Tính toán đập bê tông làm việc đồng thời với nền cọc

LỜI CẢM ƠN Sau khoảng thời gian học tập với giúp đỡ vô quý báu, tận tâm thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thuỷ Lợi, cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo Khoa học ứng dụng Miền Trung, bạn bè đồng nghiệp với nỗ lực cố gắng học tập, tìm tịi, nghiên cứu, tích lũy kinh nghiệm thực tế thân, tơi hồn thành luận văn thạc sĩ chun ngành Xây dựng cơng trình thủy thời hạn với đề tài: “Tính tốn đập bê tơng làm việc đồng thời với nền, cọc” Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới lãnh đạo trường Đại học Thủy Lợi, Viện Đào tạo Khoa học ứng dụng Miền Trung, Phòng Đào tạo đại học sau đại học, khoa Cơng trình thầy tham gia giảng dạy thầy cô môn Sức bền- Kết cấu thời gian qua tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa học luận văn Đặc biệt tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Lý Trường Thành trực tiếp hướng dẫn, bảo giúp tận tình, cung cấp thơng tin khoa học q báu cho tơi suốt q trình thực luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người khích lệ, động viên, tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu vừa qua Do hạn chế thời gian, kiến thức lý luận chưa sâu, kinh nghiệm thực tế nên luận văn tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp bảo tận tình thầy cô giáo bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Ninh Thuận, tháng 03 năm 2012 Tác giả luận văn NGUYỄN THẾ THÀNH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN CAM KẾT Tôi là: Nguyễn Thế Thành Học viên lớp: 18C – ĐH2 Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ với đề tài: “Tính tốn đập bê tơng làm việc đồng thời với nền, cọc” cơng trình nghiên cứu thân Các thông tin, tài liệu, bảng biểu, hình vẽ… lấy từ nguồn khác trích dẫn nguồn đầy đủ theo quy định Nếu có sai trái tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm theo quy định nhà trường Ninh Thuận, tháng 03 năm 2012 Tác giả luận văn NGUYỄN THẾ THÀNH MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÀ ĐẬP BÊ TÔNG 1.1 Tổng quan loại đập 1.1.1 Đập đất 1.1.2 Đập đá đập đá hỗn hợp 1.1.3 Đập bê tông trọng lực 1.1.4 Đập vòm 1.1.5 Đập chống 1.1.6 Các loại đập khác 12 1.2 Tình hình xây dựng đập nói chung đập bê tơng trọng lực nói riêng giới 14 1.3 Tình hình xây dựng đập Việt Nam 17 CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH TÍNH TỐN ĐẬP BÊ TƠNG TRỌNG LỰC 22 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thức mặt cắt đập bê tông trọng lực 22 2.2 Giới thiệu phương án tính tốn 22 2.2.1 Mặt cắt đập BTTL 22 2.2.2 Mặt cắt thực tế đập BTTL 23 2.2.3 Các phương pháp tính tốn ổn định đập bê tông trọng lực 24 2.3 Ưu nhược điểm phương pháp – quan điểm tính tốn trường hợp ứng dụng 24 2.3.1 Các quan điểm lựa chọn tiêu chuẩn ổn định đập: 24 2.3.2 Các phương pháp phân tích ứng suất đập BTTL: 25 2.4 Một số vấn đề chưa hợp lý tính tốn đập bê tơng trọng lực 28 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TỐN ĐẬP BÊ TƠNG TRÊN NỀN VÀ CỌC 29 3.1 Giới thiệu Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) số phần mềm thông dụng 29 3.1.