Ở nước ta, do nguồn nguyên liệu đá dồi dào ở hầu hết các tỉnh nên kết cấu kè truyền thống bảo vệ bờ sông thông dụng là đá lát phần mái kè và thả rọ đá bảo vệ chân kè. Tuy nhiên, ở một số địa phương như đồng bằng sông Cửu Long, đá là vật liệu khan hiếm và giá thành cao hơn các loại vật liệu xây dựng khác nên việc sử dụng tấm bê tông liên kết thành thảm bê tông là rất hiệu quả. Bài viết này nghiên cứu ứng dụng tính toán thảm bê tông trong thiết kế kè.
CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 TÍNH TỐN THẢM BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ KÈ CALCULATION OF CONCRETE CARPET IN DESIGN OF REVETMENTS TS NGUYỄN THỊ DIỄM CHI Khoa Cơng trình, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Ở nước ta, nguồn nguyên liệu đá dồi hầu hết tỉnh nên kết cấu kè truyền thống bảo vệ bờ sông thông dụng đá lát phần mái kè thả rọ đá bảo vệ chân kè Tuy nhiên, số địa phương đồng sông Cửu Long, đá vật liệu khan giá thành cao loại vật liệu xây dựng khác nên việc sử dụng bê tông liên kết thành thảm bê tông hiệu Bài báo nghiên cứu ứng dụng tính tốn thảm bê tơng thiết kế kè Abstract In Viet Nam, natural stone is available in almost provinces so traditional revetment structure is usually designed with stone for underwater part and slope of revetments However, some locations such as Mekong Delta, stone is limited and lead to construction cost of stone revetment is higher than other materials, the use of concrete carpet in construction of revetmentsis effectively This paper studies application of concrete carpet in design of revetments Keywords: stone, revetments, concrete carpet Giới thiệu chung Kè thảm bê tông gồm bê tông liên kết với dây cáp thép (hình 1.c) lớp vải địa kỹ thuật chống lại tác dụng phá hoại nước biển, tia cực tím mặt trời … Khe hở bê tông thường đổ đầy đá vụn, sỏi cao su (hình 1.b) nên thảm bê tơng ổn định so với kết cấu kè thả đá rời Thảm bê tơng có ưu điểm hiệu qủa sử dụng tốt, thi cơng nhanh Nhưng có nhược điểm làm ép thảm bị lật chịu tải trọng thủy lực Vì vậy, để tăng ổn định thảm, bê tông mép thảm thường dày nặng [1],[3],[4] S ỏi a) Lớp vải địa kỹ thuật b) c) Hình Ví dụ thảm bê tơng a)Thảm bê tông tiêu chuẩn: bê tông ghim trực tiếp vào lớp vải lọc b)Thảm bê tông liên kết dầm: Khe hở bê tông làm đầy đá vụn, sỏi c)Thảm cáp: bê tông liên kết với dây cáp thép Các quy trình tính tốn kè thảm bê tơng 3.1 Tải trọng sóng Khi sóng tác dụng lên kè, dòng chảy sóng xuất dọc theo mái xuyên qua kè Lực sóng leo lên mái hướng ngược với trọng lực nên nguy hiểm so với sóng trườn Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 44 – 11/2015 30 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 xuống Khi tính tốn tác động tải trọng sóng, hệ số kè F tương ứng với kết cấu kè lấy theo bảng [1],[3]: Bảng Hệ số kè thảm bê tông Kết cấu kè F Tấm bê tông cát 5-6 Tấm bê tông đất sét - Sét tốt - Sét trung bình 5-6 4,5-5 Thảm bê tơng lớp lọc cấp phối hạt: - Thi công tốt 5-6 - Thi cơng trung bình 4-5 - Thi cơng -4 3.2 Ổn định đất Khi sóng tác dụng lên mái kè thảm bê tông neo chắn, tượng thảm bị trượt đẩy khó xảy Tuy nhiên, chuyển động nước xuyên qua mái kè thấm vào lớp đất gây tượng tích dẻo, hóa lỏng sụt mực nước làm lớp đất bị trượt cạn, đặc biệt đất cát Yếu tố quan trọng định kè ổn định hay không cấu đất Vì kiểm tra ổn định đất phải xem xét tiêu chuẩn thiết kế * Hiện tượng tích dẻo [1],[2] Sự tích dẻo đất có quan hệ tỷ lệ thuận với cấp cốt hạt, độ thấm độ nén nước khe hở Sự tích dẻo gây lên chế phá hoại như: Đẩy nâng trượt cục lớp bề mặt kè, sạt lở lớp đất Khi đất sét ướt, sức căng lớn nước xuất bề mặt tiếp giáp kè đất nên không xảy khả trượt lớp Khi lớp đất sét khô với nhiều khe nứt, cấu trúc cục, độ thấm lớn sức căng nước ảnh hưởng sâu nên lớp đất dễ bị trượt Biểu đồ hình biểu đồ thiết kế ổn định kè thảm bê tông đặt cát xây dựng với giả thiết cát chặt trung bình có góc nội ma sát 35o Sop=0.02 Trượt Trượt Sop=0.05 Chiều cao sóng lớn Chiều dày lớp mặt (m) Chiều dày lớp mặt (m) Hình Biểu đồ ổn định trượt kè thảm bê tơngtrên cát chặt có góc nội ma sát 35o[2] 1) Mái dốc 1:5; 2) Mái dốc 1:4; 3) Mái dốc 1:3; 4) Mái dốc 1:2 Khi thảm bê tông đặt lớp đệm lọc có chiều dày b, chiều dày lớp mặt biểu đồ xem là: D+b/∆1 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 44 – 11/2015 31 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Với ∆1 tỷ trọng tương đối lớp mặt nước, xác định theo công thức: ∆1=(1-)/ : Khối lượng đơn vị (1) nước(kg/m 3) 1: Khối lượng đơn vị lớp mặt (kg/m 3) Với kè thảm bê tông: ∆1= 1,2 ÷ 1,9 * Hiện tượng hóa lỏng Khi sức căng tải nước xuất làm giảm áp lực liên kết hạt giảm sức kháng trượt gây lên tượng hóa mềm hay hóa lỏng Khi lớp mặt đất đất sét lớp đệm lọc cấp phối hạt, tượng hóa lỏng khơng xuất Khi lớp mặt đất cát, tượng hóa lỏng khơng xuất nếu: - Độ dốc mái kè thoải 1:3 - Độ dốc mái kè thoải 1:2 chiều cao sóng nhỏ 2m - Độ dốc mái kè thoải 1:2 đất đầm chặt * Hiện tượng sụt giảm mực nước Sự nguy hiểm mực nước giảm phụ thuộc vào chiều dài rò rỉ, hay phụ thuộc vào tính chất lý lớp bề mặt lớp đất Nếu kè thảm bê tơng đất cát chiều dài rò rỉ nhỏ nên giảm mực nước gây nguy hiểm cho kè Một kè thảm bê tơng có độ dốc mái 1:2,chiều dày D = 0,1m, tỷ trọng tương đối lớp mặt nước ∆1 = 1,3 cát Nếu chiều dài rò rỉ lớn 0,2 m, độ thấm lớp mặt ≤ 7,5.10-5m/s, trường hợp tượng giảm mực nước tương đối nguy hiểm 3.3 Tải trọng dòng chảy Tải trọng dòng chảy tác dụng lên kè thảm bê tơng phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy xác định theo công thức Pilarczyk [1]: (2) Thông số mái Ks ổn định thành phần kè phụ thuộc vào độ dốc mái α góc nội ma sát vật liệu kè: Với thảm bê tông liên kết cáp có neo: Ks = cosα Với thảm không neo, bê tông ghép không liên kết: (3) Thông số ổn định thông số Shield tới hạn phụ thuộc vào loại kết cấu kè Thông số chiều sâu nước Khphụ thuộc vào cách thức phát triển độ ráp dòng chảy (4) h: Chiều sâu dòng sơng α: Góc dốc mái kè Ứng dụng tính tốn kè thảm bê tơng Tính tốn kè thảm bê tơng chịu tác động tải trọng sóng dòng chảy rối với điều kiện biên sau: - Chiều cao sóng : Hs=0.5m; - Chu kỳ sóng : Tp=4s; - Độ dốc mái kè : cotgα =3; - Chiều sâu kênh dẫn : h = 1,5m Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 44 – 11/2015 32 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 - Vận tốc dòng chảy trung bình Tỷ trọng tương đối : uct= 3,2 m/s : ∆1 = 1,5 Đất cát đầm chặt có D50 = 0,15mm với góc nội ma sát cát :1 = 35o Chiều dài rò rỉ xác định 0,2 m * Xét ảnh hưởng tải trọng sóng Chiều dài sóng nước sâu thời điểm đỉnh : Lop = g/2π.Tp2= 25m Độ dốc sóng : Sop = Hs/Lop=0,02 Thơng số sóng vỡ : Thông số kè cát (tra bảng 1) : F=5 ÷ Tải trọng tới hạn : Hs/D= F op-2/3 = 2.8 ÷3.4 Chiều dày yêu cầu bê tơng theo tiêu chuẩn: D=0,15 ÷ 0,18m * Kiểm tra ổn định đất nền: Hiện tượng tích dẻo: Theo biểu đồ hình 2, ứng với chiều dày D=0,15 ÷ 0,18m thảm bê tơng neo tốt mái dốc 1:3 chiều cao sóng cho phép lớn hơn0,6 ÷ 0,8m Chiều cao sóng thiết kế Hs = 0.5m nên tượng tích dẻo khơng xảy Hiện tượng hóa lỏng: Vì cát đầm chặt độ dốc mái 1:3 nên theo quy định thiết kế khơng xảy tượng hóa lỏng Hiện tượng giảm mức nước: Vì kè thảm bê tơng đất cát với chiều dài rò rỉ nhỏ (0.2m) nên khơng xảy nguy hiểm hạ mực nước ngầm * Xét ảnh hưởng dòng chảy - Hệ số xáo động dòng chảy rối : Kt=2,0 - Thơng số chiều sâu nước : Kh=0,4 - Góc nội ma sát vật liệu kè Với kè bê tơng có neo : =90o Với kè bê tông không neo : = ¾ 1 =26o - Thông số mái Với kè bê tơng có neo Với kè bê tơng khơng neo - Thông số ổn định kè : Ks=cosα =0,95 : Ks=0,58 : =0,5 cho phía thảm = 0,75 cho mép thảm - Thông số Shield tới hạn kè : =0,07 Thay số trị giá trị uct ∆1 vào công thức Pilarczyk (2), chiều dày yêu cầu lớp bê tơng sau: - Thảm có neo, chiều dày bê tơng phía thảm: D=0,08m chiều dày bê tông mép thảm: D= 0,12m - Thảm không neo, chiều dày bê tơng phía thảm: D=0,12m chiều dày bê tông mép thảm: D= 0,19m Kết luận Như vậy, chiều dày thảm bê tông phụ thuộc vào cấu trúc đất nền, chiều cao sóng phát triển dòng chảy Trong điều kiện biên tiêu chuẩn, chiều dày lớp thảm bê tơng kè chịu ảnh hưởng tải trọng sóng lớn chiều dày thảm bê tông kè chịu tác động dòng chảy Khi kè chịu tải trọng sóng nên thiết kế thảm bê tơng có neo tốt vào đất Để đảm bảo mép thảm bê tông không bị lật chịu tải trọng thủy lực, bê tông mép thảm nên thiết kế dày bê tơng phía thảm Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 44 – 11/2015 33 ... 20/11/2015 xuống Khi tính tốn tác động tải trọng sóng, hệ số kè F tương ứng với kết cấu kè lấy theo bảng [1],[3]: Bảng Hệ số kè thảm bê tông Kết cấu kè F Tấm bê tông cát 5-6 Tấm bê tông đất sét - Sét... tơng phía thảm: D=0,08m chiều dày bê tông mép thảm: D= 0,12m - Thảm khơng neo, chiều dày bê tơng phía thảm: D=0,12m chiều dày bê tông mép thảm: D= 0,19m Kết luận Như vậy, chiều dày thảm bê tông phụ... chảy Trong điều kiện biên tiêu chuẩn, chiều dày lớp thảm bê tông kè chịu ảnh hưởng tải trọng sóng lớn chiều dày thảm bê tơng kè chịu tác động dòng chảy Khi kè chịu tải trọng sóng nên thiết kế thảm