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

Trong thực tế hiện nay việc thiết kế và kiểm toán cống hộp sử dụng nhiều phương pháp như: Sử dụng thiết kế định hình, phương pháp thủ công, bán tự động và tự động thông qua các phần mềm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

NGUYỄN VĂN BIỆN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MÔ HÌNH

TƯƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Đà Nẵng - Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

NGUYỄN VĂN BIỆN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MÔ HÌNH

TƯƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS CAO VĂN LÂM

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CẢM ƠN

Lần đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô giáo trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung và quý Thầy Cô trong Khoa Xây dựng Cầu Đường, trong bộ môn Cầu Hầm nói riêng Cảm ơn Thầy Cô đã

tận tình dạy dỗ và chỉ bảo tôi trong suốt 2 năm học vừa qua

Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Cao Văn Lâm – người đã định hướng, giúp đỡ tận tình tôi trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót

là điều khó tránh khỏi Tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài được hoàn thiện hơn và để tôi vững vàng hơn khi tiếp xúc với công việc sau này

Lời cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy Cô luôn mạnh khỏe

Quảng Ngãi, ngày tháng 12 năm 2017

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Biện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến

sĩ Cao Văn Lâm là đề tài làm mới, không sao chép hay trùng với đề tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo

Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Nguyễn Văn Biện

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC VỚI

ĐẤT NỀN

Học viên: Nguyễn Văn Biện

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 60.58.02.05 Khóa: K32.XGT Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắc – Để giải quyết vấn đề nâng cao năng lực thiết kế công trình giao thông, đặc biệt là

thiết kế và kiểm toán cống hộp trên công trình đường bộ, nhằm mục đích nâng cao chất lượng công trình, rút ngắn thời gian thiết kế đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tư thì việc nghiên cứu thiết kế và kiểm toán cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền là rất cần thiết Trong thực

tế hiện nay việc thiết kế và kiểm toán cống hộp sử dụng nhiều phương pháp như: Sử dụng thiết kế định hình, phương pháp thủ công, bán tự động và tự động thông qua các phần mềm thiết kế kết cấu công trình Tuy nhiên, phương pháp thiết kế thì có nhiều nhưng sử dụng phương pháp nào là tối ưu nhất: đánh giá toàn diện và chuẩn xác quá trình làm việc của cống hộp; rút ngắn thời gian thiết kế; thuận lợi trong quá trình thẩm tra thẩm định; hiệu quả về kinh tế thì chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện nay, tác giả thực hiện nghiên cứu thiết kế và kiểm toán cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền bằng phần mềm Midas/Civil ứng với các hệ số nền theo nhiều phương pháp, chứng minh rằng hệ số nền có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả thiết kế Khuyến cáo người thiết kế cân nhắc hơn trong việc lựa chọn hệ số nền để đưa vào chương trình máy tính thiết kế

Từ khóa – thiết kế và kiểm toán; cống hộp; hệ số nền; tương tác, Midas/Civil

THE STUDY OF DESIGNING BOX CULVERTS IN ACCORDANCE WITH THE

MODEL OF INTERACTING WITH THE GROUND Summary - To solve the problem of improving the design capacity of traffic work, especially

the design and audit of box culverts on highway construction, aiming to improve the quality

of buildings, shorten the design time, and save the investment cost as well, studying for the design and audit of box culverts in accordance with the model of interacting with the ground

is very necessary In fact, nowadays, there are variety of methods in designing and auditing the box culverts such as: shaped designing, handwork, semi-automatic and automatic methods through the structural design soft wares Although there are a lot of designing methods, no one is perfect The assessing thoroughly and accurately working process of the box culvert; shortening design time; the advantages in the examination and evaluation; economic efficiency has not been thoroughly researched Along with the current development in science and technology , the authors who study for design and audit box culverts in the model

of interaction with ground, using Midas / Civil software with the ground coefficients in various methods, demonstrate that the ground coefficient plays an important influence in the designing result Therefore, considering the ground coefficient to include in the designing program is highly recommended

Keywords - design and audit; box culvert; ground coefficients ; interaction, Midas / Civil

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

MỤC LỤC 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI 6

1.1 Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp 6

1.2 Tương tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn hồi 10

1.3 Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp hiện nay 11

1.4 Kết luận 11

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN K 12

2.1 Đặt vấn đề 12

2.2 Các phương pháp xác định hệ số nền 12

2.2.1 Xác định hệ số nền theo Winkler: 15

2.2.2 Theo công thức Terzaghi: 15

2.2.3 Phương pháp xác định hệ số nền bằng Bowles 16

2.2.4 Phương pháp xác định hệ số nền theo tiêu chuẩn Việt Nam 17

2.2.5 Một số phương pháp xác định hệ số nền bằng tra bảng khác 18

2.2.5.1 Dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng 18

2.2.6 Các Phương pháp xác định hệ số nền khác 19

2.2.6.1 Phương pháp thí nghiệm: 19

2.2.6.2 Phương pháp thực hành: 20

2.3 So sánh và phân tích 22

2.4 Kết luận 23

CHƯƠNG IIITHIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI BẰNG PHẦN MỀMMIDAS/CIVIL 24

3.1 Mô hình hóa tính toán cống hộp bằng Midas/Civil 24

3.1.1 Tổng quan về phần mềm Midas/Civil 24

3.1.2 Số liệu phục vụ khảo sát: 26

3.1.3 Mô hình tính toán cống hộp trong Midas/ Civil: 27

3.3.3 Phân tích kết cấu: 37

3.3.3.2 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp Bowles: 40

3.3.3.3 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp tra bảng: 42

3.3.3.4 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp terzaghi: 44

3.4 Kiểm toán cống hộp theo nhiều hệ số nền khác nhau: 48

3.5 Phân tích kết quả theo 4 hệ số nền bằng phần mềm Midas/Civil: 54

3.6 Phân tích kết quả 54

3.6.1 Bản vẽ bố trí cốt thép của cống 54

3.6.2 Phân tích kết quả: 56

3.7 Kết luận: 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Cống hộp 2 cửa 1

Hình 2 : Mặt cắt ngang cống hộp 1

Hình 4 : Hình ảnh thi công cống hộp 2

Hình 5 : Minh họa sự cần thiết của đề tài 3

Hình: 1.1 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối cố định 8

Hình: 1.2 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối đàn hồi 8

Hình 1.3: Phần mềm thiết kế kết cấu công trình Midas/Civil 9

Hình 1.4: Phần mềm thiết kế kết cấu công trình Sap2000 10

Hình 2.1: Lỗ khoan địa chất 13

Hình 2.2: Kết quả thí nghiệm đất 14

Hình 2.3: Biểu đồ để tra N c ; N q ; N γ 16

Hình 2.4 Quan hệ giữa ứng suất gây lún và độ lún 20

Hình 2.5: Kết quả tính toán hệ số nền k theo các phương pháp khác nhau 22

Hình 3.1: Mặt cắt ngang cống 26

Hình 3.2: Sơ đồ tính toán cống hộp đặt trên nền đàn hồi 27

Hình 3.3: Nhập dữ liệu theo phương dọc 28

Hình 3.4: Nhập dữ liệu theo phương ngang 29

Hình 3.5: Nhập dữ liệu đầu vào tải trọng và tiêu chuẩn thiết kế 30

Hình 3.6: Phân tích mô hình hoàn chỉnh 31

Hình 3.7: Mô hình hóa điều kiện biên sử dụng các điểm hỗ trợ lò xo 31

Hình 3.8: Liên kết đàn hồi giữa đất nền và cống hộp 33

Hình 3.9: Khai báo các trường hợp tải trọng 35

Hình 3.10: Tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn AASHTO 36

Sơ đồ kết cấu sau khi gán tải trọng thiết kế như hình 3.11 36

Hình 3.11: Sơ đồ tải trọng của cống đặt trên gối đàn hồi 36

Hình 3.12: Vị trí các mặt cắt có nội lực lớn trong cống hộp 37

Hình 3.13: Biểu đồ Mômen ứng với k theo phương pháp Winkler 38

Hình 3.14: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Winkler 39

Hình 3.15: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp Winkler 39

Hình 3.16: Biểu đồ Mômen ứng với k theo phương pháp Bowles 40

Hình 3.17: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Bowles 40

Hình 3.18: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp Bowles 41

Hình 3.19: Biểu đồ Mômen ứng với k theo phương pháp tra bảng 42

Hình 3.20: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp tra bảng 42

Hình 3.21: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp tra bảng 43

Hình 3.22: Biểu đồ Mômen ứng với k theo phương pháp Terzaghi 44

Hình 3.23: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Terzaghi 44

Hình 3.24: Biểu đồ chuyển vị ứng với k theo phương pháp Terzaghi 45

Hình 3.25: So sánh giá trị Mômen tại các mặt cắt bất lợi của cống ứng với k theo 4 phương pháp 47

Hình 3.27: Khai báo tiêu chuẩn thiết kế vật liệu 49

Hình 3.28: Khai báo phương thiết kế 49

Hình 3.29: Khai báo các hệ số tải trọng 49

Hình 3.31: Khai báo tiết diện của phần tử 50

Hình 3.32: Tóm tắc kết quả thiết kế mặt cắt ngang 51

Hình 3.33: Chi tiết kiểm toán phần tử 52

Hình 3.34: Chi tiết kiểm toán sườn đứng 53

Hình 3.35: Bố trí cốt thép 2H(3x2)M của cống thực tế 55

Hình 3.36: Sơ họa cốt thép ở bản nắp và bản đáy 55

Hình 3.37: So sánh diện tích cốt thép 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 : Bảng xác định hệ số nền 15

Bảng 2.2 : Đại lượng của công thức Terzaghi 16

Bảng 2.3 : Đại lượng của công thức Bowles 17

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

Bảng 2.5: Bảng tra k dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng 18

Bảng 2.6: Bảng tra k dựa vào loại đất, thành phần hạt, hệ số rỗng, độ sệt 19

Bảng 2.7: Trị số 𝜈, 𝛽 và A của các loại đất 21

Bảng 2.8 Kết quả xác định hệ số nền k bằng 4 phương pháp 22

Bảng 3.1 : Thông số mặt cắt ngang cống hộp: 26

Bảng 3.2: Vị trí các mặt cắt cống hộp 38

Bảng 3.3: Kết quả nội lực lớn nhất ở các mặt cắt theo Winkler 39

Bảng 3.4: Kết quả nội lực lớn nhất theo Bowles 41

Bảng 3.5: Kết quả nội lực lớn nhất theo tra bảng 43

Bảng 3.6: Kết quả nội lực lớn nhất theo Terzaghi 45

Bảng 3.7: Kết quả nội lực lớn nhất theo 4 phương pháp 46

Bảng 3.8: Diện tích cốt thép cần thiết theo các giá trị hệ số nền K 54

Bảng 3.9: Diện tích cốt thép trình thực tế 56

Bảng 3.10: So sánh diện tích cốt thép tính toán với công trình thực tế 56

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

Hình 2 : Mặt cắt ngang cống hộp

CẮT DỌC CỐNG HỘP 2H(3X2)M (1/100)

Hình 3 : Mặt cắt dọc cống hộp

Hình 4 : Hình ảnh thi cơng cống hộp

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

Trong các cơng trình thốt nước, cống hộp hiện nay được sử dụng tương đối phổ biến cho cơng trình giao thơng đường bộ, đường sắt

Quá trình thi công cống ít phức tạp, tiến độ thi công tương đối nhanh, có thể đúc sẵn theo định hình Kiểm tra, giám sát chất lượng trong quá trình thi công có nhiều thuận lợi Áp dụng cho nhiều loại địa chất, địa hình

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

- Thông thường việc kiểm toán cống bằng bảng tính Excel nên khó kiểm soát kết quả trong quá trình thẩm tra Thiết kế gần giống như định hình nên chưa đánh giá chính xác sự tương tác của đất nền với cống cho từng trường hợp cụ thể Nhiều cống điều kiện làm việc khác nhau nhưng bố trí cốt thép như nhau, mác bê tông như nhau dẫn đến lãng phí hoặc không an toàn

- 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 là hết sức cần thiết

2 Đối tượng nghiên cứu:

- 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

CHƯƠNG I: 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

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 Bộ tiêu chuẩn này đưa ra những yêu cầu tối thiểu cho

an toàn công cộng Tùy theo điều kiện có thể đòi hỏi sự linh hoạt của thiết kế hoặc chất lượng vật liệu và thi công không nhất thiết cao hơn yêu cầu tối thiểu Các quy định của Bộ tiêu chuẩn này dựa vào phương pháp luận thiết kế theo hệ số tải trọng và

hệ số sức kháng (LRFD), các hệ số được lấy từ lý thuyết độ tin cậy dựa trên kiến thức thống kê hiện nay về tải trọng và tính năng của kết cấu Ngoài ra trong quá trình thiết

kế cống còn sử dụng tiểu chuẩn Việt Nam TCVN 9116 – 2012 Cống bê tông cốt thép

để thiết kế

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]

Trong quá trình kiểm toán cống cẩn đảm bảo kiểm toán đầy đủ các trạng thái giới hạn của kết cấu cống Theo phương pháp thủ công thì thường lập bảng tính trên Excel

để kiểm toán kết cấu cống Hiện nay, hệ thống phần mềm thiết kế và kiểm toán kết cấu công trình phát triển tương đối mạnh và hỗ trợ đắt lực cho người thiết kế đồng thời cho

kết quả số liệu có độ chuẩn xác cao, tuy nhiên đa phần cũng chỉ dừng ở mức dùng phần mềm tính toán phân tích nội lực sau đó kiểm toán bằng bảng tính Excel

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

- Theo cách thiết kế cống hộp lâu nay của một số đơn vị tư vấn có quy mô nhỏ khi thiết kế cống hộp thường tách biệt hệ thống kết cấu cống hộp với nền đất, nghĩa là thiết kế cống riêng và thiết kế nền móng riêng Thường thiết kế những cống đơn giản, thiết kế theo cách kế thừa hoặc dựa trên kinh nghiệm và thậm chí là sao chép nên việc không xét đến tương tác với nền đất khi thiết kế cống là rất phổ biến Người thiết kế quan niệm rằng kết cấu cống đặt trên nền đất đã được xử lý đạt yêu cầu và xem như cống được đặt trên các gối cố định, nên khi thiết kế và kiểm toán cống hộp người thiết

kế chỉ tính kết cấu cho phần cống dựa trên các tải trọng như: tải trọng bản thân, tải trọng đất đắp, tải trọng kết cấu áo đường, áp lực đất ngang, tải trọng xe,… mà không xét đến lực kháng đàn hồi của đất tác dụng ngược lên bản đáy cống Xem cống hộp đặt trên nền đất như kết cấu đặt trên các gối cố định, điều này dẫn đến kết quả phân tích nội lực của cống chưa chính xác

Về quá trình thiết kế và kiểm toán cống hộp đặt trên gối cố định bằng phương pháp thủ công lâu nay các đơn vị tư vấn vẫn làm theo trình tự:

- Xác định các số liệu đầu vào để tính toán như:

+ Khảo sát tính toán thủy văn, chọn vị trí đặt cống, chọn loại cống, khẩu độ cống vv…

+ Các kích thước cơ bản của cống

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

DC,DW,EV HL93,TRUCK

EH EH

Hình: 1.1 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối cố định

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, qua đó cũng yêu cầu người thiết kế cân nhắc hơn trong quá trình thiết kế cống hộp

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

Với sự phát triển của công nghệ và yêu cầu ngày càng cao của chất lượng sản phẩm thiết kế, hiện nay các công ty tư vấn đã bắt đầu đầu tư phần mềm thiết kế công trình để phân tích kết cấu trong quá trình thiết kế, các tư vấn dùng liên kết giữa đất nền với cống bằng các gối đàn hồi là hợp lý, kết quả tính toán xác với điều kiện làm việc của cống, tuy nhiên các nhà thiết kế chưa quan tâm nhiều đến hệ số nền, thường chỉ dùng một phương pháp tính hệ số nền để cho kết quả và đưa vào chương trình máy tính Điều đó dẫn đến chưa đánh giá hết quá trình làm việc giữa cống hộp và nền đất, Với từng phương pháp tính hệ số nền sẽ cho kết quả khác nhau ở cùng một loại địa chất, hệ số nền có ảnh hưởng đến kết quả nội lực của cống, vì thế với nhiều hệ số nền

sẽ cho nhiều kết quả khác nhau, đặc biệt là mômen bản đáy của cống hộp Vì thế, kết quả nội lực sau khi tính toán chưa xác với quá trình làm việc của cống

Quá trình thiết kế cống trên nền đàn hồi hiện nay thường sử dụng phần mềm thiết

kế để mô hình hóa, phân tích kết cấu sau đó xuất nội lực và kiểm toán bằng bảng tính Excel Khác với thiết kế cống đặt trên gối cố định, cống đặt trên nền đàn hồi phải đi tính toán hệ số nền và khai báo liên kết giữa cống và nền đất Việc thiết kế cống hộp đặt trên nền đàn hồi sẽ phân tích kết quả nội lực xác với thực tế và kinh tế hơn hơn cách thiết kế cống hộp đặt trên các gối cố định

Hiện nay các đơn vị tư vấn đã áp dụng khá tốt các phần mềm vào quá trình thiết kế cống hộp, tuy nhiên việc kiểm toán báng tự động dẫn đến một số chủ quan của người thiết kế trong khâu kiểm soát số liệu làm cho nhiều chủ đầu tư gặp khó khăn trong

công tác thẩm tra, thẩm định

Một số phần mềm thường dùng để tính toán kết cấu và thiết kế cống hiện nay:

Hình 1.3: Phần mềm thiết kế kết cấu công trình Midas/Civil

Hình 1.4: Phần mềm thiết kế kết cấu công trình Sap2000

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

Công trình ngầm, đặc biệt là công trình cống hộp đặt không sâu trong lòng đất chịu tác dụng của các loại tải trọng ngoài khác nhau Đặc trưng phân bố và cường độ của chúng phụ thuộc vào nhiều nhân tố như: chiều sâu đặt cống, điều kiện địa chất công trình, đặc trưng công trình xây dựng trên mặt đất, tải trọng phương tiện giao thông trên cống cũng như trên mặt đất vv…

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

- Các đơn vị tư vấn nhỏ dùng bảng tra để tính nội lực cho cống hộp là hoàn toàn không đúng

- Trong quá trình thiết kế cống hộp hiện nay, việc lựa chọn hệ số nền để đưa vào thiết kế cống hộp chưa được rỏ ràng

- Từ đó gây ra sự phiền phức cho các bên liên quan và nhiều khi ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng công trình

Với sự phát triển của công nghệ và yêu cầu ngày càng cao của chất lượng hồ sơ thiết kế, hiện nay các công ty tư vấn đã bắt đầu đầu tư phần mềm thiết kế công trình chuyên nghiệp như Sap2000, Midas/Civil… thiết kế và kiểm toán tự động sẽ cho kết quả phân tích kết cấu với độ chính xác cao hơn và mô tả đầy đủ sự tương tác giữa đất

nền và cống

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

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN K 2.1 Đặt vấn đề

Qua kết quả phân tích ở chương 1, việc phân tích và thiết kế cống hộp bằng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua các phần mềm tính kết cấu là cần thiết, tuy nhiên vấn đề khó khăn là mô tả sự tương tác của các cống với đất nền

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

+ Địa điểm xây dựng: Huyện Mộ Đức – tỉnh Quảng Ngãi;

+ Kết quả khảo sát địa chất tại công trình như hình 2.1 và 2.2

CÔNG TRÌNH: NÂNG CẤP TUYẾN ĐƯỜNG DT624B ĐOẠN KM0+00 - KM8+00 ĐỊA ĐIỂM:HUYỆN MỘ ĐỨC VÀ HUYỆN NGHĨA HÀNH, TỈNH QUẢNG NGÃI GIAI ĐOẠN: LẬP DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

HÌNH TRỤ LỖ KHOAN

Y : 538179.700 MỰC NƯỚC DƯỚI DẤT:

XUẤT HIỆN : 0.50M ỔN ĐỊNH : 0.40M CAO ĐỘ LỖ KHOAN : 2.590M TỶ LỆ: 1/100 NGÀY KHỞI CÔNG :

LÝ TRÌNH : KM 2+491.21 TRÁI TIM : 0.00M NGÀY HOÀN THÀNH :

Số phiếu (No) :…………./LAS-XD73 Đà Nẵng, ngày……tháng…….năm 2017

1./ Xác định dung trọng (Density Determination)

2./ Xác định độ ẩm (Moisture Determination) :

Phần trăm vật liệu trên sàng 19 (Per.Of material on #19): 17,99%

Tỷ trọng vật liệu trên sàng 19 (Density of material on #19): 2,702

17,39 144,09

TRUNG TÂM KỸ THUẬT ĐƯỜNG BỘ 3 (RTC3) PHÒNG THÍ NGHIỆM LAS- XD73

Địa chỉ (Add): 59b- Lê Lợi -TP Đà Nẵng, Điện thoại (Tel): 02363.889495, Fax:

02363.895704, Email: ptnlas73@gmail.com

Số HĐKT

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH QUAN HỆ GIỮA DUNG TRỌNG VÀ ĐỘ ẨM

(Moisture - Density Relations Determination Test)

Ngày lập

(Prepared date)

HÌNH TRỤ LỖ KHOAN BHD - SS2

Tra bảng ta có m = 2000 T/m4

Bảng 2.1 : Bảng xác định hệ số nền

Cao độ z(m) m(T/m4) Cz b(m) ls (m) Ks(T/m4) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)=(4)x(5)x(6)

Sau khi tính toán bằng phương pháp Winkler ta xác định được hệ số nền K = 4000(T/m4) = 40.000(KN/m 3 )

2.2.2 Theo công thức Terzaghi:

K.Terzaghi sinh ngày 1983 – 1963 là một kỹ sư xây dựng người Áo, là cha đẻ của

cơ học đất, dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của đất bằng phương pháp thực nghiệm ông đã

đưa ra công thức tính hệ số nền k như sau:

ks = 24(cNc + γDNq+0.4γBNγ) (2.3) Trong đó:

Nc = (Nq-1)*cotg(φ')

Nγ = 0.5*tg(φ')*[Kpγ /cos2(φ')-1]

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

Bảng 2.2 : Đại lượng của công thức Terzaghi

Giá trị

trọng lượng riêng của đất phía trên điểm tính ks γ 19.33 kN/m3các hệ số phụ thuộc góc kháng cắt của đất Nq 6.04

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

Bảng 2.3 : Đại lượng của công thức Bowles

Giá trị

Đơn

vị

độ sâu điểm tính toán (so với mặt tự nhiên) Z 2 m

trọng lượng riêng tự nhiên của đất γ 19.33 kN/m3

hệ số điều chỉnh gần với đường cong thực nghiệm 0.4<n<0.6 0.5

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 bình 400-600

4 Sét pha cát; cát pha sét và sét cứng và cát thô 600-1000

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

Bảng 2.5: Bảng tra k dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng

Đá mềm, nứt nẻ, đá vôi, sa thạch

Đá cứng, tốt Nền cọc

0,1-0,5 0,5-5 5-10 10-20 20-100 100-1500 5-15

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

Bảng 2.6: Bảng tra k dựa vào loại đất, thành phần hạt, hệ số rỗng, độ sệt

Đặc tính của

nền Tên đất, trạng thái

k (kG/cm3)

Hình 2.4 Quan hệ giữa ứng suất gây lún và độ lún

Smin - độ lún trong giai đoạn đàn hồi, ứng với ứng suất 𝜎min

2.2.6.2 Phương pháp thực hành:

* Cơ sở lý thuyết

Dựa vào cách tính lún theo phương pháp lớp tương đương:

S = ao 𝜎 htđ (2.6) trong đó: S - độ lún của móng (cm)

v v

  

𝜈 - hệ số nở hông, phụ thuộc vào loại đất

Thay các trị số 𝛽, A trong bảng 2.7 vào (2.12) cho thấy có thể xác định độ lún

S của móng vuông đối với tất cả các loại đất xấp xỉ bằng:

Khi đó, công thức xác định hệ số nền viết thành:

K 2.E

b

trong đó:

E - mô đun biến dạng tiêu chuẩn của đất dưới đáy móng (kG/cm2)

b - chiều rộng của thanh tiếp đất (cm)

2.3 So sánh và phân tích

Dựa vào số liệu địa chất của công trình cống hộp 2H(3x2); lý trình: Km2+493.16 của dự án: nâng cấp tuyến đường ĐT624B đoạn Km0+00 đến Km8+00; địa điểm xây dựng: Huyện Mộ Đức – tỉnh Quảng Ngãi

Trong chương 2 của luận văn tác giả đã tính toán khảo sát hệ số nền theo 4 phương pháp khác nhau, kết quả thể hiện ở bảng 2.6 và hình 2.5

- 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

2.4 Kết luận

- Luận văn đã khảo sát được hệ số nền bằng nhiều phương pháp khác nhau

- Đã tính toán hệ số nền cho công trình cống hộp thực tế bằng các phương pháp và cho thấy sự khác biệt của chúng

- Để khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số nền K đến kết cấu cống hộp, chương 3 tác giả sẽ phân tích kết quả chứng minh sự khác nhau giữa cá hệ số nền trên

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

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

3.1.1 Tổng quan về phần mềm Midas/Civil

Phần mềm tích hợp hoàn chỉnh hỗ trợ thiết kế kết cấu cầu Bằng sự kết hợp các tính năng phân tích kết cấu với các tính năng đặc biệt phân tích đặc biệt dành cho kỹ thuật cầu như phân tích theo giai đoạn thi công, phân tích động đất tĩnh và phân tích lịch sử thời gian phi tuyến, Midas Civil là công cụ thiết yếu để mô hình hoá, phân tích, thiết kế của các kỹ sư cầu Midas Civil hỗ trợ phân tích và thiết kế cầu bê tông, bê tông

dự ứng lực, cầu thép, cầu dây văng, cầu dây võng, cầu liền mố, v.v Midas Civil đã được sử dụng rất rộng rãi ở khắp trên thế giới Ở nước ta, Midas/Civil được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực thiết kế cầu Midas Civil đã được sử dụng để thiết kế rất nhiều công trình khác nhau như cầu Thuận Phước, Cầu Rạch Miễu, v.v

Khả năng mô hình hóa: Chương trình hổ trợ nhiều mô hình kết cấu, đặt biệt là kết cấu cầu, cung cấp nhiều loại mặt cắt khác nhau Khả năng mô tả được vật liệu đẳng hướng, trực hướng, dị hướng hay vật liệu phi tuyến

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

Chương trình có nhiều công cụ trực quan hổ trợ việc mô hình hóa một cách trực tiếp ngoài ra, người sửng dụng có thể mô hình kết cấu hoặc mặt cắt thông qua AutoCad

Giao diện và tốc độ tính toán: Chương trình hoạt động trong môi trường Windows, giao diện thân thiện, khả năng tính toán mạnh Tốc độ tính toán của chương trình phụ thuộc vào khối lượng tính toán nhưng so với một số phần mềm tính toán kết cấu khác như như Sap2000 thì tốc độ tính toán nhanh hơn Kết quả tính toán của chương trình là đầy đủ và tin cậy [3]

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

Khả năng phân tích cho bài toán cầu: Đây là một tính năng mạnh của chương trình Midas/civil cung cấp nhiều phương án phân tích kết cấu cầu hiện đại, đặc biệt là phân tích phi tuyến và phân tích các giai đoạn thi công Kết quả của quá trình phân tích là đáng tin cậy, phù hợp với các giai đoạn từ tính toán thiết kế đến thi công và quá trình khai thác sử dụng

Tính phổ biến của chương trình: Do nhiều ưu điểm trên đặc biệt là độ tin cậy của kết quả tính và tính tương thích của chương trình cho nên chương trình được sử dụng trong nhiều dự án lớn hiện có hơn 4000 dự án sử dụng Midas/Civil, độ tin cậy

và hiệu quả nó đem lại đã được công nhận trên thế giới [3]

Trong phần mềm Midas/Civil có hỗ trợ môđun Box Culvert Wizard cho phép người dùng có thể mô hình hóa cống hộp, phân tích nội lực, bố trí cốt thép và kiểm toán cống hộp

Box Culvert Wizard giúp mô hình hóa và thiết kế nhanh các kết cấu ngầm, khung cứng, cống ngầm Hộp thoại hướng dẫn chi tiết, tĩnh tải, điều kiện tải và tiêu chuẩn thiết kế để tự động tạo ra tổ hợp tải trọng Midas Civil với các tính năng thiết kế cho phép dễ dàng tính toán, thiết kế các trường hợp thuận tiện Trong hộp thoại này có thể phân tích kết cấu theo cả 3 phương, mô tả các tính năng và thiết kế kết cấu

Trình tự phân tích Cống hộp trong Midas Civil Wizard như sau:

1 Lựa chọn loại cống thiết kế

2 Khai báo vật liệu, kích thước các mặt cắt ngang

3 Khai báo đầu vào theo phương dọc

4 Khai báo đầu vào theo phương ngang

5 Khai báo tải trọng

6 Khai báo liên kết

7 Thực hiện phân tích kết cấu

8 Xuất và phân tích kết quả

9 Nhập dữ liệu phục vụ tính toán thiết kế và kiểm toán

10 Kiểm toán kết cấu

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, các thông số về cống

để đưa vào mô hình hóa như sau:

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 Trong sơ đồ phẳng, kết cấu cống dùng phần tử khung 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 Để phân tích và thiết kế cống trên nền đàn hồi tác giả sử dụng mô hình sơ

đồ phẳng để tính toán

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

Mô hình hóa cống hộp trong Box Culvert Wizard được khai báo trong 3 tab

phương dọc, ngang và tải trọng (Longitudinal, Transverse, Load)

Khai báo các bước mô hình hóa như sau:

+ Chọn đơn vị thiết kế (KN, m)

+ Khai báo vật liệu (bê tông cốt thép)

+ Nhập dữ liệu tổng quan kích thước về cống theo phương dọc cống theo hình 3.3

Hình 3.3: Nhập dữ liệu theo phương dọc

Nhập dữ liệu mặt cắt ngang và khai báo liên kết theo hình 3.4

Hình 3.4: Nhập dữ liệu theo phương ngang

Khai báo các tải trọng thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế cho cống hộp theo hình 3.5

Hình 3.5: Nhập dữ liệu đầu vào tải trọng và tiêu chuẩn thiết kế