Trong phần đầu của chương này, luận văn sẽ nghiên cứu các đặc tính cơ lý của vật liệu tổng hợp sử dụng làm cốt gia cường cho tường chắn đất có cốt được xét đến trong tính toán thiết kế cũng như các thí nghiệm sử dụng để xác định các đặc tính này.
Trong phần tiếp theo của chương, học viên sẽ tiến hành xây dựng một bản tính tương đối đầy đủ cho một công trình cụ thể là công trình tường chắn đất có cốt cho hai đầu cầu Hùng Vương, thành phố Phú Yên.
Phần cuối của chương sẽ tập trung phân tích các khác biệt trong các quy trình thiết kế được sử dụng phổ biến cho tính toán thiết kế các kết cấu tường chắn đất có cốt ở Việt nam là quy trình AASTHO và quy trình BS (British Specification) và từ đó đưa ra các nhận xét liên quan đến kết quả tính toán.
III.1 CỐT LIỆU BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP ỨNG DỤNG CHO TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT CHẮN ĐẤT CÓ CỐT
Sử dụng cốt cứng hay cốt biến dạng nhỏ (inextensible reinforcement) trong xây dựng tường chắn đất là giải pháp rất hiệu quả trong xây dựng các công trình tường chắn đất có cốt. Các cốt kim loại này cũng thể hiện một số nhược điểm liên quan đến khả năng chống ăn mòn.
Để giảm giá thành công trình, biện pháp phổ biến là sử dụng một lớp mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ cho các cốt gia cường bằng thép. Tuy nhiên lớp mạ kẽm nhúng nòng này, với các bề dày thay đổi chỉ có thể kéo dài tuổi thọ của các cốt liệu đáp ứng theo yêu câu của tuổi thọ công trình (vĩnh cửu 100-120 năm) chứ không chống được hiện tượng rỉ một cách triệt để. Trong quá trình sử dụng, các cốt gia cường này vẫn bị ăn mòn và gây ra hiện tượng giản yếu tiết diện cũng như ô nhiểm môi trường. Hiện tượng này càng phát triển nhanh hơn khi xây dựng các công trình
trong khu vực khí hậu ven biển hoặc công trình tường chắn co khả năng bị ngập lụt từng phần.
Để khắc phục triệt để hiện tượng ăn mòn của cốt liệu trong quá trình khai thác, một giải pháp triệt để là thay thế các cốt liệu gia cường bằng các cốt liệu bằng vật liệu tổng hợp. Giải pháp này thể hiện một số ưu điểm như giảm giá thành, giảm chi phí thi công, tăng nhanh tiến độ cũng như bảo vệ môi trường và cốt liệu là hoàn toàn không bị ăn mòn và rỉ.
Do giới hạn về thời gian và để phù hợp với khối lượng của một luận văn cao học, chương 3 của luận văn chỉ nghiên cứu các vấn đề của tính toán và thiết kế lien quan đến kết cấu tường chắn đất có cốt sử dụng cốt liệu bằng vật liệu tổng hợp (geosynthetic).
III.1.1 Vật liệu tổng hợp và ứng dụng cho tường chắn đất có cốt
Các loại vật liệu thường được sử dụng làm cốt gia cường cho tường chắn đất có cột thường là các loại dải hoặc lưới địa kỹ thuật được làm bằng chất polypropylene (PP), polyester (PE) và bọc bên ngoài bằng bằng polyetylen-teretalat (PET) với phương pháp ép và dãn dọc hoặc bằng chất liệu polyetylen có tỷ trọng cao HDPE (High Density Polyethylên) giúp cho lưới bền vững dưới các tác động của môi trường, tia cực tím.
Đối với tường chắn đất có cốt có mặt tường dạng tấm bê tông cốt thép đúc sẵn, người ta thường sử dụng các giải gia cường bằng vật liệu tổng hợp. Các dải này thường được cấu tạo bằng các sợi polyester được bọc bên ngoài bằng lớp vật liệu bảo vệ polyethylene.
Hình 3.1: Các dạng vật liệu điển hình sử dụng làm cốt gia cường cho tường chắn đất có cốt
Các sợi polyester cường độ cao được cầu tạo thành các bó độc lập bên trong lớp bảo vệ bằng polyethylene chống lại các tác động phá hoại cơ học trong quá trình thi công đắp đất hoặc các tác động môi trường, tia cực tím trong quá trình vận chuyển và lắp đặt.
Hình 3.2: Cấu tạo điển hình của các dải gia cường bằng vật liệu tổng hợp
Lớp vỏ bên ngoài của các dải gia cường này thường được tạo nhám để tăng tính ma sát với đất đắp xung quanh.
Các dải gia cường này thường được chế tạo với các cấp cường độ khác nhau. Quá trình sản xuất chế tạo phải được giám sát để kiểm soát các điều kiện sau đây:
• Các đặc tính cơ học của dải gia cường
• Chiều dày lớp phủ bảo vệ
• Chiều rộng của dải gia cường
• Chiều dài tổng thể của các cuộn vật liệu
Tất cả các cuộn vật liệu khi được vận chuyển đến công trường phải đi kèm với các chứng chỉ vật liệu thể hiện các điều kiện trên.
III.1.2 Các đặc tính ngắn hạn của cốt liệu bằng vật liệu tổng hợp xét đến trong thiết kế
Tuy rằng nguyên lý thiết kế và cách tiếp cận vấn đề không có quá nhiều khác biệt so với tường có cốt sử dụng cốt liệu cứng (thép), các đặc trưng kỹ thuật của vật liệu gia cường của cốt liệu tổng hợp cần xét đến trong tính toán thiết kế có sự khác biệt tương đối lớn. Các đặc tính làm việc ngắn hạn và dài hạn cần xét đến trong tính toán thiết kế này bao gồm:
• Đặc tính từ biến của cốt liệu tổng hợp, tức là đạc tính phát triển độ giãn dài theo thời gian khi mà lực tác dụng không thay đổi
• Các hư hỏng, phá hoại của cột liệu gây ra trong quá trình thi công, đặc biệt là công đoạn đắp đất, lu lèn. Đặc tính này phj thuộc nhiều vào chiều dày bảo vệ của cốt liệu cũng như cấp phối và loại đất đắp được sử dụng.
• Độ bền của cốt liệu, đặc biệt là dưới tác động của độ ẩm cũng như các thành tố hóa chất có tính hoạt hóa cao hoặc các loại vi khuẩn.
• Độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tia cực tím
• Nhiệt độ thiết kế, tất cả các đặc trưng cơ lý trên chỉ có ý nghĩa với cùng một nhiệt độ môi trường được xem xét đến trong thiết kế. Tại các nhiệt độ môi trường khác nhau sẽ cho các giá trị của các đặc trưng vật liệu khác nhau.
Cường độ thiết kế dài hạn của vật liệu cốt gia cường sẽ phải được tính toán trên cơ sở xét đến tất cả các đặc tính vật liệu kể trên.
Theo quy trình AASHTO, cường độ tính toán của vật phải nhỏ hơn cường độ chịu kéo ngắn hạn chia cho các hệ số triết giảm cường độ qua công thức: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tmax< Tult / (RTID x RDCR x RDD x FS) (3-1) Trong đó
Tult là cường độ chịu kéo ngắn hạn,
RFID là hệ số triết giảm cường độ lien quan đến các hư hỏng trong quá trình lắp đặt lưới gia cường
RFCR là hệ số triết giảm cường dộ lien quan đến đặc tính từ biến của cốt liệu
RDD là hệ số triết giảm cường độ liên quan đến độ bền của vật liệu gia cường
Tương tự, theo quy trình BS8006 (Phụ lục A), cường độ chịu kéo cho phép TD của vật liệu tổng hợp làm lưới gia cường cho tường chắn đất có cốt được xác định từ cường độ vật liệu cơ bản TB và hệ số vật liệu fm:
TD = TB / fm (3-2) Trong đó:
TB là cường độ chịu kéo tính toán của cốt gia cường tại thời điểm kết thúc tuổi thọ của công trình.
TB sẽ được xác định bằng một trong 2 giá trị tương ứng trong hai trường hợp:
TCR – trị số nội suy của cường độ kéo đứt từ biến của vật liệu cốt gia cường tại thời điểm kết thúc của tuổi thọ công trình
Hoặc
TCS – trị số nội suy của lực căng tương ứng với biến dạng từ biến giữa thời điểm kết thúc xây dựng và thời điểm kết thúc tuổi thọ công trình mà không vượt quá tiêu chí được xác định trước lien quan đến biến dạng giới hạn sử dụng (thông thường là 1.0% đối với tường chắn và 0.5% đối với mố cầu).
Hình 3.3: Định nghĩa và cách xác định trị số TCS
Nói cách khác, TB = TCR với thiết kế ở trạng thái giới hạn cường độ và TB = TCS khi kiểm toán trạng thái giới hạn sử dụng.
Theo quy trình BS 8006, fm được tính toán độc lập cho trường hợp tải trọng của trạng thái giới hạn cường dộ và trạng thái giới hạn sử dụng và bao gồm:
fm = fm11 x fm121 x fm122 x fm21 x fm22 (3-3) Trong đó
fm11 – hệ số vật liệu thành phần lien quan đến mức độ ổn định về chất lượng của nhà sản xuất cũng như sai số về kích thước của sản phẩm.
fm121 – hệ số vật liệu thành phần lien quan đến đánh giá các kết quả thí nghiệm để xác định giá trị nội suy
fm122 – hệ số vật liệu thành phần lien quan đến kết quả nội suy các kết quả thí nghiệm trên toàn bộ tuổi thọ thiết kế của công trình
fm21 – hệ số vật liệu thành phần xét đến các ảnh hưởng ngắn hạn và dài hạn của các công tác lắp đặt, thi công
fm22 – hệ số vật liệu thành phần xét đến ảnh hưởng của các điều kiện môi trường
III.1.3 Các thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu thiết kế của vật liệu
Để xác định các đặc trưng của vật liệu gia cường làm cơ sở cho tính toán thiết kế tường chắn đất có cốt, các thí nghiệm được quy định bởi hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ (ASTM – American Society for Testing Materials) và Hiệp hội tiêu chuẩn quốc tế (ISO) sau đây thường được sử dụng:
• Thí nghiệm từ biến với mục đích xác định hệ số triết giảm của vật liệu cốt gia cường do từ biến (ASTM D 5262, ASTM D 6992 SIM, ISO 13431);
• Thí nghiệm xác định mức độ hư hỏng của cốt liệu do quá trình lắp đặt lưới và đắp, đầm lèn đất đắp
• Các thí nghiệm lien quan đến độ bền của vật liệu dưới tác động của các yếu tố môi trường
• Các thí nghiệm lien quan đến độ bền của vật liệu dưới tác động của tia cực tím
• Các thí nghiệm vật liệu lien quan đến độ bền dưới tác động của vi sinh vật, vi khuẩn
Để xác định hệ số triết giảm của vật liệu gia cường geosynthetic do ảnh hưởng của từ biến, cás thí nghiệm từ biến được mô tả trong tiêu chuẩn ASTM D 5262, ASTM D 6992 SIM hoặc ISO 13431 có thể được sử dụng. Để giảm thời gian thí nghiệm, tăng tốc độ phát triển của từ biến cũng như cải thiện độ chính xác của việc xác định các kết quả từ biến dài hạn, các thí nghiệm từ biến ở nhiệt độ cao có thể được sử dụng để xác định mức độ phát triển của biến dạng theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng không đổi.
Hình 3.4: Mô phỏng thí nghiệm ASTM D 5262 và ASTM D 6992 SIM (Stepped Isothermal Method) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.5 dưới đây minh họa các kết quả thí nghiệm từ biến điển hình của vật liệu tổng hợp (geosynthetic) được sử dụng cho các kết cấu tường chắn đất có cốt dạng cốt mềm.
Hình 3.5: Ví dụ kết quả thí nghiệm từ biến của vật liệu cốt gia cường
Để xác định mức độ ảnh hưởng đến cốt liệu gây ra bởi công tác thi công, người ta tìm cách mô phỏng các điều kiện thực tế của công tác lắp đặt cốt liệu như rải cốt gia cường, đắp đất, lu lèn với các cốt liệu tương tự được sử dụng tại hiện trường. Các cốt gia cường sau đó được lấy lại và được thực hiện thí nghiệm kéo tiêu chuẩn. Kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả thí nghiệm vật liệu ban đầu để xác định, đánh giá mức độ hư hỏng gây ra bởi quá trình thi công. Các thí nghiệm này có thể được thực hiện tuân thủ theo các quy định của ASTM D 5818. Hình vẽ 3.xx dưới đây minh họa các bước khác nhau của công tác thí nghiệm mức độ hư hỏng của cốt liệu dưới tác dụng của quá trình lắp đặt.
Hình 3.6: Công tác thí nghiệm mức độ hư hỏng của vật liệu cốt gia cường dưới tác dụng của công tác thi công
Các thí nghiệm để xác định hệ số triết giảm lien quan đến độ bền với các yếu tố hóa học bao gồm các thí nghiệm điển hình sau:
ASTM D 5322, thí nghiệm để đánh giá độ bền của vật liệu tổng hợp (geosynthetic) khi được ngâm trong chất lỏng.
ASTM D 5496, thí nghiệm ngâm vật liệu trong điều kiện thực tế.
ASTM D 6389 và ASTM D 6213, thí nghiệm đánh giá độ bền với hóa chất của vật liệu tổng hợp khi bị ngâm trong dung dịch chất lỏng.
Các thí nghiệm để xác định mức độ ảnh hưởng của cốt liệu bằng vật liệu tổng hợp dưới tác dụng của tia cực tím có thể thực hiện tuân thủ theo các yêu cầu được quy định trong các tài liệu sau:
- ASTM D 4355, thí nghiệm xác định mức độ thoái hóa của vật liệu tổng hợp khi chịu tác động trực tiếp của ánh sang, độ ẩm và nhiệt độ.
- ISO 12959, thí nghiệm đánh giá mức độ thoái hóa của vật liệu tổng hợp khi chịu tác động trực tiếp của tia cực tím và nước.
Các thí nghiệm để xác định mức độ ảnh hưởng của môi trường xung quanh của vật liệu tổng hợp làm cốt gia cường cho tường chắn có nguồn gốc vi sinh vật, vi khuẩn có thể được thực hiện tuân theo các quy định sau:
- ASTM G160, thí nghiệm tiêu chuẩn để đánh giá mức độ ảnh hưởng của vật liệu không phải kim loại trong môi trường vi sinh vật (chon trong môi trường đất).
- ISO 12961, biện pháp thí nghiệm với các vật liệu có nguồn gôc tổng hợp để xác định độ bền với vi sinh vật bằng cách chon vật liệu trong nền đất.
Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu với mục đích mô phỏng các điều kiện làm việc thực tế của vật liệu khi được chon trong nền đất với tỷ lệ thực cũng được thực hiện. Điển hình là các thí nghiệm được thực hiện bởi phòng thí nghiệm cầu đường ở Crowthorn, Berkshire, Anh quốc (Naughton, P.J. và các đồng nghiệp, 2004). Trong thí nghiệm này, vào năm 1977, người ta tiến hành xây dựng một kết cấu tường chắn đất có cốt với tỷ lệ thực trong đó nhiều loại cốt giá cường khác nhau được sử dụng. Các mẫu vật liệu sau đó được lấy dần ra theo các thời điểm khác nhau để đánh giá sự thay đổi của cường độ chịu kéo theo thời gian.
Hình 3.7: Xây dựng kết cấu tường thí nghiêm năm 1977