Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu giải pháp ổn định tường cọc bản bờ kè rạch cái khế

Thông qua việc nghiên cứu lý thuyết ổn định tường cọc bản và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn Luận văn với đề tài “Nghiên cứu giải pháp ổn định tường cọc bản bờ kè rạch Cái Khế”

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

DƯƠNG HOÀNG YẾN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH TƯỜNG CỌC BẢN BỜ KÈ RẠCH CÁI KHẾ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Mã ngành: 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2016

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ THANH HẢI

5 TS LÊ ANH TUẤN – THƯ KÝ HỘI ĐỒNG 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 TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu giải pháp ổn định tường cọc bản bờ kè rạch Cái Khế

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về tình hình sạt lở bờ sông và tính ổn định của công trình

tường kè dọc bờ sông

Chương 2 Lý thuyết tính toán ổn định tường cọc bản Chương 3 Phân tích các ảnh hưởng của tường cọc bản đến ổn định của bờ kè.Chương 4 Ứng dụng phân tích tính toán ổn định tường cọc bản cho công trình bờ

kè rạch Cái Khế

Kết luận, kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/7/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2015V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ THANH HẢI

Tp HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO CHUYÊN NGÀNHKHOA QUẢN LÝ

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS ĐỖ THANH HẢIPGS.TS LÊ BÁ VINHPGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Nghiên cứu giải pháp ổn định tường cọc bản bờ kè rạch Cái Khế” được thực hiện với kiến thức tác giả thu thập trong suốt quá trình học tập tại trường Cùng với sự cố gắng của bản thân là sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Địa Cơ - Nền Móng, những người đã cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập và công tác

Xin gửi lời cảm ơn đến các học viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình ngầm khóa 2013, những người bạn đã đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Đỗ Thanh Hải, người thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Quản lý chất lượng xây dựng – Sở Xây dựng thành phố Cần Thơ, nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện rất nhiều về thời gian để tôi hoàn thành quá trình học tập

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi tinh thần và thời gian trong những năm tháng học tập tại trường

Luận văn được hoàn thành nhưng không thể tránh được những thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Học viên

Dương Hoàng Yến

TƯỜNG CỌC BẢN BỜ KÈ RẠCH CÁI KHẾ

Tóm tắt:

Từ trước đến nay các công trình xây dựng, giao thông, cầu cảng, công trình kè tại thành phố Cần Thơ vẫn thường được sử dụng là cọc bê tông và tường chắn để gia cố và bảo vệ bờ Tuy nhiên, các vật liệu trên ngày nay không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng vì khối lượng vật liệu lớn, thời gian thi công kéo dài ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân Thông qua việc nghiên cứu lý thuyết ổn định tường cọc bản và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn Luận văn với đề tài “Nghiên cứu giải pháp ổn định tường cọc bản bờ kè rạch Cái Khế” đánh giá được việc thiết kế cọc bê tông và tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trước không neo tại khu vực này là không khả thi; tìm hiểu ưu nhược điểm tại các vị trí neo khác nhau; so sánh kết quả giữa phương pháp giải tích với kết quả phân tích phần tử hữu hạn Từ đó, phân tích và đánh giá kết quả thu được nhằm kiến nghị các giải pháp an toàn, kinh tế trong việc đầu tư xây dựng

STABILITY METHOD STUDY OF THE SHEET PILES

EMBANKMENTS IN CANAL CAI KHE

Abstract:

Up to now, the material of building constructions, the communication constructions, quays and stone embankments at Can Tho city has been frequently the reinforced concrete pile and retaining walls to reinforce and protect bank river However, that material does not meet the use need any more because the amount of that material is large and the constructing time is consuming so life of people are affected Through the study of pile stability theory and simulation by the finite element method thesis entitled “Stability method study of the sheet piles embankments in canal Cai Khe” in order to evaluate shown that the design concrete piles and without anchor pile in this area is not feasible; Learn the avantages and disavantages of different were anchored in position; Compared to the results with the analytical method and finite element analysis

safety, economicconstruction investment

Tôi xin cam đoan rằng, đây là công trình khoa học do chính tôi nghiên cứu, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Đỗ Thanh Hải

Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây

Nếu có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng về kết quả luận văn của mình

MỞ ĐẦU

1 Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 3

5 Phạm vi nghiên cứu 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẠT LỞ BỜ SÔNG VÀ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH TƯỜNG KÈ DỌC BỜ SÔNG 1.1 Tổng quan về tình hình sạt lở bờ sông 4

1.2 Tổng quan về kết cấu tường cừ 6

1.2.1 Các loại cừ theo vật liệu chế tạo 7

1.2.2 Các dạng cấu tạo của tường cừ 10

2.2 Các phương pháp phân tích ổn định của tường cọc bản 17

2.2.1 PP dựa vào lý thuyết áp lực đất tác dụng lên tường chắn của Coulomb 17

2.2.2 Lý thuyết tính dầm đàn hồi theo hệ số nền Winkler (xem tường cọc bản là dầm đàn hồi biến dạng cục bộ theo phương ngang) 19

2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) trong địa cơ 22

2.2.3.1 Phần mềm Plaxis

2.3.1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 207-92 25

2.3.2.Theo tiêu chuẩn chuẩn Anh (BS 8002 và BS 6349) 27

2.4 Các phương pháp kiểm tra ổn định kết cấu tường cọc bản 30

2.4.1 Phương pháp phân mảnh (cung tròn mặt trượt) 30

2.4.2 Kiểm tra điều kiện quay quanh điểm gắn neo của tường cừ 34

2.4.3 Kiểm tra ổn định trượt phẳng 35

2.4.4 Kiểm tra ổn định trượt sâu (trượt cung tròn) 36

Chương 3 PHÂN TÍCH CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CỌC BẢN ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA BỜ KÈ3.1 Chiều sâu cọc cần đóng vào lớp đất sét 39

3.1.1 Tường cọc bản không neo 39

3.1.2 Tường cọc bản neo 41

3.2 Giải pháp thanh neo trong đất 42

3.2.1 Số tầng thanh neo 42

3.2.2 Khoảng cách thanh neo 42

3.2.3 Góc nghiêng của thanh neo 43

3.2.4 Sức chịu tải của neo 44

Chương 4 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ỔN ĐINH TƯỜNG CỌC BẢN CHO CÔNG TRÌNH BỜ KÈ RẠCH CÁI KHẾ 4.1 Giới thiệu về công trình 45

