Nghiên cứu sử dụng tường cọc bản kè khu vực bờ sông có khả năng bị sạt lở

2.NỘI DUNG: PHẦN I: TỔNG QUAN Chương 1: Nghiên cứu các kết quả đã có trong việc đánh giá ổn định tường cọc bản kè khu vực bờ sông có khả năng bị sạt lở PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ P

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2003

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1 : TS CHÂU NGỌC ẨN

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 : ThS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS LÊ BÁ KHÁNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 12 tháng 12 năm 2003

Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-

-NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : ĐÀO VĂN VŨ Phái : NAM

Ngày tháng năm sinh : 24 - 4 - 1976 Nơi sinh : TIỀN GIANG Chuyên ngành : CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU Mã số : 31.10.02

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TƯỜNG CỌC BẢN KÈ KHU VỰC BỜ SÔNG

CÓ KHẢ NĂNG BỊ SẠT LỞ

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1.NHIỆM VỤÏ: Nghiên cứu phương pháp tính tương đối hợp lý cho tường cọc

bản kè khu vực bờ sông có khả năng bị sạt lở

2.NỘI DUNG:

PHẦN I: TỔNG QUAN

Chương 1: Nghiên cứu các kết quả đã có trong việc đánh giá ổn định tường cọc

bản kè khu vực bờ sông có khả năng bị sạt lở

PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN

Chương 2: Phân tích các phương pháp tính toán tường cọc bản

Chương 3: Tự động hóa tính toán ổn định tường cọc bản kè theo mô hình đàn

hồi - dẻo thuần túy Mohr – Coulomb bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chương 4: Sử dụng các kết quả nghiên cứu và chương trình Plaxis để tính toán

cho một công trình tường cọc bản kè thực tế ven sông

PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

III-NGÀY GIAO NHIỆM VU : 20-01-2003

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 12-12-2003

V-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS CHÂU NGỌC ẨN

: ThS.VÕ PHÁN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS CHÂU NGỌC ẨN GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG ThS VÕ PHÁN

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày 12 tháng 12 năm 2003

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trải qua thời gian học tập và nghiên cứu ở chương trình cao học tại trường đại học Bách Khoa Tp.HCM, em cảm thấy mình đã nắm bắt được rất nhiều những kiến thức khoa học chuyên môn mà đặc biệt là những kiến thức trong lĩnh vực cơ học đất-nền móng, công trình trên đất yếu Để có được những kiến thức quý báu đó em không thể nào quên được những công ơn lớn lao mà các Giáo sư tiến sĩ khoa học và các thầy cô trong ban giảng dạy đã dành nhiều thời gian tâm huyết để truyền đạt cho em

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả các thầy cô đã giúp đỡ

em hoàn thành luận văn cao học:

Xin chân thành biết ơn thầy Tiến sĩ Châu Ngọc Aån –người hướng dẫn khoa học tận tình hướng dẫn em để hoàn thành luận văn cao học này

Xin cảm ơn lãnh đạo và tập thể các thầy cô phòng quản lý khoa học và đào tạo sau đại học đã giúp đỡ em trong suốt khóa học này

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Kỹ sư Nguyễn Trường Xuân – Giám đốc công ty Quản Lý Khai Thác Dịch Vụ Thủy Lợi Tp.HCM, tập thể nhân viên công ty ,bạn bè đồng nghiệp gần xa và gia đình đã giúp đỡ,tạo nhiều điều kiện tốt để em học tập và làm việc trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn cao học

PREFACE

The retaining walls in general or sheet pile walls in particular is a kind

of popular structure which is used to protect the works adjacent to the river such

as ports, houses, bridges and roads, ect combining with the river bank eroding resistance

Mekong river delta and in part of HoChiMinh city have thick rivers and channels system which are frequently eroded, such as Tien river of An Giang province and the latest is Thanh Da peninsula of HoChiMinh city.The majority of the above area is soft soil So the research of calculating this structure is actually, scientifically significant and it is an urgent requirement

Because of the complication of the problem of the stabilization for the sheet pile walls,so many writers solved them basing on different theories As a whole, many the solution based on the theory of the pressure of soil on the hard wall, for the solution based on the theory of the pressure of soil on the soft wall have not researched sufficiently yet

To participate in making perfect for the solution of this problem , as to simplify the designer’s calculation , the theme will concentrate to research stable problem of the sheet pile walls which will be based on the partial elastic and perfect elasto - plastic foundation models with the supposition on the wall having limited stiffness.On the basic theory, the software of the sheet pile wall calculation will be setted up basing on the perfect elasto - plastic model (Morh- Coulomb) with the finite element method

