Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp neo xoắn để gia cường ổn định cho cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp neo xoắn để gia cường ổn định cho cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về giải pháp bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi và ứng dụng neo xoắn để gia cường ổn định cho cấu kiện bảo vệ mái; Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu dùng neo xoắn gia cường ổn định cấu kiện bảo vệ mái kênh; Ứng dụng kết quả nghiên cứu, dùng neo xoắn để gia cường ổn định cấu kiện bảo vệ mái kênh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp neo xoắn để gia cường ổn định cho cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN MAI CHI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NEO XOẮN ĐỂ GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH CHO CẤU KIỆN BẢO VỆ MÁI KÊNH CÔNG TRÌNH THỦY LỢI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2021 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN MAI CHI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NEO XOẮN ĐỂ GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH CHO CẤU KIỆN BẢO VỆ MÁI KÊNH CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580211 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Trịnh Minh Thụ NGND.GS.TS Nguyễn Chiến HÀ NỘI, NĂM 2021 ii
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tác giả thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các tài liệu tham khảo được trích dẫn theo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Nguyễn Mai Chi i
LỜI CÁM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến GS.TS Trịnh Minh Thụ và NGND.GS.TS Nguyễn Chiến là hai Thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận án. Xin cảm ơn hai Thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ đóng góp xây dựng luận án và hỗ trợ động viên để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo, Bộ môn Địa kỹ thuật, Bộ môn Thủy công, Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, Ban Quản lý dự án huyện Thuận Thành tỉnh Bắc Ninh, các nhà khoa học từ các đơn vị đã có những đóng góp, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu. ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU ....................................................xi MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………….1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ MÁI KÊNH CÔNG TRÌNH THỦY LỢI VÀ ỨNG DỤNG NEO XOẮN ĐỂ GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH CHO CẤU KIỆN BẢO VỆ MÁI ....................................................................................5 1.1 Các hình thức bảo vệ mái kênh mương ở Việt Nam, trên thế giới và các tồn tại kỹ thuật ........................................................................................................................5 1.1.1 Các hình thức bảo vệ mái kênh mương ở Việt Nam ...................................5 1.1.2 Một số giải pháp bảo vệ mái kênh mương trên thế giới ........................... 12 1.1.3 Tổng hợp một số dạng hư hỏng lớp bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi 16 1.1.4 Nhận xét, đánh giá về kết cấu bảo vệ mái kênh mương hiện tại...............20 1.2 Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng neo xoắn trong kỹ thuật xây dựng .........21 1.2.1 Giới thiệu neo xoắn và các ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng ................21 1.2.2 Các nghiên cứu về neo xoắn trên thế giới .................................................29 1.2.3 Các nghiên cứu về neo xoắn ở Việt Nam..................................................31 1.2.4 Nhận xét chung về ứng dụng và nghiên cứu neo xoắn ............................. 32 1.3 Vấn đề kỹ thuật đặt ra và hướng nghiên cứu ...................................................33 1.4 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 34 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NEO XOẮN GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH CẤU KIỆN BẢO VỆ MÁI KÊNH .........................36 2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 36 2.2 Đặc điểm của neo thanh khoan trong đất và nguyên tắc tính toán ..................36 2.2.1 Nguyên lý chống nhổ của thanh neo .........................................................36 2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ của thanh neo ........................37 2.3 Đặc điểm của neo xoắn và nguyên tắc tính toán..............................................41 2.3.1 Hình dạng và kích thước ...........................................................................41 2.3.2 Độ sâu đặt neo tấm xoắn hoặc độ sâu hạ cọc neo xoắn ............................ 41 2.3.3 Cơ chế phá hoại khối đất khi kéo nhổ neo xoắn trong đất nền .................42 2.3.4 Các phương pháp tính toán khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn .......44 iii
2.4 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 53 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI KÉO NHỔ CỦA NEO XOẮN TRÊN MÁI NGHIÊNG ........................................................55 3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 55 3.1.1 Đặt vấn đề..................................................................................................55 3.1.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm ............................................................ 55 3.1.3 Xác định thông số neo xoắn dùng trong thí nghiệm .................................56 3.1.4 Độ sâu đặt neo trong chuỗi thí nghiệm ....................................................58 3.2 Thí nghiệm mô hình trong phòng thí nghiệm ..................................................58 3.2.1 Mục đích ....................................................................................................58 3.2.2 Thiết bị chính dùng trong chuỗi thí nghiệm mô hình ............................... 58 3.2.3 Các bước thí nghiệm .................................................................................59 3.2.4 Chỉ tiêu cơ lý của đất xây dựng mô hình trong phòng .............................. 59 3.2.5 Xây dựng mô hình vật lý ...........................................................................62 3.2.6 Các trường hợp thí nghiệm .......................................................................64 3.2.7 Kết quả thí nghiệm ....................................................................................64 3.2.8 Đánh giá kết quả thí nghiệm trong phòng. ................................................80 3.3 Thí nghiệm kéo nhổ neo xoắn tại hiện trường .................................................82 3.3.1 Mục đích ....................................................................................................82 3.3.2 Giới thiệu công trình .................................................................................82 3.3.3 Đặc điểm địa chất công trình ....................................................................82 3.3.4 Quy trình thí nghiệm .................................................................................84 3.3.5 Kết quả thí nghiệm ....................................................................................87 3.3.6 Đánh giá kết quả thí nghiệm hiện trường ..................................................94 3.4 Thiết lập biểu thức xác định sức chống nhổ của neo xoắn trên mái nghiêng ..94 3.4.1 Nguyên tắc chung ......................................................................................94 3.4.2 Thiết lập biểu thức sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn trên mái nghiêng .95 3.5 Xác định hệ số hiệu chỉnh  .............................................................................97 3.6 Kết luận chương 3 ..........................................................................................100 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, DÙNG NEO XOẮN ĐỂ GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH CẤU KIỆN BẢO VỆ MÁI KÊNH ....................................101 4.1 Mục đích ........................................................................................................101 iv
4.2 Xác định các thông số thiết kế khi ứng dụng neo xoắn gia cường cấu kiện bảo vệ mái kênh và phân tích các bài toán ứng dụng .....................................................101 4.2.1 Nguyên tắc chung ....................................................................................101 4.2.2 Phân tích các bài toán ứng dụng .............................................................102 4.3 Đề xuất mảng gia cố bảo vệ mái kênh định hình bằng polyme hoặc compozit xơ sợi .......................................................................................................................103 4.3.1 Đặc điểm cấu tạo của hệ bảo vệ mái kênh bằng tấm compozit xơ sợi có neo xoắn gia cường. .............................................................................................104 4.3.2 Phân tích ứng dụng giải pháp bảo vệ mái kênh Đông Côi bằng tấm compozit xơ sợi có sử dụng neo xoắn .................................................................107 4.4 Yêu cầu chung về kỹ thuật lắp đặt cấu kiện polyme hoặc compozit xơ sợi bảo vệ mái kênh ..............................................................................................................109 4.4.1 Quy định chung .......................................................................................109 4.4.2 Yêu cầu kỹ thuật về công tác chuẩn bị lắp đặt ........................................110 4.4.3 Yêu cầu về kỹ thuật lắp đặt .....................................................................110 4.4.4 Yêu cầu kỹ thuật thi công kênh có sử dụng mảng gia cố polyme-compozit xơ sợi 112 4.4.5 Bảo dưỡng và sửa chữa ...........................................................................115 4.5 Đánh giá ưu điểm, thế mạnh của giải pháp neo xoắn để gia cường cấu kiện bảo vệ mái kênh so với các phương pháp khác .......................................................115 4.6 Kết luận chương 4 ..........................................................................................116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................118 1. Các kết quả đạt được của luận án ............................................................................118 2. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................119 3. Tồn tại và hướng phát triển .....................................................................................119 4. Kiến nghị………………………………………………………………………….120 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................121 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................122 PHỤ LỤC……………………………………………………………………………Error! Bookmark not defined. v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hệ thống kênh thủy lợi chưa kiên cố hóa .......................................................5 Hình 1.2: Nạo vét kênh để đảm bảo dòng chảy ở tỉnh Bắc Ninh ...................................6 Hình 1.3: Thi công đá xây bảo vệ mái kênh ở Nam Định ..............................................6 Hình 1.4: Thi công bảo vệ mái kênh bằng tấm lát bê tông đúc sẵn ............................... 7 Hình 1.5: Bảo vệ mái kênh bằng bê tông đổ tại chỗ không ván khuôn..........................8 Hình 1.6: Đổ bê tông mái kênh Ngàn Trươi bằng ván khuôn trượt ............................... 9 Hình 1.7: Thiết bị tự chế kiểu dàn trống lăn rải bê tông thi công mái kênh Phước Hòa 10 Hình 1.8: Hoàn thành thi công bê tông mái kênh Phước Hòa ......................................10 Hình 1.9: Mặt cắt ngang kênh ứng dụng công nghệ Neoweb bảo vệ mái. ..................11 Hình 1.10: Thi công neoweb tại dự án kênh chính Bắc ...............................................12 Hình 1.11: Bảo vệ mái kênh tiêu trong các đô thị tại Hà Lan ......................................12 Hình 1.12: Một đoạn kênh bảo vệ bằng tường bê tông cốt thép ở các đồng hoa Hà Lan .13 Hình 1.13: Mái kênh bê tông tại Ấn độ ........................................................................13 Hình 1.14: Thi công bê tông bảo vệ mái kênh bằng thiết bị chuyên dụng Gomaco-Mỹ .14 Hình 1.15: Bảo vệ mái kênh bằng thảm địa kỹ thuật ....................................................15 Hình 1.16: Một đoạn kênh được bảo vệ mái bằng bê tông-vải địa kỹ thuật .................15 Hình 1.17: Mái kênh bị sụt trượt ..................................................................................16 Hình 1.18: Cấu kiện gia cố mái kênh bị phân tách, tạo kẽ hở lớn................................ 17 Hình 1.19: Kênh mương nội đồng ở huyện Châu Thành A-Hậu Giang. .....................18 Hình 1.20: Cỏ mọc dày trên mái kênh gia cố bằng tấm bê tông đúc sẵn .....................19 Hình 1.21: Sự không đồng bộ trong quản lý kênh mương nội đồng ............................ 19 Hình 1.22: Một đoạn kè bờ bị sụt lở do xây dựng bổ sung ..........................................20 Hình 1.23: Cấu tạo neo tấm xoắn .................................................................................21 Hình 1.24: Cọc ống có gắn nhiều tầng cánh xoắn dùng trong móng cọc.....................22 Hình 1.25: Một dạng cọc vít dùng trong xây dựng ......................................................22 Hình 1.26: Các sản phẩm cọc neo vít của WBQ .............................................................. 23 Hình 1.27: Lắp đặt móng cọc vít cho dàn năng lượng điện mặt trời ............................. 24 Hình 1.28: Bố trí điển hình neo xoắn tại công trình cột tháp .......................................24 Hình 1.29: Neo xoắn dùng trong thí nghiệm bàn nén phẳng hiện trường ....................25 Hình 1.30: Ứng dụng neo xoắn trong bảo vệ mái dốc đứng ........................................25 Hình 1.31: Cấu tạo neo ấn - công ty Platipus Anchors Inc ..........................................26 Hình 1.32: Quá trình lắp đặt ban đầu ...........................................................................26 Hình 1.33: Neo đã được đặt đến độ sâu yêu cầu .......................................................... 27 Hình 1.34: Căng neo để tạo lực giữ ..............................................................................27 Hình 1.35: Quá trình lắp đặt neo ấn Platipus cho công trình bảo vệ mái dốc ..............28 Hình 1.36: Thực nghiệm lắp đặt kết cấu neo xoắn bảo vệ mái đê biển Nam Định - 2012 .29 Hình 2.1: Nguyên lý chịu lực của thanh neo ................................................................ 37 Hình 2.2: Các hình thức mũi neo giữ ...........................................................................38 Hình 2.3: Neo đất có dạng mở rộng đáy hình trụ tròn và nhiều hình nón cụt ..............38 vi
Hình 2.4: Khối đất phá hoại dạng nón cân ......................................................................42 Hình 2.5: Khối đất phá hoại khi kéo xiên so với phương ngang (H/D6) ...................43 Hình 2.6: Hình dạng khối đất bị phá hoại khi kéo neo .................................................43 Hình 2.7: Khối đất phá hoại khi tấm neo đặt sâu (H/D≥8) ..........................................44 Hình 2.8: Giả thiết khối trụ phá hoại ở phương pháp cắt hình trụ ............................... 45 Hình 2.9: Các thành phần lực được giả thiết trong phương pháp cắt hình trụ .............46 Hình 2.10: Cấu tạo mũi cọc xoắn .................................................................................47 Hình 2.11: Giả thiết mặt nón phá hoại của mũi neo xoắn ............................................51 Hình 3.1: Neo xoắn NĐ10 với bước xoắn Lx=0,8D. ...................................................56 Hình 3.2: Neo xoắn NMK8 .......................................................................................... 57 Hình 3.3: Chân kéo, pa lăng kéo và đồng hồ đo .......................................................... 59 Hình 3.4: Sơ đồ máng kính dùng xây dựng mô hình ...................................................59 Hình 3.5: Máng kính xây dựng mô hình ......................................................................59 Hình 3.6: Xác định các chỉ tiêu tính chất vật lý của đất thí nghiệm ............................ 60 Hình 3.7: Quá trình xây dựng mô hình.........................................................................63 Hình 3.8: Hoàn thiện mô hình ......................................................................................63 Hình 3.9: Kiểm tra các liên kết trước khi tăng tải ........................................................63 Hình 3.10: Hiệu chỉnh lực kế để gia tải kéo nhổ neo xoắn ..........................................64 Hình 3.11: Biểu đồ khả năng chịu tải kéo nhổ neo xoắn thí nghiệm cho TH1, TH4 ...65 Hình 3.12: Biểu đồ khả năng chịu tải kéo nhổ neo xoắn thí nghiệm cho TH2, TH5 ...66 Hình 3.13: Biểu đồ khả năng chịu tải kéo nhổ neo xoắn thí nghiệm cho TH3, TH6 ...67 Hình 3.14: Biểu đồ khả năng chịu tải kéo nhổ neo xoắn thí nghiệm cho TH7, TH10 .68 Hình 3.15: Biểu đồ khả năng chịu tải kéo nhổ neo xoắn thí nghiệm cho TH8,TH11 ..69 Hình 3.16: Biểu đồ khả năng chịu tải kéo nhổ neo xoắn thí nghiệm cho TH9, TH12 .70 Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - TH1 và TH4; H/D=8...72 Hình 3.18: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - TH2 và TH5; H/D=8 ...73 Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - TH3 và TH6; H/D=8....74 Hình 3.20: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - TH7 và TH10; H/D=8..75 Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - TH8 và TH11; H/D=8..76 Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - TH9 và TH12; H/D=8..77 Hình 3.23: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ neo xoắn và độ chặt của đất đắp; H/D=8 ..78 Hình 3.24: Khối nón lệch điển hình .............................................................................79 Hình 3.25: Biểu đồ tổng hợp khả năng chịu tải kéo nhổ neo xoắn .............................. 80 Hình 3.26: Độ sâu đặt neo giới hạn, Das (2013) .......................................................... 81 Hình 3.27: Độ sâu đặt neo H/D và sức chịu tải kéo nhổ neo xoắn, I-rô-đốp (1968) ...81 Hình 3.28: Tạo mái dốc thí nghiệm ..............................................................................85 Hình 3.29: Lắp đặt neo xoắn NMK14 ..........................................................................85 Hình 3.30: Neo xoắn được xoáy đến độ sâu thiết kế, kết thúc hành trình lắp đặt........86 Hình 3.31: Thiết bị đo lực của neo NMK14 .................................................................86 Hình 3.32: Căn chỉnh lực kế trước khi gia tải kéo neo NMK8 ....................................86 vii
Hình 3.33: Tiến hành kéo nhổ neo NMK8 ...................................................................87 Hình 3.34: Hình dạng phá hoại sau khi nhổ neo NMK8 ..............................................87 Hình 3.35: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - lớp 2A; m=1,0; H/D=8 ...88 Hình 3.36: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - lớp 2A; m=1.5; H/D=8 ...89 Hình 3.37: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - lớp 2B; m=1,0; H/D=8 ...90 Hình 3.38: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - lớp 2B; m=1,5; H/D=8 ...91 Hình 3.39: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - lớp 3; m=1,0; H/D=8 ......92 Hình 3.40: Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng kéo nhổ và chuyển vị - lớp 3; m=1,5; H/D=8 ......93 Hình 3.41: Mô tả độ sâu đặt neo xoắn và hình dạng khối đất phá hoại. ......................96 Hình 3.42: Các đại lượng trong công thức 3.1 ............................................................. 97 Hình 4.1: Mặt bằng mảng gia cố mái kênh bằng compozit xơ sợi .............................104 Hình 4.2: Mô tả lắp ghép cả hệ gồm mảng gia cố bảo vệ mái kênh có bố trí liên kết với neo gia cố...............................................................................................................105 Hình 4.3: Cắt ngang mảng gia cố bảo vệ mái kênh và liên kết thanh ren, ốc với mảng. ...106 Hình 4.4: Chi tiết thanh ren, ốc liên kết với neo gia cố. .............................................106 Hình 4.5: Kết cấu bảo vệ mái kênh bằng tấm compozit xơ sợi ..................................109 Hình 4.6: Neo xoắn NMK14 ứng dụng tại hiện trường .............................................113 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Cường độ chống cắt của đất-Viện Đường sắt TQ .......................................40 Bảng 2.2: Cường độ chống cắt của đất-Viện luyện kim TQ ........................................40 Bảng 2.3: Hệ số điều kiện làm việc m ..........................................................................47 Bảng 2.4: Các hệ số A, B tính sức chịu tải kéo của cọc neo xoắn ............................... 48  Bảng 2.5: Các giá trị của M, N ứng với    và   .............................................50 2 Bảng 3.1: Kích thước hai neo xoắn điển hình dùng trong thí nghiệm ........................57 Bảng 3.2: Tổng hợp các trường hợp thí nghiệm cho độ sâu đặt neo xoắn ...................58 Bảng 3.3: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất cho TN trong phòng ............................ 61 Bảng 3.4: Các trường hợp thí nghiệm kéo nhổ của neo xoắn ......................................64 Bảng 3.5: Khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn thí nghiệm cho TH1, TH4. .........65 Bảng 3.6: Khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn thí nghiệm cho TH2, TH5 ..........66 Bảng 3.7: Khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn thí nghiệm cho TH3, TH6 ..........67 Bảng 3.8: Khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn thí nghiệm cho TH7, TH10 ........68 Bảng 3.9: Khả năng chịu tải kéo nhổ neo xoắn thí nghiệm cho TH8,TH11 ................69 Bảng 3.10: Khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn thí nghiệm cho TH9, TH12 ......70 Bảng 3.11: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian duy trì kéo nhổ của neo xoắn - TH1 và TH4; H/D=8 ..............................................................................................................72 Bảng 3.12: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian duy trì kéo nhổ của neo xoắn - TH2 và TH5; H/D=8 ..............................................................................................................73 Bảng 3.13: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian duy trì kéo nhổ của neo xoắn - TH3 và TH6; H/D=8 ..............................................................................................................74 Bảng 3.14: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian duy trì kéo nhổ của neo xoắn - TH7 và TH10; H/D=8 ............................................................................................................75 Bảng 3.15: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian duy trì kéo nhổ của neo xoắn - TH8 và TH11; H/D=8 ............................................................................................................76 Bảng 3.16: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian duy trì kéo nhổ của neo xoắn - TH9 và TH12; H/D=8 ............................................................................................................77 Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả Pgh cho 12 trường hợp thí nghiệm với độ sâu đặt neo tương đối H/D=8............................................................................................................78 Bảng 3.18: Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất khu vực nghiên cứu ..........................................83 Bảng 3.19: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian kéo nhổ của neo xoắn - lớp 2A; m=1,0; H/D=8................................................................................................................88 Bảng 3.20: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian kéo nhổ của neo xoắn - lớp 2A; m=1,5; H/D=8................................................................................................................89 Bảng 3.21: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian kéo nhổ của neo xoắn – lớp 2B; m=1,0; H/D=8................................................................................................................90 Bảng 3.22: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian kéo nhổ của neo xoắn - lớp 2B; m=1,5; H/D=8................................................................................................................91 ix
Bảng 3.23: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian kéo nhổ của neo xoắn – lớp 3; m=1,0; H/D=8................................................................................................................92 Bảng 3.24: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian kéo nhổ của neo xoắn - lớp 3; m=1,5; H/D=8................................................................................................................93 Bảng 3.25: Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn trên mái nghiêng (kN) ........................94 Bảng 3.26: Tổng hợp các hệ số hiệu chỉnh ................................................................ 98 Bảng 3.27: Tổng hợp kết quả đánh giá lại theo trị số   1,80 .....................................99 Bảng 4.1. Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất khu vực nghiên cứu..........................................108 Bảng 4.2: Các kích thước thực tế của neo xoắn .........................................................113 x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT WB : Ngân hàng thế giới NMK8 : Neo xoắn dùng gia cố mái kênh với đường kính 8 cm NMK14 : Neo xoắn dùng gia cố mái kênh với đường kính 14 cm H/D : Tỷ số giữa độ sâu đặt neo và đường kính neo xoắn LL : Giới hạn chảy PL : Giới hạn dẻo PI : Chỉ số dẻo LI : Chỉ số chảy đvtt : đơn vị thể tích TH : Trường hợp thí nghiệm CÁC KÝ HIỆU  : Khối lượng đơn vị thể tích đất chế bị k : Khối lượng đơn vị thể tích đất khô kmax : Khối lượng đơn vị thể tích đất khô lớn nhất s : Khối lượng đơn vị thể tích hạt đất w : Khối lượng đơn vị thể tích của nước  : Trọng lượng đơn vị thể tích  : Ứng suất tiếp trên mặt trượt đang xét f : Cường độ chống cắt của đất c : Lực dính đơn vị của đất  : Góc ma sát trong của đất c : Ứng suất tứ phía, tương đương tính liên kết giả 1 : Ứng suất chính lớn nhất 3 : Ứng suất chính nhỏ nhất  max : Góc lệch lớn nhất của tổng tải trọng ngoài với pháp tuyến mặt trượt Pgh : Lực chống kéo nhổ giới hạn của neo xoắn Cu : Sức chống cắt không thoát nước  : Góc mở của hình nón phá hoại giả thiết khi kéo neo tấm xoắn V : Véctơ tốc độ chuyển vị của hình nón phá hoại giả thiết S : Diện tích xung quanh hình nón phá hoại giả thiết H : Độ sâu từ mặt đất đến cánh xoắn trên cùng L : Chiều dài neo xoắn Wtn : Độ ẩm tối ưu xi
Wcb : Độ ẩm đất chế bị  : Tỷ trọng hạt đất e : Hệ số rỗng k : Hệ số thấm của đất n : Độ lỗ rỗng S : Độ bão hoà xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là nước nông nghiệp với 254.815 km kênh mương các loại, đã kiên cố được 51.856km [1], chính phủ đã có chương trình quốc gia về xây dựng nông thôn mới, trong đó ưu tiên cho chương trình kiên cố hóa kênh mương nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống công trình thủy lợi. Theo đánh giá sau khi thực hiện kiên cố hóa kênh mương cho thấy, các hệ thống công trình thủy lợi đã nâng cao hiệu quả rõ rệt. Trước hết là đảm bảo tính đồng bộ của hệ thống thủy lợi, đã giảm 20%-25% lượng nước thất thoát, đủ độ cao mực nước trên các cấp kênh, chi phí sửa chữa, duy tu thường xuyên giảm trên 60% so với kênh chưa kiên cố trước đây. Cũng nhờ kiên cố hoá, nguồn nước trong kênh sạch sẽ hơn, góp phần đảm bảo vệ sinh môi trường nông thôn, giúp nhân dân chủ động được nguồn nước tưới, tiêu trong sản xuất, nâng cao hiệu quả tưới, tiêu, từ đó nâng cao năng suất mùa, vụ; diện tích canh tác do kênh mương chiếm chỗ được trả lại đáng kể sau khi kiên cố hóa kênh mương [1]. Việc kiên cố hóa kênh mương trong đó có hạng mục bảo vệ mái kênh hiện nay thường dùng bê tông đổ tại chỗ, tấm bê tông lắp ghép, hoặc đá lát. Các cấu kiện này có trọng lượng lớn, khi xây dựng, lắp ghép qua khu vực đất mềm yếu thì sau một thời gian, mái kênh thường bị lún sụt, nứt nẻ bề mặt, nứt vỡ cấu kiện, bong tróc bê tông hoặc các cấu kiện lắp ghép tách nhau tạo khe hở lớn mất mỹ quan, cỏ cây thường mọc ở những khe kẽ nứt dẫn đến không đảm bảo điều kiện kỹ thuật bảo vệ mái kênh cũng như điều kiện dẫn nước của hệ thống kênh. Đồng thời, việc thi công bảo vệ mái kênh bằng bê tông đổ tại chỗ, tấm bê tông lắp ghép hoặc đá lát thường tốn nhiều thời gian, đổ bê tông tại chỗ đôi khi phải sử dụng thiết bị thi công chuyên dụng, phức tạp, hoặc thi công bảo vệ mái kênh bằng tấm bê tông lắp ghép trong điều kiện vẫn phải đảm bảo tưới thì việc đảm bảo chất lượng của kết cấu bảo vệ mái kênh rất khó khăn. Đề tài: “Nghiên cứu giải pháp neo xoắn để gia cường ổn định cho cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi”, nghiên cứu giải pháp mới để bảo vệ mái kênh nhằm khắc phục một phần tồn tại kỹ thuật của các giải pháp đã nêu ở trên, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật, thi công nhanh và tiện lợi, mang lại hiệu quả lâu dài là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 1
2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là tìm ra giải pháp khoa học, kinh tế, hiện đại và phù hợp với điều kiện Việt Nam để tăng cường ổn định cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi. Các mục tiêu cụ thể là: - Nghiên cứu cơ sở khoa học cho giải pháp neo xoắn ứng dụng trong gia cường cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi; - Đề xuất các công nghệ bảo vệ mái kênh kết hợp sử dụng neo xoắn theo xu hướng tiếp cận vật liệu mới, hiện đại, có độ bền cao và thuận tiện trong thi công; - Nghiên cứu đề xuất giải pháp khoa học công nghệ mới và một hệ kết cấu bảo vệ mái kênh hoàn chỉnh, thay thế kết cấu bảo vệ mái kênh truyền thống trong điều kiện làm việc cụ thể của công trình; - Kết quả nghiên cứu được phân tích ứng dụng cho công trình thực tế để thấy được tính mới, tính khả thi của giải pháp, khả năng chế tạo hàng loạt cho cấu kiện và khả năng thi công cơ giới trong thực tế. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là neo xoắn dùng để gia cường ổn định cho cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi. 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp neo xoắn ứng dụng cho cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi, vì vậy các điều kiện biên được tuân thủ chặt chẽ theo TCVN 4118:2012. Công trình thủy lợi-Hệ thống tưới tiêu-Yêu cầu thiết kế. Mái dốc kênh có hệ số mái m = 1,0, m = 1,5, theo chỉ dẫn thiết kế tại phụ lục H [2]; - Đất thí nghiệm hiện trường lựa chọn nhóm II theo TCVN 4253-2012 Tiêu chuẩn Nền công trình thủy công [3] (đất dính trạng thái dẻo, dẻo cứng hoặc dẻo mềm); - Không nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme hoặc compozit xơ sợi mà chỉ đề xuất ứng dụng. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan các giải pháp gia cường bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi ở Việt Nam và trên thế giới. Đánh giá tồn tại về kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận án tập trung giải quyết; 2
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của neo trong đất, cơ sở thiết lập biểu thức xác định khả năng chịu tải kéo nhổ dạng neo xoắn mà tác giả đề xuất; - Nghiên cứu thực nghiệm về sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn trong phòng thí nghiệm và hiện trường, thiết lập biểu thức giải tích về khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn và điều kiện ứng dụng; - Nghiên cứu đề xuất kết cấu bảo vệ mái kênh có sử dụng neo xoắn kết hợp với vật liệu mới để thay thế vật liệu gia cố mái kênh truyền thống; - Nghiên cứu ứng dụng cho công trình thực tế. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận -Tiếp cận hệ thống: giải quyết bài toán gia cố mái kênh công trình thủy lợi một cách toàn diện, chỉnh thể từ cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế, thi công và vận hành; -Tiếp cận kế thừa: kế thừa các kết quả nghiên cứu đã công bố về neo xoắn, mở rộng ứng dụng của các nghiên cứu trước đó, luận giải vào ứng dụng thực tế của neo xoắn được đề xuất trong luận án để hoàn chỉnh cơ sở khoa học cho vấn đề nghiên cứu; -Tiếp cận mang tính hiện đại: đề xuất giải pháp mới để gia cố mái kênh theo hướng tiếp cận vật liệu mới, giải pháp kỹ thuật mới. 5.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết: phân tích lý thuyết neo trong đất và nguyên tắc thiết kế, xây dựng cơ sở lý thuyết cho giải pháp neo xoắn dùng gia cường cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi; - Phương pháp thực nghiệm: thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý vật liệu trong phòng thí nghiệm, thí nghiệm mô hình vật lý trong phòng, thí nghiệm hiện trường. Kiểm chứng cơ sở khoa học việc ứng dụng công nghệ; - Phương pháp chuyên gia: tổ chức hội thảo, lấy ý kiến đóng góp của các nhà khoa học có chuyên môn sâu về lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện nội dung nghiên cứu luận án đề ra. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học - Xây dựng cơ sở khoa học ứng dụng neo xoắn gia cố cấu kiện bảo vệ mái kênh, đánh giá khả năng chịu tải kéo nhổ của neo, xây dựng biểu thức tính toán. Sử dụng neo xoắn 3
để neo giữ cấu kiện bảo vệ mái kênh theo hướng gia cường thêm ổn định hoặc thay thế bằng vật liệu mới, có độ bền cao, khối lượng nhẹ; - Các thí nghiệm trong phòng giúp làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn trên mái nghiêng, qua đó xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng chịu tải kéo nhổ của neo cho thí nghiệm hiện trường và xác định được độ sâu đặt neo xoắn hợp lý, kết quả thí nghiệm hiện trường cho thấy hiệu quả neo giữ của neo xoắn, lựa chọn được hệ số hiệu chỉnh dùng trong công thức thực nghiệm và thấy rõ được tính khả thi của giải pháp. 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Giải pháp neo xoắn gia cường ổn định cho cấu kiện bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi áp dụng thích hợp khi kênh xây dựng ở vùng đất nền là đất dính yếu bão hòa nước, loại đất phổ biến ở cả 3 vùng đồng bằng lớn ở nước ta. Việc bố trí thêm neo xoắn gia cường nhằm giảm trọng lượng cấu kiện bảo vệ mái kênh hoặc thay thế vật liệu bảo vệ mái kênh bằng những loại vật liệu mới, hiện đại, có độ bền cao, trọng lượng nhẹ, thi công nhanh như HDPE Geomemberane, compozit… Như vậy việc ứng dụng giải pháp neo xoắn để neo giữ cấu kiện bảo vệ mái kênh theo hướng giảm nhẹ khối lượng cấu kiện, tiếp cận vật liệu hiện đại là giải pháp khoa học và thực tiễn, đưa mái kênh gia cố bảo vệ về gần với mái kênh tự nhiên nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và mỹ quan. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, kiến nghị, luận án gồm 4 chương nội dung: Chương 1: Tổng quan về giải pháp bảo vệ mái kênh công trình thủy lợi và ứng dụng neo xoắn để gia cường ổn định cho cấu kiện bảo vệ mái Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu dùng neo xoắn gia cường ổn định cấu kiện bảo vệ mái kênh. Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm về khả năng chịu tải kéo nhổ của neo xoắn trên mái nghiêng Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu, dùng neo xoắn để gia cường ổn định cấu kiện bảo vệ mái kênh. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ MÁI KÊNH CÔNG TRÌNH THỦY LỢI VÀ ỨNG DỤNG NEO XOẮN ĐỂ GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH CHO CẤU KIỆN BẢO VỆ MÁI 1.1 Các hình thức bảo vệ mái kênh mương ở Việt Nam, trên thế giới và các tồn tại kỹ thuật 1.1.1 Các hình thức bảo vệ mái kênh mương ở Việt Nam 1.1.1.1 Mái kênh đất có trồng cỏ hoặc gọi tắt là kênh đất Hình 1.1: Hệ thống kênh thủy lợi chưa kiên cố hóa (Nguồn: http://xdcb.vn/khcn/tintuc/Pages/) Kênh đất được xây dựng bằng đất với mái trồng cỏ, có kết cấu đơn giản, thi công nhanh, đáp ứng tốt nhu cầu tưới tiêu trong khu vực nội đồng nên thường được ứng dụng cho các kênh cấp ba, kênh nội đồng. Tuy nhiên loại kênh này thường chịu ảnh hưởng lớn bởi tác động từ thiên nhiên cũng như động vật gây hư hỏng, xuống cấp, ảnh hưởng đến việc dẫn nước phục vụ nông nghiệp. Sau một thời gian hoạt động thì lớp cỏ trên mái kênh phát triển làm cản trở dòng chảy. Chính vì vậy cần định kỳ có những biện pháp nạo vét, dọn dẹp để đảm bảo nhiệm vụ dẫn nước của kênh. Hình 1.2, kênh đất, bảo vệ mái bằng biện pháp trồng cỏ, sau một thời gian sử dụng cỏ mọc cao gây cản trở dòng chảy, sạt lở mái kênh do hang hốc, bùn đất lắng đọng làm giảm hiệu quả dẫn nước và mất mỹ quan. 5
Hình 1.2: Nạo vét kênh để đảm bảo dòng chảy ở tỉnh Bắc Ninh Do kênh bằng đất mái cỏ nhanh bị xuống cấp, thường xuyên phải bảo dưỡng mới đáp ứng được nhu cầu dẫn nước. Ngoài ra, tại các vị trí quan trọng như sau công trình đầu mối hay những nơi có dòng chảy xiết, loại kênh này không đáp ứng được yêu cầu ổn định. Từ đó, đã có nhiều dạng kết cấu kênh mương được đưa ra để kiên cố hóa tại những vị trí này. 1.1.1.2 Bảo vệ mái kênh bằng đá xây hoặc đá lát chít mạch Kênh đá lát chít mạch hoặc kênh đá xây vữa cũng là một trong những kết cấu bảo vệ mái kênh phổ biến ở nước ta. Tuy nhiên, hình thức này có yêu cầu địa chất nền cao hơn, thường chỉ áp dụng khi kênh đi qua lớp đất nền tốt. Ở những vùng có nguồn vật liệu đá lát nhiều, giải pháp kênh đá xây bảo vệ mái là phổ biến. Hình 1.3 là một đoạn kênh đá xây trong chiến dịch làm thủy lợi nội đồng ở Nam Định. Hình 1.3: Thi công đá xây bảo vệ mái kênh ở Nam Định (Nguồn: http://namdinhtv.vn/kinh-te/) 6