Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:153

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là Xác định quá trình phát triển nhiệt độ, trường ứng suất nhiệt trong đập BTĐL dựa trên những điều kiện ban đầu và điều kiện biên. Đề xuất việc lựa chọn hàm lượng và thành phần vật liệu CKD, đề ra các giải pháp giảm nhiệt để khống chế các vết nứt do ứng suất nhiệt trong quá trình thi công đập BTĐL phù hợp với từng vùng miền của Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN MINH VIỆT NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT NHIỆT CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THỦY ĐIỆN TẠI VIỆT NAM (Chỉnh sửa sau phản biện kín) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN MINH VIỆT NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT NHIỆT CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THỦY ĐIỆN TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62.58.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Hoàng Phó Uyên 2. GS.TS. Phạm Ngọc Khánh HÀ NỘI, NĂM 2017
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Minh Việt i
LỜI CÁM ƠN Sau thời gian thực hiện, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các Thầy và các bạn bè đồng nghiệp, Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến Ban Giám đốc, Trung tâm đào tạo và Hợp tác quốc tế, Ban TCHC Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam đã giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong thời gian thực hiện Luận án. Xin đặc biệt cám ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Hoàng Phó Uyên, GS.TS. Phạm Ngọc Khánh. Các Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất cho NCS trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án. Tác giả chân thành cám ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện Luận án. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, chắc chắn Luận án không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả kính mong các Thầy Cô chỉ bảo, các đồng nghiệp đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài. Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2017 Tác giả luận án Nguyễn Minh Việt ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................xiv MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ..............................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................2 3. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................................2 4. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................2 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2 5.1. Phương pháp lý thuyết ......................................................................................2 5.2. Phương pháp mô hình toán ...............................................................................2 6. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án ....................................................3 7.1. Ý nghĩa khoa học ..............................................................................................3 7.2. Ý nghĩa thực tiễn ..............................................................................................3 8. Cấu trúc của luận án ................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ..................................................................................................... 4 1.1. Bê tông đầm lăn ....................................................................................................4 1.2. Tính năng cơ học của BTĐL ................................................................................4 1.2.1. Cường độ kháng nén của BTĐL ...................................................................4 1.2.2. Cường độ kháng kéo của BTĐL ...................................................................5 1.2.3. Mô đun đàn hồi của BTĐL............................................................................5 1.2.4. Biến dạng của BTĐL .....................................................................................6 1.2.4.1. Từ biến của BTĐL..................................................................................6 1.2.4.2. Co ngót của BTĐL .................................................................................7 1.2.4.3. Giá trị kéo dãn giới hạn của BTĐL ........................................................7 1.2.5. Tính năng cơ học của BTĐL theo thời gian ..................................................8 1.3. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới và tại Việt Nam .............................9 1.3.1. Tình hình xây dựng đập BTĐL trên thế giới .................................................9 1.3.2. Tình hình xây dựng đập BTĐL tại Việt Nam .............................................11 iii
1.4. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL ..................................13 1.4.1. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt BTĐL trên thế giới .............13 1.4.2. Tình hình nghiên cứu nhiệt và ứng suất nhiệt BTĐL tại Việt Nam ............13 1.5. Vấn đề nứt do nhiệt đối với đập BTĐL ..............................................................16 1.6. Vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với luận án ....................................................17 1.7. Kết luận chương 1 ..............................................................................................17 CHƯƠNG 2. NHIỆT VÀ KHỐNG CHẾ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ....................................................................................................... 18 2.