Neo và tường chắn đất - Phần 3 pptx

Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page1 Tường chắn đất I. Tổng quan 1. Khái niệm Tường chắn để tăng cường ổn định khi công trình chịu áp lực ngang của đất. Có thể thấy tường chắn ở các công trình và bộ phận của công trình như tầng ngầm, đường ngầm, tường chắn đất, bờ kè Tường chấn thường được sử dụng để: - Giữ cho khối đất sau lưng tường được cân bằng, không bị trượt, đổ xu ống. - Chống sạt lở cho công trình nơi địa hình đồi núi. - Chống sạt lở khi xây dựng mới cạnh công trình cũ. - Chống sạt lở cho bờ sông, vách núi. 2. Phân loại: a. Theo điều kiện chịu lực: - Tường chắn trọng lực sử dụng vật liệu như gạch, đá hộc, bê tông đá hộc, bê tông cốt thép. - Tường chắn bán trọng lực (thành mỏng) chịu nén và uốn b ằng bê tông cốt thép. - Tường cọc bản, tường vây, tường cừ larssen, gỗ, thép, bê tông cốt thép. - Tường cọc đất trộn xi măng, cọc khoan nhồi. b. Theo chiều cao của tường: - Tường thấp: chiều cao H < 10m. - Tường trung bình: H = 10 ÷ 20m. - Tường cao: H > 20m. Hình: Tường chắn trọng lực Tường tầng hầm Tường mố cầu Tường bờ kè Tường thủy lợ i Một số loại trường trọng lực khác Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page2 c. Theo vật liệu: - Gỗ. - Gạch. - Đá hộc. - Bê tông đá hộc. - Bê tông. - Bê tông cốt thép - Thép. - Tường có cốt (tường ổn định cơ học): vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật. d. Theo điều kiện thi công: - Tường liền khối. - Tường lắp ghép. e. Theo nguyên tắc làm việc, căn cư vào độ biến dạng của lưng tường: - Tường c ứng: tường trọng lực, tường bán trọng lực, tường bằng cấu kiện BTCT. - Tường mềm: cọc gỗ, cọc bản thép, cọc bản bằng BTCT. Hình: Tường chắn bán trọng lực Hình: Tường chắn thành mỏng. Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page3 3. Các lọai áp lực đất - Một phân tố đất cân bằng tĩnh trong bán không gian đất tự nhiên phải thỏa mãn phương trình cân bằng với các điều kiện như: tình liên tục, tính đồng nhất, tính đẳng hướng. - Một trong những giả thiết được áp dụng rộng rãi đã cho lời giải riêng của điều kiện cân bằng và kết quả được chấp nhận là ứng suất pháp tăng tuy ến tính theo chiều sâu để tính được ứng suất do trọng lượng bản thân. - Nếu gọi E 0 là áp lực ngang của đất ở trạnh thái tĩnh thì sự thay đổi áp lực ngang của đất theo độ dịch chuyển của vật chắn được thể hiện như sau: - Có hai trường hợp áp lực đất đẩy tường chắn ra xa (áp lực bị động) và ép tường vào khối đất (áp lực chủ động). - Có hai loại áp lực ngang cực trị: • cực tiể u: được gọi là áp lực ngang của đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo chủ động, ký hiệu E a . • cực đại: được gọi là áp lực ngang của đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo bị động, ký hiệu E p . II. Lý thuyết Mohr-Rankine - Áp lực ngang lên AB: • Áp lực nước lỗ rỗng. E E p E a E o Chuyển vị ra khỏi khối đất Chuyển vị vào khối đất A B P sat γ z ' ho σ Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page4 • Áp lực khung hạt đất ở trạng thái tĩnh ' h σ (ứng suất hữu hiệu theo phương ngang. - Tại P z : zkk vh ' 0 ' 0 ' γσσ == 1. Áp lực chủ động Điều kiện phát sinh áp lực chủ động của đất Áp lực chủ động của đất trong hệ tọa độ (, ) - Công thức tính áp lực ngang của đất ở trạnh thái cân bằng chủ động: • Đối với đất đính: ) 2 ' 45('2) 2 ' 45(.'.' 002 ϕ ϕ γσ −−−= tgctgz a • Đối với đất cát: ) 2 ' 45(.'.' 02 ϕ γσ −= tgz a • Hệ số áp lực chủ động k a có dạng: ) 2 ' 45( 02 ϕ −= tgk a a. Ảnh hưởng của lực dính c lên áp lực chủ động: Với đất dính: aaa kczk '2' ' −= γσ - Tại z = 0 aa kc'2' −= σ - Vị trí đặc biệt có 0' = a σ 0'2' ' =−= acaa kczk γσ a a a c k c k kc z ' '2 ' '2 γ γ ==⇒ - Tại z x • lực ma sát zk a ' γ : tăng tuyến tính • lực dính a kc'2− : hằng số âm A B P A’ B’ z M σ , a σ , v σ , ϕ A z z c B a kc'2 zk a ' γ Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page5 b. Ảnh hưởng của mực nước ngầm lên áp lực chủ động - Tính và vẽ cường độ áp lực nước P a (hoặc Pp) có xét tới ứng suất hữa hiệu. - Tính và vẽ cường độ áp lực tĩnh của nước. - Tính E a (hoặc E p ) bằng tổng của áp lực đất và áp lực nước. c. Ảnh hưởng của tải phân bố đều lên mặt đất sau đỉnh tường lên áp lực chủ động - Quy tải phân bố đều thành lớp đất quy ước có cùng trọng lượng riêng  của lớp đất sau lưng tường. Chiều dày quy ước là h = P/’. d. Đất sau lưng tường có nhiều lớp - Tính hệ số áp lực k a (hoặc k p ) cho từng lớp đất riêng biệt. - Tính và vẽ biểu đồ cường độ áp lực đất P a (hoặc P p ). - Tính E a (hoặc E p ). 2. Áp lực bị động Điều kiện phát sinh ứng suất chủ động của đất Trạng thái áp lực bị động của đất - Hệ số áp lực bị động có dạng sau: ) 2 ' 45( 02 ϕ += tgk p • Đối với đất dính: ) 2 ' 45('2) 2 ' 45(.'.' 002 ϕ ϕ γσ +++= tgctgz p • Đối với đất cát: ) 2 ' 45(.'.' 02 ϕ γσ += tgz p III. Lý thuyết Coulomb (1773) Xác định áp lực chủ động và bị động theo giả thiết sau: - Lăng thể trượt ABC ở trạng thái cân bằng dẻo còn nguyên khối. - Mặt trượt BC sau lưng tường là mặt trượt phẳng. - Mặt trượt thứ hai là lưng tường AB. Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page6 - Khi có lực dính thì lực này sẽ phân bố đầu trên mặt trượt BC 1. Xác định áp lực chủ động Coulomb đất rời )( )sin( )sin( θ ψϕθ ϕ θ fWE a = +− − = 2. Xác định áp lực chủ động Coulomb đất dính Xét trường hợp đặc biệt có mặt đất nằm ngang, lưng tường thẳng đứng, tường hoàn toàn trơn láng (góc ma sát giữa đất và lưng tường bằng không): α = 0, ϕ a = 0, β = 0. - Hệ số áp lực chủ động ) 2 45( 02 ϕ −= tgk a - Tổng áp lực chủ động lên tường ) 2 45( 2) 2 45(. 2 002 2 ϕϕγ −−−= tgHctg H E a - Áp lực chủ động lên tường ở độ sâu z ) 2 45(.2) 2 45( 002 ϕ ϕ γσ −−−= tgctgz az 3. Phép vẽ Culmann Các bước vẽ Culmann H A B C W R E a α θ ϕ ϕ a θ - ϕ ψ = 90 0 - β - ϕ a β β W R H A B C R E a ϕ β ϕ a α θ c β T W 2 K W 1 θ d - ϕ ψ ψ=90 0 -β- ϕ a 90 0 + ϕ E a Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page7 - Vẽ lưng tường và mặt đất đúng tỷ lệ. - Tính góc ψ với β là góc nghiêng lưng tường với trục thẳng đứng và ϕ a là góc ma sát giữa đất và vật liệu làm tường. - Vẽ trục Bx hợp với mặt ngang một góc ϕ. - Vẽ trục By hợp với Bx một góc ψ. - Từ B vẽ nhiều mặt trượt giả định: BC 1 , BC 2 , BC 3 , , BC i . - Tính các diện tích BC 1 , BC 2 , BC 3 , , BC i . - Tính trọng lượng W 1 , W 2 , W 3 , , W i, của các lăng thể trượt ABC 1 , ABC 2 , ABC 3 , , ABC i . Do là bài toán phẳng nên thể tích của chúng được tính với chiều dài 1m. - Vẽ các giá trị W 1 , W 2 , W 3 , , W i lên trục Bx. - Từ các điểm W 1 , W 2 , W 3 , , W i trên Bx vẽ các đường song song với By cắt các mặt trượt BC 1 , BC 2 , BC 3 , , BC i tại các điểm c 1 , c 2 , c 3 , , c i . - Nối các điểm c 1 , c 2 , c 3 , , c i , ta được đường cong Culmann. - Tên đường cong này, vẽ tiếp tuyến song song với trục Bx ta xác định được c – trị số tổng áp lực đất chủ động E a . Nối Bc cắt mặt đất tại C và BC chính là mặt trượt. - Kẻ đường song song với BC, đi qua trọng tâm lăng thể trượt, cắt lưng tường tại điểm đặt của áp lực đất tác dụng lên tường. 4. Xác định áp lực bị động theo Coulomb - Tổng áp lực bị động E p có dạng sau: • Cho đất rời: 2 ' 2 1 HkE pp γ = • Cho đất dính: ppp kHcHkE 2' 2 1 2 += γ - Áp lực bị động E p ở độ sâu z sau lưng tường: • Cho đất rời: zk pp ' γ σ = • Cho đất dính: ppp kczk 2' += γσ H A B C 1 C 2 C 3 C i C c 1 c 2 c 3 c i W 1 W 2 W 3 W i x y R W E a ϕ β ψ = 90 0 -β- ϕ a ϕ a E a c H A B C R W E p ϕ α β ϕ a θ Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page8 IV. Tính toán tường chắn 1. Lực tác động lên tường chắn: Hình: Các lực tác động lên tường - Trọng lượng tường, W. - Tổng áp lực đất lên tường do đất sau tường E a1 và do tải phân bố trên mặt đất E a2 . - Tổng áp lực bị động trước tường E. - Phản lực đất nền lên đáy tường Q. Lưu ý: E p chỉ có thể đạt được khi tường di chuyển một đoạn đầy đủ. 2. Ổn định tường chắn Tường chắn chỉ hoạt động đúng chức năng nếu đạt được các yêu cầu: - Không bị trượt nông lẫn trượt sâu. - Không bị lật. - Các thành phần của kết cấu tường ổn định. a. Ổn định trượt ở đáy móng: - Điề u kiện: ma sát ở đáy móng do trọng lượng tường phải lớn hơn tổng áp lực đất lên tường. - Hệ số an toàn chống trượt: ah av E tgEW k ϕ )( + = Hệ số này phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép theo quy phạm. Lưu ý: Cần kiểm tra sức chịu tải của đất nền. b. Ổn định trượt tổng thể khi có nền đất yếu dưới nền tường chắn Khi đất dưới nền yếu, hay tường đặt gần bờ sông hoặc trên mái dốc, cần phải tính đến ổn định trượt t ổng thể. Tính hệ số an toàn chống trượt của mặt trượt sâu có kể đến ảnh hưởng của trọng lượng tường theo phương pháp ổn định mái dốc hay phương pháp phân mảnh. G W Q E p E a2 E a1 1/2 1/3 E a1 Kp 2 E a2 K γ h 1/2 W E a E ah E av Đất đắp Đất yếu Ing.PHANTruong Son, Ph.D.Page9 c. Ổn định lật - Tường có khuynh hướng lật quanh điểm A. - Hệ số an toàn lật: gl cl M M k = 1 M cl – moment chống lật do trọng lượng tường W. M gl – moment gây lật do áp lực lên tường E. d. Ổn định kết cấu thân tường - Nếu tường bằng gạch đá, ứng suất trên tiết diện phải là ứng suất nén. - Với tường consol phải kiểm tra khả năng chống cắt của bê tông và cốt thép gia cường trong thân tường và bản đáy móng. - Với tường BTCT: đỉnh tường không được phép có chuyển vị ngang quá lớn: 1000 H f ≤ , BT không được nứt quá giới hạn cho phép. W E a A Ω E a1 E a2 R W’ . Tính toán tường chắn 1. Lực tác động lên tường chắn: Hình: Các lực tác động lên tường - Trọng lượng tường, W. - Tổng áp lực đất lên tường do đất sau tường E a1 và do. - Tường liền khối. - Tường lắp ghép. e. Theo nguyên tắc làm việc, căn cư vào độ biến dạng của lưng tường: - Tường c ứng: tường trọng lực, tường bán trọng lực, tường bằng cấu kiện BTCT. -. nén và uốn b ằng bê tông cốt thép. - Tường cọc bản, tường vây, tường cừ larssen, gỗ, thép, bê tông cốt thép. - Tường cọc đất trộn xi măng, cọc khoan nhồi. b. Theo chiều cao của tường: - Tường