Nghiên cứu giải pháp tường chắn đất có cốt cho tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ áp dụng cho tràn vĩnh trinh quảng nam

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, được sự nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, bằng sự nỗ lực cố gắng học tập, nghiên cứu và tìm

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được người nào công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Học viên

Lê Hồng Hiển

L ỜI CẢM ƠN

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Hồ Sỹ Tâm và TS Nguyễn Phương Dung, người đã dành nhiều thời gian hướng dẫn và vạch ra những định hướng khoa

học cho luận văn

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, được sự nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ

của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, bằng sự nỗ lực cố gắng học tập, nghiên cứu và tìm tòi, tích lũy kinh nghiệm thực tế của bản thân đến nay đề tài

“Nghiên c ứu gi ải pháp tường chắn đất có cốt cho tường cánh thượng lưu tràn tháo

lũ – áp dụng cho tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam” đã được học viên hoàn thành đúng

thời hạn quy định

Học viên xin cảm ơn các thầy, cô giáo ở bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình, các

thầy cô giáo ở khoa Sau đại học đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong suốt

thời gian học viên học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này Cuối cùng

học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Gia đình và những người thân đã luôn ủng

hộ và động viên học viên hoàn thành luận văn này

Do hạn chế về thời gian và kiến thức khoa học nên luận văn không thể tránh khỏi

những thiếu sót Học viên rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành giúp học viên hoàn thiện hơn đề tài của luận văn

Hà Nội, ngày 19 tháng 03 năm 2018

Học viên

Lê Hồng Hiển

M ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

3 Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

4 Kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT 3

1.1 Khái quát về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam và trên thế giới 3

1.1.1 Sự ra đời của công nghệ đất có cốt và tường chắn đất trên thế giới 3

1.1.2 Tổng quan về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam 7

1.2 Các nguyên lý đất có cốt về mặt cơ học 9

1.2.1 Nguyên lý cơ bản của đất có cốt 9

1.2.2 Cấu tạo tường chắn đất có cốt 14

1.3 Các phương pháp tính toán ổn định và ứng suất biến dạng tường chắn đất 19

1.3.1 Các phương pháp tính toán ổn định tổng thể của tường chắn 19

1.3.2 Các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng của tường chắn đất có cốt 30

1.4 Triển vọng áp dụng cho công trình thủy lợi 40

Kết luận chương I 41

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG TƯỜNG ĐẤT CÓ CỐT 42

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định 42

2.1.1 Ổn định ngoài 42

2.1.2 Ổn định trong 48

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất biến dạng 58

2.2.1 Bài toán đàn hồi tuyến tính 58

2.3 Giới thiệu về chương trình phần mềm plaxis 63

2.4 Khả năng áp dụng cho công trình thủy lợi 65

Kết luận chương II 66

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CHO TƯỜNG ĐẤT CÓ CỐT ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 67

3.1 Xây dựng bài toán mẫu 67

3.2 Kết quả tính toán ổn định 70

3.2.1 Ảnh hưởng của chiều cao tường 70

3.2.2 Ảnh hưởng của chiều dài cốt 71

3.2.3 Ảnh hưởng của cường độ đất đắp 74

3.2.4 Ảnh hưởng của khoảng cách đặt cốt 75

3.3 Kết quả tính toán ứng suất biến dạng 76

3.3.1 Biến dạng 76

3.3.2 Chuyển vị 79

3.4 Các trường hợp gây bất ổn định tường cánh thượng lưu 80

3.4.1 Thi công đất đắp ở ngang cao trình đỉnh tường 80

3.4.2 Trường hợp công trình vận hành bình thường, hồ ở MNDBT 82

3.4.3 Trường hợp chênh lệch mực nước trong và ngoài tường 84

Kết luận chương 3 87

CHƯƠNG IV: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO TRÀN VĨNH TRINH -QUẢNG NGÃI 88 4.1 Giới thiệu chung về công trình 88

4.1.1 Vị trí địa lý 88

4.1.2 Đặc điểm địa hình địa mao 88

4.1.3 Đặc điểm khí tượng thủy văn 88

4.1.4 Địa chất thủy văn 89

4.2 Thiết kế chi tiết cho tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ hồ Vĩnh Trinh – Quảng Ngãi bằng phương pháp tường chắn đất có cốt 89

4.2.1 Các thông số đầu vào 89

4.2.2 Xác định các thông số cơ bản của tường chắn 91

4.2.3 Các trường hợp tính toán 92

4.3 Phân tích và nhận xét kết quả tính toán ổn định và ứng suất 94

4.3.1 Công trình vừa xây dựng xong 94

4.3.2 Công trình hoạt động đến mực nước dâng bình thường (MNDBT) 98

4.3.3 Chênh lệch mực nước trong và ngoài tường lớn nhất 101

Kết luận chương IV 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 102

DANH M ỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1- 1: Minh họa về nguyên lý đất có cốt (Vidal,1963) 4

Hình 1- 2:Một số công trình áp dụng công nghệ đất có cốt cho công trình thủy lợi trên thế giới 7

Hình 1- 3: Đường vành đai 2–Hà Nội 9

Hình 1- 4: Tường chắn đầu cầu Cam Lâm 9

Hình 1- 5: Tường chắn đất cao 21m tại Đồi Ba Đèo – Quảng Ninh 9

Hình 1- 6 Mô phỏng sắp xếp hạt đất và cốt 10

Hình 1- 7: Tác dụng của cốt đối với đất với đất 11

Hình 1- 8: Cốt dạng khung, dạng lưới bằng thép tròn tạo ra sức cản bị động của đất nhờ có các thanh cốt bố trí vuông góc với phương truyền lực PRp 12

Hình 1- 9: Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát giữa cốt và đất 12

Hình 1- 10: Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một công trình tường chắn có cố 14

Hình 1- 11: Cấu tạo chi tiết liên kết giữa tấm mặt tường với cốt 17

Hình 1- 12: Bố trí thoát nước đỉnh tường (cao đến vai đường) 18

Hình 1- 13: Bố trí thoát nước từ các vết lệ nước ngầm sau tường 19

Hình 1- 14: Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i 20

Hình 1- 15: Sơ đồ lực theo PP Fellenius 22

Hình 1- 16: Sơ đồ lực tính toán theo PP Bishop đơn giản 23

Hình 1- 17 :Sơ đồ lực tính toán theo PP Spencer 23

Hình 1- 18: Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu 26

Hình 1- 19 Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu 28

Hình 1- 20: Sơ đồ thí nghiệm nén đẳng ứng suất 31

Hình 1- 21: Những ứng suất dọc trục 32

Hình 1- 22: Biến dạng phẳng dưới tường chắn 33

Hình 1- 23: Nén một trục 33

Hình 1- 24: Xác định cắt đơn và cắt thuần túy 35

Hình 1- 25: Các vòng tròn Morh đối với cắt thuần túy 36

Hình 2- 1 Sơ đồ tính toán tổng thể mặt ngoài (mặt đất nằm ngang) 43

Hình 2- 2: Sơ đồ tính toán tổng thể mặt ngoài (mặt đất dốc đều) 44

Hình 2- 3: Sơ đồ tính toán tổng thể mặt ngoài (mặt đất gãy khúc) 44

Hình 2- 4: Mô hình phá hoại của khối đất có cốt 50

Hình 2- 5 Các lực tác dụng và sơ đồ tính toán Tj 52

Hình 2- 6: Sơ đồ trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH 62

Hình 2- 7: Sơ đồ tường cánh thượng lưu tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam 65

Hình 3 - 1: Mô hình tường chắn đất có cốt 67

Hình 3 - 2: Mô hình neo bên trong tường chắn đất có cốt 68

Hình 3 - 3: Lưới phần tử của tường có cốt 69

Hình 3 - 4: Các giai đoạn thi công tường có cốt có chiều cao Hmax =15m 69

Hình 3 - 5: Quan hệ Hi/Hmax với Ti/Tmax 70

Hình 3 - 6: Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với chiều cao tường H 71

Hình 3 - 7: Ảnh hưởng của cường độ đất đắp ( tường cao 15m) 72

Hình 3 - 8: Mô hình bố trí cốt theo chiều dài hố móng 73

Hình 3 - 9: Tmaxhuy động theo chiều cao tường 73

Hình 3 - 10: Ảnh hưởng của cường độ đất đắp (tường cao 15m) 74

Hình 3 - 11: Ảnh hưởng của bước cốt b (tường cao 10m) 76

Hình 3 - 12: Phổ biến dạng góc εxy trong tường cao 15m (%) 77

Hình 3 - 13: Phổ biến dạng ngang εx trong tường cao 15m (%) 77

Hình 3 - 14: Phổ biến dạng đứng εy trong tường cao 15m (%) 78

Hình 3 - 15: Phương biến dạng cắt lớn nhất γmax trong tường 78

Hình 3 - 16: Lưới biến dạng tường chắn đất 79

Hình 3 - 17: Vector chuyển vị toàn phần tường cao 15m 79

Hình 3 - 18: Chuyển vị đứng của trường hợp thi công đến cao trình đỉnh tường 80

Hình 3 - 19: Chuyển vị ngang của trường hợp thi công đến cao trình đỉnh tường 80

Hình 3 - 20: Biến dạng tổng của trường hợp thi công đến cao trình đỉnh tường 81

Hình 3 - 21: Hệ số ổn định giai đoạn thi công đến cao trình đỉnh tường K = 1,6518 81

Hình 3 - 22: Chuyển vị đứng của trường hợp vận hành 82

Hình 3 - 23: Chuyển vị ngang của trường hợp vận hành 82

Hình 3 - 24: : Biến dạng tổng của trường hợp vận hành 83

Hình 3 - 25: Hệ số an toàn của trường hợp vận hành K = 2,1903 83

Hình 3 - 27: Chuyển vị ngang của trường hợp chênh lệch mực nước 85

Hình 3 - 28: Ứng suất tổng của trường hợp chênh lệch mực nước 85

Hình 3 - 29: Hệ số an toàn trường hợp chênh lệch mực nước K = 1,5755 86

Hình 4 - 1: Mặt cắt đứng tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam 90

Hình 4 - 2: Mô hình neo bên trong tường chắn đất có cốt 91

Hình 4 - 3: Sơ đồ tính toán chiều sâu chôn móng 92

Hình 4 - 4: Sơ đồ tính toán 93

Hình 4 - 5: Lưới phần tử hữu hạn 94

Hình 4 - 6: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 0,5m 94

Hình 4 - 7: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 0,75m 95

Hình 4 - 8: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 1,0 m 95

Hình 4 - 9: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài cốt 96

Hình 4 - 10: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài cốt 97

Hình 4 - 11: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 0,50 m 98

Hình 4 - 12: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 0,75 m 98

Hình 4 - 13: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 1,0 m 99

Hình 4 - 14: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài cốt 100

Hình 4 - 15: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài cốt 100

Hình 4 - 16: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 0,50 m 101

Hình 4 - 17: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 0,75 m 101

Hình 4 - 18: Chuyển vị tổng trường hợp Sv = 1 m 102

Hình 4 - 19: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài cốt 103

Hình 4 - 20: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài cốt 103

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Tổng số đại lượng các lực tác dụng lên khối trượt gồm n thỏi đất 21

Bảng 3 1 Chỉ tiêu cơ lý của đất 68

Bảng 3 2: Hệ số an toàn của các trường hợp L khác nhau 73

Bảng 3 3: Kết quả tính toán ổn định và chuyển vị của 3 trường hợp 86

Bảng 4- 1 Đặc trưng về nền đất và đất đắp 90

Bảng 4- 2 Chiều sâu chân tường 92

Bảng 4- 3: Bảng tổng hợp kết quả tính toán hệ số ổn định Mfs của tường 96

Bảng 4- 4 :Bảng tổng hợp kết quả của chuyển vị tổng U (đơn vị m) 96

Bảng 4- 5: Bảng tổng hợp kết quả tính toán hệ số ổn đinh Mfs của tường 99

Bảng 4- 6: Bảng tổng hợp kết quả của chuyển vị tổng U (đơn vị m) 99

Bảng 4- 7: Bảng tổng hợp kết quả tính toán hệ số ổn đinh Mfs của tường 102

Bảng 4- 8: Bảng tổng hợp kết quả của chuyển tổng U (đơn vị m) 102

MỞ ĐẦU

1 T ính cấp thiết của đề tài

Hiện nay việc áp dụng công nghệ mới là hướng đi phù hợp với xu thế của thời đại Do

đó có nhiều giải pháp kỹ thuật tiên tiến về vật liệu, giải pháp thi công của tường chắn

đã được đưa vào áp dụng trong việc xử lý phòng chống sạt trượt đất và gia cố mái đất

ở Việt Nam Một trong những phương pháp đó là giải pháp tường chắn đất có cốt Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất vẫn dùng đất thiên nhiên để xây dựng công trình nhưng trong đất có bố trí các lớp cốt bằng vật liệu chịu được lực kéo theo các hướng nhất định, thông qua sức neo bám (do ma sát, dính và neo bám) giữa đất với vật liệu cốt mà loại vật liệu tổ hợp đất có cốt này có khả năng chịu kéo (giống như vật liệu bê tông cốt thép có khả năng chịu kéo, trong đó bản thân bê tông chịu kéo kém) Tại Việt Nam tường chắn đất có cốt được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực giao thông như xây dựng đường lên cho cầu vượt cạn, sân bay, cầu cảng… và xây dựng dân dụng như: gia cố mái dốc có cốt, gia cố nền móng có cốt…

Đất có cốt đã được sử dụng cho một số công trình Thủy Lợi tại trên thế giới Nhưng tại Việt Nam công nghệ đất có cốt áp dụng trong công trình thủy lợi còn hạn chế như đắp đê, đập tại những nơi có điều kiện địa chất xấu hoặc kè bảo vệ sông, kênh và bờ biển Tuy nhiên hình thức tường chắn đất có cốt chưa được áp dụng cho công trình tháo lũ, vì theo suy nghĩ chung thì công trình tháo lũ thường chịu tác động bởi dòng chảy có lưu tốc lớn Điều này hoàn toàn đúng với ngưỡng tràn, dốc nước, bậc nước hay bể tiêu năng Với tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ, do mặt cắt ướt lớn hơn nên lưu tốc thường có giá trị nhỏ hơn các bộ phận khác dẫn đến khả năng áp dụng tường chắn đất có cốt cho vị trí này là khả dĩ nhất Cùng với đó, khi sửa chữa, nâng cấp tường cánh thượng lưu hay phải mở rộng tràn để đảm bảo an toàn tháo lũ, khối lượng đào, đắp đất thường rất lớn nếu sử dụng giải pháp tường bê tông hay đá xây truyền thống Việc áp dụng giải pháp tường có cốt trong trường hợp này nhằm đáp ứng các nhu cầu ổn định của tường chắn đất, giảm khối lượng đào, đắp do phạm vi mở móng nhở hơn so với các hình thức truyền thống; phù hợp với điều kiện nền yếu nhưng vẫn

đảm bảo chiều cao của tường cánh và kênh dẫn; rút ngắn thời gian thi công vì không mất thời gian đổ bê tông, đợi bê tông ninh kết Thực tế tường đất có cốt đã được sử dụng cho công trình giao thông và dân dụng vấn đề đặt ra khi áp dụng tường đất có cốt cho công trình thủy lợi nói chung và tường cánh cửa vào tràn nói riêng là ảnh hưởng của hiện tượng thay đổi mực nước ngầm trong đất cũng như ảnh hưởng của lưu tốc dòng chảy đến ứng suất – biến dạng và ổn định của tường Đấy là những vấn đề mà nghiên cứu này phải trả lời bằng cách khảo sát, tính toán ổn định và ứng suất sử dụng các phần mềm tính toán như Plaxis Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng cho một công trình cụ thể

2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán ổn định và ứng suất biến dạng cho tường đất cố cốt áp dụng cho tường cánh và kênh dẫn dòng; áp dụng cho tường cánh thượng lưu hồ Vĩnh Trinh - Quảng Nam

- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán ổn đinh, ứng suất biến dạng của tường chắn đất có

cốt áp dụng cho tường cánh của vào tràn tháo lũ chịu tác động của sự thay đổi mực nước

ngầm trong quá trình làm việc của tràn

3 Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập thông tin : Thu thập tài liệu hiện có liên quan đến thiết kế tường đất có cốt

- Phương pháp nghiên cứu trên mô hình số: Nghiên cứu sử dụng các phần mềm địa kỹ thuật có khả năng giải quyết các bài toán liên quan đến đất có cốt như : Plaxis, GeoStudio 2007

4 Kết quả đạt được

- Đưa ra được đánh giá về ổn định của tường đất có cốt áp dụng cho công trình thủy lợi

- Đưa ra được đánh giá về ứng suất biến dạng của tường đất có cốt áp dụng cho công trình thủy lợi

- Áp dụng tính toán cho tường hướng dòng phía thượng lưu tràn Vĩnh Trinh – Quảng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT

Kết cấu đất có cốt là loại kết cấu bao gồm đất đầm chặt kết hợp với các lớp gia cố (tre,

gỗ, cao su, kim loại, vải, lưới địa kỹ thuật…) có kích thước và mật độ nhất định, đặt theo những hướng có tính toán trước để tăng khả năng chịu lực của kết cấu Sự làm việc đồng thời giữa đất và cốt thông qua ma sát có thể đem lại hiệu quả vì đã phát huy sức chịu nén , chịu cắt vốn có của đất và sức chịu kéo cao của cốt

- Trải qua thực tế nghiên cứu và sử dụng đất có cốt đã thấy nhiều ưu điểm nổi bật:Thi công đơn giản, có khả năng cơ giới hóa thi công cao;

- Cốt sử dụng thường là loại vật liệu có khả năng chịu kéo, nếu dùng vật liệu có độ giãn dài lớn, kết cấu đất có cốt sẽ không bị phá hoại đột ngột, cho phép biến dạng lớn

mà vẫn đảm bảo ổn định cho công trình;

- Tăng cường độ của nền đường đáng kể (trung bình khoảng 3 lần)

Với những ưu điểm nổi trội, kết cấu đất có cốt ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi đem lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật cao

1.1 Khái quát về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam và trên thế giới

1.1.1 Sự ra đời của công nghệ đất có cốt và tường chắn đất trên thế giới

Trên thế giới, việc sử dụng công nghệ đất có cốt trong xây dựng đã trở nên phổ biến

Sở dĩ có thể trở nên phổ biến là vì tính ưu việt của nó như: giá thành thấp, thi công đơn giản, thời gian thi công nhanh hơn nhiều so với kết cấu tường bê tông truyền thống mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và tuổi thọ của công trình Để khắc phục khả năng chịu kéo rất kém của đất, ngoài biện pháp gia cố đất bằng các chất liên kết (vô

cơ, hữu cơ, hóa chất), từ năm 1963, Henri Vidal, một kỹ sư người Pháp đã đề xuất ý tưởng dùng đất có cốt để xây dựng các công trình Ngày 7-3-1966 Ông đã báo cáo trước hội đồng cơ học đất và Nền móng nước Pháp và sau đó Ông đã được cấp bằng sáng chế về phát minh này Và từ đây đất được gia cố cốt mới bắt đầu có những nghiên cứu tính toán và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng Cho đến nay, khái niệm về đất có cốt và những ứng dụng của nó trong các công trình xây dựng đã trở nên quen thuộc với các kỹ sư cầu đường, kỹ sư xây dựng ở khắp nơi trên thế giới

Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất vẫn dùng đất thiên nhiên để xây dựng công trình nhưng trong đất có bố trí các lớp cốt bằng vật liệu chịu được lực kéo theo các hướng nhất định, thông qua sức neo bám (do ma sát, dính và neo bám) giữa đất với vật liệu cốt do đó vật liệu tổ hợp đất có cốt này có khả năng chịu kéo cao hơn(giống như vật liệu bê tông cốt thép có khả năng chịu kéo, dù bản thân bê tông chịu kéo kém)

Hình 1- 1 : Minh họa về nguyên lý đất có cốt (Vidal,1963)

Loại công trình được xây dựng thử nghiệm đầu tiên bằng đất có cốt chính là trường chắn bằng đất có cốt được xây dựng ở Pyrenees do H.Vidal đề xuất thiết kế vào năm

1965, trong đó đất đắp là loại rời rạc, ít dính, cốt là dải kim loại (rộng 60 mm, dày 5 mm) và vỏ mặt tường bao bằng kim loại dày 1,5 – 4,0 mm cao 25 cm Sau 2 năm xây dựng thử nghiệm, đến năm 1967 một tường chắn đất có cốt được xây dựng tại Pháp đó

là tường Incarville trên đường cao tốc A13 ở Pháp Tường này cao 10 m, rộng 10 m,

và dài 50 m Kết quả quan trắc ứng suất và biến dạng của cốt, của vỏ (thông qua các đầu đo được bố trí sẵn trong quá trình thi công) và kết quả thí nghiệm khá công phu trên các mô hình thí nghiệm tại phòng thí nghiệm trung ương về Cầu và Đường (LCPC) của Pháp dưới sự lãnh đạo của H Vidal (có sự tham gia đáng kể của kỹ sư Nguyễn Thành Long, một Việt kiều tại Pháp) đã cho phép ngay từ những năm đó thiết lập được những nguyên tắc về phương pháp thiết kế cấu tạo và tính toán kết cấu tường chắn bằng đất có cốt Tiếp đó, một loạt các công trình tường chắn bằng đất có cốt được xây dựng trên các đường ô tô và bến cảng ở Pháp, Tây Ban Nha, Đức và một số nước khác Đáng kể nhất là những tường chắn bằng đất có cốt (tổng cộng tới 800m dài) trên đường cao tốc A53 qua vùng Menton (Pháp) Tại đây sườn núi dốc, địa chất không ổn định, không thể đào sâu và khó làm cầu vượt nên đã chọn phương án đắp cao với

thép sẽ rất khó giải quyết vấn đề về nền móng, do vậy đã chọn kết cấu tường chắn đất

có cốt là loại tường bằng vật liệu mềm cho phép có những biến dạng lớn mà không bị phá hoại đột ngột trong khi vẫn giữ được ổn định chung của công trình

Cũng ngay từ những năm mới ra đời (1966-1969), ở nhiều đường cao tốc của Pháp đã xây dựng các tường chắn đất có cốt để làm nền đường tách đôi 2 chiều xe chạy với 2 bậc cao thấp khác nhau (đề đảm bảo ổn định nền đường) hoặc làm những đường đắp cao trên đoạn dẫn lên các cầu vượt ở các chỗ giao nhau giữa các đường khác cao trình trong đô thị ( để hạn chế giải phóng mặt bằng do không phải đắp mái taly) và đặc biệt

là để xây dựng cả những tường kè cảng như tường kè bến cảng Montréal (Canada), ụ tầu ở Strasbourg, tường cảng ở Boulogne, La Grand Motte (Pháp)

Năm 1971 đánh dấu bước phát triển của tường chắn khi người ta bắt đầu sử dụng bê tông cốt thép làm vỏ cho tường chắn với các hình dạng khác nhau, có thể tạo mỹ thuật trên bề mặt tường;

Năm 1972 hàng loạt các công trình tường chắn có cốt được xây dựng trên thế giới như:

ở Pakistan xây dựng công trình tường chắn đất có cốt với vách thẳng đứng cao 40 m, trong khi đó ở Pháp người ta cũng đã ứng dụng công nghệ này vào việc thi công các

mố cầu chịu nén lệch tâm (mố cầu Thionville cao 12 m, chịu tải trọng từ gối cầu truyền xuống tới 750 tấn và độ lún định trước là 20 cm), và ở Mỹ tại bang California một công trình tường chắn sử dụng lưới cốt thép đã được xây dựng tại đây;

Năm 1972 - 1976 các nghiên cứu phát triển vật liệu cốt về hình dáng (độ liên kết dính cao) mạ kẽm (tăng tuổi thọ của cốt), vật liệu cốt Polyme đã làm cho các công trình tường chắn có cốt ngày càng bền vững hơn và được ứng dụng rộng rãi;

Năm 1978 trên thế giới đã xây dựng khoảng 2.000 công trình tường chắn có cốt, trong

năm 2012 có hơn 50 000 công trình được xây dựng (hơn 40 000 000 m2 tường), bao gồm hơn 10 000 mố cầu

Tường chắn đất có cốt là một trong những bước phát triển lớn và đột phá trong lĩnh vực xây dựng liên quan tới kè chống xói lở, sụt trượt mái taluy, ứng dụng làm đường đầu cầu thành phố với mái dốc 90 độ, kè bờ sông, bờ biển, nâng cấp mở rộng mặt đường về phía mái taluy âm khi bị hạn chế về diện tích…

Ngày nay, việc ứng dụng vật liệu mới vào ngành xây dựng càng trở nên phổ biến Đặc biệt sử dụng vật liệu địa kỹ thuật cho công trình ngày một được chú trọng, phát triển rộng rãi Việc ứng dụng này mang đến nhiều lợi ích cho chủ đầu tư cũng như các bên tham gia xây dựng công trình như: Giá thành rẻ; thời gian thi công nhanh, vật liệu thân thiện với môi trường

Tường chắn đất có cốt ngày càng được ngành xây dựng quan tâm, phát triển nhân rộng

vì có những ưu điểm vượt trội so với tường chắn bê tông cốt thép hoặc tường chắn đá hộc xây truyền thống như sau:

+ Vật liệu thân thiện với môi trường, dễ dàng làm xanh hóa bề mặt bằng thảm thực

vật;

+ Vượt được khẩu độ chiều cao lớn mà tường bê tông cốt thép truyền thống không làm được;

+ Tường kè có thể thẳng đứng lên đến 90 độ, chiều cao kè lên tới 45-50m;

+ Hình dáng dễ uốn lượn mềm mại theo địa hình, không kén chọn các loại vật liệu đắp;

+ Thi công nhanh, dễ dàng;

+ Giá thành rẻ tiết kiệm khoảng 10-30% chi phí so với giải pháp truyền thống;

+ Vật liệu được sản xuất từ polymer tổng hợp như: Polyester, HDPE, Polypropylene trơ bền với môi trường tự nhiên, cường lực cao, độ giãn dài thấp, bền vững, lâu dài

ột số công trình được xây dựng điển hình trên thế giới:

Hình 1- 2 :Một số công trình áp dụng công nghệ đất có cốt cho công trình thủy lợi trên

thế giới

1.1.2 Tổng quan về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam

Ở Việt Nam, nguyên lý đất có cốt cũng được cán bộ và công nhân ngành giao thông nước ta vận dụng để xây dựng và phục vụ đường sá trong chiến tranh chống Pháp và chống Mỹ Những năm chiến tranh đó, khi khôi phục đường bị bom đạn địch phá hoại, các đội quân bảo đảm giao thông đã đắp lại đường với mái dốc taly bằng cách lót thêm các lớp cành tre và đặc biệt là các lớp bổi (thuật ngữ miền Trung) tức là các lớp cành cây nhỏ rải thêm giữa các lớp đất đắp, nhờ đó giảm khối lượng đắp lại nhằm nhanh chóng khôi khục đường cho kịp thông xe ra tiền tuyến

Với thực tế đó, từ năm 1972 GS Đặng Hữu đã viết tài liệu đầu tiên về nguyên lí đất

có cốt (chuyên san thông tin KHKT của Ủy ban KH&KT Nhà nước số 4 tháng 4/1972)

và cũng đã tổ chức nghiên cứu kiểm nghiệm lại nguyên lí đất có cốt bằng thiết bị nén 3 trục Đến tháng 6/1973 một mô hình thí điểm về tường chắn có cốt cao 4,25 m đã được xây dựng trên đoạn đường dẫn từ Đê La Thành xuống 1 khu tập thể gần Cầu Giấy (Hà

Nội), tường chắn thí điểm sử dụng cốt là các dải cao su được cắt ra từ lốp ô tô phế thải rộng 6cm dày 0,5cm được nối với vỏ bằng bu lông φ50, vỏ tường là vỏ thùng nhựa cũ cao 25 cm (như vỏ kim loại của H Vidal) và công trình này vẫn còn tồn tại đến ngày nay Từ năm 1999 đến nay, cùng với các dự án xây dựng mới và khôi phục cầu đường

ở nước ta, các công trình đất có cốt đã tìm được chỗ ứng dụng và ngày càng được sử dụng nhiều hơn Lý do chủ yếu là khi xây dựng các đường dẫn đầu cầu hoặc các chỗ giao nhau khác mức trong đô thị, xây dựng tường chắn đất có cốt sẽ giảm được mặt bằng chiếm dụng đất hơn nhiều so với nền đắp có mái dốc, giảm được nhiều chi phí xây dựng Một số công trình tường chắn đất có cốt đã được xây dựng ở nước ta như: tường chắn đất có cốt trên quốc lộ 5 đoạn cắt qua nút giao Lạch Tray (Hải Phòng), công trình tường chắn đất có cốt cho đường dẫn lên đầu cầu vượt Ngã Tư Vọng ở Hà Nội, đường dẫn lên đầu cầu vượt Sóng Thần ở thành phố Hồ Chí Minh, đường dẫn lên đầu cầu vượt Hòa Cầm ở thành phố Đà Nẵng, cầu Chợ Dinh trên đường từ Huế đi Thuận An, đã được xây dựng và đã cho thấy được những ưu điểm của nó Trong những năm sắp đến với các dự án mới về xây dựng công trình GTVT, đặc biệt hệ thống đường cao tốc, cải tạo đường sắt, loại công trình tường chắn đất có cốt còn có nhiều cơ hội để ứng dụng và phát triển mạnh

Hình 1- 3 : Đường vành đai 2–Hà Nội Hình 1- 4 : Tường chắn đầu cầu Cam Lâm

Hình 1- 5 : Tường chắn đất cao 21m tại Đồi Ba Đèo – Quảng Ninh

1.2 Các nguyên lý đất có cốt về mặt cơ học

1.2.1 Nguyên lý cơ bản của đất có cốt

Đất có cốt hoặc động theo nguyên lý của vật liệu composite, gồm hai thành phần là đất

và cốt Bởi vậy, nguyên lý cơ bản của đất có cốt liên quan mật thiết đến tính chất của đất và cốt Đất có độ bền nén tương đối cao, trong khi đó cốt thường là vật liệu chịu kéo tốt và được bố trí nằm ngang để hạn chế chuyển vị ngang của khối, do đó làm giảm chuyển vị ngang, dẫn đến tăng khả năng chịu lực của khối

Hình 1- 6 Mô phỏng sắp xếp hạt đất và cốt

Trong tường, khối đất có cốt được xem như là mẫu nén 3 trục với trị số áp lực hông:

trong đó: K là hệ số áp lực ngang của đất, nếu ở trạng thái tĩnh có thể sử dụng công

thức K =K0 = −1 sinϕ (Jaky,1994) cho đất cát

Trong thí nghiệm nén 3 trục, dưới tác dụng của tải trọng nén thẳng đứng (σ σ1− 3 ), mẫu đất sẽ bị biến dạng nở hông Ở chế độ tải trọng này, mẫu đất không có cốt sẽ biến dạng thẳng đứng là δ và biến dạng nở hông là v δn / 2 ; mẫu đất có lớp cốt nằm ngang

có biến dạng thẳng đứng là δ và biến dạng nở hông là VT δhr / 2, trong đó: δVT <δV và

δ <δ Mức giảm biến dạng này là do tác dụng của lớp cốt chịu kéo làm hạn chế nở hông dẫn đến hạn chế chuyển vị đứng Cơ chế này tương ứng với việc tăng áp lực hông và đây là nguyên lý làm việc cơ bản của cốt trong khối đất gia cố

a, Trường hợp đất không có cốt b, Trường hợp đất có cốt

Hình 1- 7 : Tác dụng của cốt đối với đất với đất

Như vậy, việc bổ sung cốt làm giảm biến dạng của đất, cải thiện độ bền của đất Giới hạn về độ bền của đất có cốt thể hiện qua sự kéo đứt cốt hoặc do trượt ở trên bề mặt tiếp xúc đất-cốt

1.2.1.1 Sự neo bám giữa cốt và đất

Việc truyền lực giữa cốt và đất hay sự tạo ra sức neo bám giữa đất và cốt phụ thuộc vào cấu tạo hình dạng cốt và có hai phương thức cơ bản là phương thức truyền lực thông qua ma sát giữa chúng và phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất Đối với các loại cốt như cốt dạng đai mỏng, cốt dạng tấm, cốt dạng khung, dạng lưới, dạng mạng (lưới hoặc mạng polime), tất cả đều truyền lực thông qua ma sát Nhưng chỉ những loại cốt dạng khung, dạng lưới, dạng mạng là những loại cốt có các phần tử vuông góc với phương truyền lực kéo thì mới có thêm phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất (tức là mới có hiệu ứng neo)

a, Nhìn theo chiếu đứng b, Nhìn trên mặt bằng

Hình 1- 8 : Cốt dạng khung, dạng lưới bằng thép tròn tạo ra sức cản bị động của đất

nhờ có các thanh cốt bố trí vuông góc với phương truyền lực P R p

1.2.1.2 Phương thức truyền lực thông qua ma sát gữa cốt và đất

Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát giữa cốt và đất được miêu tả ở hình dưới đây:

Hình 1- 9 : Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát giữa cốt và đất

Sự cân bằng của một phân đoạn nhỏ đất có cốt dl với bề rộng b, ta có thể thấy lực

truyền qua dl là:

trong đó: τ - ứng suất cắt trượt do ma sát bề mặt trên mặt tiếp xúc giữa đất và cốt

trong phân đoạn dl

v

τ µ σ= ×

(1.3) ới: σ ứng suất pháp tác dụng trên bề mặt cốt; Hệ số ma sát giữa cốt và đất

trong đó:

L: chiều dài cốt;

PR f R: lực kéo tuột (sức chống kéo tuột)

Phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất

Với cơ cấu truyền lực thông qua sức cản bị động của đất được xác định theo quan hệ sau:

PR p R: sức chống kéo tuột do cốt truyền cho đất thông qua sức cản bị động của đất;

σR v R: ứng suất pháp tác dụng trên mặt cốt;

n: số lượng các phần tử cốt vuông góc với phương truyền lực kéo;

AR b R: diện tích tiếp xúc với đất của một thanh nằm ngang;

NR p R: hệ số sức cản bị động của đất (hệ số này được xác định bằng phương pháp thí nghiệm kéo tuột cốt chôn trong đất và phụ thuộc vào cường độ của đất cũng như khả năng xốp nở của đất khi đất bị biến dạng trượt)

Như vậy với những loại cốt tạo ra cả hai phương thức truyền lực là ma sát và sức cản

bị động của đất thì tổng sức kéo tuột của cốt trong đất là:

PR f R: sức chống kéo tuột do ma sát tạo ra;

AR s R : diện tích bề mặt của các đơn nguyên cốt;

PR p R : sức chịu kéo tuột do cốt truyền cho đất thông qua sức cản bị động của đất

Tóm lại: Qua sự phân tích giữa cốt trong đất ta thấy để thực hiện được một công trình tường chắn bằng đất có cốt thì phải bảo đảm được các điều kiện sau:

1.2.2 Cấu tạo tường chắn đất có cốt

Hình 1- 10 : Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một công trình tường chắn có cốt

a) Về vật liệu cốt

C ốt kim loại

Cốt kim loại làm tường chắn đất có cốt có thể được chế tạo dưới dạng đai mỏng (có gờ

hoặc không có gờ), dạng khung, dạng lưới, dạng thanh neo… nhưng được dùng phổ

biến là cố dạng đai mỏng và cốt dạng khung

Dù dùng loại cố nào thì cường độ chịu kéo của thép chế tạo cốt cũng phải đảm bảo có

trị số tối thiểu dưới đây:

- Thép cacbon dày dưới 16mm: 340 N/mm2

-Thép cacbon tròn đường kính dưới 40mm: 385 N/mm2

- Thép không gỉ dày dưới 10mm: 510 N/mm2

Với thép mạ, khối lượng trung bình lớp mạ kẽm của một mẫu thử không được nhỏ hơn 100g/m2

Thép không mạ không được dùng làm cốt khi tuổi thọ thiết kế trên 60 năm

Chiều dày dự phòng cho phép cốt có thể bị ăn mòn (chấp nhận thí bỏ, không được tính vào phần tiết diện làm việc của cốt) trên mỗi bề mặt tiếp xúc với đất đắp được xác định tùy thuộc tuổi thọ thiết kế

Cốt dạng đai mỏng không được cấu tạo có về dày nhỏ hơn 3mm và chiều rộng không

nhỏ hơn 30mm (thường dày 5mm rộng 40 ÷ 70mm) Bề mặt cốt có thể có gờ hoặc không có gờ Chiều dài cốt được xác định theo phương pháp tính toán thiết kế

Cốt dạng khung gồm các thanh dọc và thanh ngang bằng thép làm tăng sức chống kéo

tuột của đất nhờ hiệu ứng neo Các khung cốt thường cũng được bố trí với khoảng cách thẳng đứng giữa các lớp (hàng) cốt từ 0,5 ÷ 0,75cm Loại cốt này được liên kết

với tấm mặt vỏ tường bằng bulông xuyên qua lỗ ở bản mấu đặt sẵn trên mặt vỏ tường

và vòng khuyên ở đầu các thanh cốt dọc

C ốt Polime

Cốt polyme thường dùng làm tường chắn đất có cốt cũng được chế tạo dưới dạng tấm (các loại vải địa kỹ thuật), dạng lưới hoặc dạng mạng

Khi dùng cốt bằng vải địa kĩ thuật thì nên chọn loại vải dệt có cường độ chịu kéo đứt

tối thiểu là 25 kN/m và tùy theo yêu cầu thiết kế có thể chọn loại có cường độ chịu kéo đứt tới 30, 40, 50, 75, 100 kN/m

b) Yêu cầu về tường bao

Mặt tường bao cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Tạo kết cấu hình dạng mặt ngoài cho tường chắn và đảm bảo được yêu cầu về tính

mỹ quan;

- Phòng ngừa xói lở đất đắp do mưa, gió ;

- Bảo đảm nước mặt thấm vào khối đất có cốt có thể thoát qua mặt tường ra phía ngoài mà không lôi theo đất đắp sau tường;

- Tùy theo cách sử dụng mà nhà thiết kế sử dụng các loại tường bao khác nhau;

- Tường bao tấm rời bằng bê tông xi măng (BTXM)

C ấu tạo mặt tường bao bằng các tấm bê tông rời

Trong trường hợp mặt tường bao được tạo thành bằng các tấm bê tông ximăng lắp ghép có các khe nối gối cạnh lên nhau kết hợp với một mép gờ chịu nén Toàn bộ mặt tường được đặt lên lớp móng đệm chân tường

Các đặc trưng về yêu cầu đối với tấm cụ thể như sau:

- Tấm có thể có hình dạng chữ thập, chữ nhật, vuông, lục lăng nhưng phải dễ lắp ghép bằng các phương tiện cần trục thông thường ( thường mỗi tấm khoảng 2m2

, nặng khoảng 1,0 tấn và lớn nhất không quá 2,8m2);

- Ngoài các tấm cơ bản, ở hàng dưới chân tường và hàng trên đỉnh tường phải cấu tạo các tấm có dạng đặc biệt ( ½ chữ thập, ½ chữ nhật, ½ lục lăng hoặc có một cạnh theo độ

dốc dọc móng tường chắn ) để tạo được đúng hình dạng mặt ngoài tường theo yêu cầu thiết kế;

- Cường độ bê tông đúc tấm phải đảm bảo yêu cầu lắp ghép chuyên chở an toàn, không bị sứt vỡ khi thi công ( thường yêu cầu mác 200 ÷ 300);

- Kích thước và bề dày tấm còn phải được kiểm toán để chịu được tác dụng chống đỡ

áp lực đất cục bộ

c) Yêu cầu về chốt

Để liên kết giữa tấm mặt tường với cốt kim loai tại các vị trí dự kiến sẽ nối với cốt

phải bố trí sẵn các kẹp hình khuyên ngay từ khi đổ bê tông đúc tấm ở xưởng Cấu tạo chi tiết kẹp hình khuyên và mối nối liên kết với cốt được thiết kế như hình 1-11

Hình 1- 11 : Cấu tạo chi tiết liên kết giữa tấm mặt tường với cốt

d) Yêu cầu thoát nước

Trong mọi trường hợp cần phải có biện pháp hạn chế các nguồn nước (nước mưa, nước mặt, nước ngầm) thấm vào trong khối đất có cốt và thoát nhanh nước đã thấm đó

ra khỏi khối đất có cốt (thường là thoát về phía ngoài mặt tường bao)

Thoát nước mặt phía trên đỉnh tường

Mặt đường trong phạm vi phần xe chạy và lề đường nên dùng vật liệu không thấm nước Dùng rãnh thảo nước để dẫn nước ra khỏi phạm vi tường chắn

Hình 1- 12: Bố trí thoát nước đỉnh tường (cao đến vai đường)

Thoát nước trường hợp phía sau lưng tường chắn đất có cốt tồn tại mạch nước ngầm

Nếu nước ngầm có lưu lượng lớn và phân bố liên tục thì phải làm hào liền nhau, tức là

bố trí tầng đệm thoát nước theo nguyên lí lọc ngược liên tục ở đáy tường

Hình 1- 13 : Bố trí thoát nước từ các vết lệ nước ngầm sau tường

1.3 Các phương pháp tính toán ổn định và ứng suất biến dạng tường chắn đất

Phân tích ổn định là một công việc rất quan trọng đối với các kỹ sư địa kỹ thuật Có rất nhiều phương pháp có thể sử dụng cho công việc này trong đó hai phương pháp chính thường đước sử dụng đó là phương pháp cân bằng giới hạn (Limit Equilibrium Method – LEM) và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM)

1.3.1 Các phương pháp tính toán ổn định tổng thể của tường chắn

1.3.1.1 Phương pháp cân bằng giới hạn (LEM)

Cân bằng giới hạn (Limit Equilibrium Methods – LEM hoặc còn có tên nữa là phương pháp chia phân tố trượt, phân thỏi) Dựa trên cơ sở giả định trước mặt trượt (mặt trượt

có thể là trụ tròn, hỗn hợp hoặc bất kỳ), coi khối trượt như một cố thể, tiến hành phân tích trạng thái cân bằng tới hạn của các phân tố đất trên mặt trượt đã giả định trước Sự

ổn định được đánh giá bằng tỷ số giữa thành phần kháng trượt (lực ma sát, lực dính) huy động trên toàn mặt trượt với thành phần lực gây trượt (trọng lượng, áp lực nước,

áp lực thấm, động đất, )

Phương pháp cân bằng giới hạn với mặt trượt giả định trước, tính toán dựa trên nguyên

lý chung:

- Chỉ những điểm dọc theo mặt trượt nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn, khối trượt xem như một khối thế;

- Dạng mặt trượt được chọn tùy theo từng phương pháp cụ thể;

- Dựa trên cơ sở các phương trình cân bằng tĩnh học đối với toàn khối đất và đối với

từng thỏi được phân nhỏ để tìm hệ số an toàn (Fs) Mặt trượt nguy hiểm nhất sẽ là mặt trượt giả định nào cho hệ số an toàn nhỏ nhất, sẽ tính được bằng cách thử dần

Phương pháp phân thỏi được dùng phổ biến để tính toán ổn định đập đất và nền đất từ những năm 1930 Hiện nay đã có nhiều phần mềm tính toán ổn định được lập theo phương pháp phân thỏi như chương trình của Viện kỹ thuật Châu á (AIT), chương trình Geostudio (Slope/w)

α i

E = E + E

P®i

Qi

Hình 1- 14 : Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i

Xét một thỏi đất được tách ra từ cung trượt tâm O, bán kính R (hình 1-14), các lực tác dụng lên thỏi đất gồm:

Lực ngoài tác động lên đỉnh thỏi đất Qi

Các lực thể tích : Wi (trọng lượng thỏi đất), Fdi (Lực động tác dụng lên thỏi đất);

Các lực tương tác giữa các thỏi đất Ei-1, Ei (thành phần lực nằm ngang phía trái và phải

của thỏi đất); Xi-1, Xi (thành phần lực thẳng đứng bên phía trái và phải của thỏi đất); Các phản lực Ni, Ti của đất dưới mặt trượt giả định tác dụng vào đáy thỏi đất

Ở một trường hợp tính toán cụ thể, về lý thuyết các lực Wi, Fdi, Qilà xác định được và còn lại các đại lượng chưa xác định được ứng với mỗi thỏi đất theo phương pháp tính dồn từ thỏi đất ở đỉnh xuống thỏi đất ở chân gồm các lực: Ei, Xi, Ni, Ti (4 đại lượng)

và tham số xác định điểm đặt của Ei, Ni(2 đại lượng)

Như vậy trong một bài toán phân tích tính ổn định của tường theo phương pháp phân

thỏi (ví dụ có n thỏi), số lượng các đại lượng chưa biết là (6n – 2) đại lượng (Bảng 1-1)

Bảng 1 1 Tổng số đại lượng các lực tác dụng lên khối trượt gồm n thỏi đất

Các lực Ei:Các lực Xi: Các lực Ni: Các lực Ti: Tham số điểm đặt của Ei: Tham số điểm đặt của Ni:

Hệ số an toàn chung Fs:

n-1n-1

n

n

n - 1

n 1

Theo lý thuyết phân thỏi, bài toán tính ổn định tường là bài toán siêu tĩnh (thiếu 2n – 2 phương trình) Do vậy để giải bài toán, phải vận dụng một số thủ thuật: (i) bỏ lực tương tác giữa các thỏi khi tách riêng thành từng thỏi; (ii) Giả thiết đường tương tác – quỹ tích của điểm đặt lực tương tác; (iii) Giả thiết góc nghiêng của lực tương tác

Việc xét đầy đủ lực tương tác giữa các thỏi là yêu cầu phát triển lý thuyết cơ học đất

và nhiều phương pháp tính đã được đề xuất Trong số các phương pháp này Janbu đã dùng thủ thuật giả thiết đường đặt lực tương tác, các phương pháp khác như Spencer, Mogenstern – Price, GLE Canada, , giả thiết góc nghiêng lực tương tác

Các phương pháp tính hệ số an toàn ổn định theo lý thuyết phân thỏi

Như trên đã phân tích, bài toán tính hệ số an toàn ổn định tường theo lý thuyết phân thỏi là bài toán siêu tĩnh bậc cao Hiện nay nhiều nhà khoa học đã đề ra nhiều các giải khác nhau như: bỏ bớt lực tương tác trên các thỏi đất; giả thiết hướng tác dụng của lực tương tác; giả thiết vị trí điểm đặt của các lực tương tác trên một đường cong nhất định,

1 Các phương pháp bỏ bớt lực

a Phương pháp Fellenius

- Các giả thiết

+ Mặt trượt là mặt trụ tròn tâm 0, bán kính R

+ Bỏ qua các lực tương tác giữa các thỏi, tức có Ei = Xi = 0 (hình 1-15)

+ Điểm đặt của Ni tại trung điểm của đáy thỏi

- Hệ phương trình cơ bản

+ Cân bằng hình chiếu theo phương vuông góc với

đáy thỏi

+ Điều kiện Mohr – Coulomb cho hai lực Ni và Ti

- Nhận xét: Hiện nay phương pháp Fellenius chỉ có

giá trị về mặt lịch sử vì không xét đến lực tương tác

giữa hai thỏi

α i

b Phương pháp Bishop đơn giản

+ Mặt trượt là mặt trụ tròn tâm O, bán kính R

+ Bỏ qua thành phần đứng (Xi) của lực tương tác (hình 1-16)

+ Điểm đặt của Ni trùng với trung điểm của

đáy thỏi

+ Hệ số huy động Fs là như nhau đối với các

thỏi và coi là hệ số an toàn ổn định

- Hệ phương trình cơ bản

+ Cân bằng hình chiếu theo phương vuông góc

với đáy thỏi

α i

W

T i i

+ Cân bằng lực theo phương đứng

+ Điều kiện Mohr – Coulomb cho hai lực Ni và Ti

- Nhận xét: hiện nay, phương pháp Bishop đơn giản vẫn được sử dụng rộng rãi và cho

kết quả khá tin cậy

2 Các phương pháp dùng giả thiết hướng tác dụng của lực tương tác

+ Điểm đặt N trùng với trung điểm của đáy thỏi

+ Hệ số huy động Fs là như nhau đối với các thỏi và

lấy làm hệ số an toàn ổn định của tường

α i

W

T i i

- Hệ phương trình cơ bản

+ Phương trình hình chiếu lên hướng vuông góc với hướng tác dụng của lực tương tác

Ri(để loại trừ Ri): Nicos(α - θ) – Wicosθ + Tisin(α - θ) =0 (1.7)

+ Điều kiện bền Mohr - Coulomb: i [(N i ul)tg ' c' l i]

F

1

T = − ϕ+ (1.8) + Phương trình cân bằng mômen; Trường hợp không có ngoại lực là:

∑M/0 = ∑Wi.xi - ∑Ti.R = 0 (1.9)

- Nhận xét:

+ Trong công thức tính hệ số ổn định, nếu θ = 0, ta có biểu thức tính Fs trong phương pháp Bishop đơn giản

+ Khác với phương pháp Bishop đơn giản hoá (có θ = 0), theo phương pháp Spencer

trị số Fm nhận trị số θ như một tham số tính toán cần xác định Như vậy cần có thêm

một phương trình để xác định θ Spencer dùng điều kiện cân bằng của các lực tác dụng lên khối đất trượt (n thỏi) theo phương song song với phương tác dụng của các lực tương tác:

∑// = ∑Wi.sinθ - ∑Ni.sin(α - θ) - ∑Ti.cos(α - θ) = 0 (1.10)

b Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát GLE (General Limit Equilibrium):

Phương pháp này được coi là dạng cải tiến của phương pháp Spencer nên được xếp vào loại phương pháp dùng giả thiết về hướng tác dụng của lực tương tác giữa các

thỏi Sau đây trình bày phương pháp GLE

+ Hệ số huy động Fs là như nhau đối với các thỏi và lấy là hệ số an toàn ổn định của tường

+ Điểm đặt của Ni trùng với trung điểm của đáy thỏi

Trong phương pháp GLE, hàm f(x) = sinx với 0 ≤ x ≤ L (0,L là toạ độ hai điểm chiếu của điểm đỉnh và chân của khối đất trượt lên phương x nằm ngang, λ là một hằng số, đóng vai trò tham số của bài toán cần phải tính toán Phương pháp GLE được coi là phương pháp cải tiến của phương pháp Spencer về góc nghiêng thay đổi của θ, nhưng

về thuật toán giữa θ của Spencer và λ của GLE là như nhau

- Hệ phương trình cơ bản:

+ Chiếu các lực tác dụng vào thỏi theo phương đứng:

∑y = Wi + (Xi-1 - Xi) - Ni.cosα - Ti.sinα = 0 (1.11)

+ Phương trình trạng thái: i [(N i ul)tg ' c' l i]

- Chiếu các lực tác dụng vào khối đất trượt (gồm n thỏi) theo phương ngang và coi các

lực tương tác giữa các thỏi là nội lực:

∑ Fx = ∑ Ni.sinα - ∑ Ti.cosα = 0 (1.14)

- Nhận xét: Phương pháp này chưa tĩnh định được hệ phương trình cơ bản, phải giải

bằng cách tính thử dần, quá trình tính toán thử dần là rất dài và phức tạp, nếu như người sử dụng thiếu kinh nghiệm khi tính toán, bài toán có thể sẽ không hội tụ

3 Các phương pháp dùng giả thiết điểm đặt của lực tương tác

a Phương pháp Janbu tổng quát

- Giả thiết:

+ Mặt trượt dạng trụ tròn, tâm 0, bán kính R

+ Hệ số huy động Fs là như nhau đối với cỏc thỏi

+ Cỏc điểm đặt của cỏc lực tương tỏc giữa cỏc thỏi nằm trờn một đường tương tỏc

+ Điểm đặt của lực N ở giữa đỏy thỏi

α i

Đường tương tác

b

Hỡnh 1- 18 : Sơ đồ lực tớnh toỏn theo phương phỏp Janbu

- Cỏc phương trỡnh cơ bản:

+ Từ cỏc điều kiện cõn bằng của thỏi theo phương đứng cú:

Wi + Xi-1 – Xi – Nicosαi - Ti.sinαi = 0 (1.15) + Từ cỏc điều kiện cõn bằng của thỏi theo phương ngang cú:

Ei-1 – Ei + Ti.sinαi - Ni.cosαi = 0 (1.16) + Từ cỏc điều kiện cõn bằng Momen lấy với trung điểm của đỏy mỗi thỏi cú:

2

b1-i

X2

b1-iX)

tgα2

bi(hiE)

tgα2

bi(hi

Theo nghiên cứu của G.Fredlund thì phương pháp Janbu tổng quát đẹp về mặt lý thuyết nhưng khó có lời giải thực tế vì bài toán rất khó hội tụ với giả thiết một đường tương tác lực

b Phương pháp Janbu đơn giản hóa: Khác với phương pháp Janbu tổng quát, phương

pháp Janbu đơn giản hóa chấp nhận sơ đồ lực của Bishop (tức bỏ thành phần lực tương tác tiếp tuyến với mặt phân thỏi) nhưng vẫn đảm bảo hệ lực đồng quy và đa giác lực khép kín

Để làm chính xác hóa trị số hệ số an toàn tính được theo các bước tính toán như đã nêu

ở phương pháp Janbu tổng quát với Xi = 0; hệ số an toàn được hiệu chỉnh bằng hệ số

f0 xác định theo biểu đồ

Trong đó: fo là hệ số xác định theo biểu đồ phụ thuộc tỷ số B/C của tường

F(Xi = 0) – trị số an toàn tính toán

Hai hạn chế cơ bản của LEM là:

− Bỏ qua mối quan hệ ứng suất biến dạng của đất;

− Kết quả tìm được phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của kỹ sư Nên nhớ giải bài toán ổn định bằng LEM là một quá trình thử sai với giả thiết là vị trí và hình dạng mặt trượt phải được đưa vào từ đầu

1.3.1.2 Phương pháp ứng suất phần tử hữu hạn (FEM)

Khác với LEM, các phương pháp số cho phép phân tích bài toán tường một cách linh hoạt hơn cả về phương diện hình học của tường cũng như tính dị hướng và ứng xử phi tuyến của vật liệu Các phương pháp số đã và đang được đưa ra, thiết lập, hoàn thiện

và áp dụng vào tính toán phân tích bài toán địa kỹ thuật Nổi bật lên trong phương

phap số, có thể nói đến phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Dựa trên cơ sở phân tích ứng suất theo toàn miền của công trình dùng các thuyết bền như: Morh – Coulomb, Hill – Tresca, Nises – Shleiker,… kiểm tra ổn định cục bộ tại

mỗi điểm trong toàn miền Công trình sẽ mất ổn định tổng thể khi tập hợp các điểm

cục bộ bị mất ổn định làm thành một mặt liên tục

Theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), hệ số an toàn được xác định theo phương pháp triết giảm cường độ kháng cắt Theo phương pháp này, các thông số cường độ của đất được giảm dần cho tới khi mô hình tường mất ổn định Hệ số an toàn chính là

tỷ số giữa cường độ kháng cắt của đất và cường độ kháng cắt tối thiểu mà tại đó tường

ổn định Hay nói cách khác, hệ số an toàn là hệ số mà cường độ kháng cắt của đất cần phải giảm để tường đạt tới trạng thái tới hạn

Phương pháp triết giảm cường độ kháng cắt :

Xét một diện tích đơn vị (ví dụ 1m2) trong khối đất nghiêng góc α đang ở trạng thái cân bằng bền, chịu tác dụng của lực cắt τ (kN/m2), lực nén vuông góc σ (kN/m2) và áp lực nước lỗ rỗng là u (kN/m2), (hình 1-19) Có thể tính được cường độ chống cắt trên đơn vị diện tích ấy theo chỉ tiêu chông cắt của đất theo định luật Coulomb

τ = σ− ϕ + (1.20) Đối với một loại đất, đường Coulomb không đổi do các trị số φ’ và c’ không đổi

Vì khối đất được thiết kế ở trạng thái cân bằng bền nên trên một đơn vị diện tích có

Ðường Coulomb

1 2

τ < τ0 (1.21)

Để diện tích đơn vị đang xét là một mảnh của mặt trượt thực (tức ở trạng thái cân

bằng giới hạn), người ta thường giữ nguyên trạng thái ứng suất (tức là giữ nguyên trị

số τ) và giảm trị số của các chỉ tiêu cường độ chống cắt của đất, ví dụ giảm trị số τ0

xuống số τ0m, tức giảm độ nghiêng của đường Coulomb Như vậy sẽ có công thức tính

Theo định luật Coulomb, cường độ chống cắt trên diện tích đơn vị tính theo công thức (1.22)

Theo quan điểm này, trị số τ0 tính theo công thức này được coi là cường độ chống cắt vốn có của đất và đường Coulomb là đường (1) trong hình 1-19 trên

Như vậy, khi F=1 (tức đã huy động hết khả năng chống cắt của đất) thì đất tại nơi đang xét thực sự ở trạng thái câng bằng giới hạn, diện tích đơn vị đang xét thuộc về mặt trượt thực Đường Coulomb (2) trùng với đường Coulomb (1)

Nếu F >1 thì diện tích đơn vị đang xét còn ở trạng thái cân bằng bền với hệ số an toàn

độ huy động (F) tại các nơi trên mặt trượt giả định để làm hệ số an toàn ổn định trượt

của mái đất ứng với mặt trượt đang xét

Nếu như quan niệm rằng mặt trượt tiềm tàng là tập hợp những điểm có biến dạng cắt lớn tại đó tủ số giữa cường độ chịu cắt và ứng suất cắt là nhỏ nhất thì việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tìm kiếm những điểm này là hoàn toàn khả thi Hạn chế của phương pháp phần tử hữu hạn đó là nếu như số liệu đầu vào không phản ánh trung thực sự ứng xử của đất thì kết quả biến dạng tính toán được là hoàn toàn vô nghĩa Và đây chính là lý do chính cản trở sự ứng dụng rộng rãi của phương pháp phần

tử hữu hạn trong phân tính ổn đinh So với phương pháp phần tử hữu hạn, FEM chỉ cần người dùng đưa vào những thông số hết sức dễ tìm như c, φ,γ là đảm bảo giải được kết quả

1.3.2 Các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng của tường chắn đất có cốt

Rất nhiều vấn đề công trình đất đòi hỏi sự hiểu biết trạng thái ứng suất, biến dạng của đất Với mục đích này, những miêu tả và những mô hình toán học đã được phát triển

từ các lý thuyết đàn hồi và lý thuyết dẻo cổ điển Tuy nhiên, đất khác một cách rõ rệt

so với những vật liệu xây dựng khác (như thép hoặc bê tông) do tính phân tán và tính rỗng vốn có của chúng Do sự thay đổi đáng kể về thể tích và độ ẩm Độ chặt, cường

độ và các đặc trưng biến dạng tất cả đều bị thay đổi không phục hồi nên thay đổi gia tải tiếp theo thực ra đã tác động lên một loại đất khác

a, trên phân tố hình hộp b, trên mẫu thì nghiệm ba trục

Hình 1- 20 : Sơ đồ thí nghiệm nén đẳng ứng suất

Một số quan hệ cơ bản được nghiên cứu từ việc xem xét nhiều tổ hợp ứng suất tác dụng lên một phân tố đất (hình 1-20)

Khi có trạng thái ứng suất đẳng hướng tác dụng nghĩa là ứng suất theo cả 3 phương đều như nhau, kích thước ban đầu của phân tố là a, b, c sẽ trở thành a(1-ɛ), b(1-ɛ) và c(1-ɛ) do đó biến dạn thể tích của đất được tính như sau (bỏ đi lượng rất nhỏ)

ở đây ɛ là biến dạng dài

Ví dụ thực tế về trạng thái ứng suất đẳng hướng (để cho gọn sau đây gọi là đẳng ứng suất) có thể thấy ở giai đoạn đầu của thí nghiệm ba trục: khi áp suất buồng đã được tăng thì ứng suất 3 phương lúc này là như nhau, nghĩa là σ1 – σ2 – σ3 = p Khi ứng suất tại hai phương như nhau và khác với ứng suất thứ ba như ở giai đoạn hai của thí nghiệm ba trục thì ứng suất được coi là đối xứng trục

a, Trên mẫu thí nghiệm ba trục khi tăng

tải dọc trục b, dưới tâm của diện đặt tải hình tròn

Hình 1- 21 : Những ứng suất dọc trục

Ứng suất dưới tâm của diện đặt tải hình tròn, như móng các bể chứa, cũng là đối xứng trục vì σx = σy Dưới những công trình rất dài như tường chắn đất và các móng băng không có biếng dạng theo phương dài (ɛy – 0) trừ hai đầu mút, được coi là trạng thái biến dạng phẳng