Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm 4

Chia sẻ: Cinny Cinny | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

132
lượt xem 57
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phương pháp phân tích phần tử khối- lò xo: năm 1987 Kawai áp dụng đơn giản hoá khối rắn để mô phỏng mô hình trị số phân tử lò xo thể rắn trong môi trường không liên tục. Mô hình này lấy chuyển vị thể rắn của phân tử trung tâm làm ẩn số chưa biết, chri tính đến quan hệ kết cấu và biến dạng cân đối của mặt phân tử tiếp giáp để giải phương trình điều khiển xác định ứng suất và chuyển vị tương đối của mặt tiếp giáp. Mô hình này còn có ưu điểm...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm 4

KÐt cÊu chèng hai líp lµ kÕt cÊu th«ng th−êng hay truyÒn thèng. Tr−íc tiªn chóng ®−îc ph©n biÖt râ rµng qua chøc n¨ng lµ vá chèng t¹m vµ vá chèng cè ®Þnh. Líp vá ngoµi, hay líp thø nhÊt ®−îc l¾p dùng trong qu¸ tr×nh ®µo kho¶ng trèng ngÇm vµ kÕt hîp víi kh¶ n¨ng tù mang t¶i cña khèi ®¸ t¹o nªn kÕt cÊu b¶o vÖ, kÓ tõ thêi ®iÓm sau khi ®µo, t¹o ra kho¶ng trèng ngÇm ®Õn khi l¾p dùng vá chèng cè ®Þnh. Hai líp vá th−êng ®−îc ng¨n c¸ch bëi mét líp chèng thÊm hay c¸ch n−íc, ch¼ng h¹n b»ng mét líp chÊt dÎo cïng víi c¸c hÖ thèng b¶o vÖ kh¸c (nh− v¶i ®Þa kü thuËt); hoÆc b»ng mét líp vá ng¨n c¸ch, nh− v¶i nhùa polyetylen, nÕu líp vá trong lµ bª t«ng c¸ch n−íc (kh«ng thÊm), ®ång thêi còng ®Ó ph©n c¸ch kh«ng cho hai líp vá liªn kÕt víi nhau. KÕt cÊu vá hai líp còng cã thÓ kh«ng cã líp c¸ch n−íc hay líp ng¨n c¸ch, ch¼ng h¹n líp vá bª t«ng phÝa trong lµ bª t«ng chèng thÊm ®−îc ®æ trùc tiÕp kÕ theo líp vá bª t«ng phun bªn ngoµi, trong tr−êng hîp thi c«ng hÇm ë ®iÒu kiÖn cã n−íc ngÇm. Nãi chung, víi quan ®iÓm vá hai líp th× líp vá ngoµi th−êng ®−îc xem lµ líp vá sÏ bÞ hñy ho¹i theo thêi gian, cã tuæi thä ng¾n. Do vËy, líp vá trong ph¶i ®¸p øng c¸c yªu cÇu vÒ ®é bÒn, ®é æn ®Þnh l©u dµi vµ c¸c tÝnh n¨ng sö dông. §iÒu nµy xuÊt ph¸t tõ gi¶ ®Þnh lµ líp vá ngoµi bÞ ph¸ hñy vµ coi nh− kh«ng tån t¹i. Ng−îc l¹i, còng cã quan ®iÓm cho r»ng, líp vá ngoµi ®ãng vai trß chÝnh lµm kÕt cÊu chÞu t¶i, lëp vá trong chØ mang ý nghÜa cÊu t¹o vµ c¸c yªu cÇu thÈm mü, hoÆc chèng l¹i c¸c t¸c nh©n ph¸ ho¹i h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh vËn hµnh. KÕt cÊu chèng cña ®−êng hÇm H¶i V©n lµ vÝ dô ®iÓn h×nh cho lo¹i kÕt cÊu nµy. Tuy nhiªn trong thùc tÕ cã nhiÒu vÝ dô chøng tá r»ng, líp vá ngoµi, t¹i tr¹ng th¸i cuèi cïng vÇn cã kh¶ n¨ng mang t¶i vµ cã thÓ tÝnh to¸n, kiÓm ®Þnh ®−îc vµ ý t−ëng vÒ kÕt cÊu mét vá ®−îc h×nh thµnh cã ba yÕu tè: • Líp vá ngoµi thùc tÕ kh«ng bÞ ph¸ hñy ®Õn møc nh− vÉn tån t¹i trong c¸c gi¶ ®Þnh lý thuyÕt; • Ngµy nay hoµn toµn cã thÓ sö dông bª t«ng phun ë d¹ng bª t«ng kÕt cÊu. Nh− vËy, nÕu ®· xem líp vá ngoµi lµ mét bé phËn cña vá chèng cè ®Þnh, viÖc t¹o ra líp vá trong chØ nªn xem lµ t¹o mét líp bæ sung cña líp vá ®· tån t¹i, ®Ó ®¶m b¶o ®¸p øng ®−îc c¸c yªu cÇu vÒ ®é bÒn vµ ®é æn ®Þnh l©u dµi. Nh− vËy cã thÓ gi¶m ®−îc khèi l−îng hay thÓ tÝch ®¸ ®µo ra còng nh− khèi l−îng hay thÓ tÝch cña kÕt cÊu; • B»ng c¸ch sö dông bª t«ng sîi thÐp còng nh− bª t«ng phun sîi thÐp cho phÐp rót ng¾n ®−îc thêi gian thi c«ng. §−¬ng nhiªn kÕt cÊu mét líp cÇn thiÕt ph¶i ®¶m b¶o ®−îc c¸c yªu cÇu kh¸c nhau trong tõng giai ®äan kh¸c nhau còng nh− lµ kÕt cÊu tæng thÓ ®èi víi c¸c yªu cÇu cuèi cïng, l©u dµi. Thùc hiÖn ®−îc ý t−ëng nµy sÏ mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ nhÊt ®Þnh. §iÒu kiÖn ®Ó cã thÓ tÝch hîp líp vá ngoµi thµnh mét bé 19
phËn cña líp vá chèng cè ®Þnh lµ ph¶i t¹o ra mèi liªn kÕt toµn phÇn cña ‘khe c«ng t¸c’ gi÷a hai líp. Trong thùc tÕ còng cßn nãi ®Õn kÕt cÊu vá nhiÒu líp, ph©n biÖt bëi ®Æc ®iÓm cÊu t¹o, vËt liÖu trong tõng líp vµ c¸c líp nµy cã thÓ ®−îc thiÕt kÕ riªng rÏ, song vÒ kh¶ n¨ng chÞu t¶i tæng thÓ vÉn cã thÓ xem lµ kÕt cÊu mét vá hay kÕt cÊu mét líp. 1.4. Vµi nÐt vÒ lÞch sö ph¸t triÓn Cho ®Õn kho¶ng thËp kû 50 cña thÕ kû 20 ®Ó chèng ®ì (b¶o vÖ) c¸c c«ng tr×nh ngÇm vÉn chñ yÕu sö dông kÕt cÊu khung b»ng gç. Sau ®ã c¸c kÕt cÊu khung thÐp, bª t«ng phun vµ neo míi dÇn dÇn ®−îc sö dông. Tuy nhiªn, ngay tõ l©u, tr−íc ®ã, ®· cã c¸c ý t−ëng thóc ®Èy viÖc t×m c¸c ph−¬ng ¸n thay dÇn gç trong x©y dùng má vµ c«ng tr×nh ngÇm, v× c¸c yÕu ®iÓm cña lo¹i kÕt cÊu nµy lµ tèn nhiÒu thêi gian vµ c«ng søc khi ®µo v−ît tiÕt diÖn nhiÒu, tÝnh linh häat kÐm vµ dÔ bÞ ch¸y. KÕt cÊu thÐp ®−îc sö dông ®Çu tiªn ë d¹ng c¸c thÐp ®−êng ray ®· qua sö dông vµ lóc ®Çu th−êng ë d¹ng phèi hîp víi kÕt cÊu gç. Sù ra ®êi cña ngµnh c¸n thÐp vµo ®Çu thÕ kû 19 ®· gãp phÇn thay thÕ kÕt cÊu khung gç b»ng kÕt cÊu khung thÐp ngµy cµng nhiÒu h¬n. Cho ®Õn kho¶ng cuèi thÓ kû 19, ®Çu thÕ kû 20 t¹i c¸c n−íc ph¸t triÓn trªn thÕ giíi, hÇu nh− gç ®· bÞ thay thÕ hßan toµn trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm khi ®µo qua c¸c khèi ®¸ cã ¸p lùc m¹nh (Fayol 1885; Mathet 1888; Koehler 1900). Mét vÝ dô, ®−îc coi lµ ®iÓn h×nh, lµ sö dông kÕt cÊu thÐp khung ch÷ nhËt 2,5x2,8m ®Ó chèng gi÷ ®o¹n hÇm ¸p lùc lín t¹i ®−êng hÇm Simplon (Pressel 1906). LÞch sö ¸p dông bª t«ng phun trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm g¾n liÒn víi sù ph¸t triÓn cña c¸c lo¹i m¸y phun cã tÝnh n¨ng kü thuËt ngµy cµng tèt h¬n vµ ®é an toµn, tÝnh æn ®Þnh ngµy cµng cao h¬n. Ngay sau khi ®¨ng ký b¶n quyÒn m¸y phun kh« ®Çu tiªn (“cement gun“) cña Akeley 1911, mét ®−êng hÇm ë Mü ®· ®−îc söa ch÷a b»ng bª t«ng phun (Teichert 1979). Còng t¹i Mü, trong lÜnh vùc khai th¸c hÇm lß ®· b¾t ®Çu sö dông bª t«ng phun ®Ó chèng gi÷ c¸c ®−êng lß t¹i c¸c má Bruceton, Pennsylvania tõ 1914 (Rice 1918). Tr−íc 1920 vá bª t«ng phun kÕt hîp víi l−íi thÐp ®· ®−îc sö dông ®Ó b¶o vÖ ®−êng hÇm ®−êng s¾t ë Illinois. Vµo ®Çu thÕ kû 20, c¸c m¸y bª t«ng phun kh« (bª t«ng phun trén kh«) ®· x©m nhËp vµo ch©u ¢u, ®Æc biÖt lµ t¹i vïng nói Alp. C¸c ®−êng hÇm ¸p lùc cña nhµ m¸y ®iÖn Buendner vµ cña nhµ m¸y ®iÖn Amsteg ®· sö dông bª t«ng phun (gunit) lµm kÕt cÊu b¶o vÖ. T¹i ®−êng hÇm ®−êng s¾t Coldrerio vµ Massagno ë Tessin ®· sö dông bª t«ng phun ®Ó söa ch÷a. H×nh 1-5 cho thÊy h×nh ¶nh sö dông bª t«ng phun ®Ó c¶i t¹o ®−êng hÇm 20
®−êng s¾t thµnh ®−êng hÇm « t« Ulmberg t¹i Zuerich vµo n¨m 1927 (Kovari 2001). H×nh 1- 5. Sö dông bª t«ng phun t¹i Thôy sü ( ®−êng hÇm Ulmberg 1927) N¨m 1922, ®−êng hÇm ¸p lùc dµi 6 km cña nhµ m¸y ®iÖn Heimbach t¹i §øc ®· ®−îc phun phñ b»ng bª t«ng phun. Tuy nhiªn bª t«ng phun ®−îc sö dông nhiÒu, b¾t ®Çu cïng víi sù ra ®êi cña c¸c m¸y phun c«ng suÊt cao. M¸y phun cã kÕt cÊu trôc xo¾n do Senn ph¸t triÓn míi ®−îc coi lµ m¸y phun bª t«ng ’thùc sù’ ®Çu tiªn, bëi lÏ lÇn ®Çu tiªn cho phÐp sö dông cèt liÖu ®Õn 25 mm, víi c«ng suÊt ®¹t ®−îc lµ 3m3/giê. Tõ ®ã h×nh thµnh