Hình thức kết cấu và nguyên lý ổn định ống vải địa kỹ thuật

CHƯƠNG 3. CÔNG NGHỆ ỐNG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT TRONG BẢO VỆ BỜ SÔNG VÀ BỜ BIỂN

3.3 K ết cấu và nguyên lý ổn định của ống vải địa kỹ thuật

3.3.2 Hình thức kết cấu và nguyên lý ổn định ống vải địa kỹ thuật

Nguyên tắc thiết kế, kiểm tra ổn định của ống vải địa kỹ thuật bao gồm 2 phần: ổn định trong và ổn định ngoài. Đối với ổn định trong, vải địa kỹ thuật được may kín để chịu được tác dụng củaứng suất đất trong ống và giữ vật liệu ở trong ống trong suốt quá trình thi công và khai thác. Ổn định ngoài phụ thuộc chủ yếu vào trọng lượng ống, lực ma sát giữa ống vải địa kỹ thuật và nền, giữa các ốngvới nhau chống lại sóng gió, dòng chảy... tác động

3.3.2.1 Ổn định ngoài ống vải địa kỹ thuật - Ổn định giữa túi vải địa kỹ thuật và nền.

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

Hình 3-12. Các dạng mất ổn định ngoài geotube

(Nguồn: [27]) Điều kiện để ốngvải địa kỹ thuật ổn định(công thức thực nghiệm) [27]:

. 〈1

∆b Hs

và 1 . 〈

∆h Hs Trong đó:

w w cρ

ρ

= ρ −

∆ = Tỷ lệ mật độ của nước và vật liệu làm đầy túi.

ρc= Khối lượng riêng của vật liệu trong ống. ρw= Khối lượng riêng của nước.

b = Chiều rộng của ống.

h = Chiều cao trung bình củaống. Hs= Chiều cao sóng.

- Ổn định giữa các ốngvải địa kỹ thuật với nhau [6].

Xếp chồng theo chiều dài:

Hình 3-13. Sơ đồ xếp chồng ốngvải địa kỹ thuậttheo chiều dài

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

Xếp chồng theo chiều dài là trường hợp chỉ xếp một ống theo chiều dài, trường hợp này ống trước phải chồng lên ống sau ít nhất 3m để tạo lực ma sát cho ống liền kề.

Xếp chồng theo chiều cao

Xếp chồng theo chiều cao là trường hợp, xếp nhiều ống vải địa kỹ thuật chồng lên nhau, trường hợp này việc tính toán sẽ phức tạp hơn, vị trí ống và hình dạng ốngsau khi được làm đầy rất quan trọng trong việc tính toán số lượng ống và chiều cao khối xếp, hình dạng và độ căng của ống phụ thuộc vào vật liệu và áp lực bơm. Khi ốngchưa được làm đầy ứng suất trong túi bằng không, khi ống được làm đầy (ống có dạng hình tròn) ứng suất trong ống là lớn nhất.

Hình dạng của ống có thể xác định theo các công thức sau:

- Với chu vi: S =π.D=S0 = constant - Hệ số đầy: φ= Af /A0 ≤1

Khi túi được đầy vật liệu thì φ =1 , ta có giá trị lớn nhất của tỷ số

2

/S0

Af

ϕ = là: ϕ0 = A0/S02 =(π.D2/4)/(π.D)2 =1/( )4π =0,08

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

- Nếu φ<1,ϕ = Af /S02 <1/( )4π thì ốngcó dạng hình Elíp.

Với các phương trình cơ bản sau:

( + )= = =

=0,5. a b .D S0

S π π hằng số

Và Af =0,25.πab=φA0 =φπD2/4 Với hình e líp ta có:

(a b) D a

D b D

ab=φ 2⇒ =φ 2 / ; + =2

(a+φD2/a)=2D⇒a2−2aD+φD2 =0 Trong đó: a=D(1± (1−φ) )

Nếu: φ=1,a=b=D⇒ống tròn vì D=S0 /π nên a=S0/π(1± (1−φ) )

Nếu ốngcó dạng hình chữ nhật:

( ) 0; 0 ; 0/ ; 0 0/ 02

2 a b S A A ab b A a A S

S= + = f =φ = =φ ϕ =

Và a=0,25S0(1± (1−16φϕ0) )

Hình 3-14. Các thông số về hình dạng ống

Trước đây, dựa vào các nguyên tắc trên người ta thường giả định các điểm cuối của ống là hình trụ và bề mặt trên của ống là phẳng. Tuy nhiên, không

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

có giả định được đưa ra cho độ dãn cơ cấu dưới tác dụng của sức nặng, hoặc làm giảm sức nặng do phản lực.

