Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại cấp phối thiên nhiên đến tương tác đất - cốt trong tường chắn đất có cốt với cốt tự chế tạo đã xét đến tuổi thọ do ăn mòn

Ths. Lê Hồng Long PGS. TS. Châu Trường Linh Trường Ðại học Bách khoa (Ðại Học Ðà Nẵng) Người phản biện: TS. Nguyễn Việt Hùng GS. TS. Vũ Đình Phụng

TÓM TẮT: Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật nói chung, sự tiến bộ trong lĩnh vực xây dựng nói riêng, công nghệ thi công tường chắn đất có cốt ngày càng được quan tâm hơn trong lĩnh vực đầu tư xây dựng công trình như một giải pháp hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật - thẩm mỹ. Ở Viêt Nam hiện nay vẫn còn hạn chế những nghiên cứu về sự suy giảm khả năng làm việc của tường chắn có cốt do thành phần cấp phối của vật liệu đắp. Bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu về trạng thái ứng suất, biến dạng, chuyển vị của tường chắn trong các trường hợp thành phần cấp phối khác nhau của đất nền đường dựa trên mô hình thí nghiệm và trên mô hình số. Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở tham khảo cho các đơn vị thiết kế, thi công, quản lý khai thác đề xuất các giải pháp nhằm khai thác tối đa khả năng làm việc của vật liệu, tăng cường ổn định của tường chắn trong quá trình khai thác.

TỪ KHÓA: Tường MSE, mô hình vật lý, mô hình số, cường độ chịu kéo, cốt.

ABSTRACT: Along with the development of science and technology in general, the progress in the construction field in particular, the technology of mechanically stabilized earth wall (MSE wall) has been more and more attention in the field of construction investment as a effective solution for economic - technical - aesthetic . Now, in Viet Nam, there is little research on decline in service ability of MSE-W due to cases of the composition of the ground graded path. This paper presents some results on stress - strain state, ultimate load of MSE wall in cases of the composition of the natural subgrade, based on reduced and computational model. The research results can used as a fundamental reference for design, construction or management companies to propose solutions to maximize work capacity of the material, enhance the stability of MSE wall during the service life.

KEYWORDS: MSE walls, physical model, model number, tensile strength, core.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. Giới thiệu

Tường chắn đất có cốt (MSE) đã được ứng dụng rất phổ biến trong xây dựng các công trình tường chắn với mái dốc thẳng đứng và các đường đắp cao với nhiều ưu điểm nổi bật như: Tuổi thọ cao, giá thành rẻ và đáp ứng tốt đối với tải trọng động và lún không đều khi công trình được xây dựng trên nền đất yếu. Cốt gia cố đất thường được làm bằng lưới địa kỹ thuật hoặc cốt thép. Hiện nay, các loại lưới địa kỹ thuật dùng cho tường chắn có cốt đều phải nhập ngoại với giá thành rất cao, làm tăng giá trị xây lắp của công trình. Chính vì vậy, việc sử dụng cốt thép xây dựng phổ biến trên thị trường vừa tiết kiệm chi phí xây lắp, vừa tận dụng năng lực sản xuất của các doanh nghiệp trong nước. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc tương tác giữa đất và cốt và thành phần cấp phối của đất là yếu tố quan trọng quyết định. Do đó, việc phân tích ảnh hưởng của thành phần cấp phối thiên nhiên đến ổn định nội bộ tường chắn có cốt mang tính thiết thực, có ý nghĩa quan trọng.

1.2. Cơ sở lý thuyết tính toán ma sát đất - cốt

Vai trò của cốt chính là nhằm tạo ra áp lực hông ngay từ bên trong khối đất có bố trí cốt. Điều này cũng tương đương với việc tạo ra được lực dính c lớn hơn bên trong khối đất.

