Nghiên cứu xây dựng phần mềm tính toán ổn định mảng kè mái đê biển kết hợp gia cường bằng neo xoắn

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 30 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MẢNG KÈ MÁI ĐÊ BIỂN KẾT HỢP GIA CƯỜNG BẰNG NEO XOẮN HOÀNG VIỆT HÙNG* Research on build-up software for caculation of seadike overlap revetment with screw anchor Abstract: This paper shows to make of software for caculation of seadike overlap revetment with screw anchor-NTM-01. This software was to built for many purposes such as faster calculations, flexible analysis, advantage of output in order to apply advanced tecnology in practice of existing seadike. The solution of screw anchor for overlap blocks is a new technology. The screw anchor is installed in to soil dike body and connect with overlap blocks that make more stable of seadike revetment under uplift and limited horizoltal movement of blocks. This solution is suitable for new construction of sedike and existing seadike. Keywords: software, screw anchor, overslap block, uplift, NTM-01. I. MỞ ĐẦU * Giải pháp neo xoắn gia cố các tấm lát mái kiểu hai chiều bảo vệ đê biển đã đƣợc nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và hoàn thiện công nghệ thi công tại hiện trƣờng. Nguyên lý tính toán cơ bản của giải pháp này là xác định áp lực đẩy ngƣợc khi sóng rút để tính ổn định mảng kè gia cố theo lý thuyết đã có. Áp lực đẩy ngƣợc này sẽ đƣợc xem xét cân bằng với trọng lƣợng viên gia cố và lực neo giữ của neo xoắn đƣợc phân bố đều lên các viên gia cố. Để thực hiện đƣợc các bƣớc tính toán nhƣ ví dụ đã nêu ở trên, ngƣời thiết kế mất khá nhiều thời gian. Vì vậy, nhằm giảm khối lƣợng tính toán khi lựa chọn phƣơng án tối ƣu, việc tính toán neo gia cố cho tấm lát mái đƣợc số hoá trên cơ sở lý thuyết tính trực tiếp áp lực đẩy ngƣợc lên đáy viên gia cố, lực kéo nhổ neo và trọng lƣợng viên gia cố. * Trường Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội ĐT: II. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ CẤU TRÖC CHƢƠNG TRÌNH Bài toán “Neo gia cố các tấm lát mái bảo vệ đê biển” V1 (NTM-01) viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 2005, đây là ngôn ngữ lập trình đƣợc dùng để phát triển các ứng dụng của Windows. Bài toán giới hạn ứng dụng cho viên gia cố liên kết kiểu hai chiều, phục vụ trực tiếp cho công tác thiết kế, nâng cấp đê biển hiện tại. Trong tƣơng lai sẽ mở rộng ứng dụng cho các loại gia cố và neo kênh mƣơng, công trình thuỷ. Chƣơng trình đƣợc thiết lập với các tuỳ chọn sau đây 1. Với cấp độ sóng yêu cầu tính đƣợc áp lực đẩy ngƣợc lên mảng cân bằng với các lực trọng lƣợng bản thân mảng gia cố và neo từ đó tính đƣợc mật độ neo gia cố và tính ra lực gia tải neo trên đơn vị diện tích. 2. Với cấp độ sóng yêu cầu, lực gia tải của neo tính đƣợc trọng lƣợng của viên gia cố. 3. Với cấp độ sóng yêu cầu, kích thƣớc viên gia cố đã có, tính đƣợc khối lƣợng yêu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 31 cầu ổn định, chọn đƣợc kích thƣớc neo và mật độ neo cần dùng gia cƣờng thêm. Sơ đồ tính toán đƣợc trình bày ở hình 1 dƣới đây. MENU CHÝNH CñA CH¦¥NG TR×NH Lùa chän 