nghiên cứu tính toán kết cấu đập tràn trên nền cọc áp dụng tính toán tràn xả lũ đá hàn, tỉnh hà tĩnh

Thực tế cho thấy có rất nhiều công trình lớn trong quá trình thiết kế đã được Chủ đầu tư phê duyệt để thi công, nhưng khi mở móng công trình thì địa chất nền rất phức tạp, các lớp địa ch

Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái người đã hướng dẫn, vạch ra những định hướng khoa học để tác giả hoàn thành luận văn này

Xin cảm ơn Nhà trường, các thầy cô giáo trong Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học về sự giúp đỡ trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong cơ quan đã giúp đỡ, đồng hành cùng tác giả trong công việc, nghiên cứu trong những năm qua

Xin cảm ơn lãnh đạo Tỉnh, Sở, Ban quản lý dự án của các tỉnh nghệ An và Hà Tĩnh

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã động viên, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành quá trình học tập và viết luận văn

Hà N ội, ngày 20 tháng 02 năm 2013

Tác gi ả

Lưu Văn Minh

H ọc viên

Lưu Văn Minh

1.2.2 Những hư hỏng thường gặp ở đập tràn32T 732T

1.2.3 Các biện pháp kỹ thuật để phòng tránh sự cố đập tràn xả lũ32T 1032T

1.3 T ổng quan về ảnh hưởng nền địa chất đập tràn đến sự ổn định của công trình trong quá trình khai thác32T 12

1.4 M ột số giải pháp xử lý để gia tăng ổn định và khả năng chịu tải của nền32T 14

32T

1.4.1 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát32T 1532T

1.4.2 Phương pháp xử lý nền bằng cọc vôi và cọc đất - ximăng32T 1532T

1.4.3 Phương pháp xử lý nền bằng đệm cát32T 1632T

1.4.4 Phương pháp xử lý nền bằng cọc khoan nhồi32T 1732T

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN TRÀN XẢ LŨ TRÊN NỀN CỌC32T 18

32T

2.1 Gi ới thiệu về nền móng và móng cọc32T 18

2.1.1 Nền32T 1832T

2.1.2 Móng32T 1832T

2.1.3 Ý nghĩa của công tác thiết kế nền - móng32T 1932T

2.1.4 Tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn32T 2032T

2.1.5 Móng cọc32T 2132T

2.2 T ổng quan về sức chịu tải của cọc32T 27

32T

2.2.1 Sức chịu tải dọc trục32T 2732T

2.2.2 Cọc chịu tải trong ngang32T 3632T

2.3 Gi ới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn tính toán hệ nền cọc32T 44

3.1.2 Tình hình địa chất nền đập tràn.32T 6332T

3.3.2 Tính toán sức chịu tải đứng của cọc khoan nhồi theo điều kiện đất nền.32T 6732T

3.4 Phương pháp và trường hợp tính toán32T 68

32T

3.4.1 Phương pháp tính toán.32T 6832T

3.4.2 Trường hợp tính toán.32T 6832T

3.5 K ết quả tính toán trạng thái ứng suất, biến dạng hệ nền cọc32T 69

3.6 Đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn cho nền tràn xả lũ.32T 91

32T

3.6.1 Về khả năng chịu lực của cọc32T 91

DANH MỤC BẢNG BIỂU

32T

Bảng 1-1 Hồ chứa nhiều có dung tích ≥200.000mP

3 P32T 432T

Bảng 1-2 Hồ đập lớn ở Việt Nam (không kể hồ thuỷ điện) theo chiều cao đập32T 532T

Bảng 1-3 : Số lượng hồ cần sửa chữa tràn xã lũ32T 732T

Bảng 2-1: Giá trị Ks đối với các loại cọc hạ trong cát (Meyerhof 1976)32T 2932T

Bảng 2-2: Quan hệ giữa SR u R và NR c R32T 3032T

Bảng 2-3: Chiều sâu ngàm cần thiết32T 3232T

Bảng 2-4: Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc (T/mP

2 P)32T 3432T

Bảng 2-5: Hệ số làm việc của đất ở mặt bên cọc (TCVN 205-1998)32T 3432T

Bảng 2-6: Hệ số ma sát bên của đất và thân cọc fR i R (TCVN 205-1998)32T 3532T

Bảng 2-7: Tiêu chuẩn phân biệt loại cọc32T 3732T

Bảng 2-8: Giá trị nR 1 R và nR 2 R32T 3932T

Bảng 2-9: Giá trị KR h R(KN/mP

3 P) cho đất rời32T 3932T

Bảng 2-10: Hệ số nhóm η32T 4432T

Bảng 3-1: Mô tả địa chất các lớp đất đá tại vị trí đặt tràn32T 6532T

Bảng 3-2: Chỉ tiêu cơ lý của lớp 4a1, 4a và 4b32T 6632T

Bảng 3-3: Kết quả nội lực của cọc đoạn tràn có cửa van32T 7532T

Bảng 3-4: Kết quả nội lực của cọc đoạn tràn tự do giáp đoạn có cửa van32T 8332T

Bảng 3-5: Kết quả nội lực của cọc đoạn tràn tự do giáp bờ32T 90

DANH MỤC HÌNH VẼ

32T

Hình 1-1: Bản đồ vị trí hồ Tả Trạch.32T 1332T

Hình 1-2: Mở móng tràn Tả Trạch.32T 1332T

Hình 1-3: Hình ảnh vỡ đập Z20.32T 1432T

Hình 1-4: Hình ảnh vỡ đập Z20 ảnh hưởng đến đường sắt.32T 1432T

Hình 2-1: Cấu tạo móng cọc32T 2232T

Hình 2-2: Sơ đồ thi công khoan cọc nhồi32T 2432T

Hình 2-3: Máy khoan cọc nhồi của hãng Benoto32T 2532T

Hình 2-4: Máy khoan cọc nhồi của hãng Hitachi32T 2532T

Hình 2-5: Máy khoan cọc nhồi Bauer BG 25C32T 2632T

Hình 2-6: Máy khoan cọc nhồi Soilmec R516 HD32T 2632T

Hình 2-7: Các loại mũi khoan cọc nhồi32T 2632T

Hình 2-8: Cơ cấu mở rộng chân cọc bằng thủy lực32T 2732T

Hình 2-9: Thi công cọc khoan nhồi tại hiện trường32T 2732T

Hình 2-10: Các dạng biến dạng của cọc ngắn khi chịu tải trọng ngang32T 3732T

Hình 2-11: Sức chịu tải trọng ngang của cọc trong đất rờiP

[13]

P32T 4132T

Hình 2-12: Sức chịu tải ngang của cọc trong đất dínhP

[13]

P32T 4232T

Hình 2-13: Đồ thị tìm QR a R theo chuyển vị cho phép yR ng Rtrong đất rời32T 4332T

Hình 2-14: Đồ thị tìm QR a R theo chuyển vị cho phép yR ng Rtrong đất dính32T 4332T

Hình 2-15: Các phần tử cơ bản trong phương pháp PTHH32T 4532T

Hình 2-16: Giao diện của phần mềm Sap2000 phiên bản 14.2.232T 5632T

Hình 3-1: Mặt bằng tràn Đá Hàn32T 6332T

Hình 3-2: Mặt cắt địa chất dưới đơn nguyên tràn có cửa32T 6432T

Hình 3-3: Mặt cắt địa chất dưới đơn nguyên tràn tự do32T 6432T

Hình 3-4: Mặt cắt địa chất dọc theo trục đập32T 6432T

Hình 3-5: Mặt bàng bố trí cọc trong các đơn nguyên của tràn.32T 6732T

Hình 3-6 Mô hình tính đơn nguyên tràn có cửa32T 7032T

Hình 3-7: Số hiệu cọc trong đơn nguyên tràn có cửa32T 70

Hình 3-20: Áp lực nước lên tràn32T 7832T

Hình 3-21: Cọc trong đơn nguyên tràn tự do giáp đơn nguyên tràn có cửa32T 7832T

Hình 3-22: Chuyển vị đứng của đất nền và đập tổ hợp thi công vừa xong.32T 7932T

Hình 3-23: Chuyển vị ngang của đất nền và đập tổ hợp thi công vừa xong.32T 7932T

Hình 3-24: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 7932T

Hình 2-25: Moment M3-3 cọc trong hàng cột 2,3 tổ hợp thi công vừa xong32T 8032T

Hình 3-26: Lực cắt cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 8032T

Hình 3-27: Chuyển vị ngang của đất nền và đập tổ hợp thượng lưu ở MNDBT32T 8132T

Hình 3-28: Chuyển vị ngang của đất nền và đập tổ hợp thượng lưu ở MNDBT32T 8132T

Hình 3-29: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 8232T

HÌnh 3-30: Moment M3-3 cọc trong hàng cột 1, 2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 8232T

