Các Trạng Thái Làm Việc Của Buồng Ụ.

§10.Tóm tắt việc tính toán các bộ phận kết cấu trên nền đàn hồi và việc chọn sơ đồ tính.

Đáy buồng ụ khô và tường của nó có tương tác với đất nền và đất lấp, nên trong tính toán được xem như dầm hoặc tấm trên nền đàn hồi. Kết cấu trên nền đàn hồi thuộc hệ siêu tĩnh bậc cao, còn vật liệu như bê tông làm việc phi tuyến, vì vậy nội lực trong kết cấu bê tông cốt thép không những phụ thuộc vào đất nền mà còn phụ thuộc vào vật liệu kết cấu. Do đó việc tính toán chúng phải dựa vào các phương pháp của cơ học kết cấu, cơ học đất và lý thuyết bê tông cốt thép. Nhiệm vụ chủ yếu của việc tính toán kết cấu này là xác định ứng suất trên mặt tiếp xúc của chúng với nền, bởi vì nội lực tính toán và do đó kích thước tiết diện phụ thuộc vào giá trị và sự phân bố của chúng.

Đất không phải là vật liệu đồng nhất, nên sự làm việc của chúng dưới tác dụng của tải trọng khác xa sự làm việc của vật thể đàn hồi. Vì vậy, buộc phải áp dụng các phương pháp gần đúng để giải bài toán dựa vào các mô hình cơ học đơn giản của nền đàn hồi. Tiêu chuẩn để chọn mô hình này hay khác là sự xét đầy đủ nhất sự làm việc đồng thời của công trình với đất nền dưới tác dụng của tải trọng, giải pháp toán học được áp dụng trong thực tế, tính đầy đủ của các hằng số tính toán của đất và khả năng xác định chúng bằng các phương pháp tiếp cận. Mỗi vấn đề là một bài toán riêng, có độ phức tạp riêng và chúng có quan hệ mật thiết với nhau.

Mô hình ra đời sớm nhất là mô hình Wincler, cơ sở của nó là giả thiết quan hệ bậc nhất giữa ứng suất và độ lún, nghĩa là p = k.y, (VI-12)

trong đó k - hệ số tỷ lệ ( hệ số tầng đệm ), nó là ứng suất gây ra độ lún bằng một đơn vị, vì vậy có thứ nguyên là kG/cm3. Hệ số k được xác định theo số liệu thí nghiệm nén bàn nén ở hiện trường hoặc lấy theo bảng. Theo mô hình này biến dạng chỉ xuất hiện trong phạm vi miền chịu tải (h. VI-35), do đó không phù hợp với thực tế. Nhược điểm của mô hình này là tính không xác định của hệ số tầng đệm và không có khả năng xác định số liệu về trạng thái ứng suất của khối đất nền. Tuy vậy, nhờ vào tính đơn giản của giải pháp toán học mà nó vẫn được áp dụng rộng rãi trong thực tế kỹ thuật hiện nay, đặc biệt là ở các nước phương tây và Mỹ.

Mô hình thứ hai được đề xuất trong những năm 30 và cũng được áp dụng trong thực tế là mô hình bán không gian đàn hồi đẳng hướng. Quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị theo mô hình này dựa trên giải pháp của lý thuyết đàn hồi do Buxinhet và Flamant tìm ra vào thế kỷ trước. Các thông số tính toán của đất là mô đun biến dạng Eo và hệ số Poat xông o. Eo được xác định theo số liệu thí nghiệm bàn nén ở hiện trường, theo số liệu thí nghiệm nén hoặc theo bảng trong các tài liệu tiêu chuẩn. Hệ số Poat xông ít ảnh hưởng đến kết quả tính toán, giá trị của nó được lấy theo bảng. Theo mô hình này biến dạng của nền bao hàm cả một miền vượt ra ngoài phạm vi công trình, nghĩa là nền có khả năng lan truyền lớn. Các giải pháp toán khá phức tạp, tuy nhiên khi áp dụng các phương pháp tích phân số và các đa thức bậc cao cho phép lập được những sơ đồ , biểu đồ bảo đảm áp dụng

mô hình này vào thực tế thiết kế. Nhược điểm của mô hình này là sự không phù hợp giữa biểu đồ ứng suất nhận được từ tính toán và thực tế vì có những yếu tố mới xuất hiện.

Vào năm 1953 một số tác giả đã đề xuất các mô hình hai hệ số nền. P.L. Paxternak

đưa ra mô hình hai hệ số nền: hệ số nén và hệ số trượt, giá trị của nó tác giả đề nghị lấy theo số liệu thí nghiệm nén bàn nén với tải trọng lệch tâm. Trong những năm gần đây xuất hiện một mô hình nền hỗn hợp hai mô hình trên (Wincler và bán không gian). Với những

http://www.ebook.edu.vn 149

giá trị xác định của Eo và k , mô hình này cho phép phù hợp độ võng lý thuyết và thực nghiệm.

Mới đây, ở Liên xô và nước ngoài đã áp dụng mô hình hệ số độ cứng (hình VI-36),

đó là hệ số tầng đệm của mô hình Wincler, nhưng thay đổi trên mặt bằng tuỳ thuộc độ lún giả định. Mô hình này bao gồm những giả thiết về khống chế chiều dầy lớp chịu nén (hình VI-36b), về tăng mô đun biến dạng theo độ sâu, về việc xét đến ma sát dưới đáy móng, trọng lượng riêng của đất, sự làm việc của kết cấu bên trên. Trong tất cả các mô hình này

đều giả thiết quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng của nền, nghĩa là nền được coi như môi trường biến dạng tuyến tính. Điều này chưa hoàn toàn phù hợp với đất tự nhiên, vì nó không chỉ biến dạng mà còn có trạng thái đàn hồi.

Hình VI-35. Mô hình tính toán nền

đàn hồi được áp dụng rộng rãi trong thực tế kỹ thuật. a- mô hình hệ số nền; b - mô hình bán không gian đàn hồi.

Hình VI-36. Mô hình được áp dụng trong thực tế tính toán. a - mô hình hệ số độ cứng; b- mô hình lớp chịu nén.

Do có những nhược điểm của mô hình trên, một số tác giả cho rằng phải giải quyết bài toán hỗn hợp của lý thuyết đàn hồi và lý thuyết dẻo của đất mới có thể làm cho kết quả tính toán phù hợp với thực tế. Mô hình nền biến dạng phi tuyến là mô hình của G.K.Klein và I.I. Trerkaxôva, trong đó biến dạng được phân thành hai phần : đàn hồi và dư. Nền được

đặc trưng bằng bốn tham số và xác định từ thực nghiệm nén hai bàn nén có kích thước khác nhau. Mô hình này hiện chưa được áp dụng trong thực tế.

Phương pháp phần tử hữu hạn có thể áp dụng cho kết cấu hệ thanh và môi trường liên tục. Việc áp dụng phương pháp này thực sự nâng cao khả năng tính toán, cho độ chính xác cao, có thể xét mọi loại tải trọng có thể, xét tính không đồng chất của môi trường, đồng thời bằng cách gần đúng có thể tính môi trường biến dạng phi tuyến.

http://www.ebook.edu.vn 150

Một thực tế đã được thừa nhận là: mô đun biến dạng xác định từ thí nghiệm là hoàn toàn xác định đối với đất, song hệ số tầng đệm thì không xác định. Mặt khác cả hai đại lượng trên đều phụ thuộc vào kích thước bàn nén, lực nén và chiều dầy lớp chịu nén v.v...,

đồng thời không phải độ lún toàn phần mà là hiệu số độ lún và thành phần đàn hồi của nó mới thực sự ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất của công trình và các bộ phận của chúng. Các số liệu quan trắc thực địa không có khái niệm về lún không đều và tỷ lệ phần lún đàn hồi, trong đó cũng chưa xét đến sự thay đổi các đặc trưng của đất sau một loạt lần chất tải.

Do những nguyên nhân như vậy gần đây nhiền nhà nghiên cứu đã đề xuất ý kiến cần thiết phải chuyển sang tính theo các phương pháp xác suất, cho phép xét đến đặc trưng ngẫu nhiên của các đại lượng được dùng trong tính toán, (ở giai đoạn đầu là phương pháp bán xác suất).

Qua phân tích ở trên, ta thấy rằng: Việc xây dựng phương pháp tính và phân tích

ảnh hưởng của các yếu tố riêng biệt đến sự làm việc của nền và công trình chỉ có thể thực hiện được từ những nghiên cứu khoa học. Trên thực tế nhiệm vụ quan trọng nhất là chọn sơ

đồ tính của bộ phận tính toán. Khi giải quyết vấn đề này cần xét đến dạng và đặc trưng của

đất nền, kết cấu ụ, đặc trưng tải trọng, sự thay đổi độ cứng khi xuất hiện vết nứt v.v...

Theo số liệu nghiên cứu và quan sát thực địa có thể giả thiết nền đất dính là bán không gian biến dạng tuyến tính hoặc là lớp chịu nén. Chiều dầy tính toán của lớp chịu nén

đối với đáy ụ đặt trên nền đồng nhất theo mặt bằng và khi tính chất cơ học của các lớp đất khác nhau không nhiều có thể xác định theo công thức

Ht t

.4 b ,

(VI - 13)

3 3

Trong đó: - hệ số lấy đối với đất sét = 6,

b - chiều rộng bản đáy.

m4 , với đất cát = 4, m4 ;

Khi nền là đất không dính hoặc nền không đồng nhất theo mặt bằng thì việc tính toán được tiến hành theo mô hình hệ số độ cứng. Dải đáy cần phải tính toán là dải tuỳ thuộc vào kết cấu mà xem là tấm dầm, khung có cột là tường, khung có khớp tại vị trí tiếp giáp đáy với tấm móng của tường. Sơ đồ tính toán tiện lợi nhất là sơ đồ của Giêmoskin. Ưu thế của nó là tính tổng hợp - khả năng thực hiện tính toán với bất cứ mô hình nền nào.

http://www.ebook.edu.vn 151

11. Các ph−ơng pháp tính toán kết cấu buồng ụ.

I. Các trạng thái làm việc của buồng ụ.

Các bộ phận của buồng ụ cần phải tính toán là tường và đáy. Khi tính toán cần xét

đến một số trạng thái làm việc cơ bản sau đây:

- Trạng thái thứ nhất - trạng thái xây dựng;

- Trạng thái thứ hai - trạng thái khai thác khi ụ khô, tàu không có trong ụ, nước ngầm cao nhất;

- Trạng thái thứ ba - trạng thái khai thác khi ụ khô, trong ụ có một hoặc một số tàu có khối lượng lớn nhất;

- Trạng thái thứ tư - trạng thái khai thác khi ụ đầy nước để đưa tàu ra vào (hình VI-

37).

Tuỳ thuộc vào đặc trưng đất nền, phương pháp tính toán, công nghệ thi công và

những yếu tố khác mà có thể xét thêm các giai đoạn làm việc trung gian của các bộ phận hoặc các trường hợp tải trọng khác nhau. Như vậy, khi tính toán theo trạng thái thứ nhất có thể không chỉ xét giai đoạn cuối cùng, mà có thể phải xét riêng giai đoạn thi công bản đáy. Khi tính toán theo trạng thái thứ ba thì tải trọng được xác định xuất phát từ việc đóng mới hoặc sửa chữa tàu các loại và kích thước của chúng phù hợp với kích thước ụ, đồng thời phải xét đến khả năng bố trí một nhóm tàu trong ụ.

II. Tính toán t−ờng và buồng ụ.

Tường bê tông cốt thép của buồng ụ được liên kết khớp hoặc liền khối với đáy thì xem như dầm cônxôn ngàm vào tấm móng hoặc đáy ụ. Tường tách rời đáy xem như tường chắn riêng biệt. Để tìm mô men lớn nhất người ta xem xét một số tổ hợp tải trọng bất lợi ứng với các trạng thái làm việc khác nhau của tường. Kinh nghiệm cho thấy khi xây dựng ụ trong hố móng, tải trọng cần trục lệch tâm thì mô men lớn nhất gây kéo biên trong của tường sẽ phát sinh khi nước đầy ụ và có cần cẩu làm việc, còn biên ngoài của tường - khi ụ rỗng và lực tác dụng do áp lực đất do sự ép nhiệt gây ra (hình VI-38).

Chiều dài ụ khô thường dài gấp 6 - 10 lần chiều rộng, vì vậy để tính toán buồng người ta dùng giải pháp bài toán phẳng. Một dải buồng có chiều rộng 1 m, khi tính lực ép,

được coi như một khung có thanh ngang và đứng tương tác với đất nền hoặc đất lấp, còn các trường hợp khác coi như tấm dầm.

Các sơ đồ tải trọng thông thường khi tính toán đáy ụ theo phương pháp bán không gian đàn hồi được trình bày trên hình VI-39.

Do sự chuyển vị của tường về phía đất và do biến dạng của đất lấp mà phát sinh áp lực đất bị động được I.K. Samarin phân thành thành phần chủ yếu và bổ sung. Thành phần chủ yếu, đối với tường liền khối với đáy, được xác định dựa vào hệ số áp lực ngang của trạng thái tĩnh, đối với tường rời thì theo lý thuyết cân bằng giới hạn ( theo culông hoặc Sôcôlôpxki ). Thành phần bổ sung hoặc áp lực ép phát sinh do biến dạng ngang của đất lấp và sự quay của tường về phía đất lấp do tải trọng ngoài gây ra. Khi xác định thành phần bổ sung cần lưu ý tới những điểm sau:

- Tải trọng do công trình chỉ xét phần do khối lượng tường và cần trục;

- ¸p lực bổ sung là tổng áp lực do biến dạng ngang của đất lấp và sự ép;

- Tuỳ thuộc điều kiện đất nền mà áp dụng mô hình lớp chịu nén, mô hình hệ số tầng

đệm hoặc hệ số độ cứng, hoặc mô hình hỗn hợp;

http://www.ebook.edu.vn 152

Hình VI- 37. Các trạng thái tính toán của kết cấu buồng ụ.

a - trạng thái xây dựng; b - trạng thái khai thác (ụ rỗng); c - trạng thái khai thác (có tàu); d - trạng thái khai thác (trong ụ đầy nước). 1 - biểu đồ ứng suất nền; 2 - biểu đồ mômen uốn; 3 - mực nước ngầm; 4 - biểu đồ áp lực đất chủ động;

5 - biểu đồ áp lực đẩy ngược; 6 - biểu đồ áp lực đất và nước; 7 - tàu trên gối; 8 - biểu đồ áp lực nước.

Hình VI-38. Sơ đồ tính toán tường buồng ụ. a - tải trọng gây kéo lưng tường; b - tải trọng gây kéo biên trong của tường. 1 - biểu đồ áp lực đất do ép nhiệt độ; 2 - biểu đồ áp lực nước; 3 - tải trọng phân bố đều trên lăng thể trượt; 4 -biểu đồ áp lực chủ động của đất; 5- biểu mômen uốn; 6- mực nước; 7- tải trọng do cần trục.

http://www.ebook.edu.vn 153

Hình VI-39. Sơ đồ tải trọng khi tính toán đáy buồng ụ theo phương pháp bán không gian

đàn hồi. a - trạng thái I; b- trạng thái II; c- trạng thái III; d - trạng thái IV. q - tải trọng trên lăng thể phá hoại; G,g -khối lượng bộ phận; gb - khối lượng nước trong buồng ; pi - tải trọng do đất lấp; W - lực đẩy ngược; W- áp lực thấm; Pkp - tải trọng do cần trục; Eđ -áp lực đất; Eb - áp lực nước.

http://www.ebook.edu.vn 154

Hiện nay tồn tại rất nhiều những giả thiết về phương pháp tính toán khung và dầm

đối với những mô hình nền khác nhau. Tuy nhiên, hợp lý nhất là chọn một phương pháp tổng hợp nhất. Theo quan điểm của chúng tôi phương pháp của IU.M. Gutkin thoả mãn

được yêu cầu trên.Ưu điểm của nó là đơn giản, có thể áp dụng để tính các sơ đồ kết cấu buồng ụ khác nhau (liền, rời hoặc có côn xôn ), và có khả năng xét đến độ cứng khác nhau của kết cấu và nền. Sơ đồ tính của phương pháp là sơ đồ của phương pháp Giêmôskin, trong

đó diện tiếp xúc giữa dầm và nền được thay bằng các gối đàn hổi riêng biệt giả định. Đây là sơ đồ của phương pháp lực. Hệ cơ bản là hệ có khớp ở tất cả các gối trung gian (hình VI- 40), ẩn số là mômen uốn. Việc tính toán được qui về lập và giải hệ phương trình chính tắc.

Giả thiết rằng độ cứng của các bộ phận thay đổi theo dạng bậc từ nhịp này sang nhịp khác hoặc trong phạm vi các nhịp, bước gối trong các nhịp của mỗi phần tử là không

đổi: c1=c2=cx; c3=cy; cxcy. Phương trình biểu diễn điều kiện bằng không của góc xoay tương hỗ của tiết diện qui tụ vào gối được lập đối với từng gối. Đối với nút tiếp giáp giữa

đáy và tường k sẽ lập được hai phương trình biểu diễn điều kiện bằng không của các góc xoay của ba tiết diện qui tụ ở đó. Nhờ vậy mà vẫn bảo đảm được điều kiện góc xoay tương hỗ của các tiết diện kvà k, còn mômen uốn trong tiết diện kđược xác định từ điều kiện

cân bằng nút M''' M '' M ' .

k k k

Mi - là mômen uốn ẩn số ở gối hoặc ở tiết diện i; Ki - hệ số độ mềm của gối i ; b - chiều rộng tính toán của công trình ( thường b = 1m ); i - diện tích biểu đồ hệ số tầng đệm trên đoạn nền được thay bằng gối i ; E - mô đun đàn hồi của vật liệu bản đáy; F - diện tích tiết diện ngang của bản đáy khi b = 1m; l - nửa chiều dài đáy. Hệ số độ mềm của gối i

được xác định theo công thức (VI-14):

Hình VI-40. Sơ đồ tính toán ụ khô khi xét tương tác giữa tường với

đất lấp. a - sơ đồ tính toán; b - sự thay đổi mômen quán tính.

http://www.ebook.edu.vn 155

Bảng VI-8. Các hàm F,,.

Hàm

c/H	j - i
c/H	0	1	2	3	4	5	6	7	8
(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)	(8)	(9)	(10)	(11)
	0	0.0000	-3.296	-4.751	-5.574	-6.154	-6.602	-6.967	-7.276	-7.544
	1/32	0.0000	-3.295	-4.747	-5.565	-6.137	-6.576	-6.931	-7.227	-7.479
F	1/16	0.0000	-3.292	-4.735	-5.538	-6.070	-6.503	-6.826	-7.086	-7.299
	1/2	0.0000	-3.058	-3.943	-4.091	-4.091	-	-	-	-
	1	0.0000	-2.541	-2.766	-2.766	-	-	-	-	-
	2	0.0000	-1.598	-1.598	-	-	-	-	-	-
	4	0.0000	-0.795	-0.795	-	-	-	-	-	-
	0	-6.592	1.8403	0.6327	0.2434	0.1313	0.0825	0.0568	0.0415	0.0316
	1/32	-6.590	1.8424	0.6347	0.2454	0.1313	0.0844	0.0587	0.0433	0.0335
	1/16 1/2 1	-6.583 -6.116 -5.082	1.8484 2.1736 2.3152	0.6406 0.7367 0.2257	0.2511 0.1479 -	0.1387 - -	0.0895 - -	0.0633 - -	0.0475 - -	0.0370 - -
	2	-3.197	1.5983	-	-	-	-	-	-	-
	4	-1.590	0.7950	-	-	-	-	-	-	-
	0	16.864	-9.639	0.8183	0.2773	0.0633	0.0230	0.0105	0.0055	0.0031
	1/32	16.864	-9.639	0.8183	0.2773	0.0631	0.0233	0.0103	0.0055	0.0031
	1/16 1/2 1	16.864 16.580 14.794	-9.639 -9.727 -9.486	0.8182 0.8482 1.8639	0.2773 0.4409 0.2257	0.0632 0.1479 -	0.0230 - -	0.0114 - -	0.0054 - -	0.0031 - -
	2	9.5899	-6.393	1.5983	-	-	-	-	-	-
	4	4.7698	-3.180	0.7950	-	-	-	-	-	-