Phân tích ứng xử của kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi có xét đến áp lực đất yếu thuộc khu vực tỉnh Trà Vinh.PDF

Địa chất khu vực tỉnh Trà Vinh có đặc điểm rất riêng và rất yếu do vậy kết cấu cống đặt trên nền địa chất yếu cần phải xem xét khi phân tích thiết kế để đảm bảo hiệu quả sử dụng lâu dài

LA TÀI

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI CÓ XÉT ĐẾN ÁP LỰC ĐẤT YẾU

THUỘC KHU VỰC TỈNH TRÀ VINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: 8.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN

Phản biện 1: PGS.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA

Phản biện 2: TS TRẦN ĐÌNH QUẢNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 14 tháng 11 năm 2019

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 Đặt vấn đề

Những thành tựu hơn 20 năm đổi mới của đất nước theo đường lối của Đảng đã thúc đẩy ngành xây dựng trưởng thành về nhiều mặt Nhiều công nghệ xây dựng tiên tiến đã được áp dụng ở Việt Nam Hoạt động xây dựng đã và đang chuyển mình theo xu thế công nghiệp hoá và hiện đại hoá

Một trong những tiêu chí để đánh giá trình độ công nghiệp hóa ngành xây dựng là tỷ lệ sử dụng các sản phẩm bê tông công nghiệp vào công trình Sản phẩm bê tông hiện có mặt trên mọi công trường, đóng vai trò quan trọng nhất là ở các kết cấu của các công trình xây dựng cơ sở hạ tầng như: các hệ thống cấp thoát nước, công trình thủy, cầu, cảng, thủy lợi, thủy điện

Các công trình thoát nước hiện nay có nhu cầu sử dụng cống hộp lại khá lớn vì tốc độ thoát nước tốt cũng như các đặc tính riêng biệt so với các sản phẩm khác có cùng công dụng

* Ưu điểm của cống:

- Khả năng thoát nước nhanh chóng, giúp cho công trình giải quyết một lượng nước lớn khi mưa xuống một cách nhanh chóng

- Ngăn xâm thực mặn, điều tiết thủy lợi tốt

- Cống hộp có khả năng chịu lực, chịu mài mòn của nước cao

- Khi xe di chuyển qua cống hộp sẽ êm thuận hơn qua cầu

- Kích thước dài giúp cho công trình có thể tiết kiệm được chi phí

- Dễ dàng vệ sinh, bảo trì

Một trong những ưu điểm của cống hộp bê tông là được đổ bê tông toàn khối nên có độ bền cao trong môi trường nước thải độc hại Hơn nữa còn rút ngắn thời gian thi công, tiết kiệm nhân lực…

2 Lý do chọn đề tài

Cống hộp bê tông được sử dụng rất nhiều tại các công trình xây dựng hiện nay Các vấn đề ngập úng khi có mưa lớn có thể giải quyết một cách dễ dàng nhờ dung tích lớn thoát nước tốt, khả năng ngăn được xâm thực mặn

Kết cấu cống hộp được sử dụng rộng rãi ở trong nước, đặc biệt khu vực tỉnh Trà Vinh

Địa chất khu vực tỉnh Trà Vinh có đặc điểm rất riêng và rất yếu do vậy kết cấu cống đặt trên nền địa chất yếu cần phải xem xét khi phân tích thiết kế để đảm bảo hiệu quả sử dụng lâu dài và tiết kiệm chi phí

Việc phân tích ứng xử của kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi

có xét đến áp lực đất yếu thuộc khu vực tỉnh Trà Vinh là cần thiết

Đề tài “Phân tích ứng xử của kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi có xét đến áp lực đất yếu thuộc khu vực tỉnh Trà Vinh” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

3 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ứng xử của kết cấu cống

hộp trên nền đất yếu thuộc khu vực tỉnh Trà Vinh

Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp ứng dụng chương trình tính toán Trong đó:

+ Phương pháp lý thuyết: Xác định cơ sở lý thuyết chủ đạo dựa trên các tài liệu tham khảo có liên quan để phân tích tính toán kết cấu

+ Ứng dụng các chương trình vào phân tích tính toán kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi có xét đến áp lực đất yếu

4 Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay khi xây dựng các đô thị mới hiện đại và cải tạo cơ

sở hạ tầng của các đô thị cũ chúng ta đang tiến hành việc hạ ngầm đường dây điện, cáp thông tin, nước sinh hoạt… và giải pháp cho vấn đề đó như thế nào Một trong những giải pháp mà các nước tiên tiến đã áp dụng từ rất lâu đó là việc đặt ngầm tất cả các đường dây trên kể cả đường cấp nước vào một hệ thống hộp kỹ thuật

