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 luận văn, với kết khiêm tốn việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ đoạn sông lớn khu đô thị vùng đồng bằng” , tác giả luận văn hy vọng đóng góp phần nhỏ bé phục vụ thực tế cho lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế thi công xây dựng cơng trình kè bờ sơng lớn vùng địa chất yếu phát triển mạnh mẽ nước ta Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo - TS Lê Xuân Khâm tận tình giúp đỡ, cho nhiều nhận xét, cách tiếp cận kiến thức hướng giải để hoàn thiện luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bộ môn thuỷ cơng, thi cơng, học đất, Khoa Cơng trình - Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện thuỷ điện Năng lượng tái tạo - Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ tác giả tài liệu, thông tin khoa học kỹ thuật đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hồn thành luận văn Do trình độ thời gian có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi tồn tại, hạn chế, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp trao đổi chân thành Tác giả mong muốn vấn đề tồn tác giả phát triển nghiên cứu sâu góp phần đưa 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 DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU .8 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết ý nghĩa thực đề tài Mục tiêu luận văn .2 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: Nội dung luận văn Những đóng góp luận văn CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC LOẠI KẾT CẤU BẢO VỆ BỜ SƠNG 1.1 Vai trị loại cơng trình bảo vệ bờ 1.2 Các loại cơng trình bảo vệ bờ sông Việt Nam Thế Giới 1.2.1 Tình hình sạt lở bờ sơng Việt Nam .6 1.2.2 Các loại cơng trình bảo vệ bờ sơng Việt Nam 1.2.3 Các loại công trình bảo vệ bờ 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 lý cọc ván BTCT DƯL: 15 1.3.3 Các đặc tính kỹ thuật, kích thước tiêu chuẩn loại cừ .20 1.4 Ý nghĩa việc nghiên cứu 24 1.5 Kết luận chương I 24 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN KẾT CẤU BẢO VỆ BỜ BẰNG MÀN CỪ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC .25 2.1 Đặc điểm chịu lực 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 chuyển vị thân tường cừ áp lực đất 39 2.3 Phương pháp tính toán tường cừ BTCT DƯL .40 2.3.1 Tài liệu bước tính tốn .40 2.3.2 Các giả thuyết tính tốn xác định nội lực chiều dài cừ 41 2.3.3 Tính kết cấu tường cừ BTCT DƯL kiểu khơng có neo (Conson) 41 2.3.4 Tính kết cấu tường cừ BTCT DƯL kiểu có neo .48 2.3.5 Thiết kế cừ BTCT DƯL 52 2.3.6 Thiết kế neo, phận giữ neo 52 2.3.7 Kiểm tra ổn định tường cừ đất 54 2.3.8 Kết luận 58 2.4 Lựa chọn phần mềm tính tốn .58 2.4.1 Giới thiệu mô hình tính tốn để giải tốn nghiên cứu 59 2.4.2 Cơ sở lý thuyết 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 CƠNG 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 cơng trình .82 3.1.7 Lựa chọn giải pháp thiết kế 84 3.2 Các thơng số tính tốn 86 3.2.1 Số liệu địa chất cơng trình .86 3.2.2 Thơng số tính tốn cừ BTCT DƯL hệ số tương tác R inter 86 3.3 Mơ hình tốn dùng cừ bê tơng cốt thép dự ứng lực 86 3.3.1 Sơ đồ tính tốn .86 3.3.2 Trường hợp tính tốn .90 3.3.3 Các giả thiết, mơ hình hố tính .90 3.3.4 Các giai đoạn thi cơng cơng trình tường Cừ BTCT DƯL 90 3.3.5 Tính tốn