Cọc ván cừ bê tông cốt thép dự ứng lực, khả năng ứng dụng vào công trình kè trên nền đất yếu

Bài báo đã đưa ra 3 phương án thiết kế cho kè dùng cọc ván PC là: Không gia cố; gia cố tường bằng neo và gia cố nền bằng gia tải trước. các giả thiết về chiều dài cọc và độ dốc lòng sông khác nhau đã được nghiên cứu. Kết quả tính toán cho thấy, nếu không gia cố nền, công trình sẽ có biến dạng lún lớn trên 60cm, mặc dù chuyển vị đỉnh kè của phương án có neo khá nhỏ.

ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA CỌC VÁN CỪ BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC, KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO CƠNG TRÌNH KÈ TRÊN NỀN ĐẤT YẾU TS NGUYỄN BẢO VIỆT Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Tóm tắt: Khả ứng dụng cọc ván cừ bê tông cốt thép dự ứng lực, cọc ván PC, vào cơng trình kè đất yếu nghiên cứu báo Các phân tích thực cho cơng trình kè sơng Trà Nóc, Tp Cần Thơ, nơi có đất yếu đặc trưng đồng sông Cửu Long Bài báo đưa phương án thiết kế cho kè dùng cọc ván PC là: Không gia cố; Gia cố tường neo Gia cố gia tải trước Các giả thiết chiều dài cọc độ dốc lòng sơng khác nghiên cứu Kết tính tốn cho thấy, khơng gia cố nền, cơng trình có biến dạng lún lớn 60cm, chuyển vị đỉnh kè phương án có neo nhỏ Trong tất trường hợp nghiên cứu, cơng trình đảm bảo độ ổn định với hệ số an toàn cao, FS>1,7 khả chịu uốn nứt nội lực tường cừ nhỏ nhiều so với khả chịu uốn nứt cọc ván PC Việc phân tích điều kiện kinh tế cho thấy phương án kè sử dụng cọc ván PC với phương án thiết kế chiều dài hợp lý giảm đến gần 60% giá thành so với phương án truyền thống Từ khóa: Cọc ván PC, hệ số an tồn ổn định; chuyển vị tổng, chuyển vị đỉnh kè; mô men uốn Giới thiệu Cọc ván cừ bê tông cốt thép (BTCT) đúc sẵn dự ứng lực, cọc ván PC, chế tạo lần đầu công ty P.S Mitsubishi (Nhật Bản) cách 50 năm Cọc thiết kế với nhiều hình dạng mặt cắt khác dạng phẳng; dạng sóng, … có khớp liên kết để hạ cọc xuống liên tiếp chúng kết nối thành kết cấu tường chắn Trong vòng 20 năm qua, kết cấu tường chắn sử dụng cọc ván PC áp dụng nhiều nước Đơng Nam Á 44 có Việt Nam để bảo vệ cơng trình ven sơng kết hợp với việc chống xói lở bờ sơng, cơng trình hố đào sâu, hệ thống kè đường giao thơng có địa hình bất lợi, hệ thống đê, cống, đập cảng sông, biển,… Cọc ván PC ứng dụng vào Việt Nam từ năm 1999 cụm cơng trình nhiệt điện Phú Mỹ hạng mục hệ thống kênh dẫn 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 Turbin khí Các cơng trình lấn biển tỉnh Kiên Giang, Quảng Ninh, kè bờ sông Đồng Nai sử dụng cọc ván PC cho kết tốt Mặc dù cọc ván PC ứng dụng vào Việt Nam lâu khả áp dụng chưa nghiên cứu cách đầy đủ, đặc biệt vùng đất yếu yếu khu vực đồng sông Cửu Long Hiện tại, số cơng trình ven bờ cơng trình kè sơng Cần Thơ, sơng Trà Nóc áp dụng kết cấu cổ điển tường chắn cọc BTCT (tường cao, đất yếu) hay cọc cừ tràm (tường thấp, đất tốt) để gia cố bảo vệ bờ cho dù phương pháp có nhiều nhược điểm khối lượng vật liệu lớn, khả chống đẩy ngang thấp, thời gian thi công kéo dài Cọc ván PC sử dụng hiệu kết cấu kè bờ sông Một số dạng kè, tường sử dụng cọc ván PC thấy hình Trong phạm vi mình, báo tập trung nghiên cứu khả áp dụng kết cấu cọc ván PC vào dự án kè sơng Trà Nóc với đất yếu đặc trưng vùng đồng