Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)

Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)

NGUYỄN MINH QUÂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN MINH QUÂN

SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CỐT

ĐỂ XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH VEN BỜ BIỂN

Chuyên ngành: Xây dưng Công trình Biển

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ

THUẬT

HÀ NỘI - 2011

1

1 Sự cần thiết của ñề tài luận văn 1

2 Mục ñích nghiên cứu của luận văn 1

3 ðối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 1

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ ðẤT CÓ CỐT

3 1.1 Lược sử công nghệ ñất có cốt 3

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ñất có cốt trong xây dựng tại Việt Nam 4

1.3 Ứng dụng của kết cấu ñất có cốt ñối với các công trình ven biển 6

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO KẾT CẤU ðẤT CÓ CỐT 10

2.1 ðặc ñiểm chung của kết cấu ñất có cốt 10

2.2 Yêu cầu về vật liệu ñất ñắp 12

2.2.1 Tổng quan 12

2.2.2 Vật liệu ñắp trong tường chắn và mố trụ cầu 12

2.2.3 Vật liệu ñắp mái dốc 12

2.3 Vật liệu cốt gia cường 13

2.3.1 Vật liệu cốt là vải ñịa kỹ thuật: 13

2.3.2 Vật liệu cốt là lưới ñịa kỹ thuật: 14

2.3.3 Cốt dạng dải, khung thép 26

2.4 Kết cấu ñất có cốt áp dụng trong ñiều kiện ven biển 27

2.4.1 Lựa chọn vật liệu cốt gia cường 27

2.4.2 Lớp mặt tường chắn và mái dốc 28

2.4.3 Yêu cầu về ñất nền 34

2.4.4 Các vấn ñề về thi công 35

CHƯƠNG 3 KẾT CẤU ðẤT CÓ CỐT – NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ NGUYÊN

TẮC THIẾT KẾ 38

3.1 Cơ sở lý thuyết 38

3.2 Cơ chế gia cường ñất trong tường chắn và mái dốc 39

3.3 Tường chắn bằng kết cấu ñất có cốt gia cường 40

3.3.1 ðại cương 40

3.3.2 Các hệ số riêng phần 43

3.3.3 Xác ñịnh các kích thước kết cấu 45

3.3.4 Chiều sâu chôn tường 48

3.3.5 Ổn ñịnh tổng thể 49

3.3.6 Các mặt trượt ñể kiểm tra ổn ñịnh bên ngoài 53

3.3.7 Ổn ñịnh nội bộ 53

3.3.8 Trạng thái giới hạn sử dụng 65

3.4 Thiết kế mái dốc có cốt: 66

3.4.1 ðại cương 66

3.4.2 Các hệ số riêng phần sử dụng khi thiết kế mái dốc có cốt 68

3.4.3 Phạm vi áp dụng 69

3.4.4 Cơ sở thiết kế 69

3.4.5 Các trạng thái giới hạn 70

3.4.6 Về ổn ñịnh ngoài 71

3.4.7 Về ổn ñịnh nội bộ 72

3.4.8 Các mái dốc thoải 77

3.4.9 Về ổn ñịnh hỗn hợp 78

3.4.10 Các trạng thái giới hạn sử dụng 78

CHƯƠNG 4 THỰC HÀNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 79

4.1 Thiết kế mái dốc bằng ñất có cốt gia cường 79

4.2 Thực hành tính toán tường chắn bằng ñất có cốt gia cường 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

MỞ ðẦU

1 Sự cần thiết của ñề tài luận văn

Nước ta có ñường bờ biển dài với nhiều tiềm năng phát triển, nhu cầu về xâydựng cơ sở hạ tầng ven biển hiện nay và sắp tới là rất lớn và ña dạng Trong ñiềukiện kinh tế nước ta còn nghèo, việc nghiên cứu áp dụng các công nghệ mới nhằmtìm các giải pháp kết cấu cho các công trình ñiển hình tối ưu về kinh tế và kỹ thuật

là hết sức cần thiết Công nghệ kết cấu ñất có cốt là công nghệ có thể ñáp ứng cácyêu cầu ñó

