Luận văn Nghiên cứu khoảng cách bố trí hơp lý của NEO trong đất cho hệ thống tường chắn

m: hệ thống tường gồm các cọc bê tông chèn nhau, tường cọc bê tông cốt thép liên tục và tường cọc bê tông cốt thép không liên tục. 28 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG NEO 2.1. Áp lực đất 2.1.1. Tổng quát Hệ thống tường được thiết kế để chống lại áp lực đất và nước phía sau tường. Áp lực đất tác dụng lên tường là do trọng lượng đất phía sau tường, sự dịch chuyển đất đá do động đất và các tải trọng chất thêm. Khi thiết kế cần xem xét 3 loại áp lực đất như sau: (1) áp lực đất chủ động; (2) áp lực đất bị động; (3) áp lực đất ở trạng thái nghỉ. Sự khác nhau giữa ứng xử thực tế của đất và các giả thiết tính toán là nhân tố quan trọng khi xét đến áp lực đất [22]. Giả thiết áp lực đất chủ động và bị động phân bố tuyến tính dựa vào các phân tích lý thuyết là cách đơn giản hoá của các quá trình phức tạp khi không xét đến các yếu tố: (1) hình dạng chuyển vị của tường (góc xoay, chuyển vị); (2) tính mềm của tường; (3) các thuộc tính về cường độ và độ cứng của đất; (4) ứng suất trước theo phương ngang trong đất; (5) góc ma sát bề mặt của tường và đất. Với hệ thống tường neo là phần tử mềm, “đường bao áp lực đất biểu kiến” bán thực nghiệm được sử dụng để tính toán [22]. 2.1.2. Áp lực đất chủ động và bị động 2.1.2.1. Lý thuyết Rankine Áp lực đất chủ động và bị động theo phương ngang được xét bằng ứng suất giới hạn theo phương ngang trong khối đất. Xét một tường nhẵn (ma sát tường bằng 0), chắn đất có mái dốc nằm ngang như hình 2.1 theo điều kiện Rankine. Phần tử đất có ứng suất có hiệu theo phương đứng s’v (hình 2.2). Khi tường có chuyển vị, phần tử đất có thể bị phá hoại theo 2 cách khác nhau. Ứng suất theo phương ngang của đất có thể tăng đến khi phần tử đất bị phá hoại tại B (hình 2.2), khi đó ứng suất đạt giá trị lớn nhất s’h(max). Điều này xảy ra khi tường chuyển vị làm tăng ứng suất của đất 29 phía trước ở chân tường (hình 2.1). Tương tự như vậy, ứng suất ngang trong đất có thể giảm đến ứng suất phá hoại tại điểm A, khi đó ứng suất đạt giá trị nhỏ nhất s’h(min). Điều này xảy ra khi tường dịch chuyển và làm giảm ứng suất của đất ở sau tường (hình 2.1). Theo quan hệ hình học ở hình 2.2, có 2 công thức (2.1) và (2.2) (min) 2 ' 1 sin ' tan (45 '/ 2) ' 1 sin ' h A v K s q q s q - = = = - + (2.1) (max) 2 ' 1 sin ' tan (45 '/ 2) ' 1 sin ' h P v K s q q s q + = = = + - (2.2) Với f’ là góc ma sát có hiệu của đất. Hình 2.1. Áp lực đất chủ động và bị động theo phương ngang của tường nhẵn. Với KA là hệ số áp lực đất chủ động và KP là hệ số áp lực đất bị động. KA và KP trong công thức (2.1) và (2.2) theo điều kiện Rankine xét cho đất rời (lực dính c=0). Với đất dính, được định nghĩa bằng các thông số cường độ có hiệu f’ và c’, hệ số áp lực đất chủ động và bị động tính theo công thức (2.3) và (2.4). 30 2 2 'tan (45 '/ 2) tan(45 '/ 2) 'A v cK q q s = - - - (2.3) 2 2 'tan (45 '/ 2) tan(45 '/ 2) 'P v cK q q s = + + + (2.4) Hình 2.2. Giới hạn ứng suất chủ động và bị động theo phương ngang. Trường hợp không thoát nước với f = 0 và c = Su, hệ số áp lực chủ động và bị động tổng tính theo công thức (2.5) và (2.6). 