thiết kế vòng vây ngăn nước trong thi công móng

Trong ngành xây dựng cơ bản nói chung và xây dựng cầu nói riêng, khối lượng cũng như thời gian thi công của kết cấu phần dưới ( nền móng) chiếm tỉ trọng rất lớn (khoảng 20% tổng giá trị công trình). Việc thi công nền móng công trình Cầu thường rất khó khăn vì điều kiện địa chất, thủy văn trong khu vực thi công thường rất phức tạp. Một trong những trở ngại rất lớn là thi công trong điều kiện nước mặt. Để khắc phục khó khăn đó, dùng vòng vây để ngăn nước, chống đõ thành hố móng trong quá trình thi công móng. Tuy nhiên, tùy thuộc vào vị trí móng, độ sâu của nước mặt có thể sử dụng các loại vòng vây khác nhau.

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong ngành xây dựng cơ bản nói chung và xây dựng cầu nói riêng, khối lượng cũng như thời gian thi công của kết cấu phần dưới ( nền móng) chiếm tỉ trọng rất lớn (khoảng 20% tổng giá trị công trình) Việc thi công nền móng công trình Cầu thường rất khó khăn vì điều kiện địa chất, thủy văn trong khu vực thi công thường rất phức tạp Một trong những trở ngại rất lớn là thi công trong điều kiện nước mặt Để khắc phục khó khăn đó, dùng vòng vây để ngăn nước, chống đõ thành hố móng trong quá trình thi công móng Tuy nhiên, tùy thuộc vào vị trí móng, độ sâu của nước mặt có thể sử dụng các loại vòng vây khác nhau

Ngoài ra, khi lựa chọn loại vòng vây sao cho kinh tế nhất và thuận lợi nhất cho từng điều kiện cụ thể của đơn vị thi công

II MỘT SỐ LOẠI VÒNG VÂY NGĂN NƯỚC TRONG THI CÔNG MÓNG

1 Phân loại, cấu tạo và phạm vi áp dụng

03 phía nếu như hố móng nằm gần bờ

- Loại vòng vây này có thể sử dụng các loại đất ít thấm hoặc không thấm nước, như sét, á sét nặng hoặc các loại cát, á cát Nếu là đất sét thì phải đắp vào mùa khô nước, đồng thời phải đầm chặt từng lớp

- Để chống xói vòng vây ta phải đắp với ta luy thoải hoặc gia cố thêm các loại vật liệu chống xói khác như đá, sỏi…

MNTC

1: 3;

1: 5

ĐÊt

Đá hộc

Lớp đất sét

Lừi sột MNTC

c Vũng võy bao tải đất:

- Sử dụng đất khụ cho vào bao tải, sau đú đem ra khu vực cần đắp đểp xếp thành vũng võy ngăn nước Khi gặp nước đất sẽ ngậm nước trương nở để bịt kớn khe hở chống xúi thấm nước

- Cỏc loại bao tải phải xếp sole theo hàng theo lớp

1.2 Vũng võy đất kết hợp với cọc vỏn gỗ:

a Cấu tạo và phạm vi ỏp dụng:

d/3

võy, gõy cản trở giao thụng trờn sụng Cho nờn ta cú thể sử dụng loại vũng võy đất kết hợp cọc vỏn gỗ.

- Tuỳ theo độ sõu mực nước và tốc độ dũng chảy, ta cú thể lựa chọn một trong hai loại vũng võy hỗn hợp dưới đõy

b Phõn loại vũng võy:

- Mặt đỉnh vũng võy rộng tối thiểu 0,5m

- Hố múng đào sõu tối đa khoảng 4m

Cọc ván gỗ MNTC

Đất

* Vũng võy đất cú 2 lớp cọc vỏn gỗ:

- Để giảm nhỏ kớch thước vũng võy hơn nữa ta cú thể dựng thờm lớp cọc vỏn thứ 2 ở ngoài để thay thế cho mỏi dốc tự nhiờn Khi đú đất chỉ phải đắp ở giữa hai hàng cọc vỏn, cỏch nhau một khoảng khụng nhỏ hơn 1,5-2m, thụng thường b=(0,5-1,0)hn, - bề rộng hai lớp cọc ván nhưng khụng được nhỏ quỏ (0,4-0,6)H, H- chiều cao tính từ chân cọc đến đỉnh

Một số loại tiết diện cọc ván thép

- Bản thân cọc ván được chế tạo bằng loại vật liệu có cường độ cao (thép), khớp mộng chặt chẽ nên ngăn được sự thâm nhập của nước, đồng thời có khả năng đóng sâu vào trong hầu

Cọc ván thép Khung định vị

Văng chống

Mặt bằng múng sử dụng vũng võy cọc vỏn thộp b.1 Vũng võy cọc vỏn đơn:

- Vũng võy cọc vỏn đơn thường chỉ sử dụng khi chiều cao cột nước thấp và hố múng đào nụng Trường hợp mực nước cao hơn, cọc vỏn đơn vẫn cú thể chịu được nếu như để một thềm đất bờn lề hố múng

Tuy nhiờn, khụng vỡ thế mà đắp đất bờn lề trong để tạo ra một con trạch cao hơn lũng sụng làm đối trọng với ỏp lực nước bờn ngoài Như vậy cú thể làm vũng võy mất ổn định theo chiều ngược lại khi mực nước hạ xuống đột ngột

- Để tăng cường khả năng làm việc của cọc vỏn thộp đơn ta cú thể tăng cường thờm bằng cỏc tầng văng chống ngang, cú thể dựng một hoặc nhiều tầng văng chống ngang, phụ thuộc vào chiều cao cột nước và chiều sõu đỏy hố múng

- Nếu có hiện tượng rò rỉ nước nhiều, có thể thêm đất vào trong lòng hai lớp cọc ván để kéo dài đường thấm.

Cấu tạo vòng vây cọc ván thép kép

1.4 Vòng vây cọc ván BTCT:

- Vật liệu sử dụng để chế tạo cọc bán BTCT chủ yếu là bêtông, khi cấn thiết ta mới

cho thêm cốt thép để tăng cường độ làm việc chịu uốn của cọc ván

- Loại vòng vây này thường chỉ sử dụng để thi công móng trong trường hợp tường cọc ván được dùng kết hợp là một bộ phận của công trình Cho nên rất ít được dùng làm vòng vây tạm thời trong thi công móng cầu vì kích thước tiết diện ngang lớn, nặng.Bên cạnh

đó có ưu điểm là tận dụng được vật liệu địa phương

1.5 Vòng vây thùng chụp:

a Cấu tạo:

- Đó là các loại vòng vây chế tạo sẵn bằng gỗ, thép, bêtông cốt thép, có độ cao đảm bảo cho việc thi công, thông thường thì phải cao hơn ít nhất 0,7m so với mực nước thi công (những nơi có sóng lớn thì có thể khác)

- Cũng có thể dùng kết hợp với tường cọc ván để giảm bớt khối lượng của thùng chụp khi sử dụng ở mức nước sâu

b Phạm vi sử dụng:

- Thùng chụp được sử dụng chủ yếu ở những nơi mà cọc ván thép sử dụng không hiệu quả như khi gặp nền đá cứng không đóng được cọc ván, hoặc những nới có sóng lớn, nước sâu…

Sau đây giới thiệu một số loại thùng chụp được sử dụng trong thi công móng mố trụ cầu:

+ Thùng chụp bằng gỗ;

+ Thùng chụp bằng thép:

- Vòn vây nổi di động

- Vũng võy phao KC

+ Thựng chụp bằng bờtụng cốt thộp

Ngoài ra cũn cú 2 loại thựng chụp sau:

+ Nếu khoảng cỏch từ đỏy sụng đến bệ múng lớn thỡ sử dụng thựng chụp cú đỏy (bằng thộp hoặc gỗ)

+ Trường hợp khoảng cỏch này khụng lớn lắm thỡ cú thể dựng lọai thựng chụp khụng đỏy

Lớp cát lót tạo phẳng Lớp bêtông bịt đáy

Kết cấu thùng chụp

MNTC

Kết cấu thựng chụp khụng đỏy

- Muốn thi công phải có loại búa rung tải trọng lớn hơn loại vòng vây cọc ván thép

- Loại này thường ít sử dụng ở nước ta, nhưng có thể gặp ở công trình cầu Thanh Trì.Dưới đây là cấu tạo mối nối giữa hai ống thép và vòng vây:

Mèi nèi èng

thÐp

Cấu tạo vũng võy cọc ống thộp.

2 Thiết kế tớnh túan vũng võy

2.1 Tính toán vòng vây cọc ván thép

Nội dung tính toán vòng vây cọc ván thép bao gồm :

• Tính chiều dày lớp bêtông bịt đáy

• Điều kiện thông thuyền trên sông

• Điều kiện cung ứng vật t và thiết bị thi công

và chiều cao bệ móng Cao độ đỉnh vòng vây phải cao hơn mực nớc thi công tối thiểu 0,7 m

Khoảng cách các tầng vành đai xác định căn cứ vào khả năng chịu lực của cọc ván thép

Cao độ của chân cọc ván thép quyết định phụ thuộc vào mức xói cục bộ , điều kiện địa chất lòng sông và tối thiểu phải thấp hơn đờng xói cục bộ 2m

c) Tải trọng tính toán

• Chủ yếu là tải trọng ngang

• Nếu có máy móc , thiết bị thi công trên sàn công tác thì phải tính thêm trọng lợng bản thân các thiết bị đó

• Tính toán thờng theo 2 giai đoạn thi công :

+ Giai đoạn 1 : vòng vây đã hạ đến đáy sông, nhng cha đổ bê tông bịt

đáy

+ Giai đoạn 2 : vòng vây hạ đén cao độ thiết kế , đổ xong bê tông bịt đáy

và tiến hành hút nớc trong vòng vâyTuỳ thuộc điều kiện cụ thể chọn tổ hợp tính toán bất lợi nhất từ các lực sau :

1- áp lực thuỷ tĩnh :

h

Pn= γ ì

2- áp lực thuỷ động :

Lực xung kích của nứơc chảy bình quân :

g

mv K K

P n bq

2

2 2 1

+ Vòng vây hình tròn hoặc elíp : K2 = 0,73

m : khối lọng riêng của nớc : m=1,0

v : vận tốc dòng nứơc

g : gia tốc trọng trờng

3- áp lực ngang của đất

+ nc: hệ số áp lực chủ động của đất , lấy bằng 1,2

+ γdn : dung trọng đẩy nổi của đất

+ ε hệ số rỗng của đất

+ γ0trọng lợng đơn vị của đất , lấy bằng 2,7 T/m3

+ γndung trọng của nớc , lấy bằng 1 T/m3

d

h chiều cao cột đất , gây áp lực chủ động

+ ϕ góc nội ma sát của đất

Hợp lực của áp lực chủ động :

c d

c d

c

d P h E

d dn b

b d

D e K

+ ω10 : tốc độ gió ở cao độ bình quân 10m trên mặt sóng

+ D : chiều dài gió thổi

5- Lực gió

kC q

1 Tính chiều dày lớp bêtông bịt đáy

Trờng hợp 1 : Xét toàn bộ vòng vây chịu tác dụng của lực đẩy nổi

Lực đẩy nổi : P n HFγ

d =

+ H : chiều sâu cột nớc tính từ đáy lớp bêtông bịt đáy đến mực nớc thi công + F : diện tích chịu tác dụng của lực đẩy nổi , tính theo đòng tim vòng vây+ γ : dung trọng của nớc

+ Ftx : diện tích tiếp xúc giữa mặt bên của một cọc với bê tông bịt đáy, m2;+ f1 : lực ma sát đơn vị giữa cọc bê tông và bê tông bịt đáy, lấy bằng 6T/ m2.

