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
2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán tường chắn đất có cốt
2.1.2. Tính toán tường chắn đất có cốt với vỏ là bê tông, cốt là lưới địa kỹ thuật
2.1.2.3. Ứng dụng lưới địa kỹ thuật 2 trục
*Đường bộ, đường sắt, bến cảng, bãi đậu xe và các ứng dụng giao thông khác
Khi sử dụng một lớp hay một vài lớp lưới địa kỹ thuật sẽ giúp phân bố tải trọng và dàn trải ứng suất một cách hiệu quả hơn. Do đó, sẽ giúp ngăn ngừa hiện tượng lún không đều và gia tăng sức chịu tải của nền.
(a) (b) Hình 2.22. Ứng dụng lưới địa kỹ thuật 2 trục (a) Đường ray chở hàng ở cảng Tianjin – Trung Quốc;
(b) Gia cố nền đất yếu cho Đường Vành Đai 5- Đông Bắc Kinh.
Hình 2.23. Ứng dụng lưới địa kỹ thuật 2 trục
(a) Thi công đường cảng Southampton, Vương Quốc Anh;
(b) Gia cố đường ở giao lộ Tory York- Toronto- Canada.
* Đường băng sân bay
Một sàn làm việc đặc biệt sẽ được hình thành gia cố bằng lưới địa kỹ thuật. Khả năng chống chịu của kết cấu dưới ảnh hưởng khi máy bay cất cánh và hạ cánh sẽ được cải thiện đáng kể và tải trọng được phân bố đều gần như ngay tức thì.
Hình 2.24. Ứng dụng lưới ĐKT 2 trục làm đường băng sân bay 2.1.2.4. Tính toán tường chắn bằng bê tông lưới địa kỹ thuật.
a) Mô hình tính toán.
Ðấ t gi
ữ l
ạ i Tường bê tông
61
Hình 2.25. Mô hình tính toán tường chắn bê tông lưới địa kỹ thuật Tường chắn bê tông lưới ĐKT gồm 5 thành phần :
+ Phần đất đắp được gia cố lưới địa kỹ thuật;
+ Phần đất giữ lại (ở sau phần đất đắp gia cố);
+ Nền đất;
+ Bề mặt (Vỏ tường): sử dụng vỏ bằng bê tông;
+ Cốt: lưới địa kỹ thuật.
Lưới có nhiệm vụ neo khối đất dễ bị trượt vào khối đất tự nó đã ổn định, còn vỏ tường bê tông chỉ có tác dụng làm đẹp và giữ đất khỏi bị xói mòn.
b) Nguyên tắc tính toán
Nguyên tắc tính toán trong phạm vi luận văn chỉ áp dụng khi tường chắn đất thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật sau:
- Đất đắp là đất rời, lực dính C = 0, góc nội ma sát <340 và đồng bộ;
- Nước thoát tốt để đảm bảo áp lực nước lỗ rỗng = 0;
- Nền móng tốt;
- Tải trọng phân bố đều trên đỉnh tường;
- Không nằm trong vùng có động đất.
*Tính toán ổn định gồm 2 phần :
+ Ổn định bản thân tường: Để có sự ổn định nội bộ, lưới và đất của tường chắn đất phải liên kết với nhau và có sự chống đỡ dưới tác dụng của tải trọng bản thân và những lực bên ngoài. Điều đó được thực hiện qua sự truyền lực từ đất đến lưới địa kỹ thuật. Lưới phải được lựa chọn và bố trí thế nào chống lại sự kéo đứt và kéo tuột ra khỏi khối đất ở bên kia mặt trượt.
Mục đích của sự phân tích ổn định nội bộ bản thân tường là kiểm tra lưới không bị kéo quá mức quy định và chiều dài neo của lưới đủ dài để khỏi bị kéo tuột.
Phân tích ổn định bên trong gồm kiểm tra các bố trí lưới và chiều dài neo lưới.
+ Ổn định bên ngoài: Quá trình tính toán giống như cách tính tường chắn đất quy ước, phân tích ổn định tổng thể nhằm đảm bảo công trình vẫn bền vững chống lại áp lực ngang của đất, trọng lượng của đất, tải trọng.
