Nghiên cứu khả năng sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trước làm tường chắn đất đoạn dọc đường đầu cầu số 4 thuộc dự án cải tạo 13 cầu trên đường tỉnh đt 941, tỉnh an giang

I LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả Thái Tấn Trí II LỜI CẢM ƠN Ngay từ bắt đầu đề tài, nhƣ q trình triển khai đề tài hồn thành đƣợc đề tài mình, tác giả nhận đƣợc nhiều hỗ trợ, quan tâm, giúp đỡ thầy cô hƣớng dẫn, nhà khoa học, bạn đồng nghiệp quan liên quan Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu Nhà trƣờng, Phịng Tổ chức – Hành chính, Phòng ban Nhà trƣờng, Ban Đào tạo – Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải – Cơ sở giúp đỡ tác giả trình học tập, nghiên cứu tiến hành đề tài Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn TS.Nguyễn Đức Trọng – Bộ Môn Đƣờng Bộ trƣờng Đại học Giao thông vận tảicơ sở 2, thầy hƣớng dẫn tận tình, hỗ trợ giúp đỡ tác giả với bầu nhiệt huyết suốt q trình nghiên cứu hồn thành đề tài Đề tài thể góc nhìn tác giả vấn đề nghiên cứu, tác giả chân thành cảm ơn tiếp thu nghiêm túc ý kiến đóng góp nhà khoa học, bạn đồng nghiệp để hoàn thành đề tài; tác giả mong muốn đem kết luận, kiến nghị đề tài vào ứng dụng thực tế ngành giao thông vận tải Xin chân thành cảm ơn ! Tác Giả Thái Tấn Trí III MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƢỜNG CHẮN ĐẤT TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ 1.1 Giải pháp tƣờng chắn dạng mềm .3 1.1.1 Cấu tạo điển hình tƣờng chắn dạng mềm 1.1.2 Các loại cọc sử dụng tƣờng chắn dạng mềm 1.1.2.1 Cọc ván dự ứng lực bê tông cốt thép 1.1.2.2 Cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc .6 1.1.2.3 Cọc ván thép .6 1.1.2.4 Cọc ván nhựa cƣờng độ cao 1.1.3 Hƣ hỏng điển hình tƣờng chắn dạng mềm 1.2 Giải pháp tƣờng chắn tƣờng bê tơng cốt thép cọc đóng 10 1.2.1 Cấu tạo điển hình tƣờng chắn tƣờng bê tơng cốt thép cọc đóng 10 1.2.1.1 Cọc bê tông cốt thép .10 1.2.1.2 Cọc thép 11 1.2.2 Hƣ hỏng điển hình tƣờng bê tơng cốt thép cọc đóng 12 1.3 Giải pháp tƣờng chắn tƣờng có cốt 14 1.4 Giải pháp kè mái nghiêng 15 1.5 Giải pháp tƣờng chắn cọc xi măng đất 16 1.6 Các giải pháp khác 17 1.7 Ƣu nhƣợc điểm phạm vi áp dụng giải pháp ổn định cơng trình ven sơng phổ biến 18 1.8 Nhận xét chƣơng 20 CHƢƠNG 2: CỌC BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG SUẤT TRƢỚC VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CỌC BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG SUẤT TRƢỚC LÀM TƢỜNG CHẮN ĐẤT 21 2.1 Đặt vấn đề 21 2.2 Tổng quan cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc 21 2.2.1 Lịch sử phát triển cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc .21 2.2.2 Phân loại ƣu nhƣợc điểm cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc .22 IV 2.2.3 Cấu tạo cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc: 26 2.2.3.1 Cấu tạo chung 26 2.2.3.2 Cấu tạo chi tiết 28 2.2.3.3 Vật liệu chế tạo 31 2.2.4 Ứng dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc 31 2.2.5 Phƣơng pháp thi công cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc 31 2.2.5.1 Phƣơng pháp ép cọc 31 2.2.5.2 Phƣơng pháp đóng cọc 34 2.2.6 Một số vấn đề thi công, nghiệm thu cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc 37 2.3 Cơ sở lý thuyết cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc làm tƣờng chắn đất xây dựng đƣờng ôtô .40 2.3.1 Tổng quát 40 2.3.2 Tính tốn thiết kế tƣờng cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc 41 2.3.2.1 Phƣơng pháp giải tích (lý thuyết cân giới hạn) .42 2.3.2.2 Phƣơng pháp đồ giải 48 2.3.2.3 Tính tốn theo hƣớng dẫn thiết kế tƣờng cọc Nhật Bản 50 2.3.2.4 Phƣơng pháp toán đồ lập bảng 55 2.3.2.5 Phƣơng pháp tính tốn dầm đàn hồi 58 2.3.2.6 Phƣơng pháp mơ hình hố hệ kết cấu tƣờng cọc đất thành khối làm việc đồng thời 60 2.3.2.7 Tính tốn ổn định hệ tƣờng cọc ống bê tơng ly tâm UST đất .60 2.4 Quy trình cơng nghệ thiết kế hệ cọc bê tông ly tâm ust làm tƣờng chắn đất 65 2.4.1 Sơ đồ thiết kế hệ cọc bê tông ly tâm ust 65 2.4.2 Trình tự tính tốn thiết kế tƣờng cọc bê tơng ly tâm ứng suất trƣớc 65 2.5 Nhận xét chƣơng 70 CHƢƠNG 3: KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG SUẤT TRƢỚC LÀM TƢỜNG CHẮN ĐẤT ĐOẠN DỌC ĐƢỜNG ĐẦU CẦU SỐ THUỘC DỰ ÁN CẢI TẠO 13 CẦU TRÊN ĐƢỜNG TỈNH ĐT 941 TỈNH AN GIANG 71 V 3.1 Tổng quan dự án 71 3.1.1 Bối cảnh dự án 71 3.1.2 Tổng quan cơng trình 72 3.1.3 Đặc điểm điều kiện tự nhiên .72 3.1.3.1 Địa hình 72 3.1.3.2 Địa chất cơng trình 73 3.1.3.3 Khí tƣợng - thủy văn 75 3.1.4 Nội dung thiết kế .79 3.1.4.1 Hiện trạng nguyên nhân 79 3.1.4.2 Giải pháp thiết kế .80 3.2 Tính tốn thiết kế hệ cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc làm tƣờng chắn đất đoạn dọc đƣờng đầu cầu số thuộc dự án cải tạo 13 cầu đƣờng tỉnh ĐT 941, tỉnh An Giang 83 3.2.1 Sơ đồ tính tốn 83 3.2.2 Tải trọng tác dụng 84 3.3 Phƣơng pháp tính tốn, phân tích kết cấu kè sử dụng cọc bê tông ly tâm UST phần mềm plaxis .85 3.3.1 Sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc L=19m làm tƣờng chắn 87 3.3.2 Sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc D=500mm làm tƣờng chắn .89 3.3.3 Phân tích chi phí xây dựng tƣờng chắn cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc 92 3.4 So sánh hiệu 94 3.4.1 Phƣơng án tƣờng chắn cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực 94 3.4.2 Đánh giá hiệu 97 3.5 Nhận xét chƣơng 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO XI VI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTCT : Bê tông cốt thép DUL : Dự ứng lực UST : Ứng suất trƣớc PC : Prestressed strength Concrete - cọc bê tông ly tâm dự ứng lực PHC : Prestressed High strength Concrete - cọc bê tông ly tâm dự ứng lực cƣờng độ cao TCN : Tiêu chuẩn ngành TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam ĐT : Đƣờng tỉnh QL : Quốc lộ BGTVT : Bộ giao thông vận tải QĐ : Quyết định TKKT : Thiết kế kỹ thuật BVTC : Bản vẽ thi công VII DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.Các thông số CBN5 Bảng 2.3: Hệ sổ an toàn .54 Bảng : Vị trí điểm xoay .55 Bảng 2.5: Bảng tổng hợp trƣờng hợp giải toán tƣờng cọc theo phƣơng pháp Blurmn .57 Bảng 3.1: Danh sách 13 cầu hữu 72 Bảng 3.2: Nhiệt độ khơng khí ( C) tháng năm 76 Bảng 3.3: Số nắng tháng năm .76 Bảng 3.4: Kết mực nƣớc .79 Bảng 3.5: Bảng tổng hợp tiêu lý lớp đất 85 Bảng 3.6: Bảng tổng hợp thông số đầu vào loại cọc 87 Bảng 3.7: Bảng tổng hợp kết phân tích kè sử dụng cọc D500 .89 Bảng 3.8 Phân tích đơn giá xây dựng cọc bê tông ly tâm ust 92 Bảng 3.9: Bảng tổng hợp thông số đầu vào cọc SW600A 94 Bảng 3.10 Bảng tổng hợp kết phân tích kè sử dụng cọc SW600A [20] 94 Bảng 3.11 Tổng hợp chi phí đầu tƣ 1m/dài tƣờng chắn (triệu đồng) 96 Bảng 3.12 Đánh giá hiệu phƣơng án tƣờng chắn .97 VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1.Cấu tạo cơng trình tƣờng chắn tƣờng cọc khơng neo Hình 1.2.Thanh giằng khối neo .3 Hình 1.3.Thanh giằng tƣờngneo Hình 1.4.Tƣờngcọc ván hố neo Hình 1.5.Thanh giằng khung giữ chữ A Hình 1.6.Neo cọc H chịu kéo .4 Hình 1.7 Hình neo cọc thép chữ H Hình 1.8 Mặt cắt ngang cọc ván dự ứng lực .5 Hình 1.9 Mặt bố trí tƣờng cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc Hình 1.10.Mặt cắt ngang cọc ván thép .6 Hình 1.11 Cọc nhựa thi công kè chống sạt lở cửa biển U Minh Hạ[12] Hình 1.12.Hƣ hỏng trƣợt sâu Hình 1.13 Hƣ hỏng quay chiều sâu cọc ván khơng thích hợp Hình 1.14.Hƣ hỏng cọc ván khơng đủ khả chịu uốn Hình 1.15.Hƣ hỏng neo Hình 1.16 Bệ cọc cứng với tƣờng cừ trƣớc sau [2] .10 Hình 1.17 Tiết diện ngang cọc BTCT 10 Hình 1.18 Bố trí cọc xiên đối xứng qua trục cơng trình 11 Hình 1.19 Quay tƣờng chắn biến dạng cọc 12 Hình 1.20 Hƣ hỏng tƣờng chắn kè Gành Hào- Tỉnh Bạc Liêu .12 Hình 1.21 Phá hoại cọc không đủ khả chịu lực 13 Hình 1.22 Phá hoại ổn định tổng thể, chuyển vị ngang 13 Hình 1.23.Cấu tạo kết cấu tƣờng chắn có cốt [7] .14 Hình 1.24 Cấu tạo giải pháp kè mái nghiêng[8] 15 Hình 1.25 