Kích thước của ốngđược xác định theo công thức:

(W H)

H FBW

C=2 =π +2 −

Hình 3-15. Thể hiện ví dụ về sơ đồ hình dạng ốngvải địa kỹ thuật

Trong thực tế việc thay đổi mặt cắt ngang của ốnglà rất phức tạp, nó phụ thuộc vào vật liệu làm đầy ống và cột nước tĩnh trên tống, hình dạng của mặt cắt ngang sẽ thay đổi từ hình dạng phẳng cho tới hình tròn. Với giả thiết trong suốt quá trình bơm, vật liệu trong ốngở dạng lỏng và ốngvải địa kỹ thuật là một ống mềm không thấm qua được, áp lực trong ốngđược tính như sau:

( c w) A

A gH

p = ρ −ρ Trong đó:

pA = áp lực tổng tại điểm A.

ρc= Khối lượng riêng của vật liệu trong ống. ρw= Khối lượng riêng của nước.

g = gia tốc trọng trường.

HA= cột nước thủy tĩnh tại điểm A.

Comment [TVT1]: Tất các công thức đều phải được đánh số

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

Từ công thức trên ta có: Áp lực thủy tĩnh cực đại tại mặt tiếp xúc giữa ốngvà mặt nền:

( c w) m

p

m p gH

p = = ρ −ρ

Ta lại có: pm= trọng lượng đẩy nổi của ống vải (mỗi m chiều dài/b).

Với: pm= áp lực tổng lớn nhất. pp= áp lực tại vị trí tiếp xúc. Hm= cột nước tĩnh lớn nhất. b= bề rộng tiếp xúc

Trạng thái cân bằng của một phần tử vỏ ống rdϕ như sau:

ϕ σ

ϕ d

rd

pA 1= 1 r pA

σ = trong đó :

pA=ứng suất trong vỏ ống (tại điểm A)

r = bán kính cong của phần tử vỏ ống (tại điểm A)

Hình dạng của ống vải địa kỹ thuật được tính thử dần qua các công thức trên, đầu tiên giả định ứng suất giới hạn trong ống, từ đó xác định được chiều cao của ống, sau đó có thể tính đúng dần bán kính cong của ốngbằng công thức:

r = S/pA

Giá trị ứng suất và hình dạng của ốnglà đúng, nếu chiều cao của túi xấp xỉ giá trị giả định.

Một thí nghiệm với giả định nền nằm ngang phẳng đã xác định được chiều cao cột nước tĩnh Hm = 5m và Hm = 8m.

Hình 3-16. Thể hiện kết quả tính toán mặt cắt ngang của khối xếp chồng

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

Đường kính trung bình của ốnglà D = 2,5m, tuy nhiên thực tế ốngvải địa kỹ thuật có hình ôvan, với chiều cao và chiều dài trung bình là: 2,1m x 2,7m trong trường hợp Hm= 5m và 2,25 x 2,60m trong trường hợp Hm = 8m.

Việc tính toán cho ống địa kỹ thuật xếp chồng tiếp được thực hiện theo cách tính như trên, khi ống địa kỹ thuật xếp chồng phía trên được coi nhưđặt trên bề mặt phẳng.

3.3.2.2 Lý thuyết tính toán kết cấu vải địa kỹ thuật

Sự thiết lập công thức tính toán của ống vải địa kỹ thuật được dựa trên trạng thái cân bằng của ống cấu thành từ các lớp vải địa kỹ thuật. Kết quả tính toán cho biết lực căng tác động lên suốt chiều rộng (chu vi tròn), chiều dài (hình trụ) của ống. Các giả thiết được đưa ra để hình thành công thức là [30]:

- Mặt cắt ngang vuông góc với trục y chạy dọc theo thân ống đều đồng nhất có cùng tính chất về kết cấu và vật kiệu. Do đó, tổn thất trong suốt qua trình tính toán được bỏ qua, áp lực bơm lúc vào được xem là lực cơbản để tính toán.

