“Nghiên cứu ứng dụng của neo trong đất có hiệu quả trong các công trình xây dựng

Ứng dụng neo trong đất trong thi công xây dựng sẽ có nhiều hiệu quả, nó có tác dụng làm ổn định kết cấu chống lại sự chuyển vị quá mức của kết cấu xây dựng bằng việc ứng dụng thanh neo h

LỜI CẢM ƠN

Trong khuôn khổ hạn chế của luận văn, với những kết quả còn rất khiêm tốn trong việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng của neo trong đất có hiệu quả trong các công trình xây dựng”, tác giả luận văn hy vọng đóng góp một phần nhỏ

bé phục vụ thực tế cho lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế và thi công xây dựng các công trình có hố móng sâu đang phát triển mạnh mẽ ở nước ta

Tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo - TS Lê Xuân Khâm đã tận tình giúp đỡ, cho nhiều nhận xét, cách tiếp cận những kiến thức mới

và hướng giải quyết để hoàn thiện luận văn

Xin cảm ơn đến Văn phòng Việt Nam của công ty Samwoo Geotech (Hàn Quốc), chuyên về công nghệ neo đất, đã cung cấp cho tôi nhiều tài liệu quý giá về neo trong đất

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong Bộ môn thuỷ công, thi công, cơ học đất, Khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện thuỷ điện và Năng lượng tái tạo - Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về các tài liệu, thông tin khoa học kỹ thuật và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bài luận văn

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn

Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành Tác giả mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển và nghiên cứu sâu hơn góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất

Hà nội, 28 tháng 05 năm 2011

Tác giả

Lưu Mạnh Quảng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết và ý nghĩa thực của đề tài 8

2 Mục tiêu của luận văn 9

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 9

4 Nội dung của luận văn 9

5 Những đóng góp của luận văn 9

CHƯƠNG 1 NEO TRONG ĐẤT VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯỜNG NEO 10

1.1 Neo trong đất (Ground Anchor) 10

1.1.1 Lịch sử phát triển của neo trong đất 10

1.1.2 Phân loại neo trong đất 11

1.1.3 Cấu tạo của neo trong đất 14

1.1.4 Ứng dụng của neo trong đất 17

1.2 Các hệ thống tường neo 21

1.2.1 Tổng quan 21

1.2.2 Tường cọc chống đứng và ván lát ngang 23

1.2.3 Tường neo cọc ván thép 25

1.2.4 Tường cọc bê tông đổ tại chỗ .26

1.2.5 Tường cọc đất xi măng trộn sâu 28

1.2.6 Tường cừ bê tông cốt thép trong đất 29

1.3 Kết luận chương 1 30

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG NEO 31

2.1 Áp lực đất 31

2.1.1 Tổng quát 31

2.1.2 Các loại áp lực đất và điều kiện sản sinh ra chúng 31

2.1.3 Áp lực đất ở trạng thái ngưng 38

2.1.4 Ảnh hưởng chuyển vị của tường đến áp lực đất 40

2.2 Thiết kế tường neo 43

2.2.1 Tính toán áp lực đất 43

2.2.2 Thiết kế neo trong đất 47

2.2.3 Các phương pháp tính toán tường neo 53

2.3 Phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis .57

2.3.1 Tổng quát 57

2.3.2 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Plaxis .58

2.3.3 Các mô hình đất trong phần mềm Plaxis 62

2.4 Kết luận chương 2 66

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỢP LÝ CỦA NEO TRONG ĐẤT DỰ ÁN TRẠM XỬ LÝ NƯỚC SẠCH CIPUCHA 68

3.1 Giới thiệu dự án 68

3.1.1 Vị trí dự án 68

3.1.2 Số liệu tính toán đầu vào 69

3.1.3 Kết quả tính toán của Samwoo Geotech Korea 71

3.1.4 Nhận xét kết quả tính toán và hướng nghiên cứu tiếp theo 72

3.2 Mô hình tính toán bằng phần mềm PTHH Plaxis 72

3.2.1 Giới thiệu chương trình tính toán Plaxis 72

3.2.2 Mô hình bài toán 73

3.2.3 Bài toán 1: Xác định góc nghiêng hợp lý của neo so với phương ngang 76 3.2.4 Bài toán 2: So sánh trường hợp tường không bố trí và có bố trí neo 78

3.2.5 Bài toán 3: Tìm khoảng cách bố trí hợp lý của các hang neo 83

3.2.6 Bài toán 4: Khoảng cách hợp lý của neo khi lực neo thay đổi 89

3.3 Kết luận chương 3 95

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

4.1 Kết luận 96

4.2 Kiến nghị 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

Tiếng Việt 98

Tiếng Anh 99

PHỤ LỤC 100

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phân loại neo trong đất 11

Hình 1.2 Phân loại neo theo phương thức liên kết với đất nền 12

Hình 1.3 Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực kéo .12

Hình 1.4 Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực nén tập trung 13

Hình 1.5 Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực nén phân bố .14

Hình 1.6 Mặt cắt ngang điển hình của neo trong đất .15

Hình 1.7 Cáp dự ứng lực sử dụng cho neo trong đất 16

Hình 1.8 Bố trí cử định vị và miếng định tâm 16

Hình 1.9 Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào 17

Hình 1.10 Neo ổn định tường chắn khi đào đất 18

Hình 1.11 Hệ shoring chống đỡ hố đào thi công tầng hầm toà nhà Bảo Gia Đường Lê Đại Hành, quận 10, Tp HCM 18

Hình 1.12 So sánh tường trọng lực và tường neo khi thi công đường đào 19

Hình 1.13 Ứng dụng neo trong đất ổn định mái dốc và chống sạt lở .20

Hình 1.14 Ứng dụng neo trong đất, khối bê tông chống sạt lở 20

Hình 1.15 Ứng dụng neo trong đất chống tải trọng nâng và ổn định kết cấu .21

Hình 1.16 Neo chống lực đẩy nổi 21

Hình 1.17 Năm loại tường cừ chống giữ hố đào thông dụng [16] 23

Hình 1.18 Tường neo cọc chống và ván lát ngang .24

Hình 1.19 Tiết diện ngang liên hợp và hình ống của cọc chống 24

Hình 1.20 Ván lát ngang bằng gỗ và bê tông phun 25

Hình 1.21 Hệ thống tường neo cọc ván thép 25

Hình 1.22 Tường neo cọc ván thép 26

Hình 1.23 Tường gồm các cọc bê tông cốt thép liền kề 27

Hình 1.24 Tường gồm các cọc bê tông cài vào nhau 27

Hình 1.25 Tường neo cọc đất xi-măng trộn sâu .28

Hình 1.26 Chu kỳ thi công tường cọc đất-xi măng trộn sâu [14] 29

Hình 1.27 Mặt cắt ngang điển hình của tường cọc đất-xi măng trộn sâu [14] 29

Hình 1.28 Tường cừ bê tông cốt thép trong đất [19] .30

Hình 2.1 Kết quả thí nghiệm mô hình tường chắn đất Terzaghi [2] .32

Hình 2.2 Phương ứng suất chính lớn nhất và vòng tròn Mohr [2] 33

Hình 2.3 Sơ đồ tính toán áp lực chủ động và điểm đặt theo Rankine [2] .33

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán áp lực bị động và điểm đặt theo Rankine [2] 35

