Ổn định tổng thể của kè cọc ly tâm trên nền đất yếu

Kè cọc ly tâm giảm sóng bảo vệ bờ biển đồng bằng sông Cửu Long ngày càng ứng dụng rộng rãi, kết cấu gồm hai hàng cọc ly tâm đóng song song, liên kết bằng hệ khung dầm giằng bê tông cốt thép, ở giữa đổ đá hộc. Công trình thường đặt xa bờ, trên địa chất nền đất yếu. Dưới tác dụng của tải trọng bản thân, tải trọng sóng triều tác dụng đồng thời. Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ổn định tổng thể của kè ly tâm dưới tác dụng tổng hợp tải trọng quy đổi gồm lực đứng, lực ngang và mô men.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA KÈ CỌC LY TÂM TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Phan Đình Tuấn, Nguyễn Hải Hà, Nguyễn Duy Ngọc Viện Thủy Cơng Tóm tắt: Kè cọc ly tâm giảm sóng bảo vệ bờ biển đồng sông Cửu Long ngày ứng dụng rộng rãi, kết cấu gồm hai hàng cọc ly tâm đóng song song, liên kết hệ khung dầm giằng bê tông cốt thép, đổ đá hộc Công trình thường đặt xa bờ, địa chất đất yếu Dưới tác dụng tải trọng thân, tải trọng sóng triều tác dụng đồng thời Bài báo trình bày kết nghiên cứu ổn định tổng thể kè ly tâm tác dụng tổng hợp tải trọng quy đổi gồm lực đứng, lực ngang mô men Summary: Double-row pile breakwater to protect the coast of the Mekong Delta is increasingly widely used, the structure consists of two rows of centrifugal piles driven in parallel, connected by a reinforced reinforced concrete beam frame system, in the middle of which is poured stone The works are often located far from the shore, on soft soil geology Under the action of self-load, tidal wave loads act simultaneously Research of the overall stability of the Double-row pile breakwater under the combined effect of converted loads including vertical, horizontal force and moment is presented in this article Keywords: Double-row pile breakwater, soft clay, combined loading, stability analysis ĐẶT VẤN ĐỀ * Thời gian qua, khu vực đồng sông Cửu Long thường xuyên xảy tình trạng sạt lở đất nghiêm trọng vị trí ven sơng dải đồng ven biển Đặc biệt, tỉnh Cà Mau có khoảng 245 km chiều dài bờ biển bị xói lở, đất diễn liên tục Để thích ứng với biến đổi khí hậu nước biển dâng, tỉnh Cà Mau huy động nhiều nguồn lực địa phương Trung ương đầu tư xây dựng công trình chống sạt lở tại vị trí xung yếu đe dọa tới an tồn đê biển phía [6] Ở nhiều địa điểm, tình trạng xói lở xảy bào mịn dần diện tích rừng ngập mặn cịn sót lại, tạo khoảng trống khơng bảo vệ phía sau Một số giải pháp thực hiện để bảo vệ bờ biển vị trí xung yếu như: a) Hàng rào chắn sóng sử dụng hai lớp cừ tràm b) Đê chắn sóng rọ đá c) Hàng rào tre hình chữ T, d) Kè cọc ly tâm thẳng đứng phía trước Ngày nhận bài: 16/10/2021 Ngày thông qua phản biện: 28/11/2021 sử dụng cọc bê tơng Trước diễn biến xói lở bờ biển ngày phức tạp nghiêm trọng, quan quản lý địa phương Cà Mau thử nghiệm kè cọc ly tâm giảm sóng bảo vệ bờ biển Kết cấu kè gồm hai hàng cọc ly tâm đóng song song, liên kết hệ dầm giằng, thả đá hộc, giải pháp kè có hiệu quả giảm sóng, gây bồi ứng dụng rộng rãi bảo vệ bờ biển, đến xây dựng hàng chục km bảo vệ bờ biển đồng sông Cửu Long (Hình 1) Ở giới, giải pháp nghiên cứu ứng dụng công trình biển, tiêu biểu cơng trình kè giảm sóng thành