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................18 2.2. Nguồn phát sinh nhiệt trong BTĐL ....................................................................18 2.3. Vấn đề trao đổi nhiệt đối với BTĐL ..................................................................19 2.3.1. Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt ......................................................................19 2.3.2. Trao đổi nhiệt đối lưu ..................................................................................21 2.3.3. Trao đổi nhiệt bức xạ ...................................................................................22 2.4. Cơ chế nứt do nhiệt trong bê tông khối lớn ........................................................23 2.4.1. Nứt bề mặt ...................................................................................................23 2.4.2. Nứt xuyên ....................................................................................................24 2.5. Yêu cầu khống chế nhiệt cho đập BTĐL ...........................................................24 2.5.1. Chênh lệch nhiệt độ tại đáy đập ..................................................................25 2.5.2. Chênh lệch nhiệt độ lớp trên và dưới ..........................................................26 2.5.3. Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài .............................................................28 2.5.3.1. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài .............................28 2.5.3.2. Thực tế khống chế chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài ........................29 2.6. Phương pháp giải bài toán nhiệt .........................................................................30 2.6.1. Các phương pháp giải bài toán nhiệt ...........................................................30 2.6.1.1. Phương pháp giải tích ...........................................................................30 2.6.1.2. Phương pháp toán tử.............................................................................31 2.6.1.3. Phương pháp gần đúng .........................................................................31 2.6.1.4. Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt ...........................................33 2.6.2. Cơ sở tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn ...............................................................................................................................33 2.6.2.1. Các giả thiết ..........................................................................................33 iv
2.6.2.2. Xác định trường nhiệt độ ......................................................................34 2.6.2.3. Xác định trường ứng suất .....................................................................36 2.7. Kết luận chương 2 ..............................................................................................42 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐẬP BTĐL THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHẦN MỀM ANSYS ............................................................................................................... 43 3.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................43 3.2. Tính toán nhiệt thủy hóa của vật liệu chất kết dính BTĐL ................................43 3.3. Tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL trong quá trình thi công bằng ngôn ngữ lập trình tham số (APDL) trong ANSYS ..................................................................46 3.3.1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS ................................................................46 3.3.2. Giải bài toán bằng phần mềm ANSYS ........................................................47 3.3.3. Công năng phân tích nhiệt bằng phần mềm ANSYS ..................................48 3.3.4. Cơ sở xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL ...............49 3.3.5. Sơ đồ khối tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTTL .....................................50 3.3.6. Xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTTL .........................50 3.3.6.1. Mô tả kết cấu đập .................................................................................50 3.3.6.2. Mô hình hóa kết cấu đập BTĐL ...........................................................51 3.3.6.3. Xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập trọng lực BTĐL .................................................................................................................51 3.4. Kiểm nghiệm tính toán nhiệt cho đập BTĐL Sơn La ........................................52 3.4.1. Giới thiệu công trình ...................................................................................52 3.4.2. Các chỉ tiêu cơ lý và nhiệt của bê tông và đá nền .......................................53 3.4.3. Các điều kiện biên về nhiệt .........................................................................54 3.4.4. Tiến độ thi công ...........................................................................................55 3.4.5. Kết quả quan trắc nhiệt trong thân đập BTĐL Sơn La ...............................57 3.4.6. Mặt cắt kiểm tra ...........................................................................................57 3.4.7. Mô hình tính toán ........................................................................................58 3.4.8. Kết quả tính toán .........................................................................................60 3.4.9. Nhận xét.......................................................................................................62 3.5. Kết luận Chương 3 .............................................................................................63 v
CHƯƠNG 4. BIỆN PHÁP GIẢM NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ................................ 64 4.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................64 4.2. Cơ sở phân vùng nghiên cứu ..............................................................................65 4.2.1. Điều kiện tự nhiên .......................................................................................65 4.2.2. Điều kiện nhiệt độ và độ ẩm môi trường .....................................................65 4.2.3. Điều kiện nguồn cung ứng vật liệu PGK ....................................................68 4.2.4. Phân vùng nghiên cứu .................................................................................69 4.3. Các tham số cơ bản dùng cho nghiên cứu ..........................................................69 4.3.1. Các tham số đầu vào cố định .......................................................................69 4.3.2. Tham số khống chế nứt ...............................................................................71 4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến ứng suất nhiệt đập BTĐL .71 4.4.1. Cơ sở nghiên cứu .........................................................................................71 4.4.2. Khi nhiệt độ không khí xem là nhiệt độ trung bình năm.............................71 4.4.3. Khi nhiệt độ không khí thay đổi theo thời gian (ngày) ...............................72 4.4.4. Nhận xét.......................................................................................................73 4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm không khí đến ứng suất nhiệt đập BTĐL ....73 4.5.1. Cơ sở nghiên cứu .........................................................................................73 4.5.2. Kết quả tính toán .........................................................................................74 4.5.3. Nhận xét.......................................................................................................75 4.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần khoáng của vật liệu XM đến ứng suất nhiệt đập BTĐL .........................................................................................................75 4.6.1. Cơ sở nghiên cứu .........................................................................................75 4.6.2. Kết quả tính toán .........................................................................................76 4.6.3. Nhận xét.......................................................................................................81 4.7. Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đổ bê tông đến ứng suất nhiệt đập BTĐL.......82 4.7.1. Cơ sở nghiên cứu .........................................................................................82 4.7.2. Kết quả tính toán .........................................................................................83 4.7.3. Nhận xét.......................................................................................................87 4.8. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng PGK đến ứng suất nhiệt đập BTĐL .....88 4.8.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng PGK đến nhiệt và ứng suất nhiệt thân đập BTĐL ......................................................................................................88 vi
4.8.2. Kiến nghị hàm lượng PGK trên tổng lượng chất kết dính cho từng khu vực ...............................................................................................................................90 4.8.3. Nhận xét.......................................................................................................92 4.9. Đề xuất giải pháp giảm ứng suất nhiệt BTĐL hợp lý cho từng khu vực ...........93 4.9.1. Cơ sở đề xuất giải pháp hợp lý ....................................................................93 4.9.2. Đề xuất giải pháp giảm ứng suất nhiệt hợp lý cho từng khu vực ................94 4.9.2.1. Đối với khu vực miền núi phía Bắc......................................................94 4.9.2.2. Đối với khu vực Bắc Trung bộ .............................................................95 4.9.2.3. Đối với khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên..................................96 4.10. Kiểm nghiệm tính toán ứng suất nhiệt đập BTĐL Trung Sơn – Thanh Hóa ...98 4.10.1. Giới thiệu công trình .................................................................................98 4.10.1.1. Giới thiệu công trình ..........................................................................98 4.10.1.2. Các chỉ tiêu cơ lý và nhiệt của bê tông và đá nền ..............................99 4.10.1.3. Các điều kiện biên về nhiệt ..............................................................100 4.10.1.4. Mặt cắt kiểm tra ................................................................................101 4.10.2. Kết quả quan trắc nhiệt ............................................................................102 4.10.3. Tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập .....................................................104 4.10.3.1. Mô hình tính toán .............................................................................104 4.10.3.2. Kết quả tính toán ..............................................................................105 4.10.3.3. Nhận xét............................................................................................106 4.10.4. Giải pháp giảm ứng suất nhiệt đập BTĐL Trung Sơn ............................107 4.11. Kết luận chương 4 ..........................................................................................108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 111 1. Kết luận................................................................................................................111 2. Những đóng góp mới của Luận án ......................................................................112 3. Kiến nghị .............................................................................................................112 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 114 PHỤ LỤC I: BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THÀNH PHẦN KHOÁNG CỦA MỘT SỐ LOẠI XI MĂNG ĐIỂN HÌNH ................................... 119 PHỤ LỤC II: CÁC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIỆT - ỨNG SUẤT NHIỆT ........................................................................................................................ 121 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Đập BTĐL được xây dựng trên thế giới tính đến năm 2009 [50] ................11 Hình 2.1. Ứng suất nhiệt tại bề mặt khối bê tông ..........................................................23 Hình 2.2. Biến dạng do nhiệt độ & ứng suất do nền kiềm chế của khối bê tông ..........24 Hình 2.3. Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài khối đập ................................................28 Hình 2.4. Các phương pháp chính để giải bài toán nhiệt ..............................................30 Hình 2.5. Phần tử phẳng sử dụng trong tính toán nhiệt .................................................34 Hình 2.6. Phần tử và chuyển vị nút của phần tử tứ giác và tam giác ............................38 Hình 3.1. Hệ số ảnh hưởng của hàm lượng C3A + C3S đến nhiệt thủy hóa của XM ....46 Hình 3.2. Phần tử sử dụng cho phân tích nhiệt - ứng suất (PLANE55 – PLANE182) .48 Hình 3. 3. Điều kiện biên nhiệt......................................................................................49 Hình 3.4. Sơ đồ khối tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL ...............................50 Hình 3.5. Mặt cắt ngang đập trọng lực BTĐL ..............................................................51 Hình 3. 6. Sự phát triển cường độ kháng nén, kéo theo thời gian của BTĐL Sơn La ..53 Hình 3. 7. Sự phát triển mô đun đàn hồi theo thời gian của BTĐL Sơn La..................53 Hình 3.8. Tiến độ thi công đập ......................................................................................56 Hình 3.9. Nhiệt độ quan trắc tại cao trình +114,0 m .....................................................57 Hình 3.10. Mặt cắt tính toán ..........................................................................................58 Hình 3.11. Mô hình hình học đập và nền ......................................................................59 Hình 3.12. Mô hình PTHH đập làm việc đồng thời với nền .........................................59 Hình 3.13. Trường nhiệt độ lớn nhất trong thân đập .....................................................60 Hình 3.14. Diễn biến nhiệt độ tại cao trình +114,0 m theo thời gian ............................61 Hình 3.15. Trường ứng suất chính lớn nhất trong thân đập ..........................................61 Hình 3.16. Ứng suất chính lớn nhất tại mặt thượng và hạ lưu đập ...............................62 Hình 3.17. So sánh nhiệt độ tính toán và thực đo tại cao trình +114,0 m .....................62 Hình 4.1. Các đập lớn đã, đang và sẽ xây dựng ở Việt Nam ........................................65 Hình 4.2. Diễn biến nhiệt độ khu vực miền núi phía Bắc .............................................67 Hình 4.3. Diễn biến nhiệt độ khu vực Bắc Trung bộ ....................................................68 Hình 4.4. Diễn biến nhiệt độ khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên .........................68 Hình 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến nhiệt độ tại biên khối đổ ................71 viii
Hình 4.6. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí đến tỏa nhiệt đối lưu bê tông - không khí 74 Hình 4. 7. Ảnh hưởng của thành phần khoáng XM đến nhiệt thủy hóa BTĐL ............76 Hình 4.8. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM và nhiệt độ lớn nhất trong thân đập ........................................................................................................77 Hình 4.9. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên thượng lưu đập tại các cao độ so với đáy đập ..................77 Hình 4.10. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên hạ lưu đập tại các cao độ so với đáy đập ..........................78 Hình 4.11. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM và nhiệt độ lớn nhất trong thân đập ..................................................................................................79 Hình 4.12. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên thượng lưu đập tại các cao độ so với đáy đập ..................79 Hình 4. 13. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên hạ lưu đập tại các cao độ so với đáy đập ..........................80 Hình 4.14. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM và nhiệt độ lớn nhất trong thân đập ..................................................................................................80 Hình 4.15. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên thượng lưu đập tại các cao độ so với đáy đập ..................81 Hình 4.16. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên hạ lưu đập tại các cao độ so với đáy đập ..........................81 Hình 4. 17. Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của bê tông Tp tại khối đổ đến nhiệt thủy hóa BTĐL ......................................................................................................................82 Hình 4.18. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông và nhiệt độ lớn nhất trong thân đập .................................................................................................................................83 Hình 4.19. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên thượng lưu đập tại các cao độ so với đáy đập................................................84 Hình 4.20. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên hạ lưu đập tại các cao độ so với đáy đập .......................................................84 Hình 4.21. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông và nhiệt độ lớn nhất trong thân đập .................................................................................................................................85 ix
Hình 4.22. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên thượng lưu đập tại các cao độ so với đáy đập................................................85 Hình 4.23. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên hạ lưu đập tại các cao độ so với đáy đập .......................................................85 Hình 4.24. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông và nhiệt độ lớn nhất trong thân đập .................................................................................................................................86 Hình 4.25. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên thượng lưu đập tại các cao độ so với đáy đập................................................87 Hình 4.26. Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ đổ bê tông với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên hạ lưu đập tại các cao độ so với đáy đập .......................................................87 Hình 4.27. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng PGK với nhiệt độ lớn nhất trong thân đập .......................................................................................................................................89 Hình 4.28. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng PGK với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên thượng lưu đập tại các cao độ so với đáy đập .......................................................89 Hình 4.29. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng PGK với ứng suất chính lớn nhất tại mép biên hạ lưu đập tại các cao độ so với đáy đập ...............................................................90 Hình 4.30. Kiến nghị hàm lượng PGK khu vực miền núi phía Bắc dựa trên khống chế cường độ kháng kéo của BTĐL ....................................................................................91 Hình 4.31. Kiến nghị hàm lượng PGK khu vực Bắc Trung bộ dựa trên khống chế cường độ kháng kéo của BTĐL ....................................................................................91 Hình 4. 32. Kiến nghị hàm lượng PGK khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên dựa trên khống chế cường độ kháng kéo của BTĐL ............................................................91 Hình 4.33. Xác định hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM và hàm lượng PGK trên tổng lượng CKD hợp lý .................................................................................................94 Hình 4.34. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM và hàm lượng PGK trên tổng lượng CKD với ứng suất chính lớn nhất tại mặt thượng và hạ lưu đập khu vực miền núi phía Bắc ............................................................................................94 Hình 4.35. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM và hàm lượng PGK trên tổng lượng CKD với ứng suất chính lớn nhất tại mặt thượng và hạ lưu đập khu vực Bắc Trung bộ ...................................................................................................95 x
Hình 4.36. Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng khoáng C3A + C3S của XM và hàm lượng PGK trên tổng lượng CKD với ứng suất chính lớn nhất tại mặt thượng và hạ lưu đập khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên ........................................................................97 Hình 4.37. Đập BTĐL Trung Sơn đang trong quá trình thi công .................................98 Hình 4.38. Sự phát triển cường độ kháng kéo và kháng nén của BTĐL theo thời gian .......................................................................................................................................99 Hình 4.39. Mặt cắt kiểm tra .........................................................................................102 Hình 4.40. Vị trí quan trắc nhiệt và ứng suất trong thân đập ......................................103 Hình 4.41. Giá trị đo nhiệt độ trong quá trình theo dõi tại vị trí điểm đo PT64 .........104 Hình 4.42. Mô hình hình học đập và nền ....................................................................104 Hình 4.43. Mô hình PTHH đập làm việc đồng thời với nền .......................................105 Hình 4.44. Trường nhiệt độ lớn nhất trong thân đập ...................................................105 Hình 4.45. Trường ứng suất nhiệt trong thân đập .......................................................106 Hình 4.46. Ứng suất chính lớn nhất tại mặt thượng và hạ lưu đập .............................106 Hình 4.47. Trường ứng suất chính lớn nhất trong thân đập với giải pháp kiến nghị ..107 Hình 4.48. Ứng suất chính lớn nhất tại mặt thượng hạ lưu đập với giải pháp kiến nghị .....................................................................................................................................108 xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các đập BTĐL đã và đang được xây dựng ở Việt Nam [34] .......................12 Bảng 1.2. Nhiệt độ bê tông tại các khối đổ sử dụng Puzơlan........................................14 Bảng 2. 