Chương này phân tích mối quan hệ tương hỗ giữa cọc và môi trường đất khi làm việc. Từ việc phân tích mối quan hệ tương hỗ đó, người ta tiến hành nghiên cứu các mô hình mô phỏng quá trình làm việc của chúng, trong đó tương tác giữa cọc và môi trường đất được thay bằng phản lực giữa cọc và các liên kết thay thế. Mô hình nền Winkler là mô hình tương đối đơn giản, được sử dụng phổ biến và cho kết quả tin cậy. Với mô hình này, dưới tác dụng của ngọai lực, nền đất sẽ tương tác với cọc qua các lò xo có độ cứng K
Chương này cũng sử dụng mô hình nền Winkler để nghiên cứu đánh giá trạng thái ứng suất hệ cọc và bản trong một ví dụ đơn giản với hai trường hợp và 3 tổ hợp tính toán cho trường hợp 2. Qua đó thấy được rằng việc xem xét trạng thái ứng suất khi xét tới sự làm việc đồng thời của bản đáy và cọc so với trạng thái ứng suất của bản đáy khi bỏ qua ảnh hưởng của hệ cọc có những điểm khác biệt, các điểm khác nhau điển hình có thể nhận thấy như sau:
- Điểm đầu tiên có thể thấy rõ nét nhất là phân bố ứng suất tại bản đáy quanh đầu cọc, việc kể đến ảnh hưởng của cọc dẫn đến xuất hiện ứng suât cục bộ quanh đầu cọc do liên kết ngàm giữa bản đáy và cọc.
- Việc kể đến ảnh hưởng của cọc đối với bản đáy làm độ cứng của bản đáy tăng lên rõ rệt, do đó ứng suất bản đáy giảm đáng kể so với trường hợp bỏ qua ảnh hưởng của hệ cọc.
Khi thay đổi kích thước cọc ta nhận thấy không có sự thay đổi nhiều về phân bố và quy luật biến thiên ứng suất trong bản đáy. Dạng ứng suất và biến thiên ứng suất trong bản đáy không thay đổi, chỉ có giá trị ứng suất biến đổi tỉ lệ với biến thiên kích thước cọc. Do đó, việc thiết kế kích thước, hình dạng cọc sẽ được đánh giá xem xét qua điều kiện thi công, đặc điểm địa chất và mật độ cho phép của cọc dưới bản đáy.
Chương sau sẽ đi nghiên cứu ứng suất bản đáy móng cho một công trình thực tế khi kể đến sự làm việc đồng thời của hệ bản cọc.
CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN
NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỐNG NAM ĐÀN 4.1 Giới thiệu chung về công trình cống Nam Đàn
4.1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm công trình
Cống Nam Đàn là một hạng mục công trình nằm trong dự án “nâng cấp, mở rộng cống Nam Đàn và hệ thống kênh giai đoạn 1“. Cống Nam Đàn mới được xây dựng tại nơi giao nhau giữa kênh Cụt và đê tả sông Lam, vị trí công trình thuộc địa bàn xã Xuân Hoà, huyện Nam Đàn, tỉnh Nghệ An. Tuyến cống mới cách cống Nam Đàn cũ khoảng 2 km về phía hạ lưu. Tọa độ địa lý khu đầu mối:
+ 105030'53'' kinh độ Đông.
+ 18041'18" vĩ độ Bắc. Vùng dự án được giới hạn bởi:
+ Phía Bắc giáp huyện Diễn Châu; + Phía Nam giáp Sông Cả (sông Lam);
+ Phía Tây giáp vùng đồi núi của hai huyện Thanh Chương và Đô Lương; + Phía Đông giáp biển;
Các thông số kỹ thuật chính:
- Cống lấy nước bố trí ở phía phải âu thuyền (tim cống lấy nước cách tim âu
25,1m). Lưu lượng thiết kế Qtk = 27,64 m3/s.
phÝa s«ng lam
c¾t däc cèng b - b
- Hình thức cống lộ thiên, kết cấu bằng BTCT M300.
