Luận văn thạc sĩ 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 MƠ HÌNH
TƢƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

NGUYỄN VĂN BIỆN

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

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông
Mã số: 60. 58. 02. 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. CAO VĂN LÂM

Đà Nẵng - Năm 2018


LỜI CẢM ƠN
Lần đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến q Thầy Cơ
giáo trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung và q Thầy Cơ trong
Khoa Xây dựng Cầu Đường, trong bộ mơn Cầu Hầm nói riêng. Cảm ơn Thầy Cơ đã
tận tình dạy dỗ và chỉ bảo tơi trong suốt 2 năm học vừa qua.
Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo hướng dẫn
Tiến sĩ Cao Văn Lâm – người đã định hướng, giúp đỡ tận tình tơi trong suốt thời gian
hồn thành khóa luận tốt nghiệp.
Trong q trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót
là điều khó tránh khỏi. Tơi rất mong sự đóng góp ý kiến của q Thầy Cơ để đề tài
được hồn thiện hơn và để tơi vững vàng hơn khi tiếp xúc với công việc sau này.
Lời cuối cùng, tôi xin kính chúc q Thầy Cơ ln mạnh khỏe.

Quảng Ngãi, ngày

tháng 12 năm 2017

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Biện


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến
sĩ Cao Văn Lâm là đề tài làm mới, không sao chép hay trùng với đề tài nào đã thực
hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo.
Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Nếu sai, tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Biện


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỐNG HỘP THEO MƠ HÌNH TƢƠNG TÁC VỚI
ĐẤT NỀN
Học viên: Nguyễn Văn Biện.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng
Mã số: 60.58.02.05. Khóa: K32.XGT. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắc – Để giải quyết vấn đề nâng cao năng lực thiết kế cơng trình giao thơng, đặc biệt là
thiết kế và kiểm tốn cống hộp trên cơng trình đường bộ, nhằm mục đích nâng cao chất lượng
cơng trình, rút ngắn thời gian thiết kế đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tư thì việc nghiên cứu
thiết kế và kiểm tốn cống hộp theo mơ hình tương tác với đất nền là rất cần thiết. Trong thực
tế hiện nay việc thiết kế và kiểm toán cống hộp sử dụng nhiều phương pháp như: Sử dụng
thiết kế định hình, phương pháp thủ cơng, bán tự động và tự động thông qua các phần mềm
thiết kế kết cấu cơng trình... Tuy nhiên, phương pháp thiết kế thì có nhiều nhưng sử dụng
phương pháp nào là tối ưu nhất: đánh giá toàn diện và chuẩn xác quá trình làm việc của cống
hộp; rút ngắn thời gian thiết kế; thuận lợi trong quá trình thẩm tra thẩm định; hiệu quả về kinh
tế... thì chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện nay,
tác giả thực hiện nghiên cứu thiết kế và kiểm tốn cống hộp theo mơ hình tương tác với đất
nền bằng phần mềm Midas/Civil ứng với các hệ số nền theo nhiều phương pháp, chứng minh
rằng hệ số nền có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả thiết kế. Khuyến cáo người thiết kế cân

nhắc hơn trong việc lựa chọn hệ số nền để đưa vào chương trình máy tính thiết kế.
Từ khóa – thiết kế và kiểm toán; cống hộp; hệ số nền; tương tác, Midas/Civil.
THE STUDY OF DESIGNING BOX CULVERTS IN ACCORDANCE WITH THE
MODEL OF INTERACTING WITH THE GROUND
Summary - To solve the problem of improving the design capacity of traffic work, especially
the design and audit of box culverts on highway construction, aiming to improve the quality
of buildings, shorten the design time, and save the investment cost as well, studying for the
design and audit of box culverts in accordance with the model of interacting with the ground
is very necessary. ..In fact, nowadays, there are variety of methods in designing and auditing
the box culverts such as: shaped designing, handwork, semi-automatic and automatic methods
through the structural design soft wares. Although there are a lot of designing methods, no
one is perfect. The assessing thoroughly and accurately working process of the box culvert;
shortening design time; the advantages in the examination and evaluation; economic
efficiency... has not been thoroughly researched. Along with the current development in
science and technology , the authors who study for design and audit box culverts in the model
of interaction with ground, using Midas / Civil software with the ground coefficients in
various methods, demonstrate that the ground coefficient plays an important influence in the
designing result. Therefore, considering the ground coefficient to include in the designing
program is highly recommended.
Keywords - design and audit; box culvert; ground coefficients ; interaction, Midas / Civil.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 4
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... 10
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP
TRÊN NỀN ĐÀN HỒI .................................................................................................. 6

