Chương 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tường cừ thép là một dạng kết cấu được cấu tạo từ các cây cừ thép (steel sheet pile) hay còn gọi là cọc ván thép, cừ Larssen, cọc bản, là một cấu kiện dạng tấm có các rãnh khoá (me cừ) để hợp thành một tường chắn khép kín. Nhằm mục đích ngăn nước và chắn đất trong hầu hết các trường hợp ứng dụng. Một trong những ứng dụng quan trọng của tường cừ thép được sử dụng cho các công trình bến cảng.
Tường cừ thép đã được sử dụng cho mọi kết cấu công trình tạm (làm xong nhổ lên) cũng như vĩnh cữu (đóng bỏ). Ngày nay, trong lĩnh vực xây dựng, cừ ván thép được sử dụng ngày càng phổ biến nhất là trong các công trình thủy công như cảng, bờ kè, cầu tàu, giếng kín, đê kè chắn sóng, công trình cải tạo dòng chảy, công trình cầu, đường hầm đến các công trình dân dụng như bãi đậu xe ngầm, tầng hầm nhà nhiều tầng, nhà công nghiệp, ngăn chống cho các hố đào nền móng, xử lý nước thải, các đường vượt, hầm ngầm. Tường cừ thép không chỉ được sử dụng trong các công trình tạm thời mà còn có thể được xem như một loại vật liệu xây dựng, với những đặc tính riêng biệt, thích dụng với một số bộ phận chịu lực trong các công trình xây dựng. Một trong những ứng dụng quan trọng của tường cừ thép có thể ảnh hưởng to lớn đến nền kinh tế của một nước đó chính là sử dụng làm kết cấu cho bến cảng biển.
Nhìn bản đồ thế giới ta thấy : đại dương và biển chiếm tới 71% diện tích trái đất đạt tổng diện tích khoảng 361 triệu km2. Với sự phát triển không ngừng của dân số thế giới và sự cạn kiệt nguồn tài nguyên khoáng sản trên đất liền thì rõ ràng biển luôn là điểm hướng tới của mọi quốc gia hoặc lãnh thổ trên trái đất. Xu hướng này càng mạnh đối với các nước được gọi là quốc gia biển trong đó có Việt Nam. Đó là con đường tất yếu để phồn vinh.
Qua đó chúng ta thấy được giá trị to lớn của việc phát triển hệ thống cảng biển. Với các ưu điểm thi công dễ dàng và nhanh chóng, khả năng chịu lực cao với nhiều loại tiết diện, cho phép độ biến dạng đàn hồi lớn, đặc biệt phù hợp với phương án lấn đất ra biển, cừ ván thép đã và đang được ứng dụng rộng rãi và trở thành xu hướng cho kết cấu công trình bến cảng trên toàn thế giới, điều này có thể nhận thấy rõ ở các cảng nước sâu và cảng lớn nhất trên khắp thể giới đều có sử dụng kết cấu tường cừ thép như Cảng Cao Hùng ở Đài Loan, Cảng Hamburg ở Đức, Cảng Aarhus ở Đan Mạch, Cảng Aveiro ở Bồ Đào Nha, Cảng Pusan Hàn Quốc. Tại Việt Nam trong những năm gần đây cừ thép đã bắt đầu được sử dụng một cách rộng rãi hơn trong xây dựng công trình cảng, đặc biệt ở những cảng cho tàu có trọng tải lớn neo đậu hoặc các công trình có nguồn vốn nước ngoài. Có thể kể ra một số cảng chính như : Khu cảng -2- chính Cảng Hải Phòng, Cảng Đình Vũ -Hải Phòng, Cảng Cửa Lò Nghệ An, Cảng Cam Ranh – Khánh Hòa, Bến Cảng Tam Hiệp - Quảng Ngãi, Cảng nhà máy đóng tàu Đà Nẵng.
Chính từ những lý do nêu trên việc phân tích ổn định công trình bến cảng dạng kết cấu tường cừ thép là vấn đề cần thiết và cấp bách cần phải đi sâu để phục vụ cho việc tính toán thiết kế công trình một cách hợp lý, an toàn và kinh tế. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Đề tài “Nghiên cứu ổn định Bến tường cừ thép – Bến cảng Tam Hiệp, Quảng Nam” được thực hiện với các mục đích chính như sau: - Tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích các phương pháp cơ học tính toán bến tường cừ thép. - Áp dụng phương pháp phân tử hữu hạn (FEM) thông qua phần mềm Plaxis mô hình 2D và 3D để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến nội lực, biến dạng và ổn định tổng thể của một công trình thực tế từ đó đưa ra các kiến nghị cho công tác thiết kế, thi công. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu cở sở lý thuyết các mô hình nền để lựa chọn mô hình nền phù hợp với ứng xử thực tế của công trình.
Sử dụng phần mềm được lập trình theo phương pháp hữu hạn Plaxis để mô phỏng và tính toán, thay đổi các thông số đầu vào và phân tích kết quả đầu ra tương ứng nhiều trường hợp của mô hình, dựa trên biểu đồ và bảng thống kê kết quả phân tích, nhận định vấn đề cần nghiên cứu. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài “Nghiên cứu ổn định Bến tường cừ thép – Bến cảng Tam Hiệp, Quảng Nam” mang ý nghĩa khoa học cao: sử dụng lý thuyết đàn hồi - dẻo mô phỏng gần ứng sự tương tác giữa đất và tường cừ thép. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Với sự phát triển không ngừng nghỉ của các nền kinh tế thế giới thì việc đầu tư xây dựng hệ thống cảng biển, cảng sông để phát triển hệ thống đường thủy ở mỗi quốc gia luôn là ưu tiên hàng đầu trong các chính sách về kinh tế. Kết cấu bến cảng dạng tường cừ thép đã được sử dụng phổ biển trên hầu hết các nước trên thế giới, tuy nhiên ở Việt Nam hầu hết các cảng hiện hữu đều được xây dựng dọc theo các con sông đa số địa -3- chất thường gặp lớp đất yếu khá dày cộng thêm vấn đề hạn chế về công nghệ thi công cũng như các sản phẩm cừ thép phải nhập từ nước ngoài về nên dạng công trình này còn ít được sủ dụng hơn các nước trên thế giới.
Tuy nhiên như đã phân tích ở phần đầu, tiến ra biển là xu hướng tất yếu của thời đại, tường cừ thép lại là dạng kết cấu rất phù hợp với địa hình vùng biển và là xu hướng chung của cảng biển thế giới, vì vậy tác giả thực hiện đề tài “Nghiên cứu ổn định Bến tường cừ thép – Bến cảng Tam Hiệp, Quảng Nam” với mong muốn sẽ đóng góp được một phần kiến thức cho công tác thiết kế dạng công trình này trong tương lai. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Trong nội dung nghiên cứu của mình, tác giả tập trung vào các vấn đề sau: - Tiến hành nghiên cứu bến tường cừ thép có một tầng neo, kết cấu chính gồm tường mặt, hệ neo và tường neo. - Tập trung vào các phương pháp tính toán tường cừ thép bao gồm là: cừ tựa tự do trong đất, cừ ngàm trong đất, phương pháp xem đất nền là môi trường đàn hồi cục bộ, phương pháp đồ giải Blum – Lomer, phương pháp phần tử hữu hạn (plaxis 2D, 3D). - Tiến hành tính toán và nghiên cứu trên một công trình cụ thể: Bến Cảng Tam Hiệp tại Khu Công Nghiệp Tam Hiệp thuộc Xã Tam Hiệp, Huyện Núi Thành, Tỉnh Quảng Nam.
CẤU TẠO BẾN TƯỜNG CỪ THÉP & CÁCH XÁC ĐỊNH ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CỪ Bến tường cừ là loại kết cấu tường “mềm”, được đóng sâu vào trong đất nhờ sức kháng của đất nền mà tạo nên thể ổn định cho công trình. Nguyên tắc tổng quát để đảm bảo thế ổn định của tường cừ, nếu thỏa mãn điều kiện sau đây: Tổng các lực ngang ΣH = 0. Áp lực đất là tải trọng quan trọng nhất, do đó trong chương này sẽ trình bày những điểm cấu tạo chính của bến tường cừ thép và các khuynh hướng tính áp lực đất chủ yếu từ trước đến nay 2. CẤU TẠO BẾN TƯỜNG CỪ THÉP MỘT TẦNG NEO Bến cừ thép đã được xây dựng nhiều ở các nước công nghiệp và đưa về kết cấu định hình với các chiều sâu chuẩn.
Kết cấu trên hình 2.1 có thể xem là một thiết kế điển hình cho công trình bến cừ thép một tầng neo phục vụ cho tàu neo cập có trọng tải lớn đến 150.000DWT, trong khi đó kết cấu ở hình 2.2 là thiết kế điển hình cho bến cừ thép một tầng neo đáp ứng được cho tàu có trọng tải nhỏ hơn chỉ đến 15.1: Cấu tạo bến tường cừ phục vụ cho tàu đến trọng tải 150.2: Cấu tạo bến tường cừ phục vụ cho tàu đến trọng tải 15.000DWT Đối với kết cấu ở hình 2.1, để phục vụ cho tàu có trọng tải lớn chiều sâu bến được thiết kế sâu đến 20m, vì vậy phải dùng cừ có sức kháng uốn lớn, ở đây dùng cừ tổ hợp HZ – AZ và kết cấu neo cũng phải dùng cừ thép. Đối với kết cấu bến ở hình 2.2 có độ sâu trước bến nhỏ hơn là 12m nên chỉ cần sử dụng cừ AZ và kết cấu neo chỉ cần dùng bản neo BTCT. Phía trên tường mặt là kết cấu dầm mũ BTCT đổ tại chỗ, dầm mũ được thiết kế đủ lớn để có thể lắp đặt bích neo, đệm tàu phục vụ cho tàu va cập và neo đậu. Đôi khi trên dầm mũ còn lắp đặt cả ray cần trục như trong tường hợp này.
Phía sau tường mặt thi công lăng thể đá nhằm mục đích giảm tải. Tường mặt được neo bởi Hình 2.3: Cấu tạo dầm mũ đầu cừ -6- thanh neo thép và tường neo thép. Phía trong lòng bến còn có hệ cọc đỡ dầm ray cần, hệ cọc này có thể là cọc đóng hoặc cọc khoan nhồi. Toàn bộ đất sau bến được đắp bằng cát hạt thô, bên trên là kết cấu mặt bến giống như kết cấu áo đường.4: Mặt bằng bố trí thanh neo, tường neo (Bến cảng Tam Hiệp – Quảng Nam) Hình 2.5: Mặt bằng một bến tường cừ thép khi hoàn thiện Hiện nay hình dạng cừ thép rất đa dạng, nhưng có thể tóm tắt như sau : -7- Hình 2.6: Hình dạng các loại cừ thép đơn ¾ Cừ phẳng : có mô men kháng uốn không lớn, chế tạo dài 8 ÷ 12m, thường được sử dụng chủ yếu cho các kết cấu ngăn ô, hoặc hình cánh quạt với chiều cao tự do 2 ÷ 3m (không neo) và 4 ÷ 5m (có neo), loại cừ này có ký hiệu SP-1 hoặc AS.
Nếu ứng suất cho phép là 1600Kg/cm2, có thể chịu được mô men uốn là 25KNm. ¾ Cừ hình máng, ký hiệu SP-2, PU, AU, GU có chiều dài 8 ÷ 22m, thường dùng cho các công trình chống thấm (đê quai, móng đập). Cùng với ứng suất cho phép trên, mô men uốn của 1m chiều dài bến tiếp nhận được 45,5KNm. ¾ Cừ chữ Z chế tạo dài 8 ÷ 25m, ứng dụng chủ yếu cho các công trình bến liền bờ.
Cừ chữ Z có các ký hiệu SK, SD, AZ, mô men uốn cho phép khá lớn khoảng 252 ÷ 503KNm.
