Nghiên cứu ứng dụng giải pháp tường kè và cọc bê tông cốt thép chống sạt lở bờ kè quận cái răng – Sông Cần Thơ

Thành phố Cần Thơ là một trong năm thành phố lớn trực thuộc Trung ương, có vị trí thuận tiện. Do đó, sự cần thiết cho việc mở rộng diện tích xây dựng, cơ sở hạ tầng và đường giao thông kết nối nhiều nơi là một trong những nhiệm vụ trọng tâm trong việc thúc đẩy kinh tế của thành phố.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP TƯỜNG KÈ VÀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỐNG SẠT LỞ BỜ KÈ QUẬN CÁI RĂNG – SÔNG CẦN THƠ APPLY THE RETAINING WALL AND PILES TO CONTROL OF EROSION IN CAI RANG DISTRICT EMBANKMENT CAN THO RIVER PGS TS Võ Phán Trường Đại Học Bách Khoa- TP.HCM ThS Trần Đức Trung Trường Đại Học Cần Thơ TÓM TẮT Thành phố Cần Thơ năm thành phố lớn trực thuộc Trung ương, có vị trí thuận tiện Do đó, cần thiết cho việc mở rộng diện tích xây dựng, sở hạ tầng đường giao thông kết nối nhiều nơi nhiệm vụ trọng tâm việc thúc đẩy kinh tế thành phố Bên cạnh đó, tình trạng sạt lở hàng năm ven sơng xuất ngày nhiều gây thiệt hại tài sản người dân Nhà nước Có nhiều giải pháp đặt để chống sạt lở sông như: tường cọc bản, cọc bê tông dự ứng lực Tuy nhiên, hầu hết giải pháp thường tốn khó thực Vì tác giả nghiên cứu, ứng dụng giải pháp "Tường kè cọc bê tông cốt thép" việc ổn định mái dốc Bản tường bê tơng cốt thép có nhiệm vụ giữ lớp đất mặt không trượt, tường liên kết với cọc qua đài cọc Đây giải pháp có hiệu dễ thực phạm vi rộng, tiết kiệm chi phí đầu tư ABSTRACT Can Tho City is one of five cities directly under the Central Government, with a convenient location Therefore, the necessary for the expansion of the area of construction, infrastructure and roads connecting many places is one of the key tasks in the promotion of the city's economy In addition, the annual avalanche conditions along the river to appear more and more and damage to people and their property There are many methods to prevent erosion as: wall piles, prestressed concrete piles However, most solutions are often costly and difficult to implement So the author apply a method "retaining wall and reinforced concrete piles" in stabilizing roof Wall of reinforced concrete with tasks keep topsoil from moving, its with piles through piles This solution is effective and easy to implement in a wide range of investment cost ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, việc xây dựng nâng cấp cải tạo sở hạ tầng vấn đề cấp thiết phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế xã hội đất nước, đặc biệt Thành phố Cần Thơ, nơi có kinh tế phát triển Khu vực có nhiều VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 467  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    kênh rạch tự nhiên nhân tạo, cấu tạo địa chất phức tạp bao gồm lớp đất yếu bão hịa nước có bề dày lớn Việc thiết kế xây dựng cơng trình ven kênh rạch gặp nhiều khó khăn đất yếu có khả chịu tải thấp độ biến dạng lớn Giải pháp cơng trình bảo vệ bờ kênh rạch thường chọn lựa bờ kè Một giải pháp hợp lý cho cơng trình xây dựng bờ kè ven sông việc sử dụng bê tông cốt thép bảo vệ mái ta luy liên kết với hệ cọc nhằm hạn chế dịch chuyển ngang đất ven sơng Vấn đề đóng vai trị quan trọng hàng đầu tính tốn thiết kế cơng trình sở hạ tầng thị đất yếu khu vực PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tổng hợp số