nghiên cứu ổn định tường chắn có cốt và khả năng áp dụng trong công trình thủy lợi

Việc sử dụng tường chắn có cốt trong công trình Thuỷ lợi tại Việt Nam chưa được áp dụng nhiều, vì vậy lý thuyết và phương pháp tính toán cũng như các dạng hình thức kết cấu vẫn chưa có n

Luận văn “Nghiên cứu ổn định tường chắn có cốt và khả năng áp dụng trong công trình Thủy lợi” được hoàn thành tại Trường Đại học Thuỷ Lợi

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Quang Hùng

đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này Xin chân thành cảm ơn các giảng viên Khoa Công Trình - Trường Đại học Thuỷ lợi, các đồng nghiệp trong và ngoài ngành đã cung cấp các tài liệu phục vụ cho luận văn này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Nhà xuất bản, các tổ chức, cá nhân cho phép sử dụng tài liệu đã công bố

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Trung tâm Công trình Hồ đập - Viện Thủy công - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; bạn bè

và gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Trong nội dung của luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những nhận xét và đóng góp của các nhà chuyên môn

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2013

Tác giả

Ngô Quang Hiếu

Tên tôi là Ngô Quang Hiếu Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Tác giả

Ngô Quang Hiếu

Hình 1 11: Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một công trình tường chắn đất

có c ốt với tường bao là vỏ cứng (mặt cắt ngang tường)U 21

34TU

Hình 1 12: Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một công trình tường chắn đất

có c ốt với tường bao là vỏ mềm (mặt cắt ngang tường)U 21

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tường chắn là công trình giữ cho mái đất đắp hoặc mái đào khỏi bị sạt trượt Tường chắn đất được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng, giao thông, thủy lợi

Hiện nay việc áp dụng công nghệ mới là hướng đi phù hợp với xu thế của thời đại Do đó nhiều giải pháp kỹ thuật tiên tiến về vật liệu, giải pháp thi công của tường chắn đang được đưa vào áp dụng trong việc xử lý phòng chống sạt trượt đất

và gia cố mái đất tại Việt nam Một trong những giải pháp đó là giải pháp tường chắn có cốt

Tại Việt Nam Tường chắn có cốt được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực giao thông (áp dụng để xử lý đường đầu cầu vượt đường sắt Dự án đường trục phía nam

Hà Tây cũ, xử lý đường đầu cầu vượt Ngã tư Vọng ), xây dựng dân dụng (dự án tường chắn khu biệt thự cao cấp Sunrise Đà Nẵng )

Việc sử dụng tường chắn có cốt trong công trình Thuỷ lợi tại Việt Nam chưa được áp dụng nhiều, vì vậy lý thuyết và phương pháp tính toán cũng như các dạng hình thức kết cấu vẫn chưa có những nghiên cứu đáp ứng được yêu cầu khi sử dụng trong công trình Thuỷ lợi

Như vậy, việc nghiên cứu tính toán tường chắn có cốt trong công trình Thủy lợi áp dụng cho sản xuất, đáp ứng những yêu cầu thực tiễn của ngành Thuỷ lợi là việc làm rất cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu tính toán ổn định cho tường chắn có cốt

- Tính toán ổn định tường chắn có cốt áp dụng cho một công trình Thuỷ lợi

cụ thể

3 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, tổng hợp các tài liệu thực tế

- Phân tích lý luận, lựa chọn phương pháp tính toán ổn định cho loại tường chắn có cốt

- Sử dụng mô hình toán trong tính toán tường chắn có cốt

4 Kết quả dự kiến đạt được

Đề tài đưa ra các loại tường chắn đã và đang áp dụng trong thực tế

Xác định nguyên tắc cơ bản khi thiết kế, trình tự tính toán, kiểm tra ổn định của tường chắn có cốt

Ứng dụng tính toán thiết kế tường chắn có cốt áp dụng cho một công trình

Thủy lợi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TƯỜNG CHẮN ĐẤT 1.1 Khái ni ệm tường chắn đất

Tường chắn là công trình giữ cho mái đất đắp hoặc mái đào khỏi bị sạt trượt Tường chắn đất được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng, thủy lợi, giao thông (hình 1.1) Khi làm việc, lưng tường chắn tiếp xúc với khối đất sau tường và chịu tác dụng của áp lực đất

Trong các công trình thủy công, có một số bộ phận của kết cấu công trình không phải là tường chắn đất nhưng có tác dụng tương hỗ với đất và cũng chịu áp lực của đất giống như tường chắn đất Do đó, khái niệm về tường chắn đất được mở rộng ra cho tất cả những bộ phận của công trình có tác dụng tương hỗ giữa đất tiếp xúc với chúng và áp lực đất lên tường chắn cũng được hiểu như áp lực tiếp xúc giữa những bộ phận ấy với đất

Tường chắn đất là một loại kết cấu khá phổ biến trong công trình Thủy lợi Tường chắn thường dùng làm vách ngăn cho các công trình đầu mối trên sông, công trình tưới tiêu, trạm bơm, trạm thủy điện, âu thuyền, bể áp lực và các kênh, máng, các công trình bảo vệ bờ và bến cảng