- Thân cống dài 28,0m, chiều rộng tràn nước Btr = 15,0 m, chia thành 3
khoang. Đáy cao trình -1,40 m, phía thượng lưu bố trí hàng cừ thép chống thấm qua nền. Gia cố nền bằng cọc BTCT. Tường bên và trụ pin cao trình đỉnh +11,95 m (bằng cao trình đỉnh đê Tả Lam). Phía thượng lưu bố trí khe phai & khe van, nhà đóng mở van, cầu nối với đỉnh đê & đường du lịch ở cơ đê rộng 9,0m. Tường ngực bố trí phía sau van đóng mở, cao trình đáy +2,5m. Phía hạ lưu bố trí 2 khe phai. Bố trí 1 hầm để phai giữa cống và âu thuyền.
- Bể tiêu năng nối tiếp dài 20,0m; đáy cao trình -2,4m, chiều rộng mở rộng
dần từ (18,2 ÷ 23,0) m; nền gia cố bằng cọc BTCT. Tường cánh nối tiếp với bờ
phải, dạng tường sườn, đỉnh cao trình +6,0 m.
- Nối tiếp sau bể tiêu năng là đoạn kênh dài 73,0m gồm: Đoạn 1 dài 10,0m; đáy rộng 23,0 m, gia cố bằng BTCT. Đoạn 2 dài 63,0m , đáy rộng 23,0m gia cố
bằng rọ đá. Mặt cắt kênh: từ cao trình đáy (-1,4 ÷ +3,0)m mặt cắt chữ nhật, gia cố
chân đến cao trình +3,0m bằng cừ bản BTCT dự ứng lực. Từ cao trình lớn hơn +3,0m mặt cắt hình thang, hệ số mái m = 2,0, gia cố bằng trồng cỏ trong khung BTCT đúc sẵn . Bố trí một cơ ở cao trình +3,0m. Hai bờ kênh là đường quản lý.
4.1.2 Tình hình địa chất nền móng công trình
Theo tài liệu Báo cáo khảo sát địa chất công trình, địa tầng khu vực công trình đầu mối (cống lấy nước và âu thuyền) từ trên xuống bao gồm các lớp đất đá phân bố như sau:
+ Lớp 1: Sét, sét pha xám nâu, xám vàng, trạng thái dẻo cứng, nửa cứng. Lớp có bề dày mỏng nhưng tương đối đều, có sức chịu tải trung bình đến nhỏ, tính nén
lún trung bình, không thấm nước – thấm nước yếu (Ktb 3,8.10-5cm/s, ϕ = 9019’, C =
0,15kg/cm2, a1-2 = 0,041cm2/kg). Áp lực xuyên tiêu chuẩn (SPT) N/30 = 5 búa;
+ Lớp 2: Cát hạt nhỏ, hạt mịn, màu xám, xám vàng, xám đen, xốp bão hòa nước (2a) kẹp các lớp bùn sét pha (2). Đây là lớp đất rất dễ gây mất ổn định, hiện tượng cát chảy, đất chảy sẽ xảy ra tại lớp này. Tuy nhiên lớp này thấm nước nhỏ (Ktb = 2,4.10-4cm/s, ϕ = 2049’, C = 0.06kg/cm2, a1-2 = 0.045cm2/kg), áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30 = 2 búa;
+ Lớp 4: Sét màu xám, xám nâu, xám đen chứa hữu cơ, trạng thái dẻo chảy – chảy, phía dưới xen kẹp các lớp và ổ cát nhỏ. Đây là lớp đất yếu có thành phần tính chất đặc biệt: độ ẩm lớn, dung trọng nhỏ, tính nén lún lớn và lâu dài. Lớp này dể
gây hiện tượng mất ổn định như lún, trượt sạt, thấm nước nhỏ (Ktb=5,1.10-5 cm/s, ϕ
= 3049’, C = 0.088kg/cm2, a1-2 = 0.112cm2/kg), áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30 = 2
búa;
+ Lớp 4a: Cát, cát pha kẹp các lớp bùn sét, sét pha trạng thái xốp (cát), chảy (bùn sét). Áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30 = 6 búa;
+ Lớp 5: Sét xám, xám ghi, xám đen, dẻo chảy – chảy. Sét xám, xám xanh, xám đen, trạng thái chảy. Đây cũng là lớp đất yếu dễ gây mất ổn định khi mở hố móng. Hệ số thấm Ktb = 5,5.10-5cm/s, ϕ = 2024’, C = 0.072kg/cm2, a1-2 =
0.078cm2/kg, áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30 = 5,5 búa;
+ Lớp 6a: Cát pha màu xám, xám trắng, xám vàng, trạng thái chảy, đôi chỗ
lẫn ít dăm sạn, đây là lớp đất yếu. Hệ số thấm Ktb = 6,3.10-4cm/s, ϕ = 3055’, C =
0.04kg/cm2, a1-2 = 0.0283cm2/kg, áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30 = 6,3 búa;
+ Lớp 6b: Dăn sạn, cát sỏi lẫn sét, xám vàng. Lớp có sức chịu tải đáng kể nhưng chỉ gặp duy nhất trong trong mặt cắt tại hố khoan KT33. Áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30=17 búa;
+ Lớp 7: Sét màu xám xanh, xám vàng lẫn kết vón Laterit trạng thái nửa cứng đến cứng. Đây là lớp đất có sức chịu tải đáng kể nhưng có bề dày không đều và trong lớp có cường độ phân bố không đều, không thích hợp cho việc đặt móng cầu cống. Hệ số thấm Ktb = 3,2.10-7cm/s, ϕ = 14046’, C = 0.379kg/cm2, a1-2 =
0,0264cm2/kg, áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30 = 19 búa;
+ Lớp 8: Sét màu nâu vàng, nâu đỏ, xám trắng loang lổ lẫn dăm sạn phong hóa, trạng thái cứng. Đây là lớp đất chịu tải tương đối lớn nhưng không đồng đều trong toàn mặt cắt vì vậy không nên dung lớp này đặt móng công trình cầu. Hệ số thấm Ktb =1,7.10-8cm/s, ϕ = 19002’, C = 0,627kg/cm2, a1-2 = 0,0244cm2/kg, áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30 = 25 búa;
+ Lớp 9: Hòn mảnh vụn phong hóa lẫn sét, sét pha màu vàng, xám trắng trạng thái cứng (sản phẩm phong hóa từ đá cát bột kết sét kết). Lớp này có sức chịu tải tốt nhưng có bề dày mỏng. Áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30 >50 búa;
+ Lớp 10: Đá sét bột kết màu xám vàng, nâu vàng, trạng thái cứng, nứt nẻ vỡ vụn. Lớp này có sức chịu tải rất lớp thích hợp cho việc đặt móng công trình. C = 6.0kg/cm2; ϕ = 35045’;
4.1.3 Lựa chọn giải pháp gia cố nền Đánh giá khả năng chịu tải của nền
Đáy móng cống lấy nước chủ yếu đặt trong lớp 4 là lớp sét chứa hữu cơ, trạng thái dẻo chảy – chảy, phía dưới lớp xen kẹp các lớp và ổ cát nhỏ. Đây là lớp đất yếu có thành phần và tính chất đặc biệt: độ ẩm lớn, dung trọng nhỏ, tính nén lún lớn và lâu dài. Dưới lớp 4 là lớp 5 hoặc lớp 6a, 6b. Lớp 5 có bề dày thay đổi từ 2÷8m, sức chịu tải yếu, thấm nước ít. Lớp 6a có bề dày phân bố không đều từ 0,5÷3,7m, đây cũng là lớp đất yếu – bùn cát pha. Lớp 6b có sức chịu tải tốt hơn, giá trị áp lực xuyên tiêu chuẩn N/30=17. Như vậy cần có biện pháp gia cố xử lý nền để đảm bảo an toàn cho công trình.
Giải pháp gia cố nền
Với đặc điểm địa chất dưới đáy cống phân tích như trên ta có thể nhận thấy cống đặt trực tiếp trên nền đất yếu, sức chịu tải nhỏ không đảm bảo điều kiện ổn định công trình. Từ lớp 6b trở xuống, các lớp đất có tính chất cơ lý tốt, khả năng chịu tải cao. Vì vậy với mục đích sử dụng các lớp đất phía sâu tham gia chịu tải trọng của công trình đơn vị tư vấn dùng hệ thống cọc đóng sâu vào các lớp đất phía sâu để đảm bảo ổn định nền móng cho công trình.
Hình 4.2: Mặt bằng bố trí cọc bản đáy thân cống lấy nước
4.2 Trạng thái ứng suất bản đáy cống
4.2.1 Các số liệu cơ bản
- Công trình cấp II → kn = 1,2 ; nc = 0,95 ( trường hợp thi công)
+ Dung trọng bê tông γ = 2,5 T/m3.
+ Mô đun đàn hồi Eb= 2,90.106T/m2.
+ Hệ số poatxông µ = 0,2.
+ Cường độ tiêu chuẩn II =15
k
R kg/cm2.
+ Cường độ tính toán Rnp = 135 kg/cm2; Rk = 10 kg/cm2.
+ Hệ số điều kiện làm việc mb = 1,15; mb3 = 1,15; mb4 = 0,9.
- Đất đắp có các chỉ tiêu :
+ Dung trọng tự nhiên γtn = 1,85 T/m3.
+ Dung trọng bão hoà γbh = 2,06 T/m3.
+ Góc ma sát trong ϕ = 18o.
+ Lực dính bão hòa Cbh = 1,25 T/m2.
- Cốt thép nhóm AII có:
+ Môđun đàn hồi Ea = 2,1.106 kg/cm2.
+ Cường độ tính toán Ra = Ra’ = 2700kg/cm2.
+ Hệ số điều kiện làm việc ma = 1,15
+ Hệ số giới hạn αo = 0,60; Ao = 0,42
+ Lớp bảo vệ cốt thép a = a’ = 5cm.
+ Hàm lượng cốt thép tối thiểu µmin = 0,15%.
+ Chiều rộng khe nứt giới hạn angh = 0,25mm.
- Đáy công trình được ngàm vào hệ cọc 40x40 cm, dài 20m. Tương tác giữa cọc với môi trường đất được thay thế bằng các gối mềm, độ cứng tính theo Terzaghi ( phụ lục tính toán độ cứng gối mềm)
4.2.2 Sơ đồ tính toán
Hình 4.3: Sơ đồ hình học
Hình 4.4: Sơ đồ tính toán
4.2.3 Trường hợp tính toán
Trường hợp vừa thi công xong, mưa bão hòa đất và có xe máy thi công làm việc.
4.2.4 Xác định tải trọng
* Tải trọng bản thân:
Được tính trong chương trình SAP2000. * Tải trọng do cầu giao thông (Pgt): * Tải trọng nhà van (Pnhavan):
* Tải trọng dàn van (Pdvan):
* Áp lực chủ động của đất (ALD1): Cường độ áp lực đất chủ động
σcđ = γbh.z. tg2(450 - ϕ /2) – 2.C. tg(450 - ϕ /2) Trong đó:
γbh - dung trọng bão hoà, γbh = 2,06 T/m3
ϕ - góc ma sát trong, ϕ = 18o.
Cbh - lực dính bão hòa, Cbh = 1,25 T/m2.
z- chiều cao cột đất sau tường.
* Áp lực đất tăng thêm do trọng lượng máy thi công (ALD2):
Áp lực ngang tăng thêm do tải trọng tập trung của máy thi công được tính bởi công thức: 3 2 2 2 2 2 z ) n (m H n m Q 1,77 σ + × × × × =
Với: m = ; n = ; nếu m < 0,4 thì lấy m = 0,4.
