Báo cáo tiểu luận môn học tường chắn đất thiết kế tường trọng lực

Eurocode 1 – Tác động lên kết cấu EN 1991: tiêu chuẩn này hướng dẫn sử dụng tác động trong thiết kế nhà và các công trình dân dụng khác, bao gồm những công trình liên quan đến đất nền..

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯỜNG CHẮN ĐẤT

Nhóm thực hiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

BỘ MÔN ĐỊA CƠ – NỀN MÓNG

Tháng 03.2016

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ EUROCODE 4

1.1 KẾT CẤU TIÊU CHUẨN EUROCODE 4

1.2 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN THIẾT KẾ THEO EUROCODE 5

1.2.1 Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) 5

1.2.2 Trạng thái giới hạn sử dụng(SLS) 9

1.3 TÁC ĐỘNG 10

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TIỆM CẬN 11

1.4.1 Phương pháp thiết kế tiệm cận 1 11

1.4.2 Phương pháp thiết kế tiệm cận 2 13

1.4.3 Phương pháp thiết kế tiệm cận 3 14

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TƯỜNG TRỌNG LỰC 15

2.1 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH ĐẤT NỀN (BEARING) 16

2.2 KIỂM TRA TRƯỢT (SLIDING) 17

2.3 KIỂM TRA LẬT (TOPPLING) 18

CHƯƠNG 3 BÀI TOÁN ÁP DỤNG 19

3.1 ĐỀ BÀI TOÁN 19

3.2 TÓM TẮT SỐ LIỆU 20

3.3 TÍNH TOÁN VÍ DỤ 20

3.3.1 Thiết kế tiệm cận 2 (DA2) 20

3.3.2 Thiết kế tiệm cận 3 (DA3) 25

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Các hệ số áp dụng cho thiết kế tiệm cận 1 12

Bảng 1-2 Các hệ số áp dụng cho thiết kế tiệm cận 2 13

Bảng 1-3 Các hệ số áp dụng cho thiết kế tiệm cận 3 14

Bảng 3-1 Tóm tắt thông số của tường chắn 20

Bảng 3-2 Tóm tắt thông số vật liệu 20

Bảng 3-3 Tóm tắt số liệu của hoạt tải 20

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Sơ đồ cấu trúc tiêu chuẩn Eurocode 5

Hình 1-2 Minh hoạ phá hoại do mất cân bằng tĩnh (EQU) 6

Hình 1-3 Lưu đồ kiểm tra cân bằng tĩnh (EQU) 6

Hình 1-4 Minh hoạ phá hoại trong kết cấu (STR) và đất (GEO) 6

Hình 1-5 Lưu đồ kiểm tra STR 7

Hình 1-6 Minh hoạ trường hợp cần kiểm tra đẩy nổi (UPL) 7

Hình 1-7 Minh hoạ trường hợp cần kiểm tra đẩy trồi do dòng thấm trong đất (HYD) 8

Hình 1-8 Các thành phần trong bài toán kiểm tra HYD 8

Hình 1-9 Lưu đồ kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) 9

Hình 1-10 Các loại tác động vào công trình 10

Hình 1-11 Lưu đồ kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế tiệm cận 1 – Tổ hợp 1 11

Hình 1-12 Lưu đồ kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế tiệm cận 1 – Tổ hợp 2 12

Hình 1-13 Lưu đồ kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế tiệm cận 2 13

Hình 1-14 Lưu đồ kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế tiệm cận 3 14

Hình 2-1 Áp lực đất tác dụng lên một tường chắn bằng bê tông có gia cường 15

Hình 2-2 Sức kháng nghiêng, kháng lệch tâm đối với tác động lên tường bê tông gia cố 16 Hình 2-3 Một số ví dụ về trạng thái tới hạn của tường trọng lực dạng chữ L và chữ T 18

Hình 3-1 Tường trọng lực dạng chữ T với đất đắp khô 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ EUROCODE

1.1 KẾT CẤU TIÊU CHUẨN EUROCODE

Bộ Eurocode gồm 10 tiêu chuẩn sử dụng thiết kế nhà và các công trình dân dụng khác