Kết cấu ñất có cốt là một giải pháp kết cấu có thể áp dụng hữu hiệu ñối với cáccông trình ven biển Với giải pháp kỹ thuật phù hợp, kết cấu hoàn toàn có thể sửdụng với các công trình bảo vệ bờ trong ñiều kiện tác ñộng mạnh của môi trườngbiển hay ñiều kiện nền ñịa chất yếu và phức tạp Kết cấu cũng có thể sử dụng trongcác công trình chịu lực lớn như mố trụ cầu, bến cảng…Với các ưu ñiểm về kết cấuñơn giản, khả năng tận dụng vật liệu ñắp, thi công nhanh nhờ lắp ghép… Việc sửdụng loại kết cấu này ñã cho thấy hiệu quả kinh tế tốt hơn hẳn các giải pháp truyềnthống như kết cấu bê tông cốt thép, ñá xây…

Tuy nhiên, thực tế cho thấy hiện nay việc áp dụng công nghệ ñất có cốt vàocác công trình xây dựng như trên là chưa nhiều Phương pháp tính toán thiết kế vàcông nghệ thi công cũng chưa ñược phổ biến ðể áp dụng kết cấu ñất có cốt cho cáccông trình ven biển một cách ñại trà cần thiết phải có sự nghiên cứu ñầy ñủ và hệthống, hoàn thiện phương pháp luận tính toán, tạo ñiều kiện thuận lợi cho công táctính toán thiết kế công trình

2 Mục ñích nghiên cứu của luận văn

Mục ñích nghiên cứu của luận văn là nhằm tìm ra giải pháp kết cấu hợp lý chokết cấu ñất có cốt áp dụng cho ñiều kiện ven biển Việt Nam, nghiên cứu cơ sở khoahọc và phương pháp luận tính toán thiết kế cho các dạng kết cấu có liên quan

3 ðối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

ðối tượng nghiên cứu của luận văn là kết cấu ñất có cốt áp dụng cho côngtrình ven biển

22

-Phạm vi nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lựa chọn các thành phần kết cấu hợp

lý, nghiên cứu phương pháp tính toán kết cấu cho các loại kết cấu áp dụng, gồm kếtcấu tường chắn (tường chắn sóng, mố cầu/cảng ) và kết cấu mái dốc (ñê, kè bảo vệbờ )

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu các vấn ñề liên quan ñến giải pháp cấu tạo kết cấu, phân tích lựachọn cấu tạo kết cấu ñất có cốt bao gồm: cốt gia cường, ñất ñắp, vỏ mặt bảo vệ;

- Nghiên cứu tính toán kết cấu tường chắn và mái dốc

5 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu, phân tích, ñánh giá các thành tựu ñã ñạt ñược, ứng dụng ñể giảiquyết các vấn ñề ñặt ra trong luận văn

- Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng các kết quảnghiên cứu thực nghiệm ñể giải quyết vấn ñề

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Ý nghĩa khoa học

Luận văn ñã ñi sâu vào phân tích các ñặc ñiểm kết cấu ñất có cốt ứng dụngcho các công trình ven biển, và qua việc phân tích ñó ñã hệ thống hóa các giải phápkết cấu, giúp có cái nhìn khách quan trong việc lựa chọn giải pháp kết cấu tối ưu.Luận văn cũng ñã phân tích cơ sở khoa học và ñề xuất phương pháp luận cũng nhưphương pháp thiết kế phù hợp với các giải pháp kết cấu ñó

Ý nghĩa thực tiễn

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ ñất có cốt ñang dầntới sự hoàn thiện và ñã trở thành sự lựa chọn không thể thay thế của nhiều côngtrình trên thế giới Tuy nhiên, ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ này ñang rấthạn chế do chưa có các tiêu chuẩn tính toán cũng như kinh nghiệm thiết kế và tổchức thi công ðề tài ñược thực hiện với mong muốn góp phần phổ biến công nghệnày như một giải pháp kết cấu trong các công trình xây dựng ở Việt Nam nói chung

và các công trình ven biển nói riêng, nơi mà giải pháp này có thể ñem lại rất nhiềuhiệu quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG

NGHỆ ðẤT CÓ CỐT1.1 Lược sử công nghệ ñất có cốt

ðất có cốt là một loại hình vật liệu tổ hợp do ñất và cốt tạo ra, có khả năngchịu ñược lực kéo Vào khoảng những năm 1960, một kỹ sư người Pháp tên làHenri Vidal ñã phát triển và hệ thống hóa phương pháp gia cố ñất này thành côngnghệ ñất có cốt Vào năm 1968, công trình tường chắn bằng ñất có cốt ñầu tiênñược xây dựng tại miền Nam nước Pháp (Hình 1.1), ñây ñược coi là một trongnhững cột mốc quan trọng trong sự phát triển của kỹ thuật xây dựng Tiếp ñó vềsau, kỹ thuật mới về ñất có cốt ñược phát triển nhanh chóng và rộng rãi, tạo ra nhiềuloại, nhiều hệ thống ñất có cốt khác nhau

Hình 1.1 Công trình tường chắn ñầu tiên áp dụng công nghệ ñất có cốt

Vì những tính năng ưu việt của loại hình ñất có cốt, việc nghiên cứu và ápdụng ñã phát triển nhanh chóng ở nhiều nước châu Âu, châu Mỹ và châu Á Cácứng dụng kể như: tường chắn trên ñường ô tô, ñường sắt; mố cầu; nền ñường ñắpcao; ñê và kè ven sông, ven biển và công trình quân sự

2.1 ðặc ñiểm chung của kết cấu ñất có cốt

+ Về khả năng chịu lực: kết cấu có thể thiết kế với khả năng chịu tải ñáng kể(thể hiện qua các công trình mố trụ cầu, nền ñường sắt )

Xét về ổn ñịnh cục bộ của khối ñất có gia cường cốt, ñộ bền kết cấu phụ thuộc

44 vào cường ñộ cốt chịu lực, cường ñộ ñất ñắp và khả năng bám dính giữa cốt và ñất,trong ñó cường ñộ ñất ñắp và sức bám dính cốt – ñất là có giới hạn Do vậy khảnăng chịu tải trọng lớn của kết cấu bị hạn chế Trong các công trình bến cảng, ñốivới công trình có yêu cầu chịu tải siêu trọng, nếu muốn áp dụng giải pháp ñất có cốtthì cần thiết phải có thêm các giải pháp kỹ thuật phụ trợ ñể giảm bớt tải trọng trựctiếp lên nền.

-+ Tính thích nghi với ñiều kiện nền móng yếu: có khả năng chịu ñược chênhlệch lún trong ñiều kiện nền ñất yếu Với bản chất là kết cấu ñất ñược gia cường, kếtcấu ñất có cốt cho phép ñộ lún lệch khá lớn mà không làm phá hoại kết cấu

+ Khả năng chịu tải trọng ñộng: Kết cấu có khả năng phục hồi cao và hấp thuhiệu quả các dạng tải trọng ñộng như tải trọng ñường sắt, ñộng ñất

+ Về tuổi thọ: Kết cấu có thể ñược thiết kế với tuổi thọ lâu dài (tới 120 năm)qua việc sử dụng các dạng vật liệu có tính bền cao và ít bị lão hóa theo thời gian.Tuổi thọ của kết cấu ñất có cốt phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu cốt gia cường Việcphân tích ñánh giá tính chất của các loại vật liệu gia cường ñược tiến hành ở cácphần sau

+ Về giá thành: hiệu quả về giá thành của kết cấu ñất có cốt thể hiện ở việc tiếtkiệm thời gian thi công và sử dụng nguyên vật liệu làm kết cấu

Hiệu quả về giá thành của một công trình tường chắn ñất có cốt so sánh vớitường chắn bê tông cốt thép thông thường như ở Bảng 2.1

+ Về mỹ quan:

Kết cấu bao che mặt tường chắn và mái dốc ñất có cốt chủ yếu chỉ mang chứcnăng che phủ mà không có yêu cầu cao về chịu lực nên có rất nhiều sự lựa chọn

thẩm mỹ cho lớp vỏ tường chắn cũng như mái dốc mà vẫn ñảm bảo các chỉ tiêukinh tế và kỹ thuật.

Bảng 2.1 Một ví dụ tính toán so sánh giá thành tường bê tông và tường ñất có cốt (ñơn giá năm 2007)

STT Hạng mục ðơn vị ðơn giá

(VND)

Giá thành H=2.0 m H=3.0 m H=4.0 m H=5.0 m H=6.0 m

I Tường bê tông 1m 8,020,400.0 10,499,900.0 17,545,490.0 22,794,448.0 27,397,832.0

Về cơ bản thì việc thi công kết cấu ñất có cốt là công tác ñất với tốc ñộ thicông phụ thuộc vào việc ñổ ñất và ñầm nén Cho dù lớp mặt tường là bê tông ñúcsẵn, gạch bê tông, thép hay lưới thép thì việc thi công cơ bản vẫn theo một chu trìnhlặp ñi lặp lại:

66

-Công tác thi công tường có cốt chủ yếu là công tác ñổ ñất và ñầm nén, do ñótrang thiết bị thi công thường chỉ bao gồm máy xúc, san gạt, máy ñầm và trongtrường hợp thi công tường chắn với các tấm tường bê tông ñúc sẵn thì cần có thêmmột cần cẩu loại nhỏ

2.2 Yêu cầu về vật liệu ñất ñắp

2.2.1 Tổng quan

Yêu cầu chung về vật liệu ñất ñắp dùng trong kết cấu ñất có cốt là phải ñồng

bộ, có các chỉ tiêu về cơ lý và hóa ñáp ứng ñược các chỉ tiêu yêu cầu trong các tiêuchuẩn thiết kế hiện hành (BS 8006)

ðối với dạng kè dùng ñất có cốt, vật liệu ñắp có thể dùng loại ñất rời, vừa rờivừa dính, hoặc nếu sử dụng loại ñất dính thì có thể kết hợp với một loại lưới ñịa kỹthuật phù hợp ñể sử dụng

ðối với dạng tường chắn ñất có cốt có thời hạn phục vụ lâu dài, ñất ñắp khôngñược dùng loại ñất dính, mà chỉ ñược sử dụng loại ñất rời hoặc ñất rời ít dính Gócnội ma sát của ñất ñắp khi bão hòa nước không ñược nhỏ hơn 25o Trong mọitrường hợp, ñất ñắp phải ñược ñầm chặt K=0,98 trở lên (tiêu chuẩn ñầm nén ứngvới TCVN 4201-1995)

2.2.2 Vật liệu ñắp trong tường chắn và mố trụ cầu

2.2.2.1 Về chỉ tiêu cơ học

Vật liệu ñắp chỉ có tính dính (loại sét) sẽ không ñược sử dụng cho kết cấutường chắn mà mố trụ cầu có yêu cầu an toàn mức trung bình và mức cao (xemthêm [1])

2.2.2.2 Về chỉ tiêu hoá học và ñiện hoá

Cốt bằng pôlime thì không bị ảnh hưởng bởi tác dụng ñiện hoá nhưng có thểchịu ảnh hưởng của một số hoá chất nào ñó Ảnh hưởng của hoá chất tới tính chấtcủa cốt bằng pôlime phải ñược xem xét trong các chứng chỉ sản phẩm

2.2.3 Vật liệu ñắp mái dốc

ðối với các mái dốc dốc, có thể sử dụng các vật liệu ñắp có ma sát hoặc vừa

có ma sát vừa dính thoả mãn các khuyến nghị ở 2.2.2 Vật liệu ñắp có tính dính có

thể ñược sử dụng ñể kết hợp với một loại cốt thích hợp cho các mái dốc ñắp mới

hoặc mái dốc phục hồi lại.

2.3 Vật liệu cốt gia cường

Vật liệu cốt rất ña dạng Từ xa xưa, con người ñã sử dụng cốt bằng tre trongmột số công trình Tiếp sau ñó, từ những nghiên cứu và ứng dụng trên những côngtrình có quy mô lớn hơn, người ta ñã sử dụng cốt bằng các thanh kim loại, tiếp ñến

là vật liệu cốt bằng thép không gỉ Với sự phát triển của các ngành sản xuất vật liệutổng hợp, cốt ñược sản xuất từ loại vật liệu tổng hợp có cường ñộ cao bao gồm vảiñịa kỹ thuật hoặc lưới ñịa kỹ thuật và bây giờ một trong những loại vật liệu ñangñược sử dụng làm cốt là lưới thép mạ kẽm bọc Polime Hình dạng của cốt có thể làdải mỏng, lưới ô vuông hoặc dạng tấm mỏng

Cho ñến thời ñiểm hiện nay, các loại cốt sử dụng trong các công trình ñất cócốt cũng có nhiều thay ñổi và ña dạng Dưới ñây trình bày một số dạng cốt ñiểnhình thường ñược sử dụng ở các nước trên thế giới

2.3.1 Vật liệu cốt là vải ñịa kỹ thuật:

Vải ñịa kỹ thuật ñược chế từ những sản phẩm phụ của dầu mỏ Vải ñược chếtạo từ một hoặc hai trong các hợp chất chính sau, gọi chung là Polime:

Vải ñịa kỹ thuật ñược chia làm hai nhóm chính: dệt và không dệt Nhóm dệt

có ñộ dãn thấp, sức chịu kéo cao, còn nhóm không dệt có ñộ dãn lớn và sức chịukéo thấp hơn

Vải ñịa kỹ thuật có các công dụng chính sau:

- Ngăn cách: ngăn lớp ñất mịn xâm nhập lên lớp ñất thô hoặc ñá.

