Nghiên cứu, ứng dụng giải pháp tường kè trên hệ cọc bê tông cốt thép để ổn định bờ kè sông cổ chiên của thành phố vĩnh long

Hiện tại tình trạng sạt lở bờ đã và đang gây tai biến, bất ổn định và nhữnh ảnh hưởng nghiêm trọng đối với nhiều công trình, cùng các khu dân cư tại nhiều điểm dọc sông Cổ Chiên đoạn chả

-o0o -

NGUYỄN VĂN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP TƯỜNG KÈ TRÊN HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐỂ ỔN ĐỊNH BỜ

KÈ SÔNG CỔ CHIÊN CỦA THÀNH PHỐ VĨNH LONG

Chuyên nghành: Địa kỹ thuật xây dựng

Mã Số: 60 58 02 11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1: Tổng quan về các nguyên nhân và giải pháp chống sạt lở cho công

trình ven sông hiện nay

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định bờ kè và cọc bê tông cốt thép chịu

tải trọng ngang

Chương 3: Ứng dụng tính toán ổn định cho công trình bờ kè sông Cổ Chiên của

thành phố Vĩnh Long

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/08/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS VÕ PHÁN

Tp HCM, ngày tháng 06 năm 2016.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

PGS.TS VÕ PHÁN PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập đến nay, em đã nhận được rất nhiều

sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô của Bộ môn Địa cơ Nền móng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Phòng sau đại hoc Trường Đại Học Bách Khoa đã truyền đạt kiến thức giúp học viên có những kiến thức căn bản phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu Đặc biệt là sự quan tâm động viên, khuyến khích, sự cảm thông sâu sắc của các thành viên trong gia đình đã khích lệ tinh thần tôi hoàn thành chương trình cao học

Xin cám ơn thầy PGS.TS Võ Phán, người đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ

tôi với những chỉ dẫn quý giá trong suốt quá trình triển khai và hoàn thành luận văn này

Bản thân mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học nên chắc chắn còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm, khó có thể tránh khỏi những thiếu sót, măc dù

đã cố gắng thực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh nhất

Xin kính chúc sức khoẻ các Thầy Cô

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Tuấn Anh

TÓM TẮT

Tên đề tài:

“Nghiên cứu, ứng dụng giải pháp tường kè trên hệ cọc bê tông cốt thép

để ổn định bờ kè sông Cổ Chiên của thành phố Vĩnh Long”

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thưc hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức thực nghiệm, thu thập các số liệu, nghiên cứu khảo sát tình hình thực tế dưới sự hướng dẫn của

thầy PGS.TS Võ Phán

Các số liệu, mô hình tính toán và những kết quả trong luận văn là trung thực, được xuất phát từ thực tiễn, các số liệu, cơ sở lý thuyết được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Tuấn Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP CHỐNG SẠT LỞ CHO CÔNG TRÌNH VEN SÔNG HIỆN NAY 1.1 Tình hình sạt lở ở sông Cổ Chiên 4

1.2 Nguyên nhân và cơ chế gây sạt lở bờ 4

1.2.1 Nguyên nhân 4

1.2.2 Cơ chế sạt lở do sóng tàu thuyền gây ra 4

1.2.3 Cơ chế sạt lở do tác động dòng chảy gây ra 5

1.2.4 Cơ chế sạt lở do khai thác cát 5

1.3 Các giải pháp chống sạt lở hiện nay 5

1.3.1 Rọ đá 5

1.3.2 Cừ Larsen 8

1.3.3 Cừ ván bê tông dự ứng lực 10

1.3.4 Bờ kè kết hợp cọc bêtông cốt thép, đá hộc xây chít mạch, tường chắn sóng, rọ đá 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ KÈ VÀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 2.1 Các dạng tải trọng và phân loại tải trọng 16

2.1.1 Các dạng tải trọng 16

2.1.2 Phân loại tải trọng 16

2.2 Tính toán đối với tường chắn 18

2.2.1 Áp lực nước 18

2.2.2 Áp lực đất chủ động 19

2.2.3 Áp lực đất bị động 20

2.3 Phương pháp tính toán áp lực lên bờ kè 21

2.3.1 Phương pháp Rankine 21

2.3.2 Phương pháp Coulomb 24

2.3.3 Xét sự căn bằng của một điểm 26

2.4 Tính toán cọc chịu tải trọng ngang theo tiêu chuẩn Việt Nam 10304:2014 28 2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn với các mô hình trong Plaxis 32

2.5.1 Lý thuyết biến dạng 32

2.5.2 Lý thuyết cố kết của Plaxis 37

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO CÔNG TRÌNH BỜ KÈ SÔNG CỔ CHIÊN CỦA THÀNH PHỐ VĨNH LONG 3.1 Sơ bộ về đặc điểm địa chất khu vực kè sông Cổ Chiên của thành phố Vĩnh Long 40

