I. Mở đầu
Kỹ thuật đất có cốt là dùng ngay đất tự nhiên để xây dựng công trình, nhưng trong đất có bố trí thêm các cốt cứng tre, gỗ, kim loại... hoặc các cốt mềm cao su, vải địa kỹ thuật... có khả năng chịu kéo và chịu cắt cao. Cốt có kích thước và mật độ nhất định, được đặt vào đất trong quá trình xây dựng theo những hướng có tính toán trước hoặc theo mọi hướng, ví dụ fibereinforcement hay texsoil để đảm bảo cho công trình ổn định nhờ ma sát giữa đất và cốt.
Phương pháp đất có cốt hiện nay được các nước tiên tiến trên thế giới ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành xây dựng nhờ các ưu điểm: Thi công nhanh, dễ dàng và đơn giản; Không cần các thiết bị đặc biệt; Không cần lao động có kỹ thuật cao; có thể thi công làm nhiều giai đoạn; có thể tận dụng ngay vật liệu địa phương với các đặc trưng cơ lý yếu để đắp; có ý nghĩa cao về mặt kinh tế so với so với các phương pháp xây dựng truyền thống.
Với các công trình tường chắn, dùng công nghệ đất có cốt thể hiện tiết kiệm hơn tới hơn 50% giá thành so với tường chắn trọng lực bằng bê tông.
Đặc biệt các công trình đất có cốt là các công trình nửa cứng có tính mềm dẻo nên ít bị ảnh hưởng bởi các chuyển vị cưỡng bức của nền, có tài liệu đã đưa ra ví dụ về một công trình tường chắn đất có cốt dài 50m, có độ lún không đồng đều với độ chênh lệch khoảng từ 60 cm tới 90 cm, nhưng vẫn làm tốt. Ngoài ra các công trình đất có cốt xây dựng trên địa hình miền núi, được gia cố bằng các dải cốt mềm có khả năng tiếp nhận lực kéo phát sinh trong công trình nên không bị nguy hiểm trước những ảnh hưởng của sự thay đổi độ cong bề mặt địa hình.
Ở bài này, từ một vấn đề cụ thể là một tường chắn đất có cốt được xây dựng trên vùng núi chịu biến dạng nén cưỡng bức của nền, với trợ giúp của phần mềm PLAXIS tác giả phân tích sự biến dạng của nền và bề mặt tường chắn thông qua việc khảo sát chuyển vị của ba điểm gọi là các điểm 1,2 và 3. Đồng thời cho chúng ta hình ảnh về sự thay đổi lực kéo lớn nhất trong các cốt trong suốt quá trình biến dạng của nền.
II. Sơ đồ bài toán và các số liệu tính toán
1. Số liệu đất nền
Đất nền và đất sau tường chắn được sử dụng trong tính toán là mô hình đất MohCoulomb với các chỉ tiêu cơ lý sau: trọng lượng riêng tự nhiên γ = 19 kN/m3, hệ số poisson v = 0,25, mô đun biến dạng E = 80MPa, lực dính đơn vị c = 0, góc ma sát trong φ = 400.
2. Số liệu vỏ tường
Vỏ tường trong trường hợp này chí có tác dụng bảo vệ lớp cốt bên trong nên sử dụng vỏ tường trong tính toán với độ cứng nhỏ có EI = 2,25 kNm2/m và EA = 2,7. 105 kN/m tương ứng với bề dày tường là 1 cm.
3. Số liệu về cốt
Cốt là loại cốt mềm, chỉ chịu kéo, được phân bố làm 10 đoạn đánh số và có độ cứng cốt 1, 3, 5, 7, 9; EA = 700kN/m, cốt 2, 4, 6, 8; EA = 1400 kN/m, cốt 10: EA = 2100 kN/m.
4. Điều kiện tải trọng
Trên tường chắn có tải trọng phân bố đều rộng khắp với cường độ q = 20 kN/m2.
5. Điều kiện biên của bài toán
Trong tính toán này, chúng ta có điều kiện biên. Ở đây chúng ta mới chỉ xét cho trường hợp nền chịu chuyển vị nén cưỡng bức theo mô hình phát triển dạng tam giác. Tạo thời điểm cuối cùng của chuyển vị cướng bức nền, độ lún của nền ở hai biên bằng không còn độ lún của nền tại vị trí trên trục qua chính giữa nền đồng thời cũng là trục qua chính giữa nền đồng thời cũng là trục qua chính giữa tường chắn đất có cốt đạt giá trị cực đại bằng 0,25m. Giá trị wmax = 0,25m được lựa chọn từ kết quả tính toán. Khi wmax = 0,25m biến dạng ngang của nền ngay dưới chân tường chắn đã đạt giá trị ổn định với ε = - 0,1%.
Tính toán được thực hiện theo 5 bước cùng với sự phát triển của độ lún cưỡng bức của nền với mỗi bước, độ lún cưỡng bức của nền là Δ w = 0,05m.
III. Ảnh hưởng của biến dạng nén cưỡng bức của nền tới tường chắn
Sau khi tính toán theo từng bước, chúng ta được kết quả ở bước tính cuối cùng là sơ đồ biến dạng của tường chắn.
Biến dạng ngang của bề mặt nền tường chắn:
Biến dạng này được ký hiệu là ε = ε23 và được tính toán trên cơ sở biểu thức sau:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.5222.871' /> |
| |
Trong đó: u2 và u3 - chuyển vị ngang của điểm 2 và 3 được xác định sau mỗi bước tính toán; Δx = 3,125 m - khoảng cách theo phương ngang giữa các điểm 2 và 3.
Tính toán độ nghiêng của bề mặt tường chắn
Để đánh giá độ nghiêng bề mặt tường chắn so với phương thẳng đứng trong quá trình nền đất chịu chuyển vị cưỡng bức, chúng ta sử dụng công thức xác định sau đây:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.5222.872' /> |
| |
Trong đó: u1 - chuyển vị ngang của điểm 1; H - chiều cao tường chắn bằng 3m.
Quá trình nền chịu chuyển vị cưỡng bức của các điểm 1 và 2 có chuyển vị thẳng đứng gần như nhau. Chuyển vị thẳng đứng của các điểm khảo sát này tăng mạnh ở giai đoạn cuối của quá trình biến dạng của nền khi biến dạng nền dưới chân tường chắn vượt quá giá trị - 0,08%.
Tương tự như trên từ các kết quả tính toán chúng ta cũng có được đồ thị biểu diễn chuyển vị ngang của các điểm 1,2 và 3 trong quá trình nền chịu chuyển vị cưỡng bức. Theo các đồ thị này, cũng giống như ở trường hợp trên, chuyển vị ngang của các điểm khảo sát này tăng mạnh ở giai đoạn cuối của quá trình nền chịu chuyển vị cưỡng bức khi có nền biến dạng ngang và vượt quá giá trị -0,08%.
Khi nghiên cứu độ nghiêng của bề mặt tường chắn và độ nghiêng của mặt nền dưới chân tường chắn trong quá trình nền chịu chuyển vị cưỡng bức, chúng ta cũng có các đồ thị quan hệ giữa các đại lượng này với biến dạng ngang của nền dưới chân tường chắn.
Như vậy trong quá trình nền chịu chuyển vị nén cưỡng bức, độ nghiêng mặt tường chắn so với phương đứng T12 đã thay đổi từ 0,1% đến 1,75 %, còn độ nghiêng bề mặt nền tường chắn so với phương thẳng đứng T23 tăng từ 0 tới 1,4%. Cuối cùng là các kết quả sự phân bố lực kéo trong các cốt 2, 4 và 6 và sự biến thiên giá trị cực đại của các lực kéo này trong suốt quá trình nền bị chuyển vị cưỡng bức. Từ các đồ thị trên chúng ta có thể rút ra kết luận là mặc dù nền chịu chuyển vị nén cưỡng bức, xong trong các cốt vẫn xuất hiện các lực kéo và các giá trị lực kéo này vẫn tăng cùng với biến dạng nén của nền đất, tuy nhiên trong trường hợp này giá trị lực kéo trong các cốt không tăng lên nhiều. Ngoài ra từ những kết quả thu được từ các sơ đồ phân bố lực kéo trong các cốt ngang ở các giai đoạn biến dạng khác nhua của nền cũng cần nhận xét thêm là trong trường hợp nền chịu chuyển vị nén cưỡng bức, sự phân bố lực kéo trong các cốt hầu như rất ít có sự thay đổi.
IV. Kết luận
Sau khi nghiên cứu tường chắn đất có cốt dưới ảnh hưởng của chuyển vị nén cưỡng bức của nền, chúng ta rút ra một số nhận xét như sau:
- Chuyển vị của mặt tường chắn và bề mặt nền tường chắn chỉ tăng mạnh khi biến dạng ngang của nền tương đối lớn ε vượt quá giá trị -0,08%
- Dưới ảnh hưởng của chuyển vị nén cưỡng bức của nền, mặt tường và bề mặt nền dưới chân tường chắn đều có chuyển vị khá lớn.
- Với các công trình tường chắn đất được xây dựng bằng phương pháp truyền thống chỉ cần bề mặt tường chắn có một chuyển vị nhỏ khoảng 0,1% đến 0,5% là đã thấy xuất hiện phá hoại chủ động. Nhưng trong trường hợp tường chắn đất có cốt, mặc dù mặt tường có chuyển vị lớn mà vẫn không bị phá hoại. Cụ thể trong trường hợp này tường chắn vẫn ổn định ngay cả khi bề mặt tường đã nghiêng ra ngoài tới 1,75%. Lý do của khác biệt này là công trình tường chắn đất có cốt, các lớp cốt gia cường được neo chặt trong đất nhờ ma sát giữa đất và cốt đã tiếp nhận lực kéo phát sinh trong khối đất đắp, hơn nữa cốt là vật liệu đàn hồi nên sau khi công trình biến dạng chuyển dịch ngang của mặt tường chắn có thể sẽ lớn hơn dịch chuyển ngang của đất sau khối đắp.
Mặc dù nền chịu chuyển vị nén cưỡng bức, xong trong các cốt vẫ xuất hiện các lực kéo và các giá trị lực kéo này vẫn tăng cùng với sự tăng biến dạng nén của nền đất.
Nguyễn Hùng Sơn
Nguồn tin: T/C Khoa học & Công nghệ, số 42, tập 5/2006