Cấu tạo điển hình tƣờng cọc xi măng đất .16 Hình 1.26 Mặt bố trí tƣờng cọc xi măng đất 16 Hình 1.27 Dùng thảm thực vật để chống sạt lở bờ sơng cơng trình ven sơng 17 Hình 2.1.Thi cơng cọc bê tơng ly tâm UST 22 Hình 2.2:Cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc .26 Hình 2.3.Cấu tạo chi tiết mối nối 28 IX Hình 2.4 Hình ảnh thực tế thi công mối nối cọc .28 Hình 2.5 Chi tiết neo đài cọc 29 Hình 2.6 Chi tiết mủi cọc 29 Hình 2.7 Chi tiết ốp đầu cọc .29 Hình 2.8 Chi tiết phần đầu cọc 30 Hình 2.9: Chi tiết nối đoạn cọc 30 Hình 2.10 Dàn ép dọc (ép đỉnh) .32 Hình 2.11 Máy ép cọc .33 Hình 2.12 Thi công cọc phƣơng pháp ép ôm 34 Hình 2.13 Thi cơng cọc phƣơng pháp đóng cọc .35 Hình 2.14 Vết nứt dọc (nhìn bên ngồi bên lịng cọc) 37 Hình 2.15.Chi tiết mối nối thiết kế thực tế thi công .40 Hình : Các trƣờng hợp phá hoại tƣờng cọc 41 Hình 2.17: Sơ đồ tính tốn tƣờng cọc khơng neo 43 Hình 2.18: (a) Sự thay đổi biểu đồ áp lực ròng ; (b) Sự thay đổi biểu đồ moment 43 Hình 2.19: Tƣờng cọc khơng neo đóng vào đất sét [5] .46 Hình 2.20: Tƣờng cọc có neo đầu tự đóng vào đất cát [5] 47 Hình 2.21: Tƣờng cọc ống BTCT có neo đóng vào đất sét [5] 48 Hình 2.22: Sơ đồ giải cọc tự phƣơng pháp đồ giải [1] .49 Hình 2.23: Sơ đồ giải cọc neo phƣơng pháp đồ giải 50 Hình 2.24: Áp lực đất tác dụng lên tƣờng 51 Hình 2.25: Sơ đồ tính tốn moomen lớn bên tƣờng 52 Hình 2.26 : Sơ đồ tính tốn chuyển vị đầu tƣờng 53 Hình 2.27 : Sơ đồ tỉnh tốn tƣờng cọc trƣờng hợp có neo .54 Hình 2.28 :Sơ đồ lực tác dụng lên tƣờng có neo 54 Hình 2.29 : Tốn đồ để tìm chiều sâu chôn cọc .55 Hình 2.30 : Sơ đồ tính tốn coi cọc có độ cứng hữu hạn [5] 59 Hình 2.31: Sơ đồ tính tốn ổn định lật tƣờng 61 Hình 2.32: Sơ đồ tính tốn ổn định trƣợt phẳng tƣờng cọc 62 Hình 2.33: Sơ đồ tính tốn ổn định mái theo thuyết cung trƣợt trịn [22] 64 Hình 2.34: Sơ đồ thiết kế hệ cọc ống BTCT ly tâm ust 65 X Hình 2.35: Sơ đồ lực tác dụng lên tƣờng cọc với địa chất cụ thể (kè Hồng Dân) [1] 66 Hình 2.36: Sơ đồ tính chiều dài neo [1] 67 Hình : Sơ đồ lực tính tốn kết cấu neo .68 Hình 2.38: Sơ đồ kết cấu giảm tải cho tƣờng cọc 69 Hình 3.1: Hiện trạng đƣờng đầu cầu số .80 Hình 3.2 Cắt ngang đại diện thiết kế kè 81 Hình 3.3 : Bình đồ giải pháp thiết kế kè dạng mềm cọc bê tông ly tâm UST 82 Hình 3.4 Sơ đồ lực tác dụng lên tƣờng cọc 83 Hình 3.5 Sơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ tác dụng lên tƣờng chắn 84 Hình 3.6: Mơ hình lƣới phần tử hửu hạn 86 Hình 3.7 Cung trƣợt ban đầu 87 Hình 3.8 Biểu đồ mối quan hệ đƣờng kính cọc chuyển vị ngang đỉnh tƣờng chắn, L=19m 88 Hình 3.9 Biểu đồ mối quan hệ đƣờng kính cọc hệ số ổn định tổng