“Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ những đoạn sông lớn trong các khu đô thị vùng đồng bằng”

LỜI CẢM ƠN Trong khuôn khổ hạn chế của luận văn, với những kết quả còn rất khiêm tốn trong việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ những đoạn s

LỜI CẢM ƠN

Trong khuôn khổ hạn chế của luận văn, với những kết quả còn rất khiêm tốn trong việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ những đoạn sông lớn trong các khu đô thị vùng đồng bằng” , tác giả luận văn hy vọng đóng góp một phần nhỏ bé phục vụ thực tế cho lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế và thi công xây dựng các công trình kè những bờ sông lớn ở những vùng địa chất yếu đang phát triển mạnh mẽ ở nước ta

Tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo - TS Lê Xuân Khâm đã tận tình giúp đỡ, cho nhiều nhận xét, cách tiếp cận những kiến thức mới

và hướng giải quyết để hoàn thiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong Bộ môn thuỷ công, thi công, cơ học đất, Khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện thuỷ điện và Năng lượng tái tạo - Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về các tài liệu, thông tin khoa học kỹ thuật và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bài luận văn

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn

Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành Tác giả mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển và nghiên cứu sâu hơn góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất

Hà nội, 28 tháng 02 năm 2012

Tác giả

Lê Trọng Dũng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết và ý nghĩa thực của đề tài 1

2 Mục tiêu của luận văn 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 3

4 Nội dung của luận văn 3

5 Những đóng góp của luận văn 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC LOẠI KẾT CẤU BẢO VỆ BỜ SÔNG 5

1.1 Vai trò của các loại công trình bảo vệ bờ 5

1.2 Các loại công trình bảo vệ bờ sông ở Việt Nam và Thế Giới 6

1.2.1 Tình hình sạt lở bờ sông ở Việt Nam 6

1.2.2 Các loại công trình bảo vệ bờ sông ở Việt Nam 9

1.2.3 Các loại công trình bảo vệ bờ trên Thế Giới 12

1.3 Cừ ván bê tông cốt thép dự ứng lực 14

1.3.1 Giới thiệu 14

1.3.2 Các đặc trưng cơ lý của cọc ván BTCT DƯL: 15

1.3.3 Các đặc tính kỹ thuật, kích thước tiêu chuẩn của các loại cừ 20

1.4 Ý nghĩa của việc nghiên cứu 24

1.5 Kết luận chương I 24

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU BẢO VỆ BỜ BẰNG MÀN CỪ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 25

2.1 Đặc điểm chịu lực của màn cừ bê tông dự ứng lực 25

2.2 Các ngoại lực tác dụng 25

2.2.1 Áp lực đất 25

2.2.2 Áp lực nước 37

2.2.3 Lực neo 38

2.2.4 Ảnh hưởng của chuyển vị thân tường cừ đối với áp lực đất 39

2.3 Phương pháp tính toán tường cừ bản BTCT DƯL 40

2.3.1 Tài liệu và các bước tính toán 40

2.3.2 Các giả thuyết tính toán xác định nội lực và chiều dài cừ 41

2.3.3 Tính kết cấu tường cừ BTCT DƯL kiểu không có neo (Conson) 41

2.3.4 Tính kết cấu tường cừ BTCT DƯL kiểu có neo 48

2.3.5 Thiết kế cừ bản BTCT DƯL 52

2.3.6 Thiết kế thanh neo, bộ phận giữ neo 52

2.3.7 Kiểm tra ổn định của tường cừ và đất nền 54

2.3.8 Kết luận 58

2.4 Lựa chọn phần mềm tính toán 58

2.4.1 Giới thiệu mô hình tính toán để giải quyết bài toán nghiên cứu 59

2.4.2 Cơ sở lý thuyết của phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 60

2.5 Kết luận chương II 74

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÀN CỪ BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC CHO MỘT CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 76

3.1 Mô tả dự án 76

3.1.1 Địa điểm đầu tư: 76

3.1.2 Mục tiêu đầu tư: 79

3.1.3 Quy mô đầu tư 79

3.1.4 Đặc điểm địa hình địa mạo 80

3.1.5 Đặc điểm khí hậu 80

3.1.6 Đặc điểm điểm địa chất công trình 82

3.1.7 Lựa chọn các giải pháp thiết kế 84

3.2 Các thông số tính toán 86

3.2.1 Số liệu địa chất công trình 86

3.2.2 Thông số tính toán của cừ bản BTCT DƯL và hệ số tương tác R inter 86 3.3 Mô hình toán khi dùng màn cừ bê tông cốt thép dự ứng lực 86

3.3.1 Sơ đồ tính toán 86

3.3.2 Trường hợp tính toán 90

3.3.3 Các giả thiết, mô hình hoá trong tính 90

3.3.4 Các giai đoạn thi công công trình tường Cừ bản BTCT DƯL 90

3.3.5 Tính toán kết cấu neo kè theo sơ đồ 1 107

3.3.6 Tính toán kinh tế sơ bộ 2 phương án ( tính cho 1km kè) 109

3.4 Phân tích, đánh giá kết quả tính toán 112

3.5 Kết luận chương III .113

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114

1 Kết luận 114

1.1 Các nội dung đạt được trong luận văn 114

1.2 Các tồn tại và hạn chế 115

2 Kiến nghị 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

Tiếng Việt 116

Tiếng Anh 117

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sạt lở bờ tả sông Hồng khu vực Ngọc Thuỵ - Long Biên - Hà Nội 7

Hình 1.2 Sạt lở bờ hữu sông Đuống khu vực Sen Hồ 7

Hình 1.3 Sạt lờ bờ sông Mã đoạn quốc lộ 217 (xã Cẩm Vân, huyện Cẩm Thủy) 8

Hình 1.4 Sạt lở bờ hữu sông Thạch Hãn ở xã Hải Lệ - Quảng Trị 8

Hình 1.5 Sạt lở bờ sông Tiền huyện Hồng Ngự, Đồng Tháp 8

Hình 1.6 Sạt lở bờ sông Hậu – QL 91 đi qua An Giang 8

Hình 1.7 Kè tường đứng bằng tường BTCT bản chống trên sông Hồng – Lào Cai 9 Hình 1.8 Kè sông Sài Gòn - xã Tam Thôn Hiệp, huyện Cần Giờ, Tp.HCM 9

Hình 1.9 Trồng cỏ Vetiver bảo vệ bờ Kênh Bảy, tỉnh An Giang 9

Hình 1.10 Trồng lá dừa nước bảo vệ bờ, bảo vệ đê bao ở tỉnh Bến Tre 9

Hình 1.11 Mái kè bằng đá lát khan không có khung ô 10

Hình 1.12 Mái kè bằng đá xếp khan trong khung ô 10

Hình 1.13 Mái kè bằng đá xây chít mạch 10

Hình 1.14 Mái kè mảng bêtông đổ tại chỗ 10

Hình 1.15 Mái kè Dương Hà – sông Đuống bằng tấm BT hình vuông đơn giản 10

Hình 1.16 Mái kè phần không ngập trồng cỏ trong khung ô thanh BTCT 10

Hình 1.27 Mái kè bằng rọ đá ở Kiên Giang 11

Hình 1.18 Mái kè lát mái bằng thảm tấm bêtông móc thép khu vực Linh Chiểu – sông Hồng – Hà Nội 11

Hình 1.19 Mái kè bằng thảm bêtông FS ở khu vực thị xã Rạch Giá - Kiên Giang 11 Hình 1.20 Mái kè bằng thảm BT tự chèn lưới thép P.Đ.TAC - M - TP Hồ Chí Minh 11

Hình 1.21 Kè tường đứng bằng đá xây khu hành chính huyện Vị Thủy, Hậu Giang 11

Hình 1.22 Kè Bãi Vàng – Long Xuyên tường đứng BTCT bản chống 11

Hình 1.23 Kè bờ Bắc sông Ba (Đà Rằng) kết cấu cọc, bản BTCT có neo 12

Hình 1.24 Kè khu biệt thự An Phú, Tp.HCM kết cấu cọc, bản BTCT có neo 12

Hình 1.25 Kè Rạch Giá, Kiên Giang bằng Cừ bê tông dự ứng lực 12

Hình 1.26 Kè bờ sông thị xã Bạc Liêu bằng Cừ bê tông dự ứng lực 12

Hình 1.27 Kè mái nghiêng tấm bê tông lục lăng - kết hợp trồng cỏ- Trung Quốc 13 Hình 1.28 Kè tường đứng – Trung Quốc 13

Hình 1.29 Cừ bê tông cốt thép dự ứng lực- Nhật Bản 13

Hình 1.30 Kè bờ sông Kamo – Tokyo- Nhật Bản 13

Hình 1.31 Chế tạo cừ ván tại nhà máy 16

Hình 1.32 Thi công cọc ván BTCT dự ứng lực 17

bằng phương pháp xói nước kết hợp búa rung 17

Hình 1.33 Cấu tạo của vật liệu kín nước tại khớp nối của Cừ 17

Hình 1.34 Mặt cắt ngang thân và mặt cắt đỉnh các loại cừ BTCT DƯL 20

Hình 2.1 Quan hệ giữa áp lực đất với chuyển vị của tường[5] 26

Hình 2.2 Vòng tròn Mohr ứng suất ở điều kiện cân bằng giới hạn[5] 27

Hình 2.3 Trạng thái bị động và chủ động Rankine[5] 28

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán áp lực chủ động và điểm đặt theo Rankine[5] 30

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán áp lực bị động và điểm đặt theo Rankine[5] 32

Hình 2.6 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất rời theo Coulomb[5] 33

Hình 2.7 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất dính theo Coulomb[5] 34

Hình 2.8 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất theo đồ giải[5] 34

Hình 2.9 Sơ đồ tính áp lực bị động theo Coulomb[5] 35

Hình 2.10 Tính áp lực đất khi mặt đất lấp chéo nghiêng[5] 36

Hình 2.11 Tính áp lực đất nghĩ khi mặt đất ngang, lưng tường đứng[4] 37

Hình 2.12 Bố trí lực neo tường cừ chắn đất[11] 38

Hình 2.13 Biến đổi khác nhau của thân tường gây ra sực khác nhau về áp lực đất 39 Hình 2.14 Sơ đồ chuyển dịch tường cừ dạng conson và phân bố áp lực đất[11] 42

Hình 2.15 Tính tường cừ bản conson bằng phương pháp cân bằng tĩnh[11] 43

Hình 2.16 Tính tường cừ bản conson bằng phương pháp H.Blum[11] 46

Hình 2.17 Đồ thị tính theo H.Blum[11] 47

Hình 2.18 Sơ đồ phân bố áp lực đất, mômen và biến dạng của tường cừ bản với các độ sâu cắm vào trong đất khác nhau[11] 48

Hình 2.19 Sơ đồ phân tính toán cừ bản có neo theo phương pháp cân bằng[11] 50

Hình 2.20 Sơ đồ tính toán theo phương pháp dầm đẳng trị[11] 51

Hình 2.21 Sơ đồ tính chiều dài thanh neo[7] 53

Hình 2.22 Sơ đồ tính toán ổn định lật tường cừ[11] 54

Hình 2.23 Sơ đồ tính toán ổn định trượt phẳng tường cừ[11] 56

Hình 2.24 Sơ đồ tính toán ổn định trượt cung tròn[11] 57

Hình 2.25 Mặt chảy dẻo Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính 71

Hình 2.26 Quan hệ ứng suất-biến dạng đàn dẻo lý tưởng 73

Hình 2.27 Quan hệ hyperbol giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm 3 trục chuẩn có thoát nước 73

Hình 2.28 Mặt chảy dẻo của mô hình HS trong mặt phẳng p-q 74

Hình 2.29 Các đường đồng mức chảy dẻo của mô hình HS trong không gian ứng suất chính 74

Hình 3.1 Bản đồ định hướng quy hoạch lập dự án[8] 77

Hình 3.2 Bản đồ hiện trạng vị trí dự án[8] 78

Hình 3.3 Bố trí mặt cắt ngang phương án kè thẳng đứng[8] 88

Hình 3.4 Bố trí mặt cắt ngang phương án kè thẳng đứng kết hợp mái nghiêng[8] 89 Hình 3.5 Thi công giai đoạn 1 sơ đồ 1 91

Hình 3.6 Thi công giai đoạn 2 sơ đồ 1 91

Hình 3.7 Thi công giai đoạn 3 sơ đồ 1 92

Hình 3.8 Thi công giai đoạn 4 sơ đồ 1 92

Hình 3.9 Quan hệ giữa chiều dài và Mmax ứng với các trường hợp Hneo 95

Hình 3.10 Quan hệ giữa Hneo và Mmax ứng với các trường hợp L 95

Hình 3.11 Sơ đồ chia lưới phần tử và điều kiện biên của bài toán sơ đồ 1 97

Hình 3.12 Lưới biến dạng tổng thể sơ đồ 1 98

Hình 3.13 Chuyển vị tổng thể của cừ bản sơ đồ 1 98

Hình 3.14 Biểu đồ mômen của cừ sơ đồ 1 99

Hình 3.15 Lưới biến dạng tổng thể của bài toán ổn định sơ đồ 1 99

Hình 3.16 Sự hình thành các cung trượt nguy hiểm sơ đồ 1 100

Hình 3.17 Quan hệ chuyển vị với hệ số ổn định Kminmin sơ đồ 1 100

Hình 3.18 Thi công giai đoạn 1 sơ đồ 2 101

Hình 3.19 Thi công giai đoạn 2 sơ đồ 2 101

Hình 3.20 Thi công giai đoạn 3 sơ đồ 2 102

Hình 3.21 Lưới biến dạng tổng thể sơ đồ 2 104

Hình 3.22 Chuyển vị tổng thể của cừ bản sơ đồ 2 104

Hình 3.23 Biểu đồ mômen của cừ sơ đồ 1 105

Hình 3.24 Lưới biến dạng tổng thể của bài toán ổn định sơ đồ 2 105

Hình 3.25 Sự hình thành các cung trượt nguy hiểm sơ đồ 2 106

Hình3.26 Quan hệ chuyển vị với hệ số ổn định Kminmin sơ đồ 2 106

Hình3.27 Mặt bằng bố trí neo cho một nhịp tường neo 107

Hình 3.28 Sơ đồ lực tác dụng lên tường neo 108

DANH MỤC BẢNG BIỂU

B ảng 1.1 Kích thước hình học mặt cắt ngang thân và mặt cắt đỉnh các loại cừ 21

B ảng 1.2 Các đặc trưng hình học của mặt cắt ngang các loại Cừ BTCT DƯL 21

B ảng 1.3 Các thông số kỹ thuật của các loại cừ BTCT DƯL được chế tạo sẵn 22

B ảng 1.4 Trọng lượng bản thân của các loại cừ BTCT DƯL được chế tạo sẵn 23

Bảng 3.1: Tổng hợp chỉ tiêu đất đắp và đất nền bờ Tả 83

Bảng 3.2 Giá trị hệ số tương tác Rinter áp dụng cho các lớp đất 86

Bảng 3.3 Kết quả tính toán chiều dài cừ theo sơ đồ 1 92

Bảng 3.4 Kết quả tính toán xác định chiều dài cừ và điểm đặt neo trên hệ thống tường cừ theo sơ đồ 1 94

Bảng 3.5 Thông số tính toán của cừ bản BTCT DƯL W600B 97

Bảng 3.6 Kết quả tính toán với phương án cừ W600B 97

Bảng 3.7 Kết quả tính toán chiều dài cừ theo sơ đồ 2 102

Bảng 3.8 Thông số tính toán của cừ bản BTCT DƯL 103

Bảng 3.9 Kết quả tính toán với phương án cừ W400A 103

Bảng 3.10 Kết quả tính toán kinh tế cho 2 phương án 111

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết và ý nghĩa thực của đề tài

Cùng với lũ lụt, bão lốc, sạt lở bờ sông đang là một vấn đề lớn bức xúc của nhiều nước trên thế giới Sạt lở bờ sông là một qui luật tự nhiên nhưng gây thiệt hại nặng nề cho các hoạt động dân sinh kinh tế vùng ven sông như gây mất đất nông nghiệp, hư hỏng nhà cửa, chết người, thậm chí có thể huỷ hoại toàn bộ một khu dân cư, đô thị Ở Mỹ năm 1981 đã ước tính trong tổng số hơn 5,63 triệu km chiều dài sông suối ở nước này thì đã có khoảng 925.000 km đường bị sạt lở (chiếm 16%)[1] Ở Việt Nam sạt lở bờ sông ở vùng hạ lưu hệ thống sông Hồng, sông Nhuệ, sông Thái Bình, hệ thống sông ngòi Miền Trung và đồng bằng sông Cửu Long, vì dòng sông mang nhiều bùn cát lại chảy trên một nền bồi tích rất dễ xói, bồi nên quá trình xói lở - bồi đọng diễn ra liên tục theo thời gian và không gian Một trong những vấn đề mang tính thách thức nhất đối với việc quản lý môi trường

tự nhiên hiện nay là việc nghiên cứu ổn định bờ sông

Với công nghệ thi công truyền thống, khi xây dựng các công trình bến cảng,

đê đập, bờ kè… người ta dùng nhiều loại kết cấu khác nhau như: tường cừ gỗ, tường cừ thép, tường cừ bê tông cốt thép, tường cừ hỗn hợp, bờ kè bằng đá hộc… tất cả đều có hiệu quả, song tuổi thọ và giá thành có khác nhau Gỗ thì chịu lực kém

và dễ bị mục, thép và bê tông cốt thép thì dễ bị nước mặn, nước phèn ăn mòn làm

bê tông bị nứt vỡ, kè đá hộc thì trọng lượng nặng, nên khá tốn kém cho việc làm móng lại dễ sụt, xuống cấp,…

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu mới ứng dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến trong các ngành vật liệu, kết cấu xây dựng để tăng cường hiệu quả bảo vệ bờ sông

đã được tiến hành, thử nghiệm và đưa vào sử dụng rộng rãi, thay thế, bổ sung cho các giải pháp truyền thống

Ứng dụng kết cấu màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ trên những đoạn sông lớn trong các khu đô thị vùng đồng bằng có nhiều hiệu quả rõ rệt như: Chịu được tải trọng ngang lớn hơn kết cấu bê tông thông thường nên tận dụng hết khả

năng làm việc chịu kéo của cốt thép và chịu nén của bê tông, giảm được rất nhiều trọng lượng vật tư cho công trình (so với công nghệ truyền thống) Tuổi thọ công trình được nâng cao lên do màn cừ dự ứng lực được chế tạo từ những vật liệu cường độ cao, thép được chống rỉ, chống ăn mòn, không bị ôxy hoá trong môi trường nước mặn và nước phèn, tạo độ thông thuỷ lớn, thi công dễ dàng chính xác, không cần mặt bằng rộng (bởi giải toả mặt bằng rất tốn kém), những đoạn sông đi qua các khu dân cư đô thị chỉ cần dùng xà lan và cẩu vừa chuyên chở cấu kiện vừa

ép cọc là thi công được, do đó thời gian thi công nhanh ít gây ảnh hưởng đến sinh hoạt và cuộc sống của người dân khu vực xây dựng công trình Mặt khác có tính

mỹ quan cao khi sử dụng ở kết cấu nổi trên mặt đất

Ứng dụng trong công trình bảo vệ bờ sông chống lũ, chống sạt lở ở nhiều điều kiện địa hình và địa chất khác nhau đặc biệt là vùng địa chất yếu có hiện tượng cát đùn, cát chảy Hình thức sử dụng có thể là kè tường đứng, phần tường đứng của

kè tường đứng kết hợp mái nghiêng (có thể bổ sung hệ thống neo sau tường cừ để tăng khả năng chịu lực cho tường) hoặc làm chân kè Sau khi thi công xong sẽ tạo một bức tường bê tông kín nên khả năng chống xói cao, hạn chế nở hông của đất đắp bên trong

Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực để từ đây hình thành sự đột phá đem lại một giải pháp mới cho các công trình kè bảo vệ bờ, chống sạt lở các bến sông, kè biển, các công trình thuỷ lợi,… rộng rãi ở Việt Nam, góp phần làm đa dạng, phong phú các biện pháp bố trí kết cấu, để từ đó lựa chọn hợp lý hơn trong từng điều kiện cụ thể hình thức kè bảo vệ bờ

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ

bờ những đoạn sông lớn trong các khu đô thị vùng đồng bằng” là hết sức cần

thiết, có ý nghĩa đối với khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu của luận văn

- Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ những đoạn sông đi qua các khu vực khu đô thị vùng đồng bằng

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu dùng màn cừ bê tông dự ứng lực để

bảo vệ bờ sông

- Hiệu quả của giải pháp khi dùng màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ sông

- Trường hợp nghiên cứu được cụ thể hoá cho công trình thực tế

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Cách tiếp cận:

- Tổng hợp tài liệu nghiên cứu, giáo trình, quy phạm đã có ở trong và ngoài nước

- Nghiên cứu qua hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công của một trình cụ thể

Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng kết và ứng dụng các giải pháp công nghệ bảo vệ bờ sông chống lũ và sạt lở ở Việt Nam và Thế giới

- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kết cấu màn cừ bê tông dự ứng lực dùng trong bảo vệ bờ những đoạn sông lớn trong các khu đô thị vùng đồng bằng

- Xây dựng mô hình tính toán kết cấu, ổn định công trình (dùng phần mềm plaxis), xác định ưu nhược điểm và điều kiện ứng dụng của mô hình tính toán

- Áp dụng tính toán cho 1 công trình cụ thể

- Phân tích đánh giá kết quả tính toán cho công trình cụ thể

4 Nội dung của luận văn

Ngoài phần mở đầu, luận văn gồm bốn chương cụ thể như sau:

Chương I: Tổng quan các loại kết cấu bảo vệ bờ sông

1.1 Vai trò của các loại công trình bảo vệ bờ sông

1.2 Các loại công trình bảo vệ bờ sông ở Việt Nam và Thế Giới

1.3 Lựa chọn kết cấu màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ những đoạn sông lớn trong các khu đô thị vùng đồngbằng

1.4 Ý nghĩa của việc nghiên cứu

2.2 Các ngoại lực tác dụng

2.3 Phương pháp tính toán tường cừ BTCT DƯL

2.4 Lựa chọn phần mềm tính toán ( dùng phần mềm plaxis)

2.5 Kết luận chương II

Chương III: Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực bảo vệ bờ cho một công trình thực tế

3.1 Mô tả dự án

3.2 Các thông số tính toán

3.3 Mô hình tính toán khi dùng màn cừ bê tông dự ứng lực

3.4 Phân tích kết quả

3.5 Kết luận chương III

Chương IV: Kết luận và kiến nghị

4.1 Kết luận

4.2 Kiến nghị

5 Những đóng góp của luận văn

Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ những đoạn sông lớn trong các khu đô thị vùng đồng bằng cho thấy hiệu quả rõ rệt như: để rút ngắn thời gian thi công, giảm diện tích chiếm đất, hạn chế giải phóng mặt bằng , giảm giá thành xây dựng công trình và có tính mỹ quan cao

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC LOẠI KẾT CẤU BẢO VỆ BỜ SÔNG

1.1 Vai trò của các loại công trình bảo vệ bờ

Công trình bảo vệ bờ sông chống lũ là một bộ phận trong khoa học chỉnh trị sông có nhiệm vụ phòng chống những tác động của dòng chảy đến bờ sông, chống xói, sạt lở bờ, hạn chế sự mất đất đai, bảo vệ an toàn về người và tài sản của dân cư sống ở hai bên bờ sông

Có nhiều giải pháp khác nhau để chống sạt lở bảo vệ bờ, nhưng tựu trung có thể quy về hai nhóm chính là các giải pháp công trình và phi công trình Trong đó:

- Giải pháp phi công trình: nguyên tắc chung là cần thu thập các số liệu dự

báo chính xác về vị trí, thời gian, mức độ sạt lở, vạch ra được hành lang nguy hiểm

để giải toả và di dân với mục tiêu là không cản trở sự vận động của dòng chảy theo quy luật tự nhiên; nhiệm vụ cụ thể của giải pháp này là theo dõi diễn biến lòng dẫn (mức độ và tốc độ sạt lở), tiến hành dự báo và cảnh báo sạt lở, tổ chức di dời phòng tránh

- Giải pháp công trình: nguyên tắc cơ bản là sử dụng kết quả nghiên cứu quy

luật vận động của đoạn sông, áp dụng các biện pháp công trình để tác động nhằm đưa sự vận động của dòng chảy theo hướng có lợi cho sự an toàn của các khu dân

cư và đô thị; nhiệm vụ cụ thể bao gồm xây dựng công trình theo các kết cấu khác nhau (phù hợp với các điều kiện về biến dạng đường bờ, về địa chất, về nguồn vật liệu địa phương, vật liệu mới), xây dựng từng khu vực theo thứ tự ưu tiên, theo phân

kỳ, khống chế trọng điểm, để từ các điểm đặc thù mà hình thành lòng sông ổn định + Trong giải pháp công trình lại chia ra công trình sử dụng “công nghệ cứng”

và “công nghệ mềm”

Các công nghệ “cứng” có lịch sử phát triển từ lâu và đã góp phần to lớn trong việc hạn chế sạt lở bờ sông Phần lớn các công trình chỉnh trị sông truyền thống đã được xây dựng cho tới nay là tường, kè, mỏ hàn với vật liệu địa phương, trong đó chủ yếu là vật liệu đá hộc

Các công nghệ “mềm” cũng đã xuất hiện từ lâu, trước hết là từ tập quán dân gian như việc gia cố bờ bằng các hàng cây tre, các bãi măng điền trúc, bãi cây bối

Về thành tựu khoa học trong nghiên cứu giải pháp công nghệ bờ truyền thống được thể hiện qua các tài liệu tiêu chuẩn thiết kế, chỉ dẫn thiết kế, các sách tham khảo của các quốc gia như Mỹ, Anh, Hà Lan, Liên Xô (cũ), Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc

Hầu hết các thành phố lớn, nhỏ ở nước ta đều có sông rạch, kênh mương, ao hồ, cần định kỳ nạo vét và phải xây bờ kè thì mới chống được sạt lở, tạo mỹ quan cho thành phố

Để chống sạt lở bảo vệ bờ sông, trong những thập kỷ qua Nhà nước ta đã quan tâm đầu tư nhiều kinh phí cho việc xây dựng nhiều công trình chống sạt lở bờ sông Nhiều công trình bảo vệ bờ chống xói đã có tác dụng tốt giữ ổn định đê điều trong phạm vi công trình bảo vệ Nhiều công trình bảo vệ bờ được xây dựng rất nhanh, rất kịp thời, nhiều khi chỉ mang tính "tình thế" nhưng đã giữ ổn định được bờ và bảo vệ được tài sản của nhân dân

1.2 C ác loại công trình bảo vệ bờ sông ở Việt Nam và Thế Giới

1.2.1 Tình hình sạt lở bờ sông ở Việt Nam

Việt Nam là một quốc gia có hệ thống sông ngòi dày đặc trải dài từ Bắc tới Nam với 2360 con sông lớn nhỏ Sông ngòi là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá Ngoài việc cung cấp một nguồn nước dồi dào cho các nhu cầu sinh hoạt, sản xuất, sông ngòi mang lại nhiều nguồn lợi to lớn như phù sa bồi đắp cho các đồng bằng, thuỷ sản, điện năng…Tuy nhiên bên cạnh những nguồn lợi mang lại, sông ngòi cũng gây nên những tác động lớn như lũ lụt, sạt lở… [1]

- Ở Đồng bằng Bắc Bộ: Phạm vi xói bồi nằm trong khu vực giữa 2 tuyến đê

gồm bãi sông và lòng sông Từ xưa con người lợi dụng quy luật xói bồi để khai thác vùng bãi sông vốn rất mầu mỡ Lúc đầu chỉ là canh tác dần dần nhân dân định cư trên bãi sông Bồi đọng đến đâu dân khai thác, canh tác đến đó Trên bãi sông hình thành xóm, làng với mật độ dân cư khá cao, thậm chí hình thành khu phố trên bãi ven sông như ở khu vực Hà Nội Khi sạt lở bờ uy hiếp nhà cửa, xóm làng trên bãi

sông thì dân lại kêu cứu Nhà nước Đó là chưa kể việc canh tác và định cư trên bãi sông đã làm suy giảm rất nhiều khả năng thoát lũ của sông Hồng, sông Thái Bình

Hình 1.1. Sạt lở bờ tả sông Hồng khu

vực Ngọc Thuỵ - Long Biên - Hà Nội

Hình 1.2. Sạt lở bờ hữu sông Đuống

khu vực Sen Hồ

- Ở Trung Bộ: Sông ngòi miền Trung có đặc điểm ngắn, dốc và không có đê

bao Đồng bằng miền Trung nhỏ và hẹp Do vậy lũ tập trung rất nhanh và biến động của lòng sông cũng rất lớn Khu vực hai bên sông rất màu mỡ, canh tác thuận lợi,

do vậy dân cư thường tràn, lấn ra hai mép sông để sinh sống và canh tác Khi có lũ

và đặc biệt khi bờ sông bị sạt lở, các khu vực dân cư và diện tích canh tác bị đe dọa nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới tình hình dân sinh, kinh tế và xã hội của vùng

Ví dụ như sạt lở ở các sông Mã, Cả, Hương, Thu Bồn, Trà Khúc, Đà Rằng, sông Cái Phan Rang, sông Cái Ninh Thuận Trong và sau lũ lịch sử tháng 11 và tháng 12/1999 tại các tỉnh miền Trung tình hình biến động lòng sông xảy ra mạnh mẽ hơn Trên sông Hương sạt lở mạnh diễn ra ở khu vực Xước Dũ, gần thành phố Huế và diễn biến mạnh về lòng dẫn ở vùng cửa sông Trên sông Thu Bồn sạt lở bờ diễn ra mạnh mẽ ở các vùng Gò Nổi, Vĩnh Điện, Hội An Trên sông Trà Khúc sạt lở mạnh

ở vùng thị xã Quảng Ngãi Những năm gần đây tình hình lũ lớn trên hệ thống sông miền Trung ngày càng diễn ra với mức độ thường xuyên, nghiêm trọng hơn Điển hình các trận lũ lớn năm 2007,2009 và 2010 chỉ kém lũ 1999 một ít đã gây thiệt haị nặng nề về người và của Kèm theo đó là tình hình biến động lòng sông, sạt lở bờ trong và sau lũ diễn ra rất phức tạp, mạnh mẽ

Hình 1.3. Sạt lờ bờ sông Mã đoạn quốc

lộ 217 (xã Cẩm Vân, huyện Cẩm Thủy)

Hình 1.4. Sạt lở bờ hữu sông Thạch

Hãn ở xã Hải Lệ - Quảng Trị

- Ở Đồng bằng sông Cửu Long: Tình hình sạt lở diễn ra mạnh trên các sông

chính như sông Tiền, sông Hậu, sông Đồng Nai và sông Sài Gòn Sạt lở còn diễn ra trên các hệ thống sông nhỏ, kênh rạch Phạm vi sạt lở thường lớn và thời gian cũng kéo dài hơn Có thể nêu ra một số khu vực có diễn biến sạt lở mạnh trên các sông này như khu vực Hồng Ngự - Tân Châu (Đồng Tháp - An Giang), Sa Đéc - Mỹ Thuận (Đồng Tháp - Vĩnh Long) và trên các sông Long Toàn, Gềnh Hào, Ông Đức

Cũng như ở miền Bắc và miền Trung, các khu dân cư và khu canh tác ở Đồng bằng sông Cửu Long thường nằm dọc ven hai bờ sông, bờ kênh Khi xuất hiện sạt lở, đời sống, kinh tế - xã hội khu vực trực tiếp bị ảnh hưởng

Hình 1.5. Sạt lở bờ sông Tiền huyện

Hồng Ngự, Đồng Tháp

Hình 1.6 Sạt lở bờ sông Hậu – QL 91

đi qua An Giang

Như vậy, sạt lở bờ sông mang tính quy luật tự nhiên nhưng với thực trạng lòng sông, bãi sông hiện nay ở cả ba miền Bắc, Trung, Nam nó mang tính xã hội và kinh tế rất nhạy cảm

1.2.2 Các loại công trình bảo vệ bờ sông ở Việt Nam

Chủ yếu gồm 3 loại sau[1]:

- Kè mái nghiêng: được dùng phổ biến ở hầu hết các công trình gia cố bờ ở các sông từ Bắc vào Nam

Hình 1.8 Kè sông Sài Gòn - xã Tam

Thôn Hiệp, huyện Cần Giờ, Tp.HCM

Hình 1.9 Trồng cỏ Vetiver bảo vệ bờ

Kênh Bảy, tỉnh An Giang

Hình 1.10 Trồng lá dừa nước bảo vệ

bờ, bảo vệ đê bao ở tỉnh Bến Tre

Hình 1.11 Mái kè bằng đá lát khan

không có khung ô

Hình 1.12 Mái kè bằng đá xếp khan trong khung ô

Hình 1.15 Mái kè Dương Hà – sông

Đuống bằng tấm BT hình vuông đơn

giản

Hình 1.16 Mái kè phần không ngập

trồng cỏ trong khung ô thanh BTCT

Hình 1.21 Kè tường đứng bằng đá

xây khu hành chính huyện Vị Thủy,

Hình 1.22 Kè Bãi Vàng – Long

Xuyên tường đứng BTCT bản chống

Hậu Giang

Hình 1.23 Kè bờ Bắc sông Ba (Đà

Rằng) kết cấu cọc, bản BTCT có neo

Hình 1.24 Kè khu biệt thự An Phú, Tp.HCM kết cấu cọc, bản BTCT có neo

Hình 1.25 Kè Rạch Giá, Kiên Giang

bằng Cừ bê tông dự ứng lực

Hình 1.26 Kè bờ sông thị xã Bạc Liêu

bằng Cừ bê tông dự ứng lực

1.2.3 Các loại công trình bảo vệ bờ trên Thế Giới

Cùng với lũ lụt, bão lốc, sạt lở bờ sôn đang là vấn đề lớn bức xúc của nhiều nước trên Thế Giới Sạt lở bờ sông là một qui luật tự nhiên nhưng gây thiệt hạ nặng

nề cho các hoạt động dân sinh kinh tế vùng ven sông như gây mất đất nông nghiệp,

hư hỏng nhà cửa, chết người, thậm chí có thể huỷ hoại một khu dân cư, đô thị Quá trình nghiên cứu các giải pháp bảo vệ bờ sông trên Thế giới đã được thực hiện liên tục trong hàng thế kỷ qua Nhiều giải pháp truyền thống và giải pháp công nghệ bảo vệ bờ sông chống xói lở đã được đưa ra bởi các nước có trình độ khoa học công nghệ cao, điển hình như:

Hình 1.27 Kè mái nghiêng tấm bê tông

lục lăng - kết hợp trồng cỏ- Trung Quốc

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu mới ứng dụng các thành tự khoa học công nghệ tiên tiến trong các ngành vật liệu, kết cấu xây dựng để tăng cường hiệu quả bảo vệ bờ sông

đã được tiến hành, thử nghiệm và đưa vào sử dụng rộng rãi, thay thế, bổ sung cho các giải pháp truyền thống Điển hình giải pháp dùng cọc ván bê tông dự ứng lực, giải pháp này có hiệu quả rõ rệt với những công trình có nền là đất yếu đặc biệt là

có hiện tượng cát chảy, cát đùn thì các giải pháp truyền thống một là không giải quyết được, hai là cho giá thành quá cao, thi công phức tạp, thời gian thi công thường kéo dài, gây ảnh hưởng đến sinh hoạt, đời sống của nhân dân trong khu vực công trình, làm tăng giá thành công trình

1.3 Cừ ván bê tông cốt thép dự ứng lực

1.3.1 Giới thiệu

Cừ ván bê tông cốt thép dự ứng lực hay còn gọi là cọc ván bê tông cốt thép hay tường cọc ván là một dạng đặt 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 Miền nam triển khai rất nhiều công trình bờ kè sử dụng công nghệ này Từ trước đến nay các công trình xây dựng, giao thông, cầu cảng, công trình kè vẫn thường được sử dụng

là cọc bê tông và tường chắn để gia cố và bảo vệ bờ nhưng các vật liệu trên ngày nay không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng

Trước những năm 50 của thế kỷ 20, khi xây dựng các công trình như bến cảng, đê, đập, bờ kè, người ta áp dụng nhiều loại kết cấu khác nhau như cừ gỗ, tường cừ thép, tường cừ BTCT, tường cừ hỗn hợp, tuy nhiên tính chịu lực và tuổi thọ của các loại kết cấu này không cao, dễ bị phá hoại do bị mục, rỉ sét, hoặc bị ăn mòn

Để khắc phục những nhược đỉêm trên, tập đoàn PS Nhật Bản đã phát minh ra

loại cừ BTCT DƯL, hơn 50 năm qua, cừ máng BTCT DƯL đã được nghiên cứu, thử nghiệm và ứng dụng ở Nhật cũng như nhiều nước trên Thế giới, đây là loại sản phẩm có khả năng chịu lực cao, làm việc tốt trong những môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ liên tục thay đổi, dao động mực nước lớn, môi trường hoá chất , đặc biệt khả năng chống ăn mòn bởi nước biển của sản phẩm Do những đặc tính ưu việt của mình, cừ ván BTCT DƯL đã là sản phẩm thay thế ưu việt cho các vật liệu truyền thống như cừ gỗ, cừ bê tông cốt thép, cừ máng thép khi phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt

Cọc ván BTCT DƯL được ứng dụng vào Việt Nam năm 1999-2001 tại cụm công trình nhiệt điện Phú Mỹ - tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu (lớn nhất Việt Nam) - với sự giúp đỡ của các nhà tư vấn Nhật Bản và đặc biệt sự hướng dẫn trực tiếp công nghệ thi công lắp đặt của Nhà sáng chế ra cọc ván bê tông ứng lực trước - Tiến sĩ ITOSHIMA, Công ty C&T đã thi công hoàn hảo hệ thống các kênh dẫn chính và các kênh nhánh với tổng chiều dài cừ 42.000m chiều rộng 45m, chiều sâu 8,7m đưa

nước từ sông Thị Vải vào để giải nhiệt cho các Turbin khí Hiện nay kênh này vẫn bền vững và Nhật bản đã chuyển giao công nghệ này cho ta

Ngay từ khi tiếp cận loại sản phẩm mới này, nhận ra tiềm năng ứng dụng rất lớn trong xây dựng các công trình hạ tầng, Công ty C&T đã nghiên cứu chế tạo ứng dụng cọc ván BTCT DƯL, để từ đây hình thành sự đột phá đem lại giải pháp mới cho các công trình kè bảo vệ bờ, chống sạt lở, các bến sông, kè biển, các công trình thuỷ lợi Bước phát triển tiếp theo: Từ năm 2005 – công ty C&T đã liên doanh với tập đoàn PS.MITSUBISHI đầu tư 01 nhà máy sản xuất Cấu Kiện Bê tông Đúc Sẵn trong đó cọc ván PC là sản phẩm chính chủ yếu, đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng về sản phẩm này

Cừ BTCT DƯL hiện nay có các dạng sau mặt cắt:

+ Cừ tiết diện dạng mặt phẳng:

+ Cừ tiết diện dạng sóng:

+ Cừ tiết diện dạng mặt phẳng / mặt lõm:

Cọc W có nhiều lọai với chiều dài khác nhau: W120 đến W600, dài từ 6m đến

21m Bề rộng các lọai cọc cố định 996mm, chỉ số bên cạnh chữ W chỉ chiều cao 120,300,350 600

Cọc ván dự ứng lực có cốt thép đai được bố trí với khoảng cách (a=40-50cm), cốt chủ thường là cốt thép dự ứng lực loại tao cáp 12.7mm, số lượng tao cáp tuỳ theo chiều dài cọc loại cọc

Cừ tiết diện dạng sóng có khả năng chịu lực cao hơn 2÷ 2,3 lần cừ có tiết diện mặt phẳng và hơn 1,3÷ 1,5 lần cừ tiết diện mặt phẳng / mặt lõm

1.3.2 Các đặc trưng cơ lý của cọc ván BTCT DƯL:

1.3.2.1 Vật liệu

Theo tiêu chuẩn JISA – 5354 ( 1993) của Uỷ Ban TCCL Nhật Bản[20], yêu cầu chất lượng của vật liệu chế tạo cừ bản bê tông cốt thép dự ứng lực như sau:

- Xi măng: Xi măng Porland đặc biệt cường độ cao

- Cốt liệu: Dùng tiêu chuẩn kích thước không lớn hơn 20mm

- Phụ gia: Phụ gia tăng cường độ của bê tông thuộc nhóm G

- Thép chịu lực: Cường độ cao thuộc nhóm SD40

- Thép tạo ứng suất trước trong bê tông: Các sợi cáp bằng thép loại SWPR-7B đường kính 12,7mm – 15,2mm

Hình 1.31 Chế tạo cừ ván tại nhà máy

1.3.2.3 Tiêu chuẩn kỹ thuật

Các thông số kỹ thuật của cừ được quy định theo tiêu chuẩn JISA-5354 (1993) của Uỷ ban tiêu chuẩn chất lượng Nhật Bản[20] Yêu cầu về thông số kỹ thuật cơ bản của cừ được thể hiện qua:

- Cường độ bê tông [Rb] = 725kg/cm2

- Mô men chống uốn [Mc] tuỳ thuộc từng loại kết cấu cừ

1.3.2.4 Biện phỏp thi cụng

Cú nhiều biện phỏp để thi cụng như: dựng bỳa đúng Diesel, dựng bỳa rung, bằng phương phỏp xúi nước kết hợp bỳa rung, phương phỏp ộp tĩnh kết hợp xúi nước

Hỡnh 1.32 Thi cụng cọc vỏn BTCT dự ứng lực

bằng phương phỏp xúi nước kết hợp bỳa rung

1.3.2.5 Liờn kết giữa cỏc tấm của cừ vỏn BTCT dự ứng lực

Cỏc tấm cừ bản BTCT DƯL được liờn kết với nhau bằng khớp nối õm dương tạo thành một liờn kết vững chắc Để đảm bảo điều kiện khớt nước, đặc biệt để ngăn chặn triệt để khi gặp phải vựng địa chất cú hiện tượng cỏt đựn, cỏt chảy giữa khớp nối sử dụng một vật liệu kớn nước (Joint) được chế tạo bằng nhựa tổng hợp cú độ bền rất cao Do bằng nhựa dẻo nờn Joint khụng hề gõy khú khăn trong quỏ trỡnh thi cụng

Hỡnh 1.33 Cấu tạo của vật liệu kớn nước tại khớp nối của Cừ

Joint cao su kín nước Elastic Vinyl Choloride

của cọc tính theo đất nền tăng)

• Khả năng chịu lực tăng: mô men chống uốn, xoắn cao hơn cọc vuông bê tông thường, do đó chịu được mômen lớn hơn

• Sử dụng vật liệu cường độ cao(bê tông, cốt thép) nên tiết kiệm vật liệu Cường độ chịu lực cao nên khi thi công ít bị vỡ đầu cọc, mối nối Tuổi thọ cao

• Có thể ứng dụng trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau

• Chế tạo trong công xưởng nên kiểm soát được chất lượng cọc, thi công nhanh, mỹ quan đẹp khi sử dụng ở kết cấu nổi trên mặt đất

• Chế tạo được cọc dài hơn (có thể đến 24m/cọc) nên hạn chế mối nối

• Sau khi thi công sẽ tạo thành 1 bức tường bê tông kín nên khả năng chống xói cao, hạn chế nở hông của đất đắp bên trong

• Kết cấu sau khi thi công xong đảm bảo độ kín, khít Với bề rộng cọc lớn sẽ phát huy tác dụng chắn các loại vật liệu, ngăn nước Phù hợp với các công trình có chênh lệch áp lực trước và sau khi đóng cọc như ở mố cầu và đường dẫn

• Cường độ chịu lực cao: tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng

độ cứng và khả năng chịu lực của ván

• Chất lượng cao: do được sản xuất bởi quy trình công nghệ theo tiêu chuẩn JISA 5354 của Nhật , được quản lý chất lượng chặt chẽ trong quá trình sản xuất Thép được chống rỉ, chống ăn mòn, không bị ô xy hoá trong môi

trường nứơc mặn cùng như nước phèn, chống được thẩm thấu nhờ sử dụng jont bằng vật liệu Vinyl cloride khá bền vững

• Giá thành dễ chấp nhận so với ứng dụng công nghệ truyền thống, bởi cọc ván BTCT dự ứng lực được sản xuất từ những vật liệu có cường độ cao, khả năng chịu lực tốt nên giảm được rất nhiều trọng lượng vật tư cho công trình (so với công nghệ truyền thống)

• Được sản xuất tại công xưởng nên dễ hiện đại hoá, dễ kiểm tra chất lượng, năng suất cao, sản xuất nhiều giá thành sẽ hạ, có thể sản xuất nhiều chủng loại sản phẩm có quy cách khác nhau, đáp ứng theo nhiều dạng địa hình và địa chất khác nhau

• Thi công dễ dàng và chính xác, không cần mặt bằng rộng, bởi giải toả mặt bằng rất tốn kém, chỉ cần xà lan và cẩu vừa chuyên chở cấu kiện vừa ép cọc

là thi công được

• Tuổi thọ công trình cũng được nâng cao lên, bởi cọc ván BTCT dự ứng lực được sản xuất từ những vật liệu có cường độ cao, khả năng chịu lực tốt nên giảm được rất nhiều trọng lượng vật tư cho công trình, dễ thay thế cọc mới khi những cọc cũ gặp sự cố Hơn nữa, cũng nhờ thép được chống gỉ, chống

ăn mòn, không bị oxy hóa trong môi trường nước mặn cũng như nước phèn, chống được thẩm thấu nhờ sử dụng bằng vật liệu Vinyl cloride khá bền vững

• Trong xây dựng nhà cao tầng ở thành phố dùng móng cọc ép, có thể dùng cọc ván BTCT dự ứng lực ép làm tường chắn chung quanh móng, để khi ép cọc, đất không bị dồn về những phía có thể gây hư hại những công trình cận

kề (như làm nứt tường, sập đổ ) Đây là một giải pháp thay thế tường trong đất (dày tối thiểu 600 - với chi phí xây lắp rất cao) hoặc tường cừ larsen trong một số trường hợp như những trường hợp phải để cừ lại (có một số trường hợp cạnh nhà dân, khi rút cừ lên thì nhà dân bị nứt)

Ngoài ra cũng có một số nhược điểm sau:

• Công nghệ chế tạo phức tạp hơn cọc đóng thông thường

• Thi công đòi hỏi độ chính xác cao, thiết bị thi công hiện đại hơn (búa rung, búa thuỷ lực, máy cắt nước áp lực )

• Giá thành cao hơn cọc đóng truyền thống có cùng tiết diện

• Ma sát âm (nếu có) 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

1.3.3 Các đặc tính kỹ thuật, kích thước tiêu chuẩn của các loại cừ

Để thuận lợi cho công tác ứng dụng trong thực tế đã nghiên cứu và sản xuất nhiều loại cừ với các thông sô, đặc đính kỹ thuật và hình dạng khác nhau tuỷ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của mỗi công trình cụ thể

556

278 278

996 400

996 400

e 556

b a

Hình 1.34 Mặt cắt ngang thân và mặt cắt đỉnh các loại cừ BTCT DƯL

B ảng 1.1 Kớch thước hỡnh học mặt cắt ngang thõn và mặt cắt đỉnh cỏc loại cừ

169 338 63 215 100 0,1315 109

160,7 321,4 76 230 100 0,1468 117,3

130

123 246 117 330 100 0,1835 155

138 276 110 380 100 0,1818 140

126 256 125 480 100 0,2078 150

W275-1000

300 100 100 200 362 W300-1000

325 110 125 200 430 W325-AB-1000

350 120 150 200 404 W350-AB-1000

400 120 200 200 370 W400-AB-1000

450 120 250 200 322 W450-AB-1000

500 120 300 200 336 W500-AB-1000

600 120 400 200 306 W600-AB-1000

Mặt cắt ngang tại đỉnh a

80

b 198

c 396

d 0

h 60 f

Sngang (m2)

Mặt cắt ngang tại đỉnh H

120

t 60

i o

j 120

e 556 W120-1000

Dtích A 624 cm2

KC từ trục trung hoà

Y 6,00

Yu (cm)

6,00

Yi (cm)

MôMen Quán tính

6912

I (cm4)

Mô đun mặt cắt Z 1152

Zu (cm3)

1152

Zi (cm3)

Cao H

12,0 W160-1000

B ảng 1.3 Các thông số kỹ thuật của các loại cừ BTCT DƯL được chế tạo sẵn

120

mm 60 mm

996

T.m 1,41 W120-1000

B ảng 1.4 Trọng lượng bản thân của các loại cừ BTCT DƯL được chế tạo sẵn

Mômen cho phép trong bảng trên là mômen uốn đảm bảo không xảy ra vết nứt

có bề rộng lớn hơn 0,05mm bất kể phía mặt chịu nén hay chịu kéo của Cừ

1.4 Ý nghĩa của việc nghiên cứu

- Nghiên cứu ổn định bờ sông, chống xói lở, bồi lắng, khơi thông dòng chảy mang lại nhiều hiệu quả to lớn cho các hoạt động dân sinh kinh tế vùng ven sông như không mất đất nông nghiệp, hư hỏng nhà cửa chết người, thậm chí có thể huỷ hoại cả một khu dân cư, đô thị

- Nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới, tiên tiến trong các ngành vật liệu

để xây dựng bảo vệ bờ sông làm tăng cường hiệu quả bảo vệ bờ sông dần dần thay thế cho các giải pháp truyền thống

- Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông dự ứng lực để từ đây hình thành sự đột phá đem lại một giải pháp mới cho các công trình kè bảo vệ bờ, chống sạt lở các bến sông, kè biển, các công trình thuỷ lợi,… rộng rãi ở Việt Nam, góp phần làm đa dạng, phong phú các biện pháp bố trí kết cấu, từ đó lựa chọn hợp lý hơn trong từng điều kiện cụ thể hình thức kè bảo vệ bờ

Từ trước đến nay các công trình xây dựng, giao thông, cầu cảng, công trình

kè vẫn thường được sử dụng là cọc bê tông và tường chắn để gia cố và bảo vệ bờ nhưng 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 sinh họat và cuộc sống của nhân dân

Đất nước ta ngày nay đang ở giai đọan mở cửa, đã chế tạo và ứng dụng phổ biến công nghệ cừ bản bê tông cốt thép dự ứng lực của Nhật Bản vào các công trình ven sông như Bà Rịa – Vũng Tàu, Rạch Giá, Hà Tiên - Kiên Giang, Bạc Liêu, Đồng Nai, … Trong tương lai, tường cọc bản BTCT dự ứng lực sẽ dần thay thế cho các công nghệ cọc bản BTCT truyền thống đã quá xưa cũ

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU BẢO VỆ BỜ BẰNG MÀN CỪ

BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 2.1 Đặc điểm chịu lực của màn cừ bê tông dự ứng lực

Công nghệ cọc ván BTCT DƯL có nhiều tính năng vượt trội như cường độ chịu lực cao nhờ tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng độ cứng, khả năng chịu lực của cọc ván

Hệ thống tường cừ BTCT DƯL được thiết kế để chống lại áp lực đất và nước phía sau tường cừ Áp lực đất tác dụng lên tường cừ là do trọng lượng đất phía sau tường cừ, sự dịch chuyển đất đá do động đất và các tải trọng chất thêm Khi thiết kế cần xem xét 3 loại áp lực đất như sau: 1- áp lực đất chủ động; 2- áp lực đất bị động; 3- áp lực đất ở trạng thái nghỉ[15]

(5) Tải trọng phụ do biến đổi nhiệt độ

Tuỳ theo các điều kiện khác nhau mà các loại tải trọng sẽ xuất hiện ở các dạng khác nhau

2.2.1 Áp lực đất

2.2.1.1 Các loại áp lực đất và điều kiện sản sinh ra chúng

Khi tính toán kết cấu tường cừ BTCT DƯL, áp lực tác động vào bề mặt tiếp xúc vào bề mặt của tường cừ với thể đất gọi là áp lực đất Độ lớn và quy luật phân bố của

áp lực đất có liên quan tới các nhân tố hướng và độ lớn của chuyển vị ngang của kết cấu tường cừ, tính chất của đất, độ cứng và độ cao của tường cừ chắn giữ, nhưng do

việc xỏc định chỳng khỏ phức tạp ngay trong trường hợp đơn giản nhất nờn hiện nay vẫn dung lý thuyết Coulomb với những hiệu chỉnh bằng số liệu thực nghiệm

Để phõn tớch định tớnh và định lượng ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường cừ Terzaghi đó làm thớ nghiệm mụ hỡnh tỡm hiểu mối quan hệ giữa ỏp lực đất và độ dịch chuyển của tường cừ

Kết quả cho thấy, khi tường cừ chuyển vị về phớa đất đắp, ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường cừ giảm từ giỏ trị ban đầu ứng với trạng thỏi tĩnh Eo, tới giỏ trị ỏp lực chủ động Ea khi trong khối đất hỡnh thành một mặt trượt liờn tục Ngược lại, nếu cho tường cừ chuyển vị về phớa đất đắp, ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường tăng từ giỏ trị ban đầu Eo tới giỏ trị ỏp lực bị động cú ộp trồi Ept khi trong đất hỡnh thành một mặt trượt liờn tục Như vậy tựy theo hướng và chuyển vị tương đối của tường cừ với đất đắp,

mà cú thể hỡnh thành ba loại ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường với ba trường hợp sau đõy:

- Khi tường cừ bị khối đất xụ về phớa khụng cú đất thỡ khối đất gõy ra ỏp lực đẩy lờn tường cừ và sẽ đạt tới giỏ trị ỏp lực đất chủ động khi độ dịch chuyển đủ lớn

- Khi tường cừ bị ngoại lực xụ về phớa đất thỡ khối đất gõy ra ỏp lực chống đối với

tường cừ và sẽ đạt tới giỏ trị ỏp lực bị động khi độ dịch chuyển của tường cừ đủ lớn

- Trường hợp tường cừ đứng yờn, khối đất gõy ra ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường

Trạng thái cân bằng đàn hồi

Trạng thái phá hoại

Trạng thái phá hoại Cân bằng giới hạn bị động Cân bằng giới

hạn chủ động

Chuyển vị ngược phía đất đắp

Chuyển vị về phía đất đắp 0

Trạng thái ứng suất trong đất đắp

Hỡnh 2.1 Quan hệ giữa ỏp lực đất với chuyển vị của tường[5]

Qua thí nghiệm trên có thể thấy, trong ba loại áp lực đất trên thì áp lực đất bị động lớn hơn áp lực đất tĩnh và áp lực đất chủ động là nhỏ nhất Từ phân tích lý luận và thử nghiệm thực tiễn cho thấy, chuyển vị cần thiết khi phía sau tường cừ

chắn đất đạt đến áp lực đất bị động lớn hơn rất nhiều áp lực đất chủ động

2.2.1.2 Lý thuyết cân bằng giới hạn của đất

Đem đường cong cường độ chống cắt và trạng thái ứng suất ở một điểm nào

đó trong đất vẽ thành một hình tròn ứng suất Morh, khi vòng ứng suất O1 với đường cường độ τf =c+σtanϕ tiếp xúc nhau ở điểm A thì mặt cắt qua điểm này đều ở vào trạng thái cân bằng giới hạn Từ tam giác ∆ABO1 ta có

O1B

3

1 + σ

ϕ

cotg

tan +

σ

σσϕ

cotg.2

2BO

AO

sin

3 1

3 1

1

1

c

++

σϕσσ

σ1− 3 = 1.sin + 3.sin +2.c.cos (2.2)

ϕϕ

σϕ

σ1(1−sin )= 3.(1+sin )+2.c.cos

Bằng cách biến đổi hàm số lượng giác, ta có mối quan hệ của các ứng suất chính khi một điểm nào đó trong đất ở trạng thái cân bằng giới hạn là:

) 2 45 tan(

2 ) 2 45 ( tan

3

1

ϕϕ

σ

σ = + + c + (2.3)

) 2 45 tan(

2 ) 2 45 ( tan

1

3

ϕϕ

σ

W.J.W.Rankine căn cứ trạng thái ứng suất trong vật thể bán không gian vô hạn

và điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm trong bán không gian đó đã tìm ra phương pháp tính toán áp lực đất Xét trạng thái ứng suất tại điểm M khi đó khối đất

ở trạng thái tĩnh (cân bằng) thì mọi điểm đều ở trạng thái cân bằng đàn hồi, khi đó: Thành phần ứng suất pháp tuyến của mặt phẳng ngang là:

z

σ (2.5) Thành phần ứng suất pháp tuyến của mặt phẳng thẳng đứng là:

z K

c

ϕ

ϕ σ τ

tan +

b) c)

d)

Hình 2.3 Trạng thái bị động và chủ động Rankine[5]

Vòng tròn Mohr ứng suất O1 ở điểm này không tiếp xúc với đường bao cường

độ chịu cắt Khi σ không đổi, z σx giảm nhỏ dần, vòng tròn ứng suất O2 tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến cân bằng giới hạn σ và z σx lần lượt là ứng suất chính lớn nhất và nhở nhất, khi đó ta có trạng thái chủ động Rankine, trong thể đất hai tổ mặt trượt làm thành góc kẹp

2

450 ϕ

α = + vởi mặt phẳng ngang (hình c) Khi σ z không đổi, σx tăng lớn dần, vòng tròn ứng suất O3 cũng tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến cân bằng giới hạn Khi đó σ z là ứng suất chính nhỏ nhất còn σx là ứng suất chính lớn nhất, trong thể đất, hai tổ mặt trượt làm thành

*Giả thiết cơ bản và nguyên lý tính toán:

- Khi khối đất đắp sau tường cừ đạt trạng thái cân bằng giới hạn chủ động (do khối đất đẩy tường cừ về phía trước - phía không có đất), hoặc trạng thái cân bằng giới hạn bị động (do ngoại lực xô tường cừ về phía sau - về phía đất) thì mọi điểm trong khối đất đều ở trạng thái cân bằng giới hạn và thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb

- Lưng tường cừ thẳng đứng, mặt đất nằm ngang, mặt tường cừ trơn nhẵn và không có ma sát

Trên cơ sở phân tích trạng thái ứng suất tại một điểm trên mặt tiếp giáp giữa lưng tường cừ và đất đắp, Rankine tìm ra công thức xác định cường độ áp lực đất,

từ đó vẽ biểu đồ cường độ áp lực đất dọc theo lưng tường cừ rồi tính giá trị tổng áp lực đất và xác định điểm đặt của nó

a) Xác định áp lực đất chủ động:

Mσzσx z

z γ

HKa γ

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán áp lực chủ động và điểm đặt theo Rankine[5]

a) Tường chắn dịch chuyển ra ngoài; b) Đất cát; c) Đất sét

Xét trạng thái ứng suất tại M ta có:

3

σ (2.7) với m = tg2(45o + ϕ/2)

Thay (a) và (b) vào (2.7) ta có:

a a

a zK c K

P =γ −2 (2.8) Trong đó: = 1 = 2( 45o−ϕ/ 2 )

m K

Ka - hệ số áp lực đất chủ động theo lý luận Rankine

Từ công thức (2.8) thấy rằng cường độ áp lực đất chủ động gồm hai phần: một phần do trọng lượng đất gây ra (+γz K a ) có tác dụng đẩy tường cừ, một phần do lực dính gây ra áp lực âm (−2c K a ) có tác dụng níu kéo tường cừ, tức làm giảm áp lực đất lên tường cừ Kết quả cộng biểu đồ cho ở hình 2.4, trong đó tồn tại phần

biểu đồ âm có tác dụng kéo tường cừ lại Do giữa đất lấp và lưng tường không thể chịu ứng suất kéo, do đó trong phạm vi lực kéo sẽ xuất hiện khe nứt, khi tính toán

áp lực đất chủ động thường bỏ qua phần biểu đồ âm đó và biểu đồ phân bố áp lực đất chỉ còn tam giác abc

Tại a, P a =0=γzK a −2c K a

Từ đó rút ra

a o

K

c z

γ

2

Trong đó: zo- độ sâu giới hạn (độ sâu vùng chịu kéo)

Trị số tổng áp lực đất chủ động tính bằng diện tích ∆abc S∆abc (hình 2.4):

2

)2)(

abc a

K c HK z

H S

p zK c K

P =γ + 2 (2.13)

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán áp lực bị động và điểm đặt theo Rankine[5]

a) Tường chắn dịch chuyển vào trong; b) Đất cát; c) Đất sét

Trong đó:

Kp = m = tg2(45o+ϕ/2)

Kp - hệ số áp lực bị động theo lý luận Rankine

Từ công thức (2.13) thấy rằng cường độ áp lực đất bị động gồm hai phần: γzKp - do trọng lượng khối đất gây ra

p

K c