Nghiên cứu xây dựng phần mềm tính toán ổn định mảng kè mái đê biển kết hợp gia cường bằng neo xoắn

Giải pháp neo xoắn gia cố các tấm lát mái kiểu hai chiều bảo vệ đê biển đã được nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và hoàn thiện công nghệ thi công tại hiện trường. Nguyên lý tính toán cơ bản của giải pháp này là xác định áp lực đẩy ngược khi sóng rút để tính ổn định mảng kè gia cố theo lý thuyết đã có.

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN

ỔN ĐỊNH MẢNG KÈ MÁI ĐÊ BIỂN KẾT HỢP GIA CƯỜNG

BẰNG NEO XOẮN

Research on build-up software for caculation of seadike overlap revetment with screw anchor

Abstract: This paper shows to make of software for caculation of seadike

overlap revetment with screw anchor-NTM-01 This software was to built for many purposes such as faster calculations, flexible analysis, advantage

of output in order to apply advanced tecnology in practice of existing seadike The solution of screw anchor for overlap blocks is a new technology The screw anchor is installed in to soil dike body and connect with overlap blocks that make more stable of seadike revetment under uplift and limited horizoltal movement of blocks This solution is suitable for new construction of sedike and existing seadike

Keywords: software, screw anchor, overslap block, uplift, NTM-01

I MỞ ĐẦU *

Giải pháp neo xoắn gia cố các tấm lát mái

kiểu hai chiều bảo vệ đê biển đã được nghiên

cứu lý thuyết, thực nghiệm và hoàn thiện công

nghệ thi công tại hiện trường Nguyên lý tính

toán cơ bản của giải pháp này là xác định áp

lực đẩy ngược khi sóng rút để tính ổn định

mảng kè gia cố theo lý thuyết đã có Áp lực

đẩy ngược này sẽ được xem xét cân bằng với

trọng lượng viên gia cố và lực neo giữ của neo

xoắn được phân bố đều lên các viên gia cố Để

thực hiện được các bước tính toán như ví dụ

đã nêu ở trên, người thiết kế mất khá nhiều

thời gian Vì vậy, nhằm giảm khối lượng tính

toán khi lựa chọn phương án tối ưu, việc tính

toán neo gia cố cho tấm lát mái được số hoá

trên cơ sở lý thuyết tính trực tiếp áp lực đẩy

ngược lên đáy viên gia cố, lực kéo nhổ neo và

trọng lượng viên gia cố

*

Trường Đại học Thủy lợi

175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội

ĐT:

II NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ CẤU TRÖC CHƯƠNG TRÌNH

Bài toán “Neo gia cố các tấm lát mái bảo

vệ đê biển” V1 (NTM-01) viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 2005, đây là ngôn ngữ lập trình được dùng để phát triển các ứng dụng của Windows Bài toán giới hạn ứng dụng cho viên gia cố liên kết kiểu hai chiều, phục vụ trực tiếp cho công tác thiết kế, nâng cấp đê biển hiện tại Trong tương lai sẽ mở rộng ứng dụng cho các loại gia cố và neo kênh mương, công trình thuỷ

Chương trình được thiết lập với các tuỳ chọn sau đây

1 Với cấp độ sóng yêu cầu tính được áp lực đẩy ngược lên mảng cân bằng với các lực trọng lượng bản thân mảng gia cố và neo từ đó tính được mật độ neo gia cố và tính ra lực gia tải neo trên đơn vị diện tích

2 Với cấp độ sóng yêu cầu, lực gia tải của neo tính được trọng lượng của viên gia cố

3 Với cấp độ sóng yêu cầu, kích thước viên gia cố đã có, tính được khối lượng yêu

cầu ổn định, chọn được kớch thước neo và

mật độ neo cần dựng gia cường thờm

Sơ đồ tớnh toỏn được trỡnh bày ở hỡnh 1

dưới đõy

MENU CHíNH CủA CHƯƠNG TRìNH

Nhập điều kiện

biên thuỷ lực

Nhập điều kiện

kỹ thuật của

viên gia cố

Nhập điều kiện

biên thuỷ lực Nhập điều kiện biên địa

kỹ thuật và thông số neo

Nhập điều kiện biên thuỷ lực Nhập điều kiện

kỹ thuật của viên gia cố

So sánh

P đn W gia cố

Nhập điều

kiện biên địa

kỹ thuật và

thông số neo

So sánh

P đn W gia cố + F neo

L-u File

Tính:

