Nghiên cứu ứng dụng giải pháp tường kè và cọc bê tông cốt thép chống sạt lở bờ kè quận cái răng–sông Cần Thơ

g, cĩ vị trí thuận tiện. Do đĩ, sự cần thiết cho việc mở rộng diện tích xây dựng, cơ sở hạ tầng và đường giao thơng kết nối nhiều nơi là một trong những nhiệm vụ trọng tâm trong việc thúc đẩy kinh tế của thành phố. Bên cạnh đĩ, tình trạng sạt lở hàng năm ven sơng xuất hiện ngày càng nhiều và gây thiệt hại tài sản của người dân và Nhà nước. Cĩ rất nhiều giải pháp được đặt ra để chống sạt lở sơng như: tường cọc bản, cọc bê tơng dự ứng lực.... Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp thường tốn kém và khĩ thực hiện. Vì vậy tác giả nghiên cứu, ứng dụng một giải pháp "Tường kè và cọc bê tơng cốt thép" trong việc ổn định mái dốc. Bản tường bê tơng cốt thép cĩ nhiệm vụ giữ lớp đất mặt khơng trượt, bản tường được liên kết với cọc qua đài cọc. Đây là giải pháp cĩ hiệu quả và dễ thực hiện trong một phạm vi rộng, tiết kiệm chi phí đầu tư. ABSTRACT Can Tho City is one of five cities directly under the Central Government, with a convenient location. Therefore, the necessary for the expansion of the area of construction, infrastructure and roads connecting many places is one of the key tasks in the promotion of the city's economy. In addition, the annual avalanche conditions along the river to appear more and more and damage to people and their property. There are many methods to prevent erosion as: wall piles, prestressed concrete piles.... However, most solutions are often costly and difficult to implement. So the author apply a method "retaining wall and reinforced concrete piles" in stabilizing roof. Wall of reinforced concrete with tasks keep topsoil from moving, its with piles through piles. This solution is effective and easy to implement in a wide range of investment cost. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, việc xây dựng nâng cấp cải tạo cơ sở hạ tầng là vấn đề cấp thiết phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế xã hội của đất nước, đặc biệt đối với Thành phố Cần Thơ, là nơi cĩ nền kinh tế đang phát triển. Khu vực này cĩ rất nhiều TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  468 VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM  kênh rạch tự nhiên và nhân tạo, cấu tạo địa chất phức tạp bao gồm các lớp đất yếu bão hịa nước cĩ bề dày khá lớn. Việc thiết kế và xây dựng các cơng trình ven kênh rạch gặp nhiều khĩ khăn do nền đất yếu cĩ khả năng chịu tải thấp và độ biến dạng lớn. Giải pháp cơng trình bảo vệ bờ các kênh rạch thường được chọn lựa là bờ kè. Một trong những giải pháp hợp lý cho cơng trình xây dựng bờ kè ven sơng là việc sử dụng bản bê tơng cốt thép bảo vệ mái ta luy liên kết với hệ cọc nhằm hạn chế sự dịch chuyển ngang của đất nền ven sơng. Vấn đề này đĩng vai trị quan trọng hàng đầu trong tính tốn thiết kế các cơng trình cơ sở hạ tầng các đơ thị mới trên đất yếu của khu vực. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tổng hợp một số kết quả tính tốn lý thuyết về cọc chịu tải trọng ngang theo phương pháp giải tích. - Sử dụng phần mềm Plaxis tính tốn sức chịu tải ngang. - So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với kết quả mơ phỏng cơng trình bằng phần mềm Plaxis. 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Phương pháp phần tử hữu hạn Hiện nay chỉ cĩ một số rất hạn chế các bài tốn theo mơ hình này được giải bằng giải tích do tính phức tạp của nĩ và thường chỉ được các nhà tốn học quan tâm. Trong khi đĩ các lời giải theo phương pháp số, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của máy tính, đã phát triển rất mạnh và được sử dụng ngày càng rộng rãi. Do tính chính xác, nhanh chĩng nên tất cả các kỹ sư thiết kế đều quan tâm đến phương pháp này. Phương pháp này xét đến độ cứng của tường cọc bản, xem tường cĩ độ cứng hữu hạn. Đất và tường được mơ hình hĩa thành một khối, khối này được phân thành các phần tử riêng rẽ và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải. Trong đĩ, tường được chia nhỏ thành các thanh chịu uốn, nền đất trước và sau lưng tường được phân chia thành các phần tử tam giác hoặc tứ giác phẳng, tương tác giữa đất và tường được mơ hình bằng các phần tử tiếp xúc để bài tốn được liên tục. Ngồi việc xác định áp lực đất tác dụng lên tường cịn xác định được cả chuyển vị của tường. Việc tính tốn theo hướng này cho kết quả gần với thực tế hơn. Trong phương pháp phần tử hữu hạn, miền cần khảo sát sẽ được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là các phần tử. Các phần tử này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên gọi là các nút. Các hàm xấp xỉ được lựa chọn biểu diễn qua giá trị của hàm tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được gọi là bậc tự do của phần tử và chính là ẩn cần tìm của bài tốn. Trình tự phân tích được thực hiện như sau: - Bước 1: Rời rạc hĩa miền khảo sát; - Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp; - Bước 3: Thiết lập ma trận độ cứng phần tử và vectơ tải phần tử; TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 469  - Bước 4: Ghép nối ma trận độ cứng được kết quả là hệ phương trình; - Bước 5: Giải hệ phương trình đại số ; - Bước 6: Tìm ứng suất, biến dạng và chuyển vị của tất cả các phần tử. 4. ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH BỜ KÈ QUẬN CÁI RĂNG - SƠNG CẦN THƠ Kè bờ trái sơng Cần Thơ được thiết kế với tổng chiều dài 4,781 m, bắt đầu từ vị trí mép cầu Cái Răng cũ phía hạ lưu và kết thúc tại vị trí cuối cùng của cơng trình kè hiện hữu, cách cầu Quang Trung 76 m về phía thượng lưu. Hình 1. Vị trí kè Cần Thơ Căn cứ hồ sơ "Khảo sát địa chất cơng trình phục vụ thiết kế BVTC Kè bờ trái" do CN Cơng ty CP Tư vấn xây dựng CT Hàng Hải lập tháng 08/2009, địa chất tại khu vực xây dựng cơng trình, từ trên xuống gồm các lớp đất như sau: TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  470 VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM  Hình 2. Hình trụ hố khoan ( BORING LOG) HK12B TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 471  Hình 3. Hình trụ hố khoan ( BORING LOG) HK KB1; HK 4B; HK6B; HK10B Lớp đất 1: Sét màu xám nâu, xám vàng, lẫn nhiều mùn hữu cơ, đơi chỗ lẫn rác thải sinh hoạt, trạng thái biến đổi mạnh từ dẻo mềm đến dẻo cứng, phía cuối lớp chuyển dẻo chảy. Đây là lớp đất trồng trọt và đất san lấp, phân bố ở phần trên cạn của khu khảo sát, bắt gặp ở các lỗ khoan KB1, HK2B, KB3, KB4, HK4B, KB6, HK6B, KB8, HK8B, TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  472 VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM  HK10B, HK12B. Bề dày khoan qua lớp thay đổi từ 7,6 m (HK12B) đến 11 m (KB1, HK4B, HK6B và HK10B). Lớp đất 2: Sét pha màu xám vàng, xám nâu, trạng thái dẻo cứng, trong lớp cĩ kẹp các lớp cát pha màu nâu vàng. Lớp đất này bắt gặp tại khu vực các lỗ khoan HK9N, KB3, KB4, KB8 và KN11 đến hết chiều sâu hố khoan Bảng 1. Bảng tổng hợp một số chỉ tiêu cơ lý các lớp đất nền Lớp đất W (%) γ (g/cm3) Wch (%) Wd (%) Id B C (Kg/cm2) ϕ (°) 1 33,9 1,82 43,1 23,8 19,3 0,52 0,204 9,41 2 34,7 1,94 34,7 20,5 20,5 0,32 0,24 14,47 4.1. Tính tốn xử lý tường chắn theo phương pháp giải tích Hình 4. Sơ đồ cấu tạo bờ kè TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 473  Bảng 2. Bảng tính ứng suất, lực cắt và momen của cọc theo độ sâu cọc Chiều sâu Z (m) Chiều sâu Ze (m) Cọc tiết diện B=300 zσ (kN/m2) Qz(kN) Mz(kN.m) 0 0 0 23,240 0 0,14 0,1 3,967 22,956 3,266 0,28 0,2 7,3731 22,218 6,452 0,42 0,3 10,234 21,026 9,452 0,56 0,4 12,558 19,493 12,08 0,70 0,5 14,374 17,708 14,92 0,84 0,6 15,687 15,671 17,31 0,98 0,7 16,582 13,497 19,34 1,12 0,8 17,038 11,273 21,12 1,26 0,9 17,116 9,011 22,56 1,41 1 16,926 6,710 23,54 1,55 1,1 16,396 4,466 24,36 1,69 1,2 15,573 2,468 24,84 1,83 1,3 14,576 0,320 25,08 1,97 1,4 13,448 -1,495 24,89 2,11 1,5 12,209 -3,283 24,52 2,25 1,6 10,841 -4,788 23,91 2,39 1,7 9,4066 -5,004 23,31 2,53 1,8 8,3204 -7,265 22,33 2,67 1,9 6,5297 -8,280 21,29 2,81 2 5,1196 -9,041 20,08 3,09 2,2 2,4796 -10,053 17,38 3,37 2,4 -3,582 -10,409 14,45 3,65 2,6 -1,824 -10,174 11,59 3,93 2,8 -3,269 -9,489 8,833 4,22 3 -4,607 -8,373 6,252 4,92 3,5 -6,418 -4,727 1,651 5,62 4 -7,577 0,114 0,149 Vậy khi thay đổi tiết diện cọc kết quả tính tốn như sau: Bảng 3. Bảng so sánh chuyển vị của cọc khi tiết diện thay đổi B (cm) HHδ (m/kN) HMMH δδ = )/( 11 −− Knm MMδ (m/kN) 0y (cm) 0ψ (rad) Δ (cm) ψ (rad) 25x25 5,23x10-4 2,81x10-4 2,46x10-4 1,2150 0,006535 1,2150 0,006537 30x30 3,72 x10-4 1,76x10-4 1,35x10-4 0,8639 0,004082 0,8639 0,004085 35x35 2,78 x10-4 1,18x10-4 0,81 x10-4 0,6450 0,002735 0,6450 0,002732 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  474 VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM  Biểu đồ áp lực ngang (kN/m2) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Giá trị áp lực ngang cọc (kN/m2) Đ ộ sâ u từ đ áy đ ài (m ) Tiết diện cọc 350x350 Tiết diện cọc 300x300 Tiết diện cọc 250x250 Biểu đồ moment dọc thân cọc (kN.m) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 5 10 15 20 25 30 Moment dọc thân cọc (kN.m) Đ ộ sâ u từ đ áy đ ài (m ) Cọc tiết diện 350x350 Cọc tiết diện 300x300 Cọc tiết diện 250x250 Nhận xét 1: Dựa vào biểu đồ nhận thấy áp lực ngang cực đại của cọc ở vị trí độ sâu từ (1,10 m -1,35 m), tỷ lệ nghịch với tiết diện cọc và chiều sâu xuất hiện giá trị cực đại tỷ lệ thuận với tiết diện cọc. Nhận xét 2: Dựa vào biểu đồ ta thấy moment dọc thân cọc cực đại trong khoảng (1,55 m – 2,11 m), tỷ lệ thuận với tiết diện cọc và chiều sâu xuất hiện giá trị cực đại tỷ lệ thuận với tiết diện cọc. Hình 5. Biểu đồ áp lực zσ dọc thân cọc  Hình 6. Biểu đồ Moment Mz dọc thân cọc  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 475  Biểu đồ lực cắt dọc thân cọc (kN) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Lực cắt dọc thân cọc (kN) Đ ộ sâ u từ đ áy đ ài (m ) Cọc tiết diện 350x350 Cọc tiết diện 300x300 Cọc t iết diện 250x250 Nhận xét 3: Dựa vào biểu đồ nhận thấy lực cắt dọc thân cọc cực đại tại vị trí đầu cọc, cọc cĩ tiết diện càng lớn lực cắt phân bố trong cọc càng đều khi xuống sâu. 4.2. Tính tốn xử lý tường chắn theo phương pháp mơ phỏng bằng phần mềm Plaxis Bảng 4. Số liệu về Cọc Vật liệu sử dụng Elastic (Anchor) Kích thước 0,3x0,3 m2 Diện tích tiết diện A = 0,09 m2 Dung trọng =γ 25 kN/m3 Khoảng cách các cọc Lspacing = 3 m Hệ số Poisson ν 0,15 Mơ đun biến dạng E 2,65x107 kN/m2 Bảng 5. Bản BTCT gia cố mái dốc: Vật liệu sử dụng Elastic (Plate) Kích thước 0,1x1 m2 Diện tích tiết diện A = 0,1 m2 Dung trọng =γ 25 kN/m3 Mơ ment quán tính I = 8,33x10-5 Hệ số Poisson ν 0,15 Mơ đun biến dạng E 2,65x107 kN/m2 Hình 7. Biểu đồ Lực cắt Qz dọc thân cọc  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  476 VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM  Bảng 6. Dầm giằng đỉnh cọc Mơ hình sử dụng Linear- Elastic Kích thước 0,5x1 m2 Diện tích tiết diện A = 0,5 m2 Dung trọng =γ 25 kN/m3 Hệ số Poisson ν 0,15 Mơ đun biến dạng E 2,65x107 kN/m2 Hình 8. Mơ hình đầu vào TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 477  Hình 9. Lưới biến dạng Hình 10. Biểu đồ chuyển vị ngang và đứng của cọc TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  478 VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM  Hình 11. Biểu đồ lực cắt và moment của cọc 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua kết quả nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu giải pháp tường kè và cọc bê tơng cốt thép trong việc chống sạt lở cơng trình ở quận Cái Răng sơng Cần Thơ” tác giả đã tổng hợp và rút ra các kết quả sau: 1. Khi tải trọng ngang tác dụng lên cọc khơng thay đổi trong điều kiện nền đất yếu, khi tăng tiết diện cọc từ 250x250 lên 350x350 thì chuyển vị ngang ở đầu giảm 45%. 2. Khi tải trọng ngang tác dụng lên cọc khơng thay đổi trong điều kiện nền đất yếu, khi tăng tiết diện cọc từ 250x250 lên 350x350 thì ở cùng chiều sâu cọc z = 1,8 m tính từ đầu cọc thì ứng suất giảm 15,8%, momen tăng 26,7%, lực cắt tăng 223%. 3. Độ lún ổn định của cơng trình đắp dọc bờ kè trên đất yếu cĩ giá trị lớn. Tuy nhiên giá trị độ lún lệch khơng đáng kể và thay đổi khơng đáng kể theo thời gian. 4. Chuyển vị ngang của đầu cọc ven sơng xuất hiện ngay sau khi xây dựng, đạt giá trị lớn nhất sau tám năm sáu tháng và giảm dần theo thời gian. 5. Trên nền đất bùn sét yếu khi khống chế chuyển vị ngang cọc Δ = 1 cm thì sức chịu tải ngang tối đa của cọc là Qmax = 22,5 kN. TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 479  6. Khi tính tốn chuyển vị ngang của cọc theo giải tích và phần mềm Plaxis kết quả tính tốn theo Plaxis lớn hơn ở cùng một độ sâu. Kiến nghị: 1. Khi tính tốn cơng trình bờ kè ven sơng trên đất yếu nên xét điều kiện làm việc đồng thời của cả hệ cơng trình nhằm đánh giá, phân tích đúng quá trình làm việc của cơng trình. 2. Khi thiết kế cơng trình đắp trên đất yếu nên tận dụng đặc điểm cố kết của nền theo thời gian để đánh giá độ ổn định cơng trình hợp lý hơn và cho phép giảm giá thành cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Châu Ngọc Ẩn, 2011. Cơ Học Đất. Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh. 2. Võ Phán, 2011. Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong phịng. Nhà Xuất Bản Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh. 3. R.Whitlow, 1996. Cơ học đất.Nhà xuất bản Giáo Dục. 4. Bengt B. Broms, Oct. 1999, Design of lime, lime/cement and cement columns, Proc. of the International Conf. on dry mix methods for deep soil stabilization, Stockholm, Sweden. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016  480 VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM