Nghiên cứu thiết kế cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền

Hình 5 : Minh họa sự cần thiết của đề tài Tuy nhiên trong quá trình thiết kế cống hộp hiện nay, việc lựa chọn hệ số nền để thiết kế cống chưa được rỏ ràng, làm cho đơn vị quản lý gặp khó

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN VĂN BIỆN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MÔ HÌNH

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS CAO VĂN LÂM

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Viết Trung

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Mỹ

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Kỹ thuật, Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao Thông, tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 01 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng Cầu Đường, Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Với việc phát triển nhanh chóng hiện nay của các ngành khoa học

kỹ thuật, công nghệ dẫn đến những nhu cầu về kinh tế, văn hóa, xã hội… cũng tăng theo Bên cạnh việc đáp ứng kịp những nhu cầu đó thì việc xây dựng, phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật, giao thông, vận tải vv… là hết sức cần thiết

Cầu, cống thoát nước nói chung và Cống hộp nói riêng là loại công trình nhân tạo khá phổ biến trong công trình giao thông Tác dụng chủ yếu là để thoát nước của các dòng chảy thường xuyên hay định kỳ chảy qua phía dưới nền đắp, ngoài ra cống còn làm đường chui dân sinh

Hình 1: Cống hộp 2 cửa

Số lượng các công trình thoát nước trên tuyến phụ thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu trong đó cống chiếm 80% - 90% số lượng các công trình thoát nước Ở Việt Nam đối với đường cấp IV miền núi trung bình 1km đường có 4 – 9 cái cống Giá thành xây dựng cống thường chiếm 10% - 20% giá thành toàn bộ tuyến [1]

Hình 5 : Minh họa sự cần thiết của đề tài

Tuy nhiên trong quá trình thiết kế cống hộp hiện nay, việc lựa chọn hệ số nền để thiết kế cống chưa được rỏ ràng, làm cho đơn vị quản lý gặp khó khăn trong quá trình thẩm tra, kiểm toán kết cấu cống

- Trong quá trình thiết kế cống hộp bằng phần mềm máy tính hiện nay, người thiết kế chọn liên kết giữa đất nền với kết cấu cống bằng liên kết cứng hoặc đàn hồi thông thường là chưa phù hợp, chưa phản ánh hết bản chất làm việc của kết cấu cống

Nhằm phản ánh sự làm việc đồng thời của cống trên nền đất, phân tích làm rỏ hơn về sự tương tác của hệ số nền đất với kết cấu cống trong thiết kế và kiểm toán cống hộp nhằm góp phần phục vụ cho công tác thiết kế xác với thực tế, tiết kiệm chi phí đầu tư đồng thời có

cơ sở cho công tác kiểm toán trong quá trình khai thác và kiểm định công trình sau này Với những nhận định trên tác giả nhận thấy việc

Nghiên cứu thiết kế cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền

- Tính toán hệ số nền bằng nhiều phương pháp

- Thiết kế và kiểm toán cống hộp bằng Midas/Civil

4 Mục tiêu nghiên cứu:

- Lựa chọn hệ số nền phù hợp để đưa vào chương trình máy tính

- Thiết kế và kiểm toán cống hộp băng phần mềm Midas/Civil

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế cống hộp

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định hệ số nền

- Nghiên cứu mô hình thiết kế và kiểm toán cống bằng Midas/Civil

6 Kết cấu của luận văn

Chương 1 Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp trên nền đàn hồi

1.1 Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp 1.2 Tương tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn hồi

1.3 Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp hiện nay

3.1 Mô hình hóa tính toán cống hộp bằng Midas/Civil

3.2 Mô tả liên kết cống hộp với đất nền

3.3 Tính toán và thiết kế cống hộp theo các hệ số nền khác nhau

3.4 Kiểm toán cống hộp theo nhiều hệ số nền khác nhau

3.5 Phân tích kết quả

3.6 Kết luận

Cống thoát nước nói chung và cống hộp nói riêng là một trong những công trình xây dựng thiết yếu trên hệ thống công trình đường

bộ Trong lĩnh vực thiết kế công trình cống hiện nay ở nước ta phần lớn là sử dụng tiêu chuẩn 22TCN272-05 để làm cơ sở thiết kế cho công trình cống

