CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KỸ THUẬT
4.2. Tính toán nội lực cho kết cấu hầm
4.2.3. Tính toán neo trong đất
Thiết kế theo tiêu chuẩn BS 8081: 1989 a) Khái niệm
Neo là hệ thống làm ổn định kết cấu chống lại sự chuyển vị quá mức của kết cấu bằng cách tạo ra những ứng suất trước giống như là dây cáp neo vào trong đất và tạo ra những lực kéo nén.
b) Cấu tạo
Neo có cấu tạo gồm 3 phần chính b1) Đầu neo
Đầu neo: có tác dụng truyền tải trọng kéo từ dây neo đến bề mặt đất hoặc kết cấu cần chống đỡ.
Đầu neo có 2 loại chủ yếu
- Đầu neo kiểu kéo lại được (có thể neo kéo lại tại bất cứ thời điểm nào bằng cách chêm chèn hoặc xiết ren)
- Đầu neo kiểu tiêu chuẩn (tải trọng trong dây neo tăng giảm trong một phạm vi nhất định)
b2) Dây neo
Dây neo: có tác dụng truyền tải trọng từ bầu neo đến đầu neo
Dây neo thường bao gồm thanh, cáp, dây thép đơn hoặc thành nhóm b3) Bầu neo
Bầu neo: có tác dụng truyền tải trọng đến đất bao quanh.
Hình 4. 17. Neo trong đất c) Phân loại neo trong đất [33]:
c1) Theo mục đích sử dụng [12]
- Neo tạm thời là lọai neo có thể tháo ra sau khi kết cấu có khả năng tự chịu lực
- Neo cố định là loại neo được sử dụng tùy thuộc vào thời gian tồn tại của công trình và tham gia vào quá trình chịu lực chung của kết cấu
c2) Theo phương pháp chống đỡ của đất nền
- Neo ma sát là lọai neo được đỡ bởi lực ma sát giữa lớp vữa và đất,
- Neo chịu áp lực đất là loại neo mà lực neo với áp lực bị động của đất ở dạng bản hoặc dạng cọc,
- Neo phức tạp là loại neo kết hợp hai loại trên.
c3) Theo phạm vi sử dụng [28]
Kiểu neo loại A: dùng phổ biến nhất trong đá và rất ổn định với các đất đắp dính cứng,
Kiểu neo loại B: dùng phổ biến nhất trong đá yếu nứt nẻ và các lớp đất hạt thô nhưng cũng rất phổ biến trong đất rời hạt mịn,
Kiểu neo loại C: chủ yếu dùng cho đất rời hạt mịn Kiểu neo loại D: dùng được trong nhiều loại đất.
* Thiết kế neo
Phương pháp thiết kế được dựa theo phương pháp các hệ số an toàn. Thiết kế hệ neo trong đất cần xem xét các vấn đề sau [28].
- Các kich thước bầu neo - Độ sâu chôn neo
- Hiệu ứng nhóm neo - Ổn định chung của neo
Tùy theo thực tế địa chất công trình mà ta tính toán thiết kế neo cho phù hợp Trong công trình hầm Kim Liên ta sử dụng neo phun.Đây là loại neo trong đất hiện đại nhất hiện nay và được sử dụng nhiều nhất trong xây dựng [12].
d) Các kích thước bầu neo
Trên cơ sở mô hình tính toán neo ta tính được lực kéo trong thanh neo (với
Hình 4. 18. Mô hình tính toán neo Ta được nội lực thanh neo:
Tên cấu kiện Nmax (KN/m)
Tầng neo 1 147,6
Tầng neo 2 126,8
Lực căng lớn nhất trong neo là: Tu = 147,6KN
Cứ 2,5m theo chiều dài tường ta bố trí một thanh neo thì nội lực trong thanh neo là Tu = 2,5.147,6 = 369 (KN)
d1) Xác định chiều dài bầu neo( Ls) [28]:
Phương pháp thực nghiệm của M.Bustanmante.
Ls=Tu/( π.Ds.qs) Trong đó:
- TU: Lực kéo trong thanh neo (KN)
- DS: Đường kính bầu neo, phụ thuộc đường kính lỗ khoan, tính chất của đất và kĩ thuật phun tạo bầu neo, được xác định theo công thức:
DS = .Dd
- : Hệ số tra bảng, với đất cát bơm phun, =1,5
Chọn đường kính lỗ khoan Dd = 20(cm) => D = 1,5.20 = 30(cm);
qS: Phụ thuộc chỉ số N trong thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn. Với cát mịn N = 9 tra bảng ta có : qS = 0,125 (Mpa) = 125(KN/m2)
Thay số vào công thức ta có:
Ls=3.13 (m) Lấy LS = 4 (m)
d2) Xác định chiều dài tự do:
Chiều dài tự do phải được đảm bảo cho bầu neo nằm ngoài cung trượt của đất đá Với đất có = 23,8O ta có thể coi cung trượt là một đường thẳng bắt đầu từ chân tường và kết hợp với phương thẳng đứng góc 45O - /2
Giả thiết thanh neo hợp với phương nằm ngang góc = 35o
-y -x
-x 45+
A C
B
D O
E
Hình 4. 19. Sơ đồ tính thanh neo Khi đó chiều dài đoạn tự do được xác định theo công thức:
23,8 23,8
. tan 45 .sin 45 8 . tan 45 .sin 45
2 2 2 2
sin 135 sin 135 23,8 35
2 2
10, 28
o o
o
AO AB
AB m
d3) Lựa chọn kích thước neo:
Lọai neo: Neo kiểu D - Phun vữa áp lực cao Chiều dài bầu neo L = 4,0(m)
Chiều dài của thanh neo l = 12(m)
Đường kính của bầu mở rộng D = 0,3(m) Đường kính của thanh neo d = 0,15(m).
e) Độ sâu chôn neo
Bầu neo phải được chôn vào tầng đất tốt.Tốt nhất là tìm được tầng cát trung hoặc thô, nếu không thì cũng phải tìm được tầng cát pha hoặc sét pha, không dược đặt bầu neo trong lớp đất yếu [12].
f) Hiệu ứng chung nhóm neo
Để hạn chế ảnh nhau giữa các bầu neo cần một khoảng cách ≥ 4D = 4.0,3 = 1,2m [7].
Trong thực tế thường chấp nhận khoảng cách tối thiểu 1,5 đến 2,0 m.Với hầm Kim Liên ta chọn khoảng cách là 2,5m
g) Kiểm tra ổn định chung của neo
Khả năng chịu tải trọng giới hạn [28]
Tf=π.D.L.C+ π.(D2-d2). Nc.Cub+π.d.l.Ca
Trong đó
- D đường kính bầu neo mở rộng (m) - L chiều dài bầu neo (m)
- Cu độ bền cắt không thoát nước trung bình trên toàn bộ chiều dài bầu neo (KN/m2) thực tế phổ Cu phổ biến [7]
Cu= Ko.γ.h.tgφ+c=1.8,89.tg(23,8)=31,36 (kN/m2)
- K0 Hệ số lấp đất (K0 = 1 với đất cát K0 = 0,5 với đất sét) - trọng lượng đất
- h độ cao bên trên lấy từ trung tâm thanh neo cho đến mặt đất
- d đường kính của thân (m)
- Nc hệ số sức chịu tải (phổ biến Nc = 9)
- Cub độ bền cắt không thoát nước tại khoảng cuối của bầu neo (KN/m2) - l chiều dài của thân neo (m)
- Ca độ dính bám thântừ (0,3÷0,35)Cu = 9,48(KN/m2)
Tf=3,14.0,5.4.31,36+3,14.(0.52-0.152).9.31,36/4+3,14.0,15.12.9,408=300,52(kN) Vậy khả năng tải giới hạn của neo là Tf = 300 KN
h) Các yêu cầu chung về vật liệu h1) Xi măng [7]
Xi măng phải là một trong các loại sau:
- Xi măng Portland PC30, PC40, - Xi măng Portland đông cưng nhanh, - Xi măng Portland bền sunphat,
- Xi măng Portland lò cao nhiệt lượng thấp.
h2) Nước[28]
Nước không được chứa các thành phần có hại cho thép hoặc xi măng, không được chứa nhiều hơn 500 mg ion clorit/lít
h3) Dây neo[28]
Thành phần của thép phải là loại có chứa từ 0,15 ữ 0,25 nitơ, có thể cán nóng hoặc cán nguội.
h4) Đầu neo
Đầu neo phải cho phép dây neo được căng kéo, neo tại bất kỳ lực nào cho đến 80% của lực dây neo đặc trưng và cho phép điều chỉnh lực lên hoặc xuống trong giai đoạn căng kéo ban đầu.
Đầu neo có thể cho phép dây neo lệch một góc ± 50 so với trục của dây neo.
Bản đỡ được gắn dưới đầu neo để phân bố lực dây neo vào kết cấu chính hoặc hố đào, cần có đệm cao su hoặc vữa với chiều dày ≥ 10mm
k) Yêu cầu về bảo vệ chống ăn mòn[28]
Do tính chất nội lực trong móng lúc là kéo, lúc lại là nén nên neo được thiết kế theo nguyên lý của neo có đầu căng kéo lại được. Nghĩa là:
- Phải có cấu tạo sao cho vữa bảo vệ hay vữa chuyền tải coi như không chịu ứng suất theo cả hai chiều nén và kéo, dễ gây ra những vết nứt hoặc phá hoại dọc thân neo, làm mất đi tính năng bảo vệ chống ăn mòn của vữa cũng như khả năng chuyền tải tại các giao diện trong neo.
- Phải đảm bảo dây neo nằm đúng tâm của cột vữa, đảm bảo cho lớp vữa phủ tối thiểu 10mm bên trong lỗ khoan cho dây neo và mũ tại cơ cấu định tâm, tạo ra sự phù hợp về góc nghiêng của neo đất tại tâm và điểm võng giữa các điểm đỡ nhằm tạo lớp vữa phủ tối thiểu 5mm cho dây neo và mũ.
- Muốn vậy neo được thiết kế cần dùng ống dẫn nhăn nửa cứng thuộc loại ống Plastic.
- Để bảo vệ ống dẫn và truyền tải ta dùng vữa cao su.
- Bản thân các dây neo được bảo vệ trực tiếp bởi một lớp mạ kẽm, bao xung quanh phía ngoài là Bitum. Mức co nở của Bitum trong ỗng dẫn được theo dõi định kỳ. Phần dây neo phía ngoài của đầu neo được bôi mỡ theo đúng TC BS 8081: 1989