CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NGHIÊNG MẶT NỀN ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
2.2. Cơ sở tính toán ổn định của đập trên mặt nền nghiêng
2.2.2. Tính toán ổn định của đập theo tiêu chuẩn Mỹ
Các yêu cầu ổn định cơ bản đối với đập bê tông trọng lực khi chịu tất cả các điều kiện tải trọng:
+ Ổn định chống lật ở mặt phẳng bất kì, mặt phẳng cắt qua thân, mặt phẳng đáy đập hoặc mặt phẳng dưới đáy đập.
+ Ổn định chống trượt ở mặt phẳng ngang, mặt phẳng cắt qua thân, mặt phẳng giữa đập và nền, mặt trượt sâu dưới nền.
+ Ứng suất phát sinh trong đập và nền đập không vượt quá ứng suất cho phép.
+ Các tính toán kiểm tra đặc biệt chú ý tại mặt cắt giảm yếu (mặt cắt có sự thay đổi hệ số mái thượng hoặc hạ lưu).
+ Kết quả kiểm tra ổn định lật, trượt và ứng suất đập phải thoả mãn các tiêu chuẩn đánh giá của EM 1110-2-2200 [16].
2.2.2.1. Các tổ hợp tải trọng
Khi tính toán ổn định theo hệ thống tiêu chuẩn Mỹ cần phải tính toán theo các trường hợp tổ hợp tải trọng như sau:
Trường hợp 1: Điều kiện tải trọng bất thường + Đập đã xây dựng xong hoàn toàn.
+ Thượng lưu đập không có nước.
+ Hạ lưu đập không có nước.
Trường hợp 2: Tổ hợp tải trọng cơ bản vận hành bình thường + Thượng lưu là MNDBT, van đóng.
+ Mực nước hạ lưu thấp nhất (ZHLmin).
+ Áp lực đẩy ngược.
+ Áp lực bùn cát.
Trường hợp 3: Tổ hợp tải trọng bất thường + Thượng lưu là MNDBT, van đóng.
+ Mực nước hạ lưu thấp nhất (ZHLmin).
+ Áp lực đẩy ngược với hiệu quả khoan thoát nước bằng 0.0%.
+ Áp lực bùn cát.
Trường hợp 4: Tổ hợp tải trọng đặc biệt
+ Công trình vừa xây xong, thượng và hạ lưu không có nước.
+ Động đất cơ sở vận hành (OBE) với gia tốc theo phương ngang hướng về hạlưu.
Trường hợp 5: Tổ hợp tải trọng bất thường + Thượng lưu là MNDBT, van đóng.
+ Mực nước hạ lưu thấp nhất (ZHLmin).
+ Động đất cơ sở vận hành (OBE).
+ Áp lực nước ở mức trước khi có động đất.
+ Áp lực bùn cát.
Trường hợp 6: Tổ hợp tải trọng đặc biệt + Thượng lưu là MNDBT, van đóng.
+ Mực nước hạ lưu thấp nhất (ZHLmin).
+ Áp lực đẩy ngược.
+ Áp lực bùn cát.
+ Động đất cực đại tin cậy (MCE).
Chú ý: Với tổ hợp này không đặt ra tiêu chuẩn về sự ổn định mà chỉ xem xét các hư hỏng có thể xảy ra như:
+ Mất lực dính trong vùng có ứng suất kéo do động đất gây ra.
+ Giảm góc ma sát trong do động đất gây chuyển động và lắc.
+ Tăng áp lực bùn cát và áp lực đẩy ngược do bùn cát hoá lỏng.
Trường hợp 7: Điều kiện tải trọng đặc biệt, lũ lớn nhất + Hồ ở mực nước khi có lũ lớn nhất khả năng.
+ Van mở hoàn toàn, MNHL ứng với lưu lượng xả.
+ Áp lực đẩy ngược.
+ Áp lực bùn cát.
Trường hợp 8: Điều kiện tải trọng sau động đất + Thượng lưu là MNDBT, van đóng.
+ Mực nước hạ lưu thấp nhất (ZHLmin).
+ Áp lực đẩy ngược.
+ Áp lực bùn cát.
+ Áp lực nước hạ lưu.
Các đặc tính của vật liệu là giá trị còn dư sau động đất.
Như vậy tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ có các tổ hợp tải trọng như bảng 2.4.
Bảng 2.4 - Các tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn Mỹ
Trường hợp Tổ hợp Các thành phần
Trường hợp 1 Không BT Sau thi công, thượng hạ lưu không có nước Trường hợp 2 Bình thường Vận hành bình thường, MNDBT, MNHLmin Trường hợp 3 Không BT MNDBT, màng chống thấm và thoát nước hỏng Trường hợp 4 Đặc biệt Sau thi công, động đất OBE hướng về thượng lưu Trường hợp 5 Không BT MNDBT, có động đất OBE
Trường hợp 6 Đặc biệt MNDBT, có động đất MCE Trường hợp 7 Đặc biệt Xuất hiện lũ kiểm tra
Trường hợp 8 Sau động đất MNDBT, các điều kiện sau động đất 2.2.2.2. Kiểm tra các điều kiện ổn định, bền
a) Phân tích ổn định trượt
* Quan điểm tính và giả thiết:
Hệ số ổn định tính theo phương pháp cân bằng giới hạnlà tỷ số giữa ứng suất tiếp giới hạn trên mặt trượtvới ứng suất phát sinhtrên mặt trượt như công thức sau:
f .tg c
K= τ =σ ϕ +
τ τ , (2.27)
trong đó: τf = σ.tgϕ + c theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Coulomb.