3.1.1 Cấu tạo địa chất 40

3.1.2 Đặt điểm địa chất công trình 40

3.2 Sơ lược về công trình kè sông Cổ Chiên của thành phố Vĩnh Long 42

3.3 Ứng dụng tính toán 43

3.3.1 Tải trọng tác dụng 43

3.3.2 Tính sức chịu tải ngang của cọc theo tiêu chuẩn Việt Nam 10304-2014 46

3.4 Ứng dụng phần mềm Plaxis tính ổn định bờ kè 50

3.4.1 Sơ đồ tính toán 50

3.4.2 Dữ liệu đầu vào 51

3.4.3 Kết quả tính toán 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Rọ đá bằng lưới đan 6

Hình 1.2 Thảm đá bảo vệ bờ sông 6

Hình 1.3 Cấu tạo rọ đá 8

Hình 1.4 Cừ Larsen đang thi công 9

Hình 1.5 Hình ảnh cọc ván bê tông dự ứng lực 11

Hình 1.6 Cọc bê tông cốt thép tiến diện vuông 13

Hình 1.7 Đá xây chít mạch 14

Hình 1.8 Mặt cắt ngang – Bờ kè sông Cổ Chiên 15

Hình 2.1 Biểu đồ áp lực nước tác dụng lên kè 19

Hình 2.2 Biểu đồ áp lực đất chủ động (cát) tác dụng lên kè 20

Hình 2.3 Biểu đồ áp lực đất bị động đất dính tác dụng lên kè 21

Hình 2.4 Vòng tròn ứng suất cân bằng ở điều kiện giới hạn 22

Hình 2.5 Trạng thái chủ động và bị động của Rankine 23

Hình 2.6 Áp lực chủ động của đất cát lên thân cọc 24

Hình 2.7 Áp lực đất chủ động 25

Hình 2.8 Áp lực đất bị động 26

Hình 2.9 Vòng tròn Mohr và phương trình Coulomb đối với đất rời 27

Hình 2.10 Quy luật biến đổi của hệ số nền 29

Hình 2.11 Sơ đồ tác động của Moment và tải trọng ngang lên cọc 31

Hình 3.1 Mặt cắt công trình kè 42

Hình 3.2 Mặt bằng công trình kè ……….42

Hình 3.3 Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cọc 46

Hình 3.4 Biểu đồ áp lực  (kN/mz 2) tại mỗi điểm trong đất 49

Hình 3.5 Biểu đồ mômen uốn dọc trục Mz (kNm) của cọc 49

Hình 3.6 Biểu đồ lực cắt dọc trục Qz (kN) của cọc 50

Hình 3.7 Mô hình đầu vào 54

Hình 3.8 Biểu đồ áp lực nước 55

Hình 3.9 Biểu đồ ứng suất chính 55

Hình 3.10 Lưới biến dạng 56

Hình 3.11 Chuyển vị đứng và chuyển vị ngang của cọc 57 Hình 3.12 Biểu đồ lực cắt và mômen của cọc 58 Hình 3.13 Biểu đồ lực dọc trục 59

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Hệ số vượt tải 17

Bảng 2.2 Xác định hệ số tỷ lệ k 30

Bảng 3.1 Chỉ tiêu cơ lý của lớp cát san lấp 40

Bảng 3.2 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 40

Bảng 3.3 Hệ số áp lực chủ động của đất 44

Bảng 3.4 Đặc trưng của các san lấp 51

Bảng 3.5 Đặc trưng của đất lớp 1 52

Bảng 3.6 Đặc trưng của đất lớp 2 52

Bảng 3.7 Đặc trưng của đất lớp 3 53

Bảng 3.8 Một phần giá trị chuyển vị trong cọc 60

Bảng 3.9 Giá trị một phần nội lực trong cọc 60

Bảng 3.10 Bảng so sánh kết quả tính toán theo giải tích và phần mềm Plaxis 61

vuông góc với hướng tác dụng của lực

MỞ ĐẦU

1 Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài:

Vĩnh Long là tỉnh nằm trong khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL), Vĩnh Long có diện tích tự nhiên 1.520,2 km2, dân số năm 2013 là 1.040.500 người Tỉnh Vĩnh Long có dạng địa hình khá bằng phẳng với độ dốc nhỏ hơn 2 độ, có cao trình khá thấp so với mực nước biển, với dạng địa hình đồng bằng ngập lụt cửa sông, tiểu địa hình của tỉnh có dạng lòng chảo ở giữa trung tâm tỉnh và cao dần về 2

Chiên là một phân lưu của sông Cửu Long, chảy qua các tỉnh Vĩnh Long, Trà Vinh, Bến Tre Sông bắt đầu từ thành phố Vĩnh Long, chảy theo hướng tây bắc-

Long với Bến Tre và Trà Vinh với Bến Tre

Các vùng hạ lưu của các lưu vực sông ở Việt Nam nói chung cũng như vùng

hạ lưu sông Cổ Chiên tỉnh Vĩnh Long nói riêng, hiện tại và tương lai đang là khu vực phát triển của tất cả các ngành kinh tế xã hội nhất là các ngành công nghiệp, xây dựng, đô thị, nông lâm nghiệp, du lịch, giao thông Như vậy sẽ có tác động mạnh mẽ đến dòng sông và nguồn nước, cho nên hạ tầng cơ sở thuỷ lợi nói chung

và cụ thể là hạ tầng cơ sở phục vụ công tác phòng chống lũ lụt, bảo vệ bờ sông, luồng lạch đảm bảo cho các ngành kinh tế xã hội phát triển bền vững là vô cùng quan trọng

Sạt lở bờ sông rất đa dạng có đoạn sạt lở làm sụp đổ các nhà ở, các công trình cầu đuờng giao thông, cơ sở kinh tế ven sông Nguyên nhân sạt lở ở các khu vực sạt lở cũng khác nhau Có đoạn sạt lở do công phá của dòng chảy, do khai thác cát bừa bải, có đoạn sạt lở do diễn biến lòng sông bên lở bên bồi, dịch chuyển các đoạn cong v.v Có đoạn sạt lở do con nguời, chất tải ra mép bãi sông, xây nhà cửa sát bờ sông, xây dựng cầu giao thông đã làm co hẹp dòng chảy, dòng lũ

Mặt khác thành phố Vĩnh Long nằm trên khu vực đỉnh cong của sông Cổ Chiên, dòng chảy phân bố phức tạp, vách bờ có độ cao từ 1m đến 2m, cấu tạo địa

chất bờ sông chủ yếu là bùn sét hữu cơ, rất thuận lợi cho quá trình xâm thực Hoạt động xâm thực chủ yếu do tác động của thủy triều và sóng tàu thuyền, mặt khác môi trường địa chất bờ sông đang bị hủy hoại nhanh chống do bàn tay của con người, các công trình ồ ạt đua nhau lấn chiếm dòng sông làm thay đổi hướng dòng chảy liên tục tạo ra những dòng xoáy có tác dụng xâm thực mạnh mẽ vào bờ và đáy sông, xuất hiện các hố xoáy sâu gần bờ Hiện tại tình trạng sạt lở bờ đã và đang gây tai biến, bất ổn định và nhữnh ảnh hưởng nghiêm trọng đối với nhiều công trình, cùng các khu dân cư tại nhiều điểm dọc sông Cổ Chiên đoạn chảy qua thành phố Vĩnh Long

Với tình hình trên, việc nghiên cứu đánh giá thực trạng, tìm ra các nguyên nhân và xác lập các cơ sở khoa học mang tính kỹ thuật, kinh kế, ổn định lậu dài, mỹ quan về vấn đề chống sạt lở bờ sông Từ đó đề ra các giải pháp nhằm khắc phục tình trạng sạt lở bờ sông Cổ Chiên đoạn chảy qua thành phố Vĩnh Long là vô cùng cấp thiết Nhằm mục đích giải quyết vấn đề này, mà học viên muốn chọn lựa đề tài:

“Nghiên cứu, ứng dụng giải pháp tường kè trên hệ cọc bê tông cốt thép để ổn định bờ kè sông Cổ Chiên của thành phố Vĩnh Long”

Qua nghiên cứu, ứng dụng giải pháp này nhằm giúp học viên nắm vững hơn các loại kè, phương pháp phòng chống sạt lở và tiếp cận giải quyết một vấn đề thực

tế, bức xúc hiện nay của ĐBSCL nói chung và đoạn sông Cổ Chiên chảy qua thành phố Vĩnh Long nói riêng

2 Mục đích nghiên cứu đề tài:

Hiện nay giải quyết tình trạng sạt lở bờ sông người ta đã đưa ra nhiều giải pháp chống sạt lở như rọ đá, tường chắn đất, cọc ván bằng thép (cừ larsen), cọc ván

bê tông dự ứng lực vv…Tuy nhiêu những giải pháp này thường có ưu và khuyết điểm khác nhau tùy thuộc vào mức độ sạt lở và điều kiện địa phương mà đưa ra giải

pháp hợp lý nhất Để thực hiện nhiệm vụ này tác giả xin đưa ra giải pháp “Nghiên

cứu, ứng dụng giải pháp tường kè trên hệ cọc bê tông cốt thép để ổn định bờ kè

sông Cổ Chiên của thành phố Vĩnh Long” nhằm ổn định kè cặp bờ sông Đó

cũng là đề tài mà tác giả nghiên cứu nhằm giải quyết tính toán các vấn đề sau đây:

up  uu

 

- Tính toán momen và lực cắt trong cọc dưới tác dụng của ngoại lực

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Trong nội dung nghiên cứu của đề tài bờ kè kết hợp cọc bê tông cốt thép kết hợp nhằm ổn định kè cặp bờ sông Nhằm nghiên cứu các vấn đề sau:

- Phân tích ổn định của cọc khi thay đổi khoảng cách đặt cọc

- Phân tích tính ổn định của cọc khi thay đổi chiều sâu chôn cọc

- Khả năng chịu tải trọng ngang cực hạn của cọc trong vùng đất yếu khi khống chế chuyển vị ngang ở đầu cọc

4 Phương pháp nghiên cứu:

Tổng hợp một số kết quả tính toán lý thuyết về cọc chịu tải trọng ngang theo phương pháp giải tích

Sử dụng phần mềm Plaxis tính toán sức chịu tải ngang

So sánh kết quả tính toán lý thuyết và chương trình Plaxis

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Tình trạng sạt lở xảy ra không những gây ra mất mát về tài sản và con người mà còn để lại gánh nặng lâu dài cho xã hội gánh chịu Thế nên cần phải đưa ra nhiều giải pháp chống sạt lở cho các công trình ven sông hiện nay là rất cần thiết và cấp bách

Bên cạnh đó, việc áp dụng tính toán sao cho đảm bảo cho công trình nghiên về

an toàn và hiệu quả kinh tế, phù hợp với điều kiện phát triển của từng vùng và từng khu vực, đã được áp dụng nhiều ở khu vực ĐBSCL

Vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng giải pháp bờ kè kết hợp cọc bê tông cốt thép trong việc chống sạt lở cho công trình bờ kè sông Cổ Chiên của thành phố Vĩnh Long để bảo vệ thành phố Vĩnh Long là một công trình tiêu biểu thể hiện được được tính khoa học và thực tiễn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP CHỐNG SẠT LỞ

CHO CÔNG TRÌNH VEN SÔNG HIỆN NAY 1.1 Tình hình sạt lở ở sông Cổ Chiên:

Bồi lắng, sạt lỡ là hiện tượng xảy ra hầu hết các sông lớn và nhỏ ở ĐBSCL hiện đang có chiều hướng gia tăng và thậm chí còn xảy ra khá nghiêm trọng ở một

số tỉnh trong đó có Vĩnh Long, mà đặt biệt là dòng sông Cổ Chiên đoạn chảy qua thành phố Vĩnh Long

Theo thống kê số liệu chưa đầy đủ, chỉ riêng những năm gần đây hiện tượng sạt lở hai bên mái bờ sông ở Cổ Chiên đã làm cho nhiều người nhà cửa bị cuốn trôi, sụp đổ xuống lòng sông Nhiều ngôi nhà, công trình phải di dời đi nơi khác

Dọc hai bờ sông Cổ Chiên thường xuyên xảy ra những đợt sạt lở lớn, mà đa phần đều xảy ra trên đoạn sông chảy qua địa phận thành phố Vĩnh Long, nơi tập trung đông dân cư Bên cạnh đó đây cũng là dòng sông huyết mạch góp phần phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Vĩnh Long nói riêng và của cả khu vực ĐBSCL nói chung Vì vậy thiệt hại do sạt lở bờ nơi đây rất nghiêm trọng về vật chất và con người Ngoài ra sạt lở còn gây mất ổn định mái dốc

1.2 Nguyên nhân và cơ chế gây sạt lở:

1.2.1 Nguyên nhân:

Qua nghiên cứu, điều tra, có thể đúc kết các nguyên nhân chính gây sạt lở bờ

ở hệ thống sông Cổ Chiên đoạn chảy qua thành phố Vĩnh Long đó là: do tác động dòng chảy gây ra, do sóng tàu thuyền chạy trên sông gây nên và do khai thác cát trái phép

1.2.2 Cơ chế sạt lở do sóng tàu thuyền gây ra:

Dưới tác động của sóng thuyền bè qua lại gây ra, đất mái bờ bị phá vở, bị bào xói và bị lôi kéo đi nơi khác Trong trường hợp các tác động này xảy ra trong thời gian mùa lũ, mực nước cao thì xói lở chủ yếu diễn ra phía trên bề mặt mái bờ sông Khối đất mỗi một đợt sạt lở thường không lớn Trường hợp các tác động của sóng thuyền bè xảy ra vào thời kỳ mùa kiệt, mực nước thấp thì xói lở mái bờ chủ yếu diễn ra trên mực nước thấp tạo thành hàm ếch, làm giảm dần ổn định mái bờ

Khi gập mưa hay một tác nhân nào đó làm gia tăng tải trọng trên nền hàm ếch, khối đất sẽ hình thành nhiều vết nứt, trước khi sạt lở, tang gả rớt thành từng mảng nhỏ xuống lòng sông

1.2.3 Cơ chế sạt lở do tác động dòng chảy gây ra:

Khi dòng chảy có vận tốc lớn hơn vận tốc khởi động bùn cát của lòng dẫn sẽ làm cho lòng dẫn bị bào xói, khối đất phản áp của mái bờ bị suy giảm dần Đến một giới hạn nhất định mái bờ sẽ bị mất ổn định và sạt lở sẽ gây ra Xói lở dạng này thường xảy ra vào thời gian cuối mùa lũ kết hợp với thuỷ triều rút Các đợt sạt lở xảy ra đứt quãng và có chu kỳ dài hơn so với dạng sạt lở sóng thuyền bè gây ra Tuy nhiên khối đất mỗi một đợt sạt lở thường lớn hơn và nguy hiểm hơn

1.2.4 Cơ chế sạt lở do khai thác cát:

Theo nghiên cứu của Viện Khoa học thuỷ lợi miền Nam việc khai thác cát khiến lòng dẫn hạ thấp cục bộ Theo đó, vụ sạt lở nói trên có cung trượt lớn và sâu, phạm vi theo chiều ngang vào bờ 40m, sâu trên 10m, do lòng dẫn hạ thấp cục bộ khiến phần đất mái bờ có tác dụng chống trượt bị triệt tiêu, gây ra sạt lở

Nhận xét: Trong ba nguyên nhân trình bày trên thì nguyên nhân sạt lở sóng tàu và khai thác cát là nguyên nhân chính bởi: sóng tàu và khai thác cát có tác dụng thường xuyên, liên tục hơn so với nguyên nhân do dòng chảy có vận tốc lớn chỉ xảy

ra trong một thời điểm vào mùa lũ

1.3 Các giải pháp chống sạt lở hiện nay:

Hình 1.2 Thảm đá bảo vệ bờ sông

+ Phạm vi ứng dụng:

- Kè đê, đập, mái dốc để chống sụt trượt, lở trôi và xói mòn

- Xây các tường chắn (tường trọng lực)

- Rọ đá là loại kết cấu mềm, chịu biến dạng, thi công lắp ráp nhanh, đơn giản

có thể tháo dỡ, di rời Kết cấu thoát nước tốt, làm giảm áp lực thủy động Có thể gia

cố tường chắn với chiều cao lớn mà kết cấu bằng bê tông truyền thống rất khó và tốn kém

- Vật liệu bỏ rọ là đá tại chỗ như đá núi, đá mồ côi lẫn trong đất đồi không phải xử lý

- Có thể tạo màu xanh cây cỏ trên mặt công trình nâng cao cảnh quan, bảo vệ môi trường

- Rọ đá có độ bền cao ngay cả môi trường khắc nghiệt, môi trường nước biển

- Cho đến nay cọc ván thép được sản xuất với nhiều hình dạng, kích thước khác nhau với các đặc tính về khả năng chịu lực ngày càng được cải thiện Ngoài cọc ván thép có mặt cắt ngang dạng chữ U, Z thông thường còn có loại mặt cắt ngang Omega (W), dạng tấm phẳng (straight web) cho các kết cấu tường chắn tròn khép kín, dạng hộp (box pile) được cấu thành bởi 2 cọc U hoặc 4 cọc Z hàn với nhau

Hình 1.4 Cừ Larsen đang thi công + Phạm vi sử dụng:

- Ngày nay, trong lĩnh vực xây dựng, cọc ván thép (các tên gọi khác là cừ thép, cừ Larsen, cọc bản, thuật ngữ tiếng anh là steel sheet pile) được sử dụng ngày càng phổ biến Từ các công trình thủy công như cảng, bờ kè, cầu tàu, đê chắn sóng, công trình cải tạo dòng chảy, công trình cầu, đường hầm đến các công trình dân dụng như bãi đậu xe ngầm, tầng hầm nhà nhiều tầng, nhà công nghiệp

- Cọc ván thép không chỉ được sử dụng trong các công trình tạm thời mà còn

có thể được xem như một loại vật liệu xây dựng, với những đặc tính riêng biệt, thích dụng với một số bộ phận chịu lực trong các công trình xây dựng

- Trên thế giới đã có rất nhiều công trình cảng được thiết kế trong đó cọc ván thép (thường kết hợp với hệ tường neo và thanh neo) đóng vai trò làm tường chắn, đất được lấp đầy bên trong và bên trên là kết cấu nền cảng bê tông cốt thép với móng cọc ống thép hoặc cọc bê tông cốt thép ứng suất trước bên dưới Tường cọc thép này cũng được ngàm vào bê tông giống như cọc ống

- Bên cạnh công trình cảng, nhiều công trình bờ kè, kênh mương, cải tạo dòng chảy cũng sử dụng cọc ván thép do tính tiện dụng, thời gian thi công nhanh,

độ bền chịu lực tốt

- Lĩnh vực mà cọc ván thép được sử dụng nhiều nhất hiện nay đó là làm tường vây chắn đất hoặc nước khi thi công các hố đào tạm thời

+ Ư u điểm:

- Khả năng chịu lực lớn trong khi trọng lượng khá bé

- Cọc ván thép có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia tăng chiều dài

- Cọc ván thép có thể sử dụng nhiều lần, do đó có hiệu quả về mặt kinh tế

+ Nhược điểm:

- Nhược điểm của cọc ván thép là tính bị ăn mòn trong môi trường làm việc (khi sử dụng cọc ván thép trong các công trình vĩnh cửu) Tuy nhiên nhược điểm này hiện nay hoàn toàn có thể khắc phục bằng các phương pháp bảo vệ như sơn phủ chống ăn mòn, mạ kẽm, chống ăn mòn điện hóa hoặc có thể sử dụng loại cọc ván thép được chế tạo từ loại thép đặc biệt có tính chống ăn mòn cao

1.3.3 Cừ ván bê tông dự ứng lực:

+ Lịch sử hình thành:

- PC Sheet Pile - Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực (gọi tắt là cọc ván PC)

được sáng chế và sử dụng rộng rãi tại Nhật Bản vào những năm 1989-1990, ứng dụng vào Việt Nam năm 1999-2001 tại cụm công trình nhiệt điện Phú Mỹ - tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu Sản phẩm này đem lại giải pháp mới cho các công trình kè, công trình cảng, bến tàu, đê chắn sóng, tầng hầm các nhà cao tầng, các công trình thuỷ

lợi,

- Cọc ván PC là loại cọc để chống lại áp lực ngang do đất, nước, các tải trọng

phía trên gây ra, đạt trạng thái ổn định nhờ sức chống ngang của đất phía trước tường khi tường cọc bản hạ sâu xuống đất và nhờ các hệ thống neo phía sau tường Cọc có nhiều tính năng vượt trội như cường độ chịu lực cao nhờ tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng độ cứng Do sản xuất tại nhà máy nên chất

lượng được kiểm soát chặt chẽ, năng suất cao, chủng loại sản phẩm đa dạng,

đáp ứng theo nhiều dạng địa hình và địa chất khác nhau

- Tuổi thọ công trình cũng được nâng cao, dễ thay thế cọc mới khi những

cọc cũ gặp sự cố Ngoài ra, giá thành công nghệ này dễ chấp nhận so với công nghệ

truyền thống, thi công dễ dàng và chính xác, không cần mặt bằng rộng

Hình 1.5 Hình ảnh cọc ván bê tông dự ứng lực + Ưu điểm:

- Để hạ cừ nếu không phải trong thành phố thì có thể dùng búa diezen để đóng, đơn giản rẻ tiền và nhanh

- 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

- 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

- Thi công dễ dàng và chính xác, không cần mặt bằng rộng, bởi giải toả mặt bằng rất tốn kém, chỉ cần xà lan và cẩu vừa chuyên chở cấu kiện vừa ép cọc là thi công được

- Trong xây dựng nhà cao tầng ở thành phố dùng móng cọc ép, có thể dùng cọc ván BTCT dự ứng lực ép làm tường chắn chung quanh móng, để khi ép cọc, đất không bị dồn về những phía có thể gây hư hại những công trình cận kề (như làm nứt tường, sập đổ ) Đây là một giải pháp thay thế tường trong đất (dày tối thiểu 600 - với chi phí xây lắp rất cao) hoặc tường cừ larsen trong một số trường hợp như những trường hợp phải để cừ lại (có một số trường hợp cạnh nhà dân, khi rút cừ lên thì nhà dân bị nứt)

- 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

1.3.4 Bờ kè kết hợp cọc bêtông cốt thép, đá hộc xây chít mạch, tường chắn sóng, rọ đá:

Hình 1.6 Cọc bê tông cốt thép tiến diện vuông

- Ưu điểm: Chất lượng thân cọc dễ đảm bảo và dễ kiểm tra, sức chịu tải của một đơn vị diện tích tương đối lớn, thi công dễ dàng trên nước, độ chặt bê tông thân cọc lớn nên khả năng chống ăn mòn tốt, năng suất thi công cao

- Nhược điểm: Dùng cách đóng hoặc rung để hạ cọc gây chấn động và ồn có hại cho công trình lân cận Nếu dùng phương pháp ép thì không gây chấn động nhưng bị hạn chế về thiết bị và điều kiện môi trường khác Không dễ dàng xuyên qua lớp đất cứng tương đối dày

+ Đá hộc, rọ đá và vải địa kỹ thuật:

Đá hộc: Đá hộc xây chít mạch: Hình thức này đã được sử dụng rộng rải ở khắp nơi với vật liệu hay dùng là đá hộc có kích thước trung bình khoảng 0,25m đến 0,30m Đá hộc được xây liền khối liên kết thành tấm lớn

- Ưu điểm: Tận dụng vật liệu của địa phương lân cận, nguồn cung dồi dào, kích thước khác nhau rất dễ để xây chèn, thi công nhanh, tiết kiệm thời gian và chi phí cho công trình, phù hợp làm rọ đá bảo vệ bờ

- Nhược điểm: Nặng, vận chuyển khó khăn

Hình 1.7 Đá xây chít mạch

+ Vải địa kỹ thuật: Vải địa kỹ thuật được đặt giữa nền đất yếu và lớp thảm đá hoặc đá hộc xây nhằm làm tăng cường ổn định cho nền đất yếu, chống được xói mòn do sóng gây ra và các nguyên nhân khác Mặt khác nhằm tăng khả năng chịu tải của nền chống lại các lực cắt của khối sụt trượt của nền đất trong thời gian dài hạn Do có nhiều khe hổng nên giữa thảm đá và đất nền vẫn còn có dòng chảy với vận tốc khá lớn

- Những tính năng vượt trội của vải địa kỹ thuật: Với cường độ chịu kéo lớn

và độ giãn dài thấp, ổn định nền tốt, nên có thể tạo được độ dốc lớn, thi công nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và chi phí cho công trình, giảm khối lượng đào đất và đắp đất, có độ bền hàng trăm năm, đảm bảo yêu cầu tuổi thọ các công trình rất dài

Hình 1.8 Mặt cắt ngang – Bờ kè sông Cổ Chiên Nhận xét:

Qua tìm hiểu một số giải pháp vừa nêu trên tác giả nhận thấy để giải quyết tình trạng sạt lở xảy ra nhiều nơi với nhiều mức độ khác nhau như hiện nay đồng thời vẫn tiết kiệm được giá thành và đảm bảo được tính hiệu quả về kinh tế lẫn kỹ thuật Trong đó, việc phân tích và đánh giá khả năng ổn định của bờ kè là một yêu cầu cần được thực hiện

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ KÈ VÀ CỌC BÊ TÔNG

CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 2.1 Các dạng tải trọng và phân loại tải trọng [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]: 2.1.1 Các dạng tải trọng:

- Tải trọng vĩnh cửu (tải trọng tĩnh): Tải trọng mà trong thời gian sử dụng kết cấu không biến đổi trị số, hoặc biến số của chúng so với số bình quân có thể bỏ qua không tính Như trọng lượng bản thân kết cấu, áp lực của đất, …

- Tải trọng khả biến (tải trọng động): Tải trọng mà trong thời gian sử dụng kết cấu có biến đổi trị số mà số biến đổi của chúng so với số bình quân không thể

bỏ qua được Như tải trọng động mặt sàn, ô tô, cầu trục hoặc tải trọng xếp đống vật thiệu, vv…

- Tải trọng ngẫu nhiên: Tải trọng mà thời gian xây dựng và sử dụng kết cấu không nhất định xuất hiện, nhưng hễ có xuất hiện thì hệ số rất lớn và thời gian duy trì tương đối ngắn Như động đất, lực phát nổ, lực va đập, vv…

2.1.2 Phân loại tải trọng:

+ Áp lực nước:

Tường chắn đất cứng duy trì ở vị trí tĩnh tải bất động, loại áp lực ngang này của đất được gọi là áp lực ngang ở trạng thái tĩnh, ký hiệu là E0 (kN/m)

+ Áp lực đất:

Có hai loại áp lực ngang cực trị gồm: áp lực chủ động và áp lực bị động

- Khi đạt cực tiểu có tên là áp lực ngang của đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo chủ động, ký hiệu là Ea (kN/m)

- Khi đạt cực đại có tên là áp lực ngang của đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo bị động, ký hiệu là Ep (kN/m)

Tải trọng thi công như: ô tô, cần cẩu, vật liệu xếp trên hiện trường, lực neo giữa tường cừ, vv… Tải trọng phụ do sự biến đổi về nhiệt độ và sự co gót của bê

tông gây ra Tùy theo loại kết cấu chắn giữ khác nhau Hệ số vượt tải của tải trọng phụ trong giai đoạn thi công được lấy như sau:

Bảng 2.1 Hệ số vượt tải

vượt tải

Lực căn của neo:

- Để chịu áp lực ngang của đất

- Để tạo phụ tải chống đẩy nổi công trình

1.1 (0.9)

Tải ngắn hạn 1.1 (0.9)

Hệ số vượt tải trong dấu ngoặc được dùng khi tính công trình lúc hạ, đẩy nổi,

ổn định chống trượt, còn khi tính theo biến dạng thì hệ số vượt tải nên lấy bằng 1

+ Tải trọng ngoài:

Bao gồm các tải trọng xe thi công, tải trọng sử dụng và tải trọng tàu thuyền khi neo đậu, vv … tải trọng này được lấy theo kinh nghiệm q0 = 15 kN/m2

2.2 Tính toán đối với tường chắn [1], [2], [4], [6], [7], [9], [10], [11]:

Khi tính toán kết cấu chắn giữ, các áp lực tác dụng vào bề mặt tiếp xúc của kết cấu chắn giữ gồm áp lực đất, áp lực nước và các tải trọng ngoài, các áp lực này làm cho kết cấu chắn giữ chuyển vị

2.2.1 Áp lực nước:

Tải trọng tác dụng lên kết cấu chắn đất, ngoài áp lực đất còn có áp lực nước của nước ngầm dưới mặt đất, áp lực này gọi là áp lực thủy tỉnh Ew (kN/m)

Hình 2.1 Biểu đồ áp lực nước tác dụng lên kè 2.2.2 Áp lực đất chủ động:

Nếu tường chắn đất dưới tác dụng của áp lực đất đắp mà lưng tường dịch chuyển theo chiều đất đắp Khi đó áp lực đất tác dụng vào tường sẽ từ áp lực đất tĩnh mà giảm dần đi, khi thể đất ở sau tường đạt đến giới hạn cân bằng, đồng thời xuất hiện mặt trượt liên tục làm cho thể đất trượt xuống, khi đó áp lực đất giảm đến trị nhỏ nhất, gọi là áp lực chủ động Ea (kN/m)

Hình 2.2 Biểu đồ áp lực đất chủ động (cát) tác dụng lên kè 2.2.3 Áp lực đất bị động:

Nếu tường chắn đất dưới tác dụng của ngoại lực di động theo chiều đất đáp, khi đó áp lực đất tác dụng vào tường sẽ từ áp lực đất tĩnh tăng dần lên, liên tục cho đến khi thể đất đạt giới hạn cân bằng, đồng thời xuất hiện mặt trượt liên tục, thể đất

ở phía sau tường bị chèn đẩy lên Khi đó áp lực tăng đến trị số lớn nhất gọi là áp lực

bị động Ep(kN/m)

Hình 2.3 Biểu đồ áp lực đất bị động đất dính tác dụng lên kè

2.3 Phương pháp tính toán áp lực lên bờ kè [4], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]:

2.3.1 Phương pháp Rankine:

+ Lý thuyết căn bằng giới hạn:

giữa mặt cắt với mặt tác dụng của ứng suất chính O1 là:

Hình 2.4 Vòng tròn ứng suất cân bằng ở điều kiện giới hạn

+ Nguyên lý cơ bản của lý thuyết áp lực đất Rankine:

- Nếu trong thể đất bán vô hạn lấy một mặt cắt thẳng đứng, ở độ sâu z mặt

có ứng suất cắt nên σx, σz đều là ứng suất chính Khi thể đất ở và trạng thái cân bằng đàn hồi σx = K0γz và σz = γz Vòng tròn ứng suất O1 ở điểm này không tiếp

suất O2 tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến cân bằng giới hạn σz , σx

lần lượt là ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất khi đó ta có trạng thái chủ động

ngang Khi σz không đổi σx tăng lớn dần Vòng tròn ứng suất O3 cũng tiếp xúc với

nhỏ nhất, còn σx là ứng suất chính lớn nhất trong thể đất, hai tổ mặt trượt làm thành góc 450 - φ/2 với mặt nằm ngang khi đó ta có trạng thái bị động Rankine

- Áp lực tác dụng lên lưng tường AB của tường chắn đất, tức là trạng thái ứng suất trên mặt AB ứng với phương chiều, độ dài lưng tường trong thể đất bán vô hạn khi đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn Lý thuyết Rankine cho rằng có thể

dùng tường chắn đất để thay thế một bộ phận của thể đất bán vô hạn theo lý thuyết Rankine chỉ có một điều kiện biên tức là tình trạng bề mặt của thể đất vô hạn mà không kể đến điều kiện biên trên mặt tiếp xúc lưng tường với thể đất

Hình 2.5 Trạng thái chủ động và bị động của Rankine + Tính áp lực chủ động của Rankine:

- Khi lưng tường thẳng đứng, mặt đất đắp nằm ngang thì cũng vận dụng lý thuyết cân bằng giới hạn để tính áp lực đất chủ động Nếu dưới lưng tường AB dưới tác động của áp lực đất làm cho lung tường tách khỏi đất lắp di động ra ngoài tới A’B’ khi đó thể đất sau lưng tường đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn, tức là trạng thái cân bằng chủ động Rankine lấy một phân tố đất ở độ sâu z chổ lưng tường thì ứng suất theo chiều đứng của nó σz = γz là ứng suất chính lớn nhất σ1 ứng suất theo phương ngang σx là ứng suất chính nhỏ nhất cũng tức là áp lực đất chủ động cần tính toán Pa , σ3 = Pa , σ1 = γz thay vào công thức ta được áp lực đất chủ động

Rankine

K

c h



2

0 

(2-5)

- Khi bề mặt đất đắp sau lưng tường có tải trọng phân bố đều liên tục q tác

tức là áp lực đất chủ động ở tại vị trí cần tính là:

Hình 2.6 Áp lực chủ động của đất cát lên thân cọc 2.3.2 Phương pháp Coulomb:

+ Nguyên lý cơ bản tính toán:

Theo lý thuyết Coulomb khi tính áp lực đất tác dụng lên tường chắn thì

- Tường cứng

- Mặt trượt được xem là phẳng

+ Lưng tường là mặt trượt thứ 2

+ Lăng trụ trượt được xem là khối gắn tuyệt đối

+ Đất xem như vật thể rời không có lực dính

) cos(

) sin(

) sin(

1 ) cos(

cos

) ( cos

2 2

Hình tam giác lực cân bằng tĩnh của thể đất trượt ABC có được