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn 29 3.1.2 Các quan hệ phần tử 32 3.1.3 Hệ phương trình toán 35 3.1.4 Các phần mềm tính tốn thơng dụng 36 3.1.5 Giới thiệu phần mềm SAP 2000 36 3.2 Giới thiệu móng móng cọc 43 3.2.1 Nền 43 3.2.2 Móng 43 3.2.3 Ý nghĩa công tác thiết kế - móng 44 3.2.4 Tính tốn móng theo trạng thái giới hạn: 45 3.3 Móng cọc 46 3.3.1 Khái niệm 46 3.3.2 Phân loại cọc 47 3.3.3 Cấu tạo, phương pháp thi công đặc điểm cọc khoan nhồi [4] 47 3.4 Tổng quan sức chịu tải cọc 53 3.4.1 Sức chịu tải dọc trục 53 3.4.2 Cọc chịu tải trọng ngang 61 3.5 Mơ hình tính tốn luận văn 69 4.1 Giới thiệu chung cơng trình 71 4.1.1 Tên dự án 71 4.1.2 Chủ đầu tư hình thức quản lý dự án 71 4.1.3 Tổ chức tư vấn lập dự án 71 4.1.4 Chủ nhiệm lập dự án 71 4.1.5 Mục tiêu đầu tư xây dựng 71 4.1.6 Hình thức đầu tư 71 4.1.7 Địa điểm xây dựng 71 4.1.8 Các tiêu thiết kế: 72 4.1.9 Các phương án lựa chọn tuyến đập 73 4.2 Điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu 74 4.2.1 Điều kiện địa chất phương án tuyến IIA 74 4.2.2 Đánh giá chung điều kiện địa chất cơng trình 76 4.3 Các thông số trường hợp tính tốn 76 4.3.1 Các thông số để tính tốn 77 4.3.2 Các tiêu tính tốn vật liệu 77 4.3.3 Các trường hợp tính tốn 78 4.4 Áp dụng tính toán cho đập hồ Suối Nước Ngọt 79 4.4.1 Tính tốn theo phương pháp truyền thống 79 4.4.2 Tính tốn theo phương pháp PTHH (sử dụng phần mềm SAP 2000 v12) 79 4.5 Kết luận giải pháp 81 4.5.1 Mặt cắt đập theo thiết kế: 81 4.5.2 Mặt cắt đập có lỗ rỗng mặt cắt đập mở rộng đáy 81 4.5.3 Kết tính tốn mặt cắt khác 82 THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng thống kê số lượng đập khu vực giới (2000) 14 Bảng 1.2: Bảng thống kê số đập cao xây dựng 15 Bảng 3.1: Giá trị Ks loại cọc hạ cát (Meyerhof 1976) 54 Bảng 3.2: Quan hệ Su Nc 56 Bảng 3.3: Chiều sâu ngàm cần thiết 58 Bảng 3.4: Cường độ chịu tải đất mũi cọc (T/m2) 59 Bảng 3.5: Hệ số làm việc đất mặt bên cọc (TCVN 205-1998) 59 Bảng 3.6: Hệ số ma sát bên đất thân cọc fi (TCVN 205-1998) 60 Bảng 3.7: Tiêu chuẩn phân biệt loại cọc 62 Bảng 3.8: Giá trị n1 n2 64 Bảng 3.9: Giá trị Kh (KN/m3) cho đất rời 64 Bảng 3.10: Hệ số nhóm η 69 Bảng 4.1a: Các tiêu lý lớp đất phương án tuyến IIA 74 Bảng 4.1b: Các tiêu lý lớp đá phương án tuyến IIA 75 Bảng 4.2: Thơng số tính tốn phương án chọn 77 Bảng 4.3: Thông số vật liệu làm đập cọc 78 THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1a: Các loại mặt cắt đập đất Hình 1.1b: Đập Sơng Trâu (Ninh Thuận) xây dựng theo hình thức đập đất Hình 1.2a: Các loại đập đá đổ thông dụng Hình 1.2b: Đập thủy điện Hịa Bình xây dựng theo hình thức đập đá đổ Hình 1.3a: Một số loại đập bê tông trọng lực cải tiến Hình 1.3b: Đập Sơn La (Sơn La) xây dựng theo hình thức đập BTTL Hình 1.4: Đập Nậm Chiến (Sơn La) thi công Hình 1.5: Một số loại đập chống thường gặp 10 Hình 1.6: Đập chống hình nêm 12 Hình 1.7: Các dạng đập chống tràn nước 12 Hình 1.8: Một số dạng đập gỗ thường dùng 13 Hình 1.9: Một số dạng đập đá tràn nước 13 Hình 1.10: Đập hỗn hợp bê tông – vật liệu địa phương 14 Hình 1.11: Đập Tam Hiệp (Trung Quốc) 16 Hình 1.12: Đập Itaipu (Brasil) 16 Hình 1.13: Đập Nurek (Tadjkistan) 17 Hình 1.14: Đập Bái Thượng (Thanh Hóa) xây dựng từ thời Pháp thuộc 18 Hình 1.15: Biểu