Hình 3-31: Lực cắt cọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thượng lưu là MNDBT32T 8232T

Hình 3-32: Mô hình tính đơn nguyên tràn tự do giáp bờ32T 8432T

Hình 3-33: Bố trí cọc dưới tràn đoạn tràn giáp bờ32T 8532T

Hình 3-34: Số hiệu cọc trong đơn nguyên tràn tự do giáp bờ phải32T 8532T

Hình 3-35: Chuyển vị đứng của nền và đập đoạn tràn giáp bờ32T 8632T

Hình 3-36: Chuyển vị ngang của nền và đập đoạn tràn giáp bờ32T 8632T

Hình 3-37: Lực dọc trong hàng cột 1,2 tổ hợp thi công vừa xong32T 86

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Tràn xả lũ là một hạng mục rất quan trọng liên quan trực tiếp đến an toàn đập -

Hồ chứa Thống kế có được cho thấy sự cố đập do nguyên nhân hư hỏng tràn chiếm

tỷ lệ đáng kể và hầu hết là sự cố lớn

Tràn xả lũ là công trình không thể thiếu ở các hồ chứa nước, nó có nhiệm vụ xả nước thừa để khống chế mực nước cao nhất có thể giữ ở hồ theo thiết kế, đảm bảo

an toàn cho đập

Theo thống kê sự cố vỡ đập do hỏng tràn xả lũ gây nên chiếm 25,39%, chưa kể

do khẩu diện tràn xả lũ không thoát được lũ thực tế dẫn đến nước hồ dâng cao hơn tràn và phá hủy đập Đây là con số đáng báo động vì đối với các đập đất khi xẩy ra

sự cố thì hậu quả thiệt hại không thể lường hết được Ngoài thiệt hại về cơ sở, vật chất, kinh phí của nhà nước còn ảnh hưởng nghiêm trọng tới tính mạng, tài sản và môi trường sống của nhân dân vùng hạ du

Có rất nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra hỏng tràn như: Do tính toán thủy văn trước đây không phù hợp với thực tế, kẹt cửa van (tràn xả sâu), tính toán thủy lực không chuẩn xác, chất lượng vật liệu và thi công kém, chưa đánh giá chính xác

về địa chất nền móng

Thực tế cho thấy có rất nhiều công trình lớn trong quá trình thiết kế đã được Chủ đầu tư phê duyệt để thi công, nhưng khi mở móng công trình thì địa chất nền rất phức tạp, các lớp địa chất đất đá phân bố không đồng nhất, không theo một quy luật nào dẫn đến phải thay đổi thiết kế, biện pháp xử lý được các nhà Tư vấn đưa ra

là xử lý nền bằng phương pháp khoan cọc nhồi Tuy nhiên biện pháp xử lý khoan cọc nhồi chưa được phía Tư vấn xử lý triệt để và có bài toán tính toán để đảm bảo vừa kỹ thuật, vừa kinh tế Một số công trình phải xử lý nền như: Hệ thống thủy lợi

hồ Tả Trạch, Hệ thống thủy lợi Ngàn Trươi, Công trình ngăn mặn giữ ngọt Thảo Long, Cống Nhiên Lộc Thị Nghè thuộc dự án chống ngập Sài Gòn, Cống lấy nước

Nam Đàn, Cống Đò Điểm… Chính vì vậy, việc nghiên Nghiên cứu, tính toán kết cấu đập tràn trên nền cọc là rất cần thiết và cấp bách

II Mục đích của đề tài:

- Nghiên cứu tình hình làm việc của đập tràn, đánh giá tình trạng ổn định của đập tràn

- Nghiên cứu các phương pháp tính toán ổn định của đập tràn và biện pháp xử lý nền đập tràn, đảm bảo an toàn đập

- Đề xuất phương pháp tính toán bằng Phần tử hữu hạn (PTHH)

- Áp dụng tính toán cho đập tràn trên nền cọc

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp các số liệu lưu trữ về đập tràn

- Nghiên cứu giải pháp nền một số công trình trọng điểm (đập Tả Trạch, đập Vực Mấu, đập Ba Khe, đập Kim Sơn, đập Ngàn Trươi, đập Thảo Long, cống Nam Đàn, cống Đò Điểm…)

- Phân tích định tính và định lượng các công thức, phương pháp tính toán ổn định

và ứng suất nền phần ngưỡng tràn Lựa chọn các công thức, phương pháp tính toán

phù hợp

- Tính toán ứng dụng, phân tích so sánh và rút ra kết luận

IV Kết quả dự kiến đạt được

- Xác định được sự ổn định của ngưỡng tràn, đưa ra biện pháp xử lý hiệu quả

- Tính toán cụ thể cho ngưỡng tràn Đá Hàn

- Kết quả nghiên cứu được trình bày dưới dạng các đồ thị và biểu đồ

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HỒ CHỨA NƯỚC VÀ ĐẬP

ĐẤT

1.1 Tình hình xây dựng hồ chứa nước và đập đất ở Việt Nam

Hồ chứa nước được xây dựng từ năm 1954 ở miền Bắc và từ sau năm 1975 - khi đất nước hoàn toàn thống nhất thì hồ chứa nước được xây dựng nhiều trên cả nước, trong đó đập chắn nước tạo hồ chủ yếu là đập đất Đập đất phát triển không ngừng cả về số lượng và quy mô Ngoài một số đập đá đổ lõi sét như đập Hoà Bình, Hàm Thuận - ĐaMi (Lâm Đồng), Yaly (Gia Lai), một số đập bê tông thông thường như Tân Giang (Ninh Thuận), Lòng Sông (Bình Thuận), Đá Quại (Hà Tĩnh), đập bê tông đầm lăn (RCC) Định Bình (Bình Định), Bản Vẽ (Nghệ An), Sơn La… đập đá đầm nén có bản mặt bê tông cốt thép Cửa Đạt (Thanh Hoá), Nà Hang (Tuyên Quang), số còn lại đều là đập đất

Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương tiện thi công của nước ta, trong tương lai đập đất còn nhiều triển vọng phát triển rộng rãi hơn nữa

Sở dĩ trong những năm gần đây đập vật liệu địa phương trong đó có đập đất, đang phát triển với một tốc độ nhanh chóng như vậy và hiện đang có xu hướng phát triển nhanh hơn nữa về số lượng cũng như quy mô là do nhiều nguyên nhân, trong

đó có những nguyên nhân chủ yếu sau đây:

1 Yêu cầu chất lượng của nền đập đất không cao lắm so với các loại đập khác Đập đất hầu như có thể xây dựng được với bất kỳ điều kiện địa chất, địa hình và khí hậu nào, những vùng động đất cũng có thể xây dựng được đập đất

2 Với những thành tựu nghiên cứu trong cơ học đất, lý luận thấm, trạng thái ứng suất cùng với sự phát triển của công nghiệp chất dẻo làm vật liệu chống thấm, người ta có thể sử dụng được tất cả mọi loại đất hiện có ở vùng xây dựng để đắp đập và mặt cắt đập ngày càng có khả năng hẹp lại Do đó giá thành ngày càng có khả năng hạ thấp và chiều cao đập ngày càng tăng cao

3 Sử dụng phương pháp mới để xây dựng những màng chống thấm sâu trong nền thấm nước mạnh Đặc biệt dùng phương pháp phun các chất dính kết khác nhau như xi măng đất sét vào đất nền Có khả năng tạo thành những màng chống thấm sâu đến 200m

4 Có khả năng cơ giới hoá hoàn toàn các khâu đào đất, vận chuyển và đắp đất với những máy móc có công suất lớn do đó rút ngắn được thời gian xây dựng, hạ giá thành công trình và hầu như có thể loại hoàn toàn lực lượng lao động thủ công

5 Giảm xuống đến mức thấp nhất việc sử dụng các loại vật liệu hiếm như xi măng, sắt, thép và từ đó giảm nhẹ được các hệ thống giao thông mới và phương tiện giao thông

6 Do những thành tựu về nghiên cứu và kinh nghiệm xây dựng các loại công trình tháo nước, đặc biệt là do phát triển việc xây dựng đường hầm mà giải quyết được vấn đề tháo nước ngoài thân đập với lưu lượng lớn

Tính đến nay (theo số liệu của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn)P

[1]

P, nước

ta có khoảng 1.959 hồ chứa có dung tích từ 200.000 mP

3

Pnước, từ 1 đến dưới 5 triệu mP

3

Pcó 442 hồ, còn lại 1.370 hồ có dung tích từ 200.000 mP

3

Pđến dưới 1 triệu mP

3 P Tổng dung tích trữ 5,793 tỷ mP

Bảng 1-1 Hồ chứa nhiều có dung tích ≥200.000m3

Năm

XD

Năm hoàn thành

4 Yên Lập Quảng Ninh 118.10 40.00 1976 1980

5 Phú Ninh Quảng Nam 414.40 39.40 1977 1982

9 Sông Mực Thanh Hoá 314.00 33.40 1977 1983

10 Tiên Lang Quảng Bình 17.90 32.30 1976 1978

12 Núi Một Bình Định 111.50 30.00 1978 1986

14 Vực Tròn Quảng Bình 52.80 29.00 1979 1986

16 Liệt Sơn Quảng Ngãi 28.60 29.00 1977 1981

17 Dầu Tiếng Tây Ninh 1,580.80 28.00 1979 1985

18 Núi Cốc Thái Nguyên 175.50 26.00 1972 1978

20 Khuôn Thần Bắc Giang 20.10 26.00 1960 1963

29 Quất Đông Quảng Ninh 11.30 22.60 1978 1983

Đa số các công trình đều phát huy cao hiệu quả phục vụ cấp nước cho sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp - công nghiệp (Dầu tiếng, Núi Cốc, Kẻ Gỗ, Vệ Vừng….), tạo ra những biến đổi sâu sắc về đời sống và xã hội một cách toàn diện, góp phần vào công cuộc công nghiệp hoá nông nghiệp và nông thôn của nước nhà Bên cạnh đó cũng không ít công trình kém hiệu quả, chủ yếu do các sự cố phát sinh

từ phía đập - hạng mục quan trọng và cần thiết nhất trong việc xây dựng các hồ chứa nước Để tất cả các công trình xây dựng xong phát huy được hiệu quả tối ưu,

cần thiết phải đầu tư nghiên cứu một cách đúng đắn có khoa học các biện pháp đảm bảo an toàn đập cũng như hồ chứa nhằm mang lại lợi ích tổng hợp, đa mục tiêu cho đời sống kinh tế xã hội của nhân dân

1.2 Tình hình làm việc của đập tràn-Những hư hỏng thường gặp ở đập tràn 1.2.1 Tình hình làm việc của đập tràn

Nhiều hồ chứa còn thiếu năng lực xả lũ do tính toán lũ thiết kế thiếu tài liệu, tính thiên nhỏ, mô hình thiết kế lũ không phù hợp với tình hình mưa lũ trên lưu vực, rừng đầu nguồn bị tàn phá nên lũ tập trung về hồ nhiều hơn và nhanh hơn dẫn đến đập luôn làm việc trong điều kiện nguy hiểm, bị đe doạ mất an toàn

Trong 25 hồ chứa lớn được Bộ Nông nghiệp và PTNT cho sửa chữa gần đây có

14 hồ đã phải mở rộng tràn xả lũ, một số hồ phải tăng 1,5 ÷ 2 lần quy mô tràn như các hồ Pa Khoang (Lai Châu), Chúc Bài Sơn (Quảng Ninh), Núi Một, Hội Sơn (Bình Định), Phú Ninh (Quảng Nam) (theo số liệu của Bộ Nông nghiệp và PTNT)

Về hiện trạng tràn xả lũ của các hồ: Nhiều hồ chứa có tràn xả lũ chỉ là tràn tạm không được gia cố bằng đá xây, bê tông chất lượng đã xuống cấp

Theo kết quả điều tra năm 2002 P

[1]

P, số lượng các hồ chứa còn thiếu năng lực xả

lũ và cần sửa chữa nâng cấp tràn như bảng 1-3:

Bảng 1-3 : Số lượng hồ cần sửa chữa tràn xã lũ

TT Loại hồ (theo dung

tích)

Số hồ còn thiếu năng lực

xả lũ/tổng số hồ

Số hồ cần sửa chữa tràn/tổng số hồ

+ Tính toán thủy văn sai: Mưa gây ra lũ tính nhỏ, lưu lượng đỉnh lũ nhỏ; tổng lượng lũ nhỏ hơn thực tế; các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi; thiếu lưu vực; lập đường cong dung tích hồ W=f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng xả

lũ của đập tràn Q=f(H) sai lệch với thực tế

+ Cửa đập tràn bị kẹt

+ Lũ vượt tần suất thiết kế, không có tràn xả lũ dự phòng

1.2.2.2.Thấm qua nền

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Đánh giá sai địa chất nền

+ Không có biện pháp xử lý nền hoặc có nhưng biện pháp xử lý không thích hợp

+ Thi công biện pháp xử lý nền không đảm bảo chất lượng

1.2.2.3 Thấm qua thân đập

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

Chất lượng bê tông hoặc đá xây đập tràn không đảm bảo do:

+ Mác bê tông hoặc mác vữa thấp không đạt yêu cầu chống thấm

+ Chất lượng công tác xây đúc không đảm bảo (do chất lượng cốt liệu, chất lượng, chất lượng xi măng, chất lượng đầm xây, bảo dưỡng vv….)

+ Không có biện pháp tốt để xử lý nhiệt trong khi đổ bê tông gây ra nứt nẻ do nhiệt

+ Xử lý không tốt các khe thi công

1.2.2.4 Đập trôi hoặc gẫy

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Nền bị phá hoại (lún, rỗng) do đánh giá sai tình hình địa chất nền và gây ra chênh lệch biến dạng lớn trong công trình

+ Không có biện pháp xử lý nền hoặc có nhưng biện pháp xử lý không thích hợp

+ Không dự kiến được khả năng bị thoái hóa của nền

+ Thiết kế chọn tổ hợp tải trọng sai với thực tế

+ Thiết kế chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính toán

+ Thi công biện pháp xử lý nền không đảm bảo chất lượng

1.2.2.5 Xói tiêu năng

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Đánh giá sai địa chất nền

+ Xác định sai mức nước hạ lưu đập do đường quan hệ Q=f(h) ở hạ lưu đập tràn sai lệch so với thực tế

+ Biện pháp tiêu năng không thích hợp

+ Thi công phần tiêu năng không đảm bảo chất lượng

+ Vận hành đập tràn sai quy trình

1.2.2.6 Xói lở hạ lưu

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Không khảo sát địa chất công trình hoặc đánh giá sai tình hình địa chất hạ du đập tràn trên đoạn nối tiếp hạ du trong phạm vi chịu ảnh hưởng xả lũ của đập tràn + Không có biện pháp xử lý hoặc có nhưng biện pháp xử lý không thích hợp + Thi công biện pháp xử lý không đảm bảo chất lượng

1.2.2.7 Gãy cửa

- Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Thiết kế không đảm bảo chất lượng do

+ Kết cấu bất hợp lý hoặc không thích hợp

+ Chọn sai tổ hợp tải trọng

+ Chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính toán

- Gia công, chế tạo, lắp đặt không đảm bảo chất lượng

- Không bảo dưỡng tốt trong quá trình vận hành

1.2.2.8 Kẹt cửa

Do các nguyên nhấn sau đây gây ra:

- Thiết kế ko đảm bảo chất lượng do:

+ Kết cấu bất hợp lý hoặc ko thích hợp

+ Chọn sai tổ hợp tải trọng

+ Chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính toán

- Gia công, chế tạo lắp đặt không đảm bảo chất lượng

- Việc bảo dưỡng cửa không đảm bảo chất lượng:

