Luận văn Nghiên cứu khoảng cách bố trí hợp lý của neotrong đất cho hệ thống tường chắn

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA ------------œ------------- VOÕ MINH THEÁ NGHIEÂN CÖÙU KHOAÛNG CAÙCH BOÁ TRÍ HÔÏP LYÙ CUÛA NEO TRONG ÑAÁT CHO HEÄ THOÁNG TÖÔØNG CHAÉN CHUYEÂN NGAØNH: XAÂY DÖÏNG CAÀU HAÀM LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TP. HOÀ CHÍ MINH, thaùng 12 naêm 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. PHÙNG MẠNH TIẾN Cán bộ chấm nhận xét 1 : GS.TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. TRẦN XUÂN THỌ Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 13 tháng 01 năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---oOo--- Tp. HCM, ngày……… tháng…….. năm …….. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : Võ Minh Thế Giới tính : Nam þ/ Nữ ¨ Ngày, tháng, năm sinh : 24/06/1982 Nơi sinh : Long An Chuyên ngành : Xây dựng Cầu hầm MSHV : 03806727 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHOẢNG CÁCH BỐ TRÍ HỢP LÝ CỦA NEO TRONG ĐẤT CHO HỆ THỐNG TƯỜNG CHẮN. 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Nghiên cứu cấu tạo và các ứng dụng của neo trong đất (Ground anchor). - Nghiên cứu lý thuyết tính toán neo trong đất và hệ thống tường neo giữ ổn định hố đào. - Nghiên cứu khoảng cách bố trí hợp lý của neo trong đất cho hệ thống tường neo. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/06/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS. PHÙNG MẠNH TIẾN TS. LÊ BÁ KHÁNH Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. Ngày …..…tháng ..….. năm …….. TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận những kiến thức mới và hướng giải quyết cho đề tài. Nhờ sự hướng dẫn tận tình của T.S Phùng Mạnh Tiến, tôi nắm bắt được nhiều kiến thức và do đó có thể hoàn thành được đề tài. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy. Xin gửi lời cảm ơn đến Thầy cô của trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã chỉ dạy cho tôi những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập tại trường. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Đức Toản, dự án Metro Hà Nội, đã giúp tôi định hướng đề tài, giới thiệu nhiều tài liệu hữu ích và cho nhiều nhận xét để hoàn thiện đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đến Văn phòng Việt Nam của công ty Samwoo Geotech (Hàn Quốc), chuyên về công nghệ neo trong đất, đã cung cấp cho tôi nhiều tài liệu quý giá về neo. Xin cảm ơn gia đình và những người thân đã luôn khuyến khích, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Neo trong đất có nhiều ứng dụng trong xây dựng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia vào kết cấu chịu lực cuối cùng nhằm ổn định hố đào, ổn định mái dốc, ổn định kết cấu chống lật, ổn định kết cấu chống lực đẩy nổi. Đề tài giới thiệu tổng quan về neo trong đất và hệ thống tường chắn có sử dụng neo trong đất để giữ ổn định hố đào và nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách bố trí neo đến nội lực và chuyển vị trong tường. Hố đào được giữ ổn định bằng tường neo cọc đất-xi măng trộn sâu tại dự án Lake Parkway, Milwaukee, Wi, US được dùng để phân tích tính toán. Sau khi nghiên cứu lý thuyết về neo trong đất và hệ thống tường neo, tường neo của hố đào dự án Lake Parkway được mô hình tính toán, phân tích bằng chương trình phần tử hữu hạn Plaxis 8.2 Kết quả phân tích cho thấy nếu bố trí khoảng cách neo hợp lý sẽ giảm mô men uốn lớn nhất và chuyển vị ngang lớn nhất trong tường dùng để tính toán thiết kế kết cấu đi rất nhiều. Khi khoảng cách hai neo quá xa hoặc quá gần đều làm tăng mô men uốn và chuyển vị ngang của tường. Ảnh hưởng của lực neo đến nội lực và chuyển vị của tường cũng xét đến trong đề tài. Lực neo lớn sẽ gây mô men uốn lớn trong tường, nhưng chuyển vị ngang sẽ giảm. Ngược lại, lực neo nhỏ sẽ gây mô men uốn nhỏ trong tường, nhưng chuyển vị ngang lớn. Kết luận rút ra từ nghiên cứu là khi tính toán hệ thống tường neo cần tối ưu hoá khoảng cách bố trí neo và lực neo nhằm giảm giá trị mô men uốn và chuyển vị ngang của tường, làm tiết kiệm vật liệu và hạ giá thành xây dựng. iii ABSTRACT Ground anchor has many applications in construction field. It can be used for temporary supports or permanent anchored systems, such as: retaining wall stabilization, slope and landslide stabilization, lift-up resistance for structure under the ground water level. This thesis presents the ground anchor, anchored wall systems and studies the effect of ground anchor spacing to wall bending moment and horizontal displacement. The deep excavation supported by anchored deep mixing wall, namely Lake Parkway project, Milwaukee, Wi, US is used to analysis. After an extensive literature review on anchors and anchored retaining wall, the excavation of Lake Parkway project is described, modeled and analyzed by finite element method program Plaxis 8.2. The numerical analysis results show that the wall bending moment and horizontal displacement will reduce if the reasonable anchor spacing is selected. When the anchor spacing is too large or too small, the wall bending moment and horizontal displacement will be large. Anchor force effects to wall bending moment and horizontal displacement was also performed in this thesis. The large anchor force will result the large wall bending moment and the small horizontal displacement. Otherwise, the small anchor force will result the small wall bending moment and the large horizontal displacement. Base on the results of this study, it can be concluded that the designers should optimize the anchor spacing and anchor force to get the minimum wall bending moment and horizontal displacement to save the wall material and to achieve the cost-effective project. iv MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ....................................................................... ii ABSTRACT ....................................................................................................... iii MỤC LỤC ....................................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Giới thiệu ...................................................................................................... 1 2. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài .................................................. 1 3. Tổ chức đề tài nghiên cứu ............................................................................ 2 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................ 3 NEO TRONG ĐẤT VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯỜNG NEO ................................ 3 1.1. Neo trong đất (Ground Anchor) .............................................................. 3 1.1.1. Lịch sử phát triển của neo trong đất ..................................................... 3 1.1.2. Phân loại neo trong đất ........................................................................ 4 1.1.2.1. Tổng quan ................................................................................. 4 1.1.2.2. Neo tạo lực kéo ......................................................................... 5 1.1.2.3. Neo tạo lực nén tập trung .......................................................... 7 1.1.2.4. Neo tạo lực nén phân bố ............................................................ 8 1.1.3. Cấu tạo của neo trong đất ..................................................................... 9 1.1.3.1. Thanh thép và bó cáp ................................................................ 9 1.1.3.2. Cử định vị và miếng định tâm ..................................................10 1.1.3.3. Vữa epoxy lấp đầy khoảng trống các tao cáp ............................11 1.1.3.4. Vữa ximăng ..............................................................................11 1.1.4. Ứng dụng của neo trong đất ................................................................12 1.1.4.1. Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào .......................12 1.1.4.2. Ổn định tường chắn khi thi công đường đào .............................14 1.1.4.3. Ổn định và chống sạt lở mái dốc ..............................................15 v 1.1.4.4. Ổn định kết cấu ........................................................................15 1.2. Các hệ thống tường neo ..........................................................................17 1.2.1. Tổng quan ...........................................................................................17 1.2.2. Tường cọc chống đứng và ván lát ngang .............................................19 1.2.3. Tường neo cọc ván thép ......................................................................21 1.2.4. Tường cọc bê tông đổ tại chổ ..............................................................22 1.2.5. Tường cọc đất-xi măng trộn sâu ..........................................................24 1.2.6. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất....................................................25 1.3. Kết luận chương 1 ...................................................................................26 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG NEO ....................28 2.1. Áp lực đất ................................................................................................28 2.1.1. Tổng quát............................................................................................28 2.1.2. Áp lực đất chủ động và bị động ..........................................................28 2.1.2.1. Lý thuyết Rankine ....................................................................28 2.1.2.2. Lý thuyết Coulomb ..................................................................33 2.1.3. Áp lực đất ở trạng thái nghỉ.................................................................34 2.1.4. Ảnh hưởng chuyển vị của tường đến áp lực đất...................................34 2.2. Thiết kế tường neo ..................................................................................38 2.2.1. Tính toán áp lực đất ............................................................................38 2.2.1.1. Tổng quan ................................................................................38 2.2.1.2. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck ...................39 2.2.1.3. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến đề xuất cho đất cát .......................40 2.2.1.4. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng .........................................................................................41 2.2.1.5. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái mềm đến trung bình ..........................................................................................42 2.2.1.6. Áp lực đất do tải trọng chất thêm..............................................43 2.2.2. Thiết kế neo trong đất .........................................................................43 2.2.2.1. Xác định vị trí mặt trượt giới hạn .............................................43 2.2.2.2. Tính toán tải trọng neo dựa vào biểu đồ áp lực đất biểu kiến ....44 2.2.2.3. Thiết kế đoạn chiều dài không liên kết .....................................46 2.2.2.4. Thiết kế đoạn chiều dài liên kết ................................................46 vi 2.2.2.5. Xác định khoảng cách các neo ..................................................47 2.2.3. Các phương pháp tính toán tường neo .................................................49 2.2.3.1. Phương pháp RIGID ................................................................50 2.2.3.2. Phương pháp WINKLER .........................................................50 2.2.3.3. Phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính (LEFEM) và phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến (NLFEM) ...............................51 2.3. Phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 8.2...................................................55 2.3.1. Tổng quát............................................................................................55 2.3.2. Các mô hình đất trong phần mềm Plaxis 8.2. ......................................56 2.4. Kết luận chương 2 ...................................................................................60 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU KHOẢNG CÁCH BỐ TRÍ HỢP LÝ CỦA NEO TRONG ĐẤT ................................................................................63 TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU: DỰA ÁN LAKE PARKWAY .......................63 3.1. Mô tả dự án Lake Parkway ....................................................................63 3.2. Mô hình tính toán bằng phần mềm PTHH Plaxis .................................63 3.2.1. Mô hình bài toán .................................................................................63 3.2.2. So sánh trường hợp tường không bố trí neo và có bố trí neo ...............70 3.2.2.1. Mô hình bài toán ......................................................................70 3.2.2.2. Chuyển vị ngang của tường ......................................................71 3.2.2.3. Mô men uốn trong tường ..........................................................72 3.2.2.4. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng...................................74 3.2.3. Tìm khoảng cách bố trí hợp lý của neo................................................79 3.2.4. Khoảng cách bố trí hợp lý của neo khi lực neo thay đổi. .....................85 3.3. Kết luận chương 3 ...................................................................................91 KẾT LUẬN .......................................................................................................92 1. Kết luận .......................................................................................................92 2. Kiến nghị ......................................................................................................93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................94 PHỤ LỤC .......................................................................................................98 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Phân loại neo trong đất ........................................................................... 5 Hình 1.2. Phân loại neo theo phương thức liên kết với đất nền. .............................. 6 Hình 1.3. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực kéo. .................................................................................................. 6 Hình 1.4. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực nén tập trung. ................................................................................... 7 Hình 1.5. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực nén phân bố. ..................................................................................... 8 Hình 1.6. Mặt cắt ngang điển hình của neo trong đất. ............................................. 9 Hình 1.7. Cáp dự ứng lực sử dụng cho neo trong đất .............................................10 Hình 1.8. Bố trí cử định vị và miếng định tâm .......................................................11 Hình 1.9. Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào ....................................12 Hình 1.10. Neo ổn định tường chắn khi đào đất thi công nhà ga tuyến Metro Athen- Hy Lạp. .................................................................................................13 Hình 1.11. Hệ shoring chống đỡ hố đào thi công tầng hầm toà nhà Bảo Gia ..........13 Hình 1.12. So sánh tường trọng lực và tường neo ứng dụng khi thi công đường đào .............................................................................................................14 Hình 1.13. Ứng dụng neo trong đất ổn định mái dốc và chống sạt lở. ....................15 Hình 1.14. Ứng dụng neo trong đất, khối bê tông chống sạt lở ..............................16 Hình 1.15. Ứng dụng neo trong đất chống tải trọng nâng và ổn định kết cấu. ........16 Hình 1.16. Neo chống lực đẩy nổi .........................................................................17 Hình 1.17. Năm loại tường cừ chống giữ hố đào thông dụng. ................................19 Hình 1.18. Tường neo cọc chống và ván lát ngang. ...............................................20 Hình 1.19. Tiết diện ngang liên hợp và hình ống của cọc chống. ...........................20 Hình 1.20. Ván lát ngang bằng gỗ và bê tông phun ...............................................21 Hình 1.21. Hệ thống tường neo cọc ván thép .........................................................21 Hình 1.22. Tường neo cọc ván thép. ......................................................................22 Hình 1.23. Tường gồm các cọc bê tông cốt thép liền kề ........................................23 Hình 1.24. Tường gồm các cọc bê tông cài vào nhau .............................................23 Hình 1.25. Tường neo cọc đất xi-măng trộn sâu. ...................................................24 Hình 1.26. Chu kỳ thi công tường cọc đất-xi măng trộn sâu. .................................25 viii Hình 1.27. Mặt cắt ngang điển hình của tường cọc đất-xi măng trộn sâu. ..............25 Hình 1.28. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất.....................................................26 Hình 2.1. Áp lực đất chủ động và bị động theo phương ngang của tường nhẵn. .....29 Hình 2.2. Giới hạn ứng suất chủ động và bị động theo phương ngang. ..................30 Hình 2.3. Hệ số áp lực đất chủ động và bị động cho tường nghiêng ......................31 Hình 2.4. Hệ số áp lực đất chủ động và bị động cho đất có mái dốc nghiêng. ........32 Hình 2.5. Mặt cắt của mô hình tường neo ..............................................................35 Hình 2.6. Chuyển vị ngang và áp lực đất khi đào đến cao độ tầng neo đầu tiên .....35 Hình 2.7. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi truyền lực cho neo. ......36 Hình 2.8. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi đào đất đến tầng neo bên dưới. .....................................................................................................37 Hình 2.9. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi đào đất đến cao độ thiết kế. .........................................................................................................38 Hình 2.10. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck...............................40 Hình 2.11. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất cát. ..............................................41 Hình 2.12. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng. 42 Hình 2.13. Tính toán lực neo cho tường một tầng neo ...........................................44 Hình 2.14. Tính toán lực neo cho tường có nhiều tầng neo ....................................45 Hình 2.15. Khoảng cách yêu cầu của neo theo phương đứng và phương ngang .....49 Hình 2.16. Phương pháp dầm tương đương tựa trên gối cứng. ...............................50 Hình 2.17. Phương pháp dầm tựa trên nền đàn hồi. ...............................................52 Hình 2.18. Mối quan hệ tuyến tính ứng suất-biến dạng ..........................................53 Hình 2.19. Mối quan hệ phi tuyến ứng suất-biến dạng ...........................................54 Hình 2.20. Mặt chảy dẻo Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính. ..........57 Hình 2.21. Quan hệ ứng suất-biến dạng đàn dẻo lý tưởng. .....................................59 Hình 2.22. Quan hệ hyperbol giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm 3 trục chuẩn có thoát nước. ...........................................................................59 Hình 2.23. Mặt chảy dẻo của mô hình HS trong mặt phẳng p-q .............................60 Hình 2.24. Các đường đồng mức chảy dẻo của mô hình HS trong không gian ứng suất chính............................................................................................61 Hình 3.1. Dự án Lake Parkway .............................................................................63 Hình 3.2. Mặt cắt ngang của dự án Lake Parkway .................................................64 ix Hình 3.3. Giai đoạn 1 – Đào đất đến tầng neo đầu tiên ..........................................67 Hình 3.4. Giai đoạn 2 – Truyền lực cho tầng neo đầu tiên .....................................67 Hình 3.5. Giai đoạn 3 – Đào đất đến tầng neo thứ 2 ..............................................68 Hình 3.6. Giai đoạn 4 – Truyền lực cho tầng neo thứ 2..........................................68 Hình 3.7. Giai đoạn 5 – Đào đất đến cao độ thiết kế ..............................................69 Hình 3.8. Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 5 theo mô hình của Cassandra Junel Rutherford. ...................................................69 Hình 3.9. Mô hình tính toán cho trường hợp tường không có neo và có neo ..........71 Hình 3.10. Biểu đồ chuyển vị ngang của tường ....................................................71 Hình 3.11. So sánh chuyển vị ngang dọc theo chiều sâu tường. .............................72 Hình 3.12. Biểu đồ chuyển vị ngang của tường ....................................................72 Hình 3.13. So sánh mô men uốn dọc theo chiều sâu tường. ...................................73 Hình 3.14. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng .....................................................74 Hình 3.15. Biểu đồ t-s và đường bao phá hoại Mohr-Coulomb khi s’h tăng .........75 Hình 3.16. Điểm chảy dẻo ứng với trường hợp không có neo ................................75 Hình 3.17. Chọn điểm ứng suất để vẽ quan hệ ứng suất-biến dạng. .......................77 Hình 3.18. Quan hệ ứng suất-biến dạng tại điểm C, trường hợp không có neo .......77 Hình 3.19. Quan hệ ứng suất-biến dạng tại điểm A, trường hợp có neo. ................78 Hình 3.20. Điểm chảy dẻo ứng với trường hợp tường có bố trí neo .......................78 Hình 3.21. Sơ đồ thay đổi khoảng cách bố trí neo..................................................79 Hình 3.22. Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 1. .............80 Hình 3.23. Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 2. .............80 Hình 3.24. Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 3. .............81 Hình 3.25. Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 4. .............81 Hình 3.26. Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 5. .............82 Hình 3.27. Biểu đồ quan hệ Mmax và khoảng cách neo. ..........................................83 Hình 3.28. Biểu đồ quan hệ shmax và khoảng cách neo. ..........................................84 Hình 3.29. Biểu đồ Mmax-h với các giá trị lực neo khác nhau. ................................86 Hình 3.30. Biểu đồ quan hệ shmax-h với các giá trị lực neo khác nhau. ..................86 Hình 3.31. Biểu đồ mô men ở giai đoạn 5 .............................................................87 Hình 3.32. Biểu đồ chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 5. ...............................87 x Hình 3.33. Biểu đồ mô men trường hợp h=6.6m, F1=200kN/m, F2=500kN/m. ......88 Hình 3.34. Biểu đồ chuyển vị ngang với h=6.6m, F1=200kN/m, F2=500kN/m. .....89 Hình 3.35. Biểu đồ áp lực đất tác dụng lên tường. .................................................90 Hình 3.36. Biểu đồ chuyển vị ngang của tường .....................................................90 xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân loại tường neo thường được sử dụng bởi US Army Corps of Engineering. ..........................................................................................18 Bảng 2.1. Giá trị tải trọng cuối cùng truyền vào đất cho việc thiết kế sơ bộ neo trong đất đường kính nhỏ. .....................................................................48 Bảng 3.1. Các thuộc tính của các lớp đất cho mô hình Plaxis.................................64 Bảng 3.2. Các đặc trưng của tường neo cọc đất-xi măng trộn sâu ..........................65 Bảng 3.3. Các đặc trưng của đoạn chiều dài không liên kết ...................................66 Bảng 3.4. Các đặc trưng của đoạn chiều dài liên kết ..............................................66 Bảng 3.5. Ứng suất và chuyển vị của những điểm chọn trong mô hình ..................76 Bảng 3.6. Khoảng cách 2 hàng neo ........................................................................79 Bảng 3.7. Mô men uốn và chuyển vị ngang lớn nhất ứng với các khoảng cách neo .............................................................................................................82 Bảng 3.8. Giá trị lực F1, F2 (T) cho mô hình tính toán ............................................85 1 MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu Để phát triển kinh tế xã hội, Việt Nam đang và sẽ đầu tư nhiều cơ sở hạ tầng mới như: đường giao thông, đường hầm, bãi đổ xe ngầm, các công trình ngầm nhằm tận dụng không gian ngầm. Khi đó, các công nghệ xây dựng mới cũng sẽ được ứng dụng nhiều hơn trong thiết kế và thi công. Ứng dụng neo trong đất trong thi công xây dựng có nhiều hiệu quả, bằng chứng là việc nó được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới. Neo trong đất được sử dụng trong việc ổn định tường chắn đất, ổn định mái dốc và chống sạt lở, ổn định kết cấu chịu lực đẩy nổi, ổn định chống lật cho kết cấu đập, ổn định mố trụ cầu dây văng, ổn định và tăng khả năng làm việc của hầm. Để neo trong đất nói chung và hệ thống tường neo được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam, góp phần làm đa dạng các phương pháp thi công công trình xây dựng trong nước, cần phải nghiên cứu lý thuyết tính toán, cũng như nghiên cứu các giải pháp sử dụng neo trong đất có hiệu quả trong đó có yếu tố khoảng cách bố trí hợp lý của neo cho hệ thống tường neo giữ ổn định hố đào. Hệ thống tường neo bằng cọc đất-xi măng trộn sâu sử dụng tại dự án Lake Parkway được Cassandra Janel Rutherford mô hình tính toán trong đề tài nghiên cứu của mình bằng phần mềm Plaxis trên cơ sở phần tử hữu hạn để giải nội lực và chuyển vị của tường. Đề tài nghiên cứu đã mô hình lại dự án trên dựa vào các nghiên cứu lý thuyết về neo trong đất và hệ thống tường neo, từ đó nghiên cứu về ảnh hưởng của khoảng cách bố trí neo đến nội lực và chuyển vị ngang của tường. 2. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài Trong thực tế thi công có nhiều loại tường neo như tường cọc ván thép, tường cọc bê tông cốt thép, tường cọc bản bê tông cốt thép, tường cọc đất trộn xi măng. Tường neo được phân loại thành hai loại là tường cứng và tường mềm tuỳ theo cơ chế 2 tương tác với đất nền. Đề tài chỉ nghiên cứu loại tường cọc đất-xi măng trộn sâu là loại tường mềm. Tuỳ theo chiều sâu đào và điều kiện địa chất, tường neo có thể có một hoặc nhiều hàng neo để đảm bảo giữ ổn định cho hố đào. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chỉ xét tường neo có hai hàng neo. Có nhiều phương pháp tính toán tường neo như phương pháp RIGID, phương pháp WINKLER, phương pháp phần tử hữu hạn. Trong đó, phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp có xét đến tương tác giữa tường và đất nền và được dùng để phân tích tường neo bằng công cụ hỗ trợ là phần mềm Plaxis 8.2. Kết quả bài toán chỉ xét đến mô men uốn và chuyển vị ngang trong tường, là hai tiêu chí để nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách bố trí neo mà chưa xét đến lực cắt trong tường, lực theo phương đứng do neo gây ra, chuyển vị theo phương đứng do thành phần lực neo theo phương đứng gây ra và các yếu tố khác. 3. Tổ chức đề tài nghiên cứu Đề tài nghiên cứu được tổ chức thành năm chương Chương 1. Bao gồm phần giới thiệu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài, và tổ chức đề tài nghiên cứu. Chương 2. Tổng quan về neo trong đất và các hệ thống tường neo. Chương 3. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính toán hệ thống tường neo. Chương 4. Trình bày mô hình phân tích và các kết quả tính toán. Chương 5. Một số kết luận và kiến nghị rút ra được từ đề tài nghiên cứu. 3 CHƯƠNG 1 NEO TRONG ĐẤT VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯỜNG NEO 1.1. Neo trong đất (Ground Anchor) 1.1.1. Lịch sử phát triển của neo trong đất Neo trong đất là hệ thống làm ổn định kết cấu, chống lại dịch chuyển quá mức của kết cấu bằng cách tạo ra ứng suất trước truyền vào trong đất đá. Định nghĩa của Littlejohn: “Neo trong đất là thiết bị có khả năng truyền tải trọng kéo vào các lớp địa tầng” [22]. Schnabel dự đoán rằng các tường neo sẽ được ứng dụng rộng rãi nhằm tăng độ ổn định của tường chắn trong xây dựng đường cao tốc so với các tường ổn định bằng cơ học. Dự đoán này được căn cứ vào các công trình đã sử dụng hệ thống tường neo trong đất có giá thành rẻ hơn so với sử dụng kết cấu tường chắn thông thường. Cục đường bộ Liên bang Mỹ (FHWA) ước tính hệ thống có sử dụng neo trong đất có giá thành thấp hơn xấp xỉ 1/3 lần so với sử dụng kết cấu tường chắn thông thường [22]. Hơn nữa, hệ thống được neo thường có thời gian thi công nhanh hơn và không cần làm đường tạm. Neo trong đất thường được sử dụng để thay thế các kết cấu như thép, bê tông, gỗ. Neo trong đất được sử dụng trong xây dựng tường chắn và kết cấu chống lại áp lực đẩy nổi của nước từ thế kỷ thứ 19. Neo trong đất được sử dụng ở đập Cheurfas, Algeria để neo bể chứa nước vào năm 1938. Sau chiến tranh Thế Giới thứ 2, neo trong đất được ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực: ổn định mái đào, ổn định mái dốc và chống sạt lở, gia cố đập …. Châu Âu đi đầu trong các ứng dụng neo trong đất. Vào những năm 1950, neo Bauer sử dụng tao cáp cường độ cao trong lỗ khoan có đường kính nhỏ đã được giới thiệu ở Đức. Tiếp theo là Úc và Thụy Sĩ đã sử dụng neo trong đất cho rất nhiều công trình xây dựng. 4 Vào thập niên 1970, neo trong đất đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Hoa Kỳ sử dụng neo trong đất cho hệ thống chống tạm phục vụ công tác đào đất và dần dần phát triển ứng dụng cho các kết cấu vĩnh cửu. Ở Việt Nam, công trình đầu tiên sử dụng kỹ thuật neo trong đất đã được Bachy Soletanche Vietnam thực hiện thành công ở Toà tháp VietcomBank tại 184 Trần Quang Khải, Hà Nội vào năm 1997. Tường vây sử dụng neo trong đất được sử dụng để thi công 3 tầng hầm dự án Trung tâm điều hành và Thông tin viễn thông Điện lực Việt Nam có diện tích 14.000 m2 tại số 11 phố Cửa Bắc, TP. Hà Nội vào năm 2008. Tòa tháp Keangnam Landmark Tower cao nhất Việt Nam, tại Lô 6 đường Phạm Hùng, Hà Nội, do Samwoo Geotech thi công từ tháng 5/2008, tường bê tông cốt thép liên tục trong đất dày 80cm và hai tầng neo trong đất có sức chịu tải từ 35-40 tấn được sử dụng để thi công 2 tầng hầm của tòa tháp này. Cọc đất-xi măng trộn sâu được xem xét thiết kế làm giải pháp ổn định hố đào (kết hợp một phần với neo DƯL trong đất) cho 2 tầng hầm của chung cư cao tầng Thương mại - Dịch vụ LUGIACO ở số 70 đường Lữ Gia, P.15 quận 11, thành phố Hồ Chí Minh [34]. 1.1.2. Phân loại neo trong đất 1.1.2.1. Tổng quan Neo trong đất có thể phân loại dựa theo cách liên kết với đất nền, cách lắp đặt, phương pháp phun vữa, công dụng, phương pháp căng kéo (hình 1.1). Theo mục đích sử dụng, neo được chia thành neo tạm thời và neo cố định. Neo tạm thời là loại neo có thể tháo ra sau khi kết cấu có khả năng chịu lực. Neo cố định sử dụng lâu hơn tuỳ vào thời gian tồn tại của công trình, nó tham gia chịu lực chung với kết cấu công trình. Neo cũng được phân chia theo cách thức mà neo được đỡ bởi lực ma sát giữa lớp vữa và đất (hình 1.2) 5 Hình 1.1. Phân loại neo trong đất 1.1.2.2. Neo tạo lực kéo Nhược điểm của neo tạo lực kéo là gây nên vết nứt trong lớp vữa bảo vệ và mất tải trọng do từ biến. Do đó, trong biểu đồ phân bố ma sát (hình 1.3a), đường phân bố ma sát ban đầu là đường cong (1). Khi tải trọng tác dụng đường cong (1) sẽ bị thay đổi thành đường cong (3). 6 Hình 1.2. Phân loại neo theo phương thức liên kết với đất nền. Theo biểu đồ thay đổi tải trọng, đường cong tải trọng mong muốn là đường (1), nhưng thực sự, khi tải trọng tập trung hình quạt vượt quá lực kéo cho phép của đất, đường cong bị mất tải trọng. Nguyên nhân là sự giảm ma sát do tải trọng tập trung. Hình 1.3. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực kéo. 7 1.1.2.3. Neo tạo lực nén tập trung Neo tạo lực nén tập trung sử dụng các tao cáp dự ứng lực được bọc bằng ống PE, tạo lực nén lên vữa bằng cách gắn chặt cáp vào đối trọng ma sát riêng. Tải trọng giảm do từ biến nhỏ hơn so với neo tạo lực kéo, nhưng phải sử dụng vữa có cường độ lớn hơn. Nhược điểm là không tạo được lực neo cần thiết trong đất yếu. Khi lực nén tác dụng lên vữa, tải trọng tập trung được tạo ra ở phần cuối của vữa có thể làm vỡ lớp vữa. Neo tạo lực nén tập trung cũng có sự giảm tải trọng như thể hiện trên biểu đồ thay đổi tải trọng hình 1.4. Nguyên nhân làm giảm tải trọng đột ngột phụ thuộc vào sự phá hoại do tải trọng nén. Hình 1.4. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực nén tập trung. 8 1.1.2.4. Neo tạo lực nén phân bố Để khắc phục những nhược điểm của dạng neo tạo lực kéo và neo tạo lực nén tập trung, tải trọng tập trung quá giới hạn không được xuất hiện ở trong đất và khối vữa, sử dụng cáp bọc ống PE mà không tạo ra giới hạn cho chiều dài tự do của neo và phân bố lực neo vào trong đất dễ dàng. Để đạt được điều đó, dạng neo tạo lực nén phân bố được phát triển và sử dụng. Trong trường hợp này, tải trọng truyền dọc theo chiều dài neo, ít ảnh hưởng đến cường độ vữa, và đảm bảo lực neo cần thiết trong đất yếu. Loại này có thể tạo được tải trọng rất lớn trong các loại đất thông thường và đất cát cũng như trong đá. Sử dụng loại neo này có tỷ lệ mất mát ứng suất nhỏ và giữ được tải trọng theo thời gian. Hình 1.5. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực nén phân bố. 9 1.1.3. Cấu tạo của neo trong đất Hình 1.6 thể hiện cấu tạo của neo trong đất. Đoạn chiều dài không liên kết (unbonded length) là đoạn chiều dài tự do, không liên kết với vữa. Chiều dài này có tác dụng truyền tải trọng từ đầu neo cho đoạn chiều dài liên kết với vữa. Đoạn chiều dài không liên kết phải đủ lớn để nằm ngoài phạm vi mặt trượt giới hạn. Đoạn chiều dài kiên kết với vữa (Bonded length) được bao bọc bằng vữa và truyền tải trọng từ neo vào đất đá xung quanh. Đoạn chiều dài liên kết có chiều dài trung bình từ 3.0m đến 10.0m [22]. Hình 1.6. Mặt cắt ngang điển hình của neo trong đất. 1.1.3.1. Thanh thép và bó cáp Cả thép thanh và cáp dự ứng lực đều có thể được sử dụng làm neo trong đất. Các qui định về thanh thép và cáp dự ứng lực tuân theo tiêu chuẩn ASTM A722 và 10 ASTM A416. Các thanh thép thường có các đường kính 26mm, 32mm, 36mm, 45mm, 64mm và chiều dài 1 thanh khoảng 18m. Tải trọng thiết kế của neo xấp xỉ 2,077 kN ứng với thanh có đường kính 64mm [22] . Với các neo có chiều dài lớn hơn 18m, có thể sử dụng hộp nối để nối các thanh thép khi cần để đạt chiều dài yêu cầu. So với các tao cáp dự ứng lực, thép thanh dễ tạo ứng suất và có thể điều chỉnh được tải trọng sau khi lắp đặt. Hình 1.7. Cáp dự ứng lực sử dụng cho neo trong đất [6] Các bó cáp DUL thường bao gồm nhiều tao cáp 7 sợi xoắn. Các tao cáp có đường kính 12.7mm hoặc 15.2mm. Neo sử dụng các tao cáp dự ứng lực không có giới hạn về chiều dài và tải trọng. Các tao cáp có độ tự chùng thấp được sử dụng để giảm mất mát do cốt thép tự chùng. 1.1.3.2. Cử định vị và miếng định tâm (Spacer and Centralizer) Cử định vị và miếng định tâm thường đặt cách khoảng 3m dọc theo chiều dài đoạn liên kết của neo với vữa. Với các bó cáp dự ứng lực, miếng định tâm có tác dụng 11 giữ cho khoảng cách tối thiểu giữa các tao cáp từ 6mm đến 13mm và chiều dày bao bọc tối thiểu của vữa là 13mm [22]. Hình 1.8 thể hiện mặt cắt ngang của neo trong đất bằng cáp dự ứng lực. Hình 1.8. Bố trí cử định vị và miếng định tâm 1.1.3.3. Vữa epoxy lấp đầy khoảng trống các tao cáp Vữa epoxy lấp đầy khoảng trống giữa các tao cáp tạo ra lớp bảo vệ chống ăn mòn cho đoạn neo. Vữa epoxy ngăn không cho nước đi vào khoảng trống giữa các tao cáp và ăn mòn thép. 1.1.3.4. Vữa ximăng Neo trong đất thường sử dụng vữa nguyên chất (vữa không có cấp phối) tuân theo tiêu chuẩn ASTM C150. Loại vữa xi măng cát cũng có thể sử dụng cho các lỗ khoan có đường kính lớn. Máy trộn vữa tốc độ cao thường được sử dụng để đảm bảo sự đồng nhất giữa vữa và nước. Tỷ lệ theo khối lượng nước/xi măng (w/c) trong khoảng từ 0.40 đến 0.55. Xi măng loại I thường được sử dụng với cường độ nhỏ nhất vào thời điểm tạo ứng suất là 21MPa. Tuỳ vào đặc điểm của công trình, các 12 phụ gia có thể được sử dụng để tăng độ sụt cho vữa. Các chất phụ gia không yêu cầu sử dụng, nhưng hiệu quả hơn nếu sử dụng phụ gia siêu dẻo khi bơm vữa ở nhiệt độ cao và chiều dài bơm lớn 1.1.4. Ứng dụng của neo trong đất 1.1.4.1. Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào Hình 1.9. Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào Neo trong đất kết hợp với tường chắn bằng cọc chống và ván lát ngang hoặc bê tông phun, tường bê tông cốt thép, tường vây cọc ván… tạo thành hệ thống tường chắn ổn định mái đất phục vụ công tác đào đất thi công các công trình: tầng hầm các toà nhà, bể nước ngầm, nhà ga tàu điện ngầm đặt trong lòng đất, bãi đỗ xe ngầm….Ưu điểm của hệ thống này là không chiếm mặt bằng thi công, thời gian thi công nhanh, giá thành thấp hơn so với chống đỡ bằng hệ thống thanh chống và dầm giằng bằng thép truyền thống. 13 Hình 1.10. Neo ổn định tường chắn khi đào đất thi công nhà ga tuyến Metro Athen- Hy Lạp (2007) [6]. Hình 1.11. Hệ shoring chống đỡ hố đào thi công tầng hầm toà nhà Bảo Gia Đường Lê Đại Hành, quận 10, Tp. HCM (Hình do tác giả chụp tháng 5 năm 2008). 14 1.1.4.2. Ổn định tường chắn khi thi công đường đào Hệ thống tường neo thường được sử dụng để ổn định mái dốc cho thi công đào đường qua vách núi có mái dốc lớn, mở rộng lòng đường…. Hình 1.12 minh hoạ sự so sánh giữa tường trọng lực thông thường và hệ thống tường neo cố định cho việc xây dựng đường đào. Tường trọng lực có giá thành cao hơn vì đòi hỏi cần kết cấu chống tạm để đào đất, phải lấp đất lại, và có khi cần sử dụng móng cọc sâu. Hệ thống tường neo trong đất còn sử dụng cho việc xây dựng các mố cầu mới, chống sự sạt lở đất đấp cho mố cầu cũ. Hình 1.12. So sánh tường trọng lực và tường neo ứng dụng khi thi công đường đào 15 1.1.4.3. Ổn định và chống sạt lở mái dốc Neo trong đất thường được sử dụng kết hợp với tường, dầm ngang, khối bê tông để ổn định mái dốc và chống sạt lở. Neo trong đất cho phép đào sâu để xây dựng các đường cao tốc mới (hình 1.13a). Neo trong đất còn sử dụng để ổn định các khối đất đá phía trên mái dốc và ổn định mặt trượt (hình 1.13b). Các dầm ngang và khối bê tông được sử dụng để truyền tải trọng từ neo vào đất tại bề mặt mái dốc để giữ ổn định mái dốc ngay vị trí đào. Việc lựa chọn sử dụng dầm ngang hay các khối bê tông phụ thuộc các điều kiện kinh tế, mỹ quan, duy tu bảo dưỡng trong quá trình khai thác sử dụng. Hình 1.13. Ứng dụng neo trong đất ổn định mái dốc và chống sạt lở. 1.1.4.4. Ổn định kết cấu Các neo cố định thường được sử dụng để chống lại lực đẩy nổi lên. Lực đẩy nổi được tạo ra do áp lực thuỷ tĩnh hay do kết cấu mất ổn định và bị lật đổ. Các kết cấu xây dựng thông thường chống lại lực đẩy nổi bằng tải trọng tĩnh của chính bản thân kết cấu. Ưu điểm của việc sử dụng neo trong đất chống lại lực đẩy nổi là: (1) khối lượng bê tông sàn ít hơn so với dùng phương pháp tải trọng tĩnh; (2) khối lượng đào đất giảm. Tuy nhiên chúng cũng tồn tại một số nhược điểm: (1) sự thay đổi tải trọng 16 trong neo có thể làm kết cấu bị lún xuống hoặc nâng lên; (2) Khó thi công chống thấm; (3) Ứng suất trong sàn thay đổi nhiều. Hình 1.14. Ứng dụng neo trong đất, khối bê tông chống sạt lở Hình 1.15. Ứng dụng neo trong đất chống tải trọng nâng và ổn định kết cấu. 17 Các neo có tải trọng kéo xuống có thể ứng dụng để ổn định các đập bê tông. Các đập cũ thường được yêu cầu tăng thêm độ ổn định để đáp ứng các qui định an toàn theo các qui trình hiện hành có xét đến dòng chảy, động đất. Neo trong đất có khả năng chống lại tải trọng lật, xoay, lực động đất. Hình 1.16. Neo chống lực đẩy nổi [31] 1.2. Các hệ thống tường neo 1.2.1. Tổng quan Một ứng dụng phổ biến của neo trong đất trong các dự án đường cao tốc là tường neo được sử dụng nhằm ổn định mái đào và ổn định mái dốc [9]. Các tường neo này bao gồm tường hẫng không trọng lực và một hoặc nhiều tầng neo trong đất. Các loại tường hẫng không trọng lực gồm các bộ phận thẳng đứng có thể liên tục hoặc không liên tục được khoan hoặc đóng xuống dưới đáy cao độ đào. Tường hẫng không trọng lực chịu lực bằng sức kháng cắt, độ cứng chống uốn của thành phần theo phương đứng và sức kháng bị động của đất dưới cao độ đào. Sức chịu tải của tường 18 neo dựa vào các thành phần này và sức chịu tải ngang của neo để chống lại áp lực ngang ( đất, nước, động đất….) tác dụng vào tường. Strom and Ebeling (2001) [30] đã phân loại tường neo thường được sử dụng bởi US Army Corps of Engineering như sau: · Tường cọc ván thép, dầm giằng và neo dự ứng lực; · Tường cọc chống, ván lát hoặc bê tông cốt thép lát ngang và neo dự ứng lực; · Hệ thống tường gồm các cọc chèn nhau (Secant cylinder pile system) và neo dự ứng lực; · Tường bê tông cốt thép liên tục và neo dự ứng lực; · Tường bê tông cốt thép không liên tục (cọc chống và bê tông cốt thép lát mặt) và neo dự ứng lực. Chuyển vị và mô men uốn của tường ổn định mái đào là hàm số của cường độ đất và độ cứng của tường [25], [29]. Độ cứng của tường phụ thuộc vào độ cứng kết cấu tường (EI) và khoảng cách theo phương đứng của các hàng neo (L). Tường cọc ván thép và tường gồm hệ thống cọc chống, ván lát ngang được xem là hệ thống tường mềm. Tường gồm các cọc chèn nhau, tường cọc bê tông cốt thép liên tục, tường cọc bê tông cốt thép không liên tục được xem là các hệ thống tường cứng (Bảng 1.1) Bảng 1.1. Phân loại tường neo thường được sử dụng bởi US Army Corps of Engineering [30]. Kết cấu tường Phân loại tường theo độ cứng Tường mềm Tường cứng Tường cọc ván thép √ Hệ thống tường cọc chống, ván lát ngang √ Hệ thống tường gồm các cọc chèn nhau √ Tường cọc bê tông cốt thép liên tục √ Tường cọc bê tông cốt thép không liên tục √ 19 Hinh 1.17 mô tả 5 loại tường cừ chống giữ hố đào thông dụng, bao gồm: (1) Tường cọc chống đứng và ván lát ngang; (2) Tường cọc ván thép; (3) Tường cọc bê tông cốt thép; (4) Tường đất xi măng trộn sâu; (5) Tường cừ bê tông cốt thép trong đất. Hình 1.17. Năm loại tường cừ chống giữ hố đào thông dụng [34]. 1.2.2. Tường cọc chống đứng và ván lát ngang Tường cọc chống và ván lát ngang được sử dụng đầu tiên ở Đức vào những năm cuối của Thế kỷ thứ 19 và nhanh chóng được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu [10]. Tường gồm hai bộ phận chính: (1) cọc chống chịu toàn bộ tải trọng do áp lực đất, và (2) ván lát ngang chịu tải trọng do áp lực đất ở giữa hai cọc chống [8]. Hình 1.18 mô tả tường neo cọc chống đứng bằng thép hình và ván lát ngang bằng gỗ để giữ ổn định hố đào. Cọc chống đứng là thép hình có tiết diện ngang hình chữ I, giằng ngang bằng thép hình có tác dụng phân bố lực neo cho các cọc chống đứng liền kề. 20 Hình 1.18. Tường neo cọc chống và ván lát ngang [16]. Cọc chống có thể là cọc đóng hoặc cọc đổ bê tông tại chổ hoặc kết cấu bê tông ứng suất trước. Tiết diện cọc chống có thể là chữ I, H, hình hộp, hình ống hay tiết diện chữ nhật…. a. Tiết diện ngang liên hợp b. Tiết diện ngang hình ống Hình 1.19. Tiết diện ngang liên hợp và hình ống của cọc chống. Sau khi thi công xong cọc chống, đất phía trước tường được đào đi theo từng bậc và lắp đặt ván lát ngang. Thông thường chiều cao bậc đào từ 1.2 đến 1.5m, tuy nhiên chiều cao đào có thể ít hơn phụ thuộc vào thời gian ổn định của loại đất đào [22]. Ván lát ngang nên được lắp đặt ngay sau khi đào để chống hiện tượng xói mòn và chảy đất vào hố đào. Ván lát ngang có thể bằng gỗ, thép, bê tông phun hoặc kết cấu 21 bê tông cốt thép. Ván lát bằng bê tông ít được sử dụng vì rất khó thi công lắp đặt theo trình tự từ trên xuống dưới [22]. a. Ván lát gỗ b. Ván lát bê tông phun Hình 1.20. Ván lát ngang bằng gỗ và bê tông phun 1.2.3. Tường neo cọc ván thép Tường cọc ván thép thường được sử dụng trong các loại đất không lắp được ván lát ngang như đất sét yếu, đất bùn bảo hòa nước, đất bùn yếu, cát pha sét yếu…. Các loại đất này không ổn định khi đào nếu không được chống giữ [8], [10]. Hình 1.21 mô tả tường cọc ván thép với giằng ngang và neo trong đất. Cọc ván thép thường được đóng hoặc ép thành hàng chèn nhau. Cọc ván thép chịu tác dụng của áp lực đất và tải trọng nước. Giằng ngang có độ cứng lớn hơn, nằm bắc ngang giữa 2 neo. Mặt cắt ngang của giằng ngang thường có dạng hình chữ C [15]. Hình 1.21. Hệ thống tường neo cọc ván thép [15] 22 Hình 1.22. Tường neo cọc ván thép (nguồn Murphy International Ltd). 1.2.4. Tường cọc bê tông đổ tại chổ Tường gồm các cọc bê tông cốt thép liền kề nhau thường được sử dụng trong các điều kiện địa chất không có xảy ra hoặc có thể kiểm soát được hiện tượng mất đất và thấm nước. Tường gồm các cọc liền kề có thể là kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng. Tường gồm các cọc bê tông cài vào nhau là tường có hệ thống các cọc bê tông cắt nhau và do đó hình thành nên tường bê tông liên tục. Các cọc bê tông có thể liên kết theo nguyên tắc cứng - mềm (thông dụng) hay cứng - cứng. Các cọc bê tông mềm được thi công trước, sử dụng hỗn hợp bê tông mềm và không có cốt thép. Các cọc cứng được thi công sau và chèn vào các cọc mềm ở cả 2 mặt. Các cọc cứng sử dụng bê tông kết cấu và có cốt thép. Các cọc cứng tạo nên cường độ và độ cứng của kết cấu tường. Cũng giống như tường gồm các cọc liền kề, tường gồm các cọc chèn vào nhau có thể dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng. 23 Hình 1.23. Tường gồm các cọc bê tông cốt thép liền kề (PJ Edwards & Co.) Hình 1.24. Tường gồm các cọc bê tông cài vào nhau (Murphy International Ltd) 24 1.2.5. Tường cọc đất-xi măng trộn sâu Trộn sâu là phương pháp cải tạo đất nền nhằm tăng cường độ, khống chế chuyển vị và giảm tính thấm [4]. Mũi khoan nhiều trục và guồng trộn được sử dụng để thi công các cọc chồng lên nhau và được tăng cường độ bằng việc trộn xi măng với đất. Phương pháp này được sử dụng để chống đỡ hố đào bằng cách tăng cường độ chịu cắt của đất, ngăn ngừa phá hoại do trượt, giảm tính thấm và chống lại hiện tượng trồi bề mặt. Hình 1.25. Tường neo cọc đất xi-măng trộn sâu [32]. Hình 1.26 mô hình quá trình thi công tường cọc đất-xi măng trộn sâu. Thiết bị thi công chuyên dụng dùng để thi công cọc đất-xi măng trộn sâu là mũi khoan gồm 3 hoặc 5 trục được sử dụng để thi công nhóm cọc đầu tiên (bước 1), nhóm cọc tiếp theo được thi công cách các cọc đầu tiên bằng 1 lần đường kính cọc (bước 2), hàng cọc liên tiếp được tạo thành bằng cách trộn lại cọc đầu tiên và cọc cuối cùng của mỗi nhóm (bước 3), bỏ qua khoảng cách 1 cọc giữa bước 2 và bước 3 để cọc số 3 và cọc số 5 được trộn lại nhằm đảm bảo hình thành 1 hệ tường liên tục không thấm nước. Dầm thép được lắp đặt trước khi xi măng bắt đầu đông cứng (bước 4). 25 Hình 1.26. Chu kỳ thi công tường cọc đất-xi măng trộn sâu [4]. Hình 1.27. Mặt cắt ngang điển hình của tường cọc đất-xi măng trộn sâu [4]. 1.2.6. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất Tường cừ bê tông cốt thép trong đất được thi công bằng cách đào rãnh sâu bằng gầu ngoạm hoặc mũi khoan cắt xoay, thành vách được giữ ổn định bằng vữa bentonite, bê tông được bơm vào rãnh và thay thế vữa. 26 Hình 1.28. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất [16]. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất có thể dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực cùng kết cấu cuối cùng. Khi tường cừ tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng sẽ kinh tế hơn và việc thi công sẽ nhanh hơn [10]. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất có độ cứng lớn hơn so với hệ thống tường gồm cọc chống và ván lát ngang, tường cừ ván thép. Nó được sử dụng để giảm độ lún, chuyển vị ngang của đất và kết cấu liền kề trong suốt quá trình thi công, đặc biệt là trong các loại đất mềm yếu. 1.3. Kết luận chương 1 Neo trong đất được sử dụng rất phổ biến ở các nước trên thế giới. Neo có thể được sử dụng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia vào kết cấu chịu lực cuối cùng. Neo trong đất có nhiều ứng dụng trong xây dựng như: ổn định tường chắn đất thi công hố đào, ổn định mái dốc và chống sạt lở, ổn định kết cấu chịu lực đẩy nổi, ổn định chống lật cho kết cấu đập, ổn định mố trụ cầu dây văng…với ưu điểm là không chiếm mặt bằng thi công, không cần phải làm đường tạm, thời gian thi công nhanh, hạ giá thành công trình…. 27 Cấu tạo neo trong đất gồm 2 bộ phận chính là đoạn chiều không liên kết bằng các tao cáp dự ứng lực được bọc trong ống PVC và đoạn chiều dài liên kết với các tao cáp được bọc bằng vữa xi măng và liên kết với đất nền. Đoạn chiều dài không liên kết có tác dụng truyền tải trọng từ kết cấu cho đoạn chiều dài liên kết. Đoạn chiều dài liên kết có tác dụng truyền tải trọng từ đoạn chiều dài không liên kết vào đất đá. Một ứng dụng phổ biến của neo trong đất là sử dụng cho hệ thống tường neo dùng để ổn định hố đào. Tường neo được phân loại thành tường mềm và tường cứng. Tường mềm gồm các loại: tường cọc chống và ván lát ngang, tường cọc ván thép. Tường cứng gồm: hệ thống tường gồm các cọc bê tông chèn nhau, tường cọc bê tông cốt thép liên tục và tường cọc bê tông cốt thép không liên tục. 28 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG NEO 2.1. Áp lực đất 2.1.1. Tổng quát Hệ thống tường được thiết kế để chống lại áp lực đất và nước phía sau tường. Áp lực đất tác dụng lên tường là do trọng lượng đất phía sau tường, sự dịch chuyển đất đá do động đất và các tải trọng chất thêm. Khi thiết kế cần xem xét 3 loại áp lực đất như sau: (1) áp lực đất chủ động; (2) áp lực đất bị động; (3) áp lực đất ở trạng thái nghỉ. Sự khác nhau giữa ứng xử thực tế của đất và các giả thiết tính toán là nhân tố quan trọng khi xét đến áp lực đất [22]. Giả thiết áp lực đất chủ động và bị động phân bố tuyến tính dựa vào các phân tích lý thuyết là cách đơn giản hoá của các quá trình phức tạp khi không xét đến các yếu tố: (1) hình dạng chuyển vị của tường (góc xoay, chuyển vị); (2) tính mềm của tường; (3) các thuộc tính về cường độ và độ cứng của đất; (4) ứng suất trước theo phương ngang trong đất; (5) góc ma sát bề mặt của tường và đất. Với hệ thống tường neo là phần tử mềm, “đường bao áp lực đất biểu kiến” bán thực nghiệm được sử dụng để tính toán [22]. 2.1.2. Áp lực đất chủ động và bị động 2.1.2.1. Lý thuyết Rankine Áp lực đất chủ động và bị động theo phương ngang được xét bằng ứng suất giới hạn theo phương ngang trong khối đất. Xét một tường nhẵn (ma sát tường bằng 0), chắn đất có mái dốc nằm ngang như hình 2.1 theo điều kiện Rankine. Phần tử đất có ứng suất có hiệu theo phương đứng s’v (hình 2.2). Khi tường có chuyển vị, phần tử đất có thể bị phá hoại theo 2 cách khác nhau. Ứng suất theo phương ngang của đất có thể tăng đến khi phần tử đất bị phá hoại tại B (hình 2.2), khi đó ứng suất đạt giá trị lớn nhất s’h(max). Điều này xảy ra khi tường chuyển vị làm tăng ứng suất của đất 29 phía trước ở chân tường (hình 2.1). Tương tự như vậy, ứng suất ngang trong đất có thể giảm đến ứng suất phá hoại tại điểm A, khi đó ứng suất đạt giá trị nhỏ nhất s’h(min). Điều này xảy ra khi tường dịch chuyển và làm giảm ứng suất của đất ở sau tường (hình 2.1). Theo quan hệ hình học ở hình 2.2, có 2 công thức (2.1) và (2.2) (min) 2 ' 1 sin ' tan (45 '/ 2) ' 1 sin ' h A v K s q q s q - = = = - + (2.1) (max) 2 ' 1 sin ' tan (45 '/ 2) ' 1 sin ' h P v K s q q s q + = = = + - (2.2) Với f’ là góc ma sát có hiệu của đất. Hình 2.1. Áp lực đất chủ động và bị động theo phương ngang của tường nhẵn. Với KA là hệ số áp lực đất chủ động và KP là hệ số áp lực đất bị động. KA và KP trong công thức (2.1) và (2.2) theo điều kiện Rankine xét cho đất rời (lực dính c=0). Với đất dính, được định nghĩa bằng các thông số cường độ có hiệu f’ và c’, hệ số áp lực đất chủ động và bị động tính theo công thức (2.3) và (2.4). 30 2 2 'tan (45 '/ 2) tan(45 '/ 2) 'A v cK q q s = - - - (2.3) 2 2 'tan (45 '/ 2) tan(45 '/ 2) 'P v cK q q s = + + + (2.4) Hình 2.2. Giới hạn ứng suất chủ động và bị động theo phương ngang. Trường hợp không thoát nước với f = 0 và c = Su, hệ số áp lực chủ động và bị động tổng tính theo công thức (2.5) và (2.6). 21 uA v SK s = - (2.5) 21 uP v SK s = + (2.6) Với sv là tổng ứng suất theo phương đứng. Với các ứng dụng tường neo, ảnh hưởng của ma sát tường đến áp lực đất chủ động tương đối nhỏ và thường bỏ qua khi tính toán. Hệ số áp lực đất chủ động có thể tính toán gần đúng theo các công thức từ (2.1) đến (2.6). Trường hợp tổng quát, sử dụng phương pháp tăng giảm lôga để tính KA và KP theo hình 2.3 và 3.4 [22]. 31 Hình 2.3. Hệ số áp lực đất chủ động và bị động cho tường nghiêng 32 Hình 2.4. Hệ số áp lực đất chủ động và bị động cho đất có mái dốc nghiêng. 33 2.1.2.2. Lý thuyết Coulomb Lý thuyết của Coulomb trình bày phương pháp xác định tổng áp lực ngang tác dụng vào tường chắn với góc nghiêng của tường (w), góc ma sát tường (d) và góc nghiêng của mái đất sau tường (b ≤ f). Lý thuyết Coulomb dựa vào giả thiết sức kháng cắt của đất phát triển dọc theo tường và mặt phá hoại. Hệ số áp lực đất chủ động trong trường hợp tổng áp lực đất tác dụng vào tường có góc nghiêng d theo công thức 3.7. { }{ } { }{ }{ }{ } 2 2 2 cos ( ) sin( ) sin( ) cos cos( ) 1 cos( ) cos( ) AK f w f d f b w d w d w b w - = é ù+ - + +ê ú + -ê úë û (2.7) Hệ số áp lực đất bị động tính theo phương pháp của Coulomb không chính xác vì giả thiết mặt trượt là mặt phẳng [22]. Công thức 3.8 và 3.9 tính hệ số áp lực đất chủ động và bị động trong trường hợp tổng áp lực đất tác dụng vào tường nằm ngang và tường thẳng đứng. { }{ } { }{ } 2 2 cos sin( ) sin( ) cos 1 cos cos AK f f d f b d d b = é ù+ - +ê ú ê úë û (2.8) { }{ } { }{ } 2 2 cos sin( ) sin( ) cos 1 cos cos pK f f d f b d d b = é ù+ - -ê ú ê úë û (2.9) Khi tường chắn thẳng đứng, mái dốc đất được chắn giữ nằm ngang, góc ma sát tường bằng 0 (w , b và d = 0), các công thức tính hệ số áp lực đất chủ động và bị động theo lý thuyết Coulomb trùng với các công thức theo lý thuyết Rankine. 34 Để thoả mãn điều kiện cân bằng thì tường ma sát phải có mặt trượt là mặt cong. Vì thế, các công thức theo lý thuyết Coulomb chỉ cho kết quả gần đúng do giả thiết mặt trượt là mặt phẳng. Độ chính xác khi tính áp lực đất theo lý thuyết Coulomb càng giảm khi chiều sâu đất chắn giữ càng lớn. Với áp lực đất bị động, các công thức của Coulomb cho kết quả không chính xác khi góc nghiêng của mái đất được chắn giữ và góc ma sát của tường lớn [17]. 2.1.3. Áp lực đất ở trạng thái nghỉ Đất sét và cát cố kết thường trong điều kiện tự nhiên, không có chuyển vị ngang (chỉ nén theo phương đứng) và chịu tác dụng của tải trọng tăng dần theo phương đứng, được xem xét tính toán theo trạng thái ứng suất nghỉ. Hệ số áp lực đất ở trạng thái nghỉ, Ko, được tính theo công thức thực nghiệm (2.10). ' 1 sin ' ' h o v K s q s = = - (2.10) Áp lực đất ở trạng thái nghỉ thường không được sử dụng khi thiết kế hệ thống tường mềm [22]. Chỉ sử dụng áp lực đất ở trạng thái nghỉ khi tường không có chuyển vị ngang. Điều này gần đúng cho trường hợp hệ thống tường cứng. Quan hệ giữa áp lực đất và chuyển vị của hệ tường mềm được xét ở mục 3.1.4. 2.1.4. Ảnh hưởng chuyển vị của tường đến áp lực đất Sự phân bố áp lực đất sau tường phụ thuộc vào chuyển vị của tường [22]. Do phương pháp thi công tường neo là từ trên xuống dưới, với chu kỳ lặp lại: đào đất, lắp neo, tạo ứng suất, truyền ứng suất cho neo mà mô hình biến dạng và áp lực đất khác so với giả thiết áp lực đất hoàn toàn chủ động (tăng tuyến tính theo chiều sâu). Do đặc điểm của mô hình biến dạng này mà ứng suất tác dụng vào các đoạn tường sẽ nhỏ hơn so với mô hình áp lực hoàn toàn chủ động. Khi tường ngàm vào lớp đất tốt, áp lực ngang của đất có giá trị lớn nhất ở gần vị trí của neo và giá trị áp lực nhỏ hơn xuất hiện ở đoạn chân tường ngàm vào trong đất. 35 Mô hình tường neo có hai tầng neo được sử dụng để minh hoạ mối quan hệ giữa áp lực đất theo phương ngang và chuyển vị của tường trong các giai đoạn thi công như trên hình 2.5. Tường cao 1.9m, chân tường ngàm vào trong đất 0.38m. Hình 2.5. Mặt cắt của mô hình tường neo [19] Hình 2.6. Chuyển vị ngang và áp lực đất khi đào đến cao độ tầng neo đầu tiên [19] 36 Giai đoạn tường hẫng: Trong giai đoạn tường hẫng, đất được đào đến cao độ của tầng neo đầu tiên. Mô hình áp lực đất và chuyển vị của phần tường phía trên cao độ đào phù hợp với điều kiện áp lực đất chủ động (áp lực phân bố hình tam giác) (hình 2.6). Tường được ngàm cứng trong đất. Giai đoạn tạo ứng suất cho tầng neo phía trên: Có sự thay đổi áp lực ngang lớn khi truyền ứng suất cho neo (hình 2.7). Trong quá trình tạo ứng suất, cọc chống bị kéo vào trong đất sau tường, làm tăng áp lực ngang và có thể đạt được áp lực hoàn toàn bị động trong vùng đất lân cận vị trí neo. Khi tải trọng giảm về tải trọng cần truyền cho neo, thường từ 75-100% tải trọng thiết kế (DL), ứng suất giảm để lại biểu đồ áp lực có dạng hình bầu xung quanh neo (hình 2.7). Theo hình vẽ, áp lực này vượt quá áp lực đất chủ động. Hình 2.7. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi truyền lực cho neo [19]. Giai đoạn đào đất đến tầng neo bên dưới: Khi đào đất xuống khỏi cao độ của tầng neo bên trên, tường bị phình ra và phân bố lại áp lực đất tác dụng vào tường (hình 37 2.8). Áp lực đất giữa tầng neo bên trên và bề mặt đào sẽ giảm xuống và áp lực được phân bố lại cho những vị trí cứng hơn ở tầng neo bên trên và bề mặt cao độ đào làm cho áp lực đất trong các khu vực này tăng lên. Giai đoạn cuối cùng: Khi tạo ứng suất cho tầng neo phía dưới, chuyển vị của tường cũng tương tự như khi tạo ứng suất cho tầng neo phía trên (hình 2.9). Biểu đồ ứng suất hình bầu cũng xuất hiện ở vị trí neo phía dưới. Khi đào đất đến cao độ cuối cùng, xảy ra hiện tượng phình ngang của tường ở giữa lớp neo phía dưới và bề mặt cao độ đào. Hình 2.8. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi đào đất đến tầng neo bên dưới [19]. Đường bao áp lực đất có dạng hình thang trên hình 2.9 được gọi là đường bao áp lực đất biểu kiến và xấp xỉ về hình dạng và độ lớn của biểu đồ áp lực đất sau khi đào đất đến cao độ thiết kế. Đường bao áp lực đất hoàn toàn chủ động (hình tam giác) cho áp lực đất quá lớn ở gần cao độ đào, dẫn đến mômen uốn trong tường lớn, 38 chiều sâu chân tường ngàm trong đất lớn. Trong khi đó tải trọng neo, mômen uốn của tường tại các tầng neo phía trên sẽ thấp. Hình 2.9. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi đào đất đến cao độ thiết kế [19]. Đường bao biểu đồ áp lực đất biểu kiến ở hình 2.9 chỉ phù hợp với hệ thống tường mềm, được đặt trong đất tương đối tốt và có sự phân bố lại áp lực đất cho hệ chống đỡ. Mô hình áp lực đất và chuyển vị này không phù hợp cho trường hợp tường ngàm vào đất yếu có chuyển vị xoay lớn gần bề mặt đào, dẫn đến phát triển áp lực đất sau tường theo trạng thái áp lực đất chủ động. 2.2. Thiết kế tường neo 2.2.1. Tính toán áp lực đất 2.2.1.1. Tổng quan Phân bố áp lực đất tác dụng lên tường chắn phụ thuộc vào độ lớn và sự phân bố chuyển vị theo phương ngang của tường. Các tường hẫng không trọng lực tương đối mềm (tường cọc ván thép, tường gồm cọc chống và ván lát ngang không có neo) có thể chịu được chuyển vị ngang đủ lớn để gây ra áp lực đất chủ động trên toàn chiều 39 cao tường. Sử dụng lý thuyết biểu đồ áp lực đất chủ động của Rankine hoặc Coulomb để phân tích các dạng tường này. Với các dạng tường neo được xây dựng từ trên xuống dưới, mô hình biến dạng phức tạp hơn và không phù hợp với lý thuyết về phân bố áp lực đất của Rankine hoặc Coulomb [22]. Cường độ đất, độ cứng tường, góc nghiêng của neo, khoảng cách theo phương đứng các neo, ứng lực truyền cho neo ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình biến dạng của tường và hình thành áp lực đất tác dụng vào tường. 2.2.1.2. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck Đường bao biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck có dạng hình chữ nhật hoặc hình thang (hình 2.10). Các giá trị tung độ lớn nhất của biểu đồ thể hiện đường bao biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck dựa trên các thông số sau: · Giả sử chiều cao đào lớn hơn 6m. Chuyển vị tường được cho là đủ lớn để cường độ chịu cắt của đất được huy động tối đa; · Mực nước ngầm được giả sử thấp hơn cao độ đào đối với đất cát và đất sét. Không xét đến áp lực nước; · Đất được giả thiết là đồng nhất. Ứng xử của đất được coi là thoát nước cho đất cát và không thoát nước cho đất sét, chỉ xét đến tải trọng ngắn hạn; · Biểu đồ tải trọng trên chỉ áp dụng cho phần tường phía trên cao độ đào. Với đất sét, áp lực đất biểu kiến có liên quan chỉ số ổn định, Ns s u HN S g = (2.11) Với g (kN/m3) là trọng lượng đơn vị của đất sét, Su (kN/m3) cường độ chịu cắt không thoát nước trung bình của đất sét dưới cao độ đào, H(m) là chiều cao đào. 40 Hình 2.10(b) được sử dụng tương ứng với hệ số Ns có giá trị thấp và hình 2.10(c) được sử dụng tương ứng với hệ số Ns có giá trị cao. Hình 2.10. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck [22] 2.2.1.3. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến đề xuất cho đất cát Với đất cát, giá trị KA trên hình 2.10(a) tính theo công thức sau: 2 '(45 ) 2A K tan f= - (2.12) Giá trị áp lực đất lớn nhất là: 0.65 Ap K Hg= (2.13) Với f’ là góc ma sát có hiệu của đất cát. Đường bao biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho tuờng neo có 1 tầng neo và tường có nhiều tầng neo có dạng hình thang như hình 2.11. 41 Hình 2.11. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất cát. H1: Chiều cao từ mặt đất đến tầng neo thứ nhất (m). Hn+1: Chiều cao từ cao độ đào đến tầng neo thấp nhất (m). Thi: Tải trọng ngang của neo thứ i (kN). R: Lực kháng của đất dưới cao độ đào (kN). p: Tung độ lớn nhất của biểu đồ (kN/m2). TOTAL LOAD = 0.65KAgH2 2.2.1.4. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng H1: Chiều cao từ mặt đất đến tầng neo thứ nhất (m). Hn+1: Chiều cao từ cao độ đào đến tầng neo thấp nhất (m). Thi: Tải trọng ngang trong neo thứ i (kN). R: Lực kháng của đất dưới cao độ đào (kN). p: Tung độ lớn nhất của biểu đồ (kN/m2). TOTAL LOAD (kN/m tường) = 3H2÷6H2 42 Hình 2.12. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng. 2.2.1.5. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái mềm đến trung bình Tường neo tạm phục vụ thi công hay tường neo vĩnh cửu có thể được xây dựng trong đất trạng thái mềm đến trung bình (Ns>4) nếu chiều dài neo cần ngàm vào lớp đất chịu lực không quá lớn. Tường neo cố định ít được sử dụng khi đất dưới cao độ đào là đất sét yếu. Cho đất sét trạng thái mềm đến trung bình, biểu đồ áp lực đất của Terzaghi và Peck (hình 2.10(c)) được sử dụng để xác định biểu đồ áp lực đất biểu kiến dùng cho thiết kế tường neo tạm, với hệ số áp lực đất chủ động tính theo công thức (2.14) 41 uA SK m Hg = - (2.14) Với m là hệ số kinh nghiệm, khi chiều sâu đào nằm dưới lớp đất sét mềm và chỉ số Ns > 6 thì m = 0.4. Ngược lại, m lấy bằng 1. 43 2.2.1.6. Áp lực đất do tải trọng chất thêm Tải trọng phân bố đều: Tải trọng chất thêm là tải trọng thẳng đứng tác dụng trên bề mặt đất, chúng được giả thiết sẽ làm tăng đều áp lực theo phương ngang tác dụng trên toàn chiều cao tường. Giá trị tăng thêm này được xác định theo công thức (2.15). h sKqsD = (2.15) Với, qs: Áp lực do tải trọng chất thêm theo phương đứng tác dụng lên bề mặt đất. K: Hệ số áp lực đất tương ứng (chủ động, bị động, trạng thái nghỉ). Tải trọng tập trung, tải trọng đường, tải trọng mặt: Tải trọng tập trung là tải trọng theo phương đứng tác dụng lên bề mặt đất, trên diện tích nhỏ hơn so với tải trọng phân bố đều. Áp lực đất tăng thêm này thay đổi theo chiều sâu tường, không phải là hằng số như tải trọng chất thêm phân bố đều. Tải trọng này được tính toán dựa vào các công thức của lý thuyết đàn hồi [22]. Những tải trọng ngang được tính toán này phải cộng thêm vào khi tính toán đường bao áp lực đất. 2.2.2. Thiết kế neo trong đất Neo trong đất có nhiều ứng dụng trong ổn định tường chắn, ổn định mái dốc, chống sạt lở, neo kết cấu chống lực đẩy nổi. Phần này giới thiệu các bước thiết kế neo trong đất gồm: (1) xác định vị trí mặt trượt giới hạn, (2) tính toán tải trọng neo dựa vào biểu đồ đường bao áp lực đất biểu kiến, (3) thiết kế chiều dài đoạn neo không liên kết và liên kết, (4) chọn khoảng cách neo theo phương ngang và phương đứng, góc nghiêng của neo. 2.2.2.1. Xác định vị trí mặt trượt giới hạn Xác định vị trí mặt trượt giới hạn để không đặt đoạn chiều dài liên kết của neo vào “vùng không mang tải trọng”. “Vùng không mang tải trọng” được định nghĩa là 44 vùng đất giữa bề mặt trượt giới hạn và tường. Chiều dài đoạn neo không liên kết phải kéo dài hơn, qua khỏi mặt trượt giới hạn một đoạn là H/5 (m), với H là chiều cao tường, hoặc 1.5m sau bề mặt trượt giới hạn (hình 2.15). Khi tường được đặt trong đất rời, bề mặt trượt giới hạn có thể giả định bằng cách kéo dài một đường từ chiều sâu đào, hợp với phương ngang một góc (45o+f’/2). Các phân tích ổn định mái dốc có xét đến tải trọng chất thêm được sử dụng để xác định vị trí mặt trượt cho các loại đất [22]. 2.2.2.2. Tính toán tải trọng neo dựa vào biểu đồ áp lực đất biểu kiến Lực neo cho tường mềm được xác định từ đường bao áp lực đất biểu kiến. Các phương pháp thường sử dụng bao gồm phương pháp diện tích phụ thuộc (tributary area method) và phương pháp chốt (hinge method). Cả hai phương pháp trên đều dự đoán hợp lý tải trọng neo và mômen uốn trong tường neo xây dựng trong đất có khả năng chịu tải [22]. Tải trọng neo theo phương ngang được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp diện tích phụ thuộc hoặc phương pháp chốt, như minh họa ở hình 2.13 cho tường 1 tầng neo và hình 2.14 cho tường có nhiều tầng neo. Hình 2.13. Tính toán lực neo cho tường một tầng neo 45 T1 = Tải trọng trên chiều dài H1+H2/2 T1 Tính từ SMc=0 R = Tải trọng trên chiều dài H2/2 R = Tổng áp lực đất – T1 Hình 2.14. Tính toán lực neo cho tường có nhiều tầng neo T1 = Tải trọng trên chiều dài H1+H2/2 T1 Tính từ SMC=0 T2 = Tải trọng trên chiều cao H1/2+Hn/2 T2u=Áp lực đất lên (ABCGF) –T1 Tn = Tải trọng trên chiều cao Hn/2+Hn+1/2 T2L Tính từ SMD=0 R = Tải trọng trên chiều dài Hn+1/2 Tnu=Áp lực đất lên (CDIH) –T2L TnL Tính từ SME=0 R = Tổng áp lực đất – T1-T2-Tn T2 = T2u + T2L Tn = Tnu + TnL Giá trị lực được tính theo hình 2.13 và 2.14 là thành phần lực theo phương ngang của neo trên 1m rộng tường (Thi). Lực neo theo phương ngang được tính theo công thức (2.16) Th = This (2.16) Với s là khoảng cách giữa các neo liền kề. 46 Lực neo T, được sử dụng để tính toán chiều dài đoạn liên kết, được tính theo công thức (2.17). cos hTT q = (2.17) Với q là góc nghiêng của neo theo phương ngang. Thành phần lực đứng tổng cộng theo phương đứng được tính theo công thức (2.18). Tv = Tsinq (2.18) 2.2.2.3. Thiết kế đoạn chiều dài không liên kết Chiều dài không liên kết nhỏ nhất của neo trong đất là 4.5m cho neo bằng tao cáp dự ứng lực. Qui định giá trị chiều dài nhỏ nhất này nhằm giảm mất mát ứng suất trong quá trình truyền tải trọng vào kết cấu. Chiều dài đoạn không liên kết có thể dài hơn để thoả các yêu cầu: (1) đặt chiều dài đoạn neo 1 khoảng cách tối thiểu đến mặt trượt giới hạn, (2) đặt chiều dài đoạn liên kết vào tầng đất có khả năng mang tải, (3) đảm bảo sự ổn định tổng thể của hệ thống tường neo, (4) chịu được chuyển vị theo thời gian. Thông thường, chiều dài đoạn neo không liên kết có thể kéo dài một khoảng nhỏ nhất H/5 hoặc 1.5m (hình 2.15) về phía sau mặt trượt giới hạn để truyền tải trọng đến cột vữa phía trên đỉnh của vùng neo. 2.2.2.4. Thiết kế đoạn chiều dài liên kết Xác định khả năng truyền tải trọng của chiều dài đoạn liên kết được căn cứ vào các kinh nghiệm của các dự án trước, có xét đến phương pháp lắp đặt và phun vữa khác nhau [22]. Với một loại đất cho trước, khả năng mang tải thực đạt được phụ thuộc vào phương pháp khoan, đường kính lỗ khoan, phương pháp phun vữa và áp lực vữa phun, chiều dài vùng liên kết. Khả năng chịu tải của từng neo được xác định bằng các thí nghiệm trước khi được chấp nhận. Theo kinh nghiệm, các giá trị thiết kế được lấy như sau: · Tải trọng thiết kế từ 260 kN đến 1160 kN: Các qui định này giúp cho bó cáp và các thiết bị tạo ứng suất có thể di chuyển bằng nhân công mà không cần 47 sử dụng máy móc, thiết bị nâng chuyên dụng. Đường kính lỗ khoan thường nhỏ hơn 150mm. · Tổng chiều dài neo từ 9 đến 18m: Do các yêu cầu về điều kiện kỹ thuật hoặc yêu cầu về hình học, chiều dài một số neo cho tường có thể nhỏ hơn 9m. Chiều dài đoạn không liên kết tối thiểu là 4.5m. Chiều dài tối thiểu này nhằm giảm sự mất mát ứng suất không mong muốn trong suốt quá trình thử tải và mất mát do từ biến của cáp dự ứng lực. · Góc nghiêng của neo từ 10 đến 45 độ: Neo trong đất thường được lắp đặt với góc nghiêng từ 15 đến 35 độ mặc dù góc nghiêng từ 10 đến 45 độ có khả năng thi công được. Khi xác định góc nghiêng cần xem xét điều kiện chiều dài vùng liên kết phải ở phía sau mặt trượt giới hạn và ngàm vào trong lớp đất đá có khả năng chịu tải. Độ nghiêng lớn nhằm mục đích tránh các công trình tiện ích dưới đất, các móng của công trình liền kề, các điều kiện bắt buộc, hoặc tránh lớp đất yếu, khối đá. Neo được lắp đặt càng gần với phương ngang càng tốt nhằm giảm lực theo phương đứng tác dụng lên kết cấu tường. Tuy nhiên, việc phun vữa với góc nghiêng nhỏ hơn 10 độ, đòi hỏi phải có các kỹ thuật đặc biệt. Cho mục đích thiết kế sơ bộ neo trong đất, tải trọng cuối cùng truyền từ chiều dài đoạn neo liên kết vào đất, với loại neo đường kính nhỏ, có thể lấy theo bảng 2.1, dựa vào loại đất và chỉ số SPT. Tải trọng neo thiết kế lớn nhất cho phép trong đất được xác định bằng cách nhân chiều dài đoạn liên kết với tải trọng truyền cuối cùng và chia cho hệ số an toàn bằng 2.0. 2.2.2.5. Xác định khoảng cách các neo Mỗi neo được thiết kế để chịu tải trọng của phần diện tích xung quanh, dựa vào khoảng cách theo phương ngang và đứng giữa các neo. Kích thước, cường độ của neo, phương pháp khoan và phun vữa, đường kính và chiều dài lỗ khoan được lựa chọn để đảm bảo rằng neo có thể mang được tải trọng trong suốt thời gian khai thác. Khoảng cách theo phương ngang và phương đứng của các neo khác nhau và phụ 48 thuộc vào yêu cầu của từng dự án, có thể lựa chọn dựa vào các yếu tố sau: (1) đảm bảo độ cứng của kết cấu để chống lại chuyển vị ngang, (2) các kết cấu hiện hữu dưới mặt đất có thể ảnh hưởng đến vị trí và góc nghiêng của neo, (3) loại tường được lựa chọn để thiết kế. Bảng 2.1. Giá trị tải trọng cuối cùng truyền vào đất cho việc thiết kế sơ bộ neo trong đất đường kính nhỏ [22]. Loại đất Độ chặt tương đối (Chỉ số SPT)(*) Giá trị lực kháng của đất (kN/m) Cát và sỏi Yếu (4-10) Chặt vừa (11-30) Chặt (31-50) 145 220 290 Cát Yếu (4-10) Chặt vừa (11-30) Chặt (31-50) 100 145 190 Cát và bùn Yếu (4-10) Chặt vừa (11-30) Chặt (31-50) 70 100 130 Sét pha bùn lẫn cát mềm hoặc hỗn hợp bùn Cứng (10-20) Rất cứng (21-40) 30 60 (*): Chỉ số SPT hiệu chỉnh Vị trí theo phương đứng của tầng neo cao nhất được xác định dựa vào biến dạng cho phép của đoạn tường hẫng. Khoảng cách theo phương đứng của tầng neo thấp nhất được xác định sao cho tối thiểu hoá khả năng phát triển của áp lực đất bị động trong quá trình kiểm tra về tính năng và kiểm tra chống thấm. Khi thử tải, các neo vĩnh cữu thường được thí nghiệm với tải trọng đến 133% tải trọng thiết kế, dẫn đến sự dịch chuyển của tường vào trong lớp đất được giữ. Nếu tải trọng thiết kế cho neo thấp nhất lớn, cùng với tải trọng chất thêm, hoặc tường ngàm vào lớp đất yếu, áp lực bị động của đất có thể tăng trong suốt quá trình thử tải. Khi áp lực bị động tăng, tường sẽ có chuyển vị quá mức vào trong phần đất được giữ. Với hệ thống tường gồm cọc chống đứng và ván lát ngang có thể bị uốn và nứt quá mức cho phép. 49 Với neo trong đất được lắp đặt trong nền đất đá, khoảng cách tối thiểu từ tâm vùng liên kết đến mặt đất là 4.5m (hình 2.15a). Chiều sâu chôn này để tránh mất vữa khi phun vữa cho neo bằng áp lực và ngăn không cho xuất hiện hiện tượng trồi bề mặt do phun vữa với áp lực lớn. Khoảng cách lớn nhất theo phương ngang của neo được xác định dựa vào khả năng chịu tải cho phép của neo và khả năng chịu lực của kết cấu tường. Khoảng cách theo phương ngang của cọc chịu lực có thể lấy từ 1.5m đến 3.0m với cọc đóng và trên 3.0m với cọc đổ tại chổ. Khoảng cách tối thiểu theo phương ngang giữa các neo là 1.2m (hình 2.15b) để đảm bảo rằng ảnh hưởng của nhóm neo giữa các neo gần kề là nhỏ nhất do sai số trong quá trình khoan. Ảnh hưởng của nhóm neo làm giảm khả năng mang tải của từng neo riêng biệt [22]. Hình 2.15. Khoảng cách yêu cầu của neo theo phương đứng và phương ngang [22]. 2.2.3. Các phương pháp tính toán tường neo Theo Strom and Ebeling (2001) [30], có bốn phương pháp chung để tính toán, phân tích tường neo, bao gồm: 1. Phương pháp RIGID (Dầm tựa trên gối cứng); 2. Phương pháp WINKLER (Dầm tựa trên gối đàn hồi); 50 3. Phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính; 4. Phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến. 2.2.3.1. Phương pháp RIGID Tường neo được giả sử như 1 phần tử đàn hồi liên tục (EI là hằng số) trên các gối đỡ cố định tại các vị trí neo trong đất. Áp lực đất được xác định trước và không phụ thuộc vào chuyển vị của tường. Vì vậy, phương pháp RIGID không xét sự phân bố lại áp lực đất do chuyển vị của tường. Tải trọng đất tác dụng vào tường có thể theo biểu đồ hình thang (biểu đồ áp lực đất biểu kiến) hoặc phân bố theo biểu đồ hình tam giác thông thường. Đất nền phía trước tường được giả thiết tác dụng lên tường như một gối giả tại điểm có tổng áp lực đất tác dụng vào tường bằng 0 nhằm khống chế chuyển vị của tường. Hình 2.16. Phương pháp dầm tương đương tựa trên gối cứng. 2.2.3.2. Phương pháp WINKLER Phương pháp WINKLER là phương pháp dầm tựa trên nền đàn hồi. Phương pháp này dựa vào phần tử hữu hạn một chiều đại diện cho hệ thống tường/đất. Tường neo 51 được xem như phần tử dẻo liên tục có độ cứng EI và được mô hình như những phần tử dầm-cột đàn hồi tuyến tính. Tường neo tựa trên một số hữu hạn các gối đàn hồi phi tuyến có độ cứng K, phân bố gần sát nhau để mô hình cho đất nền. Neo trong đất được mô hình như những gối đàn hồi phi tuyến riêng lẻ, được truyền tải trọng trước tại các vị trí neo. Các gối đất đàn hồi được truyền tải trước đến điều kiện áp lực đất ở trạng thái nghỉ, nhằm mô hình cho điều kiện đất trước khi đào. Khi đào đất (bỏ các gối đàn hồi đất ở vùng đất bị đào), tường sẽ dịch chuyển vào phía đào. Sự dịch chuyển này là do áp lực đất được truyền trước ở trạng thái nghỉ của đất ở phía sau tường (đất không đào). Các gối đất đàn hồi ở phía trước tường sẽ chịu tải trọng lớn hơn tải trọng ở trạng thái nghỉ để giữ hệ thống tường ở trạng thái cân bằng. Hơn nữa, tại các vị trí neo, neo được mô hình bằng các gối neo đàn hồi, được truyền tải trọng trước cũng giúp giữ cân bằng hệ thống tường. Phương pháp WINKLER giả thiết các gối đàn hồi để mô hình các tác động của đất một cách độc lập (ứng xử của một gối đàn hồi sẽ không ảnh hưởng đến ứng xử của các gối gần kề). Hình 2.17 mô tả phương pháp phân tích WINKLER được sử dụng cho cả phân tích tường thi công theo giai đoạn hoặc phân tích tường ở giai đoạn hoàn thành mà không xét được chuyển vị của hệ thống xảy ra trong từng giai đoạn thi công. 2.2.3.3. Phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính (LEFEM) và phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến (NLFEM) Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là phương pháp giải tích được sử dụng để xấp xỉ sự tương tác phức tạp, xảy ra giữa đất và kết cấu [15]. Phương pháp FEM cần nhiều thông số đầu vào để đạt được ứng xử chính xác của đất lên bề mặt kết cấu. Loại phân tích này gọi là phân tích tương tác đất-kết cấu (SSI). Trong phân tích FEM SSI, đất và tường được mô hình như là các phần tử hữu hạn tuân theo quan hệ giữa ứng suất và biến dạng phù hợp. SSI có thể sử dụng để mô hình quá trình thi công thực tế [15]. Các giai đoạn thi công trong suốt quá trình phân tích được mô hình gia tăng dần. Quá trình này dùng mô hình ứng suất-biến dạng để mô phỏng 52 ứng xử ứng suất-biến dạng xảy ra trong mỗi chu kỳ tác dụng tải. Điều này rất quan trọng vì ứng xử ứng suất-biến dạng của đất và mặt tiếp xúc đất-kết cấu là phi tuyến và phụ thuộc vào lộ trình ứng suất. Hình 2.17. Phương pháp dầm tựa trên nền đàn hồi (WINKLER). Lưới phần tử hữu hạn được sử dụng trong toàn bộ quá trình phân tích. Các phần tử có thể được thêm vào hoặc bỏ ra khỏi lưới trong quá trình phân tích. Các phần tử không tồn tại trong giai đoạn phân tích được mô hình bằng các phần tử có độ cứng rất nhỏ và thường được gọi là “những phần tử không khí” [15]. Khi đến giai đoạn thi công có sử dụng vùng lưới, trong đó có phần tử không khí, thuộc tính của những phần tử này sẽ được thay đổi thành những thuộc tính tương ứng của đất và các phần tử kết cấu. Một đặc điểm quan trọng nữa của phân tích FEM SSI là nó cho phép phân tích được mô men tương đối giữa đất và kết cấu bằng cách sử dụng phần tử tiếp xúc. Đặc điểm này cho phép tính toán chính xác áp lực và ứng suất cắt tác dụng vào kết cấu 53 tường chắn. Không giống như các phương pháp cân bằng giới hạn thông thường, phương pháp SSI không yêu cầu xác định trước biểu đồ áp lực đất tác dụng vào kết cấu nhưng cho phép tính toán ứng suất dựa vào sự tương tác giữa đất-kết cấu trong suốt quá trình thi công. Phương pháp phần tử hữu hạn đàn hồi tuyến tính (LEFEM) Vật liệu tuyến tính là vật liệu có ứng xử mà độ lớn của ứng xử tỷ lệ tuyến tính với độ lớn của lực tác dụng vào vật liệu. Hình 2.18 thể hiện mối quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu tuyến tính. Vật liệu đàn hồi là vật liệu chỉ chịu những biến dạng có khả năng hồi phục, chúng trở lại trạng thái ban đầu khi dỡ tải. Quan hệ ứng suất- biến dạng của những loại vật liệu này tuân theo định luật Hooke. σ = E ε (2.19) Trong đó: s là ứng suất, e là biến dạng, E là mô đun đàn hồi. Hình 2.18. Mối quan hệ tuyến tính ứng suất-biến dạng Phân tích SSI được chỉnh sửa theo mô hình đàn hồi tuyến tính dựa vào các giả thuyết sau: 54 · Vật liệu ứng xử đàn hồi; · Mô hình tải trọng biến dạng nhỏ không thay đổi do kiểu biến dạng. Phân tích tuyến tính có thể cung cấp những thông tin quan trọng về ứng xử của kết cấu và xấp xỉ sát với ứng xử của kết cấu trong nhiều trường hợp. Phân tích tuyến tính cũng là nền tảng cho phân tích phi tuyến. Phương pháp phần tử hữu hạn đàn hồi phi tuyến (NLFEM) Vật liệu phi tuyến là vật liệu có ứng xử mà độ lớn của ứng xử không tỷ lệ với độ lớn của lực tác vào vật liệu. Hình 2.19 mô tả mối quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu phi tuyến. Hình 2.19. Mối quan hệ phi tuyến ứng suất-biến dạng Phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến được sử dụng cho việc phân tích thi công theo giai đoạn để xét tương tác giữa đất và kết cấu. Ứng xử ứng suất-biến dạng thực của đất và tương tác đất-kết cấu trong những phân tích này là phi tuyến và phụ thuộc vào lộ trình ứng suất. Trong những phân tích này, tính phi tuyến của đất có 55 thể được ước lượng và áp lực đất sẽ biến đổi do chuyển vị của đất và kết cấu được liên kết [15]. 2.3. Phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 8.2 2.3.1. Tổng quát Plaxis là phần mềm trên cơ sở phần tử hữu hạn, dùng để phân tích các bài toán địa kỹ thuật như: chuyển vị, ổn định, dòng thấm. Plaxis được sử dụng rộng rãi trong tính toán các công trình thực tế vì nó sử dụng đơn giản, thân thiện với người dùng và kết quả đáng tin cậy [24]. Plaxis được tích hợp nhiều tính năng để giải các yêu cầu khác nhau của các bài toán địa-kết cấu phức tạp. Một số đặc điểm quan trọng của phầm mềm Plaxis 8.2 như: · Các thông số hình học đầu vào và điều kiện biên có thể được nhập vào bằng sự hỗ trợ của các chương trình vẽ (CAD). Dễ dàng phát sinh lưới phần tử hữu hạn 2D; · Cho phép tự động phát sinh lưới phần hữu hạn 2D với lựa chọn là lưới tổng thể hoặc làm mịn lưới cục bộ; · Phần tử tam giác 6 nút bậc 2 hoặc 15 nút bậc 2 được dùng để mô hình ứng suất và biến dạng trong đất; · Phần tử dầm được sử dụng để mô hình các phần tử kết cấu như là: tường chắn, vỏ hầm, kết cấu vỏ và các kết cấu mỏng khác; · Các phần tử liên kết dùng để mô hình phần tử tiếp xúc giữa đất và phần tử kết cấu gần kề; · Các phần tử đàn hồi tuyến tính được sử dụng để mô hình neo và giằng chống ngang; · Vải địa kỹ thuật hay chiều dài đoạn liên kết của neo được mô hình bằng các phần tử chịu kéo đặc biệt; · Lưới phần tử cho hầm hình tròn hoặc không phải hình tròn có thể được tạo bằng cách sử dụng đường thẳng hoặc đường cong; · Áp lực nước lỗ rỗng ở trạng thái tĩnh có thể được phát sinh bằng đường mực nước hoặc bằng cách tính toán dòng nước ngầm; 56 · Đặc điểm xây dựng theo giai đoạn để mô phỏng quá trình thi công hay đào đất theo từng giai đoạn giống như thực tế được mô hình bằng cách kích hoạt hoặc không kích hoạt các vùng phần tử, đặt tải trọng, thay đổi mực nước…; · Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian có thể được tính toán bằng phân tích cố kết; · Được tích hợp mô hình đất đẳng hướng, tuyến tính đơn giản của Mohr- Coulomb và các mô hình đất phi tuyến, phức tạp hơn như: mô hình Hardening Soil, mô hình Soft-Soil-Creep, mô hình Soft-Soil, mô hình Cam-Clay cải tiến. 2.3.2. Các mô hình đất trong phần mềm Plaxis 8.2. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là yếu tố quan trọng của các chương trình phần tử hữu hạn vì các chương trình này tính toán ứng suất và chuyển vị trong đất chịu tác dụng của tải trọng ngoài [15]. Công thức quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đơn giản nhất là mối quan hệ tuyến tính tuân theo định luật Hooke như công thức 2.19. Quan hệ ứng suất và biến dạng trên được xét ở điều kiện lý tưởng và chỉ thích hợp cho một số loại vật liệu, hầu hết các loại đất không thoả được điều kiện lý tưởng này. Đất là hỗn hợp không đồng nhất, quan hệ ứng suất-biến dạng là phi tuyến và có cường độ giới hạn, nhạy cảm với sự di chuyển của nước ngầm trong đất thông qua các lỗ rỗng. Vì vậy, sử dụng quan hệ ứng suất-biến dạng theo định luật Hooke không xét được đầy đủ các ứng xử của đất. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu sử dụng các mô hình đất nền để đánh giá ứng xử của đất. Các công thức toán học cũng đã được xây dựng thay cho công thức đơn giản “E” theo định luật Hooke. Trong những công thức này, giá trị độ cứng của đất sẽ thay đổi mà không phải là hằng số. Các mô hình đất nền giúp xác định được những thay đổi này và đưa ra các giới hạn như mặt phá hoại hoặc mặt chảy dẻo. Cần chú ý rằng, hầu hết các chương trình phần tử hữu hạn địa kỹ thuật đều có tích hợp mô hình đàn hồi tuyến tính cơ bản 57 theo định luật Hooke. Mô hình này thường được sử dụng trong các phân tích sơ bộ hay khi không có đầy đủ các số liệu về địa chất. Hai mô hình đất nền trong Plaxis thường được sử dụng để tính toán cho cả đất dính và đất rời là mô hình Mohr-Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soil (HS). Hình 2.20 mô tả mặt phá hoại của mô hình MC trong không gian ứng suất chính. Hình 2.20. Mặt chảy dẻo Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính. Phương trình mặt phá hoại như sau: Các thông số cơ bản cần thiết để xác định mô hình MC như sau: 58 1. Thông số về cường độ · j Góc ma sát trong (độ); · c Cường độ kháng cắt (kN/m2); · y Góc giãn nở (độ). 2. Độ cứng · E Mô đun đàn hồi (kN/m2); · n Hệ số Poisson. Mô hình HS là mô hình tiên tiến dùng để mô phỏng ứng xử của đất nền, sử dụng được cho cả đất dính và đất rời [15]. Độ cứng của đất được mô tả chính xác hơn bằng cách sử dụng nhiều thông số độ cứng khác nhau: độ cứng khi gia tải trong thí nghiệm nén 3 trục E50, độ cứng khi dỡ tải trong thí nghiệm nén 3 trục Eur, độ cứng khi gia tải trong thí nghiệm nén 1 trục Eoed. Các thông số cơ bản trong mô hình HS như sau: 1. Các thông số về cường độ giống như mô hình MC · j Góc ma sát trong (độ); · c Cường độ kháng cắt (kN/m2); · y Góc giãn nở (độ). 2. Các thông số về độ cứng Hyperbolic · E50ref Độ cứng pháp tuyến trong thí nghiệm nén 3 trục (kN/m2); · Eoedref Độ cứng tiếp tuyến trong thí nghiệm nén 1 trục (kN/m2); · m Số mũ m; · Eurref Độ cứng khi gia tải/dỡ tải (kN/m2); · Vur Hệ số Poisson khi gia tải-dỡ tải; · pref Ứng suất tham chiếu của độ cứng (kN/m2); · Rf Hệ số phá hoại. Không giống như mô hình MC, mô hình HS cho rằng mô đun độ cứng phụ thuộc vào ứng suất, hay độ cứng tăng khi ứng suất nén tăng. Hơn nữa, với đất cát 59 thường không đạt được đường quan hệ ứng suất - biến dạng đàn dẻo lý tưởng như hình 2.21. Khi chịu tác dụng của tải trọng lệch ban đầu, đất nền sẽ tăng độ cứng đồng thời hình thành biến dạng dẻo không hồi phục được. Người ta quan sát thấy mối quan hệ biến dạng dọc trục và ứng suất lệch có dạng hyperbol [13], như hình 2.22 Hình 2.21. Quan hệ ứng suất-biến dạng đàn dẻo lý tưởng. Hình 2.22. Quan hệ hyperbol giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm 3 trục chuẩn có thoát nước. 60 Giống như mô hình Mohr-Coulomb, khi ứng suất đạt đến trạng thái phá hoại sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo. Không như mô hình đàn dẻo lý tưởng của Coulomb, mặt chảy dẻo của mô hình HS tăng bền không cố định trong không gian ứng suất chính mà nó dãn ra do biến dạng dẻo [13]. Mô hình HS có xét đến chỏm mũ chảy dẻo dùng để mô hình cho 2 loại tăng bền: tăng bền trượt do biến dạng dư dưới tác dụng của tải trọng lệch ban đầu; và tăng bền nén do tác dụng của tải trọng trục đẳng hướng. Khi đất rời chịu tải trọng nén đẳng hướng, biến dạng của vật liệu đất sẽ không tuân theo đường biến dạng đàn hồi liên tục của mô hình MC. Thực tế sẽ hình thành biến dạng thể tích dẻo. Chỏm mũ chảy dẻo được dùng để mô hình những biến dạng này. Hình 2.23 và 2.24 mô tả mô hình HS và mặt chảy dẻo trong mặt phẳng p- q và trong không gian ứng suất chính. Hình 2.23. Mặt chảy dẻo của mô hình HS trong mặt phẳng p-q 2.4. Kết luận chương 2 Khi tính toán tường neo cần xét áp lực đất ở ba trạng thái: áp lực đất chủ động, áp lực đất bị động, áp lực đất ở trạng thái nghỉ. Với hệ thống tường mềm, biểu đồ áp lực đất phân bố theo dạng hình thang mà không phải phân bố theo hình 61 tam giác như thông thường, do xét đến ảnh hưởng chuyển vị của tường đến sự phân bố lại áp lực đất. Hình 2.24. Các đường đồng mức chảy dẻo của mô hình HS trong không gian ứng suất chính. Chiều dài đoạn không liên kết của neo phải nằm ngoài phạm vi mặt trượt giới hạn. Neo trong đất thường được bố trí gốc nghiêng từ 10-45o. Khoảng cách bố trí neo sao cho đảm bảo độ mảnh của tường theo phương đứng và tránh ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm neo. Các phương pháp tính toán tường neo gồm phương pháp RIGID, phương pháp WINKLER, phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp RIGID cần phải biết trước biểu đồ áp lực đất nên không xét được ảnh hưởng của tường đến sự phân bố lại áp lực đất cũng như không mô phỏng được quá trình thi công theo giai đoạn mà chỉ xét tường chịu lực ở giai đoạn cuối cùng và không tính được chuyển vị của tường. Phương pháp WINKLER có xét đến ảnh hưởng của quá trình thi công theo từng giai đoạn nhưng chưa xét được chuyển vị của hệ thống tường đất. Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp giải tích có xét đến tương tác giữa đất và kết cấu, 62 để phân tích tương tác của tường và đất cần phải sử dụng các mô hình đất đàn dẻo tăng bền mà không sử dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng. Các mô hình thường sử dụng trong tính toán là mô hình Mohr-Coulomb, mô hình Hardening Soil. 63 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU KHOẢNG CÁCH BỐ TRÍ HỢP LÝ CỦA NEO TRONG ĐẤT TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU: DỰA ÁN LAKE PARKWAY 3.1. Mô tả dự án Lake Parkway Dự án Lake Parway, Milwaukee, Wi, US được Cassandra Janel Rutherford mô tả trong mục 4.3 và áp dụng tính toán bằng phần mềm Plaxis trong mục 7.4 trong đề tài của mình [4]. Đây là dự án đầu tiên ở Mỹ sử dụng công nghệ cọc đất-xi măng trộn sâu để thiết kế tường chắn vĩnh cữu nhằm giữ ổn định mái đào cho lòng đường giao thông. Tường chắn sử dụng là loại tường neo cọc chống/cọc đất-xi măng trộn sâu và bề mặt bằng bê tông cốt thép như thể hiện trên hình 3.1. Hình 3.1. Dự án Lake Parkway [4] 3.2. Mô hình tính toán bằng phần mềm PTHH Plaxis 3.2.1. Mô hình bài toán Hình 3.2 thể hiện mặt cắt ngang điển hình với chiều sâu hố đào là 9.9m. 64 Hình 3.2. Mặt cắt ngang của dự án Lake Parkway [4] Dự án được mô hình trong Plaxis bằng các phần tử 15 nút và ứng suất phẳng. Địa chất gồm 2 lớp, lớp cát trạng thái chặt vừa có bề dày 18.3m, nằm dưới là lớp đất sét trạng thái cứng. Thuộc tính các lớp đất được thể hiện trong bảng 3.1. Mực nước ngầm nằm cách mặt đất 2.4m. Bảng 3.1. Các thuộc tính của các lớp đất cho mô hình Plaxis Thông số Ký hiệu Đơn vị Lớp đất Lớp cát Lớp sét Mô hình vật liệu - - MC MC Ứng xử của vật liệu - - Thoát nước Thoát nước Trọng lượng riêng ẩm gunsat kN/m3 19.1 20.7 Trọng lượng riêng bảo hòa gsat kN/m3 19.1 20.7 Hệ số thấm theo phương ngang kx m/day 8.64 8.64E-02 Hệ số thấm theo phương đứng ky m/day 8.64 8.64E-02 Mô đun biến dạng Eref kN/m2 69000 60000 Hệ số Poisson m - 0.3 0.35 Lực dính có hiệu cref kN/m2 1.0 48.0 Góc ma sát có hiệu j o 30 5.0 Góc giãn nở y o 0.0 0.0 Hệ số giảm cường độ lớp phân giới Rinter - 0.67 0.67 Tính thấm - - Không thấm Không thấm 65 Căn cứ vào kích thước hố đào, kích thước mô hình được xác định dựa theo Briaud và Lim (1997) [3], chiều rộng mô hình là Be + We , Be = 3(He + D) với He là chiều cao đào (He = 9.9m) và D là chiều dài của tường chôn trong lớp đất không thấm nước (D=8.4m). Vậy bề rộng của mô hình là 3 x (9.9 m + 8.4 m) + 20 m = 74.9 m. Chiều cao mô hình là 38m. Hố đào có chiều rộng là 40m, chiều sâu đào là 9.9m. Chiều dài theo phương dọc lớn nên sử dụng mô hình ứng suất phẳng. Hố đào được chống đỡ bằng tường neo đất-xi măng trộn sâu với chiều dài cọc là 20.6m. Hàng neo bên trên ở cao độ 2.1m cách mặt đất và hàng neo thứ 2 cách hàng neo thứ nhất 3.9m. Khoảng cách theo phương ngang giữa các neo là 2.1m. Đặc trưng của tường đất-xi măng được thể hiện ở bảng 3.2. Phần tử Plate dùng để mô hình tường neo, các phần tử phân giới (interface) được dùng để mô tả sự làm việc đồng thời giữa kết cấu tường và đất nền, có thuộc tính giống như thuộc tính đất nền. Bảng 3.2. Các đặc trưng của tường neo cọc đất-xi măng trộn sâu Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Ứng xử của vật liệu - - Elastic Độ cứng dọc trục EA kN/m 2.89E+05 Độ cứng khi uốn EI kNm2/m 1.67E+05 Bề dày tương đương d m 8.20 Trọng lượng w kN/m/m 20.32 Hệ số poisson n - 0.15 Tổng chiều dài của neo là 20m, có góc nghiêng 15 độ so với phương ngang. Phần tử node to node được dùng để mô hình đoạn chiều dài không liên kết của neo trong đất. Phần tử geogrid dùng để mô hình chiều dài đoạn liên kết của neo. Các đặc trưng của phần tử node to node và phần tử geogrid thể hiện ở bảng 3.3 và bảng 3.4. Lực neo sẽ được truyền vào neo trong quá trình phân tích, tính toán mà không được gán trước vào mô hình. 66 Bảng 3.3. Các đặc trưng của đoạn chiều dài không liên kết Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Ứng xử của vật liệu - - Elastic Độ cứng dọc trục EA kN/m 2.00E+05 Khoảng cách theo phương ngang Ls m 2.10 Lực neo của hàng neo số 1 F1 kN/m 229.76 Lực neo của hàng neo số 2 F2 kN/m 391.44 Bảng 3.4. Các đặc trưng của đoạn chiều dài liên kết Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Ứng xử của vật liệu - - Elastic Độ cứng dọc trục EA kN/m 1.0E+05 Do bài toán đối xứng nên chỉ mô hình cho một nửa hố đào. Mô hình bài toán được thể hiện trên hình 3.3. Lưới phần tử hữu hạn được phát sinh với độ thô tổng thể loại rất mịn, lưới xung quanh phần tử tường được làm mịn hơn để mô hình chính xác hơn ứng xử của đất và tường. Điều kiện biên gồm tính ngàm chuẩn (Ux = Uy = 0) cho mặt đáy nằm ngang và tính ngàm ngang (Ux = 0) cho 2 mặt đứng. Điều kiện ban đầu đòi hỏi phải phát sinh áp lực nước và ứng suất ban đầu. Đường mực nước được đưa vào mô hình ở chiều sâu cách mặt đất 2.4m. Áp lực nước được phát sinh và sau đó ứng suất ban đầu được tính toán bằng hệ số K0. Quá trình thi công được mô phỏng bằng nhiều giai đoạn khác nhau. Giai đoạn 1, tường được lắp đặt và đào đất đến tầng neo đầu tiên (hình 3.3). Giai đoạn 2, lắp đặt và truyền tải trọng cho hàng neo đầu tiên (hình 3.4). Giai đoạn 3, đào đất đến cao độ của hàng neo thứ 2, trong giai đoạn này cao độ đào đã thấp hơn mực nước ngầm nên phải vẽ lại đường mực nước và tính lại áp lực nước (hình 3.5). Giai đoạn 4, lắp 67 đặt và truyền lực cho hàng neo thứ 2 (hình 3.6). Giai đoạn cuối cùng, đào đất đến cao độ thiết kế, vẽ lại đường mực nước và tính lại áp lực nước (hình 3.7). Hình 3.3. Giai đoạn 1 – Đào đất đến tầng neo đầu tiên Hình 3.4. Giai đoạn 2 – Truyền lực cho tầng neo đầu tiên 68 Hình 3.5. Giai đoạn 3 – Đào đất đến tầng neo thứ 2 Hình 3.6. Giai đoạn 4 – Truyền lực cho tầng neo thứ 2 Hình 3.8 thể hiện biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 5 theo kết quả tính toán của Cassandra Janel Rutherford [4]. Giá trị mô men và chuyển vị ngang lớn nhất của tường ở giai đoạn này có giá trị tương ứng là 152.97kNm/m và 23.90mm. 69 Hình 3.7. Giai đoạn 5 – Đào đất đến cao độ thiết kế Hình 3.8. Biểu đồ mô men và chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn 5 theo kết quả của Cassandra Junel Rutherford. 70 Nhận xét kết quả bài toán: Dựa vào biểu đồ mô men uốn theo kết quả của Cassandra Janel Rutherford, giá trị tung độ dương và âm trên biểu đồ chênh nhau khá lớn và tập trung ở đoạn chiều sâu tường gần cao độ đào hơn. Nếu thay đổi vị trí hàng neo thứ 2, hoặc giá trị các lực neo để kết quả mô men âm và dương của tường tương đối cân bằng nhau thì ta sẽ có giá trị mô men lớn nhất nhỏ hơn và chuyển vị ngang lớn nhất của tường cũng sẽ nhỏ đi. Trong phần tính toán của mình, Cassandra Janel Rutherford chỉ mô hình và phân tích tường với khoảng cách bố trí 2 neo là 3.9m và lực neo F1,F2 có giá trị theo bảng 3.3. Căn cứ vào nhận xét trên, tiến hành xét các bài toán sau: · So sánh trường hợp tường có bố trí và không có bố trí neo để chứng minh tác dụng của neo trong đất trong ổn định hố đào. · Thay đổi khoảng cách bố trí 2 neo để nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoảng cách neo đến mô men uốn và chuyển vị ngang trong tường. · Thay đổi các giá trị lực neo F1, F2 để nghiên cứu sự ảnh hưởng của lực neo đến mô men uốn và chuyển vị ngang trong tường. 3.2.2. So sánh trường hợp tường không bố trí neo và có bố trí neo 3.2.2.1. Mô hình bài toán Để chứng minh tác dụng của neo trong đất đối với hệ thống tường chắn ổn định hố đào, sử dụng các thông số vật liệu và các đặc trưng hình học của tường, neo như mục 3.2.1 và mô hình bài toán như thể hiện trên hình 3.9. Chiều cao được xét tính toán khi thi công đến giai đoạn 4, tức đào sâu 6.0m tính từ mặt đất. Mô hình tính toán bằng phần mềm Plaxis với 2 trường hợp tường không có neo trong đất và tường có bố trí 2 hàng neo trong đất với các lực neo theo bảng 3.3. Mực nước ngầm nằm cách mặt đất 2.4m. 71 a. Không có neo b. Có neo Hình 3.9. Mô hình tính toán cho trường hợp tường không có neo và có neo 3.2.2.2. Chuyển vị ngang của tường Kết quả chuyển vị ngang của tường thể hiện ở hình 3.10a và 3.10b tương ứng cho trường hợp tường không có neo và tường có bố trí neo trong đất. Chuyển vị ngang lớn nhất của tường không bố trí neo xảy ra ở đỉnh tường với giá trị 51.58mm, chuyển vị ngang lớn nhất của tường trong trường hợp có bố trí neo có giá trị 9.60mm xảy ra tại chân tường. Nhờ có neo tác dụng như những điểm giữ nên chuyển vị ngang của tường giảm đi rất nhiều. Hình 3.11 so sánh chuyển vị ngang dọc theo chiều sâu tường ứng với 2 trường hợp trên. a. Không có neo b. Có neo Hình 3.10. Biểu đồ chuyển vị ngang của tường 72 Hình 3.11. So sánh chuyển vị ngang dọc theo chiều sâu tường. 3.2.2.3. Mô men uốn trong tường a. Không có neo b. Có neo Hình 3.12. Biểu đồ chuyển vị ngang của tường 73 Hình 3.12 thể hiện mô men uốn trong tường cho hai trường hợp tường không có bố trí neo và có bố trí neo trong đất. Giá trị mô men lớn nhất trong trường hợp tường không bố trí neo là 217.91 kNm/m xảy ra ở vị trí phía dưới cao độ đào, do đất phía trước tường dưới cao độ đào đóng vai trò như gối đỡ nên giá trị mô men lớn nhất xảy ra ở gần vị trí này. Giá trị mô men uốn lớn nhất trong tường có bố trí neo xảy ra ở vị trí neo bên dưới có giá trị là 152.98 kNm/m. Hình 3.13 so sánh mô men uốn dọc theo chiều sâu tường ứng với 2 trường hợp trên. Khi tường được bố trí neo, neo sẽ tạo nên những điểm tựa làm cho mô men uốn trong tường giảm đi so với trường hợp không bố trí neo. Hình 3.13. So sánh mô men uốn dọc theo chiều sâu tường. 74 3.2.2.4. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng Mối quan hệ ứng suất và biến dạng theo mô hình Mohr-Coulomb được thể hiện trên hình 3.14. Ứng với một điểm ứng suất nào đó trong đất, đất có ứng xử đàn hồi, sau đó nó đạt đến trạng thái ứng xử dẻo khi ứng suất trong đất tăng lên, lúc này chuyển vị trong đất không hồi phục lại trạng thái ban đầu được nữa [17]. Tại những điểm mà chuyển vị tăng đột ngột, vật liệu đạt trạng thái chảy dẻo và xảy ra phá hoại. Mặt khác, khi đào đất, khối đất ở trạng thái chủ động như thể hiện trên hình 3.15, tường sẽ có chuyển vị vào phía trong hố đào, ứng suất ngang trong đất sẽ giảm đến khi xảy ra phá hoại. Hình 3.14. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng Mặt phá hoại hình thành theo những điểm chảy dẻo của mô hình Mohr-Coulomb. Tính dẻo hình thành khi xuất hiện biến dạng không hồi phục. Những điểm chảy dẻo Mohr-Coulomb xuất hiện phía sau tường khi đào đất có thể quan sát trên hình 3.16. Vùng phá hoại hình cung tròn có thể được xác định dựa vào những điểm chảy dẻo này. Những điểm chảy dẻo trên hình 3.16 là những điểm chảy dẻo Mohr-Coulomb nằm phía trên đuờng bao giới hạn. 75 Hình 3.15. Biểu đồ t-s và đường bao phá hoại Mohr-Coulomb khi s’h tăng Hình 3.16. Điểm chảy dẻo ứng với trường hợp không có n