kết cấu neo kè theo sơ đồ 107 3.3.6 Tính tốn kinh tế sơ phương án ( tính cho 1km kè) .109 3.4 Phân tích, đánh giá kết tính tốn .112 3.5 Kết luận chương III .113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 Kết luận .114 1.1 Các nội dung đạt luận văn 114 1.2 Các tồn hạn chế 115 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 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) Hình 1.4 Sạt lở bờ hữu sơng Thạch Hãn xã Hải Lệ - Quảng Trị Hình 1.5 Sạt lở bờ sơng Tiền huyện Hồng Ngự, Đồng Tháp Hình 1.6 Sạt lở bờ sơng Hậu – QL 91 qua An Giang Hình 1.7 Kè tường đứng tường BTCT chống sơng Hồng – Lào Cai Hình 1.8 Kè sơng Sài Gịn - xã Tam Thơn Hiệp, huyện Cần Giờ, Tp.HCM Hình 1.9 Trồng cỏ Vetiver bảo vệ bờ Kênh Bảy, tỉnh An Giang .9 Hình 1.10 Trồng dừa nước bảo vệ bờ, bảo vệ đê bao tỉnh Bến Tre Hình 1.11 Mái kè đá lát khan khơng có khung 10 Hình 1.12 Mái kè đá xếp khan khung ô 10 Hình 1.13 Mái kè đá xây chít mạch 10 Hình 1.14 Mái kè mảng bêtông đổ chỗ 10 Hình 1.15 Mái kè Dương Hà – sơng Đuống BT hình vng đơn giản 10 Hình 1.16 Mái kè phần không ngập trồng cỏ khung ô BTCT .10 Hình 1.27 Mái kè rọ đá Kiên Giang 11 Hình 1.18 Mái kè lát mái thảm bêtơng móc thép khu vực Linh Chiểu – sông Hồng – Hà Nội 11 Hình 1.19 Mái kè thảm bêtông FS khu vực thị xã Rạch Giá - Kiên Giang.11 Hình 1.20 Mái kè thảm BT tự chèn lưới thép P.Đ.TAC - M - TP Hồ Chí Minh 11 Hình 1.21 Kè tường đứng đá xây khu hành huyện Vị Thủy, Hậu Giang 11 Hình 1.22 Kè Bãi Vàng – Long Xuyên tường đứng BTCT chống 11 Hình 1.23 Kè bờ Bắc sơng Ba (Đà Rằng) kết cấu cọc, BTCT có neo 12 Hình 1.24 Kè khu biệt thự An Phú, Tp.HCM kết cấu cọc, BTCT có neo 12 Hình 1.25 Kè Rạch Giá, Kiên Giang Cừ bê tông dự ứng lực 12 Hình 1.26 Kè bờ sơng thị xã Bạc Liêu Cừ bê tông dự ứng lực 12 Hình 1.27 Kè mái nghiêng 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 nhà máy 16 Hình 1.32 Thi cơng cọc ván BTCT dự ứng lực .17 phương pháp xói nước kết hợp búa rung 17 Hình 1.33 Cấu tạo vật liệu kín nước khớp nối Cừ 17 Hình 1.34 Mặt cắt ngang thân mặt cắt đỉnh loại cừ BTCT DƯL 20 Hình 2.1 Quan hệ áp lực đất với chuyển vị tường[5] .26 Hình 2.2 Vòng tròn Mohr ứng suất điều kiện cân giới hạn[5] 27 Hình 2.3 Trạng thái bị động chủ động Rankine[5] .28 Hình 2.4 Sơ đồ tính tốn áp lực chủ động điểm đặt theo Rankine[5] 30 Hình 2.5 Sơ đồ tính tốn áp lực bị động điểm đặt theo Rankine[5] 32 Hình 2.6 Sơ đồ tính áp lực chủ động đất rời theo Coulomb[5] 33 Hình 2.7 Sơ đồ tính áp lực chủ động đất dính theo Coulomb[5] 34 Hình 2.8 Sơ đồ tính áp lực chủ động 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 mặt đất lấp chéo nghiêng[5] 36 Hình 2.11 Tính áp lực đất nghĩ 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 thân tường gây sực khác áp lực đất 39 Hình 2.14 Sơ đồ chuyển dịch tường cừ dạng conson phân bố áp lực đất[11] 42 Hình 2.15 Tính tường cừ conson phương pháp cân tĩnh[11] 43 Hình 2.16 Tính tường cừ conson 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 biến dạng tường cừ với độ sâu cắm vào đất khác nhau[11] 48 Hình 2.19 Sơ đồ phân tính tốn cừ 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 neo[7] 53 Hình 2.22 Sơ đồ tính tốn ổn định lật tường cừ[11] 54 Hình 2.23 Sơ đồ tính tốn ổn định trượt phẳng tường cừ[11] 56 Hình 2.24 Sơ đồ tính tốn ổn định trượt cung tròn[11] 