Áp lực đát lên tường chắn và ứng dụng

Tường chắn là một kết cấu dựng để chắn giữ cho khối đất sau tường được cân bằng. Tường chắn thường được sử dụng để: · Giữ cho khối đất sau lưng tường được cân bằng, không bị trượt, đổ xuống. · 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. Tường chắn là kết cấu luôn chịu tác động của đất đặc biệt theo phương ngang làm tường di chuyểnsinh ra trượt lật. áp lực lên tường phụ thuộc: · Độ cứng của tường. · Hình dáng, vật liệu tường. · Đất sau tường. · Chuyển vị tương đối giữa đất và tường.

Mục Lục CHƯƠNG 8: áP LựC ĐấT LÊN TƯờNG CHắN Và ứNG DụNG 8.8 Tờng chắn và các dạng tờng chắn T ng ch n l m t k t c u dựng ch n gi cho kh i t sau t ng c cân b ng. Tờng chắn thờng đợc sử dụng để: Giữ cho khối đất sau lng tờng đợc cân bằng, không bị trợt, đổ xuống. 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. Tờng chắn là kết cấu luôn chịu tác động của đất đặc biệt theo phơng ngang làm tờng di chuyểnsinh ra trợt lật. áp lực lên tờng phụ thuộc: Độ cứng của tờng. Hình dáng, vật liệu tờng. Đất sau tờng. Chuyển vị tơng đối giữa đất và tờng. Bảng 8.1. Bảng phân loại tờng chắn STT các dạng tờng chắn đất Các loại tờng chắn 1 Theo vật liệu xây dựng + Tờng gỗ, Tờng gạch. + Tờng đá hộc, tờng ro đá. + Tờng Bêtông đá hộc, + Tờng bêtông cốt thép, + Thép. + Tờng chắn có cốt (tờng ổn định cơ học): vải địa kỹ thuật, lới địa kỹ thuật. 2 Theo chiều cao + Tờng thấp H5m. + Tờng Trung bình 5m < H 10m. + Tờng Cao H 10m 3 Theo độ biến dạng của lng tờng + Tờng cứng: tờng trọng lực, tờng bán trọng lực, tờng bằng cấu kiện BTCT. + Tờng mềm: cọc gỗ, cọc bản thép, cọc bản bằng BTCT. + Tờng neo 4 Theo điều kiện chịu lực - Tờng chắn trọng lực. - Tờng chắn bán trọng lực (thành mỏng) chịu nén và uốn bằng bê tông cốt thép. - Tờng cọc bản, tờng vây, tờng cừ larssen, gỗ, thép, bê tông cốt thép. - Tờng cọc đất trộn xi măng, cọc khoan nhồi. 8.8 áp lực đất lên tờng chắn 8.8.1 Các loại áp lực lên tờng chắn. Trong lý luận áp lực đất, dựa vào chuyển vị tơng đối giữa đất và tờng có các loại áp lực sau: 1) áp lực chủ động; 2) áp lực bị động và 3) áp lực đất tĩnh 1. Khi tờng đứng yên: Đất sau tờng ổn định không bị biến dạng áp lực lên t- ờngáp lực tĩnh. 2. Tờng dịch chuyển ra ngoàiáp lực giảm dần. Theo Terzaghi khi tờng dịch chuyển đoạn: 0.5%1%H (H chiều cao tờng) Thì xuất hiện các vết nứt trong đất. Khối đất sau tờng sẽ bị trợt xuống theo các vết nứt này ta gọi mặt trợt chủ động. áp lực lúc đó gọi là áp lực chủ động (P c ). 3. Tờng đi vào trongđất nén lạiáp lực tăng dần. Khi dịch chuyển đủ lớn (th- ờng gấp nhiều lần so với chuyển vị ra ngoài để xuất hiện mặt trợt chủ động th- ờng từ 2%-3%H, thậm chí 15%H) Xuất hiện vết nứt hình thành mặt trợt vị động, áp lực lúc này gọi là áp lực bị động (P b ). 8.8.2 Xác định áp lực của đất lên tờng. Để tính áp lực đất tĩnh, có thể dùng lý luận của thuyết đàn hồi, tơng tự nh khi xét trạng thái ứng suất của phân tố đất trong hộp nén có thành cứng. ở đây ứng suất bản thân của đất v = bt =.z là ứng xuất chính lớn nhất, áp lực đất tĩnh ó t thì đóng vai trò ứng suất chính nhỏ nhất và tính nh sau: x = K o . v hoặc x = . v Trong đó: - Hệ số áp lực hôngxác định bằng thí nghiệm hoặc hệ số nở hông ( =/ (1- )); K 0 (=) đợc gọi là hệ số áp lực tĩnh. K 0 =1-Sin. Xác định áp lực chủ động và bị động có ý nghĩa là xác định áp lực giới hạn tại vị trí lng tờng khi khối đất sau lng tờng bị trợt, có 2 phơng hớng: + Dựa vào lý luận cân bằng giới hạn + Dựa vào lý thuyết cân bằng khối trợt rắn với mặt trợt giả thiết trớc. 8.8.3 Theo thuyết cân bằng giới hạn 8.8.3.1 Ph ơng pháp của Rankine: (Không bổ sung gì thêm) Rankine giả thiết rằng không có ma sát giữa tờng và đất. Xét một phân tố đất sau lng t- ờng, tùy theo chuyển vị giữa đất và tờng mà ta có các giá trị ứng suất sau: v = 1 =const, 3min = 3c 3 = h 3max = 3b ở trạng thái cân bằng giới hạn (chủ động): gc Sin cot 2 31 31 ++ = Vậy: ) 2 45( 2) 2 45(. 002 1min3 = tgctg Mặt đất nằm ngang: 1 = .z aac KcKzP 2 min3 == v i ) 2 45( 02 = tgK a Trờng hợp áp lực bị động tính toán tơng tự: bba KcKzP 2 += v i ) 2 45( 02 += tgK b 8.8.3.2 Ph ơng pháp số của Xocolovxiki: Thực tế cho thấy sự có mặt của tờng làm thay đổi điều kiện làm việc của nền đất sau t- ờng nhiều. Do đó phải kể đến những điều kiện ở mặt tiếp xúc giữa đất và tờng, đó chính là ma sát giữa đất và tờng. Điều kiện cân bằng tĩnh và cân bằng giới hạn: 2 22 2 )cot 2( .4)( 0 gc Sin xx xz yz yzyz xxz xzz ++ + = = + = + Lời giải khi tờng thẳng đứng, mặt đất nằm ngang, ma sát tờng- đất bằng không cho kết quả nh của Rankine. 8.8.3.3 Ph ơng pháp dùng mặt tr ợt giả định của Coulomb. Khối trợt của đất sau tờng: Giới hạn bởi mặt lng tờng và mặt trợt đi qua chân tờng. Giả thiết rằng:1) Mặt trợt phẳng và 2) khối trợt rắnđợc xem nh vật thể tự do. Vậy: áp lực chủ động là trị số lớn nhất trong các trị số áp lực chủ động có thể có; áp lực bị động là trị số nhỏ nhất trong các trị số áp lực bị động có thể có. a) áp lực chủ động của đất rời lên tờng chắn: (c = 0; 0) Khi tờng dịch chuyển ngang, hoặc quay ra phía ngoài, khối trợt ABC có xu hớng trợt từ trên xuống. Các lực tác dụng: + W: Trọng lợng. + Phản lực R (lệch một góc bằng góc ma sát trong ). + Phản lực lng tờng = áp lực chủ động E c (lệch một góc bằng góc ma sát ngoài ). Hệ lực phải tạo thành tam giác lực khép kín. Theo tính chất của tam giác lực: )( sin + = Sin W E Trong đó: ; = );( += Khi = W = 0 E = 0 Khi = = 0 Sin = 0 E = 0 Vậy khi biến thiên trong khoảng từ đến thì có một lúc E đạt trị số lớn nhất. + Khi khảo sát cực trị của hàm số E=f()Phơng pháp giải tích. + Phơng pháp đồ thị: vẽ hàm E=f() với một số giá trị Tìm cực trị. Một số trờng hợp cụ thể cho kết quả sau: + Trờng hợp mặt đất phẳng nghiêng 1 góc i so với phơng ngang: cc HE 2 1 2 = 2 22 2 )cos().cos( )sin().( 1).(cos.cos )(cos + + ++ = i iSin c + Trờng hợp lng tờng thẳng đứng: = 90 0 ; i = = 0 hệ số áp lực chủ động ) 2 45( 02 = tg C + Dựng biểu đồ cờng độ áp lực chủ động lên tờng: Giả thiết các khối trợt cục bộ xảy ra đồng dạng với khối trợt tổng thể ABC. Khối trợt cục bộ AB 1 C 1 và AB 2 C 2 cho các giá trị: Ec1 và Ec2; áp lực trung bình: zCzcc tb c EEEP == //)( 12 áp lực đất lên tờng ở độ sâu z: c z c z c c z d zd d dE P ) 2 1 ( 2 === Biểu đồ có dạng tam giác. Tại đỉnh tờng P co =0; Tại chân tờng P cH = c z. Có thể biểu diễn theo lng tờng nh hình (c). b) áp lực chủ động của đất dính lên tờng chắn ( c 0 ; 0) Lập luận tơng tự nh trênthêm: Lực dính trên mặt trợt, Lực dính trên lng tờng. Thực tế để đỡ phức tạp ngời ta chỉ xét lực dính trên mặt trợt. Lực dính làm giảm áp lực chủ động của đất lên tờng chắn: E=E E T Trong ú: E T l phn nh hng ca lc dớnh. )(;; )( +== + = Sin Sin WE ; )( θψ ϕ + = Sin Cos TE T Nhận xét: Tính theo Culông kết quả E c có độ chính cao, E b kết quả sai số đáng kể. c) Áp lực đất dính lên tường chắn trong một số trường hợp riêng. • Trường hợp tường thẳng đứng (α=0), mặt đất nằm ngang, bỏ qua ma sát tường - đất (δ=0) thì: ) 2 45( 2 1 022 ϕ γ −= tghE a Víi gi¶ thiÕt têng cøng, liªn tôc th×: aa KzE 2 1 2 γ = và zK d dE p a z za a )( γ == Trong ®ã : K a = tg 2 (45 0 -φ/2) 8.9 áp dụng trong tính toán tờng chắn đất 8.9.1 áp dụng Tính toán thiết kế tờng cừ cho hố đào. Việc tính toán thiết kế tờng cừ cho hố đào không đơn thuần chỉ dừng lại ở khâu tính toán để đảm bảo về mặt cờng độ cho vật liệu của tờng mà còn rất nhiều yếu tố quan trọng khác. Công tác tính toán thiết kế tờng cừ thờng bao gồm tối thiểu 3 yếu cầu chính sau đây: 1. Tờng phải thỏa mãn điều kiện về cờng độ của bản thân tờng. 2. Các chuyển vị tại các vị trí sau phải nằm trong giới hạn cho phép: a. Chuyển vị theo phơng ngang của tờng cừ. b. Chuyển vị theo phơng thẳng đứng của đất sau lng tờng (VD: Điểm A và B trên hình 5). c. Chuyển vị tại đáy hố đào (VD: Điểm C và D trên Hình 5). 3. Toàn bộ hố đào phải thỏa mãn điều kiện ổn định tổng thể Hình 8.1. Biến dạng thờng gặp của tờng cừ và đất trong hố đào (trờng hợp t- ờng consol) Chơng này sẽ trình bày một số mô hình tính toán tờng cừ, tờng chắn đất cho hố đào sau thờng đợc sử dụng hiện nay. Không phải tất cả các mô hình tính toán đều có thể trả lời đợc 3 yêu cầu trên. Một số mô hình giải tích cổ điển có thể cho phép tính toán nội lực và chuyển vị ngang của tờng, một số mô hình khác cho phép tính toán đợc chuyển vị của mặt đất sau lng tờng theo phơng đứng. Để tính toán ổn định tổng thể của tờng, ngời ta thờng phải giải bài toán ổn định mái dốc và không đợc đề cập trong nghiên cứu này. 8.9.1.1 Phơng pháp Cân Bằng Tĩnh Học Phơng pháp cân bằng tĩnh học là một trong những phơng pháp thờng đợc đề cập trong hầu hết các tài liệu tính toán ổn định của tờng cừ. Nội dung và giả thiết của ph- ơng pháp này có thể đợc mô tả nh sau (Hình 5): - Bản tờng dới tác dụng của tải trọng do đất truyền lên sẽ bị xoay quanh một điểm A nào đó. - Bản tờng phía trên sẽ bị dịch chuyển ra phía hố móng và phần dới sẽ dịch chuyển theo chiều ngợc lại. - Lực tác dụng vào tờng tuân theo nguyên lý áp lực đất lên tờng chắn: tờng dịch chuyển vào trong đất sinh ra áp lực bị động, tờng dịch chuyển ra ngoài đất sinh ra áp lực chủ động. - Tờng cứng tuyệt đối để áp lực tác dụng vào tờng là tuyến tính. - Dựa vào điều kiện cân bằng tĩnh học có thể tính đợc độ cắm sâu yêu cầu và nội lực trong bản cọc (cân bằng áp lực theo phơng ngang H=0, cân bằng môment M=0). Hình 8.2. (a) Giả thiết về biến dạng của tờng trong quá trình làm việc, (b) Lực tác dụng lên tờng theo phơng pháp cân bằng áp lực tĩnh (Murthy, 2002) 8.9.1.2 Phơng pháp Blum (1931) Tơng tự phơng pháp cân bằng tĩnh, phơng pháp Blum cũng có những giả thiết t- ơng tự nh trên, ví dụ: 1) tờng cứng tuyệt đối; 2) tờng bi xoay quanh một điểm O. Theo phơng pháp của Blum, một lực tập trung E p thay cho áp lực bị động vốn xuất hiện ở chân tờng. Sơ đồ tính toán của phơng pháp này có thể mô tả nh trên hình nh sau: !"! # $ Hình 8.3. Lực tác dụng lên tờng theo phơng pháp Blum (Murthy, 2002). Lời giải của phơng pháp Blum cũng tơng tự nh của phơng pháp cân bằng tĩnh: - Tính toán áp lực phân bố trớc và sau tờng: áp lực chủ động và bị động đợc tính toán theo biểu thức của Rankine. Tính toán lực tập trung Ep thông qua tổng hợp áp lực bị động ở chân tờng. - Căn cứ vào phơng trình cân bằng tĩnh theo moment và lực theo phơng ngang xây dựng đợc một phơng trình bậc 3 với ẩn số là x (Phơng trình (4)). Giải phơng trình và tìm đợc độ cắm sâu của tờng vào trong đất là: u +1,2x. Chi tiết về phơng pháp này có thể tham khảo (Nguyễn, 2005). 0 ).( ).(.6 . ).( .6 3 = apap KK aIP X KK P X Trong đó: P: áp lực chủ động và áp lực nớc. a: Khoảng cách từ mặt đất tới P. - Tính toán moment uốn lớn nhất của tờng: điểm tác dụng của moment uốn lớn nhất cũng tức là điểm có lực cắt ở mặt cắt kết cấu bằng 0. Trong trờng hợp nền 1 lớp vị trí, x m , và giá trị môment lớn nhất, Mmax, đợc tính nh sau: [...]... một đơn vị Sau đó xây dựng ma trận độ cứng cho từng phần tử và toàn hệ Thông qua điều kiện biên của các phần tử ứng dụng của phơng pháp phần tử hữu hạn thờng đợc tính toán với sơ đồ tính toán theo hai dạng sau: - Dạng 1: phần tử kết cấu tờng chắn đất từ mặt đáy hố móng trở lên áp dụng phơng pháp phần tử dầm, phần từ mặt đáy hố đào trở xuống thờng áp dụng phơng pháp dầm trên nền đàn hồi (sơ đồ trên hình... chuyển vị của tờng đến áp lực tác dụng lên tờng Mối liên hệ này đợc mô tả khá chi tiết trong tài liệu kiến nghị của hội kỹ s cảng và địa kỹ thuật của Đức (EAU, 1990) Weienbach (1969,1975,1977) đã cải tiến phơng pháp của Windels (1970) để phơng pháp này có thể áp dụng dễ dàng hơn Tác giả đã xét đến việc ứng dụng các cừ Lasen thờng đợc sử dụng trong thực tế 8.9.1.8 Tính toán chuyển vị ứng sau lng tờng Phần... Một số phơng pháp khác Tơng tự nh phơng pháp Blum, Brinch Hasen đã xây dựng các loại đờng và lới trợt khác nhau, đi đôi với nó là các dạng phá hoại và chuyển vị của tờng Từ đó để xây dựng đợc sơ đồ lực tác dụng lên tờng trong quá trình làm việc Đợc xây dựng sau phơng pháp Blum gần 30 năm Phơng pháp Windels (1959) là sự kết hợp của 2 phơng pháp Blum và Brinch Hansen Ưu điểm của phơng pháp này là tác... tay, ta cần phải đơn giản hóa điều kiện và áp lực của đất lên tờng Tờng đợc giả thiết nh một dầm đơn giản hoặc dầm liên tục để có thể giải quyết theo phơng pháp cơ học xây dựng Tờng cừ sẽ bị di chuyển về phía hố đào do áp lực đất ở bên tác dụng và đợc áp lực bị động của nền cản trở lại Nêu coi áp lực bị động là lực tập trung tại 1 điểm (phản lực) thì điểm ấy chính là điểm tựa giả thiết Để xác địnhvị... 11 Clough và ORourke x 12 Ou và Hsieh x 13 Phần tử hữu hạn x x *Phơng pháp phần tử hữu hạn không những tính toán đợc chuyển vị thẳng ứng của mặt đất mà còn tính đợc chuyển vị thẳng ứng của nền đất tại đáy hố đào Hình 8.7 Tổng hợp một số mô hình tính toán ổn định và ứng suất trong tờng cừ Với tổng kết nh trên cho thấy phơng pháp Blum và phơng pháp phần tử hữu hạn là 2 phơng pháp đợc sử dụng phổ biến... kéo và có quan hệ ứng suất biến dạng là đàn hồi tuyến tính Các sai số của phơng pháp này sẽ đợc mô tả chi tiết hơn trong các phần tiếp theo của báo cáo này Lời giải cụ thể của phơng pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn có thể tham khảo trong tài liệu của Nguyễn Bá Kế (2002) 8.9.1.6 Phơng pháp phần tử hữu hạn Nh trình bày ở mục 2.6, phơng pháp phần tử hữu hạn đợc sử dụng để tính toán chuyển vị và ứng. .. biểu đồ mô men đợc tính toán cho áp lực chủ động và bị động đối với mức thấp nhất của những thanh chống tách biệt Điểm đặt lực tổng hợp bị động chính là điểm tựa giả thiết; 2) Tính toán vị trí của điểm tựa giả thiết Mô tả chi tiết về phơng pháp này có thể tham khảo (Yo Ou, 2006) 8.9.1.4 Phơng pháp Đờng đàn hồi Phơng pháp đờng đàn hồi là một trong những phơng pháp đợc áp dụng trong tiêu chuẩn thiết kế... lệ thu nhỏ 4 Xác định cực điểm O và tiêu cự r cũng nh tỉ lệ xích của lực, sau đó vẽ ra các hình đa giác lực của lực tập trung và hình đa giác dây Nêu giao điểm của đờng dây cuối cùng của mô men hình đa giác với đờng khép kín mà nằm ngay ở trên cạnh đáy của diện tích thu nhỏ đại biểu cho lực tập trung cuối cùng trên sơ đồ áp lực thì biểu đồ thể hiện rằng độ sâu cắm vào trong đất của tờng là thỏa mãn... (22TCN 207-92) Nguyên lý của phơng pháp đồ giải cũng tơng tự nh phơng pháp số, lời giải có thể đợc mô tả ngắn ngọn trong 5 bớc sau: Hình 8.4 Lời giải theo phơng pháp đồ giải (theo Nguyễn Bá Kế, 2002) 1 Lựa chọn độ cắm sâu vào trong đất (Xác định sơ bộ kinh nghiệm) 2 Chia tờng theo chiều cao thành nhiều đoạn nhỏ (0,5 đến 1m), tính và thay áp lực chủ động và bị động bằng các lực tập trung tại trọng tâm các... đào sâu 8.9.2 áp dụng tính toán thiết kế tờng chắn đất có cốt Giả thiết các thông số cơ bản cho bài toán thiết kế Xác định chiều cao tờng, H; chiều dài lới sơ bộ, L (L0,7 và L #3m) Chọn khoảng cách giữa các lớp lới, Sv Dung trọng, r và góc ma sát trong, r của đất đắp trong tờng chắn Xác định dung trọng, b và góc ma sát trong, b của đất đắp sau tờng chắn Xác định dung trọng, f và góc ma sát trong, . (kN/m) TT 45SAMP 45 11 .5 36 TT 60SAMP 60 13 .0 50 TT 90 SAMP 90 13 .0 80 TT 12 0 SAMP 12 0 13 .0 11 0 TT 16 0 SAMP 16 0 13 .0 13 0 8.9.2 .1. 2 Kiểm tra khả năng cốt bị kéo tuột Nhằm mục đích: Xác định khoảng. years up to 60 years up to 12 0 years TT 45SAMP 19 .8 18 .5 21. 6 21. 2 TT 60SAMP 26.4 24.6 28.7 28.3 TT 90 SAMP 39.6 36.9 43 .1 42.4 TT 12 0 SAMP 52.8 49.2 57.5 56.5 TT 16 0 SAMP 70.4 65.6 76.6 75.4 B. different temperatures at 12 0years Geogrid Type Temperature 10 0 20 0 30 0 TT 45SAMP 22.4 21. 2 20.8 TT 60SAMP 29.9 28.3 27.7 TT 90 SAMP 44.8 42.4 41. 6 TT 12 0 SAMP 59.8 56.5 55.4 TT 16 0 SAMP 79.7 75.4