Nghiên cứu ổn định của tường chắn đất cho các trường hợp đặc biệt của công trình xử lý sạt lở bờ kênh khu vực xã phú tâm – huyện châu thành – tỉnh sóc trăng

Việc thực hiện đề tài luận văncao học “Nghiên cứu ổn định của tường chắn đất cho các trường hợp đặc biệt của côngtrình xử lý sạt lở bờ kênh khu vực xã Phú Tâm- Huyện Châu Thành- Tỉnh Sóc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRƯƠNG HỮU TÂM

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT CHO CÁC TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT CỦA CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SẠT

LỞ BỜ KÊNH KHU VỰC XÃ PHÚ TÂM- HUYỆN CHÂU

LỜI CAM ĐOAN

Trong thời gian học tập tại trường với sự định hướng của các thầy cô, đồng thời vớikinh nghiệm làm việc tại cơ quan, sự giúp đỡ của bạn bè và đồng nghiệp và đặc biệt là

sự giúp dỡ chỉ bảo của thầy TS Nguyễn Quang Tuấn Việc thực hiện đề tài luận văncao học “Nghiên cứu ổn định của tường chắn đất cho các trường hợp đặc biệt của côngtrình xử lý sạt lở bờ kênh khu vực xã Phú Tâm- Huyện Châu Thành- Tỉnh Sóc Trăng”tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả tính toán được nêu trong luận văn là trung thực vàchưa từng được sử dụng trong bất kỳ công trình nào khác

Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin tríchdẫn trong luận văn đều được ghi gõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Người làm luận văn

Trương Hữu Tâm

i

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận văn Thạc sĩ, tôi đã nhận được

sự giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình và quý báo của nhiều cá nhân tập thể

Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể Quý Thầy, Cô trường Đạihọc Thủy Lợi Hà Nội và nhất là các Thầy, Cô tại Bộ môn Địa kỹ thuậtcủa trường đãtận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua Tôi xin cảm ơn vì những kiến thức cầnthiết, bổ ích và vì những kinh nghiệm mà các Thầy, Cô đã tận tình truyền giảng lại chotôi để tôivận dụng vào công việc thực tiễn, góp vào hành trang trên bước đường tươnglai trong cuộc sống, và có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Tiếp đến, tôi xin gởi lời cảm ơn đến Thầy TS.Nguyễn Quang Tuấn đã tận tình hướng

dẫn, chỉ dạy ân cần, truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu, cungcấp và đề ra định hướng trong suốt quá làm luận văn tốt nghiệp này Tôi xin chânthành cảm ơn thầy

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Công Trình- TrườngĐại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn đúngtiến độ

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến tất cả các anh chị, các bạn cùng học lớp Cao họcCH24ĐKT12đã cung cấp tài liệu, giúp đỡ và đóng góp cho tôi những kiến thức bổ ích

để tôi có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Cuối cùng tui xin trân trọng cảm ơn những người thân trong gia đình, đã luôn độngviên giúp đỡ về mặt tinh thần và vật chất để tôi hoàn thành chương trình học tập

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và lượng kiến thức bao la vô tận nên không thểtránh khỏi những thiếu xót nhất định Tôi rất mong được sự đóng góp và ý kiến quýbáu của Quý Thầy Cô và bạn bè để ngày càng hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cám ơn!

ii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

vi DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

ix MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 5

1.1 Khái quát về tường chắn đất và tải trọng tác động lên tường chắn đất 5

1.1.1 Khái niệm các loại tường chắn .5

1.3.2 Xác định lực tác dụng lên tường chắn 9

1.3.3 Kiểm tra ổn định tường chắn .10

1.3.4 Kiểm tra điều kiện trượt ổn định tường chắn 10

1.3.5 Kiểm tra điều kiện lật ổn định tường chắn 10

1.3.6 Kiểm tra điều kiện đảm bảo sức chịu tải của nền đất 10

1.3.7 Kiểm tra lún của tường chắn 11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG CHẮN 12

2.1 Lý thuyết tính toán áp lực lên tường chắn 12

2.1.1 Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn 12

2.1.2 Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn phân tố (điểm) 12

2.2 Xác định áp lực tĩnh của đất lên tường chắn 13

2.3 Lý thuyết áp lực đất của C.A.COULOMB 14

2.3.1 Tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất theo lý thuyết C.A.Coulomb 14

2.3.2 Tính toán áp lực bị động nhỏ nhất của đất tác dụng lên tườngchắn 20

2.4 Các phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn 21

2.4.1 Tính toán áp lực đất theo lý luận W.J.W.RANKINE .21

2.4.2 Tính toán áp lực đất theo lý thuyết V.V.Xôclovski 28

2.5 Tính toán áp lực đất lên tường chắn trong các trường hợp thường gặp 31

2.5.1 Trường hợp tải trọng ngoài tác dụng lên mặt đất .32

iii

2.5.2 Trường hợp lưng tường gãy khúc và mặt đất phẳng 35

2.5.3 Trường hợp đất đắp sau tường gồm nhiều lớp .36

2.5.4 Trường hợp đất đắp sau tường có nước ngầm 38

2.6 Nhận xét phạm vi áp dụng lý thuyết áp dụng lên tường chắn 39

2.7 Một số vấn đề chú ý khi tính toán áp lực lên tường chắn 40

2.7.1 Việc chọn các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp 40

2.7.2 Ảnh hưởng của sự nở đất và áp lực đất thủy động 42

2.8 Kiểm tra ổn định tường chắn 42

2.8.1 Tiêu chuẩn đảm bảo sự ổn định 42

2.8.2 Tính toán ổn định công trình theo sơ đồ trượt phẳng 44

2.9 Mô hình hóa phân tích ổn định tường chắn .49

2.9.1 Giới thiệu về phần mềm Geo-Slope và các đặc điểm, khả năng mô hình hóa củacác

modun 492.9.2 Bài toán tường chắn và các lựa chọn trường hợp tính .49

2.9.3 Mô hình tính toán hệ tường chắn đất đắp nền .50

2.9.4 Phân tích kết quả tính toán 55

2.10 Tính toán tường chắn theo trạng thái giới hạn 58

2.10.1 Đặt vấn đề tính toán theo TCVN-4253-2012 58

2.10.2 Tính toán tường chắn theo trạng thái giới hạn 59

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ỨNG DỤNG CHO CÔNGTRÌNH XỬ LÝ SẠT LỞ BỜ KÊNH KHU VỰC XÃ PHÚ TÂM- HUYỆN CHÂUTHÀNH- TỈNH SÓC TRĂNG 73

3.1 Đặc điểm địa hình tại khu vực bờ kênh xã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – TỉnhSóc

Trăng 733.2 Phân tích địa hình khu vực 73

3.2.1 Địa chất 73

3.2.2 Địa chất thủy văn 74

3.2.3 Nhận định và phân tích nguyên nhân gây sạt lở hoặc mất ổn định của côngtrình 75

3.3 Thiết lập bài toán và tính toán ổn định tường chắn .75

3.3.1 Xử lý bằng cọc bê tông cốt thép 76

3.3.2 Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ I 83

3.3.3 Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ II 87

iv

3.3.4 Kiểm tra ổn định tổng thể công trình bằng phần mềm GeoSlope khi sử dụng giải pháp cọc bê tông cốt thép

90

3.3.5 Phân tích kết quả và bình luận 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phân loại tường chắn cơ bản

6Hình 1.2 Mặt cắt ngang công trình

9Hình 2.1 Biểu đồ cường độ áp lực đất tác dụng lên tường, vòng tròn Mohr biểu diễn ứng

suất tại điểm M

14

Hình 2.2 Mô tả tính toán áp lực đất chủ động lớn nhất của đất rời theo lý

thuyếtC.A.Coulomb 14Hình 2.3 Hàm số Ec=f(ω) biến thiên theo dạng đường cong

15Hình 2.4 Mô tả tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất rời theo phương pháp giải

tích, biểu đồ đa giác lực

16

Hình 2.5 Mô tả tính toán áp lực đất chủ động lớn nhất của đất dính theo lý

thuyếtC.A.Coulomb 19Hình 2.6 Mô tả tính toán áp lực bị động nhỏ nhất của đất tác dụng lên tường

chắn 20Hình 2.7 Mô ta tính toán áp lực theo lý luận W.J.RANKINE đối với đất

rời 22Hình 2.8 Trạng thái ứng suất bị động và các họ đường trượt và biểu đồ cường độ áp lựcchủ động

23Hình 2.9 Trạng thái ứng suất bị động của một điểm, các mặt trượt, biểu đồ cường độ áp

lực bị động

23

Hình 2.10 Mô tính toán áp lực theo lý luận W.J.RANKINE đối với đất dính

25Hình 2.11 Biểu đồ phân bố cường độ và điểm đặt của áp lực chủ động

26Hình 2.12 Biểu đồ phân bố cường độ và điểm đặt của áp lực bị động

28Hình 2.13 Mô tả tính toán áp lực đất theo lý thuyết V.V.XÔCLOVSKI

29Hình 2.14 Mô tả tính toán áp lực đất theo lý thuyết V.V.XÔCLOVSKI

30

Hình 2.15 Sơ đồ tính toán áp lực chủ động của đất lên tường chắn theo phương

phápCoulomb 32Hình 2.16 Biểu đồ phân bố cường độ áp lực chủ động

34Hình 2.17 Biểu đồ phân bố cường độ áp lực đất bị động

34Hình 2.18 Mô tả tính toán tường chắn với tải trọng phân bố đều không kín khắp trên mặtđất phẳng

35Hình 2.19 Mô tả tính toán tường chắn với lưng tường gãy khúc mặt đất

phẳng 36Hình 2.20 Trình bày dạng phân bố cường độ áp lực chủ động của đất rời khi các lớp đất

có chỉ tiêu cơ lý khác nhau

37

vi

Hình 2.21 Biểu đồ phân bố cường dộ áp lực chủ động của đất rời khi các lớp đất có chỉ tiêu cơ

lý khác nhau 38

Hình 2.22 Biểu đồ tính toán áp lực đất trường hợp đất đắp sau tường có nước ngầm 38

Hình 2.23 Lực tác dụng lên thỏi và đa giác lực theo phương pháp Bishop 43

Hình 2.24 sơ đồ tính sức chịu tải của nền và sự ổn định của công trình khi trượt hỗn hợp 47

Hình 2.25 Mặt cắt ngang thể hiện một số kích thước cơ bản 50

Hình 2.26 Thiết lập thông số giới hạn trang vẽ 52

Hình 2.27 Thiết lập tỉ lệ và đơn vị tính toán 52

Hình 2.28 Thiết lập lưới vẽ Grid 52

Hình 2.29 Phát thảo mặt cắt các lớp đất nền, và tường chắn 53

Hình 2.30 Nhập thông số cho lớp đất đắp 53

Hình 2.31 Nhập thông số cho lớp đất 1a Bùn sét 53

Hình 2.32 Thiết lập hoạt tải công trình 54

Hình 2.33 Thiết lập lưới tâm trượt, và lưới bán kính trượt 54

Hình 2.34 Mô phỏng công trình thể hiện mặt cắt tường lớp đất trên phần mềm GeoSlope 55

Hình 2.35 Mô phỏng hiển thị cung trượt và tâm trượt theo phương pháp Bishop 56

Hình 2.36 Mô phỏng cung trượt nguy hiểm bằng phần mềm GeoSlope với tâm trượt nguy hiểm nhất ở trường hợp 4 56

Hình 2.37 Mô phỏng cung trượt nguy hiểm bằng phần mềm GeoSlope ở trường hợp 1 57

Hình 2.38 Mô phỏng cung trượt nguy hiểm bằng phần mềm GeoSlope ở trường hợp 2 57

Hình 2.39 Mô phỏng cung trượt nguy hiểm bằng phần mềm GeoSlope ở trường hợp 3 58

Hình 2.40 Sơ đồ các lớp đất thuộc hố khoan 60

Hình 2.41 Mặt cắt ngang công trình 60

Hình 2.42 Mặt cắt ngang tường chắn 62

Hình 2.43 Sơ đồ biểu thị tính toán và điểm đặt của lực tác dụng trường hợp nguy hiểm 63

Hình 2.44 Sơ đồ áp lực thấm trường hợp (MNN) 64

Hình 2.45 Hình Cung trượt nguy hiểm vẽ bằng AutoCad 70

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí cọc 79

Hình 3.2 Sơ đồ sức kháng trượt của cọc 80

Hình 3.3 Sơ đồ làm việc của cọc và cung trượt nguy hiểm 81

Hình 3.4 Sơ đồ ứng suất tác dụng và phân bố ứng suất tại đáy móng quy ước 88

Hình 3.8 Mô phỏng kết quả cung trượt và tâm trượt nguy hiểm phương án 2 với hàng cọc phía sông đóng xiên

8:1 92

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

Bảng 2.1 Hệ số áp lực hông Ko

14Bảng 2.2 Trị số góc ma sát giữa đất đắp và lưng tường

18Bảng 2.3 hệ số áp lực đất chủ động 𝝀��𝒅 ∗theo thuyết

Xôcôlovxki 31Bảng 2.4hệ số áp lực đất bị động 𝝀��𝒅 ∗theo thuyết Xôcôlovxki

31Bảng 2.5 Kích thước cơ bản tường chắn

51Bảng 2.6 Khai báo tải trọng đầu vào và cao trình mực nước

51Bảng 2.7 Khai báo chỉ tiêu cơ lý đất

51Bảng 2.8 Tổng hợp hệ số an toàn các trường hợp xảy ra tính toán theo phương pháp

Bishop58Bảng 2.9 Tổng hợp số liệu địa chất các lớp đất trong hố khoan

[5] 61Bảng 2.10 Hệ số rỗng trong thí nghiệm nén lún [5]

61Bảng 2.11 giá trị kích thước cơ bản tường chắn

62Bảng 2.12 Hệ số vượt tải [8]

65Bảng 2.13 Kết quả tổng hợp lực và cánh tay đòn của trường hợp tính

toán 65Bảng 2.14 Giá trị tính toán ứng suất thành phần

66Bảng 2.15 Giá trị tính toán ứng suất trong trường hợp nguy hiểm

66Bảng 2.16 Tổng hợp giá trị tính toán kiểm tra hình thức trượt

67Bảng 2.17 Chỉ tiêu các lớp đất cần xét trượt

67Bảng 2.18 Tính toán ứng với tb=9.1 68

78Bảng 3.3 Tổng hợp tính toán sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép 35cmx35cm

78Bảng 3.4 Tổng hợp sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép theo đất nền Qa (T)

78Bảng 3.5 Tính toán số lượng cọc

79Bảng 3.6 Kết quả tính toán moment uốn của cọc theo độ bền vật liệu

81Bảng 3.7 Kết quả tính toán moment uốn của cọc theo điều kiện ngàm dưới mặt

trượt 82Bảng 3.8 Tính toán lực kháng trượt của cọc

82Bảng 3.9 Tính toán tải trọng đứng và tải trọng ngang tác dụng lên

cọc 83

Bảng 3.10 Ứng suất bản thân 87

Bảng 3.11 Trị số ứng suất các điểm nằm trên trục đi qua điểm A và B 88

Bảng 3.12 Kết quả tính toán lún tại mép A 89

Bảng 3.13Kết quả tính toán lún tại mép B 89

Bảng 3.14 khoảng cách và lực cắt cọc 35x35 (cm) 90

Bảng 3.15 Hệ số an toàn công trình khi chưa xử lý và xử lý bằng cọc bê tông cốt thép tiết diện 35x35cm, dài 19m 93

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Khi tính toán thiết kế nền móng theo trạng tới hạn cần phải phán đoán các hình thứctrượt của nền, khả năng trượt phẳng, khả năng trượt hỗn hợp hoặc khả năng trượt sâu.Các trường hợp này đều tính toán rất phức tạp và khối lượng tính toán rất nhiều

Một số tường chắn có hệ số cấp công trình quan trọng, nên khi phải xét tính toán cáctrường hợp nguy hiểm về tải trọng, xu hướng sử dụng phần mềm chuyên dụng để môphỏng bài toán là phổ biến

Việc sử dụng phần mềm chuyên dụng tính toán nền móng tường chắn theo trạng tháigiới hạn sẽ cho thấy được tổng thể các trường hợp ứng suất và chuyển vị của cả hệcông trình Điều này giúp cho người thiết kế cảm nhận trực quan và nhanh chóng lựachọn được phương án thiết kế hợp lý và xét được các trường hợp làm việc của tườngchắn Đồng thời sử dụng phần mềm chuyên dùng sẽ phát hiện những trường hợp mất

