TRIỂN LÃM XÂY DỰNG VIỆT NAM 2006 Thiết kế Tường Chắn bằng các giải pháp Cừ ván thép

Trung tâm Hội Chợ và Triển Lãm Tp.Hồ Chí Minh

05/07/2006

CHỦ ĐỀ

Giới thiệu chung về cừ ván thép Cừ ván thép – Các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng Quy trình sản xuất cừ ván thép Các đặc trưng và tính chất cơ học đất tổng quát Áp lực ngang của đất tổng quát Các tham số thiết kế Các chỉ tiêu thiết kế Các phương pháp thiết kế Các dạng kết cấu cừ ván thép Lựa chọn loại cừ ván thép – Tiêu chí Độ bền Thiết kế tường cừ ván thép dùng phần mềm Prosheet 2.2

2

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỪ VÁN THÉP Cừ ván thép được gia công uốn nguội từ thép tấm theo hình dạng có lợi cho việc chịu các tải trọng ngang. Cừ ván thép có các dạng tiết diện chữ U, Z khác nhau và liên kết với nhau bằng các gờ nối ở hai biên tạo thành một chuỗi kết cấu liên tục thành một bức tường chắc chắn chịu áp lực đất và nước.

Lợi ích của tường chắn cừ ván thép: là dạng kết cấu dễ xếp dỡ, vận chuyển, lắp đặt và tiết kiệm chi phí

Những lợi ích này khiến cho cừ ván thép được ứng dụng rộng rãi cho các kết cấu chắn nước, bãi đỗ xe ngầm, các hố đào, mố cầu, tường chắn, nhà máy điện, trạm bơm vv

Cừ ván thép không những có khả năng chịu tải trọng ngang và còn chịu tốt tải trọng đứng thông qua sức chống mũi cừ và ma sát bên thân cừ như những dạng cọc đứng khác.

3

CỪ VÁN THÉP – CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT VÀ CHẤT LƯỢNG Tiêu chuẩn kỹ thuật:

EN 10249 – Phần 1: Các điều kiện kỹ thuật sản phẩm

EN 10249 – Phần 2: Các sai số hình dạng và kích thước

Định nghĩa: Sản phẩm được định hình nguội bằng các máy uốn trục lăn; hình dạng của sản phẩm được thiết kế sao cho khi nối liên tiếp hoặc nối chồng lên nhau; thì chúng tạo thành một kết cấu tổng thể liên hoàn dạng tường chắn.

Công nghệ hiện đại uốn tấm phẳng thành tấm định hình chính xác.

4

CỪ VÁN THÉP – CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT VÀ CHẤT LƯỢNG Tiêu chuẩn kỹ thuật:

EN 10249 – Phần 1: Các điều kiện kỹ thuật sản phẩm

EN 10249 – Phần 2: Các sai số hình dạng và kích thước Kích thước tiết diện ngang Độ thẳng Độ phẳng Các khuyết tật bề mặt

iv) Xoắn i) Không thẳng ii) Vồng

iii) Oằn v) Loe đầu

iii) Oằn v) Loe đầu

5 5

QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỪ VÁN THÉP

Tổng quát

Lựa chọn sản phẩm Thiết kế phương án uốn

Phân tích ứng suất (PP.PTHH)

Gia công uốn sản phẩm

6

QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỪ VÁN THÉP

Phân tích ứng suất (PP.PTHH) mô phỏng quá trình cán uốn

7

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Đất có khả năng chịu nén tốt

Phân bố ứng suất nén trong đất

8

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Đất rất yếu hay không có khả năng chịu kéo – vì thế ứng suất kéo cần phải được truyền đến & chịu bởi các kết cấu chịu lực – cừ ván thép.

Vùng có giới hạn an toàn thấp sẽ trượt đổ nếu không kết cấu giữ đất

Đất có độ ổn định chống trượt thấp

9

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Đất rất yếu hay không có khả năng chịu kéo – vì thế ứng suất kéo cần phải được truyền đến & chịu bởi các kết cấu chịu lực – cừ ván thép.

10

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Cơ sở lý thuyết về sự mất khả năng chịu lực của đất được diễn giải như sau:

Cường độ chống cắt : Mặt trượt khi đất chịu ứng suất nén chính σ

τ = c + σ tan φ

Theo Coulomb

Điều kiện về ứng suất phá hoại theo Mohr và Coulomb

11

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Định nghĩa về cường độ đất τ = c + σ tan φ

Góc nghiêng mái dốc chính là góc φ

Stand steeper with cohesion

Trường hợp đất sa tích có thành

phần hạt mịn

Trường hợp đất cát rời hoàn toàn

Góc nghiêng mái dốc phụ thuộc vào cường độ đất

C = φ =

Góc kháng cắt Lực dính Góc nghỉ

Góc ma sát trong

12

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Phân loại đất

Đất rời (đất cát)

Đất dính (đất sét)

Đất sa tích (á cát + á sét)

Đất mịn Đất cát Đất sỏi Đá cuội

Sét Mịn Vừa Thô Mịn Vừa Thô Mịn Vừa Thô

Phân loại đất theo thành phần hạt, mm – Theo tiêu chuẩn Anh (BS)

13

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Tính toán cường độ đất τ = c + σ tan φ

Khảo sát đất - BS 5930 “Quy phạm Thực hành Khảo sát Đất”

Thí nghiệm trong phòng Thí nghiệm hiện trường - Xác định các đặc trưng cơ học (phân tích thành phần hạt, các chỉ số cơ học - TN. Xuyên tiêu chuẩn SPT

- Thí nghiệm Cắt cánh - Thí nghiệm nén 3 trục, Nén chặt không thoát nước CIU, nén rời không thoát nước UU, nén nở hông UC.

- TN. Xuyên động

- Thí nghiệm bàn nén - Thí nghiệm cắt trong phòng

14

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Xác định cường độ đất từ các kết quả thí nghiệm

Sổ tay Công tác đất – Bộ Công Chánh Malaysia

Trường hợp đất dính (đất sét)

Cường độ nén nở hông (kPa)

Chỉ số xuyên động (PP.Mackintosh) Chỉ số SPT Trạng thái đất

0-2 Rất mềm 0-25 0-10 2-4 Mềm 25-50 10-20 4-8 Ít chặt (vừa) 50-100 20-40 8-15 Chặt 100-200 40-70 15-30 Rất chặt 200-400 70-100

> 30 Cứng > 400 > 100

15

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Xác định cường độ đất từ các kết quả thí nghiệm

Sổ tay Công tác đất – Bộ Công Chánh Malaysia

Trường hợp đất rời (đất cát)

Cường độ nén nở hông (kPa) Chỉ số xuyên tĩnh Chỉ số SPT Trạng thái đất

0-4 Rất rời - 0-10

4-10 Rời 0-80 10-30

10-30 Vừa 80-280 30-80

30-50 Chặt 280-470 80-110

> 50 Rất chặt > 470 > 100

16

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Xác định cường độ đất từ các kết quả thí nghiệm

BS 8004: 1986 – Quy phạm Thực hành Móng Công trình

Trường hợp đất dính (đất sét)

Cường độ chịu cắt không thoát nước

(Su), kPa Chỉ số SPT Trạng thái đất

0-2 Rất mềm < 20

2-4 Mềm 20-40

4-8 Ít chặt (vừa) 40-75

8-15 Chặt 75-150

15-30 Rất chặt > 150

17

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Xác định cường độ đất từ các kết quả thí nghiệm TESPA – Hiệp hội Kỹ thuật Cừ ván Châu Âu Trường hợp đất rời (đất cát)

Chỉ số SPT Trạng thái đất Góc ma sát trong

0-4 Rất rời 25°

27.50 4-10 Rời

300 10-30 Vừa

350 30-50 Chặt

> 50 Rất chặt 40°

18

CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT TỔNG QUÁT

Xác định cường độ đất từ các kết quả thí nghiệm

Sổ tay thi công cừ ván – Hãng Arcelor, 01-2005

Trường hợp đất dính (đất sét)

Chỉ số dẻo Góc ma sát trong

15 30

30 25

50 20

80 15

19

ÁP LỰC NGANG CỦA ĐẤT TỔNG QUÁT

Áp lực chủ động (Lực phá hoại)

Môment hướng ra KacKaHaPa **2** −= γ

γ = dung trọng riêng của đất Tường chắn để chịu áp lực phá hoại

C= lực dính của đất (cường độ)

φφ

sin1sin1

+−

=Ka

Áp lực thụ động (Lực kháng giữ)

KpcKpHpPp **2** −= γÁp lực chủ động

Pp Áp lực thụ động

γ = dung trọng riêng của đất

C= lực dính của đất (cường độ)

φφ

sin1sin1

+−

=Kp

20

CÁC THAM SỐ THIẾT KẾT

Các yếu tố xem xét thiết kế:

• Loại đất – sức chịu tải

• Chiều cao chắn giữ

• Chiều sâu ngàm giữ

• Tải trọng bề mặt

• Mực nước ngầm/mặt

• Các giải pháp

ngàm/chống bổ sung

21

CÁC THAM SỐ THIẾT KẾT

Loại đất – Sức chịu tải

Khi đất chắn yếu hơn thì áp lực lên tường chắn sẽ lớn hơn

KacKaHaPa **2** −= γ

Đất tốt, Đất yếu, Áp lực chủ động ở độ cao 3m là Pa=6,5 kPa

Áp lực chủ động ở độ cao 3m là Pa=36 kPa

với: với: γ = 18 kN/m3 γ = 17 kN/m3 3m 3mC = 10 kPa C = 0 kPa φ = 30o φ = 10o

22

CÁC THAM SỐ THIẾT KẾT

Loại đất – Sức chịu tải

Khi đất ngàm tốt hơn thì áp lực thụ động cao hơn, nên cần chiều dài ngàm giữ ngắn hơn khi chịu cùng một áp lực đất chủ động

Áp lực thụ động ở độ sâu ngàm 3m là Pa=72 kPa

Áp lực thụ động ở độ sâu ngàm 3m là Pa=197 kPa

Đất tốt, Đất yếu, với: với: γ = 18 kN/m3 γ = 17 kN/m3 C = 10 kPa C = 0 kPa φ = 30o φ = 10o

KpcKpHpPp **2** −= γ

23

CÁC THAM SỐ THIẾT KẾT

Chiều cao chắn đất, Ha

KacKaHaPa **2** −= γ

Khi Ha tăng:

Pa cũng lớn hơn, lực phá hoại tác dụng vào tường chắn sẽ lớn hơn

24

CÁC THAM SỐ THIẾT KẾT

Chiều cao ngàm giữ, Hp

KpcKpHpPp **2** −= γ

Khi Hp tăng:

Pp cũng lớn hơn, lực kháng giữ tác dụng lên tường chắn sẽ lớn hơn

25

CÁC THAM SỐ THIẾT KẾT

Tải trọng trên bề mặt nền - làm tăng thêm áp lực chủ động (áp lực phá hoại) tác dụng lên tường chắn

Áp lực tải bề mặt

Áp lực đất

Áp lực tổng cộng

2 6

CÁC THAM SỐ THIẾT KẾT

Mực nước ngầm/mặt - làm tăng thêm áp lực chủ động (áp lực phá hoại) tác dụng lên tường chắn

Áp lực đất

Áp lực nước

Áp lực tổng cộng

27

CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ

Khả năng chịu lực theo vật liệu của cừ ván thép được tính theo Tiêu chuẩn BS5950, Ứng dụng Kết cấu thép trong Xây dựng

Môment thiết kế max = khả năng chịu môment theo vật liệu của cừ ván Lực neo

Theo BS 5950,

Môment kháng uốn tiết diện:

= Py * (Z, cm3/m) FOS

Z = môđun mặt cắt của tiết diện cừ ván

Py = cường độ thép vật liệu cừ ván

FOS = hệ số an toàn

28

CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ

Độ võng lớn nhất

)/,(3845

4

4

mcmIEWLd =

W – tải trọng phân bố đều Sơ đồ dầm đơn giản

L – chiều dài nhịp tính toán

E – mô đun đàn hồi của thép

I - moment quán tính tiết diện của tổng thể tường chắn/m dài

Tải trọng phân bố đều tác dụng lên dầm

2 9

CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ

• Xác định các thông số:

- Môment uốn M - Lực neo R - Tải trọng đứng N - Chiều dài ngàm

• Lựa chọn dạng tiết diện, dựa vào:

- Hình dạng tiết diện (U, Z, HZ, ... ) - Chiều dài ngàm yêu cầu - Mức biến dạng cho phép

30

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Phương pháp

Phần mềm

Mô hình đất nền

Số liệu đất nền

Mô hình tường chắn

Kinh nghiệm yêu cầu

Kết quả tính toán Ưu điểm Nhược điểm

Nhanh chóng và đơn giản với tường chắn 1 cấp neo

Kiến thức cơ bản về địa kỹ thuật và phân tích

Chiều dài ngàm tối thiểu, tải trọng tiết diện, lực neo

Không chính xác độ võng (đặc biệt là phần conson)

Blum ProSheet Trạng thái Dầm giới hạn γ,γ’,ϕ,δ,c’ đơn giản (Ka, Kp)

Kiến thức cao về địa kỹ thuật và cơ bản về phân tích

Nhanh chóng và đơn giản, đủ chính xác cho các thiết kế phổ thông

Mô hình phản lực nền

Độ võng, tải trọng tiết diện, lực neo

Kiểm tra ổn định tổng thể riêng biệt

RIDO, Mô hình nền đàn hồi dẻo

Dầm γ,γ’,ϕ,δ,c’,E Msheet Cấu kiện

Cần trình độ chuyên sâu và hiểu biết nhiều về các trạng thái địa chất

Phương pháp số tùy thuộc vào mô hình đất nền

Kiến thức rất cao về địa kỹ thuật và các phương pháp số

Độ võng, tải trọng tiết diện, lực neo, ổn định tổng thể, độ lún

Có khả năng phân tích các địa hình phức tạp, có khả năng tính mỏi

Phần tử hữu hạn đàn hồi dẻo

Dầm FE, FD Plaxis Cấu kiện

31

KẾT CẤU TƯỜNG CỪ VÁN THÉP

Tường cừ ván thép thường được chia làm 2 loại:

- Tường conson (chiều cao tự do < 5m)

- Có neo giữ (cáp neo/thanh chống)

Neo giữ bằng cáp neo

Tường conson

Neo giữ bằng thanh chống

3 2

KẾT CẤU TƯỜNG CỪ VÁN THÉP

Neo giữ bằng hệ thống thanh chống

CHI TIẾT A CHI TIẾT B CHI TIẾT C CHI TIẾT D

L _.. I MẶT BẰNG

Chi tiết liên kết có thể được cung cấp từ bộ phận hỗ trợ kỹ thuật của Công ty Oriental Sheet Piling

33

KẾT CẤU TƯỜNG CỪ VÁN THÉP

Neo giữ bằng các loại cáp neo

Thanh/cáp giằng

Khối neo bê tông

Tường chắn Neo

tường phụ

Neo phun vữa

Có thể sử dụng nhiều dạng thanh neo khác nhau để tạo lực neo khi phân tích tính toán kết cấu tường chắn.

34

KẾT CẤU TƯỜNG CỪ VÁN THÉP

Cọc thép ống

01016/16mm Ig. - 29.20 m S 355 J2 G3

Neo ngược vào mố cọc

Cọc thép ống

Sàn giảm tải - When the depth of soil to be retained

Neo bằng dầm H chịu kéo Sàn giảm tại – Khi chiều cao chắn đất lớn/tải bề mặt lớn, có thể giảm áp lực đất bằng cách dùng sàn giảm tải. Khi đó tải bề mặt và phần trên của tường được đỡ bởi sàn giảm tải, nên không còn tạo áp lực trực tiếp lên tường.

Chống bằng dầm H chịu nén

3 5

HỆ TƯỜNG CHẮN CÓ MOĐUN MẶT CẮT LỚN - TƯỜNG HZ

Kiểu liên kết mép cừ bằng thanh nối Kingpost + ván cừ theo tài liệu "Hướng dẫn thực hành của Ủy ban Kỹ thuật Kết cấu chắn nước công trình cảng và đường thủy EAU 1996"

36

HỆ TƯỜNG CHẮN CÓ MOĐUN MẶT CẮT LỚN - TƯỜNG CHỮ CHI

Tổ hợp cừ ván thép - Hệ tường chữ chi AU

Dưới đây là một tổ hợp nối gép cừ chữ U thành tiết diện chữ chi có Môment quán tính và Mô đun mặt cắt lớn.

37

HỆ TƯỜNG CHẮN CÓ MOĐUN MẶT CẮT LỚN - TƯỜNG HỘP CHỮ U

2/4

38

HỆ TƯỜNG CHẮN CÓ MOĐUN MẶT CẮT LỚN - TƯỜNG HỘP CHỮ Z

Có thể lắp ráp tại công trường

Giảm chi phí vận chuyển !

3 9

CÁC HÌNH DẠNG CỪ VÁN - TIẾT DIỆN THẲNG

40

CÁC HÌNH DẠNG CỪ VÁN - TIẾT DIỆN THẲNG

4 1

LỰA CHỌN SẢN PHẨM CỪ VÁN THÉP – TIÊU CHÍ ĐỘ BỀN

• Có bề dày dự phòng cho ăn mòn • Mác thép chuyên dụng cho công trình biển, ASTM A690 • Mác thép cao kéo dài tuổi thọ • Lớp phủ bảo vệ: thổi cát, sơn lót, sơn mặt • Lớp bảo vệ chống ăn mòn điện hóa • Lớp phủ mạ kẽm

42

LỰA CHỌN SẢN PHẨM CỪ VÁN THÉP – TIÊU CHÍ ĐỘ BỀN

Thép mác cao 355 JOC • Giới hạn chảy = 355 N/mm2

Thép mác cao = Môment kháng uốn cao = Tuổi thọ thiết kế dài

Ví dụ:

Môment kháng uốn yêu cầu: 150 kNm/m Hệ số an toàn = 1.5 Môment kháng uốn có hệ số: = 225 kNm/m Vận tốc ăn mòn: 0.05mm/năm, không tính mặt nằm trong đất

Phương án 1: OU 12, t=8,5mm, Z=1240cm3/m, mác thép 355 N/mm2 Mômen kháng uốn cho phép = 440 kNm/m. Khi bề dày ván giảm xuống t=4.5mm, thì môment kháng uốn cho phép = 230 kNm/m.

Như vậy tuổi thọ thiết kế sẽ là: (8.5 - 4.5) / 0.05 = 80 years

Phương án 2: OU 12, t=8,5mm, Z=1240cm3/m, mác thép 275 N/mm2 Mômen kháng uốn cho phép = 341 kNm/m. Khi bề dày ván giảm xuống t=6mm, thì môment kháng uốn cho phép = 248 kNm/m.

Như vậy tuổi thọ thiết kế sẽ là: (8.5 - 5) / 0.05 = 50 years

43

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DÙNG PHẦN MỀM PROSHEET 2.2

• Cho phép xác định nhanh hình dạng và kích thước tường chắn

• Thích hợp để thiết kế tốt các kết cấu đơn giản và định hình sẵn (Xem thêm mục “khả năng” của phần mềm)

• Yêu cầu có kiến thức về địa kỹ thuật và kết cấu công trình (Cơ học đất / tính toán kết cấu tường chắn)

Người thiết kế phải kiểm tra cẩn thận các kết quả tính toán bằng phần mềm này để đảm bảo mô hình tương tác đất và kết cấu được lựa chọn là chính xác.

44

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DÙNG PHẦN MỀM PROSHEET 2.2

Phương pháp tính toán:

• Mô hình ngàm trong đất theo giả thuyết của Blum

• Trạng thái giới hạn áp lực-sức chịu tải nền đất, Ka / Kp (Caquot / Kerisel)

Ba dạng sơ đồ kết cấu:

• Conson • Đầu dưới tự do đầu trên một tầng neo hoặc chống • Đầu dưới ngàm đầu trên một tầng neo hoặc chống (Blum)

45

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DÙNG PHẦN MỀM PROSHEET 2.2

Ba dạng sơ đồ kết cấu:

Tường conson Đầu trên neo/chống đầu dưới ngàm trong đất

Đầu trên neo/chống, đầu dưới tự do H đề xuất: 5-6m

M / R M / fmax M / R Chiều dài cừ lớn nhất Chiều dài cừ Chiều dài cừ nhỏ nhất

46

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DÙNG PHẦN MỀM PROSHEET 2.2

Hai dạng sơ đồ kết cấu

- tựa tự do trong đất - ngàm trong đất

Giả thiết với cùng một loại đất và loại neo:

Chiều sâu đặt neo lớn Chiều sâu đặt neo nông chiều dài cừ chiều dài cừ

Việc lựa chọn sơ đồ kết cấu phụ thuộc vào từng giai đoạn thi công, khả năng lắp dựng vv.

47