Phân tích ổn định và biến dạng kè tường góc trên nền cọc bê tông cốt thép bảo vệ bờ sông cần thơ

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH CÔNG THÀNH PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG KÈ TƯỜNG GÓC TRÊN NỀN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP BẢO VỆ BỜ SÔNG CẦN THƠ Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH CÔNG THÀNH

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG

KÈ TƯỜNG GÓC TRÊN NỀN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP

BẢO VỆ BỜ SÔNG CẦN THƠ

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng(CT)

Mã số: 605861

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Đổ Thanh Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Tô Văn Lận

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Bùi Trường Sơn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 03 tháng 9 năm 2014

Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Võ Phán ( Chủ tịch hội đồng )

2 TS Lê Bá Vinh ( Thư ký hội đồng )

3 PGS.TS Tô Văn Lận ( Ủy viên hội đồng )

4 TS Bùi Trường Sơn ( Ủy viên hội đồng )

5 TS Đỗ Thanh Hải ( Ủy viên hội đồng )

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Võ Phán TS Nguyễn Minh Tâm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: HUỲNH CÔNG THÀNH MSHV: 11864455

Ngày, tháng, năm sinh: 24/07/1987 Nơi sinh: HẬU GIANG

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (CT) Mã ngành: 605861

1 TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG KÈ TƯỜNG GÓC TRÊN NỀN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP BẢO VỆ BỜ SÔNG CẦN THƠ

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Tính toán, đánh giá ổn định công trình kè chống sạt lở bờ sông Cần Thơ bằng phương pháp giải tích

- Mô phỏng đánh giá khả năng ổn định công trình trong điều kiện làm việc đồng thời của cọc và bản bêtông bằng phần mềm Plaxis 2D

- Kết luận và kiến nghị: từ kết quả tính toán bằng giải tích và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D đưa ra đánh giá cho phương án thiết kế

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2014

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014

5 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỔ THANH HẢI

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Đổ Thanh Hải, người đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn cũng như truyền cho tôi những kiến thức vô cùng quý giá và lòng đam mê nghiên cứu khoa học

để tôi thực hiện tốt đề tài của mình

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Địa Cơ Nền Móng, những người đã truyền đạt cho tôi những phương pháp tiếp cận và giải quyết vấn đề một cách khoa học, đây là hành trang quý giá mà tôi sẽ luôn gìn giữ sau khi ra trường và làm việc

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và làm luận văn tốt nghiệp vừa qua

Trân trọng!

Học viên

Huỳnh Công Thành

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tác giả

Huỳnh Công Thành

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Nội dung nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Tính khoa học thực tiễn đề tài 2

5 Hạn chế của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH TƯỜNG KÈ VEN SÔNG 1.1 Đặt vấn đề 3

1.1.1 Do địa chất vùng bờ 3

1.1.2 Do thủy triểu 4

1.1.3 Do ảnh hưởng bởi lũ 4

1.1.4 Do hoạt động của tàu thuyền 4

1.1.5 Do hoạt động khác của con người 5

1.2 Các dạng tường kè 6

1.3 Phân loại kè tường góc bê tông cốt thép 12

1.4 Các dạng mất ổn định của kè tường góc 13

1.5 Một số sự cố tường kè 14

1.6 Nhận xét .15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG KÈ TƯỜNG GÓC TRÊN NỀN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1 Phương pháp giải tích .16

2.1.1 Tường chắn 16

2.1.1.1 Sơ lượt về tường chắn 16

2.1.1.2 Các loại áp lực .18

2.1.1.3.Phương pháp tính toán đối với tường chắn 19

2.1.2 Móng cọc 26

2.1.2.1 Sơ lượt về móng cọc .26

2.1.2.2 Tính toán cọc theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 205-1998 .28

2.1.3 Kiểm tra ổn định kè .33

2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn .34

2.3 Nhận xét .37

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG KÈ TƯỜNG GÓC TRÊN NỀN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP BẢO VỆ BỜ SÔNG CẦN THƠ 3.1 Đặt vấn đề .38

3.2 Giới thiệu về công trình .38

3.3 Đặc điểm địa hình – địa chất công trình 38

3.3.1 Điều kiện địa hình - thủy văn .38

3.3.2 Điều kiện địa chất .39

3.4 Phân tích ổn định và biến dạng tường kè bằng phương pháp giải tích .40

3.4.1 Cấu tạo công trình kè bảo vệ bờ sông Cần thơ .40

3.4.2 Các trường hợp tính toán áp lực ngang 43

3.4.3 Các tải trọng đứng .48

3.4.4 Kiểm tra ổn định lật tường chắn 49

3.4.5 Kiểm tra ổn định nền .52

3.4.5.1 Tính toán ứng suất nền 52

3.4.5.2 Kiểm tra cường độ đất nền dưới bản đáy tường 56

3.4.6 Chuyển vị công trình .56

3.4.7 Kiểm tra ổn định đất nền quanh cọc 58

3.5 Phân tích ổn định và biến dạng tường kè bằng phương pháp PTHH 65

3.5.1 Các thông số đất nền theo mô hình Hardening-Soil 65

3.5.2 Mô phỏng tính toán 67 3.5.3 Kết quả tính toán 70 3.6 Nhận xét .77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận 78

2 Kiến nghị 78

3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thành phố Cần Thơ có vị trí địa lý nằm ở trung tâm của vùng Đồng bằng sông Cửu Long, là cửa ngõ giao lưu chính của vùng Tây Nam sông Hậu với vùng

Tứ giác Long Xuyên, vùng Bắc sông Tiền và vùng trọng điểm kinh tế phía Nam Đặc biệt, với những tuyến giao thông huyết mạch như: quốc lộ 1A; quốc lộ 91; cầu Cần Thơ; cảng Cần Thơ; cảng Cái Cui; sân bay Trà Nóc; ngoài ra Cần Thơ còn là đầu mối hệ thống giao thông thủy quan trọng của khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và cả nước Nên hiện tượng sạt lở bờ sông diễn ra phổ biến làm ảnh hưởng không nhỏ đến an toàn cho các công trình ven bờ nếu không có biện pháp bảo vệ hợp lý

Việc tìm ra giải pháp phù hợp với điều kiện địa chất khu vực, đảm bảo ổn định, kinh tế và mỹ quan là những yêu cầu đặt ra đối với những người làm công tác xây dựng Kè tường góc trên nền cọc bê tông cốt thép là một trong những giải pháp đang được sử dụng phổ biến ở ĐBSCL để giải quyết những vấn đề trên Hiện nay có nhiều công trình được thiết kế và thi công nhưng chưa phân tích tính toán kỹ lưỡng,

vì vậy việc kiểm tra ổn định của công trình để đưa ra kiến nghị trước khi thi công và đưa vào sử dụng là vấn đề cấp thiết hiện nay

2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu là phân tích ổn định tường kè bảo vệ công trình ven sông với điều kiện tự nhiên và địa chất thực tế Ứng dụng phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tính toán Đối với phương pháp giải tích

hệ kè được chia ra thành tường chắn và cọc dể tính toán Đối với phương pháp phần

tử hữu hạn hệ kè và đất nền được mô phỏng đồng thời trên mô hình Hardening-Soil trong phần mềm Plaxis 2D để phân tích tính toán ổn định và biến dạng Từ kết quả tính toán trên đưa ra đánh giá phương án thiết kế.nhằm kiến nghị các giải pháp an toàn, kinh tế trong đầu tư Luận văn bao gồm các nội dung chính sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về ổn định của công trình tường kè ven sông

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định và biến dạng của kè tường góc trên

nền cọc bê tông cốt thép

Chương 3: Phân tích ổn định và biến dạng kè tường góc trên nền cọc bê tông cốt

thép bảo vệ bờ sông Cần Thơ

Kết luận và kiến nghị

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu về lý thuyết:

Nghiên cứu các phương pháp phân tích ổn định của kè theo các tiêu chuẩn trong nước và tính toán theo sơ đồ giải tích

Mô phỏng tính tóan bằng phương pháp phần tử hữu hạn:

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua các phần mềm tính toán như Plaxis để mô phỏng phân tích ổn định và biến dạng cho công trình kè bảo vệ

bờ sông Cần Thơ

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

Xác định giải pháp có lợi nhất về mặt kinh tế và kỹ thuật để bảo vệ bờ sông, góp phần xây dựng các giải pháp xử lý bảo vệ các công trình ven sông trên nền đất yếu tại Thành phố Cần Thơ nói riêng và Đồng bằng sông Cửu Long nói chung, đặc biệt là các công trình trong khu đô thị đòi hỏi cao về mỹ quan Tạo điều kiện thuận lợi để khai thác giao thông thủy tại khu vực, phát triển các khu công nghiệp ven sông, thúc đẩy sự phát triển kinh tế

5 Hạn chế của đề tài

Việc phân tích ổn định cho một phân đoạn từ KT3+135 đến KT4+063 của công trình bờ kè trái thuộc dự án kè sông Cần Thơ chưa cho thấy được ổn định tổng thể của toàn tuyến kè Do đó, những đánh giá đưa ra chỉ áp dụng cho đoạn kè trên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH TƯỜNG KÈ

Hình 1.1 Sạt lở bờ sông tại Cần Thơ

Hiện tượng sạt lở trên là do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra trong đó có nguyên nhân do tự nhiên và các nguyên nhân do con người gây ra Một số nguyên nhân chủ yếu như sau:

1.1.1 Do địa chất vùng bờ

Địa chất bờ sông là một trong những yếu tố quyết định đến sự xói lở bờ Kết quả khảo chất cho thấy đia chất các lớp đất bờ sông chủ yếu là bùn hữu cơ, bùn sét với trạng thái chảy, dẻo chảy và dẻo mềm Với cấu tạo địa chất như trên thì bờ sông rất dễ bị xói lở dưới tác động của ngoại lực và các yếu tố tác động khác