Khi khối đất chịu nén theo phương thẳng đứng, nếu không có cốt đất sẽ bị phá hoại vì nở hông tự do. Nhưng khi có bố trí cốt và giả thiết giữa đất và cốt có đủ sức neo bám cần thiến thì khi chịu nén, đất và cốt sẽ cùng tham gia chịu lực. Do đó, khối đất bị xem như chịu nén 3 trục có hạn chế nở hông với trị số áp lực hông chính là do cốt tác dụng vào đất thông qua lực ma sát giữa đất và cốt được ký hiệu là µ (µ*) hay f (f*).

Hệ số ma sát µ giữa bề mặt vật liệu xây dựng với cát và đất bụi thường bằng (0,5 - 0,6) lần hệ hố nội ma sát của bản thân loại đất đó, hay hệ số ma sát giữa đất và cốt (f*) được tính như sau:

 

f* = fo*(1-z/zo)+(z/zo)tan`phi`     trường hợp z < zo = 6m

f* = tan`phi`                                       trường hợp z > zo = 6m

 

 

 

 

 

 

Trong đó:

L - Chiều dài cốt;

F - Lực kéo trong cốt;

b - Chiều rộng quy đổi bề mặt tiếp xúc với đất;

σ_v - Áp lực thẳng đứng phân bố đều.

Áp dụng vào thực tế của đề tài:

Chiều dài cốt L = 1,10m;

Chiều rộng quy đổi bề mặt tiếp xúc với đất b = 3*pi()*d;

Áp lực thẳng đứng phân bố đều σv = P/(0,75 * 1,1);

Lực kéo trong cốt F = (ε*E)*F_cốt.

Từ các biến dạng ε đo được trong cốt thông qua Strain Gages ứng với từng mẫu độ ẩm khác nhau, ta lập nên mối quan hệ giữa độ ẩm và ma sát f*. Đây chính là hệ số đặc trưng cho sự tương tác tại giao diện giữa đất và cốt khi độ ẩm nền đường thay đổi.

2. NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

2.1. Xây dựng mô hình rút gọn tương ứng với các trường thành phần cấp phối khác nhau

Đề tài đề xuất xây dựng mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm với tỉ lệ 1/1 cho đúng với kích thước thật của công trình. Ta thấy, đối với các tấm bê tông cốt thép lắp ghép thường được bố trí bởi 2 lớp cốt với kích thước 1,5 x 1,5m, tuy nhiên trong phạm vi mô hình trong phòng thí nghiệm ta chỉ xét với 1 lớp cốt nằm giữa 2 lớp đất, mỗi lớp dày 37,5cm, nghĩa là chỉ xét với 1/2 tấm tường bê tông cốt thép làm vỏ mặt tường cao 0,75 m.

Hộp mô hình được chế tạo với kích thước (dài x rộng x cao) = (150 x 75 x 75)cm, trong đó khối đất sau lưng tường được mô phỏng với kích thước (75 x 75 x 120)cm. Lắp đặt khung thép bên ngoài để làm đối trọng trong quá trình gia tải bằng hệ kích thủy lực.

Mô hình sử dụng đất đắp là vật liệu cấp phối thiên nhiên trên địa bàn TP. Đà Nẵng.

Cốt được sử dụng là cốt thép CT5∅10 mô-đun đàn hồi E = 210.000Mpa, bao gồm 3 thanh cốt dọc song cách nhau 30cm, 3 thanh cốt ngang cách nhau 40cm, tại các vị trí giao nhau của cốt bố trí ngạnh thép CT5∅10 các thanh cốt dọc liên kết với một tấm gỗ cứng kích thước (75 x 75 x 5)cm giả định làm tường chắn.

