Tường cọc ván ổn định hố đào

Các tham số đầu vào cho phương pháp BEM là chiều dài tường cọc ván, chiều dài của phân tố tường cọc ván, độ cứng chống uốn, EI, và độ cứng chống nén, AE cho chiều rộng mặt cắt ngang của

3.1.1 Kh ảo sát địa chất cho hố đào

Theo tiêu chuẩn Eurocode 7 (Harris, 2008), phần 2 cung cấp một hướng dẫn cơ bản

về chiều sâu các điểm khảo sát địa chất cho kết cấu tường chắn được thể hiện như ở hình dưới

Chiều sâu tối thiểu, za, cho hố đào khi mực nước ngầm ở dưới cao độ đáy cọc ván phải

lấy giá trị lớn hơn trong hai giá trị sau:

TÇng kh«ng thÊm

Nếu mực nước ở trờn địa tầng và khụng cú lớp thấm được trong chiều sõu khảo sỏt

gợi ý bờn trờn, thỡ chiều sõu phải được tăng lờn:

Nếu như tường được thiết kế để ngăn cho nước chảy vào hố đào thỡ yờu cầu khảo sỏt

phải kộo dài ớt nhất 2m vào tầng khụng thấm nước

Chiều sõu za cú thể giảm 2m nếu như tường được xõy dựng tại khu vực cú điều kiện địa chất đó biết trước, tuy nhiờn cần thiết phải cú 1 lỗ khoan được khoan tối thiểu 5m Trong trường hợp gặp đỏ gốc, chiều sõu za sẽ lấy tới vị trớ lớp đỏ gốc Chiều sõu khảo sỏt cú thể lấy lớn hơn trong trường hợp gặp dự ỏn lớn hay tại cỏc vị trớ cú điều kiện địa

chất phức tạp

3.1.2 Cỏc điều kiện thiết kế

Cỏc vớ dụ về cỏc trạng thỏi giới hạn cú thể ảnh hưởng đến kết cấu tường cọc vỏn được

chỉ ra ở hỡnh vẽ dưới Từ trỏi qua phải, bao gồm: đỉnh tường bị chuyển vị vào hố đào, xoay quanh điểm cố định của nền đất, chõn tường bị dịch chuyển vào hố đào, xoay quanh điểm khung chống; phỏ hoại ở giữa tường do uốn và phỏ hoại kộo đứt của neo;

và phỏ hoại trồi đất và phỏ hoại khung chống

Xoay tại vị trí cố định Xoay tại vị trí cố định

Phá hoại uốn Neo bị kéo đứt

Đất bị đẩy bùng

Phá hoại thanh chống

Hình 3.2 Ví d ụ về các trường hợp phá hoại của hố móng (Harris, 2008)

Thi ết kế cơ bản

Theo tiêu chuẩn Eurocode 7 yêu cầu tường cọc ván phải được thiết kế với chiều sâu chôn cọc ván hợp lý nhằm ngăn cản phá hoại xoay và phá hoại theo phương thẳng đứng Mặt cắt ngang của tường cọc ván và bất cứ kết cấu chống giữ nào bên trong

phải được kiểm tra để đảm bảo chống lại sự phá hoại của kết cấu Ngoài ra, tường cọc ván phải đảm bảo chống lại mất ổn định tổng thể của nền đất khi cọc ván được đóng vào nền đất

3.2.1 Phương pháp cân bằng giới hạn

Phương pháp trạng thái cân bằng giới hạn là một phương pháp được dùng phổ biến

để đánh giá chiều sâu đóng cọc ván cần thiết, đồng thời xét đến cả lực cắt và mô men trên mặt cắt ngang của tường cọc ván, xác định lực tác dụng vào thanh chống và vào

vị trí neo giữ Phương pháp trạng thái cân bằng giới hạn giả thiết nền đất sẽ huy động toàn bộ xung quanh tường cọc ván, để cho tường cọc ván bị phá hoại tại vị trí phá hoại (hay ‘trạng thái cân bằng giới hạn’)

Phương pháp cân bằng trạng thái giới hạn được sử dụng cho cả tường cọc ván dạng công xon và tường cọc ván có khung chống/hoặc có neo ở gần đỉnh Trong tường hợp tường cọc ván có nhiều tầng khung chống thì phương pháp cân bằng giới hạn chỉ được

áp dụng khi đưa vào các giả thiết nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán

Theo tiêu chuẩn Eurocode 7(Harris, 2008) đưa ra chú ý rằng đối với cọc ván có neo,

hoặc tường mềm, độ lớn và sự phân bố áp lực đất, lực trong kết cấu, và các giá trị mô men phụ thuộc lớn vào độ cứng của kết cấu, độ cứng và sức chống cắt của nền đất,

và trạng thái ứng suất của nền đất

3.2.2 Các phương pháp mô hình số và phần tử hữu hạn

Tường cọc ván được miêu tả trong tiêu chuẩn Eurocode 7 cũng có thể được tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn, các điều kiện biên, hay phương pháp phần tử rời

rạc

a Theo phương pháp điều kiện biên (BEM)

Phương pháp điều kiện biên, BEM, bao gồm việc mô hình tường cọc ván như là một dãy các phần tử thẳng đứng 'z dọc theo chiều dài cọc ván với cùng một giá trị độ cứng

chống uốn, EI, và độ cứng chống nén, AE Nền đất được đại diện bằng một loạt các lò

xo thẳng đứng và lò xo theo phương ngang gắn dọc theo chiều dài tường cọc ván Các

mô hình lò xo cho tường hợp có neo đã được giới thiệu Briaud and Kim (1998) Có 1

số phần mềm dung phương pháp này như BMCOL và TBWALL Các tham số đầu vào cho phương pháp BEM là chiều dài tường cọc ván, chiều dài của phân tố tường cọc ván, độ cứng chống uốn, EI, và độ cứng chống nén, AE cho chiều rộng mặt cắt ngang

của tường cọc ván, tải trọng neo được mô tả là các mô hình lò xo phi tuyến (phương

thẳng đứng và phương ngang), mô hình nền đất cũng là mô hình lò xo phi tuyến (áp

lực ngang bao gồm nước và tải trọng ngoài tác dụng) Kết quả tính toán là các giá trị

cụ thể bao gồm: chuyển vị tường cọc ván theo phương ngang và phương thẳng đứng theo chiều sâu, biểu đồ mô men, biểu đồ lực cắt, biểu đồ lực dọc theo chiều sâu

Hỡnh 3.3 Mụ hỡnh điều kiện biờn của tường cọc vỏn liờn tục (J L Briaud, and Kim, B.K , 1998)

b Phương phỏp phần tử hữu hạn, FEM

Phương phỏp phần tử hữu hạn, FEM bao gồm mụ hỡnh của tường và đất từ cỏc phần

tử nhỏ và gỏn thuộc tớnh cho cỏc phần tử đú để điều khiển ứng sử của chỳng Phần tử

dầm được lựa chọn cho tường cọc vỏn Giỏ trị đầu vào cụ thể cho mụ hỡnh FEM là việc

mụ tả lưới phần tử bao gồm cỏc kớch thước của tường cọc vỏn, neo, nền đất, cỏc mụ hỡnh vật liệu cho tường cọc vỏn (thường dựng mụ hỡnh đàn hồi), neo (đàn-dẻo), đất và nước (mụ hỡnh hypecbol, phi tuyến hoặc tuyến tớnh), cỏc điều kiện biờn (gối cố định,

gối tự do, gối xoay), và điều kiện biờn tải trọng (tải trọng ngoài phụ thờm, tải trọng nhà, ) Kết quả tớnh toỏn là cỏc giỏ trị cụ thể bao gồm: chuyển vị tường cọc vỏn theo phương ngang và phương thẳng đứng theo chiều sõu, biểu đồ mụ men, biểu đồ lực

cắt, biểu đồ lực dọc theo chiều sõu Một vớ dụ mụ hỡnh cụ thể được đưa ra theo (J L Briaud, and Lim, Y , 1999)

