Thiết kế và sử dụng cừ nhựa uPVC trong thực tế

Hiện nay các bờ bao kênh rạch thường được làm bằng đất đắp hay xây tường ngăn nước kết hợp với bơm tiêu thoát nước, tuy nhiên do hạn chế của vật liệu đất đắp khi bão hòa nước nên các bờ

Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long nói chung có hệ thống kênh rạch chằng chịt, rộng khắp (riêng thành phố Hồ Chí Minh có khoảng 2000 km kênh rạch) tạo thành hệ thống vận chuyển nước

và giao thông đi lại với hệ sinh thái đặc trưng vùng sông nước nhưng lại làm nhiều khu dân

cư xen kẽ kênh rạch bị ngập lụt do triều cường

Hiện nay các bờ bao kênh rạch thường được làm bằng đất đắp hay xây tường ngăn nước kết hợp với bơm tiêu thoát nước, tuy nhiên do hạn chế của vật liệu đất đắp khi bão hòa nước nên các

bờ bao thường xuống cấp nhanh chóng (sụt lún, thấm, vỡ bờ bao…) dẫn tới không đáp ứng yêu

THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG

CỪ NHỰA uPVC TRONG THỰC TẾ

TS NGUYỄN VIỆT TUẤN - Phân Viện KHCNXD Miền Nam THS NGUYỄN VĂN THÀ - Phân Viện KHCNXD Miền Nam

KS LÝ ĐÔNG PHƯƠNG - Công ty Haskoning Việt Nam

cầu sử dụng (Hình 1), như cuối năm 2009 đầu nằm 2010, làng mai Hiệp Bình Phước đã bị vỡ

bờ bao làm hàng trăm hộ dân trồng hoa bị thiệt hại, điêu đứng Do đó, việc chống ngập lụt là một trong 6 mục tiêu trọng điểm cấp bách của thành phố Hồ Chí Minh hiện nay

Theo mục tiêu của đề án Qui hoạch chống ngập cho thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn

2001-2010 có xét đến năm 2020 đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt và để thay thế phương pháp đắp bờ bao hiện tại góp phần thay đổi bộ mặt đô thị, giảm kinh phí xây dựng, đẩy nhanh tiến độ thi công, giúp người dân bớt cực nhọc mỗi khi triều cường, mùa lũ, giữ bảo vệ các vườn cây cảnh, 

nước thấp, tuổi thọ không cao…

Một trong những giải pháp chống sạt lở khắc phục được những hạn chế trên

là sử dụng cừ vách nhựa uPVC Với các ưu điểm như có thể thi công trong bất kỳ điều kiện nào, thời gian thi công nhanh hơn gấp 50 lần công nghệ truyền thống

và phù hợp với mọi địa hình, địa chất, tuổi thọ tối thiểu của cừ vách nhựa uPVC đến 50 năm.

Nhằm khuyến khích, tạo điều kiện cho các đơn vị xây dựng tiếp cận, ứng dụng công nghệ mới, vào ngày 27/9/2012, Sở Xây dựng thành phố Hồ Chí Minh phối hợp Tổng Công ty Công nghiệp Sài Gòn tổ chức hội thảo chuyên đề “CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỌC VÁCH NHỰA uPVC” để các đơn vị chuyên môn giới thiệu, trao đổi về việc sản xuất và ứng dụng sản phẩm này trong thực tiễn

Hình 2

Đắp bờ bao kết hợp xây tường ngăn triều cường

Hiện tại

và tương lai

Hình 3

Cấu trúc rời rạc

và tính liên kết kém

của đất đắp bờ bao

Hình 1

Bờ bao đắp đất

và thực trạng

sụt lở bờ bao

ngay khi đắp

cây ăn trái trước triều cường, Tổng Công ty Công nghiệp Sài Gòn TNHH một thành viên (CNS) đã tìm hiểu và nhập khẩu công nghệ sản xuất cừ bản nhựa uPVC sử dụng trong công tác xây dựng các

bờ bao bảo vệ các khu dân cư Bài viết này nêu lên một số phạm vi ứng dụng, các tính năng kỹ thuật và các vấn đề cần lưu ý khi thiết kế, thi công

bờ bao chống ngập bằng cừ bản nhựa uPVC

1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT

VÀ SỬ DỤNG CỪ BẢN NHỰA uPVC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

Trước sự phát triển nhanh chóng và tiến bộ trong vật liệu nhựa hiện nay, trên thế giới nhiều quốc gia như Mỹ, Úc, Pháp, Canada, Thái Lan đã, đang nghiên cứu và đưa vào sử dụng cừ bản nhựa uPVC cho một số công trình thủy lợi và công trình giao thông đường thủy như cảng sông SeaBrook (2001), đê bao Larose Golden Meadow (2010) (Mỹ) Một số công ty đã tập trung vào chuyên sản xuất và cung cấp sản phẩm cừ nhựa uPVC với các tính năng kỹ thuật khác nhau dùng cho các mục đích sử dụng khác nhau như công ty Tide,

công ty CMI (Mỹ) Nhiều nước đã có tiêu chuẩn

kỹ thuật về đặc trưng vật liệu cho cừ nhựa uPVC như: ASTM D792, D638, D256, D648, D695, ISO 178:2000, ISO 868:2003…

Tại Việt Nam, năm 2010, Tổng Công ty Công nghiệp Sài Gòn (CNS) đã áp dụng thí điểm cừ nhựa uPVC vào một số công trình thực tế như kè rạch Gò Dưa (230m) và kè rạch Cầu Ngang (77m) tại Thủ Đức và nhập khẩu dây chuyền sản xuất sản phẩm cừ nhựa theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ Ngoài

ra cừ bản nhựa còn được sử dụng trong một số công trình như làm tường vây hố đào sửa chữa đường ống nhà máy Đạm Phú Mỹ, kè chống sạt

lở cửa biển U Minh Hạ, Công trình thủy lợi Duy Thành - Đà Năng, đập Thảo Long - Sông Hương

- Huế, đập ngăn mặn Phước Long - Bạc Liêu, cửa chống ngập - ngăn triều Bình Triệu thành phố Hồ Chí Minh…

Tuy nhiên do chưa có tiêu chuẩn thiết kế, chỉ dẫn thi công và nghiệm thu nên gây khó khăn cho việc thiết kế, nghiệm thu chất lượng công trình làm việc áp dụng sản phẩm cừ nhựa uPVC vào thực tế Việt Nam chưa được ứng dụng rộng rãi

Hình 4 Bờ bao nhà hàng Tân Cảng Sài Gòn 8/2012

Bờ bao sẽ đẹp hơn khi sử dụng cừ nhựa để tạo thành khuôn viên hoàn chỉnh



Hình 5 Cảng sông SeaBrook

sử dụng cừ nhựa uPVC (nguồn: CMI, USA)

Hình 7 Gia cố

hố móng máy bơm nhà máy đạm Phú Mỹ

Hình 8

Gia cố bờ kè cửa biển U Minh Hạ- Cà Mau

Hình 6

Bờ kênh kết hợp giao thông

sử dụng cừ nhựa uPVC tại Hà Lan

Bờ kè Linh Đông -

Thủ Đức - thành phố Hồ Chí Minh

Các loại cừ bản nhựa được chế tạo từ hạt nhựa Vinyl tổng hợp và phụ gia UV chống lão hóa do bức

xạ mặt trời bằng ép đùn với hình dạng, kích thước khác nhau có đặc trưng kỹ thuật như sau:

Bảng 1 Chỉ tiêu kỹ thuật của các loại cừ nhựa do CNS sản xuất Hình 10 Hình dạng mặt cắt ngang một số loại cừ bản nhựa do CNS sản xuất

2 ĐẶC TRƯNG CỦA CỪ NHỰA uPVC DO CNS SẢN XUẤT

Hiện nay, Tổng Công ty Công nghiệp Sài Gòn (CNS) có thể sản xuất các loại cừ bản nhựa uPVC có mặt cắt ngang tùy theo khuôn mẫu thiết kế và mục đích sử dụng của khách hàng Cừ nhựa của CNS đang sản suất có các hình dạng mặt cắt ngang chữ U, chữ Z như sau:



Thông số Đơn vị Tiêu chuẩn CNS-25 CNS-40 CNS-80

Mô đun đàn hồi vật liệu N/mm2 ASTM D638 2,623.26 2,623.26 2,623.26

bê tông cốt thép ứng lực trước có thể thấy: Tỷ

lệ cường độ vật liệu so với dung trọng của cừ

nhựa là lớn nhất (cừ nhựa ft/γ = 42/14 = 3 so

với cừ thép ft/γ = 210/78.5=2.6, cừ BTCT ft/γ =

2.5/24.5=0.1), nhiệt độ hóa dẻo và mô đun đàn

hồi cừ nhựathấp nhất (xem bảng 2)

vào thực tế xây dựng trong tương lai

Có thể nghiên cứu áp dụng thiết bị nối cừ bằng gia nhiệt tại hiện trường để có thể áp dụng cừ nhựa ở địa điểm có yêu cầu chiều dài cừ lớn hay các khu vực vận chuyển khó khăn (tương tự nối ống HDPE)

Nhược điểm của cừ bản nhựa uPVC:

So với các vật liệu thép, bê tông thì mô đun đàn hồi của vật liệu nhựa thấp hơn Mô đun đàn hồi cừ nhựa so với cừ thép là Ep/Es=2620/210000=1/80

Mô đun đàn hồi cừ nhựa so với cừ bê tông cốt thép là Ep/Ec=2620/28000=1/10

Nhiệt độ hóa dẻo của cừ bản nhựa Tf=70oC tương đối thấp so với cừ thép Như vậy cừ nhựa chỉ thích hợp với công trình có nước hoặc độ ẩm cao

Phạm vi ứng dụng của cừ bản nhựa uPVC:

Làm bờ bao ngăn nước dọc theo các tuyến kênh mương, các khu dân cư dựa trên bờ kênh mương hiện hữu;

Làm hệ thống tường vây hố móng để ngăn nước trong quá trình thi công;

Làm các kè bờ hồ, ao nuôi thủy sản, hồ chứa sinh thái, hồ chứa xử lý nước thải…;

Do khả năng chịu uốn hạn chế, độ cứng chống uốn nhỏ nên cừ nhựa sử dụng kết hợp với neo hoặc chống hoặc rồng đá để giảm mô men uốn và biến dạng cừ

Bảng 2 So sánh chỉ tiêu cơ bản của Cừ nhựa, cừ thép, cừ bê tông, bê tông ƯLT

Cường độ chịu kéo ft (MPa) 42 210~350 0.9~2.5 2.0~5.0

Nhiệt độ tới hạn Tf

-3 ƯU-NHƯỢC ĐIỂM

VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA CỪ NHỰA

Theo so sánh ở bảng 2 có thể thấy ưu điểm và

nhược điểm của cừ nhựa uPVC với cừ làm bằng

các loại vật liệu khác như sau:

Ưu điểm của cừ bản nhựa uPVC:

Cừ bản nhựa có nhiều ưu điểm so với vật liệu

thép và cừ bê tông như: trọng lượng nhẹ, chống

ăn mòn tốt, không mục, không thấm nước, chịu

được biến dạng lớn, phù hợp với khí hậu thời

tiết phía Nam đặc biệt là TP Hồ Chí Minh và đồng

bằng Sông Cửu Long nên thích hợp với vùng ngập

nước, nước mặn, nước lợ, sình lầy

Cừ bản nhựa có thể dễ dàng khoan, cắt hoặc

đục lỗ

Cừ bản nhựa có trọng lượng nhẹ nên thi công

nhanh, thiết bị thi công đơn giản, nhỏ gọn phù

hợp với nhiều loại địa hình khác nhau, có thể thi

công được trong điều kiện địa hình không gian

chật hẹp mà cừ thép, bê tông không thể thi công

được

Cừ bản nhựa sử dụng làm bờ bao có thể làm

chỉ dẫn EM 1110-2-2504 “Thiết kế tường vây

bằng cọc cừ” của Hiệp hội Kỹ sư quân đội Mỹ ban

hành năm 1994 Tuy vậy một số chỉ dẫn thiết kế

đã được ban hành áp dụng cho một số loại công trình như tường chắn đất, tường chống ngập…

có sử dụng cừ nhựa uPVC, chẳng hạn như “Chỉ

dẫn chung về thiết kế cho cừ bản nhựa PVC” do

Hiệp Hội kỹ sư Quân đội Mỹ xuất bản năm 2005

Tạ i Việ t Nam đố i vớ i ngà nh Cả ng và công trì nh thủ y thườ ng sử dụ ng cá c tiêu chuẩ n thiế t kế như

“22TCN 207-1992 Công trì nh bế n cả ng biể n – Tiêu chuẩ n thiế t kế ” và “22TCN 219-1994 Công trì nh bế n

cả ng sông – Tiêu chuẩ n thiế t kế ” để tí nh toá n cá c công trì nh tườ ng chắ n đấ t cừ có neo hoặ c cừ tự do Ngoà i

ra ngà nh thủ y lợ i và giao thông cũ ng có nhiề u tà i liệ u hướ ng dẫ n khá c cho việ c tí nh toá n tườ ng chắ n đấ t

Theo đó việc tính toán thiết kế cừ nhựa uPVC

có một số lưu ý như sau:

Có thể sử dụng các phương pháp tính toán thông thường cho các tường chắn hoặc tường chống ngập sử dụng cừ bản nhựa dựa trên cơ sở ứng suất cho phép trong cừ và độ ổn định của tường cừ dạng conson hoặc conson có neo

Điều kiện về ứng suất cho phép trong cừ:

Ứng suất cho phép = Ứng suất tới hạn / Hệ số

an toàn Trong chỉ dẫn có kiến nghị ứng suất cho phép trong cọc cừ nhựa uPVC nên lấy nhỏ hơn 3200 psi (22.1 MPa) với hệ số an toàn bằng 2 (cừ thép thiết kế theo ứng suất cho phép có hệ số an toàn 1.5- 0.67fy/γm=0.67fy/1.05=0.638fy=fy/1.56)

Điều kiện về chuyển dịch cho phép của cừ:

Do đặc tính của vật liệu nhựa làm cọc cừ khác với vật liệu thép, giá trị chuyển dịch cho phép δ của tường cừ nhựa là một hàm của tải trọng tác động, kích thước cừ và độ cứng kháng uốn EI của cừ

δ = f(tải trọng, kích thước cừ)/EI

Thông thường, chuyển dịch cho phép của tường

cừ nhựa có thể lớn hơn chuyển dịch cho phép của tường cừ thép và do người thiết kế chỉ định

Chiều dài của tường cừ bản nhựa có thể được tính toán khác với chiều dài của tường cừ thép và

do người thiết kế quyết định dựa trên tiêu chí về biến dạng, ứng suất cho phép trong tường cừ Tiết diện cọc cừ sẽ được lựa chọn sao cho ứng suất trong cừ không vượt quá ứng suất cho phép

Có thể tính toán tương tác của tường cừ nhựa với đất nền bằng cách sử dụng các phần mềm có sẵn như SPW911 hoặc các phần mềm PTHH như PLAXIS, GEO-STUDIO… nhưng cần đưa các thông

số đầu vào phù hợp với các đặc trưng tính toán của cừ nhựa và lưu ý về điều kiện biến dạng cho

phép và hệ số an toàn hợp lý cho tường cừ.

Nên xem xét sơ đồ tính toán, các trường hợp tải trọng, tổ hợp tải trọng được đưa vào phân tích thiết kế phù hợp với thực tế căn cứ theo đặc điểm công trình cừ nhựa với nền đất đắp nhiều năm đã

ổn định hoặc có tải trọng bề mặt trong thời gian dài

Hình 11

Tính toán tường cừ dạng conson

Hình 12 Tính toán tường cừ dạng conson có 1 neo



Hình 13 Tính toán

cừ nhựa bằng phần mềm SPW911

của hãng PileBuck Inc

(Mỹ)

Hình 14

Tính toán

cừ nhựa bằng phần mềm PLAXIS (Hà Lan)

Hinh 15 Thiết kế cừ nhựa bằng phần mềm Msheet (Hà Lan)

+ Sử dụng búa rung cầm tay để hạ cừ với cừ có chiều dài không lớn, đất không quá cứng (Hình 18)

+ Sử dụng búa rung treo trên giá để hạ cừ (Hình 19)

+ Sử dụng xe cuốc để hạ cừ (Hình 17)

+ Sử dụng máy rung đóng, nhổ cừ chuyên dụng (như đối với cừ thép, Hình 19)

+ Trong một số trường hợp đất cứng phải sử dụng cừ thép đóng mồi hoặc sử dụng biện pháp xói nước để hạ cừ

Hình16 Hạ cừ bằng búa cầm tay và đệm gỗ

Hình17

Hạ cừ bằng

xe cuốc

Hình18 Hạ cừ búa rung cầm tay

Hình 19

Sử dụng búa thép đóng cừ

bằng thủ công



có lớp đất lấp dày 0.5m, phía dưới là lớp bùn sét

xám xanh dày hơn 10m Chiều cao mực nước

cao nhất là +1.5m, thấp nhất -2.86m, bình quân

là +0.05m Công trình được Viện Khoa học Thủy

Lợi Miền Nam thiết kế sử dụng cừ nhựa uPVC

loại CNS-25 và CNS-40, CNS-80 với chiều sâu từ

3 đến 8m, một số đoạn có sử dụng cọc neo BTCT

Chuyển dịch ngang theo thiết kế của tường cừ từ

1.61 – 1.95 cm, hệ số ổn định của công trình là

1.248 Công trình được thi công và hoàn thành

năm 2010, hiện nay vẫn đang sử dụng tốt

Tuyến kè bờ công viên văn hóa đầm sen: Kè

tuyến phía bờ đông của hồ Chiều dài tuyến kè là

175 m Chênh lệch bờ kè và đáy hồ là 2.2 m Cừ

nhựa loại CNS 25 Năm thi công dự kiến 2012

Tường vây xử lý hố móng tuyến ống D2000

nhà máy đạm Phú Mỹ Hố móng 3x3(m), chiều

sâu hố móng là 2.5 m Chênh lệch mực nước trong,

ngoài hố móng là 2.0 m Năm thi công 2012

KẾT LUẬN:

Việc ứng dụng cừ nhựa trong gia cố bờ bao, tuyến kênh rạch, đường giao thông nông thôn, nội đồng, công trình giao thông, thủy lợi là khá hiệu quả về kinh tế và xã hội: Thi công nhanh, tiết kiệm kinh phí

Cần nhanh chóng biên soạn một tiêu chuẩn riêng phục vụ cho thiết kế, thi công, kiểm tra và nghiệm thu do đây là cơ sở kỹ thuật để cừ bản nhựa được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Cần tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm để cải thiện độ cứng chống uốn EI của cừ bản nhựa bằng sử dụng cừ bản nhựa gia cố cốt thép

Cần nghiên cứu mối nối cừ nhựa tại hiện trường góp phần sử dụng cừ nhựa hiệu quả hơn 

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

EM 1110-2-2504 “Design of sheetpile wall”, U.S Army Corps of Engineers, Washington, DC,

1994

Piyush K Dutta, Leonard J Zabilansky,

Thom-as Wade Wright, Charles Brandstetter, John C

Bivona Jr., “INTERIM REPORT - General Design Guide: PVC Sheet Pile”, U.S Army Corps of Engi-neers, 2005.

Một số tài liệu về cừ bản nhựa uPVC của Tổng Công ty Công nghiệp Sài Gòn TNHH Một thành viên …

Hình 20 Kè chống ngập rạch Cầu Ngang

Hình 21 Kè chống ngập rạch Gò Dưa

Hình 22 Gia cố hố móng nhà máy đạm Phú Mỹ