Nghiên cứu ổn định của tường chắn đất cho các trường hợp đặc biệt của công trình xử lý sạt lở bờ kênh khu vực xã phú tâm huyện châu thành tỉnh sóc trăng

Việc thực hiện đề tài luận văn cao học “Nghiên cứu ổn định của tường chắn đất cho các trường hợp đặc biệt của công trình xử lý sạt lở bờ kênh khu vực xã Phú Tâm- Huyện Châu Thành- Tỉnh S

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRƯƠNG HỮU TÂM

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT CHO CÁC TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT CỦA CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SẠT

LỞ BỜ KÊNH KHU VỰC XÃ PHÚ TÂM- HUYỆN CHÂU

LỜI CAM ĐOAN

Trong thời gian học tập tại trường với sự định hướng của các thầy cô, đồng thời với kinh nghiệm làm việc tại cơ quan, sự giúp đỡ của bạn bè và đồng nghiệp và đặc biệt là

sự giúp dỡ chỉ bảo của thầy TS Nguyễn Quang Tuấn Việc thực hiện đề tài luận văn cao học “Nghiên cứu ổn định của tường chắn đất cho các trường hợp đặc biệt của công trình xử lý sạt lở bờ kênh khu vực xã Phú Tâm- Huyện Châu Thành- Tỉnh Sóc Trăng” tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả tính toán được nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được sử dụng trong bất kỳ công trình nào khác

Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi gõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Người làm luận văn

Trương Hữu Tâm

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sĩ, tôi đã nhận được

sự giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình và quý báo của nhiều cá nhân tập thể

Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể Quý Thầy, Cô trường Đại

học Thủy Lợi Hà Nội và nhất là các Thầy, Cô tại Bộ môn Địa kỹ thuậtcủa trường đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua Tôi xin cảm ơn vì những kiến thức cần thiết, bổ ích và vì những kinh nghiệm mà các Thầy, Cô đã tận tình truyền giảng lại cho tôi để tôivận dụng vào công việc thực tiễn, góp vào hành trang trên bước đường tương lai trong cuộc sống, và có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Tiếp đến, tôi xin gởi lời cảm ơn đến Thầy TS.Nguyễn Quang Tuấn đã tận tình hướng

dẫn, chỉ dạy ân cần, truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu, cung cấp và đề ra định hướng trong suốt quá làm luận văn tốt nghiệp này Tôi xin chân thành cảm ơn thầy

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Công Trình- Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến tất cả các anh chị, các bạn cùng học lớp Cao học CH24ĐKT12đã cung cấp tài liệu, giúp đỡ và đóng góp cho tôi những kiến thức bổ ích

để tôi có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Cuối cùng tui xin trân trọng cảm ơn những người thân trong gia đình, đã luôn động viên giúp đỡ về mặt tinh thần và vật chất để tôi hoàn thành chương trình học tập

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và lượng kiến thức bao la vô tận nên không thể tránh khỏi những thiếu xót nhất định Tôi rất mong được sự đóng góp và ý kiến quý báu của Quý Thầy Cô và bạn bè để ngày càng hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cám ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 5

1.1 Khái quát về tường chắn đất và tải trọng tác động lên tường chắn đất 5

1.1.1 Khái niệm các loại tường chắn 5

1.1.2 Tải trọng và tác động lên tường chắn 6

1.2 Tiêu chuẩn thiết kế tường chắn 7

1.3 Các bước thiết kế tường chắn 8

1.3.1 Chọn mặt cắt tính toán 9

1.3.2 Xác định lực tác dụng lên tường chắn 9

1.3.3 Kiểm tra ổn định tường chắn 10

1.3.4 Kiểm tra điều kiện trượt ổn định tường chắn 10

1.3.5 Kiểm tra điều kiện lật ổn định tường chắn 10

1.3.6 Kiểm tra điều kiện đảm bảo sức chịu tải của nền đất 10

1.3.7 Kiểm tra lún của tường chắn 11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG CHẮN 12

2.1 Lý thuyết tính toán áp lực lên tường chắn 12

2.1.1 Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn 12

2.1.2 Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn phân tố (điểm) 12

2.2 Xác định áp lực tĩnh của đất lên tường chắn 13

2.3 Lý thuyết áp lực đất của C.A.COULOMB 14

2.3.1 Tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất theo lý thuyết C.A.Coulomb 14

2.3.2 Tính toán áp lực bị động nhỏ nhất của đất tác dụng lên tường chắn 20

2.4 Các phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn 21

2.4.1 Tính toán áp lực đất theo lý luận W.J.W.RANKINE 21

2.4.2 Tính toán áp lực đất theo lý thuyết V.V.Xôclovski 28

2.5 Tính toán áp lực đất lên tường chắn trong các trường hợp thường gặp 31

2.5.1 Trường hợp tải trọng ngoài tác dụng lên mặt đất 32

2.5.2 Trường hợp lưng tường gãy khúc và mặt đất phẳng 35

2.5.3 Trường hợp đất đắp sau tường gồm nhiều lớp 36

2.5.4 Trường hợp đất đắp sau tường có nước ngầm 38

2.6 Nhận xét phạm vi áp dụng lý thuyết áp dụng lên tường chắn 39

2.7 Một số vấn đề chú ý khi tính toán áp lực lên tường chắn 40

2.7.1 Việc chọn các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp 40

2.7.2 Ảnh hưởng của sự nở đất và áp lực đất thủy động 42

2.8 Kiểm tra ổn định tường chắn 42

2.8.1 Tiêu chuẩn đảm bảo sự ổn định 42

2.8.2 Tính toán ổn định công trình theo sơ đồ trượt phẳng 44

2.9 Mô hình hóa phân tích ổn định tường chắn 49

2.9.1 Giới thiệu về phần mềm Geo-Slope và các đặc điểm, khả năng mô hình hóa của các modun 49

2.9.2 Bài toán tường chắn và các lựa chọn trường hợp tính 49

2.9.3 Mô hình tính toán hệ tường chắn đất đắp nền 50

2.9.4 Phân tích kết quả tính toán 55

2.10 Tính toán tường chắn theo trạng thái giới hạn 58

2.10.1 Đặt vấn đề tính toán theo TCVN-4253-2012 58

2.10.2 Tính toán tường chắn theo trạng thái giới hạn 59

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ỨNG DỤNG CHO CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SẠT LỞ BỜ KÊNH KHU VỰC XÃ PHÚ TÂM- HUYỆN CHÂU THÀNH- TỈNH SÓC TRĂNG 73

3.1 Đặc điểm địa hình tại khu vực bờ kênh xã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng 73

3.2 Phân tích địa hình khu vực 73

3.2.1 Địa chất 73

3.2.2 Địa chất thủy văn 74

3.2.3 Nhận định và phân tích nguyên nhân gây sạt lở hoặc mất ổn định của công trình 75

3.3 Thiết lập bài toán và tính toán ổn định tường chắn 75

3.3.1 Xử lý bằng cọc bê tông cốt thép 76

3.3.2 Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ I 83

3.3.3 Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ II 87

3.3.4 Kiểm tra ổn định tổng thể công trình bằng phần mềm GeoSlope khi sử dụng giải pháp

cọc bê tông cốt thép 90

3.3.5 Phân tích kết quả và bình luận 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phân loại tường chắn cơ bản 6

Hình 1.2 Mặt cắt ngang công trình 9

Hình 2.1 Biểu đồ cường độ áp lực đất tác dụng lên tường, vòng tròn Mohr biểu diễn ứng suất tại điểm M 14

Hình 2.2 Mô tả tính toán áp lực đất chủ động lớn nhất của đất rời theo lý thuyết C.A.Coulomb 14

Hình 2.3 Hàm số Ec=f(ω) biến thiên theo dạng đường cong 15

Hình 2.4 Mô tả tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất rời theo phương pháp giải tích, biểu đồ đa giác lực 16

Hình 2.5 Mô tả tính toán áp lực đất chủ động lớn nhất của đất dính theo lý thuyết C.A.Coulomb 19

Hình 2.6 Mô tả tính toán áp lực bị động nhỏ nhất của đất tác dụng lên tường chắn 20

Hình 2.7 Mô ta tính toán áp lực theo lý luận W.J.RANKINE đối với đất rời 22

Hình 2.8 Trạng thái ứng suất bị động và các họ đường trượt và biểu đồ cường độ áp lực chủ động 23

Hình 2.9 Trạng thái ứng suất bị động của một điểm, các mặt trượt, biểu đồ cường độ áp lực bị động 23

Hình 2.10 Mô tính toán áp lực theo lý luận W.J.RANKINE đối với đất dính 25

Hình 2.11 Biểu đồ phân bố cường độ và điểm đặt của áp lực chủ động 26

Hình 2.12 Biểu đồ phân bố cường độ và điểm đặt của áp lực bị động 28

Hình 2.13 Mô tả tính toán áp lực đất theo lý thuyết V.V.XÔCLOVSKI 29

Hình 2.14 Mô tả tính toán áp lực đất theo lý thuyết V.V.XÔCLOVSKI 30

Hình 2.15 Sơ đồ tính toán áp lực chủ động của đất lên tường chắn theo phương pháp Coulomb 32

Hình 2.16 Biểu đồ phân bố cường độ áp lực chủ động 34

Hình 2.17 Biểu đồ phân bố cường độ áp lực đất bị động 34

Hình 2.18 Mô tả tính toán tường chắn với tải trọng phân bố đều không kín khắp trên mặt đất phẳng 35

Hình 2.19 Mô tả tính toán tường chắn với lưng tường gãy khúc mặt đất phẳng 36

Hình 2.20 Trình bày dạng phân bố cường độ áp lực chủ động của đất rời khi các lớp đất có chỉ tiêu cơ lý khác nhau 37

Hình 2.21 Biểu đồ phân bố cường dộ áp lực chủ động của đất rời khi các lớp đất có chỉ tiêu cơ

lý khác nhau 38

Hình 2.22 Biểu đồ tính toán áp lực đất trường hợp đất đắp sau tường có nước ngầm 38

Hình 2.23 Lực tác dụng lên thỏi và đa giác lực theo phương pháp Bishop 43

Hình 2.24 sơ đồ tính sức chịu tải của nền và sự ổn định của công trình khi trượt hỗn hợp 47

Hình 2.25 Mặt cắt ngang thể hiện một số kích thước cơ bản 50

Hình 2.26 Thiết lập thông số giới hạn trang vẽ 52

Hình 2.27 Thiết lập tỉ lệ và đơn vị tính toán 52

Hình 2.28 Thiết lập lưới vẽ Grid 52

Hình 2.29 Phát thảo mặt cắt các lớp đất nền, và tường chắn 53

Hình 2.30 Nhập thông số cho lớp đất đắp 53

Hình 2.31 Nhập thông số cho lớp đất 1a Bùn sét 53

Hình 2.32 Thiết lập hoạt tải công trình 54

Hình 2.33 Thiết lập lưới tâm trượt, và lưới bán kính trượt 54

Hình 2.34 Mô phỏng công trình thể hiện mặt cắt tường lớp đất trên phần mềm GeoSlope 55

Hình 2.35 Mô phỏng hiển thị cung trượt và tâm trượt theo phương pháp Bishop 56

Hình 2.36 Mô phỏng cung trượt nguy hiểm bằng phần mềm GeoSlope với tâm trượt nguy hiểm nhất ở trường hợp 4 56

Hình 2.37 Mô phỏng cung trượt nguy hiểm bằng phần mềm GeoSlope ở trường hợp 1 57

Hình 2.38 Mô phỏng cung trượt nguy hiểm bằng phần mềm GeoSlope ở trường hợp 2 57

Hình 2.39 Mô phỏng cung trượt nguy hiểm bằng phần mềm GeoSlope ở trường hợp 3 58

Hình 2.40 Sơ đồ các lớp đất thuộc hố khoan 60

Hình 2.41 Mặt cắt ngang công trình 60

Hình 2.42 Mặt cắt ngang tường chắn 62

Hình 2.43 Sơ đồ biểu thị tính toán và điểm đặt của lực tác dụng trường hợp nguy hiểm 63

Hình 2.44 Sơ đồ áp lực thấm trường hợp (MNN) 64

Hình 2.45 Hình Cung trượt nguy hiểm vẽ bằng AutoCad 70

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí cọc 79

Hình 3.2 Sơ đồ sức kháng trượt của cọc 80

Hình 3.3 Sơ đồ làm việc của cọc và cung trượt nguy hiểm 81

Hình 3.4 Sơ đồ ứng suất tác dụng và phân bố ứng suất tại đáy móng quy ước 88

Hình 3.5 Mô phỏng cọc và nhập số liệu đầu vào trên phần mềm GeoSlope phương án 1 với 2 hàng cọc đứng 91Hình 3.6 Mô phỏng cọc và nhập số liệu đầu vào trên phần mềm GeoSlope phương án 2 với hàng cọc phía sông được đóng xiên 8:1 91Hình 3.7 Mô phỏng kết quả cung trượt và tâm trượt nguy hiểm phương án 1 với 2 hàng cọc đứng 92Hình 3.8 Mô phỏng kết quả cung trượt và tâm trượt nguy hiểm phương án 2 với hàng cọc phía sông đóng xiên 8:1 92

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

Bảng 2.1 Hệ số áp lực hông Ko 14

Bảng 2.2 Trị số góc ma sát giữa đất đắp và lưng tường 18

Bảng 2.3 hệ số áp lực đất chủ động 𝝀𝒄𝒅 ∗theo thuyết Xôcôlovxki 31

Bảng 2.4hệ số áp lực đất bị động 𝝀𝒃𝒅 ∗theo thuyết Xôcôlovxki 31

Bảng 2.5 Kích thước cơ bản tường chắn 51

Bảng 2.6 Khai báo tải trọng đầu vào và cao trình mực nước 51

Bảng 2.7 Khai báo chỉ tiêu cơ lý đất 51

Bảng 2.8 Tổng hợp hệ số an toàn các trường hợp xảy ra tính toán theo phương pháp Bishop58 Bảng 2.9 Tổng hợp số liệu địa chất các lớp đất trong hố khoan [5] 61

Bảng 2.10 Hệ số rỗng trong thí nghiệm nén lún [5] 61

Bảng 2.11 giá trị kích thước cơ bản tường chắn 62

Bảng 2.12 Hệ số vượt tải [8] 65

Bảng 2.13 Kết quả tổng hợp lực và cánh tay đòn của trường hợp tính toán 65

Bảng 2.14 Giá trị tính toán ứng suất thành phần 66

Bảng 2.15 Giá trị tính toán ứng suất trong trường hợp nguy hiểm 66

Bảng 2.16 Tổng hợp giá trị tính toán kiểm tra hình thức trượt 67

Bảng 2.17 Chỉ tiêu các lớp đất cần xét trượt 67

Bảng 2.18 Tính toán ứng với ϕtb=9.1° 68

Bảng 2.19 Kết quả tính toán hệ số an toàn theo số liệu chỉ tiêu cơ lý đất cho trường hợp nguy hiểm nhất 70

Bảng 3.1 Tính toán sức chịu tải của cọc theo vật liệu 76

Bảng 3.2 Tổng hợp tính toán sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép 30cm x30cm 78

Bảng 3.3 Tổng hợp tính toán sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép 35cmx35cm 78

Bảng 3.4 Tổng hợp sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép theo đất nền Qa (T) 78

Bảng 3.5 Tính toán số lượng cọc 79

Bảng 3.6 Kết quả tính toán moment uốn của cọc theo độ bền vật liệu 81

Bảng 3.7 Kết quả tính toán moment uốn của cọc theo điều kiện ngàm dưới mặt trượt 82