thể tƣờng, L=19m 88 Hình 3.10 Biểu đồ mối quan hệ chuyển vị ngang đỉnh tƣờng chắn chiều dài cọc, D=500 .90 Hình 3.11 Biểu đồ mối quan hệ hệ số ổn định tổng thể tƣờng chiều dài cọc, D=500 90 Hình 3.12: Cung trƣợt sau thi cơng kè giai đoạn khai thác 91 Hình 3.13: Biểu đồ chuyển vị cọc L=19m, D=500mm .91 Hình 3.14: Biểu đồ mơ men uốn cọc L=19m, D=500mm 91 Hình 3.15 Vải địa kỹ thuật đƣợc dùng 93 Hình 3.16 Biểu đồ mối quan hệ chuyển vị đầu cọc chiều dài cọc SW600A .95 Hình 3.17 Biểu đồ mối quan hệ hệ số ổn định tổng thể tƣờng chiều dài cọc, SW600A 95 Hình 3.18: Biểu đồ chuyển vị cọc L=19m, SW600A 96 Hình 3.19: Biểu đồ mơ men uốn cọc L=19m, SW600A .96 87 Hình 3.7 Cung trượt ban đầu Hình 3.7 thể hình dạng cung trƣợt chƣa có tải trọng tác dụng chƣa thi công cọc 3.3.1 Sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trƣớc L=19m làm tƣờng chắn Mơ tả tốn: Dùng kết cấu cọc bê tơng ly tâm ust có chiều dài L=19m, tiến hành mơ hình tốn phần mềm plaxis 8.2 với đƣờng kính cọc thay đổi từ 350 ÷ 500 (mm), với điều kiện địa chất tải trọng tác dụng lên tƣờng cọc nhƣ phân tích Bảng 3.6: Bảng tổng hợp thông số đầu vào loại cọc Chiều dài cọc m 19 Mơ hình vật liệu Linear elastic Đƣờng kính ngồi cọc mm 500 450 400 350 Đƣờng kính cọc mm 320 290 250 220 Diện tích mặt cắt ngang m2 0.116 0.093 0.077 0.058 Mơ men qn tính m 0.005 0.003 0.002 0.001 Cƣờng đô bê tông Mpa 70 70 70 70 Tỉ trọng bê tông Kg/m3 2500 2500 2500 2500 Mô đun đàn hồi KN/m2 4.50E+06 4.50E+06 4.50E+06 4.50E+06 EA KN/m 5.21E+05 4.18E+05 3.44E+05 2.62E+05 88 EI KN.m2/m 2.30E+02 W KN/m/m Chuyển vị ngang tƣờng 1.50E+02 9.58E+01 5.59E+01 0.696 0.558 0.459 0.349 mm 89.71 92.67 96.58 99.46 Mô men uốn tƣờng KN.m/m 93.96 76.02 59.55 42.46 Hệ số ổn định tổng thể Fs 1.518 1.5177 1.516 1.514 Từ bảng 3.6 cho thấy đƣờng kính cọc thay đổi từ 350 ÷ 500mm hệ số ổn định tổng thể tƣờng chắn tăng từ 1.514 1.518 đồng thời dự báo chuyển vị ngang đỉnh tƣờng chắn giảm từ 89.71 99.46mm Hệ số ổn định tổng thể nhỏ Fs = 1.514 > 1.4 Đảm bảo Chuyển vị ngang đỉnh tƣờng chắn nhỏ 89.711.4 với cọc đƣờng kính cọc D500, chiều dài cọc tối thiểu phải 16m hệ tƣờng cọc đảm bảo hệ số ổn định Fs>1.4 Tuy nhiên chuyển vị vẩn lớn chƣa thỏa mản điều kiện (chuyển vị cho phép = 0.5% H = 0.5%.16000 = 80mm) Với chiều dài cọc L=19m hệ số ổn định Fs=1.518 >1.4, chuyển vị =89.7mm 1.4 với cọc đƣờng kính cọc D500, chiều dài cọc tối thiểu phải 16m hệ tƣờng cọc đảm bảo hệ số ổn định Fs>1.4 Tuy nhiên chuyển vị vẩn lớn chƣa thỏa mản điều kiện (105.33> chuyển vị cho phép = 0.5%H = 0.5%.16000=85mm ).Với chiều dài cọc L=19m hệ số ổn định Fs=1.5191 >1.4, chuyển vị =85.24mm