Tính toán ổn định của công trình thuỷ lợi xây trên nền đất

I. Những vấn đề chung

Các công trình thuỷ lợi thông thường chịu tác dụng của tải trọng nằm ngang tương đối lớn; nền công trình thường chịu tác dụng của lực thấm. Trong thiết kế phải tính toán đảm bảo an toàn ổn định của công trình và nền của nó dưới tác dụng của các tổ hợp lực khác nhau. Trong phần này xét đến vấn đề ổn định trượt.

1. Hình dạng mặt trượt

Ở công trình xây dựng trên nền đất, chịu tác dụng của tải trọng đứng và ngang, có thể hình thành các dạng mặt trượt sau đây:
  • Trượt phẳng (hình 4-2a) xảy ra khi đất ở mặt tiếp giáp giữa công trình và nền bị phá hoại, còn đất trong nền còn ở trạng thái cân bằng bền.
  • Trượt hỗn hợp (hình 4-2b) mặt trượt bao gồm một phần của mặt tiếp xúc giữa công trình và nền và một phần khoét sâu vào nền – ở đó đất nền bị phá hoại và bị ép trồi lên.
  • Trượt sâu (hình 4-2c) mặt trượt ăn sâu vào nền trong phạm vi toàn công trình trong phạm vi khối trượt, đất nền bị phá hoại và bị ép trồi lên.

2. Phán đoán khả năng trượt

Việc tính toán trượt tổng thể công trình và nền được tiến hành theo trạng thái giới hạn thứ nhất. Khả năng hình thành mặt trượt phụ thuộc vào nhiều yếu tố: ứng suất tăng thêm trong nền, cường độ chống cắt của đất và tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong nền khi xây dựng công trình (gia tải).
Theo Quy phạm “Nền các công trình thuỷ công” [15], các tiêu chuẩn phán đoán khả năng trượt như sau:
a) Với nền cát, đất hòn lớn, đất có sét cứng và nửa cứng: chỉ cần tính theo sơ đồ trượt phẳng nếu thoả mãn điều kiện về chỉ số mô hình hoá:
chỉ số mô hình hoá         (4-21)
Trong đó:
Nσ– chỉ số mô hình hoá;
σmax– ứng suất pháp lớn nhất tại điểm góc của đáy móng công trình;
B – kích thước cạnh (chiều rộng) đáy móng công trình hình chữ nhật song song với lực gây trượt (không tính chiều dài sân trước néo vào móng công trình);
γI– trọng lượng riêng của đất nền, khi nền nằm dưới mực nước ngầm thì cần xét đến sự đẩy nổi của nước.
Nσlim– chuẩn số không thứ nguyên, lấy bằng 1,0 đối với cát chặt và 3,0 đối với
các loại đất khác.
b)  Với nền đất sét dẻo, dẻo cứng và dẻo mềm: chỉ cần xét sơ đồ trượt phẳng nếu thoả mãn đồng thời các điều kiện (4-21), (4-22), (4-23):
– Điều kiện về cường độ chống cắt của nền:
cường độ chống cắt của nền(4-22)
– Điều kiện về tốc độ cố kết:
tốc độ cố kết(4-23)
Trong đó:
tgΨI– giá trị tính toán của hệ số kháng trượt;
φI– góc ma sát trong của đất nền;
CI – lực dính đơn vị của đất nền;
φTB– ứng suất pháp trung bình ở đáy móng công trình;
CV0 – hệ số mức độ cố kết;
Kth – hệ số thấm của đất nền;
e – hệ số rỗng của đất ở trạng thái tự nhiên;
t0 – thời gian thi công công trình;
a – hệ số nén của đất nền;
γn– trọng lượng riêng của nước;
h0 – chiều dày tính toán của lớp cố kết.

c. Khi không thoả mãn các điều kiện quy định ở trên:– Công trình trên nền đồng nhất, trong mọi trường hợp phải tính toán ổn định theo sơ đồ trượt hỗn hợp.
– Công trình chỉ chịu tải trọng thẳng đứng: tính theo sơ đồ trượt sâu.
– Công trình trên nền không đồng nhất, chịu tải trọng thẳng đứng và nằm ngang: tính theo sơ đồ trượt sâu.

Các phương pháp tính ổn định

II. Tính ổn định theo sơ đồ trượt phẳng

Điều kiện ổn định trượt được kiểm tra theo công thức (4-6) như đã trình bày ở bài Các phương pháp tính toán ổn định và độ bền của công trình, trong đó R và Ntt xác định như sau:

1. Khi mặt trượt nằm ngang

– Lực chống trượt:
R = PtgφI+ m1Eb2 + ACI;    (4-24)
– Lực gây trượt:   
Ntt = Q                                  (4-25)
Q = T1 + EC1 – T2,               (4-26)
Trong đó:
P – tổng các thành phần thẳng đứng của các tải trọng tính toán (kể cả áp lực ngược);
Eb2 – giá trị tính toán của áp lực bị động của đất phía hạ lưu;
m1 – hệ số điều kiện làm việc xét đến quan hệ giữa áp lực bị động của đất với chuyển vị ngang của công trình. Có thể lấy m1 = 0,7;
A – diện tích mặt trượt (nằm ngang).
T1, T2 – tổng giá trị tính toán các thành phần nằm ngang của các lực chủ động từ phía thượng, hạ lưu công trình, trừ áp lực chủ động của đất;
EC1 – giá trị tính toán của áp lực chủ động của đất từ phía thượng lưu; Các đại lượng khác như đã giải thích ở trên.
Hình 4-3: Sơ đồ tính toán trượt phẳng

2. Khi mặt trượt nằm nghiêng

Trường hợp mặt trượt nghiêng về thượng lưu:
– Lực chống trượt:
R = ( P’ cosβ+ Qsinβ – Wđn)tgφI + m1Eb2cosβ + A’CI;      (4-27)
– Lực gây trượt:
Ntt = Qcosβ– P’ sinβ,           (4-28)
Trong đó:
P’ – tổng các thành phần thẳng đứng của các tải trọng tính toán, không kể áp lực nước đẩy ngược;
Wđn – tổng áp lực đẩy ngược lên mặt trượt (bao gồm áp lực thấm và thuỷ tĩnh).
β– góc giữa phương mặt trượt và phương nằm ngang;
A’ – diện tích mặt trượt (nằm nghiêng);
Các ký hiệu khác như đã nêu trên.
Trường hợp mặt trượt nghiêng về hạ lưu cũng được tính theo cách tương tự.

III. Tính ổn định theo sơ đồ trượt hỗn hợp

Sơ đồ mặt trượt như trên hình (4-4). Trường hợp này chiều rộng móng được chia thành 2 phần: phần có chiều rộng B1 thuộc phạm vi trượt sâu; phần có chiều rộng B2 thuộc phạm vi trượt phẳng. Công thức kiểm tra ổn định vẫn theo (4-6) bài Các phương pháp tính toán ổn định và độ bền của công trình, trong đó:
1. Lực gây trượt: Ntt = Q;
2. Lực chống trượt:
R = (σTBtgφI + CI)B2L + τghB1L,     (4-29)
Trong đó:
τgh– ứng suất tiếp giới hạn tại phần trượt ép trồi;
L – chiều dài đáy móng chữ nhật (thẳng góc với lực gây trượt), khi xét cho bài toán phẳng thì lấy L = 1;
σTB – ứng suất đáy móng trung bình trong phạm vi B2.
Hình 4-4: Sơ đồ tính toán trượt hỗn hợp
Phương pháp xác định τghđược trình bày trong [15].
Giá trị B1 phải được xác định theo giá trị  σTB = P/BL trên các đồ thị trong hình 4-5.
Khi lực pháp tuyến P lệch tâm về phía hạ lưu thì các giá trị B, B1, B2 trong công thức (4-29) phải lấy bằng B*, B1*, B2*, trong đó B* = B – 2ep; B1* = B1.B*/B;
e – độ lệch tâm về hạ lưu của lực P. Độ lệch tâm về phía thượng lưu không xét đến trong tính toán.
Hình 4-5: Các đồ thị để xác định chiều rộng B1
Trên hình (4-5): σk= Nσlim.B.γI ;
σp – ứng suất pháp trung bình tại đáy móng công trình mà tại đó xảy ra sự phá hoại nền chỉ do tải trọng thẳng đứng, xác định theo [15].

IV. Tính ổn định theo sơ đồ trượt sâu

Tuỳ theo cấu tạo địa chất nền, mặt trượt sâu có thể có hình dạng bất kỳ. Trong tính toán, để đơn giản thường giả thiết mặt trượt xấp xỉ theo một đường cong có hình dạng xác định.
Khi đất nền đồng chất có thể tính theo phương pháp nêu trong [15].
Với mọi loại nền, có thể áp dụng phương pháp gần đúng của M.M.Grisin để tính toán. Theo phương pháp này, xem mặt trượt (trong bài toán phẳng) là một cung tròn đi qua điểm đầu của đáy móng công trình; xem công trình là một khối không biến dạng gắn chặt vào nền và kiểm tra hệ số an toàn chống trượt cho toàn khối công trình + nền. Hệ số an toàn ổn định cho phép được xác định theo (4-7).

1. Trường hợp nền đồng chất (hình 4-6)

Hình 4-6: Sơ đồ tính ổn định trượt sâu khi nền đồng chất
Các lực tác dụng bao gồm:
– Hợp lực P của các lực thẳng đứng (trọng lượng công trình, sân sau, nước trên công trình…), có tay đòn đến điểm đầu cung trượt (điểm I) là x0.
– Hợp lực Q của các lực nằm ngang, có tay đòn đến điểm I là y0.
– Trọng lượng đất nằm trong cung trượt, tính theo dung trọng đẩy nổi.
dung trọng đẩy nổi(4-30)
– áp lực thấm trong phần cung trượt – áp lực này là hợp của các lực thấm phân tố tác dụng tại từng ô của lưới thấm; có thể tính gần đúng:
(4-31)
Trong đó:
γn– trọng lượng riêng của nước; 
Ji – gradien thấm tại ô lưới thứ i;
Ωi– diện tích ô lưới thứ i.
Hợp lực Wth có cánh tay đòn đến O là r.
Ta dời song song hệ lực (P, Q) đến vị trí mới (P1, Q1) có Q1 đi qua điểm I, khi đó hệ lực mới có các cường độ P1 = P; Q1 = Q; điểm đặt của P1 xác định bởi tay đòn đến điểm là:
tay đòn đến điểm
Tiếp theo, trượt lực P1 dọc theo giá của nó cho đến khi cắt cung trượt tại B; phân tích lực P1 ra 2 thành phần:
– Thành phần theo hướng pháp tuyến với cung trượt: N1= Pcosβ;
– Thành phần theo hướng tiếp tuyến với cung trượt: T1= Psinβ.
Tương tự, trượt lực Q1 dọc theo giá của nó cho đến khi cắt cung trượt (phía cuối) tại D; phân tích lực Q1 ra hai thành phần:
– Thành phần theo hướng pháp tuyến với cung trượt: N2= Qsinα;
– Thành phần theo hướng tiếp tuyến với cung trượt: T2= Qcosα
Xét trường hợp cân bằng giới hạn, lực tác dụng lên cung trượt gồm có:
– Các lực ma sát do lực theo hướng pháp tuyến sinh ra:
S1 = N1tgφ = Pcosβtgφ;
S2 = N2tg? = Qsinαtgφ;
S3 = σtgφ; φ – góc ma sát trong của đất nền.
– Lực dính dọc theo cung trượt: C = 2αRc,
Trong đó:
2αR – chiều dài cung trượt;
c – lực dính đơn vị.
Hệ số an toàn ổn định được xác định theo công thức:
Kat = Mct/ Mgt,           (4-32)
Trong đó:
Mct – mômen chống trượt:
Mct = S1R + S2R + S3R + 2αRcR;
Mgt – mômen gây trượt:
Mgt = T1R + T2R + Wthr  Thay vào (4-32) được:
he so an toan(4-33)

2.Trường hợp nền không đồng chất (hình 4-7)

Hình 4-7: Sơ đồ tính toán ổn định chống trượt khi nền không đồng chất.
Nếu cung trượt đi qua nhiều lớp đất có các chỉ tiêu cơ lý khác nhau (γj, φj, Cj) thì phải chia khối trượt thành nhiều dải thẳng đứng có chiều rộng b bằng nhau và xét cân bằng giữa tổng số các mômen chống trượt và đẩy trượt của các dải đất đó do lực thẳng đứng truyền xuống đáy dải là:
Pi = Pin + Piđ
Trong đó:
Pin – tải trọng thẳng đứng do phần áp lực ngoài tác dụng trên mặt đỉnh dải, có thể là do áp lực đáy móng hay trọng lượng sân sau gây ra;
Piđ – trọng lượng dải đất:
Piđ = b(γ1 Z1 + γ2 Z2 + …) ,
Với γ1, γ2… tương ứng là trọng lượng riêng của phần đất có chiều dày Z1, Z2,… trong phạm vi dải đang xét.
Pi cũng được phân tích ra các thành phần theo hướng pháp tuyến và tiếp tuyến với cung trượt:
– Hướng pháp tuyến: Ni = Picosβi;
– Hướng tiếp tuyến: Ti = Pisinβi;
Trong đó: βi– góc định vị của dải, xem hình 4-7.
Tổng lực ngang Q cũng được dời xuống mặt nền, trượt về điểm cuối cung trượt và phân tích ra hai thành phần theo hướng pháp tuyến và tiếp tuyến với cung trượt như đã làm với trường hợp trên.
Hệ số an toàn chống trượt tính theo (4-32) sẽ là:
(4-34)
Trong đó:
φi, Ci – góc ma sát trong và lực dính đơn vị của lớp đất dưới đáy dải thứ i;
Si – chiều dài đáy dải thứ i.
Hệ số an toàn cho phép được xác định theo (4-7).

 318 total views,  1 views today

Để lại bình luận