Nghiên cứu phương pháp tính ổn định cho kè trên hệ thống cọc, áp dụng cho công trình kè ngòi đum tỉnh lào cai

- Phân tích các phương pháp tính toán ổn định, lựa chọn nhằm tìm ra phương pháp phù hợp tiếp cận với ứng xử của công trình để tính toán ổn định cho kè được gia cố bằng cọc và áp dụng cho

Học viên

Thền Ngọc Sơn

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật

chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu phương pháp tỉnh ổn định cho kè trên hệ thống cọc, áp dụng cho công trình kè Ngòi Đum – tỉnh Lào Cai”

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Ngọc Thắng, người đã hướng dẫn trực tiếp và vạch ra những định hướng khoa học cho

luận văn

Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học về sự giúp đỡ trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo công ty cổ phần tư vấn xây dựng Sông Hồng Lào Cai đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn này Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả trong quá trình học tập cũng như hoàn thiện luận văn

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, các anh em trong gia đình tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành quá trình học tập và viết luận văn này

Hà Nội, ngày… tháng …năm 2017

Học viên cao học

Thền Ngọc Sơn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tên đề tài: 1

2 Tính cấp thiết của đề tài 1

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÈ VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO KÈ 4

1.1 Tình hình xây dựng kè trên thế giới và Việt Nam 4

1.1.1 Tình hình xây dựng kè trên thế giới 4

1.1.2 Tình hình xây dựng và các giải pháp cho kè ở Việt Nam 6

1.3 Ứng dụng cọc trong gia cố ổn định kè 17

1.4 Sự cần thiết phải nghiên cứu 22

1.5 Kết luận chương 22

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO KÈ TRÊN HỆ THỐNG CỌC 24

2.1 Độ bền, sức kháng cắt của đất 24

2.1.1 Sức kháng cắt của đất 24

2.1.2 Độ bền của đất 28

2.2.Bài toán thấm 30

2.2.1 Cấu trúc thành phần của đất 30

2.2.2 Cấu trúc thành phần của đất 31

2.2.3 Dòng thấm nước 31

2.2.4 Phương trình vi phân cơ bản của bài toán thấm 33

2.2.5 Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 33

2.3 Lựa chọn phương pháp tính 35

2.4 Phương pháp tính 37

2.4.1 Tính toán ổn định theophương pháp phần tử hữu hạn 37

2.5 Lựa chọn phương pháp tính toán ổn định kè được gia cố bằng cọc 51

2.6 Lựa chọn phần mềm tính toán 52

2.7 Kết luận chương 2 54

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KÈ NGÒI ĐUM –TỈNH LÀO CAI 56

3.1 Giới thiệu về công trình 56

3.1.1 Vị trí địa lý 56

3.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo 56

3.1.3 Đặc điểm địa chất 56

3.1.4 Khí tượng, thủy văn 57

3.2 Hiện trạng sói lở 60

3.3 Tính toán ổn định kết cấu công trình 60

3.4 Kết luận chương 3 80

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 81

1 Các kết quả đạt được 81

2 Một số vấn đề tồn tại 81

3 Kiến nghị 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Kè Sông tại Hà Khẩu – Trung Quốc 5

Hình 1.3 Kè đê biển theo công nghệ Hà Lan 6

Hình 1.4 Kè tường đứng 7

Hình 1.5 Kè mái nghiêng 8

Hình 1.6 Thảm rọ đá 12

Hình 1.8 Cấu tạo kè lát mái 14

Hình 1.7 Thảm bê tông 14

Hình 1.9 Hình ảnh kè lát mái 15

Hình 1.10 Mỏ hàn cọc 16

Hình 1.11 Kết cấu kè tường đứng trên nền cọc 17

Hình 1.12 Gia cố bờ bằng cọc tre 18

Hình 1.13 Ứng dụng cọc bê tông trong gia cố kè 19

Hình 1.14 Cọc cừ ván bê tông cốt thép 20

Hình 2.1 Hình ảnh mặt trượt công trình 24

Hình 2.2 Định luật coulomb với đất rời 26

Hình 2.3 Định luật coulomb với đất dính 26

Hình 2.4 Đường Coulom kéo dài 27

Hình 2.5 Trạng thái ứng suất tại điểm M trong nền đất 28

Hình 2.6 Vòng tròn Morh ứng suất 29

Hình 2.9 Thế truyền động pha nước 32

Hình 2.10 Quan hê ứng suất – biến dạng (đàn - dẻo) 39

Hình 2.11 Đường bao cực hạn 40

Hình 2.12 Lý thuyết phá hoại Mohr – Coulomb 41

Hình 2.13 Quan hệ ứng suất pháp và ứng suất cắt, giảm cường độ chống cắt 51

Hình 3.1 Bình đồ tuyến kè 62

Hình 3.2 Mặt cắt ngang kè 63

Hình 3.3 Sơ đồ mặt cắt ngang kè khi chưa có cọc 77

Hình 3.4 Kết quả tính ổn định hệ số ổn định theo Bishop ( theo TCN262-2000 thì

<1.4) nên mất ổn định 77

Hình 3.5 Sơ đồ mặt cắt ngang kè khi có cọc 78

Hình 3.6 Kết quả tính ổn định hệ số ổn định theo Bishop ( theo TCN262-2000 thì <1.4) nên ổn định 78

Hình 3.7 Tổng chuyển vị 79

Hình 3.8 Ứng suất theo phương Y 79

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Tổng hợp các lực tác dụng kè đứng 7m 68

Bảng 3.2 : Tổng hợp các lực tác dụng kè đứng 6.5m 70

Bảng 3.3 Kết quả tính toán ứng suất 72

Bảng 3.4 Bảng tính độ lún 73

Bảng 3.6 Bảng tính độ lún 75

Bảng 3.7 Thông số cọc BTCT 20x20 cm 76

MỞ ĐẦU

1 Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO KÈ TRÊN HỆ THỐNG CỌC, ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH KÈ NGÒI ĐUM- TỈNH LÀO CAI”

2 Tính cấp thiết của đề tài

Tỉnh Lào Cai nói chung và Phường Kim Tân nói riêng chiếm một vị trí quan trọng trong sự phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Lào Cai Đây là đầu mối giao thông của quốc lộ 58 đi các tỉnh lân cận Yên Bái, Phú Thọ, Việt Trì và tới Hà Nội

Hình 1.1 Kè Ngòi Đum – Tỉnh Lào Cai

Người dân sinh sống hai bên bờ sông, khu vực phường Kim Tân đang hết sức lo lắng khi hiện tượng sạt lở bờ ngày càng mạnh và có xu hướng xâm nhập sâu vào khu dân

cư

Trong những năm qua, Chính quyền các cấp của tỉnh Lào Cai đã đầu tư rất nhiều vào việc xây dựng các công trình kè bảo vệ bờ sông Tuy nhiên, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và tác động của quá trình phát triển kinh tế xã hội nên xu thế sạt lở bờ sông ngày càng trở nên trầm trọng và nếu không có biện pháp kịp thời để bảo vệ bờ thì tính mạng và tài sản của người dân sẽ bị đe dọa nghiêm trọng Vì thế, việc xây dựng tuyến

kè để bảo vệ bờ sông khỏi bị sạt lở, làm tăng khả năng thoát lũ, truyền triều của sông, đồng thời tạo vẻ mỹ quan cho khu vực đô thị là hết sức cần thiết, đáp ứng được mong muốn của người dân trong khu vực nói riêng và trong huyện, trong tỉnh nói chung Tuyến kè bảo vệ bờ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng hệ thống kết cấu hạ tầng khu vực góp phần phát triển kinh tế xã hội của Phường

