Nghiên cứu về biến dạng cắt của vật liệu đá trong thân đập phòng chống lũ và xói mòn dạng khung nhỏ

Đập phòng chống lũ và xói mòn dạng khung nhỏ có cấu kiện đá hộc đổ vào bên trong thân còn được gọi là đập rọ đá. Độ ổn định của loại đập này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau trong đó có biến dạng cắt dưới tác động của áp lực đất. Đây là một yếu tố quan trọng phải được xét đến trong tính toán ổn định cũng như trong thiết kế.

NGHIÊN CỨ U VỀ BIẾN DẠNG CẮT CỦA VẬT LIỆU ĐÁ TRONG THÂN ĐẬP PHỊNG CHỐNG LŨ VÀ XĨ I MÒ N DẠNG KHUNG NHỎ TS Đặng Quốc Dũng1 , GS TS Yoshiharu Ishikawa2 Viện Kỹ Thuật Biển, Trường Đại Học Nông Nghiệp Công Nghệ Tokyo, Nhật Bản Tóm tắt: Đập phịn g chống lũ v xói m ịn dạn g kh un g nhỏ có cấu kiện đá hộ c đổ vào bên thân gọi đập rọ đá Độ ổn định loại đập phụ th uộc vào nhiều yếu tố khác có biến dạng cắt tác động áp lực đất Đây yếu tố quan trọng phải xét đến tron g tính toán ổn định nh thiết kế Để kiểm tra lực kh án g cắt mặt trượt vật liệu đá đổ vào biến dạn g cắt, tiến hành thí ngh iệm m hình Dựa nhữn g kết thí nghiệm phát triển cơng thức tính tốn lực kháng cắt Từ khóa: thí nghiệm m hình, biến dạng cắt, đá hộc đổ vào, đập phịng chống lũ xói m ịn Summary: Small ch eck dams with rockfill materials h ave the t wo m ain types, n am ely woo den crib or steel frame The stability of them depends on var io us f actors in which the shear deformation under the actions of earth pressure is an important factor that m ust be considered in computing stability and in design The dam m odel experiments were ducted to examine the I GIỚI THIỆU đất cấu trúc đập, T erz aghi (1945) Độ ổn định đập khung gỗ thép cho cấu trúc bị phá hỏng lự c cắt khác so với đập bê tông đập đất, đất xuất t heo mặt phẳng thẳng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác đứng dọc theo đư ờng trung t âm biến dạng cắt yếu tố khung đập thép dạng tròn bị nghiêng quan trọng cần phải xem xét gây Bên cạnh lý thuyết kháng cắt dọc việc tính tốn độ ổn định Terzaghi, Cumm ings (1957) đưa lý thiết kế Dư ới t ác động áp lực đất, đập thuyết “kháng cắt ngang” hư hại bị biến dạng Độ lớn biến dạng cắt đập thép khung tròn lực cắt ngang phụ thuộc vào vật liệu đổ vào khung đất đổ vào Để đạt đư ợc độ ổn định, Do đó, việc xác định ảnh hư ởng kháng cắt đất theo m ặt phẳng dọc thay đổi vật liệu đổ vào biến dạng cắt ngang với ma sát giữ a khóa hết sứ c cần thiết Thân đập dạng khung liên động khung phải lớn đổ đầy đá có cạnh với độ thấm ngoại lự c tác động Kitajima (1962) cao để loại bỏ áp lực thủy t ĩnh kháng kiến nghị phương pháp tính tốn độ lại áp lự c đất Liên quan t ới sức kháng cắt ổn định biến dạng cắt đập khung vật liệu đá trịn cách so sánh mơmen kháng cắt đất đổ vào với mômen ngoại lự c đập đư ợc phát triển Đồng t hời, Katsuki nnk (1991) giới thiệu hiểu đư ợc trạng t hái hư hại biến phương pháp ớc lượng lực kháng cắt dạng cắt đập khung, qua có mơmen đá đập khung thép hướng giải quy ết để cân nhắc tốt thí nghiệm Itoh nnk (1997) giới thiệu thiết kế phương pháp tiếp cận biến dạng cắt II BỐ TRÍ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM thí nghiệm lời giải số Áp dụng cơng Gỗ thông (Cryptomeria japonica) sử thức nghiên cứu vào tính tốn dụng để xây dự ng mơ hình thí nghiệm, biến dạng cắt, ngoại lực tập trung tác loại trồng nhiều dụng lên tường sau đặt vị trí 2/3 chiều Nhật Bản nằm chương trình cao đập (tính từ xuống) cho thấy: áp tỉa thư a hàng năm phủ Việc lực đất m ơmen kháng cắt tính chọn khung gỗ cho phép thực thí nhỏ so với thực tế điều kiện dạng đập nghiệm nhiều lần thay khung thép khung, lý phư ơng thức thí nghiệm thực lần ứng suất vượt qua mục đích thí nghiệm khác Do đó, giới hạn dẻo Mơ hình đập với kích thước nghiên u này, chúng t ôi thự c 0.8m x 1,2m x 1.06m, phần kích thí nghiệm mơ hình có kích thước chuẩn thước bao quanh rọ đá 0.5m x 0,9m x theo phư ơng pháp thiết kế đề xuất 1.06m (hình & 2) Cấu trúc kết T S Đặng Quốc Dũng nnk (2007) hợp từ gỗ trịn đường kính 100mm gắn cho đập khung gỗ Thí nghiệm thực kết bu-lơng đường kính 12mm Cơng phịng N ghiên u Kỹ thuật Kiểm cụ thí nghiệm bao gồm: kích thủy lự c sốt Xói mịn T hủy văn, Trư ờng Đại (dung lượng tải nạp 100kN) dùng để tác Học Nông N ghiệp Công Nghệ Tokyo, động tải trọng lên thân đập, vị trí đặt kích Nhật Bản T nhất, thí nghiệm nhằm làm xem hình Độ cao đặt t ải nạp tư ơng rõ tính chất lực kháng cắt vật liệu đương với điểm đặt tổng áp lự c đất đá bên thân đập Thứ hai, góc trư ợt (ngoại lực) tác dụng lên tường sau vật liệu đá đập bắt đầu chịu áp lực thực tế T ải trọng truyền trực tiếp quan sát để nghiên cứu thay đổi qua toàn cấu trúc thơng qua lớp đệm trạng thái kháng cắt tồn cấu trúc Dựa kết thí nghiệm, cơng thức t ính tốn cho lực kháng cắt loại gỗ tường sau mơ hình Nền khung thân cố định neo môm en khung thép bên khung đá không bị trượt lật nhào Do đó, có kháng lự c cắt xuất thí nghiệm thước đo chuyển vị theo phương ngang đỉnh (1.0m ), giữ a (0.6m) gần cuối chân đập (0.13m) tính từ Trong đó, thư ớc theo m ặt phải đặt tên R-top, R-middle, R-low; thước t heo mặt trái L-top, L-m iddle, L-low Để đo độ chuy ển vị thẳng đứng mặt phía thư ợng lưu, thước đo thiết định thẳng đứng vị trí tường trái tường phải gọi R-vertical and L-vertical Ngoài thiết bị đo chuyển vị tự động đư ợc lắp đặt giữ a tư ờng 0.8m (Phía hạ lưu, mặt tây) (Phía trái, mặt nam) 1.2m 0.5m (Phía thượng lưu, mặt đơng) Hình 1: Thiết bị mơ hình thí nghiệm (Phía phải, mặt bắc) trước mơ hình độ cao 1.0m để kiểm tra lại mức độ chuyển vị ngang thước đo Tải nạp từ kích thủy lự c ghi tự động với chuyển vị thông qua máy tính gắn kết với cảm biến Đá đổ vào có hệ số đồng Cu = 1.39 (bảng 1) Nhìn từ bên Đường cong cấp phối hạt Kích thủy lực hình Khe hở thành phần 0.9m lọt ngồi thí nghiệm 0.35m 1.06m cấu thành khung 60mm để đá khơng bị Nhìn từ bên hơng Hình 2: Mơ hình nhìn từ bên bên hơng III TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 3.1 Thí nghiệm xác định lực kháng cắt 100 80 70 60 50 40 30 20 10 Đường kính hạt (mm) 125 mm Phía hạ lưu, mặt tây 100 Hình 3: Đường cong cấp phối hạt 180 mm 10 900 m m Tỷ lệ phầ n trăm cá c hạt nhỏ hơn（ ％） 90 Bảng Chi tiết vật liệu đá đổ vào Khối Hệ số lượng Khối đồng Trường thể lượng hợp tích (kg) Cu (T/m ) Lần 683.51 1.43 1.39 Lần 681.04 1.43 Tải trọng chuyển vị ngang đư ợc đo tự động cách đồng thời giây lần cảm biến kết nối với máy tính Mức gia tải 2kN cho phép quan sát tốt biến dạng dẻo m đảm bảo chức 500 mm làm việc khung đập Sau Hình 4: Vị trí dây kẽm vật cấp gia t ải, áp lực trả 0kN, sau liệu đá (4 điểm khoanh trịn) lại tiến hành bư ớc gia tải Tại thời điểm chuyển vị R-top L-top - Thí nghiệm kích tải nạp khung có đá vượt q 120mm (khoảng 10% chiều rộng đổ vào (trường hợp 2): thực lần đập) thí nghiệm dừ ng lại mơ hình Sau lần hồn thành trư ờng hợp thí khơng cịn đảm bảo chức nghiệm, mơ hình xử lý mức chuyển vị Mức chuy ển vị ngang đổ đá lại từ đầu để đảm bảo lần thí 120mm điều kiện để kết thúc lần nghiệm sau đạt trạng thái tốt nhất, loại trừ thí nghiệm Các trường hợp thí nghiệm thấp khả có sai số lần thí sau: nghiệm trước để lại - Thí nghiệm kích tải nạp có 3.2 Thí nghiệm xác định mặt trượt khung, khơng có đá đổ vào, (trư ờng hợp Thí nghiệm để xác định mặt trượt 1): thực lần thực cách sử dụng dây thép mỏng không liên kết với (mỗi dây dài 1.3m, đư ờng kính 1.5mm) đặt thẳng đứng bên vật liệu đá dọc theo Đối với m ặt trượt, giá trị điểm bị uốn chiều rộng đập (hình 4) Việc định vị cong lớn (quan sát chuyển vị dây vị trí t hẳng đứng đư ợc tiến hành ngang 120mm sau dừng thí trước, sau đá đư ợc đổ đầy vào thân nghiệm) xấp xỉ tuyến tính đâp điểm bị uốn cong lớn hình Do vậy, ta thấy góc mặt trư ợt dây kẽm m ặt trượt đá Thí khoảng 300 chuyển vị đạt 120mm nghiệm sử dụng dây thép mỏng nhằm hạn 14 chế tối đa lự c kháng dây lên mô hình IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 Kết đánh giá lực kháng cắt mặt trượt Lực kháng cắt (kN) dễ quan sát điểm uốn cong 12 Tải trọng t ác dụng chuyển vị 10 T/h (2): Trung bình 0 trường hợp & hình 20 40 60 80 100 120 140 Chuyể n vị (mm) Sứ c kháng cắt khung đư ợc tính trung Hình Lực kháng cắt đá bình từ lần thí nghiện trường hợp 50 nạp trừ cho kháng khung Kháng cắt đá đư ợc tính trung bình từ lần thí nghiệm trư ờng hợp Lự c kháng cắt đạt giá trị lớn 13.4 kN chuyển vị 80mm (hình 6) 40 30 20 30 y = 0.5694x r = 0.955 10 T/h ( 2) (lần 1) T/h ( 2) (lần 2) T/h (1) 20 0 25 Tải nạp (kN) Chiều ca o đập H (cm) Lự c kháng cắt t ính cách lấy tải 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Chiều rộng đập B (cm) Hình 7: Xác định mặt trượt đá 15 4.2 Kết tính lực kháng cắt 10 phương pháp giải tích Thí nghiệm m ặt trư ợt cho thấy áp lự c 0 20 40 60 80 100 120 140 Chuyển vị (mm) Hình 5: Tải nạp chuyển vị đá chủ yếu áp lực thụ động Áp lực chủ động tư ơng đối nhỏ bỏ qua Lực tác động lên khối đá mặt trượt Trong đó:   H, B: chiều cao rộng đập; P1: t ải nạp; P: áp lực đá thụ động (tương ứ ng với lự c H kháng cắt đá); W: trọng lư ợng khối đá W mặt trượt ; T: ma s át mặt trượt; N: P1 δ phản lự c lên khối đá m ặt trượt; V: lự c    T neo để cố định thân đập vào đập; δ : N góc ma sát tải nạp tư ờng sau;  : góc mặt trượt;  ,  : góc ma s át B V trọng lượng riêng đá Cùng với thí nghiệm xác định lực kháng Hình 8: Lực tác dụng lên