+ Không vận hành thử trước mỗi trận lũ để khắc phục kịp thời

1.2.2.9 Hỏng thiết bị đóng mở

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

+ Thiết kế tính toán sai tải trọng gây ra quá tải

+ Thiết kế không có biện pháp bảo vệ thiết bị

+ Việc chế tạo và lắp đặt thiết bị không đảm bảo chất lượng

+ Việc bảo dưỡng thiết bị không đảm bảo chất lượng

+ Vận hành sai quy trình

1.2.3 Các biện pháp kỹ thuật để phòng tránh sự cố đập tràn xả lũ

1.2.3.1 Khả năng tháo lũ của đập tràn xả lũ

Khả năng tháo lũ là chỉ tiêu quan trọng bậc nhất quyết định quy mô, loại hình

và vốn đầu tư xây dựng tràn xả lũ Chỉ tiêu này là kết quả tính toán thủy văn công trình Tình hình thực tế cho thấy là, đối với những đập lớn và rất lớn thì có tương đối đầy đủ số liệu quan trắc, nên kết quả tính toán là đáng tin cậy Tuy nhiên đối với những công trình này, hiện nay thực tế bắt đầu phát sinh tình hình mới về tiêu chuẩn

xả lũ theo chiều hướng gia tăng an toàn cao hơn trước Đối với những đập vừa vừa, đặc biệt là đập nhỏ thì không có hoặc có không đầy đủ số liệu quan trắc thực tế, do

đó phải dùng nhiều phương pháp gần đúng để tính toán lũ, vì thế độ tin cậy không cao, thường là thiên nhỏ Tình hình đó dẫn đến hàng loạt đập nhỏ bị lũ cuốn trôi 1.2.3.2 Công trình đập tràn loại đặc biệt

Phải đảm bảo xả được lưu lượng lũ cực hạn Trong trường hợp này đập tràn có thể bị hư hỏng lớn nhưng không nghiêm trọng, như thân tràn, tiêu năng có thể bị xói

lở nhưng không ảnh hưởng đến độ an toàn chung của đập tràn

Trong trường hợp có xây dựng đập tràn dự phòng sự cố, thì nên phân biệt như sau:

- Loại chính thức phải bảo đảm độ an toàn cực hạn, đập tràn chính thức có thể

bị hư hỏng lớn nhưng không nghiêm trọng và không ảnh hưởng đến độ an toàn chung của đập tràn

- Loại dự phòng sự cố có thể bị hư hỏng nghiêm trọng, và sau lũ có điều kiện để khôi phục; ngoại trừ trường hợp nếu việc kiên cố hóa đập tràn dự phòng ngay từ khi xây dựng có chi phí không lớn thì đập tràn này cũng được thiết kế có thể xả được lũ cực hạn, và có thể bị hư hỏng lớn nhưng không nghiêm trọng

1.2.3.3 Công trình đập tràn loại quan trọng

Đập phải được kiểm tra với lũ cực hạn, trạng thái chịu lực ở trạng thái cực hạn,

có thể bị sự cố nghiêm trọng nhưng không ảnh hưởng đến độ an toàn chung của đập

Trong trường hợp có xây dựng đập tràn dự phòng sự cố, thì nên phân biệt như sau:

- Loại chính thức phải bảo đảm độ an toàn cực hạn, đập tràn chính thức không

bị vỡ, có thể bị hư hỏng lớn nhưng không nghiêm trọng

- Loại dự phòng sự cố có thể bị hư hỏng nghiêm trọng; thậm chí có thể bị vỡ nhưng sau lũ có điều kiện để khôi phục; ngoại trừ trường hợp nếu việc kiên cố hóa đập tràn dự phòng ngay từ khi xây dựng có chi phí không lớn thì đập tràn này cũng được thiết kế có thể xả được lũ cực hạn, và có thể bị hư hỏng lớn nhưng không nghiêm trọng

1.2.3.4 Công trình đập tràn loại vừa

Đối với những công trình vừa không đặt vấn đề thiết kế với lũ cực hạn, mà chỉ nên thiết kế với lũ lịch sử hoặc tần suất thiết kế; bởi vì nếu thiết kế với lũ cực hạn thì chi phí xây dựng sẽ rất lớn

- Đối với những công trình đã thiết kế, cần nâng cấp để có khả năng tháo lũ lịch

sử Đập tràn xả lũ có thể bị hư hỏng lớn nhưng không bị vỡ và sau lũ có điều kiện

để khôi phục

- Đối với những công trình thiết kế mới, phải được thiết kế với lũ lịch sử thay vì theo tần suất đơn thuần như trước đây Công trình được đảm bảo an toàn khi xảy ra

1.3.1 Ảnh hưởng của địa chất đập tràn đến sự ổn định của công trình

Một trong những nguyên nhân chính gây ra hư hỏng đập tràn chính là địa chất nền tràn

Sự cố công trình thuỷ lợi do nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó khảo sát địa hình, địa chất là nguyên nhân phổ biến nhất và nguy hiểm nhất cho công trình đầu mối thuỷ lợi

Hậu quả do sự cố gây ra thường là nghiêm trọng, việc xử lý rất tốn kém, gây ra tổn thất lớn về tính mạng, tài sản của nhân dân và tài sản của quốc gia, có ảnh hưởng xấu về kinh tế, và đối với những sự cố lớn và nghiêm trọng còn ảnh hưởng xấu đến tình hình xã hội

Đánh giá địa chất nền công trình không đầy đủ và chính xác, trong quá trình thi công, quản lý và khai thác công trình sẽ xảy ra sự cố Sự cố công trình lớn và nghiêm trọng thường xảy ra đột ngột, trong một thời gian ngắn, không kịp ứng phó

1.3.2 Ảnh hưởng của địa chất đập tràn đến sự ổn định của công trình

1.3.2.1 Sự cố địa tầng ở đập tràn xả lũ hồ chứa Tả Trạch - Thừa Thiên Huế

Công trình hồ chứa nước Tả

Trạch được Chính phủ phê duyệt

vào năm 2001 với tổng mức đầu

tư 1.081 tỉ đồng Tuy nhiên, mãi

đến tháng 11 năm 2005, công

trình mới được khởi công xây

dựng và đến thời điểm quý I/2008,

tổng dự toán của công trình này là

2.659 tỉ đồng

Công trình có nhiệm vụ:

- Chống lũ tiểu mãn, lũ sớm; giảm lũ chính vụ cho hệ thống sông Hương

- Cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp với lưu lượng Q = 2,0 mP

3 P/s

- Tạo nguồn nước tưới ổn định cho 34.782 ha đất canh tác thuộc vùng đồng bằng sông Hương

- Bổ sung nguồn nước ngọt cho hạ lưu sông Hương để đẩy mặn, cải thiện môi trường vùng đầm phá, phục vụ nuôi trồng thủy sản với lưu lượng Q=25,0 mP

3 P/s

- Phát điện với công suất lắp máy N = 19,5 MW

Tràn xả lũ của hồ chứa Tả Trạch do Tổng Cty cổ phần Tư vấn thủy lợi Việt Nam thiết kế, kết quả thăm dò, khảo sát địa tầng trước khi xây dựng cho kết quả: Đất - đá - đá cứng (phần đá cứng

ở độ sâu 10m) Tuy nhiên khi thi công, đào xuống lại cho kết quả ngược lại là: Đất - đá - đất, do bị một vệt đứt gãy địa tầng, và càng đào sâu càng gặp đất, thay vì đá cứng hơn như thông thường

0B

Hình 1- 1: Bản đồ vị trí hồ Tả Trạch

1B

Hình 1-2: M ở móng tràn Tả Trạch

Biện pháp sử lý sự cố tràn xả lũ Tả Trạch được Tổng Công ty cổ phần Tư vấn thủy lợi Việt Nam thiết kế bằng biện pháp khoan cọc nhồi

1.3.2.2 Sự cố vỡ đập Z20 - Hà Tĩnh

Hồ chứa nước Z20 đã được Ủy ban nhân dân tỉnh Hà Tĩnh phê duyệt năm 2008

Là một hồ chứa nhỏ, dung tích hồ chứa 0,3 triệu khối nước Tuy nhiên quá trình khảo sát đã đánh giá địa chất nền công trình không đúng nên thiết kế đã không xử lý triệt để lớp địa chất kém bằng chân khay nên khi tích nước được một thời gian thì đến ngày 16 tháng 9 năm 2009 đã bị vỡ đập