Phân tích ổn định bên ngoài gồm kiểm tra: biến dạng trượt ngang, biến dạng lật, biến dạng lún và biến dạng trượt tổng thể.
c) Các bước tính toán thiết kế Bước 1:Lựa chọn các thông số thiết kế
- Loại tải trọng: tải trọng phân bố đều trên đỉnh tường q (kN/m) - Hệ số áp lực ngang chủ động của đất
(2.15) Trong đó: ϕ - góc ma sát trong của đất.
Chú ý: chỉ áp dụng với trường hợp bề mặt tường đứng hoặc góc nghiêng so với phương đứng ≤ 8º và bề mặt đất nằm ngang
- Áp lực hông chủ động của đất gia cố lưới :
(2.16) Trong đó:
q – Tải trọng phân bố đều trên bề mặt tường chắn;
H – Chiều cao tường chắn.
- Loại đất gia cố lưới và phần đất giữ lại:
Tính toán tường chắn vỏ bằng bê tông, cốt bằng lưới địa kỹ thuật thích hợp với mọi loại đất. Trong luận văn này chỉ giới hạn tính toán đối với đất rời có lực dính C = 0, góc nội ma sát nhỏ hơn 340 và đồng bộ.
- Hệ số an toàn :
(2.17) Trong đó :
T: sức chịu kéo của lưới; ; (2.18)
: Góc nội ma sát tới hạn lấy góc nhỏ nhất trong 2 góc nội ma sát của đất nền và phần đất gia cố;
P: Áp lực hông chủ động của đất đắp gia cố và tải trọng q.
Hệ số an toàn thường lấy bằng 1,5
- Lựa chọn loại lưới địa kỹ thuật: loại lưới được lựa chọn phải đảm bảo điều kiện chịu lực (T=FSxP) và thích hợp với điều kiện tự nhiên ở Việt Nam.
Hiện nay trên thế giới sử dụng phổ biến rộng rãi là lưới Tensar, NewGrid…
- Vỏ tường : Sử dụng vỏ tường chắn bằng bê tông. Ở Việt Nam bê tông được dùng phổ biến với nhiều kích cỡ 1x1x0,18; 1,5x1,4x0,18 ...
Bước 2: Tính toán chiều dài lưới gia cố
Chiều dài lưới gia cố (L) phải đảm bảo điều kiện , ngoài ra còn phải đảm bảo đủ các yêu cầu về biến dạng trượt ngang, biến dạng lật:
- Để đảm bảo biến dạng trượt ngang, chiều dài L cần được kiểm tra tại 2 vị trí:
+ Tại vị trí I: mặt phẳng tiếp xúc giữ khối đất gia cố và đất móng và trong phần đất yếu hơn, chiều dài của lưới gia cố được tính bằng:
(2.19)
+ Tại vị trí II : tại mặt phẳng giáp lớp lưới thấp nhất, thông thường lớp này có chiều cao bằng chiều dày mỗi lớp đầm nén:
Nếu gọi Ci là hệ số tương tác giữa lưới ĐKT và đất, ta có chiều dài lưới gia cố được tính bằng :
(2.20)
Lấy chiều dài nào lớn nhất trong 2 chiều dài tại vị trí I và II .
- Để đảm bảo được ổn định chống lật thì chiều dài lưới được tính như sau:
(2.21)
Trong đó : Hệ số an toàn FS là tỷ số giữa mômen chống lật do lực kéo T và mômen lật do lực đẩy hông P đối với chân tường và trị số nhỏ nhất của hệ số này thường được lấy bằng 2;
- Chiều dài lưới gia cố phải đảm bảo thỏa mãn được các yêu cầu trên.
Bước 3:Tính toán khoảng cách đứng giữa các lớp lưới
Lưới địa kỹ thuật chịu lực kéo gây ra bởi tải trọng bản thân và tải trọng bên ngoài. Những lực kéo này được tính độc lập và tổng hợp lại thành lực kéo tổng tác dụng lên từng lớp lưới.
- Hệ số lực đẩy chủ động của đất gia cố:
(2.22)
- Sức chịu kéo thiết kế của lớp lưới ở chiều sâu trên mỗi đơn vị chiều dài được tính bằng:
(2.23)
- Ứng suất tính toán
- Hệ số an toàn kéo đứt lưới:
(2.24)
Trong đó :
: hệ số an toàn chống kéo đứt;
Để đảm bảo cho cốt không bị kéo đứt, hệ số an toàn chống kéo đứt được lấy từ 1 -:- 2;
Tall : Sức chịu kéo tới hạn của lưới (tra bảng).
- Tính toán chiều dày tối đa đất ảnh hưởng của mỗi lớp dưới:
Hình 2.26. Cách bố trí lưới
(2.25) Bước 4:Kiểm tra ổn định nội bộ
a.Kiểm tra khả năng lưới bị kéo đứt:
Hình 2.27. Kéo đứt lưới
Sử dụng phương pháp nêm để so sánh sức chịu kéo của lưới trong mỗi nêm với toàn bộ lực nêm (Tw):
Hình 2.28. Tính lực nêm Tw
Gọi là toàn bộ lực nêm, được tính bằng:
(2.26)
=> Điều kiện đảm bảo :
(2.27)
Trong đó :
: Số lớp lưới của mỗi nêm;
: Lực kéo trung bình mỗi lớp lưới.
b. Kiểm tra khả năng lưới bị kéo tuột
Hình 2.29. Kéo tuột lưới
Chiều dài neo của lưới tính bằng phương pháp nêm, chiều dài neo dài nhất được lấy làm chiều dài duy nhất cho toàn bộ công trình. Vì vậy khi kiểm tra chỉ cần kiểm tra chiều dài neo của lưới trên cùng thuộc nêm xa vỏ tường nhất.
- Chiều dài neo của lưới tại mỗi nêm:
(2.28)
Chiều dài neo đòi hỏi được tính bằng :
(2.29)
Trong đó:
Hệ số an toàn ;
C: Hệ số kéo tuột, có giá trị bằng 2 (đối với lưới ĐKT);
Chiều dài neo phải lớn hơn chiều dài neo đòi hỏi , trường hợp thì phải tính toán lại như : hạ thấp lưới trên cùng, tăng chiều dài lưới, tăng số lượng lưới…
Bước 5:Kiểm tra ổn định bên ngoài
a. Tính toán tải trọng tác dụng lên tường chắn
Hình 2.30. Tải trọng tác dụng lên tường chắn + Áp lực tĩnh thẳng đứng:
(2.30) + Áp lực động thẳng đứng:
(2.31) + Tổng áp lực thẳng đứng
R = V1 + V2 (2.32) + Áp lực tĩnh ngang:
(2.33) + Áp lực động ngang:
(2.34)b. Kiểm tra trượt ngang bên ngoài
Biến dạng trượt ngang: Là biến dạng của toàn bộ khối đất được gia cố bị đẩy về phía trước do áp lực hông của đất. Hệ số an toàn chống lại trượt ngang là tỉ số giữa lực chống trượt và lực gây trượt.
Hình 2.31. Biến dạng trượt ngang - Hệ số an toàn trượt ngang:
(2.35) Trong đó :
: lực chống đẩy ngang tại đáy tường;
: lực đẩy ngang tại đáy tường.
Lực chống đẩy ngang tại đáy tường được tính bằng công thức :
(2.36) Góc nội ma sát tới hạn lấy góc nhỏ nhất trong 2 góc nội ma sát của đất nền và phần đất gia cố
(2.37) Lực đẩy ngang tại đáy tường là lực hông chủ động của phần đất được gia cố và tải trọng q được tính bằng công thức:
(2.38) c. Kiểm tra ổn định lật bên ngoài
Hình 2.32. Biến dạng lật
- Hệ số an toàn lật:
(2.39) - Momen chống lật nhờ trọng lực tường :
(2.40) - Momen gây lật bởi lực chủ động :
(2.41) d. Kiểm tra sức chịu tải của đất nền
Quan niệm đế của tường chắn như móng nông thì hợp lực các lực khác (R) sẽ tác dụng nghiêng và lệch tâm một đoạn là e. Dựa trên quan điểm phân bố ứng suất xuống đáy móng của Mayerhof, trường hợp tải tác dụng lệch tâm thì kích thước móng sẽ thu nhỏ lại đến giá trị quy ước L-2e
Hình 2.33. Biến dạng lún - Tính toán độ lệch tâm:
(2.42) Trong đó :
: Momen chống lật nhờ trọng lượng tường và tải trọng q.
(2.43) Điều kiện ổn định chống nghiêng lật:
đối với nền đất đối với nền đá Nếu e không đảm bảo điều kiện trên thì chọn lại L - Sức chịu tải tới hạn của đất nền:
(2.44) - Tổng tải trọng thẳng đứng:
(2.45) - Hệ số sức chịu tải của đất nền:
(2.46) e. Kiểm tra trượt tổng thể
Hình 2.34. Biến dạng trượt tổng thể Hệ số an toàn trượt tổng thể được lấy nhỏ nhất là 1,5.
Sử dụng phần mềm geoslop để kiểm tra ổn định trượt tổng thể.
f. Kết luận
Tường chắn đất lưới địa kỹ thuật có đảm bảo được ổn định nội bộ và ổn định bên ngoài hay không?
Nếu chưa đảm bảo, phải tính toán lại.
B = 20 9.00
3.00 CÁC DẢI CỐT
VỎ BÊ TÔNG XI MĂNG
2.2. Ví dụ tính toán
Trong các đoạn tường chắn đất có cốt nói chung; đoạn nối cầu Đội Cấn với Cầu Đào Tấn có các thông số tính toán như sau:
- Chiều dài 337m - Chiều rộng 20m - Chiều cao 6m - Độ dốc i=1,25%
Hình 2.35 Mặt cắt ngang kết cấu tường chắn đất có cốt Giải pháp thiết kế tường chắn đất có cốt:
- Vỏ: bằng bê tông cốt thép đúc sẵn được thiết kế M300
Tường chắn có chiều dài 337m được chia ra làm 3 đơn nguyên bởi các khe phòng lún 5cm và độ dốc của tường là 1,25%. Vì vậy vỏ cũng có nhiều kích thước và hình dáng cho phù hợp với sự thay đổi kích thước của tường.
Hình dáng chính vẫn là hình chữ nhật có chiều cao là 1505mm chiều rộng 1715mm và chiều dày 140mm. Tại chỗ nối giữa các đơn nguyên, chỗ góc, tấm trên đỉnh, tấm để vuốt độ dốc có kích thước khác để phù hợp;
- Cốt: Cốt bằng thép có gờ mạ nhúng nóng theo tiêu chuẩn ISO 1460:
1461. Tiết diện 60 x 5mm, Nkéomax = 10,53 tấn ([Rc] = 3,51 tấn/cm2), kích thước như định hình với khoảng cách cốt theo chiều sâu là ∆h = 75cm, khoảng cách cốt theo chiều ngang là ∆B = 102cm. Cốt được nối với tấm vỏ bằng bu lông Φ12 cùng với đai ốc, vòng đệm đều được mạ nhúng nóng hoặc chất dẻo bảo vệ hống rỉ. (Loại có định hình ở một số nhà thầu);
- Đất đắp: là cát vàng hạt thô có Modun độ lớn Mk = 2.
Tải trọng thiết kế
Tĩnh tải: Trọng lượng bản thân của kết cấu bê tông cốt thép với γb=2500 Kg/m3;
Trọng lượng bản thân của kết cấu áo đường với γđ=2350 Kg/m3; Kết cấu thép: γt=7800 Kg/m3;
Trọng lượng bản thân của lan can, đất đắp;
Hoạt tải: Thiết kế theo tiêu chuẩn HS20 – 44 trong đó:
Tải trọng thiết kế đường xe chạy HS20 – 44 x 125%;
Phần đường dành cho người đi bộ 300KG/m2; Tỷ số lực xung kích I ≤ 0,3;
Tải trọng gió Fg = 250 Kg/m2;
Tải trọng động đất tính theo ASHTO.