Tài liệu Nghiên cứu giải pháp tường cừ bê tông cốt thép dự ứng lực để bảo vệ bờ kênh tiêu la khê

MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài. ......................................................................................... 1 2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài. ........................................................................... 2 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ............................................................. 2 5. Kết quả dự kiến đạt được ........................................................................................ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP THI CÔNG BỜ KÊNH TIÊU ĐÔ THỊ ...................................................... 4 1.1. Bê tông cốt thép dự ứng lực ................................................................................. 4 1.1.1. Phân loại bê tông cốt thép dự ứng lực........................................................... 4 1.1.2. Sự ra đời và lịch sử phát triển của BTCT dự ứng lực. .................................. 6 1.1.3. Ứng dụng của Bê tông cốt thép dự ứng lực ở Việt Nam. ............................. 8 1.2. Một số giải pháp bảo vệ bờ kênh hiện nay........................................................... 8 1.2.1. Kênh đất nạo vét ........................................................................................... 9 1.2.2. Kênh gia cố mái hình thang ........................................................................ 11 1.2.3. Kênh gia cố mái hình chữ nhật ................................................................... 12 1.2.4. Kênh gia cố mái hỗn hợp ............................................................................ 15 1.2.5. Kênh gia cố mái bằng cừ ván bê tông cốt thép dự ứng lực ......................... 16 1.3. Tình hình nghiên cứu các giải pháp bảo vệ bờ kênh tiêu trong đô thị hiện nay 17 1.3.1. Giải pháp kênh đất ...................................................................................... 17 1.3.2. Giải pháp kênh gia cố mái hình thang ........................................................ 18 1.3.3. Giải pháp kênh gia cố mái hình chữ nhật.................................................... 18 1.3.4. Giải pháp gia cố mái bằng cừ ván bê tông cốt thép dự ứng lực.................. 21 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải pháp bảo vệ bờ kênh tiêu đô thị. 22 1.4.1. Quy hoạch và Giải phóng mặt bằng, tái định cư ......................................... 22 1.4.2. Mỹ quan đô thị và vệ sinh môi trường ........................................................ 23 1.4.3. Chi phí xây dựng ......................................................................................... 23 1.4.4. Điều kiện địa chất, địa chất thủy văn .......................................................... 23 1.5. Tình hình nghiên cứu ứng dụng cừ bê tông cốt thép dự ứng lực trong bảo vệ bờ ở Việt Nam và trên thế giới ............................................................................. 23 1.5.1. Lịch sử ứng dụng và sản xuất cừ BTCT DƯL trên thế giới ....................... 23 1.5.2. Lịch sử ứng dụng và sản xuất cừ BTCT DƯL ở Việt Nam ........................ 24 1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 25 CHƯƠNG 2. CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ KÊNH TRONG KHU ĐÔ THỊ BẰNG TƯỜNG CỪ BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC ..................................... 26 2.1. Giới thiệu về tường cừ bê tông cốt thép dự ứng lực .......................................... 26 2.1.1. Đặc tính kỹ thuật của cừ Bê tông cốt thép dự ứng lực ................................ 26 2.1.2. Quy trình sản xuất ....................................................................................... 29 2.1.3. Biện pháp thi công đóng cừ BTCT DƯL .................................................... 35 2.2. Các giải pháp ứng dụng tường cừ bê tông cốt thép dự ứng lực ......................... 42 2.2.1. Kè bờ sông, kênh......................................................................................... 42 2.2.2. Cống thoát nước .......................................................................................... 43 2.2.3. Đường giao thông........................................................................................ 43 2.2.4. Công trình cảng ........................................................................................... 44 2.2.5. Công trình thủy lợi ...................................................................................... 44 2.3. Các phương pháp tính toán thiết kế tường cừ bản BTCT Dự ứng lực............... 45 2.3.1. Phương pháp giải tích [10] .......................................................................... 46 2.3.2. Tính toán theo hướng dẫn thiết kế tường cừ của Nhật Bản ........................ 62 2.3.3. Phương pháp tính dầm trên nền đàn hồi ..................................................... 