- Gia cố: Sức chịu kéo của vải ðKT tăng cường khả năng chịu tải và chịu kéocủa ñất (gia cố nền, tường chắn, ñê ñập)

Ưu nhược ñiểm của cốt liệu vải ñịa kỹ thuật so với lưới ñịa kỹ thuật:

Ưu ñiểm:

+ Giá thành rẻ

+ Cường ñộ chịu kéo cao

+ Có thể ñồng thời là vật liệu ngăn cách nếu cần

2.3.2 Vật liệu cốt là lưới ñịa kỹ thuật:

Các tính năng chính của lưới ðKT là tạo ra các ô lưới với bề rộng ñủ lớn ñểlưới có thể cài chặt với ñất ñắp và cường ñộ chịu kéo cao Lưới ñịa kỹ thuật ñượclàm bằng chất polypropylene (PP), polyethylene (PE) hay bọc bằng polyethylene-terephthalate (PET) Vật liệu lưới ñịa kỹ thuật hiện nay có thể chịu ñược sức kéo rấtlớn tới 2800 kg/cm2(so với sắt là 2500 kg/cm2)

Về hình dạng có thể phân lưới ðKT ra hai loại chính (Hình 2.1): Lưới mộttrục (có sức chịu kéo theo một hướng) và lưới hai trục (có sức chịu kéo cả haihướng)

Lưới ðKT ñược sản xuất lần ñầu tiên vào năm 1978 bởi công ty Netlon củaAnh Sau ñó ñến lưới Gouderak, Stabilenka của Hà Lan, Polimeshlens của Úc,Trical Net của Nhật Hiện nay rất phổ biến là loại lưới ñịa kỹ thuật Tensar của Mỹ

Các lưới Tensar một trục ñược làm từ chất polyethylene tỷ trọng cao HDPE (highdensity polyethylene), lưới Tensar hai trục ñược làm bằng chất Polypropylene (PP).Ngoài ra loại lưới Tensar 3 trục (Triax) ñược phát triển cơ bản dựa trên lưới hai trụcnhưng có tính năng làm việc cao hơn.

Hình 2.1 Lưới ñịa kỹ thuật Polime

Nói chung, các loại lưới ðKT ñều có các ñặc ñiểm sau:

- Sức chịu kéo lớn

- Tính cài chặt với vật liệu xung quanh tạo nên một khối vững chắc, nhất làchống lại sự trượt của ñất ñắp

- Tính ña năng: hầu như thích hợp với mọi loại ñất, ñá

- Tính thuận tiện cho thi công: lưới có thể cuộn lại ñược thành các bó ñể vậnchuyển, thi công dễ dàng, chỉ cần 2 người là có thể trải ñược lưới

- Tính lâu dài: ít bị hư hỏng bởi ăn mòn, hóa chất

Phạm vi ứng dụng chủ yếu của lưới ñịa kỹ thuật có thể tập hợp như sau:

Cường ñộ của cốt bằng Polime:

Tất cả các loại Polime ñều là vật liệu dạng ñàn nhớt (visco-elastic), cường ñộ

và ñộ cứng của chúng chịu ảnh hưởng của nhiệt ñộ, ñộ lớn của tải trọng và thời gian

1010-tải trọng tác dụng (Hình 2.2) Thí nghiệm kiểm tra cường ñộ kéo của lưới ñịa ñượcquy ñịnh theo tiêu chuẩn quốc tế BS EN ISO 10319:1996 , trong ñó các thí nghiệmkéo xác ñịnh cường ñộ mẫu (Tult) ñược thực hiện ở ñiều kiện tiêu chuẩn là: nhiệt ñộ

-20oC với tốc ñộ biến dạng kéo mẫu là 2%/phút (Hình 2.3)

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ và tốc ñộ biến dạng mẫu tới cường ñộ chịu kéo

của lưới ñịa kỹ thuật Polime

Hình 2.3 Thí nghiệm tiêu chuẩn ISO 10319:1996

a) Thí nghiệm kéo mẫu ; b) Kết quả một mẫu thử