TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÂN CỐNG NGẦM

4.3.1. Đặc điểm chịu lực của thân cống

Khác với những kết cấu trên mặt đất chỉ có móng chịu tác dụng tương hỗ với đất nền, cống ngầm làm việc trong điều kiện đất bao bọc xung quanh. Đất vừa là môi trường nền ống tựa lên, vừa là môi trường áp lực của tải trọng (xe cộ) từ trên mặt đất truyền xuống. Môi trường này biến dạng cùng với ống dẫn nên các áp lực từ đất đắp tác dụng vào cống phụ thuộc vào chiều sâu cột đất tác dụng, tính chất cơ lý của đất, độ cứng của ống, cách tựa cũng như cách đặt ống trên nền. Vì vậy ống ngầm chịu tác dụng của trọng lượng bản thân, áp lực đất, áp lực nước trong và ngoài ống, các tải trọng từ trên mặt đất truyền xuống, các tác dụng nhiệt và động đất v.v …Các ngoại lực này gây ra nội lực hướng vòng thành ống. Đồng thời, sự phân bố tải trọng không đều, sự đổi hướng của dòng chảy bên trong, sự co giãn, nhiệt độ v.v…, theo phương dọc trục ống cũng gây ra nội lực.

4.3.2. Yêu cầu tính toán kết cấu

Mục đích của tính toán kết cấu là để đảm bảo điều kiện bền và biến dạng của thân cống trong phạm vi cho phép. Đối với cống bằng bê tông cốt thép, thông qua tính toán sẽ xác

152

định được hàm lượng cốt thép bố trí trong các bộ phận khác nhau, cũng như điều chỉnh chiều dày của kết cấu cho hợp lý. Đối với ống cống bằng kim loại, cần tính toán để kiểm tra điều kiện bền, cũng như điều chỉnh chiều dày ống cho phù hợp.

Tính toán kết cấu cống cần thực hiện với nhiều trường hợp khác nhau, tức là với các tổ hợp tải trọng khác nhau để đảm bảo cống sẽ làm việc an toàn với mọi điều kiện trong thời kỳ thi công, khai thác hay sửa chữa.

Khi chiều dài cống lớn, cống được chia thành nhiều đoạn bởi các khớp nối thì việc tính toán kết cấu cần thực hiện cho tất cả các đoạn. Tuy nhiên, để đơn giản trong tính toán thiết kế cũng như thi công, có thể chia các đoạn ra thành một số nhóm, trong mỗi nhóm chọn lấy đoạn có sơ đồ ngoại lực bất lợi nhất làm đại diện để tính toán. Thực ra, mỗi đoạn cống là một kết cấu không gian làm việc cùng với nền và môi trường đắp đất xung quanh. Tuy nhiên, trong tính toán, để đơn giản thường tính riêng kết cấu theo phương ngang (để kiểm tra độ bền và bố trí cốt thép hướng vòng) và theo phương dọc (để kiểm tra độ bền và bố trí cốt thép phương dọc trục cống).

4.3.3. Sơ đồ tính toán kết cấu theo phương ngang

Tính toán theo phương ngang cần phải xác định được giá trị của nội lực theo hướng vòng của thành ống. Giá trị này phụ thuộc vào trường hợp làm việc của cống (trường hợp mới thi công xong, trường hợp làm việc bình thường, trường hợp sửa chữa v.v…). Khi tính toán kết cấu phải đề cập đến các trường hợp làm việc, tính ngoại lực tác dụng và nội lực trong từng trường hợp, chọn ra trường hợp bất lợi nhất, từ đó kiểm tra và xác định các kích thước chịu lực hợp lý của ống ngầm và bố trí cốt thép cho thân cống.

Nếu ống không có vành đai cứng và được đặt lên nền liên tục hoặc lên móng băng, chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều theo chiều dài của ống, ống ở trong điều kiện biến dạng phẳng, khi tính toán ống ta có thể tách ra một đoạn ống có chiều dài đơn vị rồi xét ngoại lực, nội lực thuộc về đoạn ấy.

