Nghiên cứu ổn định và biến dạng tường kè bảo vệ công trình ven sông

Từ những nghiên cứu trong đề tài, tác giả đề xuất lựa chọn giải pháp thiết kế sơ bộ tường cọc bản, ước lượng sự thay đổi chiều dài cọc theo vị trí neo, kiến nghị hệ số an tòan đối với áp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :TS TRẦN XUÂN THỌ

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TPHCM, ngày 27 tháng 8 năm 2011

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

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

-

-TP.HCM, ngày …… tháng ……… năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : VĂN ANH TRÍ Phái : NAM

Ngày tháng năm sinh : 04 - 6 - 1977 Nơi sinh : BẾN TRE Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MSHV: 09090313

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG TƯỜNG KÈ BẢO VỆ CÔNG

TRÌNH VEN SÔNG II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 NHIỆM VỤ: Nghiên cứu ổn định của bờ kè tường cọc bản bảo vệ công

trình ven sông

2 NỘI DUNG:

Mở đầu

thải và rạch Ông Đốc – Khu công nghiệp An Hiệp – Bến Tre

Kết luận và kiến nghị

III-NGÀY GIAO NHIỆM VU : 20-06-2010

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01-07-2011

V-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRẦN XUÂN THỌ

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Luận văn tốt nghiệp được hoàn thành với sự cố gắng của bản thân và sự hướng dẫn, hỗ trợ của các thầy, cô và các anh chị em đồng nghiệp Đây là sự tổng hợp các kiến thức mà tác giả đã tiếp thu được trong khoảng thời gian học tập chương trình cao học Địa kỹ thuật xây dựng tại Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tác giả xin gởi lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Trần Xuân Thọ, người đã quan tâm, hướng dẫn tận tình trong thời gian thực hiện luận văn

Tác giả xin cảm ơn tất cả các thầy cô tham gia giảng dạy chuyên ngành đã hết lòng truyền đạt những kiến thức quí báu trong suốt quá trình đào tạo

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty cổ phần tư vấn xây dựng Bến Tre đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong công tác để tác giả hoàn thành khoá học này

Tác giả cũng xin cảm ơn các kỹ sư của Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ và Thiết Bị Công Nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh và Công

ty cổ phần tư vấn xây dựng Bến Tre đã rất nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong công tác khảo sát công trình

Cuối cùng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn

TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 6 năm 2011

Học viên thực hiện

VĂN ANH TRÍ

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nội dung luận văn thực hiện phân tích tính toán ổn định bờ kè tường cọc bản bảo

vệ công trình ven sông Trong luận văn, tác giả sử dụng phương pháp giải tích dựa trên

lý thuyết áp lực đất của Coulomb, phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis và kiểm tra so sánh với kết quả đo đạc thực tế Áp dụng phân tích cho công trình kè bảo vệ bờ khu xử lý nước thải và Rạch ông Đốc – khu công nghiệp An Hiệp tỉnh Bến Tre

Từ những nghiên cứu trong đề tài, tác giả đề xuất lựa chọn giải pháp thiết kế sơ

bộ tường cọc bản, ước lượng sự thay đổi chiều dài cọc theo vị trí neo, kiến nghị hệ số

an tòan đối với áp lực đất bị động do thay thế mặt trượt cong bằng mặt trượt phẳng theo lý thuyết áp lực đất của Coulomb, kiến nghị mô hình tính tóan cho đất nền theo điều kiện địa chất công trình

Những kết quả nghiên cứu trên có thể sử dụng để tính tóan thiết kế cho các công trình bờ kè tường cọc bản với điều kiện tương tự Việc nghiên cứu cần được thực hiện với các công trình tương tự để có được quy luật chung, áp dụng cho các công trình trên nền đất yếu khu vực Đồng bằng sông Cửu Long

This thesis is focused on analysing and calculating the stability of sheet pile wall to protect riverside constructions The soil pressure theory of Coulomb, the finite element method are used to analyse and compare with the measurement of sheet pile wall movements The sheet pile wall, which protects Wastewater treatment construction and Ong Doc canal, An Hiep Industry Park, is applied to be analysed

Based on the obtained results, the author proposed chosing the preliminary design of sheet pile walls, estimated the change of sheet plie length in case of changing anchor position, the safety factor of passive soil pressure to correct the difference caused by the supposition of flat sliding surface instead of curved one, proposed a soil model when using FEM for this construction

The obtained results can be used for the design of other sheet pile walls with the similar conditions It’s needed to analyse the similar constructions to find out the general way using for the Mekong Delta soft soils

MỤC LỤC

1 Tính cấp thiết của đề tài ……… 1

2 Nội dung nghiên cứu ……… 1

3 Phương pháp nghiên cứu ……… 2

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài ……… 2

5 Hạn chế của đề tài ……… 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH TƯỜNG KÈ VEN SÔNG 3 1.1 Đặt vấn đề ……… 3

1.2 Tổng quan về đất yếu ……… 4

1.3 Các dạng tường kè ……… 4

1.4 Ổn định của tường kè ven sông ……… 10

1.5 Một số sự cố về tường kè ……… 12

1.6 Nhận xét ……… 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG TƯỜNG KÈ 14 2.1 Các phương pháp tính toán tường cọc bản ……… 14

2.1.1 Phương pháp tính toán tường cọc bản theo điều kiện cân bằng giới hạn 14 2.1.2 Phương pháp tính toán tường cọc bản theo mô hình nền Winkler 15

2.1.3 Phương pháp phần tử hữu hạn ……… 18

2.2 Phân tích biến dạng của tường cọc bản trên nền đất yếu ven sông 21 2.3 Xác định áp lực ngang tác dụng lên tường kè ……… 23

2.3.1 Bài tóan 1: Tường cọc bản không neo ……… 23

2.3.2 Bài tóan 2: Tường cọc bản đóng trong đất có neo ……… 27

2.4 Kiểm tra ổn định tường kè ……… 31

2.5 Nhận xét ……… 31

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG TƯỜNG KÈ BẢO VỆ BỜ KHU XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ RẠCH ÔNG ĐỐC – KHU CÔNG NGHIỆP AN HIỆP – BẾN TRE 33 3.1 Đặt vấn đề ……… 33

3.3.1 Điều kiện địa hình - thủy văn ……… 35 3.3.2 Điều kiện địa chất ……… 35 3.4 Phân tích ổn định tường kè bằng phương pháp giải tích ……… 38 3.5 Phân tích ổn định tường kè bằng phương pháp phần tử hữu hạn …… 47 3.6 Kết quả quan trắc hiện trường ……… 59 3.8 Đánh giá kết quả tính tóan và số liệu tính tóan thực tế ……… 65

LÝ LỊCH KHOA HỌC

1

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 các khu công nghiệp ở ven sông để thuận lợi trong việc 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 Các khu công nghiệp đang được đầu tư rất nhiều tại khu vực này mà đa số được lựa chọn vị trí sao cho thuận lợi về mặt giao thông, nhất là giao thông thủy, để đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất

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 ổn định tường kè bảo vệ công trình ven sông 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 Harderning soil để tính tóan ổn định và biến dạng hệ tường cọc bản, so sánh với kết quả quan trắc thực tế công trình 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

lý nước thải và rạch Ông Đốc – Khu công nghiệp An Hiệp – Bến Tre

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 tóan 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 xử lý nước thải và rạch Ông Đốc – Khu công nghiệp

An Hiệp – Bến Tre

Quan trắc hiện trường:

Quan trắc chuyển vị và biến dạng công trình thực tế để so sánh với kết quả tính toán

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 Bến Tre nói riêng và Đồng bằng sông Cửu Long nói chung Tạo điều kiện thuận lợi để khai thác giao thông thủy tại khu vực, phát triển các khu công nghiệp ven sông, thúc đẩy sự phát triển kinh tế

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH

TƯỜNG KÈ VEN SÔNG

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 chổ ở cho nhân dân tạo điều kiện phát triển về kinh tế xã hội Bên cạnh đó, các khu công nghiệp được quy hoạch gần sông để tận dụng ưu thế về vận chuyển nguyên vật liệu, hàng hoá cũng đặt ra yêu cầu về đảm bảo an toàn cho các công trình ven sông

Hình 1.1 Sạt lở bờ sông tại Cần Thơ

Để khắc phục hiện tượng sạt lở, có nhiều giải pháp tường chắn đã được thực hiện như: tường chắn bêtông cốt thép, tường bêtông trọng lực, bờ

kè bằng rọ đá, bờ kè bằng thép hình … Tường cọc bản 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 hạn chảy hệ số rỗng lớn, lực dính C theo cắt nhanh không thoát nước 0.15daN/cm 2 trở xuống, góc nội ma sát từ 0 o đến 10 o hoặc lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường C u ≤ 0.35daN/cm 2”

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 ngòai 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

1.3.1 Các dạng tường cọc bản bảo vệ công trình ven sông

Tường cọc bản là loại tường mềm được phân loại theo các cách sau:

1.2.1.1 Theo vật liệu có thể chia thành các dạng sau:

+ Tường cọc bản gỗ + Tường bằng cọc đất trộn xi măng + Tường cọc bản thép

+ Tường cọc bản bêtông cốt thép

5

 Tường cọc bản gỗ

Hình 1.2 Bờ kè dạng tường cừ bằng gỗ

Cấu tạo: Các cọc gỗ được xẻ nguyên cây cĩ tiết diện vuơng, trịn cĩ mộng để

nối lại với nhau Tường chắn đất là các tấm gỗ dày 6  8cm xếp chồng lên nhau Cĩ dầm ốp bằng gỗ trên đỉnh tường Phần trên đỉnh tường là mái nghiêng bằng đá hộc cĩ tầng lọc ngược, độ dốc m = 1:1,5 Để tránh va đập, người ta đĩng gia cường thêm cọc

gỗ phía ngồi để chịu va đập của thuyền bè

Phạm vi sử dụng: Thường được sử dụng ở vùng nơng thơn, làm bến đị nhỏ,

bến bốc dở hàng hĩa nhẹ, các bến cảng cĩ chiều sâu nhỏ Xây dựng ở những nhánh sơng rạch cĩ tốc độ dịng chảy nhỏ, khơng bị ảnh hưởng lớn của ngập lũ

Ưu điểm: Giá thành thấp do tận dụng cây gỗ cĩ tại địa phương (như: tràm,

đước, mắm, bạch đàn, dừa…), dễ thi cơng, dễ gia cố sửa chữa, thay thế

Nhược điểm: Tuổi thọ khơng cao, gỗ dễ bị mục khi do thủy triều lên xuống

Dễ bị hư hỏng hồn tồn khi bị xĩi lở và ngập lũ

 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 cơng bằng thiết

bị khoan cĩ thể phun vữa gồm cát ximăng và nước ra xung quanh thân ống trộn với đất, cánh của lưỡi khoan cĩ đường kính khỏang 0,3 đến 0,45m Cĩ thể cắm lồng thép hoặc thép hình vào khi vữa cịn 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 khỏang 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 dở 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

Hình 1.3 Một số hình dạng và liên kết của tường cọc bản bằng thép

7

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 dở 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

CÁP NEO

GIẰNG

Hình 1.8 Tường cọc bản cĩ neo và khơng neo

1.3.2 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 TƯỜNG CỌC BẢN GIẰNG

CỌC NEO

CÁP NEO KHỐI BÊTÔNG NEO

TƯỜNG CỌC BẢN

TƯỜNG CỌC BẢN TƯỜNG CỌC BẢN

CÁP NEO

CÁP NEO CÁP NEO

GIẰNG GIẰNG

a Neo bằng khối bêtông cố định b Neo bằng cọc neo hay tường neo

d Neo bằng dầm có cọc xiên chống đở

c Neo đất

Hình 1.9 Các dạng neo trong tường kè

1.4 Ổn định của tường kè ven sơng

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 khơng đủ chịu tải trọng ngang, hệ thống neo khơng đảm bảo, ăn mịn vật liệu, xĩi lở … Mặt trượt khi đĩ 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

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

13

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 Trong điều kiện phát triển các khu công nghiệp ven sông, bờ kè bảo vệ công trình 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

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG

TƯỜNG KÈ

2.1 Các phương pháp tính tốn tường cọc bản

Tường cọc bản làm việc thơng qua sự cân bằng giữa áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động của khối đất trước và sau tường Cho nên bài tốn

về tường cọc bản chủ yếu là giải quyết bài tốn về áp lực đất

Hiện nay, cĩ nhiều cách giải quyết cho bài tốn này mà ta cĩ thể phân chia thành 3 phương pháp chính:

2.1.1 Phương pháp 1: Dựa vào lý thuyết áp lực đất tác dụng lên tường chắn của Coulomb (lý thuyết cân bằng giới hạn)

Khơng xét đến độ cứng của tường, giả thiết tường là tuyệt đối cứng và chỉ xét áp lực đất ở trạng thái cân bằng giới hạn Ưu điểm của cách tính tốn này là thực hiện đơn giản, cĩ độ an tồn đạt yêu cầu Nhược điểm ở đây là khơng xác định mức độ chuyển vị và biến dạng của tường, chưa xét đến độ cứng của tường

A

E

B O

Cao trình san lấp

Mặt đất tự nhiên

Vùng áp lực bị động

Vùng áp lực chủ động

Mặt đất tự nhiên

Vùng áp lực bị động

Vùng áp lực chủ động Cao trình san lấp

O

B

E A

Hình 2.1 Biểu đồ áp lực đất tác dụng lên tường theo lý thuyết Coulomb

15

2.1.2 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)

Cách tính của phương pháp này là phương pháp giải tích (xây dựng phương trình vi phân trục uốn của dầm kết hợp với quan hệ giữa ứng suất và biến dạng để tìm được chuyển vị cọc và nội lực phát sinh trong cọc) hoặc mơ hình theo phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng mơ hình gối lị xo) Phương pháp này xác định được

độ chuyển vị của tường cọc bản, nội lực trong tường Tuy nhiên, chỉ xét đến các lị

xo nằm trong phạm vi phân bố tải trọng mới bị biến dạng, khơng xét đến ảnh hưởng của tải trọng bên đến chuyển vị của điểm đang xét Việc tính tốn là phức tạp do việc xác định hệ số nền theo chiều sâu là phức tạp và lý thuyết áp lực đất lên tường mềm chưa được nghiên cứu đầy đủ như tường cứng Phương pháp này chỉ xét đến

độ lún (chính là chuyển vị của tường) ở nơi đặt lực, khơng xét đến biến dạng ở ngồi diện gia tải

Mơ hình nền Winkler được thể hiện bằng một hệ thống lị xo làm việc độc lập với nhau

Neo

Lò xo đàn hồi

Hình 2.2 Mơ hình tính tốn tường cọc bản với nền biến dạng cục bộ

Ta xem tường cọc bản cắm vào đất là dầm đặt trên nền đàn hồi cục bộ xoay 90o Mối quan hệ giữa cường độ áp lực đất tác dụng lên tường và chuyển vị của tường (hay chuyển vị ngang của đất):

p(z) = k.y(z) (2.1) trong đó: k – hệ số nền Tùy theo quan điểm tính toán của mỗi nhà bác học, hệ

số nền k được xem như phụ thuộc vào loại đất nền, chiều sâu, kích thước móng, vật liệu móng

Theo tiến sỹ E.Rausch và nhà bác học O.A.Xavinôv, hệ số nền k phụ thuộc vào module biến dạng của nền, diện tích đáy móng và tỷ số các cạnh đáy móng

Theo quy phạm của Liên Xô cũ: hệ số nền tăng tuyến tính theo chiều sâu:

k = m.z (2.2) m: hệ số tỉ lệ của hệ số nền, được xác định từ thí nghiệm đối với mỗi loại đất z: độ sâu kể từ cao trình nền

Theo Versic, hệ số nền k được tính theo công thức:

12 4 2

1 65 , 0

F F

s s

I E

B E E k

F F

s s

I E

B E B

E k

EF - module đàn hồi của vật liệu móng

IF – module quán tính của tiết diện ngang móng

 - hệ số Poisson

Trong thực tế hệ số nền thường được tính theo công thức:

)1

17

0)( )

)

EJ

H C

EJ

M B

! 10 6

! 5 1

10 10

5 )

! 11 7 2

! 6 2

16 11

6 )

! 12 8 3

! 7 3

!

2

17 12

7 2

! 13 9 4

! 8 4

!

3

18 13

8 3

2

)

D EJ

H C

EJ

M B

2

)

D EJ

H C

EJ

M B

A y

3

)

D EJ

H C

EJ

M B

A y

z d

dA

A

z n z

n

) )

(

z d

dB

B

z n z

n

) ( )

z d

dC

C

z n z

n

) )

(

z d

dD

D

z n z

n

) ( )

và

)

(

.

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

M H

M H

y

mm mh

hm hh

 : chuyển vị xoay do M0 = 1 gây ra

Sau khi tìm được chuyển vị ngang của tường y(z) ta xác định được áp lực ngang của đất tác dụng lên tường theo phương trình p(z) = k.y(z)

2.1.3 Phương pháp 3: Phương pháp phần tử hữu hạn

Hiện nay chỉ có một số rất hạn chế các bài toán theo mô hình này được giải bằng giải tích do tính phức tạp của nó và thường chỉ được các nhà toán học quan tâm Trong khi đó các lời giải theo phương pháp số, đặc biệt là phương pháp phần

tử hữu hạn với sự trợ giúp của máy tính điện tử, đã phát triển rất mạnh và được sử dụng ngày càng rộng rãi Do tính chính xác, nhanh chóng và đa năng nên tất cả các

kỹ sư thiết kế đều quan tâm đến phương pháp này

Phương pháp này xét đến độ cứng của tường cọc bản, xem tường có độ cứng hữu hạn Đất và tường được mô hình hoá thành một khối, khối này được phân thành các phần tử riêng rẽ và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải Trong đó,

19

tường được chia nhỏ thành các thanh chịu uốn, nền đất trước và sau lưng tường được phân chia thành các phần tử tam giác hoặc tứ giác phẳng, tương tác giữa đất

và tường được mô hình bằng các phần tử tiếp xúc để bài tóan được liên tục

Ngoài việc xác định áp lực đất tác dụng lên tường còn xác định được cả chuyển vị của tường, chuyển vị thẳng Việc tính toán theo hướng này cho kết quả gần với thực tế hơn

Trong phương pháp phần tử hữu hạn, miền V cần khảo sát sẽ được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là các phần tử Các phần tử này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên gọi là các nút Các hàm xấp xỉ được lựa chọn biểu diễn qua giá trị của hàm tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi

là bậc tự do của phần tử và chính là ẩn cần tìm của bài toán Trình tự phân tích được thực hiện như sau:

- Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát

- Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp

- Bước 3: Thiết lập ma trận độ cứng phần tử và vectơ tải phần tử

- Bước 4: Ghép nối ma trận độ cứng được kết quả là hệ phương trình

- Bước 5: Giải hệ phương trình đại số

- Bước 6: Tìm ứng suất, biến dạng và chuyển vị của tất cả các phần tử

Trong phạm vi đề tài, tác giả sử dụng phần mềm Plaxis để giải quyết bài toán với mô hình Mohr- Coulumb cho đất đắp và mô hình Hardening soil cho đất nền để phân tích ổn định và biến dạng của tường cọc bản

Khái niệm cơ bản hình thành mô hình dựa trên quan hệ giữa 1 và độ lệch ứng suất q từ thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ thóat nước do Konder đề xuất Ứng với một giá trị 3 , độ cứng của đất sẽ giảm tương ứng với biến dạng dẻo phát triển

Do việc xác định Ei khó khăn hơn nền đề nghị chọn thông số E50 để thay cho

Ei (hình 2.3)

50 1

m ref

Module biến dạng khi nén lại – nở:

Đối với đường ứng suất nén lại và nở, module biến dạng phụ thuốc vào ứng suất theo quan hệ sau:

3

3

cot cot

m ref

E50ref : Môđun cát tuyến trong thí nghiệm thoát nước 3 trục chuẩn

Eoedref : Môđun tiếp tuyến trong điều kiện chất tải ban đầu không nở hông

m : Hệ số mũ trong quá trình diễn tả cấp áp lực phụ thuộc vào độ cứng

Eurref : Môđun trong điều kiện chất tải / dở tải mặc định Eurref = 3E50ref

ur : Hệ số Poisson trong trường hợp chất tải / dở tải (mặc định  = 0.2)

pref : Ứng suất cho trước (mặc định pref = 100 đơn vị ứng suất)

K0nc : Giá trị K0 trong điều kiện cố kết bình thường (K0 = 1 –sin)

Để kiểm tra sự phù hợp của việc chọn lựa mô hình tính tóan, ta kết hợp quan trắc chuyển vị của tường để làm cơ sở so sánh Sử dụng các kết quả quan trắc thực

tế về ổn định và biến dạng của tường, so sánh với số liệu tính toán để kiểm tra, lựa chọn phương pháp tính toán, mô phỏng phù hợp nhất đối với công trình

Thực hiện quan trắc theo thời gian, bố trí các điểm quan trắc trên thân tường và đầu tường cũng như các mốc chuẩn để kiểm tra chuyển vị của tường trong quá trình thi công và quá trình khai thác sử dụng sau này Công tác quan trắc thực hiện trong quá trình thi công để kiểm tra và điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với điều kiện thi công thực tế Trong quá trình khai thác sử dụng, chuyển vị của tường tương đối nhỏ

do chuyển vị ngang của công trình chủ yếu diễn ra trong quá trình thi công, việc quan trắc để kiểm tra, so sánh với các sơ đồ tính tóan, lựa chọn mô hình tính tóan phù hợp với thực tế

Khó khăn của việc quan trắc công trình bờ kè là phần thân tường chủ yếu nằm trong nứơc, việc bố trí các mốc quan trắc sẽ gặp khó khăn, không thể kiểm tra phần cọc bản nằm trong đất mà chủ yếu chỉ kiểm tra phần đầu tường

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

Biến dạng của cọc BTCT phụ thuộc vào yếu tố chủ yếu sau: Áp lực đất tác dụng lên tường, độ cắm sâu của cọc trong đất nền, độ cứng EJ của cọc, tường có

neo hoặc khơng Các trường hợp biến dạng cĩ thể cĩ của cọc khơng neo và cĩ 1 neo chịu lực ngang, như sau:

Đối với cọc khơng neo :

MẶT ĐẤT ĐẮP

Hình 2.4 Các sơ đồ biến dạng cĩ thể cĩ của cọc bản, khơng neo, đĩng ven sơng

 Trường hợp a: Cọc cĩ độ cứng tương đối lớn, độ sâu chơn cọc vừa đủ, áp

lực đất lớn, đầu cọc chuyển vị ra phía sơng, xoay quanh điểm O nằm sâu

trong đất

 Trường hợp b: Cọc cĩ độ cứng tương đối lớn, độ sâu chơn cọc nơng, áp lực đất tương đối lớn, đầu cọc và chân cọc đều chuyển vị ra phía sơng

 Trường hợp c: Cọc cĩ độ cứng nhỏ hơn, độ sâu chơn cọc vừa đủ, áp lực

đất lớn, cọc bị biến dạng uốn cong và chơn cọc chuyển vị xoay quanh điểm

O nằm sâu trong đất

 Trường hợp d: Cọc cĩ độ cứng nhỏ hơn, độ sâu chơn cọc lớn, áp lực đất lớn, cọc bị biến dạng uốn cong, đoạn chân cọc uốn cong

Đối với cọc cĩ 1 neo:

 Trường hợp e: Cọc cĩ độ cứng lớn, điểm neo B cố định, áp lực đất lớn, độ sâu chơn cọc nơng, chân cọc bị chuyển vị ra phía sơng

 Trường hợp f: Cọc cĩ độ cứng nhỏ hơn trường hợp e, điểm neo B cố định,

áp lực đất lớn, chiều sâu chơn cừ vừa đủ, cọc bị biến dạng uốn cong

 Trường hợp g: Cọc cĩ độ cứng tương đối (tương đương độ cứng trường

hợp f), điểm neo B cố định, chiều sâu chơn cọc tương đối lớn, áp lực đất lớn, cọc bị biến dạng uốn cong và chân cọc chuyển vị xoay quanh điểm D

nằm sâu trong đất

23

 Trường hợp h: Cọc cĩ độ cứng tương đối (tương đương độ cứng trường

hợp g), điểm neo B cố định, chiều sâu chơn cọc lớn, áp lực đất lớn, cọc bị biến dạng uốn cong, đoạn chân cọc được ngàm chặt trong đất khơng bị biến

SÔNG

BIẾN DẠNG CỦA CỌC

CỌC BTCT ĐẤT SÉT ĐẤT SÉT ĐẤT SÉT ĐẤT SÉT

NEO NEO NEO NEO

A B

C

E

A B

C

E

A B

C

E

A B

C D

D E

Hình 2.5 Các sơ đồ biến dạng cĩ thể cĩ của cọc bản 1 neo, đĩng ven sơng

 Nhận xét:

Qua các sơ đồ trên, ta thấy biến dạng của cọc phụ thuộc rất lớn vào: áp lực đất, độ sâu chơn cọc và độ cứng của cọc

Trong 3 yếu tố trên thì độ sâu chơn cọc là quan trọng nhất, ảnh hưởng lớn

đến biến dạng của cọc hay bờ kè Cĩ thể thay đổi dễ dàng hơn trong giai đoạn thiết

kế và thi cơng để làm tăng ổn định của cơng trình bờ kè

2.3 Xác định áp lực ngang tác dụng lên tường kè và xác định nội lực trong tường [2]:

Ta xem xét 02 bài tốn tường cọc bản cĩ neo và khơng cĩ neo cho trường hợp cọc đĩng vào đất bùn sét tương tự điều kiện địa chất cơng trình trên cơ sở giả thiết: -Mặt đất đắp trước và sau lưng tường nằm ngang

Phương án tường cọc bản không có neo thường được sử dụng trong trường

hợp phần chênh lệch mặt đất trước và sau tường  6 m

Khi đóng vào đất cát không neo, tường cọc bản sẽ tự ổn định nhờ sự khác

nhau của áp lực bị động và áp lực chủ động của đất tác dụng lên tường Ẩn số của

bài toán là chiều sâu D cắm vào nền

Do sự chênh lệch cao độ mặt đất tác động lên sau và trước tường và với giả

thiết tường tuyệt đối cứng, phần áp lực đất sau lưng tường trên mặt nạo vét sẽ làm

xoay tường xung quanh điểm O

Để thuận lợi cho việc thiết lập các công thức tính toán, ta xem sự phân bố áp

lực đất lên tường là đường thẳng

Sơ đồ tính toán tường cọc bản trong đất được thể hiện như hình vẽ

q

Hình 2 6 Sơ đồ tính tường cọc bản trong nền

(a) Sự biến thiên biểu đồ áp lực ròng (b) Sự biến thiên moment

Cường độ áp lực đất chủ động tại mặt đất tự nhiên:

p 0 = qk a (2.21) Cường độ áp lực đất chủ động tại độ sâu z = L 1, ngang mực nước ngầm:

p 1 = (q+1L1 )k 1a (2.22)

p 2a = (q+ L 1 )k 1a + ’L 2 k 2a -2c 2 k 2a (2.24)

p 2p = 2c 2 k 2 p (2.25)

p 2 = (q+ L 1 )k 1a + ’L 2 k 2a -2c 2 k 2a - 2c 2 k 2 p (2.26)

Trong đó: ’=  sat - w – trọng lượng riêng đẩy nổi của lớp đất 2

Trên điểm xoay O, bên trái là áp lực bị động, bên phải là áp lực chủ động Tại độ sâu z, tính từ mặt đất sau tường, áp lực chủ động là:



3 4 2

3

L

L p

3

) 3

Khi cân bằng, tổng áp lực ngang trên chiều dài đơn vị của tường bằng 0: diện tích biểu đồ áp lực (ACDE) – diện tích (EFHB) + diện tích (FHBG) = 0

2

1 2

1

4 3 5 4

 p L L p p P

với P là diện tích biểu đồ áp lực (ACDE)

Tổng moment đối với chân tường (điểm B) bằng 0:

0 ) 3 )(

( 2

1 ) 3

)(

2

1 ( )

4 3 5 4

4 3

4 3 5

2

p p

P L p L

4 a L a L a L a 

27

trong đó:

) (

'

5 1

a

p k k

p a





)(

'

82

a

p k k

P a





2 2

5 3

) (

'

] ) (

' 2 [ 6

a p

a p

k k

p k k z P a

5 4

) (

'

) 4 6

(

a

p k k

P p z P a

) ' ( 2

1 2



a

p k k z

' ) (

2 '



a

p k k

P z

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

Khi phần trên lệch mặt trước và sau tường > 6m, phương án tường có neo sẽ kinh tế hơn

Cĩ 02 cách tính tốn tường cọc bản đĩng trong đất cĩ neo dựa trên 02 giả thiết khác nhau:

- Chân tường dịch chuyển tự do

- Chân tường ngàm trong đất

Mặt nạo vét Độ võng

(b) Neo

Hình 2.7 Biểu đồ tường độ võng và moment của tường cọc bản cĩ neo

(a) Chân tường, dịch chuyển tự do; (b) Chân tường ngàm trong đất

Trong thực tế, giả thiết chân tường dịch chuyển tự do thường được sử dụng trong thực tế, ta sẽ giải bài tốn dựa trên giả thiết này

29

Cường độ áp lực đất chủ động tại mặt đất tự nhiên:

p 0 = qk a (2.21) Cường độ áp lực đất chủ động tại độ sâu z = L 1, ngang mực nước ngầm:

cường độ áp lực đất ngang ròng:

p 2a = (q+ L 1 )k 1a + ’L 2 k 2a -2c 2 k 2a (2.24)

p 2p = 2c 2 k 2 p (2.25)

p 2 = (q+ L 1 )k 1a + ’L 2 k 2a -2c 2 k 2a - 2c 2 k 2 p (2.26)

Trong đó: ’=  sat - w – trọng lượng riêng đẩy nổi của lớp đất 2

Trên điểm xoay O, bên trái là áp lực bị động, bên phải là áp lực chủ động

Tại độ sâu z, tính từ mặt đất sau tường, áp lực chủ động là:

Tại điểm E có z = L + L 3 - áp lực này bằng 0:

) (

' 2

1

L k k P

trong đó: P là diện tích biểu đồ áp lực (ACDE)

F: lực kéo của thanh neo tính trên đơn vị chiều dài

1 ) ( 2

1 1

1 1

1L F p zL  k zL 