Xét về mặt hình thức kết cấu, tường chắn đất có hai loại chính:

- Tường chắn đất trọng lực bằng bê tông

- Tường chắn đất bằng bê tông cốt thép

Xét về mặt biện pháp thi công, tường chắn đất cũng được chia làm hai loại:

- Tường chắn đất toàn khối

- Tường chắn đất lắp ghép

Xét về biến dạng và chuyển vị của tường cũng được chia làm hai loại:

- Tường chắn cứng

- Tường chắn mềm

Tường bên tràn xả lũ hồ chứa nước Núi Cốc Tường chống sóng đảo Bạch Long Vĩ

Tường kiểu lắp ghép trong XD dân dụng Tường kiểu lắp ghép trong XD giao thông

Tường kè chống xói lở bờ sông Hồng Tường chống sạt lở mái đồi

Tường cừ hố móng công trình Tường lắp ghép

Hình 1 1: Một số hình ảnh về các dạng tường chắn trong công trình

1.2 Các hình d ạng kết cấu của tường chắn

Kết cấu hợp lý của tường chắn là kết cấu thoả mãn được hai yêu cầu cơ bản sau đây:

- Bảo đảm độ ổn định chung của toàn bộ tường và nền, và bảo đảm đủ cường

Bảng 1 1: Một số kết cấu tiêu biểu của tường chắn cứng

Vật liệu làm tường

- Kích thước mặt cắt tường được xác định từ điều kiện ổn định về lật với giả thiết hình thành khê thông suốt tại mặt cắt tính toán

2

Tường bản góc (liền khối)

- Bê tông

- Bê tông cốt thép

- Sự ổn định của tường nhờ trọng lượng khối đất đè lên bản đáy và một phần nhờ trọng lượng bản thân tường;

- Kích thước mặt cắt tường được xác định từ điều kiện độ bền chống nứt tại những vùng chịu

MN min

MN max

MN max

MN min

kéo

góc có chống (liền khối)

- Bê tông cốt thép

- Sự ổn định của tường nhờ trọng lượng khối đất đè lên bản đáy ;

- Bản chống có tác dụng làm tăng độ cứng và tính ổn định của tường

4

Tường ngăn kiểu tổ ong (lắp ghép)

- Bê tông cốt thép

- Sự ổn định của tường chủ yếu nhờ trọng lượng đất, cát

đổ vào các ngăn ;

- Các bản đứng lắp ghép làm tăng thêm

độ cứng của tường

5

Tường mái nghiêng (tường cánh) (liền khối)

- Bê tông cốt thép

- Đá hộc

- Gạch

- Tính ổn định chống lật lớn, giảm được áp lực đất tác dụng lên tường, giảm tiết diện tường

6

Tường bản góc có chống (lắp ghép)

- Bê tông cốt thép

- Có đặc điểm như loại tường số 3;

- Tiết diện cốt thép giảm bớt khối lượng

7

Tường bản góc có chống liến khối (lắp ghép)

- Bê tông cốt thép

- Bê tông

- Có đặc điểm như loại tường số 6;

Bảng 1 2: Một số kết cấu tiêu biểu của tường chắn mềm

Vật liệu làm tường

- Kích thước mặt cắt tường được xác định từ điều kiện

ổn định về lật

có cốt

- Đất, cát , vật liệu rời Vải địa

kỹ thuật

- Sự ổn định của tường nhờ trọng lượng khối đất và khả năng giữ của lớp vải địa kỹ thuật;

2

3

cắt tường được xác định từ điều kiện

độ bền chống đứt tại những vùng chịu kéo

đỡ

- Bê tông cốt thép

- Sự ổn định của tường nhờ trụ đỡ;

- Bản bê tông lắp ghép truyền lực tới các trụ và tăng độ cứng và tính ổn định của tường

4

Tường lắp ghép bằng các viên lắp ghép

- Bê tông, bê tông cốt thép

- Sự ổn định của tường chủ yếu nhờ trọng lượng đất, cát

đổ vào các ngăn ; hoặc chính bản thân trọng lượng của tường

Thép, nhựa tổng hợp

- Ổn định tường nhờ chính tác dụng của cừ, các neo giữ

Viªn bª t«ng l¾p ghÐp

H×nh d¹ng mét sè lo¹i viªn l¾p ghÐp

1.3 Phân lo ại tường chắn đất

1.3.1 Phân loại theo độ cứng

Biến dạng của bản thân tường chắn đất

(độ uốn) làm thay đổi điều kiện tiếp xúc giữa

lưng tường chắn với khối đất đắp sau tường, do

đó làm thay đổi trị số áp lực đất tác dụng lên

lưng tường và cũng làm thay đổi dạng biểu đồ

phân bố áp lực đất theo chiều cao tường Thí

nghiệm G.A.Đubrôva đã chứng tỏ khi tường bị

biến dạng do chịu áp lực đất thì biều đồ phân

bố áp lực đất có dạng hình cong (hình 1.2), nếu

Hình 1 2: Biểu đồ áp lực đất sau lưng tường

phần giữa thân tường bị biến dạng nhiều thì biểu đồ phân bố áp lực đất càng cong

và cường độ áp lực đất ở phần trên tăng lên, nếu chân tường có chuyển vị về phía trước thì ở phần trên tường tăng lên rất nhiều, có khi đến 2.5 lần so với cường độ áp lực ban đầu, còn cường độ áp lực đất ở phần dưới tường thì lại giảm

Theo tiêu chuẩn xây dựng, tường chắn được coi là một kết cấu tuyệt đối cứng (tường cứng) nếu như dưới tác dụng của những lực tính toán được xác định có

kể tới độ uốn của bản thân tường và độ biến dạng của nền tường, chuyển vị của lưng tường bằng hoặc nhỏ hơn 1/5000 chiều cao của phần tường đang xét kể từ đỉnh móng đến mặt cắt tính toán Trong trường hợp đó, trạng thái ứng suất của đất đắp sau tường có thể đạt cân bằng giới hạn chủ động, bị động hoặc cân bằng đàn hồi, tùy theo độ lớn và hướng chuyển vị tương hỗ giữa đất với tường

1.3.1.1 Tường chắn mềm:

Tường có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất như nêu trên đây gọi là tường mềm hoặc tường mỏng Tường mềm thường là những tấm gỗ, thép, bê tông cốt thép ghép lại Tường cừ cũng được xếp vào loại tường mềm Trường hợp tường mềm (thường là tường cừ, tường ngăn bằng gỗ), do biến dạng và chuyển vị của bản thân

1

2 3

1 2 3

tường quá lớn, dưới tác dụng của các tải trọng và tác động bên ngoài, trạng thái ứng suất trong khối đất đắp sau tường rất khác với trạng thái ứng suất tương ứng so với tường tuyệt đối cứng

Hình 1 3: Dạng tường chắn rọ đá trong thực tế tại khu đô thị Bát Tràng 1.3.1.2 Tường chắn cứng:

Tường cứng không có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất mà chỉ có chuyển vị tịnh tiến và xoay Nếu tường cứng và xoay quanh mép dưới, nghĩa là đỉnh tường có

xu hướng tách rời khỏi khối đất đắp và chuyển vị về phía trước thì nhiều thí nghiệm

đã chứng tỏ là biểu đồ phân bố áp lực của đất rời có dạng đường thẳng và có trị số cường độ áp lực đất lớn nhất ở chân tường (hình 1.4a)

Đối với đất dính (đất sau tường), theo

kết quả thí nghiệm của B.L.Taraxôp thì

biểu đồ phân bố áp lực đất có dạng hơi

cong và cũng có trị số cường độ áp lực

lớn nhất ở chân tường (hình 1.4b) Nếu

tường cứng xoay quanh mép trên, nghĩa

là chân tường rời khỏi khối đất đắp và

chuyển vị về phía trước thì theo kết quả

Hình 1 4: Biểu đồ áp lực đất sau lưng tường cứng

thí nghiệm của nhiều tác giả (K.Terzaghi, G.A.Đubrova, I.V.Yarôpônxki, I.P.Prôkôfiep…) biểu đồ phân bố áp lực đất (đất rời cũng như đất dính) có dạng cong, trị số lớn nhất phụ thuộc vào mức độ chuyển vị của tường và ở vào khoảng phần giữa lưng tường (hình 1.4c) Tường cứng thường là những khối bê tông, bê tông đá hộc, gạch đá xây nên còn gọi là tường khối Tường chắn bằng bê tông cốt thép có dạng tấm hoặc bản nhưng tạo với các bộ phận khác của công trình thành những khung hoặc hộp cứng cũng được xếp vào loại tường cứng

Hình 1 5: Dạng tường chắn cứng trong thực tế

1.3.2 Phân loại theo nguyên tắc làm việc

Tường chắn đất là loại công trình thường xuyên chịu lực đẩy ngang (áp lực đất), do đó tính ổn định chống trượt chiếm một vị trí quan trọng đối với tính ổn định nói chung của tường Theo quan điểm này tường chắn được phân làm mấy loại sau đây:

- Tường trọng lực (hình 1.6.a): độ ổn định được đảm bảo chủ yếu do trọng lượng bản thân tường Các loại tường cứng đều thuộc loại tường trọng lực

- Tường nửa trọng lực (hình 1.6.b): độ ổn định được đảm bảo không những chỉ do trọng lượng bản thân tường và bản móng mà còn do trọng lượng của khối đất nằm trên bản móng Loại tường này thường làm bê tông cốt thép nhưng chiều dày của tường cũng khá lớn (do đó loại tường này còn có tên gọi là tường dày)

- Tường bản góc (hình 1.6.c): độ ổn định được bảo đảm chủ yếu do trọng lượng khối đất đắp đè lên bản móng Tường và bản là những bản, tấm bê tông cốt thép mỏng nên trọng lượng của bản thân tường và móng không lớn Tường bản góc

có dạng chữ L nên có khi còn gọi là tường chữ L

- Tường mỏng (hình 1.6.d): sự ổn định của loại tường này được bảo đảm bằng cách chôn chân tường vào trong nền Do đó loại tường này còn gọi là tường cọc và tường cừ Để giảm bớt độ sâu chôn trong đất của tường và để tăng độ cứng của tường người ta thường dùng dây néo

Hình 1 6 : Các dạng tường phân loại theo nguyên tắc làm việc của tường

c) b)

Neo

1.3.3 Phân loại theo chiều cao

- Tường thấp: có chiều cao nhỏ hơn 5m

- Tường cao: có chiều cao lớn hơn 10m

Loại tường chắn có chiều cao vào khoảng trung gian của hai loại trên (từ

5-10m) được xếp vào loại tường trung bình

Theo quy phạm tạm thời thiết kế tường chắn đất QP-23-65 thì lấy giới hạn phân chia ba loại tường thấp, cao, trung bình là 5 và 10m: tường chắn thấp có chiều cao nhỏ hơn 5m, tường chắn cao có chiều cao lớn hơn 10m

1.3.4 Phân loại theo góc nghiêng của lưng tường

Theo cách phân loại này, tường được phân thành tường dốc và tường thoải

- Tường dốc lại phân ra tường dốc thuận (hình 1.7.a) và tường dốc nghịch (hình 1.7.b) Trong trường hợp của tường dốc khối đất trượt có một mặt giới hạn trùng với lưng tường

- Nếu góc nghiêng α của lưng tường lớn quá một mức độ nào đó thì khối đất trượt sau lưng tường không lan đến lưng tường (hình 1.7.c); tường loại này gọi là tường thoải

Hình 1 7 : Các dạng tường phân loại theo góc nghiêng của tường

1.3.5 Phân loại theo kết cấu

Về mặt kết cấu, tường chắn được chia thành tường liền khối và tường lắp ghép

a)

θ α

b)

θ

α θ

α

* Tường liền khối: làm bằng bê tông, bê tông đá hộc, gạch xây, đá xây hay bằng bê tông cốt thép

- Mặt cắt ngang của tường liền khối rất khác nhau Một số dạng tường này được gọi với những tên gọi khác nhau Một số dạng tường loại này được trình bày trên hình 1.8 với những tên gọi như sau :

a) Hình chữ nhật,

b) Hình thang có ngực tường nghiêng,

c) Hình thang có lưng tường nghiêng,

d) Hình thang có lưng và ngực tường nghiêng,

e) Hình thang nghiêng về phía đất đắp,

g) Có móng nhô ra phía trước,

h) Có lưng gãy khúc,

i) Có lưng bậc cấp,

k) Có bệ giảm tải,

l) Có móng nhô ra hai phía

Hình 1 8 : Các dạng tường phân loại theo hình dạng kết cấu của tường

- Tường bản góc (hay tường chữ L) thường làm bằng bê tông cốt thép đổ liền khối

a Kiểu công xon (hình 1.9.a) ; b Kiểu có bản sườn (hình 1.9.b)

* Tường rọ đá: gồm các rọ đá nối ghép lại với nhau (hình 1.10.e)

* Tường đất có cốt: (hình 1.10.f)

Hình 1 10 : Dạng tường lắp ghép - Rọ đá và tường đất có cốt

1.4 Cấu tạo tường chắn có cốt

1.4.1 Khái niệm về đất có cốt

Đất có cốt là một loại hình vật liệu tổ hợp do đất và cốt tạo ra, có khả năng

chịu được lực kéo Đất có cốt ra đời vào khoảng những năm 60 do một phát minh của kỹ sư cầu đường người Pháp tên là Henri Vidal Vào năm 1968, công trình

tường chắn bằng đất có cốt được xây dựng lần đầu tiên tại miền nam nước Pháp

Tiếp đó về sau, kỹ thuật mới về đất có cốt được phát triển nhanh chóng, không

ngừng được cải tiến, tạo ra nhiều loại, nhiều hệ thống đất có cốt khác nhau Đến ngày nay công trình đất có cốt vẫn là một loại công trình hiện đại với nhiều tính năng ưu việt, được ưa thích sử dụng trên toàn thế giới

Vì những tính năng ưu việt của loại hình đất có cốt, việc nghiên cứu và áp

dụng đã phát triển nhanh chóng ở nhiều nước Châu Âu, Mỹ và Châu Á Đến nay sau hơn 30 năm nghiên cứu phát triển trên toàn thế giới đã có hơn 30.000 công trình ứng dụng đất có cốt, bao gồm các loại như: tường chắn trên đường ô

tô, đường sắt, mố cầu, nền đường đắp cao, đê và kè ven sông, ven biển và công trình quân sự

Vật liệu cốt cũng rất đa dạng Từ xa xưa, con người đã sử dụng cốt bằng tre, các loại săm lốp cao su trong một số công trình Tiếp sau đó, từ những nghiên

cứu và ứng dụng trên những công trình có quy mô lớn hơn, người ta đã sử dụng cốt bằng các thanh kim loại, tiếp đến là vật liệu cốt bằng thép không gỉ Với sự phát triển của các ngành sản xuất vật liệu tổng hợp, cốt được sản xuất từ loại vật liệu tổng hợp có cường độ cao bao gồm vải địa kỹ thuật hoặc lưới địa kỹ thuật và bây giờ một trong những loại vật liệu đang được sử dụng làm cốt là lưới thép

mạ kẽm bọc polyme Hình dạng của cốt có thể là dạng sợi, dải mỏng, lưới ô vuông hoặc dạng tấm mỏng

Vật liệu đất đắp thông thường hay dùng hạt để đáp ứng các yêu cầu về truyền ứng suất cắt, về bền vững và về thoát nước

Bề mặt khối đất có cốt là tường bao được bố trí và thiết kế không chịu lực,

có tác dụng bảo hộ bề mặt vật liệu đắp khỏi bị xâm thực và sụt lở do các tác nhân bên ngoài Được làm bằng gỗ, các tấm bê tông xi măng đúc sẵn, bằng các phiến hoặc tấm kim loại chế tạo sẵn, bằng lưới sợi thép, bằng bê tông phun vữa hoặc bằng rọ đá Gần đây, do công nghệ về vật liệu mới phát triển, vải địa kỹ thuật các loại đã được sử dụng làm tường chắn đất có cốt Do đó, phía bề mặt tường

chắn, tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật, có khi chỉ là vải địa kỹ thuật cuốn lại và đắp đất rồi trồng cỏ Trong nhiều trường hợp, phía bề mặt tường chắn được cấu tạo bằng rọ đá xếp chồng

1.4.2 N hững lợi ích của công nghệ đất có cốt

Qua tổng kết từ các công trình xây dựng hiện có, cho thấy kết cấu đất có cốt

có những ưu điểm hơn so với kết cấu thông thường như sau:

- Tính biến dạng cao Với đặc thù là một khối vật liệu mềm nên nó cho phép kết cấu chịu được độ lún không đều khá lớn mà không bị đứt gãy đặc điểm này rất quan trọng khi xây dựng kết cấu trong vùng có địa chất không ổn định

hoặc vùng có thể bị xói ngầm

- Đất có cốt là loại vật liệu nặng, công trình bằng đất có cốt có kích thước

lớn đáp ứng được yêu cầu đối với những công trình đòi hỏi phải có trong

lượng lớn để chịu được lực đẩy ngang lớn, chịu lực va chạm lớn hoặc sóng nổ

lớn

- Tuổi thọ tương đối cao Đối với loại sử dụng vật liệu không gỉ hoặc

chống gỉ tốt, công trình được coi là vĩnh cửu

- Tính thấm nước Đây là một dạng kết cấu hở, nước có thể thấm qua một cách dễ dàng nên giảm được phần lớn áp lực nước thuỷ động

- Nhờ đất có cốt mà công trình đất đắp không cần đắp có mái dốc, tức là có

thể đắp thẳng đứng, làm giảm được phạm vi chiếm dụng

- Giá thành không cao Do phạm vi chiếm dụng của công trình ít nên rất phù hợp với những nơi hạn chế mặt bằng xây dựng, đặc biệt là trong thành phố

Mặt khác bản thân kết cấu là những vật liệu không đắt tiền và dễ kiếm

- Công nghệ thi công không phức tạp, đơn giản, nhanh Cốt và tường bao đều có thể gia công trước tại nhà máy rồi đem ra lắp đặt tiện lợi ngay trong quá trình đắp đất

Tuy nhiên ngay từ những năm phát triển đầu tiên người ta cũng đã thấy

những nhược điểm của loại vật liệu mới này và tìm cách khác phục:

- Nếu vật liệu kim loại làm cốt và vỏ mặt tường thì gặp vấn đề về biện pháp chống gỉ: phải dùng thép không gỉ, thép mạ hoặc tăng thêm kích thước cốt

và vỏ để dự trữ nếu dùng thép thường

- Nếu cốt và vỏ mặt tường bằng chất dẻo tổng hợp (vải hoặc lưới địa kĩ

thuật) thì phải có các biện pháp chống lão hoá cho chúng

1.4.3 Ph ạm vi và điều kiện sử dụng của tường chắn có cốt

Tường chắn bằng đất có cốt có thể được sử dụng trong các trường hợp sau:

- Thay thế các tường chắn bằng bê tông hoặc đá xây làm công trình

chống đỡ nền từ phía dưới sườn dốc để xây dựng các đoạn nền đường hoặc bãi san nền trên các sườn dốc tự nhiên có độ dốc ngang từ 50% trở lên

- Thay thế mái dốc ta luy nền đắp đất thông thường có độ dốc thoải để giảm

diện tích chiếm dụng mặt bằng

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

- Làm các tường chắn bảo vệ môi trường (chống ồn, cách li…)

Khi làm công trình tường chắn bằng đất có cốt thì phải cân nhắc xét đến các yêu cầu và điều kiện kĩ thuật - kinh tế dưới đây:

- Đảm bảo ổn định toàn khối (ổn định ngoài) của tường chắn trong điều kiện địa hình và địa chất cụ thể tại chỗ

- Đảm bảo ổn định nội bộ (ổn định trong) của kết cấu đất và cốt: cốt không bị kéo đứt - kéo tuột

- Tường chắn đất có cốt chỉ được xây dựng khi phân tích thấy giá thành xây dựng rẻ hơn so với các loại tường chắn khác ổn định hơn

Không được 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

- Khi không có khả năng phòng chống xói

- 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)

1.4.4 C ấu tạo tường chắn có cốt

Hình 1 11: Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một công trình tường chắn có

c ốt với tường bao là vỏ cứng (mặt cắt ngang tường)

Hình 1 12: Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một công trình tường chắn có

c ốt với tường bao là vỏ mềm (mặt cắt ngang tường)

1.4.4.1 V ật liệu cấu tạo và yêu cầu vật liệu sử dụng trong tường chắn

a Về vật liệu cốt

Cho đến thời điểm hiện nay, các loại cốt sử dụng trong các công trình đất

có cốt cũng có nhiều thay đổi và đa dạng Tuy nhiên xét về mặt vật liệu cấu tạo thì cốt có những dạng sau:

* C ốt kim loại

Cốt kim loại làm tường chắn đất có cốt có thể được chế tạo dưới dạng đai

mỏng (có gờ hoặc không gờ), dạng khung, dạng lưới (mạng), dạng thanh neo… Được đùng phổ biến là cốt dạng đai mỏng (cốt mềm) và cốt dạng khung (cốt cứng) Cốt kim loại có khả năng chịu kéo dữ khả năng ổn định của tường chắn là

rất tốt, nhưng là vật liệu dễ bị gỉ, chính vì thế mà phải có các biện pháp chống gỉ

bằng các loại thép không gỉ, thép mạ hoặc tăng thêm kích thước dự trữ

- Cốt dạng đai mỏng có chiều dày không được nhỏ hơn 3mm và chiều rộng không được nhỏ hơn 30mm(thường dày 5mm, rộng 40- 70mm) Bề mặt cốt

có thể có gờ hoặc không có gờ Chiều dài cốt được tính toán theo phương pháp thiết kế

- Cốt dạng khung gồm các thanh dọc và thanh ngang bằng thép làm tăng sức chống kéo tuột của đất nhờ hiệu ứng neo Các khung cốt thường cũng được

bố trí với khoảng cách thẳng đứng SR v R giữa các lớp (hàng) cốt từ 0,5 - 0,75 m và khoảng cách giữa chúng trên mặt bằng SR h R = 0,5 - 1,0 m (kể từ tim của mỗi khung cốt)

- Thép dùng làm cốt phải đủ sức chịu kéo theo qui định trong tính toán cho phép

* Cốt polime

Cốt polime dùng làm tường chắn đất có cốt cũng được chế tạo dưới dạng

tấm (các loại vải kĩ thuật), dạng lưới hoặc dạng mạng…

Cốt polime là vật liệu chưa chế tạo được trong nước nên khi sửa dụng nhất

thiết phải dựa theo các chứng chỉ, các hợp đồng và cả sự bảo đảm của các hãng sản xuất…các thông số đặc trưng của loại cốt này là: kích thước hình học, khối lượng khô 1mP

Lưới vật liệu tổng hợp cường độ cao (lưới địa kỹ thuật) có thể được tạo thành bằng phương pháp kéo dãn polyeste hoặc polyetylen mật độ cao Có thể

cuộn lật lưới lên trên để làm vỏ mặt tường hoặc liên kết lưới với tấm mặt tường bê tông xi măng hay liên kết với rọ đá của mặt tường

b Yêu cầu về tường bao

Mặt tường bao cần bảo đảm các yêu cầu sau:

- Tạo kết cấu hình dạng mặt ngoài cho tường chắn và đảm bảo được yêu

cầu về tính mỹ quan

- Phòng ngừa xói lở đất đắp do mưa, gió…

- Tạo tác dụng chống đỡ cục bộ đối với áp lực đất trong phạm vi giữa 2 lớp cốt

- Neo cốt trong khu vực chủ động của khối đất có cốt

- Bảo đảm nước mặt thấm vào khối đất có cốt có thể thoát qua mặt

tường ra phia ngoài mà không lôi theo đất đắp sau tường

Tuỳ theo cách sử dụng mà nhà thiết kế sử dụng các loại tường bao khác nhau:

- Tường bao tấm rời bằng BTXM, tấm liền BTXM (chiều cao tấm bằng chiều cao tường)

- Tường bao bằng bê tông phun với lưới cốt thép hàn

- Tường bao bằng kim loại (dày 3 - 5 mm có tiết diện uốn cong nửa elip với trục lớn heo chiều cao từ 25 - 33,3 cm)

- Tường bao bằng vải địa kỹ thuật bọc cuộn (tường mềm)

- Kiểu lồng đá (bằng sợi kim loại hoặc bằng lưới polime)

- Trong thực tế hiện nay chủ yếu thường sử dụng hai loại tường bao

tấm rời BTXM (vỏ cứng) và tường bao bằng vải địa kỹ thuật bọc cuộn (vỏ mềm)

1.5 Hướng nghiên cứu của luận văn

Qua những đặc điểm, thực tế xây dựng và làm việc của các loại tường chắn

có cốt ở các nước trên thế giới, cho thấy loại tường này là một giải pháp hữu hiệu đối với tường chắn có chiều cao trung bình và cao, nơi có địa hình địa chất phức tạp, mặt bằng thi công không lớn, khả năng chịu lún tốt, có khả năng chịu kéo và chịu cắt Đồng thời, có thể thi công nhanh, cả trên nền đất yếu, đảm bảo độ bền, mỹ thuật và an toàn môi trường

Trong xây dựng các cơ sở hạ tầng, giao thông ở nước ta hiện nay nói chung

và trong xây dựng Thủy lợi nói riêng, nhu cầu xây dựng tường chắn có chiều cao trung bình và cao là rất lớn Đặc biệt, đối với công trình Thủy lợi, điều kiện về địa hình và địa chất thay đổi nhiều theo không gian, những vùng có điều kiện địa hình phức tạp, mặt bằng thi công không lớn Phân tích trên cho thấy việc sử dụng giải pháp tường chắn có cốt vào các công trình Thủy lợi ở Việt Nam là hoàn toàn khả thi

Tuy nhiên việc sử dụng tường chắn có cốt trong công trình Thuỷ lợi tại Việt Nam chưa được áp dụng nhiều Vì vậy lý thuyết cũng như các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm tính toán thiết kế, thi công, vận hành, duy tu và bảo dưỡng tường chắn có cốt còn nhiều hạn chế

* Định hướng nghiên cứu của Luận văn:

Từ nghiên cứu tổng quan, học viên chọn vấn đề nghiên cứu ổn định tường chắn có cốt làm hướng nghiên cứu của Luận văn Trong điều kiện thời gian quy định, Luận văn của học viên chưa đề cập được toàn diện các vấn đề về thiết kế, thi công, vận hành, duy tu và bảo dưỡng tường chắn đất có cốt mà chỉ tập trung vào cơ

sở lý luận và quy trình tính toán ổn định tường chắn có cốt Luận văn sẽ vận dụng kết quả nghiên cứu để tính toán thiết kế tường chắn áp dụng cho một công trình Thủy lợi thực tế

1.6 K ết luận

Tường chắn đất là một công trình hoặc một bộ phận công trình rất quan trọng trong các công trình Thuỷ lợi và nhiều ngành xây dựng khác Với sự phát triển của khoa học và công nghệ về: địa kỹ thuật, vật liệu xây dựng và giải pháp thi công Các hình thức kết cấu tường chắn ngày càng hoàn thiện và đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu thực tiễn, chiều cao của tường chắn ngày càng được nâng lên (lên đến hàng chục m)

Tường chắn có cốt mới phát triển từ những năm 1980-1990 nhưng đã khá phổ biến ở các nước phát triển trên thế giới và một số nước đang phát triển ở khu vực châu á (Singapore, Malaysia, Thái lan, Trung quốc, …) Tường chắn có cốt có nhiều ưu điểm so với các loại tường chắn truyền thống trong xây dựng các tường chắn có chiều cao trung bình và cao, tại nơi có địa hình địa chất phức tạp, mặt bằng thi công không lớn, …

Tường chắn có cốt còn là mới ở Việt Nam và đặc biệt là trong ngành Thủy lợi Tuy nhiên, với những tính năng phù hợp và ưu việt trong nhiều trường hợp nêu trên đặc biệt là tường cao, nền yếu, địa hình phức tạp, … Chính vì vậy cần thiết đầu

tư nghiên cứu ứng dụng loại tường chắn này để áp dụng trong các công trình thủy lợi

Luận văn của học viên đi vào hướng nghiên cứu này, tuy nhiên trong điều kiện hạn hẹp về thời gian, học viên chỉ tập trung vào nghiên cứu các tài liệu liên quan, tiêu chuẩn, quy trình và quy phạm nước ngoài để làm sáng tỏ cơ sở lý thuyết,

sơ đồ tính toán, nguyên tắc tính toán, phương pháp tính và quy trình tính toán thiết

kế tường chắn đất có cốt

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG

CHẮN CÓ CỐT 2.1 Lý thuy ết tính toán áp lực lên tường chắn đất

Tường chắn đất là loại công trình thường xuyên chịu tác dụng của lực đẩy ngang khá lớn (áp lực đất, nước ) Tường chắn đất được chia thành 3 thành phần chính:

- Phần đất ở phía sau lưng tường

- Nền đất;

- Vỏ tường (khối mặt phía ngoài)

Đến nay có nhiều quan điểm tính toán xác định áp lực tác dụng lên tường chắn Tùy theo lý thuyết có xét đến độ cứng (biến dạng) của tường có thể phân các thuyết hiện nay thành hai dạng: Loại không xét đến độ cứng của tường và loại có xét đến độ cứng của tường

Loại không xét đến độ cứng của tường giả thiết tường tuyệt đối cứng chỉ xét đến các trị số áp lực đất ở trạng thái giới hạn: Áp lực chủ động và áp lực bị động

Loại xét đến độ cứng của tường đến chưa được nghiên cứu đầy đủ như loại không xét đến độ cứng của tường Việc xác định áp lực tác dụng lên tường khi có xét đến độ cứng của tường cũng đi theo hai xu hướng: Xu hướng tính gần đúng các biểu thức tính áp lực chủ động và bị động đối với tường cứng; Xu hướng tính tường như dầm tựa trên nền đàn hồi và dùng các loại mô hình cơ học của nền để giải

Ngoài ra còn thêm một loại lý thuyết xác định áp lực lên tường (không biến dạng) có xét đến chuyển vị của tường Tường được coi không biến dạng nhưng có thể chuyển vị tịnh tiến hoặc quay Chuyển vị của tường không những làm thay đổi dạng biểu đồ áp lực lên tường mà còn thay đội cả trị số áp lực tác dụng lên tường Theo quan điểm này áp lực tác dụng lên tường được phân ra hai loại ứng với trạng thái cân bằng giới hạn và áp lực ứng với trạng thái chưa cân bằng giới hạn

2.2 Cơ sở tính toán ổn định tường chắn có cốt

2.2.1 Nguyên lý làm việc của đất có cốt về mặt cơ học

2.2.1.1 Sự phá hoại của đất khi không có cốt

Như đã biết, đất được xem như là một loại vật liệu rời Khi chịu ngoại lực tác dụng thì đất sẽ mất ổn đỉnh (không bị phá hoại cắt trượt) nếu trạng thái ứng suất ở bất kì điểm nào và theo hướng nào cũng nằm dưới đường bao phá hoại của các vòng tròn Mohr (hình vẽ…)

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

Trên hình vẽ các ký hiệu có ý nghĩa như sau:

τ, σ : ứng suất cắt và ứng suất pháp tại điểm đang xét theo hướng đang xét;

ϕ: góc nội ma sát của đất;

c : lực dính đơn vị của đất;

σ1 và σ3: ứng suất chính theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang

tại điểm đang xét

K0 ,Ka ,KP lần lượt là hệ số áp lực đất ở trạng thái tĩnh, hệ số áp lực đất chủ động và hệ số áp lực đất bị động

Hỡnh 2 1: Tr ạng thỏi ứng suất của một điểm trong đất

và đường bao phỏ hoại của vũng Mohr

Theo cụng thức (2.1) với một loại đất c, ϕ đó biết, trị số σR 1 Rdo ngoại lực gõy

ra càng lớn mà lỳc đú σR 3 R khụng đủ lớn thỡ đất sẽ bị phỏ hoại Trong trường hợp cú tường, nếu ỏp lực hụng dần dần giảm đi (tựa như lỳc chõn tường dịch chuyển ra ngoài, khối đất chủ động trượt xuống) thỡ khi σR 3 Rgiảm đến σR 3 R = OC, khối đất sẽ đạt trạng thỏi cõn bằng giới hạn dẻo và bị phỏ hoại Do vậy đất là vật liệu chịu nộn khụng thuần tỳy (khi σR 3 R = 0), khụng thể làm vật liệu xõy dựng cho cỏc cụng trỡnh chịu nộn lớn nếu lực dớnh c cú giới hạn và nếu khụng cú biện phỏp điều chỉnh trạng thỏi ứng suất (làm tăng ỏp lực hụng σR 3 R) Ngược lại theo cụng thức (2.2) nếu σR 3 Rcàng lớn so với σ1 thỡ đất cũng bị phỏ hoại Khi cú tường, nếu ỏp lực hụng σ3 tăng lờn

Trạng thái tĩnh Trạng thái gây Trạng thái gây

áp lực chủ động áp lực bị động

(tựa như lúc thân tường dịch vào trong, khối đất bị động và bị đẩy trồi) thì khi đạt đến σR 3 R= OD khối đất cũng bị phá hoại Chính vì vậy ứng suất chính nhỏ nhất σR 3 R ở công thức (2.1) gọi là ứng suất (áp lực) chủ động với KR a R là hệ số áp lực đất chủ động và σR 3 Rở công thức (2.2) gọi là ứng suất (áp lực) bị động với KR p Rlà hệ số áp lực đất bị động

Khi σR 1 R.KR a R – 2c K a < σR 3 R < σR 1 R.KR p R – 2c K p thì đất chưa đạt trạng thái cân bằng giới hạn và lúc này σR 3 Rnằm giữa áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động, đất không dịch chuyển và ở trạng thái tĩnh với hệ số áp lực đất ở trạng thái tĩnh với hệ

số áp lực đất ở trạng thái tĩnh KR 0 R (KR a R< KR 0 R< KR p R)

2.2.1.2 Vai trò của cốt

Vai trò của cốt chính là nhằm tạo ra áp lực hông σR 3 Rngay từ bên trong khối đất có bố trí cốt (σR 3 Rkhông phải do ngoại lực gây ra) Điều này cũng tương ứng với việc tạo ra lực dính c lớn hơn bên trong khối đất

Xét một khối đất có những lớp cốt nằm ngang bố trí đủ gần nhau như hình 2 2

Hình 2 2: Vai trò của cốt hạn chế khối đất nở ngang khi chịu lực tác dụng thẳng đứng

Khi khối đất chịu nén theo phương thẳng đứng với áp lực σR 1 R, nếu không có cốt (σR 3 R= 0) đất sẽ bị phá hoại vì nở hông tự do Nhưng khi có bố trí cốt (khối đất sẽ

bị kẹp giữa hai lớp cốt) và giả thiết giữa chúng có đủ sức neo bám cần thiết (tức là đất và cốt bám chặt và cùng chuyển vị với nhau), thì khi chịu nén, đất chỉ có thể chuyển vị ngang trong phạm vi chuyển vị ngang của cốt Vì môđuyn biến dạng của