Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đất yếu tới chiều dài cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực cho công trình đường và kè ven sông qua việc tính toán bằng phần mềm phần tử hữu hạn plaxis 8.2

64 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CHIỀU DÀY LỚP ĐẤT YẾU TỚI CHIỀU DÀI CỌC VÁN BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC CHO CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG VÀ KÈ VEN SÔNG QUA VIỆC TÍNH TOÁN BẰNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN PLAXIS 8.2 STUDY INVESTIGATED THE EFFECT OF SOFT SOIL THICKNESS TO THE LENGTH OF PRESTRESSED CONCRETE SHEET PILES FOR ROAD WORKS AND RIVER EMBANKMENTS THROUGH SOFTWARE CALCULATED BY FINITE ELEMENT 8.2 PLAXIS Nguyễn Thành Đạt1, Nguyễn Hải Dương2 , Trần Giang Nam3 1 Khoa Kỹ thuật xây dựng, ĐH GTVT TPHCM 2 Đoàn thanh niên CSHCM, ĐH GTVT TPHCM 3 Công Ty TNHH Tư Vấn – Thiết Kế - Xây Dựng Khánh Tường Tóm tắt: Hiện tượng sạt lở đã và đang diễn ra ở nhiều khu vực thuộc hệ thống sông Cửu Long, gây tổn thất về kinh tế và đe dọa đến sự phát triển của nhiều tỉnh thuộc Đồng bằng sông Cửu Long. Do đó để giải quyết được vấn đề trên thì nhiều địa phương đã triển khai giải pháp xây dựng đường và kè ven sông. Tuy nhiên nhiều công trình đường và kè ven sông lại không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra do quá trình tính toán áp dụng tường cọc bản chưa được nghiên cứu kỹ. Vì vậy trong phạm vi nghiên cứu của bài báo, nhóm tác giả giới thiệu một công nghệ trong việc xây dựng công trình đường và kè ven sông đang được ứng dụng hiệu quả ở nhiều địa phương đó là cọc ván cừ bê tông cốt thép dự ứng lực, đồng thời nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đất yếu tới chiều dài cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực cho công trình đường và kè ven sông nhằm giải quyết yêu cầu kỹ thuật đề ra mà quá trình ứng dụng tường cọc bản chưa đáp ứng được, đặc biệt tại các vùng đất yếu như khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Từ khóa: Cọc ván cừ bê tông cốt thép dự ứng lực, nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đất yếu tới chiều dài cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực cho công trình đường và kè ven sông. Abstract: Avalanche phenomenon has been occurring in many areas of the Mekong River system, causing economic losses and threatening the development of several Mekong Delta provinces. So to solve the problem on the local multiple solutions implemented construction of roads and river embankments. But the many road works and river embankments did not meet the technical requirements set out because they calculated by the application of the pile has not been adequately studied, therefore within the scope of the study of the article. So that the authors introduce the technology in the application of road construction and river embankments are being applied effectively in some localities and this technology is “prestressed concrete sheet piles”. Research also investigated the effect of soft soil to the length of of prestressed concrete sheet piles for road works and river embankments to address the technical requirements set out which process the application pile not met, particularly weak areas such as the Mekong Delta. Keywords: Prestressed Concrete Sheet Piles, study investigated the effect of soft soil to the length of prestressed Concrete Sheet Piles for road works and river embankments. 1. Giới thiệu Hiện tượng sạt lở trên hệ thống sông Cửu Long đã và đang là lực cản lớn đến sự nghiệp phát triển bền vững ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long. Sạt lở hàng năm đã gây nhiều thiệt hại đến mức báo động. Kinh phí đầu tư cho các công trình bảo vệ bờ dọc theo các khu vực xói lở ven sông là rất lớn. Tuy nhiên, các loại dạng công trình ấy đã mang lại hiệu quả đến đâu thì vẫn còn là một vấn đề cần được quan tâm. Nhiều công trình đường ven bờ, bảo vệ bờ đã xảy ra sự cố trong thi công do quá trình tính toán áp dụng tường cọc bản chưa được tính toán kỹ. Những nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở mức tìm tòi, phân tích tính ưu việt của tường cọc ván và khả năng ứng dụng vào công trình bảo vệ kè ven sông. Trong khi đó TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 65 cọc ván bê tông cốt thép đã được ứng dụng vào Việt Nam khá lâu nhưng khả năng áp dụng của nó chưa được suy tính một cách cẩn thận, đặc biệt tại các vùng đất yếu như khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Vì vậy, nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đất yếu tới chiều dài cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực cho công trình đường và kè ven sông là vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa thực tiễn. 2. Giải quyết vấn đề 2.1. Tổng quan về cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực ở Việt Nam Cọc ván cừ bê tông cốt thép đúc sẵn dự ứng lực, cọc ván PC được chế tạo lần đầu bởi công ty P.S. Mitsubishi (Nhật Bản) cách đây hơn 50 năm. Cọc được thiết kế với nhiều hình dạng mặt cắt khác nhau như dạng phẳng, dạng sóng, dạng mặt lõm Trong vòng 20 năm qua, kết cấu tường chắn sử dụng cọc ván PC đã được áp dụng khá nhiều ở Việt Nam tính từ năm 1999 tại cụm công trình Nhiệt điện Phú Mỹ ở các hạng mục hệ thống các kênh dẫn chính và các kênh nhánh với tổng chiều dài cừ 42.149m, chiều rộng 45m, chiều sâu 8,7m đưa nước từ sông Thị Vải vào để giải nhiệt cho các Turbin khí. Hay một số các công trình khác như: Kè bờ và Cầu tàu Nha Trang – Khánh Hòa thực hiện năm 2003; Kè bờ bảo vệ thị trấn Năm Căn – Cà Mau thực hiện năm 2010, Kè kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè (Thành phố Hồ Chí Minh Hình 1. Một số dạng công trình áp dụng cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực. 2.2. Giới thiệu tổng quan về phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 8.2 Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử). Những miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ ở từng phần tử, thoả mãn điều kiện tại biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần. Plaxis là phần mềm trên cơ sở phần tử hữu hạn, dùng để phân tích các bài toán địa kỹ thuật như: Chuyển vị, ổn định, dòng thấm. Plaxis được sử dụng rộng rãi trong tính toán các công trình thực tế vì nó sử dụng đơn giản, thân thiện với người dùng và kết quả đáng tin cậy. Hai mô hình đất nền trong Plaxis thường được sử dụng để tính toán cho cả đất dính và đất rời là mô hình Mohr-Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soil (HS). Tuy nhiên việc lựa chọn mô hình còn phụ thuộc vào loại vật liệu, ứng xử của đất theo tải trọng và tác động, mục đích bài toán. Bên cạnh, các thông số đưa mô hình cần sự thí nghiệm chính xác và phù hợp. Hiện nay tại Việt Nam, do điều kiện thí nghiệm chưa được đầy đủ, các thông số đưa vào mô hình còn hạn chế. Những thông số đầu vào của mô hình MC dễ dàng tiến hành thí nghiệm trong điều kiện cho phép. Vì những lý do trên, tác giả chọn mô hình Mohr - Coulomb để thể hiện vật liệu trong phần mô phỏng bài và tính toán. 2.3. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đất yếu tới chiều dài cọc ván Bê tông cốt thép DƯL 2.3.1. Lựa chọn dự án nghiên cứu Hiện tượng sạt lở trên hệ thống sông Cửu Long nói chung và sông Tiền nói riêng đang diễn biến phức tạp gây ảnh hưởng lớn đến an toàn cho người và của tại khu vực ven sông, hơn thế còn ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế khu vực mà Thành phố Mỹ Tho, 66 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 tỉnh Tiền Giang là một trong những nơi quan trọng phát triển kinh tế khu vực đã và đang chịu ảnh hưởng của hiện tượng sạt lở. Thấy được thực trạng này, tháng 3/2009, Uỷ ban Nhân dân tỉnh Tiền Giang đã ban hành Quyết định số 718 về việc phê duyệt dự án đầu tư xây dựng công trình “Đường và kè sông Tiền khu vực Thành phố Mỹ Tho”. Công trình được thực hiện với qui mô như sau: Phần kè có chiều dài 2.625m, kết cấu kè mái đứng, tường cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực, điểm đầu giáp với bờ Đông cửa rạch Bình Đức (Phường 6) và điểm cuối giáp với cuối ranh khuôn viên phía Tây của Công ty TNHH Một thành viên Cấp nước Tiền Giang (Phường 1). Hình 2. Vị trí của Dự án. 2.3.2. Lựa chọn mặt cắt nghiên cứu Hình 3. Mặt cắt tính toán. Công trình được tính toán, kiểm tra với bốn mặt cắt tính toán điển hình tương ứng với bốn vị trí công trình. Tuy nhiên trong điều kiện bài báo, tác giả chỉ chọn một mặt cắt điển hình để tính toán và tiến hành như sau: Mặt cắt ứng với đoạn kè 3G có cao trình đáy kè từ - 3m đến - 4.6m. Hoạt tải trên mặt kè là 5 kN/m2, hoạt tải trên nền đường là 5,78 kN/m2. Kết cấu tường cọc ván DWL W740A. Tường cọc ván được neo vào trụ BTCT, như hình 3. 2.3.3. Mô hình tính toán Ứng với mặt cắt tính toán, tác giả mô phỏng bài toán cho các trường hợp thay đổi chiều dài tường cọc ván (tính từ đỉnh tường) lần lượt là: 7m, 9m, 11m, 13m, 15m, 17m, 19m, 21m, 23m, 25m. 2.3.4. Các số liệu phục vụ tính toán Bảng 1. Số liệu địa chất cho tính toán. Bảng 2. Đặc trưng vật liệu kết cấu cọc, đài cọc cọc ván. Bảng 3. Các đặc trưng của neo. Tổng chiều dài của neo là 7,78m, có góc nghiêng 3,5 độ so với phương ngang. 2.3.5. Mô hình hóa Plaxis 8.2 ta được kết quả tính toán Căn cứ vào kích thước mặt cắt ngang kè, kích thước mô hình được xác định dựa theo Briaud và Lim (1997) [3], chiều rộng mô hình là Be + We , Be = 3(He + D) với He là chiều cao tự do (He = 6,5m) và D là chiều dài của tường chôn trong lớp đất không thấm nước (D=13,5m). Vậy bề rộng của mô hình là 3 x (6,5 m + 13,5 m) + 20 m = 80 m. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 67 Chiều cao mô hình là 31,95m. Chiều dài theo phương dọc lớn nên sử dụng mô hình ứng suất phẳng. Hố đào được chống đỡ bằng tường neo cọc ván Bê tông cốt thép dự ứng lực. Neo bên trên ở cao độ +1,68m. Khoảng cách theo phương ngang giữa các neo là 3,0m. Tại vị trí cọc ván đạt 20 m, ta có kết quả như sau: Hình 4. Mức độ chuyển vị giai đoạn hoàn thiện. Hình 5. Lưới biến dạng giai đoạn hoàn thiện. Bảng 4. Kết quả phân tích các trường hợp thay đổi tường cọc ván. Bảng 5. Số liệu quan trắc hiện trường chuyển vị đầu cừ các vị trí CV1, CV2, CV3, CV4, CV5, CV6, CV7 cuối giai đoạn thi công mặt cắt tính toán. 3. Kết luận: Kết quả tính toán cho thấy chuyển vị đầu cừ giảm dần khi chiều dài cọc tăng, chuyển vị đầu cừ giảm mạnh khi chiều dài cọc nằm trong đoạn từ 5,0m đến 13,0m (đạt 25,77%), dần ổn định ở chiều dài 15,0m đến 19,0m (đạt 4,2%) và thay đổi rất nhỏ (0,42%) khi chiều dài cọc đạt từ 20,0m trở đi. Hơn nữa ở đây chính là sự thay đổi góc chuyển hướng của đồ thị, nguyên nhân chính là do khi chiều dài cọc thay đổi, cọc sẽ đi qua các lớp đất khác nhau với các chỉ tiêu cơ lý khác nhau. Từ giai đoạn chiều dài cọc trong khoảng 5,0m đến 13,0m, hệ số ổn định tăng nhanh (11,4%) theo sự biến thiên chiều dài cọc ván và trường hợp nhỏ nhất trong mặt cắt mô phỏng là 1,45. Từ chiều dài cọc 13,0 m trở đi, hệ số ổn định cọc vẫn tiếp tục tăng (1.99%) nhưng mức độ thì ngược lại không tăng mà giảm đi. Điều đó nói lên rằng mức độ tăng của hệ số ổn định công trình giảm dần hay nói cách khác, công trình đã đạt ổn định nhất định và sự thay đổi chiều dài cọc đã ảnh hưởng khá nhỏ tới sự ổn định này. Vì vậy phương pháp này giúp chúng ta xác định được chiều dài cọc cần thiết để đạt ổn định ứng với lớp địa chất của công trình, nhằm giải quyết yêu cầu kỹ thuật đề ra mà quá trình ứng dụng tường cọc bản chưa đáp ứng được, đặc biệt tại các vùng đất yếu như khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và làm 68 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 giảm chi phí đầu tư ban đầu nhưng vẫn mang lại hiệu quả như mong muốn. 4. Khuyến nghị: Trong phạm vi khuôn khổ đề tài chỉ nghiên cứu tính toán loại kè với mặt cắt thiết kế theo hồ sơ thiết kế dự án đường và kè sông Tiền khu vực Thành phố Mỹ Tho với địa chất tại khu vực này. Tuy nhiên, để quyết định tới việc chọn chiều dài tường cọc ván còn nhiều yếu tố khác cũng cần xem xét và tùy thuộc nhiều vào địa chất từng khu vực. Do đó, cần phải nghiên cứu tính toán và so sánh thêm: - Các mặt cắt thiết kế công trình. - Các địa chất khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. - Các loại neo, góc neo, lực neo khác nhau. Các vấn đề này sẽ được giải quyết ở hướng nghiên cứu tiếp theo như sau: - Nghiên cứu bài toán Plaxis 3D; - Nghiên cứu bài toán dưới tác dụng của tải trọng động; - Nghiên cứu bài toán với các vùng địa chất có sự sói lở của dòng chảy  Tài liệu tham khảo: [1] GS.TS. Phan Trường Phiệt (2001), Áp Lực Đất Và Tường Chắn Đất, Nhà Xuất Bản Xây Dựng. Hà Nội. [2] TS. Nguyễn Bảo Việt (2015), Cọc ván cừ bê tông cốt thép dự ứng lực, khả năng ứng dụng vào công trình kè trên nền đất yếu, Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015.[3] Phạm Văn Giáp, Nguyễn Hữu Đẩu, Nguyễn Ngọc Huệ(1998), Công Trình Bến Cảng, Nxb Xây Dựng. [4] TS Châu Ngọc Ẩn (2002), Nền Móng, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia TP. [5] Đỗ Tấn Long (2012), Nghiên cứu sử dụng hợp lý cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực (lưu vực đồng bằng sông cửu long), Luận văn thạc sĩ, Khoa Xậy dựng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. [6] Tiêu chuẩn 14TCN 35-85, Hướng dẫn thiết kế tường chắn công trình thủy lợi HDTL.C4.76. [7] Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [8] Báo cáo kết quả khảo sát địa kỹ thuật xây dựng công trình dự án Đường và kè sông Tiền khu vực thành phố Mỹ Tho, Công ty cổ phần tư vấn xây dựng công trình Thủy-Bộ(SUDEWAT), 2009. [9] Hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công dự án “Đường và kè sông Tiền khu vực thành phố Mỹ Tho”, Công ty cổ phần tư vấn xây dựng công trình Thủy-Bộ (SUDEWAT), 2010. [10] Cọc ván Bê tông dự ứng lực, chỉ dẫn kỹ thuật, Công ty Cổ phần Bê tông 6, 2014. [11] Tiêu chuẩn TCXD.57.73, Thiết kế tường chắn các công trình thủy công. [12] Luận văn cao học “Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đất yếu tới chiều dài tường cọc ván cho công trình kè ven sông” của Trần Giang Nam - học viên trường Đại học GTVT TP.HCM. [13] Nhật ký theo dõi mốc chuyển vị đầu cừ , Công trình: Đường Và Kè Sông Tiền Khu Vực TP.Mỹ Tho, Liên danh công ty TNHH MTV ĐTXD Van Tường, Công ty cổ phần bê tông ly tâm Dung Quất, DNTN xây dựng Thuận Thành, Công ty TNHH bê tông đúc sẵn VINA-PSMC và DNTN Thương Mại Dịch Vụ Đồng Thắng. Ngày nhận bài: 13/04/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 05/05/2016 Ngày chấp nhận đăng: 12/05/2016