68 2.3.4. Phương pháp mô hình hóa hệ kết cấu tường cừ và đất nền thành một khối làm việc đồng thời......................................................................................... 71 2.3.5. Một số nhận xét về các phương pháp tính toán thiết kế tường cừ BTCT Dự ứng lực ............................................................................................................ 72 2.4. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 73 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN GIẢI PHÁP CỪ BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC BẢO VỆ BỜ KÊNH LA KHÊ............................................................ 75 3.1. Giới thiệu về kênh La Khê ................................................................................. 75 3.1.1. Vị trí địa lý .................................................................................................. 75 3.1.2. Nhiệm vụ ..................................................................................................... 75 3.1.3. Hiện trạng kênh La Khê .............................................................................. 76 3.1.4. Điều kiện tự nhiên, xã hội khu vực kênh La Khê đi qua [4] ....................... 77 3.2. Đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ kênh La Khê bằng cừ bê tông cốt thép dự ứng lực....................................................................................................................... 79 3.2.1. Đề xuất các giải pháp kết cấu bảo vệ bờ kênh La Khê ............................... 79 3.2.2. Phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu........................................................... 80 3.3. Ứng dụng phần mềm Plaxis tính toán kết cấu Cừ bê tông cốt thép Dự ứng lực gia cố bảo vệ kênh La Khê ........................................................................................ 84 3.3.1. Thông số đầu vào ........................................................................................ 84 3.3.2. Lựa chọn khoảng cách giữa hai hàng cừ ..................................................... 87 3.3.3. Lựa chọn chiều dài hai hàng cừ .................................................................. 90 3.3.4. Trình tự và kết quả tính toán phương án chọn ............................................ 94 3.3.5. So sánh với kết quả tính toán của tư vấn thiết kế...................................... 106 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 109 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 111 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.Mặt cắt điển hình kênh đất nạo vét ............................................................10 Hình 1.2.Hình ảnh thi công kênh đất nạo vét............................................................10 Hình 1.3.Mặt cắt điển hình kênh gia cố mái hình thang ...........................................11 Hình 1.4.Hình ảnh thi công gia cố kênh mái hình thang ..........................................11 Hình 1.5.Sông Tô Lịch – Kết cấu mái hình thang lát đá...........................................11 Hình 1.6.Mặt cắt điển hình Kênh gia cố bằng tường sườn bản chống có bản đáy ...13 Hình 1.7.Kết cấu bờ dạng tường neo không bản đáy................................................13 Hình 1.8.Kết cấu tường chắn đá xây .........................................................................13 Hình 1.9.Kết cấu dạng kênh hộp BTCT....................................................................14 Hình 1.10.Phối cảnh kênh gia cố mái hình chữ nhật bằng tường chắn BTCT .........14 Hình 1.11.Mặt cắt điển hình mái kênh kiểu hỗn hợp ................................................15 Hình 1.12.Gia cố mái kênh bằng cừ ván BTCT DƯL ..............................................16 Hình 1.13.Hình ảnh kênh gia cố bằng bê tông bọc vải địa kỹ thuật .........................18 Hình 1.14.Mặt cắt điển hình gia cố bờ kênh bằng bê tông bọc vải địa kỹ thuật .......18 Hình 1.15.Tường sườn bản chống truyền thống .......................................................19 Hình 1.16.Kênh dạng tường neo ...............................................................................19 Hình 1.17.Gia cố mái kênh bằng tường chắn có cốt .................................................20 Hình 1.18.Gia cố bờ bằng tường chắn có cốt ............................................................20 Hình 1.19.Một số ứng dụng của cừ ván BTCT Dự ứng lực .....................................21 Hình 1.20.Kè thị trấn Tân Thành – Long An ............................................................22 Hình 1.21.Kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè - TPHCM ...................................................22 Hình 2.1.Kết cấu cừ BTCT DUL tiết diện chữ nhật .................................................26 Hình 2.2.Kết cấu cừ BTCT DUL tiết diện chữ U .....................................................26 Hình 2.3.Kết cấu cừ BTCT DUL tiết diện chữ H .....................................................26 Hình 2.4.Kết cấu cừ BTCT DUL tiết diện chữ T......................................................26 Hình 2.5.Kết cấu cừ BTCT DUL tiết diện chữ C .....................................................26 Hình 