4.2 Đặc điểm địa hình 45

4.3 Đặc điểm khí hậu, thủy văn 45

4.4 Sơ lược điều kiện địa chất công trình 45

4.5.1 Tính toán giải tích tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trước không

neo và có neo với chiều dài L=20m 47

4.5.2 Tính toán tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trước 1 neo 53

4.6 Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D 64

4.6.1 Các thông số đầu vào 64

4.6.2 Phân tích mô hình trường hợp không neo và có neo 65

4.6.3 Phân tích mô hình trường hợp thay đổi chiều sâu neo 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận 81

2 Kiến nghị 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

Hình 2.9 Biểu đồ kiểm tra trượt phẳng 36

Hình 2.10 Sơ đồ tính toán ổn định chung của công trình với mặt trượt 36

Hình 3.1 Xác định tỷ số lún nền gia cố theo Barksdale và Bachus, 1983 28

Hình 3.2 So sánh độ lún tính toán và hiện trường (Aboshi) 30

Hình 3.3 Sơ đồ tính toán cọc bản không neo trên nền sét 39

Hình 3.4 Sơ đồ tính toán cọc bản có neo trên nền sét 42

Hình 4.1 Sơ đồ tính tường cọc bản không neo Lcọc=20m 48

Hình 4.2 Sơ đồ tính tường cọc bản có neo Lcọc=20m 50

Hình 4.3: Sơ đồ tính tường cọc bản có neo lneo=0m 53

cf



Hình 4.5: Sơ đồ tính tường cọc bản có neo lneo=2m 58

Hình 4.6: Sơ đồ tính tường cọc bản có neo lneo=3m 60

Hình 4.7: Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu neo và chiều dài cọc 62

Hình 4.8: Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu neo và lực neo 62

Hình 4.9: Mô hình Plaxis 2D mô phỏng tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trước không neo L = 20m 65

Hình 4.10: Chuyển vị ngang giữa đất nền và cọc bản 66

Hình 4.11: Chuyển vị đứng giữa đất nền và cọc bản 66

Hình 4.12: Chuyển vị và nội lực cọc bản không neo L=20m 67

Hình 4.13: Mô hình Plaxis 2D mô phỏng tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trước có neo L = 20m 68

Hình 4.14: Chuyển vị ngang giữa đất nền và cọc bản 68

Hình 4.15: Chuyển vị đứng giữa đất nền và cọc bản 69

Hình 4.16: Chuyển vị và nội lực cọc bản có neo L=20m 69

Hình 4.17: Biểu đồ so sánh chuyển vị giữa tường không neo và có neo L=20m 70

Hình 4.18: Biểu đồ so sánh moment cọc bản có neo L=20m 70

Hình 4.19: Mô hình Plaxis 2D mô phỏng tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trước có neo, chiều sâu neo l= 0m 71

Hình 4.20: Chuyển vị ngang giữa đất nền và cọc bản 71

Hình 4.21: Chuyển vị đứng giữa đất nền và cọc bản 72

Hình 4.22: Chuyển vị và nội lực cọc bản có neo, chiều sâu neo l= 0m 72

Hình 4.23: Mô hình Plaxis 2D mô phỏng tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trước có neo, chiều sâu neo l= 1m 73

Hình 4.24: Chuyển vị ngang giữa đất nền và cọc bản 73

Hình 4.25: Chuyển vị đứng giữa đất nền và cọc bản 74

Hình 4.26: Chuyển vị và nội lực cọc bản có neo, chiều sâu neo l= 1m 74

Hình 4.27: Mô hình Plaxis 2D mô phỏng tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trước có neo, chiều sâu neo l= 2m 75

Hình 4.28: Chuyển vị ngang giữa đất nền và cọc bản 76

Hình 4.33: Chuyển vị đứng giữa đất nền và cọc bản 79

Hình 4.34: Chuyển vị và nội lực cọc bản có neo, chiều sâu neo l= 3m 79

Hình 4.35:Biểu đồ chuyển vị khi thay đổi độ sâu neo 80

Hình 4.36: Biểu đồ moment khi thay đổi độ sâu neo 80

Bảng 4.1 Các chỉ tiêu cơ lý khu vực bờ kè rạch Cái Khế 46

Bảng 4.2 Tính toán hệ số áp lực ngang của đất theo Morh Coulumn 47

Bảng 4.3: Các thông số tường cọc bản dự ứng lực trước 49

Bảng 4.4: Các thông số đất nền sử dụng cho bài toán 64

Bảng 4.5 Các thông số tường cọc bản dự ứng lực có neo 65

Phụ lục: Kết quả moment và chuyển vị 83

C0 kPa Sức chống cắt không thoát nước ban đầu

’ KN/ m3 Trọng lượng riêng đẩy nổi

sat KN/ m3 Trọng lượng riêng bão hòa

MỞ ĐẦU

1 Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài

Trong nhiều năm gần đây, quá trình diễn biến lòng sông Cửu Long đã dẫn đến hiện tượng xói, bồi, sạt lở mái bờ sông liên tục, rộng khắp trên toàn tuyến sông và đã gây nên những tổn thất rất nặng nề về người và của, là mối đe dọa nghiêm trọng đến tính mạng và tài sản của Nhà nước và nhân dân ở ven sông, làm cản trở đến kế hoạch xây dựng, khai thác, phát triển bền vững dân sinh, kinh tế, xã hội, môi trường, gây mất ổn định các khu dân cư và an ninh quốc phòng ở Đồng bằng sông Cửu Long Chính vì vậy công tác khảo sát, nghiên cứu phòng chống xói lở bờ sông Cửu Long từ lâu đã được nhiều cơ quan chức năng ở trung ương và địa phương quan tâm, thực hiện như Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Bộ Giao thông Vận tải, Tổng cục khí tượng thủy văn, Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia, các Sở Khoa học Công nghệ; Tài nguyên và Môi trường, Nông nghiệp và Phát triển nông thôn thuộc các tỉnh ven sông Cửu Long

Vì vậy xói lở trên sông Cửu Long là một vấn đề phức tạp, và thực tế đang đòi hỏi trong thời gian tới phải tập trung nhân lực và tài lực nhiều hơn cho vấn đề này nhằm giảm nhẹ thiên tai cho người dân nơi đây