vật liệu đá cắt mặt trượt, đồng thời tiến P1 V P δ 900      R hành thí nghiệm xác định góc ma sát   đá đổ vào với kết tính tốn W  = 440 T uy nhiên, qui trình thí nghiệm N kết chi tiết góc ma s át T trình bày báo khác Áp dụng công thứ c (1) cho thơng số mơ hình: H = 1.06m, B = 0.9m , L = 0.5m,   14 3kN/m ,  = 440 ta thu Pmax =  13.2kN Kết gần với kết thí nghiệm 13.4kN Do lý t huyết Hình 9: Sơ đồ lực phân tích từ mơ hình tính tốn đưa hợp lý công t hức (1) đưa vào thực tế thiết kế biến dạng cắt biểu diễn hình Kết tính tốn áp lự c đá thụ động từ sơ đồ lực (hình 9) mét chiều dài đập sau: Pmax (1)    V KẾT LUẬN Kết cho thấy không giống nghiên             B tan    2 H  B tan     tan         2 Pmax   khả thi cứu riêng biệt T erz aghi Cumm ings cho đập thép khung tròn, hư hại biến dạng cắt xuất t heo mặt phẳng ngang dọc Đối với đập khung chữ nhật (gỗ thép), tổng áp lự c đất tường áp lự c bị động chiếm u toàn sau (ngoại lực) đặt 2/3 chiều cao đập trình Dựa nhữ ng kết thí tính từ xuống, mặt trư ợt xuất nghiệm, cơng thức tính tốn lự c kháng cắt theo mặt nghiêng Góc trượt khoảng 300 phát triển Hiểu chế biến chuyển vị đạt 120mm Lực kháng cắt dạng cắt đá hộc thân đập s ẽ vật liệu đá đổ vào làm rõ Áp đóng vai trị quan trọng việc phát lực kháng đá bên đóng vai trị triển phư ơng pháp gia cư ờng kháng lại biến dạng cắt tương lai gần TÀI LIỆU THAM KHẢO Cumm ings, E.M (Sept., 1957) Cellular coffers dam and docks, ASCE Proceedings WW-3 Itoh, K., Katsuki, S., Ishikawa, N., Abe, S (1997): Shear resistance of filled m aterial considering the compaction effect and an application to the cellular check dam design Journal of Japan Society of Civil Engineers, No.570/I-40, pp 187-201 (in Japanese) Katsuki, S., Ishikawa, N., Ohira, Y., Suzuki, H (1991): An estim ation m ethod of shear resistance force and earth pressure of fill m aterials in the steel m ade Sabo structure Journal of Japan Society of Civil Engineers, No.410/I-15, pp 97-106 (in Japanese) Kitajim a, S (1962): Destruction of cellular structures on bedrocks, Soil and Foundation, Vol.10, No.8, p.25-33 (in Japanese) Quoc Dung Dang, Yoshiharu Ishikawa, Hiroyuki Nakam ura, Katsushige Shiraki Evaluating m ethod of durability of small wooden crib dam s with considering the deterioration rate, the Journal of Japan Society of Erosion Control Engineering (JSECE), Vol.60, No.2, pp.13-24, July 2007 Terzaghi, K (1945): Stability and stiffness of cellular cofferdam s, ASCE, Transaction, Vol.110, 1945 ... Lực kháng cắt dạng cắt đá hộc thân đập s ẽ vật liệu đá đổ vào làm rõ Áp đóng vai trị quan trọng việc phát lực kháng đá bên đóng vai trị triển phư ơng pháp gia cư ờng kháng lại biến dạng cắt tương.. .của đất đổ vào với mômen ngoại lự c đập đư ợc phát triển Đồng t hời, Katsuki nnk (1991) giới thiệu hiểu đư ợc trạng t hái hư hại biến phương pháp ớc lượng lực kháng cắt dạng cắt đập khung, ... cảm biến kết nối với máy tính Mức gia tải 2kN cho phép quan sát tốt biến dạng dẻo m đảm bảo chức 500 mm làm việc khung đập Sau Hình 4: Vị trí dây kẽm vật cấp gia t ải, áp lực trả 0kN, sau liệu đá