Q – tải trọng tính tập trung tính toán của máy thi công ;
P – tải trọng của máy thi công ; sử dụng máy thi công có P = 13 T; x - Khoảng cách từ trục máy đến mép tường chắn ; x = 2 m;
H – chiều cao tường chắn đất.
4.2.5 Kết quả tính toán
Việc tính toán được thực hiện bằng chương trình SAP 2000. Tương tác giữa cọc và môi trường đất được thay thế bằng các lò xo, độ cứng mỗi lò xo được trình bày trong phụ lục tính toán hệ số nền.
Hình 4.6: Biểu đồ ứng suất S11
(Max = 1234,064T/m2; Min = -2468,763T/m2)
Hình 4.7: Biểu đồ ứng suất S22
Hình 4.8: Biểu đồ ứng suất S33
(Max = 1596,622T/m2; Min =-5802,253T/m2)
Hình 4.9: Biểu đồ ứng suất S12
Hình 4.10: Biểu đồ ứng suất S13
(Max = 1523,326T/m2; Min =-1459,655T/m2)
Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất S23
Hình 4.12: Biểu đồ ứng suất Smax
(Max = 2246,789T/m2; Min =-1299,908T/m2)
Hình 4.13: Biểu đồ ứng suất Smid
Hình 4.14: Biểu đồ ứng suất Smin
(Max = 810,930T/m2; Min =-7632,228T/m2)
Hình 4.15: Biểu đồ ứng suất Svm
Tổ hợp cực đoan, mực nước thượng lưu đạt mực nước sông thiết kế = 10,38m; cửa cống đóng do nhu cầu sửa chữa.
Tải trọng ngang của nước tác dụng lên cửa van: P = γnước.z.
P: áp lực nước (T/m2)
Z: chiều sâu cột nước tác dụng (m)
Kết quả tính toán trình bày trong phụ lục tính toán.
4.3 Kết luận chương 4
Chương 4 đã nêu được những nét cơ bản về đặc điểm kết cấu và địa chất công trình cống Nam Đàn. Tính toán trạng thái ứng suất của bản đáy cống khi kể tới sự làm việc đồng thời của bản đáy cống và hệ cọc thiết kế ứng với hai tổ hợp tải trọng điển hình. Kết quả tính toán cùng với những kết luận ở chương 3 giúp chúng ta đánh giá được chính xác trạng thái làm việc của bản đáy cống và hệ cọc khi chúng làm việc cùng nhau đồng thời là căn cứ cho việc tính toán kết cấu cống cho các nhà tư vấn thiết kế.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận
Sau một thời gian giới hạn nghiên cứu luận văn với đề tài “Nghiên cứu trạng
thái ứng trong hệ bản cọc làm việc đồng thời” tác giả đã đạt được mục đích đề ra: - Tổng quan về sự phát triển của hệ thống công trình thủy lợi, về hình thức, quy mô, vật liệu. Nhận thấy được bê tông và kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong hệ thống công trình thủy lợi hiện nay. Bên cạnh đó, những yếu tố kỹ thuật và yêu cầu về nền móng của công trình bê tông được xem xét kỹ lưỡng.
- Nhận biết được hậu quả, thiệt hại về người và của trong các vụ hư hỏng công trình do việc xử lý nền móng công trình không triệt để gây lên. Nguyên nhân chủ yếu do chưa đánh giá chính xác điều kiện đất nền và biện pháp xử lý nền đất yếu chưa triệt để. Một trong các biện pháp hiệu quả nhất trong xử lý nền đất yếu là sử dụng cọc bê tông cốt thép đóng sâu xuống nền nhằm tận dụng khả năng chịu lực của những lớp đất tốt nằm dưới sâu.
- Tác giả cũng khái quát được quá trình phát triển và tình hình sử dụng cọc bê tông cốt thép trong việc xây dựng các công trình thủy lợi. Nêu ra các phương pháp tính toán bố trí cọc cho móng công trình bê tông cốt thép được các đơn vị tư vấn sử