1. Nhiệt thủy hóa của các thành phần khoáng có trong XM (J/g) ...................19 Bảng 2. 2. Tỉ lệ thành phần khoáng có trong XM thông thường (%) ...........................19 Bảng 2. 3. Chênh lệch nhiệt độ cho phép (oC) ..............................................................25 Bảng 4.1. Bảng đặc trưng độ ẩm tương đối các trạm đại diện cho các vùng (%) .........66 Bảng 4. 2. Thống kê một số công trình ở Việt Nam sử dụng PGK ...............................68 Bảng 4. 3. Các tham số cơ bản dùng trong nghiên cứu .................................................70 Bảng 4. 4. Bảng tổng hợp kết quả tính toán nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong thân đập theo nhiệt độ không khí trung bình năm........................................................................72 Bảng 4. 5. Bảng tổng hợp kết quả tính toán nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong thân đập khi nhiệt độ không khí thay đổi theo ngày ....................................................................72 Bảng 4. 6. Bảng tổng hợp kết quả tính toán nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong thân đập theo độ ẩm không khí thay đổi ......................................................................................74 Bảng 4. 7. Bảng tổng hợp kết quả nhiệt độ và ứng suất trong thân đập khi thay đổi hàm lượng khoáng C3A + C3S trong XM tại khu vực miền núi phía Bắc ............................76 Bảng 4. 8. Bảng tổng hợp kết quả nhiệt độ và ứng suất trong thân đập khi thay đổi hàm lượng khoáng C3A + C3S trong XM tại khu vực Bắc Trung bộ ....................................78 Bảng 4. 9. Bảng tổng hợp kết quả nhiệt độ và ứng suất trong thân đập khi thay đổi hàm lượng khoáng C3A + C3S trong XM tại khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên ........80 Bảng 4. 10. Bảng tổng hợp kết quả nhiệt độ và ứng suất trong thân đập khi thay đổi nhiệt độ đổ bê tông tại khu vực miền núi phía Bắc .......................................................83 Bảng 4.11. Bảng tổng hợp kết quả nhiệt độ và ứng suất trong thân đập khi thay đổi nhiệt độ đổ bê tông tại khu vực Bắc Trung bộ ..............................................................84 Bảng 4.12. Bảng tổng hợp kết quả nhiệt độ và ứng suất trong thân đập khi thay đổi nhiệt độ đổ bê tông tại khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên ...................................86 Bảng 4. 13. Bảng tổng hợp kết quả nhiệt độ và ứng suất trong thân đập ứng với các hàm lượng PGK khác nhau ...........................................................................................88 Bảng 4. 14. Bảng kiến nghị hàm lượng PGK đối với từng khu vực .............................92 xii
Bảng 4. 15. Bảng kiến nghị giải pháp tổng thể giảm ứng suất nhiệt cho từng vùng để đảm bảo BTĐL không nứt .............................................................................................96 Bảng 4.16. Các chỉ tiêu về nhiệt của BTĐL đập Trung Sơn .........................................99 Bảng 4.17. Các chỉ tiêu về nhiệt của đá nền ................................................................100 Bảng 4.18. Hệ số truyền nhiệt đối lưu .........................................................................100 Bảng 4.19. Nhiệt độ không khí trung bình tháng tại khu vực thi công công trình ......101 Bảng 4.20. Nhiệt độ ban đầu của môi trường ..............................................................101 Bảng 4.21. Bảng tổng hợp kết quả tính toán nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong thân đập .....................................................................................................................................106 Bảng 4. 22. Bảng tổng hợp kết quả tính toán nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong thân đập với giải pháp kiến nghị ................................................................................................108 xiii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACI American Concrete Institute (Viện bê tông Hoa Kỳ) APDL ANSYS Parametric Design Language (Ngôn ngữ thiết kế tham số hóa trong ANSYS ASTM American Society for Testing and Materials (Hội Thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ) BTĐL Bê tông đầm lăn BTTL Bê tông trọng lực BTKL Bê tông khối lớn CX Ký hiệu tổng hàm lượng khoáng C3A+C3S có trong xi măng CIRIA Construction Industry Research and Information Association (Hiệp hội Nghiên cứu và Thông tin công nghiệp xây dựng) CKD Chất kết dính CVC Bê tông truyền thống F Ký hiệu hàm lượng trộn phụ gia khoáng có trong chất kết dính GUI Graphical User Interface (Giao diện người dùng đồ họa) ICOLD International Commission on Large Dams (Hội đập lớn thế giới) N/CKD Tỉ lệ nước trên chất kết dính N/XM Tỉ lệ nước trên xi măng PGK Phụ gia khoáng PGK/CKD Hàm lượng trộn phụ gia khoáng trong chất kết dính PTHH Phần tử hữu hạn xiv
QCVN Quy chuẩn Việt Nam RCC Roller Compacted Concrete (Bê tông đầm lăn) RCCD Roller Compacted Concrete Dam (Đập bê tông đầm lăn) RCD Roller Compacted Dams (Đập đầm lăn) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TVTK Tư vấn thiết kế USACE United States Army Corps of Engineers (Công binh lục quân Hoa Kỳ) USBR United States Bureau of Reclamation (Cục khai hoang Hoa Kỳ) XM Xi măng XM/CKD Hàm lượng xi măng trong tổng lượng chất kết dính xv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Bê tông đầm lăn (BTĐL) là loại bê tông sử dụng các nguyên liệu tương tự như bê tông truyền thống (CVC). Tuy nhiên bê tông CVC được đầm chặt bằng thiết bị rung đưa vào trong lòng khối đổ, BTĐL được làm chặt bằng thiết bị lu rung lèn như thi công đất. BTĐL là loại bê tông khô, không có độ sụt và có lượng dùng xi măng (XM) rất thấp, thường chỉ từ 60 đến 100 kg cho 1 m3. Lượng XM còn lại so với CVC trong BTĐL được thay thế bằng phụ gia khoáng (PGK) hoạt tính nghiền mịn. Với ưu điểm thi công nhanh, giá thành hạ, giảm chi phí cho các kết cấu phụ trợ, giảm chi phí cho biện pháp thi công, BTĐL đã được ứng dụng tương đối phổ biến trong xây dựng các đập trọng lực công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam. Các đập BTĐL xây dựng tại Việt Nam được thiết kế và thi công dựa theo kinh nghiệm hay các tài liệu hướng dẫn của Mỹ, Trung Quốc. Các đặc trưng cơ lý, nhiệt của BTĐL như: cường độ kháng nén, cường độ kháng kéo, biến dạng, hệ số dãn nở nhiệt, dẫn nhiệt,… đều lấy theo tiêu chuẩn của nước ngoài vì chúng ta chưa có tiêu chuẩn riêng và chưa có nhiều công trình tương tự. Nhiều công trình sử dụng BTĐL đã xảy ra nứt, kể cả công trình lớn như đập thủy điện Sơn La. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra nứt, nhưng đa phần vẫn là nứt do nhiệt trong quá trình nhiệt thủy hóa vật liệu chất kết dính (CKD) của BTĐL. Các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới và các tài liệu hướng dẫn, tiêu chuẩn thiết kế cũng chủ yếu tập trung vào việc khống chế ứng suất do nhiệt. Tuy nhiên việc khống chế này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ môi trường, cung ứng vật liệu, công nghệ thi công và mang tính chất đặc thù của địa phương vì vậy khó có một đáp án chung cho tất cả các đập BTĐL nên việc ứng dụng các thành quả nghiên cứu trên thế giới về BTĐL mà đập vẫn xảy ra nứt là điều dễ hiểu. Đề tài “Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt nam” là một trong những vấn đề cần thiết và bức xúc, đề tài mang tính thời sự và có ý nghĩa thực tiễn cao. Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở để áp dụng thiết kế, thi công đập BTĐL an toàn và kinh tế, phù hợp với điều kiện Việt Nam. 1
2. Mục đích nghiên cứu Xác định quá trình phát triển nhiệt độ, trường ứng suất nhiệt trong đập BTĐL dựa trên những điều kiện ban đầu và điều kiện biên. Đề xuất việc lựa chọn hàm lượng và thành phần vật liệu CKD, đề ra các giải pháp giảm nhiệt để khống chế các vết nứt do ứng suất nhiệt trong quá trình thi công đập BTĐL phù hợp với từng vùng miền của Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu Đập BTĐL đã và đang xây dựng tại Việt Nam. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của một số nhân tố về vật liệu, thi công và điều kiện tự nhiên đến ứng suất nhiệt của BTĐL trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam. 5. Phương pháp nghiên cứu 5.1. Phương pháp lý thuyết Trên cơ sở phân tích lý thuyết truyền nhiệt, lý thuyết đàn hồi nhiệt trong công trình bê tông và phương pháp tính để lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt đạt độ chính xác yêu cầu. 5.2. Phương pháp mô hình toán Sử dụng mô hình toán để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến ứng suất nhiệt đập BTĐL thông qua giả thiết các kịch bản đầu vào. 6. Nội dung nghiên cứu Điều chỉnh phương trình nhiệt thủy hóa vật liệu CKD của BTĐL có xét đến ảnh hưởng của hàm lượng PGK và thành phần khoáng của XM được sản xuất tại Việt Nam. Xây dựng bài toán xác định trường nhiệt độ, trường ứng suất nhiệt trong phần mềm ANSYS có xét đến các nhân tố ảnh hưởng này. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và độ ẩm môi trường, hàm lượng khoáng của XM, nhiệt độ đổ bê tông, hàm lượng PGK đến ứng suất nhiệt đập BTĐL. 2
Kiến nghị giải pháp giảm ứng suất nhiệt đập BTĐL phù hợp với từng khu vực đặc thù của Việt Nam. Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án tính toán thử vào cho đập BTĐL Trung Sơn – Thanh Hóa. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án 7.1. Ý nghĩa khoa học Làm rõ những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phát triển nhiệt và gây ra ứng suất nhiệt trong quá trình thi công BTĐL. Khẳng định lợi ích của việc sử dụng PGK là một trong những biện pháp giảm nhiệt độ sinh ra trong thi công BTĐL, đẩy nhanh tốc độ lên đập BTĐL. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn Công nghệ BTĐL đã và đang được áp dụng trên 20 đập bê tông trọng lực ở Việt Nam như Pleikrông, Sơn La, Lai Châu, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Sê San 4, Sông Tranh 2, Bản Vẽ, v.v… Tuy nhiên việc nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến ứng suất nhiệt đập BTĐL chưa thực sự hoàn thiện và có hệ thống. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ khẳng định tác dụng lựa chọn hàm lượng PGK, loại XM là những biện pháp hữu hiệu để khống chế nhiệt độ và giảm ứng suất nhiệt sinh ra trong quá trình thi công BTĐL. 8. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm: Phần mở đầu, 4 Chương, Kết luận và kiến nghị; 66 tài liệu tham khảo, 04 tài liệu tác giả đã công bố. Nội dung chính của luận án được trình bày trong 118 trang và phụ lục với 72 hình vẽ và 27 bảng. 3