Chương 1: Tổng quan về bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông. Chương 2: Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công. Chương 3: Phát triển phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) tính ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác. Chương 4: Xây dựng thuật toán, chương trình tính toán ổn định mố cầu trên móng nông.
Chương 5: Thí dụ tính toán và đánh giá kết quả. Những đóng góp mới của luận án Các đóng góp mới của luận án như sau: i. Bằng cách đưa khối mố vào lăng thể trượt, xét đến tải trọng xe thi công sau lưng mố và lực quán tính sinh ra bởi động đất, phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) đã lần đầu tiên được phát triển để tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công dưới tác dụng của đất đắp sau lưng mố, tải trọng xe thi công và động đất. Bằng cách đưa khối mố vào lăng thể trượt, xét đến tải trọng xe trên nhịp truyền xuống mố qua gối cầu, tải trọng xe sau lưng mố, lực quán tính sinh ra bởi động đất và lực đẩy nổi khi có nước ngầm, phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLEM) đã i 8 lần đầu tiên được phát triển để tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của: tĩnh tải, hoạt tải; ảnh hưởng của mực nước ngầm; và tải trọng động đất.
Đã xây dựng được thuật toán và chương trình máy tính giải các bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông trong giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác. Chương trình máy tính cho phép xác định được hệ số an toàn về ổn định: Fsmin (khi điều kiện trượt chỉ xảy ra trên mặt đáy lăng thể trượt), Fsmed (khi điều kiện trượt xảy ra cả trên mặt đáy và mặt giữa của các khối trượt). Đồng thời cũng cho phép xác định được mặt trượt nguy hiểm nhất tương ứng với Fsmin và Fsmed cho từng trượng hợp chịu lực. Mặt trượt chính tại đáy của lăng thể trượt có dạng là đường gấp khúc bất kỳ, cho phép mô tả được gần đúng mặt trượt có dạng: mặt trượt phẳng; mặt trượt trụ tròn; mặt trượt có dạng cong tổng quát.
Kết quả khảo sát tính toán số cho thấy phương pháp GLEM cho hệ số an toàn về ổn định Fsmin có giá trị nhỏ nhất so với các phương pháp cân bằng giới hạn truyền thống. Như vậy, phương pháp GLEM cho phép xác định được mức độ nguy hiểm về ổn định của mố cầu trên móng nông cao hơn so với các phương pháp cân bằng giới hạn truyền thống. i 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU MỐ CẦU TRÊN MÓNG NÔNG Ổn định mố cầu trên móng nông thường được tính toán với 03 trường hợp: ổn định chống lật; ổn định chống trượt; và ổn định trượt sâu [4,5,6,7,27]. Tính toán ổn định chống lật mố cầu trên móng nông Dưới tác dụng của tải trọng ngoài có lực ngang lớn hoặc lực ngang đặt trên cao gây ra mô men lớn đối với móng.
Công trình có thể bị lật đổ bởi mô men này. Khi kiểm toán thường giả định điểm tâm quay khi lật là mép ngoài cùng đáy móng. Để kiểm toán ổn định chống lật dưới một tổ hợp lực nào đó người ta chuyển tất cả các lực về trọng tâm đáy móng như trong Hình 1.1 dưới đây: Hình 1. Sơ đồ tải trọng đối với bài toán ổn định chống lật [27] Tổng hợp nội lực tại tim đáy bệ móng ta có hệ lực N, H và M.
N: Tổng các thành phần thẳng đứng của các lực tác dụng lên công trình: N = P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7 (1.1) trong đó: P1 là tổng lực thẳng đứng từ kết cấu nhịp truyền xuống mố thông qua các gối cầu. P2, P3, P4, P5, P6 và P7 là trọng lượng của các bộ phận mố cầu. H là tổng lực theo phương ngang tác dụng lên mố cầu: H = T1+T2 (1.2) M: Tổng mô men của tất cả các lực đứng và lực ngang đối với tâm bệ móng: M = Pi .3) i 10 Hệ lực trên có thể chuyển thành hệ lực N’ và H’ như hình 1.4) N Với e là độ lệch tâm của hợp lực, nếu e y móng sẽ bị lật ra ngoài chân đế. Nếu e y móng sẽ ổn định.
Nếu e = y tức là cân bằng giới hạn. Muốn ổn định ta phải đảm bảo mô men tác dụng M nhỏ hơn mô men giới hạn Mgh.5) M gh N ' y y trong đó: m - hệ số điều kiện làm việc: Khi móng đặt trên nền đá: m = 0,8; Khi móng đặt trên nền đất: m = 0,7. Tính toán ổn định chống trượt mố cầu trên móng nông Khi mố cầu chịu lực ngang lớn, có thể xảy ra hiện tượng mất ổn định về trượt. Sơ đồ tính ổn định chống trượt của mố cầu trên móng nông được thể hiện trên Hình 1.
Muốn cho mố cầu không bị trượt dọc theo mặt phẳng đáy móng ra phía sông, phải đảm bảo cho lực ma sát dưới đáy móng lớn hơn lực tác dụng gây trượt theo điều kiện sau: Hình 1. Sơ đồ tải trọng đối với bài toán ổn định chống trượt [27] H' m (1. f trong đó f là hệ số ma sát giữa đáy móng và đất nền, được xác định theo Bảng 1. Theo quy trình quy định trong trường hợp kiểm toán ổn định chống trượt m = 0,8.
Hệ số ma sát giữa đáy móng và đất nền [27] TT Loại đất Hệ số ma sát Đất sét và đá bề mặt trơn phẳng: 1 - Ở trạng thái ướt: 0,25 - Ở trạng thái khô: 0,30 2 Đất sét pha và cát pha sét 0,30 3 Đất cát 0,40 4 Đất cuội sỏi 0,50 5 Tầng lớp đá mặt không trơn phẳng 0,60 1. Tính toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông Bài toán ổn định chống lật, ổn định chống trượt của mố cầu trên móng nông là những bài toán khá đơn giản như mô tả ở trên, thường ít xảy ra trong thực tế. Ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông là trường hợp mố cầu bị mất ổn định do mố và nền đất dưới mố bị mất ổn định, hình thành lăng thể trượt, hệ mố và lăng thể trượt bị trượt ra phía sông. Đây là trường hợp có nguy cơ xảy ra cao trong thực tế và là bài toán quan trọng trong tính toán thiết kế công trình cầu nói chung, tính toán thiết kế mố cầu nói riêng.
Bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trên móng nông là bài toán ổn định của một hệ phức hợp giữa mái dốc nơi đặt mố cầu, mố cầu và kết cấu nhịp đặt trực tiếp trên mố cầu. Do tính chất phức tạp về mặt tính toán nên bài toán này thường ít được xét đến. Hiện nay bài toán này được giải quyết theo hướng tính toán ổn định mái dốc nơi đặt mố cầu có xét đến mố cầu và các lực tương tác giữa mố cầu và kết cấu nhịp bên trên. Ở đó, khối mố được mô hình thành khối cứng gắn liền với lăng thể trượt.
Hệ số an toàn về ổn định của mố cầu được xác định theo hệ số an toàn của mái dốc ở đó lăng thể trượt bao gồm cả khối đất giới hạn bởi mặt trượt và khối mố. Như vậy, trên cơ sở bài toán ổn định mái dốc, bằng cách xét đến khối mố cầu cùng các lực từ kết cấu nhịp truyền xuống khối mố, có thể tính toán được ổn định trượt sâu mố cầu. Do đó tình hình tổng quan về bài toán ổn định trượt sâu mố cầu trước hết sẽ bắt đầu từ tình hình tổng quan bài toán ổn định mái dốc. Có các nhóm phương pháp sau đây để giải bài toán ổn định mái dốc: i 12 1.
Các phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng Thuộc về nhóm phương pháp phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng có thể kể đến như phương pháp phần tử hữu hạn [18, 28, 29] và các phương pháp số. Trong khoảng hơn hai thập kỷ gần đây, các mô hình số phát triển, sự hỗ trợ mạnh mẽ của máy tính, người ta đã phân tích được trạng thái ứng suất-biến dạng của môi trường đàn hồi- dẻo. Đặc điểm của nhóm phương pháp này là có thể biểu diễn một cách rõ ràng quan hệ hàm số giữa ứng suất và biến dạng của môi trường đất với các điều kiện biên của chúng để có thể xác định trường ứng suất tại mọi điểm nằm trong khối đất. Các điểm (phần tử) của môi trường đất đạt đến mức ứng suất - biến dạng nào đó (đủ nhỏ) thì là môi trường đàn hồi, nhưng khi đạt đến một trạng thái ứng suất - biến dạng nào đó (thỏa mãn điều kiện của Prandtl hoặc điều kiện của Mohr - Rankine - Coulomb) thì điểm (phần tử) đó trở thành môi trường dẻo Hình 1.
Khi phân tích mái dốc đất ta không cần giả định mặt trượt mà cứ tính toán ứng suất - biến dạng theo tiến trình tăng dần của tải trọng, sẽ thấy các phần tử biến dạng dẻo cứ phát triển dần và dẫn tới chỗ mái dốc mất ổn định khi chuyển vị của những điểm trên mặt mái dốc tăng mạnh. Hệ số an toàn về ổn định của mái dốc là hệ số K làm cho chuyển vị của mặt mái dốc tăng vô cùng lớn. Các điểm biến dạng dẻo của mái dốc trong phương pháp phần tử hữu hạn Có thể nói nhóm phương pháp này cho kết quả khá tốt về quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong suốt quá trình chịu tải của kết cấu cho đến khi đạt đến trạng thái giới hạn. Tuy niên, yêu cầu các tham số đầu vào khi tính toán lại phức tạp như: Mô đun biến dạng, hệ số poisson của đất.
Đây là những tham số của đất cần những thí nghiệm chuyên i 13 dụng kết hợp phân tích, tính toán để xác định. Ngoài ra, khối lượng tính toán của những phương pháp này rất lớn, nhiều khi dẫn tới sai số tính toán tích lũy đáng kể. Do vậy, việc ứng dụng các phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng vào tính toán ổn định mái dốc nói chung, ổn định trượt sâu mố cầu nói riêng còn có những khó khăn nhất định. Các phương pháp cân bằng giới hạn để tính ổn định mái dốc Đặc điểm chung của các phương pháp cân bằng giới hạn là chỉ xét sự làm việc của kết cấu trong trạng thái giới hạn mà không quan tâm đến quan hệ ứng suất - biến dạng theo quá trình tác dụng của tải trọng.