Thành phố Cần Thơ nằm trên địa bàn của khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, có địa hình khá bằng phẳng và thấp dần theo hướng Tây Bắc – Đông Nam (theo chiều ra biển của sông Hậu) và Đông Bắc – Tây Nam (từ đê sông Hậu vào trong nội địa) Vùng đất cao sông Hậu có cao trình 1,0 – 1,5m, thấp dần về phía nội đồng, vùng ven quốc lộ 80 và kênh Cái Sắn có độ cao 0,8m, thấp dần đến vùng giữa Thốt Nốt, Ô Môn cao trình chỉ còn 0,5m Hiện nay địa hình thành phố từng phần có dạng lòng chảo, vùng ven sông ven đường thường cao và thấp dần về xa Do dạng địa hình như vậy nên trong nhiều

Hình 1 Hình ảnh về sông Cửu Long

năm gần đây, quá trình diễn biến lòng sông tại khu vực Cần Thơ đã dẫn đến hiện tượng xói, bồi, sạt lở mái bờ sông liên tục, rộng khắp trên toàn tuyến sông

Nhiều cầu đường, giao thông, bến phà và nhiều trụ sở cơ quan, bệnh viện, trường học, cơ sở kinh tế, công trình kiến trúc, công trình văn hóa, cơ sở hạ tầng bị sụp đổ xuống sông

Tuyến giao thông thủy quốc tế sang Campuchia đã bị bồi nhiều đoạn dẫn tới hiện tượng tàu vận tải mắc cạn, thậm chí nhiều tháng mùa khô đường thủy không được thông thương Cửa sông Định An là cửa ngõ vào cảng Cần Thơ bị bồi lắng nghiêm trọng gây thiệt hại hàng năm rất lớn

Nguy hiểm hơn hiện tượng bồi lắng hệ thống sông ở đồng bằng sông Cửu Long mấy năm gần đây đã làm giảm khả năng thoát lũ góp phần tăng cao trình đỉnh lũ, kéo dài thời gian ngập lụt nhiều vùng

Để chống xói lở bờ sông và bảo vệ công trình ven sông tại Cần Thơ tuỳ theo địa chất, địa hình, đặt điểm dòng chảy và tải trọng tác dụng mà sử dụng các công trình ven sông như: tường cọc bản, tường chắn đất trọng lực thấp, tường bán trọng lực, tường bản góc BTCT … bảo vệ các công trình ven sông như : đường, đê đập, tuyến dân cư , nhà cửa……Tuy nhiên các giải pháp này thường xảy ra vấn đề mất ổn định, chuyển vị kè dẫn đến tình trạng sạt lở và sụt lún công trình gây thiệt hại lớn

Chính vì lý do đó, việc nghiên cứu giải pháp ổn định tường cọc bản là cấp thiết và

có ý nghĩa thực tiễn

Hình 2.Hình ảnh sạt lở bờ sông

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ổn định tường cọc bản kè sông bằng việc ứng dụng mô hình PLAXIS để tính toán phân tích sự làm việc đồng thời của tường kè và đất nền xung quanh

Mục tiêu nghiên cứu gồm :  Tính toán ổn định theo phương pháp giải tích  Mô hình Plaxis

 So sánh, đánh giá kết quả phương pháp giải tích và mô hình Plaxis

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cở sở lý thuyết tính toán ổn định tường cọc bản dưới tác dụng của tải công trình Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng tính toán theo mô hình Morh Coulomb cho tường cọc bản bờ kè rạch Cái Khế

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu giải pháp ổn định cho tường cọc bản kè sông góp phần xây dựng phương pháp bảo vệ kè sông trên nền đất yếu một cách an toàn và hiệu quả kinh tế cao

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể vận dụng vào thực tế thi công các công trình bờ kè sử dụng tường cọc bản tại thành phố Cần Thơ nói riêng và khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói chung

5 Phạm vi và giới hạn của đề tài

Không đi sâu vào nghiên cứu các giải pháp xử lý bảo vệ kè sông, chỉ tổng hợp phân tích và sử dụng các kết quả của tường cọc bản để tính toán ổn định cho kè sông

Chỉ xét ảnh hưởng của tường cọc bản và đất nền dưới tác dụng của tải công trình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẠT LỞ BỜ SÔNG VÀ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH TƯỜNG KÈ DỌC BỜ

SÔNG

1.1 Tổng quan về tình hình sạt lở bờ sông

Sông Cửu Long: 68 vị trí sạt lở bờ trên toàn tuyến sông Cửu Long Sông Cửu Long là tên gọi phần chảy qua lãnh thổ Việt Nam của sông Mê Kông Đây là hệ thống sông lớn nhất Việt Nam, với chiều dài khoảng 250 km tính từ biên giới Việt Nam - Campuchia tới Biển Đông Sông Cửu Long gồm hai nhánh chính: Sông Tiền và sông Hậu Dòng chảy sông Tiền đổ ra Biển Đông qua sáu cửa: Cửa Tiểu, cửa Đại, cửa Ba Lai, cửa Hàm Luông, cửa Cổ Chiên và cửa Cung Hầu Dòng chảy sông Hậu đổ ra Biển Đông qua ba cửa: Cửa Định An, cửa Trần Đề và cửa Bassac (cửa Bassac nay đã bị bồi lấp) Nguồn cung cấp nước ngọt phục vụ cho dân sinh, nông nghiệp, công nghiệp, ngư nghiệp và lâm nghiệp

- Là tuyến giao thông thủy đặc biệt quan trọng nối ĐBSCL với Đông Nam Bộ, với thành phố Hồ Chí Minh, với cả nước và quốc tế

- Nơi cung cấp nguồn thủy sản, đồng thời cũng là tuyến du lịch quan trọng của đất nước

- Nơi tập trung nhiều công trình xây dựng, công trình kiến trúc, công trình văn hóa, kho tàng, các công trình giao thông, cầu, phà, bến cảng, các công trình thủy lợi

Theo Ban chỉ huy phòng chống thiên tai và tìm kiếm cứu nạn khảo sát thực tế trong năm 2000, đã thống kê được 68 điểm sạt lở bờ trên sông Cửu Long Trong số 68 điểm sạt lở nêu trên nếu:

- Thống kê theo sông thì sông Tiền có 37 điểm, sông Hậu có 31 điểm sạt lở

- Thống kê theo đơn vị hành chính: Tỉnh Đồng Tháp có 16 điểm, tỉnh An Giang - 20 điểm, tỉnh Tiền Giang - 4 điểm, tỉnh Vĩnh Long - 10 điểm, tỉnh Bến Tre - 4 điểm, tỉnh Cần Thơ - 6 điểm, tỉnh Sóc Trăng - 1 điểm, tỉnh Trà Vinh - 7 điểm sạt lở

- Thống kê theo tốc độ sạt lở trung bình hàng năm: Tốc độ sạt lở mạnh (trên 10 m/năm) có 11 điểm, tốc độ sạt lở trung bình (từ 5 đến 10 m/năm) - 32 điểm, tốc độ sạt lở yếu (dưới 5 m/năm) - 25 điểm sạt lở

- Thống kê theo đặc điểm hình thái sông có 18 điểm sạt lở trên đoạn sông cong, gấp khúc, 4 điểm sạt lở trên đoạn sông co hẹp đột ngột, 6 điểm sạt lở trên đoạn sông nằm tại các cửa phân lưu, 12 điểm sạt lở trên các cù lao nằm trong lòng dẫn, và các điểm còn lại nằm trên các đoạn sông tương đối thẳng với tốc độ và phạm vi sạt lở nhỏ

- Thống kê theo chế độ dòng chảy: Phần sông ảnh hưởng của chế độ dòng chảy thượng nguồn có 52 điểm sạt lở, phần sông ảnh hưởng của chế độ thủy triều Biển Đông có 16 điểm sạt lở

Ngoài ra nếu xét về mức độ thiệt hai do sạt lở gây ra thì trên toàn tuyến sông Cửu Long hiện có 6 khu vực sạt lở nghiêm trọng là: Khu vực sạt lở bờ sông Tiền đoạn Thường Phước, huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp; khu vực sạt lở bờ sông Tiền đoạn thị trấn Tân Châu, huyện Tân Châu, tỉnh An Giang; khu vực sạt lở bờ sông Tiền đoạn thị trấn Hồng Ngự, huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp; khu vực sạt lở bờ sông Tiền đoạn thị xã Sa Đéc, tỉnh Đồng Tháp; khu vực sạt lở bờ sông Hậu đoạn thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang; khu vực sạt lở bờ sông Hậu đoạn thành phố Cần Thơ, tỉnh Cần Thơ Hiện tượng sạt lở bờ sông Cửu Long hiện nay xảy ra nghiêm trọng và ngày càng phức tạp trên toàn tuyến Số điểm sạt lở bờ trên sông Tiền nhiều hơn trên sông Hậu và thiệt hại do hiện tượng sạt lở trên sông Tiền lớn hơn trên sông Hậu rất nhiều Vùng thượng châu thổ sông chịu ảnh hưởng của chế độ dòng chảy thượng nguồn có lòng sông sâu, bờ dốc Hiện tượng sạt lở xảy ra nhiều, tốc độ sạt lở nhanh, sạt lở thường xảy ra vào những ngày mưa lớn trong thời kỳ lũ rút, mỗi lần sạt lở thường gây nên thiệt hại rất lớn về con người và của cải vật chất Đoạn sông vùng hạ châu thổ (vùng cửa sông và vùng gần cửa sông) chịu ảnh hưởng chính của chế độ thủy triều Biển Đông, sạt lở bờ ít, bồi tụ chiếm ưu thế, lòng sông không sâu, sạt lở thường chỉ xảy ra trên lớp đất bề mặt bờ sông, các đợt sạt lở ở những vùng này thường xảy ra vào thời điểm triều rút của những ngày triều cường, sau mùa gió chướng và sau những đợt mưa bão lớn

Tại Cần Thơ hiện tại có hàng trăm điểm có nguy cơ sạt lở cao trong đó có 24 điểm có thể sạt lở bất cứ lúc nào tập trung tại khu vực ven sông Trà Nóc (thuộc phường Trà Nóc và phường Trà An quận Bình Thủy) với chiều dài gần 1 km và sông Bình Thủy (rạch Cam) sông Cần Thơ Thành phố Cần Thơ đang triển khai kế hoạch di dời 2.500 hộ dân sống trong khu vực có nguy cơ sạt lở cao đồng thời thực hiện dự án phòng chống sạt lở sông rạch hạn chế tối thiểu do tình trạng này gây ra bằng cách triển khai kế hoạch xây dựng hàng chục công trình kè chống sạt lở bờ sông, kênh, rạch

Các giải pháp cho công trình kè chống sạt lở bờ sông, kênh, rạch đã được thực hiện như: kè bê tông cốt thép (BTCT) trên nền cọc BTCT; tường bê tông trọng lực, bờ kè bằng rọ đá, bờ kè bằng thép hình…và tường cọc bản cũng là một trong những phương án được chọn tại một số công trình tương đối quan trong do đó sự ổn định của tường cọc bản đối với các công trình bảo vệ sông, rạch là vấn đề cần được quan tâm

1.2.Tổng quan về kết cấu tường cừ

Kết cấu tường cừ là loại kết cấu tường mỏng, được đóng sâu vào trong đất tạo ra thế ổn định Nguyên tắc tổng quát bảo đảm ổng định của tường cừ đó là tổng các lực ngang và lực đứng tác dụng lên kết cấu phải bằng không

Nếu phân loại cừ theo vật liệu chế tạo, gồm có: cừ gỗ, thép, bê tông cốt thép và nhựa tổng hợp Còn nếu phân loại cừ theo hình thức neo giữ ta có cừ tự do, cừ không neo, cừ một tầng neo và cừ nhiều tầng neo

Hình 1.1 Kè làm bằng rọ đá Hình 1.2 Tường cọc bản thép

1.2.1 Các loại cừ theo vật liệu chế tạo a Kết cấu tường cừ gỗ

- Tổng quan về tường cừ gỗ

Hình 1.3 Mặt cắt hệ tường cọc bản

Các bản gỗ (cừ) được đặt hoặc đóng vào trong đất để làm tường chắn hoặc các con đập đơn giản Các hàng cừ đôi được đóng song song nhau và đất được nhồi vào giữa tạo thành một kết cấu ổn định và cứng hơn Các cừ gỗ đã đóng được liên kết với nhau bởi dây tạo thành một bức tường Sau đó, người ta nhận ra rằng việc tạo ra các mộng âm dương (chế tạo bởi ba miếng gỗ phẳng) để liên kết các cừ sẽ tốt hơn liên kết bằng dây và chúng được sử dụng đến ngày nay

- Ưu, nhược điểm của tường cừ gổ Ưu điểm: Gỗ là loại vật liệu dễ tìm, dễ gia công chế tạo thành các tiết diện cừ khác nhau

Nhược điểm: dễ bị xâm thực và chỉ sử dụng cho các kết cấu có chiều sâu nhỏ H=3÷5m

- Ứng dụng của tường cừ gỗ: Ứng dụng rộng rãi trong các bến du lịch, kè bờ, kè mỏ hàn, đê quai, tường chắn…

b Kết cấu tường cừ thép

- Tổng quan về tường cừ thép Cừ thép được sản xuất với nhiều hình dạng, kích thước khác nhau với các đặc tính về khả năng chịu lực ngày càng được cải thiện Ngoài cừ thép có mặt cắt ngang dạng chữ U, Z thông thường còn có loại mặt cắt ngang Omega (W), dạng tấm phẳng cho các kết cấu tường chắn tròn khép kín, dạng hộp được cấu thành bởi 2 cọc U hoặc 4 cọc Z hàn với nhau Về kích thước cừ thép có bề rộng bản thay đổi từ 400mm đến 750mm, chiều dài có thể lên đến 30m tuy nhiên chiều dài thực tế cọc thường được quyết định bởi điều kiện vận chuyển

- Ưu, nhược điểm của tường cừ thép Ưu điểm: Khả năng chịu ứng suất động khá cao; chịu lực lớn trong khi trọng lượng khá bé; có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia tăng chiều dài; có thể sử dụng nhiều lần nên có hiệu quả về mặt kinh tế

Nhược điểm: Tính bị ăn mòn trong môi trường làm việc - Ứng dụng của tường cừ thép: phù hợp với các công trình cảng, cầu tàu, đê đập, ngoài áp lực đất còn chịu lực tác dụng của sóng biển cũng như lực va đập của các tàu thuyền khi cập bến (Vd: Công trình cảng nước sâu ở New Zealand)

c Kết cấu tường cừ bê tông cốt thép

- Tổng quan về tường cừ bê tông cốt thép Cừ ván bê tông cốt thép là một dạng đặc biệt của tường chắn đất, thường được sử dụng để bảo vệ các công trình ven sông kết hợp với việc chống xói lở bờ sông Ở Việt Nam các công trình bờ kè sử dụng công nghệ này đã được triển khai rất nhiều tại miền Nam Từ trước đến nay các công trình xây dựng, giao thông, cầu cảng, công trình kè vẫn thường sử dụng cọc bê tông và tường chắn để gia cố và bảo vệ bờ nhưng các vật liệu trên ngày nay không còn đáp ứng nhu cầu sử dụng vì khối lượng vật liệu lớn, thời gian thi công kéo dài

Hiện nay cừ BTCT đã được chế tạo với nhiều mặt cắt điển hình như: + Dạng sóng (chữ U);

+ Dạng phẳng (chữ nhật); + Dạng mặt phẳng (chữ T), mặt lõm (chữ H) Kích thước cơ bản: chiều rộng 996mm; chiều dày: 60÷120mm; chiều cao: 120÷600mm; chiều dài: 3000÷21000mm

- Ưu, nhược điểm của tường cừ bê tông cốt thép Ưu điểm: Khả năng chịu lực tăng; sử dụng vật liệu cường độ cao nên khi thi công ít bị vỡ đầu cọc, mối nối, tuổi thọ cao; sau khi thi công sẽ tạo thành bức tường bê tông kín nên khả năng chóng xói cao, hạn chế nở hông của đất đắp bên trong; cường độ chịu lực cao

Nhược điểm: Giá thành cao hơn đóng cọc truyền thống cùng tiết diện; công nghệ chế tạo phức tạp hơn cọc đóng thông thường; thi công đòi hỏi độ chính xác, thiết bị thi công hiện đại; ma sát âm tác dụng lên cọc tăng gây bất lợi khi dùng cọc ván chịu lực như cọc ma sát trong vùng đất yếu; khó thi công theo đường cong có bán kính nhỏ, chi tiết nối phức tạp làm hạn chế độ sâu hạ cọc

- Ứng dụng của tường cừ thép: các công trình kè Nhơn Trạch, kè Bạc Liêu, Kiên Giang, bờ kè thành phố Biên Hòa, kè Tân Thạch – Long An, kênh Nhiêu Lộc thành phố Hồ Chí Minh…

d Kết cấu tường cừ nhựa tổng hợp

- Tổng quan về tường cừ nhựa tổng hợp Cừ nhựa là một loại cừ mới mà có thể ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới trong các đê, kè biển và các kết cấu khác Cừ nhựa được sản xuất bởi phương pháp

ép đùn từ hỗn hợp nhựa biến tính với các nguyên liệu là nhựa Poly Viny Chlorid, bột độn, bột màu, chất ổn định nhiệt, ozon, oxi, chất chống lão hóa tia tử ngoại và các phụ gia khác Các tấm cừ có thể được chế tạo theo chiều dài yêu cầu riêng của tường phạm vi áp dụng Có một số mặt cắt ngang điển hình như chữ U, Z, W

- Ưu, nhược điểm của tường cừ nhựa tổng hợp Ưu điểm: bền với thời tiết; không bị ăn mòn bởi nước phèn, mặn, ô nhiễm và vi sinh; độ bền cơ lý cao, ổn định với nhiệt độ môi trường; kết cấu dễ thi công, lắp đặt nhanh, vận chuyển gọn nhẹ

Nhược điểm: có module đàn hồi và cường độ nhỏ hơn cừ thép - Ứng dụng của tường cừ nhựa tổng hợp: chống sạt lở bờ; chống thấm xoáy mòn chân móng các công trình dưới nước đặc biệt hiệu quả trong điều kiện dòng chảy xiết, nước mặn, phèn, ô nhiễm; kè để làm đê, đập, hồ xử lý nước thải…

1.2.2 Các dạng cấu tạo của tường cừ

Tùy theo đặc điểm kết cấu, hệ tường cọc bản chia ra làm các loại chính sau:

- Tường không neo (đầu tự do) và tường có neo Thông thường trong thực tế xây dựng, chiều cao tự do của tường H>4m và đất yếu thì người ta làm thêm hệ thống neo giữ tường Bộ phận neo thường dùng bằng thanh thép, cáp có cường độ cao hoặc bêtông cốt thép để gắn kéo hệ thống tường vào hệ neo phía trong (bộ phận neo này có thể làm bằng bản neo, cọc neo, tường neo ….)