1 Lùa chän 2 Lùa chän 3 NhËp ®iÒu kiÖn biªn thuû lùc NhËp ®iÒu kiÖn kü thuËt cña viªn gia cè NhËp ®iÒu kiÖn biªn thuû lùc NhËp ®iÒu kiÖn biªn ®Þa kü thuËt vµ th«ng sè neo NhËp ®iÒu kiÖn biªn thuû lùc NhËp ®iÒu kiÖn kü thuËt cña viªn gia cè So s¸nh P®n Wgia cè NhËp ®iÒu kiÖn biªn ®Þa kü thuËt vµ th«ng sè neo So s¸nh P®n Wgia cè + Fneo L-u File TÝnh: Wgia cè = P®n - Fneo KÝch th-íc viªn gia cè TÝnh: Fneo = P®n - Wgia cè NhËp biªn ®Þa ki thuËt Th«ng sè neo Đúng Sai Đúng Sai Hình 1: Cấu trúc sơ đồ tính toán III. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH ỔN ĐỊNH MẢNG GIA CỐ CÓ NEO GIA CƢỜNG 3.1 Tính áp lực nƣớc đẩy ngƣợc vào bản gia cố theo phƣơng pháp của M.I.Buriacốp và A.V.Kunchixki [1] 3.1.1 Tác động của sóng vào các tấm gia cố Sóng bị phá hoại trên lớp gia cố không thấm nƣớc và thấm nƣớc gây tác dụng có mức độ khác nhau. Điều kiện nƣớc chảy vào và chảy ra khỏi khe nối khác nhau căn bản. Nƣớc chảy vào là do sự va mạnh của sóng vỡ. Nghĩa là do ảnh hƣởng của áp lực thủy động. Còn nƣớc chảy ra là do tác động của áp lực thủy tĩnh. 3.1.2.Áp lực sóng lên mái Áp lực sóng lớn nhất lên mái có thể xác định theo công thức của Djuncốpxki, đƣợc áp dụng khi góc nghiêng của mái với mặt nằm ngang nhỏ hơn 045 . Chiều sâu ở chỗ sóng đổ vào mái lấy bằng pgH . Điểm B là vị trí áp lực lên mái lớn nhất tại chiều sâu pgH - By . Giả thiết các hạt nƣớc ở đỉnh sóng khi đổ xuống có vận tốc xoáy và tịnh tiến. Do đó các hạt nƣớc ở đỉnh sóng có vận tốc ban đầu. Quỹ đạo truyền động của chúng lấy theo đƣờng cong parabol và gặp mặt phẳng của mái. Toàn bộ các dòng nƣớc gây ra áp lực động lên mái. Để giải bài toán, lấy 2 thông số cơ bản làm số liệu ban đầu là: Vận tốc ban đầu lúc sóng đổ xuống và tung độ By . Tung độ By xác định độ vƣợt cao của đỉnh sóng đối với mái ở chỗ sóng vỡ. Sơ đồ sóng vỡ vào mái biểu thị ở hình vẽ sau: A O B x y B B x y y o H H pg p Mùc n-íc tÜnh V A   90   m Hình 2: Sơ đồ sóng vỡ vào mái Thông số tính toán chủ yếu xác định áp lực của dòng nƣớc lên mái là: Vận tốc của hạt nƣớc ở đỉnh sóng lúc đổ:         H cth g h H th g nVA 2 2 2 2  (1) Với n- Là hệ số thực nghiệm tính theo công thức:            85,0 1 4,37,4 2m mh n  (2) Tung độ tại điểm cao nhất của đỉnh sóng lúc bị phá hoại ppgo hHy  (3) 2 21 )..23,047,0( m m h hH pg    (4) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 32   h h mhp         25,084,095,0 (5) Hoành độ điểm gặp nhau của dòng nƣớc với mái g gy m V V m V x A A A B 02 22 2  (6) Tung độ của điểm sóng va vào mái m x y BB  (7) Tốc độ lớn nhất của dòng nƣớc khi va vào mái ở điểm B                2 2 A B AB V gx VV  (8) Ở đây  – Hệ số có xét tới sự giảm tốc độ khi khuếch tán dòng nƣớc lúc lăn xuống, xác định theo công thức  hm 02,0017,01  (9) Áp lực lớn nhất của dòng nƣớc lên mái  2 2 max cos 2 7,1 g V P BB  (10) Góc giữa pháp tuyến của mái với phƣơng của dòng chảy (tiếp tuyến của dòng chảy    090 (11) 2 A B V gx tg  (12) Biểu đồ áp lực sóng lên mái đƣợc lập ở các điểm có áp lực bằng max4,0 BP và max1,0 BP . Các điểm này cách điểm B về phía trên theo mái ở những khoảng cách S025,01  và S065,02  , và về phía dƣới theo mái là S053,03  và S0135,04  . Giá trị của S bằng: 124 2   m m S  (13) Tổng áp lực P lên mái lúc sóng va sẽ bằng: CB PPP  (14) Trong đó: CP - Áp lực tĩnh của dòng nƣớc lăn xuống. Biểu đồ áp lực thủy tĩnh lên mái biểu thị ở hình sau. Các giá trị của  hmH 2,01,0max  ; mha 055,0 . 0,1 P 0,4 P P 0,4 P 0,1 P Bm ax Bm ax Bm ax Bm ax Bm ax     1 2 4 3 a) BiÓu ®å ¸p lùc sãng lªn m¸i lóc sãng va Y H gh C H max Mùc n-íc tÜnh 0,5a a X b) BiÓu ®å ¸p lùc tÜnh cña dßng nø¬c l¨n xuèng m¸i Hình 3: Áp lực sóng lên mái theo N.N.Djuncốpxki 3.1.3 Áp lực đẩy nổi Áp lực đẩy nổi ở dƣới lớp gia cố mái phát sinh do tác dụng của khối nƣớc thấm qua khe nối và các lỗ khác khi sóng leo lên và rút xuống. Giá trị của áp lực đẩy nổi đối với lớp gia cố bằng đá và tấm có kích thƣớc nhỏ đã đƣợc B.A.Puskin xác định bằng thí nghiệm ở trong phòng dƣới dạng quan hệ  hfPm  . Trị số áp lực đẩy nổi bằng 0 ở chiều cao Hh và ở chiều sâu h. Với các khe nối thấm nƣớc đặt sát nhau thì biểu đồ áp lực đẩy nổi có dạng t giác mà đỉnh ở cao hơn mực nƣớc tĩnh h75,0 (h là chiều cao sóng). Theo M.I.Buriacốp và A.V.Kunchixki đề nghị sơ đồ để lập biểu đồ áp lực đẩy nổi lên tấm gia cố đối với tấm phủ bằng các bản bê tông có dạng nhƣ sau: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 33 Điểm bằng không phía trên ở chiều cao Hh (chiều cao sóng leo) có thể xác định theo công thức trong quy phạm SN 92-60 của Nga: hm hK h nH 32  (15) Trong đó: nK – Hệ số nhám-tra bảng 1) Bảng 1: Hệ số Kn tính sóng leo theo SN 92-60 Loại gia cố trên mái dốc Kn Gia cố phẳng, không thấm nƣớc 1,00 Bê tông 0,90 Đá lát 0,75-0,80 Đá đổ-viên tƣơng đối tròn 0,60-0,65 Đá đổ -viên góc cạnh 0,55 Đá khối lớn 0,50 m - Hệ số mái; h - Chiều cao sóng  - Bƣớc sóng 1z - đƣợc xác định theo công thức thực nghiệm tan9,01 hz  P‟max : Thƣờng lấy bằng 8-12% áp lực sóng lớn nhất. Y P' max Z1 hHMùc n-íc tÜnh Hgh L L 3 1 C Hình 4: Sơ đồ áp lực đẩy nổi lên mảng gia cố Sau khi xác định đƣợc áp lực đẩy ngƣợc do sóng rút, cân bằng với các lực trọng lƣợng bản thân mảng gia cố và neo sẽ xác định đƣợc mức độ ổn định của mảng gia cố. 3.2 Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn Theo phƣơng pháp phân tích giới hạn, tác giả [7] đã thiết lập biểu thức (16) xác định sức chịu tải của neo xoắn.          NcNLHN D P CDgh D 3 1 )( 2 (16) Với : )21( tg D H ND           cos cos CN        ) 2 1 (  tg D H N Góc  trong biểu thức (16) là góc hợp bởi đƣờng sinh hình nón phá hoại với phƣơng thẳng đứng, thay đổi phụ thuộc vào loại đất. Các kết quả nghiên cứu [7];[8] cho thấy, để thiên về an toàn chọn  5,0 của nón phá hoại trong điều kiện đất đầm chặt tốt và bão hoà nƣớc. 4. PHẦN MỀM NTM-01 VÀ BÀI TOÁN ỨNG DỤNG Ứng dụng kết quả nghiên cứu, tính cụ thể cho đoạn đê biển Giao Thuỷ-tỉnh Nam Định. Các thông số tính toán và kết quả tính toán đƣợc trình bày ở bảng 1 từ các mục I đến III. Để kiểm định chất lƣợng mã code của chƣơng trình, tác giả đã tính thử cho nhiều trƣờng hợp và có nội dung so sánh đối chiếu với tiêu chuẩn thiết kế đê biển hiện hành. Nội dung 1 là sử dụng tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển [3] kết hợp với giải pháp neo giữ tấm lát mái. Kết quả tính toán khẳng định mức độ gia tăng an toàn đáng tin cậy. Nội dung 2 là đề xuất tính toán trực tiếp áp lực đẩy ngƣợc lên viên gia cố, so sánh áp lực này với trọng lƣợng viên gia cố hiện tại để quyết định gia cƣờng neo. Đây là đề xuất để so sánh đối chứng với cách tính của tiêu chuẩn ngành, kết quả tính cho thấy khá phù hợp. Đề xuất này có thể mở rộng để tính toán với nhiều dạng gia cố khác nhau chẳng hạn gia cố bằng bản bê tông, các dạng cấu kiện bê tông lắp ghép. Kết quả tính toán thể hiện cơ sở khoa học và mức độ tin cậy của các nghiên cứu thực nghiệm. Việc tính toán bằng phần mềm NTM-01 đơn giản, tiện dụng, giảm đƣợc khối lƣợng tính toán ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 34 đáng kể cho ngƣời thiết kế. Cho phép các lựa chọn phƣơng án neo, mật độ neo theo yêu cầu tiêu chuẩn kinh tế, kỹ thuật. Hình 5: Giao diện chương trình Hình 6: Giao diện chương trình tính với lựa chọn 1 Hình 7: Giao diện chương trình tính với lựa chọn 2 Kết quả tính toán đƣợc thể hiện ngay trên giao diện của chƣơng trình hoặc lƣu File dữ liệu dƣới dạng bảng. Bảng 1 là kết quả tính toán bằng chƣơng trình sau khi chuyển kết quả sang Excel. Vậy với viên gia cố hiện tại, kích thƣớc 0,4x0,4x0,28 (m) có khối lƣợng 112 kg, cần gia cƣờng thêm neo với các thông số sau: Đƣờng kính mũi neo: 0,14 m; Chiều dài mũi neo: 0,35 m; Độ sâu cắm neo H: 1,12 m; Khoảng cách bố trí neo n: 5 viên gia cố/neo hay 2 m/neo. Bảng 1: Kết quả tính toán bằng phần mềm NTM-01 I. Điều kiện biên thuỷ lực Trị số Ghi chú Chiều cao sóng sH (m) 1,69 Chiều dài sóng  (m) 29,49 Chiều cao nƣớc trƣớc công trình (m) 3,45 Hệ số mái đê m 4,0 Hệ số nk 0,8 II. Thông số viên gia cố Kích thƣớc viên gia cố (m) 0,4x0,4 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 35 Chiều dày viên gia cố (m) 0,28 Trọng lƣợng riêng (t/m3) 2,50 III. Điều kiện biên Địa KT Góc ma sát trong  (độ) 16,00 Lực dính đơn vị c (kN/m2) 6,00 Trọng lƣợng riêng đẩy nổi (kN/m3) 11,90 Khoảng cách neo (tính theo số viên gia cố) 5,00 Đƣờng kính mũi neo (m) 0,14 Chiều dài mũi neo (m) 0,35 IV. Kết quả tính toán Hợp lực đẩy nổi lên viên gia cố (kg) 135,0 A Trọng lƣợng viên gia cố (kg) 112,0 Lực cần gia tăng cho viên gia cố (kg) 23,00 Tải trọng giới hạn của neo (kg) 706 Tải trọng neo phân bố cho các viên gia cố (kg) 28 Tổng trọng lƣợng viên gia cố + neo (kg) 140 B Kết luận sự ổn định B>A 5. KÊT LUẬN Đề xuất phƣơng án tính toán ổn định viên gia cố bằng cách tính trực tiếp áp lực đẩy ngƣợc lên đáy viên gia cố đƣợc ứng dụng trong phần mềm NTM-01. Đề xuất này có ý nghĩa để mở rộng tính toán cho nhiều kiểu gia cố mái đê biển, mái công trình thuỷ lợi. Bộ phần mềm „Neo gia cố tấm lát mái bảo vệ đê biển-NTM-01‟ tiện dụng, đơn giản giúp cho ngƣời tính toán có nhiều lựa chọn khi xác định các tham số thiết kế neo gia cố cho các tấm lát mái đê biển. Giảm khối lƣợng tính toán các thông số sóng và điều kiện biên địa kỹ thuật rất nhiều. Công thức (16) đƣợc sử dụng xác định sức chịu tải của neo xoắn (dạng của tác giả đề xuất) và đƣợc áp dụng cho tấm gia cố mái đê biển. Góc  5,0 áp dụng trong công thức (16) chỉ đúng với đất đắp thân đê đƣợc đầm chặt tốt theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế đê biển-2012 [3], hoặc đúng với đất đắp thân đê đã ổn định của đê biển hiện có. Các loại đất dính ở trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy hoặc đất đắp chƣa đƣợc đầm chặt tốt có k < 1,4 (t/m 3) chƣa đƣợc kiểm chứng trong nghiên cứu này. Với neo xoắn gia cố tấm lát mái cần lƣu ý, vì neo tƣơng đối nhỏ và xoáy vào đất ở độ sâu không lớn lắm nên để phát huy hiệu quả của neo phải chú ý neo đƣợc xoắn vuông góc với mái đê và ở độ sâu sao cho tỷ số (H/D)= (7†8). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.D. SABANOP (1976), Gia cố mái đất chịu áp lực, Nhà xuất bản Nông thôn- Bản dịch ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 36 của tác giả Đồng Mạnh Quỳnh-Hiệu đính Nguyễn Xuân Thi. [2] BSi-BS 8081:1989, Neo trong đất, Nhà xuất bản xây dựng-2008, Bản dịch của TS. Nguyễn Hữu Đẩu. [3] Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (2012), Tiêu chuẩn thiết kế đê biển, Ban hành kèm theo quyết định 1613/QĐ-BNN-KHCN ngày 9/7/2012 của Bộ trƣởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. [4] Công ty Cổ phần tƣ vấn Xây dựng Nông nghiệp và PTNT Nam Định (2009), Thiết kế cơ sở đoạn đê kè từ K27+0074 đến K28+800 đê biển huyện Giao Thuỷ-Nam Định. [5] Hoàng Việt Hùng-Trịnh Minh Thụ-Ngô Trí Viềng (2012), Bản mô tả sáng chế: “Neo gia cố các tấm lát mái bảo vệ đê biển” theo bằng độc quyền sáng chế số 10096 cấp theo quyết định 9903/QĐ-SHTT ngày 29.02.2012 của Cục Sở hữu trí tuệ-Bộ Khoa học Công nghệ. [6] Hoàng Việt Hùng-Trịnh Minh Thụ-Ngô Trí Viềng (2011), Nghiên cứu ứng dụng neo gia cố các tấm lát mái bảo vệ đê biển, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thuỷ lợi và môi trƣờng số 32-2011. [7] Hoàng Việt Hùng (2012), Nghiên cứu giải pháp tăng cường bảo vệ mái đê biển tràn nước, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật-Đại học Thủy lợi-2012. [8] Nguyễn Công Mẫn (1983), Xác định sức chống nhổ thẳng đứng giới hạn cọc mở rộng đáy bằng phương pháp phân tích giới hạn, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật số 5+6 năm 1983. [9] Ngô Trí Viềng (2011) và nnk, Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp khoa học công nghệ, đảm bảo độ bền của đê biển hiện có trong trường hợp sóng và triều cường tràn đê, Đề tài NCKH cấp nhà nƣớc-KC08-15/06-10. [10] David Muir Wood (1996), Soil Behaviour and Critical State Soil Mechanics, Cambridge University Press. [11] Hsai-Yang Fang (1991), Foundation Engineering Handbook, Second Edition Van Nostrand Reinhold, New York. [12] Hai-Sui Yu (2006), Plasticcity and Geotechnics, Library of Congress Control Number: 2006928849- e-ISBN: 0-387-33599-4. [13] Wai-Fah Chen (1975), Limit Analysis and Soil Plasticity –ISBN 0-444-41249-2- Ensevier Scientific Publishing Company Amsterdam. [14] Krystian W, Pilarczyk (1998), Dikes and Revestments A.A.Balkema/ Rotterdam/ Brookfield. [15] Krystian W, Pilarczyk (2000), Geosynthetics and Geosystems in Hydraulic and Coastal Engineering, A.A.Balkema/ Rotterdam/ Brookfield /. [16] Krystian W, Pilarczyk (2006), Wave loading on Coastal Structure, Lecture Notes, IHE-Netherlands. Phản biện: GS. NGUYỄN CÔNG MẪN