Application of HAT type steel sheet pile for retaining wall structures in Vietnam
Abstract:
This paper describes a new type Steel Sheet Pile (hearafter, SSP), Hat-type SSP, that is applied to the earth retaining walls for the construction works which U-type SSP is widely recognized as the wall material in Vietnam. When soil and water pressure act to the retaining wall, bending moment and shear force occur. However, the location of U-type SSP junction, these forces cause interlock slip so that it cannot fully perform its possessed nominal sectional properties. This can be referred to “lack of interlock integrity”, and the degree of reduction is designated as the reduction factor. Increasing necessity of higher structural reliability, Hat-type SSP, which can fully perform its possessed sectional properties, has developed. This paper presents the features of Hat-type SPP and introduces the application example of Hat-type SSP in Vietnam with consideration of reduction no reduction factor when SSP are designed.
Tóm tắt:
Bài viết này mô tả một loại Cọc ván thép mới (gọi tắt SSP), SSP kiểu “Mũ”, được áp dụng vào hạng mục tường chắn cho các công trình xây dựng trong khi SSP kiểu chữ U (Larsen) là loại vật liệu hiện đang được phổ biến rộng rãi Việt Nam. Khi áp lực của đất và nước tác dụng lên tường chắn sẽ xuất hiện mômen uốn và lực cắt. Tuy nhiên, tại vị trí các khớp nối của SSP kiểu chữ U, các lực này gây ra hiện tượng trượt khóa nối liền khối khiến cọc không thể phát huy đầy đủ các đặc trưng mặt cắt danh định mà nó sở hữu. Điều này được gọi là “thiếu tính liền khối của tai nối (khóa nối cọc)” và mức độ giảm được thể hiện bởi các hệ số giảm. Sự cần thiết của các cấu trúc có độ tin cậy cao ngày càng tăng, SSP kiểu mũ phát huy đầy đủ các đặc trưng mặt cắt mà nó sở hữu và được phát triển. Bài viết này trình bày tính năng của SPP kiểu Mũ và giới thiệu ví dụ ứng dụng của SSP kiểu Mũ ở Việt Nam có xét đến hệ số triết giảm.
Giới thiệu chung
Sự cần thiết của các công trình chắn đất ở Việt Nam ngày càng tăng cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế và quá trình đô thị hóa của Việt Nam. Đối với các công trình chắn đất, SSP kiểu chữ U đã được áp dụng rộng rãi.
Khi áp lực đất và nước tác dụng lên tường chắn SSP, mô men uốn và lực cắt xuất hiện. Tuy nhiên, do vị trí của các tai nối SSP loại U nằm trên trục trung hòa, khi các lực này gây ra hiện tượng trượt khóa nối khiến SSP loại U không thể phát huy đầy đủ các đặc trưng mặt cắt danh định, mô đun mặt cắt và mômen quán tính vốn có. Điều này có thể được gọi là “thiếu tính liền khối của tai nối” và mức độ giảm được thể hiện qua hệ số triết giảm. Vì vậy, khi thiết kế tường chắn SSP cần xét đến hệ số triết giảm để đảm bảo sự ổn định và an toàn của kết cấu. Mặt khác, SSP kiểu mũ phát huy và thực hiện đầy đủ các đặc trưng mặt cắt mà nó sở hữu do vị trí tai nối không nằm trên trục trung hòa nên sự trượt các tai nối là không xảy ra.
Trong bài viết này, các tính năng của SPP kiểu mũ được trình bày. Ngoài ra, ví dụ ứng dụng của SSP kiểu mũ ở Việt Nam được giới thiệu là một trường hợp không cần xét đến hệ số triết giảm của SSP.
Giới thiệu cọc ván thép kiểu Mũ
SSP kiểu thông thường (sau đây gọi là SSP kiểu chữ U) và SSP kiểu mũ được thể hiện trong Hình 1. Các tai nối lồng vào nhau của SSP kiểu chữ U là đối xứng trái-phải nên nó yêu cầu kết nối từng SSP luân phiên đảo ngược nhau. Mặt khác, các tai nối liên kết của SSP kiểu mũ có dạng không đối xứng nên cho phép liên kết một chiều giúp cho việc thi công dễ dàng trong công tác chuẩn bị và đóng cọc. Hơn nữa, SSP kiểu mũ, có chiều rộng 900 mm, có thể giảm số lượng cọc ván nhờ đó giúp cho việc thi công nhanh chóng hơn so với SSP kiểu chữ U chiều rộng 400 mm, như trong Hình 2.
