Chương 3 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CHẮN GIỮ

CÁC DẠNG TẢI TRỌNG VÀ PHÂN LOẠI Tải trọng tác động vào kết cấu chắn giữ thông thường có thể chia làm 3 loại: 1 Tải trọng thường xuyên cố định: là tải trọng mà trong thời gian sử dụng k

Chương 3 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CHẮN GIỮ 3.1 CÁC DẠNG TẢI TRỌNG VÀ PHÂN LOẠI

Tải trọng tác động vào kết cấu chắn giữ thông thường có thể chia làm 3 loại:

1) Tải trọng thường xuyên (cố định): là tải trọng mà trong thời gian sử dụng kết cấu không biến đổi trị số, hoặc biến đổi của chúng so với trị số bình quân có thể bỏ qua không tính

Ví dụ như trọng lượng bản thân kết cấu, áp lực của đất v.v… (thường xuyên tác dụng khi xây dựng và khai thác)

2) Tải trọng thay đổi (tải trọng tạm thời): là tải trọng mà trong thời gian sử dụng kết cấu có thể biến đổi trị số mà trị số biến đổi của chúng so với trị số bình quân không thể bỏ qua được Ví dụ tải trọng động mặt sàn, ôtô, cần trục hoặc tải trọng xếp đống vật liệu v.v… 3) Tải trọng đặc biệt: là tải trọng mà trong thời gian xây dựng và sử dụng kết cấu không nhất định xuất hiện, nhưng hễ xuất hiện thì trị số rất lớn và thời gian duy trì tương đối ngắn Ví dụ lực động đất, lực phát nổ, lực va đập v.v

Tải trọng tác dụng lên kết cấu chắn giữ chủ yếu có:

1) Áp lực đất

2) Áp lực nước

3) Tải trọng truyền từ móng qua môi trường đất của công trình xây dựng trong phạm vi vùng ảnh hưởng ( ở gần hố móng)

4) Tải trọng thi công: ô tô, cần cNu, vật liệu xếp trên hiện trường, lực neo giữ tường chắn v.v…

5) Nếu bộ phận chắn giữ là một phần của kết cấu chính thì phải kể lực động đất

6) Các tải trọng tập trung do neo đất hoặc thanh văng

7) Tải trọng phụ do sự biến đổi nhiệt độ và co ngót của bê tông gây ra

Tuỳ theo kết cấu chắn giữ hố móng khác nhau cũng như điều kiện đất nền mà các loại tải trọng sẽ xuất hiện ở các dạng khác nhau

Tải trọng cục bộ gần hố đào như máy móc thi công, hay đường vận chuyển v.v… và có thể quy đổi thành 2 dạng ( hình 3.1)

- Tải trọng tập trung (hình 3.1a) Q (kN) tác động lên tường trong phạm vi (2A+L) mét

- Tải trọng tương đương ở phía trên tường chắn 2 Q c

q

A L

=

+

- Tải trọng tuyến ( hình 3.1b) QL (kN/m) chạy dọc theo tường

3.2 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN TƯỜNG CHẮN

3.2.1 Tải trọng cục bộ truyền qua đất

(1) Tải trọng tập chung tại 1 điểm:

- Áp lực ngang do tải trọng tập trung Q gây ra có thể xác định theo lý thuyết đàn hồi:

Lời giải của Boussinesq (hình 3.2) là:

( ) 2

2 3 2

1 2 os 3sin os

c Q

c z

thể viết lại :

( )

2 5/2

2 2 2

32

Khi tính áp lực hướng ngang của tường cứng, có thể hiệu chỉnh lại công thức của lý thuyết trên theo trị thực đo Căn cứ vào nghiên cứu của Spangler (hình 3.3), áp lực ngang lên tường chắn cứng do tải trọng tập trung gây ra :

( )

2 3

0, 280,16

(2) Tải trọng phân bố tuyến: Đối với áp lực ngang

do tải trọng tuyến q (hình 3.4) gây ra khi giải theo

Boussinesq, đồng thời dùng tỷ số nói trên m, n ta được:

( )

2 2

Căn cứ vào kết quả thực đo, trị thực đo lớn vào

khoảng gấp đôi trị lý thuyết nói trên, sau khi hiệu chỉnh

lại là:

( )

2 2

Có thể dùng biểu đồ trình bày trên hình 3.5 để tính σ cho 2 trường hợp trên h

Ví dụ 3.1 : Hố đào sâu H = 10m, một cần trục tháp mang tải 200 kN chạy trên đường ray

cách mép hố đào 2m, hãy tính áp lực trên tường tại độ sâu 3m dưới mặt đất

Giải : x = 2m, 2

0, 2 0, 410

x m

( 2)2

0, 203 0,16

PH = 0,55.200 110 = kN/m2, với m = 0,2 theo hình 3.5a, R = 0,6H = 6m

H

q P

(3) Tải trọng phân bố đều trên diện hữu hạn B x L

Khi cạnh hố đào có chất vật liệu, đất đánh đống hay có móng đơn của công trình lân cận, thì áp lực ngang tại độ sâu z tác dụng lên tường chắn tính theo công thức sau:

σh = qIp (3.11)

Trong đó: q- tải trọng phân bố đều (kN/m2) trên diện B x L

B- cạnh diện chịu tải vuông góc với tường

L- cạnh diện chịu tải song song với tường

Ip- hệ số tra theo biểu đồ trên hình 3.6 phụ thuộc vào m = B/Z

Và n = L/Z với μ = 0,5

Khi trên mặt đất có tải trọng hình băng cũng có thể dùng phương pháp tính gần đúng theo

lý thuyết áp lực đất Rankine để xác định áp lực ngang của nó Như thể hiện trên hình 3.8 ở chỗ cách đỉnh tường bằng một tác động tải trọng phân bố đều q rộng l1 Từ khởi điểm O của băng tải vẽ một đường OC tạo với đường nằm ngang một góc 45 0 + ϕ / 2 , và cắt lưng tường tại

C Ta xem từ điểm C trở lên không kể tới tác động của tải phân bố, áp lực đất chủ động của

nó chỉ là do trọng lượng bản thân của đất lấp gây ra, hình phân bố áp lực đất là Aba thể hiện trên hình, từ điểm C trở xuống mới xét đến tác động của tải phân bố, hình phân bố áp lực chủ động là Abceg Từ điểm O’ của tải trọng phân bố đều cục bộ ta vẽ đường thẳng tạo với đường nằm ngang góc 450 +ϕ / 2, và cắt lưng tường tại điểm D Phân bố cường độ áp lực chủ động do tải trọng hình băng q gây ra là cefd, hình tổng áp lực chủ động là Abcefda Tải trọng ngang lên tường ở đoạn CD do q gây ra là Kaq

Khi tải trọng phân bố đều khắp trên mặt đất hố đào q thì tải trọng ngang lên tường chắn là

Kaq, trong đó Ka là hệ số áp lực đất chủ động

ga tàu điên ngầm, tường của colectơ, tường ngoài của tầng hầm nhà cao tầng v.v

(1) Áp lực ngang của đất khi tường tồn tại lâu dài, đất thoat nước

Trong trường hợp này ta dùng ứng suất có hiệu để tính toán

Khi tường và đất không có lực dính thì áp lực ngang của đất rời, lên tường ở độ sâu z tính theo công thức:

2 2

Cw- lực dính giữa đất và tường

q- lực phân bố trên mép hố đào

(2) Áp lực ngang khi tường làm việc ngắn hạn

Trong trường hợp này đất không thoát nước nên trong tính toán dùng ứng suất với Cu và

1/2 w ' 1/2 w '

Trường hợp dài hạn (3.9a):

+ Tải trọng thẳng đứng gồm trọng lượng các lớp đất phía trên CTN + tải trọng trên mặt đất

+ Tải trọng ngang gồm: áp lực đất có hiệu + áp lực nước hoặc áp lực đất tĩnh + áp lực nước

3.3 TRN SỐ THIẾT KẾ ĐỐI VỚI ÁP LỰC ĐẤT

Hiện tại việc thiết kế tường chắn đều theo trạng thái giới hạn Theo tiêu chuNn của Anh (BS 8002) thì tường ở trạng thái giới hạn sử dụng chỉ được chuyển vị nhỏ hơn 0,5% của độ cao tường, khi dùng ứng suất tổng thì hệ số huy động M không được nhỏ hơn 1,5, khi dùng ứng suất hiệu quả thì hệ số M lấy bằng 1,2 và chuyển vị ngang của tường cho phép đến 0,5%

độ cao tường

Trường hợp dùng ứng suất có hiệu:

1 Khi sử dụng trị đại diện (ứng suất đỉnh), M = 1,2:

Trị thiết kế ϕ '= ,

Trị thiết kế c’ =

2 Khi sử dụng trị đại diện ở trạng thái cực hạn của đất:

Theo hướng tăng áp lực chủ động và giảm áp lực bị động kể đến ma sát hoặc lực dính giữa tường và đất theo BS8002

- Trị thiết kế tan = 0,75 × trị thiết kế tan ;

- Trị thết kế = 0,75 × trị thiết kế ;

và cũng dùng M = 1,2

Trong tính tians theo ứng suất tổng, lấy M = 1,5 thì

3.4 MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÂN BỐ ÁP LỰC LÊN TƯỜNG CHẮN

1 Độ cứng của tường

Sự phân bố áp lực đất tính toán lên tường chắn phụ thuộc vào độ cứng của tường (hình 3.10)

2 Ảnh hưởng của chuyển vị tường

Ảnh hưởng của chuyện vị tường chắn đối với áp lực đất đại thể có mấy loại tình huống sau đây:

(1) Khi đỉnh tường cố định , đầu dưới tường dịch chuyển ra phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 3.11a) ;

(2) Khi tại đầu trên và dưới tường cố định nhưng phần giữa tường thì vồng ra phía ngoài ;

áp lực đất có hình yên ngựa (hình 3.11b);

(3) Khi tường dịch chuyển song song ra phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 3.11c) (4) Khi tường nghiêng ra phía ngoài, quay theo điểm giữa của đoạn dưới tường sẽ gây ra áp lực đất chủ động bình thường (hình 3.11d)

(5) Chỉ khi tường chắn hoàng toàn không dịch chuyển mới có thể sinh ra áp lực đất tĩnh (hình 3.11e)

Chuyển vị cần thiết ở đỉnh tường để sinh ra áp lực đất chủ động và bị động trong đất cát và đất sét cho ở bảng 3.1

Bảng 3.1 Chuyển vị cần thiết ở đỉnh tường để sinh ra áp lực chủ động và bị động

Loại đất Trạng thái ứng

suất

Hình thức chuyển dịch Chuyển vị cần

thiết Đất cát Chủ động

0,001H 0,001H 0,05H

>0,1H Đất sét Chủ động

Ghí chú : Bảng này trính trong “ Sổ tay công trình móng” Phưng Hiểu Dương chủ biên Căn cứ vào số liệu trên, với các kết cấu chắn giữ hố mong thong thường, chuyển vị thân tường cần có để sinh ra áp lực đất chủ động tương đối dễ xuấ hiện, còn lượng chuyển vị để sinh ra áp lực đất bị động thì tương đối lớn, thường thiết kế không cho phép Do đó, trước

khi lựa chọn phương án tinh toán, rất cần thiết phải tính đến tình huống về mặt biến dạng này, khi trong tính toán có tính đến cân bằng giới hạn thì điều này là cực kỳ quan trọng

3 Ảnh hưởng của kết cấu chắn giữ

Petros Pxanthakos (Mỹ) nêu ra 4 loại kết cấu chắn giữ có quan hệ với áp lực đất lên tường như trình bày trên hình 3.12

(1) Không có thanh chống, chân tường ngàm cố định (hình 3.12a);

(2) Có một tầng thanh chống và chân tường ngàm cố định (hình 3.12b);

(3) Có một tầng thanh chống, chân tường xem là tự do (hình 3.12c)

(4) Có nhiều tầng thanh chống (hình 3.12d)

4 Ảnh hưởng của quá trình thi công đào + chống/neo

Áp lực đất lên tường chắn của hố đào có quan hệ đến quá trình thi công đào, chống hoặc neo tường cùng với tình chất của đất và loại hình kết cấu chắn giữ Trên hình 3.13 trình bày việc thi công tường chắn bằng cọc bản có 2 tầng thanh chống vào trong đất sét yêu

(1) Đóng cọc bản: vì 2 mặt của tường đều có áp lực đất, tường đứng yên, nhưng do có sự chén ép đất khi đóng nên sản sinh ra hệ số áp lực tinh của đất (hình 3.13a)

(2) Đào đất đến độ sâu thứ nhất: đầu tường một bên không có đất, đầu tường sẽ chuyển vị , sinh ra áp lực đất chủ động (hình 3.13b)

(3) Lắp thanh chống tầng 1 làm biến dạnh của cọc bản hồi phục một phần nhất định, áp lực đất sẽ tăng lên và thay đổi sự phân bố (hình 3.13c)

(4) Tiếp tục đào đất đến độ sâu thức 2: sản sinh biến dạng ngang mới, sực phân bố áp lực đất theo đó cũng thay đổi (hình 3.13d)

(5) Lắp thanh chống tầng 2: cùng với thanh chống ở tầng 1, làm cho áp lực đất phân bố có dạng mới (hình 3.13e)

(6) Tiếp tục đào đất đến độ sâu thứ 3: cọc bản sẽ chuyển vị về phía hố đào, vùng áp lực chủ động của đất cùng hướng về phía hố đào, áp lực đất cũng bị giảm đi một lượng nhất định

và hình thành dạng phân bố cuối cùng (hình 3.13f)

Khi tiếp tục tăng hoặc giảm lực ở thanh chống thì từ tầng thanh chống thứ 2 trở xuống sẽ phát sinh ra biến dạng tương ứng và sẽ dẫn đến sự thay đổi mới áp lực đất

5 Ảnh hưởng của thời gian

Áp lực đất truyền lên tường chắn hố đào cũng phát triển theo thời gian Petros Pxanthankos

đã quan trắc áp lực đất lên tường tầng hâm ( xem hình 3.14) Theo đó có thể chia làm 3 giai đoạn:

Ở thời điểm 72 ngày ( trước khi đào ) áp lực đất (

Hình 3.15 là đường cong phân bố áp lực đất ( tức

là tổng áp lực nước đất ) thực đo được trước và sau

khi đào một bến tàu cọc bản bê tong cốt thép có một

tầng neo Cọc bản dài 11,5m, sau khi đào hố sâu đến

7m, độ sâu cọc bản cắm vào đất là 4,5m, trong cọc bản có chông hộp áp lực kiểu màng thép

để đo áp lực đất

Từ hình vẽ có thể thấy, độ lớn và tình hình phân bố áp lực đất lên cọc bản biến đổi theo việc đào bến cảng ở trước cọc bản, sự biến dạng của cọc bản độ cắm sâu vào trong đất và tính chất của đất trong hình, đường cong 1 sau tường là áp lực đất chủ động trước khi đào, giảm đi theo sự tăng thêm biến dạng của cọc bản trong quá trình đào, đường cong 3 là phân

bố áp lực đất ổn định sau khi đào Áp lực đất bị động phía trước cọc bản phần trên giảm phần dưới tăng lên trong quá trình đào, phần trên giảm là vì trong khi đào tải trọng phải mang ở bên trên làm cho trị số giảm của áp lực đất lớn hơn trị số áp lực đất bị động được tăng lên do biến dạng của cọc Phần dưới là do nguyên nhân áp lực đất bị động khá lớn sinh

ra trong khi đào Sau khi biến dạng của cọc và áp lực đất được ổn định, đường cong áp lực đất bị động 3 luôn tăng thêm so với đường cong 2

Khi cần kể một số ảnh hưởng nói trên trong quá trình tính toán thường phải thông qua mô hình tương ứng và hiện nay có rất nhiều phương pháp tính khác nhau (nhờ các phần mêm chuyên dụng) cho phép người thiết kế giải quyết những vấn đề phức tạp gặp phải trong thực

tế Một trong các phần mêm tốt nhất về vấn đề tính toán hố đào là phần mêm PLAXIS của

Hà Lan (thao khảo [7])