Tác giả tổng hợp, giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cơ sở lý thuyết tính toán sức chịu tải của neo trong đất theo một số tiêu chuẩn đã được sử dụng (Tiêu chuẩn Anh: BS 8081:1989; Tiêu chuẩn Trung Quốc: CECS 22-1990).
Trang 1NEO TRONG ĐẤT (GROUND ANCHOR): CẤU TẠO, PHÂN
LOẠI, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CƠ SỞ
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NEO
Th.S Lê Trường Sinh
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt
Hiện nay phương pháp giằng chống
tường vách hố đào sử dụng neo trong đất được
sử dụng khá phổ biến trong các công trình dân
dụng ở Việt Nam Nhưng ở nước ta chưa có
tiêu chuẩn thiết kế, thi công và giám sát neo
trong đất cho công trình dân dụng Tác giả
tổng hợp, giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt
động và cơ sở lý thuyết tính toán sức chịu tải
của neo trong đất theo một số tiêu chuẩn đã
được sử dụng( Tiêu chuẩn Anh: BS 8081:1989;
Tiêu chuẩn Trung Quốc: CECS 22-1990)
Từ khóa
Neo trong đất, ground anchor
1 Neo trong đất (Ground anchor) 1.1 Lịch sử phát triển của neo trong đất
Neo trong đất là một loại thanh chịu kéo kiểu mới, một đầu thanh liên kết với kết cấu công trình hoặc tường cọc chắn đất, đầu kia neo chặt vào trong nền đất để chịu lực nâng lên, lực kéo nhổ, lực nghiêng lật hoặc áp lực đất, áp lực nước của tường chắn, nó lợi dụng lực neo giữ của tầng đất để duy trì ổn định của công trình
Qua một số công trình đã sử dụng
hệ thống tường neo trong đất, cho thấy giá thành sử dụng tường neo trong đất thấp hơn xấp xỉ 1/3 lần so với sử dụng kết cấu tường chắn thông thường Hơn nữa,
hệ thống được neo thường có thời gian thi công nhanh hơn và không cần làm đường tạm Neo trong đất thường được sử dụng
để thay thế các kết cấu chống đỡ tường chắn như thép, bê tông, gỗ
Neo trong đất được sử dụng ở đập Cheurfas, Algeria để neo bể chứa nước vào năm 1938 Sau chiến tranh thế giới thứ 2, neo trong đất được ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực: ổn định mái đào, ổn định mái dốc và chống sạt lở, gia
cố đập… Năm 1958 lần đầu tiên neo trong đất được sử dụng để giữ ổn định tường chắn đất trong thi công hố móng sâu Sau lần ứng dụng thành công năm 1958, neo trong đất đã cho thấy được nhiều ưu điểm nên được nhiều nước tiếp tục nghiên cứu phát triển, đưa ra các quy trình thiết kế và hoàn thiện công nghệ thi công
Ở Việt Nam, công trình đầu tiên sử dụng kỹ thuật neo trong đất đã được Bachy Soletanche Vietnam (Pháp) thực hiện thành công ở Tòa tháp VietcomBank tại 184 Trần Quang Khải, Hà Nội vào
Trang 2năm 1977 Tường vây sử dụng neo trong
đất được sử dụng để thi công 3 tầng
hầm dự án Trung tâm điều hành và
Thông tin viễn thông Điện lực Việt Nam
có diện tích 14.000 m2 tại số 11 phố Cửa
Bắc, TP Hà Nội vào năm 2008 Tòa tháp
Keangnam Landmark Tower cao nhất
Việt Nam, tại Lô 6 đường Phạm Hùng,
