Application of reinforced concrete wall system on pile system to stabilize the banks of cai ca river in vinh long city area

Qua kết quả nghiên cứu đề tài “Ứng dụng tường kè bê tông cốt thép trên hệ cọc để ổn định bờ sông Cái Cá ở khu vực thành phố Vĩnh Long” học viên đã tổng hợp và rút ra các kết quả

- -

NGUYỄN HOÀNG SANG

ỨNG DỤNG TƯỜNG KÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN HỆ CỌC ĐỂ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG CÁI CÁ Ở KHU VỰC

THÀNH PHỐ VĨNH LONG APPLICATION OF REINFORCED CONCRETE WALL SYSTEM ON PILE SYSTEM TO STABILIZE THE BANKS

OF CAI CA RIVER IN VINH LONG CITY AREA

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số ngành: 60.58.02.11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2020

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Phán

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Bùi Trường Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Phạm Văn Hùng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 09 tháng 09 năm 2020

Thành viên hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: PGS.TS Lê Bá Vinh

2 Thư ký: TS Đỗ Thanh Hải

3 Phản biện 1: PGS.TS Bùi Trường Sơn

4 Phản biện 2: TS Phạm Văn Hùng

5 Ủy viên: ThS Hoàng Thế Thao

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG KỸ THUẬT XÂY DỰNG TRƯỞNG KHOA

PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS LÊ ANH TUẤN

Tp HCM, ngày tháng 9 năm 2020

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HOÀNG SANG MSHV: 1670173

Ngày, tháng, năm sinh: 03/12/1990 Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Chương 2:Cơ sở lý thuyết tính toán tường kè bê tông cốt thép trên hệ cọc

Chương 3: Ứng dụng tính toán tường kè bê tông cốt thép trên hệ cọc để ổn định

bờ sông Cái Cá ở khu vực thành phố Vĩnh Long

Kết luận và kiến nghị

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Võ Phán

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô thuộc trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, đặc biệt là quý thầy cô ở bộ môn Địa Cơ Nền Móng đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu, tâm huyết trong những năm học qua và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để giúp tôi hoàn thành luận văn luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS VÕ PHÁN đã dành nhiều tâm huyết giảng

dạy và truyền đạt những kiến thức khoa học, những kinh nghiệm vô cùng quý giá giúp cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường Xin cảm ơn người Thầy đầy tâm huyết và tâm lý đã thường xuyên đôn đốc, nhắc nhở nhiều điều cho tôi, người Thầy không những truyền đạt những kiến thức trong sách vở mà còn cả những bài học cuộc sống Những điều đó đã tạo động lực giúp tôi hoàn thành luận văn này một cách tốt nhất Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô, Anh Chị Phòng Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn Xin chân thành cảm ơn Gia đình, Cơ quan và các bạn đồng học đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy Cô, Cơ quan, Gia đình và các bạn đồng học lời biết ơn sâu sắc nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn

TP.HCM, ngày tháng 9 năm 2020

Học viên

Nguyễn Hoàng Sang

TÓM TẮT

Việc khai thác tài nguyên nước trên thượng nguồn sông Mê Kông, đặc biệt là xây dựng đập thủy điện đã làm thay đổi dòng chảy, giảm lượng phù sa và việc khai thác cát quá mức gây ra hiện tượng xói lở, sạt lở bờ đang diễn biến rất phức tạp và có

xu thế ngày càng gia tăng Chính vì vậy, việc xây dựng công trình kè bảo vệ bờ sông chống ngập, chống sạt lở để ứng phó với hiện tượng biến đổi khí hậu vừa đảm bảo đạt hiệu quả kinh tế, vừa đảm bảo yêu cầu chất lượng và mỹ quan công trình đô thị

là vô cùng cần thiết

Qua kết quả nghiên cứu đề tài “Ứng dụng tường kè bê tông cốt thép trên hệ cọc để ổn định bờ sông Cái Cá ở khu vực thành phố Vĩnh Long” học viên đã tổng hợp và rút ra các kết quả sau:

Trong giai đoạn thi công giá trị chuyển vị ngang của tường kè khi tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn mô hình Hardening Soil nhỏ hơn mô hình Mohr– Coulomb khoảng 14% và nhỏ hơn phương pháp giải tích khoảng 37%

Khi tính toán bằng pháp giải tích chỉ mang tính gần đúng vì không xét đến điều kiện làm việc đồng thời của cả hệ công trình Bên cạnh đó khi tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn ta có thể mô phỏng được bài toán làm việc đúng theo thực tế Khi công trình đưa vào vận hành 20 năm thì chuyển vị ngang tường kè và moment trong cọc khi tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn mô hình Hardening Soil nhỏ hơn mô hình Mohr – Coulomb tương ứng là 8% và 17%

Khi không xử lý nền đất yếu thì cần tính toán bù lún để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho công trình

Based on the research results of the project "Application of reinforced concrete wall system on pile system to stabilize the banks of Cai Ca river in Vinh Long city area ", the participants synthesized and extracted the following results:

In the construction stage, the horizontal displacement value of the revetment when calculated by the finite element method of Hardening Soil model is smaller than the Mohr-Coulomb model about 14% and smaller than the analytical method of about 37%

When calculating by analytical solution, it is only approximate because it does not consider the working conditions of the whole building system at the same time Besides, when calculating according to the finite element method, we can simulate the correct working problem in reality

When the project is put into operation for 20 years, the lateral displacement of the revetment and the moment in the pile when calculating by the finite element method of the Hardening Soil model is smaller than the Mohr-Coulomb model of about 8% and 17%

When not treating soft soil, it is necessary to calculate compensation for settlement to ensure normal working conditions for the project

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là đề tài nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Võ Phán

Tất cả số liệu, kết quả tính toán, phân tích đánh giá trong luận văn là hoàn toàn trung thực Tôi cam đoan và chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 9 năm 2020

Học viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Sang

MỘT SỐ KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Tổng moment tại trọng tâm móng;

Tổng lực thẳng đứng tại trọng tâm móng;

Bề rộng móng;

Tải trọng tính toán trên nền;

Sức chịu tải của nền;

Hệ số tin cậy;

Trị biến dạng của nền với công trình;

Trị biến dạng cho phép của nền với công trình Cường độ áp lực đất chủ động;

Hệ số áp lực chủ động;

Độ sâu từ điểm tính đến điểm đang xét;

Lực dính;

Góc ma sát trong của đất;

Áp lực chủ động của đất;

Cao độ vùng chịu kéo;

Tải trọng ngoài phân bố đều;

Cường độ áp lực đất bị động;

Tải trọng tính toán;