This theme concentrates on two main content as follows:

+ Analyzation of the sheet pile wall calculation methods

+ Automatization of the sheet pile wall Calculation by the software

The thesis includes 03 main parts:

+ Part I :The generality

+ Part II :The research part is deeply developed

+ Part III : The remark and conclusion

The final part of the thesis is the statistics of reference documents and the annex of calculating results

LỜI MỞ ĐẦU

T ường chắn đất nói chung hay tường cọc bản kè nói riêng là loại kết

cấu chủ yếu được sự dụng để bảo vệ các công trình ven sông như bến cảng ,nhà

ở, cầu đường,… Kết hợp với việc chống sạt lở bờ sông

Khu vực đồng bằng sông Cửu Long và một phần thành phố Hồ Chí Minh có

hệ thống sông rạch chằng chịt, thường xuyên xảy ra sạt lở bờ sông, như bờ sông

Tiền thuộc tỉnh An Giang, hay gần đây như bán đảo Thanh Đa thuộc thành phố

Hồ Chí Minh Phần lớn khu vực trên là đất yếu Vì vậy việc nghiên cứu tính

toán loại kết cấu này có ý nghĩa thực tiễn , khoa học và là một yêu cầu cấp

bách

Do lời giải của bài toán ổn định tường cọc bản kè rất phức tạp nên đã có

nhiều tác giả giải quyết bài toán này dựa trên nhiều lý thuyết khác nhau Nhìn

chung, có rất nhiều lời giải dựa trên lý thuyết áp lực đất lên tường cứng, còn lời

giải dựa trên lý thuyết áp lực đất lên tường mềm chưa được nghiên cứu dầy đủ

Để góp phần hoàn thiện lời giải cho bài toán này, cũng như nhằm làm đơn

giản công việc tính toán cho người thiết kế , đề tài sẽ tập trung nghiên cứu vấn

đề ổn định tường cọc bản kè dựa trên mô hình nền đàn hồi cục bộ và đàn hồi

dẻo thuần túy với giả thuyết tường có độ cứng hữu hạn.Trên cơ sở lý thuyết đó,

thành lập phần mềm tính toán tường cọc bản theo mô hình đàn hồi dẻo thuần túy

(Morh- Coulomb) theo phương pháp phần tử hữu hạn

Đề tài này tập trung vào hai nội dung chính sau:

+ Phân tích các phương pháp tính toán tường cọc bản

+ Tự động hóa tính toán tường cọc bản

Luận văn gồm 03 phần:

+ Phần I :Tổng quan

+ Phần II : Nghiên cứu đi sâu phát triển

+Phần III : Nhận xét và kết luận

Cuối cùng của luận văn là thống kê các tài liệu tham khảo và phụ lục kết

quả tính toán

MỤC LỤC

Nội Dung

Trang

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ

TÀI – PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU CÁC KẾT QUẢ ĐÃ CÓ TRONG VIỆC

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH TƯỜNG CỌC BẢN KÈ KHU VỰC BỜ SÔNG CÓ KHẢ NĂNG BỊ SẠT LỞ 1

I CÁC SỰ CỐ VÀ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH

SẠT LỞ BỜ SÔNG (CHỦ YẾU Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU

1.1.Dòng chảy lũ 1

5 Yếu tố sóng gió (do bão và tàu thuyền đi lại) 4

II CÁC DẠNG CẤU TẠO CỦA TƯỜNG CỌC BẢN – BIỆN

1.1.Tường cọc bản thép 7

1.2.Tường cọc bản bê tông cốt thép 9

2 Biện pháp thi công tường cọc bản 11

III CÁC PHƯƠNG HƯỚNG TÍNH TOÁN TƯỜNG CỌC BẢn 11

IV PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU 12

PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU PHÁT TRIỂN 13

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TƯỜNG

CỌC BẢN 13

I CÁC DẠNG MẤT ỔN ĐỊNH VÀ PHÁ HOẠI CỦA TƯỜNG CỌC BẢN 13

II CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN TƯỜNG CỌC BẢN 15

1 Phương pháp 1 15

1.1.Bài toán 1 16

1.2.Bài toán 2 28

2 Phương pháp 2 33

3 Phương pháp 3 38

3.1.Định nghĩa môi trường đàn hồi dẻo lý tưởng (thuần túy) 38

3.2.Lý thuyết biến dạng trong môi trường đàn hồi dẻo thuần túy

Mohr – Coulomb 39

3.3 Các bước phân tích chung của phương pháp phần tử hữu hạn 42 3.4 Giải bài toán tường cọc bản theo mô hình đàn hồi dẻo thuần

túy 45

III MỘT SỐ NHẬN XÉT 51

CHƯƠNG III: TỰ ĐỘNG HÓA TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG CỌC BẢN KÈ TRÊN ĐẤT BÃO HÒA THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI DẺO THUẦN TÚY MOHR – COULOMB BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 52

I GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH 52

1 Cơ sở tính toán 52

2 Giới hạn của chương trình 53

II SƠ ĐỒ KHỐI 53

III NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH 53

1 Giao diện thứ nhất 53

2 Giao diện thứ hai 61

IV HƯỚNG DẪN CÁCH SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 64

VI ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN TƯỜNG CỌC BẢN

TRONG THỰC TẾ 67

VI. SO SÁNH KẾT QUẢ LỜI GIẢI CỦA CHƯƠNG TRÌNH TCB2003 VÀ PLAXIS - NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 68

CHƯƠNG IV: SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PLAXIS ĐỂ TÍNH TOÁN CHO MỘT CÔNG TRÌNH TƯỜNG CỌC BẢN KÈ THỰC TẾ VEN SÔNG 69

I. DỮ LIỆU ĐẦU VÀO 69

II KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 70

1 Chuyển vị 70

2 Ứng suất 72

II BIỂU ĐỒ NỘI LỰC 74

1 Lưới Chuyển vị 74

2 Chuyển vị tổng 74

3 Chuyển vị đứng 75

4 Chuyển vị ngang 75

5 Ứng suất chính tổng 76

6 Biểu đồ nội lực dọc theo tường cọc bản 76

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

-1-

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ CÓ LIÊN

QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI – PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 1:

NGHIÊN CỨU CÁC KẾT QUẢ ĐÃ CÓ TRONG VIỆC ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH TƯỜNG CỌC BẢN KÈ KHU VỰC BƠ SÔNG CÓ

KHẢ NĂNG BỊ SẠT LỞ

I CÁC SỰ CỐ VÀ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẠT LỞ BỜ SÔNG (CHỦ YẾU Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG)

Trong những năm gần đây hiện tượng sạt lở bờ sông liên tiếp xảy ra tại các tỉnh thuộc Đồng Bằng Sông Cửu Long như An Giang, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Cần Thơ, Tiền Giang, Sóc Trăng, Trà Vinh hay tại bán đảo Thanh Đa thuộc Thành phố Hồ Chí Minh, gây nên những tổn thất nặng nề về người và của, là mối đe dọa nghiêm trọng đến tính mạng và tài sản nhân dân

Xói lở là kết quả của sự tương tác qua lại giữa dòng chảy và lòng sông Vậy những nhân tố nào ảnh hưởng chủ yếu đến sự thay đổi lòng sông, bờ sông

1.Yếu tố dòng chảy

Dòng chảy trên sông Tiền, sông Hậu bao gồm dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt

1.1 Dòng chảy lũ

Lũ ở Đồng Bằng Sông Cửu Long từ tháng 7 đến tháng 12 với tổng lượng lũ là 360 ÷ 400 tỷ m3, chiếm 80 ÷ 83% tổng lượng nước

Mực nước lũ biến động nhiều phụ thuộc vào lượng nước phía thượng lưu về và lượng mưa tại chỗ, lũ càng kéo dài thì mức độ sạt lở càng lớn

-2-

Về mùa lũ, vận tốc dòng chảy rất lớn là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sạt lở bờ sông:

+ Tại Tân Châu tháng 9/1997: vmax = 2,1 m/s với Q = 22.700 m3/s

+ Tại Mỹ Thuận tháng 9/1991: vmax = 1,97 m/s với Q = 22.700 m3/s

Với địa chất bờ và lòng sông Cửu Long, vận tốc khối lượng hạt cát là 0,62 – 0,87 m/s, rõ ràng về mùa lũ v >> [v] k.lượng dẫn đến bờ và lòng sông bị xói lở Qua thống kê các địa điểm xói lở trên sông Tiền, sông Hậu thấy hướng dòng chảy lũ áp sát và đâm thẳng vào bờ, đầu bãi đều gây ra xói lở Điều này được thể hiện rõ qua dòng chảy tại Vĩnh Xương, Tân Châu (An Giang), Tứ Thường, Thường Phước, Hồng Ngự, Sa Đéc (Đồng Tháp), Mỹ Thuận (Tiền Giang), thị xã Vĩnh Long (Vĩnh Long),…

1.2 Dòng chảy kiệt

Mùa kiệt ở Đồng Bằng Sông Cửu Long bắt đầu từ tháng 2 đến tháng 5, tổng lượng nước mùa kiệt chiếm 17%, với lưu lượng 2.000 ÷ 2.500 m3/s

Do biên độ triều khá lớn, khi triều rút áp lực nước ngầm trong đất gây ra xói lở

2.Yếu tố bùn cát

Trong thời gian gần đây do tốc độ xây dựng các hồ chứa nước đầu nguồn không ngừng tăng lên dẫn đến lượng bùn cát về hạ lưu cũng giảm đi đáng kể Chính hiện tượng mất cân bằng hàm lượng bùn cát trong dòng chảy gây nên hiện tượng xói sâu.Trên sông Tiền, sông Hậu lượng phù sa dòng chảy bình quân từ 200 ÷ 300 g/m3, lớn nhất từ 500 ÷ 800 g/m3, càng đi về xuôi hàm lượng càng giảm

Bảng 1.1 Phân bố hàm lượng phù sa trong các tháng mùa lũ tại Tân Châu

Lưu lượng, Qmax (m3/s) Tổng lượng, W (109 m3) Hàm lượng phù sa, P (g/m3) Tổng lượng phù sa, G (106tấn)

Đường kính hạt (mịn)

22.300 13,5

880 11,9 0,06 ÷ 0,08

22.700 58,8

687 40,7

-

20.900 45,1

489 22,2 0,028 ÷ 0,045

-3-

Sức tải cát dòng nước lớn hơn nhiều lượng ngậm cát của dòng chảy (hàm lượng phù sa) từ thượng nguồn về thì trong đoạn sông đó sẽ sinh ra xói lở và ngược lại

Theo tính toán, sức tải cát đoạn Tân Châu – Hồng Ngự và Sa Đéc – Mỹ Thuận ρ = 11.568 g/m3 (lũ) đem so sánh lượng phù sa trong tháng 08/1991 tại Tân Châu ρ = 880 g/m3, tháng 9/1991 ρ = 687 g/m3 đều lớn hơn nhiều Ngay cả mùa kiệt, sức tải cát dòng nước ρ = 1.646 g/m3 đều lớn hơn nhiều, trong khi đó hàm lượng phù sa dòng chảy trong mùa này rất bé ρ = 200 ÷ 300 g/m3

Tóm lại, cả mùa lũ, mùa kiệt, sức tải cát lớn hơn rất nhiều hàm lượng bùn cát thực tế gây nên hiện tượng xói lở lòng sông và bờ sông

3.Yếu tố lòng dẫn

Quá trình biến hình lòng sông là thay đổi trục động lực dòng chảy theo phương ngang đã tạo nên thế sông mới có bất lợi hơn với đoạn sông sau đó Thế sông mới có hướng dòng chảy đâm trực tiếp bờ hoặc dòng chủ lưu ép sát bờ

Khi dòng chảy đâm trực tiếp hoặc ép sát vào bờ, chắc chắn đoạn bờ đó sớm muộn sẽ bị sạt lở

4.Cấu trúc địa chất bờ

Căn cứ vào kết quả khoan thăm dò địa chất dọc sông Tiền, sông Hậu: bờ sông và lòng sông được cấu tạo bởi lớp đất thuộc trầm tích phù sa trẻ

Bảng 1.2

Tốc độ không xói cho phép của một số loại đất

Loại đất Tốc độ không xói cho phép

(m/s)

Á sét kết cấu yếu

Á cát kết cấu chặt

Á sét nhẹ

Á sét vừa

Á sét kết cấu chặt

Sét mềm

Sét bình thường

0,7 ÷ 0,8 1,0 0,7 ÷ 0,8 1,0 1,1 ÷ 1,2 0,7 1,2 ÷ 1,4 Như vậy với mọi vùng bờ sông thuộc Đồng Bằng Sông Cửu Long đều có thể

bị xói trong mùa nước trung bình và mùa nước lũ

-4-

Sự dao động của mực nước ngầm cũng là yếu tố thúc đẩy quá trình tan rã đất thêm mãnh liệt Nước ngầm vận động với tốc độ lớn đến những nơi có chân không, thúc đẩy mạnh mẽ hiện tượng cát chảy, xói ngầm và tan rã dẫn đến sự biến dạng khối đất với tốc độ nhanh, nền đất đi đến chỗ mất ổn định đột ngột

5.Yếu tố sóng gió (do bão và tàu thuyền đi lại)

Với những ngày gió chướng, vùng sông, vùng cửa sông có chiều rộng khá lớn, sóng do gió gây nên khá lớn đâm thẳng vào bờ công phá lớp mặt gây nên sạt lở

Ở Đồng Bằng Sông Cửu Long có một đặc điểm nổi bật là giao thông thủy, chưa có nơi nào giao thông thủy phát triển mạnh như ở nơi này Tàu thuyền qua lại có trọng tải hàng ngàn tấn gây nên sóng rất lớn tác dụng trực tiếp lên bờ, lực do sóng gây ra đã lôi kéo cát, đất tạo nên sự mất ổn định bờ

Tóm lại, tìm hiểu các sự cố và nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình sạt lở bờ sông trên quan điểm xem xét tác động tương hỗ giữa dòng nước và bờ sông, từ đó xác định nguyên nhân chính cũng như cơ chế, quy luật sạt lở như thế nào, trên cơ sở đó đề xuất những giải kỹ thuật hữu hiệu chỉnh trị bờ sông, lòng sông, giảm bớt tổn thất nguồn của cải của nhân dân

Việc nghiên cứu sử dụng tường cọc bản ổn định khu vực bờ sông có khả năng bị sạt lở là nhằm mục đích nêu trên

II CÁC DẠNG CẤU TẠO CỦA TƯỜNG CỌC BẢN – BIỆN PHÁP THI CÔNG

1 Các dạng cấu tạo của tường cọc bản

Tường cọc bản được chia làm 02 loại:

- Tường cọc bản không neo

- Tường cọc bản có neo

-5-

Một số dạng tường cọc bảng có neo

Hình 1 1

-6-

Ứng dụng tường cọc bản có neo trong thực tế

Hình 1 2

1.1 Tường cọc bản thép 1.1.1 Phạm vi sử dụng – Ưu nhược điểm

Tường cọc bản thép được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều loại công trình khác nhau do có những ưu điểm như: tính cơ động cao, tương đối nhẹ, sử dụng được nhiều lần, hình dạng, kích thước, các kiểu liên kết đa dạng, dễ chế tạo, vận chuyển dễ dàng, thi công đơn giản,…

Tuy nhiên , tường cọc bản thép cũng có một số nhược điểm như: giá thành cao, dễ bị ăn mòn, rất tốn kém trong công tác duy tu, sửa chữa

Tường cọc bản thép bảo vệ bờ sông chống sạt lở

Hình 1 3

Tường cọc bản thép có cấu tạo như hình vẽ

Cấu tạo tường cọc bản (mặt cắt ngang)

Hình 1.5

-9-

1.1.3 Tiết diện ngang:

Tiết diện ngang của tường cọc bản thép rất đa dạng, phù hợp cho nhiều loại công trình khác nhau, như dạng thẳng (chữ I), dạng máng hay dạng Larssen (chữ U), dạng chữ Z…

Các dạng tiết diện ngang điển hình tường cọc bản thép

Hình 1.6

1.1.4 Mối nối liên kết:

Một vài dạng mối nối liên kết thông dụng như mối nối vấu quả đấm, móc đôi, móc ngàm,…

Liên kết móc nối Hình 1 7

(a) Vấu quả đấm; (b) Móc đôi; (c) Móc ngàm

1.2 Tường cọc bản bê tông cốt thép

1.2.1 Phạm vi sử dụng – Ưu nhược điểm

-10-

Tường cọc bản bằng bê tông cốt thép cũng được sử dụng rất phổ biến do có thể được sử dụng trong nhiều loại công trình khác nhau, đồng thời khắc phục được một số nhược điểm của tường cọc bản thép Tuy nhiên, loại tường này cũng có một số nhược điểm như: trọng lượng lớn, khá cồng kềnh nên khó khăn trong vận chuyển, các mối nối khó đảm bảo độ kín khít trong quá trình thi công

1.2.2 Cấu tạo:

Tường cọc bản bê tông cốt thép có cấu tạo như hình vẽ

Cấu tạo tường cọc bản BTCT

Các dạng tiết diện ngang điển hình tường cọc bản bê tông cốt thép

Hình 1 9

-11-

2 Biện pháp thi công tường cọc bản

Trong thực tế có nhiều biện pháp thi công tường cọc bản Một số phương pháp thi công tường cọc bản như:

- Thi công bằng búa đóng (có thể áp dụng cho nhiều loại tường cọc bản khác nhau): là biện pháp thi công thông dụng nhất vì đơn giản và ít tốn kém Tuy nhiên trong khu vực đông dân cư, nhiều công trình thì ít được sử dụng vì gây ô nhiễm môi trường (bụi, tiếng ồn) và làm chấn động, gây lún, nứt cho các công trình bên cạnh Đối với tường cọc bản bê tông cốt thép, rất khó đảm bảo các cọc liên kết với nhau

-Thi công bằng ép cọc Phương pháp này hạn chế được các khuyết điểm của phương pháp thi công bằng búa đóng

-Thi công bằng phương pháp đổ bê tông tại chỗ trong hố đào sẵn (dùng cho tường cọc bản bê tông cốt thép): thường được sử dụng trong các công trình lớn, có tầng hầm, các công trình trong thành phố Tuy nhiên giá thành khá cao, biện pháp thi công và kiểm tra chất lượng công trình khá phức tạp

Mô phỏng trình tự thi công neo tường cọc bản

Hình 1.10

III CÁC PHƯƠNG HƯỚNG TÍNH TOÁN TƯỜNG CỌC BẢN

Tường cọc bản ổn định thông qua sự cân bằng giữa áp lực chủ động và bị động của khối đất trước và sau tường Như vậy bài toán về tường cọc bản thực chất là bài toán áp lực đất

-12-

Đến nay có khá nhiều thuyết về áp lực đất theo những quan điểm khác nhau Xét về phương hướng tính toán tường cọc bản, ta có thể chia làm 02 phương hướng chính:

- Phương hướng 1: không xét đến độ cứng của tường Phương hướng này

giả thiết tường tuyết đối cứng và chỉ xét đến các chỉ số áp lực đất ở trạng thái cân bằng giới hạn dẻo

Ưu điểm của phương pháp này là tính toán đơn giản, mức độ an toàn đạt yêu cầu Ngược lại, ta không xác định được mức độ chuyển vị và biến dạng của tường cọc bản, kết quả tính toán chỉ là gần đúng

- Phương hướng 2: có xét đến độ cứng của tường cọc bản, xem tường có

độ cứng hữu hạn Các phương pháp tính toán theo phương hướng này không những cho phép xác định áp lực đất lên tường mềm mà còn xác định được cả

chuyển vị của tường mềm Tuy nhiên việc xác định hệ số nền và qui luật

thay đổi hệ số nền theo chiều sau là khá phức tạp Hơn nữa, đến nay lý thuyết áp lực đất lên tường mềm vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ bằng lý thuyết tính áp lực đất lên tường cứng, dù rằng các mô hình tính toán theo hướng xem tường có độ cứng hữu hạn gần với thực tế hơn

IV PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Để nghiên cứu sử dụng tường cọc bản ổn định bờ sông có khả năng bị sạt lở, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu, tính toán tường cọc bản bằng các phương pháp phân tích:

-Cân bằng tĩnh với trạng thái phá hoại dẻo suốt thân tường (theo phương hướng 1)

Mô hình nền đàn hồi Winler (theo phướng hướng 2)

Mô hình nền đàn hồi dẻo thuần túy Mohr–Coulomb (theo phương hướng 3)

-WX-

-13-PHẦN II NGHIÊN CỨU ĐI SÂU PHÁT TRIỂN

CHƯƠNG 2:

PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

TƯỜNG CỌC BẢN

I CÁC DẠNG MẤT ỔN ĐỊNH VÀ PHÁ HOẠI CỦA TƯỜNG CỌC BẢN

Có 03 yếu tố chính làm cho tường bị mất ổn định và bị phá hoại, đó là:

-Do tường cọc bản : kết cấu của tường cọc bản không đủ khả năng chịu lực làm cho tường bị gãy hoặc do chiều sâu cắm vào đất của tường cọc bản không đủ làm cho tường bị xoay

-Do đất nền bị phá hoại

-Do neo bị đứt, trượt

Tường cọc bản bị mất ổn định do trượt sâu

Hình 2.1

-14-Tường cọc bản bị mất ổn định do chiều sâu cắm vào đất không đủ

(phá hoại xoay) Hình 2 2

Tường cọc bản bị phá hoại do bị gãy

Hình 2 3

-15-Tường cọc bản bị phá hoại do neo

Hình 2 4 II.CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN TƯỜNG CỌC BẢN 1.Phương pháp 1

Tính toán tường cọc bản theo cân bằng tĩnh với đất ở trạng thái phá hoại dẻo suốt thân tường Phương pháp này giả thiết tường có độ cứng tuyệt đối Sử dụng kết quả nghiên cứu áp lực đất lên tường cứng của Rankine để tính toán

Ta xem xét 02 bài toán tường cọc bản có neo và không có neo trên cơ sở giả thiết:

-Mặt đất đắp trước và sau lưng tường nằm ngang

-Lưng tường nhẵn và thẳng đứng

-Tường được thi công xong mới cho lấp đất sau lưng tường hoặc thi công xong mới nạo vét phía trước tường

1.1 Bài toán 1: Tường cọc bản không có neo

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

hợp phần chênh lệch mặt đất trước và sau tường ≤ 10m

Khi tường cọc bản được đóng vào đất và không có neo, khối đất xung

quanh tường được chia làm 04 khu vực ứng với 02 trạng thái cân bằng giới hạn

chủ động và bị động như hình vẽ

1.1.1.Tường cọc bản đóng vào đất cát không có neo

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 cát được thể hiện như hình vẽ

F'

(a) Mặt nạo vét

Mực

nước ngầm

F'' F

c = 0

Cát γ ϕ

c = 0

sat

P L

z

z'

Cát γ ϕ

-18-p1 = γL1ka (2.1) Trong đó: )

2 45 (

= o

k - hệ số áp lực đất chủ động (theo Rankine)

γ - trọng lượng riêng của đất

ϕ - góc ma sát trong của đất

Tương tự, tại độ sâu z = L 1 + L2 , cường độ áp lực đất chủ động:

p2 = (γL1 + γ’L2 )ka (2.2) Trong đó: γ’= γsat-γw – trọng lượng riêng đẩy nổi của đất

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:

pa = [γL1 + γ’L2 + γ’(z - L1 - L2)]ka (2.3)

áp lực bị động tại độ sâu z > L 1 + L2 là:

pp = γ’(z - L1 - L2)kp (2.4) trong đó : )

2 45 (

'

2 3

a

k

p L

L z

3

L

L p

3

) 3

4

-19-Từ O đến đáy tường, áp lực bị động bên phải, áp lực chủ động bên trái

Tại chân tường z = L + D, ta có:

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

12

1

4 3 5 4

( 2

1 ) 3

)(

2

1 ( )

4 3 5

4 4 3

4 3 5

2

p p

P L p L

2 4 2

3 4 1

'

5 1

a

k

p a

−

=

) (

−

=

-20-2 2

5 3

) (

'

] ) (

' 2 [ 6

a p

a p

k k

p k k z P a

5 4

)(

'

)46

với FS = 1,5 ÷ 2,0 : hệ số an toàn

và Dthực tế = (1,2 ÷ 1,3)Dlý thuyết

• Xác định nội lực trong cọc :

Sau khi xác định được chiều sâu chôn cọc, ta cần xác định nội lực trong cọc để tìm cấu tạo thích hợp

Theo biểu đồ trên, moment cực đại sẽ ở trong đoạn EF’ ứng với lực cắt bằng O Chọn trục z’ như hình vẽ

Tại điểm có lực cắt bằng 0, ta có:

')(

)'(2

1 z 2 k p k a γ

')(

2'

1 )](

( ' ' 2

1 [ ) '

a

k z z

-21-• Trường hợp a: Mực nước ngầm thấp hơn chân cọc:

Sơ đồ tính như hình vẽ

Cát γ ϕ

c = 0

L

p

B p

M ặt nạo vét

L 5 D

c = 0 P

a a

Lk k

k

p L

2

3 2 2

2

12

1

L p L p

)(

3

)2

(33

3

a p

p a a

p

a

k k

k k L L k k

Lk L

L z

−

+

=+

−

=+

-22-Cuối cùng ta được phương trình xác định L4:

0''

'

4 2

3 4 1

−

=

) (

8 '2

a

k

P a

] ) (

2 [ 6 '

a p

a p

k k

p k k z P a

5 4

)(

)46

('

a

k

P p z P a

−

+

=

• Trường hợp b: Mặt đất trước và sau tường có cùng cao trình, không có

nước ngầm, đầu tự do của cọc có lực ngang P tác dụng

Sơ đồ tính như hình vẽ

Cát γ ϕ

c = 0

O L

-23-Phương trình xác định chiều sâu chôn cọc:

0 (

2 (

12 )

p a

P D

k k

PL D

k k

P D

γγ

2

2)

5

a p

a p

k k D

P D k k L

' ) ' (

3 max

γ

a

k z z L P

− +

đạt được tại cao trình

)(

2'

a

k

P z

−

=

1.1.2.Tường cọc bản đóng vào đất sét không có neo

Khi tường cọc bản đóng vào nền sét, phần phía sau tường được đắp bằng cát Ổn định tường có được cũng nhờ sự chênh lệch áp lực bị động và chủ động trước và sau tường Nhưng với sét trong điều kiện không thoát nước ϕu = 0 nên

ka = kp = 1, sự khác nhau của 02 áp lực này chính là nhờ lực dính

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

H p

z1

D

P

Cát γ ϕ

c = 0

Cát γ ϕ

ϕ = 0

c sat 6

L z L

L c L

L z p

L

tương tự, áp lực chủ động từ trái qua phải:

-25-c D

ta được áp lực ròng tại chân tường:

c L

L p

p

Điều kiện cân bằng giải tích: ∑FH = 0, tức là:

diện tích biểu đồ áp lực (ACDE) – diện tích (EFIB) + diện tích (GIH) =

4

với P 1 : lực tương đương với diện tích (ACDE)

đơn giản biểu thức trên ta được:

c

P L L

c D L

4

)]

' (

4

4

− +

−

Tổng moment đối với điểm B = 0:

0)3)(

8(2

12)]

'(

4[)

4

2 2 1

1

với z1 là khoảng cách từ vị trí đặt lực P1 đến mặt nạo vét

Kết hợp 02 biểu thức (2.45), (2.46) ta được:

02)'(

)12(

2)]

'(

4[

2 1

1 1

1 1 2

1

++

+

−

−+

−

⇔

c L L

z c P P DP L

L c D

γγγ

Giải phương trình trên ta được chiều sâu D cần đóng vào lớp sét Trong thực tế thường lấy Dthực = (1,4 ÷ 1,6)Dlý thuyết

• Xác định nội lực trong cọc:

Trong sơ đồ trên, moment cực đại ứng với điểm có lực cắt bằng 0, chọn trục z’ mà z’ = 0 tại mặt nạo vét trước tường:

-26-2 6 1

1

2

1)'

2 p

z 1

P

Seùt γ

ϕ = 0

c sat

2

12

c

k L L

c D

42

1)4

)12(

2)4

z c P P DP L

c D

γ

Moment cực đại trong tường cọc bản là:

2 6 1

1

2

1)'

k L p

1'

ϕ = 0

c D

)12(2

c

cL P

P PD c

-28-và

c

P cD L

2 max

cz z

L P

trong đó:

c

P z

4

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

Khi phần trên lệch mặt trước và sau tường > 10m, phương án tường có neo sẽ kinh tế hơn

Có 02 cách tính toán tường cọc bản đóng trong đất có 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

Biểu đồ tường độ võng và moment của tường cọc bản có neo

Hình 2 12

(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 toán dựa trên giả thiết này

1.21.Tường cọc bản đóng trong đất cát có neo

Sơ đồ tính như hình vẽ

-29-z L

Cát

γ sat

ϕ , c=0 D

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

động Tại độ sâu z > L 1 +L2:

Áp lực chủ động là:

2 3

a

k

p L

L z

)(

'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

* và ∑M / O' = 0

0]3

2[

)]

('[2

1)]

()

4 1

3 2

) (

'

)]

( ) [(

3 ) (

5 ,

3 2 2

2 4

− + + +

a

k

l z L L L P L

L l L L

Moment cực đại trong cọc bản sẽ xảy ra tại vị trí lực cắt triệt tiêu, vị trí

này nằm từ độ sâu z = L 1 đến độ sâu z = L 1 +L2 :

-31-0)('2

1)(2

1 1

1 1

1L −F + p z−L + k z−L =

Giải phương trình trên ta được độ sâu z mà tại đó lực cắt triệt tiêu, moment đạt giá trị cực đại Từ đó ta tính được Mmax như cách đã trình bày trong bài toán 1

1.2.2.Tường cọc bản đóng trong đất sét có neo

Sơ đồ tính như hình vẽ

Cát

γ sat

ϕ , c=0

L 2 L

Cát

γ, ϕ, c=0

Mực nước ngầm L1 O'

Sơ đồ tính tường cọc bản trong đất sét có neo

Hình 2 14

Phân tích áp lực tác động lên tường tương tự như trường hợp không neo, sau cùng ta có:

)'(