- Các lớp vải địa kỹ thuật được xem là mỏng, dẻo và có trọng lượng trên mỗi đơn vị dài không đáng kể.

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

- Vật liệu được dùng để bơm vào ống là vữa (chất lỏng) do đó có tồn tại áp lực thủy tĩnh bên trong ống.

- Không có lực kéo phát sinh giữa lớp chất lỏng và kết cấu.

Hình 3-17. Mặt cắt ngang của ống - Các ký hiệu và quy ước

H

O

C(xc,yc)

A x b W p + ho γ

1

A2 o γ p(x)=p + x

po

s(x,y) C(xc,yc)

s(x,y) θ

θ P=p.ds

θ− θd2

d2θ θ+

T

T

ds

L: Chu vi của ống r: Bán kính cong p : áp lực bơm

: Trọng lượng đơn vị của hỗn hợp vữaγ

y

Giả thiết bên trong ống chỉ có duy nhất một loại vật liệu được bơm vào.

Tuy nhiên, việc mở rộng công thức lại bao gồm các lớp vật liệu bên trong và các lớp chất lỏng bên ngoài. Cần chú ý rằng các mặt cắt ngang ở đây là đối xứng nhau, có chiều cao lớn nhất là h, chiều rộng lớn nhất là W và chiều rộng mặt phẳng tiếp xúc với lớp nền là b, áp lực bơm vào ống là po. Tỷ trọng của loại chất lỏng bơm vào ống là γ. Từ đây, áp lực thủy tĩnh tác dụng lên một điểm x bất kỳ tính từ tâm O là:

p(x)=po + γ.x

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

Phương trình hình học của lớp vải địa kỹ thuật là y = f(x). Tại một điểm tiếp xúc bất kỳ S(x,y) có bán kính cong là r. Tâm của cung quay này có tọa độ C(xc,yc). Cả r và C thay đổi theo y(x).

Xét lực tác dụng lên một đoạn cung nhỏ ds tại điểm S. Có thể nhận thấy rằng tại đó xuất hiện 2 lực đối ngược nhau, bằng nhau về độ lớn vì vậy không sinh ra lực kéo giữa chất lỏng và vật liệu, do đó lực căng T là hằng số trong suốt chu vi đường tròn. Phương trình cân bằng theo cả 2 phương x và y là:

) ) (

( p x

x T

r = (1)

Công thức (1) chỉ đúng với tất cả các điểm nằm trong cung A1OA2. Để đơn giản cho việc phân tích, giả thiết rằng lực T tính được từ công thức (1) dựa theo chiều rộng mặt phẳng tiếp xúc giữa ống và mặt đất b. Từ đó, phần dư của T được chuyển qua lớp đất nền lực cắt dọc theo bề mặt vật liệu và lớp đất.

Công thức (1) cho thấy cách tính đầy đủ giải quyết yêu cầu bài toán. Phép tính vi phân cho ra kết quả bán kính cong như sau:

' ] ) ' ( 1 ) [ (

2 / 3 2

y x y

r = + (2)

với y' = dy/dx và y'' = d2y/dx2

Thay công thức (2) và p(x) vào công thức 1 :

T.y'' - [po + g.x].[1 + (y')2]3/2 = 0 (3) Công thức (3) là một phương trình vi phân không tuyến tính, không có dạng thu gọn, để giải được bài toán cần sử dụng phương pháp thử dần. Lời giải của phương trình này cho biết mối quan hệ hình học giữa y(x), lực T, áp suất bơm po, tỷ trọng γ và chiều cao ống h (x thay đổi từ 0 đến h) :

y(x) = f(x ) (4)

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

Vì tỷ trọng của chất lỏng đãbiết, công thức (4) cho thấy y là một hàm phụ thuộc vào biến độc lập x và 3 tham số T, po và h. Việc giải phương trình (4) thường được cho biết trước một tham số : hoặc T, hoặc po hay h. Việc tính toán 2 tham số còn lại là vấnđề của bài toán. Để làm được điều này ta phải thiết lập các điều kiện biên.

Điều kiện thứ nhất là ranh giới hình học tại điểm O, theo tự nhiên mặt phẳng vật liệu ngay tại tâm O nằm ngang để đảm bảo một sự vận chuyển liên tục trong ống. Do đó :

y'(0) = 0 (5)

Điều kiện thứ 2 của bài toán là dựa vào chiều rộng mặt phẳng tiếp xúc với nền của ống. Theo đó, phương trình cân bằng lực theo phương đứng dọc theo b là :

h p b W

O+γ.