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cống hộp và đặc điểm địa

chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh

1.1 Giới thiệu chung về kết cấu cống hộp

1.2 Đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh

1.3 Hướng nghiên cứu của đề tài và kết luận chương 1

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu cống hộp trên

3.1 Các số liệu cơ bản của kết cấu cống hộp

3.2 Mô hình và kết quả phân tích ứng xử kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi

3.3 Kết luận chương 3

Kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỐNG HỘP VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỊA

CHẤT TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH

1.1 Giới thiệu chung về kết cấu cống hộp

Cống là một công trình nhân tạo khá phổ biến trên một tuyến đường Tác dụng chủ yếu của cống là dùng 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

Cống khác cầu nhỏ ở chỗ là nước chảy trong cống không những chỉ có chế độ chảy không áp mà còn có loại chảy có áp hoặc bán áp và chiều cao đất đắp trên đỉnh cống (kể cả chiều dày kết cấu

áo đường) tối thiều là 0,5m (đối với đường ôtô) còn đối với đường

Tại khu vực tỉnh Trà Vinh có địa chất yếu và rất riêng, khi thiết kế các công ty thường sử dụng bản vẽ cống đã định hình từ trước để áp dụng triển khai thi công mà không phân tích ứng xử của cống Đều này rất nguy hiểm trong quá trình sử dụng, nguy hiểm hơn khi triều cường ngày càng dâng cao ảnh hưởng đến kết cấu công trình Một số công trình cống đã bị hỏng, cuốn trôi khi đưa vào sửa dụng không lâu

1.2 Đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh:

1.2.1 Giới thiệu sơ lượt về đặc điểm địa lý tỉnh Trà Vinh ;

Vị trí địa lý Trà Vinh giới hạn từ 9◦31’46” đến 10◦4'5”

vĩ độ Bắc và từ 105◦57’16” đến 106◦36’04” kinh độ Đông Phía bắc Trà Vinh giáp với Bến Tre; phía Nam giáp với Sóc Trăng; phía tây giáp Vĩnh Long; phía đông giáp biển với chiều dài bờ biển 65km

Hình 1.8: Bản đồ tỉnh Trà Vinh

Do ảnh hưởng bởi dòng thủy triều và hải triều nên nước trên sông trong năm có thời gian bị nhiễm mặn vào mùa khô, vào mùa mưa nước sông được ngọt hóa, có thể sử dụng cho tưới nông nghiệp Phần sông rạch giáp biển bị nhiễm mặn quanh năm, do đó không thể phục vụ tưới cho nông nghiệp, nhưng bù lại nguồn nước mặn, lợ ở đây lại tạo thuận lợi trong việc nuôi trồng thủy sản

1.2.2 Địa chất đặc trưng khu vực tỉnh Trà Vinh:

Bảng 1.1: Các lớp địa tầng Trà Vinh phân bố đại diện như

2 Lớp cát pha, trạng thái dẻo 1.7 – 3.2

3 Lớp bùn sét pha, bùn sét – trạng thái dẻo

chảy đến chảy

8.1 – 24.2

4 Lớp cát kẹp bùn– trạng thái dẻo chảy 0 - 1

5 Lớp sét , sét pha – trạng thái dẻo đến nửa

cứng

8.8 – 19.8

1.2.3 Đặc điểm xác định đất yếu:

Nền đất đóng vai trò quan trọng trong tất cả các công trình Nó có thể ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của công trình Để nhận biết về đất yếu có hai quan điểm dựa vào định tính và định lượng

- Về định tính: Đất yếu là loại đất mà bản thân nó không đủ khả năng tiếp thu tải trọng của công trình bên trên như các công trình nhà cửa, đường xá, đê đập…Khái niệm này nói chung không chặt chẽ và không có cơ sở khoa học

- Về định lượng: Đất yếu là loại đất có sức chịu tải

kém dễ bị phá hoại, biến dạng dưới tác dụng của tải trọng công trình dựa trên những số liệu về chỉ tiêu cơ lý cụ thể Khái niệm này được thế giới chấp nhận và có cơ sở khoa học

1.3 Hướng nghiên cứu đề tài và kết luận: 1.3.1 Hướng nghiên cứu đề tài :

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 2 bên thành cống và bản đáy của cống

Hiện nay khi phân tích kết cấu cống hộp đa phần người thiết kế chỉ tập trung gán phần tải trọng như: tải trọng bản thân, hoạt tải xe chạy, hệ số nền dưới bản đáy cống, và đều

bỏ qua áp lực đất yếu bên thành cống

Dựa vào các số liệu địa chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh,

ta thấy địa chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh rất riêng và khác biệt nên khi phân tích cống cần xét thêm áp lực đất yếu vào 2 bên thành cống cho các loại cống 1 ngăn, 2 ngăn và 3 ngăn

Từ nguyên nhân trên việc lựa chọn đề tài “Phân tích ứng xử của kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi có xét đến áp lực đất yếu thuộc khu vực tỉnh Trà Vinh” là để xem ứng xử của

cống trên nền đất yếu thuộc tỉnh Trà Vinh như thế nào là rất thực tế và cần thiết

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI 2.1 Mô hình tính toán :

Mô hình tính toán cống được mô tả như các hình sau :

EH EH

DC, DW, EH HL93, TRUCK

Hình 2.1: Mô hình cống 1 ngăn có các lực tác dụng

2.2 Cơ sở xác định thông số nền và áp lực đất:

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

Bằng thực nghiệm K.Terzaghi đã đưa ra công thức tính hệ số nền k như sau:

ks = 24(cNc + γDNq+0.4γBNγ)

2.2.1.4 Xác định hệ số nền theo Bowles:

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

toán hệ số nền K theo Bowles như sau:

Ks = As + Bs*Zn

2.2.1.5 Xác định hệ số nền theo theo tiêu chuẩn

Việt Nam:

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

Bảng 2.1: 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;

2.2.2 Cơ sở xác định áp lực đất 2 bên thành cống:

- Áp lực đất cơ bản: áp lực đất cơ bản được giả thiết là

phân bố tuyến tính và tỷ lệ với chiều sâu đất và lấy bằng:

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 Những quan điểm an toàn thông qua tính dẻo, tính dư, bảo vệ chống xói lở

và va chạm được lưu ý nhấn mạnh

2.3.1.1 Tĩnh tải DC, DW và EV:

Tĩnh tải bao gồm trọng lượng của tất cả cấu kiện của kết cấu, phụ kiện và tiện ích công cộng kèm theo, trọng lượng đất phủ, trọng lượng mặt cầu, dự phòng phủ bù và mở rộng

2.3.1.2 Hoạt tải:

Hình 2.2: Các tải trọng tác dụng lên cống

2.3.2 Giới thiệu phần mềm phân tích kết cấu:

- SAP lại đặc biệt thành công trong mô phỏng các kết cấu tấm vỏ, các phiên bản SAP 2000 hiện nay đều có thể giải quyết hầu hết các bài toán mà các phần mềm khác có thể làm

- Phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng tính kết

cấu với sự trợ giúp của máy tính Phương pháp này dùng mô hình rời rạc để lý tưởng hóa kết cấu thực

- Thực hiện rời rạc hóa kết cấu bằng cách chia kết cấu liên tục thành hữu hạn các miền hoặc các kết cấu con gọi là phần tử hữu hạn Đối với hệ tấm: phần tử hữu hạn là tấm tam giác, chữ nhật,

- Sau khi rời rạc hóa, giả thiết các phần tử hữu hạn chỉ nối với nhau tại một số điểm quy định (thường là các đầu hoặc các góc của phần tử) gọi là nút

2.4 Kết luận:

- Qua việc nghiên cứu các phương pháp để xác định hệ

số nền K, ta chọn phương pháp Winkler để tìm hệ số K đất nền áp dụng cho từng loại cống hộp khác nhau

- Ta dựa vào tiêu chuẩn 22TCN 272 : 05 làm cơ sở để tìm ra các giá trị tải trọng

- Số liệu địa chất chọn để tính toán: huyện Trà Cú

Bảng 3.1: Chiều dày của các lớp đất

1 Lớp 1 3.3m Sét, xám tro - xám vàng - vàng, trạng thái dẻo mềm

2 Lớp 2 1.7m Cát pha, xám nâu, trạng thái dẻo

3 Lớp 3 11.3 Bùn sét, xám nâu, trạng thái chảy

4 Lớp 4 3.7 Sét, vàng nâu - xám nâu - xám vàng, trạng thái dẻo cứng

3.1.2 Phân tích hệ số nền theo Winkler:

Bảng 3.2: Chiều dày của các lớp đất

Hình 3.4: Kích thước cống hộp 1 ngăn mở rộng bản đáy

4 Áp lực ngang của đất đắp ở độ sâu z =

Hình 3.7: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống hộp 1

ngăn cơ bản

3.2.1.1.2 Cống hộp đặt trên nền tuyệt đối cứng:

Hình 3.8: Mô hình đáy

cống hộp 1 ngăn cơ bản

trên nền tuyệt đối cứng

Hình 3.9: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên cống hộp

1 ngăn cơ bản

Hình 3.10: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên cống hộp 1 ngăn

cơ bản

3.2.1.2 Cống hộp 2 ngăn:

3.2.1.2.1 Cống hộp đặt trên nền đàn hồi:

Hình 3.11: Mô hình đáy cống hộp 2 ngăn cơ bản đặt trên nền

đàn hồi

Hình 3.12: Áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống hộp 2

ngăn cơ bản

Hình 3.13: Áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống hộp 2

ngăn cơ bản

3.2.1.2.2 Cống hộp đặt trên nền tuyệt đối cứng:

Hình 3.14: Mô hình đáy cống hộp 2 ngăn cơ bản đặt trên nền

tuyệt đối cứng

3.2.1.3 Cống hộp 3 ngăn:

3.2.1.3.1 Mô hình cống 3 ngăn đặt trên nền đàn hồi:

Hình 3.15: Mô hình cống hộp 3 ngăn cơ bản liên kết đàn hồi

rộng

Hình 3.24: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống 1

ngăn bản đáy mở rộng

3.2.2.2 Cống hộp 2 ngăn mở rộng bản đáy:

3.2.2.2.1 Mô hình cống 2 ngăn đặt trên nền đàn hồi:

Hình 3.25: Mô hình cống 2 ngăn bản đáy mở rộng đặt trên

nền đàn hồi

Hình 3.26: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống 2

ngăn bản đáy mở rộng

Hình 3.27: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống 2

ngăn bản đáy mở rộn

3.2.2.2.2 Mô hình cống 2 ngăn đặt trên nền tuyệt đối cứng:

Hình 3.28: Mô hình đáy cống 2 ngăn bản đáy mở rộng đặt

trên nền tuyệt đối cứng

3.2.2.3 Cống hộp 3 ngăn mở rộng bản đáy:

3.2.2.3.1 Mô hình cống 3 ngăn đặt trên nền đàn hồi:

Hình 3.29: Mô hình đáy cống 3 ngăn bản đáy mở rộng đặt

trên nền đàn hồi

Bảng 3.5: Phần trăm chênh lệch nội lực giữa cống bản đặt

trên nền đàn hồi so với cống bản đặt trên nền tuyệt đối cứng

% Sai lệch

P (kN)

V (kN)

M (kNm)

P (kN)

V (kN)

M (kNm)

P (%)

V (%)

M (%) Cống 1 ngăn bình

thường 41,3 112 26,6 62,2 112,8 29,2 33,6 0,71 8,9 Cống 2 ngăn bình

thường 56,3 129,5 49,2 57,2 78,5 26,6 1,6 65 85,3 Cống 3 ngăn bình

thường 81 118,4 73,4 51,4 82 30,3 57,6 44,5 142,4 Cống 1 ngăn có

bản đáy mở rộng 50,4 113,5 26,4 62,6 112,8 29,2 19,5 0,7 9,5 Cống 2 ngăn có

bản đáy mở rộng 56,6 135,2 43,6 57,5 121 26,6 1,7 11,7 64 Cống 3 ngăn có

trọng, áp lực đất yếu tác dụng lên cống

- Sử dụng phần mềm Sap2000 để phân tích ứng xử của các loại cống hộp đặt trên nền đàn hồi và nền tuyệt đối cứng

- Từ kết quả nội lực Sap2000 ta đánh giá như sau: + Khi cống đặt trên nền tuyệt đối cứng bản đáy cống

có nội lực gần như bằng 0

+ Độ sai lệch trung bình nội lực bản nắp, bản thành khi cống đặt trên nền đàn hồi so với nền tuyệt đối cứng: P=32%, V=30,1%, M=73%

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận:

- Trong luận văn đã thu thập số liệu địa chất các vùng của khu vực tỉnh Trà Vinh

- Nghiên cứu các phương pháp xác định hệ số nền, và

áp dụng phương pháp Winkler để phân tích hệ số nền K

- Áp dụng 22TCN272:05 để tìm ra các tải trọng tác dụng lên cống và áp lực đất yếu 2 bên cống

- Sử dụng phần mềm Sap2000 để phân tích các ứng xử nội lực của cống 1 ngăn, 2 ngăn và 3 ngăn loại cống hộp bình thường và cống hộp có mở rộng bản đáy Qua kết quả phân tích các loại cống đặt trên nền đàn hồi so với nền tuyệt đối cứng ta thu được độ chênh lệch trung bình như: P=32%, V=30,1%, M=73%, bản đáy cống hộp nội lực gần bằng 0 khi đặt trên nền tuyệt đối cứng