NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỢP LÝ CỌC VÁN BÊ TƠNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC (LƯU VỰC ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG) THE REASONABLY USAGE RESEARCH OF PRESTRESSED CONCRETE SHEET PILES Đỗ Tấn Long Khoa Xậy dựng, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh BẢN TĨM TẮT Tường cọc ván dạng đặt biệt tường chắn đất, thường sử dụng để bảo vệ cơng trình ven sơng kết hợp với việc chống xói lở bờ sơng Từ trước đến cơng trình xây dựng, giao thơng, cầu cảng, cơng trình kè thường sử dụng cọc bê tơng tường chắn để gia cố bảo vệ bờ vật liệu ngày khơng đáp ứng nhu cầu sử dụng khối lượng vật liệu lớn, thời gian thi cơng kéo dài ảnh hưởng đến sinh họat sống nhân dân Đất nước ta ngày giai đọan mở cửa, chế tạo ứng dụng phổ biến cơng nghệ cừ bê tơng cốt thép dự ứng lực Nhật Bản vào cơng trình ven sơng Bà Rịa – Vũng Tàu, Rạch Giá, Hà Tiên - Kiên Giang, Bạc Liêu, Đồng Nai … Trong tương lai, tường cọc BTCT dự ứng lực dần thay cho cơng nghệ cọc BTCT truyền thống q xưa cũ ĐBSCL TP.Hồ Chí Minh phần lớn đất yếu có nhiều sơng ngòi chằng chịt bị xói lở thường xun nên việc nghiên cứu tính tốn tường chắn đất ven sơng mà cụ thể tường cọc BTCT dự ứng lực thi cơng phương pháp xói nước kết hợp ép rung đề tài thực tiễn cần thiết Luận văn với đề tài nghiên cứu ổn định biến dạng hệ tường cọc ven sơng điều kiện đất yếu ABSTRACT The sheet pile wall is the special case of the earth retaining structures which is often used to protect constructions located on riverside combining with the river bank eroding resistance 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 Nowadays, our home country is at the opening stage; the Japanese technology of prestressed concrete sheet piles is popularly manufactured and applied to the constructions located at river bank in some areas such as: Ba Ria – Vung Tau city, Rach Gia, Ha Tien - Kien Giang province, Bac Lieu province, Dong Nai … In the future, the technology of prestressed concrete sheet piles will gradually takes the place of the traditional technology of reinforced concrete sheet piles which is very out of date Mekong Delta and Ho Chi Minh city have mostly soft soil, they have many interlacing rivers, channels which are frequently eroded so the research and calculation of the soil retaining wall at riverside, that is specifically prestressed concrete sheet piles executed by the water-eroding method combing with vibrating hammer, is the practical and necessary problem The abstract named “The research of the stableness and distortion of the sheet pile wall which protects riverbank in the context of soft soil” 547 ϕ λ p = tg ( 45 + ) CÁC ĐẶT TRƯNG CƠ LÝ CỦA CỌC VÁN BTCT DỰ ỨNG LỰC - Đối với đất rời (lực dính c = 0) ™ Vật liệu: Theo tiêu chuẩn JISA –5354 (1993) Uỷ Ban TCCL Nhật Bản, u cầu chất lượng vật liệu chế tạo cừ bê tơng cốt thép dự ứng lực sau: - Xi măng : xi măng Porland đặc biệt cường độ cao - Cốt liệu : dùng tiêu chuẩn kích thước khơng lớn 20mm - Phụ gia : phụ gia tăng cường độ betơng thuộc nhóm G - Thép chịu lực : Cường độ cao thuộc nhóm SD40 - Thép tạo ứng suất bê tơng: Các sợi cáp thép loại SWPR –7B đường kính 12.7mm - 15.2mm ™ Kích thước : - Chiều rộng cừ bản: 996 mm - Chiều dày: 60-120 mm - Chiều cao: 120-600 mm - Chiều dài: 3000-21000 mm ™ Tiêu chuẩn kỹ thuật: - Cường độ bê tơng [Rb]= 725 kg/cm2 - Moment chống uốn [Mc] tuỳ thuộc loại kết cấu cừ W120 14.1 W180 29.5 W250 57.3 W300 90.6 W350 148.0 W400 223.0 W500 377.0 W600 554.0 - Áp lực chủ động: σ a = (q + ∑ γ i hi )λ a - Áp lực bị động: σ p = (q + ∑ γ i hi )λ p - Đối với đất đính: - Áp lực chủ động: ⎛ σ a = (q + ∑ γ i hi )λ a − 2ci tg ⎜ 45 − ϕi ⎞ ⎝ ⎟ 2⎠ ⎛ ϕi ⎞ - Áp lực bị động σ p = (q + ∑ γ i hi )λ p + 2ci tg ⎜ 45 + ⎝ ⎟ 2⎠ Trong : γi : Dung trọng lớp đất thứ i hi : Chiều cao lớp đất thứ i qo: Hoạt tải Ci : Lực dính lớp đất thứ i ™ Một số ảnh hưởng lên cọc ván: Ảnh hưởng nước mưa ngấm xuống tính tốn áp lực đất dính: - Do điều kiện ngập lũ mưa kéo dài ĐBSCL làm tính ổn định tường cọc bản: - Làm giảm cường độ chống cắt đất - Làm tăng trọng lượng khối đất trượt - Gây nên áp lực thuỷ tĩnh phạm vi kẻ hở tiếp giáp phía mặt đất đắp tác dụng lên lưng tường - Gây nên áp lực thủy động tác dụng lên khối đất trượt phạm vi mặt trượt Để hạn chế tác dụng có hại nêu trên, trường hợp cần thiết người ta thường bố trí tầng lọc ngược áp sát với lưng tường (và có lỗ nước qua thân tường): có tác dụng trừ khử áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên lưng tường kể áp lực nước mưa đọng lại kẽ hở tiếp giáp Áp lực đất theo ứng suất tổng xét ngắn hạn: - Đối với đất dính chịu tải, xét ngắn hạn (tức thời) xem điều kiện khơng nước Do vậy, phải sử dụng tiêu lý đất thí nghiệm cắt nhanh khơng nước Cụ thể góc ™ Biện pháp thi cơng: Thi cơng phương pháp xói nước kết hợp búa rung ™ Ứng dựng: - Bờ kè trục giao thơng - Cống, mương - Đê, đập - Đập ngăn nước … PHƯƠNG PHÁP TÍNH TĨAN ™ Áp lực đất tác dụng lên cọc ván: Áp dụng thuyết áp lực đất Coulomb để tính tốn ϕ λ a = tg ( 45 − ) 548 nội ma sát ϕu ≈ lực dính c ứng với giá trị cu Giá trị cu nhận thí nghiệm nén đơn: qu = 2cu - Trường hợp tường cọc xem thẳng đứng, khơng xét ma sát tường đất, mặt đất nằm ngang, hệ số áp lực chủ động bị động sau: Ka=Kp = - Giá trị cường độ áp lực chủ động bị động tính với ứng suất tổng, xác định theo cơng thức Coulomb hay Rankine sau : Hiện tượng biến lỗng: - Đất cát hạt mịn bão hồ nước chịu tải trọng động có khả gây tượng biến lỗng Lúc ấy, áp lực nước lỗ rỗng tămh lên đột ngột làm cho cát trạng thái lơ lửng (đất trở nên nước) Cả làm cho áp lực đất chủ động tăng lên áp lực bĩ động giảm đến gần áp lực đất tĩnh (σ = γz) ™ Ảnh hưởng ma sát âm lên cọc: Ma sát âm lên cọc xảy độ lún đất lớn chuyển dịch cọc độ sâu tương ứng σ a = (γz + q ) − 2cu σ p = (γz + q ) + 2cu m Pn = C.