Mục tiêu của đề tài

- Phân tích và đánh giá các giải pháp chống sạt lở, ổn định bờ sông, bảo vệ các khu dân cư, kết cấu hạ tầng ở phường Kim Tân

- Nghiên cứu tính toán ổn định của kè trên hệ thống cọc

- Phân tích các phương pháp tính toán ổn định, lựa chọn nhằm tìm ra phương pháp phù hợp tiếp cận với ứng xử của công trình để tính toán ổn định cho kè được gia cố bằng cọc và áp dụng cho công trình thực tế

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

a Cách tiếp cận

Đề tài luận văn liên quan đến vấn đề giải pháp công trình bảo vệ bờ sông cho một vùng nghiên cứu cụ thể, vì vậy sẽ tiếp cận từ thực tiễn qua việc điều tra, khảo sát những diễn biến về lòng sông, bờ sông vùng nghiên cứu và những khu vực tương tự khác trong và ngoài tỉnh kết hợp với quay phim, chụp ảnh, phỏng vấn các ngành chức năng và người dân địa phương tại những vùng bờ sông bị sạt lở để tìm hiểu nguyên nhân

Tiếp cận mô hình toán: xây dựng mô hình kiểm định ổn định mái dốc bằng phần mềm Geostudio

Tiếp cận từ các nguồn thông tin (trên mạng, tài liệu thu thập từ các đề tài, dự án có liên quan), từ nguồn tri thức khoa học (các đề tài, luận văn, luận án đã thực hiện) để giải quyết vấn đề

b Phương pháp nghiên cứu sau:

1 Thu thập, phân tích, tổng hợp các tài liệu, các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác đã công bố trong và ngoài nước liên quan đến luận án

2 Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích vấn đề nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết về ổn định của kè theo phương pháp cân bằng giới hạn phân thỏi và phương pháp phần tử hữu hạn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÈ VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO KÈ

Bờ sông chịu tác động của dòng chảy nên dễ bị xói lở, cần phải làm kè bảo vệ Trong các trường hợp khác, do nhu cầu phát triển kinh tế, xây dựng các điểm du lịch cảnh quan ven bờ sông vùng đô thị cũng có nhu cầu kè bờ Tổng quan về các giải pháp xây dựng kè chống sạt lở bờ sông, biển hiện nay:

1 Giải pháp thông thường hiện đang sử dụng:

- Trồng các loại cây thân thiện với môi trường để chống sạt lở đất;

- Dùng các loại vật liệu địa phương như cọc gỗ, cừ tràm, ván gỗ …;

- Dùng kết cấu đá xây, gạch xây tại chỗ tạo mái taluy chống sạt lở;

- Dùng kết cấu kè bê tông, bê tông cốt thép đổ tại chỗ;

- Dùng cọc BTCT kết hợp các bản chắn đất;

- Dùng cọc ván thép;

- Dùng kết hợp các giải pháp trên

2 Sử dụng công nghệ mới (cọc ván Dự ứng lực): Dùng cọc ván bê tông dự ứng lực

1.1 Tình hình xây dựng kè trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tình hình xây dựng kè trên thế giới

Ngày nay ở các nước như Hà Lan, Mỹ, Nhật … với sự phát triển của khoa học công nghệ, vật liệu mới và máy móc thi công hiện đại đã xây dựng được các hệ thống công trình kiên cố nhằm chống lại những ảnh hưởng từ biển với tần suất hiếm Trước đây quan điểm thiết kế đê kè truyền thống ở các nước châu Âu là hạn chế tối đa sóng tràn qua do vậy cao trình đỉnh đê kè rất cao nhưng rủi ro khi xảy ra sự cố thì hậu quả là rất lớn Trong những năm gần đây, tư duy và phương pháp luận thiết kế đê kè ở các nước phát triển đã và đang có sự biến chuyển rõ rệt Giải pháp kết cấu, chức năng và điều kiện làm việc của đê kè được đưa ra xem xét một cách chỉnh thể hơn theo quan điểm

hệ thống, bền vững và hài hòa với môi trường Về cấu tạo hình học và kết cấu: Khi xây dựng hoặc nâng cấp đê lên rất cao để chống (không cho phép) sóng tràn qua thì dẫn đến công trình rất đồ sộ, gây ảnh hưởng đến cảnh quan của vùng bờ Tuy nhiên vẫn có thể bị hư hỏng do áp lực sóng lớn dẫn tới thiệt hại khôn lường Thay vào đó ta có thể xây dựng để chịu được sóng tràn qua đê kè, nhưng không thể bị vỡ Tất nhiên khi chấp

nhận sóng tràn cũng có nghĩa là chấp nhận một số thiệt hại nhất định ở vùng phía sau được bảo vệ, tuy nhiên so với trường hợp vỡ đê kè thì thiệt hại trong trường hợp này là không đáng kể Đặc biệt là nếu như một khoảng không gian nhất định phía sau ta quy hoạch thành vùng đệm đa chức năng để thích nghi với điều kiện bị ngập ở một mức độ

và tần suất nhất định Đây chính là cách tiếp cận theo quan điểm hệ thống, lợi dụng tổng hợp, và bền vững vùng bảo vệ bờ ComCoast (Combining Functions in Coastal Defence Zone) của liên minh Châu Âu

Trên thế giới, nghiên cứu đánh giá hiệu quả các công trình bảo vệ bờ được đề cao nhằm tạo cơ sở cho các nghiên cứu các công trình, kết cấu mới để tăng cường khả năng bảo vệ bờ và chỉnh trị sông Những quốc gia đi đầu trong lĩnh vực này phải kể đến như Hà Lan, Đan Mạch, Trung Quốc, Mỹ…

Hình 1.2 Kè Sông tại Hà Khẩu – Trung Quốc

Thế giới đang đứng trước nguy cơ do biến đổi khí hậu toàn cầu Các nước phát triển như Hà Lan, Anh, Mỹ… đều đã có những bước đi mạnh dạn, nhằm đón đầu các khả năng xấu nhất có thể xảy ra như: Rà soát, đánh giá lại hiệu quả của các công trình hiện

tại, từ đó đề xuất các biện pháp xử lý, nâng cao đê, gia cố lại kè, nâng tần suất thiết kế…

Hình 1.3 Kè đê biển theo công nghệ Hà Lan

1.1.2 Tình hình xây dựng và các giải pháp cho kè ở Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam có rất nhiều các giải pháp công nghệ chống sạt lở bờ sông được

áp dụng, tuy nhiên tùy từng vùng miền địa chất khu vực mà có các giải pháp phù hợp Vât liệu làm kè, kết cấu kè cũng có nhiều loại được phân tích dưới đây:

* Dạng tường đứng

+ Ưu điểm:

- Khối lượng vật liệu ít, đòi hỏi duy tu không nhiều, có thể sử dụng mặt trong của kè

để neo đậu tàu thuyền

- Phần thẳng đứng thường được gia công trên bờ (chủ động công nghệ chế tạo) nên bảo đảm chất lượng

- Giải pháp thi công và tốc độ thi công hiệu quả cao

+ Nhược điểm:

- Phản lực mặt đứng tương đối lớn, dễ mất ổn định, nên chỉ sử dụng thích hợp với

vùng có nền địa chất tương đối tốt Nhiều sự cố đã xảy ra với loại kè này sẽ trình bày trong phần sau