= (6a)

Với W là trọng lượng trên mỗi đơn vị dài của khối chất lỏng chiếm đầy trong ống:

∫

= hy x dx W

0

).

(

2γ (6b)

Kết hợp công thức 6a và 6b, ta có : + ∫

= h

o

dx x h y b p

0

).

. ( 2

γ

γ (7)

Quy định b đồng thời từ đógiải quyết được công thức 3, 5 và 7 cho ra kết quả các tham số T, po và h, dẫn đến tính được một ống có chiều dài L. Nếu chỉ định L, sẽ được giá trị của b. Từ đây, phương trình 7 có thể thay thế bởi công thức sau :

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

∫

+

=

s

ds b

L 2 (8)

Trong đó s là đại diện cho cung A1OA2; ds là vi phân cung tròn, từ các phép tính vi phân, có kết quả là [1+(y’)2]1/2. Sử dụng ds trong công thức (8) kết hợp với thay thế vào công thức (7) thu được kết quả sau :

∫ + ∫ +

= + h h

o

dx y

dx x h y L p

0 0

2 / 1 2] . ) ' ( 1 [ 2 ).

( . . 2

γ

γ (9)

Bây giờ giả định L, đồng thời giải công thức (3), (5) và (9) xác định mối quan hệ giữa T, h, po và y(x); ta được dạng cụ thể của phương trình (4). Công thức này là đầy đủ nếu một trong những tham số thiết kế (T, h, po) được chỉ rõ.

Từ hình 3-18 cho thấy cách xác định lực căng T trên mỗi đơn vị dài quanh trục. Tổng hợp lực P được xem như một mặt phẳng thẳng đứng biểu thị cho đoạn cuối của ống, áp suất trong ống là :

∫ +

= h po x y x dx P

0

).

( ).

. (

2 γ (10)

Theo phương z dọc theo trục ống còn có lực P. Lực T theo trục này được tính bằng cách lấy hợp lực P chia cho chu vi đường tròn L của ống :

∫ +

h

truc p x y x dx

T L

0

0 . ). ( ).

(

2. γ (11)

Một khi cấu trúc hình học của ống được xác định nhờ công thức (3), giá trị của T có thể tính toán bởi việc giải quyết công thức (11)

Lực căng T dọc theo chu vi ống lớn hơn lực căng T dọc theo trục. Do đó nếu vật liệu được xem như có tính chất đẳng hướng thì giá trị của T dọc theo trục chưa cần thiết. Tuy nhiên, thông thường vật liệu là không đẳng hướng, nghĩa là các lực ở dạng lưới (thường ứng với hướng của chu vi ống) khác với dạng kín (ứng với dướng dọc theo trục). Tính không đẳng hướng này thường có

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang

ở các loại vật liệu sợi có độ bền từ trung bình đến cao, có rất nhiều loại cũng như số lượng sợi được sử dụng với những mục đích chế tạo khác nhau. Bởi vậy, để đảm bảo tính kinh tế trong việc lựa chọn vật liệu hoặc tạo ra được một cấu trúc an toàn, giá trị của lực T dọc theo trục (Taxial) luôn được xem xét.

Hình 3-14. Lực căng bên trong vật liệu ống

(T : lực căng dọc theo chu vi tròn của ống, Taxial: Lực căng dọc theo trục ống)

x

y

T T

T

z axial

axial

T

axial

T

axial

T

Hiện nay, giải bài toán để tìm ra các thông số kỹ thuật của ống địa kỹ thuật (h, b, W, L, p, T,…) có thể sử dụng chương trình GeoCoPS là bộ phần mềm chuyên dụng được phát triển bởi công ty ADAMA –Engineering – Hoa Kỳ, dùng để tính toán thảm địa kỹ thuật và ống vảiđịa kỹ thuật, phần mềm sẽ tính toán xác định những thông số kích thước hình học, ứng suất tác động lên bề mặt của kết cấu, từ đó xác định, lựa chọn được các thông số thiết kế cho ốngvải địa kỹ thuật [30].

Đề tài : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ống vải địa kỹ thuật vào xây dựng công trình kè ngầm giảm sóng bảo vệ bờ biển Mũi Rảnh, tỉnh Kiên Giang