1. Cơ sở lý thuyết
Đất cú cốt là một loại hỡnh tổ hợp do đất và cốt tạo ra, cú khả năng chịu được lực kộo. Trong tớnh toỏn thiết kế cỏc cụng trỡnh đất cú cốt, người ta xem xột vấn đề ổn định bờn trong và bờn ngoài của toàn bộ khối đất cú cốt ứng với cỏc trạng thỏi giới hạn trờn cơ sở những giả thiết về mụ hỡnh tớnh, kớch thước, cỏc chỉ tiờu vật liệu và cỏc mặt bị phỏ hoại dự kiến
Tường chắn đất cú cốt được chia thành 4 thành phần chớnh: - Phần đất cú cốt;
- Phần đất ở sau phần đất cú cốt; - Nền đất;
- Vỏ tường.
Cốt cú tỏc dụng neo khối đất dễ bị trượt vào khối đất tự nú đó ổn định, vỏ tường chỉ cú tỏc dụng tạ mỹ quan, chống xúi, chống tỏc động của mụi trường đến vật liệu cốt. Hoạt động của cốt và đất giống như của bờtụng cốt thộp, đất khụng thể chịu kộo, do vậy bố trớ cỏc lớp cốt để chịu cỏc lực kộo này nhằm đảm bảo ổn định toàn khối.
Cú thể mụ tả cơ chế làm việc của đất cú cốt dựa trờn việc phõn tớch nguyờn lý về mặt cơ học của đất cú cốt (phần 1.4) như sau:
- Đất vốn cú khả năng chịu kộo thấp nhưng khả năng chịu nộn cao do vậy dẫn đến sự giới hạn về khả năng chịu lực cắt và lực kộo. Mục tiờu của việc kết hợp đất và cốt là cỏc thành phần cốt hấp thụ lực kộo và lực cắt do sự tương tỏc giữa cốt và đất, do vậy, làm giảm cỏc tải trọng tỏc động lờn đất mà cỏc tải trọng đú cú thể làm cho đất bị phỏ hoại hoặc biến dạng lớn khi chịu cắt. Tương tự như bờtụng cốt thộp, khối vật liệu gia cố xem như là một loại vật liệu tổng hợp cải thiện cỏc đặc tớnh mà đặc biệt là khả năng chịu kộo và chịu cắt lớn hơn so với đất.
cốt với nhau sẽ tạo ra được sự ổn định cho kết cấu. Khối đất được hỡnh thành hai vựng rừ rệt, vựng đất hoạt động và vựng đất giữ lại. Khi khụng cú cốt vựng đất hoạt động sẽ khụng ổn định và cú xu hướng trượt khỏi vựng giữ lại. Nếu đặt cỏc dải cốt ngang qua vựng đất hoạt động và vựng giữ lại, những dải cốt sẽ tạo ra sự ổn định cho vựng đất hoạt động. Cốt trong đất sẽ truyền lực gõy mất ổn định từ vựng hoạt động sang vựng đất giữ. Trong quỏ trỡnh này cỏc lực kộo dọc trục bị hấp thụ hoặc bị triệt tiờu bởi cỏc dải cốt.
- Bố trớ số lượng cốt thớch hợp nú sẽ hấp thụ lực kộo phỏt triển ở trong vựng đất chịu hoạt động. Nếu chiều dài cốt chỉ giới hạn trị số La thỡ việc truyền tải trọng từ đất sang cốt trong vựng hoạt động cú thể khụng ngăn chặn được sự sụp đổ của vựng hoạt động. Để giải quyết vấn đề này, dải cốt phải được kộo dài chiều dài Le trong vựng giữ. Do vậy cốt cần phải cú đủ lực kộo để hấp thụ lực kộo trong vựng hoạt động và truyền nú vào trong vựng đất giữ lại. Lực kộo trờn cốt trong chiều dài Le là một giỏ trị thay đổi và giảm dần về phớa đầu tự do. Tại đầu tự do của cốt trong vựng giữ lại, lực kộo cú giỏ trị bằng khụng.
2. Cơ sở của việc thiết kế tường chắn đất cú cốt
Việc thiết kế tường chắn đất cú cốt tuõn theo nguyờn lý trong thiết kế kết cấu tường chắn đất quy ước. Tuy nhiờn kết cấu tường chắn đất cú cốt đũi hỏi những đỏnh giỏ một cỏch đỳng mực về tương tỏc giữa đất và cốt. Theo quy ước thỡ việc kiểm toỏn bao gồm kiểm toỏn ổn định bờn trong và kiểm toỏn ổn định bờn ngoài. Ổn định bờn trong bao gồm ổn định của tất cả cỏc vựng lien quan đến cơ chế hoạt động bờn trong gồm ứng suất trong phạm vi kết cấu, bố trớ và cơ chế hoạt động của cốt, cỏc đặc trưng của khối đắp. Ổn định bờn ngoài là sự ổn định cơ bản của kết cấu đất cú cốt như là một khối.
Kết cấu đất cú cốt được thiết kế tuõn theo hai trạng thỏi giới hạn:
- Trạng thỏi giới hạn về chịu lực: là trạng thỏi giới hạn mà trong đú nhận thấy
những cơ chế phỏ hoại tiềm tang của kết cấu và xem xột thực hiện cựng với những hệ số trạng thỏi giới hạn.
- Trạng thỏi giới hạn về khả năng phục vụ: Là trạng thỏi giới hạn mà trong đú
rằng nú giữ được những đặc tớnh cần thiết để thực hiện chức năng của nú trong suốt thời kỳ khai thỏc mà khụng cần thiết phải cú những bảo dưỡng, sửa chữa bất thường.
3. Cỏc tiờu chuẩn tớnh toỏn thiết kế nền đường sử dụng tường chắn đất cú cốt.
Tại Anh: Với những nghiờn cứu đầy đủ về mặt lý thuyết cũng như kiểm chứng
thực nghiệm, Ban tiờu chuẩn Anh quốc đó ban hành “tiờu chuẩn Anh Quốc” về đất gia cố mang số hiệu BS 8006.
Tại Nhật Bản: Đất cú cốt được ứng dụng một cỏch phổ biến, đặc biệt trong
ngành đường sắt. Cỏc tổ chức khoa học đó đi sõu nghiờn cứu và đưa ra lý thuyết đầy đủ về tớnh toỏn tường chắn đất cú cốt như:
- Tiờu chuẩn kỹ thuật về cụng tỏc đất, tường chắn, cống và cỏc kết cấu tạm thời của Hiệp hội đường cụng cộng Nhật Bản (Specifications of highway Earthwork, Retaining walls, Culvers and Temporary Structures, Japan Highway Public Corporation).
- Tiờu chuẩn kỹ thuật về thiết kế nền múng cụng trỡnh của Hiệp hội kiến trỳc Nhật Bản (Specificatons of Structure design of Building Foundation, Japan Architectural Society).
- Sổ tay thiết kế thi cụng kết cấu tường chắn đất cú cốt địa kỹ thuật của Viện nghiờn cứu cỏc cụng trỡnh cụng cộng, Bộ xõy dựng (Design and Construction manual of Geotextile – Reinforced Soil Structures, Public work research Institute, Ministry of Construction).
Ở nước ta hiện nay, cũng cú một số tài liệu đề cập đến vấn đề này, tuy nhiờn vẫn chưa ban hành cỏc tiờu chuẩn tớnh toỏn cũng như hướng dẫn thiết kế cho loại kết cấu này.
III - Nguyờn tắc cấu tạo và cơ sở tớnh toỏn tường chắn đất cú cốt 1. Cấu tạo tường chắn bằng đất cú cốt
Ứng dụng nguyờn lý đất cú cốt, cụng trỡnh tường chắn bằng đất cú cốt bao gồm: Thõn tường bề rộng L, chiều cao H được đắp bằng đất, cú gúc mỏi dốc đắp mặt ngoài từ 00 đến 200 so với phương thẳng đứng; cỏc lớp cốt rải nằm ngang và liờn kết chặt với mặt tường bao như hỡnh 2.2.
Phần đỉnh tường cú thể sử dụng trực tiếp làm một phần nền đường, trờn đú cú thể xõy dựng mặt đường cho xe cộ đi lại hoặc cú thể đắp thờm cỏc khối khỏc.
Đất dựng để đắp tường đất cú cốt, trước kia để tăng ma sỏt với cốt, chủ yếu dựng cỏt vừa và khụ. Ngày nay cú thể sử dụng cỏc loại đất kộm dớnh kết hợp với cốt dạng khung hoặc dạng lưới (cỏc loại cốt này tạo ra hiệu ứng neo nhờ sức cản bị động của đất vào cỏc nguyờn đơn ngang của cốt).
Hỡnh 2.2 – Cấu tạo cụng trỡnh tường chắn bằng đất cú cốt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngoài cốt bằng kim loại hay được sử dụng rộng rói, ngày nay người ta cũng đó sử dụng nhiều loại cốt bằng vật liệu polime dưới dạng vải, lưới địa kỹ thuật.
Mặt tường bao, ngoài loại mặt tường bao mềm khụng tham gia chịu ỏp lực đất sau lưng tường chắn như những tường chắn đất cú cốt truyền thống, cuối những năm của thế kỷ XX, Viện nghiờn cứu cụng nghệ đường sắt Nhật Bản đó sỏng tạo loại tường đất cú cốt với mặt tường bao cứng (bằng bờ tụng) cựng tham gia chịu lực với khối đất đắp phớa sau lưng tường. Nhờ vậy bề rộng khối đất cú thể giảm đến L=0.35H.
Vật liệu làm mặt tường bao mềm chủ yếu là cỏc tấm bờ tụng xi măng lắp ghộp; vải địa kỹ thuật bọc cuộn; lồng đỏ (hỡnh 2.3, 2.4, 2.5)
Hỡnh
2.3 – Sơ đồ tường chắn đất cú cốt cú mặt tường bằng tấm bờtụng lắp ghộp
và cốt dạng khung thộp trũn
và cốt bằng vải địa kỹ thuật
Hỡnh 2.5 - Tường chắn cú cốt dạng lưới và mặt tường bao bằng hộp đỏ
2. Cỏc trạng thỏi phỏ hoại và yờu cầu tớnh toỏn thiết kế tường chắn đất cú cốt
Tường chắn bằng đất cú cốt phải được tớnh toỏn thiết kế để trong thời gian sử dụng khụng bị phỏ hoại theo cỏc cỏch khỏc nhau, cụ thể là phải đảm bảo được cỏc yờu cầu:
- Yờu cầu đảm bảo ổn định nội bộ của tường đất cú cốt: Bản thõn khối đất cú
cốt luụn duy trỡ được tớnh toàn khối khụng bị phỏ vỡ do cỏc hiện tượng đứt cốt, tuột cốt hoặc dón cốt như (hỡnh 2.6).
Hỡnh 2.6 – Cỏc trạng thỏi phỏ hoại ổn định nội bộ của khối đất cú cốt a) Đứt cốt; b) Tuột cốt; c) Dón cốt
+ Tớnh toỏn được lực kộo lớn nhất Tj mà mỗi hàng cốt hoặc lớp cốt phải chịu trờn một một dài tường;
+ Với trị số lực kộo lớn nhất Tj tiến hành kiểm toỏn khả năng kộo đứt cốt trờn cơ sở đó biết cường độ của vật liệu;
+ Kiểm toỏn khả năng cốt bị kộo tuột do khụng đủ sức neo bỏm và kiểm toỏn chiều dài cốt cần thiết;
+ Dự tớnh mức độ biến dạng của cốt và so sỏnh nú với trị số biến dạng dón dài cốt cho phộp;
+ Tớnh toỏn liờn kết giữa mặt tường bao với cốt trờn cơ sở lực kộo lớn nhất Tj
đó xỏc định được và tớnh toỏn tấm bao mặt tường;
+ Tớnh toỏn chiều dày dự phũng bị ăn mũn của cỏc cốt bằng kim loại hoặc đề xuất cỏc biện phỏp chống lóo húa về cường độ của cốt và mặt tường bọc cuộn bằng vật liệu polime hay vải địa kỹ thuật.
- Yờu cầu đảm bảo ổn định tổng thể: Đối với cỏc loại cụng trỡnh chống đỡ khỏc
(bằng rọ đỏ, bằng đỏ xõy, bờ tụng), tường đất cú cốt (với bề rộng L, chiều cao H) phải chịu được ỏp lực đẩy của đất sau lưng tường và tỏc dụng của ngoại lực khỏc (nếu cú) để khụng bị lật, khụng bị phỏ hoại do nền múng phớa đỏy tường khụng đủ sức chịu tải dẫn đến tường bị nghiờng đổ (hỡnh 2.7a), khụng bị dịch chuyển trượt (hỡnh 2.7b), tường cựng với khối đất sau tường khụng bị trượt quay dẫn đến mất ổn định toàn khối và tường khụng bị lỳn (hỡnh 2.7c và 2.7d).
Hỡnh 2.7 – Cỏc trạng thỏi phỏ hoại ổn định tổng thể
a) Tường bị nghiờng đổ; b) Trượt về phớa trước; c) Phỏ hoại trượt; d) Lỳn
Để đảm bảo được yờu cầu này, phải xem tường chắn đất cú cốt như những tường chắn thụng thường và phải:
+ Xỏc định được phõn bố ỏp lực đất sau lưng tường theo lý thuyết của Coulomb hoặc Rankine và ỏp lực đẩy của cỏc ngoại lực tỏc dụng khỏc (nếu cú);
+ Xỏc định sơ bộ kớch thước của tường đất cú cốt và kiểm toỏn ổn định trượt của tường trờn đỏy múng và trờn từng lớp cốt;
+ Kiểm toỏn sức chịu tải của đất đỏy múng tường và kiểm toỏn khả năng ổn định nghiờn lật của tường;
+ Dự tớnh độ lỳn của tường chắn đất cú cốt và so sỏnh với độ lỳn cho phộp; + Kiểm toỏn điều kiện ổn định chung của tường đất cú cốt cựng với sườn dốc hoặc nền đất tự nhiờn tại vị trớ đặt tường.
3. Mặt phỏ hoại nội bộ và cơ sở của việc tớnh toỏn thiết kế bảo đảm ổn định nội bộ trong một tường chắn bằng đất cú cốt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngay từ những năm đầu tiờn khi đất cú cốt vừa ra đời, người ta đó quan tõm đến việc đo ứng suất kộo dọc theo cốt trờn cỏc tường chắn đất cú cốt thực nghiệm, đo hệ số ỏp lực ngang trong phạm vi khối đất cú cốt và quan tõm đến việc thử nghiệm phỏ hoại khối tường đất cú cốt trờn cỏc mụ hỡnh thu nhỏ.
Năm 1968, Phũng thớ nghiệm Cầu đường trung ương của nước Phỏp (LCPC) đó tiến hành thử nghiệm phỏ hoại trờn mụ hỡnh thu nhỏ như hỡnh 2.8
Hỡnh 2.8 – Sơ đồ mụ hỡnh thử nghiệm thu nhỏ đối với tường chắn đất cú cốt
Trong mụ hỡnh này, đất được thay bằng những que thộp hỡnh trụ dài 30mm với 3 loại đường kớnh 0.5mm, 1mm, 2mm. Loại vật liệu thay thế này cú dung trọng 6.2 g/cm3, gúc nội ma sỏt ϕ=270. Cốt là cỏc băng bằng vật liệu nhụm dày 9à, rộng 3mm cú sức chịu kộo 160g được bố trớ hai băng song song nhau và thẳng gúc với cỏc que thộp (trong phạm vi bề dày 30mm, bố trớ hai băng cốt). Khoảng cỏch giữa cỏc lớp cốt theo chiều thẳng đứng là 25mm, vỏ bằng vật liệu rodoit cao 25mm. Tỉ lệ thu nhỏ của mụ hỡnh là 1:50; tỉ lệ dung trọng là 3,9 (xem như dung trọng của đất đắp là 1.6g/cm3. Vật liệu giả thiết như là hoàn toàn đàn hồi. Mụ hỡnh được thử nghiệm trong điều kiện gia tốc trọng trường bỡnh thường. Do vậy, tỉ lệ ứng suất của mụ hỡnh là 3,9/50=0.08.
Khi lắp đặt vỏ và cốt để tạo tường chắn, người ta lắp đến đõu thỡ xếp đầy que thộp bờn phần ngăn chống đỡ để giữ vỏch vỏ mặt tường thẳng đứng. Đến khi lắp đặt xong và lỳc thử nghiệm phỏ hoại thỡ mới thỏo dỡ cỏc que thộp đú ra để tạo khoảng trống phớa trước tường hc. Mỗi lần thử nghiệm, tường được xếp đến một cao độ nhất định. Tăng dần chiều cao tường đến khi bị phỏ hoại.
Kết quả thớ nghiệm cho thấy cú hai dạng phỏ hoại ổn định nội bộ đặc trưng của tường đất cú cốt:
- Dạng thứ nhất thể hiện khối đất cú cốt bị xệ do cốt bị tuột (sức neo bỏm khụng đủ). Theo kết quả thử nghiệm đó rỳt ra kết luận: Để trỏnh xảy ra phỏ hoại do tuột cốt thỡ chiều dài cốt tối thiểu L phải bằng 0.8H. Ngày nay với kết quả nghiờn cứu bổ sung, tiờu chuẩn thiết kế tớnh toỏn tường đất cú cốt cú mặt tường bao mềm ở nhiều nước đều quy định chiều dài cốt tối thiểu là 0.7H.
- Dạng phỏ hoại thứ hai là đứt cốt do cốt khụng đủ sức chịu kộo. Thực nghiệm cho thấy, nếu bố trớ mật độ cốt đều nhau thỡ khi phỏ hoại, cốt dưới cựng bị đứt trước và chỗ đứt sỏt mộp tường bao. Sau đú do sự phõn bố lại lực, dóy cốt liền kề nú sẽ bị lần lượt đứt tiếp; cỏc chỗ đứt lựi dần vào trong từ thấp lờn cao hỡnh thành mặt phỏ hoại dạng parabol.
Kết hợp với cỏc kết quả đo ứng suất kộo của cỏc lớp cốt trong tường thực nghiệm Incarville và ở cỏc tường khỏc cũng cho thấy ứng suất kộo phỏt sinh trong cốt tại chỗ tiếp cận với mặt tường bao là tương đối nhỏ, nhưng càng về phớa lưng tường càng tăng lờn đến trị số lớn nhất rồi sau đú lại dần dần giảm nhỏ như thể hiện trờn hỡnh 2.9. Nối liền cỏc điểm cú ứng suất kộo lớn nhất của cỏc cốt chịu kộo sẽ tỡm được đường cú ứng suất kộo lớn nhất thay đổi theo độ sõu. Đường này trựng với mặt phỏ hỏng khi kết cấu đất cú cốt được gia tải đến khi bị phỏ hoại, do vậy được gọi là mặt phỏ hoại nội bộ trong khối tường chắn. Mặt này chia khối đất cú cốt thành hai phần: Khu vực chủ động và khu vực bị động. Bề mặt cốt chịu kộo trong khu vực chủ động chịu ứng suất cắt trượt hướng ra phớa mặt tường; một mặt cốt chịu kộo hạn chế sự dịch chuyển ra bờn ngoài của mặt tường và vật liệu đắp, mặt khỏc đũi hỏi cốt chịu kộo phải cú khả năng chịu được ứng suất kộo. Cỏc cốt chịu kộo truyền ứng suất đến khu vực bị động nhờ ma sỏt giữa cốt với vật liệu đắp hoặc nhờ sức cản trở cốt bị nhổ ra của đất ở khu vực bị động khiến cho bề mặt cốt trong khu vực này phải chịu ứng suất cắt trượt