2.6.Chi tiết cấu tạo cừ tiết diện chữ C ..............................................................27 Hình 2.7.Cấu tạo khớp nối liên kết cừ bản BTCT DƯL ...........................................27 Hình 2.8.Khớp nối cao su liên kết cừ bản BTCT DƯL ............................................27 Hình 2.9.Chuẩn bị khuôn đúc ...................................................................................33 Hình 2.10.Trạm trộn bê tông .....................................................................................33 Hình 2.11.Gia công cốt thép .....................................................................................33 Hình 2.12.Luồn cáp vào khuôn .................................................................................33 Hình 2.13.Căng cáp dự ứng lực ................................................................................33 Hình 2.14.Lắp đặt cốt thép ........................................................................................33 Hình 2.15.Lắp đặt khuôn ngoài .................................................................................33 Hình 2.16.Đổ bê tông cừ ...........................................................................................33 Hình 2.17.Dưỡng hộ bê tông .....................................................................................34 Hình 2.18.Tháo dỡ ván khuôn ...................................................................................34 Hình 2.19.Cắt cáp ......................................................................................................34 Hình 2.20.Thí nghiệm chịu uốn cừ ...........................................................................34 Hình 2.21.Lưu kho ....................................................................................................34 Hình 2.22.Vận chuyển cọc ra công trường ...............................................................34 Hình 2.23.Sơ đồ thiết bị thi công cừ ván BTCT Dự ứng lực ....................................38 Hình 2.24.Chuẩn bi mặt bằng ...................................................................................39 Hình 2.25.Tập kết thiết bị vào công trường ..............................................................39 Hình 2.26.Định vị tuyến công trình ..........................................................................41 Hình 2.27.Lắp đặt khung dẫn hướng.........................................................................41 Hình 2.28.Gắn ống xói nước cao áp..........................................................................41 Hình 2.29.Cẩu cọc bằng cần trục ..............................................................................41 Hình 2.30.Kiểm tra áp lực nước trước thi công ........................................................41 Hình 2.31.Bắt đầu hạ cọc ..........................................................................................41 Hình 2.32.Lắp đặt cốt thép bản mũ ...........................................................................42 Hình 2.33.Đổ bê tông bản mũ ...................................................................................42 Hình 2.34.Tường cừ kết hợp mái nghiêng gia cố phía trên ......................................42 Hình 2.35.Cừ kết hợp mái nghiêng, có cơ ................................................................42 Hình 2.36.Cừ kết hợp neo bảo vệ bờ ........................................................................42 Hình 2.37.Mô hình cừ làm cống ...............................................................................43 Hình 2.38.Sử dụng cừ BT DƯL làm cống ................................................................43 Hình 2.39.Kè mở rộng làm đường ............................................................................43 Hình 2.40.Giằng 2 cừ để làm đường phía trên ..........................................................43 Hình 2.41.Kết cấu Đường Hoàng Văn Thái đi Bà Nà –TP Đà Nẵng .......................44 Hình 2.42.Mô hình cừ xây dựng công trình cảng .....................................................44 Hình 2.43.Sử dụng cừ BT DƯL xây dựng công trình cảng ......................................44 Hình 2.44.Mô hình cừ làm đập ngăn nước ...............................................................45 Hình 2.45.Đập ngăn nước sử dụng cừ DƯL .............................................................45 Hình 2.46.Mô hình cừ làm đê chắn sóng ..................................................................45 Hình 2.47.Đê chắn sóng sử dụng cừ DƯL ................................................................45 Hình 2.48.Phân bố áp lực ngang của tường cừ ngàm trong đất cát ..........................46 Hình 2.49.Tường cừ ngàm trong đất cát a) Sơ đồ áp lực tác dụng; b) Biểu đồ mô men ............................................................................................................................47 Hình 2.50.Tường cừ ngàm trong đất sét ...................................................................51 Hình 2.51.Biến đổi biến dạng và mô men cho tường cừ neo a) Phương pháp chống đỡ đất tự do; b) Phương pháp chống đỡ đất cố định .................................................54 Hình 2.52.Các dạng phá hoại của hệ cừ neo a) Đứt neo; b) Di chuyển đáy cừ ra ngoài; c) Cừ bị uốn gẫy d) Trượt hệ cừ neo; e) Lún sau lưng cừ..............................55 Hình 2.53.Tường cừ neo trong đất cát ......................................................................56 Hình 2.54.Tường cừ neo xuyên vào lớp đất sét ........................................................58 Hình 2.55.Biểu đồ phân bố áp lực ngang theo phương pháp chống đỡ đất cố định .59 Hình 2.56. Quan hệ xác định L 4 và L 5 theo Phương pháp chống đỡ đất cố định.....59 Hình 2.57.Tấm hay dầm neo .....................................................................................61 Hình 2.58.Gân neo ....................................................................................................61 Hình 2.59.Cọc neo thẳng đứng .................................................................................62 Hình 2.60.Dầm neo cọc xiên .....................................................................................62 Hình 2.61.Áp lực đất tác dụng lên cừ .......................................................................63 Hình 2.62.Sơ đồ tính toán mô men uốn lớn nhất ......................................................64 Hình 2.63.Sơ đồ tính toán chuyển vị đầu cừ .............................................................65 Hình 2.64.Sơ đồ tính toán cừ trường hợp có neo ......................................................66 Hình 2.65.Sơ đồ tính toán mô men uốn và phản lực lên cừ có neo ..........................67 Hình 2.66. Sơ đồ tính toán dựa vào phương trình vi phân trục võng .......................69 Hình 2.67. Sơ đồ tính toán mô hình hóa phần tử hữu hạn ........................................70 Hình 3.1.Vị trí kênh La Khê......................................................................................75 Hình 3.2.Hiện trạng đô thị tuyến kênh đi qua ...........................................................76 Hình 3.3.Tình trạng các công trình lấn chiếm bờ kênh .............................................77 Hình 3.4.Lưu vực tiêu phụ trách trong hệ thống tiêu khu vực phía tây TP Hà Nội..77 Hình 3.5.Mặt cắt kênh cứng hóa sau khi hoàn thiện .................................................79 Hình 3.6.Kết cấu một hàng cừ không neo .................................................................80 Hình 3.7.Mô hình neo cừ bằng khối neo ...................................................................81 Hình 3.8.Mô hình neo cừ bằng cọc neo ....................................................................82 Hình 3.9.Mô hình kết cấu sử dụng 2 hàng cừ. ..........................................................83 Hình 3.10.Mặt cắt tự nhiên của kênh (xét cho một nửa bên trái) .............................84 Hình 3.11.Mặt cắt kênh gia cố bằng cừ dự ứng lực dự kiến (xét cho một nửa bên trái) ............................................................................................................................85 Hình 3.12.Mặt cắt đặc trưng cừ bê tông cốt thép dự ứng lực ...................................86 Hình 3.13.Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cừ và chuyển vị ngang hàng cừ thứ nhất ............................................................................................................................88 Hình 3.15.Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách cừ và chuyển vị ngang hàng cừ thứ hai ..............................................................................................................................89 Hình 3.17.Quan hệ giữa việc tăng khoảng cách cừ và hiệu quả giảm chuyển vị ngang cừ ....................................................................................................................90 Hình 3.19.Quan hệ giữa chiều dài cừ hàng 1 với mô men uốn hàng cừ 1 ................92 Hình 3.20.Quan hệ giữa chiều dài cừ hàng 1 với chuyển vị ngang hàng cừ 2 .........93 Hình 3.21.Quan hệ giữa chiều dài cừ hàng 1 với mô men uốn hàng cừ 2 ................93 Hình 3.22. Mô phỏng kết cấu và đất nền ..................................................................94 Hình 3.23. Chia lưới phần tử .....................................................................................95 Hình 3.24. Phân bố áp lực nước ................................................................................95 Hình 3.25. Ứng suất ban đầu của đất nền .................................................................95 Hình 3.26. Mô phỏng phase1: Thi công đóng cừ......................................................96 Hình 3.27. Mô phỏng phase2: Đắp đất đến đỉnh cừ .................................................96 Hình 3.28 Mô phỏng phase 3: Thi công bản neo giữa hai hàng cừ ..........................97 Hình 3.29. Mô phỏng phase 4: Gia tải phía trên đỉnh cừ ..........................................97 Hình 3.30. Mô phỏng phase 5: Nạo vét đến cao trình đáy kênh thiết kế ..................98 Hình 3.31. Hướng chuyển vị của kết cấu và đất nền sau phase1 ..............................98 Hình 3.32. Hướng chuyển vị của kết cấu và đất nền sau phase 2 .............................99 Hình 3.33. Hướng chuyển vị của kết cấu và đất nền sau phase 3 .............................99 Hình 3.34. Phổ chuyển vị của kết cấu và đất nền Phase 4 ......................................100 Hình 3.35 .Lưới biến dạng của kết cấu và đất nền ..................................................100 Hình 3.36. Hướng chuyển vị của kết cấu và đất nền ..............................................101 Hình 3.37. Phổ chuyển vị của kết cấu và đất nền ...................................................101 Hình 3.38. Chuyển vị ngang lớn nhất của hàng cừ thứ nhất, Ux1 = 3,683cm........102 Hình 3.39. Mô men uốn lớn nhất của hàng cừ thứ nhất, M 1 = 10,571 Tm/m ........102 Hình 3.40. Chuyển vị ngang lớn nhất của hàng cừ thứ 2, U x2 = 3,602cm..............103 Hình 3.41. Mô men uốn lớn nhất của hàng cừ thứ hai, M 2 = 9,058 Tm/m ............104 Hình 3.42. Mô men uốn lớn nhất trong bản neo, M n = 22,26 Tm/m ......................104 Hình 3.43. Biểu đồ mô men toàn kết cấu ................................................................105 Hình 3.44. Cung trượt tổng thể của kết cấu và đất nền ...........................................105 Hình 3.45. Hệ số ổn định K min = 1,923 ...................................................................106 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1.Thông số cơ bản các loại cừ tiết diện chữ C đã sản xuất trong nước [2] ..28 Bảng 2.2.Khả năng chịu lực của một số loại cừ BTCT DUL [3] .............................28 Bảng 2.3.Đặc tính kỹ thuật của cốt thép chịu lực [2]................................................29 Bảng 2.4.Đặc tính kỹ thuật của cốt thép đai [2] ........................................................30 Bảng 2.5.Thiết bị phục vụ thi công đóng cừ BTCT Dự ứng lực ..............................35 Bảng 3.1.Thông số đất nền nhập vào phần mềm Plaxis ...........................................85 Bảng 3.2.Thông số một số loại cừ BTCT Dự ứng lực [3] ........................................86 Bảng 3.3.Thông số bản neo đưa vào phần mềm .......................................................86 Bảng 3.4.Bảng kết quả tính toán khi thay đổi khoảng cách 2 cừ ..............................87 Bảng 3.5.Bảng kết quả tính toán khi thay đổi chiều dài hàng cừ 1...........................91 Bảng 3.6. So sánh kết quả tính toán của luận văn với tư vấn thiết kế ....................106 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT BTCT: Bê tông cốt thép BTCT DƯL: Bê tông cốt thép dự ứng lực GPMB: Giải phóng mặt bằng PTHH: Phần tử hữu hạn TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam. TVTK: Tư vấn thiết kế NXB: Nhà xuất bản 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu đã gây ra mưa lớn ngập úng ở nhiều quốc gia trên thế giới có thể kế đến như bão Katrina tại Hoa Kỳ tháng 8/2005, lũ lụt lịch sử tại Thái Lan vào tháng 11/2011mưa lớn ở Trung Quốc hồi tháng 7/2012 và ở thủ đô Hà Nội nước ta mưa lớn lịch sử đã xảy ra hồi tháng 11/2008 gây thiệt hại lớn về người và tài sản, đại bộ phần đất đai của thủ đô Hà Nội ngập chìm trong nước, ngập lụt kéo dài trong suốt 12 ngày. Hiện tại năng lực tiêu thoát nước bằng động lực rất kém là những nguyên nhân gây ngập úng cho thủ đô Hà Nội mỗi khi có mưa lớn xảy ra. Việc xây dựng các trạm bơm tiêu nước cho thành phố Hà Nội trong thời gian gần đây đã được sự quan tâm đặc biệt của các cấp các ngành của Thành phố. Điều đó được thể hiện bằng các Quyết định phê duyệt quy hoạch của Thủ tướng như: Quyết định 937/QĐ-TTg ngày 01/7/2009 phê duyệt quy hoạch tiêu nước hệ thống sông Nhuệ, Nghị quyết 09/2012/NQ-HĐND ngày 13/7/2012 của HĐND TP Hà Nội về Quy hoạch phát triển thủy lợi Hà Nội đến năm 2020 định hướng đến năm 2030; Nghị quyết số 08/2012/NQ-HĐND của Hội đồng nhân dân thành phố Hà Nội thông qua quy hoạch thoát nước thủ đô Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050. Thực tế cho thấy, việc lựa chọn giải pháp xây dựng kênh tiêu trong khu đô thị hiện nay gặp rất nhiều bất cập vì kênh đi qua khu đô thị phải đáp ứng đa mục tiêu ngoài nhiệm vụ tiêu nước. Việc lựa chọn giải pháp xử lý không đảm bảo tối ưu sẽ gây ra rất nhiều hệ lụy trong quá trình thi công và khai thác sử dụng như: vấn đề giải phóng mặt bằng, vấn đề quy hoạch đô thị, vấn đề đảm bảo an toàn khi tham gia giao thông, vấn đề vệ sinh môi trường,… Việc thi công xây kênh mương thoát nước chủ yếu được thực hiện tại các khu vực có nền đất yếu do lịch sử xây dựng để lại vì vậy việc lựa chọn giải pháp thi công sao cho an toàn, đảm bảo kinh tế, kỹ thuật, mỹ thuật, lợi dụng đa mục tiêu trong quá trình khai thác sử dụng là việc làm hết sức quan trọng và cần được quan tâm đặc biệt. 2 Đặc điểm của các công trình kênh mương thuỷ lợi thường gặp phải nền công trình là nền đất yếu, các lớp đất yếu xen kẹp nhau có chiều dầy từ một vài mét đến hàng chục mét, lớp đất tốt thường nằm sâu dưới lòng đất. Trong trường hợp này có nhiều phương pháp để đưa ra giải pháp thi công trong đó phương pháp thi công bờ kênh bằng cừ bê tông dự ứng lực. Hiện nay việc thiết kế, thi công thường sử dụng các giải pháp truyền thống như nạo vét, gia cố, kè cứng hóa hoặc đổ bê tông bờ kênh. Các giải pháp trên gặp rất nhiều khó khăn khi triển khai thực hiện thi công kênh La Khê vì bờ kênh và phía dưới lòng kênh là lớp cát rất dày và dân cư sống sát bờ kênh. Vì vậy việc Nghiên cứu giải pháp tường cừ bê tông cốt thép dự ứng lực để bảo vệ bờ kênh tiêu La Khê thuộc công trình Trạm bơm tiêu Yên Nghĩa, thành phố Hà Nội là cần thiết. 2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài. Nghiên cứu giải pháp tường cừ BTCT dự ứng lực trong xây dựng công trình thủy lợi. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: a. Đối tượng nghiên cứu: Kênh tiêu La Khê của dự án xây dựng Trạm bơm tiêu Yên Nghĩa, thành phố Hà Nội. b. Phạm vi nghiên cứu: Gia cố bờ công trình thủy lợi bằng bê tông cốt thép dự ứng lực. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp, kế thừa các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay trong lĩnh vực thi công công trình trên nền đất yếu. - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp đúc rút kinh nghiệm thực tế và tính toán giải quyết các bài toán thiết kế thực tế và lựa chọn công nghệ phù hợp. - Tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có về công tác gia cố bờ bằng cừ bê tông cốt thép dự ứng lực, các quy trình, quy phạm tính toán thiết kế và chỉ dẫn thi công cừ bê tông cốt thép dự ứng lực. 3 - Thu thập số liệu và đúc rút kinh nghiệm từ các công trình thực tế đã và đang xây dựng tại Việt Nam để lựa chọn công nghệ phù hợp. - Thu thập các số liệu có liên quan (địa chất, địa hình, kinh tế xã hội.., tài liệu thiết kế, biện pháp và máy móc thiết bị thi công...) của công trình trạm bơm tiêu Yên Nghĩa, thành phố Hà Nội. 5. Kết quả dự kiến đạt được - Đưa ra phương pháp xây dựng bờ kênh bằng tường cừ BTCT dự ứng lực. - Đề xuất giải pháp đề xuất giải pháp kỹ thuật đối với kênh tiêu La Khê thuộc công trình Trạm bơm tiêu Yên Nghĩa, thành phố Hà Nội. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP THI CÔNG BỜ KÊNH TIÊU ĐÔ THỊ 1.1. Bê tông cốt thép dự ứng lực Khái niệm: Bê tông cốt thép dự ứng lực hay bê tông cốt thép ứng suất trước, bê tông tiền áp, bê tông ứng lực trước là kết cấu bê tông cốt thép sử dụng sự kết hợp ứng lực căng rất cao của cốt thép ứng suất trước và sức chịu nén của bê tông để tạo nên trong kết cấu những biến dạng ngược với khi chịu tải, ở ngay trước khi chịu tải. Nhờ đó kết cấu này có khả năng chịu tải trọng lớn hơn kết cấu bê tông thông thường hoặc vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn trong kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Nguyên lý làm việc: Cốt thép trong bê tông là cốt thép có cường độ cao, được kéo căng ra bằng máy kéo ứng suất trước, đạt tới một ứng suất nhất định đã được thiết kế trước, nằm trong giới hạn đàn hồi của nó trước khi các kết cấu BTCT này chịu tải. Lực căng cốt thép này làm cho bê tông biến dạng ngược với biến dạng do tải trọng gây ra sau này khi kết cấu làm việc. Nhờ đó, kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có thể chịu tải trọng lớn hơn so với kết cấu này, khi không căng cốt thép ứng suất trước. (Khi chịu tải trọng bình thường, biến dạng do tải trọng gây ra chỉ đủ để triệt tiêu biến dạng do căng trước, kết cấu trở lại hình dạng ban đầu trước khi căng, giống như không hề chịu tải gì.) 1.1.1. Phân loại bê tông cốt thép dự ứng lực. 1.1.1.1. Bê tông ứng suất căng trước (căng cốt thép trên bệ) Cốt thép ứng suất trước được kéo căng ra trước trên bệ khuôn đúc bê tông trước khi chế tạo kết cấu bê tông. Sau đó kết cấu bê tông được đúc bình thường với cốt thép ứng suất trước như kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Đến khi bê tông đạt đến một giá trị cường độ nhất định để có thể giữ được ứng suất trước, thì tiến hành cắt cốt thép rời ra khỏi bệ căng. Do tính đàn hồi cao của cốt thép, nó có xu hướng biến dạng co lại dọc theo trục của cốt thép. Nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt 5 thép ứng suất trước, biến dạng này được chuyển hóa thành biến dạng vồng ngược của kết cấu bê tông so với phương biến dạng khi kết cấu bê tông chịu tải trọng. Phương pháp này tạo kết cấu ứng suất trước nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép, và được gọi là phương pháp căng trước vì cốt thép được căng trước cả khi kết cấu bê tông được hình thành và đạt tới cường độ thiết kế. Phạm vi áp dụng: Phương pháp này, cần có một bệ căng cố định nên thích hợp cho việc chế tạo các kết cấu bê tông ứng suất trước đúc sẵn trong các nhà máy bê tông đúc sẵn. Kết cấu bê tông ứng suất trước căng trước có ưu điểm là dùng lực bán dính trên suốt chiều dài cốt thép nên ít có rủi ro do tổn hao ứng suất trước. 1.1.1.2. Bê tông ứng suất căng sau dạng không liên kết: Đây là loại kết cấu ứng suất trước được thi công căng cốt thép sau khi hình thành kết cấu nhưng trước khi chịu tải, và sử dụng phản lực đầu neo hình côn tại các đầu của cốt thép ứng suất trước để truyền áp lực ép mặt sang đầu kết cấu bê tông (gây ứng suất trước). Phương pháp này, không dùng lực bám dính giữa bê tông và cốt thép để tạo ứng suất trước, nên còn gọi là ứng suất trước căng sau không bám dính. Cốt thép được lồng trong ống bao có chứa mỡ bảo quản chống gỉ, và được đặt bình thường vào trong khuôn đúc bê tông mà chưa được căng trước. Sau đó, đổ bê tông vào khuôn bình thường như chế tạo kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Đến khi kết cấu bê tông cốt thép đạt cường độ nhất định đủ để chịu được ứng lực căng thì mới tiến hành căng cốt thép ứng suất trước. Cốt thép được kéo căng cốt thép dần dần bằng máy kéo ứng suất trước đến giá trị ứng suất thiết kế, nhưng vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi của cốt thép ứng suất trước. Sau mỗi hành trình kéo thép, cốt thép lại được buông ra khỏi máy kéo, lúc đó cốt thép có xu hướng co lại vì tính đàn hồi. Nhưng do các đầu cốt thép (một trong hai hay cả hai đầu) được giữ lại bởi neo 3 lá hình côn nằm trong hốc neo hình côn bằng thép bịt ở hai đầu kết cấu bê tông, mà biến dạng đàn hồi này của cốt thép được chuyển thành phản lực đầu neo dạng áp lực ép mặt của má côn thép truyền sang đầu kết cấu bê tông (tạo ra ứng suất trước). Nhờ đó kết cấu bê tông được uốn vồng ngược với khi làm việc. Khi đạt đến 6 ứng suất trước thiết kế thì mới cho kết cấu chịu tải trọng (cho làm việc). Cốt thép ứng suất trước có thể là dạng thanh, dạng sợi cáp hay bó cáp. Mỗi sợi cốt thép ứng suất trước được tự do chuyển động trong lòng ống bao bằng nhựa có mỡ bôi trơn, mà không tiếp xúc với bê tông. Giữa bê tông và cốt thép không hề có lực bám dính. Phạm vi áp dụng của phương pháp này: Phương pháp này thuận lợi cho việc thi công tại hiện trường. Ứng dụng cho các kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước đổ tại chỗ. Tuy vậy, nhược điểm của phương pháp này là chỉ dựa vào các đầu neo để giữ ứng suất trước. Nếu các đầu neo này bị hỏng thì ứng suất trước trong cốt thép sẽ mất, kết cấu trở thành kết cấu bê tông thông thường, không đảm bảo chịu lực nữa. 1.1.1.3. Bê tông ứng suất căng sau dạng liên kết. Đây là dạng kết cấu ứng suất trước căng sau sử dụng cả lực bám dính giữa cốt thép ứng suất trước với kết cấu bê tông, lẫn phản lực ép mặt đầu neo để giữ ứng suất trước. Loại này còn gọi là kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau có bám dính. Cốt thép được đặt trong ống bao. Ống bao bằng nhựa, nhôm hay thép được đặt trong kết cấu bê tông. Tiến hành tạo kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau như dạng không liên kết. Nhưng sau khi căng cốt thép đến ứng suất thiết kế, thì tiến hành bơm (hồ) vữa xi măng với áp lực cao vào trong lòng các ống bao để vừa tạo lớp vữa bảo vệ cốt thép vừa tạo môi trường truyền ứng lực bằng lực bám dính giữa cốt thép với vữa xi măng đông kết, ống bao và kết cấu bê tông bên ngoài. Việc kiểm tra độ đầy chặt vữa xi măng trong ống bao được tiến hành nhờ có các đầu ống kiểm tra cắm vào trong ống bao. Bơm vữa áp lực cao tới khi phun đầy vữa ra các đầu thăm này có thể biết vữa đa chứa đầy trong ống cáp đến đoạn nào của kết cấu. Đây là dạng kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau cải tiến. Áp dụng cho kết cấu đúc tại chỗ tại hiện trường, ít gặp rủi ro do tổn hao ứng suất trước tại đầu neo. 1.1.2. Sự ra đời và lịch sử phát triển của BTCT dự ứng lực. Nguyên lý gây ƯST đã được ứng dụng trong thực tế từ hàng trăm năm nay. Khi 7 chế tạo những thùng chứa chất lỏng như nước, rượu hay khi làm trống, các thanh gỗ phẳng hoặc cong được ghép lại thật khít nhờ những đai bằng dây thừng hay bằng kim loại. Nguyên lý này đã được P G. Jackson (Mỹ) đưa vào áp dụng thành công cho vòm gạch, đá, bê tông từ năm 1886. Tiếp theo K.During (Đức) đã tạo được ứng suất nén trong bản bê tông bằng việc căng trước cốt thép thường. Khi dùng cốt thép thường có cường độ thấp không quá 1225 kG/cm2 và biến dạng (độ dãn dài tỷ đối) chỉ đạt tới giá trị bằng ε (ε = σ/E = 1225/2100000 = 0,0006) Trong những năm 1928-1929 kỹ sư nổi tiếng người Pháp E.Freyssinet đã lần đầu tiên chứng minh được có thể và cần sử dụng loại thép có cường độ cao để nâng cao lực gây ứng suất trước trong bê tông lên tới trên 400 kG/cm2 . Ứng suất còn tồn tại trong cốt thép để gây ứng suất trước trong bê tông là: σ = E.ε = 2.100.000 × 0,0042 = 8.600 kG/cm2 (860 Mpa) Kết quả thí nghiệm cho thấy ứng suất nén trước trong bê tông vẫn còn tồn tại với một giá trị đủ để cân bằng từng phần hay toàn bộ các ứng suất kéo trong kết cấu khi chịu tải. Tại châu Âu kết cấu bê tông DƯL phát triển nhanh chóng ở Pháp, Bỉ, Anh, Đức, Thụy Sỹ, Hà Lan. Trong gần 500 cầu được xây dựng ở Đức từ năm 1949 đến 1953 đã có 350 cầu dùng bê tông DƯL. Tại Nga hiện nay các cấu kiện bê tông đúc sẵn như tấm sàn từ 6m, dầm, dàn khẩu độ 18m trở lên đều qui định dùng bê tông DƯL. Tại Mỹ chú trọng ứng dụng bê tông DƯL vào xây dựng các bể chứa nhiên liệu có dung tích từ 10.000 m3 trở lên. Trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng, sử dụng bê tông DƯL cho phép tăng kích thước lưới cột, hoặc giảm chiều dày sàn, khối lượng thép cũng giảm đáng kể. Các ô sàn phẳng không dầm khẩu độ tới 15,6m mà chiều dày bê tông DƯL đúc sẵn, mỗi tấm sàn phẳng có trọng lượng từ 300 tấn đến 800 tấn cũng được phổ biến ở châu Âu. Ở châu Á, nhất là các nước có nền kinh tế phát triển như Trung Quốc, Hàn Quốc, Singapore, Thái Lan, Hồng Kông, ... sử dụng các kết cấu bê tông DƯL rất phổ biến, một phần nhờ đã sản xuất được các loại thép cường độ cao, các loại cáp ƯST, các loại neo và phụ kiện kèm theo phù hợp với các tiêu chuẩn tiên tiến có giá thành hợp lý. 8 1.1.3. Ứng dụng của Bê tông cốt thép dự ứng lực ở Việt Nam. Ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ bê tông ứng lực trước đã được ứng dụng từ những năm 70, 80. Tuy nhiên phạm vi áp dụng còn hạn hẹp. Từ năm 1999 đến nay các công ty sản xuất bê tông trong nước đã hợp tác và chuyển giao công nghệ với các hãng của quốc tế đã phát triển sản xuất cung ứng BTCT dự ứng lực một cách rộng rãi trên phạm vi cả nước, phạm vi áp dụng công nghệ rộng rãi, giải quyết được hầu hết các phương án xây dựng hiện đại mang tính công nghiệp cao. Trong xây dựng dân dụng và công nghiệp kết cấu bê tông ƯST được nghiên cứu ứng dụng trong việc chế tạo các hệ dầm nhỏ và panen. Kết cấu bê tông ƯST căng sau đã được áp dụng cho hệ thống silô nhà máy xi măng Hoàng Thạch II, hệ thống silô nhà máy xi măng Sao Mai, hệ thống sàn toà tháp Sài Gòn, hệ thống sàn nhà 63 Lý Thái Tổ- Hà Nội, hệ thống sàn nhà Hotel lake view- Hà Nội. Cho đến nay, hàng loạt các công trình đã áp dụng kết cấu sàn ƯST ở các thành phố lớn như: Chung cư cao cấp 27 Huỳnh Thúc Kháng, Chung cư cao cấp 25 Láng Hạ, Chung cư cao cấp 98 Hoàng Quốc Việt, tháp đôi 191 Bà Triệu, Trung tâm bảo dưỡng TOYOTA Mỹ Đình, Trung tâm truyền số liệu VDC (Hà Nội), Khách sạn NOVOTEL (Đà Nẵng, Quảng Ninh), Trung tâm thương mại (Hải Dương). Chung cư Đất Phương Nam, Chung cư GreenBuiding, Chung cư ETOW2, Chung cư rạch miễu, Chung cư Anh Tuấn, cừ ván bê tông dự ứng lực bảo vệ bờ sông Hồng. 1.2. Một số giải pháp bảo vệ bờ kênh hiện nay. Kênh tiêu có vai trò vô cùng quan trọng đối với các đô thị, nó chính là các trục dẫn nước chính tập trung tiêu nước thải, nước mưa chống úng ngập và đảm bảo vệ sinh môi trường, ngoài ra nó cũng giúp tạo cảnh quan môi trường cho các đô thị. Kênh tiêu đô thị thường có các đặc điểm như sau: - Đi qua địa bàn các khu đông dân cư, tình trạng lấn chiếm bờ kênh diễn ra phổ biến dẫn đến mặt bằng rất hạn chế. - Có nhiều nhà cửa, công trình hạ tầng tập trung sát bờ kênh. - Lưu lượng tập trung lớn và yêu cầu tiêu thoát nước nhanh. - Ngoài yêu cầu về tiêu thoát nước, kênh tiêu đô thị còn cần phải đáp ứng về 9 cảnh quan, môi trường. Kênh tiêu trong đô thị thường có lịch sử hình thành từ rất lâu đời, có thể là các con sông tự nhiên hoặc nhân tạo. Cùng với sự hình thành của các con sông, con kênh việc đô thị hóa dẫn đến tình trạng lấn chiếm hành lang bảo bên bờ kênh nhà cửa và công trình xây dựng lấn chiếm đến sát bờ. Việc lấn chiếm này do lịch sử để lại từ xa xưa, khi hành lang pháp lý nhằm bảo vệ các công trình công còn chưa có. Từ đó dẫn đến khi xây dựng công trình bảo vệ bờ kênh, bờ sông thường gặp phải một khó khăn rất lớn đó là công tác bồi thường, hỗ trợ giải phóng mặt bằng. Ngoài ra vấn đề thường gặp với các tuyến kênh khu vực thủ đô Hà Nội là địa chất tương đối yếu, thường các lớp phía dưới là cát hạt mịn ở trạng thái xốp đến chặt vừa và mực nước ngầm khá cao. Vì vậy, giải pháp thiết kế, thi công các tuyến kênh này cũng rất đa dạng, tùy thuộc vào địa chất và mặt bằng công trình, tùy thuộc vào khả năng giải phóng mặt bằng của dự án. Việc lựa chọn giải pháp thiết kế, thi công các tuyến kênh đô thị này phải căn cứ vào điều kiện thực tế của khu vực dự án cũng như khả năng kinh phí có thể bố trí, khả năng thực hiện công tác GPMB. Hiện nay, có một số giải pháp áp dụng cho việc thiết kế, thi công bờ kênh tiêu trong khu đô thị vẫn thường dùng như sau: 1.2.1. Kênh đất nạo vét Đây là giải pháp thi công đơn giản nhất, kết cấu mái kênh là tạm thời, kênh sẽ liên tục bị sạt trượt và bồi lắng, có thể chỉ trong thời gian ngắn lòng kênh sẽ bị thu hẹp, giảm tiết diện dòng chảy, đặc biệt với kênh đô thị tình trạng đổ phế thải, lấn chiếm bờ kênh dẫn ra với mức độ nhanh. Hệ số mái kênh phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, chiều sâu của kênh, chiều sâu của nước trong kênh, điều kiện thi công…và phải được kiểm tra qua tính toán ổn định. 10 Hình 1.1.Mặt cắt điển hình kênh đất nạo vét Hình 1.2.Hình ảnh thi công kênh đất nạo vét Ưu điểm: - Giá thành công trình rẻ, biện pháp thi công đơn giản. - Có thể dùng như một biện pháp giãn vốn đầu tư, khi chưa có đủ vốn để kiên cố hóa có thể dùng biện pháp này để mở rộng lòng dẫn đáp ứng nhu cầu dẫn nước về công trình đầu mối trong một khoảng thời gian nào đó. Nhược điểm: - Yêu cầu mặt bằng lớn, không khả thi khi đi qua khu đông dân cư. - Kết cấu chỉ mang tính tạm thời. - Thường xuyên phải nạo vét hàng năm do bồi lắng và đổ chất thải. - Không ngăn được tình trạng lấn chiếm bờ kênh. - Khó áp dụng cho khu vực có địa chất yếu, đất dời. Áp dụng: Giải pháp này áp dụng cho các công trình có nền địa chất lòng kênh và hai bên bờ kênh tốt. Thường áp dụng cho những vùng dự án có mặt bằng rộng,