Phân tích giải pháp ổn định bờ kè của khu vực sạt lở tại cảng hải quân tỉnh an giang

Nhiệm vụ : Nghiên cứu các phương pháp phân tích ổn định của tường kè dưới tác dụng của tải công trình ven sông theo các tiêu chuẩn trong và ngoài nước 2.. Các công thức giải tích lý thu

-

NGUYỄN MINH PHƯƠNG

PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH BỜ KÈ CỦA KHU VỰC SẠT LỞ TẠI CẢNG HẢI QUÂN

TỈNH AN GIANG

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS CHÂU NGỌC ẨN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lê Trọng Nghĩa

( Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Lê Văn Pha

( Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc Sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 12 năm 2014 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 PGS.TS Tô Văn Lận………

2 TS Lê Trọng Nghĩa ………

3 TS Lê Văn Pha ………

4 TS Phạm Văn Hùng………

5 TS Nguyễn Cảnh Tuấn……… 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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Tô Văn Lận

TRƯỞNG KHOA

TS Nguyễn Minh Tâm

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : NGUYỄN MINH PHƯƠNG MSHV : 12814690

Ngày, tháng, năm sinh : 09-01-1980 Nơi sinh : Vĩnh Long

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng Mã số : 60.58.60

I TÊN ĐỀ TÀI:

Phân tích giải pháp ổn định bờ kè của khu vực sạt lở tại cảng Hải Quân tỉnh

An Giang

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ : Nghiên cứu các phương pháp phân tích ổn định của tường kè dưới tác dụng của tải công trình ven sông theo các tiêu chuẩn trong và ngoài nước

2 Nội dung:

Chương 1: Tổng quan về ổn định bờ sông và các giải pháp xử lý đê

Chương 2: Các giải pháp tính toán ổn định bờ kè ven sông trên đất sạt lở

( đất yếu)

Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định tường kè

Chương 4: Tính toán thực tế cho công trình kè tại cảng Hải Quân

Kết luận và Kiến nghị

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 7/7/2014

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 7/12/2014

Xin gửi lời cám ơn chân thành đến gia đình, người thân, bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ và cổ vũ học viên trong thời gian qua

Xin cám ơn các thầy, cô của Bộ môn Địa cơ Nền móng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa đã truyền đạt kiến thức cho học viên, giúp học viên

có những kiến thức căn bản phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu, đồng thời đã tạo điều kiện cho học viên thực hiện các thí nghiệm phục vụ cho hướng nghiên cứu của đề tài

Sau cùng, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy Châu Ngọc Ẩn, người thầy đã ân cần khơi gợi và giúp học viên có những định hướng tốt cho luận văn Với sự chỉ bảo tận tình, thầy đã dạy dỗ và trang bị cho học viên rất nhiều kiến thức không chỉ trong phạm vi luận văn mà cả trong phương pháp nghiên cứu và cách thức làm việc sau này

Xin kính chúc sức khoẻ các thầy cô

Học viên

Nguyễn Minh Phương

dựng những thách thức lớn Đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn, tải trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho xưởng Giải pháp tường cọc bản có neo để xử lý nền đất yếu xây dựng bờ kè trên địa chất khu vực cảng Hải quân tỉnh An Giang Các công thức giải tích lý thuyết để tìm ra nội lực lớn nhất trong tường kè và so sánh với phương pháp tính phần tử hữu hạn thông qua phần mềm plaxix, tìm ra sự làm việc đồng thời giữa tường kè và đất nền xung quanh trên mô hình đất nền Mohr - Coulomb để tính toán ổn định và biến dạng

hệ tường cọc bản

ABSTRACT

Building construction in weak land offers the geotechnical engineering huge challenges More specific, building the constructions which suffer big load, active load such as habour construction, traffic construction, whaft and workshop constructions The sheet pile with anchor which solves weak land of building the embankment on soil area which belongs to Hai Quan port in An Giang province The theorical analytics formulars which find out the biggest internal force of the embankment wall which is then compared with the limited element calculation method through the Plaxix software, seeking action between embankment wall and surrounding soil foudation in Mohr Coulomb soil foundation model for calculation the stableness and deformation of the sheet pile system

Luận văn : “Phân tích giải pháp ổn định bờ kè của khu vực sạt lở tại cảng Hải Quân tỉnh An Giang” được viết tại Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, theo sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Châu Ngọc Ẩn Thầy truyền đạt kiến thức, khơi gợi và giúp học viên có định hướng tốt để hoàn thành Luận văn được viết trong thời gian 6 tháng tại trường, ngoài ra không sao chép bất kỳ bài viết luận văn nào khác

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn trình bày

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG VÀ CÁC GIẢI

2.2 Ổn định của nền đất đắp lên đất yếu ven sông 18 2.2.1 Tính toán độ lún của nền đất yếu sau tường bờ kè 19

2.3 Ổn định bản bê tông gia cố mái bờ kè và hệ cọc chịu tải trọng ngang 29

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG KÈ

3.1.1 Phương pháp 1: Dựa vào lý thuyết áp lực đất tác dụng lên tường chắn của

Coulumb (lý thuyết cân bằng giới hạn)

35

3.1.2 Phương pháp 2: Xem tường cọc bản là dầm đàn hồi biến dạng cục bộ theo

phương ngang (lý thuyết tính dầm đàn hồi theo hệ số nền Winkler)