sông Cửu Long với chiều cao tường thơng dụng 2,5m Tap chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình Một số dạng kết cấu kè cọc ván PC, [2] Cọc ván cừ Bê tông cốt thép đúc sẵn dự ứng lực (cọc ván PC) thực tế cọc ván PC dạng W có nhiều loại với chiều 2.1 Cấu tạo cọc ván PC 600mm) chiều dài từ 6m đến 28m Bề rộng cao khác từ W120 (cao 120mm) đến W600 (cao Cọc ván PC có nhiều dạng khác dạng cọc chế tạo định hình với kích thước 996mm sóng; dạng phẳng nhiên dạng sóng W loại Cọc ván PC có cốt chủ thường cốt thép dự ứng lực thường gặp Hình thể cấu tạo cừ PC loại tao cáp 12,7mm, số lượng tao cáp tuỳ theo chiều SW600B với mặt cắt dạng W chiều dài 12m Trong dài cọc Hình Cấu tạo cừ PC dạng chữ W điển hình [2] Với cấu tạo cọc ván PC có nhiều ưu điểm: - Khả chống chịu lực tốt theo thời gian; - Độ cứng chống uốn lớn có hình dạng (W) tối ưu kết cấu so với cọc vng BTCT thường, chịu mơmen lớn hơn, chuyển vị ngang hơn; Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 - Cọc ván PC với tiết diện W làm tăng lực ma sát đất-cọc từ 1,5~3 lần so với loại cọc đặc có diện tích tiết diện ngang (khả chịu tải cọc theo đất tăng); - Sử dụng vật liệu cường độ cao (bê tông, cốt thép) nên tiết kiệm vật liệu giảm giá thành sản xuất 45 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Cường độ chịu lực cao nên thi công tượng vỡ đầu cọc hạn chế; - Việc chế tạo nhà máy nên chất lượng cọc kiểm sốt tốt; - Thi cơng nhanh với xà lan cẩu vừa chuyên chở vừa thi công hạ cọc Không cần làm tường chắn tạm để ngăn nước tạo mặt thi công; - Đoạn cọc chế tạo có chiều dài lớn đến 28m nên hạn chế số lượng mối nối; - Cơng trình sau hồn thành có dạng tường bê tơng kín nhẵn nên có khả chống xói cao đồng thời có mỹ quan đẹp; - Lắp đặt định vị khung dẫn hướng, dùng cẩu móc vào phía đỉnh cọc để di chuyển đến vị trí cần hạ cọc Dưới trọng lượng thân cọc xói đất tia nước áp lực cao mà cọc hạ xuống với chiều sâu ban đầu; - Lắp búa rung vào đầu cọc kết hợp với tia nước để hạ cọc đến cao độ thiết kế; - Đổ dầm bê tông liên kết cố định đỉnh cọc 2.3 Phương pháp tính tốn, phân tích kết cấu kè sử dụng cọc ván PC Trong nghiên cứu này, phần mềm Plaxis 8.2 chuyên dụng ngành địa kỹ thuật với nhiều mơ hình tiên tiến sử dụng để phân tích độ ổn định, chuyển vị tổng kết cấu chuyển vị ngang nội lực cọc ván PC - Có thể ứng dụng nhiều điều kiện địa chất khác nhau; - Giá thành dễ chấp nhận so với ứng dụng công nghệ truyền thống - Mơ hình Mohr-Coulomb sử dụng để mô đất, đất đắp; Tuy nhiên cọc ván PC có số nhược điểm như: - Phần tử neo (Anchor) dùng để mô tả phần tử neo; - Phần tử (Plate) dùng để mô kết - Đòi hỏi thiết bị thi cơng chun nghiệp búa rung, búa thuỷ lực, máy phun nước áp lực, ; - - Không phù hợp với công trình có dạng gấp khúc, đường cong có bán kính nhỏ; Chi tiết nối phức tạp làm hạn chế độ sâu hạ cọc 2.2 Phương pháp hạ cọc ván PC Cọc ván PC thi cơng hạ xuống đất theo số phương pháp như: - Thi cơng búa rung kết hợp xói nước; - Đóng búa diezel kiểu ống, búa rung va đập hay búa thủy lực Trong phương pháp thi công việc hạ cọc búa rung kết hợp với xói nước thường dùng giúp việc hạ cọc dễ dàng xuống tới độ sâu thiết kế với lực tác động thi công lên cọc nhỏ Việc phun nước áp lực cao xuống đáy cừ để xói đất giúp cọc xuống thực qua ống đặt sẵn thông từ đầu cừ đến đáy cừ (cỡ D15-D17) Phương pháp thi công búa rung kết hợp xói nước gồm có bước sau: - 46 Chuẩn bị hệ thống thiết bị bao gồm cần cẩu búa rung máy bơm áp tạo tia nước áp lực cao (12MPa); cấu cọc ván PC Tuyến kè sơng Trà Nóc 3.1 Giới thiệu cơng trình Cơng trình kè sơng Trà Nóc xây dựng nhằm bảo vệ ngăn chặn tình trạng sạt lở bờ sơng, phòng tránh thiệt hại tính mạng, tài sản nhân dân đồng thời góp phần tạo cảnh quan thị thơng thống, khang trang cho quận Bình Thủy Tuyến kè có tổng chiều dài 488m Cao độ đỉnh kè từ 2,5~3,0m cao độ chân kè 0,5m theo mốc chuẩn Hòn Dấu Phần sau kè tôn cao lên đến cốt + 2,3 m để làm vỉa hè đường giao thông cho xe thô sơ với chiều rộng 10~12m Mặt cắt kè điển hình thể hình 3.2 Điều kiện địa chất, thủy văn Địa tầng khu vực khảo sát tương đối ổn định, biến đổi nhỏ Kết hợp kết khảo sát trường kết thí nghiệm phòng chia địa tầng phạm vi khảo sát đến 38m thành lớp sau (bảng 1) Các phân tích tiến hành với mực nước sông thấp mức - 0,8m Do sơng có chế độ thủy triều thấp nên việc phân tích ổn định cho trường hợp nước sơng rút nhanh bỏ qua Tap chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bảng Cấu tạo địa tầng khu vực sơng Trà Nóc Tên lớp đất Lớp 1b: Bùn sét, xám nâu, chảy Lớp 2a: Sét pha, xám nâu, chảy Lớp 2b: Sét pha, xám nâu, dẻo chảy Trọng lượng riêng () 15,3kN/m 17,53kN/m 18kN/m 3 Góc ma sát (’) Lực dính (c’) Mơ đun biến dạng (E0) Chiều dày lớp (h) o 17,2kPa 706kPa 12m o 22,32kPa 1304kPa 18m 15,6kPa 1687kPa 8m 16,33 19,47 o 3.3 Thiết kế công trình trạng phương pháp thi cơng quen thuộc tận dụng Hiện kè xây dựng xong với kết cấu thiết bị thi công, sản xuất sẵn có, nhiều nhà thầu móng sử dụng cọc BTCT thường cọc ly tâm đúc có khả làm tăng tính cạnh tranh Tuy sẵn đáy kè tường kè làm BTCT đổ nhiên có nhiều nhược điểm như: Việc thi cơng chỗ Bản chống tường kè BTCT với khoảng tương đối phức tạp phải làm tường chắn tạm để cách m Việc chống xói lở chân kè thực ngăn nước tạo mặt thi công; Khả chống xây đá hộc dày 40cm Ưu điểm thiết kế xói lở thấp; Kinh phí tu bảo dưỡng nhiều +2.50 m MNCTK+1.95 +0.50 MNTTK-0.80 Hình Phương án đề xuất kè sơng Trà Nóc sử dụng cọc ván PC Hình Cấu tạo kè sơng Trà Nóc trạng 3.4 Các phương án sử dụng cọc ván PC Tính khả thi việc sử dụng cọc ván PC cho kết cấu kè nghiên cứu với việc sử dụng cọc ván PC SW600B (hình 2) có thơng số tính tốn EA=3’734’400 kN/m; EI=42’436 kNm^2/m Do đất yếu nên phương án gia cố đất, tường xét đến với trường hợp nghiên cứu: Không gia cố, gia cố tường neo gia cố gia tải trước Với phương án đề xuất, việc thi công kè sử dụng cọc ván PC chia thành giai đoạn sau: - Giai đoạn 0: Gia tải trước phần đất đắp đất với tải trọng trọng lượng đất đắp Giai đoạn áp dụng cho phương án gia cố cách gia tải trước; - Giai đoạn 1: Thi công hạ cọc ván PC; Nếu phương án 2, neo thép thi cơng bước Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 với thiết kế tao cáp 12,7mm dài 10m, khoảng cách neo 3m, đầu cố định có EA=8’433 kN/m; - Giai đoạn 2: Thi công tôn sau lưng tường kè đất cao độ thiết kế; - Giai đoạn 3: Kè hoàn thành chịu tải trọng, tác động q trình sử dụng Tính tốn phương án cọc ván PC cho tuyến kè sơng Trà Nóc phần mềm Plaxis Tác giả sử dụng phần mềm Plaxis 8.2 để tính tốn