đồ phân bố hồ chứa nước tồn quốc (2005) 19 Hình 1.16: Đập Lịng Sơng (Bình Thuận) 20 Hình 1.17: Đập Tân Giang (Ninh Thuận) 20 Hình 1.18: Hồ chứa nước Ngàn Trươi(Hà Tĩnh ) 21 Hình 2.1: Sơ đồ tính tốn mặt cắt đập BTTL 23 Hình 2.2: Mặt cắt thực tế đập bê tông trọng lực 24 Hình 3.1: Các phần tử phương pháp PTHH 30 Hình 3.2: Mơ vật thể đàn hồi 32 Hình 3.3: Giao diện khởi động chương trình 40 Hình 3.4: Thanh cơng cụ chương trình 40 Hình 3.5: Giao diện khai báo vật liệu 41 Hình 3.6: Giao diện khai báo đặc trưng hình học 41 Hình 3.7: Giao diện khai báo tải trọng 42 Hình 3.8: Giao diện khai báo thuộc tính liên kết 42 Hình 3.9: Giao diện giải toán 42 Hình 3.10: Sơ đồ cấu tạo móng cọc 47 Hình 3.11: Sơ đồ thi cơng cọc khoan nhồi 49 Hình 3.12: Máy khoan cọc nhồi hãng Benoto 50 Hình 3.13: Máy khoan cọc nhồi hãng Hitachi 50 Hình 3.14: Máy khoan cọc nhồi Bauer BG 25C 51 Hình 3.15: Máy khoan cọc nhồi Soilmec R516 HD 51 Hình 3.16: Máy khoan cọc nhồi Hausen HBN80-1 51 Hình 3.17: Lưỡi khoan cắt 52 Hình 3.18: Mũi khoan phá 52 Hình 3.19: Cơ cấu mở rộng chân cọc thủy lực 52 Hình 3.20: Thi cơng cọc khoan nhồi trường 52 Hình 3.21: Các dạng biến dạng cọc ngắn chịu tải trọng ngang 63 Hình 3.22: Sức chịu tải trọng ngang cọc đất rời 66 Hình 3.23: Sức chịu tải ngang cọc đất dính 68 Hình 3.24: Đồ thị tìm sức chịu tải ngang Qa theo chuyển vị cho phép yng cọc đất rời 68 Hình 3.25: Đồ thị tìm sức chịu tải ngang Qa theo chuyển vị cho phép yng cọc đất dính 68 Hình 3.26: Mơ hình tính tốn tải trọng tác dụng lên cọc 70 Hình 4.1: Vị trí tuyến dự kiến xây dựng cơng trình 72 Hình 4.2: Mặt cắt ngang đại diện vị trí tính tốn theo thiết kế 79 Hình 4.3: Mơ hình tính tốn đâp khơng tràn hồ Suối Nước Ngọt – Khánh Hịa 80 Hình 4.4: So sánh biến dạng cơng trình (TH1) 81 -1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đập cơng trình thủy lợi xây dựng sớm lịch sử nhân loại Cách 4000 năm đập xây dựng vật liệu địa phương xuất nhiều nơi giới với mục đích khai thác sử dụng nguồn nước tự nhiên phục vụ nhu cầu thiết yếu người Về sau với phát triển khoa học kỹ thuật đập ngày gia tăng số lượng, quy mô, vật liệu Đặc biệt sau phát loại vật liệu xây dựng bê tông, bê tông cốt thép đập ngày đóng vai trị quan trọng Theo thống năm 2000 giới có khoảng 45.000 cơng trình đập lớn nhỏ Song song với đa dạng loại đập phương pháp tính tốn thiết kế đập phát triển để đáp ứng yêu cầu thực tế Với tiến khoa học công nghệ, đặc biệt cơng nghệ tin học, việc mơ hình hóa tính tốn ngày sát với thực tế Tuy nhiên nước ta tiến khoa học kĩ thuật chưa áp dụng nhiều thực tiễn tính tốn, quy định, quy phạm áp dụng cịn sử dụng lý thuyết cũ Trong có giả thiết gần dẫn tới việc mơ hình hố chưa sát với thực tế làm việc đập gây tốn vật liệu không đảm bảo an toàn Để đáp ứng yêu cầu tận dụng tối đa nguồn nước tự nhiên việc xây dựng thêm nhiều hồ, đập tránh khỏi Tuy nhiên lúc điều kiện tự nhiên vật liệu, địa hình, địa chất thuận lợi Do yêu cầu cấp thiết đặt phải có biện pháp để khắc phục khó khăn Kết cấu đập bê tông trọng lực xây dựng phổ biến Thông thường, đập bê tông trọng lực cần phải đặt tốt, thường đá gốc nứt nẻ, song thực tế nhiều khu vực nước ta Miền Trung, Tây Nguyên, Tây Nam Bộ tầng đá gốc nằm sâu, phía tầng đất yếu xen kẹp tầng đất yếu nên khó sử dụng đập bê tông lực thông thường Giải pháp sử dụng đập vật liệu địa lúc khả thi thiếu nguồn vật liệu đảm bảo tính chất lý Giải pháp khả thi sử dụng đập bê tông kết hợp cọc để liên kết tốt với nền, đồng thời truyền tải trọng tác dụng xuống đá gốc sâu Tính tốn đập bê tơng làm việc đồng thời với nền, cọc -2- Móng cọc áp dụng rộng rãi cho nhiều loại hình cơng trình xây dựng đất yếu nhà cửa, cầu cống, trạm bơm, bến cảng Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu áp dụng cho đập bê tông trọng lực Để góp phần giải vấn đề trên, luận văn tác giả tiến hành nghiên cứu đập bê tông làm việc đất yếu kết hợp với móng cọc phương pháp truyền thống phương pháp phần tử hữu hạn, từ so sánh kết tính tốn lựa chọn giải pháp kết cấu hợp lý cho loại hình đập Mục đích đề tài - Đánh giá phương pháp, quan điểm phân tích tính tốn sử dụng để thiết kế đập bê tông, ưu nhược điểm phương pháp; - Đề xuất phương pháp tính tốn phần tử hữu hạn (PTHH); - Áp dụng tính tốn cho đập bê tơng kết hợp cọc làm việc đất yếu; - So sánh kết tính toán phương pháp truyền thống phương pháp PTHH Đưa kết luận, đề xuất số giải pháp hợp lý Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận đề tài: - Thu thập tài liệu liên quan - Thống kê, tổng kết đánh giá tổng quan tình hình tính tốn thiết kế đập bê tơng; tìm hiểu phương pháp tính tốn tại, ưu nhược điểm phương pháp - Áp dụng tính tốn cho hồ Suối Nước Ngọt (Cam Ranh, Khánh Hòa) theo phương pháp cổ điển phương pháp phần tử hữu hạn So sánh kết tính tốn, từ rút mặt cắt thích hợp Kết đạt - Tổng quan loại đập nước, ưu nhược điểm loại - Các vấn đề chưa hợp lý tính tốn thiết kế mặt cắt đập bê tơng trọng lực, nắm bắt cách tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn - Các phương pháp phân tích tính tốn móng cọc, đặc biệt cọc khoan nhồi - Vận dụng tính tốn cho mặt cắt đập bê tông trọng lực hồ Suối Nước Ngọt, TP Cam Ranh, Khánh Hịa Tính tốn đập bê tơng làm việc đồng thời với nền, cọc -3- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VÀ ĐẬP BÊ TÔNG 1.1 Tổng quan loại đập Theo vật liệu xây dựng đập giới bao gồm loại sau: 1.1.1 Đập đất Đập đất loại đập sử dụng vật liệu địa phương Xây dựng đập đất có lịch sử lâu đời Ở Ai Cập, Trung Quốc số nước khác người ta xây dựng đập đất từ 2500÷4700 năm trước cơng ngun Ví dụ đập đất đá hỗn hợp Sadd-el-Kafara xây dựng Ai Cập vào khoảng 2778÷2563 trước cơng ngun có chiều dài 108m, cao 12m Đập Marduka cao 12m xây dựng năm 2500 trước công nguyên sông Tygrys Irak Ở Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản từ kỷ thứ II, III trước công nguyên xây dựng nhiều đập vật liệu địa phương đất đá Ở Trung Quốc có đập dài 300m, cao 30m xây dựng năm 240 trước công nguyên, Nhật Bản đập dài 260m cao 17m xây năm 162 trước công nguyên Đập đất thường loại không tràn nước Để đảm bảo tháo lũ, lấy nước tưới cung cấp nước phải xây dựng cơng trình riêng đường tràn tháo lũ, cống lấy nước Đập đất có ưu điểm sau: - Dùng vật liệu chỗ, tiết kiệm vật liệu quý sắt, thép, xi măng Công tác chuẩn bị trước xây không tốn nhiều công sức loại đập khác - Cấu tạo đập đất đơn giản, giá thành hạ - Bền chống chấn động tốt - Dễ quản lý, tôn cao, đắp dầy thêm - Yêu cầu không cao nên phạm vi sử dụng rộng rãi Thế giới tích lũy nhiều kinh nghiệm thiết kế, thi cơng quản lý đập [6] Tính tốn đập bê tông làm việc đồng thời với nền, cọc Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 24 Hình P3.12: Phổ ứng suất S33 (kN/m2) (TH2) Hình P3.13: Phổ ứng suất Smax (kN/m2) (TH2) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 25 Hình P3.14: Phổ ứng suất Smin (kN/m2) (TH2) Hình P3.15: Biến dạng cơng trình (TH2) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 26 Hình P3.16: Biểu đồ lực cắt cọc (TH2) Hình P3.17: Biểu đồ M22 cọc (TH2) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 27 Hình P3.18: Biểu đồ M33 cọc (TH2) Hình P3.19.: Phổ ứng suất Smax đáy (kN/m2) (TH1) Hình P3.20: Phổ ứng suất Smin đáy (kN/m2) (TH1) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 28 Hình P3.21.: Phổ ứng suất Smax đáy (kN/m2) (TH2) Hình P3.22: Phổ ứng suất Smin đáy (kN/m2) (TH2) Phụ lục 4: Kết phân tích ứng suất – biến dạng đập mặt cắt có lỗ khoét, mở rộng đáy, có cọc gia cố: Hình P4.1: Phổ ứng suất S11 (kN/m2) (TH1) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 29 Hình P4.2: Phổ ứng suất S22 (kN/m2) (TH1) Hình P4.3: Phổ ứng suất S33 (103kN/m2) (TH1) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 30 Hình P4.4.: Phổ ứng suất Smax (kN/m2) (TH1) Hình P4.5: Phổ ứng suất Smin (kN/m2) (TH1) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 31 Hình P4.6: Biến dạng cơng trình (TH1) Hình P4.7: Biểu đồ lực dọc cọc (TH1) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 32 Hình P4.8: Biểu đồ M22 cọc (TH1) Hình P4.9: Biểu đồ M33 cọc (TH1) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 33 Hình P4.10: Phổ ứng suất S11 (kN/m2) (TH2) Hình P4.11: Phổ ứng suất S22 (kN/m2) (TH2) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 34 Hình P4.12: Phổ ứng suất S33 (kN/m2) (TH2) Hình P4.13: Phổ ứng suất Smax (kN/m2) (TH2) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 35 Hình P4.14: Phổ ứng suất Smin (kN/m2) (TH2) Hình P4.15: Biến dạng cơng trình (TH2) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 36 Hình P4.16: Biểu đồ lực dọc cọc (TH2) Hình P4.17: Biểu đồ M22 cọc (TH2) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 37 Hình P4.18: Biểu đồ M33 cọc (TH2) Hình P4.19: Phổ ứng suất Smax đáy (kN/m2) (TH1) Hình P4.20: Phổ ứng suất Smin đáy (kN/m2) (TH1) Phụ lục: Kết phân tích ứng suất – biến dạng 38 Hình P4.21: Phổ ứng suất Smax đáy (kN/m2) (TH2) Hình P4.22: Phổ ứng suất Smin đáy (kN/m2) (TH2) ... Wikipedia.org) Tính tốn đập bê tông làm việc đồng thời với nền, cọc Dixence -16- Hình 1.11: Đập Tam Hiệp (Trung Quốc) Hình 1.12: Đập Itaipu (Brasil) Tính tốn đập bê tơng làm việc đồng thời với nền, cọc. .. trình Tính tốn đập bê tơng làm việc đồng thời với nền, cọc -41- Hình 3.5: Giao diện khai báo vật liệu Hình 3.6: Giao diện khai báo đặc trưng hình học Tính tốn đập bê tơng làm việc đồng thời với nền, ... nhiều đập giới Trung Quốc với 22.000 đập, chiếm 48% số đập giới Thứ hai Mỹ có 6.575 đập Thứ ba Ấn Độ có 4.291 Tính tốn đập bê tơng làm việc đồng thời với nền, cọc -15- đập, sau Nhật Bản với 3.657 đập,