- Trường hợp tường cọc bản có neo có thể được phân thành 2 trường hợp:

+ Tường cọc bản có neo đầu cọc tự do (Free-earth Method ) Trong trường hợp này đầu cọc bên trên được neo vào bên trong bằng thanh neo và gối neo, đầu cọc bên dưới chôn vào trong đất được chuyển vị tự do;

+ Tường cọc bản có neo đầu ngàm (Fixed-earth Method) Trong trường hợp này đầu cọc bên trên cũng cấu tạo tương tự trường hợp tường cọc bản có neo đầu tự do Phần đầu cọc bên dưới chôn vào trong đất nền được quan niệm ngàm vào trong đất tức đầu cọc không được xoay khi chịu tải

Trong cùng trường hợp đất nền và điều kiện làm việc, tường cọc có neo đầu ngàm có chiều sâu chôn cọc lớn hơn trường hợp đầu tự do

1.2.3 Các dạng neo của tường cừ

Một số phương pháp dạng neo phổ biến nhất dùng cho tường cọc bản : - Dạng tường neo hay hàng cọc neo: dùng thuận lợi khi không gian bị hạn chế hay các công trình tạm thời

-Dạng dầm neo có cọc xiên chống đỡ : dùng nơi có đất đắp, để tránh tường cọc bản bị uốn

-Dạng neo đất: gồm có thanh dây cáp chịu kéo đặt trong vữa ximăng phụt

-Dạng neo chết: đây là dạng neo phổ biến nhất, đó là một khối tường bêtông không côt thép hay một loạt các khối được đúc trong đất

1.3 Các dạng mất ổn định tường kè ven sông

1.3.1 Các dạng mất ổn định của tường cọc bản:

- Mất ổn định do trượt tổng thể: trượt sâu, mặt trượt đi qua chân cọc - Mất ổn định do phá hoại về kết cấu: tường không đủ chịu tải trọng ngang, hệ thống neo không đảm bảo, ăn mòn vật liệu, xói lở… Mặt trượt khi đó sẽ đi qua thân cọc

a) Tường cọc bản không neo b) Tường cọc bản có neo

Hình 1.8 Tường cọc bản bị phá hoại do bị gãy

a) Tường cọc bản không neo b) Tường cọc bản có neo

Hình 1.9 Tường cọc bản mất ổn định do chiều sâu ngàm không đủ

a) Phá hoại do neo bị trượt

b) Phá hoại do thanh kéo bị đứt

c) Phá hoại ở gối tựa

Hình 1.7 Tường cọc bản bị phá hoại do neo

1.3.2 Một số sự cố mất ổn định về tường kè

Hình 1.10 Kè sông Cần Thơ (Khu vực 4, phường Hưng Thạnh,

quận Cái Răng) bị sạt lở

cấu này vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để đúc kết được những kinh nghiệm cũng như kết luận cụ thể hơn cho loại hình kết cấu này Ngoài các nhận xét và kết luận đã rút ra từ thực tế, cần có các nhận xét và kết luận rút ra từ các nghiên cứu bằng mô hình toán và các số liệu đo đạc bằng thực địa…giúp cho việc tìm ra giải pháp ổn định cho tường kè ngày càng được hoàn thiện và đáp ứng yêu cầu bảo vệ bờ sông ở Thành

phố Cần Thơ nói riêng và Đồng bằng sông Cửu Long nói chung

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG

CỌC BẢN 2.1 Tổng quan về ổn định kết cấu tường cừ

Ổn định có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ và sự làm việc bình thường của kết cấu Đối với kết cấu tường cừ, tính toán ổn định thực chất là tìm ra hệ số an toàn và so sánh với các hệ số cho phép Hay nói cách khác, bài toán ổn định của tường cừ là trường hợp riêng của bài toán ổn định mái dốc với góc nghiêng là 900 Ngoài ra còn xét đến điều kiện làm việc của thanh neo nếu có Phân tích ổn định mái dốc là tính hệ số an toàn tại trạng thái cân bằng giới hạn khi khối đất của mái dốc trở nên không ổn định do trọng lượng bản thân của đất đá và tải trọng chất thêm Phương pháp tính toán được sử dụng trong phân tích ổn định mái dốc có thể được sử dụng để nghiên cứu khả năng chịu tải của móng vì chúng được dự định kiểm tra ổn định của khối đất

Hiện nay, có nhiều phương pháp để kiểm tra ổn định của hệ tường cọc bản Trong đó phương pháp thường dùng nhất là kiểm tra sự ổn định dựa trên

điều kiện cân bằng giới hạn Điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời

điểm mà dịch chuyển cắt bắt đầu và biến dạng trượt cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi Khối đất mất ổn định và trượt theo mặt trượt nhất định như là vật thể tự do ở điều kiện cân bằng Cần đánh giá các lực hay moment tác dụng lên vật thể tự do này và tiến hành so sánh các lực cắt tác dụng dọc theo mặt trượt với sức chống cắt có khả năng tạo ra Tuỳ theo giả thiết hình dáng mặt trượt (phẳng, hỗn hợp hay cung tròn.v.v ) và các lực tác dụng mà các tác giả phát triển thành các phương pháp khác nhau

Do tường cọc bản được thiết kế đảm bảo khả năng chịu lực uốn và cắt do tác dụng của áp lực đất tác dụng lên tường nên khả năng mặt trượt cắt qua thân cọc xem như ít khi xảy ra Vì vậy, thường xem xét khả năng xảy ra trượt sâu và mặt trượt xem như đi qua chân cọc bản

Tường chắn chỉ hoạt động đúng chức năng nếu đạt được các yêu cầu: - Không bị trượt nông lẫn trượt sâu

- Không bị lật - Các thành phần của kết cấu tường

2.2 Các phương pháp phân tích ổn định của tường cọc bản

2.2.1 Phương pháp dựa vào lý thuyết áp lực đất tác dụng lên tường chắn của Coulomb

a) Lý thuyết áp lực đất tác dụng lên tường chắn của Coulomb (lý thuyết cân bằng giới hạn)

Từ năm 1773, Coulomb đã đề ra phương pháp xác định áp lực chủ động và bị động lên lưng tường ở trạng thái cân bằng giới hạn dẻo với những giả thiết cơ bản sau:

- Lăng thể trượt ABC ở trạng thái cân bằng giới hạn dẻo còn nguyên một khối

- Mặt trượt BC sau lưng tường là mặt trượt phẳng - Mặt trượt thứ hai chính là lưng tường AB

- Khi có lực dính thì lực dính sẽ phân bố đều trên mặt trượt BC Xét tam giác IHK ta có:

)sin(

)sin()

sin(

)sin(

)



















cca

cc

E

Xét tam giác KML

)sin(

)90sin()

sin(

)90









cc

BCcT

W

)(sincos

)cos(







BC

)sin(

).sin(

cos

)cos(cos )sin(

).cos(













cc

cc

a

cHA

E

Với:



1

cos

)cos(

4cot

0

IIIIIg

d



Trong đó: I CI3I4;I1 BI4I5;I2 DI4.I5

)sin(.2 53 I 

 ; 5 2cos .cos

4  I 

hcI



)cos(.cossin)cos(.sin.