∑ i = f ni li fni: ma sát âm giới hạn tác dụng lên cọc lớp đất thứ i phần thân cọc chịu ma sát âm, kN/m2 M : số lớp đất gây ma sát âm ™ Những biến dạng có tường cọc khơng có neo có neo tác dụng áp lực ngang Tường cọc khơng neo: Phụ thuộc vào độ cứng EJ tường cọc bản, dạng lực tác dụng: lực ngang H, mơmem M đầu tường cọc áp lực đất E phân bố dọc theo chiều cao tường cọc bản, phụ thuộc vào độ đóng sâu nơng vào đất tốt hay yếu mà tường cọc khơng có neo thể có ba sơ đồ biến dạng sau: q: tải trọng ngồi phân bố mặt đất Áp lực đất theo ứng suất hiệu xét dài hạn: - Đối với đất cát chịu tải, xét dài hạn xem điều kiện nước Do vây, phải sử dụng tiêu lý đất thí nghiệm cắt nước (cắt cố kết) Cụ thể góc nội ma sát ϕ’ lực dính c’ - Giá trị cường độ áp lực chủ động áp lực bị động tính với ứng suất hiệu quả, xác định theo cơng thức Coulomb hay Rankine sau : σ a′ = (γz − u + q ) − 2cu′ K a σ ′p = (γz − u + q ) + 2cu K p Trong đó: σa : cường độ áp lực đất chủ động Ka : hệ số áp lực chủ động σp : cường độ áp lực đất bị động Kp : hệ số áp lực bị động C’: lực dính thí nghiệm cắt nước u : áp lực nước lỗ rỗng Hiện tượng từ biến ứng suất tiếp gây ra: τ >τlim = σtgϕtb + Cc - Theo thời gian gía trị lực dính mềm Cc giảm dần đến giá trị - Lực dính Cw = Cc + Σw nên Cw gảm lúc giá ttrị áp lực đất chủ động tăng lên giá trị áp lực đất bị động giảm cơng trình bất lợi Hiện tượng đất bị tăng độ ẩm: - Khi độ ẩm đất tăng lên, lực đính mềm Σw giảm dẫn đến kết tương tự trường hợp Cc bị giảm - Sơ đồ a : tường cọc có độ cứng tương đối lớn, độ cắm sâu đủ, lực ngang H tương đối lớn mơment nhỏ, tường cọc xoay quanh mộ̣t điểm D nằm sâu đất - Sơ đồ b: tường cọc mềm hơn, mơmem M lớn tường cọc có thêm biến dạng cong ngồi chuyển vị xoay quanh điểm D sơ đồ a - Sơ đồ c: có áp lực E đất, tường cọc mềm hai trường hợp trên, tường 549 cọc uốn cong điểm D Tường cọc có neo: Điểm neo có vai trò rõ biến dạng tường cọc bản, có ba sơ đồ sau: - Sơ đồ a’: Điểm neo ghìm chặt, đất tốt độ chơn sâu đủ, độ cứng EJ tường cọc khơng lớn tường cọc bị uốn dầm có hai gối B D Pac = (γ ' L1 + γ L0 + q )λ a − 2c λa Ppc = 2c λp - Sơ đồ b’: đất xấu độ chơn sâu nhỏ khơng giá trị giới hạn, điểm neo khơng ghìm chặt tường cọc có xu hướng chuyển dịch tịnh tiến phía trước kè với chuyển vị cong - Sơ đồ c’: điểm neo trùng với đỉnh tường cọc bản, đất tương đối tốt biến dạng tường cọc gần giống sơ đồ a’, khác điểm A trùng với điểm B điểm ™ Tính tốn chiều dài cọc ván moment Tường cọc ván khơng neo: - Áp lực đất : áp lực chủ động Pa áp lực bị động Pp + Tại a: Vị trí đỉnh tường Pad Trong đó: γ : dung trọng tự nhiên đất γ’= γđẩy = γbão hồ - γ nước + Tại d: Vị trí lớp đất bên mặt nạo vét = (γ ' L2 + γ ' L1 + γ L0 + q )λ a − 2c λa Ppd = γ ' L2 λ p + 2c λ p Pad = (γ ' L2 + γ ' L1 + γ L0 + q )λ a − 2c3 λa3 Ppd = γ ' L2 λ p + 2c3 λ p + Tại e: Vị trí thứ (hoặc thứ i…) lớp đất bên mặt nạo vét Pae1 = (γ ' L3 + γ ' L2 + γ ' L1 + γ 1L0 + q)λa3 − 2c3 λa3 Ppe1 = (γ ' L3 + γ ' L2 )λ p + 2c3 λ p Paa = qλ a1 − 2c1 λ a1 + Tại b: Vị trí mực nước ngầm (hay mực nước rút, mực nước ngập lũ ): Pae2 = (γ ' L3 + γ ' L2 + γ ' L1 + γ 1L0 + q)λa4 − 2c4 λa4 Ppe1 = (γ ' L3 + γ ' L2 )λ p + 2c λ p Pab = (γ L0 + q )λ a1 − 2c1 λ a1 + Tại f: Vị trí chân tường (ta tạm gọi f) + Tại c: Vị trí mặt nạo vét P =(γ 4' L4 +γ3' L3 +γ 2' L2 +γ1' L1 +γ1L0 +q)λa4 −2c4 λa4 Ppf = (γ ' L4 + γ ' L3 + γ ' L2 )λ p + 2c λ p P = (γ ' L1 + γ L0 + q )λ a1 − 2c1 λ a1 c1 a f a - Áp lực đất tác dụng lên tường cọc ván P = Pa - Pp + Tại a: Vị trí đỉnh tường P a = Paa = qλ a1 − 2c1 λ a1 + Tại b: Vị trí mực nước ngầm, mực nước rút, ngập lũ: P b = Pab = (γ L0 + q )λ a1 − 2c1 λ a1 + Tại c: Vị trí mặt nạo vét 550 P c1 = Pac1 = (γ ' L1 + γ L0 + q)λa1 − 2c1 λa1 d2 = Đặt A = γ ' L1 + γ L0 + q Bi = λ − λ pi d3 = L3 ⎛ P f + P e ⎜ d4 = ⎜⎝ P f + P e + Tại d: Vị trí lớp đất bên mặt nạo vét P d = Aλa + B2γ 2' L2 − 2c2 D2 = Aλa + B γ L2 − 2c2 D3 + Tại e: Vị trí thứ hay vị trí thứ i lớp đất bên mặt nạo vét P e1 = Aλa + B3 (γ 3' L3 + γ 2' L2 ) − 2c3 D3 P e = Aλa + B4 (γ 3' L3 + γ 2' L2 ) − 2c4 D4 + Tại f: Vị trí chân tường Tính P lực tổng (diện tích) đoạn Lấy tổng lực ngang ΣPi = Po + P1 + P2 - P3 - P4= Ta xác định điểm có lực cắt triệt tiêu tính Mmax tường cọc sử dụng chương trình Plaxis để xát định Mmax Tường cọc có neo: - Trong trường hợp này, lập luận tương tự tường cọc khơng neo ta xác định gía trị áp lực đất chủ động bị động tác dụng lên tường cọc ngun tắc: - Lấy tổng moment vị trí đặt neo ΣMneo = - Tổng lực theo phương ngang ΣH=0 - Moment cực đại có ứng với điểm có lực cắt triệt tiêu Pa + Pb P0 = P a −b = L0 x (Lực đoạn a-b) Pb + Pc (Lực đoạn b-c) P2 = P c − d = L2 x Pc + Pd (Lực đoạn c-d) P3 = P d −e = L3 x Pd + Pe (Lực đoạn d-e) P4 = P e − f = L4 x Pe + P f (Lực đoạn e-f) Tính di: khoảng cách từ lực Pi đến cạnh lớn hình thang L0 ⎛ P b + 2P a ⎜⎜ b a ⎝ P +P KIỂM TRA KẾT QUẢ TÍNH TĨAN Sau tính tóan (momentmax, Lcọc, Chuyển vị …) theo phương pháp trên, tiến hành kiểm tra kết tính tóan chương trình tính tóan thơng dụng: - Slope : kiểm tra ổn định - Plasxit : kiểm tra chuyển vị, nội lực cọc ván … ⎞ ⎟⎟ ⎠ (khoảng cách từ Po đến cạnh b) d1 = L1 ⎛ P c1 + P b ⎜ ⎜⎝ P c1 + P b ⎞ ⎟⎟ ⎠ Lcọïc=Lo+ L1 + L2 + L3 + L4 P = Aλa + B4 (γ 4' L4 + γ 3' L3 + γ 2' L2 ) − 2c4 D4 f d0 = ⎞ ⎟⎟ ⎠ (khoảng cách từ P4 đến cạnh f) Lấy tổng moment chân tường: ΣMf =ΣMchân tường = Po(do+L1+L2+L3+L4)+P1(d1+L2+L3+L4)+P2 [(L2-d2)+ L3+L4] - P3(d3+L4)-P4d4 = Q trình tính lặp cách thay đổi L4 cho thoả điều kiện: ΣMf = ΣMc = Từ đó, ta xác định chiều dài cọc ' P1 = P b −c = L1 x L3 ⎛ P e1 + P d ⎜ ⎜⎝ P e1 + P d (khoảng cách từ P3 đến cạnh e) P c = Aλ a − 2c D2 P ⎛ P c2 + 2P d1 ⎞ ⎜⎜ c ⎟ d1 ⎟ ⎝ P +P ⎠ (khoảng cách từ P2 đến cạnh d) Di = λ − λ pi d2 L2 ⎞ ⎟⎟ ⎠ (khoảng cách từ P1 đến cạnh c) 551 KẾT LUẬN Trong điều kiện đất yếu ĐBSCL: - Ứng với trường hợp đất đắp sau lương tường đất rời (cát), chiều cao đất đắp sau lưng tường lớn là: + Trường hợp khơng có neo: ∆H = 3.5 m + Trường hợp có