Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đất nền đường đến ổn định nội bộ tường chắn đất sử dụng cốt cứng

PGS. TS. Châu Trường Linh KS. Trần Hoàng Sơn KS. Hồ Ngọc Thành Trung KS. Nguyễn Thanh Ninh Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Người phản biện: GS. TS. Nguyễn Thế Hùng GS. TS. Nguyễn Văn 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 Việt Nam hiện nay vẫn còn hạn chế trong nghiên cứu về sự suy giảm khả năng làm việc của tường chắn có cốt do độ ẩm của đất đắp thay đổi. 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 độ ẩm 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, cốt thép, giao diện đất - cốt, độ ẩm.

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 soil moisture change. This paper presents some results on stress - strain state, ultimate load of MSE wall in cases of soil moisture change, 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 wall, physical model, numerical model, steel reinforcement, soil-reinforcement interaction, mointure.

1. Đặt vấn đề

1.1. Giới thiệu

Tường chắn đất có cốt (tường MSE) đã được ứng dụng 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 rất 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 địa phương. Sự chuyển ứng suất pháp thành lực kéo trong cốt lớn hay bé phụ thuộc rất nhiều vào tương tác giữa đất và cốt. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến giao diện đất - cốt. Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả giới thiệu nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đất nền đường, dự kiến là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng lớn đến tương tác đất - cốt, sự biến đổi lực kéo trong cốt.

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 thiết 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 cốtđược gọi là hệ số ma sát biểu kiến, ký hiệu f*.

Theo [1], hệ số f* thường thay đổi trong phạm vi 0.4÷1.5 hoặc được tính tùy thuộc vào chiều sâu của lớp cốt, theo [3], [6] hệ số ma sát biểu kiến giữa đất và cốt f*được tính như sau:

f^* = f_o*(1 - z/z_o)+(z/z_o) tanj trường hợp z < zo  = 6m

f*= tanj trường hợp  z > zo = 6m

Hình 1.1

 

Biểu đồ f* ứng với chiều sâu cốt theo SETRA 1979

Trong đó:

f_o^* - Hệ số ma sát đơn vị giữa đất và cốt;

f_o* = 1,2 + log₁₀(C_u);

C_u - Hệ số không đồng đều của đất đắp;

z - Độ sâu của lớp cốt tính từ đỉnh tường chắn.

Tuy nhiên, vì trong quá trình biến dạng khi chịu cắt trượt, đất dạng hạt có thể bị xốp nở, do ứng suất pháp hữu hiệu tác dụng trên bề mặt cốt sẽ biến đổi tùy theo tác dụng tương hổ giữa đất với cốt. Vì vậy, thường phải sử dụng hệ số ma sát xác định được bằng thí nghiệm.

 

 

 

 Trong đó:

L - Chiều dài cốt;

F - Lực kéo trong cốt;

b - Chiều rộng 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.p.d;

Áp lực thẳng đứng phân bố đều σ_v = P/(0,75x1,1);

Lực kéo trong cốt F=(ε.E).F_cốt.

Từ các biến dạng ε đo được trong cốt thông qua cảm biến biến dạng (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 thực nghiệm tương ứng với các trường hợp độ ẩm thay đổi

Để thực hiện công việc nghiên cứu và xác định tải trọng giới hạn, ứng suất biến dạng của tường chắn, nhóm tác giả đã tiến hành xây dựng mô hìnhtrong phòng thí nghiệm.

Hình 2.1: Mô hình thử nghiệm tường chắn đất có cốt

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 110)cm. Lắp đặt khung thép bên ngoài để làm đối trọng trong quá trình gia tải bằng hệ kích thủy lực [9].

Mô hình sử dụng đất đắp là cát hạt lớn, được sàng qua sàn 2,5mm và trên sàng 0,63mm, các chỉ tiêu cơ lý được lấy từ thí nghiệm như sau: Dung trọng khô lớn nhất 1,63g/cm³, độ ẩm tốt nhất 8,90 %, độ chặt yêu cầu 95%.

Cốt được sử dụng là cốt có gờ 10theo [7, 8]; mô-đunđàn hồi E = 210000Mpa; bố trí 3 cốt song song liên kết với một tấm panel tường kích thước (75 x 75 x 4)cm bằng vật liệu gỗ cứng.

Hình 2.2: Cấu tạo tường và cốt

Trình tự xây dựng mô hình như sau: Tiến hành đắp lần lượt các lớp đất. Với chiều dày sau khi đầm chặt là 12,5cm. Lắp đặt cốt thép sau khi đầm xong lớp thứ 3 (37,5cm). Liên kết cốt cố định với tường chắn bằng 3 bu-lông. Tiến hành lắp đặt các cặp cảm biến (strain gages) đo biến dạng trong cốt và đất tại các vị trí định sẵn,cách nhau khoảng 10 - 15cm. Đắp các lớp đất tiếp theo đến cao độ hoàn thiện. Lắp đặt 3 (Transducer) đo chuyển vị tường ở 3 vị trí chân, tim và đỉnh tường; tiếp tục 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. Sự thay đổi ứng suất trong cốt thép ứng với các độ ẩm thay đổi

Sau khi tiến hành xây dựng các mô hình với các độ ẩm khác nhau.

Thay đổi từ độ ẩm 5% đến 20% và phân tích các kết quả đo được.

Hình 2.4: Biến dạng cốt lớn nhất tại vị trí cách tường 20cm ứng với các cấp độ ẩm

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 biến dạng trong đất và cốt

Hình 2.5: Biểu đồ biến dạng của đất và cốt

Dựa vào biểu đồ Hình 2.5, nhận thấy khi độ ẩm nền đường tăng dần thì biến dạng của cốt giảm dần trong khi biến dạng của đất lại tăng lên. Theo đó, ứng suất trong đất tăng lên trong khi ứng suất kéo trong cốt giảm dần. Do vậy, khả năng huy động lực kéo trong cốt thép trong trường hợp này cũng giảm dần. Từ đây, có thể thấy sự làm việc tương hổ của đất và cốt giảm tức ma sát tại giao diện giữa đất và cốt giảm khi độ ẩm tăng.

2.2.3. Sự thay đổi ma sát giữa đất và cốt

Hình 2.6: Hệ số ma sát với từng độ ẩm

 

Dựa vào biểu đồ Hình 2.6, ta có thể thấy hệ số ma sát giảm dần khi độ ẩm tăng dần. Với độ ẩm càng cao, thì khả năng làm việc của cốt càng kém hiệu quả. Qua đó, ta có thể phân tích lựa chọn độ ẩm thích hợp nhất để mang lại hiệu quả tốt nhất cho sự làm việc của tường chắn đất.

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 như mô hình thực nghiệm nhằm kiểm chứng độ chính xác các số liệu quan trắc được trên mô hình thực nghiệm. 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 lực kéo trong cốt. So sánh các giá trị này với mô hình thực nghiệm và đưa ra các nhận xét, đánh giá.

Hình 2.7: Xây dựng mô hình trên phần mềm FLAC 2D

 

2.4. Kết quả trên mô hình thực nghiệm và mô hình số

Diễn biến biến dạng, ứng suất của cốt

Trên mô hình thực nghiệm, ta có thể quan sát được sự chuyển vị của tường, khối đất sau tường cũng như diễn biến ứng suất, sự thay đổi ma sát trong cốt trước và sau khi tải trọng tác dụng.

a) - Biểu đồ lực kéo thực tế của cốt tại các cảm biến                                  b) - Biểu đồ lực kéo của cốt trên mô hình Flac 2D

Hình 2.8: Mô tả quan hệ lực kéo trong cốt tương ứng với độ ẩm 7% giữa 2 mô hình

Từ Hình 2.8 nhận xét rằng, lực kéo thực tế của cốt và lực kéo khi dùng phần mềm FLAC 2D là tương đương với nhau. Tại các vị trí gần tường có lực kéo lớn nhất và giảm dần tại các vị trí còn lại. Nguyên nhân là tại các vị trí gần tấm panel hơn khi có áp lực của tải trọng, khối đất sẽ có xu hướng bị đẩy ra ngoài tấm panel làm tăng lực kéo của cốt thép tại các vị trí gần tường lên.