• Lực ma sát giứa chân cọc ván thép và đất (P3):

P3 = C.h.f2

Trong đó:

+ C - chu vi vòng vây , tính theo đờng tim cọc ván thép, m ;

+ h - chiều sâu ngập đất của cọc ván thép, m;

+ f2 -lực ma sát đơn vị của đất trong phạm vi cắm cọc ván thép (T/ m2)

Trờng hợp 2: tách 1 dải bê tông bịt đáy rộng 1 m dọc theo đờng tim trụ theo hớng

th-ợng- hạ lu, và coi nó nh dầm một đầu ngàm tại tim hàng cọc biên, còn một đầu hẫng tại chỗ tiếp giáp với cọc ván thép

TảI trọng tác dụng lên dầm bao gồm:

• Trọng lợng bản thân của bê tông bịt đáylà tải trọng phân bố đều:

M H

q1 = γb. b 1 (T/ m)Trong đó:

+ .H b :chiều dầy dự kiến của lớp bê tông bịt đáy, m;

+ γb : dung trọng của bê tông bịt đáy, lấy bằng 2,3 T/ m3 ;

+ 1 M : bề rộng của dải bê tông bịt đáy tách ra

+ áp lực đẩy của nớc: q2 = -γH.1M (T/ m)

+ γ : dung trọng của nớc bằng 1 T/ m3

+ H : chiều sâu cột nớc từ đáy lớp bê tông bịt đáy đến mực nớc thi công

ở đầu hẫng của dầm chịu một lực tập trung P do có lực ma sát với cọc ván thép

P = bhbf3

Trong đó:

+ b bề rộng dảI bê tông bịt đáy tách ra lấy bằng 1m

+ hb chiều dầy bê tông bịt đáy

+ f3 lực ma sát đơn vị giữa bê tông bịt đáy và cọc ván thép

lấy bằng 3,5 – 4 T/ m2

Sơ đồ tính toán :

Nội lực phát sinh trong dầm:

Pl l q q

M m = 2− 1 2−

ã

2

)(

Mômen kháng uốn của dầm:

Từ 2 trờng hợp tính toán trên sẽ xác định đợc chiều dầy bê tông bịt đáy cần thiết

2 Tính ổn định chống lật của tờng cọc ván

xét giai đoạn trớc khi đổ bêtông bịt đáy với giả thiết :

+ Lòng sông bị xói đến đờng xói cục bộ

trên các gối tựa là các điểm tỳ của CVT vào vành đai và một gối tựa vào lớp bê tông bịt đáy tại điểm cách mặt bê tông 0,5m

• Tải trọng tác dụng lên tờng cọc ván là tổ hợp lực bất lợi nhất của các lực ngang

Từ sơ đồ kết cấu và sơ đồ tải trọng xác định đợc các mômen Mi, và các phản lực gối tựa Ri Đối chiếu nội lực phát sinh trong CVT với khả năng chịu lực của CVT sẽ khẳng định đợc CVT có đảm bảo điều kiện độ bền hay không

Trong đó :

+ R : hợp lực của các lực ngang tác dụng vào hệ khung chống

+ n: số lợng cột chống

+ k : hệ số phân phối không bằng nhau , lấy bằng 1,15-1,25

Cột chống đợc tính theo sơ đồ cọc đơn chịu lực ngang

• Trờng hợp nền đất tốt thì cột chống đợc tính với sơ đồ một thanh chịu lực ngang tập trung với đầu trên tự do , còn đầu dới đợc ngàm ở điểm cách đờng xói lở cục bộ

đoạn (5-7)d, với d là đờng kính hoặc cạnh của cột chống

Môment phát sinh lớn nhất trong cột :

M=P(H+t)Trong đó :

+ P-lực ngang tác dụng vào cột chống

+ H-khoảng cách từ điểm đặt của lực ngang đến đờng xói cục bộ

+ t-khoảng cách từ đờng xói lở cục bộ đến điẻm ngàm cột chống : ( 5 ữ 7 )d

• Trờng hợp nền đất ở trạng tháI dẻo mềm thì môment phát sinh trong cột chống đợc xác định theo công thức :

=

md

P H

P M

3 '

h H

mdh P

3

h H

mdh P

+

=

2.2 Tính toán thùng chụp

a) Sơ đồ hình dạng và kích thớc cơ bản của thùng chụp

+ Kích thớc của thùng chụp trên mặt bằng đợc xác định từ kích thớc của bệ móng Để xét đến điều kiện thi công , phảI đảm bảo khoảng cách từ mép bệ móng đến chân thùng chụp không nhỏ hơn 0,75-1,0 m

+ Kích thớc của thùng chụp trên mặt đứng đợc xác định từ điều kiện xói lở lòng sông

và mực nớc thi công Cao độ đỉnh thùng chụp phảI cao hơn mực nứoc thi công không ít hơn 0,7 m

b) Nội dung tính toán thùng chụp

Cũng nh vòng vây cọc ván thép , tải trọng tác dụng vào thùng chụp chủ yếu là các loại lực ngang , bao gồm :

Tính toán thùng chụp theo các giai đoạn thi công :

Giai đoạn 1: thùng chụp đã hạ đến đáy sông, nhng cha đổ bêtông bịt đáy

Giai doạn 2 :thùng chụp đã hạ đến đáy sông, đổ xong bêtông bịt đáy, và hút nớc thi

công

Các nội dung tính toán thùng chụp :

+ Tính xói cục bộ

+ Tính toán kết cấu vỏ thùng chụp

+ Tính toán khung chhịu lực chính

+ Tính toán hệ cọc chống

+ Tính chiều dày lớp bêtông bịt đáy

1 Tính xói cục bộ :

Căn cứ hình dạng thùng chụp , tình hình địa chất thuỷ văn tại nơi xây dựng công trình

để tính chiều sâu xói cục bộ Từ đó quyết định chiều cao thùng chụp

Công thức tính xói cục bộ

K K B V V h

−+

=Trong đó :

ω

χ

x V

H h

0 0

2,6

=

χ-hệ số phụ thuộc chiều sâu nớc và kích thớc thùng chụp

d H

V0x = 3 , 6

d-đòng kính của hạt đất đáy sông

Kđ -hệ số phụ thuộc hình dạng trụ

K-hệ số phụ thuộc góc xiên giữa dòng chảy và thùng chụp nếu góc xiên α ≤ 10 thì K=1,0

H- chiều sâu nớc

ω-hệ số phụ thuộc vào đờng kính của hat đất đáy sông

B- bề rộng trụ

2 Tính toán kết cấu vỏ thùng chụp

H

γ

Sơ đồ tải trọng tác dụng lên vỏ thùng chụp

Kiểm tra ứng suất vỏ thùng chụp theo công thức :

W

M

=

σTrong đó :

+ M-môment phát sinh lớn nhất trong vỏ do áp lực thuỷ tĩnh gây nên

+ W-môment chống uốn của tiết diện vỏ

Có thể tính W cho 1m chiều rộng vỏ hoặc tính theo một phần tiết diện nh hình vẽ

Y1 , y2 -khoảng cách cách từ trục trung hoà tới các mép trên và dói tiết diện

Kiểm tra mối hàn liên kết sờn và vỏ theo công thức :

j

QS c

= τ

Trong đó :

+ Q-lực cắt lớn nhất phát sinh trong vỏ

+ Sc –môment tĩnh của vỏ đối với trục trung trung hoà

+ j -moment quán tính của tiết diện

Trong trờng hợp kết cấu sờn tơng đối tha , cần kiểm toán ứng suất của vỏ nh bản kê 4 cạnh

Trong giai đoạn đổ bêtông bịt đáy cần kiểm tra ứng suất phát sinh trong vỏ thùng chụp với áp lực ngang của bêtông tác dụng lên vỏ xác định theo công thức :

2.3 Tính toán vòng vây đất

Tính toán vòng vây đất gồm 2 phần chính : tính ổn định chống trợt và tính lợng nớc thấm vào hố móng

h

W =γ

áp lực động :

+ G -trọng lợng 1 m đập

+ f -hệ số ma sát giữa đất đắp đập và đáy sông f=0,5-0,3

b) Tính lợng nớc thấm qua 1m chu vi của vòng vây

L

h k

o kφ :hệ số thấm của đất đắp đập

γTnh toán vòng vây cọc ván gỗ đơn tơng tự tính cọc ván có nhiều tầng chống

Cọc ván đợc coi nh dầm liên tục chịu tác dụng của áp lực nớc , đất , có gối tựa là các tầng thanh chống ngang , chân cọc coi nh khớp hay ngàm tuỳ thuộc tính chất của đất Nếu đất rời rạc hay dẻo nhão coi nh khớp ở độ sâu 1/2h-1/3 h , nếu đất chặt hay cứng coi nh ngàm cũng ở độ sâu trên

Tính toán theo các giai đoạn thi công : ví dụ nh hình vẽ bên thì theo các giai đoạn :

Giai đoạn 1: hút nớc và đào đất thấp hơn tầng chống 1 đợc 0,75-1m

Giai đoạn 2:đặt tầng chống 1 , hút nớc và đào thấp hơn tầng chống 2 từ 0,75-1 m

Giai đoạn 3 : đặt tầng chống 2, hút nớc và đào thấp hơn tầng chống 3từ 0,75 -1 m Giai đoạn 4: đặt tầng chống 3 hút nớc và đào đến độ sâu thiết kế

2.5 Tính toán vòng vây gỗ kép

2 /

E= γ

Tnh toán vòng vây cọc ván gỗ kép theo 2 trờng hợp chịu tảI trọng tác dụng :

+ trớc khi hút nởc ra khỏi hố móng , hai tờng cọc ván trong và ngoài chịu tác dụng của áp lực đất đắp ( Dùng γDN ) , còn áp lực nớc trong và ngoài tờng cân băng nhau

+ Sau khi hút nớc ra khỏi hố móng : tờng chịu áp lực nớc từ phía ngoài Cả 2 tờng đều chịu áp lực đất đắp và áp lực nớc trong đất đắp do nớc ngấm qua cọc ván vào :

n d

3 Trình tự thi công vòng vây

Phương pháp thi công Vòng Vây bằng đất

Đo đạc, định vị vòng vây

Vận chuyển đất đến để đắp

Đắp đất (theo phương pháp đắp lấn dần từ bờ)

Gia cố mái taluy bằng đá hộc, bao tải đất (nếu cần)

Hoàn thiện vòng vây

Phương pháp thi công Vòng Vây bằng đá hộc

Đo đạc, định vị vòng vây

Vận chuyển đá hộc

Xếp đá hộc (theo phương pháp lấn dần từ bờ)

Thi công lớp ngăn nước bằng đất sét

Hoàn thiện vòng vây

Phương pháp thi công Vòng Vây bằng cọc ván gỗ kết hợp đắp đất.

Phương pháp thi công Vòng Vây bằng cọc ván Thép

Đo đạc, định vị vòng vây

Lắp hệ khung định vị

Lắp văng chống ngang (nếu cần)

Hoàn thiện vòng vây Đóng cọc ván Thép

Phương pháp thi công Vòng Vây bằng cọc Ống Thép

Đo đạc, định vị vòng vây

Lắp hệ khung định vị

Lắp văng chống ngang (nếu cần)

Bơm vữa mối nối

Hạ cọc Ống Thép

Hoàn thiện vòng vây

Phương pháp thi công Thùng chụp không đáy

Đo đạc, định vị Thùng chụp

Lắp hệ khung định vị

Hạ Thùng chụp Thi công lớp đệm

Hoàn thiện vòng vây