Nghiên cứu về biến dạng cắt của vật liệu đá trong thân đập phòng chống lũ và xói mòn dạng khung nhỏ

Đập phòng chống lũ và xói mòn dạng khung nhỏ có cấu kiện đá hộc đổ vào bên trong thân còn được gọi là đập rọ đá. Độ ổn định của loại đập này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau trong đó có biến dạng cắt dưới tác động của áp lực đất. Đây là một yếu tố quan trọng phải được xét đến trong tính toán ổn định cũng như trong thiết kế. Để kiểm tra lực kháng cắt và mặt trượt của vật liệu đá đổ vào do biến dạng cắt, tiến hành thí nghiệm mô hình. Dựa trên những kết quả thí nghiệm sẽ phát triển công thức tính toán lực kháng cắt.

I. GIỚI THIỆU

Độ ổn định của đập khung gỗ hoặc thép rất khác so với đập bê tông và đập đất, phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau trong đó biến dạng cắt là một yếu tố rất quan trọng cần phải được xem xét trong việc tính toán độ ổn định cũng như trong thiết kế. Dưới tác động của áp lực đất, đập sẽ bị biến dạng. Độ lớn của biến dạng cắt sẽ phụ thuộc vào vật liệu đổ vào khung. Do đó, việc xác định ảnh hưởng của sự thay đổi vật liệu đổ vào trên biến dạng cắt là hết sức cần thiết. Thân đập dạng khung được đổ đầy bằng đá có cạnh với độ thấm cao để loại bỏ áp lực thủy tĩnh và kháng lại áp lực đất. Liên quan tới sức kháng cắt của vật liệu đá và đất trong cấu trúc đập, Terzaghi (1945) cho rằng cấu trúc bị phá hỏng do lực cắt trong đất xuất hiện theo mặt phẳng thẳng đứng dọc theo đường trung tâm của khung đập thép dạng tròn do bị nghiêng gây ra. Bên cạnh lý thuyết kháng cắt dọc của Terzaghi, Cummings (1957) đưa ra lý thuyết “kháng cắt ngang” về sự hư hại của đập thép khung tròn do lực cắt ngang trong đất đổ vào. Để đạt được độ ổn định, kháng cắt của đất theo mặt phẳng dọc hoặc ngang cùng với ma sát giữa các khóa liên động của khung phải bằng hoặc lớn hơn ngoại lực tác động. Kitajima (1962) kiến nghị một phương pháp tính toán độ ổn định do biến dạng cắt của đập khung tròn bằng cách so sánh mômen kháng cắt của đất đổ vào với mômen của ngoại lực. Katsuki và nnk (1991) giới thiệu một phương pháp ước lượng lực kháng cắt và mômen của đá trong đập khung thép bằng thí nghiệm. Itoh và nnk (1997) giới thiệu phương pháp tiếp cận biến dạng cắt bằng thí nghiệm và lời giải số. Áp dụng công thức của các nghiên cứu trên vào tính toán biến dạng cắt, khi ngoại lực tập trung tác dụng lên tường sau đặt tại vị trí 2/3 chiều cao đập (tính từ trên xuống) cho thấy: áp lực đất và mômen kháng cắt tính ra là rất nhỏ so với thực tế điều kiện của dạng đập khung, lý do là vì phương thức thí nghiệm và mục đích thí nghiệm khác nhau. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện thí nghiệm mô hình có kích thước chuẩn theo phương pháp thiết kế được đề xuất bởi TS. Đặng Quốc Dũng và nnk (2007) cho đập khung gỗ. Thí nghiệm được thực hiện tại phòng Nghiên cứu Kỹ thuật Kiểm soát Xói mòn và Thủy văn, Trường Đại Học Nông Nghiệp và Công Nghệ Tokyo, Nhật Bản. Thứ nhất, thí nghiệm nhằm làm rõ tính chất của lực kháng cắt của vật liệu đá bên trong thân đập. Thứ hai, góc trượt của vật liệu đá khi đập bắt đầu chịu áp lực được quan sát để nghiên cứu sự thay đổi trạng thái kháng cắt của toàn cấu trúc. Dựa trên những kết quả thí nghiệm, công thức tính toán cho lực kháng cắt của loại đập này sẽ được phát triển. Đồng thời, cơ bản sẽ hiểu được trạng thái hư hại do biến dạng cắt đối với đập khung, qua đó có hướng giải quyết để cân nhắc tốt hơn trong thiết kế.

II. BỐ TRÍ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

III. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

3.1 Thí nghiệm xác định lực kháng cắt

3.2 Thí nghiệm xác định mặt trượt

IV. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

4.1 Kết quả đánh giá lực kháng cắt và mặt trượt

4.2. Kết quả tính lực kháng cắt bằng phương pháp giải tích

V. KẾT LUẬN

Kết quả cho thấy không giống như nghiên cứu riêng biệt của Terzaghi và Cummings cho đập thép khung tròn, hư hại do biến dạng cắt xuất hiện theo mặt phẳng ngang và dọc. Đối với đập khung chữ nhật (gỗ hoặc thép), khi tổng áp lực đất tại tường sau (ngoại lực) đặt tại 2/3 chiều cao đập tính từ trên xuống, mặt trượt sẽ xuất hiện theo mặt nghiêng. Góc trượt khoảng 300 khi chuyển vị đạt 120mm. Lực kháng cắt của vật liệu đá đổ vào đã được làm rõ. Áp lực kháng của đá bên trong đóng vai trò như áp lực bị động và chiếm ưu thế toàn bộ quá trình. Dựa trên những kết quả thí nghiệm, công thức tính toán lực kháng cắt đã được phát triển. Hiểu về cơ chế biến dạng cắt của đá hộc trong thân đập sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển phương pháp gia cường kháng lại biến dạng cắt trong tương lai gần.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Cummings, E.M. (Sept., 1957) Cellular coffers dam and docks, ASCE Proceedings WW-3.

[2]. Itoh, K., Katsuki, S., Ishikawa, N., Abe, S. (1997): Shear resistance of filled material considering the compaction effect and an application to the cellular check dam design. Journal of Japan Society of Civil Engineers, No.570/I-40, pp. 187-201 (in Japanese).

[3]. Katsuki, S., Ishikawa, N., Ohira, Y., Suzuki, H. (1991): An estimation method of shear resistance force and earth pressure of fill materials in the steel made Sabo structure. Journal of Japan Society of Civil Engineers, No.410/I-15, pp. 97-106 (in Japanese).

[4]. Kitajima, S. (1962): Destruction of cellular structures on bedrocks, Soil and Foundation, Vol.10, No.8, p.25-33 (in Japanese).

[5]. Quoc Dung Dang, Yoshiharu Ishikawa, Hiroyuki Nakamura, Katsushige Shiraki. Evaluating method of durability of small wooden crib dams with considering the deterioration rate, the Journal of Japan Society of Erosion Control Engineering (JSECE), Vol.60, No.2, pp.13-24, July 2007.

[6]. Terzaghi, K. (1945): Stability and stiffness of cellular cofferdams, ASCE, Transaction, Vol.110, 1945.

Xem chi tiết bài báo: Nghiên cứu về biến dạng cắt của vật liệu đá trong thân đập phòng chống lũ và xói mòn dạng khung nhỏ

Tác giả: TS. Đặng Quốc Dũng - Viện Kỹ thuật Biển
GS.TS. Yoshiharu Ishikawa - Trường ĐH Nông nghiệp và Công nghệ Tokyo, Nhật Bản

TẠP CHÍ KH&CN THỦY LỢI