Hình 2.5 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất rời theo Coulomb 36

Hình 2.6 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất dính theo Coulomb .37

Hình 2.7 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất theo đồ giải [2] 37

Hình 2.8 Sơ đồ tính áp lực bị động theo Coulomb 38

Hình 2.9 Tính áp lực đất ngưng khi mặt đất ngang, lưng tường đứng [2] .39

Hình 2.10 Lưng tường chắn và mặt đất đắp nghiêng [2] .39

Hình 2.11 Mặt cắt của mô hình tường neo 40

Hình 2.12 Chuyển vị ngang và áp lực đất khi đào đến cao độ tầng neo đầu tiên 41

Hình 2.13 Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi truyền lực cho neo 41

Hình 2.14 Chuyển vị và áp lực đất khi đào đến tầng neo bên dưới 42

Hình 2.15 Chuyển vị và áp lực đất khi đào đến cao độ thiết kế 43

Hình 2.16 Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck 44

Hình 2.17 Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất cát .45

Hình 2.18 Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng 46 Hình 2.19 Sơ đồ tính toán nguyên tắc thiết kế neo [8] .48

Hình 2.20 Phân tích thành phần lực đối với đất rời và đất dính [8] 48

Hình 2.21 Tính toán lực neo cho tường một tầng neo 49

Hình 2.22 Tính toán lực neo cho tường có nhiều tầng neo 49

Hình 2.23 Khoảng cách yêu cầu của neo theo phương đứng và phương ngang 53

Hình 2.24 Phương pháp dầm tương đương tựa trên gối cứng 54

Hình 2.25 Phương pháp dầm tựa trên nền đàn hồi (WINKLER) .55

Hình 2.26 Mối quan hệ tuyến tính ứng suất-biến dạng 56

Hình 2.27 Mối quan hệ phi tuyến ứng suất-biến dạng 57

Hình 2.28 Mặt chảy dẻo Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính 63

Hình 2.29 Quan hệ ứng suất-biến dạng đàn dẻo lý tưởng .65

Hình 2.30 Quan hệ hyperbol giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm 3 trục chuẩn có thoát nước .65

Hình 2.31 Mặt chảy dẻo của mô hình HS trong mặt phẳng p-q 66

Hình 2.32 Các đường đồng mức chảy dẻo của mô hình HS trong không gian ứng suất chính 66

Hình 3.1 Mặt cắt hố móng trạm bơm xử lý nước sạch Cipucha 68

Hình 3.2 Kỹ thuật thi công và bảo vệ hố móng bằng neo đất dự ứng lực 69

Hình 3.3 Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường của tư vấn Samwoo Geotech Korea 71

Hình 3.4a Mặt cắt ngang hố móng công trình 73

Hình 3.4 Giai đoạn 1 – Đào đất đến tầng neo đầu tiên 74

Hình 3.5 Giai đoạn 2 – Truyền lực cho tầng neo đầu tiên 75

Hình 3.6 Giai đoạn 3 – Đào đất đến tầng neo thứ 2 75

Hình 3.7 Giai đoạn 4 – Truyền lực cho tầng neo thứ 2 76

Hình 3.8 Giai đoạn 5 – Đào đất đến cao độ thiết kế 76

Hình 3.9 Hệ số ổn định tổng thể của tường neo (α = 15o) 77

Hình 3.10 Mô hình tính toán cho trường hợp tường không có neo và có neo 78

Hình 3.11 Biểu đồ chuyển vị ngang của tường 79

Hình 3.12 So sánh chuyển vị ngang dọc theo chiều sâu tường .79

Hình 3.13 Biểu đồ mô men uốn của tường 80

Hình 3.14 So sánh mô men uốn dọc theo chiều sâu tường 80

Hình 3.15 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng 81

Hình 3.16 Biểu đồ τ -σ và đường bao phá hoại Mohr-Coulomb 81

Hình 3.17 Các điểm chảy dẻo ứng với trường hợp tường không có neo 82

Hình 3.18 Các điểm chảy dẻo ứng với trường hợp tường có bố trí neo 82

Hình 3.19 Sơ đồ tính toán khi thay đổi khoảng cách bố trí hai hang neo 84

Hình 3.20 Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 1 .84

Hình 3.21 đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 2 85

Hình 3.22 Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 3 .85

Hình 3.23 Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 4 .86

Hình 3.24 Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 5 .86

Hình 3.25 Biểu đồ quan hệ Mmax (kNm/m) và khoảng cách neo x(m) .87

Hình 3.26 Biểu đồ quan hệ chuyển vị max sh(mm) và khoảng cách neo x(m) 88

Hình 3.27 Biểu đồ Mmax ∼ x với các giá trị lực neo khác nhau .90

Hình 3.28 Biểu đồ quan hệ Uhmax ∼ x với các giá trị lực neo khác nhau .90

Hình 3.29 Biểu đồ mô men ở giai đoạn 5 91

Hình 3.30 Biểu đồ chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 5 91

Hình 3.31 Biểu đồ mô men trường hợp x=6.6m, F1=200kN/m, F2=500kN/m 92

Hình 3.32 Biểu đồ chuyển vị ngang với x=6.6m, F1=200kN/m, F2=500kN/m 92

Hình 3.33 Biểu đồ áp lực đất tác dụng lên tường .93

Hình 3.34 Biểu đồ chuyển vị ngang của tường 93

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại tường neo theo US Army Corps of Engineering [22] .22

Bảng 2.1 Giá trị tải trọng cuối cùng truyền vào đất cho việc thiết kế sơ bộ neo trong đất đường kính nhỏ [21] 52

Bảng 3.1 Các thuộc tính của các lớp đất cho mô hình Plaxis 69

Bảng 3.2 Các đặc trưng của tường vây 70

Bảng 3.3 Các đặc trưng của đoạn chiều dài không liên kết 71

Bảng 3.4 Các đặc trưng của đoạn chiều dài liên kết 71

Bảng 3.5 Hệ số an toàn Msf ứng với các góc nghiêng của neo 77

Bảng 3.6 Ứng suất và chuyển vị của những điểm chọn trong mô hình 83

Bảng 3.7 khoảng cách bố trí giữa hai hàng neo 84

Bảng 3.8 Mô men uốn và chuyển vị ngang lớn nhất ứng với các khoảng cách neo 87 Bảng 3.9 Giá trị lực F1, F2 (KN/m) cho mô hình tính toán 89

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết và ý nghĩa thực của đề tài

Trong giai đoan phát triển kinh tế - xã hội thời kỳ hội nhập, Việt Nam đang

và sẽ đầu tư nhiều cơ sở hạ tầng mới như: đường giao thông, đường hầm, bãi đổ xe ngầm, các công trình ngầm nhằm tận dụng không gian ngầm Những công trình này thường có mái dốc lớn hoặc hố móng sâu, do các điều kiện về mật độ, giá thành không cho phép mở rộng mái dốc và mở rộng hố móng Khi đó, sử dụng các công nghệ xây dựng mới cũng sẽ được ứng dụng nhiều hơn trong thiết kế và thi công Ứng dụng neo trong đất trong thi công xây dựng sẽ có nhiều hiệu quả, nó có tác dụng làm ổn định kết cấu chống lại sự chuyển vị quá mức của kết cấu xây dựng bằng việc ứng dụng thanh neo hoặc cáp dự ứng lực được cố định một đầu vào trong lòng đất đá và được căng kéo để tạo ra tải trọng neo Neo trong đất thường được sử dụng trong việc ổn định tường chắn đất, ổn định mái dốc và chống sạt lở, ổn định kết cấu chịu lực đẩy nổi, ổn định chống lật cho kết cấu đập, ổn định mố trụ cầu dây văng, ổn định và tăng khả năng làm việc của hầm

Tuy nhiên để neo trong đất nói chung và hệ thống tường neo được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam, góp phần làm đa dạng các phương pháp thi công công trình xây dựng trong nước, vì vậy phải nghiên cứu lý thuyết tính toán, cũng như nghiên cứu các giải pháp sử dụng neo trong đất để có hiệu quả trong đó có yếu tố khoảng cách bố trí hợp lý của neo cho hệ thống tường vây giữ ổn định hố đào Sau khi nghiên cứu lý thuyết về neo trong đất và hệ thống tường neo, áp dụng tính toán theo theo phương pháp phần tử hữu hạn cho mô hình có xét đến sự làm việc đồng thời của tường vây và neo trong đất đối với hố móng đào sâu, phân tích bằng phần mềm tính toán Plaxis 8.2

Kết quả phân tích cho thấy nếu bố trí khoảng cách neo hợp lý sẽ giảm mô men uốn lớn nhất và chuyển vị ngang lớn nhất trong tường vây Khi khoảng cách neo quá xa hoặc quá gần đều làm tăng mô men uốn và chuyển vị ngang của tường Ảnh hưởng của lực neo đến nội lực và chuyển vị của tường cũng xét đến trong đề tài Lực neo lớn sẽ gây mô men uốn lớn trong tường, nhưng chuyển vị ngang sẽ giảm Ngược lại, lực neo nhỏ sẽ gây mô men uốn nhỏ trong tường, nhưng chuyển vị ngang của tường lại lớn

Vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng của neo trong đất có hiệu quả trong các

công trình xây dựng” là hết sức cần thiết, có ý nghĩa đối với khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu của luận văn

Nghiên cứu cấu tạo và các ứng dụng của neo trong đất (Ground anchor)

Nghiên cứu lý thuyết tính toán neo trong đất và hệ thống tường neo chắn đất Nghiên cứu tính toán tối ưu góc nghiêng so với phương ngang, khoảng cách,

độ lớn lực hợp lý của các hàng neo cáp dự ứng lực cho hệ thống tường vây Trường hợp nghiên cứu được cụ thể hoá cho dự án “Trạm xử lý nước sạch Cipucha - Nam Thăng Long TP Hà Nội”

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Tổng hợp tài liệu nghiên cứu, giáo trình, quy phạm đã có ở trong và ngoài nước Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình tính toán có xét đến sự làm việc đồng thời của hệ tường vây và neo trong đất đối với hố móng đào sâu, với

sự hỗ trợ của phần mềm địa kỹ thuật Plaxis để phân tích kết quả

4 Nội dung của luận văn

Ngoài phần mở đầu, luận văn gồm bốn chương cụ thể như sau:

Chương I: Neo trong đất và các hệ thống tường neo

Nội dung của chương này được đề cập về lịch sử phát triển của neo, phân loại, cấu tạo, ứng dụng của neo trong đất Nghiên cứu về các hệ thống tường neo

Chương II: Cơ sở lý thuyết tính toán tường neo

Nội dung của chương này được đề cập về tổng quan về áp lực đất, các lý thuyết về áp lực chủ động và áp lực bị động Nghiên cứu thiết kế tường neo và thiết

kế neo trong đất và phương pháp tính

Chương III: Nghiên cứu ứng dụng bố trí hợp lý của neo đất có hiệu quả

Nội dung của chương này được đề cập đến cụ thể hoá áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình tính toán, với sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis để phân tích kết quả Áp dụng cho dự án “Trạm xử lý nước sạch Cipucha - Nam Thăng Long TP Hà Nội”

Chương IV: Kết luận và kiến nghị

5 Những đóng góp của luận văn

Tối ưu các yếu tố góc nghiêng, khoảng cách neo và lực neo để giảm giá trị

mô men uốn và chuyển vị ngang của tường, tăng khả năng ổn định của tường chắn trong quá trình thi công cũng như vận hành và giảm giá thành xây dựng công trình

CHƯƠNG 1 NEO TRONG ĐẤT VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯỜNG NEO

1.1 Neo trong đất (Ground Anchor)

1.1.1 Lịch sử phát triển của neo trong đất

Neo trong đất là hệ thống làm ổn định kết cấu, chống lại dịch chuyển quá mức của kết cấu bằng cách tạo ra ứng suất trước truyền vào trong đất đá Định nghĩa của Littlejohn: “Neo trong đất là thiết bị có khả năng truyền tải trọng kéo vào các lớp địa tầng”

Neo trong đất được sử dụng trong xây dựng tường chắn và kết cấu chống lại

áp lực đẩy nổi của nước từ thế kỷ thứ 19 Neo trong đất được sử dụng ở đập Cheurfas, Algeria để neo hồ chứa nước vào năm 1938 Sau chiến tranh Thế Giới thứ 2, neo trong đất được ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực: ổn định mái đào, ổn định mái dốc và chống sạt lở, gia cố đập… Châu Âu đi đầu trong các ứng dụng neo trong đất Vào những năm 1950, neo Bauer sử dụng tao cáp cường độ cao trong lỗ khoan có đường kính nhỏ đã được giới thiệu ở Đức Tiếp theo là Úc

và Thụy Sĩ đã sử dụng neo trong đất cho rất nhiều công trình xây dựng

Vào thập niên 1970, neo trong đất đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Hoa Kỳ sử dụng neo trong đất cho hệ thống chống tạm phục vụ công tác đào đất và dần dần phát triển ứng dụng cho các kết cấu vĩnh cửu

Ở Việt Nam, công trình đầu tiên sử dụng kỹ thuật neo trong đất đã được Bachy Soletanche Vietnam thực hiện thành công ở Toà tháp VietcomBank tại 184 Trần Quang Khải, Hà Nội vào năm 1997 Tường vây sử dụng neo trong đất được sử dụng để thi công 3 tầng hầm dự án Trung tâm điều hành và Thông tin viễn thông Điện lực Việt Nam có diện tích 14.000 m2 tại số 11 phố Cửa Bắc, TP Hà Nội vào năm 2008 Tòa tháp Keangnam Landmark Tower cao nhất Việt Nam, tại Lô 6 đường Phạm Hùng, Hà Nội, do Samwoo Geotech thi công từ tháng 5/2008, tường

bê tông cốt thép liên tục trong đất dày 80cm và hai tầng neo trong đất có sức chịu tải từ 35-40 tấn được sử dụng để thi công 2 tầng hầm của tòa tháp này Cọc đất-xi măng trộn sâu được xem xét thiết kế làm giải pháp ổn định hố đào (kết hợp một phần với neo DƯL trong đất) cho 2 tầng hầm của chung cư cao tầng Thương mại - Dịch vụ LUGIACO ở số 70 đường Lữ Gia, P.15 quận 11, thành phố Hồ Chí Minh

1.1.2 Phân loại neo trong đất

1.1.2.1 Tổng quan

Neo trong đất có thể phân loại dựa theo cách liên kết với đất nền, cách lắp đặt, phương pháp phun vữa, công dụng, phương pháp căng kéo (hình 1.1) Theo mục đích sử dụng, neo được chia thành neo tạm thời và neo cố định Neo tạm thời

là loại neo có thể tháo ra sau khi kết cấu có khả năng chịu lực Neo cố định sử dụng lâu hơn tuỳ vào thời gian tồn tại của công trình, nó tham gia chịu lực chung với kết cấu công trình

Neo cũng được phân chia theo cách thức mà neo được đỡ bởi lực ma sát giữa lớp vữa và đất (hình 1.2)

Hình 1.1 Phân loại neo trong đất

1.1.2.2 Neo tạo lực kéo

Nhược điểm của neo tạo lực kéo là gây nên vết nứt trong lớp vữa bảo vệ và mất tải trọng do từ biến Do đó, trong biểu đồ phân bố ma sát (hình 1.3a), đường phân bố ma sát ban đầu là đường cong (1) Khi tải trọng tác dụng đường cong (1)

sẽ bị thay đổi thành đường cong (3)

Hình 1.2 Phân loại neo theo phương thức liên kết với đất nền

Theo biểu đồ thay đổi tải trọng, đường cong tải trọng mong muốn là đường (1), nhưng thực sự, khi tải trọng tập trung hình quạt vượt quá lực kéo cho phép của đất, đường cong bị mất tải trọng Nguyên nhân là sự giảm ma sát do tải trọng tập trung

Hình 1.3 Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát

của neo tạo lực kéo

1.1.2.3 Neo tạo lực nén tập trung

Neo tạo lực nén tập trung sử dụng các tao cáp dự ứng lực được bọc bằng ống PE, tạo lực nén lên vữa bằng cách gắn chặt cáp vào đối trọng ma sát riêng Tải trọng giảm do từ biến nhỏ hơn so với neo tạo lực kéo, nhưng phải sử dụng vữa có cường độ lớn hơn Nhược điểm là không tạo được lực neo cần thiết trong đất yếu Khi lực nén tác dụng lên vữa, tải trọng tập trung được tạo ra ở phần cuối của vữa có thể làm vỡ lớp vữa

Neo tạo lực nén tập trung cũng có sự giảm tải trọng như thể hiện trên biểu

đồ thay đổi tải trọng hình 1.4 Nguyên nhân làm giảm tải trọng đột ngột phụ thuộc vào sự phá hoại do tải trọng nén

Hình 1.4 Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát

của neo tạo lực nén tập trung

1.1.2.4 Neo tạo lực nén phân bố

Để khắc phục những nhược điểm của dạng neo tạo lực kéo và neo tạo lực nén tập trung, tải trọng tập trung quá giới hạn không được xuất hiện ở trong đất

và khối vữa, sử dụng cáp bọc ống PE mà không tạo ra giới hạn cho chiều dài tự do của neo và phân bố lực neo vào trong đất dễ dàng Để đạt được điều đó, dạng neo tạo lực nén phân bố được phát triển và sử dụng Trong trường hợp này, tải

trọng truyền dọc theo chiều dài neo, ít ảnh hưởng đến cường độ vữa, và đảm bảo lực neo cần thiết trong đất yếu Loại này có thể tạo được tải trọng rất lớn trong các loại đất thông thường và đất cát cũng như trong đá Sử dụng loại neo này có tỷ lệ mất mát ứng suất nhỏ và giữ được tải trọng theo thời gian

Hình 1.5 Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát

của neo tạo lực nén phân bố

1.1.3 Cấu tạo của neo trong đất

Hình 1.6 thể hiện cấu tạo của neo trong đất Đoạn chiều dài không liên kết (unbonded length) là đoạn chiều dài tự do, không liên kết với vữa Chiều dài này có tác dụng truyền tải trọng từ đầu neo cho đoạn chiều dài liên kết với vữa Đoạn chiều dài không liên kết phải đủ lớn để nằm ngoài phạm vi mặt trượt giới hạn

Đoạn chiều dài kiên kết với vữa (Bonded length) được bao bọc bằng vữa và truyền tải trọng từ neo vào đất đá xung quanh Đoạn chiều dài liên kết có chiều dài trung bình từ 3.0m đến 10.0m [21]

Hình 1.6 Mặt cắt ngang điển hình của neo trong đất

1.1.3.1 Thanh thép và bó cáp

Cả thép thanh và cáp dự ứng lực đều có thể được sử dụng làm neo trong đất Các qui định về thanh thép và cáp dự ứng lực tuân theo tiêu chuẩn ASTM A722 và ASTM A416 Các thanh thép thường có các đường kính 26mm, 32mm, 36mm, 45mm, 64mm và chiều dài 1 thanh khoảng 18m Tải trọng thiết kế của neo xấp xỉ 650÷1000 kN ứng với thanh có đường kính 64mm Với các neo có chiều dài lớn hơn 18m, có thể sử dụng hộp nối để nối các thanh thép khi cần để đạt chiều dài yêu cầu So với các tao cáp dự ứng lực, thép thanh dễ tạo ứng suất và có thể điều chỉnh được tải trọng sau khi lắp đặt

Hình 1.7 Cáp dự ứng lực sử dụng cho neo trong đất

Các bó cáp DUL thường bao gồm nhiều tao cáp 7 sợi xoắn Các tao cáp có đường kính 12.7mm hoặc 15.2mm Neo sử dụng các tao cáp dự ứng lực không có giới hạn về chiều dài và tải trọng Các tao cáp có độ tự chùng thấp được sử dụng để giảm mất mát do cốt thép tự chùng

1.1.3.2 Cử định vị và miếng định tâm (Spacer and Centralizer)

Cử định vị và miếng định tâm thường đặt cách khoảng 3m dọc theo chiều dài đoạn liên kết của neo với vữa Với các bó cáp dự ứng lực, miếng định tâm có tác dụng giữ cho khoảng cách tối thiểu giữa các tao cáp từ 6mm đến 13mm và chiều dày bao bọc tối thiểu của vữa là 13mm [21] Hình 1.8 thể hiện mặt cắt ngang của neo trong đất bằng cáp dự ứng lực

Hình 1.8 Bố trí cử định vị và miếng định tâm

1.1.3.3 Vữa epoxy lấp đầy khoảng trống các tao cáp

Vữa epoxy lấp đầy khoảng trống giữa các tao cáp tạo ra lớp bảo vệ chống ăn mòn cho đoạn neo Vữa epoxy ngăn không cho nước đi vào khoảng trống giữa các tao cáp và ăn mòn thép

1.1.3.4 Vữa ximăng

Neo trong đất thường sử dụng vữa nguyên chất (vữa không có cấp phối) tuân theo tiêu chuẩn ASTM C150 Loại vữa xi măng cát cũng có thể sử dụng cho các lỗ khoan có đường kính lớn Máy trộn vữa tốc độ cao thường được sử dụng để đảm bảo sự đồng nhất giữa vữa và nước Tỷ lệ theo khối lượng nước/xi măng (w/c) trong khoảng từ 0.40 đến 0.55 Xi măng loại I thường được sử dụng với cường độ nhỏ nhất vào thời điểm tạo ứng suất là 21MPa Tuỳ vào đặc điểm của công trình, các phụ gia có thể được

sử dụng để tăng độ sụt cho vữa Các chất phụ gia không yêu cầu sử dụng, nhưng hiệu quả hơn nếu sử dụng phụ gia siêu dẻo khi bơm vữa ở nhiệt độ cao và chiều dài bơm lớn

1.1.4 Ứng dụng của neo trong đất

1.1.4.1 Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào

Hình 1.9 Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào

Neo trong đất kết hợp với tường chắn bằng cọc chống và ván lát ngang hoặc bê tông phun, tường bê tông cốt thép, tường vây cọc ván… tạo thành hệ thống tường chắn

ổn định mái đất phục vụ công tác đào đất thi công các công trình: tầng hầm các toà nhà,

bể nước ngầm, nhà ga tàu điện ngầm đặt trong lòng đất, bãi đỗ xe ngầm….Ưu điểm của

hệ thống này là không chiếm mặt bằng thi công, thời gian thi công nhanh, giá thành thấp

hơn so với chống đỡ bằng hệ thống thanh chống và dầm giằng bằng thép truyền thống

Hình 1.10 Neo ổn định tường chắn khi đào đất

Hình 1.11 Hệ shoring chống đỡ hố đào thi công tầng hầm toà nhà Bảo Gia

Đường Lê Đại Hành, quận 10, Tp HCM

1.1.4.2 Ổn định tường chắn khi thi công đường đào

Hệ thống tường neo thường được sử dụng để ổn định mái dốc cho thi công đào đường qua vách núi có mái dốc lớn, mở rộng lòng đường…

Hình 1.12 minh hoạ sự so sánh giữa tường trọng lực thông thường và hệ thống tường neo cố định cho việc xây dựng đường đào Tường trọng lực có giá thành cao hơn

vì đòi hỏi cần kết cấu chống tạm để đào đất, phải lấp đất lại, và có khi cần sử dụng móng cọc sâu Hệ thống tường neo trong đất còn sử dụng cho việc xây dựng các mố cầu mới, chống sự sạt lở đất đấp cho mố cầu cũ

Hình 1.12 So sánh tường trọng lực và tường neo khi thi

công đường đào

1.1.4.3 Ổn định và chống sạt lở mái dốc

Neo trong đất thường được sử dụng kết hợp với tường, dầm ngang, khối bê tông

để ổn định mái dốc và chống sạt lở Neo trong đất cho phép đào sâu để xây dựng các

đường cao tốc mới (hình 1.13a) Neo trong đất còn sử dụng để ổn định các khối đất đá phía trên mái dốc và ổn định mặt trượt (hình 1.13b) Các dầm ngang và khối bê tông được sử dụng để truyền tải trọng từ neo vào đất tại bề mặt mái dốc để giữ ổn định mái dốc ngay vị trí đào Việc lựa chọn sử dụng dầm ngang hay các khối bê tông phụ thuộc các điều kiện kinh tế, mỹ quan, duy tu bảo dưỡng trong quá trình khai thác sử dụng

Hình 1.13 Ứng dụng neo trong đất ổn định mái dốc và chống sạt lở

1.1.4.4 Ổn định kết cấu

Các neo cố định thường được sử dụng để chống lại lực đẩy nổi lên Lực đẩy nổi được tạo ra do áp lực thuỷ tĩnh hay do kết cấu mất ổn định và bị lật đổ Các kết cấu xây dựng thông thường chống lại lực đẩy nổi bằng tải trọng tĩnh của chính bản thân kết cấu

Ưu điểm của việc sử dụng neo trong đất chống lại lực đẩy nổi là: (1) khối lượng bê tông sàn ít hơn so với dùng phương pháp tải trọng tĩnh; (2) khối lượng đào đất giảm Tuy nhiên chúng cũng tồn tại một số nhược điểm: (1) sự thay đổi tải trọng trong neo có thể làm kết cấu bị lún xuống hoặc nâng lên; (2) Khó thi công chống thấm; (3) Ứng suất trong nền thay đổi nhiều

Hình 1.14 Ứng dụng neo trong đất, khối bê tông chống sạt lở

Hình 1.15 Ứng dụng neo trong đất chống tải trọng nâng và ổn định kết cấu

Các neo có tải trọng kéo xuống có thể ứng dụng để ổn định các đập bê tông Các đập cũ thường được yêu cầu tăng thêm độ ổn định để đáp ứng các qui định an toàn theo các qui trình hiện hành có xét đến dòng chảy, động đất Neo trong đất có khả năng chống lại tải trọng lật, xoay, lực động đất

Hình 1.16 Neo chống lực đẩy nổi 1.2 Các hệ thống tường neo

1.2.1 Tổng quan

Một ứng dụng phổ biến của neo trong đất trong các dự án là tường neo được sử dụng nhằm ổn định mái đào và ổn định mái dốc [16] Các tường neo này bao gồm tường hẫng không trọng lực và một hoặc nhiều tầng neo trong đất Các loại tường hẫng không trọng lực gồm các bộ phận thẳng đứng có thể liên tục hoặc không liên tục được khoan hoặc đóng xuống dưới đáy cao độ đào Tường hẫng không trọng lực chịu lực bằng sức kháng cắt, độ cứng chống uốn của thành phần theo phương đứng và sức kháng

bị động của đất dưới cao độ đào Sức chịu tải của tường neo dựa vào các thành phần này

và sức chịu tải ngang của neo để chống lại áp lực ngang ( đất, nước, động đất….) tác dụng vào tường Strom and Ebeling (2001) [22] đã phân loại tường neo thường được sử dụng bởi US Army Corps of Engineering như sau:

Tường cọc ván thép, dầm giằng và neo dự ứng lực;

Tường cọc chống, ván lát hoặc bê tông cốt thép lát ngang và neo dự ứng lực;

Hệ thống tường gồm các cọc chèn nhau (Secant cylinder pile system) và neo dự ứng lực;

Tường bê tông cốt thép liên tục và neo dự ứng lực;

Tường bê tông cốt thép không liên tục (cọc chống và bê tông cốt thép lát mặt) và neo dự ứng lực

Chuyển vị và mô men uốn của tường ổn định mái đào là hàm số của cường độ đất và độ cứng của tường Độ cứng của tường phụ thuộc vào độ cứng kết cấu tường (EI)

và khoảng cách theo phương đứng của các hàng neo (L) Tường cọc ván thép và tường gồm hệ thống cọc chống, ván lát ngang được xem là hệ thống tường mềm Tường gồm các cọc chèn nhau, tường cọc bê tông cốt thép liên tục, tường cọc bê tông cốt thép không liên tục được xem là các hệ thống tường cứng (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Phân loại tường neo theo US Army Corps of Engineering [22]

Phân loại tường theo độ cứngKết cấu tường

Tường mềm Tường cứng

Hệ thống tường cọc chống, ván lát ngang √

Tường cọc bê tông cốt thép không liên tục √

Hinh 1.17 mô tả 5 loại tường cừ chống giữ hố đào thông dụng, bao gồm: (1) Tường cọc chống đứng và ván lát ngang; (2) Tường cọc ván thép; (3) Tường cọc bê tông cốt thép; (4) Tường đất xi măng trộn sâu; (5) Tường cừ bê tông cốt thép trong đất

Hình 1.17 Năm loại tường cừ chống giữ hố đào thông dụng [16]

1.2.2 Tường cọc chống đứng và ván lát ngang

Tường cọc chống và ván lát ngang được sử dụng đầu tiên ở Đức vào những năm cuối của Thế kỷ thứ 19 và nhanh chóng được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu Tường gồm hai bộ phận chính: (1) cọc chống chịu toàn bộ tải trọng do áp lực đất, và (2) ván lát ngang chịu tải trọng do áp lực đất ở giữa hai cọc chống [15]

Hình 1.18 mô tả tường neo cọc chống đứng bằng thép hình và ván lát ngang bằng gỗ để giữ ổn định hố đào Cọc chống đứng là thép hình có tiết diện ngang hình chữ

I, giằng ngang bằng thép hình có tác dụng phân bố lực neo cho các cọc liền kề nhau

Hình 1.18 Tường neo cọc chống và ván lát ngang

Cọc chống có thể là cọc đóng hoặc cọc đổ bê tông tại chổ hoặc kết cấu bê tông ứng suất trước Tiết diện cọc chống có thể là chữ I, H, hình hộp, hình ống hay tiết diện chữ nhật…

a Tiết diện ngang liên hợp b Tiết diện ngang hình ống

Hình 1.19 Tiết diện ngang liên hợp và hình ống của cọc chống

Sau khi thi công xong cọc chống, đất phía trước tường được đào đi theo từng bậc

và lắp đặt ván lát ngang Thông thường chiều cao bậc đào từ 1.2 đến 1.5m, tuy nhiên chiều cao đào có thể ít hơn phụ thuộc vào thời gian ổn định của loại đất đào Ván lát ngang nên được lắp đặt ngay sau khi đào để chống hiện tượng xói mòn và chảy đất vào

hố đào Ván lát ngang có thể bằng gỗ, thép, bê tông phun hoặc kết cấu bê tông cốt thép Ván lát bằng bê tông ít được sử dụng vì rất khó thi công lắp đặt theo trình tự từ trên xuống dưới

a Ván lát gỗ b Ván lát bê tông phun

Hình 1.20 Ván lát ngang bằng gỗ và bê tông phun

1.2.3 Tường neo cọc ván thép

Tường cọc ván thép thường được sử dụng trong các loại đất không lắp được ván lát ngang như đất sét yếu, đất bùn bảo hòa nước, đất bùn yếu, cát pha sét yếu… Các loại đất này không ổn định khi đào nếu không được chống giữ Hình 1.21 mô tả tường cọc ván thép với giằng ngang và neo trong đất Cọc ván thép thường được đóng hoặc ép thành hàng chèn nhau Cọc ván thép chịu tác dụng của áp lực đất và tải trọng nước Giằng ngang có độ cứng lớn hơn, nằm bắc ngang giữa 2 neo Mặt cắt ngang của giằng ngang thường có dạng hình chữ C [18]

Hình 1.21 Hệ thống tường neo cọc ván thép

Hình 1.22 Tường neo cọc ván thép

1.2.4 Tường cọc bê tông đổ tại chỗ

Tường gồm các cọc bê tông cốt thép liền kề nhau thường được sử dụng trong các điều kiện địa chất không có xảy ra hoặc có thể kiểm soát được hiện tượng mất đất và thấm nước Tường gồm các cọc liền kề có thể là kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng

Tường gồm các cọc bê tông cài vào nhau là tường có hệ thống các cọc bê tông cắt nhau và do đó hình thành nên tường bê tông liên tục Các cọc bê tông có thể liên kết theo nguyên tắc cứng - mềm (thông dụng) hay cứng - cứng Các cọc bê tông mềm được thi công trước, sử dụng hỗn hợp bê tông mềm và không có cốt thép Các cọc cứng được thi công sau và chèn vào các cọc mềm ở cả 2 mặt Các cọc cứng sử dụng bê tông kết cấu

và có cốt thép Các cọc cứng tạo nên cường độ và độ cứng của kết cấu tường Cũng giống như tường gồm các cọc liền kề, tường gồm các cọc chèn vào nhau có thể dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng

Hình 1.23 Tường gồm các cọc bê tông cốt thép liền kề

Hình 1.24 Tường gồm các cọc bê tông cài vào nhau

1.2.5 Tường cọc đất xi măng trộn sâu

Trộn sâu là phương pháp cải tạo đất nền nhằm tăng cường độ, khống chế chuyển

vị và giảm tính thấm [14] Mũi khoan nhiều trục và guồng trộn được sử dụng để thi công các cọc chồng lên nhau và được tăng cường độ bằng việc trộn xi măng với đất Phương pháp này được sử dụng để chống đỡ hố đào bằng cách tăng cường độ chịu cắt của đất, ngăn ngừa phá hoại do trượt, giảm tính thấm và chống lại hiện tượng trồi bề mặt

Hình 1.25 Tường neo cọc đất xi-măng trộn sâu

Hình 1.26 mô hình quá trình thi công tường cọc đất-xi măng trộn sâu Thiết bị thi công chuyên dụng dùng để thi công cọc đất-xi măng trộn sâu là mũi khoan gồm 3 hoặc

5 trục được sử dụng để thi công nhóm cọc đầu tiên (bước 1), nhóm cọc tiếp theo được thi công cách các cọc đầu tiên bằng 1 lần đường kính cọc (bước 2), hàng cọc liên tiếp được tạo thành bằng cách trộn lại cọc đầu tiên và cọc cuối cùng của mỗi nhóm (bước 3),

bỏ qua khoảng cách 1 cọc giữa bước 2 và bước 3 để cọc số 3 và cọc số 5 được trộn lại nhằm đảm bảo hình thành 1 hệ tường liên tục không thấm nước Dầm thép được lắp đặt trước khi xi măng bắt đầu đông cứng (bước 4)

Hình 1.26 Chu kỳ thi công tường cọc đất-xi măng trộn sâu [14]

Hình 1.27 Mặt cắt ngang điển hình của tường cọc đất-xi măng trộn sâu [14]

1.2.6 Tường cừ bê tông cốt thép trong đất

Tường cừ bê tông cốt thép trong đất được thi công bằng cách đào rãnh sâu bằng gầu ngoạm hoặc mũi khoan cắt xoay, thành vách được giữ ổn định bằng vữa bentonite,

bê tông được bơm vào rãnh và thay thế vữa

Tường cừ bê tông cốt thép trong đất có thể dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực cùng kết cấu cuối cùng Khi tường cừ tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng sẽ kinh tế hơn và việc thi công sẽ nhanh hơn [17] Tường cừ bê tông cốt thép trong đất có độ cứng lớn hơn so với hệ thống tường gồm cọc chống và ván lát ngang, tường cừ ván thép Nó được sử dụng để giảm độ lún, chuyển vị ngang của đất và kết cấu liền kề trong suốt quá trình thi công, đặc biệt là trong các loại đất mềm yếu

Hình 1.28 Tường cừ bê tông cốt thép trong đất [19]

1.3 Kết luận chương 1

Neo trong đất được sử dụng rất phổ biến ở các nước trên thế giới Neo có thể được sử dụng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia vào kết cấu chịu lực cuối cùng Neo trong đất có nhiều ứng dụng trong xây dựng như: ổn định tường chắn đất thi công hố đào, ổn định mái dốc và chống sạt lở, ổn định kết cấu chịu lực đẩy nổi, ổn định chống lật cho kết cấu đập, ổn định mố trụ cầu dây văng…với ưu điểm là không chiếm mặt bằng thi công, không cần phải làm đường tạm, thời gian thi công nhanh, hạ giá thành công trình…

Cấu tạo neo trong đất gồm 2 bộ phận chính là đoạn chiều không liên kết bằng các tao cáp dự ứng lực được bọc trong ống PVC và đoạn chiều dài liên kết với các tao cáp được bọc bằng vữa xi măng và liên kết với đất nền Đoạn chiều dài không liên kết

có tác dụng truyền tải trọng từ kết cấu cho đoạn chiều dài liên kết Đoạn chiều dài liên kết có tác dụng truyền tải trọng từ đoạn chiều dài không liên kết vào đất đá

Một ứng dụng phổ biến của neo trong đất là sử dụng cho hệ thống tường neo dùng để ổn định hố đào Tường neo được phân loại thành tường mềm và tường cứng Tường mềm gồm các loại: tường cọc chống và ván lát ngang, tường cọc ván thép Tường cứng gồm: hệ thống tường gồm các cọc bê tông chèn nhau, tường cọc bê tông cốt thép liên tục và tường cọc bê tông cốt thép không liên tục

ở trạng thái nghỉ

Sự khác nhau giữa ứng xử thực tế của đất và các giả thiết tính toán là nhân

tố quan trọng khi xét đến áp lực đất Giả thiết áp lực đất chủ động và bị động phân

bố tuyến tính dựa vào các phân tích lý thuyết là cách đơn giản hoá của các quá trình phức tạp khi không xét đến các yếu tố: (1) hình dạng chuyển vị của tường (góc xoay, chuyển vị); (2) tính mềm của tường; (3) các thuộc tính về cường độ

và độ cứng của đất; (4) ứng suất trước theo phương ngang trong đất; (5) góc ma sát

bề mặt của tường và đất [21]

2.1.2 Các loại áp lực đất và điều kiện sản sinh ra chúng

Áp lực đất tác dụng lên tường chắn không những phụ thuộc vào các đặc trưng cơ lý của đất đắp sau tường mà còn phụ thuộc vào chuyển vị của tường dưới tác dụng của tải trọng ngoài lên tường kể cả áp lực đất

Để phân tích định tính và định lượng áp lực đất tác dụng lên tường Terzaghi

đã làm thí nghiệm mô hình tìm hiểu mối quan hệ giữa áp lực đất và độ dịch chuyển của tường

Kết quả cho thấy, khi tường chuyển vị về phía đất đắp, áp lực đất tác dụng lên tường giảm từ giá trị ban đầu ứng với trạng thái tĩnh Eo, tới giá trị áp lực chủ động Ec khi trong khối đất hình thành một mặt trượt lien tục Ngược lại, nếu cho tường chuyển vị về phía đất đắp, áp lực đất tác dụng lên tường tăng từ giá trị ban đầu Eo tới giá trị áp lực bị động có ép trồi Ebt khi trong đất hình thành một mặt trượt liên tục Như vậy tùy theo hướng và chuyển vị tương đối của tường chắn với đất đắp, mà có thể hình thành ba loại áp lực đất tác dụng lên tường với ba trường hợp sau đây:

- Khi tường bị khối đất xô về phía không có đất thì khối đất gây ra áp lực đẩy

lờn tường và sẽ đạt tới giỏ trị ỏp lực đất chủ động khi độ dịch chuyển đủ lớn

- Khi tường bị ngoại lực xụ về phớa đất thỡ khối đất gõy ra ỏp lực chống đối với tường và sẽ đạt tới giỏ trị ỏp lực bị động khi độ dịch chuyển của tường đủ lớn

- Trường hợp tường đứng yờn, khối đất gõy ra ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường gọi là ỏp lực đất ngưng (đất nghỉ) [2]

Trạng thái cân bằng đμn hồi

Trạng thái phá hoại

Trạng thái phá hoại Cân bằng giới hạn bị động Cân bằng giới

hạn chủ động

Chuyển vị ng−ợc phía đất đắp Chuyển vị vềphía đất đắp

0

Trạng thái ứng suất trong đất đắp

Hỡnh 2.1 Kết quả thớ nghiệm mụ hỡnh tường chắn đất Terzaghi [2]

2.1.2.1 Lý thuyết W.J.W.Rankine

W.J.W.Rankine căn cứ trạng thỏi ứng suất trong vật thể bỏn khụng gian vụ hạn và điều kiện cõn bằng giới hạn tại một điểm trong bỏn khụng gian đú đó tỡm ra phương phỏp tớnh toỏn ỏp lực đất Xột trạng thỏi ứng suất tại điểm M khi đú khối đất

ở trạng thỏi tĩnh (cõn bằng) thỡ mọi điểm đều ở trạng thỏi cõn bằng đàn hồi, khi đú:

Thành phần ứng suất phỏp tuyến của mặt phẳng ngang là:

Ko z o

Hình 2.2 Phương ứng suất chính lớn nhất và vòng tròn Mohr [2]

Giả thiết cơ bản và nguyên lý tính toán:

- Khi khối đất đắp sau tường đạt trạng thái cân bằng giới hạn chủ động (do khối đất đẩy tường về phía trước - phía không có đất), hoặc trạng thái cân bằng giới hạn bị động (do ngoại lực xô tường về phía sau - về phía đất) thì mọi điểm trong khối đất đều ở trạng thái cân bằng giới hạn và thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb

- Lưng tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang, mặt tường trơn nhẵn và không

Hình 2.3 Sơ đồ tính toán áp lực chủ động và điểm đặt theo Rankine [2]

Xét trạng thái ứng suất tại M ta có:

1

z = γ z = σ

3 cd

Vì điểm M ở trạng thái cân bằng giới hạn nên ứng suất tại M thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb

m c 2 m

3

với m = tg2(45o + ϕ/2) Thay (a) và (b) vào (2.3) ta có:

Pcd =γzKcd −2c Kcd (2.4) Trong đó: tg (45 /2)

m

1

Kcd - hệ số áp lực đất chủ động theo lý luận Rankine

Từ công thức (2.4) thấy rằng cường độ áp lực đất chủ động gồm hai phần: một phần do trọng lượng đất gây ra (+γH Kcd ) có tác dụng đẩy tường, một phần do lực dính gây ra áp lực âm (−2c Kcd ) có tác dụng níu kéo tường, tức làm giảm áp lực đất lên tường Kết quả cộng biểu đồ cho ở hình 2.3, trong đó tồn tại phần biểu đồ

âm có tác dụng kéo tường lại Khi tính toán thường bỏ qua phần biểu đồ âm đó và biểu đồ phân bố áp lực đất chỉ còn tam giác abc

Tại a, Pcd =0=γzKcd −2c Kcd

Từ đó rút ra

cd o

K

c2z

γ

Trong đó: zo- độ sâu giới hạn (độ sâu nứt nẻ)

Trị số tổng áp lực đất chủ động tính bằng diện tích biểu đồ abc (hình 2.3):

2

) K c 2 zK )(

z H ( abc dt

cd

− γ

−

= Δ

=

Thay zo ở biểu thức (2.5) vào trên sẽ nhận được:

γ +

− γ

cd

c 2 K cH 2 K H 2

Cường độ áp lực đất chủ động pcd = γzKcd (2.7) Tổng áp lực đất chủ động 2 cd

21

Thay (a) và (b) vào điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb

bd bd

Kbd - hệ số áp lực bị động theo lý luận Rankine

Từ công thức (2.9) thấy rằng cường độ áp lực đất bị động gồm hai phần:

γzKbd - do trọng lượng khối đất gây ra

bdKc

2 - do lực dính gây ra

Cả hai phần áp lực đều có tác dụng chống lại tường Lực dính của đất làm tăng

áp lực bị động đối với tường Biểu đồ phân bố cường độ áp lực đất bị động nêu ở hình 2.4, biểu đồ có dạng hình thang Tổng giá trị áp lực đất bị động tính bằng diện tích biểu đồ hình thang và điểm đặt ở trọng tâm hình thang:

bd bd

- Tường chắn tuyệt đối cứng, không biến dạng

- Khi khối đất sau lưng tường đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn (chủ động hoặc bị động) thì khối trượt là vật rắn tuyệt đối, trượt trên hai mặt AB và BC

- Mặt trượt trong đất là mặt phẳng BC đi qua chân tường

- Khi có lực dính thì lực này sẽ phân bố đeeuftrên mặt trượt BC

a) Xác định áp lực đất chủ động theo giải tích

β β

θ

H

α

W A

Hình 2.5 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất rời theo Coulomb

Đối với đất rời Coulomb xác định áp lực chủ động từ điều kiện để khối trượt ABC cân bằng là đa giác lực phải khép kín (hình 2.5) Từ đa giác lực xác định được:

)()-sin(

)-sin(

W

ψ+ϕθ

ϕθ

Đối với đất dính, xét trường hợp đặc biệt có mặt đất nằm ngang, lưng tường thẳng đứng, tường hoàn toàn trơn (góc ma sát giữa đất và lưng tường bằng không): α=0,

ϕa=0, β=0

Hệ số áp lực chủ động )

245(tg

)245(tg.H.c2)245(tg2

=

W

β β

Hình 2.6 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất dính theo Coulomb

b) Xác định áp lực chủ động của đất theo đồ giải (Phép vẽ Culmann)

ϕ a y

Từ B vẽ nhiều mặt trượt giả định: BC1, BC2, BC3, …, BCi

Tính các diện tích BC1, BC2, BC3, …, BCi

Tính các trọng lượng W1, W2, W3, …, Wi của các lăng thể trượt ABC1, ABC2, ABC3, , ABCi Do là bài toán phẳng nên thể tích chúng được tính với chiều dài là 1m

Vẽ các giá trị W1, W2, W3, …, Wi lên trục Bx

Từ các điểm W1, W2, W3, …, Wi trên Bx vẽ các đường song song với By căt các mặt trượt BC1, BC2, BC3, …, BCi tại các điểm c1, c2, c3, , ci

Nối các điểm c1, c2, c3, , ci ta được đường cong Culmann

Trên đường cong này, vẽ tiếp tuyến song song với trục Bx ta xác định được

c- trị số tổng áp lực đất chủ động E a Nối Bc cắt mặt đất tại C và BC chính là mặt trượt

Kẻ đường song song với BC, đi qua tâm lăng thể trượt, cắt lưng tường tại điểm đặt của áp lực đất tác dụng lên tường

c) Xác định áp lực bị động theo Coulomb

β β

θ

H

α

W A

2.1.3.1 Trường hợp mặt đất nằm ngang, lưng tường đứng

Đất sét và cát cố kết thường trong điều kiện tự nhiên, không có chuyển vị ngang (chỉ nén theo phương đứng) và chịu tác dụng của tải trọng tăng dần theo phương đứng, được xem xét tính toán theo trạng thái ứng suất nghỉ (trạng thái cân bằng) nên áp lực đó được gọi là áp lực đất nghỉ

o

γz

τ

Hình 2.9 Tính áp lực đất ngưng khi mặt đất ngang, lưng tường đứng [2]

Cường độ áp lực đất nghỉ được xác định theo công thức

zK

Trong đó: γ - trọng lượng riêng của đất đắp

z - độ sâu của điểm M tính đến mặt đất

Ko - hệ số áp lực hông phụ thuộc vào tính chất của đất (tra bảng) hoặc tính Ko theo các công thức

o

o o1

sin1

2.1.3.2 Trường hợp lưng tường chắn và mặt đất đắp nghiêng

Cường độ áp lực đất ngưng được tính theo công thức của E.Franke

−α

−

γ

=

)mtg)(

1mtg

(

p

p

costg

tgK

1tg

tg21

2

o o

β β α

−

=

) 1 sin (cos sin

1

K

tg K

1 tg cos

tg ) tg

z

Hình 2.10 Lưng tường chắn

và mặt đất đắp nghiêng [2]

Áp lực đất ở trạng thỏi nghỉ thường khụng được sử dụng khi thiết kế hệ thống tường mềm Chỉ sử dụng ỏp lực đất ở trạng thỏi nghỉ khi tường khụng cú chuyển vị ngang Điều này gần đỳng cho trường hợp hệ thống tường cứng

2.1.4 Ảnh hưởng chuyển vị của tường đến ỏp lực đất

Sự phõn bố ỏp lực đất sau tường phụ thuộc vào chuyển vị của tường [21] Do phương phỏp thi cụng tường neo là từ trờn xuống dưới, với chu kỳ lặp lại: đào đất, lắp neo, tạo ứng suất, truyền ứng suất cho neo mà mụ hỡnh biến dạng và ỏp lực đất khỏc so với giả thiết ỏp lực đất hoàn toàn chủ động (tăng tuyến tớnh theo chiều sõu)

Do đặc điểm của mụ hỡnh biến dạng này mà ứng suất tỏc dụng vào cỏc đoạn tường

sẽ nhỏ hơn so với mụ hỡnh ỏp lực hoàn toàn chủ động Khi tường ngàm vào lớp đất tốt, ỏp lực ngang của đất cú giỏ trị lớn nhất ở gần vị trớ của neo và giỏ trị ỏp lực nhỏ hơn xuất hiện ở đoạn chõn tường ngàm vào trong đất

Mụ hỡnh tường neo cú hai tầng neo được sử dụng để minh hoạ mối quan hệ giữa ỏp lực đất theo phương ngang và chuyển vị của tường trong cỏc giai đoạn thi cụng như trờn hỡnh 2.11 Tường cao H(m), chõn tường ngàm vào trong đất 0.2H(m)

Đáy hố móng

Mặt đất

Hμng neo phía trên

Hμng neo phía dưới

γ α

α

Φ (độ) (KN/m ) 3

H

Đất cát Tường

0.2 H

0.24 H 0.40 H

Hỡnh 2.11 Mặt cắt của mụ hỡnh tường neo

Giai đoạn tường hẫng: Trong giai đoạn tường hẫng, đất được đào đến cao

độ của tầng neo đầu tiờn Mụ hỡnh ỏp lực đất và chuyển vị của phần tường phớa trờn cao độ đào phự hợp với điều kiện ỏp lực đất chủ động (ỏp lực phõn bố hỡnh tam giỏc hỡnh2.12) Tường được ngàm cứng trong đất