Bộ tiêu chuẩn này được chia thành 58 phần và các phụ lục kèm theo của các quốc gia sử dụng Eurocode Nội dung tổng quan về bộ Eurocode này như sau

Eurocode – Cơ sở thiết kế kết cấu (EN 1990): bao gồm những nguyên tắc và những

yêu cầu về sự an toàn, khả năng sử dụng và tuổi thọ của kết cấu; cung cấp những yêu cầu

cơ bản để thiết kế và kiểm tra; đưa ra những chỉ dẫn về độ tin cậy của công trình Eurocode 0 này là nền tảng cho toàn bộ Eurocode

Eurocode 1 – Tác động lên kết cấu (EN 1991): tiêu chuẩn này hướng dẫn sử dụng

tác động trong thiết kế nhà và các công trình dân dụng khác, bao gồm những công trình liên quan đến đất nền

Eurocode 2 – Thiết kế kết cấu bê tông (EN 1992): tiêu chuẩn này sử dụng để thiết

kế bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực cho công trình nhà và các công trình dân dụng khác

Eurocode 3 – Thiết kế kết cấu thép (EN 1993): tiêu chuẩn này sử dụng để thiết kế

các loại kết cấu thép trong các công trình nhà và công trình dân dụng khác

Eurocode 4 – Thiết kế kết cấu hỗn hợp bê tông và thép (EN 1994): tiêu chuẩn này

dùng để thiết kế hỗn hợp bê tông và thép của kết cấu hay bộ phận kết cấu công trình nhà

và các công trình xây dựng dân dụng khác

Eurocode 5 – thiết kế kết cấu gỗ (EN 1995): tiêu chuẩn này sử dụng để thiết kế kết

cấu gỗ và những sản phẩm được làm từ gỗ cho công trình nhà và các công trình xây dựng dân dụng khác

Eurocode 6 – Thiết kế kết cấu khối xây (EN 1996): thiết kế toàn bộ khối xây cho

kết cấu và các phần tử kết cấu của nhà và các công trình dân dụng khác

Eurocode 7 – Thiết kế địa kỹ thuật (EN 1997): bao gồm những yếu tố liên quan

đến đất nền khi thiết kế nhà và các công trình dân dụng

Eurocode 8 – Thiết kế kết cấu chịu động đất (EN 1998): dùng để thiết kế và thi

công các công trình nhà và công trình dân dụng khác trong vùng có động đất EN 1998 cung cấp thêm những qui tắc thiết kế nhằm hỗ trợ thêm những tiêu chuẩn về độ bền cho

bê tông, thép, và các loại vật liệu khác

Eurocode 9 – Thiết kế kết cấu nhôm (EN 1999): bao gồm việc thiết kế các bộ phận

kết cấu nhôm của nhà và các công trình dân dụng

Hình 1-1 Sơ đồ cấu trúc tiêu chuẩn Eurocode

1.2 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN THIẾT KẾ THEO EUROCODE

Thiết kế nhà và các công trình dân dụng theo Eurocode là thiết kế theo trạng thái

giới hạn, là sự tách biệt giữa thiết kế theo trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) và trạng thái

giới hạn sử dụng (SLS) Quan niệm nền tảng của trạng thái giới hạn là xác định hoặc là an

toàn (mức độ đủ an toàn, còn sử dụng được) hoặc là không an toàn (phá hoại, không còn

sử dụng được)

1.2.1 Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS)

Trạng thái giới hạn cực hạn liên quan đến sự sụp đổ và những hình thức phá hoại kết cấu tương tự khác, trạng thái này cũng liên quan đến độ an toàn của con người và của kết cấu

EN 1990 xác định ba loại trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) cần kiểm tra khi thiết

kế kết cấu, bao gồm: sự mất cân bằng của toàn bộ công trình, của đất nền khi giả định là cứng tổng thể (EQU); phá hoại do biến dạng dư, chuyển đổi cơ cấu làm việc của hệ kết cấu, đứt gãy, hoặc mất ổn định (STR) và phá hoại do mỏi hoặc hiệu ứng thời gian (hay hiện tượng lão hóa của vật liệu) (FAT) Đối với đất nền, trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) bao gồm: sự phá hoại hoặc biến dạng dư của đất nền (GEO), trong đó cường độ của đất hoặc đá đóng vai trò quan trọng để tạo ra độ bền; sự mất cân bằng của kết cấu hoặc của đất nền do đẩy nổi bởi áp lực nước hoặc những tác động theo phương đứng khác (UPL); hiện tượng đẩy trồi, ăn mòn nội tại và sự xói ngầm trong đất do gradient thủy lực (HYD)

Kiểm tra cân bằng tĩnh (EQU)

Hình 1-2 Minh hoạ phá hoại do mất cân bằng tĩnh (EQU)

Sự mất cân bằng tĩnh của kết cấu phụ thuộc vào tác động (bao gồm độ lớn và cách

thức phân bố), không phụ thuộc vào cường độ của vật liệu Trạng thái EQU sẽ không

xảy ra khi hệ quả tác động thiết kế gây mất cân bằng (mất ổn định tổng thể) Ed,dst nhỏ

hơn hoặc bằng hệ quả tác động thiết kế cân bằng (ổn định tổng thể) Ed,stb:

Hình 1-3 Lưu đồ kiểm tra cân bằng tĩnh (EQU)

Kiểm tra phá hoại trong đất (GEO) và trong kết cấu (STR)

Hình 1-4 Minh hoạ phá hoại trong kết cấu (STR) và đất (GEO)

Trạng thái giới hạn STR bao gồm phá hoại nội tại hay chuyển vị lớn của kết cấu

hoặc phần tử kết cấu, khi đó cường độ của vật liệu kết cấu đóng vai trò quan trọng để

chống lại STR Để trạng thái giới hạn STR không xảy ra thì hệ quả tác động thiết kế Ed phải nhỏ hơn hoặc bằng độ bền thiết kế tương ứng Rd:

Hình 1-5 Lưu đồ kiểm tra STR

Kiểm tra mỏi (FAT)

Đối với vật liệu, trạng thái giới hạn mỏi (FAT) là hiện tượng lão hóa và sự phá hoại kết cấu cục bộ xảy ra khi vật liệu chịu tải trọng lặp Trạng thái mỏi thường xảy ra đối với kết cấu đường, cầu hay công trình có độ mảnh lớn chịu tác động của tải gió

Kiểm tra đẩy nổi (UPL)

Hình 1-6 Minh hoạ trường hợp cần kiểm tra đẩy nổi (UPL)

Trạng thái giới hạn cực hạn UPL, do lực đẩy nổi liên quan đến tác động theo phương đứng, nên cần phải kiểm tra độ ổn định của kết cấu khi xảy ra hiện tượng này theo bất phương trình sau:

Lưu ý: Giá trị thiết kế phải áp dụng hệ số riêng từ giá trị đặc trưng, mà giá trị hệ số riêng lại khác nhau, tùy thuộc vào loại tác động và cường độ vật liệu, chẳng hạn hệ số

cho tĩnh tải gây ổn định là γG,stb = 0.9 Chính vì đều này mà khi thiết kế, chúng ta cần tách biệt giữa độ bền với tĩnh tải đứng gây ổn định kết cấu để có thể dễ dàng áp dụng hệ

số riêng cho phùhợp

Kiểm tra đẩy trồi do dòng thấm trong đất (HYD):

Hình 1-7 Minh hoạ trường hợp cần kiểm tra đẩy trồi do dòng thấm trong đất (HYD)

Hình 1-8 Các thành phần trong bài toán kiểm tra HYD

Trạng thái giới hạn cực hạn HYD bao gồm các hiện tượng như đẩy trồi thủy lực, ăn mòn nội tại và xóa ngầm trong đất do gradient thủy lực

Các thành phần lực và trọng lượng bản thân,lực dòng thấm gây mất ổn định cột đất

Sd,dst không được lớn hơn trọng lượng bản thân cột đất G’d,stb:

    

1.2.2 Trạng thái giới hạn sử dụng(SLS)

Trạng thái giới hạn sử dụng liên quan đến điều kiện sử dụng thông thường của công trình Đặc biệt, chúng liên quan đến công năng của công trình hoặc phần tử kết cấu,

mức độ tiện nghi cho người sử dụng và phương thức thi công

Kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng SLS bằng cách tính toán hệ số tác động thiết

kế Ed (như: biến dạng, lún lệch, dao động,…) và sau đó so sánh với các giá trị giới hạn

Cd

Hình 1-9 Lưu đồ kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng (SLS)

Lưu ý: Trong cùng một hiện tượng hay sự kiện xảy ra, người thiết kế phải kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng cho cấu kiện này và cũng phải kiểm tra trạng thái giới hạn cực hạn cho cấu kiện khác Chẳng hạn, khi xảy ra hiện tượng lún móng công trình khi vượt qua giới hạn cho phép, người thiết kế phải kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng cho kết cấu móng và cũng phải kiểm tra lại trạng thái giới hạn cực hạn cho kết cấu bên trên cũng như kết cấu móng bên dưới, bởi vì khi lún rất dễ gây ra nứt của phần tử kết cấu công trình

Q: hoạt tải biến thiên hoặc hoạt tải không thường xuyên gồm : hoạt tải trên sàn, gió, nhiệt do nắng tác động lên mặt trên và mặt ngoài công trình, hoạt tải trên mái, và Qk giá trị đặc trưng của hoạt tải biến thiên đã xử lý

lý; tai nạn sập một phần công trình, va chạm với phương tiện giao tông, đóng cọc gần, nổ gần, động đất,…

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TIỆM CẬN

Để đáp ứng cho các yêu cầu khác nhau, Eurocode 7 đưa ra 3 phương pháp thiết kế tiệm cận cho

Phương pháp thiết kế tiệm cận 1: được tiến hành tính toán song song hai tổ hợp hệ

số riêng phần cho hai biến (tải và sức chịu)

Phương pháp thiết kế tiệm cận 2 và 3 áp dụng hệ số riêng phần của hai biến trong một phép tính

1.4.1 Phương pháp thiết kế tiệm cận 1

Thiết kế theo tiệm cận 1 là kiểm tra độ tin cậy của nền đất theo 2 tổ hợp:

Tổ hợp 1: Chỉ áp dụng hệ số riêng phần cho tải trọng, còn sức kháng chịu và đặc trưng của đất nền không có hệ số

Các hệ số riêng sử dụng là A1, M1 và R1 hay A1‘+’M1‘+’R1, với ký hiệu ‘+’ là tổ hợp Trong đó, tất cả các hệ số riêng M1 và R1 đều bằng 1 và bỏ qua dung sai kích thước hình học (Δa=0)

Tổ hợp 2: Các hệ số riêng phần áp dụng cho sức kháng chịu, đặc trưng của đất nền và các tải biến đổi, còn tải trọng không biến đổi thì không gán hệ số riêng

Các hệ số riêng sử dụng là A2, M2 và R1 hay A2‘+’M2‘+’R1, với ký hiệu ‘+’ là tổ hợp Trong đó, tất cả các hệ số riêng R1 và A2 cho tải không biến đổi đều bằng 1 và bỏ qua dung sai kích thước hình học (Δa=0)

Hình 1-11 Lưu đồ kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế tiệm cận 1 – Tổ hợp 1

Hình 1-12 Lưu đồ kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế tiệm cận 1 – Tổ hợp 2

Bảng 1-1 Các hệ số áp dụng cho thiết kế tiệm cận 1

1.4.2 Phương pháp thiết kế tiệm cận 2

Thiết kế theo tiệm cận 2 là kiểm tra về độ tin cậy của nền đất bằng cách sử dụng hệ

số riêng phần cho tải trọng hoặc sự ảnh hưởng của tải trọng cũng như đối với sức kháng,

và không sử dụng hệ số cho các đặc trưng của đất nền Các hệ số riêng sử dụng là A1, M1

và R2 hay A1 ‘+’M1 ‘+’R2, với ký hiệu ‘+’ là tổ hợp.Trong đó, tất cả các hệ số riêng M1 đều bằng 1 và bỏ qua dung sai kích thước hình học (Δa = 0)

Hình 1-13 Lưu đồ kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế tiệm cận 2

Bảng 1-2 Các hệ số áp dụng cho thiết kế tiệm cận 2

1.4.3 Phương pháp thiết kế tiệm cận 3

Thiết kế theo tiệm cận 3 là kiểm tra khả năng hoạt động của nền bằng cách áp

dụng hệ số riêng phần cho các tải công trình và đặc trưng của đất nền, còn sức kháng chịu không có hệ số Phương pháp thiết kế 3 (DA 3) sử dụng các hệ số A1 (tác động kết

cấu) hoặc A2 (tác động đất nền), M2 và R3 hay tổ hợp (A1 hoặc A2) ‘+’ M2 ‘+’ R3, với

ký hiệu ‘+’ là tổ hợp Các hệ số cho độ bền R3 đều bằng 1.0, ngoại trừ độ bền chịu kéo cọc là 1.1 Bỏ qua dung sai kích thước hình học Δa (Δa=0)

Hình 1-14 Lưu đồ kiểm tra cường độ theo phương pháp thiết kế tiệm cận 3

Bảng 1-3 Các hệ số áp dụng cho thiết kế tiệm cận 3

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TƯỜNG TRỌNG LỰC

Hình dưới đây thể hiện những loại áp lực tác dụng lên tường trọng lực chữ T, giả định rằng có thêm 1 phụ tải q xuất hiện trên bề mặt và mực nước ngầm nằm trên cao độ hoàn thiện Giả thiết rằng chân tường đủ rộng để để vùng phá hủy theo Rakine nằm trong vùng đất đắp (backfill)

Hình 2-1 Áp lực đất tác dụng lên một tường chắn bằng bê tông có gia cường

Từ đó, tổng hợp áp lực đất và áp lực do nước thành 1 lực tập trung, tính toán như sau:

2.1 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH ĐẤT NỀN (BEARING)

Tải trọng thiết kế tác dụng lên phần nền dưới chân tường trọng lực được tính như sau:

G GK Q,i i QK,i

GK i

A’ là diện tích hữu hiệu của nền

Trọng lượng bản thân của tường chắn là tổng trọng lượng các phần bao gồm phần

Wbackfill) Trong việc kiểm tra về khả năng chịu lực của đất nền (Bearing), những tải trọng này đều thuộc nhóm tải trọng bất lợi nên nó sẽ được nhân với hệ số bất lợi tương ứng

Hình 2-2 Sức kháng nghiêng, kháng lệch tâm đối với tác động lên tường bê tông gia cố

Sức chịu tải của đất nền trong đa số các trường hợp đơn giản chỉ là lực thẳng đứng, tuy nhiên đối với bài toán tường chắn, lực này là lực xiên do sự tổng hợp từ áp lực ngang

năng chịu tải đất nền và phần tính toán cũng sẽ phức tạp hơn các bài toán thông thường, điều này sẽ được trình bày rõ hơn trong ví dụ

2.2 KIỂM TRA TRƯỢT (SLIDING)

Eurocode 7 yêu cầu tải trọng ngang tác dụng lên mặt tường ảo phải nhỏ hơn hoặc bằng tổng sức kháng tải trọng ngang của đất nền phía dưới đáy tường chắn và áp lực đất bị động

gG,fav và gG là hệ số tải trọng có lợi và bất lợi

Trong công thức này, trọng lượng bản thân tường lại được xem là tải trọng có lợi vì

độ lớn của nó làm tăng khả năng chống trượt Ngược lại, áp lực nước đẩy nổi được xem là bất lợi vì nó làm giảm khả năng chống trượt của tường chắn

Công thức tính sức chống trượt trên, nếu được viết lại dưới dạng việc sử dụng trọng lượng riêng đẩy nổi sẽ là:

trọng lượng bản thân tường chắn và điều này sẽ làm cho sức chống trượt của đất được đánh giá cao hơn khả năng thực tế của nó Chính vì vậy, việc sử dụng trọng lượng riêng đẩy nổi theo cách truyền thống được khuyến cáo không nên áp dụng cho tính toán kiểm tra trượt trong bài toán tường trọng lực

Tác dụng của phần phụ tải không được xét tới cho việc tính toán khả năng chống trượt, vì đây là tải trọng không cố định nên thiên về an toàn, ta không xét đến nó