CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHO TƯỜNG CHẮN BẢO VỆ THÀNH HỐ ĐÀO BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT
3.3 Các yếu tố phá hoại tường gia cố hố đào cọc ximăng - đất
3.3.4 Phá hoại do trượt đáy chân tường
Hình 3.20 Kiểu trượt tịnh tiến Hình 3.21 Kiểu lật đổ
Hình 3.22 Kiểu trượt nghiêng Hình 3.23 Kiểu trượt xoay
Cơ cấu phá hoại mái dốc trong đất (đất dính): Sự phân tích cơ chế phá hoại này dựa trên việc xem xét cân bằng giới hạn. Điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm dịch chuyển trượt cắt bắt đầu và biến dạng cứ tiếp tục diễn mà ứng suất không đổi. Đầu tiên cần xác định hình dạng mặt trượt và khối đất trên mặt trượt này được coi là một vật thể tự do ở điều kiện cân bằng.
Một số mặt trượt có thể xem xét trong cơ chế phá hoại này như sau:
Hình 3.24 Trượt mặt phẳng Hình 3.25 Trượt cung tròn
Hình 3.26 Trượt không theo nguyên tắc Hình 3.27 Trượt hỗn hợp
Trong các mặt trượt trên thì mặt trượt cung tròn cho kết quả chính xác cao và không phức tạp. Sự ổn định mái dốc thành hố đào phụ thuộc nhiều vào trạng thái áp lực nước lỗ rỗng. Quá trình thi công đào đất ban đầu sẽ làm giảm áp lực nước lỗ rỗng.
Nhưng khi dòng thấm xuất hiện thì áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng lên. Đối với bài toán này chúng ta cần xem xét sự ổn định ngắn ngày và dài ngày. Ổn định ngắn ngày xảy ra trong điều kiện hoàn toàn không thoát nước và độ bền chống cắt τ=cu(ϕu =0). Ổn
định dài ngày xảy ra trong điều kiện thoát nước của đất sét bão hòa hoặc khi mực nước ngầm hạ xuống đột ngột.
Hiện tượng trượt sâu đối với tường cọc ximăng - đất xảy ra do khi đất nền dưới chân tường là lớp đất yếu hoặc chiều dài cọc ximăng - đất không đủ sâu. Dưới tác dụng của tải trọng bản thân và tải trọng phía trên tường sẽ phát sinh cung trượt. Xét cơ chế phá hoại thì có hai dạng: phá hoại do mặt trượt đi ngang qua thân cọc và phá hoại khi mặt trượt đi qua dưới chân tường (Puplic Work Research Center. 2004).
Hình 3.28 Mặt trượt cắt ngang thân tường Hình 3.29 Mặt trượt qua đáy chân tường Các dạng phá hoại này được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm qua mô hình ly tâm. Với mô hình ly tâm, sự thay đổi áp lực địa tầng tăng dần tuyến tính theo độ sâu có thể được mô phỏng bằng lực ly tâm khi mô hình thí nghiệm được đưa vào buồng ly tâm. Buồng ly tâm có tốc độ quay và bán kính càng lớn sẽ mô phỏng được bài toán địa kỹ thuật có lớp đất càng cao.
Đối với mô hình mặt trượt cắt ngang qua thân tường (Hình 3.28) có hai dạng mất ổn định cần kiểm tra: Hệ số ổn định khi chịu lực cắt ngang và hệ số ổn định khi chịu moment uốn.
Hệ số ổn định khi cọc chịu lực trượt cắt ngang cọc
a d d cc p
s E
T T
F E + + −
= (3.32) Trong đó
Ep: Áp lực đất bị động của khối đất phía phải.
Ea: Áp lực đất chủ động của khối đất phía trái.
Tcc: Lực chống cắt trượt của cọc (lấy Tcc=qu/2).
Td-d: Lực chống cắt trượt giữa đất và đất dưới khối trượt.
Chú ý
Sức khắng cắt của cọc được lấy từ thí nghiệm hiện trường hoặc mẫu lấy từ thân cọc cho kết quả thực tế hơn.
Khi kiểm toán bài toán loại này cần phải xác định độ sâu khối trượt z để cho hệ số ổn định là nhỏ nhất.
Hệ số ổn định khi cọc chịu moment uốn
a
cu cc cd pk
pd pc
s M
M M M M M
F M + + + + +
= (3.33) Trong đó
Mpc: Moment chống lật do áp lực bị động.
Mpd: Moment chống lật do tải trọng ngoài tác dụng lên khối đất.
Mpk: Moment chống lật do trọng lượng bản thân khối đất.
Mdc: Moment chống lật do sức kháng cắt trượt dọc theo cọc gia cố (chỉ tính cho các cọc ở mép khối).
Mcc: Moment chống trượt do sức kháng cắt trượt của đất ở biên của khối mất ổn định.
Mcu: Moment chống uốn gẫy của các cọc.
Ma: Moment gây trượt do áp lực chủ động.
Đối với mô hình trượt (3.29), mặt trượt đi qua chân tường (cọc quay quanh mép khối của đất) thì ta có cơ chế phá hoại do khối cọc quay quanh mép của khối đất sau lưng tường. Và công thức tính hệ số ổn định được tính theo công thức sau:
a
cc cd pk pd pc
s M
M M M
M
F M + + + +
= (3.34) Trong đó
Mpc: Moment chống lật do áp lực bị động.
Mpd: Moment chống lật do tải trọng ngoài tác dụng lên khối đất.
Mpk: Moment chống lật do trọng lượng bản thân khối đất.
Mdc: Moment chống lật do sức kháng cắt trượt dọc theo cọc gia cố (chỉ tính cho các cọc ở mép khối).
Mcc: Moment chống trượt do sức kháng cắt trượt của đất ở biên của khối mất ổn định.
Ma: Moment gây trượt do áp lực chủ động.
Tóm lại: công thức tính toán cho hệ số ổn định tổng thể được diễn giải theo công thức sau:
Fs=
∑
∑ ∑
+ + +
=
i i i i n
1
n
i i i i i i
i i s
)sinα w b (q
tg )cosα w b (q l
c F
ϕ
(3.35)
Trong đó
bi : độ rộng mảnh đất thứ i.
qi : tải trọng mặt đất của mảnh đất thứ i.
wi : trọng lượng mảnh đất thứ i.
Môment chống trượt
Môment gây trượt
αi: góc giữa tiếp tuyến ở điểm giữa cung trượt với đường nằm ngang tại mảnh đất thứ i.
ϕi: góc ma sát trong của đất trên mặt trượt tại mảnh đất thứ i.
Chú ý
Nếu Fs >1 : bài toán ổn định.
Nếu Fs =1 bài toán ở trạng thái cân bằng ổn định.
Nếu Fs <1 bài toán mất ổn định.
Mô hình tính toán chung dựa trên sự phân mảnh khối đất trượt (hình 3.30) dưới đây :
Hình 3.30 Mô hình kiểm tra ổn định tổng thể tường chắn bằng cọc trộn dưới sâu Chú ý : Đối với khối đất sau lưng tường có mực nước ngầm cao thì thành phần trọng lượng bản thân của khối đất dưới mực nước ngầm phải kể đến dung trọng đẩy nổi và khoan giếng hạ mực nước ngầm.