Phân tích các thông số ảnh hưởng đến ứng xử của tường chắn đất có cốt

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu nhằm: Phân tích sự ứng xử cơ học của đất và cốt trong khối đất gia cố; phân tích các yếu tố ảnh hưởng để kiến nghị phương pháp tính toán tường (giải tích và thực nghiệm) nhằm phục vụ cho công tác thiết kế; phân tích một số tồn tại trong tính toán tường chắn đất có cốt hiện nay.

ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA PHÂN TÍCH CÁC THƠNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT ThS NGUYỄN THỊ NGÂN Trường Đại học Đại Nam TS PHẠM QUYẾT THẮNG University of Texas-RGV Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu nhằm: Phân tích ứng xử học đất cốt khối đất gia cố; phân tích yếu tố ảnh hưởng để kiến nghị phương pháp tính tốn tường (giải tích thực nghiệm) nhằm phục vụ cho cơng tác thiết kế; phân tích số tồn tính tốn tường chắn đất có cốt Phần mềm Phase2 sử dụng nghiên cứu để xem xét, đánh giá ảnh hưởng yếu tố: khoảng cách lớp vải địa kỹ thuật Sv, chiều dài gia cố L, lực kéo cho phép vải địa kỹ thuật Ta Một số kiến nghị sử dụng cho thiết kế thi cơng tường đất có cốt đề cập Đặt vấn đề Hiện nay, giới, việc sử dụng tường chắn đất có cốt xây dựng trở nên phổ biến Sở dĩ trở nên phổ biến tính ưu việt như: giá thành thấp, thi công đơn giản, thời gian thi công nhanh nhiều so với kết cấu tường bê tông truyền thống mà đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tuổi thọ cơng trình Tường chắn đất có cốt vải lưới địa kỹ thuật thường sử dụng rộng rãi cho tường chắn đường dẫn đường cao tốc… Trên giới, đặc biệt Mỹ Nhật Bản, loại tường ứng dụng thành công; Việt Nam chưa phổ biến Hy vọng tương lai gần, loại kết cấu áp dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông, xây dựng, thủy lợi để đem lại hiệu kinh tế kỹ thuật đích thực cho chủ đầu tư mật độ định, đặt theo hướng có tính tốn trước để tắng khả chịu lực kết cấu Sự làm việc đồng thời đất cốt thơng qua ma sát đem lại hiệu phát huy sức chịu nén, chịu cắt vốn có đất sức chịu kéo cao cốt Người thức đưa việc thiết kế hợp lý đất gia cố cốt cơng trình kỹ sư người Pháp Henry Vidal Ý tưởng ông cấp sáng chế gọi “đất gia cố” [1], cốt dải kim loại thép không gỉ đặt cát cuội Từ năm 1967, cơng trình nghiên cứu lý thuyết, thực nhiệm đất có cốt phần lớn tập trung theo hướng sau: - Nghiên cứu tiêu chuẩn đất đắp ăn mòn cốt kim loại; - Nghiên cứu đặc trưng lý đất có cốt thí nghiệm nén ba trục; - Nghiên cứu tường chắn đất có cốt mơ hình quang đàn hồi nhằm xác định phân bố ứng suất tường có cốt tường khơng có cốt chịu tải trọng thân, tải trọng phân bố phân bố cục tường; - Nghiên cứu tường chắn có cốt mơ hình tương tự thu nhỏ hai chiều, nhằm xác định: + Áp lực lớn đáy công trình đất có cốt sở hai giả thiết phân bố ứng suất Meyerhoff đề xuất; Xuất phát từ vấn đề nêu trên, báo mong muốn góp phần giải thích, làm rõ số vấn đề lý luận thực tiễn đưa loại tường vào cơng trình xây dựng Việt Nam + Hai trạng thái phá hoại thuộc phạm vi ổn định nội cơng trình đất có cốt; Tường chắn đất có cốt + Chiều cao giới hạn cơng trình đất có cốt phụ thuộc vào chiều dài cốt, cường độ cốt trọng lượng riêng đất đắp 2.1 Đất có cốt lịch sử phát triển Kết cấu đất có cốt loại kết cấu bao gồm đất đầm chặt kết hợp với lớp gia cố (tre, gỗ, cao su, kim loại, vải, lưới địa kỹ thuật,…) có kích thước Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 + Lực kéo Tmax cốt chiều dài dính bám giới hạn cốt; Trải qua thực tế nghiên cứu sử dụng đất có cốt cho thấy nhiều ưu điểm bật: 71 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA - Thi cơng cơng trình đất có cốt đơn giản, nhanh, có khả giới hóa thi cơng cao; chuyển vị ngang khối, làm giảm chuyển vị ngang, dẫn đến tăng khả chịu lực khối - Cốt sử dụng thường loại vật liệu có khả chịu kéo, dùng loại vật liệu có độ dãn dài lớn, kết cấu đất có cốt không bị phá hoại đột ngột, cho phép biến dạng tổng thể lớn mà đảm bảo ổn định cho cơng trình; Trong tường, khối đất có cốt xem mẫu nén trục với trị số áp lực hông 3: - Tăng cường độ đường đáng kể (trung bình khoảng ba lần) Với ưu điểm trội, kết cấu đất có cốt ngày sử dụng rộng rãi công trình xây dựng, giao thơng, thủy lợi, đem lại lợi ích kinh tế, kỹ thuật cao 2.2 Nguyên lý đất có cốt Đất có cốt hoạt động theo nguyên lý vật liệu composite, gồm hai thành phần đất cốt Bởi vậy, nguyên lý đất có cốt liên quan mật thiết đến tính chất đất cốt Đất có độ bền nén tương đối cao, cốt thường vật liệu chịu kéo tốt bố trí nằm ngang để hạn chế (a) (1)   K  đó: K hệ số áp lực ngang đất, trạng thái tĩnh sử dụng công thức K=K0=1sin (Jaky, 1944) cho đất cát Trong thí nghiệm nén trục, tác dụng tải trọng nén thẳng đứng (1 - 3) (hình 1), mẫu đất bị biến dạng nở hông Ở chế độ tải trọng này, mẫu đất khơng có cốt có biến dạng thẳng đứng v biến dạng nở hơng h/2 (hình 1a); mẫu đất có lớp cốt nằm ngang có biến dạng thẳng đứng vr biến dạng nở hơng hr/2 (hình 1b), đó: vr v hrh Mức giảm biến dạng tác dụng lớp cốt chịu kéo làm hạn chế nở hông dẫn đến hạn chế chuyển vị đứng Cơ chế tương ứng với việc tăng áp lực hông nguyên lý làm việc cốt khối đất gia cố (b) Hình Biến dạng nén trục mẫu đất khơng có cốt (a) có cốt (b) Như vậy, việc bổ sung cốt làm giảm biến dạng đất, cải thiện độ bền đất Giới hạn độ bền đất có cốt thể qua kéo đứt cốt trượt bề mặt tiếp xúc đất – cốt 2.3 Ứng suất cốt gia cố Nhiều kết thực nghiệm cho thấy, ứng suất kéo lớp cốt chỗ tiếp cận với mặt tường bao tương đối nhỏ, phía lưng tường lại tăng lên trị số lớn sau lại giảm nhỏ thể hình Kết phù hợp với kết phân tích lý thuyết 72 phương pháp phần tử hữu hạn Rankine [2] Nối liền điểm có ứng suất kéo lớn cốt chịu kéo tìm đường ứng suất kéo lớn thay đổi theo độ sâu Đường trùng với mặt phá hoại kết cấu đất có cốt gia tải đến lúc phá hoại Với cốt thuộc loại cốt giãn, mặt phá hoại dạng parabol xem gần mặt gãy khúc gồm hai mặt phẳng: mặt phẳng nghiêng so với phương nằm ngang góc (45 +/2) mặt phẳng đứng song song với mặt tường bao cách mép đỉnh mặt tường bao 0.3H Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Hình Mặt phẳng phá hoại tường chắn đất có cốt vải địa kỹ thuật Nếu khơng bố trí cốt, mặt tường bao phải chịu áp lực đẩy khối đất nằm mặt phá hoại gây Theo ngun lý đất có cốt cốt thu nhận phần lớn toàn áp lực (giá trị phụ thuộc vào độ cứng kết cấu mặt tường), dẫn đến phát sinh cốt ứng suất kéo giảm áp lực ngang lên mặt tường Để xác định ứng suất kéo cốt, cần xác định áp lực ngang khối đất thuộc khu vực chủ động gây độ sâu Z kể từ đỉnh tường Áp lực đẩy ngang xác định theo quan hệ sau:  h  K  v (2)  v   Z (3) đó: h - áp lực ngang mà cốt phải thu nhận, h đóng vai 3 cơng thức (1); v áp lực thẳng đứng độ sâu Z kể từ đỉnh tường, v đóng vai 1 công thức (1);  - dung trọng đất đắp tường Vấn đề đặt xác định hệ số áp lực K Kết thực nghiệm cho thấy: hệ số vùng đỉnh tường có trị số lớn so với áp lực đất trạng thái tĩnh K0, xuống phía đáy tường gần với trị số =1-sin áp lực đất chủ động Ka=tg2(450-/2) 2.4 Chuyển vị ngang tường chắn đất có cốt Tiêu chuẩn thiết kế tường chắn đất có cốt hành xem xét ứng suất lực tác dụng lên thân tường Một số phương pháp kinh nghiệm, phương pháp giải tích phương pháp số đề xuất để đánh giá dịch chuyển ngang tường Các phương pháp với nhiều thí nghiệm tiến hành tầm quan trọng độ cứng dịch chuyển tường Phương pháp phổ biến để đánh giá độ dịch chuyển ngang lớn tường cốt gia cố bao gồm: phương pháp Mỹ FHWA (Christopher cộng sự, 1989) [3], phương pháp Geoservices (Giroud, 1989) [4], phương pháp CTI (Wu, 1994) [5] phương pháp Jewell-Miligan (1989) Các phương pháp bỏ qua ảnh hưởng độ cứng tường Nói cách khác, phương pháp phù hợp với tường mềm Hình Sơ đồ điển hình tường đất gia cố dạng với bề mặt tường gạch bê tơng Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 73 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Pham (2009) đưa công thức tính chuyển vị ngang tường (hình 3) có xét đến độ cứng bề mặt tường khối gạch bê tông (modular block facing) [6], [9] Chuyển vị ngang tường độ sâu zi xác định sau:  K  z  q S v   b bS v tan  (1  tan  tan  )      H  z i   tan 45    tan(90   ds )  i  0.5  h s i K re inf 2      (4) đó: H - chiều cao tường; Kh - hệ số áp lực toàn tự động sử dụng với thông ngang đất; Kreinf - độ cứng lớp gia cố; s trọng lượng riêng đất; b - trọng lượng riêng số độ bền theo lý thuyết Mohr-Coulomb HoekBrown Trong báo này, phân tích thơng số tường (gạch bê tơng);  - góc ma sát bề mặt tường (gạch với gạch bê tông với ảnh hưởng đến ứng xử tường chắn đất có cốt dựa vào phần mềm Phase2 Các đại lượng bê tơng);  - góc ma sát đất với lưng tường;  góc giãn; ds - góc ma sát hữu hiệu đất theo thí hình sử dụng đơn vị theo hệ thống SI nghiệm cắt trực tiếp Trong báo này, để đánh giá ảnh hưởng thông số cốt gia cố đến ứng xử tường chắn đất có cốt, phần mềm Phase2 sử dụng Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới ứng suất biến dạng tường chắn đất có cốt 3.1 Giới thiệu phần mềm Phase2 Phase2 7.0 chương trình phân tích ứng suất theo phương pháp phần tử hữu hạn chiều, sử dụng hiệu cho nhiều toán địa kỹ thuật đất đá Chương trình sử dụng rộng rãi để hỗ trợ thiết kế phân tích ổn định mái dốc, tường chắn, phân tích thấm,… 3.2 Dữ liệu tốn - Đất gia cố có tiêu: đất cát r = 19.6 kN/m3, r = 340, Cr = kN/m2; - Đất sau tường có tiêu: đất cát b = 19.6 kN/m3, b = 340, Cb = kN/m2; - Đất nền: đất cát f = 19 kN/m3, f = 300, Cf = 100 kN/m2; - Giả thiết đất tường tuyệt đối cứng; - Cốt gia cố sử dụng loại có lực kéo cho phép Ta, khoảng cách lớp cốt gia cố Sv, chiều dài L; - Chiều cao hình học tường: H = 6m Trong báo này, để khảo sát ảnh hưởng thông số đến ứng xử tường, thay đổi giá trị thơng số đó, thơng số khác giữ cố định 3.3 Ảnh hưởng khoảng cách lớp gia cố Sv Cố định liệu toán, cho Sv thay đổi từ 0.2m đến 0.6m để quan sát ứng xử tường 3.3.1 Ảnh hưởng Sv tới dạng phá hoại tường Hình Giao diện phần mềm Phase2 Phase2 có nhiều tính hỗ trợ việc mơ hình hóa Một tính Phase2 phân tính ổn định mái dốc, tường chắn theo phương pháp phần tử hữu hạn cách sử dụng phương pháp “Hệ số giảm cường độ” (SRF) Tính hồn 74 Phân tích cho phép kết luận rằng, khoảng cách Sv tăng lên mặt phá hoại tường thay đổi từ nằm ngồi vùng gia cố (hình 6, 7) đến cắt qua lớp vải địa kỹ thuật (hình 8, 10) Kết tính tốn cho thấy, dạng mặt trượt phụ thuộc vào khoảng cách cốt gia cố Khi khoảng cách lớn, mặt trượt qua lớp gia cố dạng mặt trượt gần với lý thuyết Rankine Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA 3.3.2 Hình Sơ đồ tốn thay đổi Sv Hình Mặt phá hoại trượt Sv = 0.2m Hình Mặt phá hoại trượt Sv = 0.3m Hình Mặt phá hoại trượt Sv = 0.4m Hình Mặt phá hoại trượt Sv = 0.5m Hình 10 Mặt phá hoại trượt Sv = 0.6m Ảnh hưởng Sv tới hệ số an tồn Hình 11 Biểu đồ SRF theo Sv Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 75 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Kết phân tích thể cho thấy, Sv tăng lên hệ số an toàn tường giảm Độ đốc đồ thị SRF theo Sv (hình 11) tăng dần Sv tăng chứng tỏ Sv lớn giảm hệ số an toàn nhanh Đồng thời hình 11 cho thấy khoảng cách hợp lý lớp cốt gia cố (Sv=0.3m-0.4m) ứng với thông số tường lựa chọn liệu mục 3.2, cố định giá trị Sv=0.4m cho L thay đổi từ 3m-10m (tương đương 0.5H-1.7H) Sơ đồ tốn thể hình 12 3.4 Ảnh hưởng chiều dài gia cố L mặt phá hoại gần với lý thuyết Rankine Khi L tăng Để khảo sát ảnh hưởng L tới ứng xử tường, ta tiến hành phân tích tốn với dần lên, diện tích mặt phá hoại lớn phức tạp 76 3.4.1 Ảnh hưởng L tới dạng phá hoại tường Những phân tích cho thấy, L nhỏ, vùng gia cố ảnh hưởng đến mặt trượt (hình 16, 17) Hình 12 Sơ đồ tốn thay đổi L Hình 13 Mặt phá hoại trượt L=3m Hình 14 Mặt phá hoại trượt L=4m Hình 15 Mặt phá hoại trượt L=5m Hình 16 Mặt phá hoại trượt L=6m Hình 17 Mặt phá hoại trượt L=10m Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA 3.4.2 Ảnh hưởng L tới chuyển vị ngang cực hạn tường Kết phân tích chuyển vị ngang cực hạn cho thấy, L tăng lên, chuyển vị ngang cực hạn tường giảm (hình 18) Độ đốc đồ thị quan hệ chuyển vị ngang cực hạn đỉnh tường với L (hình 19) đoạn L=6m-10m nhỏ, cho phép kết luận: L cao giá trị định ảnh hưởng việc tăng L tới giảm chuyển vị ngang cực hạn nhỏ Khi tăng chiều dài cốt lên L>0,7H hiệu sử dụng tăng lên khơng đáng kể Từ phân tích cho thấy chiều dài hợp lý cốt nên thiết kế khoảng L=(0,6-0,7)H, điều phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế Mỹ, Nhật Hình 18 Đồ thị chuyển vị ngang cực hạn  tường ứng với giá trị L Hình 19 Đồ thị chuyển vị ngang cực hạn đỉnh tường d theo L 3.5 Ảnh hưởng cường độ kéo cho phép Ta ảnh hưởng tới ứng xử tường đất Việc lựa chọn giá trị cường độ kéo cho phép (Ta) gia cố? Những phân tích với liệu cốt gia cố bước quan trọng toán mục 3.2: Sv=0.4m, L=4m Ta thay đổi từ tốn thiết kế Vấn đề đặt có phải giá trị cường 10kN/m – 70kN/m phần làm rõ ảnh hưởng độ kéo lớn tốt? Đặc trưng Ta Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 77 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA 3.5.1 Ảnh hưởng Ta tới dạng phá hoại tường hình 20 đến 22) Khi Ta tăng lên, mặt phá hoại trượt Giá trị lực kéo cho phép cốt có ảnh hưởng dịch chuyển dần xuống đáy tường, không cắt qua lớn tới dạng mặt trượt xuất tường gia cố lớp cốt (từ hình 23 đến 26), làm hạn chế hiệu Khi Ta nhỏ, mặt phá hoại cắt qua lớp cốt (từ sử dụng cốt gia cố 3.5.2 Hình 20 Mặt phá hoại trượt Ta=10kN/m Hình 21 Mặt phá hoại trượt Ta=20kN/m Hình 22 Mặt phá hoại trượt Ta=30kN/m Hình 23 Mặt phá hoại trượt Ta=40kN/m Hình 24 Mặt phá hoại trượt Ta=50kN/m Hình 25 Mặt phá hoại trượt Ta=70kN/m Ảnh hưởng Ta tới hệ số an toàn Khi Ta tăng, hệ số an toàn tăng độ tăng giảm dần thể qua độ dốc đồ thị hình 26 Đoạn đồ thị tương ứng với Ta=10kN/m-30kN/m có độ 78 dốc lớn chứng tỏ giá trị hợp lý, phát huy tốt hiệu sử dụng cốt gia cố Nếu sử dụng giá trị Ta lớn hiệu sử dụng khơng thay đổi, gây lãng phí (hình 26 – với Ta > 40 kN/m) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA SRF - Lực kéo cho phép Ta 2.50 2.00 1.50 2.37 2.27 2.18 1.97 2.34 1.49 1.00 0.50 0.00 10 20 30 40 50 60 70 80 Hình 26 Biểu đồ SRF theo Ta (kN/m) Kết luận Sau khảo sát thông số học tường chắn đất gia cố đến ứng xử nó, số nhận xét kiến nghị nhằm sáng tỏ chế làm việc tường gia cố sau: - Dạng mặt trượt tường gia cố thường không tuân theo lý thuyết Rankine, phụ thuộc nhiều vào khoảng cách (Sv), chiều dài (L), cường độ độ cứng (Ta E) lớp gia cố Tùy theo giá trị thông số mà mặt trượt có dạng: (1) nằm hồn tồn lớp gia cố; (2) hỗn hợp phần qua đất sau tường phần qua lớp gia cố (3) hồn tồn phía sau lớp gia cố; - Để tường làm việc hiệu quả, không nên dùng Sv lớn kết hợp với lớp gia cố có cường độ cao dễ gây ổn định cục độ an toàn khối tường bị ảnh hưởng mạnh lớp gia cố làm việc không tốt đồng thời không nên đặt Sv nhỏ gây khó khăn cho việc thi cơng hiệu suất làm việc lớp gia cố thấp Khoảng cách hợp lý khoảng 0,2 m đến 0,3 m; - Chiều dài (L) hợp lý lớp gia cố nên vào khoảng (0,6÷0,7)H, H chiều cao tường, L ngắn tường dễ bị trượt phía sau lớp gia cố nên hiệu dài (lực lớp gia cố nhỏ 0) khơng cần thiết gây lãng phí; - Chỉ thật cần thiết tăng cường độ lớp gia cố Khối gia cố làm việc hiệu cường độ thấp khoảng cách lớp gia cố nhỏ Lúc khối gia cố làm việc khối [1] D.T Bergado, J.C Chai (1996), Những biện pháp kỹ thuật cải tạo đất yếu xây dựng (in lần 2), Nhà Xuất Giáo dục [2] Dương Học Hải (2009), Thiết kế thi cơng tường chắn đất có cốt, Nhà Xuất Xây dựng [3] Christopher, B R., Gill, S A., Giroud, J P… (1989), Reinforced Soil Structures Vol 1: Design and Contruction Guidelines, FHWA-RD-89-043, Federal Highway Adminestration, Washington, D.C [4] Giroud, J P (1989), Geotextile Engineering Workshop-Design Examples, Report FHWA-HI-89002, Federal Highway Adminestration, Washington, D.C [5] Wu, J.T.H (1994), Design and Contruction of Simple, Easy and Low cost Retaining Walls, Colorado Transportation Institute, Report CTI-UCD-1-94 [6] Pham, Q T (2009), Investigating Composite Behavior of Geosynthetic Reinforced Soil Mass, Colorado Denver University [7] Elton, D J and Patawaran (2005), Mechanically Stabilized Earth (MSE) Reinforcement Tensile Strength from Tests of Geotextile Reinforced Soil, A Report to the Alabama Highway Research Center, Auburn University [8] Broms, B (1977), Triaxial Tests with Fabric- Reinforced Soil, Proc of the International Conference on the use of Fabric in Geotechnics, Paris [9] Jonathan T H Wu, Thang Pham, Michael T Adams (2013), Composite Behavior of Geosynthetic Reinforced Soil Mass, FHWA-HRT-10-077 (composite) tường có độ ổn định cao Ngày nhận bài:22/1/2017 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 Ngày nhận sửa lần cuối:14/2/2017 79 ... ứng xử tường chắn đất có cốt, phần mềm Phase2 sử dụng Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới ứng suất biến dạng tường chắn đất có cốt 3.1 Giới thiệu phần mềm Phase2 Phase2 7.0 chương trình phân tích ứng. .. Trong báo này, phân tích thơng số tường (gạch bê tơng);  - góc ma sát bề mặt tường (gạch với gạch bê tông với ảnh hưởng đến ứng xử tường chắn đất có cốt dựa vào phần mềm Phase2 Các đại lượng... khơng có cốt (a) có cốt (b) Như vậy, việc bổ sung cốt làm giảm biến dạng đất, cải thiện độ bền đất Giới hạn độ bền đất có cốt thể qua kéo đứt cốt trượt bề mặt tiếp xúc đất – cốt 2.3 Ứng suất cốt gia