Hà Nội, do Samwoo Geotech(Hàn Quốc)
thi công tháng 5/2008, tường bê tông
cốt thép liên tục trong đất dày 80cm và
hai tầng neo trong đất có sức chịu tải từ
35-40 tấn được sử dụng để thi công 2
tầng hầm của tòa tháp này Cọc ximăng
- đất trộn sâu được xem xét thiết kế làm
giải pháp ổn định hố đào (kết hợp một
phần với neo trong đất) cho 2 tầng hầm
của chung cư cao tầng Thương mại –
Dịch vụ LUGIACO ở số 70 đường Lữ Gia,
P.15, quận 11, thành phố Hồ Chí Minh
Gần đây nhất Công ty Samwoo Vietnam
cũng sử dụng phương án tường cọc BTCT
kết hợp neo ứng suất trước (ƯST) để thi
công 4 tầng hầm công trình Trung tâm
Thương mại Đà Lạt (Dalat Center) tại
thành phố Đà Lạt
1.2 Phân loại neo trong đất
Neo trong đất có thể phân loại dựa
theo cách liên kết với nền đất, cách lắp
đặt, phương pháp phun vữa, công dụng,
phương pháp căng kéo Cơ bản chúng ta
có thể phân chia như dưới đây:
Hình 1.1 Phân loại neo trong đất
Theo mục đích và thời gian sử dụng,
neo có thể chia thành neo tạm thời và neo
cố định:
(1) Neo tạm thời là loại neo có thể
tháo ra sau khi kết cấu có khả năng tự
chịu lực
(2) Neo cố định được sử dụng lâu hơn tùy thuộc vào thời gian tồn tại của công trình, nó sẽ tham gia vào quá trình chịu lực chung của công trình
Theo cách lắp đặt và hoạt động của neo
có thể chia thành neo thường và neo ƯST: (3) Neo thường: Là loại neo mà trong quá trình lắp đặt thanh lõi neo không được căng ứng suất trước Đối với neo này, lõi neo có độ giãn đáng kể khi tải trọng tác dụng, do vậy chuyển dịch của đầu neo sẽ tương đối lớn khi sức chịu tải của neo được huy động tối đa Cấu tạo lõi neo: thường là một thanh thép cường độ cao [4]
(4) Neo ƯST: Là loại neo mà khi lắp đặt lõi neo cáp đã được căng ứng suất trước Để giảm bớt sự chuyển dịch của đầu neo tới mức có thể chấp nhận được, neo đất thường được tạo ứng suất trước bằng cách kéo trước neo đất về phía kết cấu Cấu tạo neo ƯST: lõi neo là một bó cáp cường độ cao được căng ứng suất trước khi lắp đặt [4]
1.3 Ứng dụng của neo trong đất
1.3.1 Neo ổn định tường chắn khi thi công hố đào
Neo trong đất kết hợp với tường chắn bằng cọc chống và ván lát ngang hoặc bê tông phun, tường bê tông cốt thép, tường vây cọc ván… tạo thành hệ thống tường chắn ổn định mái đất phục vụ công tác đào đất thi công các công trình ngầm: tầng hầm các tòa nhà, bể nước ngầm, nhà ga tàu điện ngầm đặt trong lòng đất, bãi đổ xe ngầm… Ưu điểm của
hệ thống này là không chiếm mặt bằng thi công, thời gian thi công nhanh
Hình 1.2 Neo ổn định tường chắn khi thi công đào đất khách sạn Pico Calheta – Bồ Đào Nha
2007 [9]
Trang 31.3.2 Ổn định tường chắn khi thi công
đường đào
Hệ thống tường neo thường được sử
dụng để ổn định mái dốc cho thi công đào
đường qua vách núi có mái dốc lớn, mở
rộng lòng đường,…
Hình 1.3 Neo ổn định tường chắn khi thi công
đào đất công trình đường tàu điện ngầm xuyên
núi Alpine, Thụy Sĩ 2003 [9]
