Ứng dụng tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực để ổn định bờ sông khu vực huyện thới lai, thành phố cần thơ

Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu sử dụng loại tường cọc bản bê tông dự ứng ực hợp ý và kinh ế ch  Phân tích cơ sở lý thuyết tính toán tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực.. Ý nghĩ

TRẦN NGỌC MỸ

ỨNG DỤNG TƯỜNG CỌC BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP

DỰ ỨNG LỰC ĐỂ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG KHU VỰC

HUYỆN THỚI LAI, TP CẦN THƠ

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ NGÀNH : 60.58.61

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC

SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày….tháng … năm 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 6 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN NGỌC MỸ Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 07-9-1989 Nơi sinh: SÓC TRĂNG

Địa chỉ mail: Tnmy547@gmail.com Điện thoại: 0989.866.523

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG K2012 MSHV: 12814678

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực

Chương 3: Tính toán giải tích và mô phỏng sự làm việc của tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS VÕ PHÁN

Ngày………tháng………năm 2014

PHÁN đã cho tôi những gợi ý hình thành nên ý tưởng của đề tài, người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong suốt thời gian tôi thực hiện Luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Địa cơ nền móng cũng như các Thầy, Cô trong phòng Đào tạo sau đại học đã nhiệt tình giảng dạy và quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu tại trường

Xin chân thành cảm ơn các bạn lớp Địa Kỹ Thuật Xây Dựng khoá 2012 luôn sẵn sàng hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận văn

Với những kiến thức và kinh nghiệm của bản thân còn hạn chế chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót khi thực hiện Luận văn, kính mong quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp đóng góp để Luận văn hoàn thành tốt hơn

TRẦN NGỌC MỸ

Tóm tắt:

Đồng bằng sông Cửu Long phần lớn là đất yếu có nhiều sông ngòi chằng chịt và bị xói lở thường xuyên, là nguyên nhân gây ra các vấn đề quan trọng về sự ổn định và biến dạng của các cấu trúc ven sông.Từ trước đến nay các công trình xây dựng, giao thông, cầu cảng, công trình kè vẫn thường được sử dụng là cọc bê tông và tường chắn để gia cố và bảo

vệ bờ Tuy nhiên, các vật liệu trên ngày nay không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng vì khối lượng vật liệu lớn, thời gian thi công kéo dài ảnh hưởng đến sinh họat và cuộc sống của nhân dân Vì thế, tường cọc bản được coi là một trong những phương pháp hiệu quả được

sử dụng để hỗ trợ các cấu trúc ven sông chống lại đất trượt và lũ lụt Đề tài tập trung nghiên cứu về ứng xử và việc sử dụng hợp lý tường cọc bản xây dựng ven sông ở khu vực huyện Thới Lai, Tp Cần Thơ Trong luận văn này, để đánh giá sự ổn định và biến dạng của tường cọc bản, so sánh kết quả giữa phương pháp giải tích với kết quả phân tích phần tử hữu hạn

Từ đó, phân tích và đánh giá kết quả thu được nhằm kiến nghị các giải pháp an toàn, kinh tế trong việc đầu tư xây dựng

Summary:

Mekong River Delta have mostly soft soil, they have many interlacing rivers, channels which are frequently eroded, which causes significant issues on the stability and deformation of the riverside structures Up to now, the material of building constructions, the communication constructions, quays and stone embankments has been frequently the reinforced concrete pile and retaining walls to reinforce and protect bank river However, that material does not meet the use need any more because the amount of that material is large and the costructing time is consuming so activities and life of people are affected Therefore, Sheet pile walls are considered as one of the effective methods used to support the riverside structures against soil sliding and flooding Thesis will research about behavior and use reasonable of sheet pile walls constructed along the riverside areas in district Thoi Lai, Can Tho city In this thesis, in order to evaluate the stability and deformation of sheet pile walls compared to the results with the analytical method and finite element analysis Therefrom, analyze and evaluate the results obtained in order to propose solution safety, economicconstruction investment

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

4.1 Ý nghĩa khoa học: 2

4.2 Ý nghĩa thực tiễn: 3

5 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu: 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CỌC BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC ĐỂ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG 4

1.1 Các giải pháp công nghệ mới trong công trình bảo vệ bờ sông [1]: 4

1.2 Giới thiệu về cọc bản bê tông dự ứng lực[2]: 4

1.3 Các đặc trưng cơ lý của cọc bản BTCT dự ứng lực [2]: 6

1.3.1 Vật liệu: 6

1.3.2 Các dạng mặt cắt sản phẩm: 7

1.3.3 Kích thước cơ bản : 8

1.3.4 Các ứng dụng của tường cọc bản 9

1.3.5 Đặc tính kỹ thuật: 10

1.4 Phân tích ưu nhược điểm của cọc bản bê tông dự ứng lực 10

1.4.1 Ưu điểm: 10

1.4.2 Nhược điểm: 11

1.5 Một số hình ảnh về cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực: 12

1.6 Các dạng cấu tạo của hệ tường cọc bản bê tông DƯL [3],[4],[5] 12

1.6.1 Phân loại: 12

1.6.2 Các dạng neo của tường cọc bản 13

1.7 Các dạng mất ổn định của tường cọc bản bê tông dự ứng lực [2] 14

1.8 Các chuyển vị cơ bản và phức tạp của tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực [6] 15

1.9 Các sơ đồ biến dạng có thể của cọc tự do, cọc không neo và cọc có neo [6] 17

1.10 Các phương pháp thi công tường cọc bản 18

1.11 Nhận xét: 18

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG CỌC BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC 20