1.1.2 Do thủy triểu

Khu vực đồng bằng sông Cửu Long cách biển Tây khoảng 70km bởi vậy sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều khá rõ rệt Chế độ thuỷ triều ở đây là nhật triều với 2 lần lên xuống trong ngày Dưới tác động của dòng thấm (khi nước dâng và rút), các hạt bùn, đất bờ sông sẽ bị cuốn ra ngoài và được dòng nước mang đi gây hiện tượng xói lở

1.1.4 Do hoạt động của tàu thuyền

Đồng bằng sông Cửu Long có hệ thống giao thông thuỷ rất phát triển với đội ghe vận tải có quy mô lớn, mật độ tàu thuyền lưu thông trên sông luôn dày đặc với các tàu vận chuyển hàng hoá tải trọng lớn Dưới tác động của sóng tàu, lớp đất yếu tại bờ sông sẽ bị xói lở, mức độ sạt lở tuỳ thuộc vào độ mạnh yếu của sóng, sóng tàu càng lớn thì mức độ xói lở càng lớn đặc biệt đối với sóng của các tàu vận tải lớn chạy sát bờ sông

Hình 1.2 Tàu thuyền lưu thông trên sông rất đông, trọng tải tàu lớn

1.1.5 Do hoạt động khác của con người

Hoạt động của con người cũng có ảnh hưởng nhất định đến sự xói lở bờ khu vực này Sự khai thác hệ sinh vật trên sông, lấn chiếm bờ sông, lòng sông làm thu hẹp mặt cắt ướt của dòng chảy Ngoài ra tình trạng xây dựng đê bao tràn lan trên các sông thượng nguồn làm thay đổi các chế độ thuỷ động lực học của dòng chảy cũng là nguyên nhân gây ra sự xói lở này

Mỗi nguyên nhân ít nhiều đều có vai trò trong sự xói lở bờ sông, đối với tuyến sông trên đồng bằng sông Cửu Long qua điều tra tại khu dân cư ven sông thấy rằng hiện tượng xói lở xảy ra mạnh mẽ nhất trong mùa mưa lũ bởi vậy có thể khẳng định nguyên nhân chính gây ra sự xói lở bờ sông là do sóng và dòng chảy lũ kết hợp địa chất khá yếu tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long

Hình 1.3 Mật độ nhà dân dày đặc, hiện tượng lấn chiếm bờ sông khá phổ biến

Để khắc phục hiện tượng sạt lở, có nhiều giải pháp tường chắn đã được thực hiện như: tường cọc bản thép, tường cọc bản bê tông cốt thép, tường bêtông trọng lực, bờ kè bằng rọ đá … Đặc biệt kè tường góc trên nền cọc bê tông cốt thép là phương án được chọn để bảo vệ bờ sông, các công trình ven bờ ở khu vực TP Cần Thơ và ĐBSCL, hiện nay đang được ứng dụng tại một số công trình tương đối quan trọng Nhu cầu về thiết kế công trình tường kè phù hợp với điều kiện địa chất khu

vực là một nhu cầu có thực, việc tìm ra được giải pháp an toàn với chi phí hợp lý là mong muốn của rất nhiều kỹ sư xây dựng hiện nay

a) Rọ đá

Cấu tạo: rọ đá (Gabion) hay thảm đá (Revet Mattresses hay Reno

mattresses) như một cái hộp hình khối mà ở đó chúng ta có thể bỏ đá vào để sử dụng gia cố cho các công trình Chúng là các hệ thống hình lưới có liên kết thành các khối hình học và phía trong là đá xếp, rất đơn giản

Hình 1.4 Cấu tạo rọ đá

Hình 1.5 Thảm đá

Lịch sử cho thấy từ rất lâu đời, người ta đã sử dụng các rọ đá để tạo nên các khối liên kết làm các đường ngầm qua sơng

Ngày nay, rọ đá và thảm đá chủ yếu được làm bằng thép cĩ mạ kẽm hoặc nhơm kẽm, Phần lớn được tráng phủ một lớp nhựa bên ngồi để giảm các tác động xâm thực ăn mịn của mơi trường với lõi thép bên trong Một số cơng trình ăn mịn đặc biệt, rọ đá và thảm đá được làm hồn tồn bằng hợp chất polymer vì chúng cĩ đặc tính trơ vượt trội dưới tác động ăn mịn so với các vật liệu khác

Phạm vi sử dụng: rọ đá được dùng chủ yếu cho các cơng trình sau :

