Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến ứng xử của tường có cốt

Nội dung text: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến ứng xử của tường có cốt

1. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG CÓ CỐT ThS. PHAN TRẦN THANH TRÚC Trường Cao đẳng Đức trí Đà Nẵng TS. LÊ BÁ KHÁNH Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh Tóm tắt: Nếu áp dụng theo các yêu cầu về vật liệu Trên cơ sở mô hình hoá bằng phần tử hữu hạn, đắp cho kết cấu tường có cốt theo tiêu chuẩn thiết kế Leshchinsky và Vulova đã ứng dụng phần mềm FLAC tường chắn có cốt, thì có thể làm tăng giá thành công để khảo sát cơ chế phá hoại của tường có cốt theo trình so với việc tận dụng vật liệu đắp tại chỗ. Với sự các biến số sau: khoảng cách giữa các cốt, chiều dài trợ giúp của phần mềm Plaxis 2D, nhóm tác giả đã cốt, độ cứng của nền đối với loại vật liệu đắp có tính tiến hành phân tích ảnh hưởng của vật liệu đắp, rời, ít dính có góc nội ma sát cao [3]. cường độ đất nền đến ứng xử của tường chắn có cốt Dựa vào kinh nghiệm và kết quả của các nghiên sử dụng vật liệu địa kỹ thuật. Bài báo đã tiến hành cứu trước đây, trong bài báo này các tác giả cũng khảo sát ứng xử của kết cấu tường có cốt dưới tác dùng công cụ phần tử hữu hạn để nghiên cứu ứng xử dụng tĩnh tải và điều kiện địa chất, địa hình của bán tường có cốt khi tận dụng vật liệu địa phương để làm đảo Sơn Trà - Tp. Đà Nẵng. Kết quả nghiên cứu đã vật liệu đắp sau lưng tường. phân tích và dự đoán được ứng xử của tường chắn có cốt khi xem xét ảnh hưởng của cường độ vật liệu đắp Nội dung nghiên cứu được chia làm hai phân tích có tính dính và nền móng. nghiên cứu sau: 1. Đặt vấn đề Phân tích 1: Phân tích ảnh hưởng độ cứng của Trong điều kiện Việt Nam chúng ta chưa có tiêu nền móng tường chắn đến ứng xử của tường chắn có chuẩn về thiết kế tường chắn có cốt, thì hầu hết các cốt; nhà thầu tư vấn thiết kế, thi công đều dựa vào tiêu Phân tích 2: Phân tích ảnh hưởng sự thay đổi chuẩn của Anh và Mỹ để thiết kế, thi công và nghiệm cường độ đất nền (c, ) tới ứng xử của tường chắn thu tường chắn có cốt. có cốt. Các quy trình thiết kế của Anh và Mỹ là BS8006: 3. Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 1995 [2] và FHWA–NHI–00–043 [11] đều quy định về vật liệu đắp sau lưng tường thường là vật liệu rời, ít 3.1 Mô hình nghiên cứu dính có góc nội ma sát cao (φ ≥ 34º). Với yêu cầu này Dựa trên cơ sở lý thuyết là các kết quả nghiên chỉ có cát hạt thô tại các mỏ vật liệu mới đáp ứng. Tuy cứu Tatsuoka (1993) [10]; BS8006:1995 [2]; S.K. Ho nhiên với tình hình khan hiếm cát và giá thành ngày & Kerry Rower (1996) [7] [8] [9]; Elias & Christopher càng cao như hiện nay thì yêu cầu nghiên cứu các vật (AASHTO 1998) [11]; Ling (2000) [6]; Vieira (2011) liệu đắp khác nhau, nhất là vật liệu có tính dính nhằm [4]. tận dụng vật liệu đắp tại chỗ, giảm chi phí xây dựng là Các tác giả đã mô phỏng bài toán nghiên cứu yêu cầu cấp bách đặt ra. Ngoài ra, BS8006: 1995 [2], bằng phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 8.5 với địa FHWA–NHI–00–043 [11] và rất nhiều nghiên cứu chất ở vùng bán đảo Sơn Trà, Tp. Đà Nẵng. khác đã không xem xét đến ảnh hưởng của điều kiện nền móng tới ứng xử của tường chắn có cốt, do đó Việc chọn các thông số mô hình nghiên cứu, và xem xét ảnh hưởng của điều kiện nền móng tới ứng các điều kiện biên của bài toán nghiên cứu trong xử tường chắn có cốt cũng là yêu cầu đặt ra. Plaxis, các tác giả dựa vào mô hình của Dov 2. Phương pháp nghiên cứu Leschinsky [3] thể hiện ở hình 1. Nghiên cứu của Ling và những người khác đã cho Việc nghiên cứu được thực hiện trên mô hình thấy hoàn toàn có thể ứng dụng mô hình phần tử hữu tường chắn đất có cốt mềm (lưới địa kỹ thuật) với hạn để mô hình hoá ứng xử của tường có cốt [6]. chiều cao H (m) (hình 2). Dựa trên số liệu địa chất tại 46 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
2. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA bán đảo Sơn Trà [2], các tác giả tiến hành đề xuất Lệ, Tp. Đà Nẵng), cát hạt mịn (cát tận dụng tại chỗ, nghiên cứu ứng xử tường chắn có cốt với bốn vật liệu công trường tại Sơn Trà), cát pha sét hoặc sét pha đắp như sau: cát hạt thô (lấy từ các mỏ vật liệu Cẩm cát (tận dụng tại chỗ, công trường tại Sơn Trà). Hình 1. Mô hình nghiên cứu của Leschinsky [3] Hình 2. Mô hình nghiên cứu tổng quát tường có cốt a. Thông số và mô hình bài toán phân tích 1 ý nghĩa bảo vệ mà không chịu lực nên tường chắn có Phân tích ảnh hưởng độ cứng của móng tường thể dùng là tường bê tông cốt thép chiều dày mỏng d chắn EA từ trạng thái rất cứng (Móng đá gốc), cứng = 0,05m, độ cứng dọc trục lưới địa kỹ thuật EA = vừa (Cát hạt mịn) đến mềm (Cát pha sét) đến ứng xử 2500 kN/m2, chiều dài mỗi lớp cốt L = 0.7H = 7m, của tường chắn có cốt với vật liệu đắp là cát hạt trung khoảng cách giữa các lớp cốt Sv = 0.5m là không thay và chiều cao tường chắn H = 10 m, vì vỏ tường chỉ có đổi trong 3 trường hợp nghiên cứu. Hình 3. Mô hình bài toán phân tích 1 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 47
3. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bảng 1. Thông số các loại vật liệu làm móng tường chắn Lớp 1: Lớp 2: Lớp 3: Mô hình đất: Lớp móng Cát hạt mịn có lẫn bột, Cát pha sét, Morh- Coulomb đá gốc tận dụng tại chỗ tận dụng tại chỗ Type Drained Drained Drained 3 γunsat kN/m 26.2 18.5 19.5 3 γsat kN/m 27.2 19.5 20.5 kx = ky m/day 1 8.64E-2 8.64E-3 2 Eref kN/m 100000 15000 13100  - 0.13 0.28 0.30 3 cref kN/m 17600 0 14 φ º 35 30 25 ψ º 5 0 0 Rinter - 1 0.8 0.7 Bảng 2. Thông số bề mặt tường và chân tường Parameter Name Chân tường 0.3x0.8m Mặt tường Unit Độ cứng dọc trục EA 6.3E+6 4.20E+6 kN/ m Độ cứng chống uốn E 4.73E+4 1.40E+4 kN/m2/m Bề dày D 0.3 0.05 m Hệ số Poisson  0.17 0.17 - b. Thông số và mô hình bài toán phân tích 2 mặt tường bằng bê tông cốt thép có bề dày Phân tích ảnh hưởng của cường độ vật liệu 0.05m, vật liệu đắp là cát hạt thô, độ cứng dọc đắp (c, ) tới chuyển vị và biến dạng của tường trục lưới địa kỹ thuật EA = 2500 kN/m2, chiều dài chắn có cốt trong điều kiện chịu tải tác dụng là q mỗi lớp cốt L = 0.7H = 7m, khoảng cách giữa các 2 = 30 kN/m , chiều cao tường chắn H = 10m, bề cốt Sv = 0.5m. Hình 4. Mô hình bài toán phân tích 2 Các trường hợp khảo sát khi thay đổi cường độ vật liệu đắp: - c = 14 kN/m2; thay đổi 0.9 0.95 1.05 1.1 - c thay đổi, = 25º c 0.9c 0.95c c 1.05c 1.1c 48 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
4. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 3.2 Kết quả và thảo luận Ứng với mỗi trường hợp nghiên cứu ta đều có kết 3.2.1 Kết quả và thảo luận phân tích 1 quả đồ thị lực dọc lớn nhất Fmax trong mỗi lớp cốt, a. Kết quả phân tích 1 chuyển vị ngang Ux, đồ thị ứng suất xx, yy theo chiều Phân tích ảnh hưởng độ cứng của móng tường cao tường chắn H (m). Mỗi trường hợp nghiên cứu, chắn từ trạng thái rất cứng (Móng đá gốc), cứng vừa khảo sát tại 3 vị trí mặt cắt là A, B, C. Mặt cắt A, B, C (Cát hạt mịn), đến mềm (Cát pha sét) đến ứng xử của lần lượt cách mặt tường bao 0.2m, 6.8m, 7.2m thể tường chắn có cốt với vật liệu đắp là cát hạt. hiện ở hình 5. Hình 5. Vị trí các mặt cắt khảo sát trong bài toán phân tích 1 a. Mặt cắt A b. Mặt cắt B c. Mặt cắt C Hình 6. Đồ thị ảnh hưởng độ cứng nền móng đến chuyển vị ngang Ux của khối đất có cốt Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 49
5. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA a. Mặt cắt A b. Mặt cắt B c. Mặt cắt C Hình 7. Đồ thị ảnh hưởng của độ cứng nền móng EA đến ứng suất xx, yy tại vị trí mặt cắt khảo sát b. Thảo luận phân tích 1 Thay đổi độ cứng của móng cũng dẫn tới sự thay đổi ứng suất xx, yy trong khối đất có cốt. Độ cứng Các kết quả nghiên cứu ở trên cho ta thấy sự ảnh của móng càng nhỏ thì xx, yy càng lớn.Tuy nhiên sự hưởng tức thời tới chuyển vị ngang của khối đất có thay đổi ứng suất này không đáng kể. Xét tại mặt cắt cốt Ux, sự phân bố ứng suất xx, yy trong khối đất có B (hình 7) khi độ cứng tăng từ 15000 kN/m2 (Móng là cốt khi thay đổi độ cứng của móng: cát hạt mịn) đến 100000kN/m2 (Móng là đá gốc) thì  giảm từ 72.7 kN/m2 đến 71.1 kN/m2 và  Với chuyển vị ngang Ux, độ cứng của móng càng xxmax yymax 2 2 lớn thì chuyển vị ngang của khối đất có cốt càng nhỏ. giảm từ 201.8 kN/m đến 190.8 kN/m . Ngoài ra, kết Tại mặt cắt A (hình 6) khi độ cứng móng EA tăng từ quả nghiên cứu cho thấy khi móng không đủ cứng thì 13000 kN/m2 (Móng cát hạt mịn) tới 100000 kN/m2 sự phân bố ứng suất trong khối đất có cốt theo chiều cao tường không tuân theo đúng quy luật phân bố (Móng đá gốc) thì chuyển vị ngang lớn nhất Uxmax giảm từ 11.2cm đến 3.7cm. Ta cũng thu được kết quả ứng suất theo chiều cao tường của khối đất có cốt tương tự tại mặt cắt B, C (hình 6). Như vậy cùng với nữa. Cụ thể: Xét tại mặt cắt A, B (hình 7) với vật liệu việc nâng cao tính ổn định của tường chắn, giảm móng là cát hạt mịn hoặc cát pha sét do móng không đủ cứng nên có sự xáo trộn trong phân bố ứng suất chuyển vị ngang của tường bằng việc giảm bớt cốt Sv hay tăng chiều dài cốt L thì giải pháp tăng độ cứng xx, yy theo chiều cao tường. nền móng tường chắn cũng là giải pháp nâng cao tính Với móng đủ cứng (móng đá gốc) thì sự phân bố ổn định khi tính toán thiết kế tường chắn có cốt. ứng suất theo phương ngang xx ở khối đất có cốt tại 50 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014
6. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA mặt cắt B (hình 7) đồ thị ứng suất ngang xx luôn lớn 3.2.2. Kết quả và thảo luận phân tích 2 hơn đường ứng suất ngang tính theo công thức a. Kết quả phân tích 2 Rankine và nhỏ hơn đường ứng suất ngang ở trạng thái tĩnh. Nghĩa là: Ka< K < Ko. Kết quả nghiên cứu Ứng với mỗi trường hợp nghiên cứu ta lần lượt này cũng phù hợp với nhiều kết quả nghiên cứu theo xem xét ảnh hưởng của cường độ đất đắp (c, ) đến BS006:1995 [2] (Ka - hệ số áp lực ngang chủ động chuyển vị ngang bề mặt tường bao của khối tường 2 0 tính theo Rankine, Ka = tg (45 - /2); K - hệ số áp lực chắn có cốt. Với góc nội ma sát và lực dính c ta lần ngang của khối đất có cốt; Ko - hệ số áp lực ngang ở lượt tăng hay giảm 5% , để xem xét ảnh hưởng của trạng thái tĩnh, Ko = 1- sin ). các yếu tố này tới chuyển vị ngang của bề mặt tường. a. Ảnh hưởng của b. Ảnh hưởng của c Hình 8. Đồ thị ảnh hưởng của , c tới chuyển vị ngang Ux(cm) bề mặt tường bao b. Thảo luận phân tích 2 Ux giảm khi tăng , hay c. Cùng một tốc độ gia tăng Sự ảnh hưởng của cường độ vật liệu đắp gồm góc như nhau nhưng sự ảnh hưởng của góc nội ma sát nội ma sát và lực dính c là rất đáng kể tới chuyển vị tới chuyển vị ngang của tường là lớn hơn so với lực ngang của bề mặt tường chắn có cốt. Kết quả nghiên dính c. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy (hình 8 a, b) cứu (hình 8 a, b) cho thấy chuyển vị ngang của tường khi thay đổi cường độ đất đắp ( , c) thì chuyển vị Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 51
7. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA ngang của bề mặt tường tại chân tường rất bé nên có 4. C.S VIEIRA, M.L.LOPES, L.M.M.S CALDEIRA, thể bỏ qua và tại đỉnh tường là rất đáng kể. Influence of Facing Panel Rigidity on Performance of 4. Kết luận Reinforced Soil Retaining Walls a Numeriall Study, EuroGeo4, 2011, pp. 244-254. Sự thay đổi độ cứng của móng làm thay đổi sự phân bố ứng suất trong khối đất có cốt theo chiều cao 5. ENNIO M. PALMEIRA, FUMIO. Tatsuoka,Advances in tường. Sự phân bố ứng suất ngang trong khối đất có Geosynthetic Materials and Application for Soil cốt xx theo chiều cao tường chỉ thỏa mãn Ka< K< Ko Reinforcement and Enviromental Protection Work, khi nền móng tường chắn đủ độ cứng. EJGE Bouquet 08, 2011. Khi tính toán ổn định của tường chắn có cốt, 6. H.I. LING, C.P. CARDANY, L-X. SUN, H. HASHIMOTO, ngoài giải pháp giảm chuyển vị ngang của tường Finite Element Study of Geosynthetic-Reinforced Soil bằng việc giảm bước cốt Sv hay tăng chiều dài cốt L Retaining Wall With Concrete- Block Facing, Geosynthetic thì việc tăng độ cứng nền móng tường chắn cũng là International, Vol.7, No.3, 2000, pp.163-188. giải pháp nâng cao tính ổn định khi tính toán thiết kế 7. S.K HO, R. KERRY ROWE, Finite Element Analysis of tường chắn có cốt. Geosynthetic Reinforced Soil Walls, Geosynthetic 1993 Ảnh hưởng tới chuyển vị ngang bề mặt tường của Conference, Vancouver, Canada, 1992. góc nội ma sát là lớn hơn so với lực dính c. Ảnh 8. S.K HO, R. KERRY ROWE, Effect of Wall Geometry on hưởng cường độ vật liệu đắp ( , c) tới chuyển vị the Behaviour of Reinforce Soil Wall, Geotextiles and ngang của bề mặt tường tại chân tường rất bé nên có Geomembranes 14, 1996, pp. 521-541. thể bỏ qua và tại đỉnh tường là rất đáng kể. 9. S.K HO, R. KERRY ROWE, Horizotal Deformation in TÀI LIỆU THAM KHẢO Reinfoced Soil Wall, Canadian Geotechnical Journal 35, 1998, pp. 312-327. 1. Công ty tư vấn Kiến trúc Dương Hồng Hiển, Báo cáo địa chất dự án Mercure Sơn Trà Resort, 2010, 20tr. 10. TATSUOKA.F, Role of Facing Rigidtity in Soil Reinforement , Theme Lecture for I.S. Kyushu, Pro. Of 2. BS 8006:1995, Code of pratice for Strengthened/reinforced soils and other fill, 1995. the Intl. Symp. On Earth Reinforement Pratice, 1993. 11. VICTOR ELIAS, BARRY.R. CHRISTOPHER, 3. CHRISTINA VULOVA, DOV LESHCHINSKY, Effect of RYAN.R.BERG. FHWA- NHI-00-043, U.S Derpartment Geosynthetic Reinforcement Spacing on the of Transportation Federal Highway Administration, 2001. performance of Mechanically StabilizedEarth Wall, Report No FFHWA-RD-03-048, 2003. Ngày nhận bài sửa: 10/12/2014. 52 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014