Tuy là hồ chứa loại nhỏ khi vỡ đã gây thiện hại rất lớn cho nhân dân và đặc biệt

là ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuyến đường sắt Bắc - Nam

1.4 Một số giải pháp xử lý để gia tăng ổn định và khả năng chịu tải của nền

Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất, giảm tính thấm của đất

Các biện pháp xử lý nền thông thường:

- Các biện pháp cơ học: Bao gồm các phương pháp làm chặt bằng đầm, đầm chấn động, phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc bê tông, cọc cát,

cọc đất, cọc vôi ), phương pháp thay đất, phương pháp nén trước, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát

- Các biện pháp vật lý: Gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm

- Các biện pháp hóa học: Gồm các phương pháp keo kết đất bằng xi măng, vữa

xi măng, phương pháp Silicat hóa, phương pháp điện hóa

1.4.1 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát

Khác với các loại cọc cứng khác (bê tông, bê tông cốt thép, cọc gỗ, cọc tre ) là một bộ phận của kết cấu móng, làm nhiệm vụ tiếp nhận và truyền tải trọng xuống đất nền, mạng lưới cọc cát làm nhiệm vụ gia cố nền đất yếu nên còn gọi là nền cọc cát

Việc sử dụng cọc cát để gia cố nền có những ưu điểm nổi bật sau: Cọc cát làm nhiệm vụ như giếng cát, giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình

cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn; Nền đất được ép chặt do ống thép tạo

lỗ, sau đó lèn chặt đất vào lỗ làm cho đất được nén chặt thêm, nước trong đất bị ép thoát vào cọc cát, do vậy làm tăng khả năng chịu lực cho nền đất sau khi xử lý; Cọc cát thi công đơn giản, vật liệu rẻ tiền (cát) nên giá thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệu khác Cọc cát thường được dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày > 3m

1.4.2 Phương pháp xử lý nền bằng cọc vôi và cọc đất - ximăng

Cọc vôi thường được dùng để xử lý, nén chặt các lớp đất yếu như: Than bùn, bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão

Việc sử dụng cọc vôi có những tác dụng sau:

- Sau khi cọc vôi được đầm chặt, đường kính cọc vôi sẽ tăng lên 20% làm cho đất xung quanh nén chặt lại

- Khi vôi được tôi trong lỗ khoan thì nó toả ra một nhiệt lượng lớn làm cho nước lỗ rỗng bốc hơi làm giảm độ ẩm và tăng nhanh quá trình nén chặt

- Sau khi xử lý bằng cọc vôi nền đất được cải thiện đáng kể: Độ ẩm của đất giảm 5 - 8%; Lực dính tăng lên khoảng 1,5 - 3lần

Việc chế tạo cọc đất - ximăng cũng giống như đối với cọc đất - vôi, ở đây xilô chứa ximăng và phun vào đất với tỷ lệ định trước Lưu ý sàng ximăng trước khi đổ

vào xilô để đảm bảo ximăng không bị vón cục và các hạt ximăng có kích thước đều

< 0,2mm, để không bị tắc ống phun

Hàm lượng ximăng có thể từ 7 - 15% và kết quả cho thấy gia cố đất bằng ximăng tốt hơn vôi và đất bùn gốc cát thì hiệu quả cao hơn đất bùn gốc sét

Qua kết quả thí nghiệm xuyên cho thấy sức kháng xuyên của đất nền tăng lên từ

4 - 5 lần so với khi chưa gia cố

Ở nước ta đã sử dụng loại cọc đất - ximăng này để xử lý gia cố một số công trình và hiện nay triển vọng sử dụng loại cọc đất - ximăng này để gia cố nền là rất tốt

1.4.3 Phương pháp xử lý nền bằng đệm cát

Lớp đệm cát sử dụng hiệu quả cho các lớp đất yếu ở trạng thái bão hoà nước (sét nhão, sét pha nhão, cát pha, bùn, than bùn…) và chiều dày các lớp đất yếu nhỏ hơn 3m

Biện pháp tiến hành: Đào bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu (trường hợp lớp đất yếu có chiều dày bé) và thay vào đó bằng cát hạt trung, hạt thô đầm chặt Việc thay thế lớp đất yếu bằng tầng đệm cát có những tác dụng chủ yếu sau:

- Lớp đệm cát thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới đáy móng, đệm cát đóng vai trò như một lớp chịu tải, tiếp thu tải trọng công trình và truyền tải trọng đó các lớp đất yếu bên dưới

- Giảm được độ lún và chênh lệch lún của công trình vì có sự phân bố lại ứng suất do tải trọng ngoài gây ra trong nền đất dưới tầng đệm cát

- Giảm được chiều sâu chôn móng nên giảm được khối lượng vật liệu làm móng

- Giảm được áp lực công trình truyền xuống đến trị số mà nền đất yếu có thể tiếp nhận được

- Làm tăng khả năng ổn định của công trình, kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng, vì cát được nén chặt làm tăng lực ma sát và sức chống trượt

Tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, do vậy làm tăng nhanh khả năng chịu tải của nền và tăng nhanh thời gian ổn định về lún cho công trình

- Về mặt thi công đơn giản, không đòi hỏi thiết bị phức tạp nên được sử dụng tương đối rộng rãi

Phạm vi áp dụng tốt nhất khi lớp đất yếu có chiều dày bé hơn 3m Không nên

sử dụng phương pháp này khi nền đất có mực nước ngầm cao và nước có áp vì sẽ tốn kém về việc hạ mực nước ngầm và đệm cát sẽ kém ổn định

1.4.4 Phương pháp xử lý nền bằng cọc khoan nhồi

Máy móc và thiết bị hiện đại, thuận tiện trên mọi địa hình phức tạp Cọc khoan nhồi có thể được đặt vào những lớp đất rất cứng, thậm chí tới lớp đá mà cọc đóng không thể với tới được

Thiết bị thi công nhỏ gọn nên có thể thi công trong điều kiện xây dựng chật hẹp Trong quá trình thi công không gây trồi đất ở xung quanh, không gây lún nứt, các công trình kế cận và không ảnh hưởng đến các cọc xung quanh và phần nền móng và kết cấu của các công trình kế cận

Có tiết diện và độ sâu mũi cọc lớn hơn nhiều so với cọc chế sẵn do vậy sức chịu tải lớn hơn nhiều so với cọc chế tạo sẵn Khả năng chịu lực cao hơn 1,2 lần so với các công nghệ khác thích hợp với các công trình lớn, tải trọng nặng, địa chất nền móng là đất hoặc có địa tầng thay đổi phức tạp

Độ an toàn trong thiết kế và thi công cao, kết cấu thép dài liên tục 11,7 mét, bê tông được đổ liên tục từ đáy hố khoan lên trên tạo ra một khối cọc bê tông đúc liền khối nên tránh được tình trạng chấp nối giữa các tổ hợp cọc như ép hoặc đóng cọc

Do đó nên tăng khả năng chịu lực và độ bền co móng của các công trình

Độ nghiêng lệch của các cọc nằm trong giới hạn cho phép

Công nghệ thi công cọc khoan nhồi đã giải quyết các vấn đề kỹ thuật móng sâu trong nền địa chất phức tạp, ở những nơi mà các loại cọc đóng bằng búa xung kích hay búa rung có mặt cắt vuông hoặc tròn có đường kính D<600mm

CH ƯƠNG 2: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN TRÀN XẢ LŨ TRÊN NỀN CỌC 2.1 Giới thiệu về nền móng và móng cọc

2.1.1 Nền

Nền là vùng đất nằm dưới đáy móng, chịu tác động trực tiếp tải trọng công trình truyền xuống thông qua móng, được giới hạn trong phạm vi xung quanh và chiều sâu dưới đáy móng ở đó ứng suất phụ thêm do móng truyền xuống không đáng kể

và không gây ra biến dạng lún của đất Đối với móng sâu, nền thực sự bao gồm phần đất dưới mũi cọc và cả phần đất xung quanh cọc đi qua Nếu công trình đặt trên các lớp đất đá tự nhiên thì nền công trình được gọi là nền thiên nhiên, còn nếu

trước khi xây móng người ta phải dùng một biện pháp nào đó nhằm làm tốt hơn tính chất cơ lý của đất nền thì gọi là nền nhân tạo

Áp lực đáy móng là áp lực do toàn bộ tải trọng công trình (kể cả trọng lượng bản thân móng và phần đất trên móng) thông qua đáy móng truyền xuống nền

b a

G N

d tb

.

+

=

σ (2.1) Trong đó:

- N: tổng tại trọng thẳng đứng tải đỉnh móng

- G: trọng lượng của vật liệu móng và đất trên móng

- a,b: lần lượt là chiều dài và chiều rộng đáy móng

Phản lực nền là phản lực của đất nền (ký hiệu r hoặc p) tác dụng lên đáy móng

khi có áp lực đáy móng, nó có cùng trị số nhưng chiều tác dụng ngược với áp lực đáy móng

có khả năng tiếp thu tải trọng nhỏ hơn nhiều so với công trình bên trên để giảm

được tải trọng của công trình tác dụng lên nền đến mức đất có khả năng tiếp nhận được

Sự mở rộng của kích thước móng có thể theo phương ngang, theo chiều sâu

hoặc theo hai phương Dựa vào điều kiện này người ta đưa ra hai khái niệm là móng nông và móng sâu

Móng nông: là những móng xây trong các hố móng lộ thiên, do điều kiện thi công như vậy sẽ không thuận lợi cho việc mở rộng kích thước móng với chiều sâu lớn Vì vậy, để giảm được áp lực do tải trọng công trình truyền xuống nền đất người

ta thường dùng cách mở rộng kích thước móng theo phương ngang (tức là tăng diện tích tiếp xúc của đáy móng với đất nền) Do chiều sâu chôn móng không lớn, ảnh

hưởng ma sát bên của móng là nhỏ có thể bỏ qua, nên trong tính toán thiết kế người

ta bỏ qua sự làm việc của đất từ đáy móng trở lên mặt đất Sự hiện diện của lớp đất này được thay thế bằng tải trọng tương đương với tải trọng bản thân của đất

Móng sâu: Đối với công trình có tải trọng lớn, lớp đất ngay mặt đất không được tốt, các lớp đất tốt và đá gốc lại ở dưới sâu, việc mở rộng kích thước theo

phương ngang sẽ không có hiệu quả Do đó để tăng cường khả năng chịu tải của đất nền người ta thường dùng cách mở rộng kích thước móng theo chiều sâu Với biện pháp này, tải trọng công trình truyền xuống nền đất không những qua mặt đáy móng

mà còn cả mặt bên của móng thông qua ma sát giữa móng và đất nền xung quanh móng Trường hợp này được gọi là móng sâu Móng sâu thường được dùng nhiều là

móng cọc Cọc là bộ phận chính có tác dụng truyền tải trọng của công trình bên trên xuống lớp đất dưới mũi cọc và các lớp đất cọc xuyên qua, đài cọc là bộ phận liên

kết các đầu cọc lại thành một khối để cùng chịu tải trọng của công trình Mặt phẳng nằm ngang của mũi cọc chính là đáy móng P

[11]

2.1.3 Ý nghĩa của công tác thiết kế nền - móng

Khi tính toán thiết kế và xây dựng công trình, cần chú ý và cố gắng làm sao đảm bảo thoả mãn ba yêu cầu sau: bảo đảm sự làm việc bình thường của công trình trong quá trình sử dụng; bảo đảm cường độ của từng bộ phận và toàn bộ công trình; bảo đảm thời gian xây dựng ngắn nhất và giá thành rẻ nhất

Với yêu cầu thứ nhất: Nếu công trình có độ lún, hoặc lún lệch, hoặc chuyển vị

ngang quá lớn thì công trình không thể làm việc bình thường, ngay cả khi nó chưa

bị phá huỷ Nhà tư vấn thiết kế phải tính toán dự báo khống chế được điều kiện biến dạng của nền và công trình theo quy phạm quy định

Với yêu cầu thứ hai: Cường độ công trình ngoài việc phụ thuộc vào cường độ

bản thân kết cấu, móng còn phụ thuộc rất lớn vào cường độ của đất nền dưới đáy công trình Do vậy công tác khảo sát, thiết kế và tính toán nền phải chặt chẽ và chính xác để đảm bảo an toàn cho công trình

Với yêu cầu thứ ba: Việc tính toán thiết kế và chọn biện pháp thi công hợp lý có

ảnh hưởng rất lớn đến thời gian thi công công trình Thông thường việc thi công nền móng thường mất nhiều thời gian, do vậy yêu cầu này được thể hiện tính hợp lý và chặt chẽ

Kinh nghiệm cho thấy hầu hết các công trình bị sự cố đều do giải quyết chưa tốt các vấn đề về thiết kế nền - móng Do vậy, việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế nền

và móng một cách toán diện có ý nghĩa rất quan trọng đối với người kỹ sư thiết kế nền móng

2.1.4 Tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn là điều kiện nếu vượt qua nó thì công trình mất khả năng

chịu tải, hoặc khi kết cấu công trình bị hư hỏng toàn bộ hoặc cục bộ ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường và an toàn của công trình Phương pháp tính toán công trình theo trạng thái giới hạn tiến bộ hơn nhiều so với phương pháp ứng suất cho phép Trong phương pháp này, thay cho hệ số an toàn duy nhất, người ta đưa vào nhiều hệ số để xét đến một cách khoa học những yếu tố liên quan đến việc thiết kế,

thi công và sử dụng công trình Ưu điểm nổ bật của phương pháp này là coi Công trình - Móng - Nền là một hệ thống liên quan chặt chẽ với nhau và có tác động qua

lại với nhau Như mọi kết cấu khác, kết cấu móng khi tính toán theo trạng thái giới hạn thì cũng phải tính toán thiết kế theo trạng thái giới hạn: trạng thái giới hạn về

cường độ, trạng thái giới hạn về biến dạng, trạng thái giới hạn về sự hình thành và phát triển khe nứt mà ta thường gọi tắt ba trạng thái giới hạn này là trạng thái giới hạn thứ nhất, thứ hai và thứ ba

Đối với móng: Việc tính toán chủ yếu chỉ cần dựa vào trạng thái giới hạn thứ

nhất ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như móng là bản đáy của các bể chứa vật liệu lóng, móng đặt trong môi trường có tính ăn mòn mạnh cần phải kiểm tra theo trạng thái giới hạn thứ ba

Đối với nền: Không như những kết cấu chịu lực làm bằng các vật liệu khác, nền

đất chỉ có hai trạng thái giới hạn, trạng thái giới hạn thứ nhất và trạng thái giới hạn thứ hai Trạng thái giới hạn thứ ba không có ý nghĩa với nền đất.P

[4]

2 1.5 Móng cọc

2.1.5.1 Khái niệm

Móng cọc là một loại móng sâu, thường dùng khi tải trọng công trình lớn và lớp

đất tốt nằm sâu dưới lòng đất hoặc khi xây dựng công trình tại những chỗ có nước mặt thì một trong những biện pháp xây dựng hợp lý là dùng móng cọc Trước đây, móng cọc thường được dùng nhiều trong các công trình Cầu đường và Thuỷ lợi

nhưng những năm gần đây móng cọc được áp dụng rất nhiều trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp Móng cọc ngày càng được áp dụng rộng rãi, ngày càng được cải tiến và hoàn thiện do nó có các ưu điểm hơn các loại móng khác là: có khả năng chịu được các tải trọng lớn vì có thể hạ cọc xuống tầng đất sâu đến trên 50m, cá biệt có cọc dài trên 100m Móng cọc còn cho phép thi công nhanh và không phụ thuộc vào thời tiết, khi thi công có thể dùng biện pháp cơ giới hoá để vận chuyển và đóng cọc; giảm được khối lượng vật liệu sử dụng trong móng; có thể

giảm hoặc tránh được ảnh hưởng của nước ngầm đối với công tác thi công móng; giảm được độ lún và chênh lệch lún của móng

Móng cọc nói chung thường có cấu tạo

như hình (2-1) Trong đó cọc là những thanh

riêng rẽ - là bộ phận chính có tác dụng truyền

tải trọng của công trình bên trên xuống các

lớp đất xung quanh cọc và tầng đất dưới mũi

cọc Đài cọc là kết cấu dùng để liên kết các

đầu cọc lại với nhau thành một khối và phân

bổ tải trọng của công trình lên các cọc

Dựa vào vị tri đặt cọc so với mặt đất

người ta phân móng cọc thành móng cọc đài

thấp và móng cọc đài cao Dựa vào sự làm

việc của cọc mà phân thành cọc chống (khi

mũi cọc chống lên nền đá gốc rắn chắc) và cọc ma sát (khi cọc chưa tới tầng đá gốc)

2.1.5.2 Phân loại cọc

Có nhiều cách phân loại cọc: theo vật liệu làm cọc, theo phương pháp chế tạo, theo phương pháp hạ cọc Đơn giản hơn cả là phân theo phương pháp chế tạo cọc Theo cách này cọc được phân thành hai loại là cọc chế tạo sẵn và cọc đổ tại chỗ

Cọc chế tạo sẵn: Bao gồm cọc gỗ, thép, bê tông cốt thép Đã được chế tạo sẵn

Loại cọc này có thể hạ đến độ sâu thiết kế bằng búa, máy đóng cọc bằng phương pháp chấn động, rung, nén hay xoắn

Cọc đổ tại chỗ: Còn gọi là cọc khoan nhồi, loại cọc này được đổ bê tông tại chỗ

trong các hố khoan hoặc hố được tạo bằng cách đóng ống thiết bị

Trong phạm vi luận văn tác giả chủ yếu đi sâu phân tích về cọc khoan nhồi được áp dụng ở công trình hồ Suối Nước Ngọt, tính Khánh Hoà

2.1.5.3 Cấu tạo, phương pháp thi công và các đặc điểm của cọc khoan nhồiP

[4]

Đây là loại cọc được chế tạo ngay tại chỗ Được kỹ sư người Nga là A.E.Straux

đề xuất năm 1899 Để thi công loại cọc người ta tạo các hố khoan có ống vách đường kính xác định theo yêu cầu Sau khi khoan đến độ sâu thiết kế người ta tiến

4B

Hình 2- 1: Cấu tạo móng cọc

hành làm sạch hố khoan, rồi sau đó đổ từng mẻ bê tông vào trong ống vách Mẻ bê tông đổ vào phải tạo thành ở trong ống một lớp dày khoảng trên 1m Đầm bê tông

và từ từ rút ống lên Cứ như thế lặp lại cho các mẻ bê tông cho đến khi kết thúc Cọc Straux có thể gia cường bằng cốt thép, muốn thế phải đặt khung cốt thép vào ống vách rồi đổ bê tông và đầm

Cọc Straux có sức chịu tải không cao do khi chế tạo nó đất được nén rất ít, thân cọc có hình dạng không đều Trong trường hợp đất bão hoà nước thì khó đảm bảo

cường độ của bê tông Dựa trên nguyên lý cơ bản chế tạo cọc Straux, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, sau này nhiều nhà khoa học đã phát triển thêm nhiều loại cọc nhồi tiên tiến và hiện đại hơn như cọc Franki, cọc Benetor gần đây hay được áp dụng là cọc khoan nhồi có đường kính lớn và cọc Barret

Cọc khoan nhồi đã được sử dụng trên 40 năm nay ở nhiều nước trên thế giới Ở Việt Nam lần đầu tiên ứng dụng công nghệ cọc khoan nhồi có đường kính lớn d=1,4m hạ sâu 30m khi thi công cầu Việt Trì Ngày nay việc thi công cọc khoan nhồi có đường kính từ (1-:-1,25)m hạ sâu (60-:-100)m thậm chí sâu trên 100m đang

là giải pháp chủ đạo để giải quyết kỹ thuật của móng sâu

Cọc khoan nhồi đường kính lớn và cọc Barret có các ưu điểm và nhược điểm cơ bản sau:

+ Tốn ít cốt thép vì không phải vận chuyển cọc

+ Việc mở rộng chân cọc để tăng sức chịu tải cho cọc dễ dàng hơn

ưu điêmt nhất là ít gây chấn động và độ ồn nên rất thích hợp để thi công ở các đồ thị

Hình 2-2 : Sơ đồ thi công khoan cọc nhồi

Trước đây ở Việt Nam đã dùng cọc Franki để làm cọc nhồi cho một số công trình cầu và cảng Hiện nay cũng có nhiều thiết bị tạo lỗ của cáchãng như Beneto (Pháp); Soilmec (Italia); Hitachi và Sanwa (Nhật), Bauer (Đức)

Thiết bị khoan Benoto có thể khoan vào mọi loại đất Đặc điểm nổi bật của thiệt

bị này là việc hạ ống chống vào đất bằng kích thuỷ lực theo nguyên tắc vừa xoay vừa ấn xuống Khi rút ống lên thì các kích nằm ngang vẫn làm việc như cũ còn các kích thẳng đứng thì tạo ra lực đẩy lên Vừa hạ ống vừa lấy đất ra bằng búa khoan kiểu gầu ngoạm Thiết bị này có thể khoan được các lỗ khoan đường kính lớn (60-:-140)cm với chiều sâu lớn hơn 100m qua các lớp đất có độ chặt và độ ẩm bầt kỳ Máy có bộ phận tạo bầu mở rộng đến 2,5m

kính lỗ khoan (150-:-200)cm Các máy khoan của hãng này đều dùng cơ cấu thuỷ lực để điều khiển và có thể lắp trên cùng máy cơ sở bánh xích

Thiết bị khoan Sanwa: thiết bị này là máy khoan dạng guồng xoắn nên thích

hợp với các loại đất từ đất mềm yếu đến đất cứng hoặc đã, ưu điểm của thiết bị này

là tốc độ di chuyển giữa các lỗ khoan nhanh, không ồn, ít chấn động trong quá trình thi công, đồng thời có thể sử dụng trên khoảng rộng về điều kiện địa chất khác nhau, có thể sử dụng mũi khoan khác nhau để máy thực hiện chế độ thích hợp Điều khiển máy Sanwa người ta dùng công tắc điện tử - tự động và hệ thống điều khiển

tự động từ xa

Thiết bị khoan Bauer: Cho phép thực hiện công nghệ cọc khoan nhồi hoàn

chỉnh từ tạo lỗ, đặt ống chống (nếu cần) và bơm bê tông vào lỗ khoan Tuỳ theo yêu cầu về kích thước cọc để chọn máy thích hợp Trong những năm gần đây hãng

Bauer phát triển thêm một số công nghệ bơm, phụt vữa xi măng - cắt ở đáy cọc khoan nhồi làm tăng sức chịu tải của cọc

mang trung bình, có năng suất cao nhờ bộ quay có tính năng cao, dễ dàng chuyển đất từ gầu khoan sang xe tải và nguồn năng lượng thuỷ lực của máy có thể dùng để đóng cọc và cho cần cẩu Các thiết bị này có thể tạo lỗ khoan có đường kính từ (120-:-300)cm với độ sâu (50-:-80)m

Ngoài các thiết bị khoan lỗ thông

dụng nói trên các nước Anh, Mỹ,

Trung Quốc cũng có nhiều hãng cho

ra các loại thiết bị tạo lỗ khác nữa Ở

Anh có những thiết bị để thi công cọc

khoan nhồi đường kính đều 2,5m, mở

rộng chân đến 5m Ở Mỹ thiết bị của

hãng Williams có thể khoan các lỗ

đường kính trên 3m, sâu hơn 30m

Cũng cần lưu ý đến các loại máy 9BHình 2- 7: Các loại mũi khoan cọc nhồi

khoan lỗ cọc nhồi trong đá cứng hoặc các thiết bị gá lắp vào các thiết bị chính để

mở rộng mũi cọc nhằm tăng sức mang tải của cọc khoan nhồi

Nói chung có 3 kiểu đầu khoan để phá đá cứng: khoan xoắn, khoan phá và khoan cắt

Nhờ cơ cấu mở rộng chân cọc vào tâng đất chịu lực sẽ làm cho sức chịu tải của cọc nhồi tăng lên đáng kể, nhờ đó giám số lượng cọc và phát huy sức mang tải của vật liệu cọc Để đạt được mục đích nêu trên người ta dùng phương pháp nổ mìn hoặc sử dụng cơ cấu mở rộng chân cọc

Trong quá trình thi công cọc khoan nhồi cần chú ý đến các sự cố có thể xảy ra

như sút lở thành lỗ, ống chống bị kẹt chặt đây là khâu rất quan trọng khi thi công cọc khoan nhồi Nếu chẳng may xay ra sự cố thì thường làm giảm cường độ bê tông của cọc, làm cho cọc bị khuyết tật nghiêm trọng cho nên phải có biện pháp thiết thực đề phòng các sự cố làm giảm cường độ cọc