- Công nghệ thi công hiện đại, đòi hỏi độ chính xác cao

Các hình thức tường đứng có thể áp dụng: tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTDUL) có neo

* Các loại kè tường đứng đang được sử dụng

+) Cừ bản BTCTDUL

Từ trước đến nay các công trình xây dựng, giao thông, cầu cảng, công trình kè chống xói lở bảo vệ bờ sông, bờ biển vật liệu thường được sử dụng là cọc bê tông + tường chắn để gia cố bảo vệ Do vậy, khối lượng vật liệu sử dụng thường rất lớn, thời gian thi công kéo dài ảnh hưởng đến sinh hoạt và cuộc sống của nhân dân

Trên thế giới từ những năm 1990 ở các nước phát triển như Nhật Bản, Hà Lan, Mỹ, đã nghiên cứu và ứng dụng phổ biến công nghệ cừ bê tông cốt thép dự ứng lực (Prestressed Concrete Sheet Piles) thay thế công nghệ truyền thống trên

Dạng tường đứng cừ BTCTDUL tính ưu việt đã được khẳng định và dần trở thành sự lựa chọn để gia cố bờ tại các khu vực dân cư đông đúc và hạn chế giải tỏa đền bù Việc lựa chọn có neo hay không neo phụ thuộc vào tính chất đất nền, khả năng đáp ứng cho việc bố trí thiết bị đóng cọc dài và yêu cầu khai thác tuyến kè

Hình 1.4 Kè tường đứng 2.2.1.1 Dạng mái nghiêng

+ Ưu điểm:

- Tiêu hao năng lượng sóng triệt để nên phản xạ sóng nhỏ không gây nhiễu động cho vùng phụ cận

- Tận dụng được nguồn vật liệu địa phương Cao trình đỉnh có thể giảm thấp do hạn chế được chiều cao sóng leo

- Thiết bị thi công đơn giản có thể kết hợp được cả thiết bị hiện đại, thô sơ và thủ công trong cùng một công trường

- Công tác tính toán ổn định mái bờ đơn giản không cần đòi hỏi thăm dò địa chất quá sâu

+ Nhược điểm:

- Lượng vật liệu và sức lao động tổn hao nhiều trong trường hợp độ sâu lớn

- Hạn chế tận dụng được các mép kè trong và ngoài để neo đậu tàu thuyền

Hình 1.5 Kè mái nghiêng

Tốc độ thi công chậm, thường phải kết hợp đê quây và thi công vào lúc triều rút

- Chân kè thường ảnh hưởng đến luồng tàu và diện tích mất đất lớn, khó kết hợp làm đường giao thông phía trong kè

2.2.1.2 Các hình thức gia cố bảo vệ mái nghiêng

- Các hình thức bảo vệ bờ đã và đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới rất phong phú, đa dạng

2.2.1.3 Bảo vệ bằng kết cấu tơi rời

- Loại kết cấu tơi rời linh hoạt bao gồm đá tự nhiên, đá chẻ, bê tông đúc sẵn lắp ghép

liên kết với nhau bằng ma sát, bảo vệ bờ bằng chính trọng lượng bản thân Loại cấu kiện này dễ biến dạng theo nền, dễ sửa chữa song để chống được sóng thì trọng lượng của từng cấu kiện phải rất lớn

- Thế ổn định tổng thể vững chắc, vì vật liệu rời nếu xảy ra mất ổn định cục bộ (lún, sụt…) ít ảnh hưởng đến toàn bộ tuyến kè Do đó thích hợp với hầu hết các loại đất nền

Sự lồi lõm của địa hình không ảnh hưởng đến thi công, thích ứng được với tác động moi, xói của sóng

- Một số loại kết cấu tơi rời linh hoạt có khả năng tự điều chỉnh được nên khá ổn định Tuy nhiên, loại kết cấu này chủ yếu dùng để giảm năng lượng sóng đánh trực tiếp vào bờ nên thường chỉ áp dụng trong các công trình đê biển Trước đây, có xu hướng chế tạo các cục bê tông âm dương xếp ngàm vào nhau Hiện nay, có xu hướng chuyển sang chế tạo các cột bê tông ổn định bằng trọng lượng Kết cấu này có ưu điểm giảm được áp lực âm do sóng đẩy mái kè bật lên Ứng dụng công nghệ này không những thi công bằng thủ công mà thi công cả bằng cơ giới và chuyên môn hóa cao Đây là hình thức gia cố có tính thẩm mỹ cao, có khả năng chống xói tốt Tuy nhiên điều kiện thi công là tương đối khó khăn đối với khu vực nước sâu, đất mềm yếu

- Tiến bộ hơn là kè được cấu tạo bởi các khối bê tông đúc sẵn có dạng khối lập phương, khối chữ nhật, khối lục lăng, khối trụ…xếp liền nhau ở loại này duy trì sự liên kết giữa các khối nhờ ma sát ở các mặt tiếp xúc Để duy trì ổn định khi nó chịu tác dụng của sóng, dòng chảy thì trọng lượng bản thân của từng cấu kiện phải đủ lớn

2.2.1.4 Giải pháp có kết cấu rời linh hoạt tự điều chỉnh

Trong công trình bảo vệ bờ có kết cấu tơi rời, thì trọng lượng của mỗi cấu kiện phải đủ lớn để chống được tác động của sóng và dòng chảy Để giảm trọng lượng của mỗi cấu kiện mà vẫn chống được tác động của sóng và dòng chảy cần liên kết từng cấu kiện có trọng lượng nhỏ lại với nhau thành từng băng dài ghép liền kề nhau hoặc thành mảng lớn Tuy nhiên các liên kết này chỉ thích ứng với các loại nền tương đối ổn định, không

có hiện tượng lún cục bộ lớn, đặc biệt lớp lọc đảm bảo, các mối liên kết bền vững Trên thế giới liên kết linh hoạt tạo thành mảng đã được sử dụng cho nhiều công trình, song các mối liên kết thường bị phá hỏng khi xây dựng trên nền đất yếu Đây chính là những tồn tại hạn chế của loại liên kết này

Để khắc phục người ta sử dụng các cấu kiện riêng biệt có hình dạng hợp lý tự liên kết

có khả năng tự điều chỉnh Nguyên tắc để chế tạo và ứng dụng một cấu kiện phức hình (dị dạng) cho công trình bảo vệ bờ là:

- Trọng lượng phải nhỏ hơn khối bê tông hình hộp trong cùng một điều kiện ứng dụng

- Có tính cài nối cao giữa các khối khi xếp thành lớp

Điều kiện thử nghiệm mỗi khối ở mỗi nước rất khác nhau Vì vậy dưới tác động cùng một số yếu tố tự nhiên giống nhau, có thể trọng lượng chọn khác nhau ở mỗi nơi

2.2.1.5 Giải pháp bảo vệ có kết cấu liền khối

* Bảo vệ bờ bằng đá xây liền khối

Có hai hình thức bảo vệ bờ bằng đá xây liền khối:

- Xây đá bằng cách đổ vữa lót nền, sau đó xây từng viên đá thành tấm có chiều rộng tùy ý, tạo khớp nối bằng bao tải nhựa đường

- Đá chít mạch bằng cách xếp đá chèn chặt, sau đó đổ vữa chít mạch phía trên

+ Ưu điểm:

- Liên kết các viên đá lại với nhau thành tấm lớn đủ trọng lượng để ổn định Các khe

hở giữa các hòn đá được bịt kín chống được dòng xói ảnh hưởng trực tiếp xuống nền

- Sử dụng được các loại đá có kích thước và trọng lượng nhỏ, vật liệu dễ mua, thi công đơn giản dễ dàng

+ Nhược điểm:

- Trong trường hợp mái lún không đều làm cho tấm lớn đá xây, đá chít mạch lún theo tạo vết nứt gãy theo mạch vữa, khi đó dòng chảy sẽ tác động trực tiếp xuống nền, moi vật liệu thân công trình gây lún sập công trình nhanh chóng

- Do thi công tại chỗ nên công việc bảo dưỡng khó thực hiện được hoàn chỉnh dẫn tới chất lượng công trình thường không đạt theo yêu cầu thiết kế

* Bảo vệ bờ bằng tấm bê tông đổ tại chỗ

Công trình bảo vệ bờ cấu tạo bằng tấm bê tông hay BTCT đổ tại chỗ được chia thành các tấm có các kích thước khác nhau: 2x2m, 4x4m, 5x5m, 10x10m, 15x15m hoặc 20x20m Để giảm áp lực đẩy nổi có bố trí thêm các lỗ thoát nước Về mặt kết cấu, loại này thuộc loại kết cấu vĩnh cửu nhưng vì xây dựng trên nền đất yếu và thi công tại chỗ

nên công trình dễ bị đứt gãy sập từng mảng Loại kết cấu này đã được sử dụng ở nhiều nước và thế giới nhưng hiện nay đã hạn chế dùng loại này để bảo vệ bờ

* Bảo vệ bờ bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn

Các cấu kiện bê tông bằng hình hộp vuông hoặc hộp chữ nhật kích cỡ: 1x0.4x0.25m hoặc 0.5x0.5x0.15m… được xây bằng vữa, sau đó trát mặt ngoài một lớp vữa dày 2 -3cm tạo thành từng bản kích thước 2x4m hoặc 2x6m

Cấu kiện bê tông đúc sẵn chất lượng tốt, thi công nhanh nhưng với những khối trọng lượng lớn thì thi công gặp nhiều khó khăn Nếu công tác xây trát không đảm bảo thì dưới tác dụng của sóng và dòng chảy các cấu kiện bê tông bị biến dạng và vật liệu thân công trình dễ bị moi ra gây hư hại công trình

2.2.1.6 Một số loại khác

- Thảm rọ đá

Thảm đá Reno Mattress gồm có 4 bộ phận: tấm đáy, tấm mặt bên, vách ngăn và nắp đậy Mỗi tấm được gia công từ sợi lưới thép bện xoắn đôi hình lục giác nung mềm, trong kẽm và bọc một lớp PVC đặc biệt, liên tục dày từ 0,4-0,6mm ở mặt đáy, các mặt bên và mặt ngoài cùng của mỗi tấm thảm là các tấm lưới liên tiếp nhau tạo thành một khoang chứa nhiều ngăn có mặt trên hở Vách ngăn được đặt cách nhau 1m Mặt đáy, vách ngăn nắp đậy cũng dùng loại lưới tương tự ở tất cả mép của tấm vách lưới đều có dây thép tráng kẽm bọc PVC với đường kính lớn hơn loại dây dùng để đan lưới nhằm tăng cường thêm khả năng chịu lực của kết cấu

Hình 1.6 Thảm rọ đá

+ Ưu điểm:

Kết cấu thảm đá chịu được áp lực của sóng và dòng chảy tác động Do lưới thép được bọc một lớp PVC đặc biệt nên có thể chống lại sự ăn mòn, bảo vệ công trình trong môi trường nước mặn và môi trường bị ô nhiễm

Lưới bện kép hình lục giác cho phép kết cấu chịu được lún không đều khá lớn mà không bị đứt gãy Đặc điểm này đặc biệt quan trọng khi kết cấu được đặt trên nền đất không ổn định ở vùng có thể bị xói ngầm do sóng và dòng chảy tác động

Thảm đá có thể làm chức năng thoát nước giúp giảm áp lực lên mái dốc, giữ cho mái đất ổn định

Nguồn vật liệu luôn có sẵn, ít phải bảo dưỡng

+ Nhược điểm:

Trọng lượng của thảm rất nặng mà diện tích thảm không lớn, phải nối nhiều thảm mới kín được lòng sông

Thi công các công trình lòng sông cần bảo vệ tới độ sâu lớn hơn 10m gặp rất nhiều khó khăn, vị trí cần trải thảm không chính xác, mức độ lún, trượt của mỗi thảm khác nhau, các thảm chồng lên nhau hay tách xa nhau khó điều chỉnh, đặc biệt ở mái sông

có nền mềm yếu, lún không đều đã làm cho các thảm lệch nhau, hở nền đất bị xói trôi mất ổn định

Thẩm mỹ kém, hay bị đứt sợi thép Với các vùng du lịch rác rưởi, túi nilông bám vào trong rất mất mỹ quan

Gia cố mái kè bằng cấu kiện bê tông Tsc-178

Thảm bê tông tự chèn theo sáng chế của Tiến sỹ Phan Đức Tác đã được thử nghiệm trong nhiều công trình Đây là một dạng mới trong xây dựng công trình bảo vệ bờ Hình thức gia cố đẹp, đảm bảo khả năng chống xói lở mái Tuy nhiên do nền địa chất yếu thường bị lún sụt cục bộ và khi lún sụt khó thay thế sửa chữa Rất khó khăn trong việc thi công tại vị trí nước sâu

Thảm bê tông FS

Thảm FS được cấu tạo bằng cách bơm bê tông tươi vào trong các ống vải ĐKT định dạng Vật liệu định dạng thảm bê tông (Fabric formwork) được cấu tạo bởi hai lớp vải địa kỹ thuật đặc biệt loại dệt (Woven geotextile) có độ bền cao tạo khuôn vải cho phép bơm bê tông ( hoặc vữa xi măng vào trong để tạo thành thảm bê tông bền chắc chống thấm và bảo vệ công trình

Công nghệ và vật liệu thảm bê tông được phát minh từ năm 1996 của nhóm các chuyên gia Công ty Losiger - Thụy Sĩ ( bằng sáng chế số 784625) và sau đó được hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi ở các nước Mỹ, Nhật, Hà Lan, Hàn Quốc…

Hình 1.7 Thảm bê tông

+ Ưu điểm cơ bản của thảm bê tông:

- Biện pháp thi công đơn giản, thời gian thi công nhanh chóng

- Thích hợp với nền mềm yếu do phân bố lực đều, vữa bê tông trải che kín nền, trải liên tục từ dưới lên trên

- Thảm bê tông có thể thi công trong điều kiện ngập nước, nơi thường xuyên có dòng chảy mà không cần các biện pháp xử lý đắp đê quây hoặc tháo nước làm khô hố móng

- Vật liệu định dạng thảm bê tông bằng sợi tổng hợp có độ bền cao, trọng lượng nhẹ nên thuận lợi khi vận chuyển và thi công, đặc biệt ở những nơi có địa hình phức tạp Thảm bê tông có nhiều loại: loại tiêu chuẩn ( Standard type) dạng lưới ( mesh type), dạng phiến (Slab type) và dạng tấm lọc (fillter type) Tùy tính chất từng công trình, điều kiện địa chất, địa hình và thủy văn dòng chảy để tính toán chọn loại thảm bê tông

có kích thước và độ dày phù hợp

Thảm bê tông có độ dày 5-50cm:

- Loại thảm có chiều dày 5-15cm: bơm vật liệu vữa xi măng (Mortar)

- Loại thảm có chiều dày 20-50cm: bơm vật liệu bê tông (concrete) Thông thường thảm bê tông chống xói lở bờ dùng loại có độ dày 15-30cm

1.2 Các phương án kết cấu kè được đề xuất:

Tính toán thiết kế kè lát mái cần xác định các thông số sau:

Vị trí, phạm vi và quy mô: Phải xác định bằng tính toán thuỷ lực và ổn định hoặc theo kết quả thí nghiệm mô hình kết hợp với quan trắc thực địa Trường hợp xử lý đột xuất, cục bộ cần căn cứ vào tình hình xói lở thực tế để xác định

Cao trình đỉnh chân kè: Được lấy cao hơn mực nước kiệt 95% với độ cao gia tăng là 0,5m

Đáy chân kè: Khi tốc độ dòng chảy nhỏ hơn 2m/s, đường lạch sâu xa bờ, kéo dài chân

kè đến chỗ mái bờ có hệ số mái dốc từ 3 - 4 Khi dòng chảy thúc thẳng vào tuyến kè, lạch sâu sát bờ, kéo chân kè tới lạch sâu

Kết cấu chân kè: Thường làm bằng các loại vật liệu như đá hộc, rồng đá, rọ đá, thảm đá, để tiện việc thi công trong nước

Mái kè: Hệ số mái xác định theo kết quả tính toán ổn định

Việc xây dựng kè lát mái đơn giản hơn hệ thống mỏ hàn, kinh phí thấp hơn, ít ảnh hưởng tới thoát lũ, giao thông thuỷ nên xu thế hiện nay thường sử dụng giải pháp này Tuy nhiên nó ít có tác dụng cải thiện đường bờ, diện tích chiếm đất lớn

Hình 1.9 Hình ảnh kè lát mái

b Giải pháp kè mềm

Là loại kè không kín nước (còn gọi là kè xuyên thông) nhằm làm giảm tốc độ dòng chảy, gây bồi lắng Thường sử dụng hai loại là bãi cây chìm hoặc mỏ hàn cọc

Hình 1.10 Mỏ hàn cọc

- Bãi cây chìm: Thường sử dụng cụm cây tre nguyên cành lá thả theo hình hoa mai

- Mỏ hàn cọc: Thường sử dụng trong trường hợp chiều dài mỏ hàn lớn hơn 50m, khả năng chống xói của đất bờ thấp và phải có thiết bị đóng cọc

c Giải pháp kè dạng tường đứng

Kè có hình thức như một tường chắn đất bằng bê tông, bê tông cốt thép hoặc đá xây Theo Hướng dẫn thiết kế tường chắn công trình thuỷ lợi H.D.T.L-C-4-76 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, trong các công trình thuỷ lợi thường sử dụng tường chắn có dạng kết cấu sau:

Tường khối (liền khối): Bằng bê tông, đá hộc hoặc gạch xây, sự ổn định của tường chủ yếu nhờ trọng lượng bản thân Kích thước mặt cắt tường được xác định từ điều kiện ổn định về lật với giả thiết hình thành khe thông suốt tại mặt cắt tính toán

Tường bản góc (liền khối): Bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép, sự ổn định của tường chủyếu nhờ trọng lượng khối đất đè lên bản đáy và trọng lượng bản thân tường Kích thước mặt cắt tường được xác định từ điều kiện độ bền chống nứt tại những vùng chịu kéo

Tường bản góc có chống (liền khối): Bằng bê tông cốt thép, làm việc như tường bản góc Bản chống có tác dụng làm tăng độ cứng và tính ổn định

Tường ngăn kiểu tổ ong (Lắp ghép): Bằng bê tông cốt thép, sự ổn định của tường chủ yếu nhờ trọng lượng đất, cát đổtrong các ngăn Các bản đứng lắp ghép làm tăng thêm

độ cứng của tường

Tường mái nghiêng (liền khối): Bằng BTCT, đá hộc hoặc gạch xây Tính ổn định chống lật lớn do giảm được áp lực đất tác dụng lên lưng tường

Tường bản góc có chống (lắp ghép hoặc liền khối lắp ghép): Bằng BTCT, có tác dụng tiết kiệm cốt thép, tốc độthi công nhanh

Tường bê tông cốt thép xây dựng nơi nền đất không tốt thường chỉ áp dụng cho kè đi qua các trung tâm thị trấn, thị xã, thành phố có yêu cầu tính mỹ thuật Khi kè trên nền đất yếu thì việc sử dụng tường chắn sẽ đòi hỏi xử lý nền móng phức tạp và tốn kém hơn khi sử dụng kè mái nghiêng.Chân kè thường được gia cố bằng các loại cọc.Đây là giải pháp xử lý phần chân kè cho những đoạn kè có tầng đất yếu dưới cơ kè không dày lắm, có thể đóng được cọc đến tầng đất tốt

Hình 1.11 Kết cấu kè tường đứng trên nền cọc

1.3 Ứng dụng cọc trong gia cố ổn định kè

Hiện nay, do việc phát triển của khoa học công nghệ cũng như biện pháp thi công tiên tiến, việc thiết kế và thi công móng đã đạt được những bước tiến nhất định Hiện có nhiều phương pháp được áp dụng vào việc xử lý nền đất yếu bằng cọc, tùy vào từng loại công trình( cấp công trình, địa hình, địa chất, mật độ dân cư, các công trình liền kề ) mà ta chọn phương pháp xử lý nền đất yếu bằng loại cọc nào cho thích hợp.Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất…, việc xử lý nền đất yếu còn làm giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp [6]

a Ứng dụng cọc gỗ (cọc tre và cọc cừ tràm)

- Với những loại cọc như cọc gỗ nó có lịch sử phát triển rất lâu đời, hiện nay việc thiết

kế và thi công loại cọc này cũng đã tương đối hoàn thiện, đã có những quy phạm, tiêu chuẩn áp dụng cho việc tính toán thiết kế, triển khai thi công và kiểm tra chất lượng Việc thi công cọc gỗ rất đơn giản thuận tiện, trước đây chủ yếu thi công bằng thủ công, gần đây việc thi công đã được sử dụng máy móc hoàn toàn, tốc độ thi công nhanh và đảm bảo chất lượng công trình

Hình 1.12 Gia cố bờ bằng cọc tre

- Phạm vi áp dụng của cọc tre và cọc cừ tràm:

+ Cọc tre và cọc cừ tràm là giải pháp để xử lý nền cho công trình có tải trọng nhỏ trên nền đất yếu Đóng cọc tre và cọc cừ tràm là một phương pháp gia cố nền đất yếu hay dùng trong dân gian thường chỉ dùng dưới móng chịu tải trọng không lớn Cọc tràm và tre có chiều dài từ 3 – 6m được đóng để gia cường nền đất với mục đích làm tăng khả năng chịu tải và giảm độ lún,nâng cao độ chặt của đất, giảm hệ số rỗng dẫn đến nâng cao sức chịu tải của đất nền

+ Cọc tre được sử dụng ở những vùng đất luôn luôn ẩm ướt, ngập nước Nếu cọc tre làm việc trong đất luôn ẩm ướt thì tuổi thọ sẽ khá cao (50-60 năm và lâu hơn) Nếu cọc tre làm việc trong vùng đất khô ướt thất thường thì cọc rất nhanh chóng bị ải hoặc mục (lúc này lại gây nguy hại cho nền móng)

