Nghiên cứu thiết kế cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


NGUYỄN VĂN BIỆN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MÔ HÌNH
TƢƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao Thông
Mã số: 60.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình đƣợc hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. CAO VĂN LÂM

Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Viết Trung
Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Mỹ

Luận văn đã đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
Kỹ thuật, Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao Thông, tại
Trƣờng Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 01 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trƣờng Đại học Bách khoa

 Thƣ viện Khoa Xây dựng Cầu Đƣờng, Trƣờng Đại học Bách khoa-ĐHĐN


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Với việc phát triển nhanh chóng hiện nay của các ngành khoa học
kỹ thuật, công nghệ dẫn đến những nhu cầu về kinh tế, văn hóa, xã
hội… cũng tăng theo. Bên cạnh việc đáp ứng kịp những nhu cầu đó
thì việc xây dựng, phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật, giao thông, vận
tải vv… là hết sức cần thiết.
Cầu, cống thoát nƣớc nói chung và Cống hộp nói riêng là loại
công trình nhân tạo khá phổ biến trong công trình giao thông. Tác
dụng chủ yếu là để thoát nƣớc của các dòng chảy thƣờng xuyên hay
định kỳ chảy qua phía dƣới nền đắp, ngoài ra cống còn làm đƣờng
chui dân sinh.

Hình 1: Cống hộp 2 cửa
Số lƣợng các công trình thoát nƣớc trên tuyến phụ thuộc vào điều
kiện địa hình, khí hậu trong đó cống chiếm 80% - 90% số lƣợng các
công trình thoát nƣớc. Ở Việt Nam đối với đƣờng cấp IV miền núi
trung bình 1km đƣờng có 4 – 9 cái cống . Giá thành xây dựng cống
thƣờng chiếm 10% - 20% giá thành toàn bộ tuyến [1].


2

Hình 5 : Minh họa sự cần thiết của đề tài
Tuy nhiên trong quá trình thiết kế cống hộp hiện nay, việc lựa

chọn hệ số nền để thiết kế cống chƣa đƣợc rỏ ràng, làm cho đơn vị
quản lý gặp khó khăn trong quá trình thẩm tra, kiểm toán kết cấu
cống.
- Trong quá trình thiết kế cống hộp bằng phần mềm máy tính hiện
nay, ngƣời thiết kế chọn liên kết giữa đất nền với kết cấu cống bằng
liên kết cứng hoặc đàn hồi thông thƣờng là chƣa phù hợp, chƣa phản
ánh hết bản chất làm việc của kết cấu cống.
Nhằm phản ánh sự làm việc đồng thời của cống trên nền đất, phân
tích làm rỏ hơn về sự tƣơng tác của hệ số nền đất với kết cấu cống
trong thiết kế và kiểm toán cống hộp nhằm góp phần phục vụ cho
công tác thiết kế xác với thực tế, tiết kiệm chi phí đầu tƣ đồng thời có
cơ sở cho công tác kiểm toán trong quá trình khai thác và kiểm định
công trình sau này. Với những nhận định trên tác giả nhận thấy việc
Nghiên cứu thiết kế cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền
là hết sức cần thiết.
2. Đối tƣợng nghiên cứu:
- Cống hộp nhiều cửa
- Sự tƣơng tác giữa cống hộp và nền đất
- Kiểm toán cống hộp bằng phần mềm Midas/Civil
3. Phạm vi nghiên cứu:
- Cống hộp 2 cửa (2m x 3m)


3

- Tính toán hệ số nền bằng nhiều phƣơng pháp.
- Thiết kế và kiểm toán cống hộp bằng Midas/Civil
4. Mục tiêu nghiên cứu:
- Lựa chọn hệ số nền phù hợp để đƣa vào chƣơng trình máy tính
- Thiết kế và kiểm toán cống hộp băng phần mềm Midas/Civil