Các lực chủ yếu tác dụng lên cống ngầm gồm:

1. Áp lực đất tác dụng lên đỉnh cống ngầm

Xác định loại lực này tương đối phức tạp, nó chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố như tính chất của đất, độ cứng của ống, phương pháp chôn và chiều sâu đặt ống trong nền.

Khi ống đặt trong hào sâu (hình 4­16) do ảnh hưởng của ma sát giữa thành hào với đất đắp làm giảm tác dụng khối đất đắp lên ống.

Trong trường hợp này giá trị áp lực đất tác dụng lên đỉnh cống được tính theo công thức:

GB = KTdH 2

1

0 D

B 

; (4­41) trong đó:

đ ­ trọng lượng riêng của đất đắp;

D1 ­ đường kính ngoài của ống tròn hoặc chiều rộng lớn nhất của ống hộp.

153

KT – hệ số tập trung của áp lực đất thẳng đứng, phụ thuộc vào tỷ số B H

lấy ở hình (4­

17);

H/2H/2

Bo

B

Bo

H

D1 D1

B

Hình 4-16. Ống chôn trong hào

0.1 0 0.5 0.4 0.3 0.2

1 0 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 Kt

2

3

2 4 5 6

d=0.3 3

10 9 8 7

HB

1 H Ho

D1

Hình 4-17. Đường quan hệ KT H/B Hình 4-18. Ống đặt nổi.

1. Đất sét bão hoà; 2. Đất sét ẩm ướt;

3. Đất sét và đất cát không ẩm ướt lắm

Khi ống đặt ngay trên mặt nền hoặc một phần trong nền (hình 4­18) nếu nền tương đối tốt, độ cứng của ống lớn, ảnh hưởng của lực ma sát giữa phần đất đắp ở hai bên lún nhiều hơn phần trên ống đã làm tăng thêm áp lực đất tác dụng lên đỉnh cống.

Theo đề nghị của N.M. Vinôgơrađốp, áp lực đất lên đỉnh cống tính theo công thức:

GB = KHđHD1 ; (4­42) trong đó:

đ ­ trọng lượng riêng của đất đắp;

154 H – chiều dày đất đắp lên đỉnh ống;

KH – hệ số tập trung áp lực đất, phụ thuộc vào tính chất đất nền, phương pháp đặt ống,

chiều sâu chôn ống trong nền và tỷ số D1 H

. Đối với ống cứng lấy theo bảng (4­1).

Bảng 4-1. Trị số của KH

Loại đất nền Phương pháp đặt ống

KH

D1

H

=2 D2

H

=12 Cát, đất thịt rời rạc và đất

sét nhão

Đặt trên nền đất Đặt trên bệ cứng

1,00 1,15

1,05 1,20 Cát trung bình, đất thịt

chặt vừa, sét dẻo

Đặt trên nền đất Đặt trên bệ cứng

1,25 1,30

1,35 1,45

Cát mịn chặt, cuội Đặt trên nền đất 1,40 1,70

Sét cứng Đặt trên bệ cứng 1,45 1,80

Đá 1,50 2,00

2. Áp lực đất tác dụng lên hai bên cống ngầm

Áp lực đất tác dụng lên hai bên cống ngầm thường phân ra thành phần lực phân bố đều và phân bố không đều (hình 4­19).

ZZ1

2 P

P 1 P2 P1

Z1Z

2 2

a) b)

Hình 4-19. Sơ đồ áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống Các giá trị áp lực p1 và p2 được tính:

p1 = đZ1tg2(450 ­ 2



); (4­43)

p2 = đZ2tg2(450 ­ 2



); (4­44)

155 trong đó:  ­ góc ma sát trong của đất đắp.

3. Áp lực nước: Bao gồm áp lực nước bên trong và áp lực nước bên ngoài tác dụng lên thành ống.

a) Áp lực nước bên trong: phụ thuộc vào trạng thái dòng chảy của đoạn ống tính toán:

­ Đường ống có áp: gồm thành phần tuyến tính và thành phần phân bố đều.

Giá trị của thành phần tuyến tính được tính bằng lực thuỷ tĩnh của chất lỏng chứa vừa vặn đầy ống. Trong tính toán thường phân ra thành phần nằm ngang và thành phần thẳng đứng.

Giá trị của thành phần phân bố đều được tính bằng đầu nước ở mép trên cùng của ống tại mặt cắt tính toán.

­ Ở đường ống không áp chỉ có áp lực thuỷ tĩnh của phần nước chứa không đầy ống.

b) Áp lực nước bên ngoài:

Ống ngầm nằm dưới mực nước ngầm chịu ảnh hưởng của áp lực nước từ bên ngoài. Xét một cách đầy đủ các lực tác dụng ở đây lên ống phải là phải xét đồng thời tác dụng của nước trọng lực gây đẩy nổi ống, đẩy nổi đất, giảm lực dính, sự tác dụng đồng thời của áp lực kẽ rỗng và áp lực hữu hiệu của đất, áp lực hút mao dẫn. Nếu chỉ xét riêng thành phần áp lực thuỷ tĩnh tác dụng bên ngoài ống thì gồm có các thành phần:

­ Áp lực nước phân bố không đều;

­ Áp lực nước phân bố đều;

­ Trọng lượng nước đè lên ống.

(Khi tính thành phần này phải xét đến quan hệ với việc tính áp lực đất tác dụng lên ống).

4. Trọng lượng bản thân cống a) Ống có tiết diện tròn

q = b.;

trong đó:

b ­ trọng lượng riêng của bê tông;

 ­ chiều dày của ống;

q ­ cường độ của lực phân bố dọc theo chu vi của ống.

b) Ống có tiết diện hình chữ nhật

Trọng lượng phân bố đều của tấm nắp vẫn tính theo công thức trên. Trọng lượng hai thành bên có thể đưa về lực tập trung đặt ở hai đầu bản đáy. Đối với bản đáy trong tính toán không xét đến trọng lượng bản thân vì lực này sẽ cân bằng với phản lực của nền tác dụng lên bản đáy.

5. Phản lực nền

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng dưới ống sẽ phát sinh các phản lực. Sự phân bố phản lực này phụ thuộc vào tính chất của nền, phương pháp đặt ống (đặt trực tiếp trên mặt

156

hay trên bệ cứng). Nói chung thường có dạng phân bố không đều (hình 4­20). Trong quá trình tính toán thường xem gần đúng như là phân bố đều vẫn đảm bảo sai số cho phép.

Hình 4-20. Sự phân bố của phản lực nền 4.3.4. Nội lực và ứng suất dọc trục

Những ống có chiều dài đủ lớn hoặc không có khe phân cách, dưới tác dụng của các tải trọng ngoài, trong ống phát sinh nội lực và ứng lực theo phương dọc trục được xét do những nguyên nhân:

a) Hậu quả của ứng suất hướng vòng trong ống thuộc trạng thái biến dạng phẳng;

b) Tác dụng của nhiệt độ;

c) Áp lực của chất lỏng chứa đầy ống khi trục ống đổi hướng hoặc khi mặt cắt ngang thay đổi (chẳng hạn như chỗ ngoặt, chỗ phân nhánh, chỗ đường kính biến đổi, chỗ đặt van hay chỗ nút ống);

d) Đất đắp trên ống cao thấp khác nhau hoặc áp lực không đều dọc theo chiều dài ống bắt nguồn từ tải trọng cục bộ trên mặt đất;

e) Cống đặt trên nền không phải là rắn chắc hoặc độ cứng của nền thay đổi theo chiều dài ống;

g) Động đất: Các giá trị nội lực và ứng suất dọc trục do những nguyên nhân trên gây ra được xác định từ những bài toán kết cấu riêng biệt. Thành phần ứng suất dọc trục tìm ra, được xét đồng thời với ứng suất hướng vòng để đánh giá độ bền của ống.