35

3.2 Phân tích biến dạng của tường cọc bản trên nền đất yếu ven sông 39

3.3.2 Bài toán 2: Tường cọc bản đóng trong đất có neo 46

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THỰC TẾ CHO CÔNG TRÌNH KÈ TẠI CẢNG HẢI QUÂN TỈNH AN GIANG

4.3.1 Điều kiện địa hình – thủy văn 51

a, av m2/kN Hệ số nén

Si m Tổng sức kháng trượt của mảnh phân tố tại vị trí cung

tiếp tuyến

x y Các biến dạng tương đối pháp tuyến theo trục x, y

Hệ số poisson

Wi, Qi KN Trọng lượng mảnh và tổng tải trọng ngoài tác dụng lên

mảnh

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, với sự phát triển về kinh tế, yêu cầu phát triển hạ tầng kỹ thuật là rất lớn, trong đó việc xây dựng bến cảng để vận chuyển nguyên vật liệu, hàng hóa đòi hỏi phải đảm bảo được tính ổn định và bền vững Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực

có hệ thống sông rạch chằng chịt, nền đất khu vực nhìn chung là đất yếu, việc xây dựng các công trình cần được tính toán đảm bảo ổn định

Hiện tượng sạt lở bờ sông diễn ra phổ biến trong khu vực làm ảnh hưởng không nhỏ đến an toàn cho các công trình ven bờ nếu không có biện pháp bảo vệ hợp

lý Việc tìm ra giải pháp phù hợp với điều kiện địa chất khu vực, đảm bảo ổn định, kinh tế và mỹ quan là những yêu cầu đặt ra đối với những người làm công tác xây dựng Tường cọc bản là một trong những giải pháp đang được sử dụng để giải quyết những vấn đề trên và có nhiều phương pháp tính toán đang được sử dụng đối với giải pháp này

Việc nghiên cứu để lựa chọn giải pháp hợp lý cho tường cũng như so sánh các phương pháp tính toán để chọn ra kết quả tin cậy là điều hết sức cần thiết

2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu là phân tích giải pháp ổn định bờ kè của khu vực sạt lở tại cảng Hải Quân tỉnh An Giang với điều kiện tự nhiên và địa chất thực tế Ứng dụng phương pháp phân tích sự làm việc đồng thời giữa tường kè và đất nền xung quanh trên mô hình đất nền Mohr – Colomb để tính toán ổn định và biến dạng hệ tường cọc bản Nhận xét, đánh giá kết quả thu được nhằm kiến nghị các giải pháp an toàn, kinh tế trong đầu tư Luận văn bao gồm các nội dung chính sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về ổn định bờ sông và các giải pháp xử lý kè

Chương 2: Các giải pháp tính toán ổn định bờ kè ven sông trên đất sạt lở ( đất

yếu)

Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định tường kè

Chương 4: Tính toán thực tế cho công trình kè tại cảng Hải Quân tỉnh An

Giang

Kết luận và kiến nghị

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu về lý thuyết:

Nghiên cứu các phương pháp phân tích ổn định của tường kè dưới tác dụng của tải công trình ven sông theo các tiêu chuẩn trong và ngoài nước

Mô phỏng tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn:

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua các phần mềm tính toán như Plaxis để mô phỏng phân tích ổn định và biến dạng cho công trình tường kè bảo vệ bờ khu vực cảng Hải Quân tỉnh An Giang

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

Xác định giải pháp có lợi nhất về mặt kinh tế để bảo vệ bờ sông, góp phần xây dựng các giải pháp xử lý bảo vệ các công trình ven sông trên nền đất yếu tại tỉnh An Giang nói riêng và Đồng bằng sông Cửu Long nói chung Tạo điều kiện thuận lợi để khai thác giao thông thủy tại khu vực

5 Hạn chế của luận văn

Do thời gian hạn chế nên chỉ tập trung phân tích ổn định cho một công trình tại

An Giang mà chưa mở rộng cho các khu vực khác

Không phân tích tải trọng động đối với khả năng chịu lực của công trình, không kiểm tra ổn định tổng thể

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ KÈ 1.1 Đặt vấn đề

Hiện tượng sạt lở bờ sông ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long đã diễn ra từ rất lâu gây nên những thiệt hại to lớn đe dọa đến tính mạng, tài sản của Nhà Nước và Nhân dân trong vùng Điều này đặt ra một nhiệm vụ cho các cấp chính quyền phải đảm bảo ổn định về chỗ ở cho nhân dân tạo điều kiện phát triển về kinh tế xã hội

Để khắc phục hiện tượng sạt lở, có nhiều giải pháp tường chắn đã được thực hiện như: Đất trộn xi măng, thảm khối bê tông liên kết lưới, tường kè … Tường kè cũng là một phương án được chọn để bảo vệ bờ sông, các công trình ven bờ, hiện nay đang được ứng dụng tại một số công trình tương đối quan trọng Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế trong nước cho loại công trình này, việc kiểm tra

ổn định tường vẫn thực hiện theo các tiêu chuẩn nước ngoài Nhu cầu về thiết kế công trình tường kè phù hợp với điều kiện địa chất khu vực là một nhu cầu có thực, việc tìm

ra được giải pháp an toàn với chi phí hợp lý là mong muốn của rất nhiều kỹ sư xây dựng hiện nay

