Chương TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CHẮN GIỮ 3.1 CÁC DẠNG TẢI TRỌNG VÀ PHÂN LOẠI Tải trọng tác động vào kết cấu chắn giữ thông thường chia làm loại: 1) Tải trọng thường xuyên (cố định): tải trọng mà thời gian sử dụng kết cấu không biến đổi trị số, biến đổi chúng so với trị số bình quân bỏ qua không tính Ví dụ trọng lượng thân kết cấu, áp lực đất v.v… (thường xuyên tác dụng xây dựng khai thác) 2) Tải trọng thay đổi (tải trọng tạm thời): tải trọng mà thời gian sử dụng kết cấu biến đổi trị số mà trị số biến đổi chúng so với trị số bình quân bỏ qua Ví dụ tải trọng động mặt sàn, ôtô, cần trục tải trọng xếp đống vật liệu v.v… 3) Tải trọng đặc biệt: tải trọng mà thời gian xây dựng sử dụng kết cấu không định xuất hiện, xuất trị số lớn thời gian trì tương đối ngắn Ví dụ lực động đất, lực phát nổ, lực va đập v.v Tải trọng tác dụng lên kết cấu chắn giữ chủ yếu có: 1) Áp lực đất 2) Áp lực nước 3) Tải trọng truyền từ móng qua môi trường đất công trình xây dựng phạm vi vùng ảnh hưởng ( gần hố móng) 4) Tải trọng thi công: ô tô, cần cNu, vật liệu xếp trường, lực neo giữ tường chắn v.v… 5) Nếu phận chắn giữ phần kết cấu phải kể lực động đất 6) Các tải trọng tập trung neo đất văng 7) Tải trọng phụ biến đổi nhiệt độ co ngót bê tông gây Tuỳ theo kết cấu chắn giữ hố móng khác điều kiện đất mà loại tải trọng xuất dạng khác Tải trọng cục gần hố đào máy móc thi công, hay đường vận chuyển v.v… quy đổi thành dạng ( hình 3.1) - Tải trọng tập trung (hình 3.1a) Q (kN) tác động lên tường phạm vi (2A+L) mét - Tải trọng tương đương phía tường chắn q = Qc 2A + L - Tải trọng tuyến ( hình 3.1b) Q L (kN/m) chạy dọc theo tường 3.2 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN TƯỜNG CHẮN 3.2.1 Tải trọng cục truyền qua đất (1) Tải trọng tập chung điểm: - Áp lực ngang tải trọng tập trung Q gây xác định theo lý thuyết đàn hồi: Lời giải Boussinesq (hình 3.2) là: − μ ) cos 2θ ⎞ ( Q ⎛ σh = σr = 3sin θ cos θ − ⎟ ⎜ 2π z ⎝ + cosθ ⎠ (3.1) Nếu cho r = x, đặt x = mH z = nH, lấy hệ số poisson μ = 0,5 công thức viết lại : 3Q m2 n σh = 2π H ( m + n )5/2 (3.2) Khi tính áp lực hướng ngang tường cứng, hiệu chỉnh lại công thức lý thuyết theo trị thực đo Căn vào nghiên cứu Spangler (hình 3.3), áp lực ngang lên tường chắn cứng tải trọng tập trung gây : ⎛ Q ⎞ 1, 77 m n σh ⎜ ⎟ = ⎝ H ⎠ ( m2 + n2 ) ⎛ H2 ⎞ 0, 28n σh ⎜ ⎟= ⎝ Q ⎠ ( 0,16 + n ) (m > 0,4) (m σ h' = σ h cos (1,1α ) (3.5) (2) Tải trọng phân bố tuyến: Đối với áp lực ngang tải trọng tuyến q (hình 3.4) gây giải theo Boussinesq, đồng thời dùng tỷ số nói m, n ta được: 2q m2 n σh = π H ( m + n )2 (3.6) Căn vào kết thực đo, trị thực đo lớn vào khoảng gấp đôi trị lý thuyết nói trên, sau hiệu chỉnh lại là: ≤ 0,4) (3.3) (3.4) ⎛H σh ⎜ ⎝q ⎞ 1, 28m n ⎟= 2 ⎠ ( m + n2 ) (m > 4) (3.7) Tổng hợp lực : PH = 0, 64q ( m2 + 1) ⎛H ⎝q σh ⎜ Tổng hợp lực : ⎞ 0, 203n = ⎟ ⎠ ( 0,16 + n ) PH = 0,55q (3.8) (m ≤ 0,4) (3.9) (3.10) Có thể dùng biểu đồ trình bày hình 3.5 để tính σ h cho trường hợp Ví dụ 3.1 : Hố đào sâu H = 10m, cần trục tháp mang tải 200 kN chạy đường ray cách mép hố đào 2m, tính áp lực tường độ sâu 3m mặt đất x m = = = 0, < 0, , Giải : x = 2m, H 10 n= Z = = 0,3 , H 10 Theo công thức (3.9), (3.10) : ⎛H ⎝q σh ⎜ ⎞ 0, 203n ⎟= PH = 0,55q , ⎠ ( 0,16 + n ) 0, 203.0,3 ⎛ 10 ⎞ = = 0,96 ⎟ ⎝ 200 ⎠ ( 0,16 + 0,32 ) σh ⎜ σ h = 20.0,96 = 19, kN/m2, PH = 0,55.200 = 110 kN/m2, với m = 0,2 theo hình 3.5a, R = 0,6H = 6m Giả sử cần trục cách mép hố 5m, m = 5/10 = 0,5 > 0,4 Dùng công thức (3.7): ⎛H σh ⎜ ⎝q ⎞ 1, 28m n 1, 28.0,52.0,3 = = 0,83 , ⎟= 2 2 2 ⎠ (m + n ) ( 0,5 + 0,3 ) (ở lấy 1,28 = 4/ π ) ⎛ 10 ⎞ ⎟ = 0,83 → σ h = 16, kN/m2, ⎝ 200 ⎠ σh ⎜ Tổng hợp lực P H theo công thức (3.8): PH = 0, 64q 0, 64.200 = = 102, kN/m, ( m + 1) 1, 25 Với m = 0,5, tra biểu đồ hình 3.5a, xác định điểm đặt tổng hợp lực: R = 0,56H = 0,56.10 = 5,6m Chú ý tải trọng tập trung/tải trọng tuyến không đặt mặt hố đào mà đặt bán không gian đàn hồi (trong lòng đất) dùng lời giải Mindlin để tính áp lực ngang lên tường chắn Đó trường hợp cạnh vách hố đào có móng công trình hữu chôn sâu mặt đất Phương pháp dựa nguyên tắc nêu hình 3.8 (3) Tải trọng phân bố diện hữu hạn B x L Khi cạnh hố đào có chất vật liệu, đất đánh đống hay có móng đơn công trình lân cận, áp lực ngang độ sâu z tác dụng lên tường chắn tính theo công thức sau: σ h = qI p Trong đó: q- tải trọng phân bố (kN/m2) diện B x L B- cạnh diện chịu tải vuông góc với tường L- cạnh diện chịu tải song song với tường I p - hệ số tra theo biểu đồ hình 3.6 phụ thuộc vào m = B/Z Và n = L/Z với μ = 0,5 (3.11) Khi tường đất lực dính áp lực ngang đất rời, lên tường độ sâu z tính theo công thức: pa' = K aσ v' = K a ( γ z + q − u ) ⎫⎪ ⎬ p 'p = K pσ v' = K p ( γ z + q − u ) ⎪⎭ (3.13) Và đất dính: pa' = K a ( γ z + q − u ) − 2c ' ( K a ) ⎫ ⎪ ⎬ 1/ p 'p = K p ( γ z + q − u ) − 2c ' ( K p ) ⎪⎭ 1/ (3.14) Khi tường nhám có lực dính, áp lưc ngang nghiêng góc tường, lúc đó: pa' = K a ( γ z + q − u ) − K ac c ' ⎫⎪ ⎬ p 'p = K p ( γ z + q − u ) − K pc c ' ⎪⎭ δ với pháp tuyến (3.15) Trong đó: ⎫ ⎪ ⎪ 1/2 ⎬ ⎡ ⎛ c ⎞⎤ ⎪ = ⎢ K p ⎜1 + w' ⎟ ⎥ ⎪ c ⎠⎦ ⎭ ⎣ ⎝ ⎡ ⎛ c K ac = ⎢ K a ⎜1 + w' c ⎣ ⎝ K pc C’- lực dính có hiệu 1/2 ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦ (3.16) C w - lực dính đất tường q- lực phân bố mép hố đào (2) Áp lực ngang tường làm việc ngắn hạn Trong trường hợp đất không thoát nước nên tính toán dùng ứng suất với C u ϕu : pa' = K aσ v − K ac cu = K a ( γ z + q ) − K ac cu ⎫⎪ ⎬ p 'p = K pσ v − K pc cu = K p ( γ z + q ) − K pc cu ⎪⎭ (3.17) Trong đó: ⎫ ⎪ ⎪ 1/ ⎬ ⎡ ⎛ c ⎞⎤ ⎪ = ⎢ K p ⎜1 + w' ⎟ ⎥ ⎪ c ⎠⎦ ⎭ ⎣ ⎝ ⎡ ⎛ c K ac = ⎢ K a ⎜1 + w' c ⎣ ⎝ K pc 1/2 ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦ (3.18) Để làm ví dụ cho hai tình tính toán vừa nêu, hình 3.9 trình bày công trình ngầm chịu tải trọng dài hạn ngắn hạn Trường hợp dài hạn (3.9a): + Tải trọng thẳng đứng gồm trọng lượng lớp đất phía CTN + tải trọng mặt đất + Tải trọng ngang gồm: áp lực đất có hiệu + áp lực nước áp lực đất tĩnh + áp lực nước Trường hợp ngắn hạn (3.9b): + Tải trọng thẳng đứng gồm trọng lượng lớp đất phía + tải trọng mặt đất – lực cắt + Tải trọng ngang gồm áp lực đất chủ động áp lực đất tĩnh + áp lực nước 3.3 TRN SỐ THIẾT KẾ ĐỐI VỚI ÁP LỰC ĐẤT Hiện việc thiết kế tường chắn theo trạng thái giới hạn Theo tiêu chuNn Anh (BS 8002) tường trạng thái giới hạn sử dụng chuyển vị nhỏ 0,5% độ cao tường, dùng ứng suất tổng hệ số huy động M không nhỏ 1,5, dùng ứng suất hiệu hệ số M lấy 1,2 chuyển vị ngang tường cho phép đến 0,5% độ cao tường Trường hợp dùng ứng suất có hiệu: Khi sử dụng trị đại diện (ứng suất đỉnh), M = 1,2: Trị thiết kế ϕ = ' , Trị thiết kế c’ = Khi sử dụng trị đại diện trạng thái cực hạn đất: Theo hướng tăng áp lực chủ động giảm áp lực bị động kể đến ma sát lực dính tường đất theo BS8002 - Trị thiết kế tan = 0,75 × trị thiết kế tan - Trị thết kế = 0,75 × trị thiết kế ; dùng M = 1,2 ; Trong tính tians theo ứng suất tổng, lấy M = 1,5 3.4 MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÂN BỐ ÁP LỰC LÊN TƯỜNG CHẮN Độ cứng tường Sự phân bố áp lực đất tính toán lên tường chắn phụ thuộc vào độ cứng tường (hình 3.10) Ảnh hưởng chuyển vị tường Ảnh hưởng chuyện vị tường chắn áp lực đất đại thể có loại tình sau đây: (1) Khi đỉnh tường cố định , đầu tường dịch chuyển phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 3.11a) ; (2) Khi đầu tường cố định phần tường vồng phía ; áp lực đất có hình yên ngựa (hình 3.11b); (3) Khi tường dịch chuyển song song phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 3.11c) (4) Khi tường nghiêng phía ngoài, quay theo điểm đoạn tường gây áp lực đất chủ động bình thường (hình 3.11d) (5) Chỉ tường chắn hoàng toàn không dịch chuyển sinh áp lực đất tĩnh (hình 3.11e) Chuyển vị cần thiết đỉnh tường để sinh áp lực đất chủ động bị động đất cát đất sét cho bảng 3.1 Bảng 3.1 Chuyển vị cần thiết đỉnh tường để sinh áp lực chủ động bị động Loại đất Đất cát Đất sét Trạng thái ứng suất Hình thức chuyển dịch Chuyển vị cần thiết Chủ động Song song với thân tường 0,001H Chủ động Quay quanh chân tường 0,001H Bị động Song song với thân tường 0,05H Bị động Quay quanh chân tường >0,1H Chủ động Song song với chân tường 0,004H Chủ động Quay quanh chân tường 0,004H Bị động Ghí : Bảng trính “ Sổ tay công trình móng” Phưng Hiểu Dương chủ biên Căn vào số liệu trên, với kết cấu chắn giữ hố mong thong thường, chuyển vị thân tường cần có để sinh áp lực đất chủ động tương đối dễ xuấ hiện, lượng chuyển vị để sinh áp lực đất bị động tương đối lớn, thường thiết kế không cho phép Do đó, trước lựa chọn phương án tinh toán, cần thiết phải tính đến tình mặt biến dạng này, tính toán có tính đến cân giới hạn điều quan trọng Ảnh hưởng kết cấu chắn giữ Petros Pxanthakos (Mỹ) nêu loại kết cấu chắn giữ có quan hệ với áp lực đất lên tường trình bày hình 3.12 (1) Không có chống, chân tường ngàm cố định (hình 3.12a); (2) Có tầng chống chân tường ngàm cố định (hình 3.12b); (3) Có tầng chống, chân tường xem tự (hình 3.12c) (4) Có nhiều tầng chống (hình 3.12d) Ảnh hưởng trình thi công đào + chống/neo Áp lực đất lên tường chắn hố đào có quan hệ đến trình thi công đào, chống neo tường với tình chất đất loại hình kết cấu chắn giữ Trên hình 3.13 trình bày việc thi công tường chắn cọc có tầng chống vào đất sét yêu (1) Đóng cọc bản: mặt tường có áp lực đất, tường đứng yên, có chén ép đất đóng nên sản sinh hệ số áp lực tinh đất (hình 3.13a) (2) Đào đất đến độ sâu thứ nhất: đầu tường bên đất, đầu tường chuyển vị , sinh áp lực đất chủ động (hình 3.13b) (3) Lắp chống tầng làm biến dạnh cọc hồi phục phần định, áp lực đất tăng lên thay đổi phân bố (hình 3.13c) (4) Tiếp tục đào đất đến độ sâu thức 2: sản sinh biến dạng ngang mới, sực phân bố áp lực đất theo thay đổi (hình 3.13d) (5) Lắp chống tầng 2: với chống tầng 1, làm cho áp lực đất phân bố có dạng (hình 3.13e) (6) Tiếp tục đào đất đến độ sâu thứ 3: cọc chuyển vị phía hố đào, vùng áp lực chủ động đất hướng phía hố đào, áp lực đất bị giảm lượng định hình thành dạng phân bố cuối (hình 3.13f) Khi tiếp tục tăng giảm lực chống từ tầng chống thứ trở xuống phát sinh biến dạng tương ứng dẫn đến thay đổi áp lực đất Ảnh hưởng thời gian Áp lực đất truyền lên tường chắn hố đào phát triển theo thời gian Petros Pxanthankos quan trắc áp lực đất lên tường tầng hâm ( xem hình 3.14) Theo chia làm giai đoạn: Ở thời điểm 72 ngày ( trước đào ) áp lực đất ( tổng hợp lực ) 2300kN/m điểm đặt 0,44H (H – chiều cao tường); Ở 344 ngày tổng hợp lực đạt trị số nhỏ nhất, 1600 kN/m , điểm đặt 0,45H; Ở 651 ngày tổng hợp lực 1970 kN/m với điểm đặt 0,44H Đường áp lực đất Rankine tính với φ = 0, bỏ lực dính kết k = Hình 3.15 đường cong phân bố áp lực đất ( tức tổng áp lực nước đất ) thực đo trước sau đào bến tàu cọc bê tong cốt thép có tầng neo Cọc dài 11,5m, sau đào hố sâu đến 7m, độ sâu cọc cắm vào đất 4,5m, cọc có chông hộp áp lực kiểu màng thép để đo áp lực đất Từ hình vẽ thấy, độ lớn tình hình phân bố áp lực đất lên cọc biến đổi theo việc đào bến cảng trước cọc bản, biến dạng cọc độ cắm sâu vào đất tính chất đất hình, đường cong sau tường áp lực đất chủ động trước đào, giảm theo tăng thêm biến dạng cọc trình đào, đường cong phân bố áp lực đất ổn định sau đào Áp lực đất bị động phía trước cọc phần giảm phần tăng lên trình đào, phần giảm đào tải trọng phải mang bên làm cho trị số giảm áp lực đất lớn trị số áp lực đất bị động tăng lên biến dạng cọc Phần nguyên nhân áp lực đất bị động lớn sinh đào Sau biến dạng cọc áp lực đất ổn định, đường cong áp lực đất bị động tăng thêm so với đường cong Khi cần kể số ảnh hưởng nói trình tính toán thường phải thông qua mô hình tương ứng có nhiều phương pháp tính khác (nhờ phần mêm chuyên dụng) cho phép người thiết kế giải vấn đề phức tạp gặp phải thực tế Một phần mêm tốt vấn đề tính toán hố đào phần mêm PLAXIS Hà Lan (thao khảo [7]) ... 0,4) (3. 3) (3. 4) ⎛H σh ⎜ ⎝q ⎞ 1, 28m n ⎟= 2 ⎠ ( m + n2 ) (m > 4) (3. 7) Tổng hợp lực : PH = 0, 64q ( m2 + 1) ⎛H ⎝q σh ⎜ Tổng hợp lực : ⎞ 0, 203n = ⎟ ⎠ ( 0,16 + n ) PH = 0,55q (3. 8) (m ≤ 0,4) (3. 9)... lực tường độ sâu 3m mặt đất x m = = = 0, < 0, , Giải : x = 2m, H 10 n= Z = = 0 ,3 , H 10 Theo công thức (3. 9), (3. 10) : ⎛H ⎝q σh ⎜ ⎞ 0, 203n ⎟= PH = 0,55q , ⎠ ( 0,16 + n ) 0, 2 03. 0 ,3 ⎛ 10 ⎞ = = 0,96... 1, 28m n 1, 28.0,52.0 ,3 = = 0, 83 , ⎟= 2 2 2 ⎠ (m + n ) ( 0,5 + 0 ,3 ) (ở lấy 1,28 = 4/ π ) ⎛ 10 ⎞ ⎟ = 0, 83 → σ h = 16, kN/m2, ⎝ 200 ⎠ σh ⎜ Tổng hợp lực P H theo công thức (3. 8): PH = 0, 64q 0,