- Tường chắn đất, mố cầu

- Chống xĩi bờ sơng, biển

- Lát mái và đáy kênh

- Bảo vệ mái đê, kè

- Đập tràn, bậc nước, dốc nước

Ưu điểm: Giá thành thấp, dễ thi cơng, dễ gia cố sửa chữa, thay thế

Nhược điểm: Tuổi thọ khơng cao, dễ bị hư hỏng hồn tồn khi bị xĩi lở

và ngập lũ

b) Tường cọc bản gỗ

Hình 1.6 Bờ kè dạng tường cừ bằng gỗ

Cấu tạo: Các cọc gỗ được xẻ nguyên cây có tiết diện vuông, tròn có mộng để

nối lại với nhau Tường chắn đất là các tấm gỗ dày 6  8cm xếp chồng lên nhau Có dầm ốp bằng gỗ trên đỉnh tường Phần trên đỉnh tường là mái nghiêng bằng đá hộc có tầng lọc ngược, độ dốc m = 1:1,5 Để tránh va đập, người ta đóng gia cường thêm cọc

gỗ phía ngoài để chịu va đập của thuyền bè

Phạm vi sử dụng: Thường được sử dụng ở vùng nông thôn, làm bến đò nhỏ,

bến bốc dở hàng hóa nhẹ, các bến cảng có chiều sâu nhỏ Xây dựng ở những nhánh sông rạch có tốc độ dòng chảy nhỏ, không bị ảnh hưởng lớn của ngập lũ

Ưu điểm: Giá thành thấp do tận dụng cây gỗ có tại địa phương (như: tràm,

đước, mắm, bạch đàn, dừa…), dễ thi công, dễ gia cố sửa chữa, thay thế

Nhược điểm: Tuổi thọ không cao, gỗ dễ bị mục khi do thủy triều lên xuống

Dễ bị hư hỏng hoàn toàn khi bị xói lở và ngập lũ

c) Tường cọc bản bằng đất trộn ximăng

Cấu tạo: Các cọc đất trộn ximăng tiếp xúc khích nhau hoặc giao nhau để chống

đỡ các vách hố đào hoặc chịu áp lực đất Cừ vây bằng ximăng được thi công bằng thiết

bị khoan có thể phun vữa gồm cát ximăng và nước ra xung quanh thân ống trộn với đất, cánh của lưỡi khoan có đường kính khỏang 0,3 đến 0,45m Có thể cắm lồng thép hoặc thép hình vào khi vữa còn ướt

Phạm vi sử dụng: Sử dụng trong việc chống vách hố đào cho tầng hầm các

công trình

Ưu điểm: Có thể thi công trong nhiều lọai đất khác nhau

Nhược điểm: Khả năng kín nước kém vì có thể có những khỏang hở giữa hai

cừ Khả năng chịu áp lực ngang không lớn như tường bằng bêtông cốt thép nên tùy chiều sâu và lọai đất mà phải thi công nhiều lớp cừ

d) Tường cừ bản bằng thép

Cấu tạo: Tường cừ chắn đất làm bằng thép định hình có tiết diện: hình chữ

Z, chữ I, hình máng, cừ Larsen, thép ống… có chiều dài từ 5  22m Dầm ốp có cấu tạo là 2 thanh thép chữ I đặt cao hơn mực nước thi công 0,5m Dầm mũ bằng BTCT

có tiết diện hình chữ nhật đổ tại chỗ Các thanh neo bằng thép tròn 75, 80 Mũ giữ thanh neo làm dầm BTCT

Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè có qui mô lớn, làm bến cảng nước sâu cho tàu

có trọng tải lớn, bốc dở hàng hóa nặng Xây dựng bảo vệ xói lở khu trung tâm dân

cư, bảo vệ các công trình quan trọng ven sông

Ưu điểm: Tuổi thọ cao, tính công nghiệp lắp ghép cao, thi công nhanh Chịu

được những nơi có tốc độ dòng chảy lớn, bị ngập lũ sâu

Nhược điểm: Giá thành cao Thép bị ăn mòn ở những vùng có nước nhiễm

phèn, nhiễm mặn Loại này ít dùng ở đồng bằng Sông Cửu Long

Hình 1.7 Một số hình dạng và liên kết của tường cọc bản bằng thép

Hình 1.8 Cừ thép dùng làm tường cọc bản

Hình 1.9 Tường cọc bản bằng thép bảo vệ công trình

e) Tường cừ bản bêtông cốt thép

Cấu tạo: Cọc bản bằng BTCT, có nhiều dạng tiết diện, cọc bản tiếp nhận

trực tiếp áp lực của lớp đất đắp đất Dầm mũ bằng BTCT đổ tại chỗ, liên kết các đầu cọc bản, tiếp nhận lực của cọc bản truyền vào, sau đó dầm mũ truyền lực qua cọc vây và dầm neo Dầm neo bằng BTCT đúc sẵn, hoặc thép hình có tăng đơ

Phạm vi sử dụng: Làm bờ kè có qui mô lớn, làm bến cảng nước sâu cho tàu

có trọng tải lớn, bốc dở hàng hóa nặng Xây dựng bảo vệ xói lở khu trung tâm dân

cư, bảo vệ các công trình quan trọng ven sông

dụng được vật liệu có sẵn, giá thành thấp hơn so với thép định hình Được dùng rộng rãi ở ĐBSCL, ở những nơi ngập lũ sâu, tốc độ dòng chảy lớn, xói lở bờ mạnh