 

Trình tự xây dựng mô hình như sau:

1. Lấy các mẫu đất tại các mỏ đất ở Đà Nẵng

2. Thí nghiệm các chi tiêu cơ lý của đất

3. Chế bị đất đắp đạt W0

4. Đắp đất từng lớp, mỗi lớp đất sau khi đầm chặt là 12,5cm

5. Lắp đặt cốt thép (đã lắp straingase tại các vị trí như Hình 2.2b) sau khi đầm xong lớp thứ 3 (37,5cm)

6. Liên kết chắt cốt vào tấm tường chắn bằng bu-lông

7. Đắp tiếp các lớp đất đắp phía trên cốt đạt đến đỉnh tường chắn

8. Lắp đặt 3 (Transducer) đo chuyển vị tường ở 3 vị trí chân, tim và đỉnh tường

9. Tiếp tục là lắp đặt hệ thống kích thủy lực và tiến hành gia tải 4,5Kg/s và quan sát kết quả biến dạng chuyển vị.

Hình 2.3: Quá trình xây dựng mô hình thực nghiệm

2.2. Các kết quả đạt được trên mô hình thực nghiệm

2.2.1. Chuyển vị của tường ứng với đất đắp từ các mỏ khác nhau

Tiến hành thí nghiệm với 4 mỏ đất trên địa bàn TP. Đà Nẵng:

Từ kết quả cho thấy, biến dạng của cốt giảm dần khi độ ẩm của đất tăng dần. Tại cùng một vị trí với cùng cấp tải trọng thì xu hướng sự làm việc của cốt bị giảm dần.

2.2.2. Sự thay đổi lực kéo trong cốt

Hình 2.5: Biểu đồ lực kéo trong cốt

Hình 2.6: Biểu đồ phân bố lucwk kéo trong cốt của Chau (2010)

Dựa vào biếu đồ Hình 2.5, ta có thể thấy có sự phân bố lực kéo trong cốt ở các vị trí khác nhau, đạt cực đại ở vị trí 20cm và giảm dần về sau cùng, có các bước nhảy trong phân bố lực kéo trong cốt tại vị trí bố trí ngạnh tương ứng với khoảng cách đến tường là 20cm và 60cm. Nguyên nhân chính là do sự bố trí của ngạnh tăng cường ở hai vị trí đó nhằm tăng ma sát, khả năng neo bám của cốt.

So sánh kết quả với nghiên cứu của Chau (2010) ở Hình 2.6 cho thấy có sự tương đồng ở phân bố lực kéo trong cốt.

2.2.3. Sự thay đổi ma sát giữa đất và cố

Hình 2.7: So sánh hệ số ma sát giữa các mỏ đất

Hình 2.8: Sự thay đổi hệ số ma sát theo SETTRA (1979)

 

Dựa vào biếu đồ Hình 2.7, ta có thể thấy hệ số ma sát giảm dần khi cấp áp lực tăng dần.

Từ Hình 2.7 và Hình 2.8 ta thấy có sự tương đồng về ma sát ứng với cốt có gờ.

2.2.4. Kết quả phân tích thành phần hạt của đất

Mỏ đất	Lưỡi mèo	Hòa Ninh	Hòa Nhơn	Hòa Sơn
Lượng sót RB trên sàng 0,074 (%)	13,11	16,01	13,38	13,27
Lượng sót TL trên sàng 0,074  (%)	91,21	91,46	87,73	90,93
Lượng lọt qua sàng 0,074	8,79	8,54	12,27	9,07

Nhận xét: Từ các kết quả thu được từ mô hình vật lý kết hợp với kết quả phân tích thành phần hạt tại các mỏ đất, cho thấy với loại cấp phối có lượng lọt qua sàng 0,074mm càng nhỏ thì hệ số ma sát giữa đất và cốt là càng lớn. Nói cách khác, thành phần cấp phối có ảnh hưởng đến sự tương tác giữa đất và cốt trong tường chắn có cốt.

2.3. Xây dựng mô hình số trên phần mềm FLAC 2D

Song song với việc xây dựng mô hình thực nghiệm, tiến hành mô phỏng mô hình trên phần mềm Flac 2D với cùng kích thước hình học và các chỉ tiêu cơ lý, đặc trưng vật liệu của thành phần cấp phối mỏ Hòa Ninh như mô hình thực nghiệm nhằm kiểm chứng độ chính xác các số liệu quan trắc được trên mô hình rút gọn, sau đó xuất ra các giá trị về ứng suất, biến dạng chuyển vị của khối đất và vỏ tường, biểu đồ phân bố lực kéo trong cốt, đem so sánh các giá trị này với mô hình thực nghiệm và đưa ra các nhận xét, đánh giá.

Hình 2.9: Xây dựng mô hình trên phần mềm FLAC

2.4. Kết quả trên mô hình số và so sánh với mô hình thực nghiệm

Hình 2.10: Từ phân tích trên ta thấy kết quả trên mô hình thực nghiệm khá chính xác

 

3. KẾT LUẬN

- Thông qua kết quả thí nghiệm từ các mô hình vật lý, xác định được lực kéo trong cốt, ứng suất - biến dạng của vỏ tường sau khi xây dựng, quan sát một cách trực quan quá trình thay đổi ứng suất, biến dạng của tường, thấy được cơ chế làm việc của tường chắn, từ đó đề xuất các biện pháp tăng cường tính ổn định, bền vững cho tường MSE. Cụ thể, nghiên cứu được sự suy giảm lực kéo lớn nhất trong cốt làm cho cốt không phát huy hết khả năng chịu kéo; suy giảm sức neo bám giữa cốt và đất làm cho cốt dễ bị kéo tuột dẫn đến tình trạng cốt chưa đứt nhưng công trình đã bị phá hoại khi thành phần cấp phối thay đổi; đánh giá đây là hướng đi mới mà các tác giả khác chưa chú ý tới, đây cũng là cơ sở cho các nhà tư vấn thiết kế, thi công, quản lý khai thác để tường chắn đạt chất lượng cao hơn về cường độ, độ bền vững.

- Các kết quả về biến dạng, chuyển vị, tải trọng giới hạn còn lại được đánh giá rất quan trọng. Trong quá trình khai thác nên lập kế hoạch theo dõi định kỳ bao gồm: Quan trắc chuyển vị tường, trích xuất mẫu đất đắp sau lưng tường để kiểm tra độ ẩm, đánh giá tình trạng mặt đường, hệ thống thoát nước mặt… để có những ứng xử kịp thời khắc phục nếu có các biểu hiện vượt mức cho phép.

- Dựa vào các thí nghiệm và các biểu đồ quan hệ giữa thành phần cấp phối của các mỏ với hệ số ma sát có thể thấy thành phần cấp phối có ý nghĩa quan trọng trong việc tạo ra tương tác ma sát giữa cốt và đất.

- Từ những kết quả đạt được đó có thể đề xuất biện pháp cải thiện đất bằng cách thay đổi thành phần cấp phối, để tương tác ma sát giữa giao diện đất - cốt là tốt nhất.

- Các kết quả về biến dạng, chuyển vị, tải trọng giới hạn còn lại được đánh giá rất quan trọng. Trong quá trình khai thác nên lập kế hoạch theo dõi định kỳ bao gồm: Quan trắc chuyển vị tường, trích xuất mẫu cốt để kiểm tra tốc độ ăn mòn, đánh giá tình trạng mặt đường, hệ thống thoát nước mặt… để có những ứng xử kịp thời khắc phục nếu có các biểu hiện vượt mức cho phép.

Tài liệu tham khảo

[1]. GS. TS. Dương Ngọc Hải (2012), Thiết kế và thi công tường chắn đất có cốt, NXB. Xây dựng, Hà Nội.

[2]. LCPC, ed. (2003), Guide technique - Recommandations pour l’inspection détaillée, le suivi et le diagnostic des ouvrages de soutènement en remblai renforcé par des éléments métalliques, p. 102,  LCPC.

[3]. Truong Linh Chau, Effet de la corrosion des armatures sur le comportement des murs en remblai renforcé par des éléments métalliques.

[4]. Tiêu chuẩn Anh BS 8006:1995 (2013), Tiêu chuẩn thực hành đất và các vật liệu đắp khác có cố, NXB. Xây dựng, Hà Nội.

[5]. Tiêu chuẩn Ngành 22TCN 272-2005.

[6]. Les ouvrages en terre armesee, recommendation et refgles de I’art, P.54, 58, 72.

[7]. Bài báo của TS. Châu Trường Linh.