Nghiên cứu neo xoắn gia cố cho tấm lát kiểu hai chiều bảo vệ mái đê biển

Neo xoắn gia cố cho cấu kiện bê tông hai chiều là giải pháp mới làm tăng thêm ổn định cho các tấm lát mái và hạn chế chuyển vị của cả mảng gia cố. Neo xoắn gia cố các tấm lát mái gồm ba bộ phận chính: Đầu neo, dây neo và chốt liên kết. Nhằm giúp các bạn hiểu hơn về vấn đề này, mời các bạn cùng tham khảo bài viết Nghiên cứu neo xoắn gia cố cho tấm lát kiểu hai chiều bảo vệ mái đê biển. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

NGHIÊN CỨU NEO XOẮN GIA CỐ CHO TẤM LÁT KIỂU HAI CHIỀU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN Hoàng Việt Hùng Tóm tắt: Cấu kiện gia cố mái đê kiểu hai chiều (cấu kiện âm dương) cấu kiện gia cố mái phổ biến đê biển Việt Nam Trong thực tế thường xảy ổn định cục vị trí áp lực nước đẩy ngược lớn lên đáy viên gia cố sóng rút tác động trực tiếp sóng lên gia cố Neo xoắn gia cố cho cấu kiện bê tông hai chiều giải pháp làm tăng thêm ổn định cho lát mái hạn chế chuyển vị mảng gia cố Neo xoắn gia cố lát mái gồm ba phận chính: Đầu neo, dây neo chốt liên kết Đầu neo làm nhựa có cánh xoắn để tạo sức kháng nhổ Chốt liên kết dùng liên kết neo xoắn với lát mái Số lượng neo phụ thuộc vào trọng lượng lát mái, áp lực sóng, cấp độ đê Theo phương pháp phân tích giới hạn biên biên dưới, tác giả thiết lập biểu thức (11) xác định sức chịu tải kéo nhổ neo xoắn dựa nguyên lý cân công để làm sở tính tốn Từ khố: Neo xoắn, lát hai chiều, giới hạn biên trên, biên dưới, công khả dĩ, ổn định lát Đặt vấn đề Tấm lát mái đê biển kết cấu bảo vệ quan trọng đê biển Rất nhiều nghiên cứu, nhằm cải tiến kết cấu bảo vệ vững hơn, đảm bảo an tồn cho đê tác dụng sóng biển Tuy nhiên, thực tế xảy tình trạng mảng gia cố bị bong tróc, rão xơ lệch tác dụng sóng lún sụt, dẫn đến an toàn cho đê biển Một nguyên nhân bong tróc mảng gia cố, trọng lượng viên gia cố khơng đủ giữ ổn định Còn vấn đề lún sụt mảng gia cố, loại trừ ngun nhân thi cơng có phần nguyên nhân lôi vật liệu lọc sóng rút Sự lơi vật liệu lọc ngồi xảy mảng gia cố có chuyển vị lớn tác dụng áp lực đẩy ngược từ thân đê sóng rút Để khắc phục tình trạng trên, giải pháp neo gia cố lát mái tác giả đề xuất làm gia tăng trọng lượng viên gia cố hạn chế chuyển vị mảng gia cố, mái đê biển gia tăng độ an toàn Bản chất kỹ thuật giải pháp a) Mục đích Mục đích kỹ thuật giải pháp tăng thêm ổn định cho lát mái hạn chế chuyển vị mảng gia cố tác dụng sóng áp lực nước đẩy ngược từ thân đê Để đạt mục đích trên, neo gia cố lát mái theo tác 94 giả đề xuất bố trí thêm neo cắm vào đất để liên kết giữ cho lát mái ổn định (hình 1) Mức độ dày, thưa neo phụ thuộc vào trọng lượng có sẵn lát mái, áp lực sóng, cấp độ đê loại đất đắp đê Hình 1: Sơ đồ bố trí neo cho lát mái 1) Thân neo 2) Dây neo 3) Chốt liên kết Giải pháp sử dụng neo xoắn, dùng thiết bị xoắn neo vào đất đến độ sâu thân đê liên kết dây neo chốt giữ với lát mái b) Mô tả chi tiết giải pháp “Neo gia cố lát mái bảo vệ đê biển” bao gồm ba phận chính: Thân neo: Có thể neo xoắn nhựa cứng, neo ấn, neo lò xo, thân neo liên kết với gia cố mái dây neo Bài báo trình bày ứng dụng dạng neo thứ neo xoắn mô tả chi tiết hình 2a, thân neo làm nhựa