Tài liệu Nghiên cứu thiết kế cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGUYỄN VĂN BIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MÔ HÌNH TƢƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGUYỄN VĂN BIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MÔ HÌNH TƢƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60. 58. 02. 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. CAO VĂN LÂM Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Lần đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô giáo trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung và quý Thầy Cô trong Khoa Xây dựng Cầu Đường, trong bộ môn Cầu Hầm nói riêng. Cảm ơn Thầy Cô đã tận tình dạy dỗ và chỉ bảo tôi trong suốt 2 năm học vừa qua. Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Cao Văn Lâm – người đã định hướng, giúp đỡ tận tình tôi trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi. Tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài được hoàn thiện hơn và để tôi vững vàng hơn khi tiếp xúc với công việc sau này. Lời cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy Cô luôn mạnh khỏe. Quảng Ngãi, ngày tháng 12 năm 2017 Học viên thực hiện Nguyễn Văn Biện LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Cao Văn Lâm là đề tài làm mới, không sao chép hay trùng với đề tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo. Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Học viên thực hiện Nguyễn Văn Biện NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MÔ HÌNH TƢƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN Học viên: Nguyễn Văn Biện. Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 60.58.02.05. Khóa: K32.XGT. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắc – Để giải quyết vấn đề nâng cao năng lực thiết kế công trình giao thông, đặc biệt là thiết kế và kiểm toán cống hộp trên công trình đường bộ, nhằm mục đích nâng cao chất lượng công trình, rút ngắn thời gian thiết kế đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tư thì việc nghiên cứu thiết kế và kiểm toán cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền là rất cần thiết. Trong thực tế hiện nay việc thiết kế và kiểm toán cống hộp sử dụng nhiều phương pháp như: Sử dụng thiết kế định hình, phương pháp thủ công, bán tự động và tự động thông qua các phần mềm thiết kế kết cấu công trình... Tuy nhiên, phương pháp thiết kế thì có nhiều nhưng sử dụng phương pháp nào là tối ưu nhất: đánh giá toàn diện và chuẩn xác quá trình làm việc của cống hộp; rút ngắn thời gian thiết kế; thuận lợi trong quá trình thẩm tra thẩm định; hiệu quả về kinh tế... thì chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện nay, tác giả thực hiện nghiên cứu thiết kế và kiểm toán cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền bằng phần mềm Midas/Civil ứng với các hệ số nền theo nhiều phương pháp, chứng minh rằng hệ số nền có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả thiết kế. Khuyến cáo người thiết kế cân nhắc hơn trong việc lựa chọn hệ số nền để đưa vào chương trình máy tính thiết kế. Từ khóa – thiết kế và kiểm toán; cống hộp; hệ số nền; tương tác, Midas/Civil. THE STUDY OF DESIGNING BOX CULVERTS IN ACCORDANCE WITH THE MODEL OF INTERACTING WITH THE GROUND Summary - To solve the problem of improving the design capacity of traffic work, especially the design and audit of box culverts on highway construction, aiming to improve the quality of buildings, shorten the design time, and save the investment cost as well, studying for the design and audit of box culverts in accordance with the model of interacting with the ground is very necessary. ..In fact, nowadays, there are variety of methods in designing and auditing the box culverts such as: shaped designing, handwork, semi-automatic and automatic methods through the structural design soft wares. Although there are a lot of designing methods, no one is perfect. The assessing thoroughly and accurately working process of the box culvert; shortening design time; the advantages in the examination and evaluation; economic efficiency... has not been thoroughly researched. Along with the current development in science and technology , the authors who study for design and audit box culverts in the model of interaction with ground, using Midas / Civil software with the ground coefficients in various methods, demonstrate that the ground coefficient plays an important influence in the designing result. Therefore, considering the ground coefficient to include in the designing program is highly recommended. Keywords - design and audit; box culvert; ground coefficients ; interaction, Midas / Civil. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 4 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... 10 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI .................................................................................................. 6 1.1 Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp ...................................................................... 6 1.2 Tương tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn hồi. ............................... 10 1.3 Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp hiện nay. ................................... 11 1.4 Kết luận.................................................................................................................... 11 CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN K .................... 12 2.1. Đặt vấn đề. .............................................................................................................. 12 2.2. Các phương pháp xác định hệ số nền. .................................................................... 12 2.2.1. Xác định hệ số nền theo Winkler: ....................................................................... 15 2.2.2. Theo công thức Terzaghi: .................................................................................... 15 2.2.3. Phương pháp xác định hệ số nền bằng Bowles. .................................................. 16 2.2.4. Phương pháp xác định hệ số nền theo tiêu chuẩn Việt Nam. .............................. 17 2.2.5. Một số phương pháp xác định hệ số nền bằng tra bảng khác. ............................. 18 2.2.5.1 Dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng .......................... 18 2.2.6. Các Phương pháp xác định hệ số nền khác. ........................................................ 19 2.2.6.1. Phương pháp thí nghiệm: ................................................................................. 19 2.2.6.2. Phương pháp thực hành: ................................................................................... 20 2.3. So sánh và phân tích. .............................................................................................. 22 2.4. Kết luận................................................................................................................... 23 CHƢƠNG III THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI BẰNG PHẦN MỀMMIDAS/CIVIL .......................................................................... 24 3.1. Mô hình hóa tính toán cống hộp bằng Midas/Civil. ............................................... 24 3.1.1. Tổng quan về phần mềm Midas/Civil. ................................................................ 24 3.1.2. Số liệu phục vụ khảo sát: ..................................................................................... 26 3.1.3. Mô hình tính toán cống hộp trong Midas/ Civil: ................................................. 27 3.3.3. Phân tích kết cấu:................................................................................................. 37 3.3.3.2 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp Bowles: ......................... 40 3.3.3.3 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp tra bảng: ........................ 42 3.3.3.4 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp terzaghi: ........................ 44 3.4. Kiểm toán cống hộp theo nhiều hệ số nền khác nhau: ........................................... 48 3.5. Phân tích kết quả theo 4 hệ số nền bằng phần mềm Midas/Civil: ......................... 54 3.6. Phân tích kết quả. ................................................................................................... 54 3.6.1 Bản vẽ bố trí cốt thép của cống. ........................................................................... 54 3.6.2. Phân tích kết quả: ................................................................................................ 56 3.7. Kết luận: ................................................................................................................. 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: ................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 59 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cống hộp 2 cửa ............................................................................................................. 1 Hình 2 : Mặt cắt ngang cống hộp ............................................................................................... 1 Hình 4 : Hình ảnh thi công cống hộp ......................................................................................... 2 Hình 5 : Minh họa sự cần thiết của đề tài .................................................................................. 3 Hình: 1.1 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối cố định ................................................................... 8 Hình: 1.2 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối đàn hồi ................................................................... 8 Hình 1.3: Phần mềm thiết kế kết cấu công trình Midas/Civil .................................................... 9 Hình 1.4: Phần mềm thiết kế kết cấu công trình Sap2000 ....................................................... 10 Hình 2.1: Lỗ khoan địa chất ..................................................................................................... 13 Hình 2.2: Kết quả thí nghiệm đất ............................................................................................. 14 Hình 2.3: Biểu đồ để tra Nc; Nq; Nγ .......................................................................................... 16 Hình 2.4 Quan hệ giữa ứng suất gây lún và độ lún.................................................................. 20 Hình 2.5: Kết quả tính toán hệ số nền k theo các phương pháp khác nhau ............................. 22 Hình 3.1: Mặt cắt ngang cống .................................................................................................. 26 Hình 3.2: Sơ đồ tính toán cống hộp đặt trên nền đàn hồi. ....................................................... 27 Hình 3.3: Nhập dữ liệu theo phương dọc ................................................................................. 28 Hình 3.4: Nhập dữ liệu theo phương ngang ............................................................................. 29 Hình 3.5: Nhập dữ liệu đầu vào tải trọng và tiêu chuẩn thiết kế ............................................. 30 Hình 3.6: Phân tích mô hình hoàn chỉnh. ................................................................................ 31 Hình 3.7: Mô hình hóa điều kiện biên sử dụng các điểm hỗ trợ lò xo .................................... 31 Hình 3.8: Liên kết đàn hồi giữa đất nền và cống hộp ............................................................. 33 Hình 3.9: Khai báo các trường hợp tải trọng .......................................................................... 35 Hình 3.10: Tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn AASHTO ............................................................ 36 Sơ đồ kết cấu sau khi gán tải trọng thiết kế như hình 3.11 ...................................................... 36 Hình 3.11: Sơ đồ tải trọng của cống đặt trên gối đàn hồi ....................................................... 36 Hình 3.12: Vị trí các mặt cắt có nội lực lớn trong cống hộp ................................................... 37 Hình 3.13: Biểu đồ Mômen ứng với k theo phương pháp Winkler ........................................... 38 Hình 3.14: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Winkler ............................................ 39 Hình 3.15: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp Winkler ............................................... 39 Hình 3.16: Biểu đồ Mômen ứng với k theo phương pháp Bowles ............................................ 40 Hình 3.17: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Bowles ............................................. 40 Hình 3.18: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp Bowles ................................................ 41 Hình 3.19: Biểu đồ Mômen ứng với k theo phương pháp tra bảng .......................................... 42 Hình 3.20: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp tra bảng ........................................... 42 Hình 3.21: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp tra bảng.............................................. 43 Hình 3.22: Biểu đồ Mômen ứng với k theo phương pháp Terzaghi ......................................... 44 Hình 3.23: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Terzaghi .......................................... 44 Hình 3.24: Biểu đồ chuyển vị ứng với k theo phương pháp Terzaghi ...................................... 45 Hình 3.25: So sánh giá trị Mômen tại các mặt cắt bất lợi của cống ứng với k theo 4 phương pháp. ......................................................................................................................................... 47 Hình 3.27: Khai báo tiêu chuẩn thiết kế vật liệu ...................................................................... 49 Hình 3.28: Khai báo phương thiết kế ....................................................................................... 49 Hình 3.29: Khai báo các hệ số tải trọng .................................................................................. 49 Hình 3.31: Khai báo tiết diện của phần tử ............................................................................... 50 Hình 3.32: Tóm tắc kết quả thiết kế mặt cắt ngang .................................................................. 51 Hình 3.33: Chi tiết kiểm toán phần tử ...................................................................................... 52 Hình 3.34: Chi tiết kiểm toán sườn đứng ................................................................................. 53 Hình 3.35: Bố trí cốt thép 2H(3x2)M của cống thực tế ............................................................ 55 Hình 3.36: Sơ họa cốt thép ở bản nắp và bản đáy ................................................................... 55 Hình 3.37: So sánh diện tích cốt thép ....................................................................................... 57 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 : Bảng xác định hệ số nền ..............................................................................15 Bảng 2.2 : Đại lượng của công thức Terzaghi .............................................................. 16 Bảng 2.3 : Đại lượng của công thức Bowles .................................................................17 Bảng 2.4: Bảng tra k theo quy trình 22TCN 18-79 ......................................................18 Bảng 2.5: Bảng tra k dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng ..18 Bảng 2.6: Bảng tra k dựa vào loại đất, thành phần hạt, hệ số rỗng, độ sệt. ...............19 Bảng 2.7: Trị số 𝜈, 𝛽 và A của các loại đất ..................................................................21 Bảng 2.8. Kết quả xác định hệ số nền k bằng 4 phương pháp ......................................22 Bảng 3.1 : Thông số mặt cắt ngang cống hộp: ............................................................. 26 Bảng 3.2: Vị trí các mặt cắt cống hộp ...........................................................................38 Bảng 3.3: Kết quả nội lực lớn nhất ở các mặt cắt theo Winkler ...................................39 Bảng 3.4: Kết quả nội lực lớn nhất theo Bowles ........................................................... 41 Bảng 3.5: Kết quả nội lực lớn nhất theo tra bảng......................................................... 43 Bảng 3.6: Kết quả nội lực lớn nhất theo Terzaghi ........................................................ 45 Bảng 3.7: Kết quả nội lực lớn nhất theo 4 phương pháp ..............................................46 Bảng 3.8: Diện tích cốt thép cần thiết theo các giá trị hệ số nền K.............................. 54 Bảng 3.9: Diện tích cốt thép trình thực tế .....................................................................56 Bảng 3.10: So sánh diện tích cốt thép tính toán với công trình thực tế ........................ 56 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Với việc phát triển nhanh chóng hiện nay của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ dẫn đến những nhu cầu về kinh tế, văn hóa, xã hội… cũng tăng theo. Bên cạnh việc đáp ứng kịp những nhu cầu đó thì việc xây dựng, phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật, giao thông, vận tải vv… là hết sức cần thiết. Cầu, cống thoát nước nói chung và Cống hộp nói riêng là loại công trình nhân tạo khá phổ biến trong công trình giao thông. Tác dụng chủ yếu là để thoát nước của các dòng chảy thường xuyên hay định kỳ chảy qua phía dưới nền đắp, ngoài ra cống còn làm đường chui dân sinh. Hình 1: Cống hộp 2 cửa Hình 2 : Mặt cắt ngang cống hộp 2 CAÉT DOÏC COÁNG HOÄP 2H(3X2)M (1/100) Hình 3 : Mặt cắt dọc cống hộp Hình 4 : Hình ảnh thi công cống hộp Số lượng các công trình thoát nước trên tuyến phụ thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu trong đó cống chiếm 80% - 90% số lượng các công trình thoát nước. Ở Việt Nam đối với đường cấp IV miền núi trung bình 1km đường có 4 – 9 cái cống . Giá thành xây dựng cống thường chiếm 10% - 20% giá thành toàn bộ tuyến [1]. Trong các công trình thoát nước, cống hộp hiện nay được sử dụng tương đối phổ biến cho công trình giao thông đường bộ, đường sắt. 3 Quá trình thi công cống ít phức tạp, tiến độ thi công tương đối nhanh, có thể đúc sẵn theo định hình. Kiểm tra, giám sát chất lượng trong quá trình thi công có nhiều thuận lợi. Áp dụng cho nhiều loại địa chất, địa hình. Hình 5 : Minh họa sự cần thiết của đề tài Tuy nhiên trong quá trình thiết kế cống hộp hiện nay, việc lựa chọn hệ số nền để thiết kế cống chưa được rỏ ràng, làm cho đơn vị quản lý gặp khó khăn trong quá trình thẩm tra, kiểm toán kết cấu cống. - Thông thường việc kiểm toán cống bằng bảng tính Excel nên khó kiểm soát kết quả trong quá trình thẩm tra. Thiết kế gần giống như định hình nên chưa đánh giá chính xác sự tương tác của đất nền với cống cho từng trường hợp cụ thể. Nhiều cống điều kiện làm việc khác nhau nhưng bố trí cốt thép như nhau, mác bê tông như nhau dẫn đến lãng phí hoặc không an toàn. - Trong quá trình thiết kế cống hộp bằng phần mềm máy tính hiện nay, người thiết kế chọn liên kết giữa đất nền với kết cấu cống bằng liên kết cứng hoặc đàn hồi thông thường là chưa phù hợp, chưa phản ánh hết bản chất làm việc của kết cấu cống. Nhằm phản ánh sự làm việc đồng thời của cống trên nền đất, phân tích làm rỏ hơn về sự tương tác của hệ số nền đất với kết cấu cống trong thiết kế và kiểm toán cống hộp nhằm góp phần phục vụ cho công tác thiết kế xác với thực tế, tiết kiệm chi phí đầu 4 tư đồng thời có cơ sở cho công tác kiểm toán trong quá trình khai thác và kiểm định công trình sau này. Với những nhận định trên tác giả nhận thấy việc Nghiên cứu thiết kế cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền là hết sức cần thiết. 2. Đối tƣợng nghiên cứu: - Cống hộp nhiều cửa - Sự tương tác giữa cống hộp và nền đất - Kiểm toán cống hộp bằng phần mềm Midas/Civil 3. Phạm vi nghiên cứu: - Cống hộp 2 cửa (2m x 3m) - Tính toán hệ số nền bằng nhiều phương pháp. - Thiết kế và kiểm toán cống hộp bằng Midas/Civil 4. Mục tiêu nghiên cứu: - Lựa chọn hệ số nền phù hợp để đưa vào chương trình máy tính - Thiết kế và kiểm toán cống hộp băng phần mềm Midas/Civil 5. Phƣơng pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế cống hộp. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định hệ số nền. - Nghiên cứu mô hình thiết kế và kiểm toán cống bằng Midas/Civil 6. Kết cấu của luận văn. Chƣơng 1. Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp trên nền đàn hồi 1.1. Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp 1.2. Tương tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn hồi 1.3. Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp hiện nay 1.4. Kết luận. Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết để xác định hệ số nền k. 2.1 Đặt vấn đề. 2.2.Các phương pháp xác định hệ số nền. 2.3 So sánh và phân tích. 2.4. Kết luận. Chƣơng 3. Thiết kế và kiểm toán cống hộp trên nền đàn hồi bằng phần mềm Midas/Civil. 5 3.1. Mô hình hóa tính toán cống hộp bằng Midas/Civil 3.2 Mô tả liên kết cống hộp với đất nền 3.3. Tính toán và thiết kế cống hộp theo các hệ số nền khác nhau 3.4. Kiểm toán cống hộp theo nhiều hệ số nền khác nhau 3.5 Phân tích kết quả 3.6 Kết luận Kết luận và kiến nghị. 1. Kết luận. 2. Kiến nghị. 6 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI 1.1 Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp Cống thoát nước nói chung và cống hộp nói riêng là một trong những công trình xây dựng thiết yếu trên hệ thống công trình đường bộ. Trong lĩnh vực thiết kế công trình cống hiện nay ở nước ta phần lớn là sử dụng tiêu chuẩn 22TCN272-05 để làm cơ sở thiết kế cho công trình cống. Bộ tiêu chuẩn này đưa ra những yêu cầu tối thiểu cho an toàn công cộng. Tùy theo điều kiện có thể đòi hỏi sự linh hoạt của thiết kế hoặc chất lượng vật liệu và thi công không nhất thiết cao hơn yêu cầu tối thiểu. Các quy định của Bộ tiêu chuẩn này dựa vào phương pháp luận thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD), các hệ số được lấy từ lý thuyết độ tin cậy dựa trên kiến thức thống kê hiện nay về tải trọng và tính năng của kết cấu. Ngoài ra trong quá trình thiết kế cống còn sử dụng tiểu chuẩn Việt Nam TCVN 9116 – 2012 Cống bê tông cốt thép để thiết kế. Khi tính toán thiết kế cống đòi hỏi người thiết kế phải nghiên cứu, điều tra khảo sát, thực nghiệm khá chặt chẽ. Những năm gần đây và hiện nay cùng với tiến trình hội nhập, nhiều phương pháp tính toán trong thiết kế cùng vật liệu và kết cấu mới, các công nghệ thi công tiên tiến được áp dụng vào thực tiễn xây dựng các công trình Cống hộp ở Việt Nam. Cùng với đó việc áp dụng các phần mềm thiết kế hiện đại như Sap 2000, Midas/civil, C-pro… Vào chương trình tính toán cũng trở nên phổ biến hơn, tuy nhiên việc khảo sát, thiết kế và kiểm toán cống hộp cần đảm bảo các bước thiết kế cơ bản nhất định. Việc thiết kế cống là một công tác rất tổng hợp, bao gồm từ điều tra khảo sát thủy văn, tính toán lưu lượng nước, chọn loại cống và bố trí chung, tính toán thủy lực: xác định khẩu độ cống, tính toán các thiết bị tiêu năng, tính xói và gia cố hạ lưu cống, cho đến việc thiết kế và kiểm toán cống, thiết kế nền móng cho cống, bố trí khe phòng lún và tầng phòng nước vv…[2]. Trong quá trình kiểm toán cống cẩn đảm bảo kiểm toán đầy đủ các trạng thái giới hạn của kết cấu cống. Theo phương pháp thủ công thì thường lập bảng tính trên Excel để kiểm toán kết cấu cống. Hiện nay, hệ thống phần mềm thiết kế và kiểm toán kết cấu công trình phát triển tương đối mạnh và hỗ trợ đắt lực cho người thiết kế đồng thời cho 7 kết quả số liệu có độ chuẩn xác cao, tuy nhiên đa phần cũng chỉ dừng ở mức dùng phần mềm tính toán phân tích nội lực sau đó kiểm toán bằng bảng tính Excel. Qua thực tế cho thấy, quá trình thiết kế cống lâu nay cũng còn tồn tại hai quan điểm thiết kế khác nhau, đó là quan điểm thiết kế cống không xét đến tương tác với đất nền và quan điểm thiết kế cống có xét đến tương tác với đất nền. - Theo cách thiết kế cống hộp lâu nay của một số đơn vị tư vấn có quy mô nhỏ khi thiết kế cống hộp thường tách biệt hệ thống kết cấu cống hộp với nền đất, nghĩa là thiết kế cống riêng và thiết kế nền móng riêng. Thường thiết kế những cống đơn giản, thiết kế theo cách kế thừa hoặc dựa trên kinh nghiệm và thậm chí là sao chép nên việc không xét đến tương tác với nền đất khi thiết kế cống là rất phổ biến. Người thiết kế quan niệm rằng kết cấu cống đặt trên nền đất đã được xử lý đạt yêu cầu và xem như cống được đặt trên các gối cố định, nên khi thiết kế và kiểm toán cống hộp người thiết kế chỉ tính kết cấu cho phần cống dựa trên các tải trọng như: tải trọng bản thân, tải trọng đất đắp, tải trọng kết cấu áo đường, áp lực đất ngang, tải trọng xe,… mà không xét đến lực kháng đàn hồi của đất tác dụng ngược lên bản đáy cống. Xem cống hộp đặt trên nền đất như kết cấu đặt trên các gối cố định, điều này dẫn đến kết quả phân tích nội lực của cống chưa chính xác. Về quá trình thiết kế và kiểm toán cống hộp đặt trên gối cố định bằng phương pháp thủ công lâu nay các đơn vị tư vấn vẫn làm theo trình tự: - Xác định các số liệu đầu vào để tính toán như: + Khảo sát tính toán thủy văn, chọn vị trí đặt cống, chọn loại cống, khẩu độ cống vv… + Các kích thước cơ bản của cống + Chọn vật liệu. + Xác định sơ đồ tính toán + Xác định tải trọng tác dụng lên cống: Tĩnh tải, Hoạt tải. - Nguyên tắc tính toán: + Tính toán cống hộp với sơ đồ tính là khung nhịp khép kín đặt trên gối cố định + Cắt 1m dài để tính toán. + Tính toán nội lực bằng các phần mềm, sau đó lấy kết quả nội lực đi kiểm toán bằng bảng tính Excel. 8 Khi thiết kế cống hộp đặt trên gối cố định sẽ cho giá trị mômen bản đáy khá lớn so với giá trị mômen bản đáy khi khai thác thực tế, dẫn đến việc bố trí cốt thép cho kết cấu cống khá dư thừa. HL93,TRUCK DC,DW,EV EH EH Hình: 1.1 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối cố định Trên thực tế cống hộp thường được đặt trực tiếp trên các nền đất, nền đá, nền nhân tạo... vì tính chất của nền là đàn hồi nên bề mặt của đáy cống được xem như đặt trên các lò xo, các lò xo không liên quan với nhau và cường độ phản lực của đất tại mỗi điểm tỉ lệ bậc nhất với độ lún đàn hồi tại điểm đó thông qua hệ số nền đàn hồi k không đổi cho mỗi loại đất. Với nhận định trên, quan điểm thiết kế cống hộp trên nền đàn hồi đến thời điểm hiện nay được sử dụng để thiết kế và kiểm toán cống hộp khá phổ biến, qua đó cũng yêu cầu người thiết kế cân nhắc hơn trong quá trình thiết kế cống hộp. Hình: 1.2 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối đàn hồi 9 Với sự phát triển của công nghệ và yêu cầu ngày càng cao của chất lượng sản phẩm thiết kế, hiện nay các công ty tư vấn đã bắt đầu đầu tư phần mềm thiết kế công trình để phân tích kết cấu trong quá trình thiết kế, các tư vấn dùng liên kết giữa đất nền với cống bằng các gối đàn hồi là hợp lý, kết quả tính toán xác với điều kiện làm việc của cống, tuy nhiên các nhà thiết kế chưa quan tâm nhiều đến hệ số nền, thường chỉ dùng một phương pháp tính hệ số nền để cho kết quả và đưa vào chương trình máy tính. Điều đó dẫn đến chưa đánh giá hết quá trình làm việc giữa cống hộp và nền đất, Với từng phương pháp tính hệ số nền sẽ cho kết quả khác nhau ở cùng một loại địa chất, hệ số nền có ảnh hưởng đến kết quả nội lực của cống, vì thế với nhiều hệ số nền sẽ cho nhiều kết quả khác nhau, đặc biệt là mômen bản đáy của cống hộp. Vì thế, kết quả nội lực sau khi tính toán chưa xác với quá trình làm việc của cống. Quá trình thiết kế cống trên nền đàn hồi hiện nay thường sử dụng phần mềm thiết kế để mô hình hóa, phân tích kết cấu sau đó xuất nội lực và kiểm toán bằng bảng tính Excel. Khác với thiết kế cống đặt trên gối cố định, cống đặt trên nền đàn hồi phải đi tính toán hệ số nền và khai báo liên kết giữa cống và nền đất. Việc thiết kế cống hộp đặt trên nền đàn hồi sẽ phân tích kết quả nội lực xác với thực tế và kinh tế hơn hơn cách thiết kế cống hộp đặt trên các gối cố định. Hiện nay các đơn vị tư vấn đã áp dụng khá tốt các phần mềm vào quá trình thiết kế cống hộp, tuy nhiên việc kiểm toán báng tự động dẫn đến một số chủ quan của người thiết kế trong khâu kiểm soát số liệu làm cho nhiều chủ đầu tư gặp khó khăn trong công tác thẩm tra, thẩm định. Một số phần mềm thường dùng để tính toán kết cấu và thiết kế cống hiện nay: Hình 1.3: Phần mềm thiết kế kết cấu công trình Midas/Civil 10 Hình 1.4: Phần mềm thiết kế kết cấu công trình Sap2000 1.2 Tƣơng tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn hồi. Công trình ngầm, đặc biệt là công trình cống hộp đặt không sâu trong lòng đất chịu tác dụng của các loại tải trọng ngoài khác nhau. Đặc trưng phân bố và cường độ của chúng phụ thuộc vào nhiều nhân tố như: chiều sâu đặt cống, điều kiện địa chất công trình, đặc trưng công trình xây dựng trên mặt đất, tải trọng phương tiện giao thông trên cống cũng như trên mặt đất vv… Cơ chế tương tác của kết cấu cống với khối đất nền rất phức tạp, phụ thuộc vào tính chất cơ lý, cấu trúc và trạng thái tự nhiên của đất nền; công nghệ đào đất cũng như việc chống đỡ chúng. Đa số các phương pháp tính đã có không phản ánh đầy đủ cơ chế tương tác giữa kết cấu cống và nền đất. Các phương pháp tính toán dựa trên công cụ cơ học kết cấu và thường tính với những tải trọng đã biết. Dưới tác dụng của các loại tải trọng chủ động, tất cả các kết cấu cống hầu hết đều biến dạng. Ở những phần của kết cấu có chuyển vị thì đất nền sẽ phát sinh phản lực chống lại biến dạng này. Đó là lực kháng đàn hồi (hệ số k). Lực kháng đàn hồi làm thay đổi sự làm việc của kết cấu, điều tiết biến dạng và nội lực trong kết cấu của cống, đặt biệt là bản đáy của cống. Biến dạng và nội lực của cống hộp thay đổi theo hệ số nền và bề dày lớp đất nền đặt cống.