57 Hình 2.25 Mặt chảy dẻo Mohr-Coulomb khơng gian ứng suất 71 Hình 2.26 Quan hệ ứng suất-biến dạng đàn dẻo lý tưởng 73 Hình 2.27 Quan hệ hyperbol ứng suất biến dạng thí nghiệm trục chuẩn có nước .73 Hình 2.28 Mặt chảy dẻo mơ hình HS mặt phẳng p-q 74 Hình 2.29 Các đường đồng mức chảy dẻo mơ hình HS khơng gian ứng suất 74 Hình 3.1 Bản đồ định hướng quy hoạch lập dự án[8] .77 Hình 3.2 Bản đồ 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 cơng giai đoạn sơ đồ 91 Hình 3.6 Thi cơng giai đoạn sơ đồ 91 Hình 3.7 Thi cơng giai đoạn sơ đồ 92 Hình 3.8 Thi cơng giai đoạn sơ đồ 92 Hình 3.9 Quan hệ chiều dài Mmax ứng với trường hợp Hneo .95 Hình 3.10 Quan hệ Hneo Mmax ứng với trường hợp L 95 Hình 3.11 Sơ đồ chia lưới phần tử điều kiện biên toán sơ đồ .97 Hình 3.12 Lưới biến dạng tổng thể sơ đồ .98 Hình 3.13 Chuyển vị tổng thể cừ sơ đồ 98 Hình 3.14 Biểu đồ mơmen cừ sơ đồ 99 Hình 3.15 Lưới biến dạng tổng thể toán ổn định sơ đồ 99 Hình 3.16 Sự hình thành cung trượt nguy hiểm sơ đồ 100 Hình 3.17 Quan hệ chuyển vị với hệ số ổn định Kminmin sơ đồ 100 Hình 3.18 Thi cơng giai đoạn sơ đồ 101 Hình 3.19 Thi cơng giai đoạn sơ đồ 101 Hình 3.20 Thi cơng giai đoạn sơ đồ 102 Hình 3.21 Lưới biến dạng tổng thể sơ đồ 104 Hình 3.22 Chuyển vị tổng thể cừ sơ đồ 104 Hình 3.23 Biểu đồ mômen cừ sơ đồ 105 Hình 3.24 Lưới biến dạng tổng thể toán ổn định sơ đồ 105 Hình 3.25 Sự hình thành cung trượt nguy hiểm sơ đồ 106 Hình3.26 Quan hệ chuyển vị với hệ số ổn định Kminmin sơ đồ .106 Hình3.27 Mặt bố trí neo cho nhịp tường neo 107 Hình 3.28 Sơ đồ lực tác dụng lên tường neo 108 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Kích thước hình học mặt cắt ngang thân mặt cắt đỉnh loại cừ 21 Bảng 1.2 Các đặc trưng hình học mặt cắt ngang loại Cừ BTCT DƯL 21 Bảng 1.3 Các thông số kỹ thuật loại cừ BTCT DƯL chế tạo sẵn .22 Bảng 1.4 Trọng lượng thân loại cừ BTCT DƯL chế tạo sẵn .23 Bảng 3.1: Tổng hợp tiêu đất đắp đất bờ Tả 83 Bảng 3.2 Giá trị hệ số tương tác Rinter áp dụng cho lớp đất .86 Bảng 3.3 Kết tính tốn chiều dài cừ theo sơ đồ .92 Bảng 3.4 Kết tính tốn xác định chiều dài cừ điểm đặt neo hệ thống tường cừ theo sơ đồ 94 Bảng 3.5 Thơng số tính tốn cừ BTCT DƯL W600B .97 Bảng 3.6 Kết tính tốn với phương án cừ W600B 97 Bảng 3.7 Kết tính tốn chiều dài cừ theo sơ đồ 102 Bảng 3.8 Thơng số tính toán cừ BTCT DƯL 103 Bảng 3.9 Kết tính tốn với phương án cừ W400A 103 Bảng 3.10 Kết tính tốn kinh tế cho phương án 111 -1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết ý nghĩa thực đề tài Cùng với lũ lụt, bão lốc, sạt lở bờ sông vấn đề lớn xúc nhiều nước giới Sạt lở bờ sông qui luật tự nhiên gây thiệt hại nặng nề cho hoạt động dân sinh kinh tế vùng ven sông gây đất nông nghiệp, hư hỏng nhà cửa, chết người, chí huỷ hoại tồn khu dân cư, thị Ở Mỹ năm 1981 ước tính tổng số 5,63 triệu km chiều dài sơng suối nước có khoảng 925.000 km đường bị sạt lở (chiếm 16%)[1] Ở Việt Nam sạt lở bờ sông vùng hạ lưu hệ thống sông Hồng, sông Nhuệ, sông Thái Bình, hệ thống sơng ngịi Miền Trung đồng sơng Cửu Long, dịng sơng mang nhiều bùn cát lại chảy bồi tích dễ xói, bồi nên q trình xói lở - bồi đọng diễn liên tục theo thời gian không gian Một vấn đề mang tính thách thức việc quản lý môi trường tự nhiên việc nghiên cứu ổn định bờ sông Với công nghệ thi công truyền thống, xây