1.3.3 Ổn định và chống sạt lở mái dốc
Neo trong đất thường được sử dụng
kết hợp với tường, dầm ngang, khối bê
tông để ổn định mái dốc và chống sạt lở
Neo trong đất cho phép đào sâu để xây
dựng các đường cao tốc mới Neo trong
đất còn sử dụng để ổn định các khối đất
đá phía trên mái dốc và ổn định mặt
trượt Các dầm ngang và khối bê tông
được sử dụng để truyền tải trọng từ neo
vào đất tại bề mặt mái dốc để giữ ổn định
mái dốc ngay vị trí đào Việc lựa chọn sử
dụng dầm ngang hay các khối bê tông
phụ thuộc các điều kiện kinh tế, mỹ quan,
duy tu bảo dưỡng trong quá trình khai
thác sử dụng
Hình 1.4 Neo đất giữ ổn định mái dốc và
chống sạt lở tại Degendamm Australia [7]
1.3.4 Chống lật, chống đẩy nổi
Các neo cố định thường được sử
dụng để chống lại lực đẩy nổi Lực đẩy nổi
được tạo ra do áp lực thủy tĩnh hay do kết
cấu mất ổn định và bị lật đổ Các kết cấu
xây dựng thông thường chống lại lực đẩy nổi bằng tải trọng tĩnh của chính bản thân kết cấu
Ưu điểm của việc chống lại lực đẩy nổi bằng neo trong đất là khối lượng bê tông sàn ít hơn so với dùng phương pháp tải trọng tĩnh
Tuy nhiên cách này cũng tồn tại một
số nhược điểm:
- Sự thay đổi tải trọng trong neo có thể làm kết cấu bị lún xuống hoặc nâng lên; - Khó thi công chống thấm;
- Ứng suất trong sàn thay đổi nhiều
Hình 1.5 Hệ thống neo trong đất chống lực đẩy nổi tuyến hầm đường bộ Burnley Tunnel ở
Melbourne, Australia [7]
1.4 Cấu tạo neo trong đất
Về cơ bản cấu tạo của neo trong đất bao gồm phần đầu neo, đoạn tự do và đoạn neo giữ:
Hình 1.6 Mặt cắt điển hình neo trong đất
1.4.1 Lõi neo
Là bộ phận có khả năng truyền tải trọng kéo từ phần bầu neo đến đầu neo Lõi neo có thể là cáp nhiều sợi hoặc thép thanh, được gia công từ thép cường độ cao.Với lõi neo dạng cáp chiều dài của neo không bị hạn chế, còn với lõi neo là thanh thép ta có thể kéo dài được bằng cách dùng các hộp nối cường độ cao thích hợp
Trang 4Lõi neo được phủ 1 lớp chống ăn
mòn đặc biệt (thường chủ yếu có gốc
bitum), sau đó được bọc trong các ống
chất dẻo polypropylene (PP) và
polyethylene (PE) không thấm nước trong
nhà máy, điều đó giúp dây neo hạn chế
được sự ăn mòn trong quá trình cất trữ,
vận chuyển và sử dụng
Mật độ lõi neo thép trong lỗ neo cần
phải được khống chế không vượt quá 15%
diện tích diện tích lỗ khoan đối với dây cáp
nhiều sợi song song và 20% diện tích lỗ
khoan đối với dây cáp đơn, thanh thép
hoặc dây cáp nhiều sợi loại sần thích hợp,
nhằm mục đích giảm thiểu hiện tượng
bong [1]
Hình 1.7 Lõi neo làm bằng thanh thép [9]
Hình 1.8 Lõi neo làm bằng cáp [9]
Vật liệu chế tạo cơ cấu đệm/định
tâm phổ biến hay dùng bằng nhựa chất
lượng cao
Hình 1.9 Cơ cấu định tâm/đệm cho dây neo
bằng cáp nhiều sợi [9]
1.4.2 Đầu neo
Đầu neo có nhiệm vụ truyền tải trọng kéo từ lõi neo đến bề mặt đất hoặc kết cấu chống đỡ (như tường chắn đất hố đào, mái dốc, tường đập ngăn nước, trụ móng tháp truyền hình,…)
(a)
(b) Hình 1.10 (a), (b) Chi tiết đầu neo với lõi neo
bằng dây cáp [9]
Với lõi neo làm bằng dây cáp, tải trọng kéo từ các tao cáp truyền vào chốt nêm thông qua ma sát rồi truyền qua quả neo bản đỡ bệ đỡ (thường dưới dạng các khối bê tông hay dầm gân thép hình) các kết cấu chính
Với lõi neo làm bằng thanh thép, tải trọng kéo từ thanh thép truyền vào ê-cu
vòng đệm bản đỡ kết cấu chính
Hình 1.11 Chi tiết đầu neo với lõi neo bằng
thanh thép [2]
1.4.3 Đoạn tự do
Đoạn tự do là chiều dài lõi neo nằm trong đất và không liên kết với đất Đoạn
tự do của neo cần đủ dài sao cho đoạn
Trang 5neo giữ nằm hoàn toàn ngoài phạm vi mặt
trượt giới hạn của khối đất phía sau tường
chắn Trong đoạn tự do lõi neo được bao
ngoài để chống ăn mòn
1.4.4 Đoạn neo giữ
Đoạn neo giữ hay còn gọi là bầu
neo, được bao bọc bằng vữa XM và truyền
tải trọng từ neo vào đất đá xung quanh
Trong phần bầu neo, lõi neo được bóc lớp
vỏ bọc để liên kết với vữa XM
Bầu neo có nhiều hình dạng khác
nhau tùy thuộc vào từng điều kiện địa
chất, có 4 loại bầu neo đã được nghiên
cứu và áp dụng [1]:
- Bầu neo kiểu A: được thi công
khoan lỗ với ống vách, không mở rộng
bầu neo, phun vữa xi măng và rút ống
vách từ từ Kiểu này được dùng rất phổ
biến trong đá và rất ổn định đối với đất
đắp dính cứng Sức kháng nhổ phụ thuộc
vào ma sát bên tại giao diện đất/vữa
- Bầu neo kiểu B: được phun vữa áp
lực thấp (áp lực phun vữa tiêu biểu Pi
1000 kN/m2) Với kiểu neo này vữa xi
măng thấm qua các lỗ rỗng hoặc nứt nẻ
tự nhiên của đất làm tăng đường kính bầu
neo Kiểu neo này dùng phổ biến nhất
trong đá yếu nứt nẻ và trong các lớp hạt
thô, nhưng cũng rất phổ biến trong đất rời
hạt mịn Ở đây các loại vữa xi măng
không đi qua các lỗ rỗng nhỏ nhưng dưới
áp lực vữa làm chặt đất cục bộ sau khi
khoan và làm tăng đường kính có hiệu
tăng cường sức kháng cắt Sức kháng chịu
nhổ phụ thuộc chủ yếu vào sức kháng cắt
bên thực tế, nhưng cũng có thể kể đến
thành phần sức kháng mũi khi tính toán
sức chịu tải giới hạn
Hình 1.12 Bốn loại bầu neo đã và đang được
áp dụng [1]
- Bầu neo kiểu C: được phun vữa áp lực cao (Pi > 2000 kN/m2) Dưới áp lực cao, vữa xi măng sẽ len lỏi qua các nứt nẻ
tự nhiên, lỗ rỗng lớn nhỏ của khối đất tạo
ra chùm rễ vữa làm tăng đường kính của bầu neo Khi thi công các neo kiểu C người ta thường tiến hành phun vữa nhiều lần để tăng khả năng chống nhổ của bầu neo, thường phun lần thứ hai sau khi vữa phun lần thứ nhất đã sơ ninh Kiểu neo này áp dụng phổ biến trong đất rời hạt mịn Thiết kế dựa trên cơ sở giả thiết về ứng suất không đổi dọc theo bầu neo
- Bầu neo kiểu D: được khoan lỗ bằng một máy khoan chuyên dụng có khả năng tạo một loạt chỗ mở rộng theo hình chuông hoặc theo hình bầu Khi thi công thường phun trước vữa xi măng, hóa chất trong đất bao quanh bầu neo, bơm dung dịch khoan polime vào lỗ khoan khi khoan tạo bầu Kiểu neo này được sử dụng phổ biến nhất trong đất dính từ chặt đến cứng Sức chịu nhổ phụ thuộc vào ma sát bên
và sức chịu ở mũi mặc dù đối với các bầu đơn hoặc có bầu rộng sức chống giữ của đất có thể được huy động chủ yếu bằng sức chống ở mũi
Vữa xi măng dùng để tạo bầu neo thường dùng vữa nguyên chất (vữa không
có cấp phối) Loại vữa xi măng cát cũng
có thể sử dụng cho các lỗ khoan có đường kính lớn Máy trộn vữa tốc độ cao thường được sử dụng để đảm bảo sự đồng nhất giữa vữa và nước tỷ lệ theo khối lượng nước/xi măng trong khoảng từ 0,40 đến 0,55 Xi măng loại I thường được sử dụng với cường độ nhỏ nhất vào thời điểm tạo ứng suất là 21 MPa Tùy vào đặc điểm của công trình các phụ gia có thể được sử dụng để tăng độ sụt cho vữa Các chất phụ gia không yêu cầu sử dụng, nhưng hiệu quả hơn nếu sử dụng phụ gia siêu dẻo khi bơm vữa ở nhiệt độ cao và chiều dài bơm lớn
1.5 Các hệ thống tường neo
Một ứng dụng phổ biến của neo trong đất trong các công trình dân dụng là tường neo được sử dụng nhằm ổn định
Trang 6mái đào và ổn định mái dốc Các tường
neo này bao gồm tường hẫng không trọng
lực với một hoặc nhiều tầng neo trong
đất Các loại tường hẫng không trọng lực
gồm các bộ phận thẳng đứng có thể liên
tục hoặc không liên tục được khoan hoặc
đóng xuống dưới đáy cao độ đào Tường
hẫng không trọng lực chịu lực bằng sức
kháng cắt, độ cứng chống uốn của thành
phần theo phương đứng và sức kháng bị
động của đất dưới cao độ đào Sức chịu tải
của tường neo dựa vào các thành phần
này và sức chịu tải ngang của neo để
chống lại áp lực ngang (đất, nước, động
đất,…) tác dụng vào tường
Phân loại tường neo ƯST thường
được sử dụng như sau:
- Tường cọc ván thép, dầm giằng;
- Tường cọc chống, ván lát hoặc bê
tông cốt thép lát ngang;
- Hệ thống tường gồm các cọc chèn
nhau
- Tường cừ bê tông cốt thép liên tục;
- Tường bê tông cốt thép không liên
tục (cọc chống và bê tông cốt thép lát
mặt)
Chuyển vị và mô men uốn của
tường ổn định mái đào là hàm số của
cường độ đất và độ cứng của tường Độ
cứng của tường phụ thuộc vào độ cứng
kết cấu tường (EI) và khoảng cách theo
phương đứng của các hàng neo (L)
Tường cọc ván thép và tường gồm hệ
thống cọc chống, ván lát ngang được
xem là hệ thống tường mềm Tường gồm
các cọc chèn nhau, tường cọc bê tông
cốt thép liên tục, tường cọc bê tông cốt
thép không liên tục được xem là các hệ
thống tường cứng
1.5.1 Tường cọc chống đứng và ván
lát ngang
Tường cọc chống và ván lát ngang
được sử dụng đầu tiên ở Đức vào những
năm cuối thế kỉ 19 và nhanh chóng được
sử dụng rộng rãi ở Châu Âu Tường gồm 2
bộ phận chính: cọc chống chịu toàn bộ tải
trọng do lực xô ngang của đất và ván lát
ngang chịu tải trọng do áp lực đất ở giữa hai cọc chống
Tường neo cọc chống đứng bằng thép hình và ván lát ngang bằng gỗ để giữ ổn định hố đào Cọc chống đứng là thép hình có tiết diện ngang hình chữ I, giằng ngang bằng thép hình có tác dụng phân bố lực neo cho các cọc chống đứng liền kề
Hình 1.13 Tường neo cọc chống và ván lát
ngang [8]
1.5.2 Tường neo cừ thép
Tường cừ thép thường được sử dụng trong các loại đất không lắp đặt được ván lát như đất sét yếu, đất bùn bão hòa nước, đất bùn yếu, cát pha sét yếu… Các loại đất này không ổn định khi đào nếu không được chống giữ Hình 1.14 mô tả tường cừ thép với giằng ngang và neo trong đất Cừ thép thường được đóng hoặc
ép thành hàng chèn nhau Cừ thép còn có thể ngăn không cho nước thấm qua
Hình 1.14 Tường neo cừ thép (Nguồn Murphy
International Ltd)
1.5.3 Tường cọc bê tông cốt thép
Trang 7Tường gồm các cọc bê tông cốt thép
liền kề nhau thường được sử dụng trong
các điều kiện địa chất không có xảy ra
hoặc có thể kiểm soát được hiện tượng
mất đất và thấm nước Tường gồm các
cọc liền kề có thể là kết cấu tạm phục vụ
thi công hoặc tham gia chịu lực với kết
cấu cuối cùng
Các cọc bê tông có thể liên kết theo
nguyên tắc cứng – mềm (thông dụng) hay
cứng – cứng Các cọc bê tông mềm được
thi công trước, sử dụng hỗn hợp bê tông
mềm và không có cốt thép Các cọc cứng
được thi công sau và chèn vào các cột
mềm ở cả 2 mặt Các cọc cứng sử dụng
kết cấu bê tông cốt thép Các cọc cứng
tạo nên cường độ và độ cứng của kết cấu
tường Cũng giống như tường gồm các cọc
liền kề, tường gồm các cọc chèn vào nhau
có thể dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi
công hoặc tham gia chịu lực với kết cấu
cuối cùng
Hình 1.15 Tường neo cọc bê tông cốt thép liền
kề làm kết cấu tạm phục vụ công tác đào đất
tại dự án Dalat Center (Nguồn Samwoo
Geotech CO Ltd)
1.5.4 Tường cọc xi măng - đất trộn
sâu
Cọc ximăng - đất trộn sâu là phương
pháp cải tạo đất nền nhằm tăng cường độ
khống chế chuyển vị và giảm tính thấm
[9] Mũi khoan nhiều trục và guồng trộn
được sử dụng để thi công các cọc chồng
lên nhau và được tăng cường độ bằng việc
trộn xi măng với đất Phương pháp này
được sử dụng để chống đỡ hố đào bằng
cách tăng cường độ chịu cắt của đất, ngăn
ngừa phá hoại do trượt, giảm tính thấm
và chống lại hiện tượng trồi bề mặt
Hình 1.16 Tường neo cọc xi măng – đất trộn sâu (Nguồn Samwoo Geotech CO Ltd)
1.5.5 Tường cừ bê tông cốt thép trong đất (tường barrette)
Tường cừ bê tông cốt thép trong đất
có thể dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực cùng kết cấu cuối cùng Khi tường cừ tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng sẽ kinh tế hơn và việc thi công sẽ nhanh hơn Tường cừ bê tông cốt thép trong đất có độ cứng lớn hơn so với hệ thống tường cọc chống và ván lát ngang, tường cừ ván thép Nó được sử dụng để giảm độ lún, chuyển vị ngang của đất và kết cấu liền kề trong suốt quá trình thi công, đặc biệt là trong
các loại đất mềm yếu
Hình 1.17 Tường cừ bê tông cốt thép trong
đất [8]
1.5.5 Ưu, nhược điểm của hệ thống tường neo
* Ưu điểm:
- Thi công hố đào gọn gàng tạo mặt bằng thi công rộng rãi và không sử dụng
Trang 8hệ thống văng ngang nên có thể thi công
đào đất bằng cơ giới
- Chống được vách đất với độ ổn
định và độ an toàn cao, có thể thi công
được những hố đào rất sâu mà không phụ
thuộc vào kết cấu của tầng hầm
- Neo kết hợp với tường chắn mềm
làm phân bố lại nội lực trong kết cấu
tường, do đó có thể giảm kích thước,
chiều sâu của thép trong tường chắn
* Nhược điểm:
- Cần các thiết bị thi công chuyên
dụng, đội ngũ kỹ thuật thi công chuyên
nghiệp có nhiều kinh nghiệm
- Nền đất yếu thì khó áp dụng, chiều
sâu neo lớn khó thi công
- Khi sử dụng neo phải dùng đất của
các công trình lân cận do đó cần phải
được sự cho phép của đơn vị chủ quản
công trình này
2 Cơ sở lý thuyết tính toán neo trong đất
Trong các công trình dân dụng, neo
được sử dụng phổ biến nhất là để giằng
giữ ổn định tường chắn vách hố đào sâu,
chủ yếu là neo ƯST Trong mục này, tác
giả tìm hiểu cơ sở lý thuyết, cách tính
toán neo ƯST cho tường chắn hố đào Tập
trung vào 2 loại neo được sử dụng phổ
biến nhất là neo kiểu A và neo kiểu B
2.1 Áp lực dất chủ động
Xét trường hợp lưng tường thẳng
đứng, mặt đất lấp nằm ngang thì có thể
vận dụng lý thuyết cân bằng giới hạn theo
Rankine để tính áp lực đất chủ động (Hình
2.1) Nếu lưng tường chắn dưới tác động
của áp lực đất mà làm cho lưng tường
dịch chuyển như hình vẽ, khi đó thể đất
sau lưng tường đạt đến trạng thái cân
bằng giới hạn, tức trạng thái chủ động
Rankine [2] Lấy một phân tố đất ở độ sâu
z, chỗ lưng tường thì ứng suất theo
phương đứng của nó là z z
là ứng suất chính lớn nhất 1
, ứng suất theo phương ngang x
là ứng suất chính nhỏ nhất 3
, cũng tức là áp lực đất chủ động
tính toán pa Lấy 3 pa
,1 z
thay vào công thức ta sẽ được công thức tính
áp lực đất chủ động Rankine:
Đối với đất cát:
2 tan 45
2
o
Đất có tính sét: (2) 2
p z c zK c K
Trong đó:
2
2
o a
Ka : hệ số áp lực đất chủ động:
: dung trọng thiên nhiên của đất
(kN/m3);
C : lực dính của đất (kN/m2);
: góc ma sát trong của đất (độ);
Z : độ sâu từ điểm tính toán đến mặt đất (m)
a) b) Hình 2.1 Áp lực đất chủ động theo Rankine a) Đối với đất cát, b) Đối với đất sét Với đất cát, hợp lực EA của áp lực đất chủ động trên lưng tường sẽ là diện tích của hình phân bố pa, vị trí của điểm tác động ở chỗ trọng tâm của hình phân bố:
2
1 2
(3) Đối với đất tính sét: khi z = 0, từ công thức (2), biết pa 2 c Ka
tức là xuất hiện vùng lực kéo Cho pa trong công
Trang 9thức 2.2 bằng 0, có thể giải được độ cao
của vùng chịu kéo là:
2
o
a
c h
K
(4)
Vì giữa đất lấp và lưng tường không
thể chịu ứng suất kéo, do đó trong phạm
vi lực kéo sẽ xuất hiện khe nứt, khi tính
áp lực đất chủ động lên lưng tường sẽ
không xét đến tác động của vùng lực kéo
[2], nên: (5)
2
c
Nếu phía sau tường là đất gồm nhiều
lớp (Hình 2.2) vẫn có thể theo công thức
(1) và công thức (2) để tính áp lực đất
chủ động nhưng phải chú ý trên mặt ranh
giới của các lớp đất, do chỉ tiêu cường độ
chịu cắt của 2 lớp đất là khác nhau, làm
cho phân bố của áp lực đất có đột biến
Phương pháp tính như sau:
Hình 2.2 Tính áp lực đất chủ động của đất
gồm nhiều lớp
Điểm a: Pa1 2 c1 Ka1
Trên điểm b (trong tầng đất thứ
nhất): Pa 2 1 1h Ka1 2 c1 Ka1
Dưới điểm b (trong tầng đất thứ
hai):
Điểm c:
3 ( 1 1 2 2) 2 2 2 2
Trong đó:
1 tan 45
2
o a
2 tan 45
2
o a
Khi bề mặt đất phía sau tường chắn
có tải trọng phân bố đều liên tục q tác động, khi tính toán có thể cho ứng suất đứng z
ở độ sâu z tăng thêm một trị q Thay z trong công thức (1), (2) bằng
( z q) sẽ được công thức tính áp lực đất
chủ động khi có siêu tải trên mặt đất:
Hình 2.3 Áp lực đất chủ động khi có siêu tải
quanh bờ hố móng Đất tính cát: pa ( z q K ) a
(6) Đất tính sét:
(7)
2
a o
c q K h
Khi không có siêu tải cố định, để kể đến việc có thể chất tải thi công ở quanh
hố móng, và các yếu tố xe cộ chạy qua… thông thường lấy q = 10 – 20 kN/m2[2]
2.2 Hệ số an toàn khi tính toán neo
Hệ số an toàn của một neo là tỉ số giữa tải trọng giới hạn và tải trọng thiết
kế Sau đây là quy định về hệ số an toàn trong tính toán neo theo quy phạm của một số nước:
Quy định về hệ số an toàn trong tính toán neo trong quy phạm ngành của hội tiêu chuẩn hóa xây dựng Trung Quốc (CECS 22-1990) [6] được trình bày trong bảng 2.1:
Trang 10Bảng 2.1: Hệ số an toàn neo theo CECS 22-1990
Mức độ nguy hiểm khi thanh neo bị
phá hủy Neo tạm thời Neo vĩnh cửu
Nguy hại nhẹ, không ảnh hưởng công
Nguy hại lớn, không có vấn đề về công
Nguy hại lớn, liên quan đến an toàn
Các hệ số an toàn tối thiểu được
kiến nghị để thiết kế neo theo tiêu chuẩn
Anh BS 8081:1989 [1] được thể hiện trong bảng 2.2
Bảng 2.2: Các hệ số an toàn neo theo BS 8081:1989
Hệ số an toàn tối thiểu
neo
Giao diện đất/vữa
Giao diện vữa/dây/neo hoặc vữa/mũ neo
Hệ số tải trọng thử
Các neo tạm khi thời gian sống nhỏ hơn 6
tháng hoặc sự phá hoại không gây hậu
quả nghiêm trọng hoặc không gây nguy
hiểm công cộng, ví dụ như thử tải cọc
thời gian ngắn dùng neo làm hệ đối trọng
Các neo tạm khi thời gian sống kéo dài
đến 2 năm và hậu quả do phá hoại khá
nghiêm trọng nhưng không gây nguy
hiểm cho an toàn công cộng, không cần
thiết cảnh báo, ví dụ như tường chắn có
neo sau
1,60 2,5* 2,5* 1,25*
Các neo dài hạn và tạm thời khi nguy
hiểm do ăn mòn cao và/hoặc hậu quả do
phá hoại là nghiêm trọng, ví dụ như cáp
chủ của cầu treo hoặc đối trọng để nâng
các bộ phận kết cấu nặng
Một số quy định về hệ số an toàn neo theo các tiêu chuẩn khác:
Bảng 2.3: Hệ số an toàn của neo theo một số tiêu chuẩn
thời Neo vĩnh cửu
Đức (DIN 4125-1990) [12] 1,33 1,50 Nhật (JSFD 1990) [15] 1,50 2,50
2.3 Các phương pháp tính toán tường
neo
Có 3 phương pháp để tính toán,
phân tích tường neo bao gồm:
- Phương pháp RIGID (dầm tựa trên gối cứng)
- Phương pháp WINKLER (dầm tựa trên gối đàn hồi)