Bảng 3.8 Tính toán lực kháng trượt của cọc 82

Bảng 3.9 Tính toán tải trọng đứng và tải trọng ngang tác dụng lên cọc 83

Bảng 3.10 Ứng suất bản thân 87

Bảng 3.11 Trị số ứng suất các điểm nằm trên trục đi qua điểm A và B 88

Bảng 3.12 Kết quả tính toán lún tại mép A 89

Bảng 3.13Kết quả tính toán lún tại mép B 89

Bảng 3.14 khoảng cách và lực cắt cọc 35x35 (cm) 90

Bảng 3.15 Hệ số an toàn công trình khi chưa xử lý và xử lý bằng cọc bê tông cốt thép tiết diện 35x35cm, dài 19m 93

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Khi tính toán thiết kế nền móng theo trạng tới hạn cần phải phán đoán các hình thức trượt của nền, khả năng trượt phẳng, khả năng trượt hỗn hợp hoặc khả năng trượt sâu Các trường hợp này đều tính toán rất phức tạp và khối lượng tính toán rất nhiều

Một số tường chắn có hệ số cấp công trình quan trọng, nên khi phải xét tính toán các trường hợp nguy hiểm về tải trọng, xu hướng sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng bài toán là phổ biến

Việc sử dụng phần mềm chuyên dụng tính toán nền móng tường chắn theo trạng thái giới hạn sẽ cho thấy được tổng thể các trường hợp ứng suất và chuyển vị của cả hệ công trình Điều này giúp cho người thiết kế cảm nhận trực quan và nhanh chóng lựa chọn được phương án thiết kế hợp lý và xét được các trường hợp làm việc của tường chắn Đồng thời sử dụng phần mềm chuyên dùng sẽ phát hiện những trường hợp mất

ổn định của tường chắn mà các phương pháp tính toán không thể xác định được do khối lượng tính lặp không đạt yêu cầu Tuy nhiên một số tùy chọn trong việc mô phỏng, nếu chọn không sát với thực tế thì dẫn đến kết quả sai số lớn

Vì vậy việc tính toán tường chắn đất theo trạng thái giới hạn cho một số trường hợp nguy hiểm khi sử dụng phần mềm địa kĩ thuật chuyên dùng, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Cùng chia sẻ với các đồng nghiệp các đánh giá, so sánh, ưu điểm, nhược điểm về mặt kỹ thuật Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng đóng góp vào sự an toàn lâu dài của hệ công trình

II Mục đích của đề tài:

Nghiên cứu giải pháp ổn định tường chắn cho công trình sạt lở bờ kênh khu vựcxã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phần mềm ứng dụng nhiều tiện ích, nổi tiếng của Slope với 3 mô đun Seep/W, Slope/W, Sigma/W của Canada, đến nay đang sử dụng rộng rãi ở Việt Nam là GeoStudio 2007 để tính toán ổn định

Geo-Thu thập, phân tích đặc điểm địa hình, địa chất, chế độ thủy văn, thủy lực, tình hình xói lở và công trình kè đã thi công xây dựng xong cho bờ kênh khu vực xã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng thuộc vùng Đồng bằng sông Cửu Long Lấy đó làm trường hợp nghiên cứu, phân tích của luận văn

b Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền khu vựcxã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng Tổng hợp, phân tíchđiều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, đánh giá tình hình xói lở bờ kênh

Khái quát về tường chắn, tải trọng tác động và tính toán ổn định tường chắn

Nghiên cứu các phương pháp tính toán áp lực đất và ổn định tường chắn

Giới thiệu phần mềm GeoSlope, tính toán ổn định tổng thể bờ kênh cho trường hợp hiện trạngcông trình thông qua sử dụng phần mềm GeoSlope – Studio vớimô đun Slope/W để tính toán

Mô phỏng mô hình bài toán tường chắn cho đoạn kênhkhu vựcxã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng

Nghiên cứu ổn định tường chắn, sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn Đánh giá kết quả, so sánh mức độ tin cậy trong phần mềm GeoSlope – Studio

Nghiên cứu giải pháp xử lý sạt lở bờ kênh bằng cọc bê tông cốt thép bảo vệ bờ kênh Đánh giá kết quả tính toán ổn định của hệ tường chắn và hiệu quả của giải pháp sử dụng cọc bê tông cốt thép

c Phương pháp nghiên cứu

Thu thập tài liệu công trình, tài liệu khảo sát đất nền

Phương pháp nghiên cứu mô hình, mô phỏng tính toán ổn định thông qua phần mềmGeo Slope kết hợp nghiên cứu lý thuyết, so sánh kết quả cho thấy mức độ tin cậy phần mềm GeoSlope

d Kết quả đạt được

Đánh giá,phân tích điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thủy lực, diễn biến xói lở, đánh giá nguyên nhân gây sạt lở bờ công trình bờ kênh khu vựcxã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng

Giới thiệu phần mềm GeoSlope - Studio – 2007 và phương pháp cân bằng giới hạn, dùng mô đun Slope/W để tính toán ổn định bờ kênh cho trường hợp hiện trạng thể hiện cung trượt nguy hiểm để có căn cứđưa ra giải pháp xử lý ổn định

Kiểm tra, tính toán ổn định công trìnhtheoTCVN-4253-2012, so sánh kết quả tính toán

Phân tích, đánh giá kết quả tính toán ổn định của hệ tường chắn và khối đất để xác định hiệu quả kỹ thuật của giải pháp sử dụng cọc bê tôngcốtthépcủa bờ kênh khu vựcxã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng

e Cấu trúc luận văn

Luận văn này gồm96trang, có 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về tường chắn đất và tiêu chuẩn thiết kế

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định tường chắn

Chương 3: Phân tích và tính toán ổn định ứng dụng cho công trình xử lý sạt lở bờ kênh khu vực xã Phú Tâm- huyện Châu Thành- tỉnh Sóc Trăng

Không kèm theo phụ lục và có 14 tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

1.1 Khái quát về tường chắn đất và tải trọng tác động lên tường chắn đất

1.1.1 Khái niệm các loại tường chắn

Tường chắn là loại công trình chắn đất, có mái thẳng đứng; gãy khúc hoặc nghiêng đối với đất đắp hoặc mái đào hố móng v.v…với kết cấu công trình dung để giữ khối đất đắp hoặc vai hố đào sau tường khỏi bị sạt trượt Tường chắn đất được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng, thủy lợi, giao thông Khi làm việc lưng tường chắn tiếp xúc với khối đất sau tường và chịu tác dụng của áp lực đất

Khi thiết kế tường chắn đất cần tính toán chính xác cẩn thận và đầy đủ tải trọng tác dụng lên tường chắn đặc biệt là áp lực chủ động của đất lên tường chắn không những đảm bảo được an toàn cho công trình mà còn tiết kiệm được nhiêu chi phí xây dựng Người ta có thể phân loại tường chắn dựa trên các cơ sở mục đích sau đây: Theo mục đích xây dựng, theo đặc tính công tác của tường, theo chiều cao tường, theo vật liệu xây dựng tường, theo độ nghiêng của tường hay theo phương pháp thi công xây dựng tường, theo độ cứng, v.v… Trong đó việc phân loại tường theo độ cứng là yếu tố quan trọng nhất để tính toán sự làm việc đồng thời giữa tường chắn và đất Về cách phân loại này, tường được phân thành các loại như sau:

Tường cứng: là loại tường không có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất mà chỉ có chuyển vị tịnh tiến và xoay Loại tường này thường dùng vật liệu gạch, đá hộc, bê tông

đá hộc, bê tông, tường có chiều cao, rộng, dày thường gần bằng nhau Độ ổn định của loại tường này thường được quyết định do trọng lượng bản thân tường, do đó còn có tên gọi là tường trọng lực

Tường bán trọng lực: loại tường này thường được tạo bởi các cấu kiện bê tông cốt thép hoặc nhiều tấm bê tông cốt thép ghép lại với nhau Tường này có chiều dày nhỏ hơn nhiều so với chiều cao và bề rộng của tường Độ ổn định được đảm bảo không chỉ do

trọng lượng bản thân và bản móng mà còn do trọng lượng của khối đất đắp nằm trên bản móng

Tường mềm: là loại tường sinh ra biến dạng uốn khi chịu tác dụng của áp lực đất Loại tường này thường là những tấm gỗ, thép, bê tông cốt thép ghép lại, do đó chiều dày nhỏ hơn nhiều so với chiều cao, bề rộng của tường Nếu bản thân tường chắn đất bị

biến dạng thì nó sẽ làm thay đổi điều kiện tiếp xúc giữa lưng tường chắn với khối đất đắp sau tường, do đó làm thay đổi trị số áp lực đất tác dụng lên lưng tường và cũng làm thay đổi dạng biểu đồ phân bố áp lực đất theo chiều cao của tường Sự ổn định của

loại tường này được đảm bảo bằng cách chôn chân tường vào trong nền Do đó loại tường này còn gọi là tường cọc, tường cừ Để giảm bớt độ chôn sâu trong đất của tường và để tăng độ cứng của tường người ta dùng neo tường vào khối đất [1]

Hình 1 1 Phân loại tường chắn cơ bản

1.1.2 Tải trọng và tác động lên tường chắn

Như khái niệm trên, Tường chắn đất là kết cấu công trình để giữ cho khối đất sau tường được cân bằng, khỏi bị sạt và trượt Tường chắn đất được dùng như một bộ phận của công trình thủy lợi, do đó tải trọng tác động lên nó được đưa về hai tổ hợp: cơ bản

và đặc biệt, theo quy định của TCXD-VN-9152-2012 Tuy nhiên tùy theo đặc điểm làm việc của tường chắn mà mỗi tổ hợp đó đều được phân ra cụ thể khác nhau

Tuân theo các tiêu chuẩn xây dựng, tổ hợp cơ bản như sau:

a) Trọng lượng bản thân tường, tải trọng của đất, các thiết bị và tải trọng cố định đặt trên tường

b) Áp lực đất lên tường chắn và móng tường, kể cả tải trọng phân bố trên mặt đất đắp c) Áp lực nước lên tường chắn và móng tường ứng với mực nước dân bình thường

d) Áp lực nước thấm khi chế độ thấm ổn định hoặc không ổn định nhưng lặp lại đều đặn, với điều kiện các thiết bị thoát nước và chống thấm làm việc bình thường

e) Tác động của sóng

f) Tác động của nhiệt, ứng với biến thiên nhiệt độ trung bình tháng của môi trường xung quanh, lấy theo điều kiện nhiệt độ trung bình năm;

g) Tải trọng gây ra do các phương tiện vận chuyển, máy móc

h) Tải trọng do tàu thuyền và neo buộc gây ra

Tổ hợp đặc biệt bao gồm những tải trọng nêu ở mục a, b, e, g cộng thêm các loại tải trọng sau đây:

i) Tải trọng của động đất

j) Áp lực nước khi mực nước chắn quá mức

k) Áp lực nước thấm phát sinh do các thiết bị thoát nước làm việc không bình thường l) Tác động của nhiệt ứng với sự biến thiên nhiệt độ trung bình hàng tháng của môi trường xung quanh theo năm có biên độ dao động lớn nhất của nhiệt độ đó trong năm m) Tác động do tàu thuyền va đập gây ra

Khi lựa chọn tổ hợp các tải trọng và tác động để tính toán tường chắn, cần xác định rõ xác suất đồng thời xảy ra thực tế của chúng để loại trừ các trường hợp những tổ hợp tải trọng và tác động không thể xảy ra hoặc xảy ra rất hiếm Mặt khác cần dự đoán trước trình tự thi công công trình để đảm bảo không gây ra các trường hợp bất lợi về trạng thái ứng suất công trình và những cấu kiện của nó trong giai đoạn thi công.[2]

1.2 Tiêu chuẩn thiết kế tường chắn

Hiện nay ở Việt Nam đang sử dụng các tài liệu sau đây để thiết kế tường chắn đất bao gồm: a) Hướng dẫn thiết kế tường chắn công trình thủy lợi C4.76

b) Tiêu chuẩn nền công trình thủy công- công trình thủy lợi: TCVN 4253-2012

c) Tiêu chuẩn quy trình thiết kế tường chắn công trình thủy lợi: TCVN 9152-2012 Ngoài ra một số đơn vị còn sử dụng các tiêu chuẩn của Euro Code bao gồm một số các tài liệu như sau:

a Euro code 7 Geotechnical design

Part 1: General rule

Part 2: Ground investigation & testing

b EN 1990 Euro code Basic of Structural Design

1.3 Các bước thiết kế tường chắn

Trong thiết kế tường chắn đất, việc tính toán các áp lực tác dụng lên tường chắn là tương đối phức tạp.Việc giải bài toán được thực hiện một số bước như sau

Chọn mặt cắt cho tường chắn: Dựa trên tài liệu khảo sát địa chất công trình lựa chọn chiều sâu thiết kế, chọn sơ bộ kích thước của tường chắn (kích thước về chiều cao tường chắn, bề rộng móng, bề rộng đỉnh cũng như bề dày tường chắn…)

Xác định các tải trọng từ đó tổ hợp và tính toán các lực tác dụng lên tường chắn Khi tính toán cần tiến hành đối với ba tổ hợp tải trọng tác động:

+ Tổ hợp cơ bản

+ Tổ hợp đặc biệt

+ Tổ hợp tải trọng trong giai đoạn thi công công trình

Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất về khả năng chịu tải (theo ổn định và độ bền) cần được thực hiện theo tổ hợp tải trọng và tác động bất lợi nhất có thể xảy ra trong giai đoạn sử dụng, sửa chữa cũng như trong quá trình xây dựng nhằm đảm bảo cho kết cấu:

+ Không bị phá hoại giòn, dẻo, hoặc theo dạng phá hoại khác, đất nền đảm bảo cường độ…

+ Không bị mất ổn định về hình dạng (tính toán ổn định các kết cấu thành mỏng) hoặc

về vị trí (tính toán chống trượt và chống lật cho tường chắn đất …)

+ Đối với những tường chắn có nền đất thì cần tính toán ổn định tường chắn theo sơ đồ tính toán về trượt; Trượt phẳng, Trượt hỗn hợp, Trượt sâu

+ Đối với những tường chắn đất có nền là đá thì cần tính toán với sơ đồ trượt phẳng và

sơ đồ lật quanh chân tường trước

1.3.1 Chọn mặt cắt tính toán

Việc chọn mặt cắt là xác định các kích thước hợp lý mặt cắt của tường, móng và địa hình khu vực

Hình 1.2 Mặt cắt ngang công trình Kích thước tường được chọn theo kinh nghiệm và theo điều kiện thực tế

Tường chắn được cấu tạo bằng bê tông cốt thép

Mặt cắt tường nên chọn sao cho tiết kiệm được vật liệu, làm việc tốt, ứng suất phân bố đáy móng, phân bố càng đều càng tốt, đơn giản và dễ dàng thi công

1.3.2 Xác định lực tác dụng lên tường chắn

- Áp lực chủ động của đất lên tường chắn Ecd

- Áp lực bị động của đất lên tường chắn Ebd

- Áp lực của nước sông, nước ngầm lên tường chắn Es; Enn

- Trọng lượng bản thân của tường chắn G

- Áp lực đẩy nổi Eđn

- Áp lực thấm Eth

- Tổ hợp các tải trọng trong quá trình thi công (Tải trọng xe, các thiết bị thi công; tải trọng của người đi bộ….)

Tiến hành tổ hợp các tải trọng (có sử dụng các hệ số tin cậy, hệ số tin cậy có thể lớn hơn, hoặc nhỏ hơn 1 để khi tính toán xét đến sự làm việc của kết cấu bất lợi hơn

1.3.3 Kiểm tra ổn định tường chắn

Việc tính toán ổn định của công trình trên nền trọng lực không phải là đá phải theo sơ

đồ trượt phẳng, trượt hỗn hợp và trượt sâu Các sơ đồ trượt kể trên có thể xảy ra theo dạng trượt tịnh tiến hoặc vừa trượt vừa quay trên mặt bằng

1.3.4 Kiểm tra điều kiện trượt ổn định tường chắn

Hình thức trượt phẳng của công trình chỉ xảy ra khi cả 3 điểu kiện sau được thỏa mãn:

− Chỉ số mô hình:

tb

Nb

×

=

h a

t e K

ΣMgl tổng moment của thành phần gây lật (T.m)

1.3.6 Kiểm tra điều kiện đảm bảo sức chịu tải của nền đất

N ≤ NtcKtcN- Tải trọng tính toán trên nền

Ntc- Sức chịu tải của nền

Ktc- Hệ số tin cậy

1.3.7 Kiểm tra lún của tường chắn

Điều kiện: S < Sgh

Lưu ý: Trong trường hợp móng tường chắn đặt lên trên nền là đất, đá có cường độ lớn

ít có nguy cơ hư hỏng do mất ổn định trượt sâu, trượt hỗn hợp, do đó thường phải kiểm tra ổn định về hai mặt: Trược phẳng và lật

Dưới tác dụng của lực ngang, sự trượt hỗn hợp là có thật Tuy nhiên, nếu không xảy ra trượt phẳng và trượt sâu- là hai trạng thái giới hạn thì trượt sâu không thể xảy ra Vì vậy khi tính toán có thể bỏ qua trường hợp tính toán trượt hỗn hợp

Kết luận chương 1

Chương 1 đã tổng hợp được các dạng của tường chắn, điều kiện sản sinh cũng như các loại tải trọng tác dụng Từ đó cho thấy các loại đặc điểm cũng như phân loại theo điều kiện làm việc của tường chắn

Tổng hợp được một số tiêu chuẩn thiết kế thường dùng và các bước cơ bản thiết kế tường chắn, đặc biệt áp dụng đến tường chắn chống sạt lở thích hợp với điều kiện sông ngòi của đồng bằng sông Cửu Long Ngoài ra còn hình thành phương pháp luận cho tính toán thiết kế cả hệ công trình nền, tường và đất đắp

Tổng hợp được các điều kiện kiểm tra ổn định tường chắn đối với bài toán sạt lở bờ sông, bờ kênh trong các công trình thủy lợi

Như vậy, để thực hiện đầy đủ các bước tính toán tường chắn đất , khối lượng công việc

là rất lớn Vậy để giảm được thời gian và tăng phân tích trường hợp làm việc bất lợi của tường, xu hướng sử dụng phần mềm chuyên môn trong tính toán thiết kế là rất quan trọng và ngày càng nhiều Ngoài việc đánh giá ổn định một cách chính xác thì việc mô phỏng của các phần mềm đưa ra thật sự thuận lợi và phù hợp với quy định của các quy phạm hiện hành Các tính toán và phân tích ở các chương sau sẽ phân tích kỹ hơn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG CHẮN

2.1 Lý thuy ết tính toán áp lực lên tường chắn

Lý thuyết áp lực đất là một trong những vấn đề quan trọng và phức tạp của Cơ học đất Gồm hai loại cơ bản khác nhau:

Loại không xét đến độ cứng của tường và loại có xét đến độ cứng của tường ( loại này

có thể tham khảo trong các tài liệu chuyên sâu về tường chắn đất)

Loại không xét đến độ cứng của tường, giả thiết tường tuyệt đối cứng và chỉ xét đến các trị số áp lực đất ở các trạng thái giới hạn là áp lực chủ động và áp lực bị động Về loại này có thể phân thành hai nhóm chính

2.1.1 Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn

Các lý thuyết theo nhóm này đều giả thiết khối đất trượt sau tường chắn, giới hạn bởi mặt trượt có hình dạng trước, như một khối rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn Đại diện cho xu hướng lý thuyết này là lý thuyết A Coulomb (1773) và sau đó được I.V.Pôngxele, K.Culman,… phát triển hoàn thiện thêm [1]

2.1.2 Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn phân tố (điểm)

Nhóm lý thuyết này chủ trương tính toán các chỉ số áp lực đất chủ động và áp lực đất

bị động với giả thiết các điểm của môi trường đất đắp đạt trạng thái cân bằng giới hạn cùng một lúc Lý thuyết này đã được giáo sư V.L.M.Rankine đề ra năm 1857 sau đó được nhiều tác giả phát triển thêm Đặc biệt đến nay lý thuyết cân bằng giới hạn phân

tố được phát triển mạnh mẽ, trước hết phải kể đến các công trình nghiên cứu lý thuyết của viện sĩ V.V.Xôcôlovski Đến nay, lý thuyết tính toán đến áp lực đất có xét đến độ cứng của tường (tường mềm) chưa được nghiên cứu đầy đủ bằng lý thuyết tính toán áp lực đất lên tường cứng loại này được phát triển theo hai hướng

Xu hướng tính gần đúng theo các biểu thức tính toán áp lực đất chủđộng và áp lực đất

bị động đối với tường cứng

Xu hướng tính tường mềm như dầm tựa lên nền đàn hồi và dùng các loại mô hình cơ học về nền để giải Các phương pháp theo xu hướng này không những cho phép xác định áp lực đất lên tường mềm (tức là phản lực nền) mà còn xác định được chuyển vị của tường mềm Lý luận áp lực đất của Xôcôlovski hiện nay được coi là lý luận chặt chẽ về mặt toán học, cho kết quả với độ chính xác khá cao và đúng với các quan sát thực tế, song cũng còn bị hạn chế chủ yếu ở chổ cách thực hiện lời giải quá phức tạp, chưa ra được các lời giải và bảng tính cho mọi trường hợp cần thiết khi tính toán áp dụng thực tế Mặt khác lý luận áp lực đất của C.A.Coulomb chỉ được coi là lý luận gần đúng do những hạn chế của các giả thiết cơ bản Song hiện nay lý luận này được dùng phổ biến để tính toán các trường hợp có áp lực đất chủ động tác động lên tường chắn,

vì các bước tính toán tương đối đơn giản, có khả năng giải được các bài toán thực tế phức tạp và cho kết quả đủ chính xác trong các trường hợp tính toán áp lực đất chủ động, tuy nhiên việc xác định áp lực đất bị động lại có mức sai số khá lớn so với thực

tế [1]

2.2 Xác định áp lực tĩnh của đất lên tường chắn

Xét bài toán với mặt đất sau tường đồng chất nằm trong trạng thái cân bằng bền, đất sau tường phẳng và nằm ngang Giả thiết lưng tường phẳng thẳng đứng và sự có mặt của tường không làm ảnh hưởng thay đổi đến điều kiện làm việc của đất khi đó áp lực của đất tác dụng lên mặt phẳng lưng tường chính là áp lực hông trên mặt phẳng đó trong nền khi không có tường Do khối đất ở trạng thái cân bằng tĩnh nên áp lực đó gọi

là áp lực tĩnh

Cường độ áp lực đất tĩnh được xác định theo công thức sau:

Po=K γ z (2.1)

Trong đó: γ: là dung trọng của đất

z: là độ sâu của điểm M cần tính

Ko : hệ số áp lực hông của đất Hệ số này có thể xác định bằng thí nghiệm hoặc tính theo các công thức sau:Ko=1-µµoo ; Ko=1-sinφ ; Ko=1-sinφ cos φ (2.2)

Hoặc có thể lấy theo bảng (2-1) sau:

Et=12γ H2 Ko (2.3)

Và điểm đặt Ec cách đáy tường 1/3 H

Hình 2.1Biểu đồ cường độ áp lực đất tác dụng lên tường, vòng tròn Mohr biểu diễn

ứng suất tại điểm M

2.3 Lý thuyết áp lực đất của C.A.COULOMB

2.3.1 Tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất theo lý thuyết C.A.Coulomb

2.3.1.1 Tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất rời theo lý thuyết C.A.Coulomb

Hình 2.2Mô tả tính toán áp lực đất chủ động lớn nhất của đất rời theo lý thuyết

C.A.Coulomb

Giả sử có một tường chắn cứng với lưng tường phẳng AB, chắn giữ khối đất đắp rời) sau lưng tường với mặt đất đắp có dạng bất kỳ, không chịu tác dụng của tải trọng ngoài (Hình 2.2) Nếu gọi ε là góc nghiên của lưng tường so với phương thẳng đứng và ω là

góc hợp bởi mặt trượt giả thuyết nào đó với phương nằm ngang, thì ε tại thời điểm xảy

ra trượt sẽ xuất hiện hai mặt trượt AB và BC, tạo thành lăng thể trượt Theo giả thiết thì phương của hai phân lực Ec và R được xác định bởi góc ma sát ngoài δ và góc ma sát trong φ như (Hình 2.2) Điều kiện cân bằng giới hạn được thỏa mãn khi tam giác lực (G, Ec, R) khép kín Do đó, dựa vào hệ thức của tam giác lực (Hình 2.2): có thể rút

ra biểu thức sau đây của áp lực chủ động đối với đất rời lên lưng tường cứng ABC

Tương tự ta có biểu thức tính R:R = G.sin (ω-φ+ψ)sin ψ (2.6)

Trong phương trình (2.4) do đại lượng G thay đổi theo ω, nên Ec là hàm số của ω Để tính toán ổn định của tường phải dựa vào áp lực chủ động lớn nhất Ecmax của đất tác dụng lên lưng tường Do đó, để giải được bài toán áp lực đất C.A.Coulomb để dựng nguyên lý cực trị để đưa thêm vào một phương trình nữa Nguyên lý cực trị là góc ứng với trị số áp lực chủ động lớn nhất (Ecmax) của đất rời lên lưng tường cứng được xác định từ điều kiện: dEc

dω0 (2.7)

Từ phương trình (2.4) có thể thấy rằng hàm số Ec = f (ω) biến thiên theo dạng đường cong (Hình 2.3) đường cong này sẽ cắt trục tại các điểm khi:ω = 90 + ε(2.8)

Tức là Ec= 0 Nếu vẽ đường thẳng tiếp tuyến với đường cong và song song với trục ω

sẽ xác định được trị số áp lực chủ động lớn nhất (Ecmax) và trị số góc trượt ω0

Hình 2.3Hàm số Ec=f(ω) biến thiên theo dạng đường cong

Để xác định được trị số lớn nhất của Ec trong các trị số có thể có, người ta phải giả thuyết nhiều mặt trượt BC có thể xảy ra, để từ đó xác định được trị số Ecmax Dựa vào các điều kiện của bài toán đặt ra (hình dạng lưng tường, hình dạng mặt đất đắp, và tải trọng ngoài tác dụng lên khối đất đắp,v v…) hiện nay thường dùng các phương pháp sau đây để xác định áp lực chủ động lớn nhất Ecmax của đất [1]

a) Thành lập công thức tính toán áp lực đất chủđộng lớn nhất của đất rời theo phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích chỉ dùng để giải bài toán với trường hợp mặt đất phẳng và lưng tường phẳng (Hình 2.4) Từ đáy tường B lên (Hình 2.4) Kẻ trục ma sát BD hợp với phương nằm ngang một góc bằng góc ma sát trong của đất φ Và cũng từ B vẽ trục chuẩn BK hợp với lưng tường một góc (φ+δ) Như vậy trục chuẩn BK sẽ tạo với đường kéo dài của trục ma sát một góc bằng ψ

Hình 2.4 Mô tả tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất rời theo phương pháp giải

tích, biểu đồ đa giác lực

Giả sử BC là một mặt trượt bất kỳ và có góc trượt tương ứng là ω Từ A và C kẻ các đường AE, CF song song với trục chuẩn BK Từ (Hình 2.4) ta thấy rằng tam giác BCF đồng dạng với tam giác lực nên ta có: Ec = GCFBF (2.9)

Trong đó :G =12 γ AB AC sin β (2.10)

Vớiβ = 90o− ε + α

𝛾- dung trọng của đất

Thay (2.10) vào (2.9) ta có: Ec =12 γ AB AC.CFBF sin β (2.11)

Vì CF//AE nên ta có: AC = AD.EDEFvà CF = AE.FDED (2.12)

Thay (2-12) vào (2-11) ta có: Ec =12 γ sin β.AB.AE.ADED2 EF.FDBF (2.13)

Từ biểu thức (2.13) ta thấy rằng AB, AE, AD và ED hoàn toàn không phụ thuộc vào góc trượt ω, cho nên chỉ số cực đại của áp lực chủ động (Ecmax) sẽ tương ứng với trị

số cực đại của biến lượngEF.FD

BF

Nếu ta đặt: A =12 γ sin β.AB.AE.ADED2 và X =EF.FDBF

với lý do trên ta có: Ecmax= A Xmax (2.14)

Do điểm C chưa xác định nên dẫn đến F cũng chưa xác định được nên đặt BF= x là ẩn

số, BE= a và BD= b là những số đã biết

Ta có: X =(x-a)(b-x)x (2.15)

Dựa vào điều kiện (2.7) và (2.14) ta có: dX

đx = 0, sau khi giải ra ta có trị số cực đại của xmax= √a b và đem trị số này vào phương trình 2.15 ta được trị số cực đại của X là Xmax= (√b-√a)2 (2.16)

Xét tam giác ABD ta có góc ADB = φ-α thì theo hệ thức sin trong tam giác lượng ta có:

AB = b.sin(φ−α)sinβ ; AD = AB = b.cos(φ−ε)sin (φ−α)

AE = AB.cos (φ−ε)sinβ ; DE = b − a

Thay AB, AD, AE, DE và (2-16) vào (2-14) đồng thời rút gọn ta có:

H- là chiều cao của tường chắn; δ góc ma sát giữa đất đắp và lưng tường có thể lấy theo bảng (2.2); các đại lượng khác như (hình 2.4)

Bảng 2.2Trị số góc ma sát giữa đất đắp và lưng tường

Trường hợp tường thẳng đứng với lưng tường nhẵn, mặt đất sau lưng tường nghiêng dưới góc bằng góc ma sát trong của đất, tức là (ε=0, δ=0 và α=φ) Từ công thức (2.18)

ta thấy rằng, áp lực đất chủ động (Ecđ) tỷ lệ thuận với chiều cao tường Do vậy cường

độ áp lực đất chủ động tác dụng lên tường tại độ sâu z được tính như sau:

Pc = dEc

dz =dzd �12 γ z2 Kcd� = γ z Kcd (2.20) Biểu đồ cường độ áp lực đất chủ động của đất lên tường theo chiều sâu có dạng tam giác như trên (Hình 2.4b) Điểm đặt của áp lực đất chủ động nằm ở trọng tâm biểu đồ cường độ áp lực, trong trường hợp này, trọng tâm của biểu đồ nằm trên đáy tường là H/3, phương tác dụng của Ec nghiêng một góc δ so với pháp tuyến của lưng tường [1] b) Xác định áp lực đất chủđộng lớn nhất của đất rời theo phương pháp đồ giải Phương pháp này dựa trên những giả thiết cơ bản và nguyên lý tính toán giống như phương pháp giải tích, khác là dùng cách vẽ để xác định áp lực đất chủ động

2.3.1.2 Tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất dính theo lý thuyết C.A.Coulomb

Việc tính toán áp lực đất chủ động lớn nhất, có xét đến ảnh hưởng của lực dính kết là điều cần thiết Trước đây, khi thiết kế thường bỏ qua ảnh hưởng của lực dính vì cho rằng nó chỉ được phát huy trong một điều kiện nhất định, còn khi trong đất đắp xuất hiện vùng biến dạng dẻo dưới tác dụng của trọng lượng bản thân đất cũng như do ảnh hưởng của tải trọng ngoài trên mặt đất đắp, hoặc khi đất nằm trong nước (thường thấy

ở đất đắp sau tường chắn thuộc công trình thủy lợi), cũng như khi nhiệt độ của môi trường xung quanh thay đổi, làm cho kết cấu của khối đất bị phá hoại, thì ảnh hưởng của lực dính không còn nữa Rõ ràng đánh giá ảnh hưởng của lực dính như vậy chưa thỏa đáng

Hình 2.5 Mô tả tính toán áp lực đất chủ động lớn nhất của đất dính theo lý thuyết

C.A.Coulomb

Lý luận áp lực đất của Coulomb có thể mở rộng đối với đất đắp là đất dính, khi xác định áp lực đất chủ động Ecd của đất dính, vẫn dựa vào các giả thiết và nguyên lý tính toán như đất rời, nhưng thêm vào giả thiết, lực dính của đất đắp được xem như tác dụng theo phương của mặt trượt và phân bố đều trên mặt trượt Như vậy ảnh hưởng của lực dính được xét đến qua hai lực tác dụng lên mặt trượt, trên mặt trượt thứ nhất, lực dính được xác định theo công thức (xét bài toán phẳng): 𝑇 = 𝑐 𝐵𝐶���� (2.21) Lực đính tác dụng lên mặt trượt thứ hai (lưng tường) bằng:

To = co AB���� (2.22)

Trong đó: c- lực dính đơn vị của đất đắp

co – lực dính đơn vị của đất đắp với lưng tường

Trong trường hợp này đa giác lực gồm năm lực (G, R, T,To và Ecd) hợp lại cũng phải khép kín Dựa vào đa giác lực (Hình 2.5b) có thể thiết lập được công thức của áp lực chủ động trong trường hợp này dưới dạng:

Trong tính toán nhiều khi để đỡ phức tạp người ta không xét đến lực dính trên lưng tường mà chỉ xét đến lực dính trên mặt trượt BC

Ec = G.sin (ω−φ+ψ)sin (ω−φ) (2.23)

ET = T.sin (ω−φ+ψ)cosφ (2.24)

Để tìm được trị số áp lực chủ động lớn nhất của đất dính (Ecdmax) cũng tiến hành tương

tự đối với đất rời [1]

2.3.2 Tính toán áp lực bị động nhỏ nhất của đất tác dụng lên tường chắn

Nếu dưới tác dụng của lực ngoài, tường chắn chuyển vị về phía đất và gây ra trạng thái cân bằng giới hạn bị động, thì đất sau tường có khả năng bị trượt lên theo mặt trượt BC

và BA (Hình 2.6), ở trạng thái cân bằng giới hạn, lăng thể ABC chịu tác đụng của các lực:

Hình 2.6 Mô tả tính toán áp lực bị động nhỏ nhất của đất tác dụng lên tường chắn Trọng lượng bản thân G của lăng thể trượt ABC; Phản lực R của phần đất còn lại đối với lăng thể ABC; phản lực Eb của lưng tường đối với lăng thể trượt Vì lăng thể ABC

ở trạng thái cân bằng giới hạn và có xu hướng trượt lên trên, nên phương và chiều của các lực tác dụng có thể biểu thị như trên (Hình 2.6 a) Hệ lực tác dụng lên lăng thể cân bằng nên tam giác lực khép kín Từ hệ thức lượng trong tam giác lực có thể dễ dàng rút

ra công thức của Eb, Như sau:

Eb = G.sin (ω+φ+ψ)sin (ω+φ) (2.25)

Công thức (2.25) cho thấy rằng Eb là một hàm số của ω và trị số của E sẽ thay đổi khi

ω thay đổi, nghĩa là ứng với những mặt trượt khác nhau, Eb sẽ có những trị số khác nhau Theo giả thiết của C.A.Coulomb, trị số áp lực bị động Eb là trị số nhỏ nhất của

Eb và mặt trượt ứng với Ebmin là mặt trượt nguy hiểm nhất Muốn tìm Ebmin có thể

dùng phương trình tương tự như trường hợp tính áp lực của đất chủ động đối với đất rời, kết quả của phương pháp giải tích cho trường hợp mặt phẳng nghiêng một góc α so với phương nằm ngang, biểu thức áp lực bị động có dạng như sau:

2.4 Các phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn

2.4.1 Tính toán áp lực đất theo lý luận W.J.W.RANKINE

Dựa vào trạng thái ứng suất trong vật thể bán không gian vô hạn và điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm trong bán không gian đó W.J.W.Ranki ne đã đề ra phương pháp tính toán áp lực đất chủ động và bị động của đất lên tường bỏ qua ma sát giữa đất và tường, nghĩa là ứng suất phân bố trên mặt tiếp xúc giữa đất và tường trong trường hợp

có tường và không có tường như nhau

2.4.1.1 Trường hợp đất rời (φ≠0, c=0)

Lưng tường thẳng đứng, mặt đất nghiêng một góc α so với phương ngang

Xét một phân tố đất M có hai mặt thẳng đứng và hai mặt song song với mặt đất ở độ sâu z như trong trường hợp xác định áp lực tĩnh của đất lên tường

Trong trường hợp này có thể chứng minh được rằng giá trị của ứng suất trên mặt thẳng đứng tương ứng với ba trạng thái ứng suất của phân tố kể trên là:

Hình 2.7 Mô ta tính toán áp lực theo lý luận W.J.RANKINE đối với đất rời Trạng thái ứng suất tương ứng với vòng tròn 1: 𝜎𝑦 = 0𝑏���

Trạng thái cân bằng giới hạn cực tiểu tương ứng với vòng tròn 2 (cường độ áp lực chủ động), Pc = σymax = 0d���� = 0d′ ���� (2.30)

Trạng thái cân bằng giới hạn cực đại tương ứng với vòng tròn 3 (cường độ áp lực bị động), Pb = σymax = 0C����� = 0C′ ���� (2.31)

Để xác định được Ymin ta xét riêng vòng tròn 2(Hình 2.7):

𝜎 𝑦𝑚𝑖𝑛

𝜎𝑧 =0𝑑′0𝑎 =0𝑑0𝑎 =𝑂𝐾−𝐾𝑑�����������𝑂𝐾+𝐾𝑎������������������� (2.32)

Trong đó: OK���� = OO�����cosα; Kd2 ���� = Ka���� = �r2− O�������; r = OO2K2 �����sinφ 2

Pc = σymin =cosα−�sincosα+�sin22φ−sinφ−sin22αα σz (2.33)

Pcd = σymin = γ z Kcd (2.34)

Kcd =cosα−�sincosα+�sin22φ−sinφ−sin22αα cosα (2.35)

Do đó áp lực đất chủ động lên tường chắn được xác định theo công thức sau:

Ec = 12 γ H2 Kcd (2.36)

Hình 2.8 Trạng thái ứng suất bị động và các họ đường trượt và biểu đồ cường độ áp

lực chủ động

Các đường dT2 và dS2 trên (Hình 2.8) chỉ hướng mặt phẳng chính III và I Khi một điểm nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn, thì tại đó sẽ xuất hiện hai mặt trượt cắt nhau một góc (90o- φ) và hợp với mặt phẳng chính I một góc 𝜇 = 45𝑜−𝜑2

Từ trên (Hình 2.8 b, c) cho thấy các họ đường trượt và biểu đồ cường độ áp lực chủ động Tương tự với vòng tròn 3, ta có:

Pb = σymax = OC′����� = y z Kbd (2.36)

Trong đó Kbd- hệ số áp lực bị động được xác định:

Kbd =cosα+�sincosα−�sin22φ−sinφ−sin22αα cos α (2.37)

Vì áp lực bị động Eb của đất lên tường được xác định theo công thức:

2.4.1.2 Trường hợp đối với đất dính: (φ≠0, c≠0) mặt nằm ngang (α=0) và lưng tường thẳng đứng (ε=0)

Trạng thái ứng suất tại điểm M theo chiều sâu z, khi khối đất ở trạng thái cân bằng bền thì lúc đó thành phần ứng suất thẳng đứng được xác định như sau:σz= γ.z

Còn thành phần ứng suất pháp của mặt thẳng đứng sẽ là:σy= γ.z.Ko

Nếu xem khối đất là bán không gian vô hạn thì mọi mặt phẳng đứng đều là mặt phẳng đối xứng của bán không gian, do đó trên mặt phẳng đứng và ngang của ứng suất tiếp đều bằng không Từ đó suy ra ứng suất pháp trên mặt phẳng nằm ngang σz và trên mặt phẳng thẳng đứng σy đều là ứng suất chính tương ứng là σI và σIII Từ hai ứng suất chính này có thể dùng vòng tròn Mohr để biểu thị (Hình 2.10) Do điểm M đang ở trạng thái cân bằng bền nên vòng tròn Mohr I nằm dưới đường bao cường độ chống cắt của Coulomb

Khi tường dịch chuyển ra ngoài khối đất, thì khối đất bị kéo giãn ra phía hông do đó ứng suất của mặt phẳng nằm ngang σz không thay đổi, còn ứng suất pháp của mặt phẳng đứng σy sẽ bị giảm dần, cho đến khi đạt thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn thì dừng lại (gọi là trạng thái chủ động của Rankine), lúc đó σy đạt cực tiểu và ký hiệu

là Pc, Pc là ứng suất chính nhỏ nhất, còn σz= γ.z là ứng suất chính lớn nhất Vòng tròn Mohr II được dựng từ các ứng suất trên sẽ tiếp xúc với đường bao cường độ chống cắt của Coulomb, nếu đất giãn ra tiếp thì chỉ có thể dẫn đến trạng thái chảy dẻo chứ không làm thay đổi trạng thái ứng suất đó

Khi tường dịch chuyển về phía khối đất, thì khối đất bị ép lại từ hai phía hông thì ứng suất pháp của mặt phẳng đứng σy không ngừng tăng lên, còn σz không đổi, cho đến khi khối đất thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn (gọi là trạng thái bị động của Rankine) thì σy đạt giá trị cực đại, ký hiệu là Pb, lúc đó Pb chính là ứng suất chính lớn nhất còn σz =γ.z là ứng suất chính nhỏ nhất Vòng tròn Mohr dựng từ hai giá trị ứng suất này là vòng III tiếp xúc với đường bao Coulomb (Hình 2.10 b) Do khi khối đất ở trạng thái giới hạn chủ động, mặt ứng suất chính lớn nhất là mặt phẳng ngang cho nên mặt trượt làm với mặt phẳng đứng một góc (45o

-φ/2) còn khối đất ở trạng thái cân bằng bị động thì mặt ứng suất chính lớn nhất là mặt phẳng đứng cho nên mặt trượt làm

có tác dụng níu tường lại Trong thực tế tính toán người ta thường bỏ qua vai trò ảnh hưởng của lực dính đến cường độ áp lực đất lên tường với lý do là lớp đất này trên mặt thường bị ảnh hưởng nhiều của môi trường thay đổi trong tự nhiên, nên không phát huy vai trò của nó

Hình 2.11 Biểu đồ phân bố cường độ và điểm đặt của áp lực chủ động

Nếu loại bỏ vai trò phần biểu đồ âm thì biểu đồ phân bố áp lực đất chỉ còn phần tam giác abc

Như vậy tại a thì Pcd = 0 = γ zo Kcd− 2c�Kcd (2.44)

Từ đó rút ra :zo =γ�K2c

cd (2.45)

Trong đó : zo- chiều sâu giới hạn ảnh hưởng của lực dính

Trị số tổng áp lực đất chủ động được tính bằng diện tích của biểu đồ abc (Hình 18):Ecd = dt∆abc =(H−zo )(γ.z.Kcd−2c�Kcd)

Trong trường hợp đất đắp là đất rời (𝜑 ≠ 0, 𝑐 = 0):

Cường độ áp lực đất chủ động: Pc = γ z Kcd (2.48)

Tổng áp lực đất chủ động: Ec =12γ H2 Kcd (2.49)

Từ đó ta thấy rằng công thức này sẽ trùng với trường hợp đặc biệt theo lời giải giải tích của C.A.Coulomb Biểu đồ phân bố cường độ và điểm đặt của áp lực chủ động trong (Hình 2.11)[1]

(2-Trong đó Kbd = tg2(45o+φ2 )- là hệ số áp lực đất bị đông theo Rankine

Từ công thức trên ta thấy rằng cường độ áp lực đất bị động gồm hai phần, đó là (γ.H.Kbd) do trọng lượng khối đất gây ra và (2c.�Kcd) 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 đất bị động lên tường

Biểu đồ phân bố cường độ áp lực đất bị động lên tường như (Hình 2.11 c) biểu đồ này

có dạng hình thang Tổng giá trị áp lực đất bị động trong trường hợp này được tính bằng diện tích của biểu đồ hình thang.Ebd =12γ H2 Kbd+ 2cH�Kbd (2.53)

Và điểm đặt ở tâm hình thang

Trong trường hợp đất đắp là đất rời (𝜑 ≠ 0, 𝑐 = 0) thì công thức (2.52) ta suy ra cường độ áp lực đất bị động sẽ được tính là: Pbd = γ z Kbd

Và tổng áp lực đất bị động là:Ebd =12γ H2 Kbd (2.54) [1]

Hình 2.12 Biểu đồ phân bố cường độ và điểm đặt của áp lực bị động

2.4.2 Tính toán áp lực đất theo lý thuyết V.V.Xôclovski

Thực tế cho thấy rằng sự có mặt của tường chắn đất trong đất sẽ làm thay đổi điều kiện làm việc của nền đất sau lưng tường rất nhiều Chính vì vậy cần đưa vào tính toán không những điều kiện biên ở trên mặt đất mà còn cả điều kiện biên ở mặt tiếp xúc giữa đất và tường Khi xuất hiện áp lực đất chủ động (hoặc bị động), trong nền đất đắp sau tường đồng thời xuất hiện khối trượt giới hạn bởi hai mặt trượt và mặt đất tự nhiên Mặt trượt thứ nhất xảy ra trong khối đất như (Hình 2.13)

Trong trường hợp nếu mặt phẳng lưng tường trơn nhẵn, ma sát giữa đất và tường nhỏ hơn ma sát trong của đất thì mặt trượt thứ II chính là mặt phẳng lưng tường như (Hình 2.13 a) Trường hợp bề mặt tường ghồ ghề, độ nhám lớn, ma sát giữa đất và tường lớn hơn ma sát trong của đất, mặt trượt thứ II thường xảy ra trong đất sát lưng tường (Hình 2.13 b) Còn trường hợp lưng tường quá thoải, góc nghiêng lưng tường (𝜀) lớn thì mặt trượt thứ II cũng thường xảy ra trong đất nhưng cách lưng tường một quãng (Hình 2.13 c) Chính yếu tố ma sát làm thay đổi tình hình ứng suất trong đất nền Khi đất nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn không phải toàn bộ thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn cực tiểu đơn thuần, hoặc cân bằng giới hạn cực đại đơn thuần như W.J.W Rankine quan niệm, mà trong nền đất có thể xuất hiện nhiều vùng khác nhau với những điều kiện cân bằng giới hạn khác nhau, tùy thuộc vào tình hình tải trọng và ma sát giữa đất và tường