+ Cọc cừ tram nên sử dụng ở những vùng đất yếu, đất bùn, có sức chịu tải thấp, không nên lạm dụng quá phương pháp xử lý kiểu này

+ Cả hai loại cọc này có ưu điểm là tận dụng được vật liệu địa phương, biện pháp thi công đơn giản

+ Phương pháp tính toán và biện pháp thi công: Phương pháp tính toán và biện pháp thi công đơn giản, giá thành thấp, tiến độ thi công nhanh

b Ứng dụng cọc bê tông và bê cốt thép

Cọc bê tông và bê tông cốt thép là loại cọc được sử dụng và phổ biến nhất ở Việt Nam hiện nay Cọc bê tông cốt thép áp dụng tốt nhất cho các công trình tải trọng không lớn,

và chiều sâu lớp đất yếu không sâu

Hình 1.13 Ứng dụng cọc bê tông trong gia cố kè

Với kè hiện tại khi gặp nền đất yếu thì cần có các biện pháp gia cố để đảm bảo ổn định chân kè và ổn định tổng thể kè Xử lý nền móng phần mái kè, cơ kè bằng cách gia cố các loại cọc ổn định nền móng phần chân kè Đây là giải pháp xử lý phần chân kè cho những đoạn kè có tầng đất yếu dưới cơ kè không dày lắm, có thể đóng được cọc đến tầng đất tốt [6]

c Ứng dụng cọc cừ ván bê tông cốt thép

- Cừ ván bê tông cốt thép hay còn gọi là cọc ván bê tông cốt thép hay tường cọc ván là một dạng đặt biệt của tường chắn đất, thường được sử dụng để bảo vệ các công trình

ven sông kết hợp với việc chống xói lở bờ sông Từ trước đến nay các công trình xây dựng, giao thông, cầu cảng, công trình kè vẫn thường được sử dụng là cọc bê tông và tường chắn để gia cố và bảo vệ bờ nhưng các vật liệu trên ngày nay không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng vì khối lượng vật liệu lớn, thời gian thi công kéo dài ảnh hưởng đến sinh hoạt và cuộc sống của người dân

Hình 1.14 Cọc cừ ván bê tông cốt thép

- Cọc cừ ván bê tông rẻ hơn cọc cừ larsen

- Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực tận dụng được hết khả năng làm việc chịu nén của bê tông và chịu kéo của thép, tiết diện chịu lực ma sát tăng từ 1.5 ÷ 3 lần so với loại cọc vuông có cùng tiết diện ngang (khả năng chịu tải của cọc tính theo đất nền tăng)

- Khả năng chịu lực tăng: mô men chống uốn, xoắn cao hơn cọc vuông bê tông thường, do đó chịu được mômen lớn hơn

- Sử dụng vật liệu cường độ cao(bê tông, cốt thép) nên tiết kiệm vật liệu Cường độ chịu lực cao nên khi thi công ít bị vỡ đầu cọc, mối nối Tuổi thọ cao

- Có thể ứng dụng trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau

- Chế tạo trong công xưởng nên kiểm soát được chất lượng cọc, thi công nhanh, mỹ quan đẹp khi sử dụng ở kết cấu nổi trên mặt đất

- Chế tạo được cọc dài hơn (có thể đến 24m/cọc) nên hạn chế mối nối

- Sau khi thi công sẽ tạo thành 1 bức tường bê tông kín nên khả năng chống xói cao, hạn chế nở hông của đất đắp bên trong

- Kết cấu sau khi thi công xong đảm bảo độ kín, khít Với bề rộng cọc lớn sẽ phát huy tác dụng chắn các loại vật liệu, ngăn nước Phù hợp với các công trình có chênh lệch

áp lực trước và sau khi đóng cọc như ở mố cầu và đường dẫn

- Cường độ chịu lực cao: tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng độ cứng

và khả năng chịu lực của ván

- Tuổi thọ công trình cũng được nâng cao lên, bởi cọc ván BTCT dự ứng lực được sản xuất từ những vật liệu có cường độ cao, khả năng chịu lực tốt nên giảm được rất nhiều trọng lượng vật tư cho công trình, dễ thay thế cọc mới khi những cọc cũ gặp sự cố Hơn nữa, cũng nhờ thép được chống gỉ, chống ăn mòn, không bị oxy hóa trong môi trường nước mặn cũng như nước phèn, chống được thẩm thấu nhờ sử dụng bằng vật liệu Vinyl cloride khá bền vững

Nhược điểm:

- Gần khu vực nhà dân không dùng đóng ngoài ra nếu thi công phải tránh chấn động

- Trong khu vực xây chen phải khoan mồi rồi mới ép được cọc, nên tiến độ thi công tương đối chậm

- Công nghệ chế tạo phức tạp hơn cọc đóng thông thường

- Thi công đòi hỏi độ chính xác cao, thiết bị thi công hiện đại hơn (búa rung, búa thuỷ lực, máy cắt nước áp lực…)

- Giá thành cao hơn cọc đóng truyền thống có cùng tiết diện

- Ma sát âm (nếu có) tác dụng lên cọc tăng gây bất lợi khi dùng cọc ván chịu lực như cọc ma sát trong vùng đất yếu

- Khó thi công theo đường cong có bán kính nhỏ, chi tiết nối phức tạp làm hạn chế độ sâu hạ cọc[5]

d Ứng dụng cọc ống bê tông cốt thép

Đây là loại công trình sử dụng các cọc ống BT để tạo thành thân mỏ.Loại công trình này đã được ứng dụng ở Trung Quốc và Băngladet Qua quá trình vận hành thực tế cho thấy loại công trình cọc ống này có tác dụng đẩy dòng, đã khống chế một cách cơ bản thế sông và xu thế sạt lở bờ, có tác dụng cản dòng gây bồi rõ rệt [5]

1.4 Sự cần thiết phải nghiên cứu

Sự ổn định lâu dài của kè sông có liên quan mật thiết với đặc điểm cấu trúc địa chất và các yếu tố địa chất động lực và thủy văn tương ứng.Tính toán ổn định cho kè sông phải được xét đầy đủ trong một môi trường thủy địa cơ biến đổi Qua thực tế cho thấy có rất nhiều tuyến, đoạn kè sau khi đã được xử lý mới chỉ trong một thời gian ngắn, hoặc chỉ qua thử thách của một mùa lũ vẫn tiếp tục bị sạt trượt ngay tại vị trí đã được xử lý Sự sạt trượt mái kè dẫn tới làm giảm tác dụng bảo vệ và kéo theo việc sửa chữa rất phức tạp và tốn kém Như vậy công tác thiết kế xây dựng kè bảo vệ bờ cần phải được xem xét một cách thỏa đáng hơn từ nhiều góc độ nhằm đảm bảo tính ổn định lâu dài cho công trình

Cách tính chưa bám sát điều kiện thực tiễn, mất thời gian, sai số tính toán … nên cần tính toán bằng phần mềm và sử dụng phần tử hữu hạn để tính toán

1.5 Kết luận chương

Thiệt hại hàng năm do hiện tượng xói lở bờ sông là rất lớn Vấn đề theo dõi, nghiên cứu sâu từ đó làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất được giải pháp kè bờ có hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật là hết sức cần thiết và cấp bách