để đảm bảo tránh ăn mòn nước biển, đồng thời rãnh xoắn giúp dễ thi cơng xốy neo vào đất, kích thước neo phụ thuộc tải trọng neo giữ yêu cầu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) a) Chi tiết mũi xoắn b) Chi tiết liên kết với lát mái Hình 2: Chi tiết neo gia cố Dây neo: Dây neo dùng để liên kết neo với lát mái, số lĩnh vực khác dây neo thường thép sợi bện, với môi trường ăn mòn nước biển mặn, tác giả đề xuất dây neo nhựa mềm Dây neo nhựa mềm đề xuất tác giả thay đổi vật liệu so với dạng dây neo truyền thống thép neo bê tông Với thân đê biển đắp đất neo bê tơng khơng thể phù hợp tính cứng nó, dây neo thép bị nước biển ăn mòn Chốt liên kết với lát mái: Để liên kết dây neo với lát mái, dùng liên kết ren ốc xuyên qua lỗ chốt neo lát mái, lỗ chốt neo có đường kính khoảng 5-7 cm, chi tiết hình 2b Thiết lập biểu thức xác định sức chịu tải neo xoắn sử dụng gia cố lát mái đê biển Dựa đề xuất phương pháp phân tích giới hạn ứng dụng cho cọc coắn chịu tải trọng nhổ [2], kết hợp hình dạng thiết kế thực tế neo xoắn, tác giả thiết lập biểu thức xác định sức chịu tải kéo nhổ neo xoắn sau kiểm nghiệm lại theo kết thực nghiệm 3.1 Những giả thiết định lý dùng phương pháp phân tích giới hạn a) Điều kiện bền Coulomb lý thuyết dẻo Như biết, điều kiện bền C.A Coulomb có dạng sau:   tg  c (1) Nếu biểu thị (1) hệ tọa độ  ~  có hai “đường bao giới hạn” không gian   (hình 3) Áp dụng giả thiết trùng phương ứng suất tốc độ biến dạng dẻo tương ứng lý thuyết dẻo, đặt hệ tọa độ  ~  giá trị biến dạng dẻo tương ứng Tốc độ biến dạng dẻo hướng pháp tuyến với mặt trượt  p đặt trục hoành tốc độ biến dạng dẻo cắt  p trục tung  p (hình 3) Theo lý thuyết chảy dẻo, véc tơ tốc độ biến dạng dẻo phải vng góc với mặt dẻo (ở “ đường bao giới hạn” Coulomb), vec tơ pháp hướng làm với véc tơ  p góc   p p V p  B   §­êng bao giíi h¹n Coulomb (nÐn)  O C p §­êng bao giíi h¹n Coulomb Hình 3: Ứng dụng lý thuyết dẻo cho đất Tính pháp hướng mơi trường đất minh họa mơ hình vật lý hình Từ hình vẽ thấy rằng, “ cài mắc” “ hạt đất” phương vec tơ chuyển vị nằm ngang, mà hợp với mặt ngang góc  [3] KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 95 Pn h ng c Hu í uyển vị Pt Mô hình hạt đất a a a) Đất chặt b) Phân tích thành phần vect¬ Hình 4: Mơ hình vật lý mơ hướng chuyển vị đất bị cắt Nếu    , người ta quy ước gọi cắt dẻo (plastic-shearing) Vậy rõ ràng trường hợp này, véc tơ chuyển vị “cắt dẻo” phân tích thành hai thành phần: Véc tơ có hướng vng góc với mặt ngang, véc tơ song song với mặt ngang (hình 4b), vec tơ tốc độ biến dạng dẻo biểu diễn mặt dẻo (hình 3) Nếu khơng có cài mắc,   , trường hợp gọi trượt ma sát (FrictionSliding) Việc kết hợp giả thiết trùng phương ứng suất tốc độ biến dạng dẻo lý thuyết chảy dẻo với điều kiện bền Coulomb nêu [3], mở rộng toán cân giới hạn tĩnh sang toán động, cho phép xem xét toán cường độ ổn định khối đất hợp lý trực quan hơn, thông qua nguyên lý bảo tồn lượng cơng ngoại lực nội tiêu tan vật thể đạt trạng thái cân giới hạn, tác dụng ngoại lực b) Những định lý phương pháp phân tích giới hạn Phương pháp phân tích giới hạn dựa hai định lý bản, đề cập tới hai trạng thái làm việc môi trường xét: Trạng thái ứng với cuối giai đoạn “đàn-dẻo” (giới hạn dưới) trạng thái ứng với đầu giai đoạn chảy (giới hạn trên) Nếu chọn trường ứng suất tốc độ biến dạng thích hợp, hai định lý lý thuyết cho phép xác định trạng thái giới hạn gần với trạng thái cần tìm tốn đặt [3] Định lý - (Giới hạn dưới) Nếu tìm trường ứng suất  ijE toàn vật thể, cân với tải trọng Ti tác động biên AT ứng với trường hợp ứng suất đó, điểm vật thể chưa đạt trạng thái giới hạn đặc trưng f ( ijE )  vật thể khơng bị phá hoại tác dụng tải 96 trọng Ti Fi Định lý đương nhiên chứng minh, trường ứng suất sinh vật thể thỏa mãn hệ phương trình cân tĩnh mà không thỏa mãn (chưa đạt tới) điều kiện cân giới hạn Định lý 2: (Giới hạn trên) Giả thiết cho *  chế tương thích biến dạng dẻo ijP , u ijP ,  thỏa mãn điều kiện u ijP  biên chuyển vị Au , tải trọng Ti , Fi xác định cách cân tốc độ công ngoại lực với tốc độ tiêu tan nội (biểu thức 2) lớn giới hạn tải trọng thực tế  * Au Ti uiP dA  Fi uiP dV    ijP ij* dV V V (2) Rõ ràng vật thể đạt trạng thái cân giới hạn xẩy tiêu tan nội năng, ngoại lực tác dụng dẫn tới trạng thái phải tải trọng giới hạn 3.2 Lập biểu thức xác định sức chịu nhổ giới hạn a) Những giả thiết Giả thiết khối đất phá hoại có dạng hình nón, trường hợp làm việc tối ưu neo xoắn với (H/D)=7, [2],[5],[6],[7], với H độ sâu từ mặt đất tới neo xoắn D đường kính lớn neo xoắn Sơ đồ tính tốn nêu hình tương ứng với tải trọng nhổ giới hạn Pgh Pgh  Nãn phá hoại V H V H D Mòi neo L L Hình 5: Giả thiết mặt nón phá hoại mũi neo xoắn Các ngoại lực tác động lên lăng thể đất trượt neo xoắn kéo lên (bao gồm lực nhổ neo xoắn trọng lượng thân lăng thể trượt), lực chống lại cường độ chống cắt đất, thỏa mãn định lý giới hạn phương pháp phân tích giới hạn Việc giả thiết khối đất phá hoại dạng nón kiểm chứng dựa kết nghiên cứu sau đây: (a.1) Kiểm chứng hình dạng khối đất phá hoại có dạng hình nón từ kết nghiên cứu cọc xoắn trường KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) Tác giả I-Rơ-Đốp M.D (1968)[6], Trơ-PhiMen-Cốp.I.U.G.(1965)[7] tiến hành thí nghiệm trường tới 200 ÷ 300 cọc xoắn chịu nhổ thẳng đứng, có kích thước xoắn D = 0,25 ÷ 1m với độ sâu đặt xoắn H = (4 ÷ 8)D với loại đất sét trạng thái dẻo mềm cứng, đất cát ẩm bão hòa nước trạng thái chặt vừa xốp Trong trường hợp cọc xoắn chịu nhổ, tác giả rút số kết luận sau: - Tỷ số giới hạn độ sâu đặt xoắn H đường kính xoắn D, (H/D) = ÷ tỷ số biểu thị giá trị tối ưu, đặc trưng cho hiệu tối đa xoắn - Khi xoắn đặt nông, đặc trưng H / D  H / D kp , Tải trọng nhổ giới hạn kéo theo khối đất có dạng hình nón cụt, đáy nhỏ vị trí xoắn, đáy lớn mặt đất Trong trường hợp sức chịu nhổ chủ yếu nhờ trọng lượng khối đất đè phía xoắn, trường hợp khơng xảy chuyển vị tương đối thân cọc khối đất bao quanh - Khi xoắn H / D  H / D kp trồi đất không xảy mà phát sinh phá hoại đất vị trí kề xoắn, sức chịu nhổ vừa tác dụng khối đất phía trên, vừa ma sát thân cọc với đất xung quanh - Từ kết trên, suy tải trọng nhổ giới hạn, phụ thuộc tỷ số (H/D) cường độ đất, đặc trưng góc ma sát lực dính đơn vị, mặt khác lựa chọn sơ đồ phá hoại khối đất xoắn cho trường hợp tối ưu làm sơ đồ tính tốn để xây dựng biểu thức xác định sức chịu nhổ thẳng đứng giới hạn (a.2) Kiểm chứng hình dạng khối đất phá hoại có dạng hình nón từ kết thí nghiệm mơ hình đất tương tự [5] Sơ đồ tính tốn giả thiết hình nghiệm chứng mơ hình đất tương tự Mơ hình làm đũa nhơm, hình trụ có đường kính ÷ mm, cho trường hợp toán phẳng Tran Vo Nhiem (1971) [5] tiến hành Từ kết thí nghiệm mơ hình đất tương tự, rút nhận xét sau: Trong trường hợp tỷ số (H/D) ≤ ÷ khối đất phía neo có dạng phá hoại hình nón cụt Trong trường hợp kéo xiên, góc xiên nghiêng nhỏ 250, hình dạng nón cụt khơng có nhiều khác biệt với trường hợp kéo thẳng đứng [5] (hình 6) Góc mở  vị trí neo giảm dần tỷ số (H/D) tăng, mặt khác (H/D) = khơng thấy xuất dạng phá hoại theo hình nón cụt mà có khối đất quanh vị trí neo bị phá hoại (hình 7) Điều phù hợp với kết thí nghiệm nhổ cọc trường [6],[7] nêu H / D  H / D kp phá hoại xảy vị trí kề phía xoắn a) Lực kéo thẳng đứng b) Lực kéo xiên < 200 Hình 6: Kết thí nghiệm mơ hình đất tương tự với (H/D) ≤ ÷ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 97 b) Lực kéo xoắn xiên < 200 a) Lực kéo xoắn thẳng đứng Hình 7: Kết thí nghiệm mơ hình đất tương tự với (H/D) = Như vậy, từ kết nghiên cứu công bố, việc giả thiết khối đất phá hoại dạng hình nón để thiết lập biểu thức sức chống nhổ giới hạn mũi neo xoắn phù hợp b) Lập biểu thức tính tốn Giả thiết khối đất bị phá hoại có dạng hình nón với kích thước thể hình Trong H độ sâu từ mặt đất đến cánh xoắn neo xoắn, D đường kính neo xoắn Từ hình vẽ áp dụng định lý giới hạn phép phân tích giới hạn: Tốc độ cơng ngoại lực: (3)   V1 V cos     Pgh V cos    Tốc độ tiêu tan nội dọc theo mặt nón: c.V cos S (4) Trong đó: V1 : Thể tích hình nón (hình 5); S: Diện tích xung quanh hình nón; V: Véctơ tốc độ chuyển vị hình nón, tác dụng lực nhổ giới hạn Pgh ;  : Góc ma sát đất; c : Lực dính đơn vị đất Điều kiện cân tốc độ công ngoại lực với tốc độ tiêu tan nội theo định lý giới hạn trên:  .V1 V cos      Pgh V cos     (5)  c.V cos .S 98 Thay V1 , S, xác định theo cơng thức hình học vào (5), rút Pgh  (D  2Htg)(H  L) (6)  cos  D  c cos   (  Htg) Có thể viết gọn lại D H Pgh  (1  tg)(H  L) D (7) H  cos   c cos   D(  D tg) H Đặt N D  (1  tg ) ; (8) D  cos   NC   ; (9)  cos    H  N   (  tg ) (10)  D  Vậy ta có cơng thức cuối D   Pgh  N D ( H  L ) cN C  DN   (11)   N D ; N C ; N  hệ số không thứ nguyên Pgh  Công thức (11) công thức xác định sức chịu tải kéo nhổ giới hạn neo xoắn ứng dụng để neo tăng cường ổn định viên gia cố mái đê biển Kết luận Đề xuất giải pháp neo giữ lát mái trình bày độ ổn định lát mái KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) cải thiện gia tăng trọng lượng viên gia cố dẫn đến gia tăng độ an tồn bảo vệ mái đê có bão triều cường Về mặt kinh tế mũi neo nhựa dây neo nhựa đảm bảo độ bền chống xâm thực giá thành rẻ với loại vật liệu khác Nhờ có neo gia cố mà mảng lát mái hạn chế chuyển vị áp lực nước đẩy ngược từ thân đê sóng rút Áp dụng phương pháp phân tích giới hạn (phương pháp phân tích giới hạn biên biên dưới), kết hợp lý thuyết chảy dẻo với điều kiện bền Coulomb nêu Mở rộng toán cân giới hạn tĩnh sang toán động, cho phép xem xét toán cường độ ổn định khối đất hợp lý trực quan [2] Thông qua ngun lý bảo tồn lượng cơng ngoại lực nội tiêu tan vật thể đạt trạng thái cân giới hạn, tác dụng ngoại lực để thiết lập biểu thức (11) để tính sức chịu tải neo xoắn cách tiếp cận TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Việt Hùng – Trịnh Minh Thụ - Ngơ Trí Viềng (2012); Bản mơ tả sáng chế: “Neo gia cố lát mái bảo vệ đê biển” theo độc quyền sáng chế số 10096 cấp theo định 9903/QĐ-SHTT ngày 29.02.2012 Cục Sở hữu trí tuệ-Bộ Khoa học Cơng nghệ GS Nguyễn Công Mẫn (1983); Xác định sức chống nhổ thẳng đứng giới hạn cọc mở rộng đáy phương pháp phân tích giới hạn; Tạp chí Khoa học Kỹ thuật số 5+6 năm 1983 Wai-Fah Chen (1975); Limit Analysis and Soil Plasticity –ISBN 0-444-41249-2-Ensevier Scientific Publishing Company Amsterdam J.H Atkinson (1982); Foundations and Slopes-An introduction to applications of critical state soil mechanics; McGRAW-HILL Book Company (UK) Limited Tran Vô Nhiễm (1971); Première thèse: “Force portante limite des fondations superficielles et résistance maximale l’arrachement des ancrages-1971 М.Д Иродов (1968); Применение винтовых свай в строительстве-Издательство Литературы по строительству-Москва Ю.Г Трофименков, канд техн наук; Л.Г Мариупольский, инж (1965); Винтовые сваи в качестве фундаментов мачт и башен Доклады к международному конгрессу по механике грунтов и фундаментостроению-Москва Abstract SCREW ANCHOR OF OVERLAP BLOCKS WITH APPLICATION TO SEA DIKE SLOPE Protected slope by overlap blocks is popular types of revetments in Vietnam However, instability of overlap blocks still occurs near the point of maximum downrush, where uplift forces are higher or wave impact Screw anchor of overlap blocks is a new choice of protection, higher resistance against uplift and reducible displacement of revetments Screw anchor of overlap blocks has three essentially parts: anchor head, tendon and fixed anchor The anchor head is made from plastic with twisted slot High tensile plastic cable is used for tendon Fixed anchor is connected to concrete blocks The number of anchors depend on weight of concrete blocks, wave forces and dike funtion The equation (11) is established base on the upper and lower bound theorems of plastic collapse set limits to the collapse load of a soil structure with the principle of virtual work Keyword: Screw anchor, overlap blocks, upper bound , lower bound, virtual work, stability of overlap blocks Người phản biện: PGS.TS Lê Văn Hùng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) BBT nhận bài: 05/12/2012 Phản biện xong: 02/01/2012 99 ... xoắn b) Chi tiết liên kết với lát mái Hình 2: Chi tiết neo gia cố Dây neo: Dây neo dùng để liên kết neo với lát mái, số lĩnh vực khác dây neo thường thép sợi bện, với mơi trường ăn mòn nước biển. .. sức chịu tải kéo nhổ giới hạn neo xoắn ứng dụng để neo tăng cường ổn định viên gia cố mái đê biển Kết luận Đề xuất giải pháp neo giữ lát mái trình bày độ ổn định lát mái KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI... sức chịu tải neo xoắn sử dụng gia cố lát mái đê biển Dựa đề xuất phương pháp phân tích giới hạn ứng dụng cho cọc coắn chịu tải trọng nhổ [2], kết hợp hình dạng thiết kế thực tế neo xoắn, tác giả