2.1 Tính toán tường cọc bản [4],[5], [6],[7],[8],[9],[10], [11] 20

2.1.1 Phương pháp giải tích (Lý thuyết cân bằng giới hạn): 20

2.1.2 Phương pháp đồ giải: 29

2.1.3 Tính toán theo hướng dẫn thiết kế tường cọc bản của Nhật: 31

2.1.4 Phương pháp toán đồ và lập bảng: 35

2.1.5 Phương pháp tính toán dầm trên nền đàn hồi: 36

2.1.6 Phương pháp mô hình hóa hệ kết cấu tường cọc và đất nền thành một khối làm việc đồng thời: 38

2.1.7 Tính toán ổn định hệ tường cọc bản BTCT dự ứng lực và đất nền: 39

2.2 Nhận xét: 42

3.2 Địa chất công trình: 44

3.3 Khối lượng khảo sát: 44

3.4 Tính toán giải tích tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực không neo: 45

3.4.1 Áp lực đất chủ động: 45

3.4.2 Áp lực đất bị động: 48

3.4.3 Tính toán chiều sâu chôn cọc: 49

3.5 Tính toán giải tích tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực có neo: 52

3.6 Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D [12]: 54

3.6.1 Các thông số đầu vào: 54

3.6.2 Phân tích mô hình trường hợp không neo: 55

3.6.3 Phân tích mô hình trường hợp có neo: 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Bảng 2.1 Hệ số an toàn 34

Bảng 2.2 Vị trí điểm xoay 35

Bảng 3.1 Tóm tắt các đặc trưng cơ lý của đất nền sử dụng cho bài toán 45

Bảng 3.2 Tính toán các hệ số áp lực ngang của đất theo Morh Coulumn 45

Bảng 3.3 Các thông số đất nền sử dụng cho bài toán 54

Bảng 3.4 Các thông số tường cọc bản bê tông dự ứng lực không neo 54

Bảng 3.5 Các thông số tường cọc bản bê tông dự ứng lực có neo 55

Bảng 3.6 Các thông số dầm neo 200x300 55

Bảng 3.7 Các thông số tường neo BTCT dày 200 55

Hình 1.3 Mặt cắt ngang cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực dạng chữ C 9

Hình 1.4 Hình ảnh cọc bản bê tông dự ứng lực 12

Hình 1.5 Cấu tạo cọc bản bê tông dự ứng lực 12

Hình 1.6 Các dạng neo của cọc bản bê tông dự ứng lực 13

Hình 1.7 Các dạng mất ổn định của tường cọc bản bê tông dự ứng lực 15

Hình 1.8 Các chuyển vị cơ bản của tường cọc bản; 15

Hình 1.9 Các sơ đồ biến dạng có thể của cọc tự do, cọc không neo a; b; c Cọc có neo a’; b’; c’ 17

Hình 1.10 Thi công cọc bản bê tông dự ứng lực bằng phương pháp xói nước kết hợp búa rung 18

Hình 2.1 Sơ đồ tính tường cọc bản trong nền cát 20

Hình 2.2 Sơ đồ tính tường cọc bản trong nền cát 22

Hình 2.3 Sơ đồ tính tường cọc bản trong nền sét 25

Hình 2.4 Sơ đồ tính tường cọc bản có neo trong nền cát 28

Hình 2.5 Sơ đồ tính tường cọc bản có neo trong nền sét 29

Hình 2.6 Sơ đồ giải cọc tự do bằng phương pháp đồ giải 30

Hình 2.7 Sơ đồ giải cọc một neo bằng phương pháp đồ giải 31

Hình 2.8 Áp lực đất tác dụng lên tường cọc bản bê tông dự ứng lực 32

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán moment lớn nhất trong tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực 33

Hình 2.10 Sơ đồ tính toán chuyển vị đầu cọc 33

Hình 2.11 Sơ đồ tính toán tường cọc trường hợp có neo 34

Hình 2.12 Sơ đồ lực tác động lên tường cọc trường hợp có neo 35

Hình 2.13 Toán đồ để tìm chiều sâu chôn cọc 36

Hình 2.17 Sơ đồ tính toán ổn định trượt cung tròn 42 Hình 3.1 Sơ đồ tính toán moment uốn lớn nhất lên cọc bản bê tông dự ứng lực 51 Hình 3.2 Mô hình Plaxis 2D mô phỏng tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trường hợp không neo 56 Hình 3.3 Chuyển vị đứng Uy=25.53*10-3m của nền đất phía sau tường trường hợp cọc dài 17m 57 Hình 3.4 Ứng suất hữu hiệu của nền đất trường hợp cọc dài 17m 57 Hình 3.5 Chuyển vị đứng Uy=24.73*10-3m của nền đất phía sau tường trường hợp cọc dài 19m 58 Hình 3.6 Ứng suất hữu hiệu của nền đất trường hợp cọc dài 19m 58 Hình 3.7 Chuyển vị đứng Uy=25.24*10-3m của nền đất phía sau tường trường hợp cọc dài 21m 59 Hình 3.8 Ứng suất hữu hiệu của nền đất trường hợp cọc dài 21m 59 Hình 3.9 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ sâu và chuyển vị của cọc 61 Hình 3.10 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa moment tính toán giải tích và moment mô phỏng bằng Plaxis 2D 62 Hình 3.11 Mô hình Plaxis 2D mô phỏng tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực trường hợp có neo 63 Hình 3.12 Chuyển vị đứng Uy=11.13*10-3m của nền đất phía sau tường trường hợp cọc có neo dài 14m 63 Hình 3.13 Ứng suất hữu hiệu của nền đất trường hợp cọc có neo dài 14m 64 Hình 3.14 Chuyển vị đứng Uy=10.89*10-3m của nền đất phía sau tường trường hợp cọc có neo dài 16m 64 Hình 3.15 Ứng suất hữu hiệu của nền đất trường hợp cọc có neo dài 16m 65

Hình 3.18 Biểu đồ thể hiện chuyển vị theo chiều sâu của cọc có neo 68

a : m cánh tay đòn của lực Hw đối với điểm neo

h0: m Chiều dài từ đỉnh cọc đến điểm xoay M Điểm xoay M là

điểm mà tại đó tổng moment do các lực tác dụng lên tường bằng 0

hk : m khoảng cách từ tường cọc đến điểm đặt neo

Hw : KN/ m 2 tổng áp lực sóng tác dụng vào tường cọc

I: cm 4 moment quán tính của mặt cắt cọc

Kh: kg/cm 3 Hệ số phản lực nền, xác định bằng cách tra biểu đồ quan hệ

giữa phản lực nền và số nhát búa đóng

KH : hệ số tin cậy phụ thuộc cấp công trình

Kcp : Hệ số an toàn tối thiểu cho phép, được tính toán theo KH , nc

và m

Kmin : hệ số an toàn nhỏ nhất được tính toán

l : m cánh tay đòn của lực Ea đối với điểm neo

N : KN/ m 2 tổng các lực gây trượt

MB: KN m Moment uốn lớn nhất tại cao trình mặt nạo vét thiết kế

S : m cánh tay đòn của lực Ep đối với điểm neo

t0: m Chiều sâu chôn cọc xác định theo đa giác dây

’ độ góc ma sát trong trong trường hợp ESA

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề:

Xói lở bờ sông là hiện tượng khá phổ biến, đã và đang diễn ra ở hầu hết các triền sông trong cả nước Đối với hệ thống sông Cửu Long (sông Tiền và sông Hậu), hiện nay có tới hàng trăm điểm xói lở bờ, trong đó trọng điểm là bảy khu vực: Thường Phước, Tân Châu, Long Xuyên, Hồng Ngự, Sa Đéc, Tp Vĩnh Long, Tp Cần Thơ, TT Gành Hào

Do vậy, đối với việc nghiên cứu phòng chống xói lở bảo vệ bờ phải có kế hoạch, từ việc khảo sát đo đạc, thu thập các tài liệu cơ bản như: thủy văn bùn cát, địa chất, địa hình, môi trường…nghiên cứu thấu đáo quy luật diễn biến lòng sông, quy luật hình thái sông, xác định rõ nguyên nhân, cơ chế, đặc điểm xói lỡ Xói lỡ hàng năm đã cuốn

đi hàng trăm hécta đất canh tác, trên 3000 căn hộ bị sụp đổ và buộc phải di dời, nhiều công trình kiến trúc, văn hóa cơ sở hạ tầng bị sụp đổ xuống sông, một thị xã tỉnh lị phải di dời đi nơi khác (Sa Đéc) là mối đe dọa nghiêm trọng cho tính mạng và tài sản của Nhà nước và nhân dân ở ven sông làm cản trở đến kế hoạch xây dựng, khai thác, phát triển bền vững dân sinh, kinh tế, xã hội, môi trường.Với đặc thù về điều kiện dòng chảy và lòng dẫn của hệ thống sông Cửu Long các công trình bảo vệ bờ trên sông phải dựa trên quy hoạch tuyến chỉnh trị, trong điều kiện hiện nay khi chưa có điều kiện thực hiện được toàn bộ tuyến chỉnh trị thì việc bảo vệ trực tiếp, tại chỗ nhằm tạo cho mái bờ một áo giáp, chống lại dòng chảy trong sông và dòng thấm khi lũ xuống, triều rút tuy là phương án bị động nhưng phát huy tác dụng ngay

Việc xây dựng công trình bảo vệ bờ trên sông ngoài việc phải phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, môi trường còn phải đảm bảo khai thác tổng hợp, phải bền vững và mỹ quan Cho đến nay việc thiết kế tường chắn thường được tiến hành theo phương pháp truyền thống đơn giản (cân bằng giới hạn) hay theo phương pháp kinh nghiệm Phương pháp đơn giản thường được áp dụng cho tường trọng lực, tường consol ngàm, tường ngàm với một thanh chống hay neo Thông thường những phương pháp đó cho ta kết quả hạn chế về sự chuyển dịch và không có kết quả về sự tương tác giữa tường và đất

Xuất phát từ thực tiễn trên, bên cạnh các kết cấu đê kè truyền thống người ta còn sử dụng kết cấu cọc ván dự ứng lực xem như là một giải pháp phổ biến cho việc thi công các kết cấu đứng dọc bờ sông

Tường cọc bản, là một dạng đặc biệt của tường chắn đất với mục đích chung là chịu tải trọng ngang gây ra bởi mặt đất tự nhiên, đất đắp, tải trọng bên trên Hệ thống kết cấu bao gồm tường và hệ thống kết cấu chống đỡ tường, ngoài ra tường còn ngàm vào đất bên dưới Trong hầu hết các trường hợp, đất vừa gây ra lực tác động lên tường vừa là kết cấu chống đỡ hay giữ tường, tạo ra sự dịch chuyển cơ học của hệ kết cấu trong đất Người thiết kế phải biết các định nội lực và mức độ chuyển dịch của kết cấu Thông thường, chúng được xác định trong điều kiện làm việc cực hạn Bên cạnh đó, cũng cần xác định mức độ chuyển dịch tiềm tàng của đất có thể xảy ra trong quá trình thi công kết cấu vì sự thoát nước bên trong xuất hiện Do đó, ứng xử của đất trong quá trình thi công ảnh hưởng đến sự làm việc của cọc bản là rất lớn cần phải xem xét

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Nghiên cứu sử dụng loại tường cọc bản bê tông dự ứng ực hợp ý và kinh ế ch

 Phân tích cơ sở lý thuyết tính toán tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực

 Mô phỏng bằng phần mềm plaxis để phân tích và đánh giá sự làm việc của hệ thống tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng ực

 Phân tích, so sánh kết quả giữa tính toán giải tích và plaxis 2D

3 Phương pháp nghiên cứu

 Cơ sở lý thuyết về tính toán tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng ực

 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis) để mô phỏng sự làm việc thực tế của kết cấu kè

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

được trạng thái ứng xử của đất và các nguyên nhân tác động lên chúng bằng cách đưa các thông số đầu vào phù hợp, là một công cụ hỗ trợ đắt lực giúp tìm ra lời giải chính xác hơn, tối ưu hơn…

4.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài làm rõ ưu, nhược điểm của kết cấu kè sử dụng tường cọc bản bê tông dự ứng lực, đưa ra loại tường cọc phù hợp làm cơ sở cho việc ứng dụng hiện tại và trong tương lai phục vụ cho nhu cầu xây dựng công trình bảo vệ bờ ở nơi thị trấn, thành phố, nơi tập trung đông dân cư….cụ thể là khu vực phường h yện Thới Lai Tp.Cần Thơơ Dùng phần mềm Plaxis mô phỏng, dự đoán các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình thi công làm giảm nguy cơ gây hại đến công trình

5 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu:

Đề tài chỉ mô phỏng, phân tích, tính toán tường cọc bản trong phạm vi giới hạn địa chất của công trình và một số vùng lân cận Dựa trên hồ sơ khảo sát địa chất, các số liệu quan trắc xem như là tương đối chính xác để làm cơ sở nghiên cứu cho bài toán phân tích kè

Đề tài không đi sâu nghiên cứu, tải trọng động và sóng va tác động lên tường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CỌC BẢN BÊ TÔNG CỐT

THÉP DỰ ỨNG LỰC ĐỂ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG

1.1 Các giải pháp công nghệ mới trong công trình bảo vệ bờ sông [1]:

Ứng dụng vật liệu mới: Sử dụng các sản phẩm từ sợi tổng hợp có cường độ cao, ứng dụng nhựa uPVC chế tạo tấm cọc nhựa, công nghệ bêtông Miclayo sử dụng phụ gia CSSB

Sử dụng các loại thực vật thân thiện với môi trường (kỹ thuật mềm): Kỹ thuật 'Mềm', hoặc công nghệ sinh học là sử dụng thực vật thích hợp để giữ lại bờ sông, nó ít tốn kém và cung cấp nhiều lợi ích

Kết hợp giữa công nghệ cứng và vật liệu mềm: Hỗ trợ cho các công trình kè cứng bằng cách tạo ra một thảm thực vật ở ngay phía ngoài hoặc phía trong chân kè cứng vừa tăng ổn định chân kè vừa tạo cảnh quan

Công nghệ mới gia cố mái bờ và chân bờ: Lưới địa kỹ thuật, bấc thấm ngang, gia

cố chân bờ sông bằng công nghệ cọc xi măng đất

Cải tiến giải pháp thi công

Cải tiến cấu kiện và kết cấu công trình: Sử dụng các sản phẩm từ sợi tổng hợp có cường độ cao, cải tiến thảm thanh và tấm bêtông đơn giản liên kết bằng thanh thép bằng thảm khối bê tông phức hình hoặc liên kết dây mềm, cải tiến các loại rồng, rọ đá, cải tiến các khối bê tông lát mái, ứng dụng công nghệ bê tông ứng suất trước chế tạo cọc bản BTCT dự ứng lực

Với sự ứng dụng mạnh mẽ khoa học công nghệ, lĩnh vực công trình chỉnh trị sông, bảo vệ bờ sông chống lũ đã có được nhiều cải tiến Nhiều vật liệu, công nghệ mới đã được sử dụng, nổi bậc là việc sử dụng rộng rãi các sản phẩm cọc bản bê tông dự ứng lực có khả năng chịu tải trọng ngang lớn Hiện nay loại kết cấu này ứng dụng khá phổ biến để bảo vệ bờ sông vùng đồng bằng Nam Bộ

1.2 Giới thiệu về cọc bản bê tông dự ứng lực [2]:

Trong kỹ thuật xây dựng, cọc bản thường được thiết kế để gia cố nền móng các tòa nhà cao tầng, móng các trụ cầu giao thông, xử lý nền móng các cống đập thủy lợi, làm tường chắn các công trình chống sạt lỡ bờ sông, bờ biển, công trình cầu cảng, có thể nói cọc bản là một bộ phận không thể thiếu, đóng vai trò quan trọng quyết định đến độ

