Chương 3: Nghiên cứu giải pháp xây dựng tường chắn đất có cốt hợp lý tại các nút giao dự án đường vành đai Cầu giấy - Nhật tân
3.3. Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng trong thiết kế tường chắn đất cốt lưới địa kỹ thuật, cốt thép mạ nhúng nóng
Qua ví dụ tính toán của hai phương án với cốt là thép mạ nhúng nóng và cốt lưới địa kỹ thuật ở chương 2, ta nhận thấy rằng mặc dù tường ổn định khi làm việc nhưng việc lựa chọn cốt, khoảng cách đặt cốt và các thông số an toàn (do kỹ sư ấn định) còn chưa hợp lý. Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng trong quá trình thiết kế tường chắn lưới địa kỹ thuật nhằm tìm ra quy luật tác động, ảnh hưởng qua lại giữa các tham số lựa chọn ban đầu, từ đó tối ưu hóa được các thông số đó, giảm thiểu được lãng phí, tận dụng tối đa khả năng làm việc của lưới.
Sử dụng ví dụ nghiên cứu ảnh hưởng các thông số chính: chiều cao tường chắn (H), hệ số an toàn (FS), khoảng cách đặt lưới địa kỹ thuật và sức chịu kéo của lưới (T).
Ngoài ra còn nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng khác như địa chất công trình của nền tự nhiên dưới tường chắn đất có cốt và kích thước hình học của tường chắn.
3.3.1. Địa chất công trình của nền tự nhiên dưới tường chắn
Tường chắn đất có cốt phải đảm bảo ổn định nội bộ của tường chắn đất có cốt và ổn định tổng thể của cả tường chắn và nền tự nhiên dưới tường chắn.
Đảm bảo độ lún trong phạm vi cho phép, không lún lệch, lún nghiêng, trượt…
Vì vậy, khi nền tự nhiên dưới tường chắn phải đảm bảo cường độ và sức chịu tải cho phép. Nếu nền tự nhiên không đảm bảo sức chịu tải thì cần phải gia cố để đảm bảo cường độ và độ ổn định tổng thể của công trình.
Sự thay đổi độ cứng của móng làm thay đổi sự phân bố ứng suất trong khối đất có cốt theo chiều cao tường. Sự phân bố ứng suất ngang trong khối đất có cốt σxx theo chiều cao tường chỉ thỏa mãn Ka< K < K0 khi nền móng tường chắn đủ độ cứng.
Khi tính toán ổn định của tường chắn có cốt, ngoài giải pháp giảm chuyển vị ngang của tường bằng việc giảm bước cốt Sv hay tăng chiều dài cốt L thì việc tăng độ cứng nền móng tường chắn cũng là giải pháp nâng cao tính ổn định khi tính toán thiết kế tường chắn đất có cốt.
3.3.2. Yếu tố hình học
3.3.2.1. Chiều cao tường chắn
Để đánh giá được chính xác hơn, đề tài sử dụng các thông số tính toán của phương án thiết kế nêu trên, chiều dài lưới gia cố được lấy lần lượt bằng 3m, 5m, 7m và 10m khoảng cách giữa các lớp lưới cố định bằng 0,5m, số lượng lớp lưới được tăng thêm khi chiều cao tường tăng và chiều cao tường chắn H thay đổi từ 1 -:- 20m, kết quả thu được (xem phụ lục 2)
Hình 3.1. Quan hệ giữa chiều cao tường chắn và khoảng cách đặt lưới
Hình 3.2. Quan hệ giữa chiều cao tường chắn và số lượng lưới
Hình 3.3. Quan hệ giữa chiều cao tường chắn và chiều dài neo lưới Nếu giữ nguyên số lượng lưới như trên ví dụ và tăng chiều cao tường thì
khi lực kéo (T) của lưới không đảm bảo được điều kiện giữa các lớp đất thì lưới sẽ bị kéo đứt. Do kéo đứt lưới còn ảnh hưởng bởi khoảng cách đặt lưới nên không xét trường hợp này.
* Nhận xét:
Theo quy định thì , cụ thể: H < 10m đối với trường hợp L = 7m trong ví dụ trên là ổn định.
Thực tế theo tính toán thì chiều cao tường H 10,5 m vẫn đảm bảo ổn định. Như vậy chiều dài lưới gia cố được lấy bằng 0,7H chưa thực sự tối ưu.
Chiều cao của tường chắn chỉ nên lấy tối đa , nếu chiều cao h cao quá thì tường chắn dễ mất ổn định, còn nếu chiều cao tường nhỏ quá mà L lớn thì gây lãng phí.
Trong trường hợp chiều dài lưới gia cố (chiều rộng phần đất đắp) quá lớn, cần xem xét lại tính khả thi của phương án.
Qua đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa chiều cao tường và chiều dày ảnh hưởng của lưới địa kỹ thuật cũng nhận thấy khi chiều cao tường càng lớn thì phải đặt càng nhiều các lớp lưới địa kỹ thuật mới đảm bảo khả năng làm việc.
Vì vậy cần chú ý trong quá trình bố trí số lượng lưới và khoảng cách giữa các lớp lưới.
Tóm lại, thay đổi chiều cao tường là phải thay đổi chiều dài lưới gia cố và số lượng lưới hoặc thay đổi loại lưới khác mới có thể đảm bảo điều kiện làm việc.
3.3.2.2. Chiều dài và độ dốc dọc tường chắn:
Chiều dài tường chắn càng dài ta bố trí càng nhiều tấm; độ dốc dọc của tường chắn càng lớn thì càng phải bố trí các tấm đặc biệt khác nhau. Các tấm đặc biệt này được thiết kế riêng phù hợp với chiều dài và độ dốc của tường chắn.
3.3.3. Hệ số an toàn (FS) * Hệ số an toàn:
Tính toán sức chịu kéo giữa các lớp lưới: chỉ cần tính toán cho lớp lưới chịu áp lực ngang lớn nhất, ở phương pháp tính toán nêu trên chỉ tính với lớp lưới trên cùng z = 1,3 m, kết quả nhận được như sau:
Bảng 3.1. Ảnh hưởng hệ số an toàn đến lực kéo của lưới địa kỹ thuật
STT FS
Sức chịu kéo thực tế Sức chịu kéo thiết kế
Chênh lệch so với thiết
kế (%)
Khả năng cốt không bị kéo đứt (T<Tmax) P lớp lưới
trên cùng (kN/m)
T (kN/m)
Tall
(kN/m) Tmax
1 1,00 10,50 10,50 54,00 36,00 342,86 đảm bảo
2 1,10 10,50 11,55 54,00 36,00 311,69 đảm bảo
3 1,20 10,50 12,60 54,00 36,00 285,71 đảm bảo
4 1,30 10,50 13,65 54,00 36,00 263,74 đảm bảo
5 1,40 10,50 14,69 54,00 36,00 245,06 đảm bảo
6 1,50 10,50 15,74 54,00 36,00 228,72 đảm bảo
7 1,60 10,50 16,79 54,00 36,00 214,41 đảm bảo
8 1,70 10,50 17,84 54,00 36,00 201,79 đảm bảo
9 1,80 10,50 18,89 54,00 36,00 190,58 đảm bảo
10 1,90 10,50 19,94 54,00 36,00 180,54 đảm bảo 11 2,00 10,50 20,99 54,00 36,00 171,51 đảm bảo 12 3,00 10,50 31,49 54,00 36,00 114,32 đảm bảo
13 4,00 10,50 41,99 54,00 36,00 85,73 không
STT FS
Sức chịu kéo thực tế Sức chịu kéo
thiết kế Chênh lệch so với thiết
kế (%)
Khả năng cốt không bị kéo đứt (T<Tmax) P lớp lưới
trên cùng (kN/m)
T (kN/m)
Tall
(kN/m) Tmax
đảm bảo
Hình 3.4. Quan hệ giữa hệ số an toàn với lực kéo của lưới
* Nhận xét:
Phương án tính toán nêu trên thiết kế lưới địa kỹ thuật cho tường chắn đất chưa tối ưu nên chưa tận dụng hết được lực kéo của lưới.
Khi thay đổi hệ số an toàn sẽ làm thay đổi sức chịu kéo của lưới. Hệ số an toàn càng lớn trong điều kiện không thay đổi lưới thiết kế thì lưới phải chịu lực kéo lớn dần, khi vượt qua giới hạn cho phép sẽ xảy ra hiện tượng đứt lưới.
Người ta thường lấy hệ số an toàn bằng 1,5 tức là hiệu suất làm việc của lưới so với áp lực ngang của đất lúc đó là 150% (trong ví dụ khả năng làm việc của lưới là 228,65% ) so với điều kiện yêu cầu về chịu lực nhằm đảm bảo những yếu tố không lường trước trong thiết kế và thi công. Ngoài ra khi đưa vào khai thác theo thời gian lực kéo từ biến giảm dần, lúc này lưới vẫn còn khả năng đảm bảo ổn định (Tmax > T).
Nếu lấy hệ số an toàn quá cao (FS>2), lúc này sức chịu kéo thiết kế của lưới nhỏ hơn nhiều sức chịu kéo cho phép. Như vậy nó không còn phản ánh đúng khả năng làm việc của lưới nữa.
Nếu hệ số an toàn ở trạng thái cân bằng giới hạn FS =1 thì sức chịu tải của lưới vừa đủ để chống lại áp lực ngang của đất. Nếu lựa chọn loại lưới có sức chịu kéo chỉ đủ để đáp ứng điều kiện ổn định (Tmax = T=P) dù thi công không kể đến yếu tố bất lợi nhưng theo thời gian lực kéo của lưới giảm dần ( Tmax <T), lúc này lưới bị kéo đứt và không còn khả năng giữ khối đất gia cố ổn định được nữa.
3.3.4. Thay đổi các loại lưới
Việc thay đổi loại lưới khi thiết kế cũng như việc thay đổi hệ số an toàn FS đều làm thay đổi chiều dày đất ảnh hưởng của lưới, hay khoảng cách giữa các lớp lưới.
Giữ nguyên các thông số đầu vào trong ví dụ, sử dụng một số loại lưới sau (Lấy FS = 1,5 cho trường hợp này):
STT Loại lưới sử dụng Tall (kN/m) Tmax(kN/m )
1 UX1100 14,59 9,73
2 UX1200 29,18 19,45
3 UX1300 43,77 29,18
4 E’GRID50R 54,00 36,00
5 E’GRID65R 68,7 45,80
Xét mối quan hệ giữa lực kéo thiết kế của lưới (Tmax) và chiều dày lớp đất ảnh hưởng, kết quả nhận được như sau:
Hình 3.5. Quan hệ giữa chiều kéo cho phép của lưới với chiều dày đất ảnh hưởng của lưới
* Nhận xét:
STT Loại lưới sử dụng
Tmax (kN/m)
Vi lớp trên cùng (m)
Tav lớp trên cùng
(kN/m)
Khả năng cốt không bị kéo đứt
(tav<Tmax)
1 UX1100 9,73 0,94 25,78 Không đảm bảo
2 UX1200 19,45 1,88 25,78 Không đảm bảo
3 UX1300 29,18 2,83 25,78 Không đảm bảo
4 E’GRID 50R 36,00 3,49 25,78 Đảm bảo
5 E’GRID 65R 45,80 4,44 25,78 Đảm bảo
Như vậy, việc lựa chọn lưới địa kỹ thuật liên quan đến khoảng cách đặt lưới, khả năng chống kéo đứt của lưới. Nếu thỏa mãn được điều kiện đảm bảo không kéo đứt thì lựa chọn loại lưới nào cũng được. Tuy nhiên để kinh tế thì nên lựa chọn loại lưới nào có Tmax tav là nhỏ nhất.
3.3.5. Ma sát giữa đất và cốt
Vai trò của cốt chính là nhằm tạo ra áp lực hông ngay từ bên trong khối đất có bố trí cốt. Điều này cũng tương đương với việc tạo ra được lực dính c lớn hơn bên trong khối đất.
Khi khối đất chịu nén theo phương thẳng đứng, nếu không có cốt đất sẽ bị phá hoại vì nở hông tự do. Nhưng khi có bố trí cốt và giả thiết giữa đất và cốt có đủ sức neo bám cần thiết thì khi chịu nén, đất và cốt sẽ cùng tham gia chịu lực. Do đó, khối đất bị xem như chịu nén 3 trục có hạn chế nở hông với trị số áp lực hông chính là do cốt tác dụng vào đất thông qua lực ma sát giữa đất và cốt được gọi là hệ số ma sát biểu kiến, ký hiệu f*.
Theo [1], hệ số f* thường thay đổi trong phạm vi 0.4÷1.5 hoặc được tính tùy thuộc vào chiều sâu của lớp cốt, theo [30], [31] hệ số ma sát biểu kiến giữa đất và cốt f*được tính như sau:
f* = fo*(1 - z/zo)+(z/zo) tanj trường hợp z < zo = 6m f*= tanj trường hợp z > zo = 6m
Hình 3.6. Biểu đồ f* ứng với chiều sâu cốt theo SETRA 1979
Trong đó:
f o * - Hệ số ma sát đơn vị giữa đất và cốt;
f o * = 1,2 + log 10 (C u );
C u - Hệ số không đồng đều của đất đắp;
z - Độ sâu của lớp cốt tính từ đỉnh tường chắn.
Tuy nhiên, vì trong quá trình biến dạng khi chịu cắt trượt, đất dạng hạt có thể bị xốp nở, do ứng suất pháp hữu hiệu tác dụng trên bề mặt cốt sẽ biến đổi tùy theo tác dụng tương hỗ giữa đất với cốt. Vì vậy, thường phải sử dụng hệ số ma sát xác định được bằng thí nghiệm.
f*= (3.1)
Trong đó:
L - Chiều dài cốt;
F - Lực kéo trong cốt;
b - Chiều rộng bề mặt tiếp xúc với đất;
σ v - Áp lực thẳng đứng phân bố đều.
Áp dụng vào thực tế của đề tài:
Chiều dài cốt, L = 4,2m;
Chiều rộng quy đổi bề mặt tiếp xúc với đất b=3.p.d;
Áp lực thẳng đứng phân bố đều σ v = P/(0,75x1,1);
Lực kéo trong cốt F=(ε.E).F cốt .
Từ các biến dạng ε đo được trong cốt thông qua cảm biến biến dạng (strain gages) ứng với từng mẫu độ ẩm khác nhau, ta lập nên mối quan hệ giữa độ ẩm và ma sát f*, đây chính là hệ số đặc trưng cho sự tương tác tại giao diện giữa đất và cốt khi độ ẩm nền đường thay đổi.
Hình 3.7 Biểu đồ thay đổi ma sát qua độ ẩm
Hình 3.8. Biểu đồ quan hệ giữa ma sát và áp lực ở độ ẩm (W = Wo = 8,9%)
Dựa vào biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và hệ số ma sát của đất ta thấy, khi độ ẩm đất tăng lên sẽ làm sức cản bị động của đất giảm, ma sát giữa các hạt đất giảm dẫn đến ma sát giữa đất và cốt cũng giảm theo làm giảm khả năng huy động cốt cùng tham gia chịu lực.
Dựa vào sự suy giảm khả năng chịu tải, diễn biến ứng suất, biến dạng khi sự thay đổi độ ẩm của đất ta có thể xây dựng mối quan hệ sự làm việc của đất và cốt ứng với các cấp áp lực bất kỳ của công trình.
Trong quá trình khai thác nên lập kế hoạch theo dõi định kỳ bao gồm:
Quan trắc chuyển vị tường, trích xuất mẫu đất để kiểm tra độ ẩm, mẫu cốt để kiểm tra tốc độ ăn mòn, đánh giá tình trạng mặt đường, hệ thống thoát nước mặt… để có những ứng xử kịp thời khắc phục nếu có các biểu hiệnvượt mức cho phép.
Về quan hệ giữa ma sát và các loại cốt ta thấy rằng như ở ví dụ tính toán ở chương 2 với cốt là lưới địa kỹ thuật thì tiết diện tiếp xúc với đất là lớn hơn so với cốt là thép mạ nhúng nóng, mặt khác cốt lưới địa kỹ thuật có các khoảng hở ở giữa cũng tạo ra sự then cài với đất đắp nên tạo ra ma sát tốt hơn.
3.3.6. Liên kết giữa mặt tường với cốt.
3.3.6.1 Lực tác dụng tại mối nối giữa mặt tường với cốt.
Trong mọi trường hợp, dù là loại mặt tường bằng tấm rời bêtông ximăng hoặc bằng vỏ kim loại thì các mối nối nằm ở dưới tường đều phải
được tính toán với 100% lực kéo lớn nhất mà mỗi đơn nguyên cốt hoặc mỗi lớp cốt phải chịu.
Đối với các mối nối nằm ở nửa trên tường thì tính với 85% trị số lực kéo lớn nhất nếu mặt tường bằng tấm bê tông xi măng và với 75% trị số lực kéo lớn nhất nếu mặt tường bằng vật liệu mềm (vỏ kim loại).
3.3.6.2. Bố trí và tính toán liên kết giữa mặt tường với cốt trong trường hợp mối nối bằng kim loại.
Cấu tạo và bố trí lỗ và chốt của một mối nối bằng kim loại phải theo các chỉ dẫn ở trên. Các chi tiết kim loại tạo thành mối nối (gồm có cốt đã đục lỗ, bản mấu đã đục lỗ, chốt hoặc bulông sau khi trừ đi chiều dầy dự phòng cho phép bị ăn mòn đều phải được kiểm toán để chịu được lực tác dụng tại mối nối đã nói ở trên. Tùy theo điều kiện chịu lực của mỗi chi tiết trong mối nối, nội dung kiểm toán có thể là kiểm toán cường độ chịu kéo dọc trục (với cốt và bản mấu đã đục lỗ), kiểm toán cường độ chịu cắt (của chốt hoặc bulông), kiểm toán cường độ chịu kéo và cắt kết hợp (đầu mút của cốt hoặc của bản mấu), kiểm toán cường độ chịu ép mặt ở các lỗ bulông.
Khi kiểm toán các chi tiết mối nối kim loại, cường độ giới hạn chịu kéo, chịu cắt và chịu nén của thép các loại có thể lấy theo bảng II.10.1 và của bulông hoặc đinh vít có đường kính từ 40mm trở xuống có thể lấy theo bảng II.10.2.
Bảng 3.2. Các đặc trưng cường độ của một vài loại thép dùng làm cốt
Loại thép
Chiều dầy chịu lực tác dụng
Cường độ giới hạn (N/mm2)
Chịu kéo Chịu cắt Chịu nén
Thép cacbon 16mm 340 205 340
Thépcacbon
tròn 40mm 485 290 485
Thép không gỉ 10mm 510 305 510
Bảng 3.3. Các đặc trưng cường độ của bulông và đinh vít có đường kính 40mm
Loại vật liệu Cường độ giới hạn (N/mm2)
Chịu kéo Chịu cắt Chịu nén
Thép cacbon 290 170 290
Thép cacbon tròn 700 420 700
Thép không gỉ 785 470 785
Hệ số chiết giảm cường độ khi kiểm toán cũng có thể được lấy bằng 1,5-1,7.
3.3.6.3. Liên kết giữa mặt tường với cốt polime.
Trường hợp mặt tường bẳng vải địa kĩ thuật bọc cuộn thì liên kết này được giải quyết bằng cách khâu nối như nói ở trên.
Trường hợp sử dụng cốt polime dạng lưới thì việc liên kết cốt với mặt tường bằng rọ hoặc hộp đá (rọ, hộp cũng bằng polime) sẽ được thực hiện bằng mối nối kiểu “xỏ then” hoặc cột, buộc. Mối nối kiểu “xỏ then” được cấu tạo bằng cách chồng các ô lưới lên nhau rồi dung chốt xỏ qua với chốt chất dẻo hoặc chốt kim loại.
Trong trường hợp này các chi tiết của mối nối cũng được kiểm toán với lực tác dụng.