Nhược điểm: Khi thi công các cọc bản ghép lại với nhau, các mối nối khó

khít nhau khi đóng cọc bản vào đất

công Tận dụng được vật liệu có sẵn, giá thành thấp hơn so với thép định hình Được dùng rộng rãi ở ĐBSCL

Hình 1.12 Kè tường góc bêtông cốt thép bảo vệ bờ sông

- Phân loại theo hình dạng

Hình 1.13 Kè tường góc (a) không có bản sườn (b) có bản sườn

- Phân loại theo nền kè

(a)

(b)

(c)

Hình 1.14 Kè tường góc (a) trên nền tự nhiên;

(b) trên nền cừ tram; (c) trên nền cọc bê tông cốt thép

Các dạng mất ổn định của kè tường góc được chia thành 3 loại chính sau:

- Mất ổn định do trượt phẳng: mặt trượt đi qua chân kè (hình 1.9)

- Mất ổn định do lật (trượt sâu): mặt trượt đi qua chân kè (hình 1.10)

- Mất ổn định do phá hoại về kết cấu : kè không đủ chịu tải trọng ngang, hệ thống kè không đảm bảo, ăn mòn vật liệu, xói lở … Mặt trượt khi đó sẽ đi qua thân kè (hình 1.11)

- Mất ổn định do thiên tai

Hình 1.15 Kè bị mất ổn định (a) do bị trượt phẳng; (b) do lật ( trượt sâu)

Hình 1.16 Kè mất ổn định do phá hoại kết cấu

Trong thời gian gần đây, có một số sự cố của tường kè như tường kè ở cầu Trà Niền (Cần Thơ) vào đầu năm 2010 làm 2 người thiệt mạng, toàn bộ phần đường dẫn lên cầu va 8 nhà dân trôi xuống song Cần thơ mà nguyên nhân được xác định là

do tư vấn thiết kế đã tính toán không đầy đủ các yếu tố địa chất và các yếu tố khác ảnh hưởng đến công trình như: tác động của tải do xe, tải do việc thu hẹp lòng sông

Hình 1.17 Sạt lở cầu trà Niền (Cần Thơ)

Vào đầu năm 2007 kè ở Phong Điền (Cần Thơ) bị sạt lở làm khoảng 146 căn nhà bị hư hỏng nặng mà nguyên nhân được xác định là do tư vấn thiết kế đã tính toán không đầy đủ các yếu tố địa chất và các yếu tố khác ảnh hưởng đến công trình như: tác động của tải do xe, tải do việc thu hẹp lòng sông … Công trình bờ kè

huyện Phong Điền dài gần 800m, được đầu tư xây dựng gần 13 tỷ đồng hoàn thành vào đầu năm 2007, chưa nghiệm thu đã bị sạt lở và trôi xuống sông hàng trăm mét, thiệt hại hơn 5 tỷ đồng Kinh phí khắc phục (gồm: giải tỏa, di dời 146 hộ dân; xây dựng khu tái định cư; gia cố bờ kè; xây dựng công viên bờ sông) lên đến 58 tỷ đồng

Hình 1.18 Bờ kè Phong Điền (Cần Thơ) bị sạt lở

Ngoài ra, bờ kè sông Tiền tại thị xã Vĩnh Long cũng bị nghiêng ra sông, khối đất sau lưng tường bị lún sụp Nguyên nhân được xác định là do các trận lũ lớn năm

1995 và 1996 làm xói lở bờ sông ở phía dưới các tấm đan bêtông cốt thép giữa các cọc Các cọc BTCT làm bờ kè và cọc neo đều bị nghiêng ra phía sông

Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý phức tạp, đòi hỏi phải khảo sát, phân tích và tính toán một cách kỹ lưỡng Nên khi lựa chọn phương

án xây dựng kè tường góc trên nền cọc bê tông cốt thép vẫn chưa có sự nghiên cứu,

so sánh để tìm giải pháp tối ưu mà thường dựa trên cảm tính của người thiết kế, trong khi điều này đòi hỏi phải đánh giá về chiều sâu lớp đất yếu, tải trọng công trình bên trên, chênh lệch chiều sâu giữa đất trước và sau lưng tường … Vì vậy việc nghiên cứu giải pháp tường kè này để đảm bảo ổn định cho các công trình ven

bờ tại Đồng bằng sông Cửu Long là hết sức cần thiết trong điều kiện đất yếu tại khu vực này

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH

VÀ BIẾN DẠNG KÈ TƯỜNG GÓC TRÊN NỀN

CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP

Kè tường góc trên nền cọc BTCT làm việc thông qua sự cân bằng giữa áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động của khối đất trước và sau tường Cho nên bài toán chủ yếu là giải quyết bài toán về áp lực đất

Hiện nay, có nhiều cách giải quyết cho bài toán này mà ta có thể phân chia thành 2 phương pháp chính: phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn

2.1 Phương pháp giải tích

Để đơn giản quá trình tính toán ta phân tích kè tường góc trên nền cọc BTCT

ra thành 2 phần là tường chắn và móng cọc BTCT

2.1.1 Tường chắn

2.1.1.1 Sơ lược về tường chắn

a./ Khái niệm về tường chắn đất

Tường chắn là công trình giữ cho mái đất đắp hoặc mái hố đào khỏi bị sạt trượt Xây dựng kết cấu tường chắn đất để tăng cường ổn định của công trình chịu các áp lực ngang của đất Các bộ phận của công trình chịu các loại áp lực ngang của đất như: tường các tầng hầm, mố cầu, tường chắn đất, tường chắn cống thoát nước, đường hầm, bờ kè là bản tường…

Tường chắn được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng, giao thông và công trình thủy lợi

Mục đích:

- Để giữ đất sau lưng tường được cân bằng, khỏi bị trượt, tụt xuống

- Chống sạt lở công trình mới xây dựng bên cạnh công trình cũ

- Chống thành hố móng, hố đào sâu

- Chống sạt lở bờ sông, bờ kè

- Chống thấm nước từ thượng lưu xuống hạ lưu của công trình thủy công

b./ Cấu tạo về tường kè

Tường kè sử dụng ở đây giống như Tường bản góc hay còn gọi là tường chữ

L có cấu tạo như sau:

Tường đứng (bản tường): chiều cao tường 230cm chiều dày 40cm

Tường bản đáy: bề rộng 1,8 m, chiều dày 40cm

Chiều dài cọc L=20m

Hình 2.1 Tường kè và cọc bê tông cốt thép

2.1.1.2 Các loại áp lực

Khi tính toán kết cấu chắn giữ, các áp lực tác dụng vào bề mặt tiếp xúc của kết cấu chắn giữ gồm áp lực đất, áp lực nước và các tải trọng ngoài, các áp lực này làm cho kết cấu chắn giữ chuyển vị

xuất hiện mặt trượt liên tục làm cho thể đất trượt xuống, khi đó áp lực đất giảm đến trị nhỏ nhất, gọi là áp lực chủ động Ea(kN/m)

Hình 2.3 Biểu đồ áp lực đất chủ động 2.1.1.3 Phương pháp tính toán đối với tường chắn

a) Phương pháp Rankine

i) Lý thuyết căn bằng giới hạn

Khi một điểm nào đó trong đất ở trạng thái phá hủy cắt, thì α của góc kẹp giữa mặt cắt với mặt tác dụng của ứng suất chính O1 là:

2α = 90 + φ => α = 450 + φ/2 (2-1)

Hình 2.4 Vòng tròn ứng suất ở điều kiện cân bằng giới hạn

ii) Nguyên lý cơ bản của lý thuyết áp lực đất Rankine

Nếu trong thể đất bán vô hạn lấy một mặt cắt thẳng đứng, ở độ sâu z mặt AB

lấy một phân tố nhỏ, ứng suất hướng pháp tuyến σx , σz vì trên mặt AB không có

ứng suất cắt nên σx, σz đều là ứng suất chính Khi thể đất ở và trạng thái cân

bằng đàn hồi σx = K0γz và σz = γz Vòng tròn ứng suất O1 ở điểm này không tiếp

xúc với đường bao cường độ chịu cắt khi σz không đổi σx giảm dần vòng tròn ứng

suất O2 tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến cân bằng giới hạn

σz , σx lần lượt là ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất khi đó ta có trạng thái chủ động Rankine trong thể đất hai tổ mặt trượt làm thành góc kẹp 450 + φ/2 với

mặt phẳng ngang Khi σz không đổi σx tăng lớn dần Vòng tròn ứng suất O3 cũng

tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến cân bằng giới hạn Khi đó σz là

ứng suất chính nhỏ nhất, còn σx là ứng suất chính lớn nhất trong thể đất, hai

tổ mặt trượt làm thành góc 450 - φ/2 với mặt nằm ngang khi đó ta có trạng thái bị

động Rankine

Áp lực tác dụng lên lưng tường AB của tường chắn đất, tức là trạng thái ứng

suất trên mặt AB ứng với phương chiều, độ dài lưng tường trong thể đất bán vô hạn

khi đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn Lý thuyết Rankine cho rằng có thể dùng

tường chắn đất để thay thế một bộ phận của thể đất bán vô hạn theo lý thuyết

Rankine chỉ có một điều kiện biên tức là tình trạng bề mặt của thể đất vô hạn mà không kể đến điều kiện biên trên mặt tiếp xúc lưng tường với thể đất

Hình 2.5 Trạng thái chủ động và bị động của Rankine iii) Tính áp lực chủ động của Rankine

Khi lưng tường thẳng đứng, mặt đất đắp nằm ngang thì cũng vận dụng

lý thuyết cân bằng giới hạn để tính áp lực đất chủ động Nếu dưới lưng tường AB dưới tác động của áp lực đất làm cho lung tường tách khỏi đất lắp di động ra ngoài tới A’B’ khi đó thể đất sau lưng tường đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn, tức

là trạng thái cân bằng chủ động Rankine lấy một phân tố đất ở độ sâu z chỗ lưng tường thì ứng suất theo chiều đứng của nó σz = γz là ứng suất chính lớn nhất

σ1 ứng suất theo phương ngang σx là ứng suất chính nhỏ nhất cũng tức là áp lực đất chủ động cần tính toán Pa , σ3 = Pa , σ1 = γz thay vào công thức ta được áp lực đất



2

0 

(2-5)

Trong đó:

Pa - áp lực đất chủ động kN/m2

γ - trọng lượng riêng của đất kN/m3

z - độ sâu từ điểm tính đến điểm đang xét

Ka - hệ số áp lực chủ động

c - lực dính kPa

φ - góc ma sát trong của đất

Ea - áp lực chủ động của đất

h0 - cao độ vùng chịu kéo

Khi bề mặt đất đắp sau lưng tường có tải trọng phân bố đều liên tục q tác động khi tính toán có thể cho ứng suất đứng σz ở độ sâu z tăng thêm một lượng q tức là áp lực đất chủ động ở tại vị trí cần tính là:

Trong đó: q tải trọng ngoài

Hình 2.6 Áp lực chủ động của đất

iv) Tính áp lực bị động của Rankine

Một tường chắn đất có lưng tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang, nếu tường đẩy về phía đất đắp, dưới tác dụng của ngoại lực, khi đất phía sau tường đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn ta sẽ có trạng thái bị động Rankine Xét một phân tố đất ở độ sâu z của lưng tường thì ứng suất σz = γz là ứng suất chính nhỏ nhất

σ3 ứng suất ngang σx là ứng suất chính lớn nhất σ1, cũng tức là pp Cho σ1 =

pp, σz = γz thay vào sẽ được công thức tính áp lực đất bị động Rankine

Đất cát:

pp = γz tan2 (450 + φ/2) = γz Kp (2-7) Đất sét:

pp = γz tan2 (450 + φ/2) + 2c tan(450 + φ/2) = γz Kp+2c K p (2-8) Trong đó:

Từ công thức trên có thể biết, áp lực đất bị động pp phân bố thành đường thẳng theo độ sâu z Hợp lực đất bị động tác dụng lên lưng tường có thể tìm thấy bằng diện tích hình phân bố của pp

Đất cát:

Ep = 1/2 γz2Kp (kN/m) (2-10) Đất sét:

b) Phương pháp Coulomb

i) Nguyên lý cơ bản tính toán

Theo lý thuyết Coulomb khi tính áp lực đất tác dụng lên tường chắn thì + Tường cứng

+ Mặt trượt được xem là phẳng

+ Lưng tường là mặt trượt thứ 2

+ Lăng trụ trượt được xem là khối gắn tuyệt đối

+ Đất xem như vật thể rời không có lực dính

) cos(

) sin(

) sin(

1 ) cos(

cos

) ( cos

2 2

iii) Xét sự căn bằng của một điểm

Đối với đất rời

Nếu điểm A ở trạng thái cân bằng giới hạn φ = φmax

Ta có:

sin φmax =

3 1 3 1

(2-16)

Phương trình toán học diễn tả sự cân bằng giới hạn của Mohr – Rankine đối với đất cát

iv) Định luật Mohr – Rankine:

- Nếu ømax < φ điểm A ổn định

- Nếu ømax = φ điểm A ở trạng thái cân bằng

- Nếu ømax > φ điểm A mất ổn định

Ta có mối quan hệ:

σ3 = σ1tg2(450 + φ/2) + c ctg(450 - φ/2) (2-17) Đối với đất rời thì giá trị góc lệch cực hạn ømax:

sin2ømax = 2

2 2

) (

4 ) (

x z

xz x

2.1.2 Móng cọc

2.1.2.1 Sơ lượt về móng cọc

a./ Cấu tạo về móng cọc bê tông cốt thép

Cọc bê tông cốt thép là kết cấu có chiều dài lớn hơn so với bề rộng tiết diện ngang, cọc được đóng hay thi công đổ tại chổ vào lòng đất, đá, để truyền tải trọng công trình xuống các tầng đất, đá, sâu hơn nhằm cho công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn

Đài cọc là kết cấu dùng để liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng của công trình lên các cọc Nội lực ở cọc do tải trọng kết cấu phần trên truyền xuống qua hệ đài bản chất sinh ra do chuyển vị tại điểm liên kết cọc với hệ đài Có thể phân ra làm đài tuyệt đối cứng và đài mềm trong tính toán thiết kế hệ cọc Coi đài móng cứng tuyệt đối khi chiều cao đài phải rất cứng Dưới tác dụng của tải trọng thì chuyển vị tại các điểm trên mặt cắt ngàm cọc là tuyến tính (hay là mặt cắt ngàm cọc trước phẳng sau vẫn phẳng) do đó thông thường cọc ở vị trí biên sẽ có nội lực lớn

b./ Các dạng cọc trong đất nền

Cọc đóng đứng: khi có tải trọng ngang công trình không lớn người ta thường

đóng cọc theo phương đứng 1 góc 900 so với mặt đất tự nhiên

Cọc đóng xiên: khi có tải trọng ngang lớn cọc đóng đứng không đủ khả năng

chịu lực ta có thể đóng cọc xiên Độ xiên của cọc giúp cho cọc tăng khả năng chịu lực, khi tải ngang do lực thắng xe, do áp lực nước chảy trong vùng có ảnh hưởng thủy triều,…có thể đóng xiên khoảng 200 hoặc có thể hơn tùy thiết bị đóng cọc

c./ Các loại cọc chịu tải trọng ngang thường gặp

+ Cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông: 200x200, 250x250,

300x300,…thường được sử dụng cọc rỗng hoặc cọc đặc trong các công trình dân dụng, cầu đường, công trình thủy vv…có tiết diện cọc tùy theo yêu cầu tải trọng công trình

Hình 2.9 Cọc bê tông cốt thép tiến diện vuông

+ Cọc bê tông cốt thép tiết diện tròn: thường được sử dụng như cọc bê tông

ly tâm dự ứng lực có đường kính ngoài 300, 350, 400, 450, 500…

Hình 2.10 Cọc bê tông ly tâm dự ứng lực

2.1.2.2 Tính toán cọc chịu theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 205-1998

a) Sơ đồ phân bố tải trọng lên đầu cọc

Tải trọng tác dụng lên cọc gồm các tải trọng thẳng đứng do trọng lượng bản thân của đất đắp trên đài σz và trọng lượng bản thân của đài p1, áp lực ngang của đất

là H và momen tại đáy đài là M

Đối với móng cọc có số cọc lớn hơn hoặc bằng 3 cọc, hoặc cọc nhưng momen và lực ngang nằm trong mặt phẳng 2 cọc thì momen đã chuyển thành lực dọc trong cọc, còn lực nằm ngang ở đỉnh cọc được chia đều cho số lượng cọc (ta xem móng cứng tuyệt đối)

H0 =

n H

tt

y y M n

Dưới tác động của tải trọng ngang, chuyển vị ngang của cọc càng lớn khi áp

lực (tức là phản lực đàn hồi của đất) σ càng lớn, mà độ lớn của áp lực quyết định

bởi tính chất của đất, độ cứng của thân cọc, hình dạng mặt cắt của cọc vào trong đất, vv … độ lớn của áp lực có thể biểu diễn bằng công thức sau đây:

C là hệ số nền theo chiều ngang của đất (gọi tắt là hệ số nền), là

chỉ tiêu phản ánh tính đàn hồi của nền đất, biểu thị cho lực phải tác dụng vào để sinh ra một đơn vị biến dạng cho một đơn vị diện tích đất trong giới hạn đàn hồi, độ lớn của nó có liên quan với loại đất nền, tính chất cơ lý của đất nền

Hình 2.11 Quy luật biến đổi của hệ số nền

Ta coi cọc như dầm có độ cứng EI dưới tác dụng của tải trọng phân bố theo quy luật náo đó, phương trình vi phân của đường cong đàn hồi của cọc có dạng chung là:

0

4 4



 y z

z d U d

1 2

0 1

0 1

I E H C

I E M B

A y z K

b bd b

bd bd

e bd z

Iy E M

bd b

bd b

bd z

0 2 4 0 3

D H C M B

I E A

Iy E

Trong đó: A1,B1,C1, D1; A3,B3,C3, D3 ;A4,B4,C4, D4 tra bảng G.3 TCXD 205-1998

Ze – Chiều sâu tính đổi, Z e  bd Z

Le – Chiều dài cọc trong đất tính đổi, L e  bd L

Hệ số biến dạng: 5

I E Kb

b c

bc-bề rộng quy ước của cọc:

+khi: d0,8m thì bc=d+1m; +khi: d <0,8m thì bc=1,5d+0,5m

Hình 2.12 Sơ đồ tác động của Moment và tải trọng ngang lên cọc

Các chuyển vị  HH, MH, HM, MMcủa cọc ở cao trình mặt đất do các ứng lực đơn vị gây ra tại cao trình này:

0 3

1

A I

E b

bd HH



0 2

1

B I

E b

bd MH MH

E b

bd MM



A0,B0,C0,D0 tra bảng G.2 TCXD 205-1998

Moment uốn và lực cắt của cọc tại cao trình mặt đất

b

3

2 0 3

0 0 0

b b

0 2 0 0

1 1 ' 1 2

z y z

 ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu z

- γ1 trọng lượng riêng của đất

- c1, φ1 lực dính và góc ma sát trong cuả đất

- ξ hệ số lấy 0.3 ( cọc vuông )

- η1 hệ số bằng 0,7 cho mọi công trình chắn đất