VƯƠNG
III.2.1 Công trình tường chắn đất có cốt đầu cầu Hùng Vương – Thành phố Phú Yên
Cầu Hùng Vương (bắc qua sông Đà Rằng) được xây dựng cách cầu đường sắt Đà Rằng về phía hạ lưu trên 1,2km với chiều dài 1.280m, rộng 18m, tải trọng thiết kế H30XB80, hai đường dẫn đầu cầu dài gần 800m được thiết kế ứng dụng tường chắn đất. Cầu có 24 nhịp trong đó 10 nhịp dẫn phía nam và 9 nhịp dẫn phía
bắc, mỗi nhịp dài 40m, 5 nhịp ở giữa được thiết kế theo dạng vòm với chiều dài nhịp từ 80m đến 120m; đường dẫn phía nam là một nút giao khác mức tạo thẩm mỹ cho công trình.
Do điều kiện khí hậu ven biển, có khả năng bị ngập lụt phần đường dẫn trong thời gian sử dụng, kết cấu tường chắn đất có cốt hai đầu cầu được ứng dụng dạng cốt bằng vật liệu tổng hợp thay thế cho cốt thép thong thường để tăng khả năng chống ăn mòn.
Hình 3.8. Cảnh quan chung công trình cầu Hùng Vương
Công tác xây dựng tường chắn đất có cốt đầu cầu được thực hiện và kết thúc vào cuối năm 2010. Các bộ phận chủ yếu của kết cấu tường chắn sử dụng cho đường đầu cầu Hùng Vương bao gồm tấm tường bê tông cốt thép hình lục lăng, cốt gia cường và neo bằng vật liệu tổng hợp dạng dải và đất đắp cho tường chắn là loại cát hạt thô có góc nội ma sát đạt 32º và được đầm chặt đến K95.
Hình 3.9: Các bộ phận chính và công tác xây dựng tường chắn đất có cốt đầu cầu Hùng Vương, thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên
Hình vẽ 3.9. trên đây minh hoạc công tác lắp đặt và các bộ phận của tường chắn đường đầu cầu Hùng Vương.
III.2.2. Lập bảng tính thiết kế ổn định tường chắn đất có cốt
Việc xác định các kích thước cơ bản và tính toán thiết kế tường chắn đất có cốt cầu Hùng Vương được thực hiện tuân theo quy trình AASTHO LRFD và quy trình 22TCN 272-05 bao gồm các bước chủ yếu:
• Xác định các kích thước cơ bản của tường
• Kiểm toán ổn định tổng thể đáy móng tường
• Kiểm toán ổn định bên trong tường (kiểm toán chống trượt và lực kéo đứt) Để thuận tiện cho tính toán và các nghiên cứu ảnh hưởng của các hệ số được sử dụng trong các quy trình khác nhau ở mục 3.3, trong phần này, học viên sẽ trình bày việc xây dựng một bảng tính toán thiết kế ổn định bên trong tường chắn.
Mặt cắt được lựa chọn để lập bảng tính có chiều cao 6.57m, được xác định tương ứng với bước cao độ của các tấm panel mặt tường. Theo phương thẳng đứng, mặt cắt ngang tường được bố trí 9 lớp gia cường có khoảng cách theo phương thẳng đứng là 0.8m.
Hình 3.10: Mặt cắt ngang điển hình tường chắn đất đầu cầu Hùng Vương được sử dụng để lập bảng tính
Bảng 3.1. Các tham số của đất đắp THAM SỐ CỦA ĐẤT Thông số Đất đắp cho tường chắn Đất đắp bình thường Đất nền Đệm móng Góc nội ma sát: 32 độ. 30 độ. 30 độ. 32 độ. Dung trọng ướt 18 kN/m3 18 kN/m3 18 kN/m3 18 kN/m3 Dung trọng khô 12 kN/m3 12 kN/m3 12 kN/m3 12 kN/m3 Dính bám : 0.0 kN/m2 0.0 kN/m2 0.0 kN/m2 0.0 kN/m2 Hệ số chủ động áp lực đất 0.307 0.333 0.307
Các tải trọng và tham số tải trọng cho mặt cắt kiểm toán được thể hiện trong bảng 3.2 dưới đây.
Bảng 3.2. Tải trọng và các hệ số, tổ hợp tải trọng cho mặt cắt kiểm toán TẢI TRỌNG THIẾT KẾ
Tải trọng động trên khối trượt ωs1 = 20 kN/m2
Tải trọng động đằng sau khối trượt ωs2 = 20 kN/m2
Tác động của tải trọng ngang lênParapet Hl = 30 kN 11.10.10.2)(cl
Cánh tay đòn Lah = 1.21 m
Tải trọng do động đất Hệ số gia tốc địa
chấn = 0.09
Am = 0.122
Hệ số ma sát của dải Polymeric khi tính
với lực đẩy ngang µ = 0.500
Thông số vật liệu và thông số thành phần
Hệ số tải trọng (Bảng 3.4.1-1 & 2) Trườngh ợp A (1) Trường hợp B (2) Trường hợp C (3) Trường hợp D (4) Ghi chú TT thường xuyên (Áp lực thẳng đứng) E V 1.35 1.00 1.00 1.00 TT thường xuyên (Áp lực ngang) E H 1.50 1.00 1.00 1.00 Tải trọng đất chất thêm ES 1.50 1.00 1.00 1.00 Hoạt tải LL 1.75 1.75 1.00 1.00
Hoạt tải trên khối tường (5) L
L 0.00 0.00 0.00 1.00Tải trọng do động đất EQ 0.00 0.00 1.00 0.00 Tải trọng do động đất EQ 0.00 0.00 1.00 0.00 Tác động của tải trọng lên
gờ lan can 0.00 0.00 0.00 1.00 Hệ số sức kháng - Chịu kéo 0.90 0.90 1.20 0.90 Hệ số sức kháng - Chịu nhổ 0.90 0.90 1.20 0.90 Ghi chú
1. Tổ hợp tải trọng cường độ I: Tải trọng do hoạt tải thông thường và các hệ số tải trọng lớn nhất. Tính toán cho kiểm toán chịu kéo đứt và sức chịu tải giới hạn.
2. Tổ hợp tải trọng cường độ II: Tải trọng do hoạt tải thông thường. Lực thẳng đứng nhỏ nhất. Kiểm tra Trạng thái giới hạn sử dụng. Tổ hợp tải trọng tới hạn cho khả năng chịu lực nhổ của gia cường.
3. Tổ hợp lực do động đất gây ra - Đặc biệt I
4. Tổ hợp lực cho tác động của hoạt tải theo phương ngang lên Parapet - Đặc biệt II
5. Hoạt tải không được xét đến khi kiểm toán chịu lực nhổ của các tấm gia cường
Các bước tính toán cho tổ hợp tải trọng A, trạng thái giới hạn về cường độ tính toán cho lớp gia cương thứ 9 được diễn giải lần lượt theo thứ tự từng bước tính toán như sau:
Tổ hợp A :- Trạng thái giới hạn cường độ sử dụng hệ số tải trọng.
Ổn định trong: Phương pháp "Tie back wedge" kiểm toán ổn định trong Tính toán các dải gia cường:
Kiểm toán các dải gia cường điển hình cho lớp số 9 ở độ sâu 0.7m như sau:
Lực kéo lớn nhất Tj trong dải gia cường của lớp thứ j tại chiều sâu Zj bên dưới đỉnh tường được tính toán từ các lựac thành phần
Tj = Tpj + Tsj + Tfj
a) Tpj - lực kéo gây ra do áp lực của trọng lượng bản thân đất đắp và hoạt tải bên trên tường
Tpj = Ka svj Svj Shj
Chiều sâu lớp gia cường tính từ đáy
parapet, Zj = 0.6 m Hệ số áp lực chủ động - Ka = 0.307 Khoản cách giữa các lớp dải gia cường tại
lớp jth - Svj = 0.500 m Khoản cách ngang của các dải gia cường
tại lớp jth - Svj = 2.5 m Ứng suất theo phương đứng tại vị trí của
lớp gia cường thứ j = Zj x g1 x (EV1) + ws1 x (LL1) + hb x g1 x (ES1) s1vj = 65.05 kN/m2 Tpj = 24.98 4 kN b) Tsj Lực kéo do trọng lượng parapet PV phân bố phù hợp với AASHTO Tsj = Ka Svj ff Shj SL / Zj Tải trọng cân bằng (SL) = (Par_w - hb x g1 x Lp1) x ES1 / (Lp1+0.5 x Zj) s2vj = 6.331 4 kN/m2 Tsj = 2.431 7 kN
c) Tfj gây ra bởi tải trọng theo phương ngang PH được phân bố phù hợp với AASHTO
Q^2
Lực theo phương ngang bao gồm 1) Lực nganng lên gờ chăn
ffs H / 1.5 = 0.0 0 kN/m Lực kéo (11.10.10.2) Lực ngang lên gờ chắn (Crash
barrier) ffs H / 6 = 0.0 0 kN/m Lực đẩy ngang (11.10.10.2) 2) Áp lực đất ffs Ka grm Trm2 / 2 = 1.34 4 kN/m 3) Hoạt tải fq Ka q Trm = 6.45 2 kN/m Tổng hợp lực theo phương ngang FL (Tensi on) = 7.796 kN/m Tổng hợp lực theo phương ngang FL (Pullo ut) = 7.796 kN/m Q = (Lp1-2*e)/Tan(45-f/2) = 1.883 m s3hj = 5.774 kN/m2 s3hj (đẩy ngang) = 5.774 kN/m2 Tfl = 7.217 kN Tfl = 7.217 kN Tổng hợp lực trong gia cường (kiểm toán
chịu kéo) =
34.63 3 kN Tổng hợp lực trong gia cường (Kiểm toán
nhổ) =
34.63 3 kN Kiểm tra với khả năng chịu kéo:
Cường độ dải gia
cường = 30 kN Số móc
liên kết = 2.5 nos Khả năng chịu kéo =
76.94
5 kN > Td => OK Kiểm tra điều kiện chịu nhổ:
Khả năng dính bám = (2.b.Sv.Lef.Mu.NoA.fs).2 Chiều rộng gia cường = 0.085 m
Ứng suất thẳng đứng (không có hoặt tải) =
30.05 1
kN/ m2 Chiều dài dính bám = 4.674 m Hệ số ma sát biểu kiến (Mu) = 0.499
9 Khả năng dính bám =
53.71
Bảng tổng hợp kiểm toán cho tất cả các lớp gia cường lần lượt với các tổ hợp tải trọng A, được thể hiện trong bảng 3.3 dưới đây:
Bảng tổng hợp kiểm toán cho tất cả các lớp gia cường lần lượt với các tổ hợp tải trọng B, được thể hiện trong bảng 3.4 dưới đây:
Bảng tổng hợp kiểm toán cho tất cả các lớp gia cường lần lượt với các tổ hợp tải trọng C, được thể hiện trong bảng 3.5 dưới đây:
Bảng tổng hợp kiểm toán cho tất cả các lớp gia cường lần lượt với các tổ hợp tải trọng D, được thể hiện trong bảng 3.6 dưới đây:
Tổng hợp kết quả kiểm toán mặt cắt ngang tường được tập hợp trong bảng 3.7 dưới đây:
Lớp gia cường số
Chiều sâu bên dưới đỉnh tường Khoảng cách thẳng đứng Chiều dài lớp gia cường Cường độ Số điểm móc/ cột tính toán (m) (m) (kN) 9 0.37 0.470 9.000 30 3 8 0.57 0.500 8.000 30 2.5 7 1.37 0.800 8.000 30 2.5 6 2.17 0.800 8.000 50 2 5 2.97 0.800 8.000 50 2 4 3.77 0.800 8.000 50 2 3 4.57 0.800 8.000 50 2.5 2 5.37 0.800 8.000 70 2.5 1 6.17 0.800 8.000 70 2.5
Bảng 3.7. Tổng hợp khối lượng vật liệu sử dụng cho mặt cắt kiểm toán
Để thuận tiện cho việc đánh giá chỉ tiêu sử dụng vật liệu gia cường, tổng chiều dài gia cường sẽ được tính toán cho một cột hình thành bởi các tấm panel sắp xếp theo phương thẳng đứng và chia đều cho toàn diện tích mặt tượng tảo bởi một cột. Mặt cắt kiểm toán cho khối lượng bình quân chiều dài vật liệu gia cường cần thiết cho 1 m2 mặt tường tương ứng là 21.4m dài.
III.3. Tính toán thiết kế tường chắn đất có cốt theo các quy trình hiện hành
Trong phần này, luận văn sẽ giới thiệu và phân tích các nghiên cứu gần đây lien quan đến so sánh các phương pháp thiết kế theo quan điểm của quy trình AASTHO, 22TCN 272-05 và quy trình châu Âu BS 8006.
Tường chắn đất có cốt ứng xử như một khối tường đồng nhất mềm, cho phép chịu được các tải trong và biến dạng tương đối lớn nhờ bởi tác động tương hỗ giữa đất đắp và các bộ phận gia cường. Các phương pháp tính toán tường chắn đất có cốt trong các quy trình thiết kế hiện hành là AASTHO và BS 8006 đều dựa trên các phân tích ổn định bên trong và bên ngoài tường
III.3.1. Xác định chiều dài neo theo các quy trình BS 8006 và AASTHO
Đối với các tường chắn xây dựng trên mái dốc, một phần của mái dốc sẽ được đào bỏ để tạo không gian xây dựng tường chắn đất có cốt. Trong trường hợp đó, việc sử dụng mặt cắt ngang tường có cốt không phải hình chữ nhật (chiều dài cốt gia cường thay đổi theo cao độ) là rất hiệu quả.
Các thói quen ứng dụng tại Bắc Mỹ
Elias và các đồng nghiệp giới thiệu quy trình thiết kế hệ tường có cốt sử dụng khối block không phải hình chữ nhật. Quy trình thi công này chỉ ra rằng ứng dụng của khối block tường có cốt chỉ được áp dụng khi nền móng đặt trên nền đá hoặc đất tốt; đất tốt ở đây được hiểu là đất rắn, có độ lún nhỏ sau khi hoàn thành xây dựng công trình. Trong trường hợp nền móng yếu hơn, các giải pháp gia cố móng cần được áp dụng để cho phép sử dụng khối gia cường có hình dạng không phải là hình chữ nhật. Nhiều giải pháp gia cố nền móng trước khi xây dựng đã được đề cấp dến trong nhiều tài liệu nghiên cứu.
Các chỉ dẫn thiết kế được đơn giản hóa được đề cập bởi Elias và các đồng nghiệp cho tường chắn đất có cốt có chiều dài lưới không đồng nhất theo chiều sâu tường bao gồm:
• Để kiểm toán ổn định tổng thể, người ta mô phỏng khối tường chắn đất có cốt như một khối hình chữ nhật kích thước (Lo, H) có diện tích tương đương với khối gia cường có chiều dài các lớp gia cường thay đổi theo chiều sâu.
Hình 3.11. Chiều dài khối tường chắn tương đương
• Giả thiết rằng đường giới hạn vị trí lực căng lớn nhất là tương tự như khối tường hình chữ nhật.
• Chỉ định một chiều dài đáy móng tối thiểu (L3) lớn hơn hoặc bằng 0.4H, với sự thay đổi giữa các bước chiều dài lưới không lơn hơn 0.15H.
Chia khối tường ra thành các hình chữ nhật tương ứng với các chiều dài dải gia cường khác nhau để tính toán ổn định bên trong và chịu lực nhổ.
Các thói quen ứng dụng ở Châu Âu
Ở Anh quốc, xem xét hai dạng mặt cắt của khối gia cường không phải hình chữ nhật: (1) tường có chiều dài lưới gia cường giật cấp sử dụng chiều dài lớp gia cường dài hơn ở đáy tường, và (2) tường hình thang với chiều dài lớp gia cường ngắn hơn ở đáy tường.
Tiêu chuẩn Anh quốc (British Standard) BS 8006 thiết kế cho tường chắn đất có cốt chỉ ra rằng các tường có mặt cắt ngang dạng hình thang chỉ được xem xét áp dụng khi nền móng của tường được đặt trên nền đào vào nền đá hoặc nền đất tốt. Đối với trường hợp mặt cắt ngang tường dạng hình thang, BS 8006 mô tả chiều dài lưới ngắn nhất bằng 0.4H cho các lớp gia cường thấp nhất, với 0.7H cho các cốt gia cường của các lớp cao hơn.
Các thói quen ứng dụng ở Châu Á
Sổ tay thiết kế Hong Kong Geoguide 6 cho tường chắn đất có cốt chỉ ra rằng nền đắp gia cường được xây dựng trên các mái dốc nền đá thường được xây dựng dạng tường giật cấp. Khi dạng xây dựng này được ứng dụng, khả năng xuất hiện các khu vực đất mềm cục bộ phải được xét đến và kiểm toán trong thiết kế (ví dụ sv< γH).
Sự phát triển giới hạn của áp lực thẳng đứng trong khu vực phía sau các lớp gia cường có thể xuất hiện do hiện tượng biến dạng đáy móng, tạo nên nội lực nén trong khối đát gia cường xung quanh móng giật cấp. Với việc giới hạn kích thước các bước giật cấp có thể giảm được hiệu ứng này. Nói chung, lien quan đến chiều dài cốt gia cường, các chỉ dẫn thiết kế được đề cập trong Geoguide 6 là tương tự như các chỉ dẫn của AASTHO.
III.3.2. Tính toán áp lực đất
Các thói quen ứng dụng tại Bắc Mỹ
Quy trình AASTHO và hướng dẫn thiết kế của FHWA đều sử dụng lý thuyết Rankine để kiểm toán ổn định bên trong tường và sử dụng lý thuyết Coulomb cho các kiểm toán ổn định tổng thể.
Để kiểm toán ổn định bên trong tường, hệ số áp lực đẩy ngang của đất đắp Kr được xác định bằng cách nhân hệ số áp lực chủ động Ka với một hệ số. Tỷ số Kr/Ka được xác định tùy thuốc vào dạng cốt liệu gia cường được sử dụng và độ sâu đặt cốt liệu bên dưới đỉnh tường. Đối với các cốt liệu bằng vật liệu tổng hợp (vải địa kỹ thuật thong thường), tỷ lệ này thường được lấy bằng 1. Tuy nhiên đối với các cốt gia cường tương tự như loại được sự dụng cho tường chắn đất có cốt cầu Hùng Vương, tỷ số này thường được lấy lớn nhất bằng 2.5 tại đỉnh tường tùy theo loại cốt liệu được sử dụng và giảm xuống bằng 1.2 tại chiều sâu 6.0m bên dưới.
Cần phải nhấn mạnh rằng cách tính này giả thiết rằng ứng suất thẳng đứng trong tường sẽ tương đương với trọng lượng của phần đất đắp bên trên và bỏ qua
theo hướng thiên về an toàn các áp lực của tải trọng bên trên tường cũng như các tải trọng thi công tạm thời.
Cũng cần phải nhấn mạnh rằng cách tính này bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng lún về phía sau lưng tường mà có thể xuất hiện khi chiều dài cốt gia cường là nhỏ.