Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 6 - TS. Phạm Quang Tú

Bài giảng Địa kỹ thuật: Chương 6 Áp lực đất lên tường chắn, cung cấp cho người học những kiến thức như: các loại áp lực đất và điều kiện sản sinh ra chúng; xác định áp lực đất lên tường chắn theo lý luận của rankine; xác định áp lực đất tĩnh; xác định áp lực đất theo lý luận của coulomb. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

CHƯƠNG VI

ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN

(Lateral Earth Pressure)

2 Retaining Wall

§6.1 Mở đầu

NỘI DUNG

§6.2 Các loại áp lực đất và điều kiện sản

sinh ra chúng

§6.4 Xác định áp lực đất lên tường chắn

theo lý luận của Rankine

§6.3 Xác định áp lực đất tĩnh

§6.5 Xác định áp lực đất theo lý luận của

Coulomb

§6.1 MỞ ĐẦU

5

Mở đầu

Công trình hoặc bộ phận công trình có nhiệm vụ chủ

yếu là chắn giữ đất, VD: tường chắn bờ dốc, sườn

đồi, mố cầu 2 bên bờ, tường 2 bên cống nước…

Hình 1: Tường đỡ mái dốc đất

I Khái niệm về tường chắn đất

6

Hình 2: Mố cầu 2 bên bờ

Hình 3: Tường bên cống & tường bên công trình ngầm

Mở đầu

Trang 2

Hình 4: Tường chắn đất trong công trình giao thông

Road Train

retaining

wall

Hình 5: Ứng dụng tường chắn đất trong giao thông highway

Mở đầu

9

Hình 6: Ứng dụng tường chắn đất trong cảng biển

ship warehouse

sheet pile

Hình 7: Ứng dụng tường chắn đất trong xây dựng dân dụng

basement wall

High‐rise building

Mở đầu

11

1 Lưng tường

2 Ngực tường

3 Bản đáy

4 Khối đắp sau tường

Chú ý:

Trước khi xây dựng tường thường

phải đào đất để tạo mặt bằng thi

công Khi xây xong đất sẽ được

đắp trở lại ⇒ đất sau tường chắn

thường là đất đắp đầm chặt chứ

không phải đất tự nhiên

Ngực tường Lưng tường Khối đắp sau tường

Bản đáy

II Quy ước các bộ phận của tường

3.1 Theo khả năng giữ ổn định chống trượt

1 Tường trọng lực:

Sự ổn định của tường đc đảm bảo nhờ trọng lượng bản thân tường

Vật liệu: gạch xây, đá xây, bê tông, vv Tường trọng lực

Backfill

2 Tường bán trọng lực:

Độ ổn định được đảm bảo không những do trọng lượng bản thân tường

mà còn do khối đất đắp nằm trên bản móng

Loại tường này thường làm BTCT nhưng chiều dày tường vẫn khá lớn Tường bán

trọng lực

III Phân loại tường chắn

Trang 3

Mở đầu

3 Tường bản góc

Độ ổn định của tường được đảm bảo

chủ yếu nhờ khối đất đè lên bản đáy, tùy

điều kiện làm việc của tường, người ta

có thể thêm các bản chống nhằm tăng

tính chống uốn của tường

4 Tường cừ (tường mỏng)

Sự ổn định của tường được đảm

bảo bằng cách chôn chân tường vào

nền, để giảm bớt độ sâu chôn và

tăng độ cứng của tường, người ta

dùng thêm dây néo

Tường bản góc Tie rod

Sheet pile

Anchor

Tường mỏng

14

Retaining structures

In excavating work

15

3.2 Theo chiều cao

+ Tường thấp (< 5m) + Tường trung bình ( 5 - 10m) + Tường cao (>10m)

3.3 Phân loại theo góc nghiêng của lưng tường

+ Dốc thuận + Dốc nghịch

3.4 Phân loại theo kết cấu

+ Tường liền khối + Tường lắp ghép + Tường rọ đá + Tường đất có cốt

17

§6.2 Các loại áp lực đất tác dụng

lên tường

Trang 4

Áp lực đất là gì? Chúng xuất hiện như thế nào?

Các loại áp lực đất lên tường

X

Natural slope

Soil

Retaining structure

Lateral pressure Exerted by Soil

20

21

Tại sao cần nghiên cứu về áp lực đất?

22

Cantilever retaining wall

Với một số công trình đất, cần thiết phải có các kết cấu

để ngăn chặn dịch chuyển ngang của đất phía sau chúng

Braced excavation Anchored sheet pile

Tie rod

Sheet pile Anchor

23

Ta phải đánh giá được áp lực đất ngang tác dụng lên

kết cấu để có thể thiết kết được chúng

-Trị số

-Điểm đặt

-Phương và chiều

Gravity

Retaining wall

Soil nailing

Reinforced earth wall

24

Tùy điều kiện tác dụng của tải trọng ngoài, tường chắn đất sẽ làm việc trong các điều kiện khác nhau.Mỗi loại điều kiện làm việc sẽ sản sinh

ra 1 loại áp lực đất tương ứng Căn cứ vào xu hướng dịch chuyển của tường, chia ra 3 loại

I Các điều kiện làm việc của tường

Trang 5

1 Do lực đẩy của khối đất sau tường, tường chắn co xu

thếbị đẩy về phía trướclàm khối đắp sau tường có xu

hướng trượt xuống

TH tường có xu hướng dịch chuyển ra xa khối đắp

2 Do ngoại lực xô ngang lớn, tường chắn co xu thế bị đẩy về phía khối đắp làm cho đất sau tường bị ép trồi lên

TH tường có xu hướng dịch chuyển hướng vào khối đắp

27

3 Khi ngoại lực tác dụng không đủ lớn để làm tường dịch

chuyển, tường đứng yên, khối đắp sau tường luôn ở trạng

thái cân bằng

Tường đứng yên, khối đắp ở trạng thái cân bằng

II Thí nghiệm mô hình của Terzaghi

Để phân tích định tính & định lượng áp lực đất trong 3 kiểu làm việc khác nhau của tường chắn, Terzaghi đã làm thí nghiệm mô hình tìm hiểu quan hệ giữa áp lực đất tác dụng lên tường & độ dịch chuyển của tường Kết quả thí nghiệm vẽ được đường quan hệ giữa hệ số áp lực hông Ko& độ chuyển dịch tương đối của tường δ (là tỷ

số giữa độ chuyển dịch của đỉnh tường ∆ với chiều cao H của tường)

Quy ước:

∆> 0 khi tường dịch chuyển về phía không có đất

∆= 0 khi tường đứng yên

∆< 0 khi tường dịch chuyển về phía đất đắp

29

Nếu tường đứng yên, khối đất sau tường ở trạng thái cân

bằng tĩnh và gây ra áp lực đất tĩnh (áp lực đất ngưng) tác

dụng lên tường, ký hiệu là E0

Trang 6

Tường bị khối đắp đẩy về phía trước

(khối đất ở trạng thái chủ động) áp

lực đất giảm dần khi độ chuyển dịch

của tường tăng Do khi tường chuyển

dịch & tách rời khỏi đất thì cường độ

chống cắt của đất sẽ được phát huy

Khi chuyển dich tường đủ lớn, cường

độ chống cắt của đất đạt giá trị lớn

nhất; khối đất sau tường đạt trạng

thái CBGH chủ động (mặt trượt trong

khối đất xuất hiện) Áp lực đất tác

dụng lên tường do khối trượt gây ra

lúc đó gọi là áp lực đất chủ động – Áp

lực này ứng với trạng thái CBGH chủ

động AL này có giá trị min, ký hiệu

Ecđ

Tường bị ngoại lực xô về phía đất

thì khối đất sẽ chống lại sự dịch chuyển của tường (khối đất ở trạng thái bị động), lực chống tăng khi độ chuyển dịch của tường tăng Do tường càng chuyển dịch, khối đắp càng bị ép chặt → cường độ chống cắt phát huy càng cao → phản lực chống tường tăng Khi tường chuyển dịch đủ lớn, cường độ chống cắt đạt max, khối đất sau tường đạt trạng thái CBGH bị động (mặt trượt xuất hiện trong khối đất)

Áp lực chống tác dụng lên tường

do khối đất gây ra lúc đó gọi là Áp lực đất bị động Áp lực này là max,

ký hiệu Ebđ

Vậy:

(a) Áp lực đất tĩnh (b) Áp lực đất chủ động (c) Áp lực đất bị động

Tường không

chuyển vị

Tường bị nghiêng xa phía đất được chống đỡ

Tường bị đấy về phía đất được chống đỡ Khối đắp sau tường

luôn ở trạng thái tĩnh

Với 1 độ nghiêng vừa đủ của

tường, nêm đất sau tường

sẽ bị trượt xuống

Với chuyển động vừa đủ của tường, 1 nêm đất sẽ

bị đẩy trượt lên

- ∆ +∆

33

Nhận xét

-Độ dịch chuyển & hướng dịch chuyển của tường có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất & giá trị áp lực đất tác dụng lên tường

-Về cơ bản, Ec< Eo< Eb

- Khi thiết kế & xây dựng các công trình chắn (như tường cừ, tường cừ có cốt…), ta cần phải xác định được áp lực đất như 1 lực thông thường bao gồm:

+ độ lớn + phương & chiều tác dụng + điểm đặt

35

§6.3 Xác định áp lực đất tĩnh

(Earth pressure at rest)

36 Căn cứ độ nghiêng của lưng tường & độ xiên của mặt đất:

+ Trường hợp lưng tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang + Trường hợp lưng tường nghiêng, mặt đất xiên

Hai trường hợp tính áp lực đất tĩnh

Trang 7

I Trường hợp lưng tường thẳng đứng,

mặt đất nằm ngang

38

Khi tường đứng yên, khối đất sau tường đạt trạng thái cân bằng tĩnh, gây áp lực đất tĩnh tác dụng lên tường, để xác định Eo, xét trạng thái ứng suất của điểm M độ sâu Z

ở vị trí tiếp xúc giữa đất & lưng tường

I Trường hợp lưng tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang

39 Ứng suất thẳng đứng

Tường đứng yên, trạng thái

ứng suất tại M tương tự thí

nghiệm ép co không nở

hông, thành phần ứng suất

ngang - chính là cường độ

áp lực đất tĩnh, được xác

định

Điểm đặt Eođi qua trọng tâm của biểu đồ cường độ áp lực

đất tĩnh, phương vuông góc với lưng tường, chiều hướng

vào lưng tường

Loại đất Hệ số áp lực

hông K o Tác giả

Đất cát xốp

chặt chặt do tưới nước rất chặt do đầm Đất dính

0,40 0,430,45 0,40 0,50 0,37 0,80 0,700,75 0,480,66 0,400,65

K.Terzaghi J.Najder W.A.Bishop K.Terzaghi W.A.Bishop K.Terzaghi K.Terzaghi W.A.Bishop

De Beer

Bảng 5.1: Kết quả thí nghiệm thực đo hệ số áp lực hông Ko

Với đất hạt thô, Kođược xác định theo công thức kinh nghiệm

(Jaky,1944)

Với sét cố kết bình thường, Brooker & Ireland (1965) đề nghị

Φ’: Góc ma sát cắt thoát nước Với đất sét quá cố kết, Kocó thể dùng công thức xấp xỉ

Với sét cố kết bình thường, có thể dùng công thức (Alpan (1967))

Trong đó: OCR = overconsolidation ratio

Trong đó PI = Chỉ số dẻo

(12.5)

Một số quan điểm khác tính hệ số áp lực hông:

Dạng biểu đồ phân bố cường

độ áp lực đất tĩnh là dạng tam giác Giá trị của tổng áp lực đất tĩnh Eotính cho 1m theo chiều dài của tường chính là diện tích của biểu đồ cường độ áp lực đất tĩnh

Điểm đặt của Eođi qua trọng tâm của biểu đồ cường độ áp lực đất tĩnh, tức là cách đáy tường 1 khoảng bằng H/3 Phương của Eovuông góc với lưng tường và chiều hướng vào lưng tường

Trang 8

II Trường hợp lưng tường nghiêng góc,

mặt đất xiên góc.

44

E.Franke đề nghị dùng công thức sau dưới đây để xác định cường độ áp lực đất tĩnh

II TH lưng tường nghiêng góc, mặt đất xiên góc .

45

Trong đó

II TH lưng tường nghiêng góc, mặt đất xiên góc .

• pon– cường độ áp lực đất tĩnh theo phương pháp tuyến của tường

• pot– cường độ áp lực đất tĩnh theo phương tiếp tuyến của tường

46

II TH lưng tường nghiêng góc, mặt đất xiên góc

Như vậy:

Eon= Ko[1- 2tgtg + ( - tg2)tg2]cos2

Eot= Eon(mtg - 1)(tg - m)

o

K

1

47

§6.4 Xác định áp lực đất lên tường chắn

theo lý luận của Rankine

48

I Nguyên lý tính toán

Nguyên lý xác định áp lực đất theo Rankine

Trang 9

49 Xét khối đất là 1 bán không

gian vô hạn Xét trạng thái

ứng suất tại M cách mặt đất

một khoảng Z, các thành

phần ứng suất tại M:

Khi khối đất có xu hướng dãn ra

Nếu khối đất bị kéo dãn ra 2 phía hông thì ứng suấtzvẫn không đổi nhưng ứng suấtxlại giảm dần cho đến khi vòng tròn Mohr tiếp xúc với đường Coulomb Lúc

đóxđạt cực tiểu, gọi là cường

độ áp lực đất chủ động pcđ Lúc này pcđ là ứng suất chính nhỏ nhất, còn z = z là ứng suất chính lớn nhất

I Nguyên lý tính toán

51

Khi khối đất có xu hướng co lại

Nếu khối đất bị ép co từ 2

phía hông thì ứng suấtz

vẫn không đổi nhưng ứng

suất x lại tăng dần cho

đến khi vòng tròn Mohr

tiếp xúc với đường

Coulomb thì lúc đóxđạt

giá trị cực đại, gọi là

cường độ áp lực đất bị

động pbđ Lúc này pbđ là

ứng suất chính lớn nhất,

còn z = z là ứng suất

chính nhỏ nhất

1 Lưng tường thẳng đứng, mặt đất nằm ngang, mặt tường trơn nhẵn không có ma sát

2 Khi khối đất sau tường đạt trạng thái CBGH chủ động hoặc bị động thì mọi điểm trong khối trượt đều ở trạng thái CBGH và thoả mãn điều kiện CBGH Mohr-Coulomb

II Các giả thiết cơ bản tính theo Rankine

53 Xét trạng thái ứng suất tại M trên lưng tường chắn, trơn

nhẵn, mặt đất nằm ngang Giả sử khối đắp sau tường đạt

trạng thái CBGH chủ động

Ứng suất tại M:

z= z = 1

pcđ= 3

M ở trạng thái CBGH nên các

thành phần ứng suất tại M

phải thoả mãn điều kiện

CBGH Mohr-Coulomb

m = tg2(45° + /2)

Rút ra

Trong đó

Kcđ: Hệ số áp lực đất chủ động theo lý luận của Rankine

III Xác định áp lực đất chủ động theo Rankine

Trang 10

Kết quả tính áp lực đất lên tường chắn với đất rời và đất dính

zo– độ sâu mà cường độ áp lực đất chủ động = 0

hay còn goi là độ sâu giới hạn (độ sâu nứt nẻ)

Biểu đồ cường độ áp lực đất chủ động td lên tường có 2 phần,

1 phần mang dấu âm và 1 phần mang dấu dương Phần biểu

đồ mang dấu âm có thể giải thích là dolực dính có tác dụng kéo giữ tường

Trong thực tế tính toán, thường bỏ qua tác dụng này nên tổng áp lực đất chủ động Ecđtrên 1 đơn vị chiều dài tường được tính bằng diện tích phần biểu đồ cường độ mang dấu dương

Chú ý: Khi xác định áp cường độ áp lực đất tổng, cần chỉ ra cảphương, chiều, điểm đặtcủa nó

Nhận xét

57

Ecđcó phương vuông góc với lưng tường, chiều hướng

vào tường, điểm đặt tại trọng tâm của biểu đồ, cường độ

mang dấu dương tức là cách chân tường một khoảng

58

Cho:1 tường chắn cao 7m, lưng tường thẳng đứng, trơn nhẵn, mặt đất nằm ngang như hình

Yêu cầu: Xác định áp lực đất chủ động tác dụng lên tường chắn

VD5‐1 (Tr.174_GT)

γ 19kN/m3

180,

c 12kN/m2 Đất đắp

59

Giải

Cường độ áp lực đất chủ

động tác dụng lên tường

được xác định theo công

thức:

VD5‐1 (Tr.174_GT)

γ 19kN/m3

180,

c 12kN/m2

Đất đắp

Trong đó:

Kcđ= tg2(450- /2

Z: độ sâu điểm tính toán

so với mặt đất đắp

Từ công thức tổng quát ta có:

VD5‐1 (Tr.174_GT)

+ Tính giá trị cường

độ áp lực tại một số điểm đặc biệt + Tính độ sâu nứt nẻ

z0, + Vẽ biểu đồ áp lực đất tác dụng lên lưng tường

+ Tính tổng áp lực đất, xác định phương, chiều và điểm đặt

Trang 11

IV Xác định áp lực đất bị động theo Rankine

Tường đạt trạng thái CBGH bị động, xét trạng thái ứng

suất tại điểm M

Các thành phần ứng suất

z= z = 3

pbđ= 1

Theo điều kiện CB giới hạn

Mohr-Coulomb ta có

Trong đó: Kbđ= m = tg2(45°+/2)

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

62

Kết quả tính cường độ áp lực đất bị động tác dụng lên tường chắn: (a) đất rời; (b) đất dính

63 Biểu đồ phân bố cường độ áp lực đất bị động có dạng hình

thang Tổng giá trị áp lực đất bị động tính bằngdiện tích biểu

đồ hình thang:

Điểm đặt của Ebđtại trọng tâm hình thang tức

là cách chân tường một khoảng bằng

64

V Tính toán áp lực đất trong một số trường hợp

1 Lưng tường nghiêng, mặt đất nằm ngang

Trường hợp này dùng PP gần đúng, coi phần đất trên hoặc dưới đường nghiêng là 1 bộ phận của tường

Lưng tường giả định

65

2 Trường hợp mặt đất đắp nằm nghiêng

TH này, giả thiết phương tác dụng của áp lực chủ động

song song với mặt đất đắp:

3 TH mặt đất đắp chịu tải trọng phân bố đều liên tục q

Tương tự ta có công thức xác định cường độ áp lực đất chủ động & bị động rút

ra từ điều kiện CBGH Mohr–Coulomb:

Backfill

σz= γz q

Áp lực tác dụng lên tường chắn sẽ tăng lên Ứng suất theo phương đứng:

Trang 12

67 Tùy quan hệ giữa thành phần lực dính c và tải trọng phân

bố đều q, ta sẽ các dạng biểu đồ phân bố áp lực đất tác

dụng lên tường khác nhau

4 Trường hợp khối đất sau tường nhiều lớp

Trường hợp đất đắp sau tường được chia thành lớp, về cơ bản, cách tính như trường hợp khi mặt đất đắp chịu tải trọng phân bố đều

γ1; 1;

c1; H1

γ2; 2;

c1; H2

γ3; 3;

c3; H3

H1

H2

H3

Tính áp lực đất lên tường chắn khi khối đắp sau tường

cấu tạo bởi nhiều lớp khác nhau

69 Trường hợp đất đắp sau tường được chia thành lớp, về cơ

bản, cách tính như trường hợp khi mặt đất đắp chịu tải trọng

phân bố đều

§6.5 Tính toán áp lực đất theo lý thuyết

của Coulomb

71

Xác định áp lực đất theo lý luận của Coulomb

Lý luận áp lực đất Coulomb được xác định trên cơ sở

các giả thiết sau:

1 Tường chắn tuyệt đối cứng, không biến dạng

2 Khối trượt là vật rắn tuyệt đối, chỉ những điểm trên mặt

trượt thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn

Tính áp lực đất ngang theo Coulomb

I Các giả thiết cơ bản

3 Mặt trượt trong đất là

mặt phẳng và đi qua

chân tường

4 Đất đắp sau tường là

đất rời

72

Xác định áp lực đất theo lý luận của Coulomb

- Coulomb giả thiết một mặt trượt bất kỳ, sau đó dựa vào điều kiện cân bằng của khối trượt, từ đó tìm ra tổng phương, chiều và vị trí của áp lực đất giả thiết

lực đẩy giả thiết tác dụng lên tườngvàáp lực đất bị động là giá trị nhỏ nhất của các lực chống giả thiết tác dụng lên tường

II Nguyên lý tính toán

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	1,65 MB