TÍNH TOÁN VÀ CÁC VẤN ĐỀ LƯU Ý KHI ĐỔ BÊ TÔNG BỊT ĐÁY KHUNG VÂY CỌC VÁN THÉP.

Tóm tắt: Công nghệ đập trụ đỡ sử dụng khung vây cọc ván thép để thi công các kết cấu công trình ngay trên sông. Những vị trí xây dựng công trình có đất nền là đất bùn yếu hoặc đất thấm lớn thì kết cấu khung vây cọc cừ ván thép phải có lớp bê tông bịt đáy nhằm ổn định chân khung vây, chống đẩy trồi đất hoặc chống thấm và lớp lót đáy phục vụ cho công tác thi công. Xác định chiều dày của lớp bê tông bịt đáy và những vấn đề lưu ý trong thi công là rất quan trọng nhằm đảm bảo an toàn trong suốt quá trình thi công.
 
1.    ĐẶT VẤN ĐỀ

Khi thi công bản đáy và trụ pin của đập trụ đỡ trong nước cần sử dụng khung vây ván thép để làm khô hố móng. Kết cấu khung vây gồm: lớp cừ chịu lực đối xứng phía ngoài cắm sâu vào nền đất tựa vào vành đai phía trong vừa làm nhiệm vụ kín nước vừa chịu áp lực nước truyền vào và để giảm lưu lượng, áp lực thấm lên đáy móng. Hệ khung chống phía trong liên kết với lớp đai và nhận lực đối xứng xung quanh truyền vào. Thanh chống của khung làm việc theo sơ đồ chịu nén hướng tâm nên có khả năng chịu lực cao, đóng vai trò quan trọng làm khung vây cân bằng và ổn định trong quá trình bơm nước và thi công bản đáy, trụ pin của đập trụ đỡ. Lớp bê tông bịt đáy ngoài việc chống thấm, chống đẩy trồi của đất còn có nhiệm vụ là điểm tựa như một khung chống của cừ cắm vào nền, nơi có áp lực ngoài tác dụng vào lớn nhất. Việc có bố trí lớp bê tông bịt đáy hay không và chiều dày của nó là bao nhiêu còn phụ thuộc vào điều kiện đất nền, áp lực thấm và chống đẩy trồi của đất. Xác định chiều dày lớp bê tông bịt đáy để đảm bảo ổn định và thi công trụ rất quan trọng. Đối với nền sét cần xem xét tính chất cơ lý của đất ảnh hưởng đến lớp bê tông bịt đáy, còn đối với nền cát do ảnh hưởng của hệ số thấm nên lưu lượng chảy vào hố móng lớn do đó cần phải đổ bê tông bịt đáy.
Nội dung bài báo đưa ra phương pháp tính toán xác định chiều dày lớp bê tông bịt đáy đó.

2.    KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN ĐẤT NỀN

Trước khi lựa chọn giải pháp thi công có sử dụng lớp bê tông bịt đáy làm tầng phản áp chống thấm thì cần đánh giá sự cần thiết có phải sử dụng lớp bê tông này không dựa trên điều kiện ổn định của đất nền trong và ngoài khung vây thi công.

                          Hình 1. Bê tông bịt đáy trong khung vây
 
2.1.    Kiểm tra điều kiện ổn định thấm cục bộ của nền trong khung vây
+ Kiểm tra ổn định thấm cục bộ:
Khi nền một đơn vị trong miền thấm chịu áp lực thấm Wi= γn*i, miền thấm phía ngoài khung vây hố móng được các lực nước giữ chặt thêm còn miền thấm trong khung vây chịu lực đẩy Wđ hướng từ dưới lên trên ngược chiều trọng lượng bản thân của khối đất. Khối đất ở trạng thái cân bằng (bỏ qua lực ma sát và hố móng):

Trong đó:
γ_i: Trọng Lượng Riêng Của Lớp Đất Nền
γ_n : Trọng lượng riêng của nước
n : Độ rỗng tương đối của đất nền.

Gradient thủy lực giới hạn được xác định:

Điều kiện để nền không bị thấm cục bộ:

i_ra: Gradient thủy lực cục bộ tại cửa ra của nền.
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (thông qua các phần mềm) để xác định các giá trị gradient thấm của nền, tại vị trí cừ trong khung vây, tại vị trí cửa ra sau đó kiểm tra để đánh giá ổn định thấm trong nền.

2.2. Kiểm tra ổn định chống đẩy nổi do áp lực thấm
Trường hợp lớp trên là đất sét không thấm nước, lớp dưới có một tầng chứa nước có áp hoặc tầng chứa nước không phải là nước có áp, do quá trình đào đất hình thành chênh lệch cột nước trong và ngoài khung vây, cần kiểm tra ổn định chống đẩy nổi lớp đất ở đáy hố móng. hệ số ổn định chống cột nước có áp (Nguyễn Bá Kế, 2002):

Trong đó:
P_cz : Trọng lượng bản thân của lớp đất phủ nằm từ mặt hố móng đến mặt của tầng nước có áp;
P_wy : Áp lực đẩy nổi của nước lên đáy lớp đất tính toán;

2.3.    Kiểm tra ổn định chống trồi của hố móng trong khung vây:
Khi  đào hố móng trong khung vây, do đất trong hố bị đào đi làm biến đổi trường ứng suất và trường biến dạng của nền đất, gây đẩy trồi đất đáy hố móng. Do đó khi thiết kế cần thiết phải kiểm tra ổn định chống đẩy trồi của hố móng dựa trên phương pháp cân bằng giới hạn.
2.3.1.    Đối với đất sét thuần sét (coi ɸ = 0)
2.3.1.1.    Nền có 1 lớp sét:
Phương pháp đánh giá ổn định hố móng dựa trên điều kiện ổn định mặt trượt được tạo thành bởi mặt tròn và mặt phẳng (Terzaghi): Cường độ tải trọng phía ngoài khung vây:
 

Trong đó:

γ_bh : Dung trọng bão hòa của đất, T/m³;

γ_n : Dung trọng của nước, T/m³;

C_u : Lực kháng dính của đất, T/m²; B : Bề rộng hố móng, m;

H : Chiều cao từ mặt đất ngoài hố móng đến đáy hố móng, m;

H₁ : Chiều cao từ mực nước đến mặt đất  ngoài hố móng, m;

T : Bề dày lớp đất sét dưới đáy hố móng, m;

B₁ : Chọn giá trị nhỏ trong B/2^0,5 và T, m. Khả năng chịu tải của nền đất:

q_n = 5,7.C_u.B₁                                  (6)

Lực giữ do ma sát với đất phía trong khung vây với cừ:

q_c = (1+α).C_u.D                                (7)

Trong đó:

D : Chiều sâu của cọc ván thép trong đất, m;

α : Hệ số chiết giảm lực dính giữa cọc và đất, chọn α = 0,5÷1

  
            Hình 2. Đánh giá ổn định hố móng cho nền 1 lớp sét
Hệ số an toàn chống đẩy trồi của nền:
 
2.3.1.2.    Nền có nhiều lớp sét:

       Hình 3. Đánh giá ổn định hố móng cho nền nhiều lớp sét

2.3.1.3.    Ổn định chống đẩy trồi đáy hố móng khi đáy móng có lớp bê tông bịt đáy
 Trong những trường hợp nhằm giảm chiều sâu chôn cừ và tăng cường ổn định cho khung vây, để chống đẩy trồi hố móng cần gia cố đáy hố móng bằng bê tông bịt đáy. Khi đó ổn định chống trồi của đáy hố móng:
 
 
Trong đó: Cb : Lực dính giữa lớp bê tông bịt đáy và tường cừ, T/m2;
γ_b : Trọng lượng riêng của lớp bê tông  bịt đáy, T/m3;
H_b : Chiều dày lớp bê tông bịt đáy, m;
 
2.3.1.4.    Ổn định chống đẩy trồi đáy hố móng khi đáy móng gồm hệ cọc và bê tông bịt đáy
Khi hố móng gia cố có lớp bê tông bịt đáy và hệ cọc gia cố nền công trình thì ổn định chống trồi của đáy hố móng:

Hình 4. Đánh giá ổn định hố móng có lớp bê tông và hệ cọc cho nền nhiều lớp sét
 
 
trong đó: f_a:Tổng lực neo giữ của cọc trong lớp bê tông bịt đáy
Đối với nền là sét yếu do lực dính và góc ma sát nhỏ (ɸ ≈ 0) nên bỏ qua ảnh hưởng của hệ cọc đến sức chịu tải của nền.
2.3.2.    Đối với đất sét khi đồng thời xét cả ɸ, c ≠ 0
Khả năng chịu lực của đất nền tại đáy cừ theo hình dạng của đường trượt, khi đó hệ số ổn định chống đẩy trồi:

Trong đó:
D : Độ sâu tường cừ cắm vào nền, m;

H : Chiều cao từ mặt đất ngoài hố móng đến đáy hố móng, m;
γ₁ : Trọng lượng trung bình tự nhiên của các lớp đất ở phía ngoài hố kể từ mặt đất tự nhiên đến đáy cừ, T/m3.
γ₂ : Trọng lượng trung bình tự nhiên của các lớp đất ở phía trong hố kể từ mặt đào đến đáy cừ, T/m3;

N_q, Nc: Hệ số tính toán khả năng chịu  lực  giới hạn của đất nền (Prandtl)

Phương pháp đánh giá dùng để kiểm tra hệ số an toàn chống trồi, do không kể đến tác dụng chống đẩy trồi lên của cường độ chịu cắt nên hệ số an toàn K ≥ 1,20÷1,30.
2.4. Nhận xét:
Trong trường hợp một trong ba điều kiện ổn định nêu trên (ổn định thấm cục bộ, ổn định chống đẩy nổi do áp lực thấm và ổn định chống đẩy trồi) không đảm bảo, cần đề xuất biện pháp gia cường làm cho tính ổn định của nền đất có đủ độ an toàn nhất định.
Biện pháp gia cường thường được sử dụng là sử dụng lớp bê tông bịt đáy vừa có tác dụng gia cường đáy hố móng vừa có tác dụng chống đỡ cho khung vây như một tầng khung chống
 
3.    CÁCH TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀY BÊ TÔNG BỊT ĐÁY

3.1.    Cách tính toán:
+ Lực đẩy nổi khung vây:
P_đn = H.F. γ_n    (14)
Trong đó:
H : Chiều sâu cột nước tính từ đáy lớp bê tông bịt đáy đến mực nước thi công ;
F : Diện tích khung vây;
γ_n : Dung trọng của nước;

+ Lực cản chống đẩy nổi (Pg) bao gồm:
- Trọng lượng bản thân của các bộ  phận khung vây (P1): cọc ván thép, vành đai, khung chống, bê tông bịt đáy,... Để đơn giản và thiên về an toàn chỉ xét đến trọng lượng của khối bê tông bịt đáy:
P₁ = F.h_b. γ_b    (15)
γ_b : Trọng lượng riêng của bê tông vữa dâng.

+    Lực ma sát giữa hệ cọc của công trình với bê tông bịt đáy (P2)
P₂ = n.F_tx.f₁    (16)
Trong đó:
n : Số cọc
F_tx : Diện tích tiếp xúc giữa mặt bên của một cọc với bê tông bịt đáy;
f₁ : Ma sát đơn vị giữa cọc chịu lực của đập  trụ đỡ và bê tông bịt đáy.

+    Lực ma sát giữa chân cọc ván thép và bê tông bịt đáy (P3):

P₃ = C.h_b.f₂    (17)

Trong đó:
C : Chu vi khung vây, tính theo đường tim cọc ván thép;
f₂ : Ma sát đơn vị của đất trong phạm vi cắm cọc cừ ván thép.
Pg = P₁ + P₂ + P₃    (18)
+ Điều kiện an toàn của khung vây:
P_g ≥ k.P_đn   (19)
Trong đó: k : Hệ số an toàn.
+ Chiều dày lớp bê tông bịt đáy (hb) như sau:
 
3.2.    Ứng dụng cho tính toán công trình cống Cầu Xe (Viện Thủy công, 2012):
Dựa vào cách xác định chiều dày bê tông bịt đáy, tính toán cho công trình cống Cầu Xe (là cống đầu mối quan trọng của hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải, nằm ở cuối hệ thống, thuộc huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương - cống cũ được xây dựng từ năm 1966, nay được xây dựng mới).
Mực nước thi công p=5%: + 2,65m.
+ Kiểm toán khả năng ổn định của nền khi chưa có bê tông bịt đáy:
Nền phía dưới gồm nhiều lớp, trong đó có khoảng 4 lớp ảnh hưởng đến khả năng thấm vào khung vây (lớp 2b – hệ số thấm K= 7.6e-7m/s; lớp 3ª –K= 1.0e-7m/s; lớp 3b – K= 2.3e-8m/s; lớp 4- K= 2.14e-7m/s).

                        Hình 5. Mô hình tính toán                                                    Hình 6. Kết quả tính toán
 
Với tổ hợp mực nước tính toán(ngoài  khung vây +2,65m; trong khung vây -6,00) thì  gradient  tại chân cừ J_cừ= 3,20 > [J]= 0,8 gây ra xói chân khung vây. Chính vì vậy cần phải sử dụng bê tông bịt đáy để gia cố nền trong quá trình thi công.
+ Tính toán chiều dày bê tông bịt đáy:

 
                                        Hình 7. Sơ đồ thi công hố móng cống Cầu Xe- Hải Dương
 
Giả sử chiều dày bê tông bịt đáy hbd =1,50m
+ Lực đẩy nổi trong vòng vây tính đến đỉnh bê tông bịt đáy:
P_đn = γ_n.H.F = 1.8,75.546,50 = 4781,88 (T)
+ Trọng lượng bê tông bịt đáy:
P₀₄= 1885,43 (T);
+ Lực ma sát giữa bê tông bịt đáy và cọc: P₁=f₁.C_cọc.α.h_bd=10,0*162,40*(1,02*1,50) =2484,24 (T)
+ Lực ma sát giữa chân cọc ván thép,  thép  với đất: P₂ = 2f₂.C_kv.h_đất = 2312,00 (T)
+ Lực ma sát giữa chân cọc ván thép với bê tông: P3=f₃.C_kv.h_bd = 5,0.231,20.1,5 =1734,00 (T)
Ma sát giữa cừ ván thép với bê tông bịt đáy nhỏ hơn tổng tải trọng của khung vây (bao gồm khung vây và bê tông bịt đáy) nên tổng lực để giữ ổn định cho bê tông bịt đáy bao gồm trọng lượng bê tông bịt đáy, lực ma sát giữa bê tông bịt đáy với cọc và lực ma sát giữ bê tông bịt đáy với cọc ván thép
kP_giữ = k(mP₀₄ + P₁ + P₃) = 5619,37 ≥ (P_đn +γ_n.F.hb_d) = 5601,63 (T)

với m= 0,90. Chiều dày bê tông bịt đáy h_bd = 1,50m thỏa mãn điều kiện an toàn chống đẩy bục nền.

4.    THI CÔNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ LƯU Ý KHI ĐỔ BÊ TÔNG BỊT ĐÁY:
4.1.    Thi công hố móng
Đất trong khung vây được xói hút đến cao độ đáy thiết kế, thông thường lớp đất phía trên có thể dùng máy đào bằng gàu để đào đất nhưng khi gần đến cao độ thiết kế thì phải dùng xói hút để tránh phá hoại nền.
Khi đào móng trong khung vây cần chú ý các vấn đề sau:

1. Với hố phải đào nhiều thì nên hạ khung chống sơ bộ trước để tránh biến dạng tường cừ do chênh lệch áp lực đất trong và ngoài khung vây. Trong quá trình nạo vét và xói hút phải làm sạch đất bám vào thành của cọc ván thép khung vây và cọc chịu lực, ma sát giữa lớp bê tông này với tường cừ của khung vây và cọc chịu lực của đập trụ đỡ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng ổn định của lớp bê tông bịt đáy.
2. Với các hố móng rộng phải phân chia nhiều đợt đổ thì có thể phân khoảnh bằng vách ngăn. Việc phân chia khoảnh đổ nên tận dụng các cấu kiện đã có như tường cừ chống thấm. Tấm bê tông kết hợp cọc chịu lực của trụ.

4.2.    Thi công đổ bê tông bịt đáy
Bê tông bịt đáy đổ theo phương pháp vữa dâng trong nước. Quan trọng nhất là quá trình đổ khối bê tông phải liên tục, không được phân tầng.
Các vấn đề cần lưu ý khi đổ bê tông bịt đáy:

1. Trong hố móng nên để hố thu bùn lỏng sâu hơn mặt bằng chung của đáy móng, quá trình đổ bê tông phải lựa chọn vị trí ống đổ bê tông để trong suốt quá trình lan tỏa của bê tông, đất mùn hoặc bùn lỏng sẽ bị đẩy về vị trí hố thu rồi hút ra ngoài. Do vậy để đảm bảo chất lượng khối bê tông liên tục, việc vệ sinh và hút hết bùn lỏng là quan trọng phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của đơn vị thi công (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 2010).
2. Trong thực tế thi công, với đất nền có hệ số thấm nhỏ (thường là đất sét) làm giảm cột nước áp lực tác dụng lên đáy bê tông, khi đó chiều dày bê tông bịt đáy cần thiết để thi công an toàn thường nhỏ hơn so với tính toán lý thuyết từ (20%-50%). Nhưng ngược lại đối với đất nền có hệ thấm lớn (thường là đất cát) thì chiều dày bê tông bịt đáy cần dựa trên tính toán lý thuyết (Trương Đình Dụ, 2014; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 2010).

5.    KẾT LUẬN

      Lớp bê tông bịt đáy có vai trò quan trọng không chỉ có tác dụng làm tăng ổn định khung vây trong điều kiện cọc cừ cắm vào nền đất yếu (giống như một tầng khung chống chịu lực dưới cùng trong hố móng) mà còn giúp cho quá trình thi công được thuận lợi và nhanh hơn (tạo lên một tầng phản áp chống thấm) do hố móng luôn khô ráo khi lớp nền xung quanh khung vây có hệ số thấm lớn.

      Thi công bằng khung vây cọc ván thép là giải pháp thi công đòi hỏi trình độ cao, việc thi công đổ bê tông bịt đáy hoàn toàn trong nước nên trong quá trình thi công lớp bê tông bịt đáy các vấn đề lưu ý như phương pháp đổ, kiểm soát chất lượng bê tông và điều kiện địa chất nền là rất quan trọng và cần thiết.

 TÀI LIỆU THAM KHẢO
GS,TS Trương Đình Dụ (2014), “Đập trụ đỡ”, Nhà xuất bản Nông nghiệp 2014. Nguyễn Bá Kế (2002), “Thiết kế và thi công hố móng sâu”, Nhà xuất bản Xây dựng.
Viện KHTLVN (2010), Quy trình thiết kế, thi công, nghiệm thu và quản lý vận hành đập trụ đỡ, tài liệu phục vụ chuyển giao sử dụng sáng chế số 6601- Đập trụ đỡ.
Viện Thủy công (2012) - Hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công cống Cầu Xe – Hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải.