Neo trong đất (Ground anchor): Cấu tạo, phân loại, nguyên lý hoạt động và cơ sở lý thuyết tính toán neo

Tác giả tổng hợp, giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cơ sở lý thuyết tính toán sức chịu tải của neo trong đất theo một số tiêu chuẩn đã được sử dụng (Tiêu chuẩn Anh: BS 8081:1989; Tiêu chuẩn Trung Quốc: CECS 22-1990).

Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 Information of Science and Technology No 1/2016 NEO TRONG ĐẤT (GROUND ANCHOR): CẤU TẠO, PHÂN LOẠI, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN NEO Th.S Lê Trường Sinh Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt Hiện phương pháp giằng chống tường vách hố đào sử dụng neo đất sử dụng phổ biến cơng trình dân dụng Việt Nam Nhưng nước ta chưa có tiêu chuẩn thiết kế, thi công giám sát neo đất cho cơng trình dân dụng Tác giả tổng hợp, giới thiệu cấu tạo, nguyên lý hoạt động sở lý thuyết tính tốn sức chịu tải neo đất theo số tiêu chuẩn sử dụng( Tiêu chuẩn Anh: BS 8081:1989; Tiêu chuẩn Trung Quốc: CECS 22-1990) Từ khóa Neo đất, ground anchor Neo đất (Ground anchor) 1.1 Lịch sử phát triển neo đất Neo đất loại chịu kéo kiểu mới, đầu liên kết với kết cấu cơng trình tường cọc chắn đất, đầu neo chặt vào đất để chịu lực nâng lên, lực kéo nhổ, lực nghiêng lật áp lực đất, áp lực nước tường chắn, lợi dụng lực neo giữ tầng đất để trì ổn định cơng trình Qua số cơng trình sử dụng hệ thống tường neo đất, cho thấy giá thành sử dụng tường neo đất thấp xấp xỉ 1/3 lần so với sử dụng kết cấu tường chắn thông thường Hơn nữa, hệ thống neo thường có thời gian thi cơng nhanh không cần làm đường tạm Neo đất thường sử dụng để thay kết cấu chống đỡ tường chắn thép, bê tông, gỗ Neo đất sử dụng đập Cheurfas, Algeria để neo bể chứa nước vào năm 1938 Sau chiến tranh giới thứ 2, neo đất ứng dụng rộng rãi lĩnh vực: ổn định mái đào, ổn định mái dốc chống sạt lở, gia cố đập… Năm 1958 lần neo đất sử dụng để giữ ổn định tường chắn đất thi cơng hố móng sâu Sau lần ứng dụng thành công năm 1958, neo đất cho thấy nhiều ưu điểm nên nhiều nước tiếp tục nghiên cứu phát triển, đưa quy trình thiết kế hồn thiện cơng nghệ thi cơng Ở Việt Nam, cơng trình sử dụng kỹ thuật neo đất Bachy Soletanche Vietnam (Pháp) thực thành cơng Tịa tháp VietcomBank 184 Trần Quang Khải, Hà Nội vào 28 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 năm 1977 Tường vây sử dụng neo đất sử dụng để thi công tầng hầm dự án Trung tâm điều hành Thông tin viễn thơng Điện lực Việt Nam có diện tích 14.000 m2 số 11 phố Cửa Bắc, TP Hà Nội vào năm 2008 Tòa tháp Keangnam Landmark Tower cao Việt Nam, Lô đường Phạm Hùng, Hà Nội, Samwoo Geotech(Hàn Quốc) thi công tháng 5/2008, tường bê tông cốt thép liên tục đất dày 80cm hai tầng neo đất có sức chịu tải từ 35-40 sử dụng để thi công tầng hầm tòa tháp Cọc ximăng - đất trộn sâu xem xét thiết kế làm giải pháp ổn định hố đào (kết hợp phần với neo đất) cho tầng hầm chung cư cao tầng Thương mại – Dịch vụ LUGIACO số 70 đường Lữ Gia, P.15, quận 11, thành phố Hồ Chí Minh Gần Công ty Samwoo Vietnam sử dụng phương án tường cọc BTCT kết hợp neo ứng suất trước (ƯST) để thi công tầng hầm công trình Trung tâm Thương mại Đà Lạt (Dalat Center) thành phố Đà Lạt 1.2 Phân loại neo đất Neo đất phân loại dựa theo cách liên kết với đất, cách lắp đặt, phương pháp phun vữa, công dụng, phương pháp căng kéo Cơ phân chia đây: Information of Science and Technology No 1/2016 (2) Neo cố định sử dụng lâu tùy thuộc vào thời gian tồn cơng trình, tham gia vào q trình chịu lực chung cơng trình Theo cách lắp đặt hoạt động neo chia thành neo thường neo ƯST: (3) Neo thường: Là loại neo mà trình lắp đặt lõi neo không căng ứng suất trước Đối với neo này, lõi neo có độ giãn đáng kể tải trọng tác dụng, chuyển dịch đầu neo tương đối lớn sức chịu tải neo huy động tối đa Cấu tạo lõi neo: thường thép cường độ cao [4] (4) Neo ƯST: Là loại neo mà lắp đặt lõi neo cáp căng ứng suất trước Để giảm bớt chuyển dịch đầu neo tới mức chấp nhận được, neo đất thường tạo ứng suất trước cách kéo trước neo đất phía kết cấu Cấu tạo neo ƯST: lõi neo bó cáp cường độ cao căng ứng suất trước lắp đặt [4] 1.3 Ứng dụng neo đất 1.3.1 Neo ổn định tường chắn thi công hố đào Neo đất kết hợp với tường chắn cọc chống ván lát ngang bê tông phun, tường bê tông cốt thép, tường vây cọc ván… tạo thành hệ thống tường chắn ổn định mái đất phục vụ cơng tác đào đất thi cơng cơng trình ngầm: tầng hầm tòa nhà, bể nước ngầm, nhà ga tàu điện ngầm đặt lòng đất, bãi đổ xe ngầm… Ưu điểm hệ thống không chiếm mặt thi công, thời gian thi công nhanh Hình 1.1 Phân loại neo đất Theo mục đích thời gian sử dụng, neo chia thành neo tạm thời neo cố định: (1) Neo tạm thời loại neo tháo sau kết cấu có khả tự chịu lực Hình 1.2 Neo ổn định tường chắn thi công đào đất khách sạn Pico Calheta – Bồ Đào Nha 2007 [9] 29 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 1.3.2 Ổn định tường chắn thi công đường đào Hệ thống tường neo thường sử dụng để ổn định mái dốc cho thi công đào đường qua vách núi có mái dốc lớn, mở rộng lịng đường,… Information of Science and Technology No 1/2016 xây dựng thông thường chống lại lực đẩy tải trọng tĩnh thân kết cấu Ưu điểm việc chống lại lực đẩy neo đất khối lượng bê tơng sàn so với dùng phương pháp tải trọng tĩnh Tuy nhiên cách tồn số nhược điểm: - Sự thay đổi tải trọng neo làm kết cấu bị lún xuống nâng lên; - Khó thi cơng chống thấm; - Ứng suất sàn thay đổi nhiều Hình 1.3 Neo ổn định tường chắn thi công đào đất cơng trình đường tàu điện ngầm xun núi Alpine, Thụy Sĩ 2003 [9] 1.3.3 Ổn định chống sạt lở mái dốc Neo đất thường sử dụng kết hợp với tường, dầm ngang, khối bê tông để ổn định mái dốc chống sạt lở Neo đất cho phép đào sâu để xây dựng đường cao tốc Neo đất sử dụng để ổn định khối đất đá phía mái dốc ổn định mặt trượt Các dầm ngang khối bê tông sử dụng để truyền tải trọng từ neo vào đất bề mặt mái dốc để giữ ổn định mái dốc vị trí đào Việc lựa chọn sử dụng dầm ngang hay khối bê tông phụ thuộc điều kiện kinh tế, mỹ quan, tu bảo dưỡng trình khai thác sử dụng Hình 1.5 Hệ thống neo đất chống lực đẩy tuyến hầm đường Burnley Tunnel Melbourne, Australia [7] 1.4 Cấu tạo neo đất Về cấu tạo neo đất bao gồm phần đầu neo, đoạn tự đoạn neo giữ: Hình 1.6 Mặt cắt điển hình neo đất Hình 1.4 Neo đất giữ ổn định mái dốc chống sạt lở Degendamm Australia [7] 1.3.4 Chống lật, chống đẩy Các neo cố định thường sử dụng để chống lại lực đẩy Lực đẩy tạo áp lực thủy tĩnh hay kết cấu ổn định bị lật đổ Các kết cấu 1.4.1 Lõi neo Là phận có khả truyền tải trọng kéo từ phần bầu neo đến đầu neo Lõi neo cáp nhiều sợi thép thanh, gia công từ thép cường độ cao.Với lõi neo dạng cáp chiều dài neo khơng bị hạn chế, cịn với lõi neo thép ta kéo dài cách dùng hộp nối cường độ cao thích hợp 30 Thơng báo Khoa học Cơng nghệ Số 1/2016 Lõi neo phủ lớp chống ăn mịn đặc biệt (thường chủ yếu có gốc bitum), sau bọc ống chất dẻo polypropylene (PP) polyethylene (PE) không thấm nước nhà máy, điều giúp dây neo hạn chế ăn mịn q trình cất trữ, vận chuyển sử dụng Mật độ lõi neo thép lỗ neo cần phải khống chế khơng vượt q 15% diện tích diện tích lỗ khoan dây cáp nhiều sợi song song 20% diện tích lỗ khoan dây cáp đơn, thép dây cáp nhiều sợi loại sần thích hợp, nhằm mục đích giảm thiểu tượng bong [1] Information of Science and Technology No 1/2016 1.4.2 Đầu neo Đầu neo có nhiệm vụ truyền tải trọng kéo từ lõi neo đến bề mặt đất kết cấu chống đỡ (như tường chắn đất hố đào, mái dốc, tường đập ngăn nước, trụ móng tháp truyền hình,…) (a) (b) Hình 1.7 Lõi neo làm thép [9] Hình 1.8 Lõi neo làm cáp [9] Hình 1.10 (a), (b) Chi tiết đầu neo với lõi neo dây cáp [9] Với lõi neo làm dây cáp, tải trọng kéo từ tao cáp truyền vào chốt nêm thông qua ma sát truyền qua neo  đỡ  bệ đỡ (thường dạng khối bê tơng hay dầm gân thép hình)  kết cấu Với lõi neo làm thép, tải trọng kéo từ thép truyền vào ê-cu  vòng đệm  đỡ  kết cấu Vật liệu chế tạo cấu đệm/định tâm phổ biến hay dùng nhựa chất lượng cao Hình 1.11 Chi tiết đầu neo với lõi neo thép [2] Hình 1.9 Cơ cấu định tâm/đệm cho dây neo cáp nhiều sợi [9] 1.4.3 Đoạn tự Đoạn tự chiều dài lõi neo nằm đất không liên kết với đất Đoạn tự neo cần đủ dài cho đoạn 31 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 neo giữ nằm hoàn toàn phạm vi mặt trượt giới hạn khối đất phía sau tường chắn Trong đoạn tự lõi neo bao ngồi để chống ăn mịn 1.4.4 Đoạn neo giữ Đoạn neo giữ hay gọi bầu neo, bao bọc vữa XM truyền tải trọng từ neo vào đất đá xung quanh Trong phần bầu neo, lõi neo bóc lớp vỏ bọc để liên kết với vữa XM Bầu neo có nhiều hình dạng khác tùy thuộc vào điều kiện địa chất, có loại bầu neo nghiên cứu áp dụng [1]: - Bầu neo kiểu A: thi công khoan lỗ với ống vách, không mở rộng bầu neo, phun vữa xi măng rút ống vách từ từ Kiểu dùng phổ biến đá ổn định đất đắp dính cứng Sức kháng nhổ phụ thuộc vào ma sát bên giao diện đất/vữa - Bầu neo kiểu B: phun vữa áp lực thấp (áp lực phun vữa tiêu biểu Pi  1000 kN/m2) Với kiểu neo vữa xi măng thấm qua lỗ rỗng nứt nẻ tự nhiên đất làm tăng đường kính bầu neo Kiểu neo dùng phổ biến đá yếu nứt nẻ lớp hạt thô, phổ biến đất rời hạt mịn Ở loại vữa xi măng không qua lỗ rỗng nhỏ áp lực vữa làm chặt đất cục sau khoan làm tăng đường kính có hiệu tăng cường sức kháng cắt Sức kháng chịu nhổ phụ thuộc chủ yếu vào sức kháng cắt bên thực tế, kể đến thành phần sức kháng mũi tính tốn sức chịu tải giới hạn Hình 1.12 Bốn loại bầu neo áp dụng [1] Information of Science and Technology No 1/2016 - Bầu neo kiểu C: phun vữa áp lực cao (Pi > 2000 kN/m2) Dưới áp lực cao, vữa xi măng len lỏi qua nứt nẻ tự nhiên, lỗ rỗng lớn nhỏ khối đất tạo chùm rễ vữa  làm tăng đường kính bầu neo Khi thi công neo kiểu C người ta thường tiến hành phun vữa nhiều lần để tăng khả chống nhổ bầu neo, thường phun lần thứ hai sau vữa phun lần thứ sơ ninh Kiểu neo áp dụng phổ biến đất rời hạt mịn Thiết kế dựa sở giả thiết ứng suất không đổi dọc theo bầu neo - Bầu neo kiểu D: khoan lỗ máy khoan chuyên dụng có khả tạo loạt chỗ mở rộng theo hình chng theo hình bầu Khi thi cơng thường phun trước vữa xi măng, hóa chất đất bao quanh bầu neo, bơm dung dịch khoan polime vào lỗ khoan khoan tạo bầu Kiểu neo sử dụng phổ biến đất dính từ chặt đến cứng Sức chịu nhổ phụ thuộc vào ma sát bên sức chịu mũi bầu đơn có bầu rộng sức chống giữ đất huy động chủ yếu sức chống mũi Vữa xi măng dùng để tạo bầu neo thường dùng vữa ngun chất (vữa khơng có cấp phối) Loại vữa xi măng cát sử dụng cho lỗ khoan có đường kính lớn Máy trộn vữa tốc độ cao thường sử dụng để đảm bảo đồng vữa nước tỷ lệ theo khối lượng nước/xi măng khoảng từ 0,40 đến 0,55 Xi măng loại I thường sử dụng với cường độ nhỏ vào thời điểm tạo ứng suất 21 MPa Tùy vào đặc điểm cơng trình phụ gia sử dụng để tăng độ sụt cho vữa Các chất phụ gia không yêu cầu sử dụng, hiệu sử dụng phụ gia siêu dẻo bơm vữa nhiệt độ cao chiều dài bơm lớn 1.5 Các hệ thống tường neo Một ứng dụng phổ biến neo đất cơng trình dân dụng tường neo sử dụng nhằm ổn định 32 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 mái đào ổn định mái dốc Các tường neo bao gồm tường hẫng không trọng lực với nhiều tầng neo đất Các loại tường hẫng không trọng lực gồm phận thẳng đứng liên tục khơng liên tục khoan đóng xuống đáy cao độ đào Tường hẫng không trọng lực chịu lực sức kháng cắt, độ cứng chống uốn thành phần theo phương đứng sức kháng bị động đất cao độ đào Sức chịu tải tường neo dựa vào thành phần sức chịu tải ngang neo để chống lại áp lực ngang (đất, nước, động đất,…) tác dụng vào tường Phân loại tường neo ƯST thường sử dụng sau: - Tường cọc ván thép, dầm giằng; - Tường cọc chống, ván lát bê tông cốt thép lát ngang; - Hệ thống tường gồm cọc chèn - Tường cừ bê tông cốt thép liên tục; - Tường bê tông cốt thép không liên tục (cọc chống bê tông cốt thép lát mặt) Chuyển vị mô men uốn tường ổn định mái đào hàm số cường độ đất độ cứng tường Độ cứng tường phụ thuộc vào độ cứng kết cấu tường (EI) khoảng cách theo phương đứng hàng neo (L) Tường cọc ván thép tường gồm hệ thống cọc chống, ván lát ngang xem hệ thống tường mềm Tường gồm cọc chèn nhau, tường cọc bê tông cốt thép liên tục, tường cọc bê tông cốt thép không liên tục xem hệ thống tường cứng 1.5.1 Tường cọc chống đứng ván lát ngang Tường cọc chống ván lát ngang sử dụng Đức vào năm cuối kỉ 19 nhanh chóng sử dụng rộng rãi Châu Âu Tường gồm phận chính: cọc chống chịu tồn tải trọng lực xơ ngang đất ván lát Information of Science and Technology No 1/2016 ngang chịu tải trọng áp lực đất hai cọc chống Tường neo cọc chống đứng thép hình ván lát ngang gỗ để giữ ổn định hố đào Cọc chống đứng thép hình có tiết diện ngang hình chữ I, giằng ngang thép hình có tác dụng phân bố lực neo cho cọc chống đứng liền kề Hình 1.13 Tường neo cọc chống ván lát ngang [8] 1.5.2 Tường neo cừ thép Tường cừ thép thường sử dụng loại đất không lắp đặt ván lát đất sét yếu, đất bùn bão hòa nước, đất bùn yếu, cát pha sét yếu… Các loại đất không ổn định đào không chống giữ Hình 1.14 mơ tả tường cừ thép với giằng ngang neo đất Cừ thép thường đóng ép thành hàng chèn Cừ thép cịn ngăn khơng cho nước thấm qua Hình 1.14 Tường neo cừ thép (Nguồn Murphy International Ltd) 1.5.3 Tường cọc bê tông cốt thép 33 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 Tường gồm cọc bê tông cốt thép liền kề thường sử dụng điều kiện địa chất khơng có xảy kiểm soát tượng đất thấm nước Tường gồm cọc liền kề kết cấu tạm phục vụ thi công tham gia chịu lực với kết cấu cuối Các cọc bê tơng liên kết theo ngun tắc cứng – mềm (thông dụng) hay cứng – cứng Các cọc bê tông mềm thi công trước, sử dụng hỗn hợp bê tơng mềm khơng có cốt thép Các cọc cứng thi công sau chèn vào cột mềm mặt Các cọc cứng sử dụng kết cấu bê tông cốt thép Các cọc cứng tạo nên cường độ độ cứng kết cấu tường Cũng giống tường gồm cọc liền kề, tường gồm cọc chèn vào dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công tham gia chịu lực với kết cấu cuối Information of Science and Technology No 1/2016 ngừa phá hoại trượt, giảm tính thấm chống lại tượng trồi bề mặt Hình 1.16 Tường neo cọc xi măng – đất trộn sâu (Nguồn Samwoo Geotech CO Ltd) 1.5.5 Tường cừ bê tông cốt thép đất (tường barrette) Tường cừ bê tơng cốt thép đất dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công tham gia chịu lực kết cấu cuối Khi tường cừ tham gia chịu lực với kết cấu cuối kinh tế việc thi công nhanh Tường cừ bê tơng cốt thép đất có độ cứng lớn so với hệ thống tường cọc chống ván lát ngang, tường cừ ván thép Nó sử dụng để giảm độ lún, chuyển vị ngang đất kết cấu liền kề suốt trình thi công, đặc biệt loại đất mềm yếu Hình 1.15 Tường neo cọc bê tơng cốt thép liền kề làm kết cấu tạm phục vụ công tác đào đất dự án Dalat Center (Nguồn Samwoo Geotech CO Ltd) 1.5.4 Tường cọc xi măng - đất trộn sâu Cọc ximăng - đất trộn sâu phương pháp cải tạo đất nhằm tăng cường độ khống chế chuyển vị giảm tính thấm [9] Mũi khoan nhiều trục guồng trộn sử dụng để thi công cọc chồng lên tăng cường độ việc trộn xi măng với đất Phương pháp sử dụng để chống đỡ hố đào cách tăng cường độ chịu cắt đất, ngăn Hình 1.17 Tường cừ bê tông cốt thép đất [8] 1.5.5 Ưu, nhược điểm hệ thống tường neo * Ưu điểm: - Thi công hố đào gọn gàng tạo mặt thi công rộng rãi không sử dụng 34 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 Information of Science and Technology No 1/2016 hệ thống văng ngang nên thi cơng đào đất giới - Chống vách đất với độ ổn định độ an tồn cao, thi cơng hố đào sâu mà không phụ thuộc vào kết cấu tầng hầm - Neo kết hợp với tường chắn mềm làm phân bố lại nội lực kết cấu tường, giảm kích thước, chiều sâu thép tường chắn * Nhược điểm: - Cần thiết bị thi công chuyên dụng, đội ngũ kỹ thuật thi cơng chun nghiệp có nhiều kinh nghiệm - Nền đất yếu khó áp dụng, chiều sâu neo lớn khó thi cơng - Khi sử dụng neo phải dùng đất cơng trình lân cận cần phải cho phép đơn vị chủ quản cơng trình Cơ sở lý thuyết tính tốn neo đất Trong cơng trình dân dụng, neo sử dụng phổ biến để giằng giữ ổn định tường chắn vách hố đào sâu, chủ yếu neo ƯST Trong mục này, tác giả tìm hiểu sở lý thuyết, cách tính tốn neo ƯST cho tường chắn hố đào Tập trung vào loại neo sử dụng phổ biến neo kiểu A neo kiểu B 2.1 Áp lực dất chủ động Xét trường hợp lưng tường thẳng đứng, mặt đất lấp nằm ngang vận dụng lý thuyết cân giới hạn theo Rankine để tính áp lực đất chủ động (Hình 2.1) Nếu lưng tường chắn tác động áp lực đất mà làm cho lưng tường dịch chuyển hình vẽ, thể đất sau lưng tường đạt đến trạng thái cân giới hạn, tức trạng thái chủ động Rankine [2] Lấy phân tố đất độ sâu z, chỗ lưng tường ứng suất theo phương đứng suất lớn phương ngang x 1 , z   z ứng ứng suất theo ứng suất nhỏ  , tức áp lực đất chủ động   p   z a, tính tốn pa Lấy thay vào cơng thức ta cơng thức tính áp lực đất chủ động Rankine: Đối với đất cát:   pa   z tan  45o     zK a 2  (1) Đất có tính sét: (2)     pa   z tan2  45o    2c tan 45o     zKa  2c Ka 2 2   Trong đó:   K a  tan  45o   2  Ka : hệ số áp lực đất chủ động:  : dung trọng thiên nhiên đất (kN/m3); C : lực dính đất (kN/m2);  : góc ma sát đất (độ); Z : độ sâu từ điểm tính tốn đến mặt đất (m) a) b) Hình 2.1 Áp lực đất chủ động theo Rankine a) Đối với đất cát, b) Đối với đất sét Với đất cát, hợp lực EA áp lực đất chủ động lưng tường diện tích hình phân bố pa, vị trí điểm tác động chỗ trọng tâm hình phân bố: EA   H 2Ka (3) Đối với đất tính sét: z = 0, từ p   2c K a a công thức (2), biết tức xuất vùng lực kéo Cho pa công 35 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 Information of Science and Technology No 1/2016 thức 2.2 0, giải độ cao vùng chịu kéo là: ho  2c  K a (4) Vì đất lấp lưng tường chịu ứng suất kéo, phạm vi lực kéo xuất khe nứt, tính áp lực đất chủ động lên lưng tường không xét đến tác động vùng lực kéo [2], nên: (5)    K a  tan  45 o   2  Khi bề mặt đất phía sau tường chắn có tải trọng phân bố liên tục q tác động, tính tốn cho ứng suất đứng z độ sâu z tăng thêm trị q Thay z công thức (1), (2) (  z  q ) công thức tính áp lực đất chủ động có siêu tải mặt đất: 1 2c2 EA   Ka (H ho )2   H2Ka 2cH Ka  2  Nếu phía sau tường đất gồm nhiều lớp (Hình 2.2) theo cơng thức (1) cơng thức (2) để tính áp lực đất chủ động phải ý mặt ranh giới lớp đất, tiêu cường độ chịu cắt lớp đất khác nhau, làm cho phân bố áp lực đất có đột biến Phương pháp tính sau: Hình 2.3 Áp lực đất chủ động có siêu tải quanh bờ hố móng Đất tính cát: Đất tính sét: pa  ( z  q) K a pa  ( z  q ) K a  2c K a ho  Hình 2.2 Tính áp lực đất chủ động đất gồm nhiều lớp P  2c K a1 a1 Điểm a: Trên điểm b (trong tầng đất thứ Pa2   1h1 K a1  2c1 K a1 nhất): Dưới điểm b (trong tầng đất thứ hai): Pa2   1h1 K a1  2c2 K a Điểm c: Pa  ( 1h1   h2 ) K a  2c2 K a Trong đó:    K a1  tan  45o   2  (6) (7) 2c q Ka  Khi khơng có siêu tải cố định, để kể đến việc chất tải thi cơng quanh hố móng, yếu tố xe cộ chạy qua… thông thường lấy q = 10 – 20 kN/m2 [2] 2.2 Hệ số an tồn tính tốn neo Hệ số an toàn neo tỉ số tải trọng giới hạn tải trọng thiết kế Sau quy định hệ số an tồn tính tốn neo theo quy phạm số nước: Quy định hệ số an tồn tính tốn neo quy phạm ngành hội tiêu chuẩn hóa xây dựng Trung Quốc (CECS 22-1990) [6] trình bày bảng 2.1: 36 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 Information of Science and Technology No 1/2016 Bảng 2.1: Hệ số an toàn neo theo CECS 22-1990 Mức độ nguy hiểm neo bị phá hủy Neo tạm thời Neo vĩnh cửu Nguy hại nhẹ, không ảnh hưởng cơng cộng 1,4 1,8 Nguy hại lớn, khơng có vấn đề công cộng 1,6 2,0 Nguy hại lớn, liên quan đến an tồn cơng cộng 1,8 2,2 Các hệ số an toàn tối thiểu kiến nghị để thiết kế neo theo tiêu chuẩn Anh BS 8081:1989 [1] thể bảng 2.2 Bảng 2.2: Các hệ số an toàn neo theo BS 8081:1989 Hệ số an toàn tối thiểu Loại neo Các neo tạm thời gian sống nhỏ tháng phá hoại không gây hậu nghiêm trọng không gây nguy hiểm cơng cộng, ví dụ thử tải cọc thời gian ngắn dùng neo làm hệ đối trọng Các neo tạm thời gian sống kéo dài đến năm hậu phá hoại nghiêm trọng không gây nguy hiểm cho an tồn cơng cộng, khơng cần thiết cảnh báo, ví dụ tường chắn có neo sau Các neo dài hạn tạm thời nguy hiểm ăn mòn cao và/hoặc hậu phá hoại nghiêm trọng, ví dụ cáp chủ cầu treo đối trọng để nâng phận kết cấu nặng Hệ số tải trọng thử Dây neo Giao diện đất/vữa Giao diện vữa/dây/neo vữa/mũ neo 1,40 2,0 2,0 1,10 1,60 2,5* 2,5* 1,25* 2,00 3,0+ 3,0* 1,50 Một số quy định hệ số an toàn neo theo tiêu chuẩn khác: Bảng 2.3: Hệ số an toàn neo theo số tiêu chuẩn Tên nước Đức (DIN 4125-1990) [12] Nhật (JSFD 1990) [15] 2.3 Các phương pháp tính tốn tường neo Có phương pháp để tính tốn, phân tích tường neo bao gồm: Neo tạm thời Neo vĩnh cửu 1,33 1,50 1,50 2,50 - Phương pháp RIGID (dầm tựa gối cứng) - Phương pháp WINKLER (dầm tựa gối đàn hồi) 37 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 - Phương pháp phần tử hữu hạn 2.3.1 Phương pháp RIGID Tường neo giả sử phần tử đàn hồi liên tục (EI số) gối đỡ cố định vị trí neo đất Áp lực đất xác định trước không phụ thuộc vào chuyển vị đất Vì vậy, phương pháp RIGID không xét phân bố lại áp lực đất chuyển vị tường Tải trọng đất tác dụng vào tường theo biểu đồ hình thang (biểu đồ áp lực đất biểu kiến) phân bố theo biểu đồ hình tam giác thơng thường Đất phía trước tường giả thiết tác dụng lên tường gối giả điểm có tổng áp lực đất tác dụng vào tường nhằm khống chế chuyển vị tường Hình 2.4 Phương pháp dầm tương đương tựa gối cứng (RIGID) 2.3.2 Phương pháp WINKLER Phương pháp WINKLER phương pháp dầm tựa đàn hồi Phương pháp dựa vào phần tử hữu hạn chiều đại diện cho hệ thống tường/đất Tường neo xem phần tử dẻo liên tục có độ cứng EI mơ phần tử dầm - cột đàn hồi tuyến tính Tường neo tựa số hữu hạn gối đàn hồi phi tuyến có độ cứng K, phân bố gần sát để mơ hình cho đất Neo đất mơ gối đàn hồi phi tuyến riêng lẻ, truyền tải trọng trước vị trí neo Các gối đất đàn hồi truyền tải trước đến điều kiện áp lực đất trạng thái nghỉ, nhằm mơ hình cho điều kiện đất trước đào Khi đào đất (bỏ gối đàn hồi đất vùng đất bị đào), tường dịch chuyển vào phía đào Sự dịch chuyển áp lực đất truyền Information of Science and Technology No 1/2016 trước trạng thái nghỉ đất phía sau tường (đất khơng đào) Các gối đất đàn hồi phía trước tường chịu tải trọng lớn tải trọng trạng thái nghỉ để giữ hệ thống tường trạng thái cân Hơn nữa, vị trí neo, neo mơ hình gối neo đàn hồi, truyền tải trọng trước giúp giữ cân hệ thống tường Phương pháp WINKLER giả thiết gối đàn hồi để mơ hình tác động đất cách độc lập (ứng xử gối đàn hồi không ảnh hưởng đến ứng xử gối gần kề) Hình 2.5 mơ tả phương pháp phân tích WINKLER sử dụng cho phân tích tường thi cơng theo giai đoạn phân tích tường giai đoạn hồn thành mà khơng xét chuyển vị hệ thống xảy giai đoạn thi cơng Hình 2.5 Phương pháp dầm tựa đàn hồi (WINKLER) 2.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) [5] Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phương pháp giải tích sử dụng để xấp xỉ tương tác phức tạp, xảy đất kết cấu Phương pháp FEM cần nhiều thông số đầu vào để đạt ứng xử xác đất lên bề mặt kết cấu Loại phân tích gọi phân tích tương tác đất - kết cấu (SSI) Trong phân tích FEM SSI, đất tường mơ phần tử hữu hạn tuân theo quan hệ ứng suất biến dạng phù hợp SSI sử dụng để mơ hình q trình thi công thực tế Các giai đoạn thi công suốt q trình phân tích mơ hình gia tăng dần Q trình dùng mơ hình ứng suất - biến dạng để mô ứng xử 38 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 ứng suất - biến dạng đất mặt tiếp xúc đất - kết cấu phi tuyến phụ thuộc vào lộ trình ứng suất Lưới phần tử hữu hạn sử dụng tồn q trình phân tích Các phần tử thêm vào bỏ khỏi lưới q trình phân tích Các phần tử khơng tồn giai đoạn phân tích mơ hình phần tử có độ cứng nhỏ thường gọi “những phần tử khơng khí” Khi đến giai đoạn thi cơng có sử dụng vùng lưới, có phần tử khơng khí, thuộc tính phần tử thay đổi thành thuộc tính tương ứng đất phần tử kết cấu Một đặc điểm quan trọng phân tích FEM SSI cho phép phân tích mômen tương đối đất kết cấu cách sử dụng phần tử trực tiếp Đặc điểm cho phép tính tốn xác áp lực ứng suất cắt tác dụng vào kết cấu tường chắn Không giống phương pháp cân giới hạn thông thường, phương pháp SSI không yêu cầu xác định trước biểu đồ áp lực đất tác dụng vào kết cấu cho phép tính tốn ứng suất dựa vào tương tác đất - kết cấu suốt trình thi công 2.4 Sức chịu tải loại neo 2.4.1 Sức chịu tải neo theo BS 8081:1989 [1] a Các neo kiểu A Đối với neo kiểu A thân thẳng phun vữa ống tremie đổ theo kiểu trọng lực, ngun tắc tính tốn tương tự cọc khoan nhồi dựa sở dùng độ bền cắt khơng nước Khả giữ tải trọng giới hạn T dự báo theo biểu thức: T n   DL Cu (8) Trong đó: T : tải trọng neo thiết kế (kN); N : hệ số an toàn neo; Cu : độ bền cắt khơng nước trung bình toàn chiều dài bầu neo (kN/m2); Information of Science and Technology No 1/2016 D : đường kính lỗ khoan (m); L : chiều dài bầu neo (m);  : hệ số dính bám, thường lấy  <  0,45, muốn lấy giá trị > 0,45 cần thử neo b Neo kiểu B Đối với neo kiểu B phun p  1000 kN/m vữa áp lực thấp i , áp lực phun vữa gây áp lực dư đất Tải trọng giới hạn neo tính theo cơng thức: T n  pi  Ds L tan  (9) Trong đó: T : tải trọng neo thiết kế (kN); N : hệ số an toàn neo; pi : áp lực phun vữa (kN/m2); Ds : đường kính bầu neo (m), tùy vào độ chặt đất có giá trị từ 1,2D – 1,5D; L : chiều dài bầu neo (m);  : góc có hiệu sức kháng cắt (độ) 2.4.2 Sức chịu tải neo theo CECS 22-1990 [6] Khả chịu lực neo bơm vữa bình thường (neo kiểu A) theo CECS 22-1990 (áp lực vữa 0,3 – 0,5 MPa) có liên quan với đường kính lỗ khoan, độ dài cường độ chịu cắt đất, thể công thức: T n  L D (10) Trong đó: T : tải trọng neo thiết kế (kN); N : hệ số an toàn neo; L : độ dài bầu neo (m); D : đường kính lỗ khoan (m);  : cường độ chịu cắt đất (kN/m2), tính theo lý thuyết Coulomb sức kháng cắt:   K 0 h tan   c (11) Trong đó: K0 : hệ số đất lấp, với đất cát K0 = 1, đất sét K0 = 0,5;  : trọng lượng đất (kN/m3); 39 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 H : độ cao đất bên trên, thường lấy độ cao chỗ trung tâm neo cho dến mặt đất (m);  : góc ma sát đất (độ); C : lực dính trung bình đất suốt chiều dài bầu neo (kN/m2) Kết luận Neo ứng suất trước phương pháp thi công đại, cơng nghệ thi cơng cịn xa lạ với hầu hết kỹ sư Việt Nam giữ bí mật nhà thầu chuyên neo Trong khn khổ viết này, tác giả tổng hợp, trình bày nguyên lý hoạt động, cấu tạo, phân loại neo Information of Science and Technology No 1/2016 đất - tập trung vào neo ƯST dùng phổ biến cơng trình dân dụng - lý thuyết tính tốn neo đất tiêu chuẩn Anh (BS 8081:1989), Trung Quốc (CECS 22-1990) Trong nghiên cứu tiếp theo, tác giả hy vọng phát triển theo hướng: đề xuất quy trình tính tốn neo ƯST cho cơng trình dân dụng, sử dụng phần mềm PTHH (Plaxis) để tính tốn, kiểm tra neo so sánh với số liệu thi công thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Đẩu, 2001 Tiêu chuẩn Anh: BS 8081:1989 - Neo đất (bản dịch), NXB Xây dựng Nguyễn Bá Kế, 2009 Thiết kế thi cơng hố móng sâu, NXB Xây dựng Bùi Danh Lưu, 1999 Neo đất đá, NXB Giao thông vận tải Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 8870:2011 Thi công nghiệm thu neo đất dùng cơng trình giao thơng vận tải, Viện tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam Cassandra Janel Rutherford, 2004 “Design manual for excavation support using deep mixing technology”, Texas A&M University China Standard CECS 22-1990, Code for Design and Construction of Soil Anchors Devon Mothersille, 2011 “Ground Anchors – The importance of maintenance and inspections and some recent developments”, SBMA Ltd Kim S.K, 2008 “Ground Anchor and Anchored Systems”, Samwoo Ground Engineering and Consulting Ltd, Báo cáo Hội thảo chuyên đề Tổng công ty Vinaconex Hà Nội, ngày 27/08/2008 VSL International Ltd., 2010 “VSL Ground anchor systems” 40 ... Nền đất yếu khó áp dụng, chiều sâu neo lớn khó thi cơng - Khi sử dụng neo phải dùng đất công trình lân cận cần phải cho phép đơn vị chủ quản cơng trình Cơ sở lý thuyết tính tốn neo đất Trong cơng... thầu chuyên neo Trong khuôn khổ viết này, tác giả tổng hợp, trình bày nguyên lý hoạt động, cấu tạo, phân loại neo Information of Science and Technology No 1/2016 đất - tập trung vào neo ƯST dùng... tạp, xảy đất kết cấu Phương pháp FEM cần nhiều thông số đầu vào để đạt ứng xử xác đất lên bề mặt kết cấu Loại phân tích gọi phân tích tương tác đất - kết cấu (SSI) Trong phân tích FEM SSI, đất tường