TỔNG QUAN
Tổng quan về đập vật liệu địa phương
Hình 1.1 Ảnh đập vật liệu địa phương
1.1.1 Mở đầu Đập vật liệu địa phương được hiểu một cách đơn giản là đập được xây dựng từ các vật liệu lấy ngay tại địa phương có công trình xây dựng, không phải vận chuyển xa, không qua công nghệ chế biến phức tạp Vì vậy đập vật liệu địa phương còn được gọi là đập vật liệu tại chỗ
Đập vật liệu địa phương là loại đập được xây dựng từ các sản phẩm phong hóa và chưa phong hóa của vỏ trái đất, bao gồm đất, cát, sỏi, đá đổ và đá dăm Loại đập này không có tràn và có nhiệm vụ chính là dâng nước, giữ nước trong các hồ chứa, cũng như tham gia vào các hệ thống thủy lợi và thủy điện, nhằm điều chỉnh dòng sông Bất kỳ loại vật liệu nào từ vỏ trái đất đều có thể được sử dụng để xây dựng loại đập này.
Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đá đã được xây dựng nhiều ở
Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước Trung Á thuộc Liên Xô đã xây dựng các đập đất nhằm mục đích tưới tiêu và phòng chống lũ lụt Ngày nay, đập đất ngày càng trở nên quan trọng trong các hệ thống thủy lợi, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên nước.
Ngày nay, sự phát triển của các ngành khoa học như cơ học đất, lý luận thấm, địa chất thủy văn và địa chất công trình, cùng với việc ứng dụng cơ giới hóa và thủy cơ hóa trong thi công, đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của đập đất Hiện tại, nhiều quốc gia đã xây dựng hàng nghìn đập đất, trong đó Nhật Bản có tới 1281 đập đất cao hơn 15 m, bao gồm hơn 70 đập có chiều cao trên 75 m.
Các công trình thuỷ công, đặc biệt là đập vật liệu địa phương, được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong các dự án thuỷ lợi, thuỷ điện và giao thông thuỷ Đập đất đã có mặt từ hàng nghìn năm trước, như minh chứng từ thời cổ đại ở Trung Quốc với các đê đập ven sông.
Hoàng Hà, ở Ấn Độ đã thời cổ cũng đã có đê đập ngăn nước lũ của sông Hằng, ở
Việt Nam đã xây dựng nhiều loại đập đất, bao gồm đập đất đồng chất, đập đất nhiều khối và đập đá hỗn hợp, từ thời Lý cho đến nay Các đập này thường xuyên chịu áp lực nước tĩnh và động, dẫn đến nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp Sự hiện diện của dòng thấm trong thân và nền công trình thủy công làm tăng kích thước mặt cắt ngang và yêu cầu quy trình thi công nghiêm ngặt, do đó làm tăng chi phí so với các công trình không chịu tác động của nước Để giảm thiểu tác hại từ các lực bên ngoài mà vẫn đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật, cần phải hiểu rõ bản chất của các nội lực phát sinh trong thân và nền của công trình.
Hiện nay, sự phát triển nhanh chóng của máy tính và phần mềm ứng dụng đã giúp chúng ta giải quyết nhiều vấn đề khoa học và công nghệ phức tạp liên quan đến các công trình thuỷ công, như đập vật liệu địa phương.
1.1.2 Nhiệm vụ, chức năng của đập Đập vật liệu địa phương là loại công trình tận dụng vật liệu tại chỗ, có nhiệm vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gia nhiệm vụ dâng nước, tạo hồ chứa trong các hệ thống thủy lợi, thủy điện hay xây dựng nhằm mục đích chỉnh trị dòng sông
1.1.3 Ưu nhược điểm đập vật liệu địa phương
Yêu cầu về chất lượng nền cho đập vật liệu địa phương không cao, cho phép xây dựng ở nhiều điều kiện địa chất, địa hình và khí hậu khác nhau, bao gồm cả vùng có động đất Ưu điểm này trở nên quan trọng khi các tuyến hẹp với địa chất tốt ngày càng hiếm, dẫn đến việc khai thác các tuyến rộng và nền yếu, nơi chỉ có thể sử dụng đập bằng vật liệu tại chỗ.
Với những tiến bộ trong nghiên cứu cơ học đất, lý thuyết thấm và trạng thái ứng suất, cùng với sự phát triển của vật liệu chống thấm từ nhựa, khả năng sử dụng mọi loại đất trong xây dựng đập đã được mở rộng Điều này giúp giảm giá thành công trình và cho phép xây dựng đập với chiều cao lớn hơn Nếu lựa chọn loại đất có thành phần hạt phù hợp và được đầm nén tốt, ứng suất cho phép trong thân đập có thể đạt đến 110 kg/cm², từ đó có thể xây dựng các đập cao tới 650 m.
Việc áp dụng máy móc có công suất lớn trong quá trình đào đất, vận chuyển và đắp đất giúp cơ giới hóa hoàn toàn các khâu này, từ đó rút ngắn thời gian xây dựng và giảm giá thành công trình Điều này cũng dẫn đến khả năng loại trừ dần dần lực lượng lao động thủ công.
Tóm lại ưu điểm của đập vật liệu địa phương bao gồm:
- Có cấu tạo đơn gian nhưng rất phong phú, giá thành hạ;
- Yêu cầu địa chất nền không cao, có thể xây dựng trên mọi loại nền;
- Vật liệu không cần xử lý nhiều, tận dụng được các vật liệu tại chỗ;
Kỹ thuật thi công đơn giản giúp cơ giới hóa các công đoạn như khai thác vật liệu, chuyên chở, đắp và đầm nén Công tác chuẩn bị trước khi xây dựng không tốn nhiều công sức so với các loại đập khác.
- Kinh nghiệm trong thiết kế, thi công và quản lý đập được tích lũy qua thời gian dài
- Làm việc tin cậy kể cả ở vùng có động đất
- Dễ quản lý, tôn cao, đắp dày thêm
- Khối lượng đập lớn, do mái thượng lưu và hạ lưu đập thoải;
Nước không được phép tràn qua đỉnh đập, vì nếu xảy ra tình trạng này, đập có thể bị hư hỏng hoặc phá hủy do tác động xói mòn của dòng nước.
- Đập lún nhiều, lún phân bố không đều;
- Dễ bị xói mòn bên trong thân đập
1.1.4 Một số đập vật liệu địa phương trên thế giới và Việt Nam
Trên thế giới, đập vật liệu địa phương được xây dựng từ thời xa xưa Đập
Ceylou (Xrilanca) có chiều cao 21,5m và khối lượng đất đắp lên tới 13.000.000m³, được xây dựng từ năm 504 trước Công Nguyên Từ đó, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các loại đập vật liệu địa phương đã được mở rộng về chủng loại và chiều cao Hiện nay, đập không chỉ được xây dựng từ đất mà còn có thể sử dụng đá đổ, bê tông kết hợp với đất và đá đổ Đặc biệt, chiều cao của các đập đã đạt tới 335m, như trong trường hợp của đập Rogun ở Tajikistan, hoàn thành vào năm 2018.
