Thiết kế tường chắn đất có cốt bằng lưới địa kỹ thuật

Trong xây dựng tường chắn đất, đất sau lưng tường được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng, so với các dạng vật liệu khác thì đất rất rẻ tiền, sẵn có nhưng lại có các đặc trưng cơ học kém, đặc biệt là không chịu được lực kéo. Từ đó đặt ra yêu cầu nghiên cứu các giải pháp phù hợp trong thiết kế, thi công đem lại hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật, nhưng đồng thời có tính thẩm mỹ và thân thiện với môi trường.

Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 65 THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT BẰNG LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ThS Nguyễn Thanh Danh Trưởng Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Xây dựng, trường ĐHXD Miền Trung Tóm tắt: Trong xây dựng tường chắn đất, đất sau lưng tường sử dụng loại vật liệu xây dựng, so với dạng vật liệu khác đất rẻ tiền, sẵn có lại có đặc trưng học kém, đặc biệt không chịu lực kéo Từ đặt yêu cầu nghiên cứu giải pháp phù hợp thiết kế, thi công đem lại hiệu kinh tế kỹ thuật, đồng thời có tính thẩm mỹ thân thiện với môi trường Qua nghiên cứu tiến kỹ thuật công nghệ vật liệu nước giới, viết xin giới thiệu giải pháp thiết kế tường chắn đất có cốt lưới địa kỹ thuật Từ khóa: Tường chắn đất có cốt; lưới địa kỹ thuật (geogrids) Giới thiệu lưới địa kỹ thuật Hiện tường chắn đất có cốt sử dụng vật liệu địa kỹ thuật ứng dụng rộng khắp giới Từ năm 1960 – 1970 ứng dụng lưới địa kỹ thuật sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Các cơng trình ứng dụng dạng vật liệu xuất nhiều nơi giới, từ Mỹ, Anh, Israel Singapore, Malaysia, Hàn Quốc, Trung Quốc,…và Việt Nam Tại Việt Nam, cơng trình tường chắn sử dụng vật liệu địa kỹ thuật phát triển vài năm trở lại đây, kể đến cơng trình tường chắn đường dẫn đầu cầu Kênh Nước Mặn, cầu Tân Đức, cầu Hùng Vương Long An, hay cơng Hình Lưới trục trình tường chắn đất Đà Nẵng, Bình Dương, Tp.HCM Lưới địa kỹ thuật làm chất polypropylene (PP), polyester (PE) hay bọc polyetylen-teretalat (PET) với phương pháp ép dãn dọc Hiện giới có nhiều cơng ty, nhà máy sản xuất lưới địa kỹ thuật làm cốt, kể đến Tensar, E’grid, BOSTD,… Các lưới địa kỹ thuật thường làm chất liệu polyetylen có tỷ trọng cao HDPE (High Density Polyethylen) có độ bền cao giúp cho lưới bền vững tác động mơi trường, tia cực tím (độ bền lên tới 120 năm) Lưới địa kỹ thuật chia làm ba loại: lưới trục (uniaxial geogrid); lưới trục (biaxial geogrid); lưới trục (triaxial geogrid) Theo hình 1,2,3: Hình Lưới trục - Lưới địa kỹ thuật trục có sức chịu kéo theo hướng thường để gia cố mái dốc, tường chắn Việc thi cơng cơng trình sử Hình Lưới trục dụng lưới địa kỹ thuật tương đối đơn giản Thời gian thi công rút ngắn so với phương pháp truyền thống Ngồi ra, Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 1-2013 việc sử dụng lưới địa kỹ thuật giúp tận dụng dạng vật liệu đắp địa phương làm giảm thiểu chi phí thi cơng Bề mặt tường chắn có nhiều phương án để lựa chọn bề mặt khối bê tông đúc 66 sẵn định hình, panel bê tơng đúc sẵn theo toàn chiều cao đúc thành phân đoạn, bê tông cốt thép mỏng lắp ghép, lưới rọ đá lưới trồng cỏ Hình Tường chắn gia cố lưới địa kỹ thuật trục Hình Mái dốc gia cố giải pháp bó uốn lưới địa kỹ thuật trục - Lưới địa kỹ thuật trục có sức kéo hai hướng, thường dùng để gia có đường, móng cơng trình Hiệu hoạt động lưới địa kỹ thuật trục dựa chế khóa hạt cốt liệu bên lưới có gân lưới dạng vuông Giữa hạt vật liệu bên mắt lưới tạo kết cấu cứng loại bỏ tượng dịch chuyển hạt nên ngăn ngừa tượng lún lệch, tăng cường khả chịu tải đất nền, đặc biệt có phân bố lại tải trọng diện rộng giúp giảm bề dày lớp kết cấu áo đường Nhờ vào ưu điểm mà bề dày lớp kết cấu giảm xuống khoảng 30%, từ chi phí xây dựng, chi phí tu bảo dưỡng giảm xuống đáng kể Cũng lưới địa kỹ thuật trục, lưới địa kỹ thuật trục sử dụng với loại vật liệu đắp có địa phương Sản phẩm lưới địa kỹ thuật trục tỏ hiệu ứng dụng cho cơng trình giao thơng, đường xá, nhà xưởng, kho bãi Hình Nền đất gia cố lưới địa kỹ thuật trục Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 - Lưới trục (triaxial geogrid) có sức chịu kéo theo tất hướng, cấu trúc mắt lưới có dạng tam giác nên giúp giữ chặt hạt vật liệu, kết hợp với tính chất phân bố cường độ theo phương, tạo thành lớp gia cố hiệu lưới trục Lưới trục dùng hiệu gia cố đất yếu Thiết kế tường chắn có lưới địa kỹ thuật gia cường Tường chắn đất có cốt lưới địa kỹ thuật thiết kế tận dụng kết hợp đặc trưng làm việc vật liệu khác nhau, có tính ổn định, độ cứng bị biến dạng kết hợp hai yếu tố: đất (chịu nén tốt) lưới địa kỹ thuật (chịu căng kéo) Có thể nói, với nhiều đặc tính vượt trội mình, tường chắn đất có cốt sử dụng lưới địa kỹ thuật giải pháp tiên tiến, ưu việt cho nhiều yêu cầu khác Lưới có nhiệm vụ neo khối đất dễ bị trượt vào khối đất tự ổn định, cịn bề mặt tường có tác dụng làm đẹp giữ cho đất khỏi bị xói mịn Phương pháp thiết kế dựa hai yếu tố để xác định loại lưới, chiều dài lưới khoảng cách lớp lưới: - Kiểm toán ổn định nội (kiểm toán ổn định thân tường): bao gồm kiểm toán cốt bị khả kéo đứt khả kéo tuột, nhằm mục đích xác định khoảng cách lớp lưới, lực đẩy lớn lớp lưới chiều dài lưới 67 gồm kiểm toán trượt ngang, lật, ổn định trượt tổng thể Hình Các sơ đồ kiểm tốn ổn định tổng thể Hiện nay, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn riêng cho thiết kế tường chắn có cốt lưới địa kỹ thuật Vì vậy, nội dung viết tác giả sử dụng tiêu chuẩn AASHTO 2002/NHI 043 – ASD Mỹ để giới thiệu bước cho toán thiết kế Áp dụng tính tốn thiết kế Thiết kế tường chắn đất gia cường lưới địa kỹ thuật trục, tường chắn cao 6m Cho biết: Đất tường chắn có r = 19,6kN/m3, r = 34 o, cr = 0; Đất sau tường chắn có b = 19,6kN/m3, b = 30o, cb = 0; Đất có f = 19,6kN/m3, f = 30o, cf = 0; Tải trọng phụ phân bố đỉnh tường: q = 15kN/m2 Bước Vẽ sơ đồ kiểm tốn tính tốn Hình Các sơ đồ kiểm toán ổn định nội - Kiểm toán ổn định tổng thể: tương tự kết cấu tường chắn đất khác, bao Hình Sơ đồ kiểm tốn Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 1-2013 trọng phụ phân bố đỉnh tường: q = 15kN/m2 Bước Kiểm toán ổn định nội bộ, bao gồm: - Kiểm toán khả cốt bị kéo đứt + Xác định áp lực ngang lên tường, h Ka = tan2(45o - b/2) = 0,33  h  K a  r z  q   0,3319,6 * z  15 Bước Vẽ sơ đồ bố trí lưới Hình 10 Sơ đồ bố trí lưới Bước Xác định thông số Chiều cao tường: H = 6m; chọn chiều dài lưới sơ bộ: L = 4,5m; Chọn khoảng cách lớp lưới: Sv = 0,5m; Đất tường chắn: r = 19,6kN/m3, r = 34o, cr = 0; Đất sau tường chắn: b = 19,6kN/m3, b = 30o, cb = 0; Đất nền: f = 19,6kN/m3, f = 30o, cf = 0; Tải + Xác định lực đẩy lớn lớp lưới, Tmax Tmax = h*Sv = 0,33(19,6*z + 15)*Sv + Chọn lưới có độ bền chịu kéo cho phép, Tall (Lưới hãng TENAX) FS ( B )  Tall  1,5 Tmax TT lớp (m) Bảng Tổng hợp kết kiểm toán khả bị kéo đứt Sv Tmax Loại lưới Tall HSAT Kết luận (m) (kN/m) (TENAX) (kN/m) FS (B) 12 11 0,5 1,0 0,5 0,5 4,1 5,7 TT045SAMP TT045SAMP 20,8 20,8 5,1 3,6 Đạt Đạt 10 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 7,3 8,9 10,6 12,2 13,8 15,4 17,0 TT045SAMP TT045SAMP TT045SAMP TT045SAMP TT060SAMP TT060SAMP TT060SAMP 20,8 20,8 20,8 20,8 27,7 27,7 27,7 2,8 2,3 2,0 1,7 2,0 1,8 1,6 Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt 5,0 5,5 6,0 0,5 0,5 0,5 18,6 20,3 21,9 TT090SAMP TT090SAMP TT090SAMP 41,6 41,6 41,6 2,2 2,1 1,9 Đạt Đạt Đạt z - Kiểm toán khả cốt bị kéo tuột + Chiều dài lưới neo giữ phía sau mặt trượt, LE LE  68 1,5(Tmax ) (2)(0,8)(tan r )(0,8)(1)( r )( z ) (LE ≥ 1m) + Chiều dài lưới phía trước mặt trượt, LR LR  Hz    tan  45o  r  2  + Xác định chiều dài lưới tổng cộng lớp, L L = LR + LE Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 TT lớp 12 11 10 z (m) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 69 Bảng2 Tổng hợp kết kiểm toán khả bị kéo tuột Sv Tmax LE LEmin FR HSAT Kết luận (m) (kN/m) (m) (m) (kN/m) FS (PO) 0,5 4,1 0,73 1,0 10,6 2,6 Đạt 0,5 5,7 0,51 1,0 21,2 3,7 Đạt 0,5 7,3 0,43 1,0 31,7 4,3 Đạt 0,5 8,9 0,39 1,0 42,3 4,7 Đạt 0,5 10,6 0,38 1,0 52,9 5,0 Đạt 0,5 12,2 0,36 1,0 63,5 5,2 Đạt 0,5 13,8 0,35 1,0 74,0 5,4 Đạt 0,5 15,4 0,34 1,0 84,6 5,5 Đạt 0,5 17,0 0,33 1,0 95,2 5,6 Đạt 0,5 18,6 0,33 1,0 105,8 5,7 Đạt 0,5 20,3 0,33 1,0 116,3 5,7 Đạt 0,5 21,9 0,32 1,0 126,9 5,8 Đạt Bảng Tổng hợp kết tính tốn chiều dài lưới TT lớp 12 11 10 z Sv Tmax LE LEmin LR L (m) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 (m) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 (kN/m) 4,1 5,7 7,3 8,9 10,6 12,2 13,8 15,4 17,0 18,6 20,3 21,9 (m) 0,73 0,51 0,43 0,39 0,38 0,36 0,35 0,34 0,33 0,33 0,33 0,32 (m) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 (m) 2,92 2,66 2,39 2,13 1,86 1,60 1,33 1,06 0,80 0,53 0,27 0,00 (m) 3,92 3,66 3,39 3,13 2,86 2,60 2,33 2,06 1,80 1,53 1,27 1,00 Bước 5: Kiểm tốn ổn định tổng thể + Kích thước hình học tường: H = 6m, L = 4,5m + Tính tải trọng: W = rHL = 19,6*6*4,5 = 529,2kN/m qL = 15*4,5 = 67,5kN/m L M RBP  M L   0,54m   0,75m W  qL 1 F1   b H 2Ka  *19,6 * 62 * 0,33  116,43 2 e (F1 kN/m) F2 = qHKa = 15*6*0,33 = 29,7kN/m + Tính mơmen: L kiến nghị (m) 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 MO = F1(H/3) + F2(H/2) = = 116,43*(6/3) + 29,7*(6/2) = = 321,96kNm/m MRO = W(L/2) = 529,2*(4,5/2) = 1190,7kNm/m MRBP = W(L/2) + qL(L/2) = 529,2*(4,5/2) + 67,5*(4,5/2) = 1342,58kNm/m - Kiểm toán lật Hệ số an toàn lật, FS(OT) FS (OT )  M RO 1190,7   3,7  1,5 M O 321,96  ổn định - Kiểm tốn trượt ngang Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 + Lực đẩy ngang đáy tường, FH FH = Pa = F1 + F2 = 116,43 + 29,7 = = 146,13kN/m + Lực chống đẩy ngang đáy tường, FR FR = Wtan(f) = 529,2*tan(30o) = 341,7kN/m + Hệ số an toàn trượt, FS(SL) FS ( SL ) F 341,7  R   2,3  FH 146,13  ổn định - Kiểm tốn ổn định + Tính độ lệch tâm, e + Sức chịu tải tới hạn đất nền, qult 70 qult = cfNc + 0,5f (L-2e)N = 0,5*19,6*(4,5 – 2*0,54)*22,4 = = 750,76kN/m + Tổng tải trọng thẳng đứng, v v  W  qL 529,2  67,5   192,89 kN/m L  2e 4,5  * 0,54 + Hệ số an toàn ổn định nền, FS (BC) FS ( BC )  qult 750,76   3,9  2,5  v 192,89  ổn định - Kiểm toán ổn định trượt tổng thể: ổn định hệ số an tồn lớn (Sử dụng phần mềm Geoslope/W) Hình 11 Sơ đồ kiểm toán ổn định trượt tổng thể Kết luận Tường chắn có cốt lưới địa kỹ thuật cho thấy ưu điểm vượt trội so với phương án truyền thống – sử dụng vật liệu bê tông cốt thép Tường chắn bền vững trước yếu tố tác động từ thiên nhiên Chi phí giảm đáng kể, tỏ rõ ưu phương án truyền thống, giúp tiết kiệm đáng kể cho chủ đầu tư Việc thi công tương đối đơn giản, không yêu cầu phương tiện thi công phức tạp, thời gian xây dựng công trình rút ngắn, tạo thuận lợi cho tiến độ dự án Tuổi thọ dạng cơng trình cao, lên tới 120 năm, việc tu, bảo dưỡng cơng trình khơng u cầu khắt khe Một điểm bật tường chắn có cốt lưới địa kỹ thuật mặt thẩm mỹ, có nhiều lựa chọn việc thiết kế bề mặt tường, lựa chọn bề mặt bê tơng, gạch block hay panel với hình dạng màu sắc khác Hiện nay, sản phẩm lưới địa kỹ thuật sản xuất phân phối nhiều công ty giúp cho việc cung ứng vật liệu trở nên dễ dàng, khâu tính tốn thiết kế hỗ trợ nhiều phần mềm chuyên dụng, giúp cho kết xác Việt Nam – nơi mà tượng xói mịn, trượt lở xảy phổ biến, gây Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 ảnh hưởng to lớn tới đời sống dân cư, kinh tế đất nước, việc tìm giải pháp phịng tránh, giảm thiểu tác hại tượng yêu cầu cấp bách nhiều cấp quản lý Chính vậy, tiềm ứng dụng vật liệu địa kỹ thuật tiên tiến lớn, phù hợp với điều kiện nước ta Sản phẩm có mặt mạnh mặt yếu, cần nghiên cứu phát triển 71 thêm mặt mạnh sản phẩm khắc phục mặt yếu phát triển sản phẩm ưu việt thay sản phẩm cũ Khơng có giải pháp, kỹ thuật tối ưu cho trường hợp nên người thiết kế phải cân nhắc định sử dụng giải pháp cách hợp lý kinh tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Học Hải 2004 Thiết kế thi cơng tường chắn có cốt, Nxb Xây Dựng [2] US Department of Transportation Federal Highway Administration 2001 Design and construction guidelines Publication No.FHWA-NHI-00-043 Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes [3] US Department of Transportation Federal Highway Administration 2001 Design and construction guidelines Publication No.FHWA-NHI-00-044 Corrosion/ Degradation of Soil Reinforcement for Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes [4] Victor Elias, P.E; Barry R Chiristopher, PhD, P.E and Ryan R, Berg, P.E 2001 Mechanically Stabilized earths walls and reinforced soil slopes Design & Construction Guidelines NHI - National Highway Institute office of Bridge Technology [5] BS 8006-1995: Code of practice for Strengthened/ Reinforced soils and other fills British Standard  ... dụng tính toán thiết kế Thiết kế tường chắn đất gia cường lưới địa kỹ thuật trục, tường chắn cao 6m Cho biết: Đất tường chắn có r = 19,6kN/m3, r = 34 o, cr = 0; Đất sau tường chắn có b = 19,6kN/m3,... tông cốt thép mỏng lắp ghép, lưới rọ đá lưới trồng cỏ Hình Tường chắn gia cố lưới địa kỹ thuật trục Hình Mái dốc gia cố giải pháp bó uốn lưới địa kỹ thuật trục - Lưới địa kỹ thuật trục có sức... liệu, kết hợp với tính chất phân bố cường độ theo phương, tạo thành lớp gia cố hiệu lưới trục Lưới trục dùng hiệu gia cố đất yếu Thiết kế tường chắn có lưới địa kỹ thuật gia cường Tường chắn đất có