Hệ số nền theo chiều ngang;

Áp lực tính toán (ứng suất);

Moment uốn;

Lực cắt;

Chiều sâu tính đổi;

Chiều dài cọc trong đất tính đổi;

Hệ số biến dạng;

Bề rộng quy ước của cọc;

Chuyển vị ngang của cọc;

Góc xoay của cọc;

Các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát của đất;

Trọng lượng riêng của bê tông;

Dung trọng tự nhiên;

Dung trọng bão hòa;

Dung trọng của nước;

Độ bão hòa Độ rỗng;

Hệ số rỗng ứng với thời điểm trước khi xây dựng;

Mô đun cát tuyến xác định từ nén 3 trục, áp lực buồng pref (CD);

Mô đun tiếp tuyến xác định từ nén 1 trục không nở hông; Module ở đường dỡ tải – gia tải lại (unloading-reloading);

Hệ số thấm theo phương ngang;

Hệ số thấm theo phương đứng;

Độ ẩm;

Giới hạn chảy;

Giới hạn dẻo;

Hệ số poisson của đất;

Góc biến dạng thể tích, đặc trưng cho phá hoại dẻo của phần

tử đất;

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

4 TÍNH KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2

5 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG KÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN HỆ CỌC ĐỂ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG 3

1.1 DIỄN BIẾN VÀ NGUYÊN NHÂN SẠT LỞ BỜ SÔNG VÙNG ĐBSCL HIỆN NAY 3

1.1.1 Diễn biến sạt lở bờ sông 3

1.1.2 Nguyên nhân dẫn đến sạt lở 4

1.2 CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHỐNG SẠT LỞ THƯỜNG LÀM Ở VĨNH LONG HIỆN NAY 6

1.2.1 Kè mềm 6

1.2.2 Rọ đá 7

1.2.3 Kè mái nghiêng 8

1.2.4 Tường kè cừ ván bê tông dự ứng lực 9

1.3 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG KÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN HỆ CỌC 10

1.3.1 Cấu tạo về móng cọc bê tông cốt thép 11

1.3.2 Các dạng cọc trong đất nền 11

1.3.3 Các loại cọc chịu tải trọng ngang thường gặp 12

1.4 TỔNG QUAN VỀ KIỂM TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA TƯỜNG CHẮN 13

1.4.1 Kiểm toán điều kiện ổn định trượt 13

1.4.2 Kiểm toán điều kiện ổn định lật của tường chắn đất 14

1.4.3 Kiểm toán điều kiện đảm bảo khả năng chịu tải của đất nền 14

1.4.4 Kiểm tra độ lún của tường chắn 14

1.4.5 Kiểm tra chuyển vị ngang của cọc 15

1.5 NHẬN XÉT 15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG KÈ BÊ TÔNG CỐT

THÉP TRÊN HỆ CỌC 16

2.1 CÁC LOẠI TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG TÁC DỤNG 16

2.1.1 Các loại tải trọng tác dụng 16

2.1.2 Tổ hợp tải trọng tác dụng 16

2.1.3 Các dạng áp lực ngang tác dụng lên tường 17

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN 18

2.2.1 Phương pháp Rankine 18

2.2.2 Phương pháp Coulomb 22

2.3 TÍNH TOÁN CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG THEO TCXD 205-1998 25

2.3.1 Sơ đồ phân bố tải trọng lên đầu cọc 25

2.3.2 Những nội dung cần tính toán khi cọc chịu tải trọng ngang 25

2.3.3 Mô hình nền Winkler 26

2.3.4 Ổn định nền quanh cọc 29

2.4 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG ĐỊA KỸ THUẬT 30 2.4.1 Lý thuyết biến dạng 30

2.4.2 Lý thuyết cố kết: 35

2.5 NHẬN XÉT 37

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN TƯỜNG KÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN HỆ CỌC ĐỂ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG CÁI CÁ Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ VĨNH LONG 38

3.1 GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH 38

3.1.1 Giới thiệu chung 38

3.1.2 Điều kiện tự nhiên khu vực dự án 39

3.1.3 Phương án kỹ thuật công trình 47

3.2 TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH 49

3.2.1 Tính toán và đánh giá ổn định kè trong giai đoạn thi công (TH1) 49

3.2.2 Tính toán và đánh giá ổn định kè trong giai đoạn vận hành (TH2) 52

3.2.3 Kiểm tra ổn định nền công trình 55

3.2.4 Tính toán cọc chịu tải trọng ngang 59

3.3 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH KÈ CHỐNG SẠT SỞ BỜ SÔNG CÁI CÁ BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 2D 65

3.3.1 Mô hình Mohr – Coulomb (MC) 66

3.3.2 Mô hình Hardening Soil (HS) 73

3.4 NHẬN XÉT 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

1 KẾT LUẬN 80

2 KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sạt lở bờ sông Hậu phường Thành Phước -TX Bình Minh - Vĩnh Long 3

Hình.1.2 Nhà dân dọc hai bên bờ sông Cái Cá thành phố Vĩnh Long 5

Hình 1.3 Kè mềm tại bờ sông Long Hồ, xã Long Phước - Long Hồ - Vĩnh Long 6

Hình 1.4 Cấu tạo rọ đá 7

Hình 1.5 Mặt cắt ngang kè mái nghiêng (Kè sông Cổ Chiên tỉnh Vĩnh Long) 8

Hình 1.6 Thi công cừ ván bê tông dự ứng lực (Kè chợ Phường 1 TP Vĩnh Long) 9

Hình 1.7 Kết cấu tường kè BTCT trên hệ cọc (Kè Cái Cá Thành phố Vĩnh Long) 10 Hình 1.8 Cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông 12

Hình 1.9 Cọc bê tông ly tâm dự ứng lực 13

Hình 2.1 Biểu đồ áp lực nước tác dụng lên tường 17

Hình 2.2 Biểu đồ áp lực đất chủ động lên tường 18

Hình 2.3 Vòng tròn ứng suất ở điều kiện cân bằng giới hạn 19

Hình 2.4 Trạng thái chủ động và bị động của Rankine 20

Hình 2.5 Áp lực chủ động của đất và tải trong ngoài lên tường kè 21

Hình 2.6 Sơ đồ phân tích áp lực đất chủ động [5] 23

Hình 2.7 Vòng tròn Mohr và phương trình Coulomb đối với đất rời 25

Hình 2.8 Sơ đồ làm việc cọc chịu tải trọng ngang 26

Hình 2.9 Sơ đồ tác động của Moment và tải trọng ngang lên cọc 28

Hình 3.1 Sơ họa vị trí chi tiết dự án 39

Hình 3.2 Dân cư ven bờ sông Cái Cá 40

Hình 3.3 Đường mực nước thực đo trạm Cầu Lộ - Sông Cái Cá 41

Hình 3.4 Mặt cắt ngang đại diện kết cấu kè 48

Hình 3.5 Các lực tác dụng lên tường trường hợp thi công 50

Hình 3.6 Các lực tác dụng lên tường trường hợp vận hành 52

Hình 3.7 Mô hình khối móng quy ước cho trường hợp nền không đồng nhất 56

Hình 3.8 Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cọc 60

Hình 3.9 Biểu đồ áp lực ngang 63

Hình 3.10 Biểu đồ moment dọc theo thân cọc 64

Hình 3.11 Biểu đồ lực cắt dọc theo cọc 64

Hình 3.12 Mô hình bài toán 68

Hình 3.13 Hệ số an toàn ổn định công trình 68

Hình 3.14 Chuyển vị ngang lớn nhất trên mặt cắt ngang giai đoạn thi công 69

Hình 3.15 Chuyển vị đứng lớn nhất trên mặt cắt ngang giai đoạn thi công 69

Hình 3.16 Chuyển vị đứng tại vị trí san lấp giai đoạn thi công 70

Hình 3.17 Chuyển vị ngang lớn nhất trên mặt cắt ngang sau khi cố kết 20 năm 70

Hình 3.18 Chuyển vị đứng lớn nhất trên mặt cắt ngang sau khi cố kết 20 năm 71

Hình 3.19 Chuyển vị đứng tại vị trí san lấp sau khi cố kết 20 năm 71

Hình 3.20 Kết quả tính chuyển vị tường kè và moment trong cọc 72

Hình 3.21 Sơ đồ xác định E 50 74

Hình 3.22 Hệ số an toàn ổn định công trình 75

Hình 3.23 Chuyển vị ngang lớn nhất trên mặt cắt ngang giai đoạn thi công 75

Hình 3.24 Chuyển vị đứng lớn nhất trên mặt cắt ngang giai đoạn thi công 76

Hình 3.25 Chuyển vị đứng tại vị trí san lấp giai đoạn thi công 76

Hình 3.26 Chuyển vị ngang lớn nhất trên mặt cắt ngang sau khi cố kết 20 năm 77

Hình 3.27 Chuyển vị đứng kè sau khi cố kết 20 năm 77

Hình 3.28 Kết quả tính chuyển vị tường kè và nội lực moment trong cọc Kè 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Xác định hệ số nền K 27

Bảng 3.1 Kết quả tính toán mưa năm theo tần suất thiết kế 40

Bảng 3.2 Lượng mưa 1 ngày max Trạm Cần Thơ ứng với các tần suất thiết kế 40

Bảng 3.3 Đặc trưng mực nước lớn nhất theo tần suất tại công trình 41

Bảng 3.4 Đặc trưng mực nước min theo tần suất tại công trình 41

Bảng 3.5 Bảng chỉ tiêu cơ lý lớp đất 1,2 43

Bảng 3.6 Bảng chỉ tiêu cơ lý lớp đất 3,4 44

Bảng 3.7 Bảng chỉ tiêu cơ lý lớp đất 5,6 46

Bảng 3.8 Tổ hợp lực tác dụng trường hợp đang thi công 51

Bảng 3.9 Tổ hợp lực tác dụng trường hợp vận hành 54

Bảng 3.10 Tổng hợp ứng suất bản đáy móng tường chắn 55

Bảng 3.11 Áp lực tính toán cho phép tác dụng lên nền 55

Bảng 3.12 Trị trung bình chỉ tiêu cơ lý lớp đất trên khối móng quy ước 57

Bảng 3.13 Ứng suất tác dụng lên đáy móng quy ước 58

Bảng 3.14 Áp lực tính toán cho phép tác dụng lên đáy khối móng quy ước 58

Bảng 3.15 Giá trị áp lực ngang σ z , moment uốn M z , lực cắt Qz 62

Bảng 3.16 Thông số địa chất mô hình Mohr- Coulomb 67

Bảng 3.17 Thông số địa chất mô hình Hardening Soil 74

Bảng 3.18 Bảng so sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang tường kè 79

Bảng 3.19 Bảng so sánh kết quả tính toán moment trong cọc 79

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Vĩnh Long là tỉnh thuộc hạ lưu sông Mê Kông, nằm giữa sông Tiền và sông Hậu, nhìn bao quát tỉnh Vĩnh Long như một hình thoi ở vị trí trung tâm của đồng bằng sông Cửu Long Vĩnh Long còn là nơi giao thoa, hội tụ của nhiều tuyến đường giao thông đường bộ và đường thủy quan trọng, là cửa ngõ trong việc tiếp nhận những thành tựu về phát triển kinh tế, trung tâm trung chuyển hàng hóa giữa thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh miền Tây

Kịch bản của biến đổi khí hậu (BĐKH) mà đồng bằng sông Cửu Long đang phải gánh chịu không còn là sự nhận diện mà là hệ lụy hiện hữu Nếu như một thế kỷ nữa, nhiệt độ nước biển tại Việt Nam tăng 3oC, mực nước biển tăng từ 55–75 cm, sẽ khiến cho đồng bằng sông Cửu Long có 40% diện tích bị ngập nước và 45% diện tích bị nhiễm mặn vào năm 2030 [1] Việc khai thác tài nguyên nước trên thượng nguồn châu thổ, đặc biệt là xây dựng đập thủy điện đã làm thay đổi dòng chảy, giảm lượng phù sa, suy giảm nguồn lợi thủy sản, xâm nhập mặn sâu vào nội vùng, tác động tiêu cực đến phát triển kinh tế - xã hội của vùng Bên cạnh đó, việc khai thác bùn cát quá mức, xây dựng nhà cửa và hạ tầng sát bờ sông làm gia tăng nguy cơ sạt lở

Thành phố Vĩnh Long là trung tâm văn hóa kinh tế, chính trị lớn nhất của tỉnh Vĩnh Long, tuy nhiên khu vực cũng thường xuyên bị ngập mỗi khi có mưa lớn kết hợp với triều cường, nguyên nhân là do hệ thống thoát nước trong thành phố đã lâu không được nâng cấp, cải tạo Bên cạnh đó việc lấn chiếm lòng sông, rạch trên địa bàn thành phố cũng là một trong những nguyên nhân làm ách tắc dòng chảy, cản trở khả năng thoát nước dẫn đến tình trạng ngập và ô nhiễm môi trường nước Hiện tại, trên các đoạn sông này có địa hình phức tạp, hiện tượng sạt lở bờ sông đã xảy ra rất nhiều và gây thiệt hại lớn về tài sản của người dân dọc hai bên bờ sông

Chính vì vậy, cần phải có những biện pháp công trình bảo vệ bờ sông chống ngập, chống sạt lở để ứng phó với hiện tượng biến đổi khí hậu vừa đảm bảo đạt hiệu quả kinh tế, vừa đảm bảo yêu cầu chất lượng và mỹ quan công trình đô thị là vô cùng cần thiết

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Đánh giá tính ổn định và biến dạng của nền dưới tường cọc bê tông cốt thép bảo vệ bờ sông Cái Cá Thành Phố Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long

- Tính toán và so sánh chuyển vị ngang của tường kè bê tông cốt thép trên hệ cọc theo phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn

- Phân tích ổn định lâu dài của công trình bảo vệ bờ sông sử dụng tường kè BTCT trên hệ cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tổng hợp cơ sở lý thuyết về tính toán và thiết kế tường kè trên hệ cọc

Mô phỏng tính toán bằng phần mềm Plaxis 2D mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil để phân tích ổn định và biến dạng kết cấu của kè

Phân tích so sánh các kết quả tính toán từ các phương pháp tính nhằm rút ra các nhận định về phương pháp tính hợp lý

4 TÍNH KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Tính khoa học: Khi tính toán thiết kế các công trình bảo vệ bờ sông cần đưa

ra nhiều giải pháp, có thể kết hợp một hay nhiều giải pháp lại với nhau để đảm bảo hiệu quả kinh tế, an toàn và phù hợp với điều kiện phát triển của từng vùng

- Tính thực tiễn: Sạt lở và xâm nhập mặn đang là vấn đề nóng hiện nay do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và do tác động của con người từ đó kết quả của đề tài sẽ được sử dụng như là tài liệu tham khảo cho việc tính toán, thiết kế và thi công các công trình kè bảo vệ bờ sông trên địa bàn tỉnh Vĩnh Long và vùng đồng bằng sông Cửu Long Tạo điều kiện nhằm phát triển kinh tế xã hội và cuộc sống dân cư dọc hai bên bờ sông một cách bền vững lâu dài

5 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

- Đề tài chỉ nghiên cứu và tính toán cho khu vực trên địa bàn tỉnh Vĩnh Long chưa nghiên cứu đến các vùng khác

- Tính toán cho một công trình cụ thể có chiều cao công trình cũng như chiều dày tầng đất yếu cụ thể, chưa đặc trưng cho tất cả các công trình bảo vệ bờ sông ở các địa bàn khác nhau trong tỉnh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG KÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN

HỆ CỌC ĐỂ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG

1.1 DIỄN BIẾN VÀ NGUYÊN NHÂN SẠT LỞ BỜ SÔNG VÙNG ĐBSCL HIỆN NAY

1.1.1 Diễn biến sạt lở bờ sông

Đồng bằng sông Cửu Long bao gồm 13 tỉnh thành phố: Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Trà Vinh, Sóc Trăng, An Giang, Kiên Giang, Hậu Giang, Bạc Liêu, Cà Mau và thành phố Cần Thơ Với diện tích khoảng 4 triệu ha chiếm 13% diện tích cả nước; dân số: 17,66 triệu người chiếm 19% dân số cả nước ĐBSCL có vai trò rất quan trọng đến an ninh lương thực của Việt Nam, hàng năm cung cấp 90% lúa xuất khẩu và 60% thủy sản xuất khẩu, ngoài ra còn là vùng đặc sản trồng cây ăn trái phục vụ trong nước và xuất khẩu [2] Tuy nhiên, trong nhiều năm trở lại đây, tình hình sạt lở bờ sông, xói lở bờ biển tại khu vực này đã diễn ra với xu hướng ngày càng tăng, gây ảnh hưởng lớn đến cuộc sống của người dân cũng như sự phát triển của kinh tế-xã hội của cả khu vực

Hình 1.1 Sạt lở bờ sông Hậu phường Thành Phước -TX Bình Minh - Vĩnh Long

Tình trạng sạt lở xảy ra ở toàn bộ 13 tỉnh, thành phố thuộc khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, trong đó đặc biệt nghiêm trọng là ở An Giang, Đồng Tháp, Cà Mau, Bạc Liêu, Cần Thơ, Hậu Giang, Vĩnh Long Thống kê năm 2010, Đồng bằng sông Cửu Long chỉ có 99 điểm xói lở và sạt lở; đến năm 2019 con số này đã lên đến 681 điểm, tăng gấp 7 lần [3] Tình hình sạt lở không những diễn ra vào mùa mưa, mà còn xuất hiện cả mùa khô và diễn ra ở các tuyến sông chính, cho đến các hệ thống kênh, rạch với mức độ ngày càng nhiều và nguy hiểm Sạt lở đã uy hiếp trực tiếp đến tính mạng, tài sản của nhân dân, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn các công trình phòng chống thiên tai và cơ sở hạ tầng vùng ven sông

1.1.2 Nguyên nhân dẫn đến sạt lở

a Do địa chất

Đồng bằng sông Cửu Long là một đồng bằng non trẻ, hình thành cách đây 7.000 năm do sự bồi lắng của phù sa từ sông Mê Kông và dòng bùn cát ven biển tạo nên Kết quả khảo địa chất cho thấy các lớp đất bờ sông chủ yếu là bùn hữu cơ, bùn sét với trạng thái chảy, dẻo chảy và dẻo mềm…các lớp đất này có chiều dày từ 15÷40m

Do có cấu tạo địa chất rất yếu nên bờ sông dễ bị xói lở dưới sự tác động của con người hay sự thay đổi của tự nhiên

b Do quy luật vận động tự nhiên của lòng dẫn

Sạt lở, bồi lắng thường xảy ra ở những đoạn sông cong, các cửa phân lưu, nhập lưu, các khu vực sông phân lạch, nơi giao thoa giữa dòng chảy trong sông và dòng triều là những nơi dòng chảy không ổn định.Lưu hướng của dòng chảy có hướng tác dụng vào phía bờ sông khi triều lên, xuống, chế độ thủy lực diễn biến phức tạp với các xoáy nước, đồng thời với lưu tốc dòng chảy lớn hơn lưu tốc khởi động bùn cát, gây ra tác động xói lở bờ sông

c Do biến đổi khí hậu

Các kịch bản biến đổi khí hậu đều cho thấy lượng mưa có xu thế gia tăng về mùa mưa, giảm về mùa khô Qua đó đã làm tăng lưu tốc dòng chảy về mùa lũ và tạo ra chênh lệch mực nước lớn hơn trước đây giữa mùa lũ và mùa kiệt cũng là những tác động làm gia tăng nguy cơ sạt lở bờ sông Ngoài ra mực nước biển dâng làm tăng nguy cơ xói lở bờ biển, vùng cửa sông ven biển và suy thoái rừng ngập mặn ven biển

d Do tác động của sóng

Dưới tác động của sóng do tàu, thuyền lưu thông, đặc biệt là các tàu có tải trọng lớn di chuyển với mật độ dày đặc là nguyên nhân đóng vai trò không nhỏ đối với tình trạng sạt lở bờ sông Sóng tàu không tác động tức thời gây sạt lở mà gặm nhấm dần đường bờ theo thời gian Các loại ghe, tàu có trọng tải lớn khi chạy trên sông đều gây

ra dòng chảy ngược có tốc độ dòng chảy lớn hơn vận tốc khởi động bùn cát của lòng dẫn cũng là nguyên nhân gây bào mòn và sạt lở bờ sông và các công trình bảo vệ bờ

e Do tác động của con người

Những nguyên nhân chủ quan do chính con người gây nên như: khai thác cát sỏi trong các lòng sông quá mức, chặt phá rừng đầu nguồn, khai thác nước ngầm gây lún đất, xây các hồ chứa, đập thủy điện thượng nguồn dẫn đến thay đổi dòng chảy, giảm lượng phù sa, bùn cát ở hạ nguồn; ở nhiều địa phương, người dân bất chấp nguy hiểm vẫn dựng nhà sát mép sông…

Trong đó, nghiêm trọng nhất là tác động từ các hồ chứa thượng nguồn đã và đang làm gia tăng các biến động bùn cát trên các tuyến sông và vùng ven biển, gây mất ổn định lòng, bờ sông và xâm thực bờ biển

Hình.1.2 Nhà dân dọc hai bên bờ sông Cái Cá thành phố Vĩnh Long

1.2 CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHỐNG SẠT LỞ THƯỜNG LÀM Ở VĨNH LONG HIỆN NAY

1.2.1 Kè mềm

Hình 1.3 Kè mềm tại bờ sông Long Hồ, xã Long Phước - Long Hồ - Vĩnh Long

Về cấu tạo: Kè có cấu tạo gồm túi vải địa kỹ thuật không dệt, may lại bằng

máy chuyên dụng, bên ngoài được phủ thêm lớp vải xơ bảo vệ bao chống lại các tác nhân gây hại trực tiếp từ môi trường Có thể dùng cát hoặc đất tại chỗ đổ vào túi vải

Phạm vi ứng dụng: Thường dùng ở các nhánh sông rạch nhỏ để bảo vệ bờ sông Ở những sông rạch có tốc độ dòng chảy nhỏ, không bị sạt lở mạnh, những vùng chịu ảnh hưởng của ngập lũ không lớn

Ưu điểm: thân thiện với môi trường, thời gian thi công nhanh hơn, chi phí đầu

tư tương đối thấp

Nhược điểm: Dễ bị hư hỏng hoàn toàn khi bị xói lở, các túi vải dễ bị hư hại

bởi vật cứng nhọn

1.2.2 Rọ đá

Về cấu tạo: Rọ đá (Gabion) hay thảm đá (Revet Mattresses hay Reno

mattresses) là hệ thống lưới xoắn kép thành các khối hình học, bên trong đựng đá Rọ đá được đan bằng dây thép mạ kẽm hoặc dây thép mạ kẽm bọc nhựa PVC, lưới bện kép hình sáu cạnh cho phép kết cấu chịu được lún khơng đều khá lớn mà khơng bị gẫy đứt Đặc điểm này đặc biệt quan trọng khi kết cấu được đặt trên nền đất khơng

ổn định ở vùng cĩ thể bị xĩi ngầm do sĩng hoặc do dịng chảy tràn qua

Hình 1.4 Cấu tạo rọ đá

Phạm vi ứng dụng:

- Kè đê, đập, mái dốc để chống sụt trượt, lở trơi và xĩi mịn; Tường chắn đất,

mố cầu; Lát mái và đáy kênh; Bảo vệ cửa xả, cống xả; Đập tràn, bậc nước, dốc nước

Ưu điểm:

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

cĩ thể tháo dỡ, di rời Kết cấu thoát nước tốt, làm giảm áp lực thủy đợng Cĩ thể gia

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

- Vật liệu bỏ rọ là đá tại chỗ như đá núi, đá mờ cơi lẫn trong đất đời khơng phải xử lý

- Cĩ thể tạo màu xanh cây cỏ trên mặt cơng trình nâng cao cảnh quan, bảo vệ mơi trường

- Rọ đá cĩ đợ bền cao ngay cả mơi trường khắc nghiệt, mơi trường nước biển

Dây đan lưới Dây viền Vách ngăn

h Xoắn

Dây đan Dây viền

Nhược điểm:

- Nặng, khối lượng vật liệu sử dụng lớn

- Dễ bị sụp lún hoặc bị trượt khi địa chất nền yếu

1.2.3 Kè mái nghiêng

Hình 1.5 Mặt cắt ngang kè mái nghiêng (Kè sông Cổ Chiên tỉnh Vĩnh Long)

Về cấu tạo: Giải pháp kè mái nghiêng ổn định bằng chính bản thân mái dốc,

mái càng thoải thì kè càng có tác dụng bảo vệ, nhưng giá thành sẽ đắt hơn (vì diện tích mặt kè lớn) Lớp phủ mái kè được thiết kế đủ năng lực chống lại tác động của dòng chảy, sóng, v.v Thông thường lớp phủ gồm những cấu kiện rời ghép với nhau Giữa chúng có khe hở để cho nước bên trong thoát ra ngoài, tránh tác động của áp suất nước trong đất Ngoài ra lớp đệm nằm ngay dưới các cấu kiện của lớp phủ, có tác dụng ngăn không cho các hạt cát bị dòng thấm đẩy trào ra ngoài qua lớp phủ Lớp đệm đóng vai trò như một tầng lọc ngược với kích thước hạt cỡ hạt dăm, sạn, hoặc

có thể dùng vải địa kĩ thuật

Phạm vi ứng dụng: Xây dựng để bảo vệ các công trình quan trọng ven bờ

sông, hoặc tạo cảnh quan trung tâm đô thị

Ưu điểm: Giải pháp này đơn giản về mặt tính toán, dễ thi công, được sử dụng

nhiều ở khu vực ĐBSCL

Nhược điểm: Yêu cầu về mặt bằng thi công tương đối lớn, quá trình thi công

ảnh hưởng nhiều bởi triều cường

1.2.4 Tường kè cừ ván bê tông dự ứng lực

Hình 1.6 Thi công cừ ván bê tông dự ứng lực (Kè chợ Phường 1 TP Vĩnh Long)

Về cấu tạo: Thân kè là cọc ván bê tông dự ứng lực được sản xuất tại nhà máy

Dầm mũ bằng BTCT đổ tại chỗ liên kết các đầu cọc với hệ dầm neo, cọc neo

Phạm vi ứng dụng: xây dựng vách tầng hầm các công trình dân dụng, xử lý nền

móng các công trình xây dựng trên nền đất yếu: xây dựng cầu, cống, các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, kè vùng sạt lở bên bờ sông, bờ kè biển, những khu vực đông dân cư,…

Ưu điểm: cường độ chịu lực cao nhờ tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng độ cứng, khả năng chịu lực của ván Giảm trọng lượng cho công trình, dễ thay cọc mới khi cọc cũ gặp sự cố 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

Nhược điểm: 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 ) Khó thi công theo đường cong có bán kính nhỏ, chi tiết nối phức tạp làm hạn chế độ sâu hạ cọc

1.3 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG KÈ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN HỆ CỌC

Trong những năm gần đây, tình hình diễn biến xói lở bờ đang có xu thế gia tăng về qui mô, cường độ và tần số, đã và đang gây ra những tổn thất đáng kể về công trình và đất đai ven sông Đối với khu vực nền đất yếu như Đồng Bằng Sông Củu Long nói chung và khu vực sông Cái Cá nói riêng, đất nền chủ yếu là bùn, có nơi chiều dày phân bố hàng chục mét Tại những khu vực này, việc xây dựng các công trình bờ kè là hết sức cần thiết vì ngoài chống sạt lở để ứng phó với hiện tượng biến đổi khí hậu còn thúc đẩy phát triển kinh tế vùng và tạo mỹ quan đô thị

Hình 1.7 Kết cấu tường kè BTCT trên hệ cọc (Kè Cái Cá Thành phố Vĩnh Long)

Hình thức kè có dạng tường chắn đất được làm bằng bê tông cốt thép, dưới tường là hệ cọc Kết cấu phần đứng đảm bảo tiết kiệm quỹ đất do công trình xây dựng hầu hết ở các khu đô thị hay khu tập trung dân cư, nơi đất đai được coi là “tấc đất tấc vàng” Ngoài ra, phần tường đứng thuận lợi cho việc neo đậu thuyền bè ở “mặt tiền sông”, phù hợp với tập quán khai thác thế mạnh của sông nước Mái kè còn lại là mái nghiêng bảo đảm sát vơi mái bờ sông tự nhiên, giảm khối lượng đào đắp và giảm được tác động của lực ngang Phần chân của mái nghiêng ra phía lòng sông thường được bảo vệ bằng thảm đá, rọ đá, hoặc thảm bê tông để chống xói, bảo đảm cho chân

kè ổn định

48

8 1

300 600

600

474 270

50 10

Ưu điểm: Công trình có tính ổn định, tuổi thọ công trình cao do kết cấu chịu lực được đặt trên nền đất chịu lực Đồng thời chân kè đặt dưới mực nước dao động kết hợp mái nghiêng bảo vệ nên không chịu ảnh hưởng nhiều bởi thi công nạo vét luồng và tác động của dòng chảy do sóng tàu gây ra

+ Giải pháp kết cấu và biện pháp thi công thông dụng, phù hợp với năng lực các đơn vị thi công trong khu vực

+ Khả năng chịu lực của công trình cao do toàn bộ tải trọng đứng của công trình được đặt trên nền đất tốt

+ Kết hợp mái kè là các tấm lát bê tông lục lăng tự chèn cùng với thảm đá kết cấu có khả năng chống xói lở cao

+ Chi phí đầu tư xây dựng thấp

Nhược điểm: Cần thiết phải giải phóng mặt bằng toàn bộ các công trình trong

phạm vi yêu cầu

1.3.1 Cấu tạo về móng cọc bê tông cốt thép

Cọc bê tông cốt thép là kết cấu có chiều dài lớn hơn so với bề rộng tiết diện ngang, cọc được thi công bằng phương pháp đóng hay đổ tại chổ vào lòng đất, đá, để truyền tải trọng công trình xuống các tầng đất, đá, sâu hơn nhằm cho công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn

Đài cọc là kết cấu dùng để liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng của công trình lên các cọc Nội lực ở cọc do tải trọng kết cấu phần trên truyền xuống qua hệ đài bản chất sinh ra do chuyển vị tại điểm liên kết cọc với hệ đài Có thể phân ra làm đài tuyệt đối cứng và đài mềm trong tính toán thiết kế hệ cọc Coi đài móng cứng tuyệt đối khi chiều cao đài phải rất cứng Dưới tác dụng của tải trọng thì chuyển vị tại các điểm trên mặt cắt ngàm cọc là tuyến tính (hay là mặt cắt ngàm cọc trước phẳng sau vẫn phẳng) do đó thông thường cọc ở vị trí biên sẽ có nội lực lớn

1.3.2 Các dạng cọc trong đất nền

Cọc bê tông cốt thép được sử dụng trong công trình dân dụng, công trình thuỷ…

- Đặc tính chịu lực: Cọc chịu mũi (cọc chống), cọc ma sát (cọc treo) Bên cạnh

đó các công trình chịu tải trọng ngang lớn như tường chắn đất, bến cảng, mố và trụ

cầu, nhà cao tầng…được xây dựng trong vùng nền đất yếu thường được sử dụng cọc để gánh đỡ vừa tải trọng đứng lẫn tải trọng ngang Mặt khác tỷ số giữa tải đứng và tải ngang của loại công trình này không lớn, nên cọc thẳng đứng thường được chọn vừa chịu tải đứng lẫn tải ngang

- Kết cấu cọc hoặc cừ trong các trường hợp có đường ray đặt dọc theo bờ kè hoặc đặt các thiết bị khác có yêu cầu phải gia cố vì nền đất không được tốt phải xử lý theo kết cấu móng sâu Kết cấu loại này thường được sử dụng trong các công trình bờ kè cảng

1.3.3 Các loại cọc chịu tải trọng ngang thường gặp

+ Cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông

Hình 1.8 Cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông

Cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông 200x200, 250x250, 300x300,… thường được sử dụng cọc rỗng hoặc cọc đặc trong các công trình dân dụng, cầu đường, công trình thủy vv…có tiết diện cọc tùy theo yêu cầu tải trọng công trình

+ Cọc bê tông cốt thép tiết diện tròn

Hình 1.9 Cọc bê tông ly tâm dự ứng lực

Cọc tròn thường được sử dụng như cọc bê tông ly tâm dự ứng lực có đường kính ngoài 300, 350, 400, 450, 500…

1.4 TỔNG QUAN VỀ KIỂM TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA TƯỜNG CHẮN

1.4.1 Kiểm toán điều kiện ổn định trượt

Mặt trượt phẳng của tường chắn đất lấy theo mặt cắt đáy móng hoặc theo một mặt nào đó (do chân khay của đáy móng quyết định)

Các dạng trượt của tường chắn đất:

+ Tầm quan trọng của công trình (cấp công trình)

+ Điều kiện làm việc của công trình

+ Độ phức tạp kết cấu

1.4.2 Kiểm toán điều kiện ổn định lật của tường chắn đất

Đối với trường hợp đáy móng kè đặt trên nền đất, điều kiện đảm bảo chống lật là:

6

b e N

1.4.3 Kiểm toán điều kiện đảm bảo khả năng chịu tải của đất nền

Khi xây dựng các công trình trên nền đất, nếu không tính toán thiết kế nền móng hợp lý, rất dễ xảy ra hiện tượng mất ổn định nền về:

+ Cường độ (trượt, lật…)

+ Biến dạng (lún, chênh lệch lún…)

Vì vậy, để đảm bảo ổn định nền, cần tính toán sức chịu tải của nền để công trình làm việc bình thường Tính nền theo sức chịu tải phải xuất phát từ điều kiện:

1.4.4 Kiểm tra độ lún của tường chắn

Dưới tác trọng của tải trọng ngoài và trọng lượng bản thân, nền đất sẽ bị biến dạng làm cho công trình xây dựng trên đó bị lún Trong nhiều trường hợp tuy tải trọng ngoài tác dụng lên nền chưa vượt qua sức chịu tải của nó nhưng do biến dạng quá lớn của khối đất cũng gây ra sự cố cho công trình xây dựng ở trên như nứt, nghiêng, đổ ,

vì vậy việc đánh giá biến dạng lún của nền đất có một ý nghĩa thực tiễn to lớn trong thiết kế công trình

Tính nền theo biến dạng phải xuất phát từ điều kiện:

ghS

Độ lún của nền lúc quá trình lún kết thúc gọi là độ lún ổn định, còn độ lún ở một thời điểm nào đó trong quá trình nền đất đang lún được gọi là độ lún theo thời gian

Độ lún tổng của nền đất (S): gồm 3 thành phần: Độ lún tức thời, độ lún cố kết và độ lún từ biến

1.4.5 Kiểm tra chuyển vị ngang của cọc

- Chuyển vị ngang nvà góc xoay  của đầu cọc cần thoả các điều kiện sau :

Sạt lở bờ sông thường xuyên xảy ra ở Vĩnh Long và vùng lân cận, nguyên nhân

cơ bản là do cấu tạo nền địa chất rất yếu khả năng chịu lực thấp, nên dễ bị xói lở do tác động của các yếu tố chủ quan và khách quan khác nhau

Để đánh giá khả năng ổn định của loại hình công trình này, việc tính toán thiết

kế phải đảm bảo điều kiện về ổn định trượt, lật, khả năng chịu tải của đất nền và biến dạng nền, đồng thời phải đáp ứng yêu cầu về mỹ quan đô thị

Qua tìm hiểu một số giải pháp trên học viên nhận thấy lựa chọn giải pháp “kết cấu tường kè bê tông cốt thép trên hệ cọc chống sạt lở bờ sông” là cần thiết, là

giải pháp đảm bảo yêu cầu về biến dạng và chống trượt cho nền đất yếu ven sông Giải pháp này có thể ứng dụng thích hợp với vùng đất có tầng đất yếu dày, nền đất đắp cao và đảm bảo yêu cầu về mỹ quan đô thị

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG KÈ BÊ TÔNG

CỐT THÉP TRÊN HỆ CỌC

2.1 CÁC LOẠI TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG TÁC DỤNG

2.1.1 Các loại tải trọng tác dụng

Tải trọng thường xuyên là tải trọng tác động liên tục trong suốt thời kỳ xây

dựng và khai thác công trình, bao gồm:

-Tải trọng bản thân và thiết bị đặt trên nó

- Trọng lượng và áp lực đất

- Áp lực nước

Tải trọng tạm thời là tải trọng có thể không xuất hiện ở một thời điểm hoặc thời

kỳ nào đó trong quá trình xây dựng và khai thác công trình, bao gồm:

- Tải trọng tạm thời ngắn hạn là tải trọng tạm thời có thời gian tác động ngắn

(tải trọng do tàu thuyền neo buộc, vật trôi nổi va đập, tải trọng do các thiết bị nâng, bốc dỡ )

- Tải trọng tạm thời dài hạn là tải trọng tạm thời có thời gian tác động tương

đối dài (áp lực đất phát sinh do biến dạng nền và kết cấu )

- Tải trọng tạm thời đặc biệt là tải trọng xuất hiện trong các trường hợp làm

việc đặc biệt (động đất, các sự cố bất ngờ )

2.1.2 Tổ hợp tải trọng tác dụng

Khi tính toán thiết kế cần tiến hành đối với ba tổ hợp tải trọng và tác động sau:

- Tổ hợp tải trọng trong thời kỳ thi công: Giai đoạn thi công xây dựng công

- Tổ hợp cơ bản: Công trình đưa vào vận hành

+ Tỉnh tải: Trọng lượng và áp lực đất

Áp lực nước

Trọng lượng bản thân hệ tường kè và thiết bị đặt trên nó

+ Hoạt tải: Tải trọng trên hành lang bộ sau tường kè: 3kPa (0.3T/m²)

Tải trọng đường giao thông: 8.8kPa (0.88T/m²)

2.1.3 Các dạng áp lực ngang tác dụng lên tường

* Áp lực nước

Là áp lực ngang của nước tác dụng lên mặt tường chắn đất, loại áp lực ngang này của nước ở trạng thái tĩnh, ký hiệu là Es (KN/m) Ngoài ra còn có áp lực nước thấm sau lưng tường khi triều cường lên xuống và áp lực đẩy nổi ở bản đáy công trình

Hình 2.1 Biểu đồ áp lực nước tác dụng lên tường

* 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 lên tường

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN

Trong thiết kế tường chắn đất thì việc tính toán áp lực đất tác dụng lên tường chắn là tương đối phức tạp Khi đã tính toán được áp lực đất thì việc giải bài toán thiết kế tường chắn sẽ trở nên đơn giản hơn nhiều, trở thành một bài toán kết cấu đơn thuần

2.2.1 Phương pháp Rankine

a Nguyên lý tính toán

W.J.W.Rankine căn cứ vào trạng thái ứng suất trong vật thể bán không gian vô hạn và điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm trong bán không gian đó đã tìm ra phương pháp tính toán áp lực đất

Lý thuyết căn bằng giới hạn

Khi một điểm nào đó trong đất ở trạng thái phá hủy cắt, thì α của góc kẹp giữa mặt cắt với mặt tác dụng của ứng suất chính O1 là:

Hình 2.3 Vòng tròn ứng suất ở điều kiện cân bằng giới hạn

Nguyên lý cơ bản của lý thuyết áp lực đất Rankine

Theo hình 2.4 nếu trong thể đất bán vô hạn lấy một mặt cắt thẳng đứng, ở độ sâu z mặt AB lấy một phân tố nhỏ, ứng suất hướng pháp tuyến σx, σz vì trên mặt AB không 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 xúc với đường bao cường độ chịu cắt khi σz không đổi σx giảm dần vòng tròn ứng 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 Rankine trong thể đất hai tổ mặt trượt làm thành góc kẹp 450 + φ/2 với mặt phẳng ngang Khi σz không đổi σx tăng lớn dần Vòng tròn ứng suất O3 cũng tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến cân bằng giới hạn Khi đó σz là ứng suất chính 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 2.4 Trạng thái chủ động và bị động của Rankine

b Các giả thiết cơ bản

- Lưng tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang, mặt tường trơn nhẵn không có ma sát

- Khi khối đất sau tường đạt trạng thái cân bằng giới hạn chủ động (do khối đất đẩy tường về phía trước – phía không có đất), hoặc trạng thái cân bằng giới hạn bị động (do ngoại lực xô tường về phía sau – về phía đất) thì mọi điểm trong khối trượt đều ở trạng thái cân bằng giới hạn và thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb

c Xác định áp lực chủ động theo 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 chỗ 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 (như hình 2.5)

sâu z của lưng tường thì ứng suất σz = γz là ứng suất chính nhỏ nhất σ3 ứng suất ngang

σx là ứng suất chính lớn nhất σ1, cũng tức là pp Cho σ1 = pp, σz = γz thay vào sẽ được công thức tính áp lực đất bị động Rankine

Đất rời:

Đất dính:

pp = γz tan2 (450 + φ/2) + 2c tan (450 + φ/2) = γz Kp + 2c K p (2-8) Trong đó:

Từ công thức trên có thể biết, áp lực đất bị động pp phân bố thành đường thẳng theo độ sâu z Hợp lực đất bị động tác dụng lên lưng tường có thể tìm thấy bằng diện tích hình phân bố của pp

Đất cát:

Ep = 2

1

γz2Kp (KN/m) (2-10) Đất sét:

Ep = 2

2.2.2 Phương pháp Coulomb

a Nguyên lý cơ bản tính toán

Trước tiên, Coulomb giả thiết một mặt trượt bất kỳ, sau đó dựa vào điều kiện cân bằng của khối trượt, từ đó tìm ra giá trị, phương chiều và vị trí của áp lực đất giả thiết

Áp lực đất chủ động Ea là giá trị lớn nhất của các lực đẩy giả thiết tác dụng lên tường và áp lực đất bị động là giá trị nhỏ nhất của các lực chống giả thiết tác dụng lên tường

b Các giả thiết cơ bản

Theo lý thuyết Coulomb khi tính áp lực đất tác dụng lên tường chắn (hình 2.6) cần đưa ra một số giả thiết như sau:

+ Tường chắn tuyệt đối cứng, không biến dạng;

+ Mặt trượt trong đất là mặt phẳng và đi qua chân tường; lưng tường cũng là một mặt trượt (qui ước mặt trượt thứ 2)

+ Khối đất trượt xem như là một khối rắn tuyệt đối được giới hạn bằng hai mặt trượt: mặt trược phát sinh trong khối đất đắp và mặt lưng tường;

+ Khi có lực dính của đất đắp thì lực dính sẽ phân bố đều trên mặt trượt

c Xác định áp lực đất chủ động theo Coulomb

* Đối với đất rời:

Ea = 2

)cos(

)sin(

)sin(

1)cos(

cos

)(cos2

2

a a

a a

a a

d Xác định áp lực đất bị động theo Coulomb

Khi tường chắn chuyển vị về phía khối đất, áp lực đất tác động lên vật chắn gia tăng và gây trượt, Coulomb giả thiết mặt trượt BC là phẳng và khối đất sau tường hình thành lăng thể trượt ABC, khi đất sau tường bị trượt

* Đối với đất rời:

Ep = 2

* Đối với đất dính:

Ep = 2

2

)sin)(coscos(

)(cos

e Xét sự cân bằng của một điểm

* Đối với đất rời

Nếu điểm A ở trạng thái cân bằng giới hạn φ = ømax

Ta có:

sinømax =

3 1

3 1

f Định luật Mohr – Rankine:

- Nếu Ømax < φ điểm A ổn định

- Nếu Ømax = φ điểm A ở trạng thái cân bằng

- Nếu Ømax > φ điểm A mất ổn định

Ở trạng thái cân bằng giới hạn:

σ3 = σ1tan2(450 + φ/2) + c.cot(450 – φ/2) (2-22) Đối với đất rời thì giá trị góc lệch cực hạn Ømax :

sin2ømax = 2

2 2

)(

4)(

x z

xz x

Hình 2.7 Vòng tròn Mohr và phương trình Coulomb đối với đất rời

2.3 TÍNH TOÁN CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG THEO TCXD 205-1998

2.3.1 Sơ đồ phân bố tải trọng lên đầu cọc

Tải trọng tác dụng lên cọc gồm các tải trọng thẳng đứng do trọng lượng bản thân của đất đắp trên đài σz và trọng lượng bản thân của đài p1, áp lực ngang của đất

là H và momen tại đáy đài là M

Đối với móng cọc có số cọc lớn hơn hoặc bằng 3 cọc, có momen và lực ngang nằm trong mặt phẳng nằm ngang hai cọc thì momen đã chuyển thành lực dọc trong cọc, còn lực nằm ngang ở đỉnh cọc được chia đều cho số lượng cọc (ta xem móng cứng tuyệt đối) [6]

H0 =

n

H

(2-24)

2.3.2 Những nội dung cần tính toán khi cọc chịu tải trọng ngang

- Chuyển vị ngang nvà góc xoay  của đầu cọc cần thoả các điều kiện sau :

- Tính toán ổn định của nền xung quanh cọc

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