1.1 Tổng quan về thiết kế và kiểm toán cống hộp ...................................................................... 6

1.2 Tương tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn hồi. ............................... 10
1.3 Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp hiện nay. ................................... 11
1.4 Kết luận.................................................................................................................... 11
CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN K .................... 12
2.1. Đặt vấn đề. .............................................................................................................. 12
2.2. Các phương pháp xác định hệ số nền. .................................................................... 12
2.2.1. Xác định hệ số nền theo Winkler: ....................................................................... 15
2.2.2. Theo công thức Terzaghi: .................................................................................... 15
2.2.3. Phương pháp xác định hệ số nền bằng Bowles. .................................................. 16
2.2.4. Phương pháp xác định hệ số nền theo tiêu chuẩn Việt Nam. .............................. 17
2.2.5. Một số phương pháp xác định hệ số nền bằng tra bảng khác. ............................. 18
2.2.5.1 Dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng .......................... 18
2.2.6. Các Phương pháp xác định hệ số nền khác. ........................................................ 19
2.2.6.1. Phương pháp thí nghiệm: ................................................................................. 19
2.2.6.2. Phương pháp thực hành: ................................................................................... 20
2.3. So sánh và phân tích. .............................................................................................. 22
2.4. Kết luận................................................................................................................... 23
CHƢƠNG III THIẾT KẾ VÀ KIỂM TOÁN CỐNG HỘP TRÊN NỀN ĐÀN HỒI
BẰNG PHẦN MỀMMIDAS/CIVIL .......................................................................... 24
3.1. Mơ hình hóa tính tốn cống hộp bằng Midas/Civil. ............................................... 24
3.1.1. Tổng quan về phần mềm Midas/Civil. ................................................................ 24


3.1.2. Số liệu phục vụ khảo sát: ..................................................................................... 26
3.1.3. Mô hình tính tốn cống hộp trong Midas/ Civil: ................................................. 27
3.3.3. Phân tích kết cấu:................................................................................................. 37
3.3.3.2 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp Bowles: ......................... 40
3.3.3.3 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp tra bảng: ........................ 42

3.3.3.4 Kết quả nội lực ứng với hệ số nền theo phương pháp terzaghi: ........................ 44
3.4. Kiểm toán cống hộp theo nhiều hệ số nền khác nhau: ........................................... 48
3.5. Phân tích kết quả theo 4 hệ số nền bằng phần mềm Midas/Civil: ......................... 54
3.6. Phân tích kết quả. ................................................................................................... 54
3.6.1 Bản vẽ bố trí cốt thép của cống. ........................................................................... 54
3.6.2. Phân tích kết quả: ................................................................................................ 56
3.7. Kết luận: ................................................................................................................. 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: ................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 59


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Cống hộp 2 cửa ............................................................................................................. 1
Hình 2 : Mặt cắt ngang cống hộp ............................................................................................... 1
Hình 4 : Hình ảnh thi cơng cống hộp ......................................................................................... 2
Hình 5 : Minh họa sự cần thiết của đề tài .................................................................................. 3
Hình: 1.1 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối cố định ................................................................... 8
Hình: 1.2 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối đàn hồi ................................................................... 8
Hình 1.3: Phần mềm thiết kế kết cấu cơng trình Midas/Civil .................................................... 9
Hình 1.4: Phần mềm thiết kế kết cấu cơng trình Sap2000 ....................................................... 10
Hình 2.1: Lỗ khoan địa chất ..................................................................................................... 13
Hình 2.2: Kết quả thí nghiệm đất ............................................................................................. 14
Hình 2.3: Biểu đồ để tra Nc; Nq; Nγ .......................................................................................... 16
Hình 2.4 Quan hệ giữa ứng suất gây lún và độ lún.................................................................. 20
Hình 2.5: Kết quả tính tốn hệ số nền k theo các phương pháp khác nhau ............................. 22
Hình 3.1: Mặt cắt ngang cống .................................................................................................. 26
Hình 3.2: Sơ đồ tính tốn cống hộp đặt trên nền đàn hồi. ....................................................... 27
Hình 3.3: Nhập dữ liệu theo phương dọc ................................................................................. 28
Hình 3.4: Nhập dữ liệu theo phương ngang ............................................................................. 29

Hình 3.5: Nhập dữ liệu đầu vào tải trọng và tiêu chuẩn thiết kế ............................................. 30
Hình 3.6: Phân tích mơ hình hồn chỉnh. ................................................................................ 31
Hình 3.7: Mơ hình hóa điều kiện biên sử dụng các điểm hỗ trợ lị xo .................................... 31
Hình 3.8: Liên kết đàn hồi giữa đất nền và cống hộp ............................................................. 33
Hình 3.9: Khai báo các trường hợp tải trọng .......................................................................... 35
Hình 3.10: Tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn AASHTO ............................................................ 36
Sơ đồ kết cấu sau khi gán tải trọng thiết kế như hình 3.11 ...................................................... 36
Hình 3.11: Sơ đồ tải trọng của cống đặt trên gối đàn hồi ....................................................... 36
Hình 3.12: Vị trí các mặt cắt có nội lực lớn trong cống hộp ................................................... 37
Hình 3.13: Biểu đồ Mơmen ứng với k theo phương pháp Winkler ........................................... 38
Hình 3.14: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Winkler ............................................ 39
Hình 3.15: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp Winkler ............................................... 39
Hình 3.16: Biểu đồ Mơmen ứng với k theo phương pháp Bowles ............................................ 40
Hình 3.17: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Bowles ............................................. 40


Hình 3.18: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp Bowles ................................................ 41
Hình 3.19: Biểu đồ Mơmen ứng với k theo phương pháp tra bảng .......................................... 42
Hình 3.20: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp tra bảng ........................................... 42
Hình 3.21: Biểu đồ chuyển vị với k theo phương pháp tra bảng.............................................. 43
Hình 3.22: Biểu đồ Mơmen ứng với k theo phương pháp Terzaghi ......................................... 44
Hình 3.23: Biểu đồ lực cắt ứng với k theo phương pháp Terzaghi .......................................... 44
Hình 3.24: Biểu đồ chuyển vị ứng với k theo phương pháp Terzaghi ...................................... 45
Hình 3.25: So sánh giá trị Mômen tại các mặt cắt bất lợi của cống ứng với k theo 4 phương
pháp. ......................................................................................................................................... 47
Hình 3.27: Khai báo tiêu chuẩn thiết kế vật liệu ...................................................................... 49
Hình 3.28: Khai báo phương thiết kế ....................................................................................... 49
Hình 3.29: Khai báo các hệ số tải trọng .................................................................................. 49
Hình 3.31: Khai báo tiết diện của phần tử ............................................................................... 50
Hình 3.32: Tóm tắc kết quả thiết kế mặt cắt ngang .................................................................. 51

Hình 3.33: Chi tiết kiểm tốn phần tử ...................................................................................... 52
Hình 3.34: Chi tiết kiểm tốn sườn đứng ................................................................................. 53
Hình 3.35: Bố trí cốt thép 2H(3x2)M của cống thực tế ............................................................ 55
Hình 3.36: Sơ họa cốt thép ở bản nắp và bản đáy ................................................................... 55
Hình 3.37: So sánh diện tích cốt thép ....................................................................................... 57


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 : Bảng xác định hệ số nền ..............................................................................15
Bảng 2.2 : Đại lượng của công thức Terzaghi .............................................................. 16
Bảng 2.3 : Đại lượng của công thức Bowles .................................................................17
Bảng 2.4: Bảng tra k theo quy trình 22TCN 18-79 ......................................................18
Bảng 2.5: Bảng tra k dựa vào phân loại đất và độ chặt của lớp đất dưới đáy móng ..18
Bảng 2.6: Bảng tra k dựa vào loại đất, thành phần hạt, hệ số rỗng, độ sệt. ...............19
Bảng 2.7: Trị số 𝜈, 𝛽 và A của các loại đất ..................................................................21
Bảng 2.8. Kết quả xác định hệ số nền k bằng 4 phương pháp ......................................22
Bảng 3.1 : Thông số mặt cắt ngang cống hộp: ............................................................. 26
Bảng 3.2: Vị trí các mặt cắt cống hộp ...........................................................................38
Bảng 3.3: Kết quả nội lực lớn nhất ở các mặt cắt theo Winkler ...................................39
Bảng 3.4: Kết quả nội lực lớn nhất theo Bowles ........................................................... 41
Bảng 3.5: Kết quả nội lực lớn nhất theo tra bảng......................................................... 43
Bảng 3.6: Kết quả nội lực lớn nhất theo Terzaghi ........................................................ 45
Bảng 3.7: Kết quả nội lực lớn nhất theo 4 phương pháp ..............................................46
Bảng 3.8: Diện tích cốt thép cần thiết theo các giá trị hệ số nền K.............................. 54
Bảng 3.9: Diện tích cốt thép trình thực tế .....................................................................56
Bảng 3.10: So sánh diện tích cốt thép tính tốn với cơng trình thực tế ........................ 56


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 nước nói chung và Cống hộp nói riêng là loại cơng trình nhân tạo
khá phổ biến trong cơng trình giao thơng. Tác dụng chủ yếu là để thốt nước của các
dịng chảy thường xun hay định kỳ chảy qua phía dưới nền đắp, ngồi ra cống cịn
làm đường chui dân sinh.

Hình 1: Cống hộp 2 cửa

Hình 2 : Mặt cắt ngang cống hộp


2
CẮT DỌC CỐNG HỘP 2H(3X2)M (1/100)

Hình 3 : Mặt cắt dọc cống hộp

Hình 4 : Hình ảnh thi cơng cống hộp
Số lượng các cơng trình thốt nước trên tuyến phụ thuộc vào điều kiện địa hình, khí
hậu trong đó cống chiếm 80% - 90% số lượng các cơng trình thốt nước. Ở Việt Nam
đối với đường cấp IV miền núi trung bình 1km đường có 4 – 9 cái cống . Giá thành
xây dựng cống thường chiếm 10% - 20% giá thành tồn bộ tuyến [1].
Trong các cơng trình thốt nước, cống hộp hiện nay được sử dụng tương đối phổ
biến cho cơng trình giao thơng đường bộ, đường sắt.

3

Q trình thi cơng cống ít phức tạp, tiến độ thi cơng tương đối nhanh, có thể đúc sẵn
theo định hình. Kiểm tra, giám sát chất lượng trong quá trình thi cơng có nhiều thuận
lợi. Áp dụng cho nhiều loại địa chất, địa hình.

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 chưa được rỏ ràng, làm cho đơn vị quản lý gặp khó khăn trong q trình
thẩm tra, kiểm tốn kết cấu cống.
- Thơng thường việc kiểm tốn cống bằng bảng tính Excel nên khó kiểm sốt kết
quả trong quá trình thẩm tra. Thiết kế gần giống như định hình nên chưa đánh giá
chính xác sự tương tác của đất nền với cống cho từng trường hợp cụ thể. Nhiều cống
điều kiện làm việc khác nhau nhưng bố trí cốt thép như nhau, mác bê tơng như nhau
dẫn đến lãng phí hoặc khơng an tồn.
- Trong q trình thiết kế cống hộp bằng phần mềm máy tính hiện nay, người thiết
kế chọn liên kết giữa đất nền với kết cấu cống bằng liên kết cứng hoặc đàn hồi thông
thường là chưa phù hợp, chưa 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 tương tác của hệ số nền đất với kết cấu cống trong thiết kế và kiểm tốn cống
hộp nhằm góp phần phục vụ cho cơng tác thiết kế xác với thực tế, tiết kiệm chi phí đầu


4

tư đồng thời có cơ sở cho cơng tác kiểm tốn trong q trình khai thác và kiểm định
cơng trình sau này. Với những nhận định trên tác giả nhận thấy việc Nghiên cứu thiết
kế cống hộp theo mơ hình tương tác với đất nền là hết sức cần thiết.
2. Đối tƣợng nghiên cứu:
- Cống hộp nhiều cửa

- Sự tương 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)
- Tính tốn hệ số nền bằng nhiều phương pháp.
- Thiết kế và kiểm toán cống hộp bằng Midas/Civil
4. Mục tiêu nghiên cứu:
- Lựa chọn hệ số nền phù hợp để đưa vào chương trình máy tính
- Thiết kế và kiểm tốn cống hộp băng phần mềm Midas/Civil
5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính tốn và thiết kế cống hộp.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định hệ số nền.
- Nghiên cứu mơ hình thiết kế và kiểm tốn 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. Tương 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 phương 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.


5

3.1. Mơ hình hóa tính tốn cống hộp bằng Midas/Civil
3.2 Mơ 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
Kết luận và kiến nghị.
1. Kết luận.
2. Kiến nghị.


6

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 tốn cống hộp
Cống thốt nước nói chung và cống hộp nói riêng là một trong những cơng trình
xây dựng thiết yếu trên hệ thống cơng trình đường bộ. Trong lĩnh vực thiết kế cơng
trình cống hiện nay ở nước ta phần lớn là sử dụng tiêu chuẩn 22TCN272-05 để làm cơ
sở thiết kế cho cơng trình cống. Bộ tiêu chuẩn này đưa ra những yêu cầu tối thiểu cho
an tồn cơng cộng. Tùy theo điều kiện có thể đòi hỏi sự linh hoạt của thiết kế hoặc
chất lượng vật liệu và thi công không nhất thiết cao hơn yêu cầu tối thiểu. Các quy
định của Bộ tiêu chuẩn này dựa vào phương pháp luận thiết kế theo hệ số tải trọng và
hệ số sức kháng (LRFD), các hệ số được lấy từ lý thuyết độ tin cậy dựa trên kiến thức
thống kê hiện nay về tải trọng và tính năng của kết cấu. Ngồi ra trong q trình thiết
kế cống còn sử dụng tiểu chuẩn Việt Nam TCVN 9116 – 2012 Cống bê tông cốt thép
để thiết kế.
Khi tính tốn thiết kế cống địi hỏi người 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 phương pháp tính tốn trong thiết kế cùng vật liệu và kết cấu mới, các

công nghệ thi công tiên tiến được áp dụng vào thực tiễn xây dựng các cơng trình Cống
hộp ở Việt Nam. Cùng với đó việc áp dụng các phần mềm thiết kế hiện đại như Sap
2000, Midas/civil, C-pro… Vào chương 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 bước 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 tốn lưu lượng nước, chọn loại cống và bố trí chung, tính tốn
thủy lực: xác định khẩu độ cống, tính tốn các thiết bị tiêu năng, tính xói và gia cố hạ
lưu cống, cho đến việc thiết kế và kiểm toán cống, thiết kế nền móng cho cống, bố trí
khe phịng lún và tầng phịng nước vv…[2].
Trong q trình kiểm tốn cống cẩn đảm bảo kiểm toán đầy đủ các trạng thái giới
hạn của kết cấu cống. Theo phương pháp thủ công thì thường lập bảng tính trên Excel
để kiểm tốn kết cấu cống. Hiện nay, hệ thống phần mềm thiết kế và kiểm tốn kết cấu
cơng trình phát triển tương đối mạnh và hỗ trợ đắt lực cho người thiết kế đồng thời cho


7

kết quả số liệu có độ chuẩn xác cao, tuy nhiên đa phần cũng chỉ dừng ở mức dùng
phần mềm tính tốn phân tích nội lực sau đó kiểm tốn bằng bảng tính Excel.
Qua thực tế cho thấy, q 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 tương tác với đất
nền và quan điểm thiết kế cống có xét đến tương tác với đất nền.
- Theo cách thiết kế cống hộp lâu nay của một số đơn vị tư vấn có quy mô nhỏ
khi thiết kế cống hộp thường tách biệt hệ thống kết cấu cống hộp với nền đất, nghĩa là
thiết kế cống riêng và thiết kế nền móng riêng. Thường thiết kế những cống đơn giản,
thiết kế theo cách kế thừa hoặc dựa trên kinh nghiệm và thậm chí là sao chép nên việc
không xét đến tương tác với nền đất khi thiết kế cống là rất phổ biến. Người thiết kế
quan niệm rằng kết cấu cống đặt trên nền đất đã được xử lý đạt yêu cầu và xem như
cống được đặt trên các gối cố định, nên khi thiết kế và kiểm toán cống hộp người thiết
kế chỉ tính kết cấu cho phần cống dựa trên các tải trọng như: tải trọng bản thân, tải

trọng đất đắp, tải trọng kết cấu áo đường, áp lực đất ngang, tải trọng xe,… mà không
xét đến lực kháng đàn hồi của đất tác dụng ngược lên bản đáy cống. Xem cống hộp đặt
trên nền đất như kết cấu đặt trên các gối cố định, điều này dẫn đến kết quả phân tích
nội lực của cống chưa chính xác.
Về q trình thiết kế và kiểm toán cống hộp đặt trên gối cố định bằng phương
pháp thủ công lâu nay các đơn vị tư vấn vẫn làm theo trình tự:
- Xác định các số liệu đầu vào để tính tốn như:
+ Khảo sát tính tốn thủy văn, chọn vị trí đặt cống, chọn loại cống, khẩu độ
cống vv…
+ Các kích thước cơ bản của cống
+ Chọn vật liệu.
+ Xác định sơ đồ tính toán
+ Xác định tải trọng tác dụng lên cống: Tĩnh tải, Hoạt tải.
- Ngun tắc tính tốn:
+ Tính tốn cống hộp với sơ đồ tính là khung nhịp khép kín đặt trên gối cố định
+ Cắt 1m dài để tính tốn.
+ Tính tốn nội lực bằng các phần mềm, sau đó lấy kết quả nội lực đi kiểm tốn
bằng bảng tính Excel.


8

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 dư thừa.
HL93,TRUCK
DC,DW,EV

EH

EH

Hình: 1.1 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối cố định
Trên thực tế cống hộp thường được 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 được xem như đặt trên
các lị xo, các lị xo khơng liên quan với nhau và cường độ phản lực của đất tại mỗi
điểm tỉ lệ bậc nhất với độ lún đàn hồi tại điểm đó thơng qua hệ số nền đàn hồi k khơng
đổi cho mỗi loại đất. Với nhận định trên, quan điểm thiết kế cống hộp trên nền đàn hồi
đến thời điểm hiện nay được sử dụng để thiết kế và kiểm tốn cống hộp khá phổ biến,
qua đó cũng u cầu người thiết kế cân nhắc hơn trong quá trình thiết kế cống hộp.

Hình: 1.2 Sơ đồ tính của cống đặt trên gối đàn hồi


9

Với sự phát triển của công nghệ và yêu cầu ngày càng cao của chất lượng sản
phẩm thiết kế, hiện nay các công ty tư vấn đã bắt đầu đầu tư phần mềm thiết kế cơng
trình để phân tích kết cấu trong quá trình thiết kế, các tư vấn dùng liên kết giữa đất nền
với cống bằng các gối đàn hồi là hợp lý, kết quả tính tốn xác với điều kiện làm việc
của cống, tuy nhiên các nhà thiết kế chưa quan tâm nhiều đến hệ số nền, thường chỉ
dùng một phương pháp tính hệ số nền để cho kết quả và đưa vào chương trình máy
tính. Điều đó dẫn đến chưa đánh giá hết quá trình làm việc giữa cống hộp và nền đất,
Với từng phương pháp tính hệ số nền sẽ cho kết quả khác nhau ở cùng một loại địa
chất, hệ số nền có ảnh hưởng đến kết quả nội lực của cống, vì thế với nhiều hệ số nền
sẽ cho nhiều kết quả khác nhau, đặc biệt là mơmen bản đáy của cống hộp. Vì thế, kết
quả nội lực sau khi tính tốn chưa xác với quá trình làm việc của cống.
Quá trình thiết kế cống trên nền đàn hồi hiện nay thường sử dụng phần mềm thiết
kế để mơ hình hóa, phân tích kết cấu sau đó xuất nội lực và kiểm tốn bằng bảng tính
Excel. Khác với thiết kế cống đặt trên gối cố định, cống đặt trên nền đàn hồi phải đi

tính toán hệ số nền và khai báo liên kết giữa cống và nền đất. Việc thiết kế cống hộp
đặt trên nền đàn hồi sẽ phân tích kết quả nội lực xác với thực tế và kinh tế hơn hơn
cách thiết kế cống hộp đặt trên các gối cố định.
Hiện nay các đơn vị tư vấn đã áp dụng khá tốt các phần mềm vào quá trình thiết kế
cống hộp, tuy nhiên việc kiểm toán báng tự động dẫn đến một số chủ quan của người
thiết kế trong khâu kiểm soát số liệu làm cho nhiều chủ đầu tư gặp khó khăn trong
công tác thẩm tra, thẩm định.
Một số phần mềm thường dùng để tính tốn kết cấu và thiết kế cống hiện nay:

Hình 1.3: Phần mềm thiết kế kết cấu cơng trình Midas/Civil


10

Hình 1.4: Phần mềm thiết kế kết cấu cơng trình Sap2000
1.2 Tƣơng tác của đất nền đối với cống hộp đặt trên nền đàn hồi.
Cơng trình ngầm, đặc biệt là cơng trình cống hộp đặt khơng sâu trong lịng đất
chịu tác dụng của các loại tải trọng ngoài khác nhau. Đặc trưng phân bố và cường độ
của chúng phụ thuộc vào nhiều nhân tố như: chiều sâu đặt cống, điều kiện địa chất
cơng trình, đặc trưng cơng trình xây dựng trên mặt đất, tải trọng phương tiện giao
thông trên cống cũng như trên mặt đất vv…
Cơ chế tương 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
như việc chống đỡ chúng.
Đa số các phương pháp tính đã có khơng phản ánh đầy đủ cơ chế tương tác giữa
kết cấu cống và nền đất. Các phương pháp tính tốn dựa trên cơng cụ cơ học kết cấu và
thường tính với những tải trọng đã biết.
Dưới 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.
Biến dạng và nội lực của cống hộp thay đổi theo hệ số nền và bề dày lớp đất nền
đặt cống.


11

1.3 Những tồn tại và hạn chế trong thiết kế cống hộp hiện nay.
Hiện nay, trong quá trình thiết kế bằng phương pháp thủ công sẽ mất nhiều thời
gian để hồn thành sản phẩm, bên cạnh đó dể dẫn đến một số hạn chế như:
- Tính chính xác của số liệu chưa cao.
- khó kiểm tra và kiểm sốt số liệu, gây khó khăn trong q trình thẩm tra, thẩm
định vv…
- Đa phần các đơn vị tư vấn vừa và nhỏ thường sử dụng thiết kế định hình hoặc
rập khn máy móc.
- Các đơn vị tư vấn nhỏ dùng bảng tra để tính nội lực cho cống hộp là hồn tồn
khơng đúng.
- Trong q trình thiết kế cống hộp hiện nay, việc lựa chọn hệ số nền để đưa vào
thiết kế cống hộp chưa được rỏ ràng.
- Từ đó gây ra sự phiền phức cho các bên liên quan và nhiều khi ảnh hưởng trực
tiếp đến chất lượng cơng trình.
Với sự phát triển của công nghệ và yêu cầu ngày càng cao của chất lượng hồ sơ
thiết kế, hiện nay các công ty tư vấn đã bắt đầu đầu tư phần mềm thiết kế cơng trình
chun nghiệp như Sap2000, Midas/Civil… thiết kế và kiểm toán tự động sẽ cho kết
quả phân tích kết cấu với độ chính xác cao hơn và mô tả đầy đủ sự tương tác giữa đất
nền và cống.
1.4 Kết luận.
Qua nghiên cứu thực trạng thiết kế và kiểm toán cống hộp hiện nay của các đơn vị
tư vấn còn khá nhiều bất cập như:

- hồ sơ thiết kế chưa đầy đủ thậm chí là chưa đúng.
- Nhiều hồ sơ thiếu bảng tính kết cấu.
- Đa phần sử dụng thiết kế định hình.
- Số liệu thiết kế cịn chưa được trung thực.
Vì vậy, để giải quyết những bất cập trên việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế
cống hộp theo mơ hình tương tác với đất nền” của tác giả là cần thiết.


12

CHƢƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN K
2.1. Đặt vấn đề.
Qua kết quả phân tích ở chương 1, việc phân tích và thiết kế cống hộp bằng
phương pháp phần tử hữu hạn thông qua các phần mềm tính kết cấu là cần thiết, tuy
nhiên vấn đề khó khăn là mơ tả sự tương tác của các cống với đất nền.
Để mô tả tương 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 được mô tả thông qua hệ
số nền K.
Vì vậy, trong chương này tác giả sẽ đi nghiên cứu các phương pháp xác định hệ
số nền K cơ bản hiện nay.
2.2. Các phƣơng pháp xác định hệ số nền.
Để đánh giá và khảo sát các phương pháp xác định hệ số nền, đề tài sẽ kết hợp
giữa phân tích lý thuyết và tính tốn ví dụ cụ thể cho cơng trình thực tế như sau:
+ Cơng trình: Cống hộp 2H(3x2) thuộc dự án nâng cấp tuyến đường ĐT624B
+ Lý trình: Km2+493.16;
+ Địa điểm xây dựng: Huyện Mộ Đức – tỉnh Quảng Ngãi;
+ Kết quả khảo sát địa chất tại cơng trình như hình 2.1 và 2.2.

13

CÔNG TRÌNH: NÂNG CẤP TUYẾN ĐƯỜNG DT624B ĐOẠN KM0+00 - KM8+00
ĐỊA ĐIỂM:HUYỆN MỘ ĐỨC VÀ HUYỆN NGHĨA HÀNH, TỈNH QUẢNG NGÃI
GIAI ĐOẠN: LẬP DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

HÌNH TRỤ LỖ KHOAN
BHD-SS2
2.590M

Bề dày lớp (m)

Độ sâu đáy lớp (m)

Cao độ đáy lớp (m)

Ký hiệu lớp

LÝ TRÌNH : KM 2+491.21

X : 1779761.530
Y : 538179.700

MỰC NƯỚC DƯỚI DẤT:

TỶ LỆ: 1/100
TRÁI

TIM : 0.00M

PHẢI:

THÍ NGHIỆM SPT
TRỤ CẮT

MÔ TẢ

LỖ KHOAN

ĐỊA TẦNG

SÉT PHA CÁT, CÁT PHA SÉT
VÀ SÉT DẺO CỨNG

-5.81 8.40

8

4.40

0.40M

NGÀY HOÀN THÀNH :

Số búa
15 cm
N1 N2 N3

Sét pha cát màu xám xanh,
trạng thái dẻo chảy.

Đồ thị SPT

D1

3 4 7

2.00-2.45

4.00 4
6 7 13
4.45

4.00-4.45

6.00 5 7
8 15
6.45

6.00-6.45

8.00 6 7
9 16
8.45

8.00-8.45

10.20 1
2 3 5
10.65

10.00-10.20

12.20 1
2 2 4
12.65

12.00-12.20

14.20 5 7
8 15
14.65

14.00-14.20

2.45 3

8.40

0.50M

ỔN ĐỊNH :

NGÀY KHỞI CÔNG :

2.00

6

XUẤT HIỆN :

N / 30 cm
0
10
20
30
40
50
Số hiệu mẫu
Độ sâu mẫu (m)

CAO ĐỘ LỖ KHOAN :

TỌA ĐỘ LỖ KHOAN:

Độ sâu (m)

LỖ KHOAN:

D2

D3

D4

UD1

UD2

-10.21 12.80

10

2.20

Sét pha cát, màu xám vàng,
trạng thái dẻo cứng.

-12.41 15.00

Hình 2.1: Lỗ khoan địa chất

UD3


14

TRUNG TÂM KỸ THUẬT ĐƯỜNG BỘ 3 (RTC3)
PHỊNG THÍ NGHIỆM LAS- XD73
Địa chỉ (Add): 59b- Lê Lợi -TP Đà Nẵng, Điện thoại (Tel): 02363.889495, Fax:
02363.895704, Email:

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH QUAN HỆ GIỮA DUNG TRỌNG VÀ ĐỘ ẨM
(Moisture - Density Relations Determination Test)
Số phiếu (No) :…………./LAS-XD73
Số HĐKT
(No)

Đà Nẵng, ngày……tháng…….năm 2017

:

Cơng trình

:

(Construction)

Nâng cấp tuyến đường DT624B đoạn
Km0+00 - Km8+0.00

Vị trí lấy mẫu

Hạng mục

HÌNH TRỤ LỖ
KHOAN BHD - SS2

:

(Sampling at)

:

(Item)

Loại vật liệu
(Type of Material)

Thiết bị thí nghiệm
(Test equipment)

Tiêu chuẩn thí nghiệm
(Test methods)

Ngày thí nghiệm

:

Đất nền đường

:

Cân kỹ thuật, cối chày proctor, hộp ẩm, tủ
sấy..

:

22TCN 333-06 (Phương pháp II-D)

Thể tích khn (Mold volume)

:

Trọng lượng chày (Wt.Of rammer)

:

: 22/04/2017

(Tested date)

2104,05 cm 3
4,54 Kg

Ngày lập

: 23/04/2017

(Prepared date)

Cán bộ giám sát

:

(Supervisor)

Chiều cao rơi (Height of drop)

: 457mm

Số chày cho 1 lớp (Drop on each layer )

: 56

Số lớp (Layer number)

: 5

1./ Xác định dung trọng (Density Determination)
Số thứ tự cối đầm

(Mold number)

Trọng lượng cối + vật liệu ẩm

g

(Wt.Of mold & wet material)

Trọng lượng vật liệu ẩm (Wt.Of wet material)
Dung trọng ướt(Wet density)

1

2

3

4

5

7504

7753

8059

8129

8021

g

4006

4255

4561

4631

4523

g/cm 3

1,904

2,022

2,168

2,201

2,150

32

74

64

6

37

2./ Xác định độ ẩm (Moisture Determination) :
Hộp ẩm số (Can number)
g

269,78

169,96

160,8

162,4

372,18

Trọng lượng vật liệu khô + hộp (Wt.Of dry material & can)

g

258,79

159,61

147,13

144,09

322,24

Trọng lượng hộp (Wt. Of can)

g

45,86

23,47

23,42

17,39

45,69

Độ ẩm

%

5,16

7,60

11,05

14,45

18,06

1,810

1,879

1,952

1,923

1,821

(Moisture content)

Dung trọng khô (Dry density)

g/cm

3./ Kết quả (Result) :
Dung trọng khô lớn nhất(Max.Dry density) :

1,933 ( g/cm )

Độ ẩm tốt nhất(Optimummoisture) :

11,76 (%)

3

+ Sau khi hiệu chỉnh

(After corrected)

Dung trọng khô lớn nhất(Max.Dry density)

2,037 ( g/cm 3)

2,00
1,95

1,90
1,85
1,80
1,75

4./ Ghi chú (Note) :
Phần trăm vật liệu trên sàng 19

3

Dung trọng khô (Dry
3
density) (g/cm )

Trọng lượng vật liệu ướt + hộp (Wt.Of wet material & can)

(Per.Of material on #19) :

Tỷ trọng vật liệu trên sàng 19 (Density of material on #19) :

17,99%

4

6

2,702

Hình 2.2: Kết quả thí nghiệm đất

8
10
12
14
Độ ẩm ( M oisture) (%)

16

18

20


15

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
Bảng 2.1 : Bảng xác định hệ số nền
Cao độ

z(m)

m(T/m4)

Cz

b(m)

ls (m)

Ks(T/m4)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)=(4)x(5)x(6)

4.85

2,00

2000

4000

1

1

4000

Sau khi tính tốn bằng phương pháp Winkler ta xác định được hệ số nền K =
4000(T/m4) = 40.000(KN/m3).
2.2.2. Theo công thức Terzaghi:
K.Terzaghi sinh ngày 1983 – 1963 là một kỹ sư xây dựng người Áo, là cha đẻ của
cơ học đất, dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của đất bằng phương pháp thực nghiệm ông đã
đưa ra công thức tính hệ số nền k như sau:

ks = 24(cNc + γDNq+0.4γBNγ)
Trong đó:
ks : hệ số nền
c: lực dính của đất
γ: Trọng lượng 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)]

(2.3)