Khi tính toán trên toàn bộ mặt trượt, hệ số ổn định là tỷ số giữa lựccắt giới hạn lớn nhất Tf và lực cắt phát sinh trên mặt trượt T.
Tf N.tg C.L
K T T
= = ϕ + , (2.28)
trong đó: N: tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên mặt trượt; ϕ: góc ma sát trong;
C: lực dính đơn vị;
L: chiều dài mặt trượt.
* Trường hợp mặt trượtphẳngnằm ngang:
Công trình đảm bảo ổn định trượt phẳng trên mặt nằm ngang khi thoả mãn điều kiện sau:
[ ]
T C
( G W).tg C.A
K K
P
− φ +
= ∑ ≥
∑ (2.29)
W
ΣP Σg
F = c.a
Hình 2.9 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm ngang
* Trường hợp mặt trượtphẳngnằm nghiêng:
Công trình đảm bảo ổn định trượt phẳng trên mặt nằm nghiêng khi thoả mãn điều kiện sau:
[ ]
T C
( G.cos W P.sin ).tg C.A
K K
P.cos G.sin
β − + β φ +
∑ ∑
= ≥
β − β
∑ ∑ (2.30)
ΣP
ΣP Σg
β
Σg
F = c.a
β
W F = c.a
w
Hình 2.10 - Sơ đồ tính ổn định trượt phẳng trường hợp mặt trượt nằm nghiêng Trong đó:
+ ΣG (KN): tổng hợp các lực theo phương thẳng đứng tác dụng lên phần công trình tính từ mặt trượt trở lên, trừ phần áp lực đẩy nổi do áp lực thấm và áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên mặt trượt (theo phương vuông góc với mặt này).
+ ΣP (KN): tổng hợp các lực theo phương ngang tính từ mặt trượt trở lên.
+ W (KN): áp lực đẩy nổi do áp lực thấm và áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên mặt trượt.
+ β (0): góc giữa phương mặt trượt và phương nằm ngang (β > 0 khi mặt trượt nghiêng về thượng lưu, β < 0 khi mặt trượt nghiêng về hạ lưu).
+ A (m2): diện tích mặt trượt.
+ ϕ (0), C (KN/m2): chỉ tiêu cơ lý lớp đá sát đáy đập.
+ [KC]: hệ số an toàn trượt cho phép.
b) Phân tích an toàn chống lật
An toàn chống lật căn cứ vào vị trí của hợp lực (R), chỉ số tính toán là độ lệch tâm e, tứctỷ số giữa tổng mômen ΣM của các lực thẳng đứng và nằm ngang lấy với chân đập trên tổng các lực thẳng đứng ΣV.
e M V
= ∑
∑ (2.31)
L L/3e
R
L L/3e
R
L b=3se
R
s
Pmin
Pmax Pmax
Pmax
Hình 2.11 - Vị trí của hợp lực trong các trường hợp Bảng 2.5 - Hệ số an toàn theo tiêu chuẩn Mỹ [16]
Tổ hợp tải trọng
Điểm đặt hợp lực ở
đáy
Hệ số an toàn tối
thiểu
Ứng suất nền
Ứng suất bê tông
Nén Kéo
Bình thường 1/3 giữa 2,0 ≤ UScp 0,3.fn 0
Bất thường 1/2 giữa 1,7 ≤ UScp 0,5.fn 0,6.fk Đặc biệt Trong đáy 1,3 ≤1,33.UScp 0,9.fn 0,9.fk
Sau động đất 1,3 (C=0)
Chú ý:
+ fn, fk: cường độ kháng nén và kháng kéo của vật liệu với điều kiện tải trọng tĩnh.
+ Trường hợp sau động đất trên toàn bộ chiều dài vết nứt lực dính C = 0.
2.2.2.3. Tính các lực theo tiêu chuẩn của Mỹ a) Áp lực đẩy ngược
Áp lực đẩy ngược theo tiêu chuẩn của Mỹ phân bố theo sơ đồ trên hình 2.12.
h
Hth
hm=α'.Hth ht=α''.Hth
Hình 2.12 - Áp lực đẩy ngược theo tiêu chuẩn Mỹ
Với tổ hợp 3, khi màng chống thấm và thiết bị thoát nước bị hỏng thì lấy α’ = 0,60 và hiệu quả thoát nước 0% (nghĩa là áp lực phân bố tuyến tính từ hm về đến cột nước h ở hạ lưu). Với các tổ hợp còn lại lấy α’ = 0,4 và α’’ = 0,23.
b) Lực tăng thêm do động đất
Lực tăng thêm do động đất bao gồm: lực quán tính động đất, áp lực nước tăng thêm do động đất, áp lực bùn cát tăng thêm do động đất. Các thành phần lực này tính toán tương tự như với tiêu chuẩn Việt Nam.Tuy nhiên hệ số động đất k theo hệ thống tiêu chuẩn Mỹ có sự khác biệt như sau:
Tiêu chuẩn Mỹ phân biệt hai loại động đất là động đất cơ sở vận hành (OBE) và động đất cực đại tin cậy (MCE).
Bảng 2.6 - Gia tốc động đất theo tiêu chuẩn Mỹ
Phương của gia tốc động đất Trận động đất OBE MCE
PGA theo phương ngang Đỉnh 0,10g 0,23g
PGA theo phương ngang Liên tục 0,067g 0,15g
PGA theo phương đứng Đỉnh 0,067g 0,15g
PGA theo phương đứng Liên tục 0,045g 0,10g Chú ý:
+ Khi tính toán tuỳ theo từng trường hợp mà ta tính lực động đất với trận động đất đạt đỉnh hay liên tục xảy ra.