Kiểu Mũ (bên phải)
Ứng dụng của cọc ván thép kiểu Mũ
SSP kiểu mũ thường được sử dụng như là tường chắn bằng thép cho các hạng mục vĩnh cửu và tạm thời. Những bức tường này được tạo ra bằng cách kết nối từng SSP với bởi các tai nối liền khối, sau đó liên tục được đóng xuống đất. SSP kiểu Mũ có 4 loại và được thể hiện trong Hình 3, các đặc trưng mặt cắt của chúng được thể hiện trong Bảng 1, có thể được lựa chọn tùy thuộc vào các điều kiện thiết kế như chiều cao của tường chắn và điều kiện địa chất.
Bảng 1. Đặc trưng mắt cắt SSP kiểu Mũ
| Loại | Mômen mặt cắt I (cm4/m) | Môđun mặt cắt Z (cm3/m) | Khối lượng riêng/m2 (kg/m2) |
| NS-SP-10H | 10,500 | 902 | 96 |
| NS-SP-25H | 24,400 | 1,610 | 126 |
| NS-SP-45H | 45,000 | 2,450 | 163 |
| NS-SP-50H | 51,100 | 2,760 | 186 |
Các tiêu chuẩn SSP và hướng dẫn thiết kế tại Việt Nam
Bảng 2 trình bày các tiêu chuẩn quốc gia hiện hành về SSP loại U và SSP kiểu Mũ tại Việt Nam. Thông số tiêu chuẩn kỹ thuật vật liệu và tiêu chuẩn thiết kế đã được công bố và đang được sử dụng tại Việt Nam.
Bảng 2. Tiêu chuẩn quốc gia
| Mục | Số hiệu | Tên tiêu chuẩn |
| Vật liệu | TCVN 9685:2013 | Cừ ván thép cán nóng |
| TCVN 9686:2013 | Cừ ván thép cán nóng hàn được | |
| Thiết kế | TCVN 9860:2013 | Kết cấu cừ ván thép trong công trình giao thông – Yêu cầu thiết kế – |
Biện pháp thi công cọc ván thép kiểu Mũ
Phương pháp thi công bằng búa rung và phương pháp ép tĩnh là hai biện pháp thi công chủ yếu. Đây là những phương pháp thi công rất phổ biến ở Việt Nam. Biện pháp thi công sử dụng búa rung được thể hiện trong Hình 4 là phương pháp chính để giảm ma sát thành bên khi cọc tiếp xúc với đất. Phương pháp này rút ngắn thời gian đóng cọc và khi đóng cọc SSP vào nền đất cứng, hơn thế nữa phương pháp này không chỉ hữu ích trong việc đóng cọc mà còn cho cả khi nhổ cọc lên.
Phương pháp ép tĩnh trong Hình 5 sử dụng máy có cơ chế thủy lực, bằng cách ngoạm chặt thân cọc ván trong quá trình thi công trong khi vẫn tạo ra phản lực bằng cách giữ chặt các cọc đã đóng trước đó. Máy lái nhỏ gọn và không cẩu lắp. Phương pháp này phù hợp áp dụng trong các điều kiện thi công như những nơi chật hẹp và những nơi mặt bằng xây dựng hạn chế, hoặc cũng có thể đóng cọc trong một số nơi yêu cầu ít tiếng ồn và độ rung chấn thấp. Ngoài ra, khi hạ cọc vào nền đất cứng, có thể sử dụng kết hợp máy ép tĩnh với vòi phun tia nước áp lực hoặc máy khoan dẫn.