Việc kiểm toỏn theo cỏc trạng thỏi giới hạn bằng cỏch sử dụng phương phỏp số cú thể

thực hiện được một cỏch dễ dàng bằng cỏch đưa vào cỏc hệ số vật liệu Cú hai cỏch chớnh để đưa hệ số vật liệu vào mụ hỡnh phần tử hữu hạn Cỏch thứ nhất, hệ số vật

liệu được ỏp dụng trước khi nhập vào chương trỡnh phần tử hữu hạn Quỏ trỡnh phõn tớch sau đú được thực hiện và kết quả cỏc hiệu ứng ảnh hưởng (như mụ men uốn và

lực cắt trong cọc vỏn, lực tỏc dụng trong thanh chống và neo) sẽ liờn quan đến giỏ trị thiết kế cho việc kiểm toỏn cường độ của kết cấu Một vấn đề cú thể xảy ra cho cỏch này là đất bị phỏ hoại tại một số vựng cú ứng suất lớn cú thể dẫn đến sai khỏc về cơ

chế phỏ hoại đó được dự đoỏn

Neo đ- ờng cong P-y

Đ- ờng cong đất F-W tại nút i

đ- ờng cong Q-w tại nút n Neo đ- ờng cong P-y

Hình 3.4 (trái) Phương pháp phần tử hữu hạn cho tường cọc ván (Plaxis); (phải) phương pháp giảm

c-φ

Cách thứ hai (còn gọi là phương pháp giảm ‘c-φ’), việc phân tích được thực hiện với các giá trị chưa nhân hệ số cho vật liệu và sẽ được ghi lại tại rất nhiều vị trí điểm cho đến khi phá hoại (các điểm 1, 2, và 3 trên hình bên phải) Tại mỗi điểm này, một phân tích riêng rẽ sẽ được thực hiện, bắt đầu từ việc ghi lại các điều kiện nhưng cường độ

vật liệu giảm xuống bằng cách đưa vào các hệ số Jn, Jc, hay Jcu Một chuyển vị gia tăng

là nguyên nhân gây ra sự giảm cường độ của đất (với cùng một giá trị tải trọng ngoài) xác định bởi đường cong tải trọng-chuyển vị cho trạng thái phá hoại (các điểm 1a, 2a,

và 3a của hình bên phải) Tải trọng phá hoại được lấy là giá trị lớn nhất trên đường cong này Một trong các ưu điểm của phương pháp này đó là đưa vào các hệ số riêng,

giống như kích hoạt một trạng thái phá hoại Tuy nhiên, nược điểm của phương pháp

giảm c-φ là mất thời gian tương đối lâu để hoàn thành quá trình tính toán

Phương pháp mô phỏng bằng FEM sẽ dẫn đến giá trị mô men cho kết quả tốt như việc

mô phỏng bằng phương pháp BEM tuy nhiên việc tính toán chuyển vị cọc ván sẽ chính xác hơn phương pháp BEM; lý do là sự dịch chuyển của khối đất được xét đến trong phương pháp phần tử hữu hạn FEM, trong khi BEM không xét đến

Các chương trình tính theo phương pháp số bao gồm PLAXIS, FLAC và ABAQUS Trong quá trình tính toán cần phải chú ý điều kiên biên của lưới phần tử phải đủ xa từ khu vực nghiên cứu và việc lựa chọn mô hình đất (mô đun, cường độ), phải mô tả gần đúng được điều kiện nền đất tại khu vực tính toán, và lực chọn đúng mặt cắt của tường

C ấu tạo tường cọc ván

3.3.1 C ấu tạo tường cọc ván thép

Cọc ván có thể là cọc ván thép, hoặc cọc ván BTCT và cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực

400 x 170 x 15.5 (weight : 76.1kg/m)

Độ dày (mm)

Diện tích mặt cắt (cm 2 )

Momen quán tính (cm 4 )

Momen kháng uốn mặt cắt (cm 3 )

Khối lượng đơn vị (kg/m)

Diện tích mặt cắt(cm 2 )

Momen quán tính(cm 4 )

Momen kháng uốn mặt cắt(cm 3 )

Khối lượng đơn vị(kg/m)

3.3.2 C ấu tạo cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực

Tập đoàn PS MITSUBISHI (Nhật Bản) đã phát minh ra loại “Cọc ván BTCT dự ứng

lực”, được ứng dụng thành công vào Việt Nam năm 1999-2001 tại cụm công trình nhiệt điện Phú Mỹ (Bà Rịa - Vũng Tàu) tạo nên sự đột phát lớn cho giải pháp thiết kế trong

ổn định hố đào, chống xói lở Với nhiều tính năng vượt trội: cường độ chịu lực cao nhờ

tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng độ cứng, khả năng chịu lực của ván, giảm trọng lượng cho công trình, dễ thay cọc mới khi cọc cũ gặp sự cố, sản xuất theo quy trình công nghệ tiên tiến nên chất lượng được kiểm soát chặt chẽ, năng suất cao, chủng loại đa dạng, giá thành thấp

Hình 3.8 M ặt cắt ngang cọc ván BTCT DUL

Tính toán xác định kích thước phạm vi gia cố bằng cừ ván BTCT dự ứng lực:

Thông số cừ ván SW600B - 1000 định hình, mục 3-1, tiêu chuẩn JISA5373:2004 như sau:

+ H=600 mm, L=21 m, W=996 mm, t=120 mm

+ Tiết diện: F= 2078 cm2

+ Cáp: 24 D15.25, thép chủ: 16D20

+ Mô men cho phép: M=590 KNm

+ Bê tông cốt thép: mác 60 Mpa (mẫu hình trụ D15×30cm, tuổi 28 ngày)

Hình 3.9 C ọc ván BTCT dự ứng lực (công ty Thiên Tân)

Hình 3.10 Hình ảnh cọc ván BTCT DUL thi công ngoài công trường

B ảng 3.3 Thông số kỹ thuật cọc ván BTCT DUL (công ty Thiên Tân)

Tính toán tường cọc ván công xon (không hệ đỡ)

Hình 3.11 C ọc ván dạng công xon

Một tường cọc ván công xon là kết cấu tường chắn được chống đỡ nhờ phần sức kháng bị động ở phần cao độ dưới hố đào phía trước tường như hình vẽ Tường cọc ván phải được chôn sâu vào nền đất với chiều sâu yêu cầu Đối với trường hợp thiết

kế sơ bộ, chiều sâu đóng cọc ván cần thiết có thể lấy bằng 1.3 lần chiều sâu hố móng

H (Briaud et al., 1983)

Gi¶ thiÕt D= 1.3H D= 6.5m H

a Các lo ại áp lực đất: chủ động, bị động:

Theo mô hình áp lực đất theo lý thuyết Rankine đã được xác định là mô hình hợp lý cho việc dự tính lực lức dụng vào tường cọc ván cho trường hợp thiết kế cọc ván dạng công xon (McNab, 2002) Biểu đồ áp lực đất chủ động và bị động có dạng hình tam giác Phân tích điều kiện không thoát nước nên được thực hiện thêm cùng với việc phân tích ứng suất có hiệu ứng với các loại đất phù hợp

Áp l ực đất chủ động:

Là giá trị nhỏ nhất có thể có của áp lực đất theo phương ngang tại một độ sâu bất kỳ

do chuyển vị và xoay của tường chắn ra ngoài khối đất Chuyển vị này làm cho đất bị giãn ra theo phương ngang của đât về phía tường Áp lực ngang chủ đọng, Vah, tại chiều sâu z bên dưới đỉnh tường cọc ván trong trường hợp phân tích ứng suất có

hi ệu được tính toán theo công thức sau

(áp lực chủ động được giả thiết bằng 0 khi giá trị áp lực âm) Hệ số áp lực đất chủ động, Ka, được tính toán theo công thức cho trường hợp tường thẳng đứng, mặt đất

nằm ngang, không có ma sát giữa tường và đất

𝜎𝑎ℎ = 𝐾𝑎 (𝜎′0𝑣 + ∆𝜎′𝑣 )−2𝑐√𝐾𝑎 + 𝛼 𝑢 (3.6)

trong đó:

x 𝜎𝑎ℎ là giá trị áp lực đất chủ động (=pa)

x Ka là hệ số áp lực đất chủ động

x c lực dính đơn vị trong điều kiện ứng suất có hiệu tại độ sâu z

x 𝜎′0𝑣 là ứng suất có hiệu thẳng đứng tại điều kiện ban đầu tại độ sâu z

x ∆𝜎′𝑣 là sự thay đổi thành phần ứng suất có hiệu thẳng đứng tại độ sâu z (do tải

trọng ngoài tác dụng tại vị trí đỉnh tường sau tường chắn)

x 𝛼 là tỉ số của nước trên toàn bộ diện tích áp lực nước lỗ rỗng (lấy bằng 0 cho đất không bão hòa hay đất trong khu vực đới bão hòa mao dẫn, và lấy bằng 1 cho đất bão hòa nằm dưới mực nước ngầm)

x u là áp lực nước (là áp lực nước lỗ rỗng, trong trường hợp đất bão hòa hoàn toàn)

𝐾𝑎 = 𝑡𝑎𝑛2(45°−I2)trong đó:

x Ka là hệ số áp lực đất chủ động

x I là góc ma sát trong

Áp l ực đất bị động:

Là giá trị áp lực đất lớn nhất theo phương ngang do tường bị dịch chuyển hoặc xoay

về phía đất Áp lực đất bị động 𝜎𝑝ℎ tại độ sâu z bên dưới đỉnh tường cọc ván trong trường hợp phân tích ứng suất có hiệu được tính toán theo công thức sau Hệ số áp

lực đất chủ động, Kp, được tính toán theo công thức cho trường hợp tường thẳng đứng,

mặt đất nằm ngang, không có ma sát giữa tường và đất

𝜎𝑝ℎ = 𝐾𝑝 (𝜎′0𝑣 + ∆𝜎′𝑣 )+2𝑐√𝐾𝑝 + 𝛼 𝑢 (3.7)

trong đó:

x 𝜎𝑝ℎ là giá trị áp lực đất bị động (=pp)

x Kp là hệ số áp lực đất chủ động

x c lực dính đơn vị trong điều kiện ứng suất có hiệu tại độ sâu z

x 𝜎′0𝑣 là ứng suất có hiệu thẳng đứng tại điều kiện ban đầu tại độ sâu z

x ∆𝜎′𝑣 là sự thay đổi thành phần ứng suất có hiệu thẳng đứng tại độ sâu z (do tải

trọng ngoài tác dụng tại vị trí đỉnh tường sau tường chắn)

x 𝛼 là tỉ số của nước trên toàn bộ diện tích áp lực nước lỗ rỗng (lấy bằng 0 cho đất không bão hòa hay đất trong khu vực đới bão hòa mao dẫn, và lấy bằng 1 cho đất bão hòa nằm dưới mực nước ngầm)

x u là áp lực nước (là áp lực nước lỗ rỗng, trong trường hợp đất bão hòa hoàn toàn)

𝐾𝑝 = 𝑡𝑎𝑛2(45°+I2)

trong đó:

x Kp là hệ số áp lực đất bị động

x I là góc ma sát trong

Hình 3.12 áp l ực đất trong phân tích theo điều kiện ứng suất có hiệu

Áp lực đất chủ động khi phân tích trong điều kiện không thoát nước được xác định theo các công thức dưới đây:

trong đó:

V0v'

x σah là áp lực đất tổng

x σ0v là ứng suất tổng ở điều kiện ban đầu tại độ sâu z

x ∆σv là sự thay đổi ứng suất tổng tại độ sâu z (do tải trọng ngoài phía sau tường

chắn gây ra)

x Su sức chống cắt không thoát nước ở độ sâu z

trong đó:

x σah là áp lực đất chủ động trong điều kiện ứng suất tổng

x σ0v là ứng suất tổng ở điều kiện ban đầu tại độ sâu z

x ∆σv là sự thay đổi ứng suất tổng tại độ sâu z (do tải trọng ngoài phía sau tường

chắn gây ra)

x Su sức chống cắt không thoát nước ở độ sâu z

Cần chú ý là khi có áp lực nước lỗ rỗng động thu được từ lưới thấm sẽ khác với áp lực nước lỗ rỗng trong điều kiện tĩnh

Hình dưới đây biểu diễn áp lực đất cho trường hợp không thoát nước khi phân tích ứng suất tổng

Hình 3.13 Các giá tr ị áp lực đất trong trường hợp phân tích ứng suất tổng với điều kiện không thoát

nước

b Chi ều sâu yêu cầu, D

Giả thiết ban đầu chiều sâu đóng cọc ván là 1.3H, trong đó H là khoảng cách từ đỉnh

tới đáy của hố đào Vẽ biểu đồ áp lực đất chủ động, tìm áp lực đất chủ động và điểm đặt của nó Vẽ biểu đồ áp lực đất bị động, Pp, và điểm đặt của nó Chia Pp cho một giá

trị hệ số an toàn, F Cả giá trị Pa và Pp/F là các hàm số của D Viết phương trình cân

bằng mô men đối với điểm chân tường sẽ xác định được chiều sâu đóng cọc ván là D

Lực R, ở vị trí gần chân tường cọc ván có phương giống như lực Pa Giá trị lực này là

sự chênh lệch giữa Pa và Pp/F R được giả thiết ở vị trí đáy tường cọc ván

Hình 3.14 Các giá tr ị áp lực đất chống đỡ tường cọc ván

c Giá tr ị mô men uốn lớn nhất

Biểu đồ áp lực đất chủ động (Vah (z)) và biểu đồ áp lực đất bị động (Vph (z)/F) được

tổng hợp trên cùng một biểu đồ Biểu đồ lực cắt và biểu đồ mô men uốn được tính toán

dựa vào việc phân tích kết cấu thông thường Biểu đồ mô men lớn nhất là vị trí ứng với giá trị lực cắt bằng 0 Việc tính toán bằng tay sẽ khó khan đặc biệt trong trường hợp địa tầng phức tạp Do đó, phương pháp này không được kiến nghị để xác định giá trị

mô men lớn nhất Kiến nghị sử dụng phương pháp dầm hoặc phương pháp phần tử

hữu hạn để thu được biểu đồ mô men uốn Khi xác định được giá trị mô men uốn, có

thể lựa chọn được mặt cắt ngang hợp lý cho tường cọc ván

Ví d ụ tính toán 1:

Hình 3.15 S ố liệu bài toán

Bước 2: Các tham số dự án – Giá trị ban đầu của chiều sâu hố móng được giả thiết

Chiều sâu dự tính của đóng cọc ván của hố móng, D, có thể dự tính theo công thức

sau

D=1.3H trong đó H là chiều cao hố móng

Pp/F D

Bước 3: Phân tích thấm – Phân tích thấm được yêu cầu xác định để xác định áp lực

nước lỗ rỗng sau tường chắn Một lưới thấm được vẽ cho chiều sâu hố móng giả định

để xác định chiều sâu đóng cọc ván cuối cùng Hệ số an toàn chống lại điều kiện phá

hoại, FSquick, được xác định bằng cách chia gradient tới hạn, icr, cho gradient, hiện tại

iexit

𝑖𝑐𝑟 =𝛾𝑠𝑎𝑡𝛾− 𝛾𝑤

𝑤

trong đó:

x Jsat là trọng lượng thể tích bão hòa của đất

x Jw là trọng lượng thể tích của nước

Do đó hệ số an toàn chống lại đẩy bùng, FS quick, được tính toán theo công thức

𝐹𝑆𝑞𝑢𝑖𝑘 =𝑖𝑖𝑐𝑟

𝑒𝑥𝑖𝑡= 0.8350.336 = 2.48

Bước 4: Phân tích ổn định tổng thể hố đào

Hình 3.16 tính toán h ệ số an toàn ổn định tổng thể hố móng

Bước 5a: Áp lực đất – Giá trị áp lực đất theo 1 m dài tường

Các bảng dưới đây chỉ ra áp lực đất chủ động, bị động, cho trường hợp độ sâu chôn tường cọc ván 6.5 m

Bước 5b: Xác định chiều sâu yêu cầu – Chiều sâu yêu cầu, D, được xác định theo

điều kiện cân bằng mô men Hệ số an toàn chống lật, FS lật, và hệ số an toàn chống

trượt, FS trượt, được tính như bảng dưới Bảng dưới đây đưa ra hệ số an toàn cho trường hợp chiều sâu D = 6.5 m Việc thử dần cho phép dự tính được vị trí ứng với hệ

Tính toán tường cọc ván một hệ đỡ bằng khung chống/hoặc bằng neo

Hình 3.18 Mô t ả một tường cọc ván có 1 khung chống/neo

Có nhiều hướng dẫn thiết kế và tiêu chuẩn đưa ra cho tường có khung chống/neo (Sabatini, 1999; Weatherby, 1998)

a Áp l ực đất:

Biểu đồ áp lực đất cho việc thiết kế tường cọc ván có 1 khung chống/ hoặc có neo đã được thảo luận khá nhiều Một số ý kiến gợi ý rằng biểu đồ áp lực đất có dạng hình tam giác (giống tường dạng công xon) có thể được dung trong trường hợp có 1 khung

chống hoặc 1 hàng neo Weatherby (1998) gợi ý là biểu đồ áp lực đất biểu kiến được dùng trong thiết kế giống như trường hợp có nhiều tầng khung chống hoặc nhiều hàng neo

Áp lực đất cho trường hợp có 1 tầng khung chống/neo phía trên cao độ đáy móng được xác định theo lý thuyết áp lực đất biểu kiến(Terzaghi, 1967)

Biểu đồ áp lực đất biểu kiến tổng cộng cho đất cát là hình chữ nhật và được xác định theo công thức sau

𝜎 𝑏𝑖ể𝑢 𝑘𝑖ế𝑛 (𝑧) = 0.65𝐾 𝑎 𝜎′0𝑣 +𝛼 𝑢 (𝑧) (3.10)

trong đó:

x σbiểu kiến là giá trị áp lực tổng biểu kiến

x Ka là hệ số áp lực đất chủ động

x c lực dính đơn vị trong điều kiện ứng suất có hiệu tại độ sâu z

x 𝜎′0𝑣 là ứng suất có hiệu thẳng đứng tại điều kiện ban đầu tại độ sâu z

x ∆𝜎′𝑣 là sự thay đổi thành phần ứng suất có hiệu thẳng đứng tại độ sâu z (do tải

trọng ngoài tác dụng tại vị trí đỉnh tường sau tường chắn)

x 𝛼 là tỉ số của nước trên toàn bộ diện tích áp lực nước lỗ rỗng (lấy bằng 0 cho đất không bão hòa hay đất trong khu vực đới bão hòa mao dẫn, và lấy bằng 1 cho đất bão hòa nằm dưới mực nước ngầm)

x u là áp lực nước (là áp lực nước lỗ rỗng, trong trường hợp đất bão hòa hoàn toàn)

D

H1

H

Biểu đồ áp lực đất biểu kiến tổng cộng cho đất sét được xác định theo công thức sau

𝜎𝑏𝑖ể𝑢 𝑘𝑖ế𝑛 𝑧) =E.𝜎′0𝑣 +𝛼 𝑢 (𝑧) (3.11)

trong đó:

x σbiểu kiến là giá trị áp lực tổng biểu kiến

x Elà hệ số thay đổi từ 0.2-0.4

x c lực dính đơn vị trong điều kiện ứng suất có hiệu tại độ sâu z

x 𝜎′0𝑣 là ứng suất có hiệu thẳng đứng tại điều kiện ban đầu tại độ sâu z

x ∆𝜎′𝑣 là sự thay đổi thành phần ứng suất có hiệu thẳng đứng tại độ sâu z (do tải

trọng ngoài tác dụng tại vị trí đỉnh tường sau tường chắn)

x 𝛼 là tỉ số của nước trên toàn bộ diện tích áp lực nước lỗ rỗng (lấy bằng 0 cho đất không bão hòa hay đất trong khu vực đới bão hòa mao dẫn, và lấy bằng 1 cho đất bão hòa nằm dưới mực nước ngầm)

x u là áp lực nước (là áp lực nước lỗ rỗng, trong trường hợp đất bão hòa hoàn toàn)

b Chi ều sâu chôn cọc ván, D

Có 3 ẩn số chưa biết, chiều sâu đóng cọc ván cần thiết, D, lực tác dụng vào neo, T, và

lực, R Lực tác dụng vào neo, T, được xác định dựa vào phương pháp diện tích Nó

bao gồm sự phân bố diện tích của biểu đồ áp lực cho phần khung chống/neo (phần

diện tích gạch bên dưới)

Lực chủ động, P a, được đặt bên dưới đáy hố đào Lực bị động P p, được đặt ở vị trí

chống giữ của tường chắn P p được chia cho hệ số an toàn, F Cả hai giá trị P a và P p /F

đều là hàm số của D Lựcđược xác định bằng cách lấy cân bằng mô men tại vị trí đáy

tường Khi biết, cân bằng lực theo phương ngang sẽ cho giá R

c Xác định lực tác dụng vào neo, chiều dài neo

Lực tác dụng vào khung chống/neo được xác định như các giải thích bên trên bằng phương pháp diện tích biểu đồ nhánh

Phần tử thiết kế liên quan đến neo như loại neo, bảo vệ ăn mòn, chiều dài, khoảng cách, lực kháng của neo, chiều dài dính bám, và liên kết với kết cấu tường chắn được xác định theo các phương pháp thiết kế tường cọc ván có neo (Sabatini, 1999; Weatherby, 1998)

d Mô men l ớn nhất tại vị trí có neo

Có hai giá trị mô men uốn lớn nhất, một tại vị trí điểm neo và một giá trị khác ở phần bên dưới của tường cọc ván Biểu đồ lực cắt và mô men uốn được phát triển bằng cách phân tích kết cấu thông thường Giá trị mô men uốn được xác định và thiết kế

phần tử kết cấu tường cọc ván dựa vào giá trị này

e T ối ưu hóa vị trí khung chống/neo

Vị trí neo được dịch chuyển dọc theo tường cọc ván để tối ưu hóa hai thành phần mô men này Tuy nhiên, điều cần thiết phải nhớ rằng đưa vị trí neo gần đỉnh tường chắn

là một cách tốt nhất để hạn chế chuyển vị tại đỉnh tường

Hình 3.19 Bi ểu đồ tính toán vị trí khung chống/neo

Ví d ụ tính toán 2:

Hình 3.20 S ố liệu bài toán cọc ván có neo

Bước 2: Các tham số của bài toán – Kích thước hình học của cọc ván được giả thiết dựa

vào yêu cầu của dự án Đối với các trường hợp tính toán ban đầu, D, có thể giả thiết

D= 1.3H trong đó H là chiều sâu hố đào

Bước 3: Phân tích thấm – Phân tích thấm trong trường hợp này không cần thực hiện do

không có mực nước ngầm

Bước 4: Ổn định bên ngoài – Dựa vào phân tích ổn định theo phương pháp mặt trượt

trụ tròn như hình vẽ bên dưới

Gi¶ thiÕt D= 1.3H D= 6.5m

Gi¶ thiÕt D= 1.3H D= 6.5m

Hình 3.21 H ệ số ổn định cho tường cọc ván có 1 hệ neo

Bước 5a: Các loại áp lực đất – Giá trị áp lực đất cho sét, được tính toán dựa vào vị trí

đào hố móng Bảng dưới đây chỉ ra áp lực đất tác dụng dọc theo cọc ván bên trên vị trí đáy hố móng

trong đó:

x σbiểu kiến là áp lực tổng

x 𝛽 hệ số thay đổi từ 0.2 -0.4 (trong ví dụ này, 𝛽= 0.3)

x σ′0v là thành phần ứng suất có hiệu tại phía đất sau tường cọc ván tại cao độ đáy hố đào

x 𝛼 là tỉ số của nước trên toàn bộ diện tích áp lực nước lỗ rỗng (lấy bằng 0 cho đất không bão hòa hay đất trong khu vực đới bão hòa mao dẫn, và lấy bằng 1 cho đất bão hòa nằm dưới mực nước ngầm)

x u là áp lực nước (là áp lực nước lỗ rỗng, trong trường hợp đất bão hòa hoàn toàn)

Bảng tính áp lực đất cho trường hợp cọc ván có 1 khung chống/hoặc có neo

Chiều sâu (m) Áp lực đất (kPa)

Giá trị áp lực đất phía dưới đáy hố đào được tính toán trên 1 m tường Bảng bên dưới

là giá trị áp lực đất chủ động và bị động sau khi đã tối ưu hóa chiều sâu chôn móng