phân tích phương án đề xuất với số yếu tố ảnh hưởng bao gồm độ dốc lòng sơng với trường hợp m = 1:2; 1:3; 1:4; 1:5 với trường hợp chiều dài cọc ván PC thay đổi L= 9m; 12m, 15m, 20m Hình thể mơ hình tính tốn Plaxis 47 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Đất tôn Tải trọng 3kPa Lớp 1b Lớp 2a Lớp 2b Hình Mơ hình tính tốn kè phần mềm Plaxis Kết nhận xét Kết phân tích chuyển vị tổng hệ số an tồn tổng thể cơng trình thể hình 6, hình hình trường hợp lòng sơng có độ dốc thay đổi m = 1:2; 1:3; 1:4; 1:5 với chiều dài cọc ván PC thay đổi với L = 9m; 12m, 15m, 20m Hình 6, hình cho thấy chuyển vị tổng cơng trình lớn khoảng 64~66cm (do đất có tính biến dạng lớn) không gia cố Trong phạm vi nghiên cứu này, phương pháp gia cố gia tải trước tính tốn với kết tốt chuyển vị tổng giảm xuống khoảng 11~12cm (hình 8) Về mặt chuyển vị tổng thấy độ dốc lòng sơng chiều dài cừ có ảnh hưởng (dưới 10%) Mặt khác, kết tính tốn hệ số an tồn tổng thể cơng trình tăng độ dốc lòng sơng giảm Độ tăng đến khoảng 25%, độ dốc thay đổi từ m=1:2 xuống m=1:5 cho trường hợp nghiên cứu không gia cố, gia cố tường neo gia cố gia tải trước Khi chiều dài cọc ván PC thay đổi từ lên 20m hệ số an tồn tăng khoảng 15% với trường hợp không gia cố; 40% với trường hợp gia cố tường neo 25% với trường hợp gia cố gia tải trước Tuy nhiên thấy tất trường hợp xem xét, hệ số an toàn cao (FS > 1,7) thỏa mãn yêu cầu ổn định cơng trình (FS = 1,4) Hình Chuyển vị tổng hệ số an tồn ổn định - Khơng gia cố (L = chiều dài cừ) 48 Tap chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình Chuyển vị tổng hệ số an toàn ổn định - Gia cố tường neo (L = chiều dài cừ) Hình Chuyển vị tổng hệ số an toàn ổn định - Gia cố gia tải trước Hình 9, hình 10, hình 11 thể chuyển vị đỉnh kè mô men lớn tường tương ứng với trường hợp lòng sơng có độ dốc thay đổi m = 1:2; 1:3; 1:4; 1:5 với chiều dài cọc ván PC thay đổi với L = 9m; 12m, 15m, 20m áp lực đất nên chuyển vị lớn Chính mà lực tác dụng vào đất giảm bớt phần dẫn đến tượng chuyển vị tổng giảm xuống phân tích Mơ men tường có giá trị nhỏ Kết phân tích cho thấy chuyển vị đỉnh kè lớn từ 8~15cm không gia cố Hai biện pháp gia cố neo cho tường gia tải trước cho có hiệu lớn làm giảm chuyển vị đỉnh kè xuống 2,0~3,5cm 1,1~2,4cm 18~28kN.m/m với trường hợp không gia cố; 12~50kN.m/m với trường hợp gia cố tường neo 13~17kN.m/m với trường hợp gia cố gia tải trước Mặc dù giá trị mô men chịu ảnh hưởng nhiều chiều dài cọc cừ thay đổi đặc biệt sử Một điều thú vị chiều dài cọc cừ lớn dụng biện pháp gia cố tường neo, giá trị tăng chuyển vị đỉnh kè lớn theo, độ tăng tới nhiều Tuy nhiên với khả chịu uốn nứt gần 30% Hiện tượng giải thích cọc ván PC SW600 600kN.m/m loại cọc cừ tường có chiều dài lớn phải chịu nhiều hồn tồn đủ khả chịu mô men uốn tường Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 49 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình Chuyển vị đỉnh mô men uốn kè cao H=2,5m – Không gia cố Hình 10 Chuyển vị đỉnh mơ men uốn kè cao H=2,5m – Gia cố tường neo Hình 11 Chuyển vị đỉnh mơ men uốn kè cao H=2,5m - Gia cố gia tải trước Các kết phân tích cho thấy đất khơng gia cố cơng trình có biến dạng lún lớn gây rủi ro trình sử dụng Biện pháp gia cố tường neo có tác dụng tăng tính ổn định cơng trình giảm chuyển vị ngang đỉnh tường cừ khơng có tác dụng giảm độ lún Vì vậy, biện pháp gia cố để giảm lún cần thiết trường hợp đất yếu Sau đất gia cố giảm lún cọc ván cừ cần dài 9,0m (cắm vào đất 6,5m) thỏa mãn yêu cầu ổn định biến dạng cơng trình 50 Để so sánh điều kiện kinh tế, cơng trình lập dự tốn tính giá trị (khối lượng xây lắp, biện pháp thi cơng,…) theo quy định hành Hình 13 cho thấy trường hợp nghiên cứu kè sông Trà Nóc, phương án kè sử dụng cọc ván PC tốt nhiều so với phương pháp truyền thống, công trình trạng, (theo [1]) Với phương án cọc ván PC dài 9,0m, giá thành cơng trình giảm so với giá trị cơng trình theo phương pháp truyền thống tới gần 60% Tap chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình 12 Giá trị cơng trình tính cho 1m dài kè Kết luận Tính khả thi cơng trình kè sử dụng cọc ván PC cho sơng Trà Nóc, thành phố Cần Thơ nơi có đất yếu đặc trưng vùng đồng sông Cửu Long nghiên cứu với trường hợp độ dốc lòng sơng m= 1:2; 1:3; 1:4; 1:5 với chiều dài cọc ván PC L= 9m; 12m, 15m, 20m phương án thiết kế 1) Không gia cố; 2) Gia cố tường neo 3) Gia cố phương pháp gia tải trước (48 trường hợp tính tốn) so với khả chịu uốn nứt cấu kiện cọc ván PC - Phương án kè sử dụng cọc ván PC với chiều dài hợp lý đem lại hiệu kinh tế lớn, giá thành giảm đến gần 60% so với phương án truyền thống TÀI LIỆU THAM KHẢO dụng cọc ván BTCT dự ứng lực cho kết cấu kè sông khu vực Tp Cần Thơ”, Luận văn thạc sỹ, Đại học Xây Dựa kết phân tích tính tốn, số kết luận rút nghiên cứu sau: - Với đất yếu, việc gia cố đất nhằm giảm biến dạng lún cần thiết để giảm thiểu rủi ro cho cơng trình q trình sử dụng; - Chiều tường tăng, chuyển vị cơng trình giảm không đáng kể (dưới 10%) chuyển vị tường lại tăng tới gần 30% Ngồi ra, hệ số an toàn tăng đáng kể từ 15% ~40% tùy thuộc vào phương án thiết kế tất trường hợp, điều kiện ổn định thỏa mãn (FS> 1,4); TRƯƠNG THANH NHÃ (2014), “Đánh giá khả áp dựng “Cọc ván Bê tông dự ứng lực, dẫn kỹ thuật”, Công ty Cổ phần Beton 6, 2014 “Báo cáo kết khảo sát địa kỹ thuật xây dựng cơng trình: Kè sơng chợ Trà Nóc, địa điểm: Khu vực 2, phường Trà Nóc, quận Bình Thủy, Tp Cần Thơ”, Cơng ty TNHH Tư vấn – Kiểm định xây dựng môi trường GCE, 2012 “Hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi cơng Cơng trình: Kè sơng chợ Trà Nóc, địa điểm: Khu vực 2, phường Trà Nóc, quận Bình Thủy, Tp Cần Thơ”, Viện kiến trúc quy hoạch Tp Cần Thơ, 2013 - Mô men uốn tường cừ có thay đổi tùy thuộc vào phương án thiết kế, đặc biệt phương pháp gia cố tường neo nhỏ, khoảng 10%, Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 Ngày nhận bài: 5/03/2015 Ngày nhận sửa lần cuối: 23/03/2015 51 ... Hình Một số dạng kết cấu kè cọc ván PC, [2] Cọc ván cừ Bê tông cốt thép đúc sẵn dự ứng lực (cọc ván PC) thực tế cọc ván PC dạng W có nhiều loại với chiều 2.1 Cấu tạo cọc ván PC 600mm) chiều dài... THANH NHÃ (2014), “Đánh giá khả áp dựng Cọc ván Bê tông dự ứng lực, dẫn kỹ thuật”, Công ty Cổ phần Beton 6, 2014 “Báo cáo kết khảo sát địa kỹ thuật xây dựng cơng trình: Kè sơng chợ Trà Nóc, địa... cọc ván PC Hình Cấu tạo kè sơng Trà Nóc trạng 3.4 Các phương án sử dụng cọc ván PC Tính khả thi việc sử dụng cọc ván PC cho kết cấu kè nghiên cứu với việc sử dụng cọc ván PC SW600B (hình 2) có