Có nhiều loại kè bờ đã được ứng dụng như giới thiệu ở trên, mỗi loại có những ưu và nhược điểm khác nhau, phạm vi ứng dụng khác nhau Việc lựa chọn kết cấu kè phải dựa vào các điều kiện cụ thể (1) Điều kiện tự nhiên (địa hình, địa chất, tính ăn mòn của môi trường, (2) Mục đích sử dụng khác: ngoài chức năng bảo vệ chống xói lở, kè có thể còn có yêu cầu làm bến neo đậu thuyền, điểm ngăm cảnh, đường đi dạo, (3) Điều kiện thi công (4) Khả năng đầu tư (vốn) và (5) Các yêu cầu khác

Phạm vi nghiên cứu của luận văn: Luận văn đi sâu vào kè bảo vệ bờ sông với các yêu cầu cụ thể sau:

1 Kè được xây dựng để bảo vệ bờ Trước tiên phải xây dựng kè để làm chống sạt lở

bờ sông cho khu vực phía trong trong quá trình thi công cũng như khai thác lâu dài sau

này Trong quá trình thi công phải bảo đảm vệ sinh môi trường vùng vịnh (không để bùn chảy vảo hoặc đẩy trồi vào ra ngoài vùng cho phép)

2 Kè phải có dạng tường đứng Phía trong kè là một tuyến đường giao thông nội bộ, tải trọng xe H13 Kết cấu kè phải đảm bảo mỹ thuật, cảnh quan

3 Trong khả năng kinh tế cho phép của chủ đầu tư

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN

ĐỊNH CHO KÈ TRÊN HỆ THỐNG CỌC 2.1 Độ bền, sức kháng cắt của đất

2.1.1 Sức kháng cắt của đất

Đất nền công trình, công trình bằng đất hoặc khối đất đắp sau vật chắn … thường bị phá hoại dưới dạng nền hoặc khối đất đắp bị trượt như hình 2-1 Sự trượt xảy ra theo một mặt nào đó trong khối đất như hình vẽ là do ứng suất  (do tải trọng ngoài gây ra) tại các điểm trên mặt nào đó quá lớn, lớn bằng cường độ chống cắt o Khi trượt, khối đất chuyển dịch lớn gây mất ổn định nền hoặc khối đất đắp dẫn đến hư hỏng công trình Như vậy cường độ chống cắt 0 của đất là nhân tố chủ yếu quyết định đến sự ổn định của khối đất( nền, đất đắp) và an toàn công trình

Hình 2.1 Hình ảnh mặt trượt công trình

Đất tuy là môi trường rời rạc phân tán có nhiều lỗ rỗng nhưng có khả năng chống cắt nhất định do các yếu tố sau đây tạo thành :

- Giữa các hạt có ma sát bề mặt tạo nên lực ma sát

- Giữa các hạt có chất liên kết tạo nên lực liên kết

- Các hạt sắp xếp xen cài vào nhau tạo nên lực cản khi bị cắt

Khả năng chống cắt đó của đất được đánh giá bằng cường độ chống cắt o tại từng điểm trên mặt trượt

Cường độ chống cắt o được hiểu là : lực chống trượt lớn nhất trên một đơn vị diện tích tại mặt trượt khi khối đất này trượt lên khối đất kia

Cường độ chống cắt trước hết phụ thuộc ứng suất pháp (do tải trọng ngoài gây ra) tác dụng tại mặt trượt.Đó là điều khác biệt quan trọng của đất so với vật liệu xây dựng khác Ngoài ra, cường độ chống cắt còn phụ thuộc vào cường độ ma sát bề mặt, lực liên kết và lực cản giữa các hạt đất Các yếu tố này lại phụ thuộc vào chủ yếu vào loại đất và tính chất cơ lý của chúng :

- Kích thước và hình dạng hạt đất

- Thành phần khoáng vật và thành phần cấp phối hạt

- Độ chặt và độ ẩm của đất

- Tốc độ tăng tải và điều kiện thoát nước của đất v.v…

Do phụ thuộc nhiều yếu tố nên việc xác định cường độ chống cắt o rất khó chính xác, việc xử lý thống kê và chọn dùng hợp lý kết quả thí nghiệm gặp nhiều khó khăn

Dưới đây sẽ lần lượt trình bày định luật cơ bản về cường độ chống cắt, điều kiện ứng suất giới hạn, phương pháp xác định các đặc trưng cường độ chống cắt và một số vấn

đề có liên quan

Định luật về cường độ chống cắt của đất

Năm 1773, trên cơ sở kết quả thí nghiệm cắt đối với đất cát C.A.Coulomb (Cu lông)

đã nêu biểu thức xác định cường độ chống cắt của đất cát như sau:

o = tg (2.1) Trong đó :

o - Cường độ chống cắt tại một điểm trên mặt cắt

 - ứng suất pháp tác dụng trên mặt cắt tại điểm đó

 - góc ma sát trong của đất cát

Coulomb tiếp tục làm thí nghiệm cắt với đất dính và đề xuất biểu thức xác định cường độ chống cắt của đất dính dưới đây :

0 = tg + c (2.2) Trong đó : c – lực dính của đất

Biểu thức (2.1) và (2.2) biểu diễn lần lượt quy luật về cường độchống cắt của đất rời

và đất dính, gọi chung là định luật coulomb về cường độ chống cắt của đất

Đối với đất rời (ví dụ đất cát) c=0, do đó có thể coi biểu thức (2.1) là trường hợp đặc biệt của biểu thức (2.2)

Định luật coulomb có thể biểu diễn bằng đồ thị quan hệ giữa cường độ chống cắt 0 và ứng suất pháp  tác dụng trên mặt cắt hình 2-2 và 2-3

Hình 2.2 Định luật coulomb với đất rời

Hình 2.3 Định luật coulomb với đất dính

Từ biểu thức (2.1) và đồ thị hình 2-2 thấy rằng o và  có quan hệ đường thẳng và tỷ

lệ thuận với nhau Khi  =0 thì o = 0, điều đó chứng tỏ cường độ chống cắt của đất rời

do lực ma sát giữa các hạt đất trên mặt trượt tạo thành

Còn với đất dính, tức biểu thức (2.2) và đồ thị hình 2-3, thấy rằng cường độ chống cắt gồm lực ma sát (tg) và lực dính (c) tạo thành Khi  = 0, đường thẳng 0~ cắt trục tung tại tung độ c, tức cường độ chống cắt của đất dính lúc đó chỉ còn lực dính c tạo thành

Cần chỉ rõ rằng , c là hai tham số toán học của đường thẳng quan hệ o~

Về ý nghĩa vật lý  ,c có thể quy ước coi là đại lượng đặc trưng khả năng ma sát bề mặt và lực dính kết giữa các hạt đất

Định luật Coulomb trình bày trên đây là những quan hệ đường thẳng chỉ phản ánh gần đúng cường độ chống cắt của đất.Trên thực tế, nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy quan

hệ giữa cường độ chống cắt 0 của đất và áp lực pháp tuyến  không phải là đường thằng mà có dạng đường cong (hình 2-4) Ngoài ra, cách giải thích coi các đại lượng 

và c như góc ma sát trong và lực dính của đất không thể xem là thỏa đáng, chỉ nên xem

là những tham số toán học hơn là những đại lượng có ý nghĩa vật lý rõ ràng

Vì vậy, một số tác giả kiến nghị xác định cường độ chống cắt của đất dính theo công thức sau đây:

0= itg i (2.3)