2015), trở thành loại đập có chiều cao lớn nhất trên thế giới, vượt qua đập bê tông
Bakhtiari (315m) và đập vòm Jinping-I (305m)
Bảng 1-1: Một số đập vật liệu địa phương có chiều cao trên 100m trên thế giới
Tên đập Tên nước Chiều cao (m)
Caxita (Vasitas) MỸ 101 là một chương trình học tại Đại học Thủy Lợi, nơi cung cấp kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực thủy lợi Chương trình này nhằm trang bị cho sinh viên các kỹ năng cần thiết để phát triển và quản lý các hệ thống thủy lợi hiệu quả Đại học Thủy Lợi nổi bật với đội ngũ giảng viên giàu kinh nghiệm và cơ sở vật chất hiện đại, tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập và nghiên cứu Sinh viên sẽ có cơ hội thực hành và áp dụng lý thuyết vào thực tế, từ đó nâng cao khả năng giải quyết vấn đề trong ngành thủy lợi.
Bảng 1-2: Các đập cao nhất Hoa Kỳ, bao gồm các đập cao từ 170m ở Hoa Kỳ đã xây dựng xong, đang vận hành bình thường Tính đến thời điểm tháng
TT Tên đập Trên sông
6 Seven Oaks Santa Ana California 215,4 1999
Trạng thái ứng suất biến dạng của đập
Dưới tác động của trọng lượng bản thân và áp lực nước, thân đập trải qua các biến dạng, bao gồm lún thẳng đứng và chuyển vị ngang.
Nếu trong trường hợp này đập không được xây dựng trên nền cứng thì còn xảy ra cả các biến dạng của nền
Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của đập vật liệu địa phương là cần thiết để xác định mặt cắt và phân vùng vật liệu hợp lý Việc này giúp phát hiện các nguy cơ ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định của đập, như đứt gãy thủy lực và nứt Đồng thời, nghiên cứu cũng đưa ra các dự báo lún để có biện pháp xử lý thích hợp, đảm bảo an toàn cho công trình.
Tính toán trạng thái ứng suất- biến dạng của đập đất đá đã bắt đầu từ những năm 40 của thế kỷ 20 tại CHLB Nga và các nước phương Tây, nhưng do hạn chế về công cụ tính toán, nhiều giả thiết đã được đưa vào để đơn giản hóa các công thức Những công thức này chủ yếu là các biểu thức giải tích cho bài toán một chiều và hiện nay chỉ còn giá trị lịch sử.
Tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của đập đất đá đã được thực hiện từ những năm 60 của thế kỷ 20, gắn liền với sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn Bài toán không gian ba chiều chỉ bắt đầu được nghiên cứu vào những năm 70 Tất cả các bài toán này đều được giải theo mô hình tuyến tính, phản ánh sự tiến bộ trong lĩnh vực kỹ thuật thủy lợi.
Với sự phát triển mạnh mẽ của các dự án thủy điện lớn tại CHLB Nga và các nước phương Tây, việc ứng dụng các đập đất đá cao ngày càng trở nên phổ biến Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về đập cao đã chỉ ra rằng kết quả tính toán theo mô hình tuyến tính không phản ánh chính xác hiệu suất thực tế của công trình Để có được cái nhìn đúng đắn về hoạt động của các đập cao, cần thiết phải tìm kiếm một phương pháp mới, đó là giải bài toán của đập thông qua mô hình phi tuyến liên quan đến mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của cơ học phi tuyến trong môi trường rời và trạng thái ứng suất không gian đã dẫn đến những kết luận quan trọng.
- Đất, đá là những vật liệu thể hiện phi tuyến rất mạnh, ngay cả khi tải trọng nhỏ
Khi chịu tải trọng lớn, cần chú ý đến ảnh hưởng của ứng suất nén trung gian 2, điều này có nghĩa là phải xem xét trạng thái ứng suất không gian của phần tử đất đá đang được phân tích.
Việc giải các bài toán không gian ba chiều cho thấy rằng chỉ có bài toán không gian mới phản ánh chính xác sự hoạt động tự nhiên của đập, điều này đã được các cơ quan thiết kế công nhận Sự cần thiết phải xây dựng các đập với tuyến cong, như các mẫu đập Kugar ở Mỹ và Ragun, càng khẳng định tầm quan trọng của việc áp dụng các phương pháp tính toán không gian trong thiết kế đập.
Các trường đại học như CHLB Nga, Hòa Bình và Yaly (Việt Nam) đã áp dụng các kết quả từ bài toán không gian trong lĩnh vực nghiên cứu và giảng dạy Việc sử dụng các phương pháp này không chỉ nâng cao chất lượng đào tạo mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành thủy lợi.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG
Tổng quan về mô hình vật liệu
“Mô hình vật liệu là một tập hợp của các phương trình toán học mô tả quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu”
2.1.1 Tổng quan về ứng suất Ứng suất là một tensor có thể được thể hiện bởi ma trận trong hệ tọa độ
Cartesian như sau: xx xy xz yx yy yz zx zy zz
Tensor ứng suất có tính đối xứng, dẫn đến các mối quan hệ như yx = xy, zx = xz, và zy = yz Vì vậy, tensor ứng suất thường được biểu diễn dưới dạng một vector với 6 thành phần khác nhau.
xx yy zz xz xy yz T
Trong điều kiện bài toán biến dạng phẳng, yz zx 0
Hình 2-1: Hệ trục tọa độ không gian tổng thể và ký hiệu ứng suất
Theo Terzaghi, ứng suất trong đất được chia ra thành ứng suất hiệu quả ' và áp lực nước lỗ rỗng w Do đó ứng suất tổng được viết dưới dạng:
Đại học Thủy Lợi là một trong những cơ sở giáo dục hàng đầu tại Việt Nam, chuyên đào tạo các chuyên ngành liên quan đến thủy lợi và quản lý tài nguyên nước Trường cung cấp chương trình học chất lượng cao, với đội ngũ giảng viên giàu kinh nghiệm và cơ sở vật chất hiện đại Sinh viên tại Đại học Thủy Lợi được trang bị kiến thức vững vàng, kỹ năng thực hành và khả năng nghiên cứu, giúp họ sẵn sàng đáp ứng nhu cầu của thị trường lao động Ngoài ra, trường còn tích cực hợp tác với các tổ chức trong và ngoài nước, tạo cơ hội cho sinh viên thực tập và làm việc thực tế.
Nước được coi như không chịu cắt, do đó ứng suất cắt hiệu quả luôn luôn bằng ứng suất cắt tổng
Các thành phần ứng suất chính (σ1 < σ2 < σ3) thường được sử dụng để thể hiện các thành phần ứng suất Cartesian, trong đó ứng suất âm biểu thị cho ứng suất nén và ứng suất dương biểu thị cho ứng suất kéo.
Hình 2-2: Không gian ứng suất chính
Ngoài ứng suất chính, hai thành phần ứng suất bất biến không phụ thuộc vào hệ tọa độ cũng thường được sử dụng Đó là:
2 xx yy zz xx yy yy zz zz xx xy yz zx p q
- p’: ứng suất hiệu quả đẳng hướng
- q: độ lệch ứng suất cắt
Trong thí nghiệm nén 3 trục đẳng hướng, với 2 ' 3 , thì q 1 ' 3 ' Ứng suất chính có thể viết lại dưới dạng hàm của ứng suất bất biến như sau:
Trong đó là góc Lode được định nghĩa qua công thức:
Trường Đại học Thủy lợi là một trong những cơ sở giáo dục hàng đầu tại Việt Nam, chuyên đào tạo các chuyên ngành liên quan đến kỹ thuật và quản lý tài nguyên nước Với đội ngũ giảng viên chất lượng và chương trình đào tạo tiên tiến, trường cam kết cung cấp cho sinh viên kiến thức vững chắc và kỹ năng thực tiễn cần thiết Các nghiên cứu và dự án tại trường cũng đóng góp tích cực vào việc phát triển bền vững ngành thủy lợi và bảo vệ môi trường Sinh viên tốt nghiệp từ Đại học Thủy lợi có nhiều cơ hội việc làm trong các lĩnh vực liên quan, từ kỹ sư đến nhà quản lý dự án.
2.1.2 Tổng quan về biến dạng
Biến dạng là một tensor có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận trong hệ tọa độ Cartesian, với các thành phần xx, xy, xz, yx, yy, yz, zx, zy, và zz.
Theo lý thuyết biến dạng nhỏ, chỉ có tổng các thành phần biến dạng cắt ij và
Ứng suất cắt dẫn đến tổng biến dạng được biểu diễn dưới dạng biến dạng cắt (γ) Thay vì sử dụng các ký hiệu biến dạng thông thường (εxy, εxz, εyx, εzx, εyz, εzy), ta sử dụng các ký hiệu tương ứng với biến dạng cắt (γxy, γxz, γyz) Do đó, tensor biến dạng thường được biểu diễn qua vector chuyển vị.
xx yy zz xz xy yz T
Với u x , u y , u z lần lượt là chuyển vị theo hướng ba trục x, y, z trong hệ tọa độ
Cartesian Trong điều kiện bài toán biến dạng phẳng zz xz yz 0
Cũng giống như ứng suất, biến dạng mang dấu âm thể hiện vật liệu bị nén, ngược lại mang dấu dương thể hiện kéo
Biến dạng bất invariant, thường được gọi là biến dạng khối tổng ( v), là khái niệm quan trọng trong lĩnh vực cơ học chất lỏng Biến dạng này được định nghĩa thông qua các công thức cụ thể, giúp mô tả sự thay đổi hình dạng của vật liệu dưới tác động của lực Việc hiểu rõ về biến dạng khối tổng là cần thiết để áp dụng trong các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn liên quan đến cơ học chất lỏng.
Biến dạng thể tích có giá trị âm thể hiện cho sự nén, dương thể hiện cho sự trương nở thể tích
Với các mô hình đàn dẻo, biến dạng gồm 2 thành phần là biến dạng đàn hồi e và biến dạng dẻo p
Một số mô hình vật liệu cơ bản
Dưới tác động của tải trọng, vật liệu sẽ bị biến dạng, và mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được gọi là ứng xử của đất Ứng xử này rất phức tạp và khác nhau giữa các loại vật liệu Để mô tả ứng xử của đất, người ta sử dụng các công thức toán học, được gọi là mô hình toán học của đất hoặc mô hình vật liệu Tuy nhiên, không có một mô hình nào có thể áp dụng cho tất cả các loại vật liệu, đặc biệt là đối với đá đắp và đất Mỗi mô hình thường chỉ phù hợp với một vài loại vật liệu cụ thể, và dưới đây là một số mô hình phổ biến.
2.2.1 Mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính
Hình 2-3: Quan hệ giữa ứng suất biến dạng – mô hình đàn hồi tuyến tính
Trong mô hình này, biến dạng tỷ lệ thuận với ứng suất và tuân theo định luật
Hooke, được thể hiện như công thức sau:
Trường Đại học Thủy Lợi là một trong những cơ sở giáo dục hàng đầu tại Việt Nam, chuyên đào tạo các ngành liên quan đến thủy lợi và quản lý tài nguyên nước Với đội ngũ giảng viên giàu kinh nghiệm và cơ sở vật chất hiện đại, trường cung cấp môi trường học tập chất lượng cao cho sinh viên Chương trình đào tạo của Đại học Thủy Lợi được thiết kế linh hoạt, giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết và thực hành, đáp ứng nhu cầu của thị trường lao động Bên cạnh đó, trường cũng chú trọng đến nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ trong lĩnh vực thủy lợi Đại học Thủy Lợi cam kết mang đến cho sinh viên những cơ hội học tập và phát triển nghề nghiệp tốt nhất.
- E- Module đàn hồi, hay Young Module
Theo công thức trên, khi tiến tới giá trị 0.5 mẫu số trong phương trình
tiến tới vô cùng, do đó biến dạng sẽ tiến tới 0 Điều đó có nghĩa là biến dạng thể tích sẽ bằng 0 khi =0,5
2.2.2 Mô hình vật liệu đàn dẻo tuyệt đối (Mohr-Coulomb)
Mô hình Mohr Coulomb thể hiện mối quan hệ ứng suất - biến dạng qua hai đoạn thẳng Trong giai đoạn trước khi đạt đến trạng thái chảy, ứng suất và biến dạng có mối quan hệ tỷ lệ thuận theo định luật Hooke Sau khi vượt qua ngưỡng này, đường quan hệ trở thành một đường nằm ngang.
Quan hệ giữa ứng suất biến dạng được mô tả theo công thức:
- d : Vecto vi phân ứng suất
- [Ce] : ma trận đàn hồi
- [Cp] : ma trận dẻo, phụ thuộc vào hàm dẻo và hàm thế năng dẻo
Vecto vi phân biến dạng bao gồm hai thành phần chính: đàn hồi và dẻo Trong lĩnh vực học thủy lợi, việc hiểu rõ về các thành phần này là rất quan trọng Đàn hồi đề cập đến khả năng phục hồi của vật liệu sau khi bị tác động, trong khi dẻo liên quan đến khả năng biến dạng vĩnh viễn Cả hai yếu tố này đều ảnh hưởng đến cách mà vật liệu phản ứng dưới áp lực và tải trọng trong các ứng dụng thực tế Việc nghiên cứu sâu về vecto vi phân biến dạng giúp cải thiện thiết kế và độ bền của các công trình thủy lợi.