21 uA v SK s = - (2.5) 21 uP v SK s = + (2.6) Với sv là tổng ứng suất theo phương đứng. Với các ứng dụng tường neo, ảnh hưởng của ma sát tường đến áp lực đất chủ động tương đối nhỏ và thường bỏ qua khi tính toán. Hệ số áp lực đất chủ động có thể tính toán gần đúng theo các công thức từ (2.1) đến (2.6). Trường hợp tổng quát, sử dụng phương pháp tăng giảm lôga để tính KA và KP theo hình 2.3 và 3.4 [22]. 31 Hình 2.3. Hệ số áp lực đất chủ động và bị động cho tường nghiêng 32 Hình 2.4. Hệ số áp lực đất chủ động và bị động cho đất có mái dốc nghiêng. 33 2.1.2.2. Lý thuyết Coulomb Lý thuyết của Coulomb trình bày phương pháp xác định tổng áp lực ngang tác dụng vào tường chắn với góc nghiêng của tường (w), góc ma sát tường (d) và góc nghiêng của mái đất sau tường (b ≤ f). Lý thuyết Coulomb dựa vào giả thiết sức kháng cắt của đất phát triển dọc theo tường và mặt phá hoại. Hệ số áp lực đất chủ động trong trường hợp tổng áp lực đất tác dụng vào tường có góc nghiêng d theo công thức 3.7. { }{ } { }{ }{ }{ } 2 2 2 cos ( ) sin( ) sin( ) cos cos( ) 1 cos( ) cos( ) AK f w f d f b w d w d w b w - = é ù+ - + +ê ú + -ê úë û (2.7) Hệ số áp lực đất bị động tính theo phương pháp của Coulomb không chính xác vì giả thiết mặt trượt là mặt phẳng [22]. Công thức 3.8 và 3.9 tính hệ số áp lực đất chủ động và bị động trong trường hợp tổng áp lực đất tác dụng vào tường nằm ngang và tường thẳng đứng. { }{ } { }{ } 2 2 cos sin( ) sin( ) cos 1 cos cos AK f f d f b d d b = é ù+ - +ê ú ê úë û (2.8) { }{ } { }{ } 2 2 cos sin( ) sin( ) cos 1 cos cos pK f f d f b d d b = é ù+ - -ê ú ê úë û (2.9) Khi tường chắn thẳng đứng, mái dốc đất được chắn giữ nằm ngang, góc ma sát tường bằng 0 (w , b và d = 0), các công thức tính hệ số áp lực đất chủ động và bị động theo lý thuyết Coulomb trùng với các công thức theo lý thuyết Rankine. 34 Để thoả mãn điều kiện cân bằng thì tường ma sát phải có mặt trượt là mặt cong. Vì thế, các công thức theo lý thuyết Coulomb chỉ cho kết quả gần đúng do giả thiết mặt trượt là mặt phẳng. Độ chính xác khi tính áp lực đất theo lý thuyết Coulomb càng giảm khi chiều sâu đất chắn giữ càng lớn. Với áp lực đất bị động, các công thức của Coulomb cho kết quả không chính xác khi góc nghiêng của mái đất được chắn giữ và góc ma sát của tường lớn [17]. 2.1.3. Áp lực đất ở trạng thái nghỉ Đất sét và cát cố kết thường trong điều kiện tự nhiên, không có chuyển vị ngang (chỉ nén theo phương đứng) và chịu tác dụng của tải trọng tăng dần theo phương đứng, được xem xét tính toán theo trạng thái ứng suất nghỉ. Hệ số áp lực đất ở trạng thái nghỉ, Ko, được tính theo công thức thực nghiệm (2.10). ' 1 sin ' ' h o v K s q s = = - (2.10) Áp lực đất ở trạng thái nghỉ thường không được sử dụng khi thiết kế hệ thống tường mềm [22]. Chỉ sử dụng áp lực đất ở trạng thái nghỉ khi tường không có chuyển vị ngang. Điều này gần đúng cho trường hợp hệ thống tường cứng. Quan hệ giữa áp lực đất và chuyển vị của hệ tường mềm được xét ở mục 3.1.4. 2.1.4. Ảnh hưởng chuyển vị của tường đến áp lực đất Sự phân bố áp lực đất sau tường phụ thuộc vào chuyển vị của tường [22]. Do phương pháp thi công tường neo là từ trên xuống dưới, với chu kỳ lặp lại: đào đất, lắp neo, tạo ứng suất, truyền ứng suất cho neo mà mô hình biến dạng và áp lực đất khác so với giả thiết áp lực đất hoàn toàn chủ động (tăng tuyến tính theo chiều sâu). Do đặc điểm của mô hình biến dạng này mà ứng suất tác dụng vào các đoạn tường sẽ nhỏ hơn so với mô hình áp lực hoàn toàn chủ động. Khi tường ngàm vào lớp đất tốt, áp lực ngang của đất có giá trị lớn nhất ở gần vị trí của neo và giá trị áp lực nhỏ hơn xuất hiện ở đoạn chân tường ngàm vào trong đất. 35 Mô hình tường neo có hai tầng neo được sử dụng để minh hoạ mối quan hệ giữa áp lực đất theo phương ngang và chuyển vị của tường trong các giai đoạn thi công như trên hình 2.5. Tường cao 1.9m, chân tường ngàm vào trong đất 0.38m. Hình 2.5. Mặt cắt của mô hình tường neo [19] Hình 2.6. Chuyển vị ngang và áp lực đất khi đào đến cao độ tầng neo đầu tiên [19] 36 Giai đoạn tường hẫng: Trong giai đoạn tường hẫng, đất được đào đến cao độ của tầng neo đầu tiên. Mô hình áp lực đất và chuyển vị của phần tường phía trên cao độ đào phù hợp với điều kiện áp lực đất chủ động (áp lực phân bố hình tam giác) (hình 2.6). Tường được ngàm cứng trong đất. Giai đoạn tạo ứng suất cho tầng neo phía trên: Có sự thay đổi áp lực ngang lớn khi truyền ứng suất cho neo (hình 2.7). Trong quá trình tạo ứng suất, cọc chống bị kéo vào trong đất sau tường, làm tăng áp lực ngang và có thể đạt được áp lực hoàn toàn bị động trong vùng đất lân cận vị trí neo. Khi tải trọng giảm về tải trọng cần truyền cho neo, thường từ 75-100% tải trọng thiết kế (DL), ứng suất giảm để lại biểu đồ áp lực có dạng hình bầu xung quanh neo (hình 2.7). Theo hình vẽ, áp lực này vượt quá áp lực đất chủ động. Hình 2.7. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi truyền lực cho neo [19]. Giai đoạn đào đất đến tầng neo bên dưới: Khi đào đất xuống khỏi cao độ của tầng neo bên trên, tường bị phình ra và phân bố lại áp lực đất tác dụng vào tường (hình 37 2.8). Áp lực đất giữa tầng neo bên trên và bề mặt đào sẽ giảm xuống và áp lực được phân bố lại cho những vị trí cứng hơn ở tầng neo bên trên và bề mặt cao độ đào làm cho áp lực đất trong các khu vực này tăng lên. Giai đoạn cuối cùng: Khi tạo ứng suất cho tầng neo phía dưới, chuyển vị của tường cũng tương tự như khi tạo ứng suất cho tầng neo phía trên (hình 2.9). Biểu đồ ứng suất hình bầu cũng xuất hiện ở vị trí neo phía dưới. Khi đào đất đến cao độ cuối cùng, xảy ra hiện tượng phình ngang của tường ở giữa lớp neo phía dưới và bề mặt cao độ đào. Hình 2.8. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi đào đất đến tầng neo bên dưới [19]. Đường bao áp lực đất có dạng hình thang trên hình 2.9 được gọi là đường bao áp lực đất biểu kiến và xấp xỉ về hình dạng và độ lớn của biểu đồ áp lực đất sau khi đào đất đến cao độ thiết kế. Đường bao áp lực đất hoàn toàn chủ động (hình tam giác) cho áp lực đất quá lớn ở gần cao độ đào, dẫn đến mômen uốn trong tường lớn, 38 chiều sâu chân tường ngàm trong đất lớn. Trong khi đó tải trọng neo, mômen uốn của tường tại các tầng neo phía trên sẽ thấp. Hình 2.9. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi đào đất đến cao độ thiết kế [19]. Đường bao biểu đồ áp lực đất biểu kiến ở hình 2.9 chỉ phù hợp với hệ thống tường mềm, được đặt trong đất tương đối tốt và có sự phân bố lại áp lực đất cho hệ chống đỡ. Mô hình áp lực đất và chuyển vị này không phù hợp cho trường hợp tường ngàm vào đất yếu có chuyển vị xoay lớn gần bề mặt đào, dẫn đến phát triển áp lực đất sau tường theo trạng thái áp lực đất chủ động. 2.2. Thiết kế tường neo 2.2.1. Tính toán áp lực đất 2.2.1.1. Tổng quan Phân bố áp lực đất tác dụng lên tường chắn phụ thuộc vào độ lớn và sự phân bố chuyển vị theo phương ngang của tường. Các tường hẫng không trọng lực tương đối mềm (tường cọc ván thép, tường gồm cọc chống và ván lát ngang không có neo) có thể chịu được chuyển vị ngang đủ lớn để gây ra áp lực đất chủ động trên toàn chiều 39 cao tường. Sử dụng lý thuyết biểu đồ áp lực đất chủ động của Rankine hoặc Coulomb để phân tích các dạng tường này. Với các dạng tường neo được xây dựng từ trên xuống dưới, mô hình biến dạng phức tạp hơn và không phù hợp với lý thuyết về phân bố áp lực đất của Rankine hoặc Coulomb [22]. Cường độ đất, độ cứng tường, góc nghiêng của neo, khoảng cách theo phương đứng các neo, ứng lực truyền cho neo ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình biến dạng của tường và hình thành áp lực đất tác dụng vào tường. 2.2.1.2. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck Đường bao biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck có dạng hình chữ nhật hoặc hình thang (hình 2.10). Các giá trị tung độ lớn nhất của biểu đồ thể hiện đường bao biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck dựa trên các thông số sau: · Giả sử chiều cao đào lớn hơn 6m. Chuyển vị tường được cho là đủ lớn để cường độ chịu cắt của đất được huy động tối đa; · Mực nước ngầm được giả sử thấp hơn cao độ đào đối với đất cát và đất sét. Không xét đến áp lực nước; · Đất được giả thiết là đồng nhất. Ứng xử của đất được coi là thoát nước cho đất cát và không thoát nước cho đất sét, chỉ xét đến tải trọng ngắn hạn; · Biểu đồ tải trọng trên chỉ áp dụng cho phần tường phía trên cao độ đào. Với đất sét, áp lực đất biểu kiến có liên quan chỉ số ổn định, Ns s u HN S g = (2.11) Với g (kN/m3) là trọng lượng đơn vị của đất sét, Su (kN/m3) cường độ chịu cắt không thoát nước trung bình của đất sét dưới cao độ đào, H(m) là chiều cao đào. 40 Hình 2.10(b) được sử dụng tương ứng với hệ số Ns có giá trị thấp và hình 2.10(c) được sử dụng tương ứng với hệ số Ns có giá trị cao. Hình 2.10. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck [22] 2.2.1.3. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến đề xuất cho đất cát Với đất cát, giá trị KA trên hình 2.10(a) tính theo công thức sau: 2 '(45 ) 2A K tan f= - (2.12) Giá trị áp lực đất lớn nhất là: 0.65 Ap K Hg= (2.13) Với f’ là góc ma sát có hiệu của đất cát. Đường bao biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho tuờng neo có 1 tầng neo và tường có nhiều tầng neo có dạng hình thang như hình 2.11. 41 Hình 2.11. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất cát. H1: Chiều cao từ mặt đất đến tầng neo thứ nhất (m). Hn+1: Chiều cao từ cao độ đào đến tầng neo thấp nhất (m). Thi: Tải trọng ngang của neo thứ i (kN). R: Lực kháng của đất dưới cao độ đào (kN). p: Tung độ lớn nhất của biểu đồ (kN/m2). TOTAL LOAD = 0.65KAgH2 2.2.1.4. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng H1: Chiều cao từ mặt đất đến tầng neo thứ nhất (m). Hn+1: Chiều cao từ cao độ đào đến tầng neo thấp nhất (m). Thi: Tải trọng ngang trong neo thứ i (kN). R: Lực kháng của đất dưới cao độ đào (kN). p: Tung độ lớn nhất của biểu đồ (kN/m2). TOTAL LOAD (kN/m tường) = 3H2÷6H2 42 Hình 2.12. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng. 2.2.1.5. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái mềm đến trung bình Tường neo tạm phục vụ thi công hay tường neo vĩnh cửu có thể được xây dựng trong đất trạng thái mềm đến trung bình (Ns>4) nếu chiều dài neo cần ngàm vào lớp đất chịu lực không quá lớn. Tường neo cố định ít được sử dụng khi đất dưới cao độ đào là đất sét yếu. Cho đất sét trạng thái mềm đến trung bình, biểu đồ áp lực đất của Terzaghi và Peck (hình 2.10(c)) được sử dụng để xác định biểu đồ áp lực đất biểu kiến dùng cho thiết kế tường neo tạm, với hệ số áp lực đất chủ động tính theo công thức (2.14) 41 uA SK m Hg = - (2.14) Với m là hệ số kinh nghiệm, khi chiều sâu đào nằm dưới lớp đất sét mềm và chỉ số Ns > 6 thì m = 0.4. Ngược lại, m lấy bằng 1. 43 2.2.1.6. Áp lực đất do tải trọng chất thêm Tải trọng phân bố đều: Tải trọng chất thêm là tải trọng thẳng đứng tác dụng trên bề mặt đất, chúng được giả thiết sẽ làm tăng đều áp lực theo phương ngang tác dụng trên toàn chiều cao tường. Giá trị tăng thêm này được xác định theo công thức (2.15). h sKqsD = (2.15) Với, qs: Áp lực do tải trọng chất thêm theo phương đứng tác dụng lên bề mặt đất. K: Hệ số áp lực đất tương ứng (chủ động, bị động, trạng thái nghỉ). Tải trọng tập trung, tải trọng đường, tải trọng mặt: Tải trọng tập trung là tải trọng theo phương đứng tác dụng lên bề mặt đất, trên diện tích nhỏ hơn so với tải trọng phân bố đều. Áp lực đất tăng thêm này thay đổi theo chiều sâu tường, không phải là hằng số như tải trọng chất thêm phân bố đều. Tải trọng này được tính toán dựa vào các công thức của lý thuyết đàn hồi [22]. Những tải trọng ngang được tính toán này phải cộng thêm vào khi tính toán đường bao áp lực đất. 2.2.2. Thiết kế neo trong đất Neo trong đất có nhiều ứng dụng trong ổn định tường chắn, ổn định mái dốc, chống sạt lở, neo kết cấu chống lực đẩy nổi. Phần này giới thiệu các bước thiết kế neo trong đất gồm: (1) xác định vị trí mặt trượt giới hạn, (2) tính toán tải trọng neo dựa vào biểu đồ đường bao áp lực đất biểu kiến, (3) thiết kế chiều dài đoạn neo không liên kết và liên kết, (4) chọn khoảng cách neo theo phương ngang và phương đứng, góc nghiêng của neo. 2.2.2.1. Xác định vị trí mặt trượt giới hạn Xác định vị trí mặt trượt giới hạn để không đặt đoạn chiều dài liên kết của neo vào “vùng không mang tải trọng”. “Vùng không mang tải trọng” được định nghĩa là 44 vùng đất giữa bề mặt trượt giới hạn và tường. Chiều dài đoạn neo không liên kết phải kéo dài hơn, qua khỏi mặt trượt giới hạn một đoạn là H/5 (m), với H là chiều cao tường, hoặc 1.5m sau bề mặt trượt giới hạn (hình 2.15). Khi tường được đặt trong đất rời, bề mặt trượt giới hạn có thể giả định bằng cách kéo dài một đường từ chiều sâu đào, hợp với phương ngang một góc (45o+f’/2). Các phân tích ổn định mái dốc có xét đến tải trọng chất thêm được sử dụng để xác định vị trí mặt trượt cho các loại đất [22]. 2.2.2.2. Tính toán tải trọng neo dựa vào biểu đồ áp lực đất biểu kiến Lực neo cho tường mềm được xác định từ đường bao áp lực đất biểu kiến. Các phương pháp thường sử dụng bao gồm phương pháp diện tích phụ thuộc (tributary area method) và phương pháp chốt (hinge method). Cả hai phương pháp trên đều dự đoán hợp lý tải trọng neo và mômen uốn trong tường neo xây dựng trong đất có khả năng chịu tải [22]. Tải trọng neo theo phương ngang được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp diện tích phụ thuộc hoặc phương pháp chốt, như minh họa ở hình 2.13 cho tường 1 tầng neo và hình 2.14 cho tường có nhiều tầng neo. Hình 2.13. Tính toán lực neo cho tường một tầng neo 45 T1 = Tải trọng trên chiều dài H1+H2/2 T1 Tính từ SMc=0 R = Tải trọng trên chiều dài H2/2 R = Tổng áp lực đất – T1 Hình 2.14. Tính toán lực neo cho tường có nhiều tầng neo T1 = Tải trọng trên chiều dài H1+H2/2 T1 Tính từ SMC=0 T2 = Tải trọng trên chiều cao H1/2+Hn/2 T2u=Áp lực đất lên (ABCGF) –T1 Tn = Tải trọng trên chiều cao Hn/2+Hn+1/2 T2L Tính từ SMD=0 R = Tải trọng trên chiều dài Hn+1/2 Tnu=Áp lực đất lên (CDIH) –T2L TnL Tính từ SME=0 R = Tổng áp lực đất – T1-T2-Tn T2 = T2u + T2L Tn = Tnu + TnL Giá trị lực được tính theo hình 2.13 và 2.14 là thành phần lực theo phương ngang của neo trên 1m rộng tường (Thi). Lực neo theo phương ngang được tính theo công thức (2.16) Th = This (2.16) Với s là khoảng cách giữa các neo liền kề. 46 Lực neo T, được sử dụng để tính toán chiều dài đoạn liên kết, được tính theo công thức (2.17). cos hTT q = (2.17) Với q là góc nghiêng của neo theo phương ngang. Thành phần lực đứng tổng cộng theo phương đứng được tính theo công thức (2.18). Tv = Tsinq (2.18) 2.2.2.3. Thiết kế đoạn chiều dài không liên kết Chiều dài không liên kết nhỏ nhất của neo trong đất là 4.5m cho neo bằng tao cáp dự ứng lực. Qui định giá trị chiều dài nhỏ nhất này nhằm giảm mất mát ứng suất trong quá trình truyền tải trọng vào kết cấu. Chiều dài đoạn không liên kết có thể dài hơn để thoả các yêu cầu: (1) đặt chiều dài đoạn neo 1 khoảng cách tối thiểu đến mặt trượt giới hạn, (2) đặt chiều dài đoạn liên kết vào tầng đất có khả năng mang tải, (3) đảm bảo sự ổn định tổng thể của hệ thống tường neo, (4) chịu được chuyển vị theo thời gian. Thông thường, chiều dài đoạn neo không liên kết có thể kéo dài một khoảng nhỏ nhất H/5 hoặc 1.5m (hình 2.15) về phía sau mặt trượt giới hạn để truyền tải trọng đến cột vữa phía trên đỉnh của vùng neo. 2.2.2.4. Thiết kế đoạn chiều dài liên kết Xác định khả năng truyền tải trọng của chiều dài đoạn liên kết được căn cứ vào các kinh nghiệm của các dự án trước, có xét đến phương pháp lắp đặt và phun vữa khác nhau [22]. Với một loại đất cho trước, khả năng mang tải thực đạt được phụ thuộc vào phương pháp khoan, đường kính lỗ khoan, phương pháp phun vữa và áp lực vữa phun, chiều dài vùng liên kết. Khả năng chịu tải của từng neo được xác định bằng các thí nghiệm trước khi được chấp nhận. Theo kinh nghiệm, các giá trị thiết kế được lấy như sau: · Tải trọng thiết kế từ 260 kN đến 1160 kN: Các qui định này giúp cho bó cáp và các thiết bị tạo ứng suất có thể di chuyển bằng nhân công mà không cần 47 sử dụng máy móc, thiết bị nâng chuyên dụng. Đường kính lỗ khoan thường nhỏ hơn 150mm. · Tổng chiều dài neo từ 9 đến 18m: Do các yêu cầu về điều kiện kỹ thuật hoặc yêu cầu về hình học, chiều dài một số neo cho tường có thể nhỏ hơn 9m. Chiều dài đoạn không liên kết tối thiểu là 4.5m. Chiều dài tối thiểu này nhằm giảm sự mất mát ứng suất không mong muốn trong suốt quá trình thử tải và mất mát do từ biến của cáp dự ứng lực. · Góc nghiêng của neo từ 10 đến 45 độ: Neo trong đất thường được lắp đặt với góc nghiêng từ 15 đến 35 độ mặc dù góc nghiêng từ 10 đến 45 độ có khả năng thi công được. Khi xác định góc nghiêng cần xem xét điều kiện chiều dài vùng liên kết phải ở phía sau mặt trượt giới hạn và ngàm vào trong lớp đất đá có khả năng chịu tải. Độ nghiêng lớn nhằm mục đích tránh các công trình tiện ích dưới đất, các móng của công trình liền kề, các điều kiện bắt buộc, hoặc tránh lớp đất yếu, khối đá. Neo được lắp đặt càng gần với phương ngang càng tốt nhằm giảm lực theo phương đứng tác dụng lên kết cấu tường. Tuy nhiên, việc phun vữa với góc nghiêng nhỏ hơn 10 độ, đòi hỏi phải có các kỹ thuật đặc biệt. Cho mục đích thiết kế sơ bộ neo trong đất, tải trọng cuối cùng truyền từ chiều dài đoạn neo liên kết vào đất, với loại neo đường kính nhỏ, có thể lấy theo bảng 2.1, dựa vào loại đất và chỉ số SPT. Tải trọng neo thiết kế lớn nhất cho phép trong đất được xác định bằng cách nhân chiều dài đoạn liên kết với tải trọng truyền cuối cùng và chia cho hệ số an toàn bằng 2.0. 2.2.2.5. Xác định khoảng cách các neo Mỗi neo được thiết kế để chịu tải trọng của phần diện tích xung quanh, dựa vào khoảng cách theo phương ngang và đứng giữa các neo. Kích thước, cường độ của neo, phương pháp khoan và phun vữa, đường kính và chiều dài lỗ khoan được lựa chọn để đảm bảo rằng neo có thể mang được tải trọng trong suốt thời gian khai thác. Khoảng cách theo phương ngang và phương đứng của các neo khác nhau và phụ 48 thuộc vào yêu cầu của từng dự án, có thể lựa chọn dựa vào các yếu tố sau: (1) đảm bảo độ cứng của kết cấu để chống lại chuyển vị ngang, (2) các kết cấu hiện hữu dưới mặt đất có thể ảnh hưởng đến vị trí và góc nghiêng của neo, (3) loại tường được lựa chọn để thiết kế. Bảng 2.1. Giá trị tải trọng cuối cùng truyền vào đất cho việc thiết kế sơ bộ neo trong đất đường kính nhỏ [22]. Loại đất Độ chặt tương đối (Chỉ số SPT)(*) Giá trị lực kháng của đất (kN/m) Cát và sỏi Yếu (4-10) Chặt vừa (11-30) Chặt (31-50) 145 220 290 Cát Yếu (4-10) Chặt vừa (11-30) Chặt (31-50) 100 145 190 Cát và bùn Yếu (4-10) Chặt vừa (11-30) Chặt (31-50) 70 100 130 Sét pha bùn lẫn cát mềm hoặc hỗn hợp bùn Cứng (10-20) Rất cứng (21-40) 30 60 (*): Chỉ số SPT hiệu chỉnh Vị trí theo phương đứng của tầng neo cao nhất được xác định dựa vào biến dạng cho phép của đoạn tường hẫng. Khoảng cách theo phương đứng của tầng neo thấp nhất được xác định sao cho tối thiểu hoá khả năng phát triển của áp lực đất bị động trong quá trình kiểm tra về tính năng và kiểm tra chống thấm. Khi thử tải, các neo vĩnh cữu thường được thí nghiệm với tải trọng đến 133% tải trọng thiết kế, dẫn đến sự dịch chuyển của tường vào trong lớp đất được giữ. Nếu tải trọng thiết kế cho neo thấp nhất lớn, cùng với tải trọng chất thêm, hoặc tường ngàm vào lớp đất yếu, áp lực bị động của đất có thể tăng trong suốt quá trình thử tải. Khi áp lực bị động tăng, tường sẽ có chuyển vị quá mức vào trong phần đất được giữ. Với hệ thống tường gồm cọc chống đứng và ván lát ngang có thể bị uốn và nứt quá mức cho phép. 49 Với neo trong đất được lắp đặt trong nền đất đá, khoảng cách tối thiểu từ tâm vùng liên kết đến mặt đất là 4.5m (hình 2.15a). Chiều sâu chôn này để tránh mất vữa khi phun vữa cho neo bằng áp lực và ngăn không cho xuất hiện hiện tượng trồi bề mặt do phun vữa với áp lực lớn. Khoảng cách lớn nhất theo phương ngang của neo được xác định dựa vào khả năng chịu tải cho phép của neo và khả năng chịu lực của kết cấu tường. Khoảng cách theo phương ngang của cọc chịu lực có thể lấy từ 1.5m đến 3.0m với cọc đóng và trên 3.0m với cọc đổ tại chổ. Khoảng cách tối thiểu theo phương ngang giữa các neo là 1.2m (hình 2.15b) để đảm bảo rằng ảnh hưởng của nhóm neo giữa các neo gần kề là nhỏ nhất do sai số trong quá trình khoan. Ảnh hưởng của nhóm neo làm giảm khả năng mang tải của từng neo riêng biệt [22]. Hình 2.15. Khoảng cách yêu cầu của neo theo phương đứng và phương ngang [22]. 2.2.3. Các phương pháp tính toán tường neo Theo Strom and Ebeling (2001) [30], có bốn phương pháp chung để tính toán, phân tích tường neo, bao gồm: 1. Phương pháp RIGID (Dầm tựa trên gối cứng); 2. Phương pháp WINKLER (Dầm tựa trên gối đàn hồi); 50 3. Phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính; 4. Phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến. 2.2.3.1. Phương pháp RIGID Tường neo được giả sử như 1 phần tử đàn hồi liên tục (EI là hằng số) trên các gối đỡ cố định tại các vị trí neo trong đất. Áp lực đất được xác định trước và không phụ thuộc vào chuyển vị của tường. Vì vậy, phương pháp RIGID không xét sự phân bố lại áp lực đất do chuyển vị của tường. Tải trọng đất tác dụng vào tường có thể theo biểu đồ hình thang (biểu đồ áp lực đất biểu kiến) hoặc phân bố theo biểu đồ hình tam giác thông thường. Đất nền phía trước tường được giả thiết tác dụng lên tường