Hình 2.9.a: Biểu đồ thay đổi hệ số ma sát qua độ ẩm

 

Hình 2.9.b: Ma sát - áp lực ở độ ẩm (W = W0 = 8.9%)

 

Hình 2.9.a thể hiện sự thay đổi của hệ số ma sát giữa đất và cốt khi độ ẩm tăng dần. Khi độ ẩm tăng thì ma sát giữa đất và cốt tại cùng giao diện sẽ giảm làm cốt dễ bị kéo tuột gây mất ổn định nội bộ.

Hình 2.9.b thể hiện mối quan hệ giữa hệ số ma sát và các cấp áp lực. Hệ số ma sát giữa đất và cốt tại cùng giao diện sẽ giảm khi áp lực tải trọng tăng.

3. Kết luận - kiến nghị

- 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 khi độ ẩm của đất sau lưng tường tăng; đây cũng là cơ sở cho các nhà tư vấn thiết kế, thi công, quản lý khai thác tham khảo đảm bảo tường MSE đạt chất lượng cao hơn về cường độ, độ bền vững;

- Dựa vào các thí nghiệm và các biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và hệ số ma sát của đất ta thấy, khi độ ẩm đất tăng lên sẽ làm sức cản bị động của đất giảm, ma sát giữa các hạt đất giảm dẫn đến ma sát giữa đất và cốt cũng giảm theo làm giảm khả năng huy động cốt cùng tham gia chịu lực;

- Dựa vào sự suy giảm khả năng chịu tải, diễn biến ứng suất, biến dạng khi sự thay đổi độ ẩm của đất ta có thể xây dựng mối quan hệ sự làm việc của đất và cốt ứng với các cấp áp lực bất kỳ của công trình;

- Các kết quả về biến dạng, chuyển vị, tải trọng giới hạn còn lại được đánh giá rất quan trọng. Theo kết quả tính toán từ mô hình vật lý khi độ ẩm nền đường tăng 86% so với độ ẩm tốt nhất (W₀) thì: Biến dạng trong đất tăng 58% trong khi đó biến dạng của cốt giảm đi 168% so với giá trị tương ứng tại độ ẩm ban đầu tại W₀. Ngược lại, khi độ ẩm nền đường giảm 33% so với độ ẩm tốt nhất (W₀) thì: Biến dạng trong đất giảm 57% trong khi đó biến dạng trong cốt tăng 61% so với giá trị tương ứng tại độ ẩm ban đầu W₀;

- Trong quá trình khai thác nên lập kế hoạch theo dõi định kỳ bao gồm: Quan trắc chuyển vị tường, trích xuất mẫu đất để kiểm tra độ ẩm, 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 hiệnvượt mức cho phép.

Tài liệu tham khảo

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

[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]. Chau, T.L., Bourgeois, E., Corfdir, A. (2012), Finite element analysis of the effect of corrosion on the behavior of reinforced walls, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics 36 (15), 1741-1756.

[4]. Tiêu chuẩn Anh BS 8006:1995: Tiêu chuẩn thực hành đất và các vật liệu đắp khác có cốt, NXB. Xây dựng (bản dịch).

[5]. Tiêu chuẩn ngành 22TCN 272-2005.

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

[7]. Châu Trường Linh, Phạm Văn Lim (2015), Nghiên cứu sử dụng vật liệu đất đắp cho tường chắn đất có cốt trên địa bàn TP. Đà Nẵng. Tạp chí GTVT (ISSN 2354-0818), số 6/2015, trang 55-56/66.

[8]. Phạm Văn Lim, Châu Trường Linh (2014), Nghiên cứu ứng xử và tuổi thọ của tường chắn đất có cốt qua các kịch bản ăn mòn cốt thép, Tạp chí GTVT (ISSN 2354-0818), số 12/2014, trang 36-39.

[9]. Truong-Linh CHAU, Trinh-Khiem TRAN (2015),Real failures and research on the state of stress, strain state and ultimate load of mechanically stabilized earth wall which has been considered the reinforced metal corrosion based on the experiment model and computational model, The 3rd International Conference CIGOS-Paris 2015: Innovations In Construction. No: ISBN 978-2-7466-7235-2, 11-12/5/2015. Pages: pp.43-51.