Hình vẽ biểu diễn áp lực đất chủ động, bị động và áp lực đất còn lại trên tường cọc ván

B ảng 3.8 Tính toán áp lực đất cho một tầng khung chống /có neo

Hình 3.23 sơ đồ tính lực tác dụng vào neo

Bước 5c: Chiều sâu đóng cọc ván cần thiết – chiều sâu đóng cọc ván, D, được tính toán

bằng cách lấy cân bằng mô men tại chân tường Quá trình thử dần chiều sâu đóng cọc ván được thực hiện cho đến khi đạt được hệ số an toàn yêu cầu Lực tác dụng R, được tính toán theo bảng dưới

B ảng 3.9 Hệ số an toàn và lực tác dụng vào khung chống/neo

Chiều sâu chôn tường

Bước 5d: Mô men uốn lớn nhất – Biểu đồ lực cắt và mô men uốn được vẽ để xác định mô

men uốn bằng phương pháp phân tích kết cấu thông thường

Thi ết kế tường cọc ván có nhiều khung chống/neo

Hiện nay, tường cọc ván có nhiều khung chống/neo được dung nhiều cho hố đào Tiêu chuẩn thiết kế và các hướng dẫn cho tường có nhiều khung chống/neo (Sabatini, 1999; Weatherby, 1998)

Gi¶ thiÕt D= 1.3H D= 6.5m

H1 (H -H1)/2

T

VbiÓu kiÕn

D

H1 H2

H3 H

Hình 3.24 Tường có nhiều khung chống/neo

a Áp l ực đất biểu kiến

Biểu đồ áp lực đất cho nhiều tầng khun chống/neo được xác định như xác định bên trên cho tường cọc ván có 1 khung chống/neo Biểu đồ áp lực đất bên trên hố đào là

biểu đồ áp lực đất biểu kiến Bên dưới hố đào, biểu đồ áp lực đất chủ động ở bên phải

và biểu đồ áp lực đất bị động ở bên trái

b Xác định lực neo

Các lực tác dụng vào neo được xác định dựa theo phương pháp biểu đồ như đã trình bày Lấy ví dụ, khung chống/neo trên cùng được lấy ứng với phần diện tích từ đỉnh cọc ván đến điểm giữa của khung chống/neo thứ nhất và thứ hai

Khung chống/neo dưới cùng được lấy ứng với phần diện tích từ điểm giữa của hai khung chống/neo dưới cùng đến điểm giữa của khung chống/neo cuối cùng và cao độ đáy hố móng

c Chiều sâu đóng cọc ván yêu cầu, D

Chiều sâu đóng cọc ván yêu cầu, D, có thể được tính từ điều kiện cân bằng giới hạn

với điểm chân tường khi lực neo được xác định Thành phần lực chủ động, P a, và điểm

đặt của nó được tính toán Thành phần lực chủ động, P a, và điểm đặt của nó được tính toán Lực bị động P p được chia chia hệ số an toàn Lực, R, được xác định dựa vào việc

lấy cân bằng hình chiếu theo phương ngang, bao gồm các lực tác dụng vào khung

chống/neo, áp lực đất biểu kiến và biều đồ, P a , và P p /F

Hình 3.25 Bi ểu đồ áp lực đất biểu kiến cho trường hợp nhiều khung chống/neo

d Giá tr ị mô men uốn

Trong nhiều trường hợp việc xác định giá trị mô men uốn bằng tính tay sẽ rất khó khăn Phương pháp phần tử rời rạc (dầm–cột) được khuyến cáo dùng trong trường hợp này

Một sự đơn giản hóa bao gồm giả thiết rằng mô men tại vị trí neo do áp lực biểu kiến tác dụng giữa đỉnh của tường cọc ván và hàng neo đầu tiên Một giả thiết đơn giản hóa

D

T T T

1 2 3

Pp

R

Pa

VbiÓu kiÕn

bao gồm giả thiết tường cọc ván bị phá hủy thành các dầm đơn giản tại mỗi vị trí chống

đỡ và tính toán mô men uốn tại mỗi phần giữa đó

Tính toán tường cọc ván có hệ đỡ bằng neo trong đất theo tiêu chuẩn ASSHTO- LRFD 1998 (22 TCN-272-05)

3.7.1 Phương pháp thiết kế

Hình 3.26 M ột số ứng dụng của neo trong đất

Các khía cạnh kĩ thuật của thiết kế tường có neo bao gồm đánh giá sức kháng kéo nhổ

của neo, áp lực đất chủ động và bị động của tường chắn thẳng đứng, độ ổn định chung

và nền móng và sự chuyển vị của tường Thêm vào đó, sự ổn định cấu trúc của neo, tường chắn thẳng đứng và bề mặt tường cũng phải được đánh giá Những phần sau đây sẽ yêu cầu chung về thiết kế của tường chắn có neo theo tiêu chuẩn LRFD (22TCN272-05, 2005; LFRD, 2012; LRFD, 1998)

Nh ững yêu cầu về thiết kế tổng quan tường cọc ván có neo

Trong hình bên dưới, tường chắn có neo bao gồm neo được thi công bằng cách sử

dụng cáp dự ứng lực hay thanh thép, khoảng cách giữa các phần tử tường rời rạc xấp

xỉ 2 tới 3m dọc theo chiều dày của tường và bề mặt tường (như gỗ hoặc bờ tụng đỳc

sẵn hoặc vữa phun và bờ tụng đỳc tại chỗ cho một số tường vĩnh cửu) Trong một số trường hợp điển hỡnh như trong thành phố, thành phần tường chắn thẳng đứng gồm cỏc tấm bờ tụng cốt thộp nối tiếp nhau được xõy dựng sử dụng phương phỏp tường võy, (ổn định hố đào nhờ dung dịch bentonite hoặc vữa polymer) Sau khi quỏ trỡnh đào xong, neo được lắp đặt vào trong cỏc lỗ khoan và xuyờn qua bề mặt của tường tới

một bản chống giữ ở trờn bề mặt của tường

x Đào tới một độ sõu khoảng 2-4m để lắp đặt neo ở vị trớ trờn cựng, và lắp đặt bề

mặt ngoài của tường theo yờu cầu

x Khoan tạo lỗ để lắp đặt neo với gúc phổ biến từ 10 độ tới 30 độ theo phương ngang, sau đú lắp đặt và phun vữa phần chiều dài neo lien kết

x Kiểm tra mỗi neo, khúa neo ở tải trọng thiết kế và nếu neo được bảo vệ và vỏ

bọc chống ăn mũn, phun vữa với chiều dài khụng dớnh bỏm

Tấm đỡ Đầu neo

Vữa xi măng yếu

Độ nghiêng neo theo sự cần thiết

x Lặp lại quá trình đào, khoan lỗ neo, lắp đặt, phun vữa và kiểm tra và lắp đặt lớp

mặt cho mỗi neo vào đáy của tường

x Thi công mặt tường chắn phía trước của tường cho phần kết cấu vĩnh cửu Hình ảnh của thi công tường chắn được thể hiện trong hình bên trên là loại tường neo

phổ biến nhất

Chiều dài của neo phải được thiết kế nhằm đảm bảo chiều dài dính bám đủ để chống

lại tải trọng tác dụng lên tường và để chiều dài neo phải vượt quá bề mặt phá hoại cực

hạn Thông thường, góc nghiêng của neo lấy lớn nhất là 30 độ theo phương ngang để

giảm thiểu tác dụng của tải trọng thẳng đứng tác dụng lên tường Tuy nhiên cũng có

thể lấy góc nghiêng dốc hơn để tránh sự can thiệp với kết cấu đã thi công trước đó (ví

dụ hầm…) hoặc tối đa hóa vật liệu phù hợp nhằm cung cấp khả năng dính bám cao hơn Khoảng cách thẳng đứng của neo có thể được tối đa hóa trong quá trình thiết kế

nhằm đảm bảo cân bằng giữa số lượng neo và uốn của thành phần tường chắn thẳng đứng

Hình 3.28 Ví d ụ về một loại neo dự ứng lực

3.7.2 T ổng quan về LRFD

Theo tiêu chuẩn AASHTO-LRFD, sức kháng và chuyển vị của nền đất, đá và kết cấu

phải thỏa mãn điều kiện dưới đây

x Đối với trạng thái giới hạn cường độ:

Sự ổn định của tường và hệ thống kết cấu phù hợp, sự thích hợp của tường cọc ván

có neo liên quan đến sức kháng địa kỹ thuật và sức kháng kết cấu có thể viết lại theo công thức dưới đây:

x KI = 1.05 đối với kết cấu quan trọng, 1.0 đối với kết cấu thông thường và

0.95 đối với kết cấu kém quan trọng

¾ Trong trường hợp trạng thái giới hạn sử dụng lấyKI=KD KR 1.00

Sức kháng tới hạn, Rn, nên được tính toán cho mỗi một loại sức kháng (ví dụ như tiêu chuẩn về sức chịu tải, trượt, ổn định tổng thể, khả năng neo bị kéo đứt, và sự phù hợp

về kết cấu) như trình bày trong phần sau

Giá trị của hệ số sức kháng I d1được áp dụng khi đánh giá về yếu tố địa kĩ thuật hoặc

kết cấu theo trạng thái giới hạn cường độ

Tuy nhiên, hệ số sức kháng I 1 được áp dụng khi tính toán kết cấu cọc ván có hệ neo cho trạng thái giới hạn sử dụng

f Yêu c ầu cụ thể về các trạng thái giới hạn

Nhìn chung, thiết kế tường cọc ván có hệ neo theo tiêu chuẩn LRFD yêu cầu đánh giá

sự ổn định của nền móng ở nhiều trạng thái giới hạn (ví dụ các trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng) Sự chọn lựa một trạng thái giới hạn cường

độ nào đó phụ thuộc vào loại tải trọng được áp dụng (trạng thái cường độ I cho tải

trọng xe cộ không có gió, hoặc trạng thái cường độ II cho tải trọng xe cộ cho phép) Trong quá trình thiết kế cũng phải xem xét và đánh giá cho tường cọc ván có hệ neo ở các trạng thái giới hạn khác (trạng thái giới hạn đặc biệt khi có động đất) Bảng dưới đây đề cập đến trạng thái cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng I áp dụng cho tường

cọc ván có hệ neo

B ảng 3.10 Tr ạng thái giới hạn cường độ và sử dụng cho thiết kế tường cọc ván có hệ neo

Các vấn đề cần xem xét trong thiết kế Trạng thái giới hạn

cường độ Trsử dụng ạng thái giới hạn

Ngoài ra có thể xem thêm phần thiết kế tường cọc ván có neo theo Cheney (1988)

g H ệ số sức kháng

Hệ số sức kháng đối với thiết kế tường neo được trình bày trong bảng dưới đây Hệ

số sức kháng cho sức kháng bị động của tường thẳng đứng, kéo đứt của neo và thiết

kế kết cấu của neo được phát triển dựa trên các đánh giá kỹ thuật và ứng suất cho phép hiện nay để thiết kế tường neo

B ảng 3.11 Hệ số sức kháng cho tường neo (AASHTO, 1998)

Loại và điều kiện tường Hkháng ệ số sức Sức chịu tải của các phần tử tường thẳng đứng Xem tiêu chuẩn

9 Tương quan giữa w/đá

0.75 0.80 Sức

h Thi ết kế kết cấu neo

Trong ASD, áp lực đơn vị tối đa hay tải trọng tối đa cho từng loại vật liệu được giảm

tới giá trị cho phép áp dụng cho việc hiệu chỉnh để tính toán sự không chắc chắn trong

sức kháng và lực áp dụng Tải trọng kéo cho phép với neo vào đất được kiến nghị bởi

AASHTO, 1998 và FHWA (Cheney, 1988) được liệt kê trong bảng dưới đây

B ảng 3.12 Sức kháng kéo của neo

Điều kiện tải trọng

H ệ số

s ức kháng

I

Hệ số

t ải

tr ọng (1) J

LRFD Ứng suất /Tải

tr ọng cho phép tương

đương Pall(LRFD)/Vall(LRFD)

ASD Ứng

su ất/tải

tr ọng cho phép Pall/Va

1.35 1.50 1.35 1.50

0.74 Pn 0.67 Pn 0.67 Pn 0.60 Pn

0.8Pn 0.8 Pn 0.6 Pn 0.60 Pn

(1) J = 1.35 cho áp lực đất tĩnh và 1.50 cho áp lực đất chủ động

Một khía cạnh khác của việc thiết kế tường cọc ván có neo là xem xét các vấn đề đặt

biệt (độ lún của đất sau tường, trình tự thi công, thiết kế móng bên dưới và xem xét

mặt cắt nền đất sau tường…)

3.7.3 Tính toán tường cọc ván có 1 hệ neo theo tiêu chuẩn LRFD

Trình tự tính toán cọc ván có hệ neo được chỉ ra theo biểu đồ dưới đây

31 | P a g e

Hình 3.29 Bi ểu đồ tổng quan về thiết kế tường cọc ván có neo theo ASD (hệ số an toàn) và LRFD

a Tiêu chu ẩn chuyển vị

x Chuyển vị của tường neo được tính toán theo trạng thái giới hạn sử dụng I cho

tất cả tố hợp tải trọng

x Sự tính toán chuyển vị kết cấu theo LRFD được thực hiện ở trạng thái giới hạn sử

dụng I trong đó J= 1.0 and I= 1.0, phương pháp được sử dụng để ước tính lún

và chuyển vị ngang của cọc ván có neo giống như các phương pháp thông thường

x Chuyển vị thẳng đứng và ngang của tường cọc ván có neo là vấn đề phức tạp

do sự tương tác giữa đất và kết cấu, và phân tích biến dạng có thể được tiến hành dựa trên lý thuyết dầm trên nền đàn hồi hoặc phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các phương pháp này được thực hiện cho rất nhiều dự

án, tuy nhiên, các phương pháp phân tích này sẽ không được chính xác, trừ phi kết cấu biến dạng gần như tường

x Thay vào đó, có thể sử dụng hình vẽ dưới đây như 1 hướng dẫn về việc dự tính độ về lún bề mặt đất nền sau tường Chuyển vị ngang lớn nhất của tường

cọc ván được chống đỡ bởi lớp cát và lớp sét trạng thái cứng thường không vượt qua quá 0.3 phần trăm của với chiều sâu đào Tuy nhiên hình vẽ dưới đây không đề cập đến ảnh hưởng của các hoạt động thi công khác (như vấn đề thoát khô nước trong hố móng, đất nền trong hố móng bị đẩy bùng, hay chất lượng thi công kém)

Hình 3.30 D ự tính độ lún bề mặt phía sau tường cọc ván có neo (Hiệu chỉnh bởi Clough và O'Rourke

x Đường cong 4 = Đất sét mềm đến đất sét sét có độ cứng trung bình, có hệ số

an toàn chống lại sự đẩy bùng nền là 5.1 𝑆𝑢

𝛾.𝐻+𝑞 và được lấy bằng 1.2

x Bởi vì tường cọc ván có hệ neo thường không được dùng cho kết cấu bên trên

của đường bộ, do đó chuyển vị cho phép của tường cọc ván có neo cần được

0.0

0.3 0.5

phát triển dựa trên sự xem xét ảnh hưởng chuyển vị có thể của tường cọc ván cho các kết cấu và các công trình khác gần vị trí tường cọc ván

b L ực nhổ neo

Neo dự ứng lực được sử dụng trong thi công tường cọc ván có hệ neo phải được thiết

kế sao cho chống lại lực nhổ của phần chiều dài liên kết giữa neo và đất hoặc đá Chiều dài liên kết tối thiểu, L, được ước tính là phương trình sau:

𝐿 ≥∑ 𝛾𝑖 𝑄𝑖

Trong đó:

x L = Chiều dài liên kết (m)

x ΣγiQi= Tổng hợp tải trọng neo có hệ số từ vùng phân bố (kN)

x Ф = Hệ số sức kháng

x Qa = Sức kháng đơn vị tối đa giữa vữa/ đất/ đá trong vùng liên kết neo (kN/m)

Tải trọng neo có hệ số được tính toán bằng cách sử dụng biểu đồ phân bố áp lực đất

biểu kiến, phụ thuộc vào loại đất sẽ được chống đỡ và rất nhiều giả thiết liên quan đến đến phân bố tải trọng từ vùng biểu đồ diện tích lực của mặt tường Trong phương pháp

tỷ lệ, hàng neo đầu được giả thiết chịu áp lực của vùng nhánh giữa đỉnh tường đến điểm

giữa, giữa 2 lớp neo trên; và hàng neo cuối được giả thiết chịu áp lực giữa chân tường

và điểm giữa của 2 hàng neo thấp nhất Thay vào đó, tỷ lệ vùi của phần tường thẳng được giả thiết chịu áp lực giữa phần tường nhô và điểm giữa của móng, giữa móng và hàng neo thấp nhất Hàng neo trung gian được giả thiết chịu áp lực giữa điểm trung gian

giữa hàng neo thẳng đứng và phần tường thẳng đứng tương ứng

Trong báo cáo nghiên cứu FHWA (Cheney, 1988; Weatherby, 1982), quy trình để ước lượng sức kháng địa chất tối đa của neo trong đất và đá sử dụng sự tượng quan bán

thực nghiệm và thí nghiệm hiện trường Tiêu chuẩn LRFD, phát triển cho hệ số sức kháng, sử dụng các phương pháp sau:

x Các loại đất rời – Dựa vào loại đất và khả năng đầm nén cùng với việc tham

khảo thí nghiệm SPT (Cheney, 1988) hoặc thí nghiệm nhổ neo ngoài hiện trường

x Đối với đất dính – Dựa vào loại đất và độ cứng cùng với việc tham khảo thí nghiệm sức kháng cắt không thoát nước (Cheney, 1988) hoặc thí nghiệm

nhổ neo ngoài hiện trường

x Đá – Dựa trên sự tương quan về loại đá (Cheney, 1988) hoặc thí nghiệm

sức kháng cắt của đá (Weatherby, 1982), hoặc dựa trên thì nghiệm trong phòng về dính bám giữa đá và vữa hoặc thí nghiệm hoặc thí nghiệm nhổ neo ngoài hiện trường

Bảng sau đây đưa ra giá trị gợi ý của Qacho neo trong đất và đá Những giá trị này được mở rộng trong thiết kế sợ bộ hoặc thiết kế khả thi cho neo có đường kính không thay đổi và neo được lắp đặt trong các lỗ có đường kính nhỏ và được bơm vữa áp lực

thấp Việc bơm vữa trước thường đạt được cường độ cao hơn Bởi vì cường độ của neo trong đất và đá có thể bị ảnh hưởng lớn bởi phương pháp hố neo, đường kính hố,

loại neo, loại vữa và áp lực phun vữa, việc lựa chọn loại neo và xác định Qa cho thiết

kế cuối cùng nên được thực hiện bởi các nhà thầu chuyên nghiệp về địa kỹ thuật cho

việc xay dựng tường

B ảng 3.13 Sức kháng đơn vị tối đa của neo trong đất (AASHTO, 1998; Cheney, 1988)

Lo ại đất Kh ả năng đầm chặt hay số

búa hay giá tr ị SPT (S ố búa trên 0.30 m)

S ức kháng đơn vị tối đa của neo, Qa (kN/m)

c S ức chịu tải (cho các phần tử tường thẳng)

Sức chịu tải của các phần tường thẳng đứng liên tục (như phần tường trong đất bằng BTCT-concrete diaphragam walls) có thể được tính toán như trong phần móng nông theo tiêu chuẩn LRFD Sức chịu tải của phần tường thẳng đứng không liên tục (ví dụ tường cọc ván) có thể được đánh giá trong các chương dành cho cọc đóng hoặc cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn LRFD Trường hợp khác, mặt sau của phần tường thẳng đứng được giả thiết là không có ma sát sao cho các phần tử thẳng đứng được thiết kế

để chống đỡ các bộ phận thẳng đứng của lực tác dụng vào neo và trọng lượng bản thân của bề mặt tường

d S ức kháng bị động (cho phần tử tường thẳng đứng)

Sức kháng bị động cho các phần tử tường thẳng đứng cần được đánh giá như trong chương 8 tiêu chuẩn LRFD 1998 cho phần sức kháng trượt của móng được chôn sâu dưới đất Sức kháng bị động của phần tường thẳng không liên tục (tường cọc ván) được tính toán theo các lý thuyết áp lực đất truyền thống Trong trường hợp xét đến

sức kháng cho móng cọc chịu tải trọng ngang (Goldberg, et al., 1975), giả thiết rằng sức kháng bị động tác dụng trên một chiều rộng bằng 3 lần chiều rộng của phần tường tử tường

thẳng đứng chôn chôn trong đất

Các phần tử tường cọc ván thẳng đứng không liên tục (tường cọc ván) phải được thiết

kế để chống lại các áp lực đất và áp lực nước tác dụng, tải trọng chất thêm, tải trọng neo và tải trọng do động đất gây ra, và các thành phần thẳng đứng của tải trọng neo

và các tải trọng thẳng đứng khác trong diện tích thành phần tường thẳng đứng liền kề Khi thiết kế những thành phần đó, tại các cao độ của neo thường giả thiết là gối cố định theo phương ngang có thể được giả sử ở mỗi cấp neo và tại đáy tường nếu như các thành phần đó được ngàm hoàn toàn dưới đáy móng của tường

Trừ khi phương pháp dầm trên nền đàn hồi, phương pháp phần tử hữu hạn hoặc các phương pháp khác có xét đến tương tác giữa đất-kết cấu được sử dụng, thì giá rị mômen uốn lớn nhất, Mmax, trong các phần tử tường thẳng đứng có thể dùng phương pháp tỉ lệ để tính các lực neo và ứng suất trong các phần tử của tường

x Đối với mặt cắt tường ở bên trên hàng neo đầu tiên, thì phần tử tường thẳng đứng được thiết kế như một dầm công xon và Mmax được tính theo biểu thức sau:

2 max 0.5

x Đối với các mặt cắt giữa các hàng neo, thì phần tử tường thẳng đứng được thiết

kế như là một dầm giản đơn và mô men Mmax được xác định theo biểu thức sau:

2 max 0.125

x Nếu chân tường không được chôn vào đất hoặc trường hợp bỏ qua phần sức kháng theo phương ngang của phần chiều dài tường chôn vào đất, phần tử tường thẳng đứng dưới hệ neo thấp nhất có thể được thiết kế như một dầm

nhất của các neo được dùng:

2 max 0.333

x Đối với các mặt cắt của tường chắn thẳng đứng nhịp từ ba hoặc lớn hơn các

cấp neo có khoảng cách bằng nhau, thì tường chắn thẳng đứng được thiết kế như các dầm liên tục và Mmax có thể được xác định theo công thức:

2 max 0.100

Trong đó:

x Mmaxlà mômen uốn lớn nhất có hệ số trên bề mặt tường (kN.m)

x p là áp lực ngang trung bình có hệ số tác dụng lên bề mặt tường chắn thẳng đứng (kPa)

x L là khoảng cách giữa các phần tử tường thẳng đứng (m)

x x là chiều cao của thành phần thẳng đứng giữa các neo hoặc các gối (m)

x Mmax được cân nhắc để môment dương thiết kế giữa các neo và môment âm thiết kế tại các neo

Nếu có sự thay đổi áp lực ngang lớn theo chiều sâu, thì phải vẽ biểu đồ mô men

đề đảm bảo độ chính xác hơn

f 2 B ề mặt tường vĩnh cửu

Khoảng cách lớn nhất giữa các phần tử tường thẳng đứng nên được xác định dựa trên

độ cứng tương đối của các phần tử thẳng đứng, các loại đất và điều kiện của đất sẽ được chống đỡ Khoảng cách ngang giữa các phần tử tường thẳng đứng thường từ 2 đến 3 mét

Bề mặt tường có thể được giả thiết là các dầm giản đơn giữa các phần tử tường thẳng đứng, hay có thể được giả thiết như các dầm liên tục qua một vài phần tử tường thẳng đứng Dựa trên những giả thiết đó, giá trị môment uốn lớn nhất có hệ số, Mmax trên

một đơn vị chiều rộng (1m) hoặc đơn vị chiều cao của bề mặt tường có thể được xác định như sau:

x Đối với các nhịp giản đơn khi không xét hiệu ứng vòm của đất:

2 max 0.125

M pL (3.22)

x Đối với nhịp giản đơn (hiệu ứng vòm của đất):

2 max 0.083

M pL (3.23)

x Đối với nhịp liên tục:

2 max 0.100

M pL (3.24)

Trong đó:

x Mmax là môment uốn lớn nhất có hệ số trên tường mặt (kN.m/m)

x p là áp lực đẩy ngang có hệ số trung bình tác dụng lên tường mặt (kPa)

x L là khoảng cách ngang giữa các thành phần tường thẳng đứng (m)

Nếu sự thay đổi trong áp lực đẩy ngang với chiều sâu lớn, thì biểu đồ môment nên được xây dựng để có được độ chính xác cao hơn

Phương trình 3.22 có thể được áp dụng đối với mặt tường với các dầm giản đơn (không xét hiệu ứng vòm) giữa các gối thẳng đứng (như trong các loại đất dính hoặc đối với mặt bê tông cứng được đặt chống lại đất tại chỗ) Phương trình 3.23 có thể được áp dụng đối với mặt tường gối giản đơn (với trường hợp xét đến hiệu ứng vòm)

giữa các gối thẳng đứng (như trong các loại đất sỏi đá hoặc đất dính cứng với mặt tường mềm hoặc mặt tường cứng phía sau một khoảng không gian đủ để cho phép đất tại chỗ có thể cong lại) Phương trình 3-24 có thể được áp dụng cho mặt tường liên tục trên một vài gối thẳng đứng (bê tông phun cốt thép)

Độ dày tấm gỗ chắn tạm thường được dựa trên mối quan hệ thực nghiệm với sự đào sâu hơn là trên một thiết kế kết cấu chặt chẽ

f 3 Các s ự đánh giá khác

x S ự ăn mòn

Ngoại trừ các tường chắn tạm thời, người thiết kế phải đảm bảo sự bảo vệ đầy đủ cho neo và neo phần cứng chống lại đất tấn công hoặc sự có mặt của sự phân tán các dòng có thể ăn mòn và dẫn đến mất khả năng phục vụ đối với các thành phần sức kháng chính của các tường chắn neo Thông thường, việc chống ăn mòn cho các neo được đưa ra bằng cách bọc kín bằng các lớp phủ tĩnh điện được áp dụng, các lớp phủ được liên kết keo epoxy, vữa

x S ự thoát nước

Cũng như các loại tường chắn khác, tải trọng ngang tác dụng lên một tường chắn có neo bị ảnh hưởng bởi sức kháng cắt và trọng lượng thể tích của đất chống giữ, và nước ngầm Bởi vì các tường chắn neo thường được xây dựng từ trên xuống bằng đất tại hiện trường và các vật liệu đá.Tuy nhiên, khi thiết kế nên xem xét việc lắp đặt các tính năng thoát nước giữa mặt đất và bề mặt để giảm thiểu tải trọng nước thường xuyên trên tường chắn và để ngăn cản thấm không được kiểm soát thông qua mặt tường chắn Đối với các cọc neo, các ống thoát nước bằng vật liệu địa kỹ thuật tổng

hợp có thể được lắp đặt giữa mặt đất bề mặt để chắn và chuyển dòng thấm đến các

kết cấu điều khiển việc thoát nước

Ví d ụ tính toán 3: Thiết kế tường cọc neo theo hệ số tải trọng và sức kháng Yêu c ầu: Thiết kế một tường cọc ván có hệ neo theo hệ số tải trọng và sức kháng

Hình vẽ bên dưới là kích thước của tường cọc ván, trong đó một sự đào đắp là được yêu cầu đối với việc xây dựng một hầm đường bộ Độ sâu hố đào cuối cùng sẽ là 8 m

và hố đào này sẽ được chống bởi một cọc chống và tường gỗ chắn kết hợp hai mức neo Mực nước ngầm là ở dưới đáy của hố đào, và các tải trọng hoạt tải chất thêm (LS

= qs) trên đất đắp sau tường được áp dụng như trong hình

Hình 3.31 Sơ đồ của vấn đề ví dụ

x J= Trọng lượng thể tích của đất sau tường cọc ván (kN/m3)

x ps= Hoạt tải chất thêm (kPa)

x pa= Áp lực đất theo phương ngang (kPa)

x 'p= Áp lực đất theo phương ngang do hoạt tải (kPa)

9 Trong thời gian thăm dò dưới bề mặt, các đất móng bao gồm cát chặt hạt trung

nằm ở độ sâu 13 m dưới mặt đất, được cấu tạo bởi đá cứng, đá sa thạch Trong

việc thực hiện thiết kế tường chắn, chúng ta có thể giả định sau đây:

9 Các neo lấy được từ khả năng của chúng hoàn toàn trong cát chặt hạt trung

9 Chỉ khi kết thúc giai đoạn đào hố cần được kiểm tra cho vấn đề này (Lưu ý: đối

với một thiết kế hoàn chỉnh, mỗi giai đoạn của hố đào cần được kiểm tra chặt

chẽ)

9 Mực nước ngầm sẽ ở bên dưới bề mặt đá gốc

M ục tiêu: Để làm rõ các quy trình thiết kế tường chắn neo bằng hệ số tải trọng và sức

kháng theo tiêu chuẩn LRFD

Cách ti ếp cận: Để thực hiện việc thiết kế tường chắn neo, nên thực hiện các bước

sau đây:

™ Tính toán và lập bảng các tải trọng không hệ số và moment được yêu cầu đối

với thiết kế tại các trạng thái giới hạn sử dụng có thể được áp dụng

Po

Po

Po

™ Xác định và lập bảng các tải trọng không hệ số và những moment được yêu cầu đối với thiết kế tại các trạng thái giới hạn sử dụng có thể được áp dụng:

x Đánh giá các chuyển vị của tường chắn theo trạng thái giới hạn sử dụng I

x Đánh giá tính ổn định tổng thể của hố đào

x Đánh giá ứng suất trên hệ chống đỡ hố đào

x Đánh giá chiều dài vùng liên kết neo được yêu cầu

x Xác định mặt cắt cọc chống yêu cầu sử dụng các tải trọng không hệ số và các quy trình phân tích kết cấu đơn giản

x Xác định mặt cắt yêu cầu đối với tấm gỗ chắn

x Đánh giá tính ổn định theo phương thẳng đứng của tường chắn

Cách gi ải quyết vấn đề:

Bước 1: Tính toán các tải trọng

Bước đầu tiên trong việc xác định các điều kiện tải trọng là để đánh giá áp lực đất lên tường chắn Biểu đồ áp lực đất thể hiện trong hình 3.31 được chọn phù hợp với kiến nghị của Peck, et al (1974) và tiêu chuẩn AASHTO (1998) đối với hệ tường chắn có nhiều tầng khung chống/ hoặc neo trong đất rời

Hoạt tải của xe thiết kế là tải trọng phân bố đều= 12 kPa (tương đương lớp đất có chiều cao 0,63 m) Các giá trí áp lực đất và áp lực ngang tính toán do tải trọng phụ thêm do

hoạt tải của xe được theo các công thức dưới đây:

x Áp lực đất chưa nhân hệ số tải trọng (EH):

Các lực ngang chưa nhân hệ số sẽ được chống đỡ ở vị trí cao độ số I là tổng giá trị

của áp lực đất biểu kiến và áp lực ngang do tải trọng phụ thêm do hoạt tải xe từ mặt đất xuống đến độ sâu 3.5 m (zI= 3.5 m):

x Tải trọng ngang không có hệ số từ biểu đồ áp lực đất:

Lực ngang không hệ số được chống đỡ mức II là tổng của áp lực đất và áp lực do tải

trọng thêm do xe cộ từ độ sâu 3.5m đến độ sâu 6.5m (Z II 3.0m) được tính toán như sau:

x Tải trọng ngang không có hệ số từ biểu đồ áp lực đất:

Lực ngang không hệ số được chống đỡ tại đáy của tường chắn cho thiết kế của cọc

chống chôn sâu là tổng của áp lực đất đẩy ngang và áp lực đẩy ngang của tải trọng thêm do xe từ độ sâu 6,5 m đến chân của tường chắn (Z III 1.5m) như hình dưới đây:

x Tải trọng ngang không có hệ số từ biểu đồ áp lực đất: