Thiết kế và thi công tường chắn đất có cốt dương học hải

Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất là 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

GS.TS DƯƠNG HỌC HẢI

THIÈT KẺ V Â THI CÕNG

LỜI NÓI ĐẦU

Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp dùng để xây dựng các công trình, phổ biến nhất là các công trình tường chắn và các nền đường đắp cao với mái dốc thẳng đứng Nguyên lí đất có cốt do một kĩ sư cầu đường người Pháp là Henri Vidal nghĩ ra Cho đến nay sau gần 40 năm phát triển, nguyên lý này đã trở nên phổ biến khắp thế giới kể cả ở Việt Nam (chẳng hạn như đoạn đường dẫn lên cầu vượt qua nút giao thông Ngã Tư Vọng tại Hà Nội đã được xây dựng tường chắn hai bên theo nguyên lí đất có cốt)

Do vậy, tác giả đã biên soạn cuốn sách này, trước hết để phục vụ cho việc giảng dạy và học tập môn "Chuyên đề Đường" của sinh viên ngành cầu đường và cao học chuyên ngành Xây dựng công trình của Trường đại học Xây dựng, sau là nhằm giúp cho các kĩ sư thiết kế, các nhà thầu thi công, các kĩ sư tư vấn giám sát nắm vững nguyên lí và cơ sở lí thuyết về đất có cốt, đồng thời giúp các đối tượng trên nắm vững các bước tính toán, thiết k ế

và các yêu cầu về công nghệ thi công (kể cả yêu cầu kiểm tra, nghiệm thu) đối với loại công trình tường chắn bằng đất có cốt Trong cuốn sách, người đọc củng có thể thấy được quá trình phát triển không ngừng của loại vật liệu tổ hợp này, kê từ lúc mới ra đời cho đến nay, với sự xuất hiện đa dạng

về cấu tạo các loại hỉnh cốt đặt trong đất và các loại hình mặt tường bao.

Để biên soạn cuốn sách này, tác giả đã tham khảo các tiêu chuẩn thiết kê' và chỉ dẫn thi công của Pháp quốc, Anh quốc hiện hành, các sách báo khoa học và giáo trình giảng dạy của các tác giả trong và ngoài nước củng như các tài liệu giới thiệu sản phẩm của một sô'hãng nước ngoài chuyên cung ứng vật tư và thiết bị dùng cho công trình bằng đất có cốt Do vậy, tác giả mong rằng cuốn sách có thể đem lại cho người đọc không chỉ những hiểu biết cơ bản về vật liệu đất có cối mà còn có thể giúp người đọc thực hành tính toán, thiết kê'và thi công một công trình tường đất có c ố t Mong muốn là như vậy nhưng trình độ không khỏi hạn chê' nên cuốn sách chắc không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong độc giả đóng góp ý kiến (qua Nhà xuất bản Xây dựng) để khi in lại lần sau, tập sách này có thể được, sửa chữa và bổ sung hoàn chỉnh hơn.

Tác giả

3

P h ần INGUYÊN LÍ ĐẤT CÓ CỐT VÀ c ơ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN BẰNG ĐẠT c ó CỐT

1.1 S ự RA ĐỜI CỦA ĐẤT CÓ CỐT VÀ CÁC CÔNG TRÌNH BẰNG DAT CÓ CỐT

Từ lâu đời, đất được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng So với các loại vật liệu; khác, đất rất rẻ tiền, sẵn có nhưng lại có các đặc trưng cơ học kém, đặc biệt là không chịu được lực kéo Để khắc phục nhược điểm này, ngoài những biện pháp gia cố đất bằng các chất liên kết (vô cơ, hữu cơ, hoá chất), từ năm 1963, Henri Vidal, một kĩ sư cầu đường 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 giành được bản quyền về phát minh này, 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 kĩ sư cầu đường, kĩ sư xây dựng ở khắp nơi trên thế giới

Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất là 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 liêu cốt mà loại vật liệu tổ hợp đất

có cốt này có được khả năng chịu kéo; (giống như vật liệu bêtông cốt thép có khả năng chịu kéo,trong đó bản thân bêtông chịu kéo kém) Loại công trình được xây dựng thử nghiệm đầu tiên bằng đất có cốt chính là tường chắn bằng đất có cốt Tường được đắp bằng đất có cốt với mặt tường bao không chịu lực Trên hình 1.1.1 ta có thể thấy các ỹếu tố của một tường chắn đất có cốt đầu tiên do H Vidal đề xuất thiết kế; trong đó đất đắp là loại rời rạc, ít dính, cốt là các dải kim loại (rộng 60mm, dầy 5mm) và vỏ mặt tường bao bằng kim loại dầy 1,5 - 4,0mm cao 25cm (sau khi đã uôn cong)

Hình 1.1.1: Cốt và vỏ mặt tường bao bằng kim ỉoại của một công trình tựờng chắn bằng đất có cốt (dạng nguyên thuỷ)

Tường chắn bằng đất có cốt đầu tiên được xây đựng thử nghiệm là tường

Incarville trên đường cao tốc A13 ở Pháp (hình 1.1.2 và 1.1.3) Tường này

caò lOm, rộng lOm, dài SOm được xây dựng vào năm 1967.'

Ị “' ỳ ; : • , •;

Ỵ-Tưởng ỈRcarvịlle:a) Nhìn toàn cảnh; b) Mặt cắt ngang

Đơn vị trên hình tính bằng mét

6

Hình 1.1.3: Tường ỉncarvilìe khi đang thi Cổng ở chiều cao 3m

Kết quả quan trắc ứng suất và biến dạng của cốt, của vỏ (thông qua các đẩu 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 kĩ sư Nguyễn Thàrih Long, một Việt kiều tại Pháp) đã cho phép ngay từ những năm đó thiết lập được các 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 đất có cốt được xây dựng trên các đường ôtô và bến cảng ở Pháp, Tây Ẹan 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 tường chắn tới 20m Với tường chắn cao như vậy, nếu dùng tường chắn bêtông cốt thép sẽ rất khớ giải quyết ván đề nềri móng, do vậy đã chọn kết cấu tường bằng đất có cốt là loại tường bằng vật liệu mểm 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(1966 - 1969)mới rá đời, ở nhiều đường cao tốc của Pháp đã xây dựng các tường đất có cốt để làm nền đường tách đôi 2 dhiều xe chạy vđỉ 2 bậc cao thấp khác nhau (để bảo đảm ổn định nền đường)

hoặc làm những đường đắp cao trên đoạn dẫn lên các cầu vượt ở các chỗ giao nhau khác mức trong đô;thị (để hạn chế giật phóng mặt bàng do không phải đắp mái taluy) và đặc biệt là để xây dựng cả những tường ke cảng như tường ke bến cảng Cf Montréal (Canada), ụ tầu ở Strasbourg, tường cảng ở Boulogne, La Grand Motte (Pháp).

Sở dĩ vừa ra défi mà vật liệu đất có cốt đã được ứng dụng như vậy là vì nó góp phần tạo ra được những ưu thế trong lĩnh vực xây dựng công trình:

- Nhờ đất có cốt mà các công trình đắp bằng đất không cần đắp có mái dốc, tức là có thể đắp với mái dốc thẳng đứng (taluy 1 : 0) với những chiều cao đắp lớn (năm 1972, ở Pakistan đã xây dựng một Công trình tường chắn đất có cốt vách thẳng đúng cao 40m) Cũng với, đất CÓ cốt người ta đã xây dựng các mố cầu bằng đất đắp, là kết cấu chịu nén lệch tâm (như mố cầu Thionville ở Pháp cạo 12,Om, chịu tải từ gối cầu truyền xuống tới 750 tấn và

độ lún định trước 20cm)

Dĩ nhiên là công trình đắp thẳng đứng bằng đất có cốt phải cấu tạo có mặt tường bao (không chịu lực) để giữ cho đất đắp không bị lở, không bị xâm thực do các tác nhân môi trường bên ngoài (về vaị trộ và cấu tạo mặt tường bao xin xem thêm ở mục II.2 và các mục khác trong phần II)

- Đất có cốt là loại vật liệu mềm, do vậy cho phép vẫn bảo đảm được ổn định của công trình dù khi xẩy ra biến dạng lớn;

- Đất có cốt là ioại vật liệu nặng, công trình bằng đất có cốt có kích thưởc lớn đáp ứng dưỢc yêu cầu đối với những công trình đòi hỏi phải có trọng lượng lởn để chịu đựng lực ngang lớn, chịu lực va chạm lớn hoặc áp lực sóng

Vì là vật liệu nặng vói các khả năng chịu đựng, được các tác động nối trên nên đất có cốt cũng được nghiên cứu ứng dụng để xây dựng các công trình

8

quốc phòng và cả các công trình ở vùng động đất (hầm chống bom, ụ chiến đấu, pháo đài ).

- Công trình bằng đất có cốt thi công đơn giản và nhanh, cốt và các tấm hoặc vỏ mặt tường bao đều có thể gia công trước tại nhà máy rồi đưa ra hiện trường lắp đặt tiện lợi ngay trong quá trình đắp đất (lắp đặt đến đâu đắp đến

- Nếu cốt và vỏ mặt tường bằng vật liệu chất dẻo tổng hợp (vải hoặc lưới địa kĩ thuật) thì cần phải có biện pháp chống lão hoá cho chúng (xem điểm 3^2 ở phần III)

Một cách khác để khắc phục là sử dụng vỏ mặt tường bao bằng các tấm bêtông cốt thép lắp ghép như hình LI 4 cũng đã xuất hiện trên thực tế ngay từ đầu những năm 70 của thế kỉ XX và vẫn được tiếp tục sử dụng cho đến ngày nay

Hình 1.1.4: Tấm bêtông cốt thềp làm vỏ mặt tường bao

(có mộng và chốt để lắp ghép, có mấu để liên kết với cốt)

Để đảm bảo cọ sức neo bám tối giữa cốt VỚI đất thì đất dùng để đắp cũng

phải đạt được các yêu cầu nhất định về thành phần hạt (thường yêu cầu là đất rời, đất rời ít dính), về tính chất điện hoá (để giảm tác dụng xâm thực đối với cốt kim loại hoặc cốt bằng chất dẻo tổng hợp) Những yêu cầu cụ thể đối với

đất đắp trong công trình đất có cốt sẽ được nêu chi tiết ở mục n.2 phần II.Mặt khác ban thân cốt cũng phải được chế tạo và cải tiến cấu tạo để tăng được sức neo bám vổi đất nhằm phát huy hiệu quả của cốt (xem thêm ở 1.3.1 dứói đây về các lóải cốt thường sử dụng hiện nay)

Sức neo bám giữa đất và cốt cũng sẽ giảm đi khi nước xâm nhập được vào đất Do vậy đối với tông trình đất có cốt cần phải giải quyết tốt vấn đề thoát nước (xem kĩ ở mục H.5 phần n)

1.2 NGUYÊN Lí ĐẤT CÓ CỐT VỀ MẶT c ơ HỌC

1.2.1 Sự phá hoại của đất khỉ không có cốt

Như đã biết, đất xem như một vật liệu rời Khi chịu ngoại lực tác dụng thì

đất sẽ Ổn định (không bị phá hoại cắt trượt) nếu trạng thái ứng sụất ở bất kì

điểm nào và theo hướng nào cũng nằm dưói đường bao phá hoại của các vòng tròn Mohr (hmh.I.2.1)

Theo vòng Mohr ta có thể diễn giải các điều kiện khi đất ở vào trạng thái cân bằng giới hạn như sau:

1 0 - ưng suài.e&t và ứng suất pháp tại điểm đang xét theo hướng đang xét; (p - góc nội ma sát của đất;

Hình Ị.2.1: Trạng thắị ứng suất ở một điểm trong đất

và đường bao phá hoại của vòng Mohr

Theo (1-2-1), với một loại đất có c, cp, đã biết, trị số ơị do ngoại lực gây ra càng lớn mà lúc đó ơ3 không đủ lốn thì đất sẽ bị phá hoại Trong trường họp

có tường, nếu áp lực hông dần dần giảm đi (tựa như lúc thân tưcmg chống đỡ dịch chuyển ra phía ngoài) thì khi ơ 3 giảm đếnơ3 = o c , khối đất sẽ đạt đến

trạng thái cân bằng giới hạn dẻo và bị phá hoại Do vậy đất là vật liệu không chịu được nén thuần tuý (khi ơ 3 = 0), không thể dùng làm vật liệu xây dựng các công trình chịu nén lớn nếu lực dính c có hạn và nếu không có biện pháp điều chỉnh trạng thái ứng suất (làm tăng áp lực hông ơ3) Ngược lại, theo (1-2-2), nếu ớ 3 cắng lớh sơ với ƠJ thì đất cung sễ bị phá hoặi Trong trường hợp có tường, nếu áp lực hông ơ3 dần dần tăng lên (tựa như lúc thân tường chống đỡ dịch chuyển vào trong) thì khi dạt đến ơ 3 = 0 D khối đất cũng bị phá hoại Chính vì vậy ứng suất chính nhỏ nhất ơ 3 ở (1.2:1) gọi là ứng súất (áp lực) chủ động với Ka là hệ số áp lực đất chủ động và ơ 3 ở tình huống (I- 2-2) gọi là ứng suất (áp lực) bị động với Kp là hệ số áp lực đất bị động.

Khi ơị Ka - 2 c J k ^ < ơ3 < ƠJ Kp - 2 c J k ^ thì đất chưa đạt đến trạng thái

cân bằng giới hạn và lúc này ơ3 nằm giữa áp lực đất chủ động và áp lực đất

bị động, đất không dịch chuyển và ở vào trậng thái tĩnh với hệ số áp lực đất

ở trạng thái tĩnh K0 (Ka < K0 < Kp)

1.2.2 V ai trò của cốt

Vai trò của cốt chính là nhằm tao ra áp lực hông ơ 3 ngay từ bên trong khối đất có bố trí cốt (q3 không phải do ngoại lực gây ra) Điều này cũng tương đương với việc tạo ra được lực dính c lớn hớn bên trong khối đất.Xét một khối đất có nhũng lớp cốt nằm ngang bố trí đủ gần nhau như hình I 2.2

Khi khối đất chịu nén theo phương thẳng đứng với áp lực ƠJ, nếu không

có cốt (ơ3 = 0) đất sè bị phá hoại vì nở hông tự do Nhưng khí có bố trí cốt (khốỉ đất bị kẹp giữa hai lớp cốt) và giả thiết giữa cốt và đất có đủ sức neo bám cần thiết (tức là đất và cốt bám chặt cùng chuyển v| với nhàu) thì khi chịu nến, đất chỉ có thể chuyển vị ngang tròng phạm vi chuyển vị ngang của cốt Vi mốđun biến dạng của vật liệu cốt cao hơn rất nhiểu so với môđun

Khối đất — g _ Q Hình 1.2.2: Vai trò của cốt là

_ z hạn chế khối đất hở ngang khi

chịu lực tác dụng thẳng đứng

Cốt

biến dạng của đất nên trị số biến dạng ngang en của khối đất hầu như không đáng kể (sn « 0) và do đó đất bị xem như chịu nén 3 trục có hạn chế nở hông với trị số áp lực hông ơ3:

bị phá hoại Như vậy, trị số ơ 3 do cốt đặt trong đất tạo ra bị hạn chế bởi sức chịu kéo đứt của bản thân cốt, bởi sức chống kéo tuột cốt (phụ thuộc vào khả năng neo bám giữa đất với cốt) và bởi sức chống cắt trượt của đất

Bâý giờ thử cho khối đất ở hình 1.2.2 chịu lực ngang thì rõ ràng trong trường hợp này cốt không có tác dụng hạn chế nở hông nữa và nếu muốn khối đất được ổn đựìh thì lại phải bố trí các lớp cốt theo phướng thẳng đứng Chính vì vậy mà vật liệu đất có cốt là loại có tính dị hướng

Vai trò nói trên ‘của cốt chính là nguyên lí cơ bản đệ’ tạo ra vật liệu đất có

Hình L2.3: Hình ảnh minh hoạ nguyên lí đất có cốt

Trên hình 1.2.3 ta có thể thấy: nhờ có bố trí các lớp cốt bằng giấy bìa (hoặc vải bố) mà khối đá cuội không có lực dính kết vẫn có thể duy trì được

váeh thẳng đứng khi đá cuội trơn nhẩn được xếp chồng Ịên nhau; đó chính là

do các lớp cốt bằng giấy hoặc vải ìđã tạo ra được một áp lực hông thông qua

ma sát giữa chúng với đất Hình 1.2.3 cũng cho ta thấy rõ rằng: khi đủ ma sát (đủ súc neo bám giữa cốt với đất) vằ các lớp cốt bố trí đủ gần nhau theo chiều đứng, thì mặt tường bao, nếu được đặt để bao bọc khối đất có cốt ở mặt hông, sẽ không chịu bất kì một lực đẩy ngang nào từ khối đất có cốt Nếu các lớp cốt được bố trí có khoảng cách nhất định theo chiều thẳng đứng thì lúc đó vỏ mặt tưòng bao chỉ chịu một áp lực nhỏ, cục bệ, không đáng kể của lớp đất nằm giữa hai lớp cốt và vai trò của vỏ mặt tường bao chỉ là để bảo vệ bể mật phía hông chống các tác dụng xâm hại, iầm lở hoặc xói cục

bộ khối đất có cốt như trên đã nói; ngoài ra, mặt tường bao còn là bộ phận được cấu tạo để tạo hình dạng mĩ quan cho công trình

Như vậy, nếu các lóp cốt được bố trí đúng hướng, được tính toán và bố trí với các khoảng cách theo chiều đứng cũng như chiều ngang thích họp thì trong khối đất có cốt sẽ không xẩy ra biến dạng trượt và toàn khối đất có cốt

đó được xem như một khối bền chắc, có đủ sức kết dính để ổn định dưới tác dụng của trọng lương bản thân và ngoại lực

Để thấy rõ thêm vai trò cửa cốt ta phân tích thêm trường hẹp một khối dất

có khả năng bị trượt thẹo một mặt nào ậó như ở hình 1.2.4,

Trên hình 1.2.4, mặt trượt s chia khối đất thành 2 phần A và B Giả sử trên

1 diện tích ds nào đó của mặt trượt s, mảnh trượt A tác dụng lên mảnh B

một lực Rj Nếu Rj làm với pháp tuyến của dS một góc lón hơn góc nội ma sát cp của đất thì tại đó sẽ xẩy ra chuyển vị trượt Để bảo đảm ổn định của cả khối đất thì phải bố trí cốt sao cho lực kéo của cốt F (do sức neo bám giữa cốt và đất tạo ra) hợp vói Rj thành một hợp lực R2 (hình I.2.4b) có phương của R2 làm với pháp tuyến qua dS một góc nhỏ hơn cp

Nếu trên toàn mặt trượt s đều bố trí cốt sao cho đảm bảo điều kiện nói trẻn thì hai mảnh A và B sẽ gắn liên với nhau và khả năng trượt giữa chúng

sẽ không xẩy ra Đây chính là nguyên lí của việc gia cố các mái dổc đào bằng cách chèn cốt vào mái dốc (soil nailing) như minh hoạ ở hình 1.2.5 Đất chèn cốt và cả công nghệ neo đất cũng chính là một loại hình phát triển mạnh trong vài chục năm gần đây từ nguyên lí đất có cốt

Hình 1.2.5: Công nghệ đất chèn cốt (soil nailing) để tăng cường ổn định mái dốc nền đào

Như trên đã thấy, phải có đủ sức neo bám giữa đất và cốt thì mới có thể tạo ra áp lực hông ơ3 ngay từ bên trong khối đất có cốt, tức là tạo ra được sự truyền sức chịu kéo của cốt cho đất (giống như sự truyền sức chịu kéo của cốt thép cho bêtông)

Việc truyền lực giữa cốt và đất hay sự tạo ra sức neo bám giữa cốt với đất phụ thuộc vào cấu tạo hình dạng cốt và có hai phương thức cơ bản là phương thức truyền lực thông qua ma sát giũa chúng và phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất Đối vái các loại cốt như cốt dạng đai mỏng (hình 1.1.1), cốt dạng tấm (hình 1.2.3), cốt dạng khung (hình 1.2.6), dạng lưổi, dạng mạng (như lưói hoặc mạng polinie địa kĩ thủật - geogrid), tất

cả đều truyền lực thông qua ma sát Nhung chỉ những loại cốt dạng khung,

1.2.3 Sự neo bám giữa cốt và đất

dạng lưới, dạng mạng là các loại cốt có các phần tử cốt vuông góc với phương truyền lực kéo thì mới có thêm phưcmg thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất (tức là mới có hiệu ứng; neo) Ngoài ra, trong cộng nghệ đất chèníeốt* hiện eữttg đã có những loại cốt chỉ truyền lực nhờ sức cản

bị động của đất thông qua cấu tạo bầu nea

Hình 1.2.6: 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 Pp

a) Nhìn theo chiều đứng; b) Nhìn trên mặt bằng.

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

Phấn tích Sự cân bằng của một phân đoạn nhỏ đất có cốt dl với bề rộng b,

ta cố thể thấy lực đước truyền qúâ đl sẽ là:

với ơv là ứng suất pháp tác dụng trên mặt cốt;

p - hệ số ma sát giữa cốt và đất

Hộ số ma sát p giữa bề mặt vật liệu xây dựng với cát và đất bụi thường bằng 0,5 -ỉ- 0,8 lần hệ số nội ma sát của bản thân loại đất đó Nếu biết trị số ứng suất pháp ơv thì có thể dễ dàng tính ra lực kéo nhổ của đất có cốt bằng cách lợi dụng quan hệ nói trên Tuy nhiên, vì trong quá trình biến dạng khi chịu cắt trượt, đất dạng hạt có thể bị xốp nở, do đó ứng suất pháp hữu hiệu tác dụng trên mặt cốt sẽ biến đổi tuỳ theo tác dụng tương hỗ giữa đất với cốt nên thực tế không thể biết trị số ơv là bao nhiêu Vì vậy thường phải sử dụng

hệ số ma sát xác định bằng được bằng thí nghiệm kéo trượt:

Hệ số này còn được kí hiệu là f*, được gọi là hộ số ma sát quy ước hay

hệ số ma sát hữu hiệu Theo kết quả thí nghiệm cho thấy: Trị số p* thay đổi túý theò tính chất đất (cấp phối hạt, góc cạnh hạt, đặc tính ma sát và độ chịt đất), tuỳ theo dạng hình học và đặc tính bề mặt của cốt cũng như tuỳ thuộc trị số ứng suất gia tải hữu hiệu; Bề mặt vật liệu có cốt càng trơn nhẩn, lực chống trượt của cốt càng nhỏ thì trị số |I* càng nhỏ Nếu ứng suất gia tải càng tăng thì do ứng suất ước thúc tãng lên, sự xốp nở của đất khi biến dạng trượt càng giảm khiến cho trị số p* cũng càng giảm nhỏ tương ứng (hĩnh 1.2.8)

pf - lực kéo tuột (sức chống kéo tuột)

(1-2-6)

7

Hệ số p* nói chung thường thay đổi trong phạm vi 0,4 -í- 1,5 Khi tính toán, đối với cốt dải mỏng có gờ bằng kim loại thường xem như tại vùng đỉnh tường |i* = 1,5; càng xuống sâu p* càng giấm thấp, cho đến tại độ sâu cách đỉnh tường 6,Om thì p* - tgô = tgộ; sau đó càng tiếp tục xuống sâu trị số ịi* sẽ giữ nguyên khổng thay dổi nữa Còn đối với cốt dải trơn nhẵn bằng kim loại hoặc cốt vải địa kĩ thuật hay cốt lưới sợi thép là lọại cốt biến dạng nhiều thì thường giả thiết p* không thay đổi theo độ sâu vàthường lấy p* = tgô = tg

n - số lượng các phầntử cốt vuông gổc với phượng truyền lực kéo (tức là

số lượng các thanh ngang giằng các cốt dọc để tạo ra cốt dạng khung, dạng

lưới như à hình I-2-Ố);

Ab - diện tích tiếp xức với đất của một thanh ngartg;

Np - hệ số sức cản bị động của đất; hệ số này được xác định bằng thí nghiêm kéo tuột cổt chôn trong đất và phụ thuộc vào cường độ của đất cũng , như khả nâng xốp nở của dất khi đất bị biến dạng trượt Theo kết quả nghiên cứu thử nghiệm kéo tuột, thông thường hiện nay trong tính toán người ta đã sử dụng trị số Np = 15 -r 30; ở nhũng vùng phía trên của công trình đất có cốt (ví

dụ phần trên đỉnh tường chắn đất có cốt) là vùng đất chịu ứng suất pháp nhỏ, đất dễ bị xốp nở nhiều khi biến dạng trượt thì trị số Np lớn bằng 30 Càng xuống dưới khi ứng suất pháp tác đụng lên cốt càng lớn, đất càng khó bị xốp

nở thì hệ số này càng nhỏ đi và ở độ sâu cách đỉnh công trình 6,Om thì trị số

Np = 15; dưới độ sâu đó, trị số hệ số Np giữ nguyên không đổi bằng 15

Trên thực tế, nhiều loại đất có cốt đều có cả hai phương thức truyền ứng suất là ma sát và sức cản bị động của đất Nhung chỉ với loại đất có cốt nào

cả 2 phương thức truyền ứng suất nói trên đều chiếm tỉ lộ tương đối lớn (như với cốt dạng khung, dạng lưói geogrid hoặc lưới sợi thép) thì mới xét đến lực kéo tuột đo cả 2 phương thức đó tạo ra theo quan hệ biểu thị dưới đây:

pkt = p f + P p = ơ v(p*.A s +Np.n.Ab) (1-2-8)Trong đó: Pkt - tổng sức chống kéo tuột;

pf - sức chống kéo tuột do masát tạo ra;

As - diện tích bề mặt của các đơn nguyên cốt

úhg suất truyền do ma sát sẽ xuất hiện trị số lớn nhất khi cốt chuyển dịch tương đối nhỏ; còn ứng suất truyền do sức kháng bị động của đất thì chỉ xuất hiện khi cốt chuyển dịch tương đối lớn Do vậy, tỉ lệ của mỗi phương thức truyền ứng suất nói trên chiếm là bao nhiêu có liên quan đến trị sô' chuyển vị của hệ đất có cốt Trị số p* và Np phải được xác định thông qua thí nghiệm

có xét đến tác dụng tương hỗ giữa chúng

Như vậy, ta đã có được phương pháp đơn giản tính toán về điều kiện neo bám giữa đất và cốt với các hệ số p* và Np được xác định từ các thử nghiệm kéo tuột vớí cốt chôn trong đất và chịu các áp lực thẳng đứng (ứng suất pháp) khác nhau Rõ ràng là, sức chống kéo tuột pf hoặc Pp (hoặc cả hai) tuỳ thuộc vào cường độ chống cắt trượt của đất, diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa cốt với đất, ứng sưất pháp tẩc đụng lên cốt, các đặc trưng hình học và đặc trưng bề mật (có tạo nhám hay không) của cốt Trong trường hợp các yếu tố cấu tạo cốt không đổi thì sức chống kéo tuột (cũng tức là lực kéo của cốt truyền cho đất) sẽ phụ thuộc vào chiều dài cốt và vị trí đặt cốt cách đỉnh công trình nông hay sâu Do đó, một nội dung quan trọng trong tính toán, thiết kế các công trình đất có cốt là phải xác định được chiều dài cần thiết để bảo đảm đủ neo bám đối với từng lớp cốt sẽ được bố trí trong công trình.Trên đây ta mới xét đến sự truyền lực giữa cốt và đắt tại mặt tiếp xúc trực tiếp giữa chúng Trong thực tế các công trình đất có cốt, các lớp cốt thường được bố trí cách nhau một khoảng cách Sv nhất định (theo chiều đứng) vă các thanh cốt có thể được bố trí cách nhau một khoảng cách Sị, (trên mặt bằng) Như vậy giữa các khoảng cách đó có một phần đất không tiếp xúc trực tiếp với cốt Vấn đề trạng thái ứng suất trong phần đất này và vấn đề truyền lực eủa cốt từ mặt tiếp xức với đất đến những phần không tiếp xúc

trực tiếp là khá phức tạp và cũng đã được nghiên cứu với các mô hình trong phòng và quan trắc trên các công trình thực Qua đó, hiện trong tính toán thiết kế người ta chấp nhận giả thiết xem là: lực kéọ do mỗi thanh cốt truyền cho đất sẽ phân bố đều trong phạm vi Sv X Sị,.

Giả thiết này có thể được chấp nhận nếu s v và % đủ nhỏ và vì vậy khi bố trí cốt trong các công trình đất có cốt nên tham khảo kinh nghiệm từ những công trình thực tế đã được xây dựng và đã tồn tại bền vững (vói sự ngầm hiểu rằng đối vói các công trìrih đó các khoảng cách s v và Sjj được xem là

Qua phận tích ở các mục 1.2.1, I.2ị2, 1.2.3 nói trên ta thấy muốn thực hiện được một công trình bằng đất có cốt (như tường chắn bằng dất có cột chẳng hạn) thì cần phải bảọ đảm được các điều kiện sau:

- Có đủ sức neo bám giữa đất và cốt (một cách tổng quát, sức neo bám được xảc định theo 1-2-8) ở mọi điểm trong khối đất có cốt;

- Cốt phải chịu được lực kéo lớn nhất có thể phát sinh khi công trình ở trạng thái lãm viêc (chm các tác động của ngoại lực);

- Đất phải đủ cường độ chịu nén vẩ chịu cặt để tiểp nhận lực kẻo của cốt truyền cho đất;

- Mặt bên ẹủạ Gôqg trình phái có yó bao đẽ báp vệ bẽ mặt chống những hự? hại từ các tác nhân hèn ngpặi vạ chống lở đất trong phạm vigiữa các lớp cốt.Gác điều kiện n trên cltíhh làf tdm tắt các nguyên lí tạo ra vật liệu đất có cốt và nguyên lí xây đựng một Gông trình bằng đất có cốt

I 3 NGUYÊN TẮC CẤU TẠO VÀ CÁC c ơ SỞ TÍNH TOÁN TUỒNG CHẮN BẰNG ĐẤT c ó CỐT

1.3.1 Cấu tạo tường chán bằng đất có cốt

úhg dụng nguyên lí đất có cốt nói trên (mục 1.2), một công trình tường chắn đất có cốt gồm có thân tường rộng L, cao H được đắp bằng đất, có góc mái dốc đắp mặt ngoài là từ 0° đến 20° so với phương thẳng đứng, trong khối đắp có bố trì các lớp cốt rải nằm ngang và cốt được liên kết chặt với mặt tường bao như các sơ đồ cấu tạo ở hình 1.3.1, L3.2,1,3.3 và 1,3.4 Nếu d ¿ đắp mặt ngoài lớn hơn 20° so với phương thẳng đúng thì không xem là tường

20

chắn bằng đất có cốt; trường họp đó phải thiết kế cấu tạo và tính toán theo nguyên tắc mái dốc có cốt (không đề cập trong cuốn sách này).

Hình 1.3.1: Sơ đồ và tên gọi các yếu tô'cấu tạo một công trình tường chắn đất có cốt

Hình 1.3.2: Sơ đồ tường chắn đất có cốt có mặt tường bằng tấm bêtông lập ghép và cốt dạng khung bằng thép tròn

Phần đỉnh tường có thể được sử dụng trực tiếp làm một phần nền đưòng, trên đó có thể xây dựng mặt đường cho xe cộ đi lại (hình 1.3.la, hình 1.3.3) hoặc có thể đắp thêm các khôĩ đắp khác

Kể từ khi tường chắn bằng đất có cốt được xây dụng thí điểm chò đến

nay, các hãng công nghệ về đất có cốt ở các nước đã không ngừng cải tiến

kết cấu cốt và mặt tường bao theo hưóng tăng mức độ thuận lợi cho việc lắp đặt trong quá trình thi công; lợi dụng các vật liệu mới và vật liệu phổ biến;

tăng sức neo bám giữa đất và cốt; tăng tính bền vững của công trình; tất cả đều nhằm hạ giấ thành, tăng độ tin cậy để công nghệ này có thể cạnh tranh được với các công nghệ xây dựng khác.

Hình 1.3.3: Tường chắn có cốt bằng vải địa kĩ thuật (cốt polime)

và mặt tưởng bao bằng vấi địa kĩ thuật bọc cuộn cố phun vữa phủ kín

(hoặc phun nhũ tương bitum phủ kín)

Hình 1.3.4: Tường chắn có cốt dạng lưới (dạng mạng) bằng polime

hoặc sợi thép và mặt tường bao bằng lồng hộp đá

Vé đất dùng để đắp tường đất có cốt, trước kia để tảng ma sát với cốt, ngưcd ta chồ yếu sử dụng cát vừa và cát khổ Ngày nay đã cho phép dùng các loại đất kém dính nhất là khi sử dụng các loại cốt dạng khung, dạng lưới (là các loại tạo ra hiệu ứng neo nhờ sức cản bị động của đất vào các đơn nguyên

ngang của cốt) Mặt khác, cũng đã nghiên cứu kĩ hơn yêu cầu về các tính chất điện hoá đối vdi đất đắp để hạn chế tác dụng xâm thực của đất đối với cốt, bảo đảm tuổi thộ của các loại cốt bằng các vật liệu khác nhau Các yêu cầu cụ thể đối với đất dùng để xây dựng tường đất có cốt xin xem ở phần II cuốn sách này.

Về cốt, ngoài cốt bằng kim loại nay đã phổ biến dùng cốt bằng vật liệu polime dưới dạng vải, lưới địa kĩ thuật Cốt kim loại lúc đầu dùng thép mạ hoặc thép không gỉ nay đã dùng phổ biến cả các loại thép thường không mạ (với mệt chiều dầy dự phòng cho phép cốt có thể bị ăn mòn trong thời hạn tuổi thọ thiết kế của công trình) Để tăng khả năng neo bám giữa cốt và đất, đến nay đã đa dạng hoá các dậng cấu tạo cốt (hình 1.3.5), trong đó có những loại cốt cấu tạo để lợi dụng sức cản bị động của đất (hình I.3.5c, d,; I 3.2) Các chỉ dẫn cụ thể về cấu tạo, vật liệu và cách bảo quản cốt các loại xin xem

chi tiết ở mục 11.3 của phần II.

Hình 1.5.5: Các dạng cấu tạo cốt a) Dải hoặc đai; b) Tấm; c) Lưới hoặc khung; d) Neo; e) Thanh.

v ề mặt tường bao, ngoài loại mật tường bao mềm không tham gia chịu áp lực đất sau lưng tường chắn như những tường chắn đất có bốt truyền thống, mấy năm cuối thế kỷ XX, Viện nghiên cứu Công nghệ Đường sắt Nhật Bản đã sáng tạo loại tường đất có cốt vói mặt tường bao cúng (tầng bệtông đổ tại chỗ

có độ cứng cao) để cùng với khối đất có cốt tham gia chịu áp lực đất sau tưdng (hình 1.3.6) Nhờ vậy, bề rộng khối đậít có cốt có thể gịảm đến L = Q.35H (h là chiều cao tường) nhưng L < l,5fn Vì khuôn khổ cuốn sách ebbing tôi chưa đề cập đến phương pháp tính toán thiết kế loại tường này ở đây

Hình 1.3.6: Tường đất có cốt với mặt tường bao cứng

a) Tường chắn một phía; b) Tường chắn hai bên (cứl,5m lại nối liền một cốt).

Rọ đá được xếp để liên kết tường với cốt và để làm ván khuôn phía trong khi đổ bêtông tường bao cứng

Về vật liệu làm mặt tường bao mềm hiện phổ biến có loại mặt bao bằng các tấm bêtông ximăng lắp ghép (hình 1.1.4, hình 1.3.2) và loại bằng vải địa

kĩ thuật bọc cuộn (hình 1.3.3) hoặc dùng lồng đá (hình 1.3.4) Các yêu cầu và chỉ dẫn chi tiết về cấu tạo các loại mặt tường bao này cũng như cấu tạo chi

tiết về cách liên kết giữa cốt với mặt tường bao sẽ được trình bày ở mục n.4

phần I cuốn sách này

1.3.2 Các trạng thái phá hoại và các yêu cầu tính toán thiết kế tường chắn đất có cốt

Tường chắn bằng đất có cốt phải được tính toán thiết kế để trong thôi gian

sử dụng không bị phá hoại theo các cách khác nhau, cụ thể là phải bảo đảm được các yêu cầu sau:

24

- Bản thân khối đất có cốt (rộng L, cao H) luôn duy trì được tính toàn khối và bảo đảm không bị phá vỡ do các hiện tượng đứt cốt, tuột cốt hoặc dãn cốt như miêu tả ở hình 1.3.7 Yêu cầu này được gọi là yêu cầu bảo đảm

ổn định nội bộ của tường đất có cốt

Hình 1.3.7: Các trạng thái phá hoại ổn định nội hộ khối đất có cốt

a) Đứt cốt ; h) T uột Cốt; c) Dãn cốt.

- Như đối với các loại công trình chống đỡ khác (bằng rọ đá, bằng đá xây, bằng bêtông), tường đất có cốt (với bề rộng L, chiều cao H) phải chịu được

áp lực đẩy của đất sau lung tường (lưng tường xem định nghĩa ở hình 1.3.1)

và tác dụng của các ngoại lực khác (nếu có) để không bị lật, không bị phá hoại do nền móng phía đáy tường không đủ sức chịu tải dẫn dến tường bị nghiêng đổ (hình I.3.8a), không bi dịch chuyển trượt (hình I.3.8b), tường công với khối đất sau tường khống bị trượt quay dẫn đến mất ổn định toàn khối và tưctng không bị lún (I.3.8c và I,3.8đ) Yêu cầu này được gọi là yêu cầu bảo đảm ổn định tổng thể (loại ổn định ngoài) đối với tường đất có cốt

ĩ

Hình 1.3.8: Các trạng thái phá hoại ổn định tổng thể (ổn định ngoài)

của tường đất cố cốt a) Phá hoậi đo khống đủ sức chịu tải và nghiêng lột;

b) Trượt về phía trướcỉ d) Lủh; c) Phá hoại trượt.

Để bảo đảm yêu cầu ổn định nội bộ của khối tường bằng đất cỏ cốt cần phải dựa vào nguyên lí làm việc của đất có cốt và tường bằng đất có cốt

- Tính toán được lực kéo lớn nhất Tj mà mỗi hàng cổt hoặc mỗi lớp cốt phải chịu trên một mét dài tường;

- Với trị sô' lực kéo lớn nhất Tj tiến hành kiểm toán khả năng kéo đứt cốt trên cơ sở đã biết cường độ của vật liệu cốt;

- Kiểm toán khả năng cốt bị kéo tuột do không đủ sức neo bám (trên cơ

sở công thức 1-2-7 hoặc 1-2-8) và kiểm toán chiều dài cốt cần thiết;

- Dự tính mức độ biến đặng của cốt và so sánh nó vói trị số biến dạng dãn dài cốt cho phép;

- Tính toán liên kết giữa mặt tường bao với cốt trên cơ sở lực kéo lớn nhất

Tj đã xác định được và- tính' toán tấm bao mặt tường

- Tính toán chiều dầy dự phòng bị ăn mòn của các cốt bằng kim loại hoặc

đề xuất các biện pháp chống lão hoá về cường độ của cốt và mặt tường bọc cuộn bằng vật liệu polime hay vải địa kĩ thuật

Tất cả các nội dung tính toán thiết kế nhầm bảo đảm yêu cầu ổn định nội

bộ nói trẽn sẽ dược trình bầy chi tiết ở phẩn II cuốn sách nằy

Để bảo đảm yêu cầu ổn định tổng thể (ổn định ngoài) của tường chắn đất

có cốt cần phải xem tưòng đất có cốt như những tưòng chắn làm bằng đá xây, bằng bêtông khác và phải:

- Xác định được phân bố áp lực đất sau lưng tường theo lí thuyết của Coulomb hoặc Rankin và áp lực đẩy của các ngoại lực tác dụng khác (nếu có);

- Xác định sợ bộ kích thước của tường đất có cốt và kiểm toán ổn định trượt của tường trên đáy móng và trên từng lớp cốt;

- Kiểm toán sức chịu tải của đất móng đáy tưòng và kiểm toan khả năng

Ổn đinh nghiêng lật của tường;

- Dự tính độ lún của tường chắn đắt có cốt và so sánh vối độ lứn cho phép

- Kiểm toán điều kiện ổn định chung của tường đất có cốt cùng với sườn dốc hoặc nền đất tự nhiên trên đó đặt tường

26

Các nội dung tính toán ổn định tổng thể của tường đất có cốt nói trên không có gì khác biệt so với tính toán đối với một công trình tường chắn thông thường và cũng được trình bầy chi tiết ở phần n cuốn sách này.

I.3.3 M ạt phá hoại nội bộ và cơ sở của việc tính toán thiết kế bảo đảm ổn định nội bộ trong m ột tường chắn bằng đất có cốt

Như đã nói ở trên, ngay từ những năm đầụ tiên khi đất có cốt vừa ra đời, người ta đã quan tâm đến việc đo ứng suất kéo dọc theo cốt trên các tường chắn đất có cốt thực nghiệm, đo hệ số áp lực ngang trong phạm vi khối đất

có cốt và quan tâm đến việc thừ nghiệm phá hoại khối tường đất có cốt trên các mô hình thu nhỏ

Tại Phòng thí nghiệm Cầu đường trung ương của nước Pháp (LCPC) ngay

từ những năm 1968,1969 đã tiến hành thử nghiệm phá hoại trên mổ hình thu nhỏ như ở hình 1.3.9

2 băng cốt) Khoảng cách giữa các lớp cốt theo chiẻu đứng là 25mm, vỏ bằng vật liệu rodoit cao 25mm Tỉ lệ thu nhỏ của mô hình là 1 : 50; tỉ lệ

dung trọng là 6,2 : 1,6 = 3,9 (xem như dung trọng của đất đắp là 1,6 g/cm3) Vật liệu giả thiết như là hoàn toàn đàn hồi Mô hình được thử nghiệm trong điều kiện gia tốc trọng trường bình thường, do vậy tỉ lệ ứng suất của mô hình

sẽ là — X 3,9 = 0,08

50

Khi lắp đặt vỏ và cốt để tạo tường chắn, người ta lắp đến đâu thì xếp đầy que thép bên phần ngăn chống đõ (hình 1.3.9) để giữ vách vỏ mặt tường thẳng đứng Đến khi lắp đặt xong và lúc thử nghiệm phá hoại thì mới tháo

dỡ các que thép đó ra để tạo khoảng trống phía trước tường hc Mỗi lần thử nghiệm tường được xếp đến một độ cao nhất định Cứ tăng chiều cao dần

Hình 1.3.11: Dạng phá hoại do đứt cốt, đất (các que thép) bị sụt trượt xuống

- Dạng thứ nhất thể hiện khối đất có cốt ở hình 1.3.10 bị xệ do cốt bị tuột

(sức neo bám không đủ) Theo kết quả thử nghiệm đã rút ra kết luận sau: Để tránh xẩy ra phá hoại do tuột cốt thì chiều dài cốt tối thiểu L phải bằng 0,8H (H là chiều cao tường) Do vậy, khi đó trong thời kỳ đầu thường người ta thiết kế tường đất có cốt có L = (0,8 H- 1,0)H

Ngày nay với những kết quả nghiên cứu bổ sung, tiêu chuẩn thiết kế tường đất có cốt có mặt tường bao mềm (không tham gia chịu lực) ở nhiều nước đều quy định chiều dài cốt (tức là bề rộng tường) tối thiểu L = 0,7H Kèm theo những tính toán đã nói ở điểm 1.3.2 thì chiều dài cốt thiết kế có thể lớn hơn trị số quy định tối thiểu nói trên Điểu này cũng chứng tỏ, kinh nghiệm tích luỹ được trong mấy chục năm nay về cơ bản vẫn thống nhất với những kết luận nghiên cứu ban đầu về bề rộng tường đất có cốt thiết kế

- Dạng phá hoại thứ hai là đứt cốt do cốt không đủ sức chịu kéo (hình1.3.11) Thực nghiệm cho hay, nếu mật độ bố trí cốt đều nhau thì khi phá hoại, cốt dưới cùng bị đứt trước và chỗ đứt sát mép tường bao Sau đó do sự phân bố lại lực, dẫy cốt liền kề nó sẽ bị lần lượt đứt tiếp; các chỗ đứt lùi dần vào trong từ thấp lên cao hình thành một mặt phá hoại dạng parabôn

Kết hợp với các kết quả đo ứng suất kéo của các lóp cốt trong tường thực nghiệm ĩncarville và ở các tường khác cũng cho thấy ứng suất kéo phát sinh trong cốt tại chỗ tiếp cận với mặt tường bao là tương đối nhỏ, nhưng càng về phía lưng tường lại tăng lên đến trị số lớn nhất rồi sau đó lại dần dần giảm nhỏ như thể hiện trên hình 1.3.12 Kết quả thực đo này rất phù hợp với kết

quả phân tích lí thuyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn Nối liền các điểm có ứng suất kéo lớn nhất của các cốt chịu kéo sẽ tìm được đường ứng suất kéo lớn nhất thay đổi theo độ sâu Đường này trùng với mặt phá hỏng khi kết cấu đất có cốt được gia tải đến lúc phá hoại, do vậy được gọi là mặt phá hoại nội bộ trong khối tường chắn đất có cốt Mặt này chia đất có cốt thành 2 phần: khu vực chủ động và khu vực bị động (tạo ra sức chống phá hoại) Bề mặt cốt chịu kéo trong khu vực chủ động chịu ứng suất cắt trượt hướng ra phía mặt tường; một mặt cốt chịu kéo hạn chế sự dịch chuyển ra bên ngoài của mặt tường và vật liệu đắp, mặt khác đòi hỏi cốt chịu kéo phải

có khả năng chịu được ứng suất kéo Các cốt chịu kéo truyền ứng suất đến khu vực bị động nhờ ma sát giữa cốt với vật liệu đắp hoặc/và nhờ sức cản trở cốt bị nhổ ra của đất ở khu vực bị động khiến cho bề mật cốt trong khu vực này phải chịu ứng suất cắt trượt hướng về phía sau tường Cốt chịu kéo liên kết hai khu vực này làm một để tạo ra một khối hoàn chỉnh So với mặt phá hoại tạo ra áp lực chủ động của đất theo lí thuyết Rankin hoặc Coulomb thì mặt phá hoại trong nội bộ khối đất có cốt có sự khác biệt đáng kể

M i — I

Hình 1.3.12: Phản bố ứng suất kéo dọc theo cốt

Những kết quả thực nghiệm nói trên là đối với trường hợp tường bố trí loại cốt ít dãn (cốt dạng dải, dạng khung bằng thép) Đối với trường hợp tường đất có cốt với cốt là loại có khả năng dãn nhiều (cốt bằng polime hay

30

cốt dạng lưới sợi thép) thì những kết quả quan trắc thực tế cho thấy mặt phá hoại là mặt phẳng làm với mặt nằm ngang một góc 45° + — giống như mặt phá hoại của khối đất sau tường theo lí thuyết của Rankin.

Mặt phá hoại nội bộ được xác định như hình 1.3.12 chính là một cơ sở quan trọng để kiểm toán ổn định nội bộ của khối tường chắn bằng đất có cốt Mặt này được xác định cụ thể như sau:

- Đối với các loại cốt ít dãn (cứng, ít biến dạng): dạng parabon được xem gần đúng như một mặt gãy khúc gồm 2 mặt phẳng: 1 mặt phẳng nghiêng sovới phương nằm ngang một góc 45° + — và 1 mặt phẳng đứng song song với mặt tường bao và cách mép đỉnh mặt tường bao 0,3H

- Đối với các loại cốt dãn nhiều (mềm, biến dạng nhiều) thì mặt phá hoại nội bộ là mặt phẳng như trên đã nói

Khu vực chủ động nằm ngoài mặt phá hoại nội bộ chính là khu vực gây ra lực kéo trong các lớp cốt (nếu không bố trí cốt thì mặt tường bao sẽ phải chịu áp lực đẩy của khối đất trong khu vực này) Theo nguyên lí đất có cốt

đã nói ở điểm 1.2.2 (công thức 1.2.3) thì chính cốt với sức chịu kéo của mình

đã thu nhận áp lực đẩy này Do vậy, để xác định lực kéo cốt phải chịu thì phải xác định được áp lực đẩy ngang do khối đất khu vực chủ động gây ra ở mỗi độ sâu z kể từ đỉnh tường Ấp lực đẩy ngang này có thể được xác định theo quan hệ sau:

Y - dung trọng của đất đắp trong tường đất có cốt

Như vậy, vấn đề là phải xác định được hệ số áp lực đất K trong nội bộ khối tường đất có cốt v ề lí thuyết thì như đã nói ở 1.2.2 hệ sô K phải bằng

K0 với K0 là hệ số áp lực đất ở trạng thái tĩnh Tuy nhiên khi quan trắc áp lực ớ các tường đất có cốt thực nghiệm người ta đã phát hiện sự thay đổi hệ

số áp lực ngang theo chiều sâu tường

Kết quả đo áp lực thẳng đứng ơv và áp lực ngang ơh tại gần mặt tường bao ở các tường thực nghiệm có cốt là loại ít dãn (kể cả tường Incarville) chophép tính ra được hệ số áp lực ngang K = — Hệ số này ở vùng đỉnh tường

ơ v

có trị số hơi lớn hơn một ít so với hệ số áp lực đất ở trạng thái tĩnh K0 (xem

công thức 1-2-2 và 1-2-3), nhưng càng xuống phía đáy tường thì gần với trị

số của hệ số áp lực đất chủ động Ka (xem công thức 1-2-1) Điều này phù hợp với kết quả thử nghiệm phá hoại: đất vùng dưới tưòng bị phá hoại trước còn đất vùng trên tường ở vào trạng thái ổn định (tĩnh)

Còn đối với các tường có cốt là loại dãn nhiểu thì hệ số áp lực ngang K hầu như không thay đổi trong suốt chiều sâu tường kể từ đỉnh tường và trị số của

nó bằng 0,65 (K = 0,65) hơi lớn hơn trị số hệ số áp lực đất ở trạng thái tĩnh.Với hệ số K xác định được như trên, có thể theo (1-2-9) tính được ơ h mà mỗi lớp cốt i phải chịu, từ ơ h có thể tính ra được lực kéo T¡ mỗi lớp cốt i phải chịu (tính cho lm dài tường):

- Đối với cốt dạng tấm:

- Đối với cốt dạng thanh, dạng khung:

Trong đó: Sv và Sị, - khoảng cách theo chiều thẳng đứng giữa các lớp cốt

và khoảng cách trên mặt bằng giữa các thanh (hoặc khung) cốt như đã nói ở điểm 1.2.3

Từ lực kéo mỗi lớp cốt hoặc mỗi thanh cốt phải chịu, dựa vào công thức (1-2-8) tính sức chống kéo tuột, ta có thể dễ dàng tính được chiều dài cốt cần thiết phải bố trí trong khu vực bị động để bảo đảm cốt không bị kéo tuột gây mất ổn định nội bộ tường đất có cốt Đồng thời cũng với lực kéo T ta có thể xác định được tiết diộn của cốt để cốt không bị kéo đứt (xét thêm dự trữ kích thưóc đề phòng cốt bị gỉ, ăn mòn)

32

Trên cơ sở những nguyên lí trình bầy ở trên, trong mục II.8 của phần II cuốn sách này sẽ trình bày chi tiết và cụ thể các bước tính toán để bảo đảm yêu cầu ổn định nội bộ của tường chắn bằng đất có cốt.

Chú ý rằng, chỉ trong trường hợp thẳng đứng và gần thẳng đứng thì mới

có thể'xác định áp lực thẳng đứng ơv theo (1.2.9) Do vậy, nếu tường nghiêng quá 20° (xem hình 1.3.1) thì việc kiểm toán ổn định nội bộ khối đất có cốt phải được thực hiện theo nguyên lí mái dốc có cốt

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CÚƯ VÀ XÂY DỤNG CÁC CÔNG TRÌNH TƯỜNG CHÁN ĐẤT CÓ CốT ở VIỆT NAM

1.4.1 Những nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam

Thực ra, nguyên lí đất có cốt cũng đã được cán bộ và công nhân ngành giao thông nước ta vận dụng để xây dựng và khôi phục 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 taluy dốc 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 phục đường cho kịp thông xe ra tiền tuyến

Với thực tế đó từ năm 1972, sau khi có các thông tin từ nước Pháp về "đất

có cốt", GS Đặng Hữu (lúc đó là Trưởng khoa Cầu đường Trường đại học Xây dựng) đã viết tài liệu đầu tiên giới thiệu về Nguyên lí đất có cốt (chuyên san Thông tin KHKT của Uỷ ban KH và KT Nhà nước số 4 tháng 4-1972) và

tổ chức nhóm nghiên cứu kiểm nghiệm lại nguyên lí đất có cốt bằng thiết bị nén 3 trục ở trong phòng và tổ chức xây dựng công trình thí điểm xây dựng tường chắn bằng đất có cốt ở hiện trường nhằm phục vụ bảo đảm giao thông

và xây dựng những tuyến đường phục vụ cho các chiến dịch giải phóng miền Nam Nhóm nghiên cứu này đã được sự ủng hộ và tài trợ của Bộ Giao thông thời đó

Tháng 6-1973 một tường chắn bằng đất có cốt cao 4,25m (với vách thẳng đứng ở cả 2 bên) trên một đoạn đường dẫn từ đê La Thành xuống một khu tập thể gần Cầu Giấy (Hà Nội) đã được xây dựng (hình 1.4.1) Đặc điểm của

tường chắn thí điểm này là một tường bao dùng vỏ thùng nhựa cũ và cốt là các dải cao su cắt ra từ các lốp ôtô phế thải (đây là những vật liệu rất dễ kiếm thời đó).

Hình 1.4.1: Tường đất có cốt xây dựng thí điểm năm 1973 (tác giả viết cuốn sách này

là người trực tiếp thiết k ế và chỉ đạo thi công công trình)

Vỏ tường cũng cao 25cm (như vỏ kim loại của H Vidal) và cốt cũng cắt rộng 6,0cm dầy 0,5cm được nối với vỏ bằng các bulông Ộ50 Một phía bên tường là các nhà cấp 4 Tưòng thí điểm này đã tồn tại cho đến nay, nhưng hiện hai bên nhà dân đã san lấp sát đến vỏ tường

Qua các nghiên cứu nói trên cho thấy việc dùng các cốt bằng cao su cắt từ lốp phế liệu là một hướng có thể phát triển tiếp vì đó cũng là một loại cốt bằng vật liệu thuộc loại polime (cao phân tử hữu cơ) như hiện nay các nước trên thế giới đã phổ biến sử dụng Dùng cốt loại này đồng thời có thể tận dụng được các lốp xe cũ góp phần giải quyết nạn ứ đọng phế thải

Gần đây (năm 2001), trong khuôn khổ một đề tài nghiên cứu cấp Bộ của

Bộ Giao thông vận tải có tên là "Nghiên cứu chế tạo cốt thép mạ dùng trong xây dựng công trình đất có cốt ở Việt Nam" do PGS TS Nguyễn Phúc Trí

3 4

làm chủ nhiệm đề tài, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một dạng cốt mới bằng thép tròn ệ l4 có mạ chống gỉ, có cấu tạo gồm các "ngạnh xương cá" để tăng cường sức chống nhổ tuột của cốt nhờ lợi dụng sức cản bị động của đất (hiệu ứng neo) đối với các ngạnh xương cá (hình 1.4.2).

Hình 1.4.2: c ố t dạng ngạnh xương cá có uốn móc ỏ đầu cốt

chôn trong khu vực bị động a) Ngạnh ngan.?; b) Ngạnh chéo 450 (kích thước trong hình tính bằng mm)

Nhóm nghiên cứu này cũng đã tiến hành các thí nghiệm kéo tuột loại cốt I1Ớ1 trên để xác định hệ số sức chống nhổ tuột của cốt chôn trong đất

1.4.2 Sự phát triển của các công trình xây dựng bằng đất có cốt ở nước ta

Từ năm 1999 đến nay, cùng với các dự án xây dựng mới và khôi phục cầu đường ở nước ta, các công trình tường chắn bằng đất có cốt đã tìm được chỗ ứng dụng và ngày càng được sử dụng nhiều hơn Lí do chủ yếu dẫn đến nhu cầu thực tế phải sử dụng loại công trình này đó là do việc xây dựng các nền đắp cao trên các đoạn đường dãn lên cầu (kể cả các cầu vượt bố trí tại các chỗ giao nhau khác mức trong đô thị) nếu đắp bằng các phương pháp thông

thường thì đòi hỏi phải có mái dốc nhất định (độ dốc thường phải là 1: 1,5 đến 1 : 2,0) dẫn đến việc giải phóng mặt bằng khó khăn và tốn kém, trong khi đó dùng tường đất có cốt thì có thể đắp thẳng đứng làm giảm được mỗi bên một bề rộng bằng từ mép nền đắp đến chân taluy (ví dụ với nền đắp cao lOm thì giảm được mỗi bên một dải đất rộng 15 - 20m).

Với lí do như vậy trong những năm gần đây công trình tường đất có cốt trên quốc lộ 5 đoạn cắt qua nút giao Lạch Tray (Hải Phòng), công trình tường đất có cốt đoạn vào cầu Mẹt trên QL 1A, công trình đường dẫn hai bên lên cầu vượt nút giao thông Ngã Tư Vọng ở Hà Nội, công trình trên đường từ Huế đi Thuận An đã được xây dựng và cho thấy rõ những ưu điểm của nó (kể cả về mật hình thức bề ngoài) Các công trình này đều có mặt tường bao bằng các tấm BTXM lắp ghép với cốt là thép tròn cấu tạo dạng khung (những thanh cốt dọc song song được giằng bằng các thanh ngang để tạo thêm sức cản bị động) Trong những năm sắp tới với các ưu điểm đã trình bầy ở 1.1, loại công trình này còn nhiều cơ hội để phát triển

ở nước ta cùng với sự phát triển, sáng tạo không ngừng về cấu tạo mặt tường bao và cấu tạo cốt của các hãng chuyên doanh loại công trình này trên thế giới

3 6

Phần II HƯỚNG DẪN CHI TIẾT TÍNH TO ÁN TH IẾT KÊ

- Thay thế các tường chắn bằng bêtông hoặc đá xây làm công trình chống

đỡ nền từ phía dưới sườn dốc để xây dựng các đoạn nền đường hoặc bãi san nển trên các sườn dốc tự nhiên có độ dốc ngang từ 50% trở lên (hình II 1.1)

- Thay thế mái dốc taluy nền đắp đất thông thường có độ dốc thoải để giảm diện tích chiếm dụng mặt bằng dành cho việc xây dựng nền đường hoặc mặt bằng dành cho san nền (các trường hợp ở hình II 1.1)

- Làm công trình chống đỡ các khối trượt sườn trên các sườn dốc thiên nhiên vùng có tuyến đường đi qua;

- Làm các tường chắn bảo vệ môi trường (chống ồn; cách li như ở hình

bị phá hoại do áp lực đẩy của khối đất sau tường (tường không bị nghiêng lật, không bị đẩy trượt về phía trước, không bị phá hoại nền móng dưới đáy tường, không bị lún quá mức );

Hình II.1.1: Một s ố các trường hợp cố thể sử dụng tường chắn bằng đất có cốt

- Yêu cầu bảo đảm ổn định nội bộ của bản thân tường chắn đất có cốt, có nghĩa là bản thân khối đất đắp có cốt luôn giữ nguyên được hình dạng tường chắn thiết kế ban đầu trong suốt thời gian phục vụ; yêu cầu này đòi hỏi phải luôn duy trì được tác dụng ma sát và neo bám giữa đất với cốt (cốt không bị kéo đứt hay kéo tuột khỏi đất) dưới mọi ảnh hưởng xâm thực và gây ẩm của các yếu tố thiên nhiên; ngoài ra cốt không được biến dạng quá mức dẫn đến mặt tường bao bị biến dạng vượt quá cho phép

- Yêu cầu bảo đảm tổng thể của cả sườn dốc thiên nhiên (trên đó có xây dựng tường chắn đất có cốt) ngay cả trong quá trình thi công tường và cả về lâu dài sau khi xây dựng xong tường Yêu cầu này được đặt ra là do khối tường chắn đất có cốt được xem như một tải trọng nặng đáng kể tác dụng

• thêm lên sườn dốc và do bề rộng móng tường đất có cốt thường lớn hom bề

38

rộng móng các tường xây thông thường nên việc đào móng khi thi công có thể dẫn đến hiện tượng sườn dốc tự nhiên bị mất chân Các yêu cầu này đặc biệt cần chú ý khi dự kiến xây dựng các tường chắn bằng đất có cốt để chống đỡ các khối trượt sườn (các biện pháp thi công để phòng chống việc mất ổn định của sườn dốc thiên nhiên xin xem ở phần III).

- Yêu cầu bảo đảm hiệu quả kinh tế của việc sử dụng tường chắn đất có cốt: chỉ sử dụng ỉoại tường chắn này khi phân tích thấy giá thành xây dựng chúng rẻ hơn so với sử dụng các loại tường chắn khác hoặc so với giải pháp đắp mái dốc thoải Điều kiện rẻ hơn này thường chỉ có thể đạt được khi chiều cao tường lớn (vượt quá chiều cao xây dựng các tường chắn thông thường là 6 H- 8m) và khi hạ được chi phí về cốt, về mặt tường bao

Các tường chắn dùng cốt bằng kim loại và mặt tường bao bằng bêtông được sử dụng cho các công trình có tuổi thọ phục vụ dài hạn (60 -e- 100 năm) với điều kiện khi thiết kế, tính toán tiết diện cốt phải xét đến phần diện tích

dự trữ phòng mục gỉ

Các tường chắn dùng cốt và mặt tường bao bằng vật liệu polime chỉ được

sử dụng cho các công trình tạm (các công trình tại chỗ của nhà thầu, các công trình trên đường tạm phục vụ thi công và khai thác vật liệu ngắn hạn ) hoặc các công trình nếu bị hư hỏng thì ít gây hậu quả nghiêm trọng (công trình tường chắn ồn, tường cách li môi trường ) và các công trình khác có thời hạn sử dụng ngắn (15 -ỉ- 20 năm) Các công trình có thời hạn sử dụng lâu hơn (kể cả các công trình nếu bị hư hỏng ít gây hậu quả nghiêm trọng), nếu

sử dụng cốt và mặt tường bao polime thì cũng cần phải được chấp thuận của chủ đầu tư hoặc cấp xét duyệt có thẩm quyền

Không sử dụng tường chắn đất có cốt trong các trường hợp sau:

- Khi có các công trình ngầm đòi hỏi bố trí thông qua khối đất có cốt (đặt trong các thiết bị ngầm) trừ các công trình thoát nước cho bản thân khối đất

có cốt buộc phải thông qua bên trong khối tường chắn đất có cốt;

- Khi không có khả năng phòng chống xói (do ngập ỉụt và do dòng chảy) phía dưới chân tường;

- Khi tường nằm trong vùng nước mặt hoặc nước ngầm bị ô nhiễm (trong nước có độ pH thấp, tỉ lệ clorit và sunfat cao)

II.2 YÊU CẦU Đ ố i VỚI ĐẤT DÙNG ĐẮP TUỜNG CHẮN BẰNG ĐẤT

CÓ CỐT

Đối với các tường chắn có thời hạn phục vụ lâu dài, đất đắp tường không được dùng loại đất có tính dính, mà chỉ được phép dùng các loại đất rời và loại đất rời ít dính, cụ thể là các nhóm đất A -l, A-3, A-2-4, A-2-5 theo cách phân loại đất của AASHTO với các chỉ tiêu yêu cầu chi tiết như sau:

- Tỉ lệ % lọt qua sàng 0,074mm không được vượt quá 35%;

- Chỉ số dẻo không được vượt quá 10;

- Chỉ số nhóm GI theo phân loại đất của AASHTO phải bằng 0

(Xin xem bảng phân loại đất của AASHTO ở phần phụ lục)

Đối với các tường chắn có thời hạn phục vụ lâu dài nhưng sử dụng cốt kim loại dạng đai với bề rộng hẹp (tác dụng tương hỗ giữa cốt vói đất chỉ thuần tuý dựa vào ma sát) thì đất đắp tường chỉ được sử dụng các nhóm A-l-a và A-3 tức là:

- Tỉ lệ % lọt qua sàng 0,074mm không được vượt quá 15%;

- Chỉ số dẻo không được vượt quá 6;

- Chỉ số nhóm GI = 0

Trong mọi trường hợp, cỡ hạt lớn nhất trong đất đắp đều không được vượt quá 125mm với tỉ lệ tối đa có mặt trong đất là 25% (vì nhiều cỡ hạt lớn dễ làm cho cốt bị hư hại) và lượng cỡ hạt lọt qua sàng 0,015mm không được vượt quá 10%

Trong mọi trường hợp, góc nội ma sát của đất đắp khi bão hoà nước không được nhỏ hơn 25°

Khi sử dụng cốt kim loại thì các tính chất điện hoá của đất đắp phải thoả mãn các yêu cầu như ở bảng II.2.1

Khi sử dụng các loại cốt polime, đất đắp cũng nên có độ pH nằm trong khoảng 6 + 9; còn các đặc trưng điện hoá khác của đất thì người thiết kế cần phải dựa vào các chứng chỉ của từng loại sản phẩm cốt polime do hãng sản xuất cung cấp để quy định cụ thể trong hồ sơ thiết kế công trình

Trong mọi trường họp, đất đắp phải được đầm nén đạt độ chặt từ 0,98 trở lên (so vởi độ chặt đầm nén tiêu chuẩn theo TCVN 4201-1995)

4 0

Bảng 1.2.1 Yêu cầu về các đặc trưng điện hoá của đất đắp khi dùng cốt kim loại

Các đặc trưng

điện hoá

Tường nằm trong nước Tường không khi nào

bị ngậpThép không mạ,

và thép mạ

Thépkhônggì

Thép không

mạ, và thép mạ

Thépkhônggí

Điện trở suất tối thiểu của mẫu

đất bão hoà nước (Q/cm)

(ngâm bão hoà 1 giờ với nước

ở 25°c rồi đo điện trở suất) 3000 3000 1000 1000

do Bộ Giao thông vận tải ban hành ngày 10-5-1979 Riêng về phương pháp xác định điện trỏ suất và hàm lượng clorit, hiện tiêu chuẩn Việt Nam chưa có, vì vậy cần tham khảo tiêu chuẩn BS 1377 (năm 1990) của Anh quốc (hoặc tiêu chuẩn ASTM tương đương) đ ể xác đinh.

3 Đôi với đặc trưng điện trỏ suất, có thể thay thế thí nghiệm trong phòng bằng phương pháp địa vật lí (ngành địa chất công trình vẫn thường sử dụng) đ ể đo điện trở suất tại thực địa của khối đất dự kiến lấy đ ể đắp tường.

II.3 YÊU CẦU VÊ CẤU TẠO, VỀ VẬT LIỆU VÀ VỀ BẢO QUẢN CốTII.3.1 Cốt kim loại

Cốt kim loại dùng 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 (mạng),