, được ghép lại từ những đoạn cọc barrette chiều dài từ 2,8 đến 5m, giữa chúng có gioăng cao su để chống thấm Tường thường có chiều sâu bằng khoảng hai lần chiều sâu hố đào của công trình, và phụ thuộc vào biện pháp thi công hố đào Với những công trình có nhiều tầng hầm, thường

từ 4 tầng hầm trở lên thì hầu như đó là giải pháp duy nhất Với công trinh xây chen hay trong mặt bằng thi công chật hẹp, xung quanh có những công trình khác thì kết cấu tường barrette được sử dụng rất nhiều

Ưu điểm của kết cấu tường Barrette là độ cứng tường lớn, dễ dàng kết hợp hệ văng chông cho biện pháp thi công hố đào Tường Barrette thường sử dụng trong công

Trang 18

nghệ thi công topdown, được áp dụng với công trình có số lượng tầng hầm lớn, hố đào sâu và trong mặt bằng thi công chật hẹp Không làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận Mặt khác tường cũng có khả năng chịu tải trọng đứng một cách đáng kể Nhược điểm của kết cấu tường Barrette là thi công phưc tạp hơn và giá thành thường cao hơn

so với kết cấu tường BTCT thi công đào mở

1.2.2 Tường hầm bê tông cốt thép thi công từ dưới lên

Tường hầm BTCT thi công từ dưới lên thường được sử dụng trong các công trình có số tầng hầm không lớn và được thi công bằng phương pháp đào mở Tường thường được đỡ bằng hệ móng Khi thi công, hố đào thường được giữ bằng hệ thống

cừ Thi công tường tầng hầm theo phương pháp đổ bê tông thông thường Khi tường đạt cường độ thiết kế, thi công xong phần ngầm công trình mới tiến hành lấp đất phía ngoài tường và rút cừ Độ cứng ngang của tường chỉ cần đủ để chịu áp lực đất ở giai đoạn khi công trình làm việc

Ưu điểm của kết cấu này là biện pháp thi công đơn giản, quản lý kiểm soát được chất lượng tường dễ hơn và giá thành thường rẻ hơn Nhược điểm của kết cấu này là yêu cầu mặt bằng thi công có thể đào mở hay đủ để ép được cừ giữ đất Mặt khác với hố móng sâu việc giữ hố thành bằng cừ hường dễ bị chuyển vị ngang lớn, nếu

có công trình xung quanh dễ bị ảnh hưởng Do vậy thường được sử dụng khi hố đào không lớn (thường là một đến hai tầng hầm) và mặt bằng thi công rộng rãi

1.2.3 Một vài kết cấu tường hầm khác

Ngoài hai loại kết cấu tường hầm phổ biến đã trình bày ở trên, hiện nay trên thực tế cũng tồn tại một vài loại kết cấu tường hầm khác:

- Tường vây kết hợp neo trong đất

- Tường cọc (second piles)

- Tường cọc đất xi măng

- Tường BTCT lắp ghép

1.3 Tải trọng động đất và ảnh hưởng của nó lên công trình

1.3.1 Động đất và tác hại của động đất đối với đời sống con người

Động đất là một trong những hiện tượng thiên nhiên gây nhiều thiệt hại nhất về tính mạng con người và của cải vật chất xã hội Mỗi năm trên thế giới trung bình có khoảng 10.000 người bị chết do động đất Thiệt hại kinh tế hàng năm do động đất gây

ra lên đến hàng tỉ đô la và chiếm một tỉ trọng khá lớn trong tổng sản phẩm quốc dân ở nhũng nước phải chịu thảm họa này

Trong lịch sử đã từng xảy ra những trận động đất tiêu biểu về sức tàn phá và hậu quả to lớn đối với con người như: Trận động đất ở Valdivia mạnh 9,6 độ richte xảy ra

Trang 19

ngày 22/5/1960 tại vùng Valdivia (Chi Lê) đã tàn phá phần lớn miền Nam Chi Lê và cướp đi sinh mạng của 1600 người Không chỉ có vậy, trận động đất này cũng đã gây

ra các đợt sóng thần ở nhiều khu vực bờ biển Thai Bình Dương làm chết 200 người tại những nơi xa xôi như Hawai, Nhật Bản và Philipines, cũng như làm phun trào một núi lửa gần biên giới với Argentina Các nhà khoa học tính toán rằng, năng lượng giải phóng từ thảm họa lịch sử trên lớn hơn 200 lần so với quả bom nguyên tử ném xuống thành phố Hiroshima (Nhật Bản) vào cuối thế chiến thứ 2 Ngày 27/03/1964, trận động đất mạnh 9,2 độ richter tại thành phố Anchorage thuộc bang Alaska (Mỹ) đã khiến 131 người chết và thiệt hại kinh tế ước tính 500 triệu USD (khoảng 11.000 tỷ đồng Việt Nam) Trận động đất mạnh 9,0 độ Richter xảy ra ngày 26/12/2004 ở Sumatra, Indonesia, năm 2004 Đây là trận động đất xảy ra dưới đáy biển, đã kích hoạt mội chuỗi các đợt sóng thần chết người lan tỏa khắp Ấn Độ Dương, những con sóng cao 30m, tàn phá cộng đồng dân cư sinh sống ven biển ở một loạt các nước Indonesia, Srilanka, Ấn Độ, Thái Lan và những nơi khác, cướp đi sinh mạng của hopwn 225.000 người thuộc 11 quốc gia Cho đến nay, thiên tau này là một trong những thảm họa gây nhiều tử vong nhất trong lịch sử thế giới hiện đại Vừa mới đây, trận động đất tại Nhật Bản xảy ra vào tháng 03/2011 mạnh 8,9 độ richte cách bở biển Sendai 130km và cách Đông Bắc Tokyo 382km, dưới độ sâu 24km, đã gây thảm họa kép cho đất nước Nhật Bản bao gồm động đất sóng thần và nguy cở thảm họa hạt nhân từ việc rò rỉ phóng xạ tại các nhà máy điện hạt nhân do hư hỏng cục bộ lò phản ứng, làm chết hơn 10.000 người và thiệt hại kinh tế Nhật Bản lên tới 200 tủ USD, và hậu quả chưa lường được nếu không ngăn chặn được sự rò rỉ phóng xạ

Hình 1.6: Động đất ở Valdivia, Chilê (22/5/1960)

Trang 20

Hình 1.7: Động đất ở Anchorage, Mỹ (27/03/1964)

Hình 1.8: Động đất ở Sumatra, Indonesia (26/12/2004)

Trang 21

1.3.2 Ảnh hưởng của động đất đến công trình

Tác động của động đất dưới dạng sóng truyền từ tâm chấn tới nền đất và công trình xây dựng, gây ra các hậu quả tác động rất khác nhau tới nền đất và các công trình xây dựng

Các biến dạng lớn của nền đất là nguyên nhân quan trọng gây ra các sự cố cho các công trình xây dựng Việc nghiên cứu ứng xử của công trình xây dựng khi chịu động đất thường được giả thiết với nền đất ổn định, không có biến dạng thường xuyên Đối với những nền đất có thể bị mất ổn động, lún do hóa lỏng hoặc nén chặt khi động đất xảy ra phải được khảo sát nghiên cứu đày đủ và áp dụng các kỹ thuật gia cố nền khi xây dựng

1.4 Quá trình phát triển các phương pháp xác định tải trọng động đất

1.4.1 Hệ kết cấu đàn hồi nhiều bậc tự do chịu tác động động đất

Để xem xét hệ kết cấu đàn hồi nhiều bậc tự do chịu tác động động đất trong trường hợp cụ thể ta xem xét mô hình kết cấu nhà nhiều tầng chịu tải trọng động đất

Trang 22

Hình 1.10: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do

chịu tác động động đất

Trong tính toán thực tế ta có thể mô hình hóa chúng một cách đơn giản hơn bằng cách sử dụng các giả thiết sau đây:

Trong phạm vi mỗi tầng như ở hệ có một bậc tự do động:

i) Bản sàn tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó

ii) Các cột hoặc các bộ phận thẳng đứng chịu lực không có khối lượng nhưng

có tổng độ cứng là k và biến dạng dọc của chúng được xem là không đáng kể

iii) Cơ cấu phân tán năng lượng được biểu diễn bằng bộ phận giảm chấn thủy lực có hệ số cản bằng c

Với các giả thiết trên, tất các các nút nằm trong mặt phẳng sàn sẽ có các bậc tự

do chuyển bị xoay bằng không, còn các bậc tự do chuyển vị thẳng theo phương ngang (x và y) được biểu thị qua ba bậc tự do chuyển vị vật thể rắn của bản sàn trong mặt phẳng của nó

Sơ đồ tính toán các kết cấu phẳng hoặc kết cấu đối xứng trong mặt bằng sẽ có dạng như hình:

Ở sơ đồ tính toán này mỗi tầng chỉ còn lại một bậc tự do duy nhất là chuyển vị ngang ukx(t)=xk(t) thep phương của chuyển động nền đất

1.4.2 Phương trình chuyển động

Dưới tác dụng của động đất, móng của công trình được xem là tuyệt đối cứng

Trang 23

chịu một chuyển vị cưỡng bức theo phương ngang x0(t) Tại bất kỳ thời điểm nào của chuyển động, mỗi khối lượng mk của hệ kết cấu sẽ thực hiệm một chuyển động tịnh tiến ngang x0(t) và một chuyển động ngang tương đối xk(t) Chuyển động tuyệt đối hoặc toàn phần của khối lượng mk so với trục cố định z sẽ bằng

Trong đó {1} là vec tơ đơn vị bậc n cho trường hợp hệ kết cấu chỉ có các bậc tự

do theo phương ngang, cùng phương với chuyển động động đất như hình vẽ

Để thiết lập phương trình chuyển động của hệ kết cấu có mô hình tính toán như trên, chịu ngoại lực tác động Fk(t), k = 1 tới n, ta dùng phương pháp chuyển vị hoặc còn gọi là phương pháp ma trận độ cứng Ở phương pháp tính toán này, phản ứng động của kết cấu được xác định bởi các chuyển vị xk(t), vận tốc x’k(t) và gia tốc x”k(t) theo hướng các bậc tự do của kết cấu

Áp dụng nguyên lý d’Alembert, cac ngoại lực tác động Fk(t) sẻ cân bằng với các thành phần lực đàn hồi FHk(t), lực cản FCk(t) và lực quán tính FQk(t) của kết cấu theo hướng bậc tự do k:

FQk(t) + FCk(t) + FHk(t) = Fk(t) (k=1,2, n) Trường hợp công trình chịu động đất thì Fk(t)=0

FQk(t): Lực quán tính xuất hiện ở bậc tư do k khi hệ có chuyển vị tuyệt đối

Trang 24

với vận tốc đơn vị trong hệ cơ bản như hình còn gọi là hệ số ảnh hưởng độ cản

Hình 1.11: Mô hình xác định ma trận độ cứng của hệ kết cấu nhiều bạc tự do động

1.4.3 Chu kỳ và dạng dao động của hệ kết cấu

Xét hệ kết cấu có nhiều bậc tư do đồng dao động tự do không có lực cản

Trang 25

n

A A A

Giải phương trình ta sẻ được n nghiệm tực, dương ω1, ω2, , ωn biểu thị các tần

số dao động riêng của hệ kết cấu Tần số f và chu kỳ T xác định theo công thức:

2

; 2

Trang 26

Đối với mỗi trị số riêng ωi, phương trình trở thành

,

j

j i

1.5 Tương tác giữa nền đất và công trình

Sự tương tác giữa nền và công trình là mối ảnh hưởng qua lại giữa chúng, tạo nên

sự phân bố lại nội lực trong kết cấu và biến dạng trong nền đất Với kết cấu có bậc tự

do siêu tĩnh lớn, ảnh hưởng này càng rõ rệt và không thể không xem xét ngay cả trong bài toán tĩnh

Trong bài toán động đất, sóng động đất được truyền qua nền đất để tác động vào kết cấu, sự phá hoại của công trình bắt nguồn từ sự dao động với biên độ lớn vượt chuyển vị cho phép và tổng lực cắt do động đất gây ra tại chân công trình

1.5.1 Các phương pháp phân tích tương tác nền và công trình

Bài toán tương tác giữa nền và công trình là bài toán xét đến ảnh hưởng của nền đất đến dao động, chuyển vị, nội lực của hệ kết cấu Tùy theo quan điểm xem xét môi trường đất liên quan đến kết cấu có thể chia thành các phương pháp: Phương pháp thay thế nền bằng các thanh liên kết đàn hồi (các lò xo), ảnh hưởng của nền được phản ánh qua đặc trưng đàn hồi của liên kết đàn hồi Phương pháp tính kết cấu và nền làm việc đồng thời như một môi trường liên tục

1.5.1.1 Phương pháp thay nền bằng các thanh liên kết đàn hồi (lò xo)

Theo phương pháp này, tiếp xúc giữa công trình và nền đất được thay thế bằng các liên kết lò xo Độ cứng của các lò xo xác định bằng tích của hệ số nền Winkler với chiều dài ảnh hưởng của lò xo đó Các lò xo đóng vai trò là kháng lực đàn hồi Khi bỏ qua ma sát giữa kết cấu và nền đất, phương của lò xo trùng với phương tương tác giữa nền và công trình, độ cứng của các lò xo xác định bằng tích của hệ số nền Winkler với

Trang 27

chiều dài tác dụng xung quanh nút tính toán

1.5.1.2 Phương pháp tính toán kết cấu và nền như một môi trường liên tục

Theo phương pháp này, kết cấu nền đất không tách rời nhau mà gắn chặt vào nhau như một môi trường liên tục Nền đất được xem như một bán không gian đàn hồi được đặc trưng bằng các Modul đàn hồi E0 và hệ số nở hông μ0 Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu và nền đất được xác định bằng các phương trình của lý thuyết đàn hồi Nền có thể có cấu tạo nhiều lớp thep các điều kiện khảo sát cấu tạo địa chất

1.5.2 Một số phần mềm ứng dụng PTHH giải bài toán tương tác giữa nền và công trình

LUSH2: Là một sản phẩm của các nhà khoa học tại khoa xây dựng trường đại học California, Berkeley năm 1974 Tên chương trình là sự kết hợp các chữ cái đầu tên các nhà khoa học nghiên cứu và sáng tạo gồm Lysmer John, Udaka Takekazu, Seed, H.Bolton, Hwang, Richard N Trong chương trình nàym hệ kết cấu công trình - nền được rời rạc hóa theo mô hình PTHH hai chiều Phần mềm có tính đến hiệu ứng phi tuyến của đất nền khi chịu tải trọng động đất Chuyển động động đất được mô tả thông qua giản đồ gia tốc tại lớp đá gốc, sau khi xử lý, LUSH2 đưa ra kết quả tính toán là giản đồ gia tốc tại các nút của hệ công trình - nền

FLUSH: Cũng là một sản phẩm của trung tâm nghiên cứu động đất, trường đại học California, Berkeley năm 1975, là chương trình phát triển tiếp nối ừ LUSH Tính năng cơ bản của chương trình là nó cho phép phân tích bài toán tương tác 3D của hệ công trình - nền từa vào các lớp đất nằm ngang Chương trình sử dụng biên nhớt và biên đồng nhất để hấp thụ sóng phản xạ

Plaxis 2D: Sự phát triển chương trình Plaxis được bắt đầu từ năm 1987 tại đại học Công nghệ Delff - Hà Lan Plaxis là tên gọi của công ty Plaxis BV được thành lập

từ năm 1998, các phần mềm Plaxis đều được xây dựng theo phần tử hữu hạn Plaxis là chương trình phân tích tương tác nền và công trình tổng quát Trong phần mềm này, nền đất được mô tả bằng các thông số địa chất như Modul đàn hồi, độ dính, hệ số ma sát Kết quả phân tích cho thấy nội lực, chuyển vị của kết cấu cũng như bề mặt tiếp xúc giữa công trình và nền

Plaxis 3D Foundation: Là phần mềm phân tích tổng thể 3D tương tác giữa công trình và nền Hệ kết cấu được mô tả đầy đủ từ móng đến phần thân công trình và được đặt trực tiếp vào nền đất

Etabs: Là sản phẩm của trung tâm Csi (Computer and structure, Inc) Berkeley, California, Mỹ Chương trình này phân tích và thiết kế công trình có kể đến bài toán tương tác nền - công trình thông qua việc sử dụng các gối lò xo đặt tại móng Chương

Trang 28

trình có thể phân tích động lực kết cấu

1.6 Kết luận chương

Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ xây dựng, ngày càng nhiều công trình cao tầng, siêu cao tầng và các công trình có tầng hầm sâu được thiết kế và thi công Đối với các công trình này và đặc biệt là các công trình có tầng hầm sâu, việc tính toán thiết kế công trình càng sát với sự làm việc thực của công trình là cần thiết Trong chương này, tác giả đã nêu được xu hướng phát triển nhà có nhiều tầng hầm trong tương lai Ảnh hưởng của động đất đến việc sử dụng công trình cũng được nêu lên nhằm nêu bật tầm quan trọng của việc kể đến tải trọng động đất trong khâu tính toán và thiết kế công trình

Các khái niệm về phương pháp phân tích, tính toán về sự làm việc chung của công trình và nền đất cũng được thu thập và nêu lên, tạo tiền đề cho các kiến thức được phát triển trong các chương sau

Trang 29

CHƯƠNG 2

TƯƠNG TÁC GIỮA NỀN ĐẤT VÀ CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG

ĐỘNG ĐẤT

Tương tác giữa nền đất và công trình (Soil – Structure Interaction) thường được

kể đến trong phân tích kết cấu bằng việc mô hình nền đất thông qua các liên kết đàn hồi tại vị trí tiếp xúc Độ cứng các liên kết đàn hồi này phụ thuộc vào điều kiện nền đất

và tính chất của kết cấu

Ngoài ra, khi kể đến tương tác giữa nền đất và kết cấu của công trình cao tầng

có nhiều tầng hầm, còn phải lưu ý đến áp lực đất tác dụng lên vách tầng hầm Áp lực đất này là hoàn toàn khác khi kể đến động đất và khi không kể đến động đất

Trong chương này, tác giả trình bày sơ lược về phương pháp tính toán tải trọng động đất Thông qua các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng động đất, sự tương tác giữa nền đất và kết cấu được kể đến nhờ việc tính toán các hệ số đàn hồi Áp lực chủ động của nền đất tác dụng vào công trình cũng được nghiên cứu, nhằm phục vụ cho bài toán phân tích ứng xử công trình trong chương 3

Các loại nền đất và các tham số đính kèm theo được tham khảo theo bảng 3.1 (TCXDVN 9386:2012, trang 30)

 Vùng động đất:

Các vùng động đất được mô tả dưới dạng một tham số là đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên nền loại A Đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên nền loại A được lấy từ bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam cho trong Phụ lục H, phần 1 TCXDVN 9386:2012

2.1.2 Tiêu chí về tính đều đặn công trình

Theo tiêu chuẩn TCXDVN 9386:2012 để áp dụng phương pháp tính toán động đất gần đúng nhất so với phản ứng thực tế của kết cấu công trình thì các kết cấu công trình phải được phân thành hai loại, đều đặn và không đều đặn Các tiêu chí để phân loại kết cấu công trình là đều đặn hay không đều đặn có thể tham khảo ở Mục 4.2.3

Trang 30

trang 42 TCXDVN 9386:2012

2.1.3 Phân loại công trình và hệ số tầm quan trọng

Trong tiêu chuẩn TCXDVN 9386:2012 công trình được phân thành 5 mức độ quan trọng, phụ thuộc vào hậu quả sụp đổ do động đất gây ra, hệ số tầm quang trọng γ1cho mỗi mức độ quan trọng của công trình được cho trong phụ lục F trang 225 TCXDVN 9386:2012 Phụ lục F được xây dựng theo bảng phân cấp, phân loại công trình xây dựng của Bộ xây dựng ban hành kèm theo nghị định số 209/2004/ND-CP ngày 16-12-2014 của chính phủ nên khi sử dụng phải tham khảo và đối chiếu với bảng phân cấp này Trong TCXDVN 9386:2012 bảng phân cấp này được cho trong phụ lục

G trang 227

2.1.4 Biểu diễn cở bản của tài trọng động đất

Trong phạm vi TCXDVN 9386:2012, chuyển động động đất tại một điểm cho trước trên bề mặt được biểu diễn bằng phổ phản ứng gia tốc đàn hồi được gọi tắt là

“Phổ phản ứng đàn hồi”

2.1.4.1 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương nằm ngang:

Với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ phản ứng đàn hồi

Se(T) được xác định bằng các công thức sau:

T : Chu kỳ dao động hệ tuyến tính một bậc tự do

Ag : Gia tốc nền thiết kế trền nền loại A(ag=γ1.agR)

TB : Giới hạn của chu kỳ, ứng với đoạn nằm ngang của phổ phản ứng gia tốc

TD : Giá trị xác định điểm bắt đầu của phần phản ứng dịch chuyển không đổi trong phổ phản ứng

S : Hệ số nền

η : Hệ số điều chỉnh độ cản, xác định theo công thức sau

Trang 31

2.1.4.2 Phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng

Thành phần thẳng đứng của tác động động đất phải được thể hiện bằng phổ phản ứng đàn hồi theo phương thẳng đứng SVe(T) được xác định bằng các biểu thức sau

2.1.4.3 Phổ thiết kế đàn hồi dùng cho phân tích đàn hồi

Khả năng kháng chấn của hệ kết cấu trong miền ứng xử phi tuyến thường cho phép thiết kế kết cấu với các lực động đất bé hơn (do kết cấu có tính dẻo) và phức tạp hơn so với các lực ứng với phản ứng đàn hồi tuyến tính

Để tránh phải phân tích trực tiếp kết cấu không đàn hồi, người ta kể đến khả năng tiêu tán năng lượng chủ yếu thông qua ứng xử dẻo của các cấu kiện hoặc ác cơ cấu khác bằng cách phân tích đàn hồi dựa trên phổ phản ứng được chiết giảm từ phổ phản ứng đàn hồi, vì thế phổ này được gọi là “Phổ thiết kế” Sự chiết giảm được thực hiện bằng cách đưa vào hệ số ứng xử q

Hệ số ứng xử q biểu thị một cách gần đúng tỉ số giữa lực động đất mà kết cấu phải chịu nếu phản ứng của nó là hoàn toàn đàn hồi với độ cản nhớt 5% và lực động đất có thể sử dụng khi phân tích theo mô hình đàn hồi thông thường mà vẫn tiếp tục bảo đảm cho kết cấu một phản ứng thỏa mãn các yêu cầu đặt ra Giá trị của hệ số ứng

Trang 32

xử q trong đó có xét tới ảnh hưởng của tỷ số cản nhớt khác 5% của các loại vật liệu và các hệ kết cấu khác nhau tùy theo cấp dẻo kết cấu tương ứng được cho trong các phần khác nhau của tiêu chuẩn này Giá trị của hệ số ứng xử 1 có thể khác nhau theo các hướng nằm ngang khác nhau của kết cấu, mặc dù sự phân loại cấp dẻo kết cấu phải như nhau theo mọi hướng

Đối với các thành phần nằm ngang của tác động động đất, phổ thiết kế Sd(T) được xác định bằng các biểu thức sau:

g

C D g

β Hệ số ứng với cận dưới của phổ thiết kế, β=0,2

Đối với thành phần thẳng đứng của tác động động đất, phổ thiết kế được cho bởi các biểu thức sau:

Hệ số ứng xử q xác định theo công thức

Trang 33

kw: Hệ số phản ảnh dạng phá hoại phổ biến trong hệ kết cấu có tường

Với loại nhà mà có sự đều đặn theo mặt đứng, giá trị cơ bản q0 cho các loại kết cấu khác nhau được cho trong bảng sau:

Bảng 2.1: Giá trị hệ số ứng xử q 0 cho hệ có sự đều đặn theo mặt đứng

Loại kết cấu Cấp dẻo kết cấu

trung bình Cấp dẻo cao

b) Hệ tường hoặc hệ kết cấu hỗn hợp tương đương tường:

- Hệ tường chỉ có hai tiowngf không phải là tường kép theo từng phương ngang

αu/α1=1;

Trang 34

- Các hệ tường không phải là tường kép: αu/α1=1,1;

- Hệ kết cấu hỗn hợp tương đương tường, hoặc hệ tường kép: αu/α1=1,2;

Với loại nhà không có tính đều đặn trong mặt bằng, khi không tính toán được giá trị αu/α1 có thể sử dụng giá trị xấp xỉ của nó bằng trị số trung bình của mục (a) và mục (b)

Hệ số kw phản ảnh dạng phá hoại thường gặp trong hệ kết cấu có tường và được lấy như sau:

- 1,0 với hệ khung và hệ kết cấu hỗn hợp tương đương khung;

- (1+ α0)/3 ≤ 1, nhưng không nhỏ hơn 0,5 cho hệ tường, hệ kết cấu hỗn hợp tương đương tường và hệ kết cấu dễ xoắn;

Trong đó: α0 là tỷ số kích thước các tường trong hệ kết cấu

- Nếu các tỷ số cạnh hwi/ lwi của tất cả các tường thứ i của một hệ kết cấu không khác nhau một cách đáng kể thỉ α0 có thể xác định từ biểu thức sau:

w 0

w

i

i

h l

  

Trong đó:

hwi: chiều cao tường thứ i;

lwi: chiều dài tường thứ i;

Tải trọng động đất phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện nền đất và đặc trưng dao động công trình, và đặc trưng dao động này còn phụ thuộc vào tương tác với nền đất,

đó là lý do phải kể đến tương tác giữa nền đất và kết cấu (SSI) trong các phần tiếp theo

2.2 Áp lực đất tác dụng lên tường vây tầng hầm trong quá trình động đất

2.2.1 Các lý thuyết tính toán áp lực đất tác dụng lên tường chắn

Khi tính toán áp lực đất lên tường chắn, độ lớn và quy luật phân bố của áp lực đất

có liên quan tới sự dịch chuyển tương đối của tường chắn so với bề mặt tiếp xúc giữa tường chắn và đất Sự dịch chuyển này có tính chất tương đối, được qui ước như trình bày dưới đây:

Trang 35

Áp lực đất chủ động được nêu trong hình b: Khi tường chắn dịch chuyển ra phía ngoài, xa bề mặt tiếp xúc giữa tường chắn và đất đơn, đất sau tường chắn được giãn ra

Áp lực đất lên tường chắn giảm xuống Chuyển vị của tường càng lớn, áp lực đất càng nhỏ Khi chuyển vị đạt đến giá trị nhất định thì xuất hiện vết nứt trong đất Khối đất sau tường sẻ trượt xuống theo các vết nứt này mà người ta gọi là mặt trượt chủ động Khi đó áp lực đất giảm đến trị số nhỏ nhất, gọi là áp lực đất chủ động Pc

Áp lực đất bị động được nêu trong hình c: Khi tường chắn dịch chuyển vào phía trong gần bề mặt tiếp xúc giữa tường chắn và đất hơn, đất sau tường bị nén chặt lại, áp lực đất lên tường tăng lên Chuyển vị càng lớn, áp lực đất càng tăng mạnh Khi chuyển

vị đủ lớn trong đất cũng như xuất hiện vết nứt gọi là mặt trượt bị động Đất bị đẩy theo mặt trượt này lên phía trên Áp lực đất lên tường đạt đến giá trị lớn nhất, gọi là áp lực đất bị động Pb

Áp lực đất chủ động và bị động của đất lên tường chắn phụ thuộc rất lớn vào tính chất cơ lý của đất, góc mái tự nhiên α, góc nghiêng của lưng tường chắn, ma sát giữa đất và tường

Hiện nay có rất nhiều phương pháp xác định áp lực lên tường chắn, tuy nhiên, các phương pháp được dùng chủ yếu thuộc 2 nhóm chính dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn do Rankine khởi xướng và dùng mặt trượt giả định Coulomb

Trang 36

2.2.2 Tính áp lực đất theo lý thuyết W.J.W Rankine

Giả thiết: Ứng suất phân bố trên mặt tiếp xúc giữa đất vào tường chắn trong trường hợp có tường và không có tường như nhau, nghĩa là bỏ qua ma sát giữa đất và tường chắn, Rankine không những xác định được giá trị áp lực đất tĩnh của đất lên tường chắn mà còn tìm ra được biểu thức xác định được giá trị áp lực đất chủ động và

bị động

a) Trường hợp đất lời (φ ≠ 0; c = 0)

Lưng tường chắn tần hầm công trình thẳng đứng, mặt đất nghiên một góc α so với phương ngang

Xét một phân tố đất M có hai mặt thẳng đứng và hai mặt song song với mặt đất ở

độ sâu z Như trường hợp xác định áp lực đất tĩnh lên tường, giả sử tường chắn không đứng yên mà dịch chuyển ra người hoặc dịch chuyển vào phía trong nền đất, giá trị

ζz=const còn giá trị ζy thay đổi trong khoản ζymin ≤ ζy ≤ ζymax Tùy thuộc vào chuyên

vị tương đối giữa đất và tường chắn Như vậy ta có thể dựng vô số vòng tròn Mohr đi qua điểm a có tâm trên trục ζ Trên hình vòng 1 ứng với tâm ζy thể hiện một trạng thái ứng suất ζy bất kỳ, vòng 2 và 3 ứng với O2, O3 tương ứng thể hiện trạng thái cân bằng giới hạn cực tiểu gây ra bởi áp lực đất chủ động ζymin và trạng thái cân bằng giới hạn cực đạo gây ra bởi áp lực đất bị động ζymax được nêu trong hình

Trang 38

2

cd

c h

k

Vì giữa đất và lưng tường chắn không thể chịu ứng suất kéo, do đó, trong phạm

vi lực kéo sẻ xuất hiện khe nứt, khi tính áp lực đất chủ động lên lưng tường chắn sẽ không xét đến tác động của vùng lực kéo, nên:

2

2 2

E  H kcH k

2.2.3 Tính áp lực đất theo lý thuyết của C.A.Coulomb

Lý thuyết áp lực đất lên tường chắn của C.A.Coulomb dựa trên cơ sở của các giả thiết sau đây:

- Tường tuyệt đối cứng không biến dạng, mặt trượt là mặt phẳng

- Lăng thể trượt xem như một khối rắn tuyệt đối dược giới hạn bằng hai mặt trượt: Mặt phát sinh trong khối đất và mặt lưng tường Giả thiết này cho phép ta thay các lực thể tích và lực bề mặt tác dụng lên lăng thể trượt bằng các lực tương đương như trọng lượng G của lăng thể trượt, phản lực R từ khối đất bất động và phản lực E từ phía tường

- Xét khối đất trượt ở trạng thái cân bằng giới hạn, nghĩa là trạng thái ứng với thời điểm bắt đầu trượt (trị số áp lực đất chủ động tính toán được xác định tương ứng với lực đẩy của lăng thể trượt lên tường, còn trị số áp lực đất bị động được xác định tương ứng với lực chống của lăng thể trượt lên tường) Với giả thiết này cho phép ta thừa nhận các góc lệch của các phản lực tại các mặt trượ bằng góc ma sát trong φ (giữa khối đất bất động và lăng thể trượt) và góc ma sát ngoài δ (giữa đất và lưng tường) đồng thời đa giác lực (G, Ec, R) khép kín

a) Tính toán áp lực chủ động theo lý thuyết C.A.Coulomb

Giả sử có một tường chắn cứng với lưng tường phẳng AB, chẵn giữ khối đất đắp (đất rời) sau lưng tường với mặt đất có dạng bất kỳ, không chịu tác dụng của tải trọng ngoài, hình Nếu gọi ε là góc nghiêng của lưng tường so với phương thẳng đứng và ω

là góc hợp bởi mặt trượt giả thiết nào đó với phương nằm ngang, thì tại thời điểm xảy

ra trượt sẻ xuất hiện haim ặt trượt AB và BC, tạo thành lăng thể trượt ABC

Theo giả thiết trên thì phương của hai phản lực Ec và R được xác định bởi góc

ma sát ngoài δ và góc ma sát trong φ như hình Điều kiện cân bằng giới hạn được thỉa mãn khi tam giác lực (G, Ec, R) khép kín Do đó, dựa vào hệ thức lượng của tam giác

Trang 39

lực của hình, có thể rút ra được biểu thức sau đây của áp lực chủ động đối với đất rời lên lưng tường chắn

b) Tính toán áp lực đất bị động theo lý thuyết C.A.Coulomb

Nếu dưới tác dụng của lực ngoài, tường chắn chuyển vị về phía đất và gây ra trạng thái cân bằng giới hạn bị động, thì đất sau tường có khả năng bị trượt lên theo

Trang 40

mặt trượt BC và BA (hình) Ở trạng thái cân bằng giới hạn, lăng thể ABC chịu tác dụng của các lực:

Hình 2.5: Tính áp lực đất bị động C.A.Coulomb

Hình: Tính áp lực đất bị động C.A.Coulomb

- Trọng lượng bản thân G của lăng thể trượt ABC

- Phản lực R của phần đất còn lại đối với lăng thể ABC

- Phản lực Eb của lưng tường đối với lăng thể trượt

Vì lăng thể ABC ở trạng thái cân bằng giới hạn và có xu hướng trượt lên trên, nên phương và chiều của các lực tác dụng có thể biểu thị như trên hìn Hệ lực tác dụng lên lăng thể cân bằng nên tam giác lực khép kín Từ hệ thức lượng trong tam giác lực

có thể dễ dàng rút ra công thức của Eb như sau:

12

c) Tính toán áp lực đất theo lý luận V.V.Xoclovxki

Thực tế cho thấy rằng sự có mặt của tường chắn trong đất sẽ làm thay đổi điều kiện làm việc của nền đất sau lưng tường rất nhiều Chính vì vậy cần đưa vào tính toán không những điều kiện biên ở trên mặt đất mà còn cả điều kiện biên ở mặt tiếp xúc giữa đất và tường, đó chính là yếu tốma sát giữa đất và tường

Ngày đăng: 22/06/2020, 10:48

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w