Luân văn thạc só
MỞ ĐẦU
1/ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng châu thổ nằm cuối lưu vực
sông Mêkông , được giới hạn bởi phía Bắc là biên giới Việt Nam–
Campuchia, Tây Ninh và Thành phố Hồ Chí Minh, phía Nam và Đông là
biển Đông, phía Tây là vònh Thái Lan. Đồng bằng sông Cửu Long có diện
tích tự nhiên 3.900.000 ha, bao gồm 12 tỉnh là Long An, Tiền Giang, Bến
Tre, Đồng Tháp, Vónh Long, Trà Vinh, Cần Thơ, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà
Mau, Kiêng Giang, An Giang.
ĐBSCL là vựa lúa lớn nhất và là trọng điểm kinh tế về nông nghiệp của cả
nước. Tuy nhiên trong những năm gần đây, lũ lụt gây ra những thiệt hại
nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sản xuất và cuộc sống đồng bào ở khu vực
ĐBSCL vốn đã gặp nhiều khó khăn. Cùng với hiện tượng sạt lở bờ sông
liên tiếp xảy ra khi lũ về, khiến cho người dân ở vùng ven sông luôn luôn
lo sợ mối nguy hiểm đến tính mạng và thiệt hại về tài sản và phải di dời đi
nơi khác. Những tổn thất về hiện tượng sạt lỡ bờ sông đã xảy ra trong
những thập niên quả là nặng nề và thực sự là lực cản lớn nhất đến quá
trình công nghòệp hóa hiện đại hóa vùng ĐBSCL.
Để chống xói lở bờ sông và bảo vệ công trình ven sông tại ĐBSCL, tuỳ
theo đòa chất, đòa hình , đặt điểm dòng chảy và tải trọng tác dụng mà sử
dụng các công trình ven sông như: tường cọc bản, tường chắn đất trọng lực
thấp, tường bán trọng lực, tường bản góc BTCT … bảo vệ các công trình ven
sông như : đường, đê đập, tuyến dân cư , nhà cửa……
Tường cọc bản, là một dạng đặt biệt của tường chắn đất với mục đích
chung là chòu tải trọng ngang gây ra bởi mặt đất tự nhiên, đất đắp, tải trọng
bên trên. Hệ thống kết cấu bao gồm tường và hệ kết cấu chống đở tường
(thanh neo, thanh chống, sàn đỡ …), ngoài ra tường còn ngàm vào trong đất
bên dưới. Trong hầu hết các trường hợp, đất vừa gây ra lực tác động lên
tường đồng thời vừa là kết cấu chống đỡ hay giữ tường, tạo ra sự dòch
chuyển cơ học của hệ kết cấu trong đất.
Nam như : công trình cảng, công trình kè ven sông, ven biển, công trình
tầng hầm nhà cao tầng…
Việc tính toán sự làm việc đồng thời của hệ tường và đất theo trình tự quá
trình thi côâng theo phương pháp truyền thống là hết sức khó khăn.
2
Luân văn thạc só
Cho nên với phần mềm ứng dụng tính toán tường cọc bản bằng phương
pháp phần tử hữu hạn sẽ là một công cụ đắc lực giúp cho các kỹ sư thiết
kế có thể tìm ra lời giải chính xác hơn, tối ưu hơn ….. và có thể dự đoán các
yếu tố phức tạp ảnh hưởng trong quá trình thi công nhằm giảm nguy cơ gây
hại đến công trình.
3
Luaân vaên thaïc só
PHAÀN I
4
Luân văn thạc só
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TƯỜNG CỌC BẢN CHO
CÁC CÔNG TRÌNH VEN SÔNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU.
1-1 MỘT SỐ SỰ CỐ ĐIỂN HÌNH CÁC CÔNG TRÌNH VEN SÔNG
-Đất ven sông bò sạt lở là do dòng chảy
Qua tài liệu nghiên cứu cho thấy điều kiện tự nhiên hình thành nên dòng
sông, nguyên nhân dòng chảy ở các sông của ĐBSCL về mùa lũ thường có
vận tốc lớn hơn 0.5m/s nên có khả năng gây ra xói lở bờ là rất lớn.
5
Luaân vaên thaïc só
-Công trình bảo vệ bờ sông kè Khai Lông– Cần thơ có chiều dài tuyến kè
L=1.050 m.
8
Hình 1.6
Luân văn thạc só
+ Có vải đòa kỹ thuật cách lưng tường bêtông cốt thép với khối đất đắp
phía sau.
+ Có bản giằng bêtông cốt thép tiết diện T.
+ Có dầm giằng bêtông cốt thép và cọc neo bêtông cốt thép.
+ Bên dưới tường chắn bêtông cốt thép có cọc bêtông cốt thép đóng bên
dưới 2-3m- Công trình xây dựng tường kè chống sạt lở bờ sông tại đường
Nguyễn Công Trứ– Thò xã Rạch Giá - Tỉnh Kiên Giang (2001).
9
Hình 1.8
Hình 1.7
Luân văn thạc só
Hình 1.9
-Công trình Nhà Máy Nhiệt Điện Phú Mỹ I huyện Tân Thành Tỉnh Bà Ròa
Vũng Tàu (1999) với hạng mục kênh dẫn nước của nhà máy chiều dài trên
1.000 m, chiều rộng 45m chiều sâu 8.7m
-Công trình Phú Mỹ II (2000)
Hình 1.10
10
Luân văn thạc só
1-3 TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HỆ TƯỜNG CỌC
BẢN
hoặc là ngàm một phần( xem hình).
11
Hình 11
Mặt nạo vét
Hình 1.12 – Tường cọc bản ngàm hoàn
toàn
Luân văn thạc só
Việc tính toán tónh học theo nhóm trạng thái giới hạn I và II, thực hiện theo
phương pháp đồ giải, ứng với tải trọng trên 1m bề rộng tường thông qua
việc dựng đa giác lực và đa giác dây. Bằng tính toán này sẽ xác đònh được
độ sâu hạ cừ và các nội lực tác động trên 1m dài tường (gồm mô men uốn
M, lực cắt Q và phản lực thanh neo R
a
).
1-3-1-2 Tường cừ có độ cứng lớn
Bao gồm các cọc bản BTCT có tỷ số δ
c
/t > 0,06
Khi tính toán người ta sẽ tính toán theo sơ đồ chân tường dòch chuyển tự do
Hình 1.13 Tường cọc bản tựa tự do
12
Luân văn thạc só
Việc tính toán có thể sử dụng phương pháp giải tích (cho trường hợp đất
đồng nhất), hoặc phương pháp đồ giải (cho mọi loại đất nền).
a/. Tính toán tónh học cho tường cừ mềm ngàm hoàn toàn
Phương pháp đồ giải: các nội dung cần thực hiện gồâm:
1) Giả thiết độ sâu chôn cừ t.
0
(thỏa mãn giả thiết chân tường dòch chuyển tự do).
2) Lấy tổng mômen đối với điểm neo, cho bằng 0 sẽ được phương trình
bậc ba ( trường hợp đất dính là phương trình bậc hai) đối với t
0
. Giải
phương trình này sẽ tìm được độ sâu chôn cừ lý thuyết t
0
. Từ đó tìm
được độ sâu chôn cừ thực tế : t = (1,2÷1,4) t
0
.
3) Tìm mômen lớn nhất trong cọc bản bằng cách tính mômen tại vò trí bất
kì trên tường: M(x) = f(x)
13
Luân văn thạc só
Giải phương trình:
0
)(
=
dx
xdM
sẽ tìm được giá trò x
max
ứng với vò trí đạt mômen lớn nhất.
M
max
= f(x
max
phía trước. Đối với kết cấu vónh cửu thường không khuyến nghò giả thiết
điều kiện ngàm trong đất cho tường trong đất dính, do đất có các thay đổi
lâu dài về các đặc trưng.
Nên kể đến điều kiện vòm trong quan hệ đối với trình tự thi công của
tường tường đã được nạo vét đi, chuyển dòch của tường do áp lực của chiều
cao đất bò chắn nhỏ có thể đủ để phát triển các điều kiện áp lực chủ động.
Khi nạo vét xong, tường sẽ biến dạng và phân bố áp lực sẽ thay đổi từ điều
kiện vòm tại cao trình phía trên đến điều kiện chủ động được giả thiết
tuyến tính sau cùng. Các điều kiện đầu tiên và sau cùng cho trong hình
1.15
15
a b
Luân văn thạc só
chắn cọc cừ có neo. Khi đất đắp sau đã hoàn thành trước khi đất phía trước
Hình 1.15 – Phân bố áp lực chủ động trên kết cấu tường có neo đơn
khi đất được đắp trước khi nạo vét
a) Phân bố áp lực ban đầu trước khi nạo vét
b) Phân bố áp lực sau cùng sau khi hoàn thành nạo vét
Tuy nhiên, nếu đất được nạo vét xong trước khi đắp, sau tường phân bố áp
lực chủ động tuyến tính sẽ phát triển trên cả độ sâu trong phạm vi đất hiện
có sau khi hoàn thành nạo vét. Khi đổ đất đắp phía sau và phần bên trên
mực nước được đầm chặt, biến dạng bổ sung của tường và kết cấu neo có
thể không đủ để phát triển áp lực chủ động từ đất đắp phía trên. Trong
trường hợp đó nên quy đònh cho áp lực ngang phần trên của đất đắp tại
trạng thái trung gian giữa điều kiện chủ động và điều kiện nghỉ, tùy theo
chuyển dòch về phía trước dự kiến của tường khi đổ đất đắp (hình .16).
Hình 1.16 – Phân bố áp lực chủ động trên kết cấu tường có neo đơn
trường hợp đất được đắp sau khi nạo vét
Hiện nay, có nhiều phương pháp để kiểm tra ổn đònh của hệ tường cọc bản.
Trong đó phương pháp thường dùng nhất là kiểm tra sự ổn đònh dựa trên
điều kiện cân bằng dẻo giới hạn. Điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại
từ thời điểm mà dòch chuyển cắt bắt đầu và biến dạng trượt cứ tiếp diễn mà
ứng suất không đổi. Khối đất mất ổn đònh và trượt theo mặt trượt nhất đònh
như là vật thể tự do ở điều kiện cân bằng. Cần đánh giá các lực hay
moment tác dụng lên vật thể tự do này và tiến hành so sánh các lực cắt tác
dụng dọc theo mặt trượt với sức chống cắt có khả năng tạo ra. Tuỳ theo giả
17
Luân văn thạc só
thiết hình dáng mặt trượt (phẳng, hỗn hợp hay cung tròn.v.v...) và các lực
tác dụng mà các tác giả phát triển thành các phương pháp khác nhau.
Đối với bài toán kiểm tra ổn đònh tổng thể của tường cọc bản, phần mái
dốc của đất được tường cọc bản bảo vệ và do cọc đóng sâu vào trong đất
nền nên khả năng ổn đònh tổng thể của cả hệ thường đảm bảo. Do tường
cọc bản được thiết kế đảm bảo khả năng chòu lực uốn và cắt do tác dụng
của áp lực đất tác dụng lên tường nên khả năng mặt trượt cắt qua thân cọc
xem như ít khi xảy ra. Vì vậy, thường xem xét khả năng xảy ra trượt sâu
và mặt trượt xem như đi qua chân cọc bản.
Ở luận văn này chỉ trình bày phương pháp kiểm tra ổn đònh trượt trụ tròn.
Phương pháp này được sử dụng rất phổ biến vì hình dáng mặt trượt khá phù
hợp với thực tế, và cho kết quả thỏa mãn độ chính xác cần thiết, hơn nữa
việc tính toán lại khá đơn giản.
1-4-1 Phương pháp phân mảnh
Giả sử mặt trượt trụ tròn xảy ra với tâm trượt O, bán kính r ( hình 1.16 ).
Chia cung trượt AB thành n mảnh có bề rộng mỗi mảnh là b
i
( thường chọn
bề rộng các mảnh thường là bằng nhau để thuận lợi cho tính toán).
i+1.
− Lực chống cắt dọc theo đáy phân tố : S
i
− Ngoài ra nếu có các tải trọng phụ bất kỳ ở trên mặt đất cũng phải đưa
vào tính toán.
Tại điểm cân bằng giới hạn, tổng mômen gây trượt M
gt
sẽ cân bằng với
tổng mômen của lực chống trượt M
ct
dọc theo AB.
− Mômen gây trượt là : M
gt
= Σ M
i
gt
= ΣT
i
*r (1.2)
− Mômen chống trượt là : M
ct
= Σ M
i
ct
= ΣS
i
*r. (1.3)
Hệ số ổn đònh trượt F được xác đònh như sau :
− Phương pháp Spencer : giả thiết phương lực phân mảnh không đổi.
− Phương pháp Janbu : giả thiết điểm đặt lực phân mảnh có thể thay đổi…
Luận văn này sẽ đề cập đến các phương pháp tính toán của hai tác giả
Fellenius và Bishop là các phương pháp được sử dụng tương đối phổ biến
và khá đơn giản.
a/Phương pháp Fellenius
Theo Fellenius, các lực giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều do đó
triệt tiêu lẫn nhau, tức là : E
i
= E
i+1
và X
i
= X
i+1
Khi đó :
Trong đó :
19
Luân văn thạc só
∆l
i
: Chiều dài cung đáy mảnh.
u : Áp lực nước lổ rổng ở đáy phân mảnh.
Hệ số ổn đònh F được xác đònh như sau :
Phương pháp này đơn giản nhưng trong trường hợp áp lực đẩy nổi lớn, cung
trượt nằm sâu hoặc có bán kính nhỏ sẽ có sai số lớn. Theo R.Whitlow trong
trường hợp đó giá trò F thường có giá trò thấp hơn đến 50%.
a. Phương pháp Bishop
Bishop giả thiết rằng các lực tác động tiếp tuyến với mặt hông của mảnh
−=−=
''
sin
cos
coscos
ϕ
α
α
αα
Lấy tổng hợp lực theo phương thẳng đứng :
( )
0sincos
=+−+
iiiiii
TWNU
αα
Thay giá trò T
i
từ biểu thức trên vào và chia cho
i
α
cos
:
i
i
i
i
ii
iiii
i
i
i
b
uluU
b
l
α
α
cos
cos
Thế giá trò
i
U
vào biểu thức tính
i
N
được :
( )
( )
Ftgtg
tgFbcbuW
N
ii
iiiii
i
/'1cos
/'
i
ii
ni
i
iiiiii
ni
i
ii
ni
i
i
ct
Wr
tgUWlcr
Wr
Sr
Mgt
M
F
1
1
1
1
sin
cos
sin
α
ϕα
α
(1.5)
iiii
i
i
W
tg
Ftgtg
FtgbcuWbc
F
1
1
sin
'
/'1cos
/'
cos
'
α
ϕ
ϕαα
α
α
Do hai vế công thức (1.6) đều có giá trò F nên để xác đònh được giá trò F
dùng phương pháp “thử và sai” để tính đúng dần giá trò F.
Việc tính toán hệ số ổn đònh F trên ứng với từng tâm trượt và cung trượt
nhất đònh. Trong thực tế có vô số tâm trượt và cung trượt cần phải tính
toán. Sau khi tính toán, so sánh sẽø tìm ra cung trượt và tâm trượt nguy hiểm
nhất ứng với giá trò hệ số ổn đònh F
min
.
Cách tính toán trên sẽ mất rất nhiều thời gian và công sức. Trước đây để
trong phạm vi các phần tử các giá trò của hàm chưa biết và giá trò các đạo
hàm của nó được xác đònh bằng các hàm xấp xỉ và các đạo hàm của chúng.
