Thiết kế kết cấu neo cho tường trong đất

Chương 11 Thiết kế kết cấu neo cho tường trong đất (Thiết kế theo tiêu chuẩn BS 8081: 1989) Nhiệm vụ: Thiết kế kết cấu chắn giữ tường trong đất . A.Lựa chọn giải pháp kết cấu: Như đã trình bày trong chương 2, để gia cường tường trong đất ta sử dụng phương án neo trong đất. B.Hướng thiết kế của đồ án: Thiết kế neo để gia cường cho tường trong đất ở đây ta có thể đưa ra nhiều phương án để tính toán rồi lựa chọn nhưng trong phạm vi đồ án này thì ta sẽ chọn ra 1 loại neo nào mà phù hợp nhất đối với điều kiện địa chất cũng như khả năng thực hiện. Muốn vậy đầu tiên ta sẽ kiểm tra xem trong phương án tường trong đất thì neo phải chịu lực nhổ là bao nhiêu.(Thông qua việc chạy nội lực của tường bằng phần mềm Plasix) Với phương án tường trong đất thì tải trọng mà neo cần phải chắn giữ là: Q3= -0,142(kN); Q4= -127(kN); Q5= -127(kN); Q6= -165(kN); Q7= -165,6(kN); Q8= -156,6(kN); Q9= -156,8(kN); Dấu ‘-’ là biểu thị tường có xu hướng dịch chuyển về phía hố đào, nghĩa là neo chịu kéo. Qmax= max(Q3, Q4 ,Q5 ,Q6 ,Q7 ,Q8 ,Q9)= 165,6(kN)= 16,56(T) Sở dĩ ta lấy giá trị Q bắt đầu từ Q3, là vì bắt đầu từ giai đoạn 3 ta mới tiến hành thi công neo chắn giữ. c.Thiết kế neo I.Giới thiệu sơ bộ neo trong đất, đá 1. Cấu tạo và phân loại: a. Cấu tạo: - Thông thường các thanh neo được cấu tạo gồm các bộ phận như sau: Đầu neo, quả neo, bầu neo, cốt neo (cốt thép thô, dây xoắn, dây thép bó), ống vỏ bằng nhựa (hoặc vật liệu khác), dầm sườn. b. Phân loại: Hiện nay, trên thế giới đang tạm thời phân làm 3 loại chính như sau: +Loại 1: Loại trụ tròn, bơm vữa xi măng hoặc vữa xi măng cát (áp lực bơm 0,3 – 0,5MPa) vào trong lỗ, thích ứng với thanh neo tạm và có lực kéo không lớn. + Loại 2: Loại viên trụ mở to ở phần chân (bầu neo), bơm vữa dưới áp lực từ 2MPa (Bơm vữa hai lần) đến bơm vữa cao khoảng 5MPa. Tuỳ thuộc vào tính chất cơ lý, trạng thái của đất dưới áp lực bơm sẽ cho vùng mở rộng đầu neo. + Loại 3: Loại dùng thiết bị mở rộng lỗ đặc biệt, dọc theo chiều dài neo có lỗ mở thành một hay nhiều lần thành hình nón cụt có đáy to. Dùng máy chuyên dụng mở dần đáy lỗ, có thể dùng trong mọi loại đất và chịu được lực kéo nhổ khá lớn. Chi tiết các loại neo này được thể hiện qua các hình vẽ sau: b1. Các neo khoan hình trụ: Công nghệ chế tạo một neo hình trụ nghiêng như sau: Đầu tiên khoan một lỗ khoan (trong các đất không ổn định thì phải đặt ống chèn, đôi khi dùng vữa sét; còn trong đất ổn định thì không cần các dùng giải pháp). Sau đó đặt vào lỗ khoan một ống phụt cùng với thanh căng của neo ở đầu thanh có thiết bị neo, ở giữa có các vách chặn để định tâm thanh neo trên trục lỗ khoan và một đĩa ngăn đề tránh cát rơi vào vữa chèn phần làm việc. Nếu như khi khoan phải dùng ống chèn thì ống chèn được rút đến vị trí đĩa ngăn trong quá trình ép vữa phần làm việc. Tiếp theo chèn đầy lỗ khoan bằng hỗn hợp cát với nước và rút ống chèn. Thiết bị gối neo truyền ứng lực từ tường lên neo sau khi vữa chèn phần làm việc của neo đạt cường độ thiết kế và sau khi căng trước neo. Loại neo này phát huy tác dụng tốt trong đất cát chặt hoặc đất sét, trong các trường còn lại thì cần có phần làm việc mở rộng. Các neo trụ với các thanh cốt thép A- IV hoặc A- V được thiết kế với tải trọng 0,15á 0,17 MN. Kích thước thường dùng nhất của neo bằng các thanh cốt thép như sau: đường kính phần làm việc của neo 200á 400 mm, chiều dài 6á 12m, đường kính thanh neo 32á 40 mm. Các neo từ sợi thép cán hoặc sợi cáp được thiết kế với tải trọng 0,3á 3 MN. Đường của phần làm việc loại neo này 200á 600 mm dài 6á 20 mét. b2. Các neo khoan có mở rộng đường kính: Khả năng làm việc của neo trong trường hợp này được đảm bảo chủ yếu do độ bền của đất ở mặt gương phần mở rộng. Đường kính phần mở rộng bằng hai, ba lần đường kính thân neo. Kích thước tiêu chuẩn của phần làm việc thường: đường kính thân neo 200mm, còn phần mở rộng 400mm, chiều dài phần làm việc 4á 6 mét. Thân neo (thanh căng) được chế tạo từ những vật liệu giống như neo hình trụ. Khả năng làm việc của neo này phụ thuộc vào các điều kiện của đất, thường từ 0,15á 1,5MN. Công nghệ xây dựng neo có phần mở rộng như hình vẽ trên bao gồm: Đầu tiên khoan lỗ khoan và lấp đầy phần làm việc của neo bằng vữa xi măng. Sau đó đưa vào lỗ khoan thanh neo có phần mở rộng, rút ống chèn ra ngoài phần mở rộng và khoan phần mở rộng bằng cách xoay thân neo và ép vào gương khoan trộn đất cát với vữa xi măng. Sau quá trình này là lấp đầy lỗ khoan bằng hỗn hợp cát với nước và rút ống chèn. Việc căng neo và đặt gối neo thực hiện sau khi vữa xi măng cát đạt độ bền thiết kế. Loại neo này đã được thực tế kiểm nghiệm ở một ga của hệ thống xe điện ngầm Lêningrat. Dạng chung của phần làm việc của neo có phần mở rộng 450mm như hình vẽ dưới: Kích thước cơ bản của neo: dài 20m, đường kính thân neo 36mm, góc nghiêng với phương nằm ngang 200. Khoan lỗ khoan 200mm trong á cát dạng bụi trong vữa sét. Thử neo cho thấy khả năng làm việc giới hạn của neo loại này Pgh= 0,23MN. Đối với đất sét khả năng làm việc của neo này khá cao. b3. Neo phụt: Sơ đồ neo phụt: Khả năng làm việc của neo phụt được đảm bảo do khối lượng đất được gia cố quanh phần làm việc của neo. Để gia cố phần đất xung quanh vùng làm việc được ép vữa xi măng với áp lực đến 2MPa. Để ngăn hiện tượng chảy vữa lên phần trên của lỗ khoan giữa phần làm việc và phần trên phải đặt nút. Neo loại này được dùng trong đất á cát và cát. Đường kính lỗ khoan 150á 200mm. Chiều dài phần làm việc 4á 6 mét. Thân neo cũng từ những vật liệu như neo hình trụ. Khả năng làm việc của neo từ 0,15á 1,5 MN. Trong thực tế tồn tại nhiều loại neo phụt, ví dụ như nút cao su, nút xi măng và đầu khoan. Các số liệu thí nghiệm về sự làm việc của các loại neo như trong bảng sau: Loại neo Chiều sâu đặt neo (m) Tải trọng (P)gây ra cm chuyển vị Biến dạng đàn hồi sau khi dỡ tải(cm) Tải trọng tối đa(MN) Chuyển vị thanh ngang tương ứng với P tối đa(cm) Neo trụ 8.7 0.20 0.32 0.20 2.52 Neo trụ 8.4 0.15 0.32 0.40 18.11 Neo trụ 8.2 0.30 0.48 0.45 2.87 Neo phụt có mở rộng 9.5 0.50 0.50 0.60 1.66 Neo phụt có mở rộng 10.0 0.30 0.60 0.40 3.55 Neo phụt có nút cao su 8.9 0.50 0.50 0.60 1.66 Neo phụt có nút cao su 10.4 - - 0.65 0.89 Neo phụt có nút XM 10.5 - - 0.45 4.01 Neo phụt có đầu khoan 11.7 0.30 0.63 0.45 14.27 Trên cơ sở đó, chọn phương án neo phụt có mở rộng để thi công cho công trình này. 2. Một số nguyên tắc bố trí neo: Từ các điều kiện chuyển dịch của đỉnh tường (an toàn cho công trình lân cận) và một số điều kiện thiết kế neo trong đất (tiêu chuẩn BSI của Anh và tài liệu[1]): - Khoảng cách các thanh neo càng tăng thì chịu lực của thanh neo càng lớn (phụ thuộc vào áp lực ngang và nền đất cắm neo), khoảng cách các thanh neo nhỏ quá dễ gây ra hiện tượng hiệu ứng nhóm neo (nếu không thể khắc phục được khoảng cách có thể đưa ra góc nghiêng giữa các thanh neo). - Để hạn chế ảnh hưởng lẫn nhau của các bầu neo và bầu neo đối với một số công trình lân cận cần có một số khoảng cách: + Khoảng cách giữa hai thanh neo ³ 4D (D- đường kính lớn nhất trong bầu neo) tính từ tim - tim. + Khoảng cách giữa một bầu neo tới móng lân cận (hoặc hầm dịch vụ) cần >3m. + Chiều dầy tầng đất đè lên thanh neo (gần bề mặt) không được nhỏ hơn 4m (chịu nhổ). + Thường lấy khoảng cách giữa hai thanh neo 1,5 – 2m. Góc nghiêng (a) hợp lý của các thanh neo: a < 450 + j/2 Thường lấy a = 300 - 450 Công trình này bố trí thanh neo nghiêng một góc 300 so với phương ngang. 3. Tác dụng chống nhổ của thanh neo: - Thanh neo có thể neo chặt trong đất làm thanh chịu kéo là chủ yếu, thanh neo có một lực nhổ nhất định (hình 4.12). Hình 4.12 - Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ của thanh neo: + ảnh hưởng của đất đối với lực chống nhổ. t = c + stgj t- Cường độ chịu cắt của đất c- Lực bám dính ở vùng neo giữ. j- Góc ma sát trong của đất (0). s- ứng suất nén pháp tuyến với biên quanh thành lỗ. + Góc nghiêng thanh neo so với phương nằm ngang là nhân tố quyết định tới việc cắm neo vào đất tốt hay xấu. + ảnh hưởng của bơm vữa áp lực và bơm vữa hai lần. + ảnh hưởng của hình thức thanh neo. 4. Một số công thức xác định khả năng chịu lực của neo (theo tiêu chuẩn các nước): Đơn giản nhất trong tính toán, xem bầu neo hình trụ tròn, theo tiêu chuẩn BS8081:1989 của Anh tại điều 6.2.3.2: + Sự truyền tải trọng từ bầu neo sang đất đá xẩy ra bằng ứng suất phân bố đều tác động trên toàn bộ chu vi của bầu neo. + Các đường kính của lỗ khoan và bầu neo là như nhau. + Phá hoại xẩy ra theo kiểu trượt tại giao diện đất (đá) với vữa lỗ khoan (đối với lỗ khoan nhẵn), phá hoại theo kiểu cắt đối với đất không nhẵn. + Không có sự không dính bám cục bộ nào (bị tách) tại giao diện đất (đá) với vữa. + Không có không liên tục nào gây ra phá hoại. Theo tiêu chuẩn một số nước có một số kiến nghị về công thức tính neo trong đất như sau: ỉ Theo công thức Littlejohn kiến nghị dùng công thức: (Phun vữa áp lực thấp) P = L.n.tgf L- Chiều dài của bầu neo. f- Góc nội ma sát. n- Hệ số phụ thuộc vào tính thấm của đất, áp lực vữa và chiều sâu lớp phủ. (Hệ số n có giá trị thuộc khoảng: 400- 600kN/m với K>10-4m/s, thuộc 130-165 kN/m với K> (10-4- 10-6)m/s). ỉ Công thức đề nghị không kể đến thành phần chịu tải ở đầu bầu neo, chủ yếu dựa vào thành phần ma sát thành bên: P = K.p.D.L.s’v.tgd. L- Chiều dài của bầu neo. K- Hệ số áp lực đất lên thành của neo. s’v - áp lực trung bình hữu hiệu của lớp đất chất phía trên gây ra cho nền đất xung quanh bầu neo. d- Góc ma sát thành bên. ỉ Theo công thức Habib của Pháp kiến nghị dùng công thức: Pg = F + Q = p.D1 F- Lực cản ma sát giới hạn ở biên quanh thể neo. Q- Khả năng chịu nén giới hạn của mặt chịu nén thể neo giữ. D1- Đường kính thân neo giữ. D2- Đường kính lỗ mở rộng thân neo. t- Lực cản ma sát (cường độ chịu cắt) của diện tích đơn vị ở độ sâu z. q- Cường độ chịu nén của phần mở rộng lỗ. A- Diện tích chịu nén phần mở rộng lỗ. L1, L2, z1, z2 - độ dài các phần. ỉ Công thức tính khả năng chống nhổ của neo: T= Lm. T- Khả năng chống nhổ của thanh neo (kN). Lm- Độ dài đoạn neo giữ (m). D- Đường kính lỗ neo (cm). t- Cường độ chịu cắt của đất (MPa). t = Ko.g.h.tgj+ c Với: Ko- hệ số lấp đất, với Cát Ko = 1, với đất Sét Ko = 0.5; c- Lực dính của đất. j- Góc ma sát trong của đất. g- Trọng lượng của đất (kN/m3). h- Độ cao đất ở bên trên neo (thường lấy từ trung tâm thanh neo đến mặt đất). ỉ Tiêu chuẩn BS 8081:1989 của Anh: T = Lm.p.D.a.Cu Cu – Sức chống cắt của đất lấy trung bình trên Lm. a - Hệ số bám dính phụ thuộc vào chất đất ỉ Công thức đề nghị của Tiến sĩ Đỗ Đình Đức – Phó chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ thi công trường ĐH Kiến trúc Hà nội: (Tạp chí xây dựng Số 9/1999) Lực chống nhổ của neo được xác định theo công thức sau: T = G + Rm + Rd + M + Rmn Với: T- Lực cản chống nhổ của neo G- Trọng lượng khối đất ABCDE. Rm- Lực cản do ma sát ở bề mặt xung quanh khối đất bị cắt BCDE. Rd- Lực cản do tính dính từ bề mặt khối đất bị cắt BCDE. M- Trọng lượng của bầu neo và thân neo. Rmn – Lực ma sát giữa đất và bề mặt bầu neo. Góc a lấy bằng góc truyền áp lực trong đất: a = f/4. II.Thiết kế neo trong đất Neo được đặt nghiêng góc 300 so với phương nằm ngang. II.1. Các thông số thiết kế- định vị neo trong đất Đầu neo được liên kết vào hệ tường trong đất . Bầu neo được đặt vào lớp đất 5- Là lớp đất “Cát hạt mịn đến trung, màu xám vàng nâu vàng,lẫn sỏi sạn, chặt vừa đến chặt. Lựa chọn kích thước neo Chiều dài bầu neo L= 3(m). Đường kính của bầu mở rộng D= 0,5(m). Đường kính của thân neo d= 0,15(m). Chiều dài của thân neo l= 14(m) Các lựa chọn trên đựơc lựa chọn dựa theo tài liệu [10]. II.2. Một số chỉ tiêu bổ sung của lớp đất 5 Độ bền cắt không thoát nước trung bình trên toàn bộ chiều dài bầu neo Cu= : Là ứng suất có hiệu của đất ở vị trí giữa chiều dài bầu neo. =1,7.0,5+ 1,89.2,3+ 1,91.2,1+ 1,91.4,3+ 1,95.0,3+ 1,057.2,75 = 20,9(T/m2) c’: Lực dính biểu kiến tạo bởi ứng suất hiệu quả c’=c5= 0,076(kG/cm2)=0,76(T/m2) : Là góc ma sát trong tạo bởi ứng suất hiệu quả = =24054’=24,90 Vậy độ bền cắt không thoát nước trung bình trên toàn bộ chiều dài bầu neo Cu==10,46(T/m2) Độ bền cắt không thoát nước tại khoảng cuối của bầu neo Tại độ sâu này =1,7.0,5+ 1,89.2,3+ 1,91.2,1+ 1,91.4,3+ 1,95.0,3+1,057.3,5 = 21,71(T/m2) Cub==0,76 + = 10,84(T/m2) II.3.Thiết kế bầu neo trong đất dính II.3.1.Sức chịu tải giới hạn của neo Đối với loại neo lựa chọn là neo loại D ta có được Sức chịu tải giới hạn của neo (Ma sát bên)+(Sức chịu ở mũi)+(Sức kháng thân) Công thức trên được lấy từ tài liệu [10] Trong đó Nc: Hệ số sức chịu tải, Có giá trị thay đổi từ 6- 13 hoặc lớn hơn. Ta chọn Nc=7 Ca: Độ dính bám thân, lấy giá trị phổ biến từ 0,3Cu- 0,35Cu Ta chọn Ca= 0,3.10,46= 3,138(T/m2) Vậy =83,51(T) Để dự báo khoảng cách lớn nhất cho tạo ra sự phá hoại dọc theo bề mặt hình trụ giữa các bầu mở rộng ta dùng công thức hay Ta chọn khoảng cách giữa các bầu mở rộng là 0,6(m) Số khoảng cách giữa các bầu mở rộng là: (khoảng) Tức là có 6 bầu neo được mở rộng trong phạm vi chiều dài bầu L=3(m) Để đem vào tính toán chịu nhổ, giá trị Tf cần được chia hệ số an toàn lấy theo bảng 2 – tài liệu [10]. Do vậy tải trọng làm việc của neo (T). So sánh giá trị của Tw = 20,9(T) và Qmax= 16,56(T), ta thấy Tw> Qmax. Như vậy neo ta lựa chọn ở trên là hoàn toàn hợp lý. IV.2.4 Giao diện vữa- dây neo *Để thiết kế dây neo, tải trọng làm việc cần được nhân với hệ số an toàn đối với dây neo, cũng được lấy trong bảng 2. 2.20,9= 41,8(T) *Chiều dài dính bám của dây neo: 100- 50-100= 3000- 250= 2750(mm) Trong đó:a1= 100 (mm) là chiều dài phần ống bọc Polypropylene nhô ra từ tường a2= 50 (mm) là khoảng cách tối thiểu từ nút cuối của dây neo đến bản đỡ mũ dưới bầu neo a3= 100(mm) là chiều dài phần đuôi của bầu neo Sử dụng dây neo là loại dây thép trơn 10 sợi, có đường kính d0. Diện tích chuyền tải giữa vữa và dây neo là: (mm2) ứng suất dính bám được giả thiết là đồng nhất trên toàn bộ chiều dài dây neo, có giá trị là: (N/mm2) Yêu cầu an toàn khi xem xét giao diện giữa vữa dây neo là: Trong đó: 1,5 (N/mm2) lấy theo mục 6.3.2(Tài liệu [10]) = 4,84(mm); Chọn d=5 (mm) Cùng với Tw= 20,9(T) là tải trọng khi làm việc của neo, tham khảo trang 29 ta chọn dùng dây neo 12 N0.5mm Các thông số về dây neo này như sau(Trích trang 197- Tài liệu [10]) Dây neo Chôn sâu(m) Tải trọng(kN) Lực dính bám làm việc(N/mm2) 12 N0.5mm 18 280 0,53 Như vậy giá trị tải trọng của dây neo này là: Tgh=280(kN)= 28(T)> Tw= 20,9(T). + Diện tích dính bám của dây neo là: F= 86350.5= 431750 (mm2) ứng suất dính bám làm việc trên dây neo là: (N/mm2) 0,53(N/mm2) là giá trị “Lực dính bám làm việc” Vậy việc lựa chọn dùng loại dây neo của ta ở trên là hoàn toàn hợp lí. IV.2.5 Các lớp bảo vệ của neo Do tính chất nội lực trong móng cua cột điện lúc là kéo, lúc lại là nén nên neo được thiết kế theo nguyên lý của neo có đầu căng kéo lại được. Nghĩa là: + Phải có cấu tạo sao cho vữa bảo vệ hay vữa chuyền tải coi như không chịu ứng suất theo cả hai chiều nén và kéo, dễ gây ra những vết nứt hoặc phá hoại dọc thân neo, làm mất đi tính năng bảo vệ chống ăn mòn của vữa cũng như khả năng chuyền tải tại các giao diện trong neo. + Phải đảm bảo dây neo nằm đúng tâm của cột vữa, đảm bảo cho lớp vữa phủ tói thiểu 10mm bên trong lỗ khoan cho dây neo và mũ tại cơ cấu định tâm, tạo ra sự phù hợp về góc nghiêng của neo đất tại tâm và điểm võng giữa các điểm đỡ nhằm tạo lớp vữa phủ tối thiểu 5mm cho dây neo và mũ. + Muốn vậy neo được thiết kế cần dùng ống dẫn nhăn nửa cứng thuộc loại ống Plastic. + Để bảo vệ ống dẫn và truyền tải ta dùng vữa cao su. + Bản thân các dây neo được bảo vệ trực tiếp bởi một lớp mạ kẽm, bao xung quanh phía ngoài là Bitum. Mức co nở của Bitum trong ỗng dẫn được theo dõi định kỳ. Phần dây neo phía ngoài của đầu neo được bôi mỡ theo hướng dẫn của bảng 31. Cấu tạo chi tiết neo được trình bày trong bản vẽ KC- 15