Khi tính toán thiết kế cống đòi hỏi người thiết kế phải nghiên cứu, điều tra khảo sát, thực nghiệm khá chặt chẽ Những năm gần đây và hiện nay cùng với tiến trình hội nhập, nhiều phương pháp tính toán trong thiết kế cùng vật liệu và kết cấu mới, các công nghệ thi công tiên tiến được áp dụng vào thực tiễn xây dựng các công trình Cống hộp ở Việt Nam Cùng với đó việc áp dụng các phần mềm thiết

kế hiện đại như Sap 2000, Midas/civil, C-pro… Vào chương trình tính toán cũng trở nên phổ biến hơn, tuy nhiên việc khảo sát, thiết kế

và kiểm toán cống hộp cần đảm bảo các bước thiết kế cơ bản nhất định Việc thiết kế cống là một công tác rất tổng hợp, bao gồm từ điều tra khảo sát thủy văn, tính toán lưu lượng nước, chọn loại cống

và bố trí chung, tính toán thủy lực: xác định khẩu độ cống, tính toán các thiết bị tiêu năng, tính xói và gia cố hạ lưu cống, cho đến việc thiết kế và kiểm toán cống, thiết kế nền móng cho cống, bố trí khe phòng lún và tầng phòng nước vv…[2]

Qua thực tế cho thấy, quá trình thiết kế cống lâu nay cũng còn tồn tại hai quan điểm thiết kế khác nhau, đó là quan điểm thiết kế cống không xét đến tương tác với đất nền và quan điểm thiết kế cống có xét đến tương tác với đất nền

Khi thiết kế cống hộp đặt trên gối cố định sẽ cho giá trị mômen bản đáy khá lớn so với giá trị mômen bản đáy khi khai thác thực tế, dẫn đến việc bố trí cốt thép cho kết cấu cống khá dư thừa

Trên thực tế cống hộp thường được đặt trực tiếp trên các nền đất, nền đá, nền nhân tạo vì tính chất của nền là đàn hồi nên bề mặt của đáy cống được xem như đặt trên các lò xo, các lò xo không liên quan với nhau và cường độ phản lực của đất tại mỗi điểm tỉ lệ bậc nhất với độ lún đàn hồi tại điểm đó thông qua hệ số nền đàn hồi k không đổi cho mỗi loại đất Với nhận định trên, quan điểm thiết kế cống hộp trên nền đàn hồi đến thời điểm hiện nay được sử dụng để thiết kế và kiểm toán cống hộp khá phổ biến

Hình: 1.2 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối đàn hồi

1.2 Tương tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn hồi

Cơ chế tương tác của kết cấu cống với khối đất nền rất phức tạp, phụ thuộc vào tính chất cơ lý, cấu trúc và trạng thái tự nhiên của đất nền; công nghệ đào đất cũng như việc chống đỡ chúng

Đa số các phương pháp tính đã có không phản ánh đầy đủ cơ chế tương tác giữa kết cấu cống và nền đất Các phương pháp tính toán dựa trên công cụ cơ học kết cấu và thường tính với những tải trọng đã biết

Dưới tác dụng của các loại tải trọng chủ động, tất cả các kết cấu cống hầu hết đều biến dạng Ở những phần của kết cấu có chuyển vị thì đất nền sẽ phát sinh phản lực chống lại biến dạng này

Đó là lực kháng đàn hồi (hệ số k)

Lực kháng đàn hồi làm thay đổi sự làm việc của kết cấu, điều tiết biến dạng và nội lực trong kết cấu của cống, đặt biệt là bản đáy của cống

Biến dạng và nội lực của cống hộp thay đổi theo hệ số nền và

bề dày lớp đất nền đặt cống

1.3 Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp hiện nay

Hiện nay, trong quá trình thiết kế bằng phương pháp thủ công

sẽ mất nhiều thời gian để hoàn thành sản phẩm, bên cạnh đó dể dẫn đến một số hạn chế như:

- Tính chính xác của số liệu chưa cao

- khó kiểm tra và kiểm soát số liệu, gây khó khăn trong quá trình thẩm tra, thẩm định vv…

- Đa phần các đơn vị tư vấn vừa và nhỏ thường sử dụng thiết

kế định hình hoặc rập khuôn máy móc

- Trong quá trình thiết kế cống hộp hiện nay, việc lựa chọn hệ

số nền để đưa vào thiết kế cống hộp chưa được rõ ràng

1.4 Kết luận

Qua nghiên cứu thực trạng thiết kế và kiểm toán cống hộp hiện nay của các đơn vị tư vấn còn khá nhiều bất cập như:

- hồ sơ thiết kế chưa đầy đủ thậm chí là chưa đúng

- Nhiều hồ sơ thiếu bảng tính kết cấu

- Đa phần sử dụng thiết kế định hình

- Số liệu thiết kế còn chưa được trung thực

Vì vậy, để giải quyết những bất cập trên việc lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu thiết kế cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền”

của tác giả là cần thiết

Để mô tả tương tác giữa cống hộp với đất nền thì đa phần các phần mềm hiện nay đã hỗ trợ thông qua liên kết đàn hồi mà liên kết đàn hồi được mô tả thông qua hệ số nền K