Do những đặc điểm nêu trên, phương pháp PTHH đã được áp dụng
vào lónh vực đòa cơ học. Nó đã tỏ rõ ưu thế không chỉ vì đã giải quyết thành
công rất nhiều bài toán thực tế của đòa cơ học mà còn bởi tính đơn giản và
thích dụng đối với việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng của khối
đất - thường là môi trường hai hoặc ba hướng. Mặt khác, trong đòa cơ học
các bài toán thường có điều kiện biên phức tạp và do môi trường không
đồng nhất nên hầu như không thể có được lời giải giải tích chính xác. Ngày
nay, với tình hình phát triển mạnh mẽ của các phần mềm máy tính về phần
tử hữu hạn trong các lónh vực nối chung và trong lónh vực đòa cơ học nói
riêng ( như phần mềm Plaxis; Geo-slope; Sage crisp ...) và phần cứng của
máy tính có tốc độ cao, người ta dễ dàng thu được các giải pháp khác nhau.
1-5-2 Một số phần mềm tính toán đòa cơ
SAGE CRISP là một gói chương trình được viết để phân tích các bài toán
đòa kỹ thuật bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng lý thuyết
của cơ học đất ở trạng thái tới hạn và vận hành trong môi trường
WINDOWS. Gói phần mềm này bao gồm chương trình tiền xử lý (Pre -
processor), hậu xử lý (Post - processor) với giao diện người sử dụng dạng
đồ họa (GUIs), chương trình phân tích tính toán PTHH và tiện ích bảng tính
dành cho các dữ liệu cần đưa ra máy in.
SAGE CRISP tổng hợp những khả năng phân tích tính toán đầy ấn tượng
với giao diện đồ hoạ thuận tiện cho người sử dụng. Chương trình tiền xử lý
đưa ra một môi trường tương tác trực giác, trong đó việc xử lý sẽ được tiến
hành một cách nhanh chóng, dễ dàng. Chương trình hậu xử lý cũng vận
hành trong môi trường tương tự, tổng hợp các dữ liệu có được và đưa ra
bằng công cụ trực quan.
SAGE CRISP đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới ở cả 2 lónh vực nghiên
cứu và sản xuất để giải quyết các bài toán đòa kỹ thuật bao gồm các kết
cấu tường chắn, đê đập, tunnel và nền móng,… Nó cũng được sử dụng trong
23
SAGE CRISP
PRE – PROCCESOR
(TIỀN XỬ LÝ)
- Tạo lưới PTHH;
- Tự sinh lưới phần tử;
- Điều kiện biên về chuyển vò;
- Điều kiện biên về áp lực nước lỗ rỗng;
- Các dạng tải trọng;
- Phân tích các thông số đầu vào (vật liệu, tải
trọng, điều kiện thoát nước, quá trình thi công,
gia số thời gian,…)
- Mô đun đồ họa;
- Vẽ các chuyển vò;
- Vẽ các đường đồng mức;
- Vẽ các mômen uốn;
- Vẽ các trạng thái (ứng suất, biến dạng);
- In ấn;
- Tự sinh báo cáo.
POST-PROCCESOR
(HẬU XỬ LÝ)
Hình 1.18 - Cấu trúc chương trình Sage Crisp
Luân văn thạc só
− Giới hạn của chương trình :
CRISP là chương trình PTHH có khả năng thực hiện các bài toán thoát
nước, không thoát nước và phân tích theo thời gian các bài toán tónh (không
phải là các bài toán động) dưới điều kiện chất và dỡ tải đều đặn. Nó không
phù hợp với các ứng suất có tính chu kỳ và không có khả năng phân tích
trong điều kiện bão hòa cục bộ. CRISP sử dụng phạm vi chuyển dòch và
biến dạng nhỏ nên không phù hợp cho việc phân tích các bài toán biến
kê kết quả của việc tính toán phần tử hữu hạn. PLAXIS có thể trình bày tất
cả các kết quả phân tích của một phần tử hữu hạn bất kỳ.
25
PLAXIS
PLAXIS INPUT
(NHẬP DỮ LIỆU)
PLAXIS
CALCULATIONS
(TÍNH TOÁN)
PLAXIS OUTPUT
(XUẤT KẾT QUẢ)
Hình 1.19 - Cấu trúc chương trình của Plaxis
PLAXIS CURVES
(VẼ BIỂU ĐỒ)
Copyright: Tài liệu đại học ©