phố Đông Đình, Trung Quốc [3] Liu (2012) [3] trình bày giải pháp phân tích tính hấp thụ sóng giải pháp Ở Việt Nam, Nguyễn Hữu Nhân (2015) [1] nghiên cứu mô hình số vùng nước nông ven biển cho kè cọc ly tâm, mục tiêu nghiên cứu hiệu quả giảm sóng, gây bồi giảm tác động sóng, bảo vệ bờ Ngày duyệt đăng: 06/12/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 69 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ biển vành đai rừng ngập mặn Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả nghiên cứu phân tích độ ổn định kè cọc ly tâm chịu tải trọng tổng hợp Đồng sông Cửu Long nói chung tỉnh Cà Mau nói riêng đầy đá hộc để đảm bảo mức độ hấp thụ lượng sóng cao mức độ thấm định cho phép sự trao đổi chất lở lửng, hạt phù sa trước sau kè (Albers, 2010) [5] KÈ CỌC LY TÂM Kết cấu kè cọc ly tâm chắn, độ bền cao Mặc dù có số hạn chế khó di chuyển nơi khác, song đê chắn sóng dường ứng dụng rộng rãi việc tiêu tán lượng sóng để bảo vệ vùng ven biển Đồng sông Cửu Long Kè cọc ly tâm (Hình 1) có kết cấu gồm hai hàng cọc ly tâm đóng song song, cọc đóng xuyên qua lớp bùn xuống lớp ổn định Đầu cọc cố định hệ thống dầm dọc dầm ngang bê tơng cốt thép khóa đầu Khoảng trống hàng cọc khoảng 1.5 m - m, lấp Bottom of the sea (a) Chính diện tuyến kè (b) Dọc tuyến kè Hình 1: Kè cọc ly tâm Hình 2: Mặt cắt ngang kè cọc ly tâm PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH 3.1 Áp lực sóng Áp lực sóng mặt trước tường thẳng đứng tính tốn phương pháp Goda [4] Phương pháp giả định áp lực sóng lên tường thẳng đứng biểu diễn phân bố hình thang, với áp suất cao mực nước tĩnh khơng phụ thuộc vào điều kiện sóng:  *G  0, 75 1  cos   1 H D p1  0,5 1  cos   11   22 cos    gH D p1 cosh  2 h / L  p3   p1 p2：Áp lực sóng đáy biển (kN/m2) p3：Áp lực sóng tại chân tường thẳng đứng (kN/m2) 0：Khối lượng riêng nước (kN/m3) g：Gia tốc trọng trường (m/s2) p2  Trong đó: *G：Độ cao so với mực nước tại cường độ áp lực sóng khơng (m) p1：Áp lực sóng mực nước tĩnh (kN/m2) (1) ：góc đường thẳng pháp tuyến với tường thẳng đứng hướng tiếp cận sóng, lấy 0º TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 69 - 2021 KHOA HỌC 1, 2：hệ số điều chỉnh áp suất sóng (1.0 giá trị tiêu chuẩn) h：Độ sâu mực nước trước tường thẳng đứng (m) CƠNG NGHỆ tính bảng L：chiều dài sóng độ sâu h sử dụng tính toán quy định phương trình (3) (m), khu vực biển Tây tỉnh Cà Mau, xác định chiều dài sóng tính tốn L=33.11 m HD：chiều cao sóng sử dụng tính tốn quy định (m);  4πh/L  α1 = 0.6 +    sinh(4πh/L)  Hình 3: Áp lực sóng lên kè ly tâm (2)  h'  α3 = - 1  h  cosh(2πh/L)  Trong đó: hb: Độ sâu nước khoảng cách xa gấp lần chiều cao sóng đáng kể tính từ tường thẳng đứng (m) d: Độ sâu mực nước tại đỉnh công trình bảo vệ chân (m) 3.3 Tính tốn phân tích chiều dài cọc Giả sử chiều dài cọc bao gồm phần H (m) phần (trong đất yếu) d1 (m), tính tổng mơmen với điểm quay tham chiếu C1 Hình 4, SMgC1 tổng mơ men gây giữ điểm quay C1, SMlC1 tổng mô men gây lật điểm quay C1 3.2 Lực đẩy Lực đẩy tác động lên đáy tường thẳng đứng mô tả phân bố hình tam giác, với cường độ áp lực chân trước pu cho phương trình sau chân sau pu  0.5 1  cos  133 0 gH D (3) Trong đó: pu: Áp lực đẩy tác dụng tại chân trước tường thẳng đứng (kN/m2) 3: Hệ số sửa đổi áp suất nâng (1.0 giá trị tiêu chuẩn) Lực sóng tác dụng trước mặt đê chắn sóng Hình 3, Ws tổng lực sóng, tổng Ws1 Ws2 Từ tham số sóng trình bày bảng mơ hình Hình 3, lực sóng Hình 4: Mơ hình tính tốn chiều dài cọc (4) Giải phương trình (4) xác định giá trị d1 (m) Trong thiết kế để đảm bảo kết cấu kè ổn định, cần phải kéo dài cọc ngàm đất yếu với độ sâu: d2 = (1.1 – 1.2) d1 Đối với kè cọc ly tâm bảo vệ bờ biển Tây ttỉnh Cà Mau, xác định tổng chiều dài cọc bê tông 7.0m, với hệ số an tồn FS = 1.610 Bảng 1: Các thơng số sóng Độ sâu nước d (m) 1.76 Chiều cao sóng HS(m) 1.4 Chiều dài sóng L(m) 33.11 Chiều cao sóng max H(m) 2.6 Chiều rộng B(m) 1.6  (deg) cos 1 2 3 1.0 1.0 1.0 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 69 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 2: Tính tốn áp lực sóng 1 2 3 1.01 0.0 0.93 * (m) 1.7 p1 (kN/m2) 11.55 3.4 Phân tích phần mềm Plaxis Nghiên cứu áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm PLAXIS 2D, phát triển PLAXIS BV - Hà Lan, đặc biệt phát triển để phân tích biến dạng ổn định vấn đề học đất đá Mô hình đất sử dụng mô hình Soft soil clay (SSC) Các đặc tính đất thu từ thử nghiệm phịng thí nghiệm sử dụng để xác định thông số đầu vào trình bày Bảng Các thông số kết cấu trình bày Bảng Trong phân tích hiện tại, biên mô hình gán cố định tiêu chuẩn Các điều kiện biên mô hình bao gồm: Các đường biên ngang theo phương X mô hình đạt p2 (kN/m2) 10.78 p3 (kN/m2) 10.78 pu (kN/m2) 12.38 cố định ngang (ux = 0) Đường biên đáy có tọa độ Y thấp mơ hình cố định hồn tồn (ux = uy = 0) Tỷ lệ diện tích khe rỗng hàng cọc phía trước kè cọc ly tâm 50% nghiên cứu Các tác giả thực hiện hai trường hợp kết hợp tải trọng với tổng lực sóng ngang trường hợp nửa lực sóng ngang trường hợp với tỷ lệ diện tích rỗng diện tích mặt kè 50% Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để phân tích ứng suất biến dạng nền đất, hệ số an toàn chống ổn định nội lực cọc bê tơng chắn sóng hai trường hợp Bảng 3: Tính chất vật liệu đất Vật liệu Loại đất Đất sét yếu Đất sét cứng SSC MC wet kN.m-3 14.5 16.2 sat kN.m-3 15.0 16.5 E kN.m-2 5.500  degree 18 20  - * 0.2 - cref kN.m-3 8.6 12 * 0.02 - Bảng 4: Tính chất vật liệu kết cấu Mục Vật liệu Cọc Dầm Đàn hồi Đàn hồi EA kN 1.36E+06 3.33E+06 EI kN.m2 2.08E+04 2.50E+04 Lưới sử dụng 15 phần tử đánh số, với 872 phần tử, 7711 nút, 10464 số điểm ứng suất Hình Quy trình phân tích tương ứng với việc xây dựng thực tế Đầu tiên, cọc hai hàng xuyên vào đất Bước thứ hai, dầm bê tông liên kết hàng cọc theo phương dọc phương ngang xây dựng Bước cuối cùng, thi công đá thả bên kè phân thành đợt có chiều cao thả khoảng 1m D M 0.43 0.30 w kN.m-2 1.131 2.250  0.2 0.2 Rinter 1 Tổng dịch chuyển giai đoạn cuối hai trường hợp, giá trị cực trị 0.119m trường hợp (Hình 6) 0.071m trường hợp (Hình 7) Mômen uốn lớn hàng cọc phía biển Hình Mơmen uốn lớn 18.45 (kNm/m) Trường hợp 1; 15.83 (kNm/m) Trường hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 69 - 2021 KHOA HỌC Hình 5: Mơ hình PTHH kè cọc ly tâm CƠNG NGHỆ Hình 6: Tổng chuyển vị trường hợp (m) (a) (b) Hình 8: Mơ men uốn cho cọc phía biển (kN.m), (a) Trường hợp 1, (b) Trường hợp Hình 7: Tổng chuyển vị trường hợp (m) Mômen uốn lớn hàng cọc phía bãi Hình Mơmen uốn lớn là: 20.13 (kNm/m) Trường hợp 1; 10.88 (kNm/m) Trường hợp Hình 9: Mơ men uốn cho cọc phía bãi (kN.m), (a) Trường hợp 1, (b) Trường hợp Phân tích ổn định kè cọc ly tâm theo phương pháp chiết giảm cường độ, kết quả tính tốn ổn định cho trường hợp Hình 10, kết quả tính tốn cho trường hợp Hình 11 (a) (b) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 69 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ KẾT LUẬN Hình 10: Hệ số ổn định trường hợp Hệ số số ổn định kè cọc ly tâm trường hợp FS = 1.631, trường hợp FS = 1.945 Đối với trường hợp 1, hệ số ổn định tính tốn theo phương pháp chiết giảm cường độ sử dụng phần mềm Plaxis phù hợp với tính tốn ổn định theo phương pháp cân giới hạn FS= 1.610 Kè cọc ly tâm giải pháp hữu hiệu để bảo vệ bờ biển phía Tây tỉnh Cà Mau Qua đánh giá cụ thể địa điểm gần đây, có sự bồi lắng đáng kể phía bãi sau kè cọc ly tâm Trong báo này, nhóm tác giả trình bày phương pháp tính tốn ổn định xác định chiều dài cọc cho kè cọc ly tam theo phương pháp cân giới hạn Hệ số ổn định tổng thể kè cọc ly tâm phân tích tính tốn chiều dài cọc phù hợp cho điều kiện địa chất cụ thể vùng bờ Tây tỉnh Cà Mau Phương pháp phần tử hữu hạn dùng để phân tích ứng suất biến dạng kè cọc ly tâm, phương pháp chiết giảm cường độ tính tốn ổn định kè cọc ly tâm Kết quả tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn cho hệ số ổn định phù hợp với kết quả tính tốn theo phương pháp cân giới hạn Hình 11: Hệ số ổn định trường hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Nhân (2015), Đánh giá tác động “Kè ngầm bồi đắp phù sa” bảo vệ vùng ven biển tỉnh Cà Mau, Việt Nam, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam [2] Goda, Y., 1974 New wave pressure formulae for composite breakwater Copenhagen, ASCE, pp 282 1702-1720 Liu (2012) Analysis of wave performance through pile–rock breakwaters, Proc IMechE Part M: J Engineering for the Maritime Environment 2014, Vol 228(3) 284–292 IMechE 2014 DOI: 10.1177/1475090212462951 OCDI (2009), Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan, Part III, Chapter [3] [4] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 69 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ [5] Thorsten Albers, Jan Stolzenwald: Coastal Engineering Consultancy in Ca Mau Province Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH (2015) [6] Nguyễn Long Hoai cộng sự (2020), Thuyết minh đề tài “Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ kè cọc ly tâm giảm sóng tạo bãi bảo vệ bờ biển” TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 69 - 2021 ... sau kè cọc ly tâm Trong báo này, nhóm tác giả trình bày phương pháp tính tốn ổn định xác định chiều dài cọc cho kè cọc ly tam theo phương pháp cân giới hạn Hệ số ổn định tổng thể kè cọc... - m, lấp Bottom of the sea (a) Chính diện tuyến kè (b) Dọc tuyến kè Hình 1: Kè cọc ly tâm Hình 2: Mặt cắt ngang kè cọc ly tâm PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH 3.1 Áp lực sóng Áp lực sóng mặt trước tường... để đảm bảo kết cấu kè ổn định, cần phải kéo dài cọc ngàm đất yếu với độ sâu: d2 = (1.1 – 1.2) d1 Đối với kè cọc ly tâm bảo vệ bờ biển Tây ttỉnh Cà Mau, xác định tổng chiều dài cọc bê