Hệ số triết giảm của cọc ván thép
Khi một tường cừ sử dụng cọc ván thép kiểu U nó sẽ chịu uốn do tác động của áp lực đất hay bởi các tải tọng ngang khác, một lực cắt uốn lớn sẽ xuất hiện ở khóa nối của các cọc thép vì các nằm ở trục tâm tường cừ, được định nghĩa là vị trí trục trung hòa.
Trong trường hợp này, khi lực cắt không được truyền hoàn toàn giữa các cọc đơn với nhau, các khóa nối sẽ trượt khỏi nhau, và các đặc trưng mặt cắt, mô men quán tính, mô đun mặt cắt của tường cừ sẽ bị giảm bớt. Mức độ giảm được biểu thị bằng hệ số triết giảm.
Bảng 3 thể hiện hệ số triết giảm được quy định tại Việt Nam, Nhật Bản và Châu Âu. Mặt khác, SSP kiểu mũ không bị trượt tai nối vì khóa nối liền khối của nó nằm ở phía ngoài cùng của bức tường. Do đó, không cần thiết phải xem xét hệ số triết giảm trong trường hợp tường SSP kiểu mũ. Hình 6 minh họa sự liên kết liền khối với nhau của cả SSP kiểu chữ U và SSP kiểu mũ.
Bảng 3. Hệ số triết giảm của cọc SSP kiểu U trong một số tiêu chuẩn thiết kế
| Tiêu chuẩn | βD | βB | Ghi chú |
| Việt Nam: TCVN9860: 2013 | 0.45 | 0.6 | Không hàn |
| Nhật: Tiêu chuẩn cầu đường bộ Nhật Bản Hướng dẫn thiết kế kết cấu tạm | 0.45 | 0.6 | Không hàn |
| Châu Âu: Tiêu chuẩn Eurocode, Phụ lục cho quốc gia liên hiệp Vương quốc Anh ,3.Thiết kế kết cấu thép, Phần 5: Đóng cọc | 0.3 – 0.4 | 0.4 – 0.6 | Cọc đơn hay cọc đôi không uốn mép, không kết cấu hỗ trợ, điều kiện không thuận lợi |
βD : Hệ số triết giảm cho momen quán tính
βB : Hệ số triết giảm cho modun mặt cắt
VÍ DỤ ỨNG DỤNG CỌC VÁN THÉP KIỂU MŨ
Thông tin chung của dự án
SSP kiểu mũ được áp dụng cho kết cấu tường chắn tạm với chiều sâu hố đào 13,5 mét để xây dựng trạm bơm nước mặt. Tường chắn SSP kiểu mũ, loại NS-SP-25H dài 18m, gồm 4 tầng khung chống (Hình 7).
Lý do áp dụng SSP kiểu mũ
SSP kiểu mũ được áp dụng vì 2 lý do sau. Đầu tiên là SPP kiểu mũ có chiều rộng 900 mm (trong khi SSP kiểu chữ U loại Larsen IV có chiều rộng chỉ 400 mm), do đó nếu áp dụng SSP kiểu mũ có thể giảm số lượng cọc và rút ngắn thời gian thi côn g đáng kể. Lý do khác là SSP kiểu mũ không cần tính đến hệ số triết giảm khi thiết kế. Vậy nên, SPP kiểu mũ ước tính có thể giảm khối lượng thép và thời gian xây dựng như trong Bảng 4.
Bảng 4. So sánh giữa cọc kiểu U(Larsen IV) và cọc kiểu Mũ NS- SP-25H*3
| Loại | Cọc kiểu U (Loại SP-IV) | Cọc kiểu Mũ (Loại NS-SP-25H) | |
| Hình dạng |  |  | |
| Mô men quán tính | 38,600 cm4/m (mỗi 1mét dài tường cừ) | 24,400 cm4/m (mỗi 1mét dài tường cừ) | |
| Hệ số triết giảm tai khóa *1 | 0.45 | 1.0 | |
| Mô men quán tính thực tế | 17,370 cm3/m | < | 24,400 cm4/m |
| Mô đun mặt cắt | 2,270 cm3/m | 1,610 cm3/m | |
| Hệ số triết giảm tai khóa *1 | 0.6 | 1.0 | |
| Mô đun mặt cắt thực tế | 1,362 cm3/m | < | 1,610 cm3/m |
| Khối lượng đơn vị trên 100 mét dài tường cừ (tỷ lệ) | 190 kg/m2 (100%) | > | 126kg/m2 (66%) |
| Số lượng cọc trên 100 mét dài tường cừ (tỷ lệ) | 250 cọc (100%) | > | 111 cọc (45%) |
| Thời gian thi công tính toán cho 100 mét dài tường cừ *2 | 14 ngày (100%) | > | 9 ngày (65%) |
*1Cọc ván thép tiêu chuẩn kỹ thuật – TCVN 9860 – 2013
*2Tiêu chuẩn định mức chi phí Nhật Bản (Chương 6. Thi công hạng mục tạm 2021)
*3Tập đoàn thép Nippon đánh giá chất lượng sản phẩm của chúng tôi. Tập đoàn thép Nippon không chịu trách nhiệm về kết quả của việc sử dụng thông tin này.
Một số lưu ý khi thi công cọc SSP kiểu mũ
Để áp dụng SSP kiểu mũ dài 18 mét cho dự án này, 2 đoạn cừ ván thép kiểu mũ NS-SP-25H có chiều dài 9 mét được hàn với nhau tại công trường. Bệ đỡ bằng thép dùng để kê cừ hàn tại chỗ và các tấm thép tăng cường tại các mối nối được áp dụng để đảm bảo độ chính xác khi chế tạo và an toàn cho các mối nối như trong Hình 8. Phương pháp thi công SSP kiểu mũ NS-SP-25H là phương pháp ép rung sử dụng máy rung thủy lực và công ty đóng cọc đã sử dụng thanh, khung dẫn hướng để đảm bảo độ chính xác khi đóng hạ cọc SSP kiểu mũ NS-SP-25H như Hình 9. Sau khi đào đất bên trong hố móng, xác nhận chuyển vị tường cừ nằm trong giới hạn cho phép, me cừ kín khít và đảm bảo kín nước như Hình 10.
Thay lời kết
The article outlines the features of Hat-type SSP and introduces the application example of Hat-type SSP in Vietnam. In application example, Hat-type SSP was applied in the following 2 reasons. The first is that Hat-type SPP has a width of 900 mm (on the other hand, U-type SSP Ⅳ has a width of 400mm), which can reduce the number of pilings, and shorten the construction period. The other reason is that Hat-type SSP can be designed with consideration of no reduction factor. From the above advantages and practical applications, Hat-type SSP is considered as one of the new superior materials and is gradually being widely popularized to constructions in Vietnam.
Bài viết nêu tính năng của SSP kiểu mũ và giới thiệu về ví dụ ứng dụng SSP kiểu mũ ở Việt Nam. Trong ví dụ về ứng dụng, SSP kiểu mũ được áp dụng vì 2 lý do sau. Đầu tiên là SPP kiểu mũ có chiều rộng 900 mm (trong khi SSP kiểu chữ U (Larsen IV)có chiều rộng 400 mm), có thể giảm số lượng cọc và rút ngắn thời gian thi công. Lý do khác là thiết kế mặt cắt SSP kiểu mũ tối ưu về mặt chịu lực do không cần tính đến hệ số triết giảm khi thiết kế, từ đó, giảm khối lượng thép trên 1 m2 tường cừ (giảm 34% khối lượng so với cừ Larsen IV) và tiết kiệm chi phí cho dự án . Từ những ưu điểm và ứng dụng thực tế nêu trên, SSP kiểu mũ được đánh giá là một trong những kết cấu mới ưu việt và đang dần được phổ biến rộng rãi vào các công trình xây dựng tại Việt Nam.
Nguyễn Thị Thúy
Công ty TNHH Nipponsteel Việt Nam.
E-mail: [email protected]
Trương Quang Mạnh
Công ty TNHH Nipponsteel Việt Nam.
E-mail: [email protected]
Higashi Masaya
Công ty TNHH Nipponsteel Việt Nam.
E-mail: [email protected]
Tài liệu tham khảo
[1] TCVN 9860:2013 Kết cấu cọc ván thép trong công trình giao thông – Yêu cầu thiết kế.