kết tính tốn lý thuyết cọc chịu tải trọng ngang theo phương pháp giải tích - Sử dụng phần mềm Plaxis tính tốn sức chịu tải ngang - So sánh kết tính tốn lý thuyết với kết mơ cơng trình phần mềm Plaxis CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN Phương pháp phần tử hữu hạn Hiện có số hạn chế tốn theo mơ hình giải giải tích tính phức tạp thường nhà tốn học quan tâm Trong lời giải theo phương pháp số, đặc biệt phương pháp phần tử hữu hạn với trợ giúp máy tính, phát triển mạnh sử dụng ngày rộng rãi Do tính xác, nhanh chóng nên tất kỹ sư thiết kế quan tâm đến phương pháp Phương pháp xét đến độ cứng tường cọc bản, xem tường có độ cứng hữu hạn Đất tường mơ hình hóa thành khối, khối phân thành phần tử riêng rẽ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải Trong đó, tường chia nhỏ thành chịu uốn, đất trước sau lưng tường phân chia thành phần tử tam giác tứ giác phẳng, tương tác đất tường mơ hình phần tử tiếp xúc để tốn liên tục Ngồi việc xác định áp lực đất tác dụng lên tường xác định chuyển vị tường Việc tính tốn theo hướng cho kết gần với thực tế Trong phương pháp phần tử hữu hạn, miền cần khảo sát chia thành số hữu hạn miền con, gọi phần tử Các phần tử liên kết với điểm định trước biên gọi nút Các hàm xấp xỉ lựa chọn biểu diễn qua giá trị hàm điểm nút phần tử Các giá trị gọi bậc tự phần tử ẩn cần tìm tốn Trình tự phân tích thực sau: - Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát; - Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp; - Bước 3: Thiết lập ma trận độ cứng phần tử vectơ tải phần tử; 468 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    - Bước 4: Ghép nối ma trận độ cứng kết hệ phương trình; - Bước 5: Giải hệ phương trình đại số ; - Bước 6: Tìm ứng suất, biến dạng chuyển phần tử ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH BỜ KÈ QUẬN CÁI RĂNG SƠNG CẦN THƠ Kè bờ trái sông Cần Thơ thiết kế với tổng chiều dài 4,781 m, vị trí mép cầu Cái Răng cũ phía hạ lưu kết thúc vị trí cuối cơng trình kè hữu, cách cầu Quang Trung 76 m phía thượng lưu Hình Vị trí kè Cần Thơ Căn hồ sơ "Khảo sát địa chất cơng trình phục vụ thiết kế BVTC Kè bờ trái" CN Công ty CP Tư vấn xây dựng CT Hàng Hải lập tháng 08/2009, địa chất khu vực xây dựng cơng trình, từ xuống gồm lớp đất sau: VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 469  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Hình Hình trụ hố khoan ( BORING LOG) HK12B 470 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Hình Hình trụ hố khoan ( BORING LOG) HK KB1; HK 4B; HK6B; HK10B Lớp đất 1: Sét màu xám nâu, xám vàng, lẫn nhiều mùn hữu cơ, đôi chỗ lẫn rác thải sinh hoạt, trạng thái biến đổi mạnh từ dẻo mềm đến dẻo cứng, phía cuối lớp chuyển dẻo chảy Đây lớp đất trồng trọt đất san lấp, phân bố phần cạn khu khảo sát, bắt gặp lỗ khoan KB1, HK2B, KB3, KB4, HK4B, KB6, HK6B, KB8, HK8B, VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 471  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    HK10B, HK12B Bề dày khoan qua lớp thay đổi từ 7,6 m (HK12B) đến 11 m (KB1, HK4B, HK6B HK10B) Lớp đất 2: Sét pha màu xám vàng, xám nâu, trạng thái dẻo cứng, lớp có kẹp lớp cát pha màu nâu vàng Lớp đất bắt gặp khu vực lỗ khoan HK9N, KB3, KB4, KB8 KN11 đến hết chiều sâu hố khoan Bảng Bảng tổng hợp số tiêu lý lớp đất Lớp đất W (%) γ (g/cm3) Wch (%) Wd (%) Id 33,9 1,82 43,1 23,8 19,3 34,7 1,94 34,7 20,5 20,5 B C (Kg/cm2) ϕ (°) 0,52 0,204 9,41 0,32 0,24 14,47 4.1 Tính tốn xử lý tường chắn theo phương pháp giải tích Hình Sơ đồ cấu tạo bờ kè 472 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Bảng Bảng tính ứng suất, lực cắt momen cọc theo độ sâu cọc Chiều sâu Z (m) Chiều sâu Ze (m) σ z (kN/m 0,14 0,28 0,42 0,56 0,70 0,84 0,98 1,12 1,26 1,41 1,55 1,69 1,83 1,97 2,11 2,25 2,39 2,53 2,67 2,81 3,09 3,37 3,65 3,93 4,22 4,92 5,62 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,2 2,4 2,6 2,8 3,5 3,967 7,3731 10,234 12,558 14,374 15,687 16,582 17,038 17,116 16,926 16,396 15,573 14,576 13,448 12,209 10,841 9,4066 8,3204 6,5297 5,1196 2,4796 -3,582 -1,824 -3,269 -4,607 -6,418 -7,577 Cọc tiết diện B=300 Qz(kN) Mz(kN.m) ) 23,240 22,956 3,266 22,218 6,452 21,026 9,452 19,493 12,08 17,708 14,92 15,671 17,31 13,497 19,34 11,273 21,12 9,011 22,56 6,710 23,54 4,466 24,36 2,468 24,84 0,320 25,08 -1,495 24,89 -3,283 24,52 -4,788 23,91 -5,004 23,31 -7,265 22,33 -8,280 21,29 -9,041 20,08 -10,053 17,38 -10,409 14,45 -10,174 11,59 -9,489 8,833 -8,373 6,252 -4,727 1,651 0,114 0,149 Vậy thay đổi tiết diện cọc kết tính tốn sau: Bảng Bảng so sánh chuyển vị cọc tiết diện thay đổi B (cm) δ MH = δ HM δ HH (m/kN) 25x25 5,23x10-4 -4 30x30 3,72 x10 -4 35x35 2,78 x10 δ MM y0 ψ0 (m/kN) (cm) 2,81x10-4 2,46x10-4 1,76x10 -4 -4 1,18x10 -4 -4 (m −1 / Kn −1 ) 1,35x10 0,81 x10 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM Δ ψ (rad) (cm) (rad) 1,2150 0,006535 1,2150 0,006537 0,8639 0,004082 0,8639 0,004085 0,6450 0,002735 0,6450 0,002732 473  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Biể u đồ áp lực ngang (kN/m2) -15 -10 -5 10 15 20 25 -1 -2 Độ sâu từ đáy đài (m) Nhận xét 1: Dựa vào biểu đồ nhận thấy áp lực ngang cực đại cọc vị trí độ sâu từ (1,10 m -1,35 m), tỷ lệ nghịch với tiết diện cọc chiều sâu xuất giá trị cực đại tỷ lệ thuận với tiết diện cọc -3 -4 -5 Hình Biểu đồ áp lực σ z dọc thân cọc  -6 -7 Giá trị áp lực ngang cọc (kN/m2) T iết diện cọc 350x350 T iết diện cọc 300x300 T iết diện cọc 250x250 Biểu đồ moment dọc thân cọc (kN.m) 0 10 15 20 25 30 -1 -2 Đ ộ sâu từ đ áy đ ài (m ) Nhận xét 2: Dựa vào biểu đồ ta thấy moment dọc thân cọc cực đại khoảng (1,55 m – 2,11 m), tỷ lệ thuận với tiết diện cọc chiều sâu xuất giá trị cực đại tỷ lệ thuận với tiết diện cọc -3 -4 -5 Hình Biểu đồ Moment Mz dọc thân cọc  -6 -7 Moment dọc thân cọc (kN.m) Cọc tiết diện 350x350 474 Cọc tiết diện 300x300 Cọc tiết diện 250x250 VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Hình Biểu đồ Lực cắt Qz dọc thân cọc  Biểu đồ lực cắt dọc thân cọc (kN) -15 -10 -5 10 15 20 25 -1 Đ ộ sâu từ đáy đài (m ) Nhận xét 3: Dựa vào biểu đồ nhận thấy lực cắt dọc thân cọc cực đại vị trí đầu cọc, cọc có tiết diện lớn lực cắt phân bố cọc xuống sâu -2 -3 -4 -5 -6 -7 Lực cắt dọc thân cọc (kN) Cọc tiết diện 350x350 Cọc tiết diện 300x300 Cọc tiết diện 250x250 4.2 Tính tốn xử lý tường chắn theo phương pháp mô phần mềm Plaxis Bảng Số liệu Cọc Vật liệu sử dụng Kích thước Diện tích tiết diện Dung trọng Elastic (Anchor) 0,3x0,3 m2 A = 0,09 m2 γ = 25 kN/m3 Khoảng cách cọc Hệ số Poisson ν Mô đun biến dạng E Lspacing = m 0,15 2,65x107 kN/m2 Bảng Bản BTCT gia cố mái dốc: Vật liệu sử dụng Kích thước Diện tích tiết diện Dung trọng Elastic (Plate) 0,1x1 m2 A = 0,1 m2 γ = 25 kN/m3 Mơ ment qn tính Hệ số Poisson ν Mô đun biến dạng E I = 8,33x10-5 0,15 2,65x107 kN/m2 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 475  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Bảng Dầm giằng đỉnh cọc Mơ hình sử dụng Kích thước Diện tích tiết diện Dung trọng Hệ số Poisson ν Mô đun biến dạng E Linear- Elastic 0,5x1 m2 A = 0,5 m2 γ = 25 kN/m3 0,15 2,65x107 kN/m2 Hình Mơ hình đầu vào 476 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Hình Lưới biến dạng Hình 10 Biểu đồ chuyển vị ngang đứng cọc VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 477  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Hình 11 Biểu đồ lực cắt moment cọc KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua kết nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu giải pháp tường kè cọc bê tông cốt thép việc chống sạt lở cơng trình quận Cái Răng sơng Cần Thơ” tác giả tổng hợp rút kết sau: Khi tải trọng ngang tác dụng lên cọc không thay đổi điều kiện đất yếu, tăng tiết diện cọc từ 250x250 lên 350x350 chuyển vị ngang đầu giảm 45% Khi tải trọng ngang tác dụng lên cọc không thay đổi điều kiện đất yếu, tăng tiết diện cọc từ 250x250 lên 350x350 chiều sâu cọc z = 1,8 m tính từ đầu cọc ứng suất giảm 15,8%, momen tăng 26,7%, lực cắt tăng 223% Độ lún ổn định cơng trình đắp dọc bờ kè đất yếu có giá trị lớn Tuy nhiên giá trị độ lún lệch không đáng kể thay đổi không đáng kể theo thời gian Chuyển vị ngang đầu cọc ven sông xuất sau xây dựng, đạt giá trị lớn sau tám năm sáu tháng giảm dần theo thời gian Trên đất bùn sét yếu khống chế chuyển vị ngang cọc Δ = cm sức chịu tải ngang tối đa cọc Qmax = 22,5 kN 478 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Khi tính tốn chuyển vị ngang cọc theo giải tích phần mềm Plaxis kết tính tốn theo Plaxis lớn độ sâu Kiến nghị: Khi tính tốn cơng trình bờ kè ven sông đất yếu nên xét điều kiện làm việc đồng thời hệ cơng trình nhằm đánh giá, phân tích q trình làm việc cơng trình Khi thiết kế cơng trình đắp đất yếu nên tận dụng đặc điểm cố kết theo thời gian để đánh giá độ ổn định cơng trình hợp lý cho phép giảm giá thành cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Châu Ngọc Ẩn, 2011 Cơ Học Đất Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh Võ Phán, 2011 Các phương pháp khảo sát trường thí nghiệm đất phòng Nhà Xuất Bản Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh R.Whitlow, 1996 Cơ học đất.Nhà xuất Giáo Dục Bengt B Broms, Oct 1999, Design of lime, lime/cement and cement columns, Proc of the International Conf on dry mix methods for deep soil stabilization, Stockholm, Sweden           Người phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 479  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    480 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  ... tài ? ?Nghiên cứu giải pháp tường kè cọc bê tông cốt thép việc chống sạt lở cơng trình quận Cái Răng sơng Cần Thơ? ?? tác giả tổng hợp rút kết sau: Khi tải trọng ngang tác dụng lên cọc không thay đổi... lớn Giải pháp cơng trình bảo vệ bờ kênh rạch thường chọn lựa bờ kè Một giải pháp hợp lý cho cơng trình xây dựng bờ kè ven sông việc sử dụng bê tông cốt thép bảo vệ mái ta luy liên kết với hệ cọc. .. độ cứng kết hệ phương trình; - Bước 5: Giải hệ phương trình đại số ; - Bước 6: Tìm ứng suất, biến dạng chuyển phần tử ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH BỜ KÈ QUẬN CÁI RĂNG SƠNG CẦN THƠ Kè bờ trái