B

)cos().cos(

)cos()cos(      



C



tgka

Tổng áp lực chủ động lên tường

)245( 2)245(2

az  ztg  ctg 

b) Lý thuyết cân bằng giới hạn điểm của Sokolovski Đây là một phương pháp tổng quát và chặt chẽ vì xem đất là một môi trường rời, liên tục, dính (hoặc không dính), đồng thời lý thuyết này cho rằng với chuyển vị nhỏ của tường chắn thì tại một vùng nào đó sau tường sẽ chuyển sang trạng thái ứng suất giới hạn, nghĩa là  gh:

22

22

)2(

sin4

)(







tgc

xzxz

x

Trong đó:

xzxz   ,, - là các thành phần của ứng suất toàn phần theo hướng của trục tọa độ z và x

 - Dung trọng của đất Như vậy có nghĩa là tại vùng đó xuất hiện vô số mặt trượt mà những mặt trượt đó tạo thành 2 bộ phận: một ứng với trạng thái cực đại, một ứng với trạng thái cực tiểu

Bài toán tường chắn là bài toán phẳng, do đó có thể sử dụng phương trình vi phân cân bằng của bài toán phẳng đối với môi trường liên tục trong lý thuyết đàn hồi và lý thuyết dẻo Trong trường hợp tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang có tải trọng phân bố đều q, có kể đến lực dính c thì áp lực chủ động sẽ là:

)245( 2)245()

Pa

Khi tính áp lực bị động trong trường hợp lưng tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang thì cả lý thuyết Coulomb và lý thuyết Sokolovski đều cho giá trị như nhau:

)245(.

 ztgPp

Khi có lực dính và lực phân bố đều trên mặt đất, áp lực bị động sẽ là:

)245( 2)245()











22

22

coscos

cos

coscos

coscos





Trong đó: - góc ma sát trong của vật thể rời Dấu ở trên tương ứng với áp lực chủ động, dấu ở dưới tương ứng với áp lực bị động

Trường hợp đơn giản:

,0,0,

mcmqzPbd (  ) 2

245(0

tg

m

245

Cách tính của phương pháp này là phương pháp giải tích (xây dựng phương trình vi phân trục uốn của dầm kết hợp với quan hệ giữa ứng suất và biến dạng để tìm được chuyển vị cọc và nội lực phát sinh trong cọc) hoặc mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng mô hình gối lò xo) Phương pháp này xác định được độ chuyển vị của tường cọc bản, nội lực trong tường Tuy nhiên chỉ xét đến các lò xo nằm trong phạm vị phân bố tải trong mới biến dạng, không xét đến ảnh hưởng của tải trọng bên đến chuyển vị của điểm đang xét Việc tính toán là phức tạp do việc xác định hệ số nền theo chiều sâu là phức tạp và lý thuyết áp lực đất lên tường mềm chưa được nghiên cứu đầy đủ như tường cứng Phương pháp này chỉ xét đến độ lún (chính là chuyển vị của tường) ở nơi đặt lực, không xét đến biến dạng ở ngoài diện gia tải

Ta xem tường cọc bản cắm vào đất là dầm đặt trên nền đàn hồi cục bộ xoay 900

Mối quan hệ giữa cường độ áp lực đất tác dụng lên tường và chuyển vị của tường (hay chuyển vị ngang của đất):

p(z) = k.y.(z) Trong đó: k là hệ số nền Tùy theo quan điểm tính toán của mỗi nhà khoa học, hệ số nền k được xem như phụ thuộc vào loại đất nền, chiều sâu, kích thước móng, vật liệu móng

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

Theo quy phạm của Liên xô cũ: hệ số nền tăng tuyến tính theo độ sâu k = m.z

m: hệ số tỷ lệ của hệ số nền, được xác định từ thí nghiệm đối với mỗi loại đất

z: độ sâu kể từ cao trình nền Theo J.E.Bowles, hệ số nền k được tính theo công thức:

nqc

nCcNBNCNZK  ( 0,5 ) ( )

Trong đó:

n

K - Hệ số nền (KN/m3) C: hệ số phụ thuộc vào hệ thống đơn vị, với hệ thống SI thì C = 40, do

qc

K 40( 0,5 )40( )

Phương trình vi phân cơ bản để xác định chuyển vị và nội lực trong tường cọc bản:

44

mzyzdz

zydEJ

Trong đó: m.z = k – hệ số nền thay đổi bậc nhất theo chiều sâu z (theo phương pháp tính toán của Zavriev)

EJ: độ cứng của tường cừ bản Urban đã tìm ra lời giải dưới dạng sau:









13

0)(12

0)

(1)

(10)

EJHC

EJMB

Ayzy





EJBm





00,

y : chuyển vị ngang và góc xoay của tường tại mặt đất



)(1)(1)(1)(1z ,Bz ,Cz ,Dz

!15.11.6!10.6!51

1010

5)

(







zz

zAz

!16.12.7.2!11.7.2!62

1611

6)

(







zz

zzBz

!17.13.8.3!12.8.3!7.3!2

1712

72)(







zz

zzCz

!18.14.9.4!13.9.4!8.4!3

1813

83)(







zz

zzDz

Lần lượt lấy vi phân bậc 1, bậc 2, bậc 3 phương trình trên ta được góc xoay, moment và lực cắt của tường cọc bản tại độ sâu z bất kỳ:









23

0)(22

0)

(20)(202

)

DEJHC

EJMB

Ayz













33

0)(32

0)

(30)(302

)

DEJHC

EJMB

AyEJ

zM













43

0)(42

0)

(40)(403

)

DEJHC

EJMB

AyEJ

zQ





Trong đó







zddAA

znz

n

)()

(





zddBB

znz

n

)()

(





zddCC

znz

n

)()

(





zddDD

znz

n

)()

(1

Và 







)

(

0000

00000

MH

MH

y

mmmh

hmhh







2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) trong địa cơ Phương pháp PTHH là sản phẩm đồng thời là công cụ chủ lực mạnh của tiến bộ khoa học kĩ thuật hiện nay Khả năng to lớn của phương pháp PTHH thể hiện đặc biệt trong cơ học đất và đá - là các vật liệu đa dạng về tính chất cơ học và điều kiện gia tải Những ưu điểm bảo đảm tính phổ cập của phương pháp PTHH là:

+ Dễ dàng nhận được lời giải cụ thể theo chương trình sẵn có + Có thể hiện cô đặc mạng lưới các phần tử tại những nơi tùy ý có gradient thông số nghiên cứu cao

+ Có thể giải các bài toán có điều kiện biên bất kì với độ chính xác cao.v.v Quan niệm cơ bản của phương pháp PTHH là trị số liên tục cần tìm - dù là cột áp của dòng thấm hay chuyển vị của các điểm trong vật thể biến dạng - được tính gần đúng bởi một bộ phận đoạn các hàm đơn giản nhất, cho trên các miền con (các phần tử) hữu hạn bị chặn Nhờ thủ tục này mà phép lấy tích phân các phương trình vi phân được quy về giải hệ thống các phương trình tuyến tính Các giá trị định lượng của đại lượng chưa biết sẽ tìm thấy trong số lượng hạn chế các điểm ( các nút) bị chặn của miền; còn trong phạm vi các phần tử các giá trị của hàm chưa biết và giá trị các đạo hàm của nó được xác định bằng các hàm xấp xỉ và các đạo hàm của chúng

Do những đặc điểm nêu trên, phương pháp PTHH đã được áp dụng vào lĩnh vực địa cơ học Nó đã tỏ rõ ưu thế không chỉ vì đã giải quyết thành công

rất nhiều bài tốn thực tế của địa cơ học mà còn bởi tính đơn giản và thích dụng đối với việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng của khối đất - thường là môi trường hai hoặc ba hướng Mặt khác, trong địa cơ học các bài tốn thường có điều kiện biên phức tạp và do môi trường không đồng nhất nên hầu như không thể có được lời giải giải tích chính xác Ngày nay, với tình hình phát triển mạnh mẽ của các phần mềm máy tính về phần tử hữu hạn trong các lĩnh vực nối chung và trong lĩnh vực địa cơ học nói riêng ( như phần mềm Plaxis; Geo-slope; Sage crisp ) và phần cứng của máy tính có tốc độ cao, người ta dễ dàng thu được các giải pháp khác nhau

2.2.3.1 Phần mềm Plaxis

- Chương trình nhập dữ liệu (Plaxis input program) :

Chương trình nhập dữ liệu chứa đựng tất cả các phương tiện thuận lợi để tạo hoặc chỉnh sửa một mô hình hình học, để phát sinh lưới phần tử phù hợp điều kiện ban đầu

- Chương trình tính toán (Plaxis calculations program) :

Chương trình tính toán được thực thi sau khi xây dựng xong mô hình phần tử hữu hạn Khi đó cần định nghĩa loại tính toán nào được dùng và loại tải trọng nào tác động trong suốt quá trình tính toán PLAXIS cho phép tính toán nhiều loại phần tử hữu hạn Một dự án xây dựng trong thực tế, chia làm nhiều pha, do vậy, quá trình tính toán cũng chia làm nhiều pha tính Ví dụ về những pha tính toán như chất tải, mô phỏng một giai đoạn thi công, đưa vào một giai đoạn cố kết nào đó, tính toán hệ số an toàn,… Mỗi pha tính toán chia làm nhiều bước tính toán Điều này là cần thiết, bởi vì ứng xử phi tuyến của đất đòi hỏi tải trọng được đặt lên từng phần nhỏ (bước tải) đủ để tiến đến lời giải cuối cùng

- Chương trình xuất kết quả (Plaxis output program) :

Chương trình xuất kết quả về chuyển vị nút, ứng suất tại các điểm ứng suất của mỗi phần tử đất và kết cấu Chương trình có sự tiện lợi khi xem và liệt kê kết quả của việc tính toán phần tử hữu hạn PLAXIS có thể trình bày tất cả các kết quả phân tích của một phần tử hữu hạn bất kỳ

- Chương trình vẽ biểu đồ (Plaxis curves program) :

Chương trình vẽ biểu đồ có thể dùng để vẽ đường tải hay chuyển vị theo thời gian, vẽ biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng, vẽ đường ứng suất, đường biến dạng của những điểm được chọn trước Biểu đồ chỉ ra sự phát triển của những thông số nào đó trong suốt quá trình tính tốn nhiều pha khác nhau, cho một cái nhìn thấu đáo hơn về ứng xử tổng thể và cục bộ của đất

Nhận xét về khả năng áp dụng phương pháp cổ điển và phương pháp PTHH để giải quyết bài toán hệ tường cọc bản:

- Các phương pháp cổ điển hiện vẫn đang được sử dụng để tính toán hệ tường cọc bản là do tính chất đơn giản của phương pháp, hơn nữa các phương pháp này cũng thường được trình bày trong các tiêu chuẩn của các nước

- Phương pháp cổ điển sử dụng số lượng thông số đầu vào ít hơn phương pháp PTHH do đóviệc tính toán khá đơn giản và cho kết quả thường dễ kiểm soát hơn phương pháp PTHH, do đó góp phần hạn chế sai lầm trong tính toán Đồng thời, việc thí nghiệm để tìm các thông số tính toán (ví dụ chỉ tiêu cơ lý của đất nền ) cũng yêu cầu đơn giản và ít tốn kém hơn

- Phương pháp cổ điển mặc dù bỏ qua nhiều vấn đề trong tính toán, không giải quyết được bài toán tường và đất đồng thời làm việc, nhưng nhìn chung các giải pháp đơn giản hố thường thiên về an toàn và đã được kiểm nghiệm nhiều trong thực tế Do vậy, các bài toán tường cọc bản mà phương pháp cổ điển đã giải quyết được nói chung là đáng tin cậy vì thiên về an toàn thậm chí có một số trường hợp gây lãng phí

- Phương pháp PTHH sẽ cho kết quả có độ chính xác cao nếu như các thông số đầu vào đảm bảo chính xác Phương pháp này cũng đòi hỏi số thông số đầu vào nhiều hơn, đòi hỏi nhiều thí nghiệm do vậy tốn kém và phức tạp hơn

Hình 2.2 Mô hình Plaxis