1.2 Tổng quan về đất yếu

Đất yếu là loại đất không có khả năng tiếp nhận trực tiếp tải trọng từ công trình Hiện nay, không có định nghĩa rõ ràng về đất yếu và phần lớn các nước trên thế giới thống nhất định nghĩa về nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau:

 Đất rất yếu: Su ≤ 12.5 kPa hoặc N<2

 Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N<4

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 245:2000, đất yếu được định nghĩa như sau:

“là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới

Địa chất ở Đồng bằng sông Cửu Long hầu hết là đất yếu, đặc biệt là khu vực ven sông Tiền, sông Hậu, gồm đất bùn sét, á sét trạng thái chảy dễ bị xói lở khi có tác động bên ngoài Các lớp cát xen kẹp trong lớp sét, bùn sét thường là cát mịn trạng thái

chảy, khi có nước ngầm chúng dễ bị cuốn trôi gây nên hiện tượng xói ngầm làm sạt lở các khối đất bên trên

1.3 Các dạng tường kè

 Tường cọc bản bằng đất trộn ximăng

Cấu tạo: Các cọc đất trộn ximăng tiếp xúc khích nhau hoặc giao nhau để chống

đỡ các vách hố đào hoặc chịu áp lực đất Cừ vây bằng ximăng được thi công bằng thiết bị khoan có thể phun vữa gồm cát ximăng và nước ra xung quanh thân ống trộn với đất, cánh của lưỡi khoan có đường kính khỏang 0,3 đến 0,45m Có thể cắm lồng thép hoặc thép hình vào khi vữa còn ướt

Phạm vi sử dụng: Sử dụng trong việc chống vách hố đào cho tầng hầm các

công trình

Ưu điểm: Có thể thi công trong nhiều lọai đất khác nhau

Nhược điểm: Khả năng kín nước kém vì có thể có những khoảng hở giữa hai

cừ Khả năng chịu áp lực ngang không lớn như tường bằng bêtông cốt thép nên tùy chiều sâu và lọai đất mà phải thi công nhiều lớp cừ

 Tường cừ bản bằng thép

Cấu tạo: Tường cừ chắn đất làm bằng thép định hình có tiết diện: hình chữ Z,

chữ I, hình máng, cừ Larsen, thép ống… có chiều dài từ 5  22m Dầm ốp có cấu tạo

là 2 thanh thép chữ I đặt cao hơn mực nước thi công 0,5m Dầm mũ bằng BTCT có tiết diện hình chữ nhật đổ tại chỗ Các thanh neo bằng thép tròn 75, 80 Mũ giữ thanh neo làm dầm BTCT

Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè có qui mô lớn, làm bến cảng nước sâu cho tàu

có trọng tải lớn, bốc dỡ hàng hóa nặng Xây dựng bảo vệ xói lở khu trung tâm dân cư, bảo vệ các công trình quan trọng ven sông

Ưu điểm: Tuổi thọ cao, tính công nghiệp lắp ghép cao, thi công nhanh Chịu

được những nơi có tốc độ dòng chảy lớn, bị ngập lũ sâu

Nhược điểm: Giá thành cao do phải nhập cừ thép định hình từ nước ngoài

Thép bị ăn mòn ở những vùng có nước nhiễm phèn, nhiễm mặn Loại này ít dùng ở đồng bằng Sông Cửu Long

(a) (b) (c)Hình 1.3 Một số hình dạng và liên kết của tường cọc bản bằng thép

Hình 1.4 Cừ thép dùng làm tường cọc bản

Hình 1.5 Tường cọc bản bằng thép bảo vệ công trình

 Tường cừ bản bêtông cốt thép

Cấu tạo: Cọc bản bằng BTCT, có nhiều dạng tiết diện, cọc bản tiếp nhận trực

tiếp áp lực của lớp đất đắp đất Dầm mũ bằng BTCT đổ tại chỗ, liên kết các đầu cọc bản, tiếp nhận lực của cọc bản truyền vào, sau đó dầm mũ truyền lực qua cọc vây và dầm neo Dầm neo bằng BTCT đúc sẵn, hoặc thép hình có tăng đơ

Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè có qui mô lớn, làm bến cảng nước sâu cho tàu

có trọng tải lớn, bốc dỡ hàng hóa nặng Xây dựng bảo vệ xói lở khu trung tâm dân cư, bảo vệ các công trình quan trọng ven sông

Ưu điểm: Bờ kè bằng BTCT kết cấu bền vững, tuổi thọ cao, dễ thi công Tận

dụng được vật liệu có sẵn, giá thành thấp hơn so với thép định hình Được dùng rộng rãi ở ĐBSCL, ở những nơi ngập lũ sâu, tốc độ dòng chảy lớn, xói lở bờ mạnh

- Nhược điểm: Khi thi công các cọc bản ghép lại với nhau, các mối nối khó

khít nhau khi đóng cọc bản vào đất

* Theo cách giữ tường ổn định: cĩ thể chia thành 2 loại là tường cĩ neo và tường khơng neo

TƯỜNG CỌC BẢN

CỌC NEO TƯỜNG CỌC BẢN

CÁP NEO

GIẰNG

a Tường không neo b Tường có neo

Hình 1.8 Tường cọc bản cĩ neo và khơng neo

*Các dạng neo trong tường kè

Các dạng neo sau được sử dụng phổ biến trong tường cọc bản:

- Bản neo và dầm neo: Bản neo thường là các tấm bêtơng nối với tường bằng các thanh neo Các thanh neo được chống ăn mịn bằng các lớp sơn hoặc asphalt bảo vệ

- Thanh neo: Cĩ cấu tạo gồm một khối bêtơng đúc tại chỗ trong lịng đất

và nối với tường bằng các thanh neo hoặc dây cáp chịu kéo

- Cọc neo thẳng đứng: sử dụng các thanh neo để neo tường vào các cọc đĩng thẳng đứng Dùng cho các trường hợp cĩ lực ngang nhỏ

- Các dầm neo trên các cọc xiên: Sử dụng thanh neo hoặc cáp neo để neo tường vào các cọc xiên chịu nhổ Sử dụng trong các trường hợp cĩ lực ngang lớn

Các dạng neo trong tường kè được thể hiện trong hình 1.9

NHÓM CỌC NEO DẦM NEO

BẦU NEO

CỌC NEO

CÁP NEO KHỐI BÊTÔNG NEO

TƯỜNG CỌC BẢN

TƯỜNG CỌC BẢN TƯỜNG CỌC BẢN

CÁP NEO

GIẰNG GIẰNG

d Neo bằng dầm có cọc xiên chống đở

c Neo đất

Hình 1.9 Các dạng neo trong tường kè

 Thảm khối bê tơng liên kết lưới

Cấu tạo:

Thảm bê tơng bằng các khối bêtơng phức hình là loại thảm sử dụng các khối bê tơng liên kết chúng lại với nhau bằng mĩc nối, dây nilon Kết cấu loại này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước như Đan Mạch, Trung Quốc, Nhật Bản để chống xĩi đáy và bảo vệ mái bờ

Loại thảm này gồm 3 lớp: Lớp trên là bê tơng tấm được ghép khít với nhau

để che chắn tác động thuỷ lực xuống nền Lớp thứ 2 là lưới thép liên kết đan cài các viên bê tơng tạo thành thảm Lớp thứ 3 là hệ chân định vị tự chèn làm nhiệm vụ che kín các khe lắp ghép, liên kết trọng lượng Lớp 2 và 3 cĩ tác dụng thay thế lớp đệm đá, dày 10 cm, làm giảm lưu tốc dưới nền, hạn chế hiện tượng xĩi nền

Thảm gồm các viên bê tơng cĩ cấu tạo đặc biệt, ghép sát nhau, liên kết cả bằng lưới thép và tự chèn nên che kín các khe hở, chịu được tác động của dịng chảy hoặc sĩng ngầm Lưới thép cĩ đường kính lớn, độ bền cao, làm bè đệm chống lún Nếu sau này, khi các lưới thép bị rỉ đứt, các viên thảm sẽ tiếp tục làm việc bằng liên kết tự chèn 3 chiều để duy trì sự ổn định của cơng trình Mặt dưới thảm cĩ hệ thống chân đanh chống trượt, mặt trên thảm là xi măng lát phẳng cĩ thể đa dạng hoa văn trên

bề mặt

Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè, làm bến cảng bảo vệ xĩi lở các cơng trình

quan trọng ven sơng

Cơng nghệ này đã được triển khai thử nghiệm thành cơng 114 m tại Phà

An Hịa, thành phố Long Xuyên; 560m tại Kè Long Xuyên tỉnh An Giang; 705 m tại

Kè Mương Chuối huyện Nhà Bè, TP HCM; cơng trình kè Vĩnh Bình, TP HCM, kè Tân Long, tỉnh Tiền Giang…

Ưu điểm: Cĩ khả năng che kín hết bề mặt bờ sơng, bờ biển, kéo dài từ phía

trên của bờ xuống tận đáy hồ, đủ trọng lượng để chống chịu dịng chảy với vận tốc 7m/giây Giữa các khối thảm được liên kết với nhau bằng hệ thống sợi dây thép cĩ đường kính 6mm, do đĩ khe hở được phân bố rất đều giúp cho việc phân tiêu thốt nước thuận lợi

Về khả năng chống lún sụt, thảm tự chèn có thể chống sụt lún rất tốt đối với chân đất mềm, yếu ở ĐBSCL bởi bề mặt dưới của thảm có một hệ thống chân đanh bảo vệ rất tốt với 3 chân/viên Với các ưu điểm trên, theo tính toán thảm có tuổi thọ tối thiểu sáu năm, nếu được bảo vệ, tu sửa tốt có thể kéo dài trên 10 năm, thậm chí

có thể trở thành vĩnh cửu bởi ngay cả khi các sợi thép bị đứt thì thảm vẫn còn hệ thống định vị chân đanh bảo vệ

1.4 Ổn định của tường kè ven sông

Các dạng mất ổn định của tường kè được chia thành 3 loại chính sau:

- Mất ổn định do trượt tổng thể: Trượt sâu, mặt trượt đi qua chân cọc (hình 1.10, 1.11)

- Mất ổn định do phá hoại về kết cấu: Tường không đủ chịu tải trọng ngang, hệ thống neo không đảm bảo, ăn mòn vật liệu, xói lở … Mặt trượt khi đó sẽ đi qua thân cọc (hình 1.12,1.13)