Biến dạng dẻo được tính theo công thức
- : Hệ số dẻo phụ thuộc vào hàm dẻo
Hình 2-5: Mặt dẻo trong không gian ứng suất chính (C=0)
Hàm dẻo Mohr Coulomb được viết dưới dạng như sau
- ' : Góc ma sát trong của đất
Khi f ≤ 0, đất ở trạng thái đàn hồi Điều kiện dẻo đầy đủ bao gồm 6 hàm dẻo Các hàm này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và thiết kế trong lĩnh vực thủy lợi Việc hiểu rõ về các hàm dẻo này giúp cải thiện khả năng dự đoán hành vi của đất trong các điều kiện khác nhau Hơn nữa, ứng dụng của các hàm dẻo này có thể nâng cao hiệu quả trong các dự án xây dựng và quản lý tài nguyên nước.
Sáu phương trình của hàm thế năng dẻo như sau:
Hàm thế năng dẻo bao gồm ba thành phần ứng suất chính và góc nở
2.2.3 Mô hình vật liệu Hyperbolic (Duncan-Chang) Đường cong phi tuyến quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của Duncan và
Chang là một đường hyperbolic giữa độ lệch ứng suất và biến dạng tương đối dọc trục:
Trường Đại học Thủy lợi là một cơ sở giáo dục hàng đầu tại Việt Nam, chuyên đào tạo các chuyên ngành liên quan đến lĩnh vực thủy lợi và quản lý tài nguyên nước Với đội ngũ giảng viên giàu kinh nghiệm và cơ sở vật chất hiện đại, trường cam kết cung cấp cho sinh viên kiến thức và kỹ năng cần thiết để đáp ứng nhu cầu của thị trường lao động Các chương trình học tại Đại học Thủy lợi được thiết kế linh hoạt, kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, giúp sinh viên phát triển toàn diện Trường cũng thường xuyên tổ chức các hoạt động nghiên cứu khoa học và hợp tác quốc tế, tạo cơ hội cho sinh viên mở rộng kiến thức và trải nghiệm thực tế.
Trong đó: 1 3 : Độ lệch ứng suất; : Biến dạng tương đối dọc trục;
Et: Mô đun tiếp tuyến
Hình 2-6: Đường cong quan hệ giữa ứng suất – biến dạng
Module tiếp tuyến Et được xác định theo công thức
- Ei: Modun ban đầu, là hàm số phụ thuộc ứng suất bên 3
- Ka: Số modun gia tải không có đơn vị
- Pa: Áp suất khí quyển
- n: số mũ thể hiện quan hệ giữa áp lực hông và mô đun ban đầu
- c: Lực dính của vật liệu
- φ: Góc ma sát trong của vật liệu
Rf là tỷ số giữa đường tiệm cận với đường hyperbolic và sức kháng cắt lớn nhất của đất Công thức để tính Rf được định nghĩa trong lĩnh vực thủy lực, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu lực của đất trong các công trình xây dựng Sự hiểu biết về Rf giúp các kỹ sư và nhà thiết kế tối ưu hóa thiết kế nền móng và đảm bảo tính an toàn cho công trình.
: Độ lệch ứng suất phá hoại Trong trường hợp dỡ tải, mô đun tiếp tuyến
- Kur : số mô đun dỡ tải Thông thường K ur =3K a
Hệ số poison có thể là một hằng số độc lập hoặc tính toán từ mođun thể tích theo công thức:
- Bm: Mô đun thể tích
- Kb: Số mô đun thể tích không đơn vị
- Pa: Áp suất khí quyển
- m: số mũ mô đun thể tích
2.2.4 Mô hình đất tăng cứng Hardening Soil
Mô hình đất cứng khác với mô hình đàn dẻo tuyệt đối, cho phép mặt dẻo mở rộng do biến dạng dẻo Ứng xử của đất có thể được phân loại thành hai loại tăng cứng: tăng cứng cắt và tăng cứng nén Tăng cứng cắt mô tả biến dạng không đàn hồi do độ lệch tải, trong khi tăng cứng nén mô tả biến dạng dẻo không đàn hồi do lực nén trong thí nghiệm nén cố kết một chiều hoặc nén đẳng hướng.
Mô hình đất tăng cứng là một phương pháp tiên tiến để mô tả hành vi của nhiều loại đất, bao gồm đất cứng và đất yếu (Schanz, 1998) Khi tải trọng tăng lên, đất thường giảm độ cứng và phát triển biến dạng dẻo Đặc biệt, trong trường hợp nén ba trục thoát nước (thí nghiệm CD triaxials), mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng có thể được mô tả gần đúng bằng đường cong hyperbol, được áp dụng trong mô hình này.
Mô hình Duncan-Chang khác biệt so với mô hình tăng cứng ở chỗ nó áp dụng lý thuyết đàn hồi, trong khi mô hình tăng cứng dựa trên lý thuyết dẻo.
- Các thông số cơ bản của mô hình đất tăng cứng bao gồm:
- m: Sự phụ thuộc của độ cứng vào ứng suất theo hàm mũ
- E 50 re f : Đặc trưng cho biến dạng dẻo do độ lệch ứng suất
- E oed ref : Đặc trưng cho biến dạng dẻo do lực nén
- E ur ref : Đặc trưng cho quá trình dỡ tải
- c,φ, và : Các thông số đặc trưng cho tiêu chuẩn phá hoại Morh-
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể ước lượng xấp xỉ E oed ref ~ E 50 re f Mô hình đất tăng cứng có đặc điểm nổi bật là độ cứng của đất phụ thuộc vào trạng thái ứng suất Trong thí nghiệm OED, ta nhận thấy mối quan hệ giữa m ref và oed.
Trong đó p ref : ứng suất tham chiếu ref
E oed :module tuyến tính tại điểm ứng với p ref trên đường cong σ~ε Các xác định E oed ref từ đường cong σ~ε của thí nghiệm nén OED như hình 2-7:
The Plaxis Material Manual serves as a comprehensive resource for civil engineering students at the University of Hydraulic Engineering This manual provides essential guidelines and technical information necessary for understanding and applying material properties in geotechnical engineering Students can leverage this manual to enhance their knowledge and skills in hydraulic engineering, ensuring they are well-equipped for practical applications in the field.
Hình 2-7: Xác định module tham chiếu E oed ref
Với thí nghiệm nén 3 trục CD ta có đường cong miêu tả mối quan hệ giữa độ lệch ứng suất và biến dạng như hình 2-8
Hình 2-8: Đường cong ứng suất biến dạng
Biến dạng dọc trục được tính theo công thức:
- qa – Độ lệch ứng suất tiệm cận đường hyperbolic
E 50 được tính theo công thức từ ngành thủy lợi, nơi các yếu tố kỹ thuật và lý thuyết được áp dụng để xác định giá trị của nó Công thức này dựa trên các nguyên tắc cơ bản trong lĩnh vực thủy lợi, nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn Việc hiểu rõ công thức tính E 50 không chỉ giúp các kỹ sư trong ngành mà còn hỗ trợ trong việc tối ưu hóa các dự án liên quan đến nước và tài nguyên.
50 50 50 cot sin cos cot sin cos m m ref ref ref ref c c
E 50 ref là module tham chiếu tương ứng với ứng suất hông tham chiếu p ref Độ cứng thực tế của đất phụ thuộc vào áp lực hông 3 ', được xác định bởi áp lực buồng hiệu quả trong thí nghiệm nén 3 trục CD, với giá trị âm (chịu nén) Mối quan hệ này tuân theo hàm số mũ m, và theo các nghiên cứu, giá trị của m nằm trong khoảng từ 0.5 đến 1.
Xuất phát từ tiêu chuẩn phá hoại Morh Coloumb, độ lệch ứng suất khi phá hoại được tính theo công thức:
(2.21) Độ lệch ứng suất tiệm cận q a được tính theo công thức f a f q q
Tỷ số giữa q a và q f được xác định thông qua tỷ số phá hoại R f, luôn nhỏ hơn 1 Trong trường hợp dỡ tải, module dỡ tải E ur ref sẽ được áp dụng.
3 cot cot m ref ur ur ref
Quy luật biến dạng cơ bản của đất
Tổng biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng S gồm biến dạng tức thời
Se, biến dạng cố kết Sc và biến dạng từ biến Scr
Hình 2-9: Quy luật biến dạng của đất
Biến dạng tức thời Se xảy ra ngay khi tải trọng tác dụng lên vật liệu Đối với vật liệu rời như đá đắp, cuội sỏi và cát, biến dạng này chủ yếu liên quan đến sự thay đổi hình dạng của các hạt, sự phá vỡ và trượt của các hạt dưới tác động của tải trọng, dẫn đến sự sắp xếp lại và thay đổi thể tích Trong khi đó, đối với các vật liệu dính, biến dạng tức thời cũng có những đặc điểm riêng biệt cần được xem xét.
Biến dạng đất là hiện tượng bóp méo và thay đổi hình dạng của đất mà không làm thay đổi thể tích Hiện tượng này xảy ra do sự thoát một phần khí ra khỏi lỗ rỗng trong cấu trúc đất.
Biến dạng cố kết thấm được kiểm soát bởi tốc độ thoát nước dư trong lỗ rỗng của đất, diễn ra qua quá trình chuyển hóa từ ứng suất tổng sang ứng suất hiệu quả cho đến khi áp lực nước lỗ rỗng dư đạt giá trị 0 Đối với đất hạt mịn, như đất sét, biến dạng này chiếm khoảng 90% tổng biến dạng có thể xảy ra.
Biến dạng từ biến xảy ra khi áp suất hiệu quả không thay đổi, khiến vật liệu tiếp tục bị biến dạng do quá trình "mềm hóa" và "phong hóa" của đá, cũng như sự trượt của các hạt qua lớp nước liên kết.
Các biến dạng trong đập và hậu quả
Tất cả các đập đều trải qua biến dạng, và đây là nguyên nhân chính gây hư hỏng, ngoại trừ những trường hợp bị phá hủy đột ngột do động đất hoặc lũ lụt Biến dạng quá mức có thể dẫn đến việc giảm chiều cao của đập, hình thành kẽ nứt bên trong, gây ra hiện tượng nước tràn qua đỉnh và rò rỉ trong thân đập, từ đó làm tăng nguy cơ phá hoại đập.
Chuyển vị của một điểm trong thân đập bao gồm ba thành phần chính: chuyển vị thẳng đứng (hay còn gọi là lún), chuyển vị ngang theo hướng thượng hạ lưu, và chuyển vị dọc trục vuông góc với trục đập.
Tùy thuộc vào chuyển vị của các phần tử trong thân đập, gây ra các biến dạng khác nhau trong thân đập
Biến dạng đều xảy ra khi các điểm trong thân đập chuyển vị một cách đồng đều, không gây ra nứt nẻ nhưng làm giảm cao độ đỉnh đập.
Biến dạng theo phương đứng xảy ra khi có sự chênh lệch lớn về chuyển vị giữa các điểm lân cận hoặc giữa các bộ phận trong thân đập, dẫn đến việc hình thành các nứt nẻ trong cấu trúc của đập.
Chênh lệch chuyển vị do địa hình là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu của trường đại học Thủy Lợi Hiểu rõ về sự ảnh hưởng của địa hình đến chuyển vị giúp cải thiện các mô hình dự đoán và tối ưu hóa thiết kế công trình Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng tự nhiên mà còn hỗ trợ trong việc phát triển các giải pháp kỹ thuật hiệu quả hơn.
Hình 2-12: Chênh lệch chuyển vị do vật liệu đắp khác nhau
Hình 2-13: Chênh lệch chuyển vị do thay đổi địa chất nền
Hình 2-14: Chênh lệch chuyển vị do vết nứt kiến tạo chạy dọc theo phương dòng chảy
Biến dạng ngang của đập xảy ra khi đập bị dịch chuyển theo phương ngang do tác động của nước, tải trọng bản thân hoặc lún nền Hiện tượng này có thể gây ra khe nứt dọc trục đập, dẫn đến mất ổn định cho công trình.
Hình 2-15: Biến dạng theo phương ngang
Lún nền đập là một hiện tượng quan trọng trong lĩnh vực thủy lợi, ảnh hưởng đến độ ổn định và an toàn của các công trình Việc nghiên cứu và đánh giá lún nền đập giúp xác định các yếu tố tác động và đưa ra biện pháp khắc phục hiệu quả Các trường hợp lún nền có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng, do đó cần thiết phải thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu và theo dõi thường xuyên để đảm bảo an toàn cho công trình.
Biến dạng của đập là nguyên nhân chính gây ra các vết nứt trong thân đập Nước xâm nhập vào các vết nứt này dẫn đến hiện tượng xói mòn, làm suy yếu cấu trúc của đập Có ba loại vết nứt thường gặp trong quá trình này.
Vết nứt vuông góc trục đập xuất hiện khi biến dạng kéo do chuyển vị dọc trục vượt quá khả năng chịu đựng của vật liệu Nguyên nhân của chuyển vị dọc trục có thể là do khả năng chịu nén không đều của nền, hoặc khi một phần nền yếu có tính nén lún lớn Thêm vào đó, sự thay đổi đột ngột ở vai đập cũng có thể góp phần gây ra hiện tượng này Đập hoạt động như một dầm chịu uốn cố định ở hai đầu, và vết nứt sẽ hình thành khi đường cong lún hướng cong lên trên.
Trong trường hợp vai đập dốc dịch chuyển vào trung tâm thung lũng, có thể xảy ra hiện tượng kéo, dẫn đến vết nứt tách rời đập, đặc biệt ở vị trí phía trên Sự dịch chuyển này cũng có thể làm giảm áp lực tiếp xúc giữa đập và vai, tạo điều kiện thuận lợi cho nứt gãy thủy lực.
Sự hình thành các khe nứt vuông góc với trục đập chủ yếu phụ thuộc vào hình dạng của đường cong biên lún Khi đường cong có bề lõm hướng lên trên, đập chịu nén và không có nguy cơ xảy ra nứt vuông góc Ngược lại, nếu đường cong không có hình dạng này, sẽ dẫn đến ứng suất kéo và gây ra nứt.
Hình 2-17: Vết nứt vuông góc trục đập
Vết nứt ngang xuất hiện khi vật liệu làm lõi hoặc đất nền dưới lõi có độ nén lún cao hơn so với lớp vỏ bên cạnh Khi lõi lún xuống so với lớp vỏ, ứng suất tiếp tại bề mặt tiếp xúc giữa lõi và lớp vỏ cản trở chuyển vị của lõi, dẫn đến hình thành vết nứt ngang trong lõi Kết quả là phần dưới tách ra khỏi phần trên đang bị treo do ứng suất tiếp từ hai bên cạnh.
Trong trường hợp lõi chưa bị nứt theo phương ngang, áp suất nén trên mặt phẳng nằm ngang sẽ giảm đến mức có thể gây ra hiện tượng nứt gãy thủy lực trong hồ chứa nước Hiện tượng nứt ngang này rất nguy hiểm vì nó không dễ dàng phát hiện, và chỉ được nhận biết khi dòng thấm nguy hiểm xuất hiện.
Vết nứt dọc ít nguy hiểm hơn so với vết nứt ngang và vết nứt vuông góc với trục đập, vì chúng không tạo ra đường thấm từ thượng lưu xuống hạ lưu Tuy nhiên, chúng có thể dẫn đến sự nối tiếp của các khe nứt vuông góc, tạo ra tình trạng nguy hiểm Vết nứt dọc thường được quan trắc ở nhiều đập và thường xuất hiện ở phía thượng lưu.
Vết nứt dọc thường xuất hiện vào giai đoạn tích nước đầu tiên, do sự chênh lệch lún giữa lớp vỏ và lớp lõi bên trong Khi lớp vỏ bị lún do ngập nước, lớp lõi bên trong lại phải chịu áp lực từ nước phía thượng lưu.
Đứt gãy thủy lực
Chênh lệch lún của đập đầm nén tạo ra biến dạng, làm thay đổi phân bố ứng suất, dẫn đến việc ứng suất tăng lên ở một số vị trí và giảm ở những nơi khác Tại những khu vực cục bộ, ứng suất hiệu quả có thể giảm gần giá trị 0, thậm chí hình thành ứng suất kéo nếu vật liệu đắp có độ dính đủ lớn Khi mực nước hồ dâng cao, nước có thể chui vào qua các khe tập trung nhỏ, và khi áp lực nước tăng, nước tiếp tục xâm nhập vào các khe này Áp lực nước tăng lên có thể làm biến dạng lõi và mở rộng các khe nứt mà không cần áp lực quá lớn Nhiều trường hợp cho thấy chỉ cần cột nước từ 2-4m cũng đủ gây ra nứt gãy thủy lực Thực nghiệm chỉ ra rằng khi áp lực nước vượt quá ứng suất nén, hiện tượng nứt gãy thủy lực sẽ xuất hiện Để kiểm tra nứt gãy thủy lực, cần sử dụng các kết quả phân tích về ứng suất.
Kiểm tra nứt gãy thủy lực theo mặt đứng: z ' d
- z : ứng suất tổng theo phương dọc trục đập
- C’: Lực dính theo phương dọc trục đập
- U : Áp lực nước lỗ rỗng
Kiểm tra nứt gãy thủy lực theo mặt phẳng ngang là một phương pháp quan trọng trong lĩnh vực thủy lợi Việc này giúp xác định tính ổn định và độ bền của các công trình thủy lợi, từ đó đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng Các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn từ các trường đại học thủy lợi đóng vai trò then chốt trong việc phát triển các giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm nâng cao khả năng chống chịu của công trình trước các tác động từ môi trường.
- y : ứng suất tổng theo phương đứng
- C: Lực dính theo phương đứng
- U : Áp lực nước lỗ rỗng
Kd và Kng là hệ số ổn định theo phương đứng và phương ngang Khi Kd = Kng = 1, đập có nguy cơ bị đứt gãy thủy lực nếu giá trị của z ' và y ' (ứng suất hiệu quả theo phương dọc trục và phương đứng) lớn hơn lực dính của vật liệu đắp đập.
Giảm ứng suất trong thân đập là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và xây dựng các công trình thủy lợi Việc giảm thiểu ứng suất giúp tăng cường độ bền và ổn định của đập, từ đó đảm bảo an toàn cho các khu vực xung quanh Các nghiên cứu tại Đại học Thủy lợi đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của đập Hơn nữa, việc theo dõi và đánh giá thường xuyên tình trạng của đập cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn, góp phần bảo vệ tài nguyên nước và môi trường.
CHƯƠNG 3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG SUẤT BIẾN
DẠNG CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG
Hiện nay, phần mềm phần tử hữu hạn (FEM) như Plaxis, Geostudio và Ansys là công cụ chủ yếu trong phân tích ứng suất biến dạng của vật liệu địa phương Nhiều yếu tố có thể tác động đến kết quả của quá trình phân tích này.
3.1 Yếu tố về hình học của đập
Yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến trạng thái ứng suất biến dạng của đập, đặc biệt là đối với các đập có tuyến thắng Kết quả từ bài toán 2D cho từng mặt cắt sẽ được so sánh với kết quả từ bài toán khác để đánh giá hiệu quả.
Mô hình 3D cho kết quả chính xác hơn nhiều đối với các đập có tuyến cong, trong khi hình dạng mặt cắt cũng có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả tính toán Đối với mặt cắt có đáy phẳng, không xảy ra trượt tương đối giữa nền và vật liệu đắp, dẫn đến việc không hình thành ứng suất kéo tại khu vực tiếp giáp giữa đập và nền Ngược lại, nếu mặt cắt có dạng dốc, sẽ xuất hiện khu vực có ứng suất kéo do giả định đập và nền dính chặt Trong các mô hình tính toán sử dụng vật liệu đất tăng cứng Hardening Soil, các vùng kéo này sẽ có modun đàn hồi rất nhỏ, gây ra chuyển vị lớn.
Lựa chọn mô hình vật liệu
Mô hình vật liệu có ảnh hưởng lớn đến kết quả của bài toán Đối với các mô hình đàn dẻo và đàn hồi tuyến tính, chỉ sử dụng một mô đun đàn hồi duy nhất để mô tả ứng xử của đất Tuy nhiên, trong thực tế, ứng xử của đất là phi tuyến và mô đun đàn hồi không phải là hằng số, dẫn đến sự khác biệt trong kết quả tính toán giữa các mô hình Việc lựa chọn mô hình tính toán phụ thuộc vào đặc trưng của vật liệu và kết quả thí nghiệm Trong một số trường hợp, đối với các công trình không quan trọng và khi thiếu số liệu thí nghiệm, các mô hình đơn giản có thể được chấp nhận.
Lựa chọn chỉ tiêu của vật liệu
Chỉ tiêu vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích ứng suất và biến dạng, vì nó phản ánh cách thức ứng xử của đất Hiện nay, có nhiều phương pháp được áp dụng để xác định chỉ tiêu của vật liệu.
Để thực hiện thí nghiệm đất, cần lấy mẫu nguyên dạng từ đất hiện trường và mẫu chế bị từ đất đắp Các thí nghiệm như nén 3 trục CU, CD, nén cố kết 1 chiều OED và thí nghiệm cắt nhanh thường được áp dụng để xác định các chỉ tiêu phù hợp cho từng mô hình vật liệu Đối với mẫu đất có kích thước hạt nhỏ, việc thí nghiệm không gặp khó khăn, nhưng với vật liệu đá đắp có kích thước hạt lớn lên tới 1200mm, cần sử dụng máy ba trục có đường kính lớn để xác định thông số Tuy nhiên, hiện tại Việt Nam chưa có khả năng thực hiện các thí nghiệm này, do đó các thí nghiệm hiện trường thường được áp dụng trước khi đắp đập.
Thí nghiệm hiện trường là một phương pháp quan trọng trong khảo sát địa chất, bao gồm các thí nghiệm như nén hiện trường và xác định góc ma sát bằng đổ đống đá Những thí nghiệm này giúp xác định các thông số cơ bản như cường độ đá và góc ma sát Để đánh giá các chỉ tiêu của đá đắp, phương pháp đường cấp phối song song thường được áp dụng.
Phương pháp đường cấp phối song song là kỹ thuật giảm kích thước của máy lớn 3 trục đối với vật liệu đá đắp bằng cách thí nghiệm trên các mẫu có đường cấp phối song song với mẫu thực tế Mặc dù các mẫu thí nghiệm có đường kính Dmax khoảng 50mm, nhưng điều này vẫn là một hạn chế trong điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam.
Trên toàn cầu và tại Việt Nam, có nhiều kết quả thí nghiệm và bộ chỉ tiêu được công bố cho từng loại vật liệu Những thông tin này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và ứng dụng vật liệu trong thực tiễn.
Dựa vào kinh nghiệm và các kết quả hiện có như cường độ đá và góc ma sát, chúng ta có thể chọn và điều chỉnh một bộ thông số phù hợp cho công trình Theo quy tắc của Duncan-Chang, các yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc điểm của vật liệu trong thí nghiệm nén ba trục CD bao gồm trọng lượng riêng, cấp phối hạt, hình dạng hạt và loại khoáng cấu thành vật liệu Việc áp dụng các quy tắc này sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo tính chính xác trong quá trình thi công.
Tăng trọng lượng riêng của vật liệu rời sẽ dẫn đến việc tăng góc ma sát, mô đun đàn hồi và mô đun thể tích Việc ước lượng các yếu tố này có thể thực hiện một cách gần đúng.
- Với 6% tăng trọng lượng riêng, góc ma sát tăng 1 độ
- Mô đun đàn hồi, mô đun thể tích tăng tương ứng với độ tăng trọng lượng riêng
- Các thông số n,m,Rf (cho mô hình Hyperbolic và hardening soil) không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của trọng lượng riêng
Với cùng kích thước hạt trung bình, với vật liệu rời, mẫu có cấp phối hạt tốt sẽ có mô đun lớn hơn mẫu có cấp phối kém
Các hạt có hình dạng tròn có khả năng chịu nứt tốt hơn hạt góc cạnh
(do lực được phân bố đều, không bị tập trung), dẫn đến mô đun đàn hồi lớn hơn (các thông số Kn,Kb,n,m)
Phương pháp phân tích ngược là một quy trình quan trọng trong thi công, bắt đầu sau giai đoạn tính toán đầu tiên Trong giai đoạn này, các thiết bị quan trắc được lắp đặt để ghi lại các số liệu về lún và ứng suất Những dữ liệu thu thập được sẽ được đối chiếu với các kết quả tính toán sơ bộ, từ đó đánh giá độ chính xác của các thông số thiết kế Điều này rất cần thiết cho các báo cáo trước khi hồ bắt đầu tích nước lần đầu tiên.
Lưới phần tử
Lưới phần tử cần phản ánh chính xác mặt cắt của đập, bao gồm cả hình dạng bên ngoài và phân vùng vật liệu bên trong Ngoài ra, lưới cũng phải mô tả các phần đào, đắp trong quá trình thi công Hầu hết các bài toán liên quan đến đập vật liệu địa phương thuộc loại biến dạng phẳng và không gian Đặc biệt, các đê và đập xây dựng trong thung lũng hẹp thường được xem như bài toán biến dạng phẳng.
Khi xây dựng đập trong thung lũng hẹp, việc tính toán cần phải được thực hiện theo ba chiều để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả Các yếu tố địa hình, thủy văn và cấu trúc đất cần được phân tích kỹ lưỡng để đưa ra thiết kế tối ưu cho công trình.
Để đảm bảo tính chính xác của bài toán, phạm vi lưới phần tử cần được mở rộng ra ngoài khu vực quan tâm, cho đến vị trí có điều kiện biên xác định, chẳng hạn như nền đá gốc với các nút cố định Nếu không có vị trí biên hoặc nếu biên quá xa, như trong trường hợp nền sân vô hạn, điều này sẽ không ảnh hưởng đến kết quả trong khu vực mà chúng ta đang nghiên cứu.
Việc chia lưới phần tử có ảnh hưởng lớn đến kết quả bài toán, với số lượng nút phần tử càng nhiều thì độ chính xác càng cao, nhưng thời gian giải bài toán cũng tăng lên Để đạt được sự cân bằng giữa thời gian và độ chính xác, việc chia lưới cần phải dựa vào mục đích của người tính toán Đặc biệt, trong các bài toán 3D, việc lựa chọn phần tử tứ diện hoặc lục diện cần được xem xét kỹ lưỡng, vì sai số có thể lên tới 20%.
Quá trình thi công
Ứng xử của đất là phi tuyến và mô đun đàn hồi của nó phụ thuộc vào cấp áp lực hông Trong quá trình thi công, mô đun đàn hồi của đất có sự thay đổi, đồng thời mặt cắt đập cũng biến đổi Ban đầu, trường ứng suất được mô tả bao gồm nền đất ở trạng thái tự nhiên và mức nước ngầm trong nền.
Trong giai đoạn thi công, các lớp đắp, đào và lắp đặt neo gia cố cần được điều chỉnh theo quá trình tính toán Trình tự thực hiện này phải tuân theo đúng thứ tự thi công thực tế.
Hình ảnh minh họa kết quả phân tích ứng suất biến dạng của một đập đồng chất, trong đó quá trình đắp đập được thể hiện qua hai mô hình khác nhau Mô hình thứ nhất cho thấy đập được đắp tức thời, trong khi mô hình thứ hai mô phỏng quá trình đắp theo nhiều lớp Kết quả phân tích cho thấy ứng suất trong thân đập của hai mô hình gần giống nhau Về chuyển vị, chuyển vị ngang giữa hai trường hợp tính toán không có sự khác biệt lớn, nhưng chuyển vị đứng lại có sự khác biệt đáng kể về giá trị và phân bố Khi xem xét mô hình đắp tức thời, chuyển vị lớn nhất xảy ra ở đỉnh đập và giảm dần khi đi xuống, trong khi ở mô hình đắp nhiều lớp, chuyển vị trên đỉnh gần bằng 0.0 và giá trị lớn nhất xuất hiện ở khoảng giữa thân đập Phương pháp tính toán phân tích ứng suất biến dạng đập vật liệu địa phương được đề xuất bởi Clough và Woodward.
- Sử dụng nhiều hơn 8 cấp tải trọng để mô phỏng quá trình thi công lên dần theo từng lớp
- Sử dụng nhiều hơn 4 cấp tải trọng để mô phỏng quá trình tích nước của hồ chứa và sự phát triển đường bão hòa
Hình 3-1: Ảnh hưởng của quá trình thi công đến trạng thái ứng suất biến dạng
Trong phần mềm phần tử hữu hạn, quá trình thi công được mô phỏng thông qua việc bật và tắt các phần tử, cho phép xác định phần tử nào tham gia vào tính toán Ban đầu, lưới phần tử được chia thành các phần và các vật liệu cho các lớp thi công được định nghĩa sẵn Khi các lớp thi công được kích hoạt, phần tử tương ứng sẽ được bật, trong khi các phần tử thuộc lớp chưa thi công sẽ bị tắt (được gọi là death-birth elements trong Ansys) Khi một lớp phần tử được kích hoạt trở lại, có hai quan điểm về chuyển vị ban đầu cần xem xét.
Phần tử được kích hoạt sẽ nhận toàn bộ chuyển vị từ lớp trước đó Giả sử quá trình thi công được chia thành hai bước: bước 1 và bước 2.
2 Kết thúc bước 1, chuyển vị tại đỉnh tại miền tiếp giáp bước 1 và 2 là a Bắt đầu bước 2, toàn bộ chuyển vị a này sẽ được cộng vào lớp 2 như là điều kiện ban đầu Điều này có nghĩa là, chuyển vị lớp 2 luôn luôn dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai hoc thuy loi dai lớn hơn lớp 1 Ứng với quá trình này, khi lắp thiết bị đo chuyển vị tại lớp 2, chuyển vị này phải được hiệu chỉnh bằng cách cộng thêm giá trị ban đầu là a
- Thứ hai: Phần tử kích hoạt không nhận chuyển vị của lớp trước đó
Chuyển vị lớp 2 chỉ xảy ra do tải trọng của lớp hai, với chuyển vị ban đầu bằng 0 Khu vực tiếp giáp giữa lớp 1 và lớp 2 sẽ có chuyển vị lớn nhất, vì nó chịu tác động tổng hợp từ cả hai lớp.
Khi lắp đặt thiết bị quan trắc, chu kỳ 0 luôn có giá trị 0 mà không cần hiệu chỉnh ban đầu, điều này phản ánh cách hoạt động của hầu hết các thiết bị quan trắc, tạo ra biểu đồ chuyển vị như trong hình 3.1 Kết quả từ cách thứ nhất có thể quy về cách thứ hai bằng cách tính chuyển vị cho từng bước thi công, coi bước trước đó là 0 (reset to zero displacement) Tương tự, kết quả từ cách thứ hai cũng có thể chuyển đổi về cách thứ nhất bằng phương pháp tương tự.
Quá trình tích nước
Việc tích nước lần đầu vào đập có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo ổn định của công trình Quá trình này làm mềm vật liệu và sắp xếp lại các cốt liệu, dẫn đến sự giảm chỉ tiêu địa chất, đặc biệt là modun biến dạng và gia tăng áp lực đẩy ngược Hệ quả là sự chênh lệch lún giữa thời điểm thi công và khi tích nước xuất hiện Để xác định độ lún này, quy trình tính toán được thực hiện theo phương pháp của Nobari và Duncan (1970) với ba bước cụ thể.
Bước đầu tiên là thực hiện phân tích các chỉ tiêu khô theo mô hình phi tuyến Cuối giai đoạn thi công, mođun biến dạng chung cho từng vùng vật liệu sẽ được tính bằng cách lấy trung bình của tất cả các phần tử trong miền đó.
Bước 2: Tiến hành phân tích các chỉ tiêu liên quan đến vùng bão hòa theo mô hình phi tuyến Khi dòng thấm đạt trạng thái ổn định, mođun biến dạng của từng vùng vật liệu sẽ được tính toán là trung bình cộng của tất cả các phần tử trong miền đó.
Bước 3: Tiến hành hai bài toán phân tích sử dụng mô đun đàn hồi đã lấy ở bước 1 và bước 2 theo mô hình đàn hồi tuyến tính, nhằm so sánh sự chuyển vị giữa hai quá trình.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số trong tính toán
Khi áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, việc xem xét cẩn thận các yếu tố có thể gây ra sự không chắc chắn và sai lệch trong kết quả là rất quan trọng Dựa trên kinh nghiệm thực tiễn, một số nguyên nhân đã được xác định là nguyên nhân chính dẫn đến sự thiếu chính xác trong các giải pháp.
Mức độ đầm nén trong thiết kế quy định dung trọng tối thiểu cần đạt tại hiện trường, thường thì dung trọng khô trung bình cao hơn giá trị tối thiểu này.
Mức độ đầm nén trung bình thường đạt 95% dung trọng tối đa, nhưng tại hiện trường, việc sử dụng các máy đầm lớn, đặc biệt với đất có nhiều hạt thô, có thể dễ dàng đạt được 100% dung trọng lớn nhất theo tiêu chuẩn Proctor.
- Độ ẩm khi đầm : Thông thường độ ẩm yêu cầu là 2% của độ ẩm tối ưu
Tuy nhiên khi độ ẩm thay đổi trong phạm vi đó đặc trưng của đất cũng thay đổi lớn
Mặc dù một số đập được thiết kế tốt, vẫn tồn tại những khu vực mà các thí nghiệm không thể thực hiện, dẫn đến việc thiếu số liệu Do đó, các chỉ tiêu của vật liệu cần được xác định dựa trên những vật liệu tương tự, hoặc quy trình cấp phối của vật liệu cần phải điều chỉnh để phù hợp.
- Quá trình thi công: Vì một số lý do trong quá trình thi công có thể thực hiện khác với tính toán
- Đơn giản hoá quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu
Độ tin cậy của việc đo đạc tại hiện trường rất quan trọng trong việc so sánh kết quả tính toán Chúng ta thường giả định rằng số liệu đo đạc là chính xác và dựa vào đó để đánh giá kết quả tính toán Tuy nhiên, cần lưu ý rằng thiết bị quan trắc cũng có thể mắc sai sót, do đó việc kiểm tra và xác minh kết quả là rất cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.
