Chương 3 TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CHẮN GIỮ

Chương 3
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 có thể chia làm 3 loại:
1) Tải trọng thường xuyên (cố định): là tải trọng mà trong thời gian sử dụng kết cấu không
biến đổi trị số, hoặc biến đổi của chúng so với trị số bình quân có thể bỏ qua không tính.
Ví dụ như trọng lượng bản thân kết cấu, áp lực của đất v.v… (thường xuyên tác dụng
khi xây dựng và khai thác)
2) Tải trọng thay đổi (tải trọng tạm thời): là tải trọng mà trong thời gian sử dụng kết cấu có
thể biến đổi trị số mà trị số biến đổi của chúng so với trị số bình quân không thể bỏ qua
được. Ví dụ tải trọng động mặt sàn, ôtô, cần trục hoặc tải trọng xếp đống vật liệu v.v…
3) Tải trọng đặc biệt: là tải trọng mà trong thời gian xây dựng và sử dụng kết cấu không
nhất định xuất hiện, nhưng hễ xuất hiện thì trị số rất lớn và thời gian duy 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 của công trình xây dựng trong phạm vi
vùng ảnh hưởng ( ở gần hố móng).


4) Tải trọng thi công: ô tô, cần cNu, vật liệu xếp trên hiện trường, lực neo giữ tường chắn
v.v…
5) Nếu bộ phận chắn giữ là một phần của kết cấu chính thì phải kể lực động đất.
6) Các tải trọng tập trung do neo đất hoặc thanh văng.
7) Tải trọng phụ do sự biến đổi nhiệt độ và co ngót của bê tông gây ra.
Tuỳ theo kết cấu chắn giữ hố móng khác nhau cũng như điều kiện đất nền mà các loại tải
trọng sẽ xuất hiện ở các dạng khác nhau.
Tải trọng cục bộ gần hố đào như máy móc thi công, hay đường vận chuyển v.v… và có thể
quy đổi thành 2 dạng ( hình 3.1).

- Tải trọng tập trung (hình 3.1a) Q (kN) tác động lên tường trong phạm vi (2A+L) mét.


- Tải trọng tương đương ở phía trên 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 bộ truyền qua đất
(1) Tải trọng tập chung tại 1 điểm:
- Áp lực ngang do tải trọng tập trung Q gây ra có thể xác định theo lý thuyết đàn hồi:
Lời giải của Boussinesq (hình 3.2) là:
1 − 2 μ ) cos 2θ ⎞
(
Q ⎛
2
3
σh = σr =
3sin θ cos θ −
⎟
2 ⎜
2π z ⎝
1 + cosθ ⎠

(3.1)

Nếu cho r = x, và đặt x = mH và z = nH, lấy hệ số poisson μ = 0,5 thì công thức trên có

thể viết lại :

3Q
m2 n
σh =
2π H 2 ( m 2 + n 2 )5/2

(3.2)


Khi tính áp lực hướng ngang của tường cứng, có thể hiệu chỉnh lại công thức của lý
thuyết trên theo trị thực đo. Căn cứ vào nghiên cứu của Spangler (hình 3.3), áp lực ngang lên
tường chắn cứng do tải trọng tập trung gây ra :


2
⎛ Q ⎞ 1, 77 m n
σh ⎜ 2 ⎟ =
3
⎝ H ⎠ ( m2 + n2 )

⎛ H2 ⎞
0, 28n 2
σh ⎜
⎟=
3
⎝ Q ⎠ ( 0,16 + n 2 )

(m > 0,4)

(m

σ h' = σ h cos 2 (1,1α )
(3.5)
(2) Tải trọng phân bố tuyến: Đối với áp lực ngang
do tải trọng tuyến q (hình 3.4) gây ra khi giải theo
Boussinesq, đồng thời dùng tỷ số nói trên m, n ta được:

2q
m2 n
σh =
π H ( m 2 + n 2 )2
(3.6)
Căn cứ vào kết quả thực đo, trị thực đo lớn vào
khoảng gấp đôi trị lý thuyết nói trên, sau khi hiệu chỉnh
lại là:

≤

0,4)

(3.3)

(3.4)


⎛H
σh ⎜
⎝q

⎞ 1, 28m 2 n
⎟= 2
2
⎠ ( m + n2 )

(m > 4)

(3.7)

Tổng hợp lực :
PH =

0, 64q
( m2 + 1)

⎛H
⎝q

σh ⎜
Tổng hợp lực :

⎞
0, 203n
=
⎟
2
⎠ ( 0,16 + n 2 )

PH = 0,55q

(3.8)

(m ≤ 0,4)

(3.9)
(3.10)

Có thể dùng biểu đồ trình bày trên hình 3.5 để tính σ h cho 2 trường hợp trên.
Ví dụ 3.1 : Hố đào sâu H = 10m, một cần trục tháp mang tải 200 kN chạy trên đường ray
cách mép hố đào 2m, hãy tính áp lực trên tường tại độ sâu 3m dưới mặt đất.

x
2
m
=
=
= 0, 2 < 0, 4 ,
Giải : x = 2m,
H 10
n=

Z
3
=
= 0,3 ,
H 10

Theo công thức (3.9), (3.10) :

⎛H
⎝q

σh ⎜

⎞
0, 203n
⎟=
2 và PH = 0,55q ,
⎠ ( 0,16 + n 2 )

0, 203.0,3
⎛ 10 ⎞
=
= 0,96
⎟
2
⎝ 200 ⎠ ( 0,16 + 0,32 )

σh ⎜

và σ h = 20.0,96 = 19, 2 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, thì m = 5/10 = 0,5 > 0,4.
Dùng công thức (3.7):
⎛H
σh ⎜
⎝q

⎞ 1, 28m 2 n
1, 28.0,52.0,3
=
= 0,83 ,
⎟= 2
2 2
2
2 2
⎠ (m + n )
( 0,5 + 0,3 )

(ở đây lấy 1,28 = 4/ π ).
⎛ 10 ⎞
⎟ = 0,83 → σ h = 16, 6 kN/m2,
⎝ 200 ⎠

σh ⎜

Tổng hợp lực P H theo công thức (3.8):

PH =

0, 64q
0, 64.200
=
= 102, 4
2
kN/m,
( m + 1) 1, 25

Với m = 0,5, tra biểu đồ trên hình 3.5a, xác định điểm đặt tổng hợp lực:
R = 0,56H = 0,56.10 = 5,6m.
Chú ý rằng khi tải trọng tập trung/tải trọng tuyến không đặt trên mặt hố đào mà đặt trong
bán không gian đàn hồi (trong lòng đất) thì dùng lời giải Mindlin để tính áp lực ngang lên
tường chắn. Đó là những trường hợp cạnh vách hố đào có móng của công trình hiện hữu
chôn sâu dưới mặt đất. Phương pháp đó có thể dựa trên nguyên tắc nêu ở hình 3.8.


(3) Tải trọng phân bố đều trên diện hữu hạn B x L
Khi cạnh hố đào có chất vật liệu, đất đánh đống hay có móng đơn của công trình lân cận,
thì áp lực ngang tại độ sâu z tác dụng lên tường chắn tính theo công thức sau:

σ h = qI p
Trong đó: q- tải trọng phân bố đều (kN/m2) trên 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 trên hình 3.6 phụ thuộc vào m = B/Z
Và n = L/Z với

μ = 0,5 .

(3.11)



(4) Tải trọng hình băng
Tải trọng hình băng tức là tải trọng phân bố trên bề rộng hữu hạn, ví dụ tải trọng của
móng băng chạy song song với tường chắn, tải trọng của ô tô, đường sắt, đường đê v.v... Căn
cứ vào công thức của Tezaghi sau khi hiệu chỉnh lại (hình 3.7) ta có:

σh =

2q

π

( β − sin β cos2α )

(3.12)

Khi trên mặt đất có tải trọng hình băng cũng có thể dùng phương pháp tính gần đúng theo
lý thuyết áp lực đất Rankine để xác định áp lực ngang của nó. Như thể hiện trên hình 3.8 ở
chỗ cách đỉnh tường bằng một tác động tải trọng phân bố đều q rộng l 1 . Từ khởi điểm O của
băng tải vẽ một đường OC tạo với đường nằm ngang một góc 45 + ϕ / 2 , và cắt lưng tường tại
C. Ta xem từ điểm C trở lên không kể tới tác động của tải phân bố, áp lực đất chủ động của
nó chỉ là do trọng lượng bản thân của đất lấp gây ra, hình phân bố áp lực đất là Aba thể hiện
trên hình, từ điểm C trở xuống mới xét đến tác động của tải phân bố, hình phân bố áp lực
chủ động là Abceg. Từ điểm O’ của tải trọng phân bố đều cục bộ ta vẽ đường thẳng tạo với
0

0
đường nằm ngang góc 45 + ϕ / 2 , và cắt lưng tường tại điểm D. Phân bố cường độ áp lực
chủ động do tải trọng hình băng q gây ra là cefd, hình tổng áp lực chủ động là Abcefda. Tải
trọng ngang lên tường ở đoạn CD do q gây ra là K a q.

Khi tải trọng phân bố đều khắp trên mặt đất hố đào q thì tải trọng ngang lên tường chắn là
K a q, trong đó K a là hệ số áp lực đất chủ động.

3.2.2. Áp lực đất lên tường chắn
Khi tính toán lực tác dụng lên tường chắn người ta tạm thời chia ra loại tường làm việc
trong thời gian ngắn, tức thi công xong công trình ngầm thì tháo dỡ hoặc không giữ vaoi trò
gì đối với công trình vĩnh cửu và loại tường chắn phải làm việc lâu hơn do thời gian thi công
kéo dài ( thường được xem là trên 1 năm) hoặc nó là một bộ phận của công trình ngầm như
ga tàu điên ngầm, tường của colectơ, tường ngoài của tầng hầm nhà cao tầng v.v...
(1) Áp lực ngang của đất khi tường tồn tại lâu dài, đất thoat nước
Trong trường hợp này ta dùng ứng suất có hiệu để tính toán.


Khi tường và đất không có lực dính thì áp lực ngang của đất rời, lên tường ở 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 của đất dính:
pa' = K a ( γ z + q − u ) − 2c ' ( K a )

⎫
⎪
⎬
1/
2
p 'p = K p ( γ z + q − u ) − 2c ' ( K p ) ⎪⎭
1/ 2

(3.14)

Khi tường nhám và có lực dính, thì áp lưc ngang sẽ nghiêng một 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 ⎞⎤ ⎪
= 2 ⎢ K p ⎜1 + w' ⎟ ⎥ ⎪
c ⎠⎦ ⎭
⎣ ⎝

⎡ ⎛ c
K ac = 2 ⎢ K a ⎜1 + w'
c
⎣ ⎝
K pc

C’- lực dính có hiệu.

1/2

⎞⎤
⎟⎥
⎠⎦

(3.16)


C w - lực dính giữa đất và tường.
q- lực phân bố trên mép hố đào.
(2) Áp lực ngang khi tường làm việc ngắn hạn
Trong trường hợp này đất không thoát nước nên trong tính toán dùng ứng suất với C u và
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/ 2 ⎬
⎡ ⎛ c ⎞⎤ ⎪
= 2 ⎢ K p ⎜1 + w' ⎟ ⎥ ⎪
c ⎠⎦ ⎭

⎣ ⎝

⎡ ⎛ c
K ac = 2 ⎢ K a ⎜1 + w'
c
⎣ ⎝
K pc

1/2

⎞⎤
⎟⎥
⎠⎦

(3.18)

Để làm ví dụ cho hai tình huống tính toán vừa nêu, trên hình 3.9 trình bày một công trình
ngầm chịu tải trọng dài hạn và ngắn hạn.
Trường hợp dài hạn (3.9a):
+ Tải trọng thẳng đứng gồm trọng lượng các lớp đất phía trên CTN + tải trọng trên mặt
đất.


+ Tải trọng ngang gồm: áp lực đất có hiệu + áp lực nước hoặc áp lực đất tĩnh + áp lực
nước.
Trường hợp ngắn hạn (3.9b):
+ Tải trọng thẳng đứng gồm trọng lượng các lớp đất phía trên + tải trọng trên mặt đất –
lực cắt.
+ Tải trọng ngang gồm áp lực đất chủ động hoặc áp lực đất tĩnh + áp lực nước.

3.3. TRN SỐ THIẾT KẾ ĐỐI VỚI ÁP LỰC ĐẤT
Hiện tại việc thiết kế tường chắn đều theo trạng thái giới hạn. Theo tiêu chuNn của Anh
(BS 8002) thì tường ở trạng thái giới hạn sử dụng chỉ được chuyển vị nhỏ hơn 0,5% của độ
cao tường, khi dùng ứng suất tổng thì hệ số huy động M không được nhỏ hơn 1,5, khi dùng
ứng suất hiệu quả thì hệ số M lấy bằng 1,2 và chuyển vị ngang của tường cho phép đến 0,5%
độ cao tường.
Trường hợp dùng ứng suất có hiệu:
1. Khi sử dụng trị đại diện (ứng suất đỉnh), M = 1,2:

Trị thiết kế ϕ =
'

,

Trị thiết kế c’ =
2 . Khi sử dụng trị đại diện ở trạng thái cực hạn của đất:
Theo hướng tăng áp lực chủ động và giảm áp lực bị động kể đến ma sát hoặc lực dính
giữa tường và đất theo BS8002
- Trị thiết kế tan = 0,75 × trị thiết kế tan
- Trị thết kế = 0,75 × trị thiết kế ;
và cũng dùng M = 1,2 .

;


Trong tính tians theo ứng suất tổng, lấy M = 1,5 thì

3.4. MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÂN BỐ ÁP LỰC LÊN TƯỜNG
CHẮN
1. Độ cứng của tường
Sự phân bố áp lực đất tính toán lên tường chắn phụ thuộc vào độ cứng của tường (hình
3.10)
2. Ảnh hưởng của chuyển vị tường
Ảnh hưởng của chuyện vị tường chắn đối với áp lực đất đại thể có mấy loại tình huống sau
đây:
(1) Khi đỉnh tường cố định , đầu dưới tường dịch chuyển ra phía ngoài, áp lực đất có hình
parabol (hình 3.11a) ;


(2) Khi tại đầu trên và dưới tường cố định nhưng phần giữa tường thì vồng ra phía ngoài ;
áp lực đất có hình yên ngựa (hình 3.11b);
(3) Khi tường dịch chuyển song song ra phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 3.11c)
(4) Khi tường nghiêng ra phía ngoài, quay theo điểm giữa của đoạn dưới tường sẽ gây ra áp
lực đất chủ động bình thường (hình 3.11d)


(5) Chỉ khi tường chắn hoàng toàn không dịch chuyển mới có thể sinh ra áp lực đất tĩnh
(hình 3.11e)
Chuyển vị cần thiết ở đỉnh tường để sinh ra áp lực đất chủ động và bị động trong đất cát và
đất sét cho ở bảng 3.1.
Bảng 3.1. Chuyển vị cần thiết ở đỉnh tường để sinh ra áp lực chủ động và 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 chú : Bảng này trính trong “ Sổ tay công trình móng” Phưng Hiểu Dương chủ biên
Căn cứ vào số liệu trên, với các kết cấu chắn giữ hố mong thong thường, chuyển vị thân
tường cần có để sinh ra áp lực đất chủ động tương đối dễ xuấ hiện, còn lượng chuyển vị để
sinh ra áp lực đất bị động thì tương đối lớn, thường thiết kế không cho phép. Do đó, trước


khi lựa chọn phương án tinh toán, rất cần thiết phải tính đến tình huống về mặt biến dạng
này, khi trong tính toán có tính đến cân bằng giới hạn thì điều này là cực kỳ quan trọng.
3. Ảnh hưởng của kết cấu chắn giữ
Petros Pxanthakos (Mỹ) nêu ra 4 loại kết cấu chắn giữ có quan hệ với áp lực đất lên tường
như trình bày trên hình 3.12
(1) Không có thanh chống, chân tường ngàm cố định (hình 3.12a);
(2) Có một tầng thanh chống và chân tường ngàm cố định (hình 3.12b);
(3) Có một tầng thanh chống, chân tường xem là tự do (hình 3.12c)
(4) Có nhiều tầng thanh chống (hình 3.12d)

4. Ảnh hưởng của quá trình thi công đào + chống/neo
Áp lực đất lên tường chắn của hố đào có quan hệ đến quá trình thi công đào, chống hoặc
neo tường cùng với tình chất của đất và loại hình kết cấu chắn giữ. Trên hình 3.13 trình bày
việc thi công tường chắn bằng cọc bản có 2 tầng thanh chống vào trong đất sét yêu.
(1) Đóng cọc bản: vì 2 mặt của tường đều có áp lực đất, tường đứng yên, nhưng do có sự
chén ép đất khi đóng nên sản sinh ra hệ số áp lực tinh

của đất (hình 3.13a)

(2) Đào đất đến độ sâu thứ nhất: đầu tường một bên không có đất, đầu tường sẽ chuyển vị ,
sinh ra áp lực đất chủ động (hình 3.13b)


(3) Lắp thanh chống tầng 1 làm biến dạnh của cọc bản hồi phục một phần nhất định, áp lực
đất sẽ tăng lên và thay đổi sự 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 đó cũng thay đổi (hình 3.13d)
(5) Lắp thanh chống tầng 2: cùng với thanh chống ở tầng 1, làm cho áp lực đất phân bố có
dạng mới (hình 3.13e)
(6) Tiếp tục đào đất đến độ sâu thứ 3: cọc bản sẽ chuyển vị về phía hố đào, vùng áp lực chủ
động của đất cùng hướng về phía hố đào, áp lực đất cũng bị giảm đi một lượng nhất định
và hình thành dạng phân bố cuối cùng (hình 3.13f)


Khi tiếp tục tăng hoặc giảm lực ở thanh chống thì từ tầng thanh chống thứ 2 trở xuống sẽ
phát sinh ra biến dạng tương ứng và sẽ dẫn đến sự thay đổi mới áp lực đất.
5. Ảnh hưởng của thời gian
Áp lực đất truyền lên tường chắn hố đào cũng phát triển theo thời gian. Petros Pxanthankos

đã quan trắc áp lực đất lên tường tầng hâm ( xem hình 3.14). Theo đó có thể chia làm 3 giai
đoạn:
Ở thời điểm 72 ngày ( trước khi đào ) áp lực đất (
tổng hợp lực ) là 2300kN/m điểm đặt tại 0,44H (H –
chiều cao của tường);
Ở 344 ngày tổng hợp lực đạt trị số nhỏ nhất, 1600
kN/m , điểm đặt tại 0,45H;
Ở 651 ngày tổng hợp lực là 1970 kN/m với điểm
đặt tại 0,44H.
Đường áp lực đất Rankine được tính với φ = 0, bỏ
quá lực dính kết k = 1.
Hình 3.15 là đường cong phân bố áp lực đất ( tức
là tổng áp lực nước đất ) thực đo được trước và sau
khi đào một bến tàu cọc bản bê tong cốt thép có một
tầng neo. Cọc bản dài 11,5m, sau khi đào hố sâu đến