Vì vậy, trong chương này tác giả sẽ đi nghiên cứu các phương pháp xác định hệ số nền K cơ bản hiện nay

m: Hệ số phụ thuộc vào tính chất của đất

Các đại lượng của công thức Terzaghi thể hiện ở bảng 2.2

Từ kết quả các tính chất cơ lý của đất nền tác giả tính toán hệ số

nền K bằng phương pháp Terzaghi ta xác định được hệ số nền K = 18.559(KN/m 3 )

Đại lượng của công thức Bowles theo bảng 2.3

Sau khi tính toán bằng phương pháp Bowles ta xác định

được hệ số nền K = 32.479(KN/m 3

)

2.2.4 Phương pháp xác định hệ số nền theo tiêu chuẩn Việt Nam

- Theo quy trình 22TCN 18-79: Với z là độ sâu lớp đất

Bảng 2.4: Bảng tra k theo quy trình 22TCN 18-79

1 Sét và sét pha cát dẻo chảy; bùn 100-200

2 Sét pha cát, cát pha sét và sét dẻo mềm; cát bụi và rời 200-400

3 Sét pha cát; cát pha sét và sét dẻo cứng; cát nhỏ và trung

có kết quả hệ số nền k = 10000 Kn/m3

2.2.5 Một số phương pháp xác định hệ số nền bằng tra bảng khác

2.2.5.1 Dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng

2.2.5.2 Dựa vào phân loại đất, thành phần hạt, hệ số rỗng, độ sệt

- Qua biểu đồ hình 2.5 cho thấy kết quả hệ số nền k không có

sự khác biệt không quá lớn giữa 3 phương pháp tính toán và khi dùng phương pháp tra bảng có sự khác biệt lớn

- Theo tác giả, sự chênh lệch kết quả giữa phương pháp tra bảng với các phương pháp còn lại là do biên độ giá trị trong tra bảng quá lớn, việc lựa chọn giá trị trong phương pháp tra bảng là chưa hợp

lý, đa phần dựa vào kinh nghiệm để chọn giá trị nên dẫn đến sự khác biệt này

- Theo kiến nghị của tác giả, trong quá trình thiết kế các tư vấn khi xác định hệ số nền tính toán bằng một trong các phương pháp tính toán trên, trong đó ưu tiên thực hiện các phương pháp thí nghiệm hoặc thực nghiệm để cho số liệu chuẩn xác nhất

CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN

Về tải trọng chương trình hổ trợ rất đầy đủ và đa dạng về thể loại như: tĩnh tải với các loại lực, nhiệt độ, gối lún, dự ứng lực….hoạt tải với nhiều loại xe tiêu chuẩn kỹ thuật, xe do người dùng định nghĩa…tải trọng động với các phương pháp tính toán tiên tiến

Khả năng nhập và xuất dữ liệu: Dữ liệu đầu vào có thể được nhập trực tiếp hoặc import từ các file của các chương trình khác, kết quả tính toán có thể xuất ra màn hình đồ họa, văn bản hay máy in, hơn nữa có thể xuất kết quả dạng tập tin cho các chương trình thiết

kế sau tính toán

3.1.2 Số liệu phục vụ khảo sát:

Để mô hình hóa cống hộp tác giả sử dụng số liệu của cống hộp 2H(3x2); lý trình: Km2+493.16 thuộc dự dán: nâng cấp tuyến đường ĐT624B đoạn Km0+00 đến Km8+00; địa điểm xây dựng: Huyện Mộ Đức – tỉnh Quảng Ngãi

3.1.3 Mô hình tính toán cống hộp trong Midas/ Civil:

Để thể hiện sự làm việc của cống hộp với đất nền tác giả tính toán theo mô hình sơ đồ phẳng Qua đó cống hộp đặt trên đất nền được thể hiện bằng các lò xo đàn hồi, độ cứng của lò xo chính là hệ số nền của nền đất

DC,DW,EV HL93,TRUCK

EH EH

K K K

K K

K K

Hình 3.2: Sơ đồ tính toán cống hộp đặt trên nền đàn hồi

Hình 3.6: Phân tích mô hình hoàn chỉnh

3.2 Mô tả liên kết cống hộp với nền đất:

Để xem sự làm việc đồng thời của cống trên nền đất, ta xem sự tương tác bản đáy cống với đất nền bằng các lò xo đàn hồi Dưới tác dụng của các tải trọng bên là áp lực đất, tải trọng trên là trọng lượng đất đắp, kết cấu áo đường, hoạt tải xe thì kết quả tính toán sẽ phụ thuộc nhiều vào độ cứng lò xo của từng loại đất nền

Hình 3.7: Mô hình hóa điều kiện biên sử dụng các điểm hỗ

trợ lò xo

Hình 3.8: Liên kết đàn hồi giữa đất nền và cống hộp

3.3 Tính toán và thiết kế cống hộp theo nhiều hệ số nền khác nhau:

3.3.1 Tải trọng thiết kế:

3.3.2 Khai báo tải trọng:

3.3.3 Phân tích kết cấu:

Sử dụng các số liệu đầu vào ở mục 3.3.1 và hệ số nền ở chương 2, tác giả đi tính toán và thiết kế cống hộp và có kết quả nội lực theo từng phương pháp với các hệ số nền tương ứng như sau:

3.3.3.1 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp

CHUYỂN

VỊ (CM) (+) (-)

Hình 3.25: So sánh giá trị Mômen tại các mặt cắt bất lợi của cống

ứng với k theo 4 phương pháp

Hình 3.26: Biểu đồ Mômen theo các hệ số nền khác nhau

Nhận xét:

Dựa vào kết quả phân tích ở bảng 3.7 và hình 3.26 đi đến các nhận xét như sau:

- Nội lực ở bản nắp (mặt cắt 1-1; 3-3; 5-5) không có sự khác biệt lớn, gần như giống nhau khi tính toán theo các phương pháp

- Nội lực ở thành bên như sau: Mômen tại mặt cắt 13-13 có giá trị lớn nhất là 73,8KNm, nhỏ nhất là 71,3KNm chênh lệch 3,4%

- Mômen tại bản đáy có sự khác biệt lớn, cụ thể như sau: + Tại mặt cắt 20-20: Mmax = 62,8KNm; Mmin = 60,7KNm, độ chênh lệch là 3,3%

+ Tại mặt cắt 22-22: Mmax = 63,2KNm; Mmin = 58,8KNm, độ chênh lệch là 7%

+ Tại mặt cắt 24-24: Mmax = 118,1KNm; Mmin = 112,6KNm,

độ chênh lệch là 4,7%

- Qua đây, cho thấy Mômen ở bản đáy cống có sự khác biệt khi dùng các hệ số nền k khác nhau

- Lực cắt khi tính toán theo các hệ số nền k khác nhau thì kết quả không có sự chênh lệch nhiều

- chuyển vị phụ thuộc lớn vào giá trị của hệ số nền k và qua khảo sát cho thấy hệ số nền càng lớn thì chuyển vị càng nhỏ

3.4 Kiểm toán cống hộp theo nhiều hệ số nền khác nhau:

Phần mềm Midas/Civil hỗ trợ môđun thiết kế và kiểm toán kết cấu theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau, trong đó có tiêu chuẩn AASHTO-LRFD, tiêu chuẩn này là gốc của tiêu chuẩn 22TCN 272-

05 Vì vậy việc thiết kế và kiểm toán cống theo AASHTO-LRFD là phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành hiện nay

Hình 3.27: Khai báo tiêu chuẩn thiết kế vật liệu

Hình 3.30: Khai báo vật liệu bêtông cốt thép

Sau khi lựa chọn tiêu chuẩn thiết kế, lựa chọn vật liệu, bố trí cốt thép, lựa chọn (kiểm tra tiết diện) Midas/Civil sẽ kiểm toán toàn bộ kết cấu và kết quả chi tiết nhƣ sau:

Hình 3.32: Tóm tắc kết quả thiết kế mặt cắt ngang

Dựa vào kết quả kiểm toán thể hiện ở hình 3.32 cho thấy toàn bộ các phần tử đều đạt (thể hiện ở cột CHK “ok” trong bảng)

Để mô tả chi tiết việc kiểm toán các phần tử của kết cấu tác giả trình bày kết quả ở phụ lục 02, ở trong nội dung của phần này tác giả

xin trình bày một phần tử điển hình để minh họa, cụ thể nhƣ hình 3.33 và 3.34

Hình 3.33: Chi tiết kiểm toán phần tử

Hình 3.34: Chi tiết kiểm toán sườn đứng

(Kết quả chi tiết ở phụ lục 02)

3.5.2 Phân tích kết quả so với công trình thực tế

3.5.2.1 Bản vẽ bố trí cốt thép của cống

Cống hộp 2H(3x2); lý trình: Km2+493.16

Hình 3.35: Bố trí cốt thép 2H(3x2)M của cống thực tế

Hình 3.36: Sơ họa cốt thép ở bản nắp và bản đáy

Tổng hợp cốt thép chịu lực tại các mặt cắt cống thực tế như sau:

Bảng 3.9: Diện tích cốt thép trình thực tế

MẶT CẮT BẢN NẮP

(cm 2 )

BẢN ĐÁY (cm 2 )

SƯỜN ĐỨNG (cm 2 )

Winkler Bowles Tra bảng Terzaghi CT thực tế

Tra bảng/ thực