5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế cống hộp.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định hệ số nền.
- Nghiên cứu mô hình thiết kế và kiểm toán cống bằng
Midas/Civil
6. Kết cấu của luận văn.
Chƣơng 1. Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp
trên nền đàn hồi
1.1. Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp
1.2. Tƣơng tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền
đàn hồi
1.3. Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp
hiện nay
1.4. Kết luận.
Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết để xác định hệ số nền k.
2.1. Đặt vấn đề.
2.2. Các phƣơng pháp xác định hệ số nền.
2.3. So sánh và phân tích.
2.4. Kết luận.
Chƣơng 3. Thiết kế và kiểm toán cống hộp trên nền đàn
hồi bằng phần mềm Midas/Civil.
3.1. Mô hình hóa tính toán cống hộp bằng Midas/Civil
3.2 Mô tả liên kết cống hộp với đất nền
3.3. Tính toán và thiết kế cống hộp theo các hệ số nền
khác nhau
3.4. Kiểm toán cống hộp theo nhiều hệ số nền khác
nhau
3.5 Phân tích kết quả
3.6 Kết luận

4

Kết luận và kiến nghị.
1. Kết luận.
2. Kiến nghị.
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN
CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI
1.1 Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp
Cống thoát nƣớc nói chung và cống hộp nói riêng là một trong
những công trình xây dựng thiết yếu trên hệ thống công trình đƣờng
bộ. Trong lĩnh vực thiết kế công trình cống hiện nay ở nƣớc ta phần
lớn là sử dụng tiêu chuẩn 22TCN272-05 để làm cơ sở thiết kế cho
công trình cống.
Khi tính toán thiết kế cống đòi hỏi ngƣời thiết kế phải nghiên
cứu, điều tra khảo sát, thực nghiệm khá chặt chẽ. Những năm gần
đây và hiện nay cùng với tiến trình hội nhập, nhiều phƣơng pháp tính
toán trong thiết kế cùng vật liệu và kết cấu mới, các công nghệ thi
công tiên tiến đƣợc áp dụng vào thực tiễn xây dựng các công trình
Cống hộp ở Việt Nam. Cùng với đó việc áp dụng các phần mềm thiết
kế hiện đại nhƣ Sap 2000, Midas/civil, C-pro… Vào chƣơng 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 bƣớc thiết kế cơ bản nhất
định. Việc thiết kế cống là một công tác rất tổng hợp, bao gồm từ
điều tra khảo sát thủy văn, tính toán lƣu lƣợng nƣớc, 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 lƣu cống, cho đến việc
thiết kế và kiểm toán cống, thiết kế nền móng cho cống, bố trí khe
phòng lún và tầng phòng nƣớc vv…[2].
Qua thực tế cho thấy, quá trình thiết kế cống lâu nay cũng còn tồn

tại hai quan điểm thiết kế khác nhau, đó là quan điểm thiết kế cống
không xét đến tƣơng tác với đất nền và quan điểm thiết kế cống có
xét đến tƣơng tác với đất nền.
Khi thiết kế cống hộp đặt trên gối cố định sẽ cho giá trị mômen
bản đáy khá lớn so với giá trị mômen bản đáy khi khai thác thực tế,
dẫn đến việc bố trí cốt thép cho kết cấu cống khá dƣ thừa.


5

Trên thực tế cống hộp thƣờng đƣợc đặt trực tiếp trên các nền
đất, nền đá, nền nhân tạo... vì tính chất của nền là đàn hồi nên bề mặt
của đáy cống đƣợc xem nhƣ đặt trên các lò xo, các lò xo không liên
quan với nhau và cƣờng độ phản lực của đất tại mỗi điểm tỉ lệ bậc
nhất với độ lún đàn hồi tại điểm đó thông qua hệ số nền đàn hồi k
không đổi cho mỗi loại đất. Với nhận định trên, quan điểm thiết kế
cống hộp trên nền đàn hồi đến thời điểm hiện nay đƣợc sử dụng để
thiết kế và kiểm toán cống hộp khá phổ biến.

Hình: 1.2 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối đàn hồi
1.2 Tƣơng tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn
hồi.
Cơ chế tƣơng tác của kết cấu cống với khối đất nền rất phức
tạp, phụ thuộc vào tính chất cơ lý, cấu trúc và trạng thái tự nhiên của
đất nền; công nghệ đào đất cũng nhƣ việc chống đỡ chúng.
Đa số các phƣơng pháp tính đã có không phản ánh đầy đủ cơ
chế tƣơng tác giữa kết cấu cống và nền đất. Các phƣơng pháp tính
toán dựa trên công cụ cơ học kết cấu và thƣờng tính với những tải
trọng đã biết.
Dƣới tác dụng của các loại tải trọng chủ động, tất cả các kết

cấu cống hầu hết đều biến dạng. Ở những phần của kết cấu có
chuyển vị thì đất nền sẽ phát sinh phản lực chống lại biến dạng này.
Đó là lực kháng đàn hồi (hệ số k).
Lực kháng đàn hồi làm thay đổi sự làm việc của kết cấu, điều
tiết biến dạng và nội lực trong kết cấu của cống, đặt biệt là bản đáy
của cống.


6

Biến dạng và nội lực của cống hộp thay đổi theo hệ số nền và
bề dày lớp đất nền đặt cống.
1.3 Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp hiện nay.
Hiện nay, trong quá trình thiết kế bằng phƣơng pháp thủ công
sẽ mất nhiều thời gian để hoàn thành sản phẩm, bên cạnh đó dể dẫn
đến một số hạn chế nhƣ:
- Tính chính xác của số liệu chƣa cao.
- khó kiểm tra và kiểm soát số liệu, gây khó khăn trong quá
trình thẩm tra, thẩm định vv…
- Đa phần các đơn vị tƣ vấn vừa và nhỏ thƣờng sử dụng thiết
kế định hình hoặc rập khuôn máy móc.
- Trong quá trình thiết kế cống hộp hiện nay, việc lựa chọn hệ
số nền để đƣa vào thiết kế cống hộp chƣa đƣợc rõ ràng.
1.4 Kết luận.
Qua nghiên cứu thực trạng thiết kế và kiểm toán cống hộp hiện
nay của các đơn vị tƣ vấn còn khá nhiều bất cập nhƣ:
- hồ sơ thiết kế chƣa đầy đủ thậm chí là chƣa đúng.
- Nhiều hồ sơ thiếu bảng tính kết cấu.
- Đa phần sử dụng thiết kế định hình.
- Số liệu thiết kế còn chƣa đƣợc trung thực.

Vì vậy, để giải quyết những bất cập trên việc lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu thiết kế cống hộp theo mô hình tương tác với đất nền”
của tác giả là cần thiết.
CHƢƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SNỀN K
2.1. Đặt vấn đề.
Qua kết quả phân tích ở chƣơng 1, việc phân tích và thiết kế
cống hộp bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thông qua các phần
mềm tính kết cấu là cần thiết, tuy nhiên vấn đề khó khăn là mô tả sự
tƣơng tác của các cống với đất nền.
Để mô tả tƣơng tác giữa cống hộp với đất nền thì đa phần
các phần mềm hiện nay đã hỗ trợ thông qua liên kết đàn hồi mà liên
kết đàn hồi đƣợc mô tả thông qua hệ số nền K.


7

Vì vậy, trong chƣơng này tác giả sẽ đi nghiên cứu các
phƣơng pháp xác định hệ số nền K cơ bản hiện nay.
2.2. Các phƣơng pháp xác định hệ số nền.
2.2.1. Xác định hệ số nền theo Winkler:
Hệ số nền xác định theo Winkler:
Cz = m.z
(2.1)
Hệ số nền:
Ks = Cz.b.ls
(2.2)
Trong đó:
b: Bề rộng móng (m)
ls: Khoảng cách giữa các nút đàn hồi (m)

z: Chiều sâu cọc tính từ nền thiên nhiên sau khi sói
(m)
m: Hệ số phụ thuộc vào tính chất của đất.
Tra bảng ta có m = 2000 T/m4
Sau khi tính toán bằng phƣơng pháp Winkler ta xác định
đƣợc hệ số nền K = 4000(T/m4) = 40.000(KN/m3).
2.2.2. Theo công thức Terzaghi:
ks = 24(cNc + γDNq+0.4γBNγ)
(2.3)
Trong đó:
ks : hệ số nền
c: lực dính của đất
γ: Trọng lƣợng riêng cuả đất phía trên điểm tính ks
φ: góc ma sát trong của đất
D: chiều sâu tính ks
B: bề rộng cọc.
Nq = e(1.5Π-φ')*tgφ' / [2cos2(450+φ'/2)]
Nc = (Nq-1)*cotg(φ')
Nγ = 0.5*tg(φ')*[Kpγ /cos2(φ')-1]
Các đại lƣợng của công thức Terzaghi thể hiện ở bảng 2.2.
Từ kết quả các tính chất cơ lý của đất nền tác giả tính toán hệ số
nền K bằng phƣơng pháp Terzaghi ta xác định đƣợc hệ số nền K =
18.559(KN/m3).


8

2.2.3. Phương pháp xác định hệ số nền bằng Bowles.
Từ kết quả các tính chất cơ lý của đất nền tác giả tính toán hệ số
nền K theo Bowles nhƣ sau:

Ks = As + Bs*Zn
(2.4)
Trong đó :
As = C*(c*Nc*sc + 0.5*γ*B*Nγ*sγ)
Bs = C*γ* Nq
Nq = e(1.5Π-φ)*tgφ / [2cos2(450+φ/2)]
{
theo Terzaghi }
Nc = (Nq-1)*cotg(φ)
Nγ = 0.5*tg(φ)*[Kpγ /cos2(φ)-1]
Đại lƣợng của công thức Bowles theo bảng 2.3.
Sau khi tính toán bằng phƣơng pháp Bowles ta xác định
đƣợc hệ số nền K = 32.479(KN/m3).
2.2.4. Phương pháp xác định hệ số nền theo tiêu chuẩn Việt Nam.
- Theo quy trình 22TCN 18-79: Với z là độ sâu lớp đất.
Bảng 2.4: Bảng tra k theo quy trình 22TCN 18-79
Tên đất
k/z (t/m3)
1. Sét và sét pha cát dẻo chảy; bùn
100-200
2. Sét pha cát, cát pha sét và sét dẻo mềm; cát bụi và rời
200-400
3. Sét pha cát; cát pha sét và sét dẻo cứng; cát nhỏ và trung
400-600
bình
4. Sét pha cát; cát pha sét và sét cứng và cát thô
600-1000
5. Cát lẫn sỏi; đất hòn lớn
1000-2000
Dựa vào kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đất tại công

trình khảo sát, ứng với loại đất là sét pha cát, cát pha sét và sét dẻo
cứng, cát nhỏ và trung bình. Theo quy trình 22TCN 18-79 tra bảng ta
có kết quả hệ số nền k = 10000 Kn/m3.
2.2.5. Một số phương pháp xác định hệ số nền bằng tra bảng khác.
2.2.5.1 Dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng
2.2.5.2. Dựa vào phân loại đất, thành phần hạt, hệ số rỗng, độ sệt.


9

2.2.6. Các Phương pháp xác định hệ số nền khác.
2.2.6.1. Phương pháp thí nghiệm:
2.2.6.2. Phương pháp thực hành:
2.3. So sánh và phân tích.
Dựa vào số liệu địa chất của công trình cống hộp 2H(3x2); lý
trình: Km2+493.16 của dự án: nâng cấp tuyến đƣờng ĐT624B đoạn
Km0+00 đến Km8+00; địa điểm xây dựng: Huyện Mộ Đức – tỉnh
Quảng Ngãi.
Bảng 2.8. Kết quả xác định hệ số nền k bằng 4 phương pháp
Hệ số nền

Winkler

Bowles

Tra bảng

Terzaghi

K (KN/m3)

40000

32479

10000

18559

Hình 2.5: Kết quả tính toán hệ số nền k theo các phương pháp
Nhận xét:
- Qua biểu đồ hình 2.5 cho thấy kết quả hệ số nền k không có
sự khác biệt không quá lớn giữa 3 phƣơng pháp tính toán và khi
dùng phƣơng pháp tra bảng có sự khác biệt lớn.
- Theo tác giả, sự chênh lệch kết quả giữa phƣơng pháp tra
bảng với các phƣơng pháp còn lại là do biên độ giá trị trong tra bảng
quá lớn, việc lựa chọn giá trị trong phƣơng pháp tra bảng là chƣa hợp
lý, đa phần dựa vào kinh nghiệm để chọn giá trị nên dẫn đến sự khác
biệt này.


10

- Theo kiến nghị của tác giả, trong quá trình thiết kế các tƣ vấn
khi xác định hệ số nền tính toán bằng một trong các phƣơng pháp
tính toán trên, trong đó ƣu tiên thực hiện các phƣơng pháp thí
nghiệm hoặc thực nghiệm để cho số liệu chuẩn xác nhất.
2.4. Kết luận.
- Luận văn đã khảo sát đƣợc hệ số nền bằng nhiều phƣơng pháp
khác nhau.

- Đã tính toán hệ số nền cho công trình cống hộp thực tế bằng
các phƣơng pháp và cho thấy sự khác biệt của chúng.
- Để khảo sát sự ảnh hƣởng của hệ số nền K đến kết cấu cống
hộp, chƣơng 3 tác giả sẽ phân tích kết quả chứng minh sự khác nhau
giữa cá hệ số nền trên.
CHƢƠNG III
THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN
HỒI BẰNG PHẦN MỀM MIDAS/CIVIL
3.1. Mô hình hóa tính toán cống hộp bằng Midas/Civil.
3.1.1. Tổng quan về phần mềm Midas/Civil.
Khả năng mô hình hóa: Chƣơng trình hổ trợ nhiều mô hình
kết cấu, đặt biệt là kết cấu cầu, cung cấp nhiều loại mặt cắt khác
nhau. Khả năng mô tả đƣợc vật liệu đẳng hƣớng, trực hƣớng, dị
hƣớng hay vật liệu phi tuyến.
Về tải trọng chƣơng trình hổ trợ rất đầy đủ và đa dạng về thể
loại nhƣ: tĩnh tải với các loại lực, nhiệt độ, gối lún, dự ứng
lực….hoạt tải với nhiều loại xe tiêu chuẩn kỹ thuật, xe do ngƣời
dùng định nghĩa…tải trọng động với các phƣơng pháp tính toán tiên
tiến.
Khả năng nhập và xuất dữ liệu: Dữ liệu đầu vào có thể đƣợc
nhập trực tiếp hoặc import từ các file của các chƣơng trình khác, kết
quả tính toán có thể xuất ra màn hình đồ họa, văn bản hay máy in,
hơn nữa có thể xuất kết quả dạng tập tin cho các chƣơng trình thiết
kế sau tính toán.


11

3.1.2. Số liệu phục vụ khảo sát:
Để mô hình hóa cống hộp tác giả sử dụng số liệu của cống

hộp 2H(3x2); lý trình: Km2+493.16 thuộc dự dán: nâng cấp tuyến
đƣờng ĐT624B đoạn Km0+00 đến Km8+00; địa điểm xây dựng:
Huyện Mộ Đức – tỉnh Quảng Ngãi.
3.1.3. Mô hình tính toán cống hộp trong Midas/ Civil:
Để thể hiện sự làm việc của cống hộp với đất nền tác giả tính toán
theo mô hình sơ đồ phẳng. Qua đó cống hộp đặt trên đất nền đƣợc
thể hiện bằng các lò xo đàn hồi, độ cứng của lò xo chính là hệ số nền
của nền đất.
HL93,TRUCK
DC,DW,EV

EH

EH

K

K

K

K

K

K

K

Hình 3.2: Sơ đồ tính toán cống hộp đặt trên nền đàn hồi.

Hình 3.6: Phân tích mô hình hoàn chỉnh.


12

3.2 Mô tả liên kết cống hộp với nền đất:
Để xem sự làm việc đồng thời của cống trên nền đất, ta xem sự
tƣơng tác bản đáy cống với đất nền bằng các lò xo đàn hồi. Dƣới tác
dụng của các tải trọng bên là áp lực đất, tải trọng trên là trọng lƣợng
đất đắp, kết cấu áo đƣờng, hoạt tải xe thì kết quả tính toán sẽ phụ
thuộc nhiều vào độ cứng lò xo của từng loại đất nền.

Hình 3.7: Mô hình hóa điều kiện biên sử dụng các điểm hỗ
trợ lò xo

Hình 3.8: Liên kết đàn hồi giữa đất nền và cống hộp
3.3 Tính toán và thiết kế cống hộp theo nhiều hệ số nền khác
nhau:
3.3.1 Tải trọng thiết kế:
3.3.2 Khai báo tải trọng:


13

3.3.3. Phân tích kết cấu:
Sử dụng các số liệu đầu vào ở mục 3.3.1 và hệ số nền ở
chƣơng 2, tác giả đi tính toán và thiết kế cống hộp và có kết quả nội
lực theo từng phƣơng pháp với các hệ số nền tƣơng ứng nhƣ sau:
3.3.3.1. Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp

Winkler:
3.3.3.2 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp
Bowles:
3.3.3.3 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp
tra bảng:
3.3.3.4 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp
terzaghi:
3.3.4 Đánh giá kết quả:
Bảng 3.7: Kết quả nội lực lớn nhất theo 4 phương pháp
1

5

3

11

12

3

14

12
22

13
20

22

16
24

MÔMEN (KNm)
MẶT CẮT PHƢƠNG PHÁP

3-3

5-5

Winkler
Bowles
Terzaghi
Tra bảng
Winkler
Bowles

(+)

(-)

67,8
67,8
67,9
68
133,58
133,63

LỰC

CẮT
(KN)

CHUYỂN
VỊ
(CM)
0,59
0,69
1,07
1,84
242,16
0,48
242,23
0,58


14

22-22

24-24

13-13

Terzaghi
Tra bảng
Winkler
Bowles
Terzaghi
Tra bảng

Winkler
Bowles
Terzaghi
Tra bảng
Winkler
Bowles
Terzaghi
Tra bảng

133,68
133,67

242,33
242,37

112,55
113,85
116,39
118,06
71,25

239,39
240,11
241,48
242,35

58,84
59,87
61,88
63,19

71,87
73,03
73,76

131,04
131,41
132,11
132,53

Hình 3.25: So sánh giá trị Mômen tại các mặt cắt bất lợi của cống
ứng với k theo 4 phương pháp.

0,95
1,72
0,38
0,48
0,86
1,62
0,44
0,55
0,93
1,7


15

Hình 3.26: Biểu đồ Mômen theo các hệ số nền khác nhau.
Nhận xét:
Dựa vào kết quả phân tích ở bảng 3.7 và hình 3.26 đi đến các

nhận xét nhƣ sau:
- Nội lực ở bản nắp (mặt cắt 1-1; 3-3; 5-5) không có sự khác
biệt lớn, gần nhƣ giống nhau khi tính toán theo các phƣơng pháp.
- Nội lực ở thành bên nhƣ sau: Mômen tại mặt cắt 13-13 có giá
trị lớn nhất là 73,8KNm, nhỏ nhất là 71,3KNm chênh lệch 3,4%.
- Mômen tại bản đáy có sự khác biệt lớn, cụ thể nhƣ sau:
+ Tại mặt cắt 20-20: Mmax = 62,8KNm; Mmin = 60,7KNm, độ
chênh lệch là 3,3%.
+ Tại mặt cắt 22-22: Mmax = 63,2KNm; Mmin = 58,8KNm, độ
chênh lệch là 7%.
+ Tại mặt cắt 24-24: Mmax = 118,1KNm; Mmin = 112,6KNm,
độ chênh lệch là 4,7%.
- Qua đây, cho thấy Mômen ở bản đáy cống có sự khác biệt khi
dùng các hệ số nền k khác nhau.


16

- Lực cắt khi tính toán theo các hệ số nền k khác nhau thì kết
quả không có sự chênh lệch nhiều.
- chuyển vị phụ thuộc lớn vào giá trị của hệ số nền k và qua
khảo sát cho thấy hệ số nền càng lớn thì chuyển vị càng nhỏ.
3.4. Kiểm toán cống hộp theo nhiều hệ số nền khác nhau:
Phần mềm Midas/Civil hỗ trợ môđun thiết kế và kiểm toán kết
cấu theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau, trong đó có tiêu chuẩn
AASHTO-LRFD, tiêu chuẩn này là gốc của tiêu chuẩn 22TCN 27205. Vì vậy việc thiết kế và kiểm toán cống theo AASHTO-LRFD là
phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành hiện nay.

Hình 3.27: Khai báo tiêu chuẩn thiết kế vật liệu

Hình 3.30: Khai báo vật liệu bêtông cốt thép
Sau khi lựa chọn tiêu chuẩn thiết kế, lựa chọn vật liệu, bố trí cốt
thép, lựa chọn (kiểm tra tiết diện) Midas/Civil sẽ kiểm toán toàn bộ
kết cấu và kết quả chi tiết nhƣ sau:


17

Hình 3.32: Tóm tắc kết quả thiết kế mặt cắt ngang
Dựa vào kết quả kiểm toán thể hiện ở hình 3.32 cho thấy toàn bộ
các phần tử đều đạt (thể hiện ở cột CHK “ok” trong bảng).
Để mô tả chi tiết việc kiểm toán các phần tử của kết cấu tác giả
trình bày kết quả ở phụ lục 02, ở trong nội dung của phần này tác giả


18

xin trình bày một phần tử điển hình để minh họa, cụ thể nhƣ hình
3.33 và 3.34.

Hình 3.33: Chi tiết kiểm toán phần tử


19

Hình 3.34: Chi tiết kiểm toán sườn đứng


20

3.5. Phân tích kết quả:
3.5.1. Phân tích kết quả theo 4 hệ số nền bằng phần mềm
Midas/Civil:
Sau khi thiết kế cống hộp bằng phần mềm Midas/Civil ta
đƣợc kết quả nhƣ bảng 3.8.
Bảng 3.8: Diện tích cốt thép cần thiết theo các giá trị hệ số nền K
3

1

3

11

12

5
14

12
22

13
20

MẶT
CẮT

22

16
24

Diện tích cốt thép cần thiết theo các giá trị hệ số nền
K
(cm2)
Winkler

Bowles

Tra bảng

Terzaghi

MC 3

11,9

11,9

11,94

11,94

MC 5

19,67

19,74

19,87

19,73

MC 22

8,5

8,69

9,13

8,98

MC 24

16,4

16,49

17,22

16,93

MC13

11,39

11,34

11,34

11,34

(Kết quả chi tiết ở phụ lục 02)
3.5.2.. Phân tích kết quả so với công trình thực tế.
3.5.2.1. Bản vẽ bố trí cốt thép của cống.
Cống hộp 2H(3x2); lý trình: Km2+493.16.


21

Hình 3.35: Bố trí cốt thép 2H(3x2)M của cống thực tế

Hình 3.36: Sơ họa cốt thép ở bản nắp và bản đáy
Tổng hợp cốt thép chịu lực tại các mặt cắt cống thực tế nhƣ sau:
Bảng 3.9: Diện tích cốt thép trình thực tế
BẢN NẮP
BẢN ĐÁY
SƢỜN ĐỨNG
MẶT CẮT
2
2
(cm )
(cm )
(cm2)
MC 3-3
24,15
24,15
MC 5-5

24,15
24,15
MC 22-22
24,15
24,15
MC 24-24
24,15
24,15
MC 13-13
17,46


22

3.5.2.2. Phân tích kết quả:
Sau khi tính toán thiết kế cống và số liệu thu thập từ công trình
thực tế, kết quả cụ thể đƣợc thể hiện ở bảng 3.10 và hình 3. 37.
Bảng 3.10: So sánh diện tích cốt thép tính toán với công trình
thực tế
Chênh
lệch
(%)

Diện tích cốt thép tối thiểu (cm2)
MẶT
CẮT
Winkler Bowles Tra bảng Terzaghi CT thực tế

MC 3
MC 5

MC 22
MC 24
MC13

11,94
19,67
8,5
16,4
11,39

11,94
19,74
8,69
16,49
11,34

11,94
19,87
9,13
17,22
11,34

11,94
19,73
8,98
16,93
11,34

24,15
24,15

24,15
24,15
17,46

Hình 3.38: So sánh diện tích cốt thép ở bản nắp và bản đáy
cống

Tra
bảng/
thực
tế
50,56
17,72
62,19
28,70
35,05


23

Nhận xét:
- Lƣợng cốt thép giữa tính toán và cốt thép của công trình có
sự khác biệt lớn, có tiết diện chênh lệch đến 62%.
- Kết quả tính toán lƣợng cốt thép giữa các phƣơng pháp có
sự chênh lệch không đáng kể, chênh lệch nhiều nhất chỉ nhỏ hơn 5%.
- Qua đó cho thấy có thể sử dụng hệ số k từ một trong các
phƣơng pháp tính toán trên, trừ phƣơng pháp tra bảng.
3.6. Kết luận:
- Luận văn đã phân tích và thiết kế đƣợc kết cấu cống hộp
bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm

Midas/Civil.
- Trong công tác thiết kế cống hộp chúng ta có thể sử dụng
một trong các phƣơng pháp tính toán hệ số nền nhƣ đã nêu trong
luận văn.
- Đánh giá đƣợc sự sai khác giữa công trình thiết kế và công
trình thực tế.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ:
- Kết luận:
+ Luận văn đã xác định đƣợc hệ số nền theo các phƣơng
pháp và mô tả đƣợc sự liên kết giữa cống với đất nền.
+ Phân tích thiết kế và kiểm toán đƣợc kết cấu cống tự động
hoàn toàn bằng phần mềm.
+ Đánh giá sự sai khác giữa cốt thép tính toán và cốt thép
trên công trình thực tế (cụ thể có sự chênh lệch khoảng từ 17% đến
62%). Qua đó cho thấy sự lãng phí trong việc bố cốt thép hiện nay.
- Kiến nghị:
+ Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu thiết kế cống trên nền đàn
hồi cho mô hình 3D để tăng độ chuẩn xác và hoàn thiện hơn.
+ Các đơn vị tƣ vấn nên thiết kế và kiểm toán cống hộp bằng
phần mềm để cho kết quả chuẩn xác hơn, tiện cho việc kiểm soát
trong quá trình thẩm tra thẩm định.