Tài liệu Phân tích ứng xử của kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi có xét đến áp lực đất yếu thuộc khu vực tỉnh trà vinh

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI CÓ XÉT ĐẾN ÁP LỰC ĐẤT YẾU THUỘC KHU VỰC TỈNH TRÀ VINH Học viên: La Tài Mã số: 85.80.205 Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Khóa: K31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn trình bày các kết quả phân tích ứng xử của cống hộp 1 ngăn, 2 ngăn, 3 ngăn đặt trên nền đất yếu của khu vực tỉnh Trà Vinh và chịu các tải trọng tác dụng như: tải trọng bản thân cống hộp, áp lực đất 2 bên thành cống, hoạt tải HL93 của xe tác dụng lên cống. Qua kết quả cho ta thấy cống đặt trên nền đất yếu có ứng xử khác nhau đặc biệt ở bản đáy cống. Kết quả phân tích này làm tài liệu tham khảo để thiết kế cống hộp trên nền đất yếu. Từ khóa – phân tích ứng xử, cống hộp, hệ số nền, tải trọng tác dụng, sap2000 BEHAVIOR ANALYSIS OF STRUCTURE BASED CONJUGATES ELASTIC PRESSURE TAKING LAND MAJOR SECTOR TRA VINH PROVINCE Student: La Tai Major: Civil engineering works ID: 85.80.205 Course:K31 University of Technology - Da Nang University Abstract - Thesis presents the results of analyzing the behavior of box culvert 1 compartment 2 and compartment 3 compartment placed on soft ground of the area of Tra Vinh province and bear the load acting as load ourselves box culvert earth pressure 2 sides successful operation of the vehicle HL93 load acting on the drain. The result shows the drain placed on soft ground may behave differently in the bottom drain special. Results of this analysis makes reference to design the box culvert on soft ground. Keyword - Conduct analysis, box culvert , bedding value, load acting , Sap2000. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN GIỚI THIỆU CHUNG ..................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỐNG HỘP VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH ............................................................... 4 1.1. Giới thiệu chung về kết cấu cống hộp ......................................................................4 1.2. Đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh: ........................................................ 11 1.2.1 Giới thiệu sơ lượt về đặc điểm địa lý tỉnh Trà Vinh ; ...........................................11 1.2.2 Địa chất đặc trưng khu vực tỉnh Trà Vinh: ........................................................... 12 1.2.3 Đặc điểm xác định đất yếu: ..................................................................................14 1.3. Hướng nghiên cứu đề tài và kết luận: .....................................................................15 1.3.1 Hướng nghiên cứu đề tài :.....................................................................................15 1.3.2 Kết luận chương I: ................................................................................................ 16 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI ............................................................................................................17 2.1 Mô hình tính toán : ..................................................................................................17 2.2 Cơ sở xác định thông số nền và áp lực đất: ............................................................ 18 2.2.1 Cơ sở xác định thông số nền: ................................................................................19 2.2.2 Cơ sở xác định áp lực đất 2 bên thành cống: ........................................................ 23 2.3 Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi: ................................ 26 2.3.1 Lý thuyết tính toán 22TCN272 – 05: ....................................................................26 2.3.2 Giới thiệu phần mềm phân tích kết cấu: ............................................................... 29 2.4 Kết luận: ..................................................................................................................30 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI ............................................................................................................................... 31 3.1 Các số liệu cơ bản của kết cấu cống hộp: ............................................................... 31 3.1.1 Số liệu địa chất để phân tích: ................................................................................31 3.1.2 Phân tích hệ số nền theo Winkler: ........................................................................32 3.1.3 Kích thước của cống và tải trọng tác dụng lên cống: ...........................................33 3.2 Mô hình và kết quả phân tích ứng xử kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi: .............40 3.2.1 Cống hộp cơ bản: ..................................................................................................40 3.2.2 Cống hộp mở rộng bản đáy : ..............................................................................56 3.3 Kết luận chương 3: ..................................................................................................72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................73 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................74 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Trắc dọc cống ..................................................................................................4 Hình 1.2: Thi công cống hộp 1 ngăn trên Đường huyện 39 thuộc ..................................7 Hình 1.3: Cống hộp 1 ngăn có cửa xã .............................................................................7 Hình 1.4: Cống hộp 2 ngăn.............................................................................................. 8 Hình 1.5: Thi công cống hộp 2 ngăn ...............................................................................8 Hình 1.6: Thi công cống hộp 3 ngăn ...............................................................................9 Hình 1.7: Cống hộp 3 ngăn.............................................................................................. 9 Hình 1.8: Cống hộp trên đường Nguyễn Hòa Luông, ...................................................10 Hình 1.9: Kết cấu điển hình của cống hộp 2 ngăn trên địa bàn.....................................10 Hình 1.10: Bản đồ tỉnh Trà Vinh ...................................................................................11 Hình 2.1: Mô hình cống hộp.......................................................................................... 17 Hình 2.2: Mô hình cống 1 ngăn có các lực tác dụng .....................................................17 Hình 2.3: Mô hình cống 2 ngăn có các lực tác dụng .....................................................18 Hình 2.4: Mô hình cống 3 ngăn có các lực tác dụng .....................................................18 Hình 2.5: Mô hình tính cống 3 ngăn có các lực tác dụng ..............................................20 Hình 2.6: Quan hệ giữa ứng suất gây lún và độ lún ......................................................21 Hình 2.7: Chú giải Coulomb về áp lực đất ....................................................................25 Hình 2.8: Các tải trọng tác dụng lên cống .....................................................................27 Hình 2.9: Đặc trưng của xe tải thiết kế .........................................................................27 Hình 3.1: Mô hình Winkler ........................................................................................... 32 Hình 3.2: Kích thước cống hộp 1 ngăn .........................................................................34 Hình 3.3: Kích thước cống hộp 2 ngăn .........................................................................34 Hình 3.4: Kích thước cống hộp 3 ngăn .........................................................................35 Hình 3.5: Trắc dọc cống ................................................................................................ 35 Hình 3.6: Áp lực đất tác dụng lên cống .........................................................................36 Hình 3.7: Chú giải Coulomb về áp lực đất ....................................................................36 Hình 3.8: Kích thước cống hộp 1 ngăn mở rộng bản đáy .............................................37 Hình 3.9: Kích thước cống hộp 2 ngăn mở rộng bản đáy .............................................38 Hình 3.10: Kích thước cống hộp 3 ngăn mở rộng bản đáy ...........................................38 Hình 3.11: Trắc dọc cống hộp mở rộng bản đáy ........................................................... 38 Hình 3.12: Áp lực đất tác dụng lên cống mở rộng bản đáy...........................................39 Hình 3.13: Mô hình đáy cống hộp 1 ngăn cơ bản liên kết đàn hồi ............................... 