- Mất ổn định do thiên tai

Hình 1.10 Tường cọc bản bị mất ổn định do bị trượt sâu

Hình 1.11 Tường cọc bản mất ổn định do chiều sâu ngàm không đủ

(phá hoại xoay)

Hình 1.12 Tường cọc bản bị phá hoại do bị gãy

mà nguyên nhân được xác định là do tư vấn thiết kế đã tính toán không đầy đủ các yếu

tố địa chất và các yếu tố khác ảnh hưởng đến công trình như: tác động của tải do xe, tải do việc thu hẹp lòng sông … Công trình bờ kè huyện Phong Điền dài gần 800m, được đầu tư xây dựng gần 13 tỷ đồng hoàn thành vào đầu năm 2007, chưa nghiệm thu

đã bị sạt lở và trôi xuống sông hàng trăm mét, thiệt hại hơn 5 tỷ đồng Kinh phí khắc phục (gồm: giải tỏa, di dời 146 hộ dân; xây dựng khu tái định cư; gia cố bờ kè; xây dựng công viên bờ sông) lên đến 58 tỷ đồng

Hình 1.14 Bờ kè Phong Điền (Cần Thơ) bị sạt lở Ngoài ra, bờ kè sông Tiền tại thị xã Vĩnh Long cũng bị nghiêng ra sông, khối đất sau lưng tường bị lún sụp Nguyên nhân được xác định là do các trận

lũ lớn năm 1995 và 1996 làm xói lở bờ sông ở phía dưới các tấm đan bêtông cốt thép giữa các cọc Các cọc BTCT làm bờ kè và cọc neo đều bị nghiêng ra phía sông

1.6 Nhận xét

Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý phức tạp, đòi hỏi phải khảo sát, phân tích và tính toán một cách kỹ lưỡng, phải được xét đến để có thể khai thác hiệu quả công trình Tuy nhiên, khi lựa chọn phương án xây dựng tường cọc bản vẫn chưa có sự nghiên cứu, so sánh để tìm giải pháp tối ưu mà thường dựa trên cảm tính của người thiết kế, trong khi điều này đòi hỏi phải đánh giá về chiều sâu lớp đất yếu, tải trọng công trình bên trên, chênh lệch chiều sâu giữa đất trước và sau lưng tường ….Việc nghiên cứu giải pháp tường cọc bản để đảm bảo ổn định cho các công trình ven bờ tại Đồng bằng sông Cửu Long là hết sức cần thiết trong điều kiện đất yếu tại khu vực này

CHƯƠNG 2:

CÁC GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ KÈ VEN SÔNG TRÊN

ĐẤT SẠT LỞ ( ĐẤT YẾU)

Việc tính toán ổn định bờ kè ven sông bao gồm các vấn đề sau: Ổn định mái dốc,

ổn định hệ tường chắn, ổn định đất đắp trên đất yếu ven sông

2.1 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc căn cứ trên cơ sở trạng thái cân bằng giới hạn

2.1.1 Phương pháp cung trượt hình trụ tròn - phương pháp Fellenius

Fellenius sử dụng mặt trượt dạng trụ tròn và phân chia khối đất thành n mảnh nhỏ

để tính toán Theo Fellenius, lực tương tác giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu lẫn nhau, vì vậy bỏ qua tương tác giữa các mảnh [12]

Sơ đồ lực ban đầu của Fellenius chỉ gồm trọng lượng bản thân, phản lực của đất nền lên mảnh phân tố và sức kháng trượt dọc theo mặt trượt Để có thể xét thêm ảnh hưởng của ngoại lực, ta đặt thêm lực Q là tổng tải trọng ngoài trong phạm vi mảnh phân tố

Xét một cung trượt tròn có tâm bất kỳ như trong hình 2.1.1 hệ số ổn định Fs có thể xác định như sau:

) (

1

1

i i n

i i

n

i i

gt

ct s

Q W d

S r M

M F

Cuối cùng, biểu thức xác định hệ số an toàn ổn định cho một cung trượt theo Fellenius xác định như sau:

i i i

i i i i i m

s

Q h b

ub Q

h b c

b F

] tan cos

[ 2

1

2 1

2.1.2 Phương pháp cung trượt lăng trụ tròn - phương pháp Bishop

Cũng như Fellenius, Bishop sử dụng mặt trượt dạng trụ tròn và phân khối đất thành

n mảnh nhỏ để tính toán ổn định [12]

Phương pháp này khác với phương pháp Fellenius ở chỗ Bishop giả thiết rằng các lực tác động tiếp tuyến với mặt hông của mảnh bằng nhau Xi=Xi+1 và lực pháp tuyến khác nhau Ei # Ei+1

Gọi Fs là hệ số an toàn, xét cân bằng dọc theo đáy của mảnh, sẽ có:

s

i i i i i s

i i

i

F

tg N cl Q

W F

S Q

i i s

Q W

tg N cl F



sin (2.1.3) Theo điều kiện cân bằng phương đứng:

s

i i i

i i i

s i i i

i

F

tg N cl ul N

Q W F

S ul N

cos sin

s i

i i i i

i

F tg

ul F

c Q W

b l

sin

 và N vào phương trình cân bằng theo phương dọc mặt trượt ta có:

i i i i

i i i s

F

tg tg S

tg ub Q W cb Q

W F

1

(2.1.4)

Hình 2.1.2: Sơ đồ phân tích ổn định theo Bishop

Do hai vế đầu có giá trị Fs nên để xác định được giá trị Fs ta có thể dùng phương pháp

“thử và sai” kết hợp tính lặp để tính đúng dần như sau:

- Cho trước giá trị Fs ta tính giá trị vế phải của biểu thức trên

- Từ giá trị Fs tính được ta lại tiếp tục thế vào để tìm ra giá trị Fs mới

- Sau một số vòng lặp, giá trị Fs mới và giá trị Fs trước đó xấp xỉ bằng nhau Khi đó Fs

là giá trị cần tìm

2.1.3 Phương pháp cung trượt lăng trụ tròn - Phương pháp Sokolovski

Khối đất được xem là môi trường không có trọng lượng, có ma sát và lực dính Sokolovski xét 2 bài toán cơ bản sau [1]:

Xác định sức chịu tải của mái đất, tức làm tìm áp lực pháp tuyến lớn nhất trên mặt định mái ứng với trạng thái cân bằng giới hạn của một mái đất có hình dạng cho trước Khi xét hai bài toán này, Sokolovski cho rằng sự phá hoại cân bằng giới hạn của khối đất theo một mặt trượt lăng thể đất Do đó, trong phạm vi lăng thể trượt này, hình thành ba vùng rõ rệt Trong đó vùng kề mặt đỉnh mái ngay phía dưới tải trọng phân bố thẳng đứng (I) là vùng trạng thái ứng suất nhỏ nhất (vùng cân bằng giới hạn chủ động), còn vùng giáp mặt mái (III), tại vùng trạng thái ứng suất lớn nhất (vùng cân bằng giới hạn bị động) Vùng bao gồm giữa hai vùng đó gọi là vùng trung gian (II) Lúc này trong vùng (I) và (III) xuất hiện hai họ mặt trượt song song với nhau, còn trong vùng

chuyển tiếp (II) thì hình thành hai họ mặt trượt, trong đó một họ gồm các mặt đồng

quy tại O và họ thứ hai gồm các mặt cong đồng tâm (hình 2.1.3a), nối liền một trong

hai họ mặt trượt thuột vùng (I) và (III) Như vậy, ở đây, mọi điểm trong lăng thể trượt

đều đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn

Hình 2.1.3: (a) Phân vùng trượt của mái dốc (b) Mái dốc phẳng

Từ ý nghĩa vật lý đó, kết hợp với các điều kiện cân bằng và các hàm số họ đường

cong mặt trượt giả định, Sokolovski đã tìm ra được lời giải về ổn định của mái đất cho

một số trường hợp thuộc hai loại bài toán cơ bản đã nói ở trên

Đối với bài toán cơ bản thứ nhất, ở đây chỉ xét một trường hợp thường gặp trong

thực tế là trường hợp mặt mái phẳng (hình 2.1.3b) Trị số thực của sức chịu tải được kí

hiệu là qgh và xác định theo công thức sau:

x (2.1.6)

Đối với bài toán cơ bản thứ hai, ở đây cũng chỉ xét trường hợp khi đất ở mái là đất

dính, đồng thời mặt mái có một tiếp tuyến thẳng đứng tại đỉnh (hình 2.1.3c) Trong

trường hợp này Socolovski đã chứng minh rằng khi trên mặt đỉnh mái có một tải trọng

phân bố đều thẳng đứng với cường độ qo tác dụng thì mái đất vẫn ở trạng thái cân bằng

giới hạn Trị số của cường độ qo bằng:

qo=





sin 1

cos 2

x,z - độ dài thực tế của hoành độ và tung độ các điểm

Vậy dùng đồ thị trên hình 2.1.4 và dựa vào biểu thức (2.1.8) với các trị số , c, 

của đất đã biết, chúng ta có thể xác định được dạng cong mặt mái đất ổn định giới hạn

2.1.4 Phương pháp cung trượt lăng trụ tròn - Phương pháp F p theo Giáo sư N.N Maslov

Xét điều kiện cân bằng của một phân tố đất trên mặt nghiêng, Giáo sư N.N Maslov

đã đưa ra biểu thức để xác định mái dốc (taluy) hoặc sườn dốc ổn định như sau [9]:

1 ( )

q

c tg F tg

Hình 2.1.5 : Sơ đồ xác định hình dạng mái dốc ổn định theo phương pháp Fp

2.2 Ổn định của nền đất đắp lên đất yếu ven sông

Các dự án phát triển khu đô thị mới ven sông phần lớn thường phải đối mặt với vấn

đề quan trọng là độ lún của khối đất đắp trên đất yếu Đất đắp được hiểu là vật liệu được lựa chọn cho san lấp, đầm chặt theo tiêu chuẩn đến độ cao thiết kế, được đặt trên nền thiên nhiên Nền đất yếu là đất nền nằm dưới lớp đất đắp, thường là loại đất bùn,

bùn sét trạng thái dẻo mềm, đến nhão Khi chịu tác dụng của tải trọng của khối đất đắp, thì nền đất yếu ven sông sẽ xảy ra các biến dạng sau:

 Biến dạng theo phương đứng:

+ Lún tức thời do biến dạng đàn hồi và lún do biến dạng nén chặt trong giai đoạn cố kết 1

+ Lún do biến dạng từ biến trong giai đoạn cố kết 2

Vì giai đoạn lún do cố kết thấm kéo dài và theo một số tài liệu đến hiện nay thì độ lún do cố kết thấm của các lớp đất từ độ sâu 15m trở đi vẫn chưa chấm dứt hoàn toàn

 Biến dạng theo phương ngang: Do sự di chuyển ngang của nền đất yếu ra phía sông 2.2.1 Tính toán độ lún của nền đất yếu sau tường bờ kè

 Xác định chiều sâu vùng nén chặt trong nền đất yếu theo quan hệ ứng suất nén Vùng nén chặt trong nền đất yếu là vùng hoạt động vì cố kết thoát nước của giai đoạn cố kết thứ 1 Ngoài phạm vi này, hiện tượng ép đẩy nước ra ngoài không đáng

kể Chiều sâu vùng này được giới hạn theo điều kiện sau:

- Theo chiều sâu đường đồng ứng suất nén, có giá trị z = 0,1q, với q áp lực gây lún

- Theo chiều sâu ứng suất nén do tải trọng ngoài gây ra theo trục đối xứng, có giá trị

 z  0 1x d

z với  d

z là ứng suất do trọng lượng bản thân đất nền gây ra

Hai điều kiện trên đều dựa theo kinh nghiệm và cho kết quả gần đúng

Hình 2.2.2: Sơ đồ xác đinh phạm vi vùng nén chặt

Trường hợp san lấp rộng khắp trên đất yếu, có thể xem bề dày lớp đất yếu là phạm

vi chịu lún do độ lún của nó khá lớn so với độ lún không đáng kể của lớp đất tốt bên dưới

 Xác định độ lún ổn định do biến dạng nén chặt trong giai đoạn cố kết thứ nhất theo phương pháp cộng lún lớp phân tố

Độ lún ổn định trong giai đoạn cố kết thứ nhất là độ lún của nền đất được giới hạn bởi 2 mốc thời điểm đầu và thời điểm cuối trong quá trình cố kết như sau: thời điểm đầu ứng với lúc bắt đầu xảy ra hiện tượng biến đổi áp lực nước lỗ rỗng hoặc ứng với lúc bắt đầu giảm độ ẩm của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài Thời điểm cuối ứng với lúc áp lực nước lỗ rỗng không thay đổi hoặc độ ẩm – độ chặt của đất không thay đổi (lúc ngưng quá trình vắt ép nước ra khỏi đất)

Hình 2.2.5: Sơ đồ tính toán độ lún ổn định theo phương pháp

tổng độ lún lớp phân tố

Nội dung cơ bản của phương pháp: Chia nền đất trong vùng nén chặt Ha thành nhiều lớp phân tố nhỏ, sao cho ứng suất nén do tải trọng ngoài gây ra trong phạm vi mỗi lớp thay đổi không đáng kể Độ lún ổn định của nền đất bằng tổng độ lún của các lớp phân tố:

S = 



n

i i

ezi - biến dạng tương đối của lớp đất phân tố i theo phương đứng z

yi xi i zi

i i

i i zi

1

2 1

21

1

 

i i

i i zi yi xi

yi xi i zi

oi

1 2

1 1

1

2 1 0

i i

S

1

2 1

i

E S

0



 (2.2.16)

i i i

c i

e

C h S

c

p

p p e

C h

0

0

;log

a

1

2 1

i oi

Phương pháp lớp tương đương cũng như một số phương pháp khác đều dựa trên cơ

sở lý thuyết nền biến dạng tuyến tính Nội dung của phương pháp này là thay việc tính toán độ lún của nền dất dưới tác dụng của tải trọng có cùng trị số, nhưng phân bố đều kín khắp trên bề mặt nghĩa là nền bị lún theo điều kiện của bài toán một chiều điều này cho phép đơn giản hóa việc ước lượng độ lún

Trường hợp nền đồng nhất

Thiết lập công thức tính dựa vào cân bằng độ lún của hai biểu đồ tính lún, cuối cùng ta

có công thức tính lún đơn giản như sau:

p h a

) 1 ( 0

2 0





 hoặc h s  Ab, A tra bảng dựa vào tỷ số l/b

Theo N.A Txưtovits, chiều sâu vùng chịu nén H phụ thuộc vào trị số độ bền kết cấu pkc, giá trị gradient thủy lực ban đầu io của đất và có thể tính toán theo công thức tổng quát sau đây:

p p h

p i

i h

n s

0

Trong đó: poc = p - pkc

Hình 2.2.6: Sơ đồ tính toán độ lún ổn định theo phương pháp

lớp tương đương

Trường hợp nền đất không đồng nhất

p h a

n

i

i i i m

h

z h a a

2.2.2 Phương pháp xác định độ lún theo thời gian

Do đất loại sét biến dạng rất chậm theo thời gian, nên việc xác định độ lún theo thời gian đóng vai trò quan trọng trong thiết kế nền móng Hiện nay, việc ước lượng

độ lún theo thời gian chủ yếu căn cứ trên cơ sở lý thuyết cố kết thấm

 Ước lượng độ lún của nền theo thời gian trong điều kiện bài toán cố kết thấm một chiều

Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều theo lý thuyết cố kết của Terzaghi [2]

2 2

z

u C t

v w

a

k C





Giải phương trình này với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên thoát nước của lớp đất cố kết ta sẽ tìm được độ lún theo thời gian của bài toán cố kết thấm một chiều Trường hợp nén chặt lớp đất dưới tải trọng phân bố đều q (hình 2.2.7), đặt tải tức thời vào thời điểm t = 0 Mặt biên của lớp đất ở z = 0 và z = h được xem như thấm nước

) (

exp sin

1 4

) ,

2 2

,

3 , 2 , 1

t h

i C h

z i i

q t z

i w

Đặc điểm của biểu đồ áp lực thặng dư uw trong nước và ứng suất trong cốt đất ’ =

q – uw được tính ở các thời điểm khác nhau t1 hoặc t2 tương ứng theo quan hệ (1.2.2) được trình bày trên (hình 2.2.7)

Biết ứng suất trong cốt đất ở thời điểm bất kỳ t, có thể xác định độ lún của lớp đất S(t) ở thời điểm đó

Mặt phẳng z = h/2 (xem hình 2.2.7) là mặt phẳng đối xứng đối với toàn bộ biểu đồ

áp lực thặng dư trong nước lỗ rỗng và là biên phân cách các dòng nước bị nén ép ra khỏi lỗ rỗng lên trên hoặc xuống dưới Do đó, mặt phẳng này có thể xem như không thấm và lời giải cho sơ đồ này với nền không thấm (hình 1.2.2a) bằng cách thay h bằng 2h1, tức là:

i C h

z i i

q t z

,

3 ,

14

),

Hình 2.2.8 Áp lực trong nước và ứng suất trong cốt đất khi cố kết lớp đất dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều (a), trọng lượng bản thân đất (b, c) và lực thấm (d)

 Các lời giải cho những trường hợp thường gặp

Trong thực tế các sơ đồ tính toán thường gặp như sau:

Sơ đồ 0: ứng với biểu đồ áp lực nén phân bố theo chiều sâu có dạng hình chữ nhật

(bài toán 1 chiều) như hình 2.2.9

Sử dụng các điều kiện biên và điều kiện ban đầu, ta tìm được công thức xác định

độ lún theo thời gian như sau:

2

4 exp 1 8

1

v

t h

i C i

e

aqh t

Hình 2.2.9 Các sơ đồ bài toán cố kết cơ bản thường gặp

Sơ đồ 1: theo độ sâu, áp lực tăng dần và phân bố hình tam giác

Trường hợp này tương ứng với ứng suất do trọng lượng bản thân lớp đất, có thể sử dụng tính toán cho các nền đất san lấp biển, hoặc mở rộng xây dựng trên những khu vực thấp bằng các vật liệu địa phương:

3

4

exp 3

1 32

1 ) 1 ( 2 ) (

i

v

t h

i C i

e

aqh t

Sơ đồ 2: khi áp lực giảm theo chiều sâu và phân bố theo định luật tam giác

Sơ đồ này trong thực tế ứng với trường hợp khi lớp đất cố kết dưới ảnh hưởng của tải trọng ngoài tác dụng trên bề mặt, đồng thời biểu đồ phân bố ứng suất do tải trọng này gây ra có dạng gần như 1 đường thẳng Đó là trường hợp bài toán do tải trọng ngoài của móng băng hay móng đơn Lời giải cho sơ đồ này như sau:

2

4 exp

2 1 1 16

1 ) 1 ( 2 )

(

i

v

t h

i C i

i e

aqh t

Ngoài ra trong thực tế tính lún các nền đất theo thời gian còn có thể gặp các sơ đồ khác nữa, sơ đồ 0 -1 và sơ đồ 0 – 2

Hình 2.2.10: Sơ đồ bài toán cố kết kết hợp

Để thuận tiện tính toán, một số tài liệu cho phép sử dụng số hạng đầu tiên với các công thức (2.2.25), (2.2.26), (2.2.27), (2.2.28) khi độ cố kết đạt giá trị lớn hơn 60% Việc tính toán này có thể thực hiện nhờ sự trợ giúp của các phương tiện tính toán bằng các chương trình thiết lập được

2.2.3 Ƣớc lƣợng độ lún do nén thứ cấp của nền đất

Do biến dạng thứ cấp của đất nền, sau giai đoạn phân tán áp lực nước lỗ rỗng thặng

dư (cố kết sơ cấp) hoàn toàn, dưới tác dụng của ứng suất hữu hiệu không đổi, đất nền tiếp tục bị biến dạng Thành phần biến dạng này thường được gọi là độ lún do hiện tượng nén thứ cấp, được ký hiệu Sa [4]

Từ thí nghiệm thí nghiệm nén cố kết do từ biến có thể xác định được hệ số cố kết thứ cấp C bằng biểu thức sau:

o

p

t t h

e t S C

/log

)1)(

h t S

2.3 Ổn định bản bê tông gia cố mái bờ kè và hệ cọc chịu tải trọng ngang

2.3.1 Ổn định bản bê tông gia cố mái

 Ổn định của mái

Mái là nền đất được phủ đá hộc, khối bê tông hoặc tấm bê tông cốt thép diều kiện

để bất kỳ một điểm nào đó trên mái trượt được ổn định là áp lực do lớp mặt gây ra P lớn hơn áp lực a (ngoại lực) làm mất ổn định [6]:

cos

d

P  n   n (2.3.2)