W gia cố = P đn - F neo

Kích th-ớc viên gia cố

Tính:

F neo = P đn - W gia cố

Nhập biên địa

ki thuật

Thông số neo

Đỳng

Sai

Đỳng

Sai

Hỡnh 1: Cấu trỳc sơ đồ tớnh toỏn

III CƠ SỞ Lí THUYẾT TÍNH ỔN ĐỊNH

MẢNG GIA CỐ Cể NEO GIA CƯỜNG

3.1 Tớnh ỏp lực nước đẩy ngược vào bản

gia cố theo phương phỏp của M.I.Buriacốp

và A.V.Kunchixki [1]

3.1.1 Tỏc động của súng vào cỏc tấm gia cố

Súng bị phỏ hoại trờn lớp gia cố khụng thấm

nước và thấm nước gõy tỏc dụng cú mức độ

khỏc nhau Điều kiện nước chảy vào và chảy ra

khỏi khe nối khỏc nhau căn bản Nước chảy vào

là do sự va mạnh của súng vỡ Nghĩa là do ảnh

hưởng của ỏp lực thủy động Cũn nước chảy ra

là do tỏc động của ỏp lực thủy tĩnh

3.1.2.Áp lực súng lờn mỏi

Áp lực súng lớn nhất lờn mỏi cú thể xỏc định

theo cụng thức của Djuncốpxki, được ỏp dụng

khi gúc nghiờng của mỏi với mặt nằm ngang

nhỏ hơn 0

45 Chiều sõu ở chỗ súng đổ vào mỏi

lấy bằng H pg Điểm B là vị trớ ỏp lực lờn mỏi lớn nhất tại chiều sõu H pg- y Giả thiết cỏc B

hạt nước ở đỉnh súng khi đổ xuống cú vận tốc xoỏy và tịnh tiến Do đú cỏc hạt nước ở đỉnh súng cú vận tốc ban đầu Quỹ đạo truyền động của chỳng lấy theo đường cong parabol và gặp mặt phẳng của mỏi Toàn bộ cỏc dũng nước gõy

ra ỏp lực động lờn mỏi

Để giải bài toỏn, lấy 2 thụng số cơ bản làm

số liệu ban đầu là: Vận tốc ban đầu lỳc súng

đổ xuống và tung độ yB Tung độ yB xỏc định độ vượt cao của đỉnh súng đối với mỏi ở chỗ súng vỡ Sơ đồ súng vỡ vào mỏi biểu thị ở hỡnh vẽ sau:

A

O

B

x y

B B

x

y

y o H H

pg

p Mực n-ớc tĩnh

V A



90





m

Hỡnh 2: Sơ đồ súng vỡ vào mỏi

Thụng số tớnh toỏn chủ yếu xỏc định ỏp lực của dũng nước lờn mỏi là:

Vận tốc của hạt nước ở đỉnh súng lỳc đổ:















cth g h H th g n

2

2



(1) Với n- Là hệ số thực nghiệm tớnh theo cụng thức:















1 4 , 3 7 , 4

2

m

m h

n



(2) Tung độ tại điểm cao nhất của đỉnh súng lỳc

bị phỏ hoại

p pg

(3)

2

2

1 )

23 , 0 47 , 0 (

m

m h h

(4)

 m h h

h p 0,95 0,84 0,25  (5)

Hoành độ điểm gặp nhau của dũng nước

với mỏi

g

gy m

V V

m

V

x

A A A

B

0 2

2 2

2









(6) Tung độ của điểm súng va vào mỏi

m

x

B

Tốc độ lớn nhất của dũng nước khi va vào

mỏi ở điểm B





























2 2

A

B A

B

V

gx V

(8)

Ở đõy  – Hệ số cú xột tới sự giảm tốc độ

khi khuếch tỏn dũng nước lỳc lăn xuống, xỏc

định theo cụng thức

0,017m 0,02h

1 



Áp lực lớn nhất của dũng nước lờn mỏi



2

2

7

,

1

g

V

B 

(10) Gúc giữa phỏp tuyến của mỏi với phương

của dũng chảy (tiếp tuyến của dũng chảy

 0 

90 (11)

2

A

B

V

gx

tg 

Biểu đồ ỏp lực súng lờn mỏi được lập ở cỏc

điểm cú ỏp lực bằng 0 , 4 PBmax và 0 , 1 PBmax

Cỏc điểm này cỏch điểm B về phớa trờn theo mỏi

ở những khoảng cỏch 10,025S và

S

065

,

0

2 

 , và về phớa dưới theo mỏi là

S

053

,

0

3 

 và 4 0,0135S

Giỏ trị của S bằng:

1

24 2 



m

m

(13) Tổng ỏp lực P lờn mỏi lỳc súng va sẽ bằng:

C

B P

P

P  (14)

Trong đú: P - Áp lực tĩnh của dũng nước C

lăn xuống Biểu đồ ỏp lực thủy tĩnh lờn mỏi biểu thị ở hỡnh sau Cỏc giỏ trị của

0,1 P 0,4 P

P

0,4 P

0,1 P

Bmax

Bmax

Bmax

Bmax

Bmax





1 2

4

3

a) Biểu đồ áp lực sóng lên mái lúc sóng va

Y

H gh

C

H max

Mực n-ớc tĩnh 0,5a

a

X

b) Biểu đồ áp lực tĩnh của dòng nứơc lăn xuống mái

Hỡnh 3: Áp lực súng lờn mỏi theo

N.N.Djuncốpxki 3.1.3 Áp lực đẩy nổi

Áp lực đẩy nổi ở dưới lớp gia cố mỏi phỏt sinh do tỏc dụng của khối nước thấm qua khe nối và cỏc lỗ khỏc khi súng leo lờn và rỳt xuống Giỏ trị của ỏp lực đẩy nổi đối với lớp gia cố bằng đỏ và tấm cú kớch thước nhỏ đó được B.A.Puskin xỏc định bằng thớ nghiệm ở trong phũng dưới dạng quan hệ Pm  f   h Trị số ỏp lực đẩy nổi bằng 0 ở chiều cao h và ở chiều sõu H

h Với cỏc khe nối thấm nước đặt sỏt nhau thỡ biểu

đồ ỏp lực đẩy nổi cú dạng t giỏc mà đỉnh ở cao hơn mực nước tĩnh 0,75h (h là chiều cao súng) Theo M.I.Buriacốp và A.V.Kunchixki đề nghị sơ đồ để lập biểu đồ ỏp lực đẩy nổi lờn tấm gia cố đối với tấm phủ bằng cỏc bản bờ tụng cú dạng như sau:

Điểm bằng không phía trên ở chiều cao

H

h (chiều cao sóng leo) có thể xác định

theo công thức trong quy phạm SN 92-60

của Nga:

h m

h

K

H



3

2



(15) Trong đó: K – Hệ số nhám-tra bảng 1) n

Bảng 1: Hệ số Kn tính sóng leo theo SN 92-60

Loại gia cố trên mái dốc Kn

Gia cố phẳng, không thấm nước 1,00

Bê tông 0,90

Đá lát 0,75-0,80

Đá đổ-viên tương đối tròn 0,60-0,65

Đá đổ -viên góc cạnh 0,55

Đá khối lớn 0,50

m - Hệ số mái;

h - Chiều cao sóng

- Bước sóng

1

z - được xác định theo công thức thực

nghiệm

 tan

9

,

0

P‟max : Thường lấy bằng 8-12% áp lực sóng

lớn nhất

Y

P'max

Z 1

hH Mùc n-íc tÜnh

H gh

L L 3 1

C

Hình 4: Sơ đồ áp lực đẩy nổi lên mảng gia cố

Sau khi xác định được áp lực đẩy ngược do

sóng rút, cân bằng với các lực trọng lượng bản

thân mảng gia cố và neo sẽ xác định được mức

độ ổn định của mảng gia cố

3.2 Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn

Theo phương pháp phân tích giới hạn, tác giả

[7] đã thiết lập biểu thức (16) xác định sức chịu tải của neo xoắn







 



D N H L cN  N

3

1 )

(

2 (16) Với :

) 2 1 ( tg

D

H















cos

cos

C

N







 

2

1

D

H N

Góc  trong biểu thức (16) là góc hợp bởi đường sinh hình nón phá hoại với phương thẳng đứng, thay đổi phụ thuộc vào loại đất Các kết quả nghiên cứu [7];[8] cho thấy, để thiên về an toàn chọn 0,5 của nón phá hoại trong điều kiện đất đầm chặt tốt và bão hoà nước

4 PHẦN MỀM NTM-01 VÀ BÀI TOÁN ỨNG DỤNG

Ứng dụng kết quả nghiên cứu, tính cụ thể cho đoạn đê biển Giao Thuỷ-tỉnh Nam Định Các thông số tính toán và kết quả tính toán được trình bày ở bảng 1 từ các mục I đến III Để kiểm định chất lượng mã code của chương trình, tác giả đã tính thử cho nhiều trường hợp và có nội dung so sánh đối chiếu với tiêu chuẩn thiết kế

đê biển hiện hành Nội dung 1 là sử dụng tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển [3] kết hợp với giải pháp neo giữ tấm lát mái Kết quả tính toán khẳng định mức độ gia tăng an toàn đáng tin cậy Nội dung 2 là đề xuất tính toán trực tiếp áp lực đẩy ngược lên viên gia cố, so sánh áp lực này với trọng lượng viên gia cố hiện tại để quyết định gia cường neo Đây là đề xuất để so sánh đối chứng với cách tính của tiêu chuẩn ngành, kết quả tính cho thấy khá phù hợp Đề xuất này

có thể mở rộng để tính toán với nhiều dạng gia

cố khác nhau chẳng hạn gia cố bằng bản bê tông, các dạng cấu kiện bê tông lắp ghép Kết quả tính toán thể hiện cơ sở khoa học và mức độ tin cậy của các nghiên cứu thực nghiệm

Việc tính toán bằng phần mềm NTM-01 đơn giản, tiện dụng, giảm được khối lượng tính toán

đáng kể cho người thiết kế Cho phép các lựa

chọn phương án neo, mật độ neo theo yêu cầu

tiêu chuẩn kinh tế, kỹ thuật

Hình 5: Giao diện chương trình

Hình 6: Giao diện chương trình tính với lựa chọn 1

Hình 7: Giao diện chương trình tính với lựa chọn 2

Kết quả tính toán được thể hiện ngay trên giao diện của chương trình hoặc lưu File dữ liệu dưới dạng bảng Bảng 1 là kết quả tính toán bằng chương trình sau khi chuyển kết quả sang Excel

Vậy với viên gia cố hiện tại, kích thước 0,4x0,4x0,28 (m) có khối lượng 112 kg, cần gia cường thêm neo với các thông số sau:

Đường kính mũi neo: 0,14 m;

Chiều dài mũi neo: 0,35 m;

Độ sâu cắm neo H: 1,12 m;

Khoảng cách bố trí neo n: 5 viên gia cố/neo hay 2 m/neo

Bảng 1: Kết quả tính toán bằng phần mềm NTM-01

Chiều cao sóng H (m) s 1,69

Chiều dài sóng  (m) 29,49

Chiều cao nước trước công trình (m) 3,45

II Thông số viên gia cố

Kích thước viên gia cố (m) 0,4x0,4

Chiều dày viên gia cố (m) 0,28

Trọng lượng riêng (t/m3) 2,50

III Điều kiện biên Địa KT

Góc ma sát trong  (độ) 16,00

Lực dính đơn vị c (kN/m2) 6,00

Trọng lượng riêng đẩy nổi (kN/m3

Khoảng cách neo (tính theo số viên gia cố) 5,00

Đường kính mũi neo (m) 0,14

Chiều dài mũi neo (m) 0,35

IV Kết quả tính toán

Hợp lực đẩy nổi lên viên gia cố (kg) 135,0 A

Trọng lượng viên gia cố (kg) 112,0

Lực cần gia tăng cho viên gia cố (kg) 23,00

Tải trọng giới hạn của neo (kg) 706

Tải trọng neo phân bố cho các viên gia cố (kg) 28

Tổng trọng lượng viên gia cố + neo (kg) 140 B

Kết luận sự ổn định B>A

5 KÊT LUẬN

Đề xuất phương án tính toán ổn định viên gia

cố bằng cách tính trực tiếp áp lực đẩy ngược lên

đáy viên gia cố được ứng dụng trong phần mềm

NTM-01 Đề xuất này có ý nghĩa để mở rộng

tính toán cho nhiều kiểu gia cố mái đê biển, mái

công trình thuỷ lợi

Bộ phần mềm „Neo gia cố tấm lát mái bảo vệ

đê biển-NTM-01‟ tiện dụng, đơn giản giúp cho

người tính toán có nhiều lựa chọn khi xác định các

tham số thiết kế neo gia cố cho các tấm lát mái đê

biển Giảm khối lượng tính toán các thông số sóng

và điều kiện biên địa kỹ thuật rất nhiều

Công thức (16) được sử dụng xác định sức

chịu tải của neo xoắn (dạng của tác giả đề xuất)

và được áp dụng cho tấm gia cố mái đê biển

Góc 0,5 áp dụng trong công thức (16) chỉ

đúng với đất đắp thân đê được đầm chặt tốt theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế đê biển-2012 [3], hoặc đúng với đất đắp thân đê đã ổn định của đê biển hiện có Các loại đất dính ở trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy hoặc đất đắp chưa được đầm chặt tốt có k< 1,4 (t/m3) chưa được kiểm chứng trong nghiên cứu này

Với neo xoắn gia cố tấm lát mái cần lưu ý, vì neo tương đối nhỏ và xoáy vào đất ở độ sâu không lớn lắm nên để phát huy hiệu quả của neo phải chú ý neo được xoắn vuông góc với mái đê

và ở độ sâu sao cho tỷ số (H/D)= (7†8)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] A.D SABANOP (1976), Gia cố mái đất

chịu áp lực, Nhà xuất bản Nông thôn- Bản dịch

của tác giả Đồng Mạnh Quỳnh-Hiệu đính

Nguyễn Xuân Thi

[2] BSi-BS 8081:1989, Neo trong đất, Nhà

xuất bản xây dựng-2008, Bản dịch của TS

Nguyễn Hữu Đẩu

[3] Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn

(2012), Tiêu chuẩn thiết kế đê biển, Ban hành

kèm theo quyết định 1613/QĐ-BNN-KHCN

ngày 9/7/2012 của Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp

và Phát triển Nông thôn

[4] Công ty Cổ phần tư vấn Xây dựng Nông

nghiệp và PTNT Nam Định (2009), Thiết kế cơ

sở đoạn đê kè từ K27+0074 đến K28+800 đê

biển huyện Giao Thuỷ-Nam Định

[5] Hoàng Việt Hùng-Trịnh Minh Thụ-Ngô

Trí Viềng (2012), Bản mô tả sáng chế: “Neo

gia cố các tấm lát mái bảo vệ đê biển” theo

bằng độc quyền sáng chế số 10096 cấp theo

quyết định 9903/QĐ-SHTT ngày 29.02.2012

của Cục Sở hữu trí tuệ-Bộ Khoa học Công nghệ

[6] Hoàng Việt Hùng-Trịnh Minh Thụ-Ngô

Trí Viềng (2011), Nghiên cứu ứng dụng neo gia

cố các tấm lát mái bảo vệ đê biển, Tạp chí Khoa

học kỹ thuật Thuỷ lợi và môi trường số 32-2011

[7] Hoàng Việt Hùng (2012), Nghiên cứu

giải pháp tăng cường bảo vệ mái đê biển tràn

nước, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật-Đại học Thủy

lợi-2012

[8] Nguyễn Công Mẫn (1983), Xác định sức

chống nhổ thẳng đứng giới hạn cọc mở rộng

đáy bằng phương pháp phân tích giới hạn, Tạp

chí Khoa học Kỹ thuật số 5+6 năm 1983

[9] Ngô Trí Viềng (2011) và nnk, Nghiên cứu

cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp khoa học công nghệ, đảm bảo độ bền của đê biển hiện có trong trường hợp sóng và triều cường tràn đê,

Đề tài NCKH cấp nhà nước-KC08-15/06-10

[10] David Muir Wood (1996), Soil

Behaviour and Critical State Soil Mechanics,

Cambridge University Press

[11] Hsai-Yang Fang (1991), Foundation

Engineering Handbook, Second Edition Van

Nostrand Reinhold, New York

[12] Hai-Sui Yu (2006), Plasticcity and

Geotechnics, Library of Congress Control

Number: 2006928849- e-ISBN: 0-387-33599-4

[13] Wai-Fah Chen (1975), Limit Analysis

and Soil Plasticity –ISBN

0-444-41249-2-Ensevier Scientific Publishing Company Amsterdam

[14] Krystian W, Pilarczyk (1998), Dikes and

Brookfield

[15] Krystian W, Pilarczyk (2000),

Geosynthetics and Geosystems in Hydraulic and Coastal Engineering, A.A.Balkema/ Rotterdam/

Brookfield /

[16] Krystian W, Pilarczyk (2006), Wave

loading on Coastal Structure, Lecture Notes,

IHE-Netherlands

Phản biện: GS NGUYỄN CÔNG MẪN