Khi tính toán kết cấu cống ngầm, tuỳ từng trường hợp cụ thể mà có hoặc không xét tới thành phần nội lực và ứng lực theo phương dọc của ống.

Ví dụ thực hành 4.3

Xác định biểu đồ ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống ở ví dụ thực hành 4.2, với các dữ kiện sau:

­ Trường hợp tính toán: Khi hồ có MNLTK, cống đóng;

­ Vị trí mặt cắt: tại đỉnh đập, tương ứng với cột đất đắp trên đỉnh cống như sau:

Phần trên đường bão hòa là: Z1 = 3,03 m.

Phần dưới đường bão hòa là: Z2 = 9,20 m.

­ Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp quanh cống:

8 , 19

tn 

 KN/m3; bh 20,4

KN/m3; bh 12

;

157

­ Chiều dày vật liệu thành cống (đều 4 phía):

t = 0,5 m; vật liệu: BTCT M25, có b 25

KN/m3;

­ Cống đặt trong hố móng có chiều sâu hm  H (H là chiều cao thành ngoài của thân cống) Bài giải

Các thành phần lực tác dụng lên một đoạn cống có chiều dài đơn vị như sau:

1. Áp lực đất đắp:

­ Trên đỉnh (lực phân bố):

) ( 1 1 2 2

1 k Z Z

q   

Ở đây lấy k = 1 (theo dữ liệu lấy hm  H) 8

,

1 tn 19

 KN/m3; 2 đn 10,4 KN/m3

Thay vào được: q1 = 155,7 KN/m

­ Hai bên biểu đồ phân bố hình thang với trị số trên đỉnh là:

45 /2 102,0

2 1

1 qtg  bh 

p  (KN/m)

Trị số lực phân bố ở hai cao trình đáy cống:

 1  2 /2

1' q đnH tg 45 bh

p   

Ở đây có dn 10,4

KN/m3; H = HC + 2t = 3,5 m; bh 12

. Thay vào ta được:

p1’ = 125,9 (KN/m);

2. Áp lực nước bên ngoài cống (trong cống không có nước)

­ Trên đỉnh: q2 nZ2 92,0

(KN/m)

­ Hai bên: p2 nZ2 92,0 (KN/m)

p2'n(Z2H)127,0(KN/m)

­ Dưới đáy: q3 n(Z2H)127,0

(KN/m) 3, Trọng lượng bản thân cống:

­ Tấm nắp: q4 bt12,5

(KN/m)

­ Tấm bên: q5 bt12,5

(KN/m)

­ Tấm đáy: q6 bt12,5

(KN/m) 4. Sơ đồ lực cuối cùng:

a. Các lực phân bố thẳng đứng:

­ Trên đỉnh cống: q = q1 + q2 + q4 = 260,2 (KN/m)

158

­ Hai bên thành cống: q5 = 12,5 KN/m.

­ Dưới đáy cống (qn): Xác định theo phương trình cân bằng lực phương thẳng đứng:

7 , 5 297 , 0 5 , 1

5 , 0 5 , 52 , 12 2 2 , ) 260 (

2 5

 

 

 



 

 x

t B

t H q q

qn C

(KN/m) b. Lực ngang phân bố hai bên thành cống:

­ Bộ phận đều: p = p1 + p2 = 194,0 (KN/m)

­ Bộ phận không đều: Biểu đồ phân bố hình tam giác có trị số ở đỉnh bằng 0 và ở đáy:

pt = p1’ + p2’ – p = 58,9 (KN/m)

Sơ đồ lực cuối cùng như trên hình 4­21.

Cần lưu ý rằng trị số các lực đã tính như trên là trị số tiêu chuẩn. Khi xét tải trọng tính toán thì cần nhân trị số từng lực tiêu chuẩn với hệ số lệch tải tương ứng.

Hình 4-21. Sơ đồ lực tổng hợp tác dụng lên thân cống khi tính kết cấu theo phương ngang.