kh¶ n¨ng sö dông bª t«ng phun nh− lµ mét bé phËn chñ ®¹o trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm. Mét sè vÝ dô ¸p dông nh− c¸c ®−êng hÇm dÉn n−íc Maggia cña nhµ m¸y ®iÖn t¹i Tessin 1952, hai ®−êng hÇm cña tuyÕn ®−êng « t« Axen (Frey-Baer 1955; Sonderegger 1955; Sonderegger 1956) t¹i ¸o. Tõ 1957 t¹i ý vµ tõ 1964 t¹i §øc ®· sö dông bª t«ng phun trong thi c«ng c«ng tr×nh ngÇm tiÕt diÖn lín trong lÜnh vùc giao th«ng. LÞch sö ¸p dông neo cã lÏ ®−îc b¾t ®Çu víi c¸c gi¶i tr×nh b¶n quyÒn cña Stephan, Froehlich vµ Kloepfel vµo nh÷ng n¨m 1913 (H×nh 1-6). Sù bïng næ cña chiÕn tranh thÕ giíi thø nhÊt ®· g©y tr× ho·n c«ng bè b¶n quyÒn nµy vµo n¨m 1918. B¶n gi¶i tr×nh b¶n quyÒn nµy bao gåm c¸c ý t−ëng cña kÕt cÊu chèng b»ng neo vµ nªu hai vÝ dô ¸p dông lµ tu söa kÕt cÊu bÞ ph¸ hñy t¹i s−ên mét ®−êng hÇm vµ chèt gi÷ khèi ph¸ hñy t¹i nãc mét ®−êng hÇm. Tuy nhiªn ph¸t kiÕn nµy ch−a ®−îc c¸c nhµ chuyªn m«n quan t©m ngay. M·i 25 n¨m sau 21
ng−êi ta míi thÊy mét b¸o c¸o vÒ thö nghiÖm neo vµo nh÷ng n¨m 1936 vµ 1937 t¹i má khai th¸c kÒn ë phÝa nam Misouri ë Mü (Weigel 1943). Vµo thËp kû 40, ng−êi Hµ Lan Beyl cã b¸o c¸o vÒ kÕt qu¶ thö nghiÖm neo thµnh c«ng t¹i Anh (Beyl 1945/1946). B»ng c¸ch ®o dÞch chuyÓn, héi tô cña ®−êng hÇm «ng ta ®· kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña neo ®Õn c¸c biÓu hiÖn cña khèi ®¸ vµ kh¼ng ®Þnh r»ng, cÇn thiÕt c¾m neo ngay sau khi ®µo. Sau n¨m 1945 neo ®−îc sö dông ngµy cµng nhiÒu, b¾t ®Çu lµ trong khai th¸c má ë Mü (Conway 1948; Thomas 1948) vµ sau 1952 ë ch©u ¢u, t¹i c¸c má ë Anh, Ph¸p, §øc. So víi khung thÐp vµ bª t«ng phun, neo ®−îc h¹n chÕ sö dông trong ngµnh má tõ l©u; song sau mét kho¶ng thêi gian ng¾n kÕt cÊu neo ®· thay thÕ kÕt cÊu gç trªn thÕ giíi. KÕt cÊu neo ®−îc sö dông trong c«ng tr×nh ngÇm ®Çu tiªn lµ t¹i ®−êng hÇm dÉn n−íc t¹i ®Ëp n−íc Keyhole, Wyo ë Mü vµo n¨m 1950 (Anonymous 1951). §ét ph¸ sö dông neo thùc sù x¶y ra trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm lµ t¹i ®−êng hÇm dÉn n−íc 42km cña dù ¸n Delaware Water Supply Aqueduct ë New York (Nolan 1952; Pierce 1953). T¹i ®©y, do kh¶ n¨ng cung cÊp c¸c khung thÐp gÆp khã kh¨n, nªn neo kÕt hîp víi bª t«ng phun ®· ®−îc sö dông thay thÕ khung thÐp h×nh