2.2 Tổng quan về sức chịu tải của cọc

PR dn R: được huy động thứ hai thành phần là sức kháng bên QR n R (bao gồm lực ma sát và lực dính) và sức kháng mũi (QR p R), sức kháng mũi là phản lực của đất ở mũi cọc tác dụng lên đầu cọc Các sức kháng này phụ thuộc vào nền đất, được xác định bằng thì nghiệm

Về độ lớn: Sức chịu tải của cọc thường chia thành sức chịu tải cực hạn của cọc

(PR u R) là tải trọng mà tại đó cọc hoặc đất nền bị phá hoại Sức chịu tải cho phép qua cọc [P] là tải trọng lớn nhất mà cọc và công trình là việc an toàn (hệ số an toàn

thường >2)

Sức chịu tải cực hạn của cọc là giá trị nhỏ nhất giữa sức chịu tải theo vật liệu và theo đất nền: PR u R=min(PR uvl R;PR udn R) Thông thường sức chịu tải cực hạn của vật liệu lớn

hơn nhiều so với đất nền

Sức chịu tải của cọc theo vật liệu về cơ bản đã được nghiên cứu kỹ lưỡng

nhưng sức chịu tải theo đất nền vẫn là vấn đề còn nhiều phức tạp Nhiều nghiên cứu vẫn tiếp tục để đưa ra được công thức tính toán phù hợp với thực tế hơn

2.2.1.1 Công thức tổng quát xác định sức chịu tải dọc trục của cọc theo đất nền Sức chịu tải cực hạn của cọc theo đất nền bao gồm sức kháng bên và sức kháng mũi

p r

u Q Q

P = + (2-3)

a Sức kháng bên

i n

i i

f u f z

=1

(2-4)

Trong đó: u là chu vi tiết diện ngang thân cọc; ∆zlà chiều dài đoạn cọc mà trên

đó fR i R không đổi; fR i R: hệ số ma sát bên của cọc và đất nền Cần chú ý rằng sau khi hạ cọc vào nền đất thì nền quanh cọc sẽ thay đổi nên fR i R có sự sai khác so với nền đất ban đầu

+ Đối với đất rời: Đất rời là vật liệu thấm nước tốt, trong vùng đất bị xáo trộn

xung quanh cọc áp lực nước lỗ rỗng không đáng kể Do vậy ma sát bên giữa cọc và

đất nền là ma sát bên thoát nước, lực dính c không đáng kể, do vậy:

δ

K

f i = s v' (2-5)

Trong đó: '

v

σ là ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân đất theo phương thẳng đứng tại đoạn cọc đang xét KR s R là hệ số áp lực ngang của đất sau khi cọc đã thi công, δ là góc ma sát ngoài giữa đất và cọc, có thể lấy 2ϕ/3≤δ <ϕ với ϕ là góc ma sát trong của đất

Bảng 2-1: Giá trị Ks đối với các loại cọc hạ trong cát (Meyerhof 1976)

Loại cọc Cọc nhồi Cọc hạ hình chữ nhật H Cọc hạ có chuyển vị

Do việc dự báo KR s R khó khăn nên người ta đặt K s.tgδ =β

Khi đó công thức (2.5) có dạng: '

v i

f =βσ (2-6)

Hệ số βđược dự báo trên thực nghiệm Hiện nay cách dự báo sức chịu tải từ các kết quả thí nghiệm hiện trường (ví dụ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT) ngày càng trở nên phổ biến

+ Đối với đất dính: Đất dính thường có tính thấm kém Với đất dính bão hoà

nước trường hợp nguy hiểm nhất là khi áp lực được lỗ rỗng dư chưa kịp tiêu tán

(cọc mới đóng xuống) và khi đó ma sát giữa cọc và nền là ma sát bên không thoát

n ước Khi đó đất dính bão hoà có góc ma sát trong ϕu =0là lực dính cR u R Do vậy ma sát bên đơn vị trong trường hợp này là:

u

i c

f =α (2-7) Trong đó α là hệ số chiết giảm do lực dính giữa cọc và đất nhỏ hơn lực dính giữa đất và đất Hệ số α tìm qua thực nghiệm

Khi đất dính không bão hoà thì fR i R sẽ lớn hơn trường hợp trường hợp bão hoà

nhưng để thiên về an toàn thì vẫn thường dùng công thức (2-7) fR i R đối với đất dính

và không dính đều phụ thuộc vào độ sâu

b Sức kháng mũi cọc:

QR p R=qR p R.AR c R (2-8)

Trong đó AR c R là diện tích tiết diện ngang mũi cọc qR p R là sức chống mũi đơn vị cực hạn của cọc Theo lý thuyết cân bằng giới hạn khi đất ở mũi cọc bị trượt sâu thì sức chịu tải được xác định bằng phương trình:

( q ) q c c

P − =γ γ.λγ /2+ −1λ + λ (2-9) Trong đó :

γ

ϕ,

,

c - tham số kháng cắt và dung trọng của đất ;

q - ứng suất hữu hiệu bản thân đất ở mức đáy móng (vị trí mũi cọc) Đối với móng cọc thì chiều dài cọc rất lớn so với cạnh của cọc nên thành phần γ.Nγ.B/ 2 rất nhỏ so với hai thành phần còn lại có thể bỏ qua Khi đó sức chịu tải cực hạn ở mũi cọc được tính bằng công thức :

v

q =σ' −1λ + λ (2-10) Nếu cọc đặt trên nền đá vôi Karst thì nên bỏ qua sức chống mũi cho dù thời điểm thiết kế đã có hiện tượng Karst hay chưa

+ Đối với đất dính: Trong trường hợp không thoát nước ta có c=SR u R và

IR r R là chỉ số kháng cắt thông thường, G là module kháng cắt của đất, ER u R là module đàn hồi không thoát nước

2.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc

+ Quá trình thi công cọc:

Phương pháo hạ cọc có ảnh hưởng lớn tới khả năng chịu tải của cọc Khi đóng cọc thì sức kháng xuyên là sức kháng động, còn khi móng cọc chịu tải thì sức kháng xuyên đó là sức kháng tĩnh Độ lớn của sức kháng động và sức kháng tĩnh không giống nhau trong một số loại đất nhưng thông thường người ta vẫn sử dụng các công thức tính toán sức kháng động của cọc để đánh giá sức chịu tải tĩnh của cọc Việc hạ cọc làm xáo trộn đất xung quanh cọc, khi hạ cọc thì các loại đất có những ứng xử khác nhau, ở đây chỉ trình bày đối với trường hợp hạ cọc khoan nhồi:

Hạ cọc trong đất sét: Lực dính giữa cọc và đất nhỏ hơn độ bền không thoát

nước của đất trước khi hạ cọc Ứng suất xung quanh hố bị giảm đi tạo Gradien

hướng về hố, sự hút nước thừa trong bê tông và nước đổ vào hố khi khoan sẽ làm giảm sức kháng cắt của đất, làm đất bị mềm hoá Nếu khoan hố mà không dùng dung dịch để giữ thành hố thì có thể gây sụt lở thành hố, giảm chất lượng cọc Nếu dùng dung dịch và không vệ sinh kỹ đáy hố khoan trước khi đổ bê tông sẽ làm giảm sức kháng mũi của cọc

Hạ cọc trong đất cát: Đòi hỏi phải dùng dung dịch hoặc ống chống để giữ

thành hố khoan Nếu dùng ống chống thì khi rút ống ra sẽ làm thành hố bị dịch chuyển trong phạm vi gần hố và mềm ra Nếu dùng dung dịch để giữ thành hố thì lớp bùn bám vào thành hố hoặc chưa làm sạch dưới đáy hố sẽ làm giảm ma sát giữa cọc và đất cũng như giảm sức kháng của cọc

Hạ cọc trong đá: Đối với cọc nhồi đặt mũi vào đá thì sức kháng mũi không

đáng kể vì nhiều lý do

Khi thi công cọc khoan nhồi trong đá thì khả năng chịutải của cọc có thể tăng lên nhiều bằng cách tạo nhám lên bề mặt tiếp xúc giữa cọc và đá Tuy nhiên nếu thành hố không được làm sạch thì sức kháng bên sẽ không thay đổi nhiều so với

trường hợp không được tạo nhám

+ Ảnh hưởng do các thông số của cọc: