Tài liệu Nghiên cứu giải pháp tường chắn đất có cốt cho tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ áp dụng cho tràn vĩnh trinh quảng nam

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên Lê Hồng Hiển i LỜI CẢM ƠN Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Hồ Sỹ Tâm và TS. Nguyễn Phương Dung, người đã dành nhiều thời gian hướng dẫn và vạch ra những định hướng khoa học cho luận văn. Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, được sự nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, bằng sự nỗ lực cố gắng học tập, nghiên cứu và tìm tòi, tích lũy kinh nghiệm thực tế của bản thân đến nay đề tài “Nghiên cứu giải pháp tường chắn đất có cốt cho tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ – áp dụng cho tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam” đã được học viên hoàn thành đúng thời hạn quy định. Học viên xin cảm ơn các thầy, cô giáo ở bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình, các thầy cô giáo ở khoa Sau đại học đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học viên học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này. Cuối cùng học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Gia đình và những người thân đã luôn ủng hộ và động viên học viên hoàn thành luận văn này. Do hạn chế về thời gian và kiến thức khoa học nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Học viên rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành giúp học viên hoàn thiện hơn đề tài của luận văn. Hà Nội, ngày 19 tháng 03 năm 2018 Học viên Lê Hồng Hiển ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................1 2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ................................................................................2 3. Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .................................................................2 4. Kết quả đạt được .......................................................................................................2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT ................................................3 1.1. Khái quát về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam và trên thế giới ..............................3 1.1.1. Sự ra đời của công nghệ đất có cốt và tường chắn đất trên thế giới .....................3 1.1.2 Tổng quan về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam ....................................................7 1.2. Các nguyên lý đất có cốt về mặt cơ học ...................................................................9 1.2.1. Nguyên lý cơ bản của đất có cốt............................................................................9 1.2.2. Cấu tạo tường chắn đất có cốt .............................................................................14 1.3. Các phương pháp tính toán ổn định và ứng suất biến dạng tường chắn đất ..........19 1.3.1. Các phương pháp tính toán ổn định tổng thể của tường chắn .............................19 1.3.2. Các phương pháp tính toán ứng suất biến dạng của tường chắn đất có cốt ........30 1.4. Triển vọng áp dụng cho công trình thủy lợi ...........................................................40 Kết luận chương I ..........................................................................................................41 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG TƯỜNG ĐẤT CÓ CỐT ..............................................................42 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định ...........................................................................42 2.1.1. Ổn định ngoài ......................................................................................................42 2.1.2. Ổn định trong .......................................................................................................48 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất biến dạng .........................................................58 2.2.1. Bài toán đàn hồi tuyến tính ..................................................................................58 2.3. Giới thiệu về chương trình phần mềm plaxis .........................................................63 2.4. Khả năng áp dụng cho công trình thủy lợi .............................................................65 Kết luận chương II .........................................................................................................66 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CHO TƯỜNG ĐẤT CÓ CỐT ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH THỦY LỢI ......................67 3.1. Xây dựng bài toán mẫu...........................................................................................67 3.2. Kết quả tính toán ổn định .......................................................................................70 3.2.1. Ảnh hưởng của chiều cao tường ..........................................................................70 iii 3.2.2. Ảnh hưởng của chiều dài cốt ............................................................................... 71 3.2.3. Ảnh hưởng của cường độ đất đắp ....................................................................... 74 3.2.4. Ảnh hưởng của khoảng cách đặt cốt ................................................................... 75 3.3. Kết quả tính toán ứng suất biến dạng ..................................................................... 76 3.3.1. Biến dạng ............................................................................................................. 76 3.3.2. Chuyển vị ............................................................................................................ 79 3.4. Các trường hợp gây bất ổn định tường cánh thượng lưu ....................................... 80 3.4.1. Thi công đất đắp ở ngang cao trình đỉnh tường .................................................. 80 3.4.2. Trường hợp công trình vận hành bình thường, hồ ở MNDBT............................ 82 3.4.3. Trường hợp chênh lệch mực nước trong và ngoài tường .................................... 84 Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 87 CHƯƠNG IV: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO TRÀN VĨNH TRINH -QUẢNG NGÃI 88 4.1. Giới thiệu chung về công trình ............................................................................... 88 4.1.1. Vị trí địa lý .......................................................................................................... 88 4.1.2. Đặc điểm địa hình địa mao .................................................................................. 88 4.1.3. Đặc điểm khí tượng thủy văn .............................................................................. 88 4.1.4. Địa chất thủy văn................................................................................................. 89 4.2. Thiết kế chi tiết cho tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ hồ Vĩnh Trinh – Quảng Ngãi bằng phương pháp tường chắn đất có cốt ............................................................. 89 4.2.1. Các thông số đầu vào ......................................................................................... 89 4.2.2. Xác định các thông số cơ bản của tường chắn .................................................... 91 4.2.3. Các trường hợp tính toán ..................................................................................... 92 4.3. Phân tích và nhận xét kết quả tính toán ổn định và ứng suất ................................. 94 4.3.1. Công trình vừa xây dựng xong ............................................................................ 94 4.3.2. Công trình hoạt động đến mực nước dâng bình thường (MNDBT) ................... 98 4.3.3. Chênh lệch mực nước trong và ngoài tường lớn nhất ....................................... 101 Kết luận chương IV ..................................................................................................... 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 100 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 102 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1- 1: Minh họa về nguyên lý đất có cốt (Vidal,1963) ............................................4 Hình 1- 2:Một số công trình áp dụng công nghệ đất có cốt cho công trình thủy lợi trên thế giới .............................................................................................................................7 Hình 1- 3: Đường vành đai 2–Hà Nội .............................................................................9 Hình 1- 4: Tường chắn đầu cầu Cam Lâm ......................................................................9 Hình 1- 5: Tường chắn đất cao 21m tại Đồi Ba Đèo – Quảng Ninh ...............................9 Hình 1- 6 Mô phỏng sắp xếp hạt đất và cốt ...................................................................10 Hình 1- 7: Tác dụng của cốt đối với đất với đất ............................................................11 Hình 1- 8: Cốt dạng khung, dạng lưới bằng thép tròn tạo ra sức cản bị động của đất nhờ có các thanh cốt bố trí vuông góc với phương truyền lực PRp...............................12 Hình 1- 9: Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát giữa cốt và đất ....................................12 Hình 1- 10: Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một công trình tường chắn có cố.......14 Hình 1- 11: Cấu tạo chi tiết liên kết giữa tấm mặt tường với cốt ..................................17 Hình 1- 12: Bố trí thoát nước đỉnh tường (cao đến vai đường).....................................18 Hình 1- 13: Bố trí thoát nước từ các vết lệ nước ngầm sau tường ................................19 Hình 1- 14: Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i ....................................20 Hình 1- 15: . Sơ đồ lực theo PP Fellenius .....................................................................22 Hình 1- 16: Sơ đồ lực tính toán theo PP Bishop đơn giản ............................................23 Hình 1- 17 :Sơ đồ lực tính toán theo PP Spencer .........................................................23 Hình 1- 18: Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu .............................................26 Hình 1- 19 Sơ đồ lực tính toán theo phương pháp Janbu ..............................................28 Hình 1- 20: Sơ đồ thí nghiệm nén đẳng ứng suất ..........................................................31 Hình 1- 21: Những ứng suất dọc trục ............................................................................32 Hình 1- 22: Biến dạng phẳng dưới tường chắn .............................................................33 Hình 1- 23: Nén một trục...............................................................................................33 Hình 1- 24: Xác định cắt đơn và cắt thuần túy ..............................................................35 Hình 1- 25: Các vòng tròn Morh đối với cắt thuần túy .................................................36 Hình 2- 1 Sơ đồ tính toán tổng thể mặt ngoài (mặt đất nằm ngang) ............................43 Hình 2- 2: Sơ đồ tính toán tổng thể mặt ngoài (mặt đất dốc đều) .................................44 v Hình 2- 3: Sơ đồ tính toán tổng thể mặt ngoài (mặt đất gãy khúc) ............................... 44 Hình 2- 4: Mô hình phá hoại của khối đất có cốt .......................................................... 50 Hình 2- 5 Các lực tác dụng và sơ đồ tính toán Tj ......................................................... 52 Hình 2- 6: Sơ đồ trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH ................................ 62 Hình 2- 7: Sơ đồ tường cánh thượng lưu tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam ..................... 65 Hình 3 - 1: Mô hình tường chắn đất có cốt ................................................................... 67 Hình 3 - 2: Mô hình neo bên trong tường chắn đất có cốt ............................................ 68 Hình 3 - 3: Lưới phần tử của tường có cốt .................................................................... 69 Hình 3 - 4: Các giai đoạn thi công tường có cốt có chiều cao Hmax =15m ................. 69 Hình 3 - 5: Quan hệ Hi/Hmax với Ti/Tmax .................................................................. 70 Hình 3 - 6: Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với chiều cao tường H ....... 71 Hình 3 - 7: Ảnh hưởng của cường độ đất đắp ( tường cao 15m) .................................. 72 Hình 3 - 8: Mô hình bố trí cốt theo chiều dài hố móng ................................................. 73 Hình 3 - 9: T max huy động theo chiều cao tường........................................................... 73 Hình 3 - 10: Ảnh hưởng của cường độ đất đắp (tường cao 15m) ................................. 74 Hình 3 - 11: Ảnh hưởng của bước cốt b (tường cao 10m) ............................................ 76 Hình 3 - 12: Phổ biến dạng góc ε xy trong tường cao 15m (%) ..................................... 77 Hình 3 - 13: Phổ biến dạng ngang ε x trong tường cao 15m (%) ................................... 77 Hình 3 - 14: Phổ biến dạng đứng ε y trong tường cao 15m (%) .................................... 78 Hình 3 - 15: Phương biến dạng cắt lớn nhất γ max trong tường ..................................... 78 Hình 3 - 16: Lưới biến dạng tường chắn đất ................................................................. 79 Hình 3 - 17: Vector chuyển vị toàn phần tường cao 15m ............................................. 79 Hình 3 - 18: Chuyển vị đứng của trường hợp thi công đến cao trình đỉnh tường ......... 80 Hình 3 - 19: Chuyển vị ngang của trường hợp thi công đến cao trình đỉnh tường ....... 80 Hình 3 - 20: Biến dạng tổng của trường hợp thi công đến cao trình đỉnh tường .......... 81 Hình 3 - 21: Hệ số ổn định giai đoạn thi công đến cao trình đỉnh tường K = 1,6518... 81 Hình 3 - 22: Chuyển vị đứng của trường hợp vận hành ................................................ 82 Hình 3 - 23: Chuyển vị ngang của trường hợp vận hành .............................................. 82 Hình 3 - 24: : Biến dạng tổng của trường hợp vận hành ............................................... 83 Hình 3 - 25: Hệ số an toàn của trường hợp vận hành K = 2,1903 ................................ 83 Hình 3 - 26: Chuyển vị đứng của trường hợp chênh lệch mực nước ............................ 84 vi Hình 3 - 27: Chuyển vị ngang của trường hợp chênh lệch mực nước ..........................85 Hình 3 - 28: Ứng suất tổng của trường hợp chênh lệch mực nước ...............................85 Hình 3 - 29: Hệ số an toàn trường hợp chênh lệch mực nước K = 1,5755 ................... 86 Hình 4 - 1: Mặt cắt đứng tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam ..............................................90 Hình 4 - 2: Mô hình neo bên trong tường chắn đất có cốt ............................................91 Hình 4 - 3: Sơ đồ tính toán chiều sâu chôn móng .........................................................92 Hình 4 - 4: Sơ đồ tính toán ............................................................................................93 Hình 4 - 5: Lưới phần tử hữu hạn ..................................................................................94 Hình 4 - 6: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,5m ........................................................94 Hình 4 - 7: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,75m ......................................................95 Hình 4 - 8: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 1,0 m .......................................................95 Hình 4 - 9: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài cốt ..................................................................................................................................96 Hình 4 - 10: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài cốt ..................................................................................................................................97 Hình 4 - 11: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,50 m ...................................................98 Hình 4 - 12: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,75 m ...................................................98 Hình 4 - 13: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 1,0 m .....................................................99 Hình 4 - 14: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài cốt ................................................................................................................................100 Hình 4 - 15: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài cốt ................................................................................................................................100 Hình 4 - 16: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,50 m .................................................101 Hình 4 - 17: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,75 m .................................................101 Hình 4 - 18: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 1 m ......................................................102 Hình 4 - 19: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài cốt ................................................................................................................................103 Hình 4 - 20: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài cốt ................................................................................................................................103 vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Tổng số đại lượng các lực tác dụng lên khối trượt gồm n thỏi đất ............... 21 Bảng 3. 1 Chỉ tiêu cơ lý của đất .................................................................................... 68 Bảng 3. 2: Hệ số an toàn của các trường hợp L khác nhau ........................................... 73 Bảng 3. 3: Kết quả tính toán ổn định và chuyển vị của 3 trường hợp........................... 86 Bảng 4- 1 Đặc trưng về nền đất và đất đắp ................................................................... 90 Bảng 4- 2 Chiều sâu chân tường ................................................................................... 92 Bảng 4- 3: Bảng tổng hợp kết quả tính toán hệ số ổn định Mfs của tường................... 96 Bảng 4- 4 :Bảng tổng hợp kết quả của chuyển vị tổng U (đơn vị m) ........................... 96 Bảng 4- 5: Bảng tổng hợp kết quả tính toán hệ số ổn đinh Mfs của tường................... 99 Bảng 4- 6: Bảng tổng hợp kết quả của chuyển vị tổng U (đơn vị m) ........................... 99 Bảng 4- 7: Bảng tổng hợp kết quả tính toán hệ số ổn đinh Mfs của tường................. 102 Bảng 4- 8: Bảng tổng hợp kết quả của chuyển tổng U (đơn vị m) ............................. 102 viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay việc áp dụng công nghệ mới là hướng đi phù hợp với xu thế của thời đại. Do đó có nhiều giải pháp kỹ thuật tiên tiến về vật liệu, giải pháp thi công của tường chắn đã được đưa vào áp dụng trong việc xử lý phòng chống sạt trượt đất và gia cố mái đất ở Việt Nam. Một trong những phương pháp đó là giải pháp tường chắn đất có cốt. Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất vẫn dùng đất thiên nhiên để xây dựng công trình nhưng trong đất có bố trí các lớp cốt bằng vật liệu chịu được lực kéo theo các hướng nhất định, thông qua sức neo bám (do ma sát, dính và neo bám) giữa đất với vật liệu cốt mà loại vật liệu tổ hợp đất có cốt này có khả năng chịu kéo (giống như vật liệu bê tông cốt thép có khả năng chịu kéo, trong đó bản thân bê tông chịu kéo kém). Tại Việt Nam tường chắn đất có cốt được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực giao thông như xây dựng đường lên cho cầu vượt cạn, sân bay, cầu cảng… và xây dựng dân dụng như: gia cố mái dốc có cốt, gia cố nền móng có cốt… Đất có cốt đã được sử dụng cho một số công trình Thủy Lợi tại trên thế giới. Nhưng tại Việt Nam công nghệ đất có cốt áp dụng trong công trình thủy lợi còn hạn chế như đắp đê, đập tại những nơi có điều kiện địa chất xấu hoặc kè bảo vệ sông, kênh và bờ biển. Tuy nhiên hình thức tường chắn đất có cốt chưa được áp dụng cho công trình tháo lũ, vì theo suy nghĩ chung thì công trình tháo lũ thường chịu tác động bởi dòng chảy có lưu tốc lớn. Điều này hoàn toàn đúng với ngưỡng tràn, dốc nước, bậc nước hay bể tiêu năng. Với tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ, do mặt cắt ướt lớn hơn nên lưu tốc thường có giá trị nhỏ hơn các bộ phận khác dẫn đến khả năng áp dụng tường chắn đất có cốt cho vị trí này là khả dĩ nhất. Cùng với đó, khi sửa chữa, nâng cấp tường cánh thượng lưu hay phải mở rộng tràn để đảm bảo an toàn tháo lũ, khối lượng đào, đắp đất thường rất lớn nếu sử dụng giải pháp tường bê tông hay đá xây truyền thống. Việc áp dụng giải pháp tường có cốt trong trường hợp này nhằm đáp ứng các nhu cầu ổn định của tường chắn đất, giảm khối lượng đào, đắp do phạm vi mở móng nhở hơn so với các hình thức truyền thống; phù hợp với điều kiện nền yếu nhưng vẫn 1 đảm bảo chiều cao của tường cánh và kênh dẫn; rút ngắn thời gian thi công vì không mất thời gian đổ bê tông, đợi bê tông ninh kết. Thực tế tường đất có cốt đã được sử dụng cho công trình giao thông và dân dụng vấn đề đặt ra khi áp dụng tường đất có cốt cho công trình thủy lợi nói chung và tường cánh cửa vào tràn nói riêng là ảnh hưởng của hiện tượng thay đổi mực nước ngầm trong đất cũng như ảnh hưởng của lưu tốc dòng chảy đến ứng suất – biến dạng và ổn định của tường. Đấy là những vấn đề mà nghiên cứu này phải trả lời bằng cách khảo sát, tính toán ổn định và ứng suất sử dụng các phần mềm tính toán như Plaxis. Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng cho một công trình cụ thể. 2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán ổn định và ứng suất biến dạng cho tường đất cố cốt áp dụng cho tường cánh và kênh dẫn dòng; áp dụng cho tường cánh thượng lưu hồ Vĩnh Trinh - Quảng Nam - Phạm vi nghiên cứu: Tính toán ổn đinh, ứng suất biến dạng của tường chắn đất có cốt áp dụng cho tường cánh của vào tràn tháo lũ chịu tác động của sự thay đổi mực nước ngầm trong quá trình làm việc của tràn. 3. Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập thông tin : Thu thập tài liệu hiện có liên quan đến thiết kế tường đất có cốt. - Phương pháp nghiên cứu trên mô hình số: Nghiên cứu sử dụng các phần mềm địa kỹ thuật có khả năng giải quyết các bài toán liên quan đến đất có cốt như : Plaxis, GeoStudio 2007. 4. Kết quả đạt được - Đưa ra được đánh giá về ổn định của tường đất có cốt áp dụng cho công trình thủy lợi - Đưa ra được đánh giá về ứng suất biến dạng của tường đất có cốt áp dụng cho công trình thủy lợi - Áp dụng tính toán cho tường hướng dòng phía thượng lưu tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT Kết cấu đất có cốt là loại kết cấu bao gồm đất đầm chặt kết hợp với các lớp gia cố (tre, gỗ, cao su, kim loại, vải, lưới địa kỹ thuật…) có kích thước và mật độ nhất định, đặt theo những hướng có tính toán trước để tăng khả năng chịu lực của kết cấu. Sự làm việc đồng thời giữa đất và cốt thông qua ma sát có thể đem lại hiệu quả vì đã phát huy sức chịu nén , chịu cắt vốn có của đất và sức chịu kéo cao của cốt. - Trải qua thực tế nghiên cứu và sử dụng đất có cốt đã thấy nhiều ưu điểm nổi bật:Thi công đơn giản, có khả năng cơ giới hóa thi công cao; - Cốt sử dụng thường là loại vật liệu có khả năng chịu kéo, nếu dùng vật liệu có độ giãn dài lớn, kết cấu đất có cốt sẽ không bị phá hoại đột ngột, cho phép biến dạng lớn mà vẫn đảm bảo ổn định cho công trình; - Tăng cường độ của nền đường đáng kể (trung bình khoảng 3 lần) Với những ưu điểm nổi trội, kết cấu đất có cốt ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi đem lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật cao. 1.1. Khái quát về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam và trên thế giới 1.1.1. Sự ra đời của công nghệ đất có cốt và tường chắn đất trên thế giới Trên thế giới, việc sử dụng công nghệ đất có cốt trong xây dựng đã trở nên phổ biến. Sở dĩ có thể trở nên phổ biến là vì tính ưu việt của nó như: giá thành thấp, thi công đơn giản, thời gian thi công nhanh hơn nhiều so với kết cấu tường bê tông truyền thống mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và tuổi thọ của công trình. Để khắc phục khả năng chịu kéo rất kém của đất, ngoài biện pháp gia cố đất bằng các chất liên kết (vô cơ, hữu cơ, hóa chất), từ năm 1963, Henri Vidal, một kỹ sư người Pháp đã đề xuất ý tưởng dùng đất có cốt để xây dựng các công trình. Ngày 7-3-1966 Ông đã báo cáo trước hội đồng cơ học đất và Nền móng nước Pháp và sau đó Ông đã được cấp bằng sáng chế về phát minh này. Và từ đây đất được gia cố cốt mới bắt đầu có những nghiên cứu tính toán và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng. Cho đến nay, khái niệm về đất có cốt và những ứng dụng của nó trong các công trình xây dựng đã trở nên quen thuộc với các kỹ sư cầu đường, kỹ sư xây dựng ở khắp nơi trên thế giới. 3 Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất vẫn dùng đất thiên nhiên để xây dựng công trình nhưng trong đất có bố trí các lớp cốt bằng vật liệu chịu được lực kéo theo các hướng nhất định, thông qua sức neo bám (do ma sát, dính và neo bám) giữa đất với vật liệu cốt do đó vật liệu tổ hợp đất có cốt này có khả năng chịu kéo cao hơn(giống như vật liệu bê tông cốt thép có khả năng chịu kéo, dù bản thân bê tông chịu kéo kém). Hình 1- 1: Minh họa về nguyên lý đất có cốt (Vidal,1963) Loại công trình được xây dựng thử nghiệm đầu tiên bằng đất có cốt chính là trường chắn bằng đất có cốt được xây dựng ở Pyrenees do H.Vidal đề xuất thiết kế vào năm 1965, trong đó đất đắp là loại rời rạc, ít dính, cốt là dải kim loại (rộng 60 mm, dày 5 mm) và vỏ mặt tường bao bằng kim loại dày 1,5 – 4,0 mm cao 25 cm. Sau 2 năm xây dựng thử nghiệm, đến năm 1967 một tường chắn đất có cốt được xây dựng tại Pháp đó là tường Incarville trên đường cao tốc A13 ở Pháp. Tường này cao 10 m, rộng 10 m, và dài 50 m. Kết quả quan trắc ứng suất và biến dạng của cốt, của vỏ (thông qua các đầu đo được bố trí sẵn trong quá trình thi công) và kết quả thí nghiệm khá công phu trên các mô hình thí nghiệm tại phòng thí nghiệm trung ương về Cầu và Đường (LCPC) của Pháp dưới sự lãnh đạo của H. Vidal (có sự tham gia đáng kể của kỹ sư Nguyễn Thành Long, một Việt kiều tại Pháp) đã cho phép ngay từ những năm đó thiết lập được những nguyên tắc về phương pháp thiết kế cấu tạo và tính toán kết cấu tường chắn bằng đất có cốt. Tiếp đó, một loạt các công trình tường chắn bằng đất có cốt được xây dựng trên các đường ô tô và bến cảng ở Pháp, Tây Ban Nha, Đức và một số nước khác. Đáng kể nhất là những tường chắn bằng đất có cốt (tổng cộng tới 800m dài) trên đường cao tốc A53 qua vùng Menton (Pháp). Tại đây sườn núi dốc, địa chất không ổn định, không thể đào sâu và khó làm cầu vượt nên đã chọn phương án đắp cao với tường chắn tới 20m. Với tường chắn cao như vậy, nếu dùng tường chắn bê tông cốt 4 thép sẽ rất khó giải quyết vấn đề về nền móng, do vậy đã chọn kết cấu tường chắn đất có cốt là loại tường bằng vật liệu mềm cho phép có những biến dạng lớn mà không bị phá hoại đột ngột trong khi vẫn giữ được ổn định chung của công trình. Cũng ngay từ những năm mới ra đời (1966-1969), ở nhiều đường cao tốc của Pháp đã xây dựng các tường chắn đất có cốt để làm nền đường tách đôi 2 chiều xe chạy với 2 bậc cao thấp khác nhau (đề đảm bảo ổn định nền đường) hoặc làm những đường đắp cao trên đoạn dẫn lên các cầu vượt ở các chỗ giao nhau giữa các đường khác cao trình trong đô thị ( để hạn chế giải phóng mặt bằng do không phải đắp mái taly) và đặc biệt là để xây dựng cả những tường kè cảng như tường kè bến cảng Montréal (Canada), ụ tầu ở Strasbourg, tường cảng ở Boulogne, La Grand Motte (Pháp). Năm 1971 đánh dấu bước phát triển của tường chắn khi người ta bắt đầu sử dụng bê tông cốt thép làm vỏ cho tường chắn với các hình dạng khác nhau, có thể tạo mỹ thuật trên bề mặt tường; Năm 1972 hàng loạt các công trình tường chắn có cốt được xây dựng trên thế giới như: ở Pakistan xây dựng công trình tường chắn đất có cốt với vách thẳng đứng cao 40 m, trong khi đó ở Pháp người ta cũng đã ứng dụng công nghệ này vào việc thi công các mố cầu chịu nén lệch tâm (mố cầu Thionville cao 12 m, chịu tải trọng từ gối cầu truyền xuống tới 750 tấn và độ lún định trước là 20 cm), và ở Mỹ tại bang California một công trình tường chắn sử dụng lưới cốt thép đã được xây dựng tại đây; Năm 1972 - 1976 các nghiên cứu phát triển vật liệu cốt về hình dáng (độ liên kết dính cao) mạ kẽm (tăng tuổi thọ của cốt), vật liệu cốt Polyme... đã làm cho các công trình tường chắn có cốt ngày càng bền vững hơn và được ứng dụng rộng rãi; Năm 1978 trên thế giới đã xây dựng khoảng 2.000 công trình tường chắn có cốt, trong đó gần một nửa ở Pháp; Ngày nay với yêu cầu cấp thiết của xã hội về vấn đề phát triển cơ sở hạ tầng, với ưu điểm của mình công nghệ thi công tường chắn đất có cốt đã phát triển rất nhanh và đã có mặt ở hầu khắp các nước trên thế giới; Thống kê của tập đoàn Terre-Armée đến 5 năm 2012 có hơn 50 000 công trình được xây dựng (hơn 40 000 000 m2 tường), bao gồm hơn 10 000 mố cầu. Tường chắn đất có cốt là một trong những bước phát triển lớn và đột phá trong lĩnh vực xây dựng liên quan tới kè chống xói lở, sụt trượt mái taluy, ứng dụng làm đường đầu cầu thành phố với mái dốc 90 độ, kè bờ sông, bờ biển, nâng cấp mở rộng mặt đường về phía mái taluy âm khi bị hạn chế về diện tích… Ngày nay, việc ứng dụng vật liệu mới vào ngành xây dựng càng trở nên phổ biến. Đặc biệt sử dụng vật liệu địa kỹ thuật cho công trình ngày một được chú trọng, phát triển rộng rãi. Việc ứng dụng này mang đến nhiều lợi ích cho chủ đầu tư cũng như các bên tham gia xây dựng công trình như: Giá thành rẻ; thời gian thi công nhanh, vật liệu thân thiện với môi trường. Tường chắn đất có cốt ngày càng được ngành xây dựng quan tâm, phát triển nhân rộng vì có những ưu điểm vượt trội so với tường chắn bê tông cốt thép hoặc tường chắn đá hộc xây truyền thống như sau: + Vật liệu thân thiện với môi trường, dễ dàng làm xanh hóa bề mặt bằng thảm thực vật; + Vượt được khẩu độ chiều cao lớn mà tường bê tông cốt thép truyền thống không làm được; + Tường kè có thể thẳng đứng lên đến 90 độ, chiều cao kè lên tới 45-50m; + Hình dáng dễ uốn lượn mềm mại theo địa hình, không kén chọn các loại vật liệu đắp; + Thi công nhanh, dễ dàng; + Giá thành rẻ tiết kiệm khoảng 10-30% chi phí so với giải pháp truyền thống; + Vật liệu được sản xuất từ polymer tổng hợp như: Polyester, HDPE, Polypropylene trơ bền với môi trường tự nhiên, cường lực cao, độ giãn dài thấp, bền vững, lâu dài. Một số công trình được xây dựng điển hình trên thế giới: 6 Hình 1- 2:Một số công trình áp dụng công nghệ đất có cốt cho công trình thủy lợi trên thế giới 1.1.2 Tổng quan về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam Ở Việt Nam, nguyên lý đất có cốt cũng được cán bộ và công nhân ngành giao thông nước ta vận dụng để xây dựng và phục vụ đường sá trong chiến tranh chống Pháp và chống Mỹ. Những năm chiến tranh đó, khi khôi phục đường bị bom đạn địch phá hoại, các đội quân bảo đảm giao thông đã đắp lại đường với mái dốc taly bằng cách lót thêm các lớp cành tre và đặc biệt là các lớp bổi (thuật ngữ miền Trung) tức là các lớp cành cây nhỏ rải thêm giữa các lớp đất đắp, nhờ đó giảm khối lượng đắp lại nhằm nhanh chóng khôi khục đường cho kịp thông xe ra tiền tuyến. Với thực tế đó, từ năm 1972 GS. Đặng Hữu đã viết tài liệu đầu tiên về nguyên lí đất có cốt (chuyên san thông tin KHKT của Ủy ban KH&KT Nhà nước số 4 tháng 4/1972) và cũng đã tổ chức nghiên cứu kiểm nghiệm lại nguyên lí đất có cốt bằng thiết bị nén 3 trục. Đến tháng 6/1973 một mô hình thí điểm về tường chắn có cốt cao 4,25 m đã được xây dựng trên đoạn đường dẫn từ Đê La Thành xuống 1 khu tập thể gần Cầu Giấy (Hà 7 Nội), tường chắn thí điểm sử dụng cốt là các dải cao su được cắt ra từ lốp ô tô phế thải rộng 6cm dày 0,5cm được nối với vỏ bằng bu lông φ50, vỏ tường là vỏ thùng nhựa cũ cao 25 cm (như vỏ kim loại của H. Vidal) và công trình này vẫn còn tồn tại đến ngày nay. Từ năm 1999 đến nay, cùng với các dự án xây dựng mới và khôi phục cầu đường ở nước ta, các công trình đất có cốt đã tìm được chỗ ứng dụng và ngày càng được sử dụng nhiều hơn. Lý do chủ yếu là khi xây dựng các đường dẫn đầu cầu hoặc các chỗ giao nhau khác mức trong đô thị, xây dựng tường chắn đất có cốt sẽ giảm được mặt bằng chiếm dụng đất hơn nhiều so với nền đắp có mái dốc, giảm được nhiều chi phí xây dựng. Một số công trình tường chắn đất có cốt đã được xây dựng ở nước ta như: tường chắn đất có cốt trên quốc lộ 5 đoạn cắt qua nút giao Lạch Tray (Hải Phòng), công trình tường chắn đất có cốt cho đường dẫn lên đầu cầu vượt Ngã Tư Vọng ở Hà Nội, đường dẫn lên đầu cầu vượt Sóng Thần ở thành phố Hồ Chí Minh, đường dẫn lên đầu cầu vượt Hòa Cầm ở thành phố Đà Nẵng, cầu Chợ Dinh trên đường từ Huế đi Thuận An, ... đã được xây dựng và đã cho thấy được những ưu điểm của nó. Trong những năm sắp đến với các dự án mới về xây dựng công trình GTVT, đặc biệt hệ thống đường cao tốc, cải tạo đường sắt, loại công trình tường chắn đất có cốt còn có nhiều cơ hội để ứng dụng và phát triển mạnh. 8 Hình 1- 3: Đường vành đai 2–Hà Nội Hình 1- 4: Tường chắn đầu cầu Cam Lâm Hình 1- 5: Tường chắn đất cao 21m tại Đồi Ba Đèo – Quảng Ninh 1.2. Các nguyên lý đất có cốt về mặt cơ học 1.2.1. Nguyên lý cơ bản của đất có cốt Đất có cốt hoặc động theo nguyên lý của vật liệu composite, gồm hai thành phần là đất và cốt. Bởi vậy, nguyên lý cơ bản của đất có cốt liên quan mật thiết đến tính chất của đất và cốt. Đất có độ bền nén tương đối cao, trong khi đó cốt thường là vật liệu chịu kéo tốt và được bố trí nằm ngang để hạn chế chuyển vị ngang của khối, do đó làm giảm chuyển vị ngang, dẫn đến tăng khả năng chịu lực của khối. 9 Hình 1- 6 Mô phỏng sắp xếp hạt đất và cốt Trong tường, khối đất có cốt được xem như là mẫu nén 3 trục với trị số áp lực hông: σ 3 = Kσ 1 (1.1) trong đó: K là hệ số áp lực ngang của đất, nếu ở trạng thái tĩnh có thể sử dụng công thức K = K 0 = 1 − sin ϕ (Jaky,1994) cho đất cát. Trong thí nghiệm nén 3 trục, dưới tác dụng của tải trọng nén thẳng đứng ( σ 1 − σ 3 ), mẫu đất sẽ bị biến dạng nở hông. Ở chế độ tải trọng này, mẫu đất không có cốt sẽ biến dạng thẳng đứng là δ v và biến dạng nở hông là δ n / 2 ; mẫu đất có lớp cốt nằm ngang có biến dạng thẳng đứng là δVT và biến dạng nở hông là δ hr / 2 , trong đó: δVT < δV và δ hr < δ h . Mức giảm biến dạng này là do tác dụng của lớp cốt chịu kéo làm hạn chế nở hông dẫn đến hạn chế chuyển vị đứng. Cơ chế này tương ứng với việc tăng áp lực hông và đây là nguyên lý làm việc cơ bản của cốt trong khối đất gia cố. 10 a, Trường hợp đất không có cốt b, Trường hợp đất có cốt Hình 1- 7: Tác dụng của cốt đối với đất với đất Như vậy, việc bổ sung cốt làm giảm biến dạng của đất, cải thiện độ bền của đất. Giới hạn về độ bền của đất có cốt thể hiện qua sự kéo đứt cốt hoặc do trượt ở trên bề mặt tiếp xúc đất-cốt. 1.2.1.1. Sự neo bám giữa cốt và đất Việc truyền lực giữa cốt và đất hay sự tạo ra sức neo bám giữa đất và cốt phụ thuộc vào cấu tạo hình dạng cốt và có hai phương thức cơ bản là phương thức truyền lực thông qua ma sát giữa chúng và phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất. Đối với các loại cốt như cốt dạng đai mỏng, cốt dạng tấm, cốt dạng khung, dạng lưới, dạng mạng (lưới hoặc mạng polime), tất cả đều truyền lực thông qua ma sát. Nhưng chỉ những loại cốt dạng khung, dạng lưới, dạng mạng là những loại cốt có các phần tử vuông góc với phương truyền lực kéo thì mới có thêm phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất (tức là mới có hiệu ứng neo) 11 a, Nhìn theo chiếu đứng b, Nhìn trên mặt bằng Hình 1- 8: Cốt dạng khung, dạng lưới bằng thép tròn tạo ra sức cản bị động của đất nhờ có các thanh cốt bố trí vuông góc với phương truyền lực P p R 1.2.1.2. Phương thức truyền lực thông qua ma sát gữa cốt và đất Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát giữa cốt và đất được miêu tả ở hình dưới đây: Hình 1- 9: Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát giữa cốt và đất Sự cân bằng của một phân đoạn nhỏ đất có cốt dl với bề rộng b, ta có thể thấy lực truyền qua dl là: dT = T2 − T1 = 2 × b × dl ×τ (1.2) trong đó: τ - ứng suất cắt trượt do ma sát bề mặt trên mặt tiếp xúc giữa đất và cốt trong phân đoạn dl τ= µ × σ v (1.3) Với: σ v là ứng suất pháp tác dụng trên bề mặt cốt; Hệ số ma sát giữa cốt và đất R R 12