40 Hình 3.14: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống hộp 1 ngăn cơ bản .............41 Hình 3.15: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống hộp 1 ngăn cơ bản .............41 Hình 3.16: Biểu đồ Mômen cống hộp 1 ngăn cơ bản ...................................................42 Hình 3.17: Biểu đồ lực dọc cống hộp 1 ngăn cơ bản ...................................................42 Hình 3.18: Biểu đồ lực cắt cống hộp 1 ngăn cơ bản .....................................................43 Hình 3.19: Mô hình đáy cống hộp 1 ngăn cơ bản trên nền tuyệt đối cứng ...................43 Hình 3.20: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên cống hộp 1 ngăn cơ bản .......................... 44 Hình 3.21: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên cống hộp 1 ngăn cơ bản .......................... 44 Hình 3.22: Biểu đồ Mômen cống hộp 1 ngăn cơ bản ....................................................45 Hình 3.23: Biểu đồ lực dọc cống hộp 1 ngăn cơ bản ....................................................45 Hình 3.24: Biểu đồ lực cắt cống hộp 1 ngăn cơ bản .....................................................46 Hình 3.25: Mô hình đáy cống hộp 2 ngăn cơ bản đặt trên nền đàn hồi ........................ 46 Hình 3.26: Áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống hộp 2 ngăn cơ bản ...................47 Hình 3.27: Áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống hộp 2 ngăn cơ bản.....................47 Hình 3.28: Biểu đồ Mômen cống hộp 2 ngăn cơ bản ....................................................48 Hình 3.29: Biểu đồ lực dọc cống hộp 2 ngăn cơ bản ....................................................48 Hình 3.30: Biểu đồ lực cắt cống hộp 2 ngăn cơ bản .....................................................49 Hình 3.31: Mô hình đáy cống hộp 2 ngăn cơ bản đặt trên nền tuyệt đối cứng .............49 Hình 3.32: Áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống hộp 2 ngăn cơ bản ...................50 Hình 3.33: Áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống hộp 2 ngăn cơ bản.....................50 Hình 3.34: Biểu đồ Mômen cống hộp 2 ngăn cơ bản ....................................................51 Hình 3.35: Biểu đồ lực dọc cống hộp 2 ngăn cơ bản ....................................................51 Hình 3.36: Biểu đồ lực cắt cống hộp 2 ngăn cơ bản .....................................................52 Hình 3.37: Mô hình cống hộp 3 ngăn cơ bản liên kết đàn hồi ......................................52 Hình 3.38: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống hộp 3 ngăn cơ bản .............53 Hình 3.39: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống hộp 3 ngăn cơ bản ..............53 Hình 3.40: Biểu đồ Mômen cống hộp 3 ngăn cơ bản ....................................................53 Hình 3.41: Biểu đồ lực dọc cống hộp 3 ngăn cơ bản ....................................................54 Hình 3.42: Biểu đồ lực cắt cống hộp 3 ngăn cơ bản .....................................................54 Hình 3.43: Mô hình cống hộp 3 ngăn cơ bản đặt trên nền tuyệt đối cứng ....................54 Hình 3.44: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống cống hộp 3 ngăn cơ bản ....55 Hình 3.45: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống cống hộp 3 ngăn cơ bản .....55 Hình 3.46: Biểu đồ Mômen cống hộp 3 ngăn cơ bản ....................................................55 Hình 3.47: Biểu đồ lực dọc cống hộp 3 ngăn cơ bản ....................................................56 Hình 3.48: Biểu đồ lực cắt cống hộp 3 ngăn cơ bản .....................................................56 Hình 3.49: Mô hình đáy cống 1 ngăn bản đáy mở rộng liên kết đàn hồi ......................56 Hình 3.50: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ...57 Hình 3.51: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ....57 Hình 3.52: Biểu đồ Mômen cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ..........................................58 Hình 3.53: Biểu đồ lực dọc cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ...........................................58 Hình 3.54: Biểu đồ lực cắt cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ............................................59 Hình 3.55: Mô hình cống 1 ngăn bản đáy mở rộng liên kết tuyệt đối cứng..................59 Hình 3.56: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ...60 Hình 3.57: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ....60 Hình 3.58: Biểu đồ Mômen cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ..........................................61 Hình 3.59: Biểu đồ lực dọc cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ...........................................61 Hình 3.60: Biểu đồ lực cắt cống 1 ngăn bản đáy mở rộng ............................................62 Hình 3.61: Mô hình cống 2 ngăn bản đáy mở rộng đặt trên nền đàn hồi ......................62 Hình 3.62: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ...63 Hình 3.63: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ....63 Hình 3.64: Biểu đồ Mômen cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ..........................................64 Hình 3.65: Biểu đồ lực dọc cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ...........................................64 Hình 3.66:Biểu đồ lực cắt cống 2 ngăn bản đáy mở rộng .............................................64 Hình 3.67: Mô hình đáy cống 2 ngăn bản đáy mở rộng đặt trên nền tuyệt đối cứng ....65 Hình 3.68: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ...65 Hình 3.69: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ....65 Hình 3.70: Biểu đồ Mômen cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ..........................................66 Hình 3.71: Biểu đồ lực dọc cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ...........................................66 Hình 3.72: Biểu đồ lực cắt cống 2 ngăn bản đáy mở rộng ............................................66 Hình 3.73: Mô hình đáy cống 3 ngăn bản đáy mở rộng đặt trên nền đàn hồi ...............67 Hình 3.74: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ...67 Hình 3.75: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ....67 Hình 3.76: Biểu đồ Mômen cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ..........................................68 Hình 3.77: Biểu đồ lực dọc cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ...........................................68 Hình 3.78: Biểu đồ lực cắt cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ............................................68 Hình 3.79: Mô hình cống 3 ngăn bản đáy mở rộng trên nền tuyệt đối cứng ................69 Hình 3.80: Gán áp lực lớp phủ tác dụng lên bản nắp cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ...69 Hình 3.81: Gán áp lực đất tác dụng lên 2 bên thành cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ....69 Hình 3.82: Biểu đồ Mômen cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ..........................................70 Hình 3.83: Biểu đồ lực dọc cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ...........................................70 Hình 3.84: Biểu đồ lực cắt cống 3 ngăn bản đáy mở rộng ............................................70 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các lớp địa tầng Trà Vinh phân bố đại diện như sau: ..................................13 Bảng 1.2: Địa chất điển hình công trình 30/4, huyện Cầu Kè, trên địa bàn Trà Vinh: 13 Bảng 1.3: Bảng mô tả các loại đất .................................................................................13 Bảng 2.1: Bảng tra giá trị µ theo Vesic .........................................................................19 Bảng 2.2: Bảng tra k theo quy trình 22TCN 18-79 .......................................................21 Bảng 2.3: Trị số v, β và A của các loại đất ....................................................................22 Bảng 2.4: Hệ số điển hình của áp lực đất ngang tĩnh ................................................24 Bảng 2.5: Góc ma sát của các loại vật liệu khác nhau ..................................................25 Bảng 2.6: Tỷ trọng .......................................................................................................26 Bảng 3.1: Đặc trưng cơ lý của các lớp đất ....................................................................31 Bảng 3.2: Chiều dày của các lớp đất .............................................................................32 Bảng 3.3: Chiều dày của các lớp đất .............................................................................33 Bảng 3.4: Bảng tổng hợp các lực tác dụng lên cống hộp bình thường ......................... 37 Bảng 3.5: Bảng tổng hợp các lực tác dụng lên cống hộp bình thường .......................... 40 Bảng 3.6: Phần trăm chênh lệch nội lực giữa cống bản đặt trên nền đàn hồi so với cống bản đặt trên nền tuyệt đối cứng .....................................................................................71 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1. Đặt vấn đề Những thành tựu hơn 20 năm đổi mới của đất nước theo đường lối của Đảng đã thúc đẩy ngành xây dựng trưởng thành về nhiều mặt. Nhiều công nghệ xây dựng tiên tiến đã được áp dụng ở Việt Nam. Hoạt động xây dựng đã và đang chuyển mình theo xu thế công nghiệp hoá và hiện đại hoá. Một trong những tiêu chí để đánh giá trình độ công nghiệp hóa ngành xây dựng là tỷ lệ sử dụng các sản phẩm bê tông công nghiệp vào công trình. Sản phẩm bê tông hiện có mặt trên mọi công trường, đóng vai trò quan trọng nhất là ở các kết cấu của các công trình xây dựng cơ sở hạ tầng như: các hệ thống cấp thoát nước, công trình thủy, cầu, cảng, thủy lợi, thủy điện... Các công trình thoát nước hiện nay có nhu cầu sử dụng cống hộp lại khá lớn vì tốc độ thoát nước tốt cũng như các đặc tính riêng biệt so với các sản phẩm khác có cùng công dụng. * Ưu điểm của cống: - Khả năng thoát nước nhanh chóng, giúp cho công trình giải quyết một lượng nước lớn khi mưa xuống một cách nhanh chóng. - Ngăn xâm thực mặn, điều tiết thủy lợi tốt. - Cống hộp có khả năng chịu lực, chịu mài mòn của nước cao. - Khi xe di chuyển qua cống hộp sẽ êm thuận hơn qua cầu. - Kích thước dài giúp cho công trình có thể tiết kiệm được chi phí. - Cống ít bị rò rỉ. - Dễ dàng vệ sinh, bảo trì. Một trong những ưu điểm của cống hộp bê tông là được đổ bê tông toàn khối nên có độ bền cao trong môi trường nước thải độc hại. Hơn nữa còn rút ngắn thời gian thi công, tiết kiệm nhân lực… 2. Lý do chọn đề tài Cống hộp bê tông được sử dụng rất nhiều tại các công trình xây dựng hiện nay. Các vấn đề ngập úng khi có mưa lớn có thể giải quyết một cách dễ dàng nhờ dung tích lớn thoát nước tốt, khả năng ngăn được xâm thực mặn. Kết cấu cống hộp được sử dụng rộng rãi ở trong nước, đặc biệt khu vực tỉnh Trà Vinh. Địa chất khu vực tỉnh Trà Vinh có đặc điểm rất riêng và rất yếu do vậy kết cấu cống đặt trên nền địa chất yếu cần phải xem xét khi phân tích thiết kế để đảm bảo hiệu quả sử dụng lâu dài và tiết kiệm chi phí. Việc phân tích ứng xử của kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi có xét đến áp lực đất yếu thuộc khu vực tỉnh Trà Vinh là cần thiết. 2 Đề tài “Phân tích ứng xử của kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi có xét đến áp lực đất yếu thuộc khu vực tỉnh Trà Vinh” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 3. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ứng xử của kết cấu cống hộp trên nền đất yếu thuộc khu vực tỉnh Trà Vinh. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp ứng dụng chương trình tính toán. Trong đó: + Phương pháp lý thuyết: Xác định cơ sở lý thuyết chủ đạo dựa trên các tài liệu tham khảo có liên quan để phân tích tính toán kết cấu. + Ứng dụng các chương trình vào phân tích tính toán kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi có xét đến áp lực đất yếu. 4. Tính cấp thiết của đề tài: Ngày nay khi xây dựng các đô thị mới hiện đại và cải tạo cơ sở hạ tầng của các đô thị cũ chúng ta đang tiến hành việc hạ ngầm đường dây điện, cáp thông tin, nước sinh hoạt…. và giải pháp cho vấn đề đó như thế nào. Một trong những giải pháp mà các nước tiên tiến đã áp dụng từ rất lâu đó là việc đặt ngầm tất cả các đường dây trên kể cả đường cấp nước vào một hệ thống hộp kỹ thuật. Cống hộp thoát nước là loại cấu kiện khá phổ biến trong công trình giao thông của cả nước nói chung và tỉnh Trà Vinh nói riêng. Hiện nay khi thiết kế cống các đơn vị thiết kế chỉ sử dụng mẫu cống định hình mà không phân tích kết cấu thường gây một số sự cố hư hỏng cống nh: nứt, sụp, lún, gẫy,.... Địa chất Trà Vinh có đặc điểm rất yếu nên cần phải xem xét phân tích thiết kế để đảm bảo hiệu quả lâu dài và tiết kiệm chi phí. 5. Bố cục của đề tài Mở đầu Đặt vấn đề - Lý do chọn đề tài (Sự cần thiết phải nghiên cứu). Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu Tính cấp thiết của đề tài Bố cục đề tài: Chương 1: Tổng quan về kết cấu cống hộp và đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh. 1.1 Giới thiệu chung về kết cấu cống hộp 1.2 Đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh 1.3 Hướng nghiên cứu của đề tài và kết luận chương 1 Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi. 2.1 Mô hình tính toán 2.2 Cơ sở xác định các thông số nền và áp lực đất 2.3 Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi 2.4 Kết luận chương 2 3 Chương 3: Phân tích ứng xử kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi. 3.1 Các số liệu cơ bản của kết cấu cống hộp 3.2 Mô hình và kết quả phân tích ứng xử kết cấu cống hộp trên nền đàn hồi 3.3 Kết luận chương 3 Kết luận 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỐNG HỘP VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH 1.1. Giới thiệu chung về kết cấu cống hộp Cống là một công trình nhân tạo khá phổ biến trên một tuyến đường. Tác dụng chủ yếu của cống là dùng 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. Khẩu độ cống là chiều rộng lớn nhất của tiết diện thoát nước. Trường hợp cống có nhiều lỗ thì khẩu độ được tính bằng tổng số khẩu độ của mỗi lỗ. 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. Cống khác cầu nhỏ ở chỗ là nước chảy trong cống không những chỉ có chế độ chảy không áp mà còn có loại chảy có áp hoặc bán áp và chiều cao đất đắp trên đỉnh cống (kể cả chiều dày kết cấu áo đường) tối thiều là 0,5m (đối với đường ôtô) còn đối với đường sắt tối thiểu là 1,0m. Hình 1.1: Trắc dọc cống Cấu tạo một cống bao gồm 3 bộ phận cơ bản như sau: * Đầu cống - Tác dụng: + Điều tiết dòng nước chảy vào và chảy ra khỏi cống; 5 + Giữ ổn định cho mái dốc nền đắp hai đầu cống; + Giữ ổn định cho cống không bị dịch chuyển dọc. - Các bộ phận cơ bản của đầu cống gồm có: + Tường đầu, tường cánh được xây bằng đá hộc, gạch nung hoặc bê tông. Mặt ngoài cống và phần tiếp giáp giữa tường đầu với nền đất trát lớp vữa xi măng. + Sân cống. * Thân cống Là bộ phận chủ yếu của cống cho nước thoát qua dưới nền đường và chịu toàn bộ tải trọng của đất xung quanh và của đoàn xe tác dụng lên nó. Tải trọng tác dụng không phân bố đều theo chiều dọc cống: phần giữa cống có trị số lớn nhất sau đó giảm dần về hai phía đầu cống, do đó nền đất dưới cống thường bị lún không đều dẫn đến cống dễ bị uốn dọc hoặc bị nứt vỡ. Đối với cống hộp thi công đổ liền tại công trường người ta thường chia ra làm nhiều đoạn, mỗi đoạn có chiều dài thường 3-:-5m. * Móng cống Có tác dụng truyền và phân chia áp lực của tải trọng xuống nền đất và giữ ổn định cho cống theo phương thẳng đứng. Trong một số trường hợp móng hai đầu cống còn có tác dụng giữ ổn định dọc cống, không cho cống bị trôi và chống thấm nước vào nền đất dưới móng cống. Móng cống có cấu tạo tuỳ thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật của công trình. Thông thường nền móng của cống được chia làm 3 loại bao gồm: + Loại I: móng cống đặt trên nền đất thiên nhiên. Loại móng này áp dụng đối với loại đất nền là sỏi cuội, cát chặt, sét cứng có cường độ > 2,5kg/m2. Cao độ đặt cống trên mực nước ngầm tối thiểu là 0,3m. + Loại II: móng cống là một lớp đệm đá dăm trộn cát. Loại móng này áp dụng đối với nền là đá phong hoá hoặc lớp đất sét, cát hạt nhỏ, nền đất không thoát nước. + Loại III: móng được xây bằng đá có cường độ 40kg/m2 trở lên hoặc gạch mác M100 xây bằng vữa xi măng mác M100, làm bằng bê tông hoặc BTCT lắp ghép. Loại móng này được áp dụng đối với tất cả các loại đất sét, đất cát có cường độ tính toán lớn hơn ứng suất tính toán dưới đất móng. Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo của các loại móng cống mà người ta lại chia ra làm loại là móng mềm và móng cứng. Móng cứng là loại móng cống được đặt trên nền đá tự nhiên hay móng đá xây, bê tông, bê tông độn đá hộc, hoặc BTCT. * Đất đắp trên cống Để bảo vệ thân cống và lớp sơn phòng nước thì sau khi xây xong cống phải đắp ngay đất trên thân cống, đất đắp trên cống dùng như loại đất đắp nền. Khi đắp phải chia thành từng lớp. Các ưu điểm kết cấu của cống: + Cống không làm thay đổi các điều kiện chuyển động của xe ôtô chạy trên 6 đường khi qua vị trí cống; không hạn chế mặt đường và lề đường; không yêu cầu thay đổi loại kết cấu mặt đường trên cống. + Việc bố trí cống có thể bố trí một cách dễ dàng với bất kỳ một tổ hợp nào của biểu đồ và trắc dọc mà vẫn không gây nên sự phức tạp của kết cấu. + Do nằm sâu dưới nền đường nên sự tăng tải trọng của đoàn xe ít ảnh hưởng đến cống. Vì vậy khi nâng cấp đường (tăng cấp tải trọng) ít khi phải tăng cường cống (nhất là khi chiều cao đất đắp trên đỉnh cống lớn). Trong phân tích kết cấu công trình cống ta sử dụng tiêu chuẩn 22TCN 272:05 để làm cơ sở để tính toán cho công trình cống hộp. Bộ tiêu chuẩn này đưa ra những 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 phân tích kết cấu cống còn sử dụng tiểu chuẩn Việt Nam TCVN 9116 – 2012 Cống bê tông cốt thép để phân tích. Khi phân tích kết cấu cống đòi hỏi người làm phải nghiên cứu, điều tra khảo sát, thực nghiệm khá chặt chẽ. Hiện nay cùng với tiến trình hội nhập, nhiều phương pháp phân tích kết cấu trong thiết kế, 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 phân tích hiện đại như Sap 2000, Midas/civil, C-pro, robot structural… 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 phân tích tính toán cơ bản nhất định. Việc phân tích kết cấu cống là một công tác rất tổng hợp, bao gồm các công tác thu thập số liệu 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, tính toán hệ số nền cho cống, vv… Trong quá trình phân tích cống cần đảm bảo phân tích đầy đủ các trạng thái giới hạn của kết cấu cống. Theo phương pháp thủ công thì thường lập bảng tính trên Excel để phân tích kết cấu cống. Hiện nay, hệ thống phần mềm thiết kế và phân tích kết cấu công trình phát triển tương đối mạnh và hỗ trợ đắt lực cho người sử dụng đồng thời cho kết quả số liệu có độ chuẩn xác cao. Tại khu vực tỉnh Trà Vinh có địa chất yếu và rất riêng, khi thiết kế các công ty thường sử dụng bản vẽ cống đã định hình từ trước để áp dụng triển khai thi công mà không phân tích ứng xử của cống. Đều này rất nguy hiểm trong quá trình sử dụng, nguy hiểm hơn khi triều cường ngày càng dâng cao ảnh hưởng đến kết cấu công trình. Một số công trình cống đã bị hỏng, cuốn trôi khi đưa vào sửa dụng không lâu. 7 Hình 1.2: Thi công cống hộp 1 ngăn trên Đường huyện 39 thuộc huyện Càng Long, tỉnh Trà Vinh Hình 1.3: Cống hộp 1 ngăn có cửa xã 8 Hình 1.4: Cống hộp 2 ngăn Hình 1.5: Thi công cống hộp 2 ngăn 9 Hình 1.6: Thi công cống hộp 3 ngăn Hình 1.7: Cống hộp 3 ngăn 10 Hình 1.8: Cống hộp trên đường Nguyễn Hòa Luông, thành phố Trà Vinh Cống hộp ở nước ta thường sử dụng các loại 1 ngăn, 2 ngăn và 3 ngăn vật liệu sử dụng kết cấu bê tông cốt thép có khả năng chịu nén và uốn tốt. Hình 1.9: Kết cấu điển hình của cống hộp 2 ngăn trên địa bàn tỉnh Trà Vinh 11 1.2. Đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Trà Vinh: 1.2.1 Giới thiệu sơ lượt về đặc điểm địa lý tỉnh Trà Vinh ; Vị trí địa lý Trà Vinh giới hạn từ 9◦31’46” đến 10◦4'5” vĩ độ Bắc và từ 105◦57’16” đến 106◦36’04” kinh độ Đông. Phía bắc Trà Vinh giáp với Bến Tre; phía Nam giáp với Sóc Trăng; phía tây giáp Vĩnh Long; phía đông giáp biển với chiều dài bờ biển 65km. Trà Vinh nằm ở phần cuối cù lao kẹp giữa sông Tiền và sông Hậu. Địa hình chủ yếu là những khu đất bằng phẳng với độ cao trên dưới 1m so với mực nước biển. Ở vùng đồng bằng ven biển nên Trà Vinh có các giồng cát chạy liên tục theo hình vòng cung và song song với bờ biển. Càng về phía biển các giồng cát này càng cao và rộng lớn. Vì vậy, khu vực tuyến đi qua có địa hình đặc trưng của vùng ĐBSCL bằng phẳng, đi qua khu vực đồng ruộng, bị chia cắt do nhiều kênh rạch chằng chịt. Tuyến cắt các kênh rạch lớn, nhỏ chằng chịt thuộc các xã Bình Phú, Đại Phúc huyện Càng Long; xã Nguyệt Hóa - huyện Châu Thành; phường 7 - thành phố Trà Vinh. Địa hình chủ yếu là đồng ruộng bằng phẳng, nhiều kênh rạch, với độ cao trung bình 1,6m so với mực nước biển, nên tuyến sẽ có bình diện đẹp, êm thuận, độ dốc dọc rất thoải. Đặc điểm chính của địa hình vùng đồng bằng sông Cửu Long là hệ thống kênh rạch nên tuyến có nhiều công trình cầu vượt kênh, rạch và cống phục vụ tưới tiêu. Hình 1.10: Bản đồ tỉnh Trà Vinh 12 Đặc điểm thủy văn khu vực * Sông Cổ Chiên: Sông Cổ Chiên nằm về phía Bắc của tỉnh, đổ ra biển tại hai cửa Cổ Chiên và Cung Hầu. Sông có chiều dài khoảng 82km, là ranh giới tự nhiên giữa Trà Vinh Bến Tre. Lưu lượng vào mùa lũ khoảng 6.000m3/s, lưu lượng vào mùa khô khoảng 1.480 m3/s. * Sông Hậu: Sông Hậu nằm về phía Nam của tỉnh chảy đến địa phận tỉnh Trà Vinh thì chia làm hai nhánh lớn và đổ ra biển qua hai cửa Định An và Trần Đề, với chiều dài khoảng 60km. Lưu lượng nước sông Hậu rất lớn, mùa mưa đạt 7.000 - 8.000m3/s, mùa khô khoảng 2.000 - 3.000m3/s. Mùa mưa lũ nước ngọt phân bố gần đến cửa sông nhưng mùa khô nước mặn thường xâm nhập gần đến bến phà Đại Ngãi, những năm hạn hán kéo dài, độ mặn vượt qua Đại Ngãi. Cũng như sông Cổ Chiên, sông Hậu là nguồn cung cấp nước ngọt cho sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản nước ngọt của tỉnh Trà Vinh. * Hệ thống kênh rạch: Hệ thống kênh rạch tỉnh Trà Vinh đa phần thuộc vùng ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều không đều, cao độ mực nước của hai đỉnh triều và hai chân triều không bằng nhau. Đỉnh triều cao nhất là 160cm (vào tháng X, XI), thấp nhất là 123cm (vào tháng V, VIII), chân triều cao nhất là -24cm (tháng XI), thấp nhất là -103cm (tháng VI), biên độ triều trung bình từ 194 - 220cm. Nguồn nước trên hệ thống sông rạch tỉnh Trà Vinh là kết quả của sự pha trộn giữa lượng mưa tại chỗ, nước biển và nước thượng nguồn sông Hậu, sông Cổ Chiên đổ về. Dòng cửa sông Hậu khá mạnh vào mùa mưa, ảnh hưởng ra xa quá 4 hải lý, đây cũng là thời kỳ mùa lũ ở sông Hậu. Dòng tổng hợp ven bờ khoảng 1m/s. Dòng hải lý theo mùa và dòng chảy ven bờ lấn át dòng chảy sông tại vùng cửa Định An - dòng chảy theo hướng Tây - Nam là chủ yếu trong mùa khô và theo hướng Đông - Bắc trong mùa mưa. Do ảnh hưởng bởi dòng thủy triều và hải triều nên nước trên sông trong năm có thời gian bị nhiễm mặn vào mùa khô, vào mùa mưa nước sông được ngọt hóa, có thể sử dụng cho tưới nông nghiệp. Phần sông rạch giáp biển bị nhiễm mặn quanh năm, do đó không thể phục vụ tưới cho nông nghiệp, nhưng bù lại nguồn nước mặn, lợ ở đây lại tạo thuận lợi trong việc nuôi trồng thủy sản. Trà Vinh được hình thành từ sự bồi đắp phù sa của các sông bao quanh nên khả năng chịu tải của đất nền rất yếu. Từ một số số liệu khảo sát địa chất tại một số vị trí ta thấy đến độ sâu khoảng 30m-40m vẫn là lớp bùn pha sét rất yếu bên cạnh mực nước ngầm cao nên gây rất nhiều khó khăn cho việc xây dựng và tốn nhiều chi phí. 1.2.2 Địa chất đặc trưng khu vực tỉnh Trà Vinh: - Xem thêm ở phần phụ lục địa chất đính kèm phía sau 13 STT 1 2 3 4 5 6 Bảng 1.1: Các lớp địa tầng Trà Vinh phân bố đại diện như sau: Chiều dày Mô tả lớp đất (m) 1.5 – 3.3 Lớp sét – sét pha trạng thái dẻo mềm đến dẻo chảy 1.7 – 3.2 Lớp cát pha, trạng thái dẻo Lớp bùn sét pha, bùn sét – trạng thái dẻo chảy đến chảy 8.1 – 24.2 Lớp cát kẹp bùn– trạng thái dẻo chảy 0 -1 Lớp sét , sét pha – trạng thái dẻo đến nửa cứng 8.8 – 19.8 Lớp cát – trạng thái rời 0-2 Bảng 1.2: Địa chất điển hình công trình 30/4, huyện Cầu Kè, trên địa bàn Trà Vinh: Lớp đất Lớp 1: Lớp 2: Lớp 3: Lớp 4: Lớp 5: Lớp 6: Số lớp đất Lớp 1: Lớp 2: Lớp 3: Lớp 4: Lớp 5: Lớp 6: Hố khoan Chiều dày (m) 0.0 ~ 2.3 2.3 2.3 ~ 6.4 6.4 4.1 ~ 14.6 14.6 8.2 ~ 34.4 34.4 19.8 ~ 36.0 36.0 1.6 ~ 40.0 4.0 Bảng 1.3: Bảng mô tả các loại đất Mô tả lớp đất Sét, nâu xám loang vàng, trạng thái dẻo mềm Cát pha, xám xanh đen, trạng thái dẻo Bùn sét, xám nâu, trạng thái chảy Sét, nâu vàng đốm xám trắng, trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng Sét pha, nâu vàng - vàng - xám trắng, trạng thái dẻo cứng Sét, nâu vàng - xám trắng, trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng Trong tự nhiên đất do các hạt to nhỏ có thành phần khoáng vật khác nhau hợp thành. Kích thước của các hạt thay đổi trong một phạm vi rất rộng lớn, từ hàng chục, 14 hàng trăm xentimet như các hón đá tảng, cuội, đến vài phần trăm, vài phần nghìn milimet như hạt sét. Hạt đất càng nhỏ thì tỷ lệ diện tích càng lớn, do đó năng lượng mặt ngoài càng lớn và tính chất của đất càng phức tạp. Còn đối với đất hạt to thì lỗ rỗng giữa các hạt lớn, nên tính thấm nước lớn hơn đất hạt nhỏ. Điều đó nói lên rất nhiều tính chất cơ – lý của đất có liên quan đến thành phần hạt của đất. Tuy vậy cũng cần lưu ý rằng chúng ta không thể đánh giá được một cách định lượng ảnh hưởng của thành phần hạt đến tính chất cảu đất, bởi vì tính chất của đất còn do nhiều yếu tố phức tạp khác quyết định, hơn nữa tùy điều kiện cụ thể mà ảnh hưởng của chúng cũng rất khác nhau. 1.2.3 Đặc điểm xác định đất yếu: Nền đất đóng vai trò quan trọng trong tất cả các công trình. Nó có thể ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của công trình. Để nhận biết về đất yếu có hai quan điểm dựa vào định tính và định lượng. - Về định tính: Đất yếu là loại đất mà bản thân nó không đủ khả năng tiếp thu tải trọng của công trình bên trên như các công trình nhà cửa, đường xá, đê đập…Khái niệm này nói chung không chặt chẽ và không có cơ sở khoa học. - Về định lượng: Đất yếu là loại đất có sức chịu tải kém. dễ bị phá hoại, biến dạng dưới tác dụng của tải trọng công trình dựa trên những số liệu về chỉ tiêu cơ lý cụ thể. Khái niệm này được thế giới chấp nhận và có cơ sở khoa học. Trong thực tế xây dựng, chúng ta thường gặp những loại nền đất yếu sau: đất sét yếu; đất cát yếu (cát chảy); bùn; than bùn và đất than bùn, đất bazan, đất đắp. - Đất sét yếu: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp. Trong đất sét gồm có 2 thành phần : + Phần phân tán thô (gọi là những hạt sét) có kích thước > 0,002mm. Chủ yếu có các khoáng chất nguồn gốc lục địa như thạch anh, fenspat,… + Phần phân tán mịn (gọi là khoáng chất sét) bao gồm những hạt có kích thước rất bé (2 – 0,1mm) và keo (0,1 – 0,001mm). Những khoáng chất này quyết định tính chất cơ lý của đất sét. Các khoáng chất sét thường gặp nhất là 3 nhóm điển hình : kaolinit, mônmôrilônit và ilit. - Đất cát yếu (cát chảy): Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể. Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy. Cát được hình thành tạo ở biển hoặc vũng, vịnh. Về thành phần khoáng vật, cát chủ yếu là thạch anh, đôi khi có lẫn tạp chất. Cát gồm những hạt có kích thước 0,05 – 2mm. Cát được coi là yếu khi cỡ hạt thuộc loại nhỏ, mịn trở xuống, đồng thời có kết cấu rời rạc, ở trạng thái bão hòa nước, có thể bị nén chặt và hóa lỏng đáng kể, chứa nhiều di tích hữu cơ và chất lẫn sét. Những loại cát đó khi chịu tác dụng rung hoặc chấn động thì trở thành trạng thái lỏng nhớt, gọi là cát chảy.