Trong đó :

 i - Góc chống cắt, góc nghiêng của đoạn thẳng nối gốc tọa độ với điểm với điểm

Mi trên đường Coulomb có ứng suất pháp i (hình 2-4)

Tgi - hệ số chống cắt của đất, có thể dễ dàng suy ra từ hình 2-5 như sau:

Hình 2.4 Đường Coulom kéo dài

Đối với đất dính, cường độ chống cắt còn có thể biểu diễn dưới dạng thứ ba như sau (hình 2-5): kéo dài đường Coulomb o =  tang +c gặp trục hoành O tại O‟ Chuyển trục o thành trục o ‟

Bằng cách biểu diễn này chúng ta đã chuyển đất dính thành đất rời Cách biểu diễn này

do Caquot (Pháp) đề nghị, được xem là một nguyên lý gọi là nguyên lý áp lực dính tương đương [1]

2.1.2 Độ bền của đất

2.2.1.7 Trạng thái cân bằng bền và trạng thái cân bằng giới hạn tại một điểm

Điểm M trên hình 2.4 được coi là trạng thái cân bằng bền( cân bằng ổn định) khi tại đó không xảy ra trượt đất và ứng suất tại đó thỏa mãn điều kiện <0, trong đó  là ứng suất cắt do tải trọng công trình gây ra, 0 là cường độ chống cắt của đất

Ngược lại điểm M được coi là ở trạng thái cân bằng giới hạn khi tại đó xảy ra sự trượt đất, các hạt đất trượt lên nhau và có một mặt trượt đi qua điểm đó Tại đó ứng suất  =

0.

2.2.1.8 Điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb

Đẳng thức  = 0 là điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm trong đất Đểnghiên cứu các bài toán về cường độ chống cắt của đất như sức chịu tải của nền, áp lực đất lên vật chắn, ổn định mái dốc v.v… người ta thường biểu diễn điều kiện  = 0 dưới dạng một đẳng thức quan hệ giữa các thành phần ứng suất tại điểm đang xét với đặc trưng cường

độ chống cắt , c của đất Biểu thức đó được thành lập trên cơ sở phân tích trạng thái ứng suất giới hạn tại điểm M

Hình 2.5 Trạng thái ứng suất tại điểm M trong nền đất

Trên hình 2-6 biểu diễn trạng thái ứng suất tại điểm M, gồm các thành phần x, z, xz

và ứng suất chính 1,3( bài toán phẳng)

Theo sức bền vật liệu ta có :

2 2 1,3

22

Trong đó: tr là góc của mặt trượt mn làm với phương ứng suất chính nhỏ nhất 3(hình 2-6)

Vì mặt phẳng mn là mặt trượt nên các ứng suất  tr, tr thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn và tuân thủ định luật Coulomb về cường độ chống cắt :

Vậy I vừa là điểm nằm trên vòng tròn Morh ứng suất giới hạn ( vòng trong B) vừa là điểm nằm trên đường thẳng Coulomb, tức I là tiếp điểm của hai đường này, nghĩa là vòng tròn Mohr ứng suất giới hạn tiếp xúc với đường Coulomb tại I

Xét tam giác CIO, trên hình 2-7b được :

0452

Đây là điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-coulomb

Điều kiện này được hiểu là: nếu một điểm trong đất đạt trạng thái cân bằng giới hạn thì trị số ứng suất tạo đó thỏa mãn đẳng thức (2.10) Ngược lại, nếu trị số ứng suất tại một điểm nào đó thỏa mãn đẳng thức (2.10) thì điểm đó ở trạng thái cân bằng giới hạn [1]

2.2 Bài toán thấm

2.2.1 Cấu trúc thành phần của đất

Đất được tạo thành bởi các hạt đất, các hạt đất tự xắp xếp tạo thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng, trong lỗ rỗng thường chứa nước và khí Như vậy, đất gồm ba thành phần vật chất hợp thành: thể rắn (gồm các hạt đất) là chủ thể, thể lỏng (nước) và thể khí Dưới tác dụng của trọng lực, nước có thể xuyên qua lỗ rỗng trong đất để chuyển động như hình 2-7

Hình 2.7 Nước xuyên qua lỗ rỗng của đập

Sự thấm nước của đất liên quan đến hiệu quả tích nước của đập, cống và liên quan đến hiệu quả dẫn nước và tưới nước của kênh dẫn, bên cạnh đócònliên quan đến ổn định thấm của đất Dòng thấm có khả năng gây mất ổn định của khối đất dẫn đến phá hoại côngtrình [2]

2.2.2 Cấu trúc thành phần của đất

- Đất bão hoà: Đất bão hoà chỉ chứa hạt rắn và nước - lỗ rỗng chứa đầy nước,

nênmôi trường gồm 2 pha, độ bão hoà: Vn/Vr= 1, độ chứa nước thể tích: w= Vn/V =

2.2.3.1 Thế truyền động của pha nước

Thế truyền động của dòng nước thấm xác định năng lượng hay khả năng của dòng Năng lượng tại một điểm được tínhtheo mức chuẩn Mức chuẩn được chọn tuỳ ý vì chỉ gradient năng lượng giữa hai điểm là quan trọng để mô tả dòng thấm

Hình 2.9 Thế truyền động pha nước

Tổng năng lượng tại điểm A có thể hiển thị theo năng lượng trên trọng lượng đơn vị, được gọi là vị thể hay cột nước thuỷ lực.:

g

v g p

u y

w

w w

g p

u y h

w

w

2.2.3.2 Định luật Darcy cho đất

Dòng thấm của nước trong đất bão hoà thường được mô tả bằng định luật Darcy Darcy (1856) phát biểu là tốc độ dòng nước thấm qua khối đất tỷ lệ với gradient cột nước thuỷ lực :

k - hệ số thấm

h/l - gradien cột nước thuỷ lực theo hướng l, có thể ký hiệu là il

Hệ số tỷ lệ giữa vận tốc thấm của nước và gradient cột nước thuỷ lực được gọi là hệ số thấm k Với một loại đất bão hoà cụ thể, hệ số thấm tương đối là hằng số Dấu âm trong phương trình (2.13) biểu thị là các dòng nước thấm chảy theo hướng giảm cột nước thuỷ lực [2]

2.2.4 Phương trình vi phân cơ bản của bài toán thấm

t

Q z

H K z y

H K y x

H K

H K z y

H K y x

H K

2.2.5 Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia miền thấm ra thành các phần tử dạng tứ diện, ngũ diện, bát diện nối với nhau tại các điểm nút

Toạ độ tại mỗi điểm bất kỳ bên trong phần tử x,y được xác định thông qua toạ độ của các điểm nút

x = <N> {X} (2.16)

y = <N> {Y} (2.17)

trong đó: <N> là hàm dạng của phần tử

{X}, {Y}, là toạ độ của các điểm nút phần tử

Cột nước thủy lực h tại mỗi điểm trong phần tử được xác định như sau

h = <N> {H}(2.18)

{H} - cột nước thủy lực tại các điểm nút

Gradient thủy lực theo các phương x, y

T

dA N N q A t H dv N N H

, biến thiên cột nước thủy lực theo t

q = lưu lượng thấm vào biên của phần tử

q

Quá trình thiết lập và giải phương trình (2.22) cho cột nước thủy lực tại các điểm trong miền thấm, các thông số khác của dòng thấm như gradient thấm, lưu lượng thấm được tính từ cột nước thủy lực theo công thức từ 2.19 đến 2.20 [2]