Luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất có cốt trong xây dựng đường ô tô ở việt nam

Thực tế hiện nay một số nước trên thế giới đã có cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế và công nghệ thi công, công nghệ vật liệu mới để áp dụng tường chắn đất có cốt vào trong xây dựng côn

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học giao thông vận tải

-o0o -

Lê duy hưng

Nghiên cứu ứng dụng tường chắn

đất có cốt trong xây dựng đường

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học giao thông vận tải

-o0o -

Lê duy hưng

Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất có cốt

trong xây dựng đường ô tô

1

-Mục lục

Trang

2 Mục đích, nội dung và giới hạn của đề tài 4

3 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5

1.1 Khái niệm chung 7 1.2 Những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực tế về xây

dựng tường chắn đất có cốt của các nước trên thế giới 11 1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng xây dựng tường chắn

1.4 Những vấn đề cần nghiên cứu, ứng dụng thực tiễn về xây

dựng các công trình tường chắn đất có cốt tại Việt Nam 19

Chương II : Nghiên cứu ứng dụng thiết kế tường chắn đất có

2.1 Những cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên tắc cơ bản tính

2.2.Phạm vi và các điều kiện sử dụng công trình tường chắn

đất có cốt trong xây dựng đường giao thông ở Việt Nam 42 2.3.Yêu cầu cụ thể đối với đất đắp, vật liệu cốt, tường bao,

thoát nước trong công trình tường chắn đất có cốt 452.4 Yêu cầu đối với nền móng, chiều sâu chôn tường, chiều

rộng móng tường của tường chắn đất có cốt 55 2.5.Trình tự các bước khảo sát, tính toán, thiết kế, kiểm toán

2.6.Những nội dung kiểm toán ổn định, xác định kích thước và

2.7.Biến dạng dãn dài cốt cho phép và dự tính khả năng dãn

2.8.Tính toán liên kết giữa mặt tường với cốt và tính toán tấm

2

-Chương III : Công nghệ thi công, kiểm tra, đánh giá và nghiệm

3.2.Yêu cầu đối với việc chế tạo, chuyên chở, bảo quản tấm và

3.3.Yêu cầu đối với việc chế tạo, chuyên chở, bảo quản cốt và

3.4.Thử nghiệm đánh giá các chỉ tiêu của đất đắp tường và

khảo sát đánh giá khả năng khai thác của mỏ đất 91

3.6.Thi công lớp đệm tạo phẳng dưới chân mặt tường tấm

3.7.Thiết lập hệ thống mốc định vị và mốc kiểm tra cao độ

phục vụ việc lắp đặt chính xác các tấm mặt tường 94 3.8.Lắp đặt các tấm mặt tường ở hàng dưới cùng 94 3.9.Đắp các lớp đất đầu tiên và lắp đặt hàng cốt đầu tiên 96 3.10 Lắp đặt các hàng tấm tiếp theo, đắp đất và lắp cốt các lớp 97

3 Những hạn chế tồn tại và hướng phát triển tiếp của đề tài 112

Phụ lục : hình ảnh minh họa, nhận xét một số công trình

trong thực tế đã sử dụng tường chắn đất có cốt

3

-Chương mở đầu

I Sự cần thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển một cách mạnh mẽ, đặc biệt là sự phát triển về xây dựng các công trình giao thông vận tải, đã góp phần to lớn vào sự phát triển, thúc đẩy nền kinh tế nước nhà Các công trình giao thông ngày nay có chất lượng phục vụ tốt, có kết cấu

đơn giản, thi công nhanh chóng và tuổi thọ cao, có hình thức bề ngoài đẹp, dáng

vẻ hiện đại, hoành tráng, đặc biệt là trong các công trình xây dựng trong đô thị, thành phố Những công trình này không chỉ đơn giản là phục vụ giao thông đi lại, giải toả ách tắc giao thông mà nó còn trở thành những biểu tượng, những kiến trúc đẹp mang những nét đặc trưng riêng của đô thị, tạo nên những ấn tượng sâu sắc

Một trong những công nghệ thi công mới trong xây dựng đường bộ nói riêng và trong ngành xây dựng hạ tầng nói chung đó là xây dựng các bức tường chắn có cốt với mái dốc thẳng đứng Thực tế hiện nay một số nước trên thế giới

đã có cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế và công nghệ thi công, công nghệ vật liệu mới để áp dụng tường chắn đất có cốt vào trong xây dựng công trình

đường, ở Việt Nam vừa qua tuy chúng ta đã áp dụng tường chắn đất có cốt vào thi công trong một số các công trình như : đoạn đường vào cầu Mẹt trên QL 1A, công trình đường dẫn hai đầu cầu của cầu vượt nút giao thông Ngã Tư Vọng, cầu vượt Mai Dịch, đã và đang tiếp tục thi công ở các dự án khác như cầu vượt Ngã Tư Sở, chuẩn bị cho cầu vượt Thanh Xuân thuộc dự án Đường Vành Đai 3

ở trên địa bàn Hà Nội, cầu đường bộ Sông Thương bắc qua sông Thương trên thành phố Bắc Giang, .nhưng thực sự nói đến tường chắn đất có cốt vẫn đang

là một vấn đề mới mẻ đối với nhiều người, thực tế hiện nay các cơ quan quản lý của Việt Nam vẫn chưa ban hành các tài liệu chính thức, tiêu chuẩn hay quy trình, quy phạm riêng cho loại công trình này, mỗi công trình có một hướng dẫn riêng, thường theo các Tiêu chuẩn kỹ thuật của Dự án, hoặc tham khảo từ các tài liệu đã biên dịch của nước ngoài, vì vậy rất cần biên soạn và dần dần hình thành nên hệ thống những hướng dẫn sao cho kịp thời, sâu sắc, cụ thể, rõ ràng hơn trong công tác công tác thiết kế, tính toán kết cấu, yêu cầu về thi công, đánh giá, nghiệm thu, kiểm tra chất lượng tường chắn đất có cốt

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất có cốt trong xây dựng

đường ô tô ở Việt Nam là một nội dung cần thiết và cấp bách, có ý nghĩa khoa

học và thực tiễn mà thực tế đang đòi hỏi tại các công trình đang hoặc sẽ xây dựng có sử dụng tường chắn đất có cốt vì những tính năng ưu việt, nổi trội của

nó, góp phần nhỏ bé trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô ở Việt Nam

4

-II mục đích, nội dung và giới hạn của đề tài

1 Mục đích của đề tài

Do xu hướng tường chắn đất có cốt sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi, xây dựng phổ biến ngay tại Việt Nam trong hiện tại và những năm xắp tới, đặc biệt là trong việc nâng cấp, cải tạo lại mạng lưới giao thông chật hẹp, không còn

đáp ứng được lưu lượng và nhu cầu giao thông đi lại trong các thành phố lớn, đô thị mới Vì vậy cần có những thông tin, hướng dẫn đầy đủ, những khuyến nghị

để xác định những tiêu chuẩn, điều kiện bắt buộc phải tuân theo, những cái gì

có thể áp dụng được trong thực tiễn của Việt Nam

Trên cơ sở nghiên cứu về mặt lý thuyết, tổng kết thực tiễn về thiết kế, thi công công trình tường chắn đất có cốt của các nước trên thế giới và đã xây dựng tại Việt Nam, tác giả đã bước đầu đưa ra hướng dẫn thiết kế, thi công loại tường chắn đất có cốt, cụ thể là loại cốt thép và vỏ tường là các tấm rời BTXM cốt thép

đúc sẵn

Trong đề tài này, học viên cũng sẽ tiến hành đưa ra một số định hình trong một công trình mẫu để lấy kết quả đó có thể đem sử dụng nhanh chóng hoặc tham khảo cho các công trình tương tự khác

2 Nội dung của đề tài

Đề tài sẽ bao gồm một số nội dung chính như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về tường chắn đất có cốt của các nước trên thế giới

và ở Việt Nam

- Nghiên cứu ứng dụng thiết kế tường chắn đất có cốt (loại cốt là cốt thép và tường bao là các tấm rời BTXM cốt thép ) ở Việt Nam

- Công nghệ thi công, kiểm tra và nghiệm thu tường chắn đất có cốt

- Một số thiết kế điển hình tường chắn đất có cốt dùng trong đường giao thông ở nước ta

- Một số kết luận và kiến nghị

3 Phạm vi, giới hạn của đề tài

Do đây là một mảng đề tài còn quá mới mẻ, thực tiễn tại Việt Nam cũng chưa thi công nhiều, thời gian kiểm chứng chưa được lâu, kinh nghiệm còn hạn chế, ngoài ra vì điều kiện nghiên cứu và thời gian có hạn, vì vậy trong khuôn khổ đề tài này chỉ xin phép đưa ra các thông tin kỹ thuật áp dụng cho kết cấu sử dụng trong xây dựng đường ôtô, đặc biệt và phổ biến nhất là loại tường chắn đất có cốt mà trong đó cốt được sử dụng dùng loại cốt thép, vỏ mặt tường bao bên ngoài của tường chắn đất có cốt là các tấm cấu kiện bêtông xi măng cốt thép đúc sẵn trong nhà máy;

5

-Không nhằm mục đích phục vụ cho các ứng dụng khác như xây dựng nhà

ở, tường ke bến cảng, tường chống ồn, ụ chiến đấu, pháo đài (trong các công trình quốc phòng), đường sắt và trong xây dựng các loại mặt bằng khác ;

Đề tài cũng không đề cập đến việc tính toán, thiết kế sử dụng công trình tường chắn đất có cốt khi đòi hỏi có bố trí các công trình ngầm thông qua khối đất có cốt, hoặc khi đặt trên các vị trí không có khả năng phòng chống xói lở do ngập lụt hoặc do dòng chảy ngầm phía dưới chân tường Chủ yếu áp dụng cho các công trình đường dẫn của các cầu vượt tại các nút giao thông khác mức trong các đô thị cần phải cải tạo lại hoặc làm mới

Không đề cập tới khi tường chắn đất có cốt được thiết kế nằm trong vùng thường xuyên có chứa nước mặt hoặc có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm (trong nước có độ pH thấp, tỉ lệ clorit và sunfat cao)

Chỉ nghiên cứu và thu nhỏ trong phạm vi loại công trình : tường chắn bằng

đất có cốt, không nghiên cứu loại công trình mái dốc có cốt; nền đường đắp trên đất yếu có cốt ;

III ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Sự phát triển trong lĩnh vực xây dựng đường ôtô ngày nay thể hiện ở sự tiến bộ vượt bậc trong các lĩnh vực công nghệ vật liệu, công nghệ thi công Từ trước tới nay, đất chỉ được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng thông thường trong các ngành xây dựng hạ tầng So với các loại vật liệu khác, đất rất rẻ tiền, sẵn có nhưng lại có các đặc trưng cơ học kém, đặc biệt là không chịu được lực kéo Để khắc phục những đặc điểm này, ngoài những biện pháp gia cố đất bằng các chất liên kết vô cơ, hữu cơ, hoá chất, người ta đã đề xuất ý tưởng dùng đất

có cốt để xây dựng các công trình nhằm để tăng thêm một khả năng chịu kéo của đất - đây là một phát minh hết sức quan trọng, là hướng đi mới, phát triển mới trong việc sử dụng có hiệu quả nguồn vật liệu rẻ tiền và có sẵn trong thiên nhiên này

Kết quả nghiên cứu có thể sẽ rất có ích về thông tin và hướng dẫn cho người Kỹ sư thiết kế, thi công, kỹ sư giám sát công trình có thể đọc, bước đầu

có thể làm tài liệu tham khảo, căn cứ để quản lý được chất lượng của sản phẩm loại công trình tường chắn đất có cốt Đóng góp một phần nhỏ bé vào công nghệ xây dựng đường trong điều kiện nước ta Vì vậy rất cần biên soạn và dần dần hình thành nên hệ thống những hướng dẫn cho kịp thời, sâu sắc, cụ thể, rõ ràng hơn trong công tác công tác thiết kế, tính toán kết cấu, yêu cầu về thi công,

đánh giá, nghiệm thu, kiểm tra chất lượng tường chắn đất có cốt, đó là một vấn

đề hết sức cấp bách

6

-Trên cơ sở lý thuyết, tổng hợp kết quả nghiên cứu, tham khảo các tài liệu, quy trình trong và ngoài nước, luận án đã bước đầu đưa ra được một bản hướng dẫn tương đối hoàn chỉnh, toàn diện, khá chi tiết về trình tự, yêu cầu khi thiết

kế, kiểm toán, công nghệ thi công và nghiệm thu loại hình tường chắn đất có cốt

mà cụ thể là dùng loại cốt thép và vỏ tường chắn là các tấm BTXM cốt thép

Đề tài cũng đã tập trung đi sâu vào nghiên cứu một loại hình công trình trong ngành xây dựng nói chung và trong xây dựng công trình đường ôtô nói riêng, đã được ứng dụng rất nhiều ở các nước trên thế giới nhưng còn mới mẻ và

dự báo sẽ áp dụng nhiều ở Việt Nam trong thời gian xắp tới đó là loại hình tường chắn đất có cốt mà cụ thể là dùng loại cốt thép và vỏ tường chắn là các tấm BTXM cốt thép

Tài liệu là tiền đề để có thể biên soạn, xây dựng thành tiêu chuẩn, quy trình xây dựng cho loại công trình này Bước đầu làm tài liệu tham khảo, ứng dụng cho người thiết kế, Kỹ sư, Sinh viên khi nghiên cứu, thiết kế, thi công loại công trình này

IV phương pháp nghiên cứu đề tài

1 Nghiên cứu lý thuyết

- Dựa vào các tài liệu đã có, tham khảo thêm các nghiên cứu, áp dụng về tường chắn đất có cốt của các nước trên thế giới, đặc biệt là các tài liệu của Pháp, Anh, Nhật Bản và các tài liệu của các tác giả trong nước trong những năm gần đây;

- Dựa vào các quy trình, tiêu chuẩn của Nhà nước và Ngành đã ban hành để

áp dụng, tham khảo khi thiết kế, tính toán;

2 Kết hợp với thực tiễn :

- Thu thập số liệu, nghiên cứu và xử lý số liệu trên máy tính : các số liệu

được thu thập, tổng hợp từ thực tế đã áp dụng trong nước, kết hợp với công tác thí nghiệm và sau đó tiến hành xử lý;

- Thu thập các tài liệu về thiết kế, thi công, các tiêu chuẩn nghiệm thu của các công trình thực tiễn đã thi công như tại đường dẫn cầu vượt nút Vọng, nút Mai Dịch, cầu vượt Ngã Tư Sở, cầu vượt Sông Thương, kiến nghị cho

áp dụng vào công trình đường dẫn tại một số cầu vượt khác trên địa bàn

Hà nội và tại các địa phương khác trên cả nước

- 7 -

Chương I tổng quan về tường chắn đất có cốt

1.1 KháI niệm chung

1.1.2 Phân loại tường chắn đất

Tường chắn đất thường được phân loại theo các cách sau đây nhằm mục

đích khác nhau, đó là:

a 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 lên lưng tường và cũng làm thay đổi dạng biểu đồ phân bố áp lực

đất theo chiều cao tường Theo cách phân loại này, tường được phân làm hai loại: tường cứng và tường mềm

+ Tường có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất thì gọi là tường mềm hoặc tường mỏng Tường mềm thường là những tấm gỗ, thép, bêtông cốt thép ghép lại,

lưu ý là tường cù cũng xếp vào loại tường mềm;

+ Tường cứng không có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất mà chỉ có chuyển vị

tịnh tiến và xoay Nừu tường cứng xoay quanh mép dưới, nghĩa là đỉnh tường

có xu hướng tách rời khỏi khối đất đắp thì nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ là biểu đồ phân bố áp lực của đất rời có dạng đường thẳng (nếu đất dính thì biểu

đồ có dạng hình hơi cong) và trị số cường độ áp lực đất lớn nhất ở chân tường; Nếu tường cứng xoay quanh mép trên, nghĩa là chân tường rời khỏi khối đất

đắp và chuyển vị về phía trước thì biểu đồ phân bố áp lực đất (đất rời cũng như

- 8 -

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;

Tường cứng thường là những khối bêtông, bêtông đá hộc, gạch đá xây nên còn

được gọi tường khối Tường chắn bằng bêtông cốt thép có dạng tấm hoặc bản

nhưng tạo với các bộ phận khác của công trình thành những khung hoặc hộp cứng cững được xếp vào loại tường cứng

b 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 thành mấy loại như sau:

+ Tường trọng lực: độ ổn định được đảm bảo chủ yếu do trọng lượng bản thân

tường (hay còn được gọi là tường nặng) Các loại tường cứng đều thuộc loại tường trọng lực

+ Tường nửa trọng lực: độ ổn định được đảm bảo không chỉ do trọng lượng

bản thân tường và bản móng mà còn do trọng lượng của khối đất đắp nằm trên bản móng Loại tường này thường làm bằng bêtông 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: độ ổn định được đảm bảo chủ yếu do trọng lượng của khối

đất đắp đè lên bản móng Tường và móng là những bản, tấm bêtông cốt thép mỏng nên trong lượng của bản thân tường và móng không lớn Tường bản góc

có dạng chữ L nên còn gọi là tường chữ L

+ Tường mỏng: sự ổn định của loại tường này được đảm bảo bằng cách chôn

chân tường vào trong nền Do đó loại tường này còn được 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

c Phân loại theo chiều cao

Chiều cao của tường thay đổi trong một phạm vi khá lớn tùy theo yêu cầu thiết

kế Hiện nay, chiều cao của tường đã đạt đến cao 40m Trị số áp lực đất tác dụng lên lưng tường chắn tỉ lệ bậc hai với chiều cao tường Theo chiều cao, tường chắn được phân thành 3 loại như sau:

- 9 -

+ Tường thấp: có chiều cao nhỏ hơn 10m

+ Tường cao: có chiều cao lớn hơn 20m

+ Tường trung bình: là loại tường chắn có chiều cao vào khoảng trung gian

của hai loại trên (tức là cao từ 10 đến 20m)

Theo quy phạm tạm thời thiết kế tường chắn đất QP-23-65 của ta thì lấy giới hạn: tường thấp (có chiều cao dưới 5m); tường trung bình (có chiều cao từ 5

đến 10m) và tường cao (có chiều cao lớn hơn 10m)

d Phân loại theo góc nghiêng của lưng tường

Theo cách phân loại này, tường được phân thành tường dốc và tường thoải: + Tường dốc: có tường dốc thuận và tường dốc ngược

+ Tường thoải: khi góc nghiêng α của lưng tường lớn quá một mức độ nào đó

e Phân loại theo kết cấu

Về mặt kết cấu, tường chắn được chia thành tường liền khối và tường lắp ghép + Tường liền khối: là tường được làm bằng bêtông, bêtông đá hộc, gạch xây,

đá xây hay bằng bêtông cốt thép Tường liền khối được xây (gạch, đá) hoặc đổ (bêtông, bêtông đá hộc, bêtông cốt thép) trực tiếp trong hố móng Hố móng phải rộng hơn móng tường chắn một khoảng để tiện thi công và đặt ván khuôn Móng của tường bêtông và tường bêtông cốt thép liền khối với bản thân tường, còn móng của tường chắn bằng gạch đá xây thì có thể là những kết cấu độc lập bằng đá xây hay bêtông

Mặt cắt ngang của tường liền khối rất khác nhau, một số hình dạng có tên gọi như sau: hình chữ nhật; hình thang ngực tường nghiêng; hình thang có lưng tường nghiêng; hình thang có lưng và ngực nghiêng; hình thang nghiêng về phía đất đắp; có móng nhô ra phía trước; có lưng gãy khúc; có lưng bậc cấp;

có bệ giảm tải; có móng nhô ra hai phía

Tường bản góc (hay tường chữ L) có kiểu côngxon hoặc kiểu có bản sườn cũng thường làm bằng bêtông cốt thép đổ liền khối

+ Tường lắp ghép: gồm các cấu kiện bằng bêtông cốt thép đúc sẵn lắp ghép lại

với nhau theo những sơ đồ kết cấu định sẵn Cấu kiện đức sẵn thường là những thanh, hoặc những tấm không lớn (thường dưới 3m) để tiện vận chuyển

- 10 -

Tuỳ theo sơ đồ kết cấu lắp ghép, tường lắp ghép thường có mấy kiểu sau đây:

kiểu chữ L gồm những khối và tấm bêtông cốt thép lắp ráp lại; kiểu hàng rào

gồm nhiều thanh bêtông cốt thép làm trụ đứng hay trụ chống và các bản ghép lại, kiểu hộp một tầng hay hai tầng, trong hộp đổ đầy cát sỏi, kiểu chuồng gồm

nhiều thanh đặt dọc ngang xen kẽ nhau, trong chuồng đổ cát sỏi

+ Tường rọ đá: gồm các rọ đá nối ghép lại với nhau Những rọ đá bằng lưới

sắt hoặc lưới polime được xếp từng lớp, kết nối với nhau rồi xếp đá hộc vào trong tường rọ Để đất hạt mịn của đất nền và đất đắp không xâm nhập vào đá hộc trong rọ, thường để một lớp vải địa kĩ thuật ngăn cách đáy tường và lưng tường với đất nền và đất đắp ưu điểm nổi bật của tường rọ là chịu lún của nền rất tốt và kĩ thuật làm tường đơn giản

+ Tường đất có cốt: tường chính là mặt bao làm bằng các tấm kim loại, hoặc

tấm bêtông cốt thép, vải địa kỹ thuật , mặt tường bao được nối với các dải (hoặc khung, thanh ) kim loại hoặc polime chôn từng lớp trong đất đắp sau tường Đất đắp có tác dụng đẩy mặt bao ra khỏi đất nhưng trọng lượng của đất

đắp có tác dụng tạo nên lực ma sát giữa đất và cốt neo mặt tường bao lại Tường đất có cốt có nhiều ưu điểm: nhẹ, thi công nhanh chóng, đẹp, chịu lún rất tốt nên có thể thích ứng với nhiều loại đất nền có địa hình và địa chất không được tốt

Trong nội dung luận án này chỉ nghiên cứu ứng dụng loại tường chắn đất

có cốt mà trong đó cốt được sử dụng dùng loại cốt thép, vỏ mặt tường bao bên ngoài của tường chắn đất có cốt là các tấm cấu kiện bêtông xi măng cốt thép

đúc sẵn trong nhà máy;

1.1.3 Thoát nước cho khối đất đắp sau tường chắn

Việc thoát nước cho khối đất đắp sau tường chắn thường nhằm hai mục

đích chủ yếu: tạo điều kiện cho nước tích chứa trong lỗ rỗng của đất thoát ra nhanh chóng hoặc ngăn ngừa nước thấm vào khối đất đắp ; ngăn ngừa nước tiếp xúc với lưng tường để trừ khử áp lực nước tác dụng lên lưng tường

Thiết bị thoát nước nói chung gồm có 4 bộ phận : bộ phận thứ nhất – thoát nước mặt ; bộ phận thứ hai – giảm nhỏ lượng nước ngấm vào khối đất

đắp ; bộ phận thứ ba – thoát nước trong khối đất đắp ; bộ phận thứ tư – thoát nước ra ngoài phạm vi tường chắn

- 11 -

1.2 Những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực tế về xây dựng

tường chắn đất có cốt của các nước trên thế giới

Sở dĩ tường chắn đất có cốt vừa ra đời đã được ứng dụng rộng rãi vì nó đã

góp phần tạo ra những ưu thế trong lĩnh vực xây dựng công trình: giảm khối lượng đắp nền, giảm diện tích đất đai mà công trình chiếm chỗ do có thể đắp với mái dốc thẳng đứng (1/0); bảo đảm được ổn định công trình dù xảy ra biến dạng lớn; thi công đơn giản, nhanh chóng, cốt và các tấm hoặc vỏ mặt tường bao đều

có thể gia công trước tại nhà máy rồi vận chuyển ra công trường để lắp đặt, tiện lợi ngay trong quá trình đắp đất (lắp đặt tấm vỏ tường đến đâu thì lắp, rải cốt và

đắp đất đến đó);

Có thể tùy nghi sáng tạo kiểu dáng mặt tường bao để đạt được các yêu cầu

về trang trí kiến trúc và thẩm mỹ, tạo hình, đặc biệt khi sử dụng các tấm vỏ bao mặt tường bằng các tấm rời BTXM cốt thép như các hình vẽ dưới đây:

- 12 -

Thực tế hiện nay nhiều nước trên thế giới đã có tính toán, thiết kế để áp dụng tường chắn đất có cốt vào trong xây dựng công trình đường, đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất vẫn là dùng đất thiên nhiên để xây dựng công trình, nhưng trong đất có bố trí thêm các lớp cốt bằng vật liệu chịu được lực kéo theo các hướng nhất định (giống như việc có bố trí thêm các thanh cốt thép trong khối bêtông ximăng để tạo thêm khả năng chịu lực kéo của bêtông), thông qua sức neo bám, masát, dính, và sức cản bị động của đất (hay còn gọi là hiệu ứng neo đối với những loại cốt dạng khung, dạng lưới, dạng mạng) giữa đất với vật liệu cốt mà loại vật liệu tổ hợp này có được khả năng chịu kéo tốt

Nguyên lý tường chắn đất có cốt do Henri Vidal, một kỹ sư cầu đường người Pháp phát minh ra vào những năm 60 của thế kỷ trước Vào năm 1968, công trình tường chắn bằng đất có cốt đầu tiên được xây dựng tại miền Nam nước Pháp, (thiết kế xây dựng tường chắn cao 10m, rộng 10m, dài 50m); khi đó nguyên lý và phương pháp tính toán công trình đất có cốt về cơ bản đã được xây dựng khá hoàn chỉnh, cơ sở lý thuyết cũng tương đối đầy đủ Những nghiên cứu

lý thuyết và thực nghiệm về đất có cốt được tập trung vào một số nội dung chủ yếu như sau :

• Nghiên cứu đất có cốt trên mô hình thu nhỏ 2 chiều, 3 chiều nhằm xác

định áp lực lớn nhất ở đáy công trình đất có cốt trên cơ sở các giả thiết về phân bố ứng suất dạng hình thang và theo dạng do Meyerhof đề xuất Xác định trạng thái phá hoại thuộc phạm vi ổn định nội bộ của công trình

đất có cốt Xác định lực kéo Tmax trong cốt và chiều dài dính bám giới hạn của cốt Xác định chiều cao giới hạn của công trình đất có cốt phụ thuộc vào chiều dài cốt, cường độ cốt, chiều cao lớp vỏ, trọng lượng riêng của đất đắp;

• Tiến hành đặt các thiết bị đo đạc và theo dõi lực kéo dọc theo cốt và ứng suất trong khối đắp tại một số điểm trong công trình làm thực nghiệm;

• Nghiên cứu các tiêu chuẩn về đất đắp, sự ăn mòn của cốt kim loại;

• Nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của đất có cốt bằng thí nghiệm nén 3 trục;

- 13 -

• Nghiên cứu tường chắn đất có cốt trên mô hình quang đàn hồi để xác

định phân bố ứng suất trong tường chắn đất có cốt dưới tác dụng của tải trọng

Tới nay sau gần 40 năm nghiên cứu và phát triển, do những tính năng ưu việt của chúng mà tường chắn đất có cốt đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước châu Âu, châu Mỹ và châu á

Trên toàn thế giới đã có hơn 30.000 công trình tường chắn đất có cốt đã

được xây dựng, bao gồm các loại như: tường chắn trên đường ôtô, đường sắt, mố cầu, nền đường đắp cao, đê và kè ven sông, ven biển, hầm mỏ và trong các công trình quan trọng khác

Các công trình tường chắn đất có cốt đã được ứng dụng vào thực tế khá phổ biến, rộng rãi và thành công không chỉ ở các nước châu Âu, châu Mỹ mà gần đây là tại các nước trong khu vực Đông Nam á như ở Singapor, Malaysia, Hồng Kông, Đài Loan, Indonesia, Thái Lan, Philippines, Brunây

ỹ Tại Pháp : đã có khoảng 10 công trình đất có cốt được xây dựng trong

những năm 1968 – 1969, đáng kể nhất là những tường chắn được làm bằng đất có cốt (tổng cộng tới 800mét dài) trên đường cao tốc A53 qua vùng Menton, tại đây sườn núi dốc, địa chất không ổn định, không thể

đào sâu và khó khăn nếu làm cầu vượt nên đã chọn đắp cao với tường chắn cao tới 20m Năm 1970, tường chắn đất có cốt đã được xây dựng ở công trình cảng Dunkerque Năm 1972, mố cầu bằng đất có cốt lần đầu tiên được xây dựng trên đường ôtô ở Thionville có chiều cao 14m

ỹ Tại Anh : các công trình ứng dụng đất có cốt được áp dụng tại công

trình cải tạo xa lộ M25 tại Epping – Luân Đôn Tại đây với những nghiên cứu đầy đủ về mặt lý thuyết cũng như kiểm chứng thực nghiệm

đã ban hành tiêu chuẩn Anh quốc về đất gia cố cốt mang số hiệu BS 8006:1995

ỹ Tại Mỹ: đã có nhiều công trình sử dụng đất gia cố lưới địa kỹ thuật như

tại các dự án mở rộng xa lộ xuyên bang I75 tại bang Florida; dự án xây dựng tại đại lộ Tanque Verde, thành phố Tucso, bang arizona; dự án xây dựng tường chắn và đại lộ có nhiều đường giao nhau; dự án Lithonia

- 14 -

bang Georgia Qua quá trình sử dụng cho thấy, đến hiện nay các công trình đều bảo đảm ổn định, chuyển vị , biến dạng áp lực đo được đều nằm trong phạm vi an toàn, cho phép

ỹ Tại Nhật Bản : đất có cốt được ứng dụng một cách phổ biến, đặc biệt

trong ngành đường sắt Các tổ chức khoa học đã đi sâu nghiên cứu và

đưa ra lý thuyết đầy đủ về tính toán tường chắn đất có cốt Nhiều tài liệu

ỹ Tại khu vực Đông Nam á: cũng có hơn 500 công trình với hơn

550.000m2 diện tích mặt tường đất có cốt được xây dựng

1.3 tình hình nghiên cứu và ứng dụng xây dựng tường chắn đất

có cốt tại việt nam 1.3.1 Những nghiên cứu ứng dụng đất cố cốt trong xây dựng các công

trình cầu đường tại Việt Nam

Thực ra nguyên lý đất có cốt đã được cán bộ, công nhân ngành giao thông vận tải của nước ta vận dụng để xây dựng và khôi phục, làm đường tạm từ những năm chiến tranh chống Pháp và chống Mỹ Khi đó, do khi phải khôi phục những đoạn đường bị bom địch phá hoại, các đội quân phục vụ đảm bảo giao thông trên chiến trường đã đắp lại đường với mái taluy dốc bằng cách lót thêm các lớp cành tre, nứa và đặc biệt là các lớp cành cây nhỏ rải thêm vào

giữa các lớp đất đắp (thuật ngữ miền Trung gọi là các lớp bổi), nhờ đó đã

giảm được khối lượng đất đắp lại, nhằm nhanh chóng khôi phục được đường cho kịp thông xe ôtô, pháo ra tiền tuyến

Với thực tế đó, ngay từ những năm 1968, Giáo sư, TS Đặng Hữu ngay sau khi nhận được các thông tin từ nước Pháp về “đất có cốt” đã viết bài giới thiệu lần đầu tiên về vấn đề này

- 15 -

Vào những năm 1970, Bộ Giao thông Vận tải đã giao cho Vụ Khoa học

Kỹ thuật tổ chức nghiên cứu, kiểm nghiệm lại nguyên lý đất có cốt và áp dụng vào xây dựng công trình giao thông ở nước ta Nhóm đề tài này được thành lập với sự phối hợp của các chuyên gia Trường Đại học Xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ GTVT, Trường Đại học Giao thông Vận tải kết hợp với chuyên gia Việt kiều Nguyễn Thành Long (làm ở Phòng thí nghiệm trung ương về Cầu và Đường Pháp) Công việc là ngoài công tác nghiên cứu

và tiếp cận lý thuyết, nhóm đã tiến hành thực nghiệm đo ứng suất và biến dạng phát sinh trên mô hình ở trong phòng, đồng thời tiến hành tính toán, xây dựng thí điểm một tường chắn đất có cốt cao 3m ngoài thực địa nhằm thử nghiệm công nghệ thi công và đánh giá về mặt ăn mòn của các thanh cốt khi nằm trong đất

Trong công trình thử nghiệm, Cốt được làm bằng sắt của thùng phuy xăng

có chiều dày khoảng 1mm, chiều rộng khoảng 8cm được phủ nhựa bitum chống gỉ và rắc thêm cát vàng sạch để tăng độ ma sát Mặt tường cũng được làm bằng vỏ thùng phuy cắt ra dạng hình máng có chiều rộng 30cm bằng khoảng cách các lớp cốt Liên kết giữa cốt và mặt tường bằng bulông thường Vật liệu đắp là cát mịn sông Hồng, đắp và đầm chặt đạt đến K=0,98 Sau 5 năm thử nghiệm, tiến hành khảo sát lại cho thấy tình hình ăn mòn của cốt và nhận thấy : cốt vỏ phuy xăng bị ăn mòn không đáng kể, bẻ ravẫn còn ánh kim loại và chiều dày gần như nguyên vẹn

Tháng 6 năm 1973, một tường chắn bằng đất có cốt cao 4,25m (với vách thẳng đứng ở cả hai bên) đã được xây dựng trên một đoạn đường dẫn từ đê La Thành xuống một khu tập thể gần Cầu Giấy- Hà Nội Đặc điểm của tường chắn thí điểm này là tường bao dùng vỏ thùng nhựa cũ và cốt là các dải cao

su được cắt ra từ các lốp ôtô phế thải (đây là những vật liệu rất dễ kiếm trong thời đó) Chiều cao của các tấm vỏ tường cũng cao 25cm (như vỏ kim loại của H.Vidal), cốt cũng được cắt rộng 6,0cm dầy 0,5cm và được nối với vỏ bằng các bulông D50 Một phía bên tường là các nhà cấp 4 Tường thí điểm này đã tồn tại cho đến nay, nhưng hiện hai bên các nhà dân đã san lấp đến sát

và trùm lên vỏ tường

- 16 -

Qua các nghiên cứu nói trên cho thấy việc dùng các cốt bằng cao su cắt ra

từ các lốp phế liệu là một hướng có thể phát triển tiếp vì đó cũng là một loại cốt bằng vật liệu thuộc loại polime (cao phân tử hữu cơ) như hiện nay các nước trên thế giới đã sử dụng phổ biến Dùng loại cốt này đồng thời có thể tận dụng được các lốp xe cũ đã qua sử dụng, góp phần giải quyết nạn ứ đọng nguồn phế thải này

Năm 2001, trong khuôn khổ một đề tài nghiên cứu cấp Bộ của Bộ Giao thông Vận tải có tên là “ Nghiên cứu chế tạo cốt thép mạ dùng trong xây dựng công trình đất có cốt ở Việt Nam” do PGS.TS Nguyễn Phúc Trí làm chủ nhiệm đề tài, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một dạng cốt mới bằng thép tròn D14 có mạ chống gỉ, có cấu tạo gồm các “ngạch xương cá” để tăng cường sức chống nhổ tuột của của cốt nhờ lợi dụng sức cản bị động của đất (hiệu ứng neo) đối với các ngạch xương cá Nhóm nghiên cứu này cũng đã tiến hành các thí nghiệm kéo tuột loại cốt nói trên để xác định hệ số sức chống nhổ tuột của cốt chôn trong đất

1.3.2 Sự phát triển các công trình xây dựng bằng đất cố cốt tại Việt Nam

Thực tế ở Việt Nam từ năm 1999 trở lại đây, cùng với các dự án xây dựng mới và khôi phục lại cầu đường ở nước ta, các công trình tường chắn đất có cốt đã tìm được chỗ ứng dụng và càng ngày càng được sử dụng nhiều hơn Lý

Ngạch chéo

D14 Ngạch ngang

đường cao tốc trên khắp mọi miền đất nước, thì vấn đề đưa loại hình tường chắn đất có cốt vào ứng dụng là không thể thiếu được vì nó đã từng được áp dụng để xây dựng các tuyến đường cao tốc lớn trên thế giới

Một số công trình lớn áp dụng tường chắn đất có cốt đã được xây dựng ở Việt Nam trong một số vừa qua:

ỉ Đường dẫn hai đầu cầu vượt Lạch Tray Hải Phòng thuộc dự án cải tạo nâng cấp quốc lộ 5 :

- Chủ đầu tư : Ban quản lý dự án 5, Bộ GTVT (PMU5);

- Dạng kết cấu : Đoạn đường hai đầu cầu đắp cao sử dụng kết cấu đất

có cốt bằng thép không gỉ với những tấm tạo bề mặt bằng bêtông

đúc sẵn trong nhà máy;

ỉ Dự án đường Xuyên á :

- Chủ đầu tư : Ban quản lý dự án Mỹ Thuận, Bộ GTVT ;

- Dạng kết cấu : Tường chắn đất có cốt được sử dụng tại đường hai

đầu cầu vượt Sóng Thần tại Km 7

- 18 -

ỉ Cầu Mẹt thuộc Dự án nâng cấp các cầu trên Quốc lộ 1A đoạn Hà Nội đi Lạng Sơn :

- Chủ đầu tư : Ban quản lý dự án 1, Bộ GTVT (PMU1)

- Dạng kết cấu : Đoạn đường hai đầu cầu sử dụng kết cấu đất có cốt

với bề mặt bằng các tấm bêtông cốt thép đúc sẵn trong nhà máy, cốt bằng lưới địa kỹ thuật

ỉ Dự án đường Hồ Chí Minh :

- Chủ đầu tư : Ban quản lý dự án đường Hồ Chí Minh

- Dạng kết cấu 1: Nền đường đắp cao với mái dốc 700 Sử dụng lưới thép với khoảng cách 0,5 – 1m

- Dạng kết cấu 2: Tường chắn sử dụng rọ đá kết hợp với cốt lưới thép

có chiều cao 8m

ỉ Dự án nút giao thông Ngã Tư Vọng, Ngã Tư Sở-TP Hà Nội :

- Chủ đầu tư : Ban quản lý dự án trọng điểm Hà Nội

- Dạng kết cấu : Sử dụng kết cấu đất có cốt bằng thép với bề mặt là

các tấm BTCT đúc sẵn dùng để thi công đường dẫn hai đầu cầu Vọng, cầu vượt Ngã Tư Sở trên thành phố Hà Nội

ỉ Dự án xây dựng cầu đường bộ Sông Thương, thành phố Bắc Giang:

- Chủ đầu tư : Ban quản lý dự án - Sở GTVT Bắc Giang

- Dạng kết cấu : Sử dụng kết cấu đất có cốt bằng thép với bề mặt là

các tấm BTCT đúc sẵn dùng để thi công đường dẫn hai đầu cầu cầu

đường bộ Sông Thương, bắc qua sông Thương, T.P Bắc Giang

ỉ Dự án xây dựng đường Vành đai 3 Hà Nội :

- Chủ đầu tư : Ban quản lý dự án Thăng Long, Bộ GTVT (PMU

Thăng Long); Nhà thầu CEI 18 (Công ty cầu 12, Công ty 136);

- Dạng kết cấu : Sử dụng kết cấu đất có cốt bằng thép mạ, với bề mặt

là các tấm BTCT hình lục lăng đúc sẵn dùng để thi công đường dẫn hai đầu cầu cầu vượt Mai Dịch tại nút Mai Dịch – TP Hà Nội

- 19 -

ỉ Dự án xây dựng và mở rộng đường Láng- Hòa Lạc, TP Hà Nội :

- Đại diện Chủ đầu tư : Ban quản lý dự án Thăng Long, Bộ GTVT

(PMU Thăng Long); Tổng thầu VINACONEX;

- Dạng kết cấu : Sử dụng kết cấu đất có cốt bằng thép mạ, với bề mặt

là các tấm BTCT hình lục lăng đúc sẵn dùng để thi công đường dẫn hai đầu cầu cầu vượt Hoàng Xá

1.4 những vấn đề cần nghiên cứu, ứng dụng thực tiễn về xây dựng

các công trình tường chắn đất có cốt tại việt nam

1.4.1 Vấn đề xử lý móng của tường chắn

Đối với các công trình tường chắn đất có cốt chỉ được nghiên cứu trên một nền địa chất tương đối ổn định, hoặc không xét đến, đề cập ít, nhưng khi áp dụng vào thực tiễn ở Việt Nam thì cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng Thực tế là tại các vị trí đặt công trình tường chắn đất có cốt thường lại có địa chất không tốt, thường phải tiến hành các biện pháp xử lý nền đất yếu trước khi đặt công trình lên trên

Như công trình tường chắn đất có cốt đặt tại nút giao thông Mai Dịch trên dự án

đường Vành đai 3 HN đã phải tiến hành bóc bỏ một lớp đất yếu sâu tới 2m (so với cao độ đặt đáy tường chắn), sau đó đóng cọc tre gia cường với chiều dài cọc 2,5m; mật độ cọc là 25 cọc/m2, trải vải địa và đắp trả lại từng lớp hố móng bằng vật liệu cát đen hút tại sông Hồng và đầm nén tới độ chặt yêu cầu K95

1.4.2 Vấn đề lựa chọn vật liệu đắp trong tường chắn

Đối với các công trình tường chắn đất có cốt, vấn đề vật liệu đắp rất cần phải nghiên cứu và lựa chọn kỹ lưỡng, lý do nó là nó tác động rất lớn đến khả năng làm việc của toàn bộ công trình Cốt và đất kết hợp với nhau để tham gia cùng chịu lực, trong đó cốt sẽ hấp thụ lực kéo và lực cắt do tác động của tải trọng thông qua đất, đất chỉ chịu lực nén

1.4.3 Vấn đề thoát nước của tường chắn

Vấn đề thoát nước cho công trình tường chắn đất có cốt rất quan trọng, thực ra câu nói truyền thống nước là kẻ thù số 1 của đường còn nguyên giá

trị Nếu trong tường chắn, trên tường chắn hoặc dưới chân tường chắn có chứa

1.4.4 Vấn đề công nghệ thi công, lựa chọn sử dụng vật liệu phù hợp, các nội dung, vấn đề khi kiểm tra, nghiệm thu công trình

- Chọn vật liệu: cốt, tấm vỏ, đất đắp trong vùng có cốt, đất đắp trong lõi;

- Công nghệ thi công: lắp đặt cốt, các tấm vỏ tường, đắp đất ;

- Kiểm tra, nghiệm thu, các biện pháp bảo vệ công trình

1.4.5 Vấn đề bảo dưỡng công trình tường chắn đất có cốt trong quá trình khai thác, sử dụng :

- Việc bảo vệ các tấm vỏ tường, tạo mỹ quan cho các tấm vỏ tường cũng như toàn bộ công trình;

- Thoát nước tốt cho tường chắn;

- Theo dõi lún, biến dạng, độ bằng phẳng bên ngoài của vỏ tường chắn, các

sự cố có thể xảy ra của công trình

- 21 -

Chương II

Nghiên cứu ứng dụng thiết kế tường chắn đất

có cốt ở việt nam

2.1 Những cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên tắc cơ bản tính

toán tường chắn đất có cốt

Từ lâu đời, đất được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng thông thường, rẻ tiền, sẵn có trong tự nhiên Tuy nhiên đất có các đặc trưng cơ học kém, đặc biệt là không chịu được lực kéo (nhưng khả năng chịu nén cao) Vì vậy người ta đã nghĩ đến việc phải cải thiện những nhược điểm này bằng cách

bố trí thêm trong nền đất đắp các lớp vật liệu có khả năng chịu được lực kéo theo những hướng nhất định (bố trí thêm các lớp cốt), vật liệu đó có thể là các lớp dạng lưới, khung bằng kim loại hay các loại vải địa kỹ thuật Khi đó ta

được một loại tổ hợp vật liệu mới để xây dựng công trình; thông qua sức neo bám (do masát, dính, neo bám) hoặc do sức cản bị động của đất mà loại tổ hợp vật liệu đất có cốt này có được khả năng chịu kéo (giống như loại vật liệu bêtông cốt thép có khả năng chịu kéo, trong khi đó bản thân bêtông lại chịu kéo rất kém), việc thành phần cốt hấp thụ lực kéo và lực cắt trong đất là nhờ sự tương tác giữa đất và cốt

Tường chắn đất có cốt được chia thành 4 thành phần chính sau :

- Phần đất có cốt (gọi là đất được gia cường);

- Phần đất ở sau phần đất có cốt (lõi của công trình tường chắn đất có cốt);

- Nền đất;

- Vỏ tường (khối mặt tường bao phía ngoài);

2.1.1 Nguyên lý đất có cốt về mặt cơ học

2.1.1.1 Sự phá hoại của đất khi không có cốt

Như chúng ta đã biết, đất xem như một vật liệu rời Khi chịu ngoại lực tác dụng thì đất sẽ ổn định (không bị phá hoại cắt trượt) nếu trạng thái ứng suất ở bất kỳ điểm nào và theo hướng nào cũng nằm dưới đường bao phá hoại của vòng tròn Mohr

- 22 -

(hình vẽ minh họa được thể hiện ở trang sau)

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

1 3

ϕ ϕ

1 3

ϕ ϕ

σ

σ tg c tg

hay σ3 =σ1.K p − 2c K p (2) Các ký hiệu có ý nghĩa như sau:

σ

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

ϕ - góc nội ma sát của đất;

đất sẽ đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn dẻo và bị phá hoại Do vậy đất là vật liệu không chịu được nén thuần túy (khi σ3 = 0), không thể làm vật liệu xây dựng các công trình chịu nén lớn nếu lực dính c có hạn và nếu không có biện pháp điều chỉnh trạng thái ứng suất (làm tăng áp lực hông σ3)

- 23 -

T=6tgG+c

T

D A

E C 0

Tường Tường

Tường

(hình 1) Ngược lại, theo công thức (2) nếu trị số σ3 càng lớn so với σ1 thì đất cũng sẽ bị phá hoại Trong trường hợp có tường , nếu áp lực hông σ3 dần dần tăng lên (tựa như lúc thân tường chống đỡ dịch chuyển vào trong) thì khi đất đặt

đến σ3 =OD khối đất cũng bị phá hoại Chính vì vậy ứng suất chính nhỏ nhất

3

σ ở công thức (1) gọi là ứng suất (áp lực) chủ động với hệ số Ka là hệ số áp lực

đất chủ động và σ3 ở công thức (2) gọi là ứng suất (áp lực) bị động với Kp là hệ

Vai trò của cốt chính là nhằm tạo ra áp lực hông σ3 ngay từ bên trong

khối đất có bố trí cốt (σ3 không phải do ngoại lực gây ra) Điều này cũng tương

đương với việc tạo ra được 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 vẽ (hình 2) dưới đây :

σ

(hình 2) Khi khối đất chịu nén theo phương thẳng đứng với áp lực σ1, nếu không

bố trí cốt (σ3 = 0) khối đất sẽ bị phá hoại vì nở hông tự do Nhưng khi có bốt trí cốt (khối đất bị kẹp giữa hai lớp cốt), và giả thiết giữa cốt và đất có đủ sức neo bám cần thiết (tức là đất và cốt bám chặt 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 môđun biến dạng của vật liệu cốt cao hơn rất nhiều lần so với môđun biến dạng của đất nên trị số biến dạng ngang ε n của khối đất hầu như không đáng kể (ε n ≈ 0) và do đó đất xem như chịu nén 3 trục có hạn chế nở hông với trị số áp lực hông σ3 :

đất với cốt) và bởi sức chống cắt trượt của đất

Giả sử cho khối đất ở hình vẽ (hình 2) trên chịu lực ngang thì rõ ràng trong trường hợp này cốt không có tác dụng hạn chế nở hông nữa và nếu muốn khối đất được ổn định thì lại phải bố trí các lớp cốt theo phương thẳng đứng Chính vì vậy mà tổ hợp vật liệu đất có cốt là loại có tính dị hướng

và vai trò của vỏ mặt tường bao chỉ là để bảo vệ bề mặt phía hông chống các tác dụng xâm hại, làm lở hoặc xói cục bộ khối đất có cốt như trên đã nói; ngoài ra mặt tường bao còn là bộ phận được cấu tạo để tạo hình dạng mỹ quan bên ngoài cho công trình

Như vậy, nếu các lớp cốt được bố trí đúng hướng, được tính toán và bố trí với các khoảng cách theo chiều đứng và chiều ngang thích hợp thì trong khối đất

có cốt sẽ không xảy ra biến dạng trượt và toàn khối đất có cốt đó được xem như một khối bền chắc, có đủ sức kết dính để ổn định dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và ngoại lực

Để thấy rõ thêm vai trò của cốt ta phân tích thêm trường hợp một khối đất có khả năng bị trượt theo một mặt nào đó như các hình vẽ dưới đây:

Hình ảnh minh họa nguyên

lý đất có cốt (hình 3)

Chưa có cốt

S

B A

R 1

F dS

định của cả khối đất thì phải bố trí cốt sao cho lực kéo của cốt F (do sức neo bám giữa đất và cốt tạo ra) hợp với R1 thành một hợp lực R2 (hình 4b) có phương của R2 làm với pháp tuyến qua dS một góc nhỏ hơn ϕ Nếu trên toàn

bộ mặt trượt S đều bố trí cốt sao cho đảm bảo điều kiện nói trên thì hai mảnh A

và B sẽ gắn liền với nhau và khả năng trượt giữa chúng sẽ không xảy ra

2.1.1.3 Sự neo bám giữa cốt và đất

Như trên đã thấy, phải có đủ sức neo bám giữa đất và cốt thì mới có thể tạo ra áp lực hông σ3 ngay từ bên trong khối đất có cốt, tức là tạo ra được sự truyền sức chịu kéo của cốt cho đất (giống như sự truyền sức chịu kéo của cốt thép cho bêtông trong loại vật liệu tổ hợp bêtông cốt thép)

Việc truyền lực giữa đất và cốt hay sự tạo ra sức neo bám giữa cốt với đất phụ thuộc vào cấu tạo hình dạng cốt và có hai phương thức cơ bản là phương thức truyền lực thông qua ma sát giữa chúng và phương thức truyền lực thông

- 27 -

qua sức cản bị động của đất Đối với các loại cốt dạng đai mỏng; cốt dạng tấm; cốt dạng khung; dạng lưới; dạng mạng, tất cả đều truyền lực thông qua ma sát Nhưng chỉ những loại cốt dạng khung; dạng lưới; dạng mạng là các loại cốt có các phần tử cốt vuông góc với phương truyền lực kéo thì mới có thêm phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất (tức là mới có hiệu ứng neo) Ngoài ra trong công nghệ đất chèn cốt này hiện nay cũng đã có những loại cốt chỉ truyền lực nhờ sức cản bị động của đất thông qua cấu tạo bầu neo

nhờ có các thanh cốt bố trí vuông góc với phương truyền lực Pp Cốt dạng khung, dạng lưới bằng thép tròn tạo ra sức cản bị động của đất

Nhìn trên mặt bằng Nhìn theo chiều đứng

dụng quan hệ nói trên Tuy nhiên, vì trong quá trình biến dạng khi chịu cắt trượt, đất dạng hạt có thể bị xốp nở, do đó ứng suất pháp hữu hiệu tác dụng trên mặt cốt sẽ biến đổi tuỳ theo tác dụng tương hỗ giữa đất với cốt nên thực tế không thể biết trị số σ v là bao nhiêu Vì vậy thường phải sử dụng hệ số ma sát

τ à

2

Trong đó : L – chiều dài cốt;

Pf – lực kéo tuột (sức chống kéo tuột)

Hệ số này còn được ký hiệu là f*, được gọi là hệ số ma sát quy ước hay hệ số

ma sát hữu hiệu Theo kết quả thí nghiệm cho thấy: trị số à thay đổi tuỳ theo *tính chất đất (cấp phối hạt, góc cạnh hạt, đặc tính ma sát và độ chặt của đất), tuỳ theo dạng hình học và đặc tính bề mặt của cốt cũng như tuỳ thuộc vào trị số ứng suất gia tải hữu hiệu; Bề mặt vật liệu cốt càng trơn nhẵn, lực chống trượt của cốt càng nhỏ thì trị số à càng nhỏ Nếu ứng suất gia tải càng tăng thì do ứng suất *tăng lên, sự xốp nở của đất khi biến dạng trượt càng giảm khiến cho trị số à *cũng càng giảm nhỏ tương ứng

Hệ số à nói chung thường thay đổi trong phạm vi 0,4 – 1,5 Khi tính toán, *

đối với cốt dải mỏng có gờ bằng kim loại thường xem như tại vùng đỉnh tường

- 29 -

*

à = 1,5; càng xuống sâu * à càng giảm thấp, cho đến tại độ sâu cách đỉnh

tường 6,0m thì à* = tg δ = tg φ ; sau đó càng tiếp tục xuống sâu trị số à *

sẽ giữ nguyên không thay đổi nữa Còn đối với cốt dải trơn nhẵn bằng kim loại hoặc cốt vải địa kỹ thuật hay cốt lưới sợi thép là loại cốt biến dạng nhiều thì thường giả thiết à không thay đổi theo độ sâu và thường lấy : *

Pp : sức chịu kéo tuột do cốt truyền cho đất thông qua sức cản bị động của đất;

v

σ : ứng sấu pháp tác dụng trên mặt cốt;

n : số lượng các phần tử cốt vuông góc với phương truyền lực kéo ( tức là số lượng các thanh ngang giằng các cốt dọc để tạo ra cốt dạng khung, dạng lưới như ở các hình vẽ trên);

Ab : diện tích tiếp xúc của đất với đất của một thanh ngang;

Np : hệ số sức cản cản bị động của đất; hệ số này được xác định bằng thí nghiệm kéo tuột cốt chôn trong đất và phụ thuộc vào cường độ của đất cũng như khả năng xốp nở của đất khi đất bị biến dạng trượt Theo kết quả nghiên cứu thử nghiệm kéo tuột, thông thường hiện nay trong tính toán người ta đã sử dụng trị

số Np = 15 – 30; ở những vùng phía trên của công trình đất có cốt (ví dụ phần trên đỉnh tường chắn đất có cốt) là vùng đất chịu ứng suất pháp nhỏ, đất dễ bị xốp nở nhiều khi biến dạng trượt thì trị số Np lấy bằng 30 Càng xuống dưới khi ứng suất pháp tác dụng lên cốt càng lớn, đất càng khó bị xốp nở thì hệ số này càng nhỏ đi và ở độ sâu cách đỉnh công trình 6,0m thì trị số Np = 15; dưới độ sâu đó, trị số hệ số Np giữ nguyên không đổi bằng 15

Trên thực tế, nhiều loại đất có cốt đều có cả hai phương thức truyền ứng suất là ma sát và sức cản bị động của đất Nhưng chỉ với loại đất có cốt nào cả hai phương thức truyền ứng suất nói trên đều chiếm tỷ lệ tương đối lớn (như với

- 30 -

cốt dạng khung, dạng lưới geogrid hoặc lưới sợi thép) thì mới xét đến lực kéo tuột do cả 2 phương thức đó tạo ra theo quan hệ biểu thị dưới đây:

Pkt = Pf + Pp = σ v(à A* s + Np.n.Ab) Trong đó : Pkt – tổng sức chống kéo tuột;

Pf – sức chống kéo tuột do ma sát tạo ra;

As – diện tích bề mặt của các đơn nguyên cốt;

ứng suất truyền do ma sát sẽ xuất hiện trị số lớn nhất khi cốt chuyển dịch tương đối nhỏ; còn ứng suất truyền do sức kháng bị động của đất thì chỉ xuất hiện khi cốt chuyển dịch tương đối lớn Do vậy, tỉ lệ của mỗi phương thức truyền ứng suất nói trên chiếm là bao nhiêu có liên quan đến trị số chuyển vị của hệ số đất có cốt Trị số à và N* p phải được xác định thông qua thí nghiệm

có xét đến tác dụng tương hỗ giữa chúng

Như vậy, ta đã có được phương pháp đơn giản tính toán về điều kiện neo bám giữa đất và cốt với các hệ số à và N* p được xác định từ các thử nghiệm kéo tuột với cốt chôn trong đất và chịu các áp lực thẳng đứng (ứng suất pháp) khác nhau Rõ ràng là : sức chống kéo tuột Pf hoặc Pp (hoặc cả hai) tuỳ thuộc vào cường độ chống cắt trượt của đất, diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa cốt với

đất, ứng suất pháp tác dụng lên cốt, các đặc trưng hình học và đặc trưng bề mặt (có tạo nhám hay không) của cốt Trong trường hợp các yếu tố cấu tạo cốt không đổi thì sức chống kéo tuột (cũng tức là lực kéo của cốt truyền cho đất) sẽ phụ thuộc vào chiều dài cốt và vị trí đặt cốt cách đỉnh công trình nông hay sâu

Do đó, một nội dung quan trọng trong tính toán, thiết kế các công trình đất có cốt là phải xác định được chiều dài cần thiết để bảo đảm đủ neo bám đối với từng lớp cốt sẽ được bố trí trong công trình

Trên đây ta mới xét đến sự truyền lực giữa cốt và đất tại mặt tiếp xúc trực tiếp giữa chúng Trong thực tế các công trình đất có cốt, các lớp cốt thường được

bố trí cách nhau một khoảng cách Sv nhất định (theo chiều đứng) và các thanh

có thể bố trí cách nhau một khoảng cách Sh ( trên mặt bằng ) Như vậy giữa các khoảng cách đó có một phần đất không tiếp xúc trực tiếp với cốt Vấn đề trạng thái ứng suất trong phần đất này và vấn đề truyền lực của cốt từ mặt đất đến những phần không tiếp xúc trực tiếp là khá phức tạp và cũng đã được nghiên cứu

- 31 -

với các mô hình trong phòng và quan trắc trên các công trình thực Qua đó, hiện trong tính toán thiết kế người ta chấp nhận giả thiết xem là: lực kéo do mỗi thanh cốt truyền cho đất sẽ phân bố đều trong phạm vi Sv x Sh

Giả thiết này có thể chấp nhận nếu Sv và Sh đủ nhỏ và vì vậy khi bố trí cốt trong các công trình đất có cốt nên tham khảo kinh nghiệm từ những công trình thực tế đã được xây dựng và tồn tại bền vững (với sự ngầm hiểu rằng đối với các công trình đó các khoảng cách Sv và Sh được xem là đủ nhỏ)

Qua phân tích ở các mục nói trên ta thấy muốn thực hiện được một công trình bằng đất có cốt (như công trình tường chắn bằng đất có cốt chẳng hạn) thì cần phải đảm bảo các điều kiện sau đây:

- Có đủ sức neo bám giữa đất và cốt ở mọi điểm trong khối đất có cốt;

- Cốt phải chịu được lực kéo lớn nhất có thể phát sinh khi công trình ở trạng thái làm việc bình thường (chịu các tác động của ngoại lực);

- Đất phải đủ cường độ chịu nén và chịu cắt để tiếp nhận lực kéo của cốt truyền cho đất;

- Mặt bên của công trình phải có vỏ bao để bảo vệ bề mặt chống những hư hại từ các tác nhân bên ngoài và chống lở đất, trôi đất trong phạm vi giữa các lớp cốt;

- Nền móng đặt công trình đất có cốt phải đủ cường độ và đảm bảo được bền vững, ổn định;

Các điều kiện nói trên chính là tóm tắt các nguyên lý tạo ra vật liệu đất có cốt và nguyên lý xây dựng một công trình bằng đất có cốt

2.1.2 Nguyên tắc cấu tạo và cơ sở tính toán tường chắn bằng đất có cốt

2.1.2.1 Cấu tạo tường chắn bằng đất có cốt

ứng dụng nguyên lý đất có cốt đã nói ở mục trên, một công trình tường chắn đất có cốt gồm có thân tường rộng L, cao H, được đắp bằng đất, có góc mái dốc đắp mặt ngoài từ 0o đến 20o so với phương thẳng đứng, trong khối đắp

có bố trí các lớp cốt rải nằm ngang và cốt được liên kết chặt với mặt tường bao như các hình vẽ dưới đây Nếu độ dốc đắp mặt ngoài lớn hơn 20o so với phương thẳng đứng thì không xem là tường chắn bằng đất có cốt; trường hợp đó phải

Kể từ khi tường chắn bằng đất có cốt được xây dựng thí điểm cho đến nay, các hãng công nghệ về đất có cốt ở các nước đã không ngừng cải tiến kết cấu cốt và mặt tường bao theo hướng tăng mức độ thuận tiện cho việc lắp đặt trong quá trình thi công; lợi dụng các vật liệu mới và vật liệu phổ biến; tăng sức neo bám giữa đất và cốt; tăng tính bền vững của công trình; tất cả đều nhằm hạ giá thành, tăng độ tin cậy để loại công nghệ này có thể cạnh tranh được với các công nghệ xây dựng khác

20 Mặt tường bao

b)

Đáy tường Cốt

Đỉnh tường

Cốt

Đất đắp đầm chặt Lưng tường

- 33 -

Lưới

bao

Vật liệu đắp cốt thép

Về cốt, ngoài cốt bằng kim loại nay đã phổ biến dùng cốt bằng vật liệu polime dưới dạng vải, lưới địa kỹ thuật Cốt kim loại lúc đầu dùng thép mạ hoặc thép không gỉ, nay đã dùng phổ biến cả các loại thép thường không mạ (với một chiều dầy dự phòng cho phép cốt có thể bị ăn mòn trong thời hạn tuổi thọ thiết

kế của công trình)

Để tăng khả năng neo bám giữa cốt và đất, đến nay đã đa dạng hoá các dạng cấu tạo cốt, trong đó có những loại cốt cấu tạo để lợi dụng sức cản bị động của đất

Cấu tạo cốt dạng lưới hoặc khung

Cấu tạo cốt dạng tấmCấu tạo cốt dạng dải hoặc đai

Về vật liệu làm mặt tường bao mềm hiện nay phổ biến nhất là loại mặt tường bao bằng các tấm bêtông xi măng lắp ghép, là nội dung chính trong luận văn này

Xếp rọ đá

L L

H

Xếp rọ đá, hoặc lớp đá dăm

Khoảng 30cm

Cốt bằng chất dẻo tổng hợp hoặc bằng thanh, dải, khung kim loại

Tường chắn bằng đất có cốt phải được tính toán thiết kế để trong thời gian

sử dụng không bị phá hoại theo các cách khác nhau, phải bảo đảm được các yêu cầu sau:

v Bản thân khối đất có cốt (chiều rộng L, chiều cao H) luôn duy trì được tính toàn khối và bảo đảm không bị phá vỡ do các hiện tượng đứt cốt, tuột cốt hoặc dãn cốt như miêu tả ở 03 hình dưới đây Yêu cầu này được gọi là yêu cầu

bảo đảm ổn định nội bộ của tường chắn đất có cốt

dãn cốt tuột cốt

đứt cốt

(Hình 11)

- 36 -

v Cũng như đối với các loại công trình chống đỡ khác (bằng rọ đá, bằng đá xây, bằng bêtông), tường chắn đất có cốt (với bề rộng L, chiều cao H) phải chịu được áp lực đẩy của đất sau lưng tường và tác dụng của các ngoại lực khác (nếu có) để không bị lật, không bị phá hoại do nền móng phía đáy tường không đủ sức chịu tải dẫn đến tường bị nghiêng đổ, không bị dịch chuyển trượt, tường cùng với khối đất sau tường không bị trượt quay dẫn đến mất ổn

định toàn khối và tường không bị lún Yêu cầu này được gọi là yêu cầu bảo

đảm ổn định tổng thể (loại ổn định ngoài) đối với tường đất có cốt

phá hoại truợt

lún

truợt về phía truớc

- 37 -

- Dự tính mức độ biến dạng của cốt và so sánh nó với trị số biến dạng dãn dài cốt cho phép;

- Tính toán liên kết giữa mặt tường bao với cốt trên cơ sở lực kéo lớn nhất Tj

đã xác định được và tính toán tấm bao mặt tường chắn;

- Tính toán chiều dầy dự phòng bị ăn mòn của các cốt bằng kim loại hoặc đề xuất các biện pháp chống lão hoá về cường độ của cốt và mặt tường bọc cuộn bằng vật liệu polime hay vải địa kỹ thuật

Tất cả các nội dung tính toán thiết kế nhằm bảo đảm yêu cầu ổn định nôi bộ nói trên sẽ được trình bày chi tiết ở các phần sau của luận văn này

ỉ Để bảo đảm yêu cầu ổn định tổng thể (ổn định ngoài) của tường bằng

đất có cốt cần phải xem tường đất có cốt như những tường chắn làm bằng đá xây, bằng bêtông khác và phải :

- Xác định được phân bố áp lực đất sau lưng tường theo lý thuyết của Coulomb hoặc Rankin và áp lực đẩy của các ngoại lực tác dụng khác (nếu có);

- Xác định sơ bộ kích thước của tường đất có cốt và kiểm toán ổn định trượt của tường trên đáy móng và trên từng lớp cốt;

- Kiểm toán sức chịu tải của đất móng đáy tường và kiểm toán khả năng ổn

định nghiêng lật của tường;

- Dự tính độ lún của tường chắn đất có cốt và so sánh với độ lún cho phép;

- Kiểm toán điều kiện ổn định chung của tường đất có cốt cùng với sườn dốc hoặc nền đất tự nhiên trên đó đặt tường

Các nội dung tính toán ổn định tổng thể của tường đất có cốt nói trên không có gì khác biệt so với tính toán đối với một công trình tường chắn thông thường và cũng sẽ được trình bày chi tiết ở các phần sau

2.1.2.3 Mặt phá hoại nội bộ và cơ sở của việc tính toán thiết kế bảo đảm ổn

định nội bộ trong một tường chắn bằng đất có cốt

Như đã nói ở trên, ngay từ những năm đầu tiên khi đất có cốt vừa ra đời, người ta đã quan tâm đến việc đo ứng suất kéo dọc theo cốt trên các tường chắn

đất có cốt thực nghiệm, đo hệ số áp lực ngang trong phạm vi khối đất có cốt và

Khi lắp đặt vỏ và cốt để tạo tường chắn, người ta lắp đến đâu thì xếp đầy que thép bên phần ngăn chống đỡ để giữ vách vỏ mặt tường thẳng đứng Đến khi lắp đặt xong và lúc thử nghiệm phá hoại thì mới tháo dỡ các que thép đó ra

để tạo khoảng trống phía trước tường hc Mỗi lần thử nghiệm tường được xếp

đến một độ cao nhất định Cứ tăng chiều cao dần cho đến lúc bị phá hoại

Kết quả thí nghiệm cho thấy có hai dạng phá hoại ổn định nội bộ đặc trưng của tường đất có cốt :

- Dạng phá hoại thứ nhất : thể hiện khối đất bị xệ xuống do cốt bị tuột (sức neo bám không đủ) Theo kết qủa thử nghiệm đã rút ra được kết luận như sau :

Để tránh xẩy ra phá hoại do tuột cốt thì chiều dài cốt tối thiểu L phải bằng 0,8H (với H là chiều cao tường) Do vậy, khi đó trong thời kỳ đầu thường người ta thiết kế tường đất có cốt L = (0,8 -:-1,0)H

Ngày nay với những kết quả nghiên cứu bổ sung, tiêu chuẩn thiết kế tường đất có cốt có mặt tường bao mềm (không tham gia chịu lực) ở nhiều nước

đều quy định chiều dài cốt (tức là bề rộng tường) tối thiểu L = 0,7 H

Kèm theo những tính toán đã đề cập ở trên, thì chiều dài cốt thiết kế có thể lớn hơn trị số quy định tối thiểu nói trên Điều này cũng chứng tỏ, kinh nghiệm tích