ổn định và an toàn các công trình xây dựng

Cọc bản là loại cọc có kích thước chiều dày nhỏ hơn nhiều lần so với chiều rộng và chiều dài Có thể chia ra các loại cọc bản chính như sau:

- Cọc bản bằng gỗ: loại vật liệu này có ở mọi nơi, dễ sử dụng, gia công theo ý muốn, giá thành rẻ nhưng tuổi thọ không cao, hạn chế chống thấm, và các quy định về “Bảo vệ môi trường” làm cho vật liệu này ít sử dụng hơn

- Cọc bản thép: Sản xuất công nghiệp với nhiều chủng loại và kích cỡ, thi công nhanh chóng, có thể dễ dàng nối dài hoặc cắt ngắn theo chiều dài yêu cầu Cọc bản thép được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành xây dựng trên thế giới cũng như ở Việt nam Nhưng vẫn còn tồn tại nhược điểm là tiêu tốn nhiều thép, loại vật liệu đắt tiền nhất trong các vật liệu xây dựng và thường bị ăn mòn trong môi trường nước biển

- Cọc bản bằng vật liệu tổng hợp: Cọc bản Composite, cọc bản nhựa chống xâm thực và ăn mòn trong môi trường nước chua mặn, thi công lắp đặt gọn nhẹ, thuận tiện khi vận chuyển, tăng vẻ mỹ quan cho công trình, nhưng khả năng chịu lực không cao như các loại cọc bản thép và bê tông cốt thép nên hạn chế phạm vi sử dụng

- Cọc bản bê tông cốt thép: Sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực xây dựng, tuy nhiên do trọng lượng cọc khá lớn nên khó khăn trong thi công và hay bị nứt trong quá trình vận chuyển

Do vậy để giảm khối lượng vật liệu (thép và bê tông) và tăng khả năng chịu lực cho cọc ta sử dụng các loại cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực thay thế các loại cọc bản bê tông cốt thép thường

Công nghệ cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực do tập đoàn P.S Mishubishi (Nhật Bản) nghiên cứu chế tạo từ những năm giữa thế kỉ XX, bao gồm nhiều loại kết cấu khác nhau như: cọc bản phẳng tiết diện chữ nhật, cọc bản tiết diện chữ U, cọc bản tiết diện chữ H, nhưng sản phẩm tiêu biểu là các loại cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ C (dạng sóng) đã ứng dụng ở công trình kênh dẫn nước vào nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ-Việt Nam năm 2000 Tác giả tập trung nghiên cứu loại cọc bản này

Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực là loại cọc để chống lại áp lực ngang do đất, nước, các tải trọng phía trên gây ra, đạt trạng thái ổn định nhờ sức chống ngang của đất phía trước tường khi tường cọc bản hạ sâu xuống đất và nhờ các hệ thống neo phía sau tường Cọc có nhiều tính năng vượt trội như cường độ chịu lực cao nhờ tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng độ cứng Do sản xuất tại nhà máy nên chất lượng được kiểm soát chặt chẽ, năng suất cao, chủng loại sản phẩm đa dạng, đáp ứng theo nhiều dạng địa hình và địa chất khác nhau Sản phẩm này đem lại giải pháp mới cho các công trình kè, công trình cảng, bến tàu, đê chắn sóng, tầng hầm các nhà cao tầng, các công trình thuỷ lợi,

Hình 1.1 Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ C (dạng sóng)

1.3 Các đặc trưng cơ lý của cọc bản BTCT dự ứng lực [2]:

1.3.1 Vật liệu:

Cấu tạo của cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực bao gồm thành phần chủ yếu là cốt thép và bê tông Theo tiêu chuẩn JISA –5354 (1993) của Uỷ Ban TCCL Nhật Bản yêu cầu chất lượng của vật liệu chế tạo cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực như sau:

Bảng 1.1 Bảng yêu cầu kỹ thuật vật liệu chế tạo cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực

1 Xi măng ASTM C-150 Xi măng Portland loại I cường độ cao

2 Cốt liệu JIS A 5308 Cốt liệu cát đá đảm bảo sạch để trộn bê

tông, kích thước lớn nhất của hạt 20mm

3 Phụ gia ASTM C 494 Phụ gia tăng cường độ bê tông, đặc tính kỹ

thuật tiêu chuẩn của phụ gia loại G

của dầu, acid, muối,

- Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ nhật (hình 1.3a)

- Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ U (hình 1.3b)

- Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ H (hình 1.3c)

- Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ T (hình 1.3d)

- Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ C (hình 1.3e)

Hình 1.2 Một số hình dạng mặt cắt ngang cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực

1.3.3 Kích thước cơ bản :

Qua xem xét các hình dạng mặt cắt cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực nêu trên tác giả lựa chọn nghiên cứu loại cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ C bởi các ưu điểm sau: Với cùng một tiết diện mặt cắt thiết kế, cọc hình dạng chữ C có khả năng chịu lực cao hơn 2÷2.3 lần so với kết cấu cọc tiết diện chữ nhật và hơn

1.3÷1.5 lần so với kết cấu tiết diện chữ U, khả năng chế tạo cọc dài hơn đáp ứng được các yêu cầu xây dựng và tăng mỹ quan của công trình

Để tăng khả năng chịu lực, kết cấu cọc bản bê tông cốt thép ứng suất trước được cấu tạo gần dạng chữ C, góc nghiêng (α), chiều dày (t), chiều cao (H), chiều dài cọc (L) thay đổi theo yêu cầu từng loại cọc thiết kế Riêng kích thước chiều rộng bản cọc không thay đổi B = 996mm Kích thước cơ bản các loại cọc bản bê tông cốt thép ứng suất trứớc như sau:

- Chiều rộng cọc bản: 996 mm

- Chiều dày: 60-120 mm

- Chiều cao: 120-600 mm

- Chiều dài: 3000-28000 mm

Hình 1.3 Mặt cắt ngang cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực dạng chữ C

Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực do tập đoàn P.S Mishubishi (Nhật Bản) nghiên cứu chế tạo có hai loại chủ yếu: Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực loại thường và cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực loại đặc biệt:

- Cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực loại thông dụng có độ dày lớp bê tông bảo

vệ cốt thép a = 3cm

- Các loại cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực loại đặc biệt được thiết kế chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép a=5cm để chống ăn mòn, xâm thực của môi trường và nâng cao tuổi thọ công trình

1.3.5 Đặc tính kỹ thuật:

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của cọc bản bê tông dự ứng lực

1.4 Phân tích ưu nhược điểm của cọc bản bê tông dự ứng lực

lần so với loại cọc vuông có cùng tiết diện ngang (khả năng chịu tải của cọc tính theo đất nền tăng)

- Khả năng chịu lực tăng: mô men chống uốn, xoắn cao hơn cọc vuông bê tông thường, do đó chịu được mômen lớn hơn

- Sử dụng vật liệu cường độ cao (bê tông, cốt thép) nên tiết kiệm vật liệu Cường

độ chịu lực cao nên khi thi công ít bị vỡ đầu cọc, mối nối, tuổi thọ cao

- Có thể ứng dụng trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau

- Chế tạo trong công xưởng nên kiểm soát được chất lượng cọc, thi công nhanh,

mỹ quan đẹp khi sử dụng ở kết cấu nổi trên mặt đất

- Chế tạo được cọc dài hơn (có thể đến 28m/cọc) nên hạn chế mối nối

- Sau khi thi công sẽ tạo thành một bức tường bê tông kín nên khả năng chống xói cao, hạn chế nở hông của đất đắp bên trong

- Kết cấu sau khi thi công xong đảm bảo độ kín, khít Với bề rộng cọc lớn sẽ phát huy tác dụng chắn các loại vật liệu, ngăn nước Phù hợp với các công trình có chênh lệch áp lực trước và sau khi đóng cọc như ở mố cầu và đường dẫn

1.4.2 Nhược điểm:

- Công nghệ chế tạo phức tạp hơn cọc đóng thông thường

- Thi công đòi hỏi độ chính xác cao, thiết bị thi công hiện đại hơn (búa rung, búa thuỷ lực, máy cắt nước áp lực )

- Giá thành cao hơn cọc đóng truyền thống có cùng tiết diện

- Ma sát âm (nếu có) tác dụng lên cọc tăng gây bất lợi khi dùng cọc ván chịu lực như cọc ma sát trong vùng đất yếu

- Khó thi công theo đường cong có bán kính nhỏ, chi tiết nối phức tạp làm hạn chế độ sâu hạ cọc

Bộ phận neo thường dùng bằng thanh thép, cáp có cường độ cao hoặc bê tông cốt thép

để gắn kéo hệ thống tường vào hệ neo phía trong (bộ phận neo này có thể làm bằng bản neo, cọc neo, tường neo ….)

Hình 1.5 Cấu tạo cọc bản bê tông dự ứng lực

Tường CB không neo Tường CB có neo, đầu tự do Tường CB có neo, đầu ngàm

Trường hợp tường cọc bản có neo có thể được phân thành 2 trường hợp:

- Tường cọc bản có neo đầu cọc tự do (Free-earth Method ) Trong trường hợp này đầu cọc bên trên được neo vào bên trong bằng thanh neo và gối neo, đầu cọc bên dưới chôn vào trong đất được chuyển vị tự do;

- Tường cọc bản có neo đầu ngàm (Fixed-earth Method) Trong trường hợp này đầu cọc bên trên cũng cấu tạo tương tự trường hợp tường cọc bản có neo đầu tự

do Phần đầu cọc bên dưới chôn vào trong đất nền được quan niệm ngàm vào trong đất tức đầu cọc không được xoay khi chịu tải

Trong cùng trường hợp đất nền và điều kiện làm việc, tường cọc có neo đầu ngàm

có chiều sâu chôn cọc lớn hơn trường hợp đầu tự do

1.6.2 Các dạng neo của tường cọc bản

Một số phương pháp dạng neo phổ biến nhất dùng cho tường cọc bản :

- Dạng tường neo hay hàng cọc neo: dùng thuận lợi khi không gian bị hạn chế hay các công trình tạm thời

- Dạng dầm neo có cọc xiên chống đỡ : dùng nơi có đất đắp, để tránh tường cọc bản bị uốn

- Dạng neo đất: gồm có thanh dây cáp chịu kéo đặt trong vữa ximăng phụt

- Dạng neo chết: đây là dạng neo phổ biến nhất, đó là một khối tường bê tông không côt thép hay một loạt các khối được đúc trong đất

Hình 1.6 Các dạng neo của cọc bản bê tông dự ứng lực

1.7 Các dạng mất ổn định của tường cọc bản bê tông dự ứng lực [2]

lợi khác) dẫn đến chân cọc chuyển vị quá mức (hình 1.5c)

- Trường hợp 4:

Do mất ổn định tổng thể cả tường và khối đất phía trước vấu tường Trường hợp này về ổn định của riêng tường cọc bản được đảm bảo nhưng toàn hệ bị mất ổn định

và trượt toàn bộ (có thể do nền đất bên dưới tường yếu dẫn đến sự phá hoại về sức

chịu tải do sự không cân bằng về trọng lượng của vật liệu trước và sau tường) (hình

Do cọc không đủ độ cứng hoặc khả năng chịu lực không đảm bảo dẫn đến biến

dạng quá lớn hoặc gãy cọc (hình 1.5f)

Hình 1.7 Các dạng mất ổn định của tường cọc bản bê tông dự ứng lực

1.8 Các chuyển vị cơ bản và phức tạp của tường cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực [6]

Từ năm 1957-1959 Dubrova đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm xác định áp lực đất lên tường cọc kết hợp với cơ sở lý thuyết của Óde, Dubrova đã đúc kết được 3 chuyển

vị cơ bản và 3 chuyển vị phức tạp của tường cọc

Hình 1.8 a) Các chuyển vị cơ bản của tường cọc bản;

Các chuyển vị cơ bản gồm:

Sơ đồ A:

Chân cố định, đỉnh chuyển dịch ra phía trước một đoạn bằng 0.002 chiều cao tường Bản thân tường không biến dạng, chỉ chuyển vị; vì vậy biểu đồ áp lực đất được xây dựng theo lý thuyết cổ điển của Coulomb- biểu đồ biến thiên tuyến tính tam giác

Sơ đồ B:

Đỉnh cố định, chân dịch chuyển ra phía trước, bản thân tường cũng không biến dạng chỉ chuyển vị Nếu sau tường có một vách đất cứng thì biểu đồ áp lực đất có dạng Parabol Tại đỉnh và chân, cường độ áp lực ngang của đất ax= 0 Cung hiệu nghiệm nằm ngang

Sơ đồ C:

Đỉnh và chân đều cố định, bụng cọc bị võng, xuất hiện cung hiệu nghiệm dọc Biểu

đồ áp lực đất là đường cong hai chiều có một điểm uốn phía trên lồi, phía dưới lõm ngay tại bụng cọc, ứng với vị trí có độ võng lớn nhất Tại chân cọc tỷ số giữa áp lực ngang ax với áp lực đứng y giống như sơ đồ A

Các chuyển vị phức tạp cũng gói gọn lại trong 3 sơ đồ:

E=1/3B+1/2C

Sơ đồ G:

Đỉnh xê dịch ra phía trước, chân cố định, suốt dọc chiều dài cọc cũng bị biến dạng uốn cong Lập luận tương tự như hai trường hợp trên, biểu đồ áp lực đất sơ đồ G xác định theo nguyên tắc:

G=1/3A+1/3B+1/3C

1.9 Các sơ đồ biến dạng có thể của cọc tự do, cọc không neo và cọc có neo [6]

Phụ thuộc vào độ cứng EI của cọc và dạng lực tác dụng: lực ngang H, moment M ở đầu cọc và áp lực E phân bốtheo chiều dọc cọc, phụ thuộc vào mức độ đóng sâu nông trong đất nền xấu hoặc tốt mà cọc tự do hoặc cọc không neo có thể có ba sơ đồ biến dạng sau:

Hình 1.9 Các sơ đồ biến dạng có thể của cọc tự do, cọc không neo a; b; c Cọc có neo

a’; b’; c’

Sơ đồ a: cọc có độ cứng tương đối lớn, độ sâu chôn cọc đủ, lực ngang H đối lớn,

mômen nhỏ, cọc chỉ xoay quanh một điểm D nằm sâu trong đất

Sơ đồ b: cọc mềm hơn, mômen M lớn hơn, cọc có thêm biến dạng cong ngoài

chuyển vị xoay quanh một điểm D như ở sơ đồ a

Sơ đồ c: vì có thêm áp lực E của đất, cọc mềm và chôn sâu hơn so với hai trường

hợp trên, cọc có thể uốn cong ở giữa và ở dưới điểm D

Trường hợp cọc có neo, vai trò của điểm neo B có ý nghĩa khá rõ đối với biến dạng của cọc Cũng phụ thuộc vào các yếu tố như ở cọc không neo và thêm yếu tố vị trí điểm neo, biến dạng của cọc có neo có thể biến dạng theo 3 sơ đồ biến dạng sau:

Sơ đồ a’: điểm neo B được ghìm chặt, nền đất tốt, độ sâu chôn xừ đủ, độ cứng EJ

của cọc không lớn (mảnh) thì cọc bị uốn như một dầm có hai gối ở B và D

Sơ đồ b’: nền đất xấu hơn, độ sâu chôn cọc nhỏ hoặc bằng giá trị giới hạn, điểm

neo B không được ghìm chặt thì cọc có xu hướng chuyển dịch tịnh tiến ra cùng phía với chuyển vị cong

Sơ đồ c’: điểm neo B trùng với đỉnh cọc, nền đất tương đối tốt, biến dạng của cọc

gần như sơ đồ a’, chỉ khác là điểm A và điểm B như là một

1.10 Các phương pháp thi công tường cọc bản

Có nhiều biện pháp để thi công như: dùng búa đóng Diezel, dùng búa rung, bằng phương pháp xói nước kết hợp búa rung, phương pháp ép tĩnh kết hợp xói nước

Hình 1.10 Thi công cọc bản bê tông dự ứng lực bằng phương pháp xói nước kết hợp

búa rung

1.11 Nhận xét:

Việc thiết kế và thi công tường cọc bản bê tông dự ứng lực đòi hỏi cao về chuyên môn và kinh nghiệm, cần hiểu về địa chất, thuỷ văn, khu vực xây dựng một cách kỹ càng để chọn được phương án tối ưu nhất

Với điều kiện địa hình, địa chất các vùng ven sông, các khu vực cửa sông ven biển nên sử dụng cọc bản bê tông dự ứng lực có nhiều ưu điểm dưới tác động của môi trường gió bão, chi phí duy tu bão dưỡng thấp, tính thẩm mỹ cao

Việc thi công trong các trường hợp đất yếu của ở ven sông nên sử dụng cọc bản bê tông dự ứng lực thi công bằng phương pháp xói nước kết hợp với búa rung, vì qua các tầng sét và cát phương pháp này đều tương đối thoả mãn được các yêu cầu đặt ra Cọc bản bê tông dự ứng lực có thể thi công trong điều kiện ngập nước không xử lý nền móng, rút ngắn thời gian thi công ở hiện trường

Sự ra đời và phát triển tường cọc bản bê tông dự ứng lực để “phát huy cơ bản các

ưu điểm” và “khắc phục tương đối các hạn chế tồn tại” của các giải pháp thông thường như: ván gỗ; đá xây, kè đá; kè bê tông, bê tông cốt thép đổ tại chỗ; cọc BTCT kết hợp các bản chắn đất, cọc ván thép

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG CỌC BẢN

BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC

2.1 Tính toán tường cọc bản [4],[5], [6],[7],[8],[9],[10], [11]

2.1.1 Phương pháp giải tích (Lý thuyết cân bằng giới hạn):

Việc tính toán xác định nội lực, chiều dài các loại cọc nói chung và cọc bản bê tông cốt thép dự ứng lực dựa trên lý thuyết áp lực đất của Coulumn và Rankine (lý thuyết cân bằng giới hạn) Tường cọc bản thường ở dạng thẳng đứng nên để đơn giản hóa các tính toán thường được dựa trên một số giả thuyết sau:

- Mặt đất trước và sau tường nằm ngang

- Không xét ma sát giữa đất và tường

- Tường xem như thẳng đứng

2.1.1.1 Tường cọc bản đóng trong đất rời không neo

Tường cọc bản đóng trong nền cát không có neo sẽ tự ổn định nhờ sự khác nhau của áp lực đất bị động và áp lực chủ động của đất tác dụng lên tường Như vậy, chiều sâu D cắm vào nền là ẩn số của bài toán

Hình 2.1 Sơ đồ tính tường cọc bản trong nền cát

Với sự chênh lệch cao độ mặt đất tác động lên sau và trước tường, phần áp lực đất sau lưng tường trên mặt nạo vét sẽ làm xoay tường xung quanh điểm O Khối đất xung quanh trước và sau tường được chia thành 4 khu vực ứng với hai trạng thái cân bằng giới hạn chủ động và bị động như hình

Ở độ sâu z sau lưng tường, áp lực đất cân bằng chủ động có dạng:

Áp lực đất ở độ sâu L1, ngang mực nước ngầm:

Tương tự, tại độ sâu z L1L2, ngang mặt đất trước tường:

Trên điểm xoay O, bên trái là áp lực bị động và bên phải là áp lực đất chủ động Tại độ

sâu z, tính từ mặt đất sau tường, áp lực chủ động là:

Áp lực này bằng không tại L3

Trên biểu đồ có:

Hình 2.2 Sơ đồ tính tường cọc bản trong nền cát

Từ O đến đáy tường, áp lực bị động bên phải, áp lực chủ động bên trái Tại chân tường

Ta có:

Khi tường cân bằng, tổng lực ngang trên chiều dài đơn vị của tường bằng 0

Bước 2: Tính áp lực đất chủ động p1 tại mực nước ngầm sau tường và p2 tại cao trình mặt đất trước tường, đã biết L1 và L2

Bước 3: Tính L3 khoảng cách tại cao trình mặt đất trước tường đến điểm có áp lực ròng bằng 0

Bước 4: Tính lực P là tổng áp lực sau lưng tường từ điểm có áp lực ròng bằng 0

2.1.1.2 Tường cọc bản đóng trong đất sét không neo

Khi nền cọc bản đóng vào nền sét, phần đất sau tường được đắp bằng cát Ổn định tường có được cũng nhờ sự chênh lệch của áp lực bị động và chủ động trước và sau tường Nhưng với đất sét trong điều kiện không thoát nước nên

sự khác nhau của hai áp lực này chính nhờ lực dính

Hình 2.3 Sơ đồ tính tường cọc bản trong nền sét

Điều kiện cân bằng giải tích là:

- lực tương đương với diện tích ACDE

Đơn giản biểu thức trên ta được:

Tổng mômen đối với điểm B=0

Giải phương trình trên ta được chiều sâu D cần đóng vào lớp sét

Tính môment cực đại

Trong sơ đồ trên môment cực đại ứng với điểm có lực cắt bằng 0, chọn trục z’ mà

tại vị trí nạo vét trước tường