vßm. Trªn 19,5 km ®−êng hÇm ®· ®−îc b¶o vÖ thµnh c«ng b»ng neo vµ còng v× thÕ ®· gi¶m ®−îc kho¶ng 85% l−îng thÐp, nÕu sö dông khung thÐp. t−êng c¸t kÕt sÐt kÕt ®¸ lç khoan vßng than h×nh c«n than neo lç tÊm thÐp khoan H×nh 1-6 . H×nh ¶nh sö dông neo ®Çu tiªn trong lÜnh vùc khai th¸c má n¨m 1913) Nh− vËy, víi nh÷ng c¶i tiÕn cña c«ng nghÖ bª t«ng phun trong thËp kû 50 thÕ kû 20, vai trß cña khung chèng gç ®· bÞ lo¹i trõ trªn thÕ giíi, kÓ c¶ 22
trong lÜnh x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm. Thªm vµo ®ã lµ viÖc ¸p dông thµnh c«ng c¸c kÕt cÊu phèi hîp bª t«ng phun, neo vµ khung thÐp. Tuy nhiªn, t¹i nhiÒu má hÇm lß cña ViÖt Nam, gç vÇn cßn lµ mét lo¹i vËt liÖu quan träng. Nãi chung , trong lÜnh vùc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm vµ má, viÖc c¶i tiÕn vµ ph¸t triÓn c¸c kÕt cÊu b¶o vÖ vÉn lu«n lµ vÊn ®Ò ®−îc quan t©m thÝch ®¸ng. KÕt cÊu hîp lý kh«ng chØ ®¶m b¶o ®−îc c¸c yªu cÇu vÒ kü thuËt mµ th−êng ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ ®¸ng kÓ. 1.5. Nguyªn t¾c vµ ph−¬ng ph¸p lùa chän, thiÕt kÕ kÕt cÊu chèng Nãi chung, trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trong C¬ häc ®¸, kÕt hîp víi sù ph¸t triÓn cña c¸c lo¹i vËt liÖu vµ kÕt cÊu chèng míi, sù ph¸t triÓn cña c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n, thiÕt kÕ, kÕt hîp víi kinh nghiÖm thùc tÕ cho thÊy r»ng ®Ó cã thÓ cã ®−îc mét gi¶i ph¸p hîp lý vÒ kinh tÕ vµ kü thuËt ®èi víi kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm cÇn thiÕt ph¶i tiÕn hµnh c¸c c«ng t¸c c¬ b¶n sau: • Nghiªn cøu, ®¸nh gi¸ møc ®é æn ®Þnh cña khèi ®¸ xung quanh c¸c ®−êng lß, c¸c c«ng tr×nh ngÇm sau khi ®µo, tõ ®ã cho phÐp dù b¸o ¸p lùc ®Êt/®¸ hay ¸p lùc má, trªn c¬ së ph©n lo¹i khèi ®¸, kinh nghiÖm thùc tÕ, ph©n tÝch lý thuyÕt, ®o ®¹c; Nãi chung c¸c kÕt cÊu chèng cè ®Þnh cña c«ng tr×nh ngÇm th−êng ph¶i chÞu t¸c ®éng cña nhiÒu yÕu tè kh¸c nhau. C¸c yÕu tè c¬ b¶n ®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng 1-4. B¶ng 1-4. C¸c lo¹i t¶i träng t¸c dông lªn kÕt cÊu chèng Tõ phÝa khèi ®¸: Tõ qu¸ tr×nh thi c«ng: Tõ ®iÒu kiÖn sö dông, khai th¸c: • C¸c lo¹i ¸p lùc • Tù träng cña kÕt cÊu trong • T¸c dông cña nhiÖt ®é tõ kh«ng vµ t¶i träng. khi thi c«ng; c¸c t¶i träng tõng khÝ, n−íc th¶i, còng nh− c¸c yÕu • HËu qu¶ do sôt phÇn trong tr¹ng th¸i thi c«ng. tè t−¬ng tù. • Táa nhiÖt trong qu¸ tr×nh • C¸c t¸c ®éng hãa häc bëi khÝ lón, sËp lë ®Êt ®¸. • §éng ®Êt. thñy ph©n, co ngãt (bª t«ng) th¶i, n−íc.... • C¸c t¸c ®éng do giao th«ng, vËn • ¸p lùc khi b¬m Ðp chÌn c¸c • ¸p lùc n−íc. • C¸c t¸c ®éng chuyÓn. khe, chÌn phÝa nãc. • T¸c ®éng cña c¸c h¹t ®¸, • C¸c tr¹ng th¸i vËn chuyÓn ®èi x©m thùc cña n−íc cuéi...cã trong n−íc (®èi víi c¸c víi c¸c kÕt cÊu ®óc s½n ( c¸c hoÆc c¸c thµnh ®−êng hÇm dÉn n−íc). tÊm l¾p ghÐp, tuýpbing, c¸c phÇn cã tÝnh x©m • T¸c ®éng do ch¸y trong c¸c èng ®óc s½n). thùc trong ®Êt ®¸. • C¸c lùc nÐn Ðp khi thi c«ng, c«ng tr×nh giao th«ng ngÇm. c¸c t¶i träng do kÐo c¸c cÊu kiÖn, dông cô kh¸c. 23
TÝnh to¸n, thiÕt kÕ kÕt cÊu chèng nhÊt thiÕt ph¶i chó ý ®Õn c¸c yÕu tè t¸c ®éng nµy, tïy theo tõng chøc n¨ng, nhiÖm vô cô thÓ cña c«ng tr×nh ngÇm vµ ®iÒu kiÖn cô thÓ cña khèi ®Êt/®¸. C«ng t¸c thiÕt kÕ vµ thi c«ng kÕt cÊu chèng cè ®Þnh dùa trªn c¬ së t¸c ®éng t−¬ng hç gi÷a kÕt cÊu chèng vµ khèi ®¸, ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt, ®Þa chÊt thñy v¨n còng nh− chiÒu dµi c«ng tr×nh ngÇm. C¸c b−íc c«ng t¸c ®−îc cô thÓ hãa nh− trªn trªn s¬ ®å h×nh 1-7. Lý thuyÕt, kinh nghiÖm. Ph©n tÝch møc ®é æn ®Þnh, C¸c kiÕn thøc thùc tÕ. dù ®o¸n ¸p l−c, t¶i träng §o ®¹c vµ quan s¸t t¹i t¸c dông lªn kÕt cÊu chèng hiÖn tr−êng. • C¸c ®iÒu kiÖn ®Þa tÇng. Lùa chän lo¹i kÕt • Chøc n¨ng c«ng tr×nh. • cÊu chèng: KÝch th−íc c«ng tr×nh • kÕt cÊu chèng t¹m, cè ®Þnh Thêi gian tån t¹i (neo, bª t«ng phun, khung • Gi¸ thµnh hÖ thèng kÕt thÐp, bª t«ng v..v..) cÊu chèng • Ph−¬ng ph¸p thi c«ng • Ph¶n øng, tÝnh chÊt M« h×nh KCC, M« h×nh cña kÕt cÊu chèng m« h×nh t−¬ng t¸c • tÝnh Gi¶i ph¸p t¨ng c−êng khèi ®¸ - KCC cho kÕt cÊu chèng C¸c thµnh phÇn néi lùc Ph©n tÝch (M; N; Q). kÕt cÊu chèng DÞch chuyÓn. C¸c tiªu chuÈn bÒn vµ æn ¦ng suÊt ®Þnh • Lý thuyÕt ®µn håi. X¸c ®Þnh kÝch • Lý thuyÕt dÎo th−íc cña kÕt • L−u biÕn cÊu chèng • TÝnh æn ®Þnh. Quan s¸t, ®o ®¹c thùc Gi¸ thµnh tÕ t¹i hiÖn tr−êng. §¸nh gi¸ l¹i • cña Ph©n tÝch hiÖu qu¶ thiÕt kÕ kÕt cÊu chèng. kinh tÕ tæng thÓ. H×nh 1-7. S¬ ®å lùa chän, thiÕt kÕ vËt liÖu vµ kÕt cÊu chèng (KCC) hîp lÝ 24