dựng công trình bến cảng, đê đập, bờ kè… người ta dùng nhiều loại kết cấu khác như: tường cừ gỗ, tường cừ thép, tường cừ bê tông cốt thép, tường cừ hỗn hợp, bờ kè đá hộc… tất có hiệu quả, song tuổi thọ giá thành có khác Gỗ chịu lực dễ bị mục, thép bê tơng cốt thép dễ bị nước mặn, nước phèn ăn mịn làm bê tơng bị nứt vỡ, kè đá hộc trọng lượng nặng, nên tốn cho việc làm móng lại dễ sụt, xuống cấp,… Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ năm gần đây, nhiều nghiên cứu ứng dụng thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến ngành vật liệu, kết cấu xây dựng để tăng cường hiệu bảo vệ bờ sông tiến hành, thử nghiệm đưa vào sử dụng rộng rãi, thay thế, bổ sung cho giải pháp truyền thống Ứng dụng kết cấu cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ đoạn sông lớn khu đô thị vùng đồng có nhiều hiệu rõ rệt như: Chịu tải trọng ngang lớn kết cấu bê tông thông thường nên tận dụng hết khả -2- làm việc chịu kéo cốt thép chịu nén bê tông, giảm nhiều trọng lượng vật tư cho cơng trình (so với cơng nghệ truyền thống) Tuổi thọ cơng trình nâng cao lên cừ dự ứng lực chế tạo từ vật liệu cường độ cao, thép chống rỉ, chống ăn mịn, khơng bị ơxy hố mơi trường nước mặn nước phèn, tạo độ thông thuỷ lớn, thi công dễ dàng xác, khơng cần mặt rộng (bởi giải toả mặt tốn kém), đoạn sông qua khu dân cư đô thị cần dùng xà lan cẩu vừa chuyên chở cấu kiện vừa ép cọc thi cơng được, thời gian thi cơng nhanh gây ảnh hưởng đến sinh hoạt sống người dân khu vực xây dựng cơng trình Mặt khác có tính mỹ quan cao sử dụng kết cấu mặt đất Ứng dụng cơng trình bảo vệ bờ sơng chống lũ, chống sạt lở nhiều điều kiện địa hình địa chất khác đặc biệt vùng địa chất yếu có tượng cát đùn, cát chảy Hình thức sử dụng kè tường đứng, phần tường đứng kè tường đứng kết hợp mái nghiêng (có thể bổ sung hệ thống neo sau tường cừ để tăng khả chịu lực cho tường) làm chân kè Sau thi công xong tạo tường bê tơng kín nên khả chống xói cao, hạn chế nở hông đất đắp bên Nghiên cứu ứng dụng cừ bê tông dự ứng lực để từ hình thành đột phá đem lại giải pháp cho cơng trình kè bảo vệ bờ, chống sạt lở bến sông, kè biển, cơng trình thuỷ lợi,… rộng rãi Việt Nam, góp phần làm đa dạng, phong phú biện pháp bố trí kết cấu, để từ lựa chọn hợp lý điều kiện cụ thể hình thức kè bảo vệ bờ Vì đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ đoạn sông lớn khu đô thị vùng đồng bằng” cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu luận văn - Nghiên cứu ứng dụng cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ đoạn sông qua khu vực khu đô thị vùng đồng - Nghiên cứu lý thuyết tính tốn kết cấu dùng cừ bê tông dự ứng lực để ... văn - Nghiên cứu ứng dụng cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ đoạn sông qua khu vực khu đô thị vùng đồng - Nghiên cứu lý thuyết tính tốn kết cấu dùng cừ bê tông dự ứng lực để -3- bảo vệ bờ sông. .. bố trí kết cấu, để từ lựa chọn hợp lý điều kiện cụ thể hình thức kè bảo vệ bờ Vì đề tài ? ?Nghiên cứu ứng dụng cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ đoạn sông lớn khu đô thị vùng đồng bằng? ?? cần thiết,... cấu bảo vệ bờ sơng 1.1 Vai trị loại cơng trình bảo vệ bờ sơng 1.2 Các loại cơng trình bảo vệ bờ sơng Việt Nam Thế Giới 1.3 Lựa chọn kết cấu cừ bê tông dự ứng lực để bảo vệ bờ đoạn sông lớn khu đô