neo: ∆H = 6.0 m - Ứng với trường hợp đất đắp sau lương tường đất dính (đất đắp chọn lọc), chiều cao đất đắp sau lưng tường lớn là: + Trường hợp khơng có neo: ∆H = 3.0 m + Trường hợp có neo: ∆H = 4.5 m Ma sát âm ảnh hưởng đến nội lực tường góp phần vào làm Lcọc gia tăng theo chiều hướng bất lợi Việc đặt neo nên đặt khoảng từ mặt đất tự nhiên vị trí thấp đến vị trí mực nước ngầm vị trí cao Điều hợp lý mang tính khả thi neo đặt khoảng tương đối thuận tiện cho việc thi cơng khả làm giảm nội lực cọc ván tương đối khả thi Cơng tác bảo quản sửa chữa neo bị ảnh hưởng mơi trường nước tác dụng Việc thi cơng trường hợp đất yếu ĐBSCL nên sử dụng cọc BTCTULT thi cơng phương pháp xói nước kết hợp với búa rung, qua tầng sét cát phương pháp tương đối thoả mãn u cầu đặt Sau tính tốn phương pháp giải tích nên sử dụng phần mềm đề kiểm tra lại kết tính tốn Tác giả sử dụng chương trình PLAXIS để kiểm tra nội lực biến dạng cấu kiện, chương trìng Slope để kiểm tra ổn định tổng thể cơng trình Qua việc tính tốn ta nhận thấy kết tính tốn giải tích tương đồng với kết kiểm tra chương trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu cọc ván BTCT dự ứng lực tập đoàn PS Nhật Bản công ty Cổ Phần Xây Dựng Kinh Doanh Vật Tư Tiêu chuẩn 14TCN 35-85 “ Hướng dẫn thiết kế tường chắn công trình thủy lợi HDTL.C4.76 ” Tiêu chuẩn TCXD.57.73 “ Thiết kế tường chắn công trình thủy công ” “p Lực Đất Và Tường Chắn Đất” – GS.TS Phan Trường Phiệt Nhà Xuất Bản Xây Dựng Hà Nội 2001 GT môn học “p Lực Đất Lên Tường Chắn” -TS Châu Ngọc n “Công Trình Bến Cảng” - Phạm Văn Giáp - Nguyễn Hữu Đẩu -Nguyễn Ngọc Huệ – năm 1998 “Nền Móng” – TS Châu Ngọc n Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM – 2002 “Xói Lở Bờ Sông Cửu Long” – TS Lê Mạnh Hùng, ThS Đinh Công Sản, Nhà Xuất Bản Nông Nghiệp TP.HCM – 2002 Whitlow, Basic Soil Mechanics, McGrawHill, 1995 10.Bowles, Foundation Analysis and Design, McGraw-Hill, 1996 11.TCVN 205 – 1998 Chỉ dẫn thiết kế móng cọc 12.Federal Highway administration Manual – Pddmch06 Geotechnical; Pddmch10 Structural design (website: www.fhwa.dot.gov/bridge) KIẾN NGHỊ Cần nghiên cứu thêm: - Cọc neo vị trí đặt cọc neo đặt hợp lý kinh tế - Tải trọng động sóng va tác động lên tường - Các phần mềm tính tốn phương pháp tính Mohr - Coulomb nhiều vấn đề chưa lý giải giá trị tính chuyển vị, lực cắt moment… 552 ... CƠ LÝ CỦA CỌC VÁN BTCT DỰ ỨNG LỰC - Đối với đất rời (lực dính c = 0) ™ Vật liệu: Theo tiêu chuẩn JISA –5354 (1993) Uỷ Ban TCCL Nhật Bản, u cầu chất lượng vật liệu chế tạo cừ bê tơng cốt thép dự. .. xói nước kết hợp búa rung ™ Ứng dựng: - Bờ kè trục giao thơng - Cống, mương - Đê, đập - Đập ngăn nước … PHƯƠNG PHÁP TÍNH TĨAN ™ Áp lực đất tác dụng lên cọc ván: Áp dụng thuyết áp lực đất Coulomb... thân cọc chịu ma sát âm, kN/m2 M : số lớp đất gây ma sát âm ™ Những biến dạng có tường cọc khơng có neo có neo tác dụng áp lực ngang Tường cọc khơng neo: Phụ thuộc vào độ cứng EJ tường cọc bản,