ổn định của tường chắn mà các phương pháp tính toán không thể xác định được dokhối lượng tính lặp không đạt yêu cầu Tuy nhiên một số tùy chọn trong việc môphỏng, nếu chọn không sát với thực tế thì dẫn đến kết quả sai số lớn

Vì vậy việc tính toán tường chắn đất theo trạng thái giới hạn cho một số trường hợpnguy hiểm khi sử dụng phần mềm địa kĩ thuật chuyên dùng, có ý nghĩa khoa học vàthực tiễn Cùng chia sẻ với các đồng nghiệp các đánh giá, so sánh, ưu điểm, nhượcđiểm về mặt kỹ thuật Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng đóng góp vào sự an toàn lâudài của hệ công trình

II Mục đích của đề tài:

Nghiên cứu giải pháp ổn định tường chắn cho công trình sạt lở bờ kênh khu vựcxã PhúTâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phần mềm ứng dụng nhiều tiện ích, nổi tiếng của Slope với 3 mô đun Seep/W, Slope/W, Sigma/W của Canada, đến nay đang sử dụngrộng rãi ở Việt Nam là GeoStudio 2007 để tính toán ổn định

Geo-Thu thập, phân tích đặc điểm địa hình, địa chất, chế độ thủy văn, thủy lực, tình hìnhxói lở và công trình kè đã thi công xây dựng xong cho bờ kênh khu vực xã Phú Tâm –Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng thuộc vùng Đồng bằng sông Cửu Long Lấy đólàm trường hợp nghiên cứu, phân tích của luận văn

b Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền khu vựcxã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – TỉnhSóc Trăng Tổng hợp, phân tíchđiều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, đánh giá tìnhhình xói lở bờ kênh

Khái quát về tường chắn, tải trọng tác động và tính toán ổn định tường chắn

Nghiên cứu các phương pháp tính toán áp lực đất và ổn định tường chắn

Giới thiệu phần mềm GeoSlope, tính toán ổn định tổng thể bờ kênh cho trường hợphiện trạngcông trình thông qua sử dụng phần mềm GeoSlope – Studio vớimô đunSlope/W để tính toán

Mô phỏng mô hình bài toán tường chắn cho đoạn kênhkhu vựcxã Phú Tâm – HuyệnChâu Thành – Tỉnh Sóc Trăng

2

Nghiên cứu ổn định tường chắn, sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn Đánh giá kếtquả, so sánh mức độ tin cậy trong phần mềm GeoSlope – Studio.

Nghiên cứu giải pháp xử lý sạt lở bờ kênh bằng cọc bê tông cốt thép bảo vệ bờ kênh.Đánh giá kết quả tính toán ổn định của hệ tường chắn và hiệu quả của giải pháp sửdụng cọc bê tông cốt thép

c Phương pháp nghiên cứu

Thu thập tài liệu công trình, tài liệu khảo sát đất nền

Phương pháp nghiên cứu mô hình, mô phỏng tính toán ổn định thông qua phầnmềmGeo Slope kết hợp nghiên cứu lý thuyết, so sánh kết quả cho thấy mức độ tin cậyphần mềm GeoSlope

d Kết quả đạt được

Đánh giá,phân tích điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thủy lực, diễn biến xói lở,đánh giá nguyên nhân gây sạt lở bờ công trình bờ kênh khu vựcxã Phú Tâm – HuyệnChâu Thành – Tỉnh Sóc Trăng

Giới thiệu phần mềm GeoSlope - Studio – 2007 và phương pháp cân bằng giới hạn,dùng mô đun Slope/W để tính toán ổn định bờ kênh cho trường hợp hiện trạng thể hiệncung trượt nguy hiểm để có căn cứđưa ra giải pháp xử lý ổn định

Kiểm tra, tính toán ổn định công trìnhtheoTCVN-4253-2012, so sánh kết quả tính toán.Phân tích, đánh giá kết quả tính toán ổn định của hệ tường chắn và khối đất để xácđịnh hiệu quả kỹ thuật của giải pháp sử dụng cọc bê tôngcốtthépcủa bờ kênh khuvựcxã Phú Tâm – Huyện Châu Thành – Tỉnh Sóc Trăng

e Cấu trúc luận văn

Luận văn này gồm96trang, có 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về tường chắn đất và tiêu chuẩn thiết kế

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định tường chắn

3

Chương 3: Phân tích và tính toán ổn định ứng dụng cho công trình xử lý sạt lở bờ kênh khu vực xã Phú Tâm- huyện Châu Thành- tỉnh Sóc Trăng.

Không kèm theo phụ lục và có 14 tài liệu tham khảo

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

1.1 Khái quát về tường chắn đất và tải trọng tác động lên tường chắn đất.

1.1.1 Khái niệm các loại tường chắn.

Tường chắn là loại công trình chắn đất, có mái thẳng đứng; gãy khúc hoặc nghiêng đốivới đất đắp hoặc mái đào hố móng v.v…với kết cấu công trình dung để giữ khối đấtđắp hoặc vai hố đào sau tường khỏi bị sạt trượt Tường chắn đất được sử dụng rộng rãitrong các ngành xây dựng, thủy lợi, giao thông Khi làm việc lưng tường chắn tiếp xúcvới khối đất sau tường và chịu tác dụng của áp lực đất

Khi thiết kế tường chắn đất cần tính toán chính xác cẩn thận và đầy đủ tải trọng tácdụng lên tường chắn đặc biệt là áp lực chủ động của đất lên tường chắn không nhữngđảm bảo được an toàn cho công trình mà còn tiết kiệm được nhiêu chi phí xây dựng.Người ta có thể phân loại tường chắn dựa trên các cơ sở mục đích sau đây: Theo mụcđích xây dựng, theo đặc tính công tác của tường, theo chiều cao tường, theo vật liệuxây dựng tường, theo độ nghiêng của tường hay theo phương pháp thi công xây dựngtường, theo độ cứng, v.v… Trong đó việc phân loại tường theo độ cứng là yếu tố quantrọng nhất để tính toán sự làm việc đồng thời giữa tường chắn và đất Về cách phânloại này, tường được phân thành các loại như sau:

Tường cứng: là loại tường không có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất mà chỉ cóchuyển vị tịnh tiến và xoay Loại tường này thường dùng vật liệu gạch, đá hộc, bê tông

đá hộc, bê tông, tường có chiều cao, rộng, dày thường gần bằng nhau Độ ổn định củaloại tường này thường được quyết định do trọng lượng bản thân tường, do đó còn cótên gọi là tường trọng lực

Tường bán trọng lực: loại tường này thường được tạo bởi các cấu kiện bê tông cốt théphoặc nhiều tấm bê tông cốt thép ghép lại với nhau Tường này có chiều dày nhỏ hơnnhiều so với chiều cao và bề rộng của tường Độ ổn định được đảm bảo không chỉ do

5

trọng lượng bản thân và bản móng mà còn do trọng lượng của khối đất đắp nằm trênbản móng.

Tường mềm: là loại tường sinh ra biến dạng uốn khi chịu tác dụng của áp lực đất Loạitường này thường là những tấm gỗ, thép, bê tông cốt thép ghép lại, do đó chiều dàynhỏ hơn nhiều so với chiều cao, bề rộng của tường Nếu bản thân tường chắn đất bịbiến dạng thì nó sẽ làm thay đổi điều kiện tiếp xúc giữa lưng tường chắn với khối đấtđắp sau tường, do đó làm thay đổi trị số áp lực đất tác dụng lên lưng tường và cũnglàm thay đổi dạng biểu đồ phân bố áp lực đất theo chiều cao của tường Sự ổn định củaloại tường này được đảm bảo bằng cách chôn chân tường vào trong nền Do đó loạitường này còn gọi là tường cọc, tường cừ Để giảm bớt độ chôn sâu trong đất củatường và để tăng độ cứng của tường người ta dùng neo tường vào khối đất [1]

Hình 1.1 Phân loại tường chắn cơ bản

1.1.2 Tải trọng và tác động lên tường chắn.

Như khái niệm trên, Tường chắn đất là kết cấu công trình để giữ cho khối đất sautường được cân bằng, khỏi bị sạt và trượt Tường chắn đất được dùng như một bộ phậncủa công trình thủy lợi, do đó tải trọng tác động lên nó được đưa về hai tổ hợp: cơ bản

và đặc biệt, theo quy định của TCXD-VN-9152-2012 Tuy nhiên tùy theo đặc điểmlàm việc của tường chắn mà mỗi tổ hợp đó đều được phân ra cụ thể khác nhau

Tuân theo các tiêu chuẩn xây dựng, tổ hợp cơ bản như sau:

a) Trọng lượng bản thân tường, tải trọng của đất, các thiết bị và tải trọng cố định đặttrên tường

b) Áp lực đất lên tường chắn và móng tường, kể cả tải trọng phân bố trên mặt đất đắp.c) Áp lực nước lên tường chắn và móng tường ứng với mực nước dân bình thường

6

d) Áp lực nước thấm khi chế độ thấm ổn định hoặc không ổn định nhưng lặp lại đềuđặn, với điều kiện các thiết bị thoát nước và chống thấm làm việc bình thường.

e) Tác động của sóng

f) Tác động của nhiệt, ứng với biến thiên nhiệt độ trung bình tháng của môi trường xung quanh, lấy theo điều kiện nhiệt độ trung bình năm;

g) Tải trọng gây ra do các phương tiện vận chuyển, máy móc

h) Tải trọng do tàu thuyền và neo buộc gây ra

Tổ hợp đặc biệt bao gồm những tải trọng nêu ở mục a, b, e, g cộng thêm các loại tải trọng sau đây:

i) Tải trọng của động đất

j) Áp lực nước khi mực nước chắn quá mức

k) Áp lực nước thấm phát sinh do các thiết bị thoát nước làm việc không bình thường.l) Tác động của nhiệt ứng với sự biến thiên nhiệt độ trung bình hàng tháng của môi trường xung quanh theo năm có biên độ dao động lớn nhất của nhiệt độ đó trong năm m) Tác động do tàu thuyền va đập gây ra

Khi lựa chọn tổ hợp các tải trọng và tác động để tính toán tường chắn, cần xác định rõxác suất đồng thời xảy ra thực tế của chúng để loại trừ các trường hợp những tổ hợp tảitrọng và tác động không thể xảy ra hoặc xảy ra rất hiếm Mặt khác cần dự đoán trướctrình tự thi công công trình để đảm bảo không gây ra các trường hợp bất lợi về trạngthái ứng suất công trình và những cấu kiện của nó trong giai đoạn thi công.[2]

1.2 Tiêu chuẩn thiết kế tường chắn.

Hiện nay ở Việt Nam đang sử dụng các tài liệu sau đây để thiết kế tường chắn đất bao gồm:a) Hướng dẫn thiết kế tường chắn công trình thủy lợi C4.76

b) Tiêu chuẩn nền công trình thủy công- công trình thủy lợi: TCVN 4253-2012

c) Tiêu chuẩn quy trình thiết kế tường chắn công trình thủy lợi: TCVN 9152-2012

Ngoài ra một số đơn vị còn sử dụng các tiêu chuẩn của Euro Code bao gồm một số các tài liệu như sau:

a Euro code 7 Geotechnical design

7

Part 1: General rule

Part 2: Ground investigation & testing

b EN 1990 Euro code Basic of Structural Design

1.3 Các bước thiết kế tường chắn.

Trong thiết kế tường chắn đất, việc tính toán các áp lực tác dụng lên tường chắn là tương đối phức tạp.Việc giải bài toán được thực hiện một số bước như sau

Chọn mặt cắt cho tường chắn: Dựa trên tài liệu khảo sát địa chất công trình lựa chọnchiều sâu thiết kế, chọn sơ bộ kích thước của tường chắn (kích thước về chiều caotường chắn, bề rộng móng, bề rộng đỉnh cũng như bề dày tường chắn…)

Xác định các tải trọng từ đó tổ hợp và tính toán các lực tác dụng lên tường chắn Khi tính toán cần tiến hành đối với ba tổ hợp tải trọng tác động:

+ Tổ hợp cơ bản

+ Tổ hợp đặc biệt

+ Tổ hợp tải trọng trong giai đoạn thi công công trình

Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất về khả năng chịu tải (theo ổn định và độbền) cần được thực hiện theo tổ hợp tải trọng và tác động bất lợi nhất có thể xảy ratrong giai đoạn sử dụng, sửa chữa cũng như trong quá trình xây dựng nhằm đảm bảocho kết cấu:

+ Không bị phá hoại giòn, dẻo, hoặc theo dạng phá hoại khác, đất nền đảm bảo cườngđộ…

+ Không bị mất ổn định về hình dạng (tính toán ổn định các kết cấu thành mỏng) hoặc

về vị trí (tính toán chống trượt và chống lật cho tường chắn đất …)

+ Đối với những tường chắn có nền đất thì cần tính toán ổn định tường chắn theo sơ đồtính toán về trượt; Trượt phẳng, Trượt hỗn hợp, Trượt sâu

+ Đối với những tường chắn đất có nền là đá thì cần tính toán với sơ đồ trượt phẳng và

sơ đồ lật quanh chân tường trước

8

1.3.1 Chọn mặt cắt tính toán.

Việc chọn mặt cắt là xác định các kích thước hợp lý mặt cắt của tường, móng và địa hình khu vực

Hình 1.2 Mặt cắt ngang công trìnhKích thước tường được chọn theo kinh nghiệm và theo điều kiện thực tế

Tường chắn được cấu tạo bằng bê tông cốt thép

Mặt cắt tường nên chọn sao cho tiết kiệm được vật liệu, làm việc tốt, ứng suất phân bố đáy móng, phân bố càng đều càng tốt, đơn giản và dễ dàng thi công

1.3.2 Xác định lực tác dụng lên tường chắn.

- Áp lực chủ động của đất lên tường chắn Ecd

- Áp lực bị động của đất lên tường chắn Ebd

- Áp lực của nước sông, nước ngầm lên tường chắn Es; Enn

- Trọng lượng bản thân của tường chắn G

- Áp lực đẩy nổi Eđn

- Áp lực thấm Eth

- Tổ hợp các tải trọng trong quá trình thi công (Tải trọng xe, các thiết bị thi công; tải trọng của người đi bộ….)

9

Tiến hành tổ hợp các tải trọng (có sử dụng các hệ số tin cậy, hệ số tin cậy có thể lớnhơn, hoặc nhỏ hơn 1 để khi tính toán xét đến sự làm việc của kết cấu bất lợi hơn.

1.3.3 Kiểm tra ổn định tường chắn.

Việc tính toán ổn định của công trình trên nền trọng lực không phải là đá phải theo sơ

đồ trượt phẳng, trượt hỗn hợp và trượt sâu Các sơ đồ trượt kể trên có thể xảy ra theodạng trượt tịnh tiến hoặc vừa trượt vừa quay trên mặt bằng

1.3.4 Kiểm tra điều kiện trượt ổn định tường chắn.

Hình thức trượt phẳng của công trình chỉ xảy ra khi cả 3 điểu kiện sau được thỏa mãn:

Mcl Tổng moment của thành phần chống lật (T.m)

Mgl tổng moment của thành phần gây lật (T.m)

1.3.6 Kiểm tra điều kiện đảm bảo sức chịu tải của nền đất.

Ntc

N ≤KtcN- Tải trọng tính toán trên nền

Ntc- Sức chịu tải của nền

10

Ktc- Hệ số tin cậy.

1.3.7 Kiểm tra lún của tường chắn.

Điều kiện: S < Sgh

Lưu ý: Trong trường hợp móng tường chắn đặt lên trên nền là đất, đá có cường độ lớn

ít có nguy cơ hư hỏng do mất ổn định trượt sâu, trượt hỗn hợp, do đó thường phải kiểmtra ổn định về hai mặt: Trược phẳng và lật

Dưới tác dụng của lực ngang, sự trượt hỗn hợp là có thật Tuy nhiên, nếu không xảy ratrượt phẳng và trượt sâu- là hai trạng thái giới hạn thì trượt sâu không thể xảy ra Vìvậy khi tính toán có thể bỏ qua trường hợp tính toán trượt hỗn hợp

Kết luận chương 1.

Chương 1 đã tổng hợp được các dạng của tường chắn, điều kiện sản sinh cũng như cácloại tải trọng tác dụng Từ đó cho thấy các loại đặc điểm cũng như phân loại theo điềukiện làm việc của tường chắn

Tổng hợp được một số tiêu chuẩn thiết kế thường dùng và các bước cơ bản thiết kếtường chắn, đặc biệt áp dụng đến tường chắn chống sạt lở thích hợp với điều kiện sôngngòi của đồng bằng sông Cửu Long Ngoài ra còn hình thành phương pháp luận chotính toán thiết kế cả hệ công trình nền, tường và đất đắp

Tổng hợp được các điều kiện kiểm tra ổn định tường chắn đối với bài toán sạt lở bờsông, bờ kênh trong các công trình thủy lợi

Như vậy, để thực hiện đầy đủ các bước tính toán tường chắn đất , khối lượng công việc

là rất lớn Vậy để giảm được thời gian và tăng phân tích trường hợp làm việc bất lợicủa tường, xu hướng sử dụng phần mềm chuyên môn trong tính toán thiết kế là rấtquan trọng và ngày càng nhiều Ngoài việc đánh giá ổn định một cách chính xác thìviệc mô phỏng của các phần mềm đưa ra thật sự thuận lợi và phù hợp với quy định củacác quy phạm hiện hành Các tính toán và phân tích ở các chương sau sẽ phân tích kỹhơn

11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG CHẮN

2.1 Lý thuyết tính toán áp lực lên tường chắn.

Lý thuyết áp lực đất là một trong những vấn đề quan trọng và phức tạp của Cơ học đất.Gồm hai loại cơ bản khác nhau:

Loại không xét đến độ cứng của tường và loại có xét đến độ cứng của tường ( loại này

có thể tham khảo trong các tài liệu chuyên sâu về tường chắn đất)

Loại không xét đến độ cứng của tường, giả thiết tường tuyệt đối cứng và chỉ xét đếncác trị số áp lực đất ở các trạng thái giới hạn là áp lực chủ động và áp lực bị động Vềloại này có thể phân thành hai nhóm chính

2.1.1 Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn.

Các lý thuyết theo nhóm này đều giả thiết khối đất trượt sau tường chắn, giới hạn bởimặt trượt có hình dạng trước, như một khối rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn Đạidiện cho xu hướng lý thuyết này là lý thuyết A Coulomb (1773) và sau đó đượcI.V.Pôngxele, K.Culman,… phát triển hoàn thiện thêm [1]

2.1.2 Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn phân tố (điểm).

Nhóm lý thuyết này chủ trương tính toán các chỉ số áp lực đất chủ động và áp lực đất

bị động với giả thiết các điểm của môi trường đất đắp đạt trạng thái cân bằng giới hạncùng một lúc Lý thuyết này đã được giáo sư V.L.M.Rankine đề ra năm 1857 sau đóđược nhiều tác giả phát triển thêm Đặc biệt đến nay lý thuyết cân bằng giới hạn phân

tố được phát triển mạnh mẽ, trước hết phải kể đến các công trình nghiên cứu lý thuyếtcủa viện sĩ V.V.Xôcôlovski Đến nay, lý thuyết tính toán đến áp lực đất có xét đến độcứng của tường (tường mềm) chưa được nghiên cứu đầy đủ bằng lý thuyết tính toán áplực đất lên tường cứng loại này được phát triển theo hai hướng

Xu hướng tính gần đúng theo các biểu thức tính toán áp lực đất chủđộng và áp lực đất

bị động đối với tường cứng

12

Xu hướng tính tường mềm như dầm tựa lên nền đàn hồi và dùng các loại mô hình cơhọc về nền để giải Các phương pháp theo xu hướng này không những cho phép xácđịnh áp lực đất lên tường mềm (tức là phản lực nền) mà còn xác định được chuyển vịcủa tường mềm Lý luận áp lực đất của Xôcôlovski hiện nay được coi là lý luận chặtchẽ về mặt toán học, cho kết quả với độ chính xác khá cao và đúng với các quan sátthực tế, song cũng còn bị hạn chế chủ yếu ở chổ cách thực hiện lời giải quá phức tạp,chưa ra được các lời giải và bảng tính cho mọi trường hợp cần thiết khi tính toán ápdụng thực tế Mặt khác lý luận áp lực đất của C.A.Coulomb chỉ được coi là lý luận gầnđúng do những hạn chế của các giả thiết cơ bản Song hiện nay lý luận này được dùngphổ biến để tính toán các trường hợp có áp lực đất chủ động tác động lên tường chắn,

vì các bước tính toán tương đối đơn giản, có khả năng giải được các bài toán thực tếphức tạp và cho kết quả đủ chính xác trong các trường hợp tính toán áp lực đất chủđộng, tuy nhiên việc xác định áp lực đất bị động lại có mức sai số khá lớn so với thực

tế [1]

2.2 Xác định áp lực tĩnh của đất lên tường chắn.

Xét bài toán với mặt đất sau tường đồng chất nằm trong trạng thái cân bằng bền, đấtsau tường phẳng và nằm ngang Giả thiết lưng tường phẳng thẳng đứng và sự có mặtcủa tường không làm ảnh hưởng thay đổi đến điều kiện làm việc của đất khi đó áp lựccủa đất tác dụng lên mặt phẳng lưng tường chính là áp lực hông trên mặt phẳng đótrong nền khi không có tường Do khối đất ở trạng thái cân bằng tĩnh nên áp lực đó gọi

là áp lực tĩnh

Cường độ áp lực đất tĩnh được xác định theo công thức sau:

(2.1)

Trong đó: γ: là dung trọng của đất

z: là độ sâu của điểm M cần tính

Ko : hệ số áp lực hông của đất Hệ số này có thể xác định bằng thí nghiệm hoặc tính

Bảng 2.1Hệ số áp lực hông Ko

T

ê

C át

Á sé

Á sé

Sé t

Và điểm đặt Ec cách đáy tường 1/3 H.

Hình 2.1Biểu đồ cường độ áp lực đất tác dụng lên tường, vòng tròn Mohr biểu diễn

ứng suất tại điểm M

2.3 Lý thuyết áp lực đất của C.A.COULOMB

2.3.1 Tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất theo lý thuyết C.A.Coulomb

2.3.1.1 Tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất rời theo lý thuyết C.A.Coulomb.

Hình 2.2Mô tả tính toán áp lực đất chủ động lớn nhất của đất rời theo lý thuyết

C.A.Coulomb

Giả sử có một tường chắn cứng với lưng tường phẳng AB, chắn giữ khối đất đắp rời)sau lưng tường với mặt đất đắp có dạng bất kỳ, không chịu tác dụng của tải trọng ngoài(Hình 2.2) Nếu gọi ε là góc nghiên của lưng tường so với phương thẳng đứng và ω là

14

góc hợp bởi mặt trượt giả thuyết nào đó với phương nằm ngang, thì ε tại thời điểm xảy

ra trượt sẽ xuất hiện hai mặt trượt AB và BC, tạo thành lăng thể trượt Theo giả thiếtthì phương của hai phân lực Ec và R được xác định bởi góc ma sát ngoài δ và góc masát trong φ như (Hình 2.2) Điều kiện cân bằng giới hạn được thỏa mãn khi tam giáclực (G, Ec, R) khép kín Do đó, dựa vào hệ thức của tam giác lực (Hình 2.2): có thể rút

ra biểu thức sau đây của áp lực chủ động đối với đất rời lên lưng tường cứng ABC

Tương tự ta có biểu thức tính R:R = G s in ψ)

sin(ω-φ)ω-φ+ψ)) (2.6)Trong phương trình (2.4) do đại lượng G thay đổi theo ω, nên Ec là hàm số của ω Đểtính toán ổn định của tường phải dựa vào áp lực chủ động lớn nhất Ecmax của đất tácdụng lên lưng tường Do đó, để giải được bài toán áp lực đất C.A.Coulomb để dựngnguyên lý cực trị để đưa thêm vào một phương trình nữa Nguyên lý cực trị là góc ứngvới trị số áp lực chủ động lớn nhất (Ecmax) của đất rời lên lưng tường cứng được xácđịnh từ điều kiện: dEc

0(2.7)

dω

Từ phương trình (2.4) có thể thấy rằng hàm số Ec = f (ω) biến thiên theo dạng đường cong (Hình 2.3) đường cong này sẽ cắt trục tại các điểm khi:ω = 90 + ε(2.8)

Tức là Ec= 0 Nếu vẽ đường thẳng tiếp tuyến với đường cong và song song với trục ω

sẽ xác định được trị số áp lực chủ động lớn nhất (Ecmax) và trị số góc trượt ω0

Hình 2.3Hàm số Ec=f(ω) biến thiên theo dạng đường cong

15

Để xác định được trị số lớn nhất của Ec trong các trị số có thể có, người ta phải giảthuyết nhiều mặt trượt BC có thể xảy ra, để từ đó xác định được trị số Ecmax Dựa vàocác điều kiện của bài toán đặt ra (hình dạng lưng tường, hình dạng mặt đất đắp, và tảitrọng ngoài tác dụng lên khối đất đắp,v v…) hiện nay thường dùng các phương phápsau đây để xác định áp lực chủ động lớn nhất Ecmax của đất [1]

a) Thành lập công thức tính toán áp lực đất chủđộng lớn nhất của đất rời theophương pháp giải tích

Phương pháp giải tích chỉ dùng để giải bài toán với trường hợp mặt đất phẳng và lưngtường phẳng (Hình 2.4) Từ đáy tường B lên (Hình 2.4) Kẻ trục ma sát BD hợp vớiphương nằm ngang một góc bằng góc ma sát trong của đất φ Và cũng từ B vẽ trụcchuẩn BK hợp với lưng tường một góc (φ+δ) Như vậy trục chuẩn BK sẽ tạo vớiđường kéo dài của trục ma sát một góc bằng ψ

Hình 2.4 Mô tả tính toán áp lực chủ động lớn nhất của đất rời theo phương pháp giải

tích, biểu đồ đa giác lực

Giả sử BC là một mặt trượt bất kỳ và có góc trượt tương ứng là ω Từ A và C kẻ cácđường AE, CF song song với trục chuẩn BK Từ (Hình 2.4) ta thấy rằng tam giác BCF

đồng dạng với tam giác lực nên ta có: Ec =

16

Từ biểu thức (2.13) ta thấy rằng AB, AE, AD và ED hoàn toàn không phụ thuộc vào góc trượt ω, cho nên chỉ số cực đại của áp lực chủ động (Ecmax) sẽ tương ứng với trị

số cực đại của biến lượngEF FD

BF

Nếu ta đặt: A = 1 γ sin β

AB AE AD và X = EF FD

2 ED2 BF

với lý do trên ta có: Ecmax= A Xmax (2.14)

Do điểm C chưa xác định nên dẫn đến F cũng chưa xác định được nên đặt BF= x là ẩn

xmax= √a b và đem trị số này vào phương trình 2.15 ta được trị số cực đại của X làXmax= (ω-φ)√b-√a)2 (2.16)

Xét tam giác ABD ta có góc ADB = φ-α thì theo hệ thức sin trong tam giác lượng tacó:

17