Sử dụng vật liệu có cốt để xây dựng các công trình ven bờ biển (LV thạc sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN MINH QUÂN

SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CỐT
ĐỂ XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH VEN BỜ BIỂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ
THUẬT

HÀ NỘI - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN MINH QUÂN

SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CỐT
ĐỂ XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH VEN BỜ BIỂN

Chuyên ngành:

Xây dưng Công trình Biển

Mã số:

60-58-45

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ

THUẬT

HÀ NỘI - 2011


MỤC LỤC
MỞ ðẦU
.......................................................................................................... . 1

1. Sự cần thiết của ñề tài luận văn............................................................................ 1
2. Mục ñích nghiên cứu của luận văn....................................................................... 1
3. ðối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ..................................................... 1
4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 2
5. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài ............................................................. 2
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ ðẤT CÓ
CỐT ...................................................................................................
3

1.1 Lược sử công nghệ ñất có cốt........................................................................... 3
1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ñất có cốt trong xây dựng tại Việt Nam ....... 4
1.3 Ứng dụng của kết cấu ñất có cốt ñối với các công trình ven biển ................... 6
CHƯƠNG 2.

CẤU TẠO KẾT CẤU ðẤT CÓ CỐT ................................................. 10

2.1 ðặc ñiểm chung của kết cấu ñất có cốt .......................................................... 10
2.2 Yêu cầu về vật liệu ñất ñắp ............................................................................ 12

2.2.1

Tổng quan............................................................................................ 12

2.2.2

Vật liệu ñắp trong tường chắn và mố trụ cầu...................................... 12

2.2.3

Vật liệu ñắp mái dốc ........................................................................... 12

2.3 Vật liệu cốt gia cường .................................................................................... 13
2.3.1

Vật liệu cốt là vải ñịa kỹ thuật: ........................................................... 13

2.3.2

Vật liệu cốt là lưới ñịa kỹ thuật :.......................................................... 14

2.3.3

Cốt dạng dải, khung thép . .................................................................. 26

2.4 Kết cấu ñất có cốt áp dụng trong ñiều kiện ven biển ..................................... 27
2.4.1

Lựa chọn vật liệu cốt gia cường.......................................................... 27

2.4.2

Lớp mặt tường chắn và mái dốc.......................................................... 28

2.4.3

Yêu cầu về ñất nền .............................................................................. 34

2.4.4

Các vấn ñề về thi công ........................................................................ 35


CHƯƠNG 3.

KẾT CẤU ðẤT CÓ CỐT – NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ NGUYÊN
TẮC THIẾT KẾ................................................................................. 38

3.1 Cơ sở lý thuyết ............................................................................................... 38
3.2 Cơ chế gia cường ñất trong tường chắn và mái dốc....................................... 39
3.3 Tường chắn bằng kết cấu ñất có cốt gia cường.............................................. 40
3.3.1

ðại cương ............................................................................................ 40

3.3.2

Các hệ số riêng phần ........................................................................... 43

3.3.3

Xác ñịnh các kích thước kết cấu ......................................................... 45

3.3.4

Chiều sâu chôn tường.......................................................................... 48

3.3.5

Ổn ñịnh tổng thể .................................................................................. 49

3.3.6

Các mặt trượt ñể kiểm tra ổn ñịnh bên ngoài...................................... 53

3.3.7

Ổn ñịnh nội bộ..................................................................................... 53

3.3.8

Trạng thái giới hạn sử dụng ................................................................ 65

3.4 Thiết kế mái dốc có cốt: ................................................................................. 66
3.4.1

ðại cương ............................................................................................ 66

3.4.2

Các hệ số riêng phần sử dụng khi thiết kế mái dốc có cốt .................. 68

3.4.3

Phạm vi áp dụng .................................................................................. 69

3.4.4

Cơ sở thiết kế ...................................................................................... 69

3.4.5

Các trạng thái giới hạn ........................................................................ 70

3.4.6

Về ổn ñịnh ngoài ................................................................................. 71

3.4.7

Về ổn ñịnh nội bộ ................................................................................ 72

3.4.8

Các mái dốc thoải ................................................................................ 77

3.4.9

Về ổn ñịnh hỗn hợp............................................................................. 78

3.4.10 Các trạng thái giới hạn sử dụng .......................................................... 78
CHƯƠNG 4.

THỰC HÀNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ .............................................. 79

4.1 Thiết kế mái dốc bằng ñất có cốt gia cường................................................... 79
4.2 Thực hành tính toán tường chắn bằng ñất có cốt gia cường .......................... 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ:.................................................................................... . 107
TÀI LIỆ U THAM KHẢO ........................................................................................... 109


- 11 -

MỞ ðẦU
1. Sự cần thiết của ñề tài luận văn
Nước ta có ñường bờ biển dài với nhiều tiềm năng phát triển, nhu cầu về xây
dựng cơ sở hạ tầng ven biển hiện nay và sắp tới là rất lớn và ña dạng. Trong ñiều
kiện kinh tế nước ta còn nghèo, việc nghiên cứu áp dụng các công nghệ mới nhằm
tìm các giải pháp kết cấu cho các công trình ñiển hình tối ưu về kinh tế và kỹ thuật
là hết sức cần thiết. Công nghệ kết cấu ñất có cốt là công nghệ có thể ñáp ứng các
yêu cầu ñó.
Kết cấu ñất có cốt là một giải pháp kết cấu có thể áp dụng hữu hiệu ñối với các
công trình ven biển. Với giải pháp kỹ thuật phù hợp, kết cấu hoàn toàn có thể sử
dụng với các công trình bảo vệ bờ trong ñiều kiện tác ñộng mạnh của môi trường
biển hay ñiều kiện nền ñịa chất yếu và phức tạp. Kết cấu cũ ng có thể sử dụng trong
các công trình chịu lực lớn như mố trụ cầu, bến cảng…Với các ưu ñiểm về kết cấu
ñơn giản, khả năng tận dụng vật liệu ñắp, thi công nhanh nhờ lắp ghép… Việc sử
dụng loại kết cấu này ñã cho thấy hiệu quả kinh tế tốt hơn hẳn các giải pháp truyền
thống như kết cấu bê tông cốt thép, ñá xây…
Tuy nhiên, thực tế cho thấy hiện nay việc áp dụng công nghệ ñất có cốt vào

các công trình xây dựng như trên là chưa nhiều. Phương pháp tính toán thiết kế và
công nghệ thi công cũng chưa ñược phổ biến. ðể áp dụng kết cấu ñất có cốt cho các
công trình ven biển một cách ñại trà cần thiết phải có sự nghiên cứu ñầy ñủ và hệ
thống, hoàn thiện phương pháp luận tính toán, tạo ñiều kiện thuận lợi cho công tác
tính toán thiết kế công trình.
2. Mục ñích nghiên cứu của luận văn
Mục ñích nghiên cứu của luận văn là nhằm tìm ra giải pháp kết cấu hợp lý cho
kết cấu ñất có cốt áp dụng cho ñiều kiện ven biển Việt Nam, nghiên cứu cơ sở khoa
học và phương pháp luận tính toán thiết kế cho các dạng kết cấu có liên quan.
3. ðối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
ðối tượng nghiên cứu của luận văn là kết cấu ñất có cốt áp dụng cho công
trình ven biển.


- 22 -

Phạm vi nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lựa chọn các thành phần kết cấu hợp
lý, nghiên cứu phương pháp tính toán kết cấu cho các loại kết cấu áp dụng, gồm kết
cấu tường chắn (tường chắn sóng, mố cầu/cảng...) và kết cấu mái dốc (ñê, kè bảo vệ
bờ...).
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu các vấn ñề liên quan ñến giải pháp cấu tạo kết cấu, phân tích lựa
chọn cấu tạo kết cấu ñất có cốt bao gồm: cốt gia cường, ñất ñắp, vỏ mặt bảo vệ;
- Nghiên cứu tính toán kết cấu tường chắn và mái dốc.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu, phân tích, ñánh giá các thành tựu ñã ñạt ñược, ứng dụng ñể giải
quyết các vấn ñề ñặt ra trong luận văn.
- Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng các kết quả
nghiên cứu thực nghiệm ñể giải quyết vấn ñề.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Ý nghĩa khoa học
Luận văn ñã ñi sâu vào phân tích các ñặc ñiểm kết cấu ñất có cốt ứng dụng
cho các công trình ven biển, và qua việc phân tích ñó ñã hệ thống hóa các giải pháp
kết cấu, giúp có cái nhìn khách quan trong việc lựa chọn giải pháp kết cấu tối ưu.
Luận văn cũng ñã phân tích cơ sở khoa học và ñề xuất phương pháp luận cũng như
phương pháp thiết kế phù hợp với các giải pháp kết cấu ñó.
Ý nghĩa thực tiễn
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ ñất có cốt ñang dần
tới sự hoàn thiện và ñã trở thành sự lựa chọn không thể thay thế của nhiều công
trình trên thế giới. Tuy nhiên, ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ này ñang rất
hạn chế do chưa có các tiêu chuẩn tính toán cũng như kinh nghiệm thiết kế và tổ
chức thi công. ðề tài ñược thực hiện với mong muốn góp phần phổ biến công nghệ
này như một giải pháp kết cấu trong các công trình xây dựng ở Việt Nam nói chung
và các công trình ven biển nói riêng, nơi mà giải pháp này có thể ñem lại rất nhiều
hiệu quả.


- 33 -

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG
NGHỆ ðẤT CÓ CỐT

1.1 Lược sử công nghệ ñất có cốt
ðất có cốt là một loại hình vật liệu tổ hợp do ñất và cốt tạo ra, có khả năng
chịu ñược lực kéo. Vào khoảng những năm 1960, một kỹ sư người Pháp tên là
Henri Vidal ñã phát triển và hệ thống hóa phương pháp gia cố ñất này thành công
nghệ ñất có cốt. Vào năm 1968, công trình tường chắn bằng ñất có cốt ñầu tiên
ñược xây dựng tại miền Nam nước Pháp (Hình 1.1), ñây ñược coi là một trong

những cột mốc quan trọng trong sự phát triển của kỹ thuật xây dựng. Tiếp ñó về
sau, kỹ thuật mới về ñất có cốt ñược phát triển nhanh chóng và rộng rãi, tạo ra nhiều
loại, nhiều hệ thống ñất có cốt khác nhau.

Hình 1.1. Công trình tường chắn ñầ u tiên áp dụng công nghệ ñất có cốt

Vì những tính năng ưu việt của loại hình ñất có cốt, việc nghiên cứu và áp
dụng ñã phát triển nhanh chóng ở nhiều nước châu Âu, châu Mỹ và châu Á. Các
ứng dụng kể như: tường chắn trên ñường ô tô, ñường sắt; mố cầu; nền ñường ñắp
cao; ñê và kè ven sông, ven biển và công trình quân sự.

CHƯƠNG 2.

CẤU TẠO KẾT CẤU ðẤT CÓ CỐT

2.1 ðặc ñiểm chung của kết cấu ñất có cốt
+ Về khả năng chịu lực: kết cấu có thể thiết kế với khả năng chịu tải ñáng kể
(thể hiện qua các công trình mố trụ cầu, nền ñường sắt...)
Xét về ổn ñịnh cục bộ của khối ñất có gia cường cốt, ñộ bền kết cấu phụ thuộc


- 44 ốt
ịu
ất
vào cường ñộ c ch lực, cường ñộ ñ ñắp và khả năng bám dính giữa cốt và ñất,
trong ñó cường ñộ ñất ñắp và sức bám dính cốt – ñất là có giới hạn. Do vậy khả
năng chịu tải trọng lớn của kết cấu bị hạn chế. Trong các công trình bến cảng, ñối
với công trình có yêu cầu chịu tải siêu trọng, nếu muốn áp dụng giải pháp ñất có cốt
thì cần thiết phải có thêm các giải pháp kỹ thuật phụ trợ ñể giảm bớt tải trọng trực
tiếp lên nền.

+ Tính thích nghi với ñiều kiện nền móng yếu: có khả năng chịu ñược chênh
lệch lún trong ñiều kiện nền ñất yếu. Với bản chất là kết cấu ñất ñược gia cường, kết
cấu ñất có cốt cho phép ñộ lún lệch khá lớn mà không làm phá hoại kết cấu.
+ Khả năng chịu tải trọng ñộng: Kết cấu có khả năng phục hồi cao và hấp thu
hiệu quả các dạng tải trọng ñộng như tải trọng ñường sắt, ñộng ñất.
+ Về tuổi thọ: Kết cấu có thể ñược thiết kế với tuổi thọ lâu dài (tới 120 năm)
qua việc sử dụng các dạng vật liệu có tính bền cao và ít bị lão hóa theo thời gian.
Tuổi thọ của kết cấu ñất có cốt phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu cốt gia cường. Việc
phân tích ñánh giá tính chất của các loại vật liệu gia cường ñược tiến hành ở các
phần sau.
+ Về giá thành: hiệu quả về giá thành của kết cấu ñất có cốt thể hiện ở việc tiết
kiệm thời gian thi công và sử dụng nguyên vật liệu làm kết cấu.
Hiệu quả về giá thành của một công trình tường chắn ñất có cốt so sánh với
tường chắn bê tông cốt thép thông thường như ở Bảng 2.1.
+ Về mỹ quan:
Kết cấu bao che mặt tường chắn và mái dốc ñất có cốt chủ yếu chỉ mang chức
năng che phủ mà không có yêu cầu cao về chịu lực nên có rất nhiều sự lựa chọn


- 55 -

thẩm mỹ cho lớp vỏ tường chắn cũng như mái dốc mà vẫn ñảm bảo các chỉ tiêu
kinh tế và kỹ thuật.
Bảng 2.1. Một ví dụ tính toán so sánh giá thành tường bê tông và tường ñấ t có cốt
(ñơn giá năm 2007)
STT

Hạng mục

ðơn vị

I
1

Tường bê tông

1m

Bê tông M200 ñá 1x2

m

3

2

Ván khuôn

m

3

Bê tông M150 ñá 2x4

m

4
5
6

Cốt thép D<16
Cốt thép D>16

7

ðá dăm
Cát ñắp

II

Tường có cốt

1
2
3

Lưới ñịa
Cát ñắp
Lắp ghép gạch block

4

Bê tông M300 ñá 1x2

III Tỷ lệ giảm chi phí

ðơn giá
(VND)

H=2.0 m

H=3.0 m

Giá thành
H=4.0 m

H=5.0 m

H=6.0 m

1,530,000.00

8,020,400.0
4,207,500.0

10,499,900.0
5,599,800.0

17,545,490.0
9,868,500.0

22,794,448.0
13,005,000.0

27,397,832.0
13,464,000.0

2

255,000.00

2,655,060.0

3,462,900.0

4,791,450.0

5,910,900.0

6,247,500.0

3

1,360,000.00

723,520.0

748,000.0

748,000.0

748,000.0

1,224,000.0

kg

20,000.00

0.00

0.00

383,140.0

980,148.0

3,559,132.0

kg

18,000.00

0.00

0.00

3

200,000.00

94,800.0

110,000.0

124,000.0

m
1m

3

80,000.00

1,630,400.0

2
3

3

m

m

m
Block
m
%

339,520.0

579,200.0

4,380,000.0

5,962,000.0

120,000.00

1,440,000.0

1,920,000.0

80,000.00
10,000.00

640,000.0
500,000.0

960,000.0
670,000.0

2,000.000.00

1,800,000.0

2,412,000.0

45.39

43.22

0.00

9,818,320.0
5,040,000.0
960,320.0
830,000.0
2,988,000.0

44.04

0.00

0.00

124,000.0

132,000.0

2,026,400.0

2,771,200.0

15,640,640.0

21,642,960.0

10,080,000.0

15,300,000.0

960,640.0
1,000,000.0

960,960.0
1,170,000.0

3,600,000.0

4,212,000.0

31.38

21.00

+ Vấn ñề thi công:
Yếu tố quan trọng mà ngày nay công nghệ ñất có cốt ñược sử dụng phổ biến
trên khắp thế giới là sự ñơn giản và nhanh chóng của quá trình thi công. Một lợi thế
khi thi công tường chắn ñất có cốt so với các tường chắn bê tông thông thường là
mọi hoạt ñộ ng thi công chỉ gói gọn phía sau lưng tường và không cần tới giàn giáo.
Việc thi công các ñoạn tường cong cũng tỏ ra dễ dàng hơn.
Về cơ bản thì việc thi công kết cấu ñất có cốt là công tác ñất với tốc ñộ thi
công phụ thuộc vào việc ñổ ñất và ñầm nén. Cho dù lớp mặt tường là bê tông ñúc
sẵn, gạch bê tông, thép hay lưới thép thì việc thi công cơ bản vẫn theo một chu trình
lặp ñi lặp lại:
1, ðặt một hàng lớp phủ mặt.
2, Liên kết với cốt gia cường
3, ðổ ñất và ñầm nén theo từng lớp.
Nhân lực và trang thiết bị phục vụ thi công:


- 66 -

Công tác thi công tường có cốt chủ yếu là công tác ñổ ñất và ñầm nén, do ñó
trang thiết bị thi công thường chỉ bao gồm máy xúc, san gạt, máy ñầm và trong
trường hợp thi công tường chắn với các tấm tường bê tông ñúc sẵn thì cần có thêm
một cần cẩu loại nhỏ.
2.2 Yêu cầu về vật liệu ñất ñắp
2.2.1 Tổng quan

Yêu cầu chung về vật liệu ñất ñắp dùng trong kết cấu ñất có cốt là phải ñồng
bộ, có các chỉ tiêu về cơ lý và hóa ñáp ứng ñược các chỉ tiêu yêu cầu trong các tiêu
chuẩn thiết kế hiện hành (BS 8006).
ðối với dạng kè dùng ñất có cốt, vật liệu ñắp có thể dùng loại ñất rời, vừa rời
vừa dính, hoặc nếu sử dụng l oại ñất dính thì có thể kết hợp với một loại lưới ñịa kỹ
thuật phù hợp ñể sử dụng.
ðối với dạ ng tường chắn ñất có cốt có thời hạn phục vụ lâu dài, ñất ñắp không
ñược dùng loại ñất dính, mà chỉ ñược sử dụng loại ñất rời hoặc ñ ất rời ít dính. Góc
nội ma sát của ñất ñắp khi bão hòa nước không ñược nhỏ hơn 25o . Trong mọi
trường hợp, ñất ñắp phải ñược ñầm chặt K=0,98 trở lên (tiêu chuẩn ñầm nén ứng
với TCVN 4201-1995).
2.2.2 Vật liệu ñắp trong tường chắn và mố trụ cầu
2.2.2.1 Về chỉ tiêu cơ học
Vật liệu ñắp chỉ có tính dính (loại sét) sẽ không ñược sử dụng cho kết cấu
tường chắn mà mố trụ cầu có yêu cầu an toàn mức trung bình và mức cao (xem
thêm [1]).
2.2.2.2 Về chỉ tiêu hoá học và ñiện hoá
Cốt bằng pôlime thì không bị ảnh hưởng bởi tác dụng ñiện hoá nhưng có thể
chịu ảnh hưởng của một số hoá chất nào ñó. Ảnh hưởng của hoá chất tới tính chất
của cốt bằ ng pôlime phải ñược xem xét trong các chứng chỉ sản phẩm.
2.2.3 Vật liệu ñắp mái dốc
ðối với các mái dốc dốc, có thể sử dụng các vật liệu ñắp có ma sát hoặc vừa
có ma sát vừa dính thoả mãn các khuyến nghị ở 2.2.2. Vật liệu ñắp có tính dính có


- 77 -

thể ñược sử dụng ñể kết hợp với một loại cốt thích hợp cho các mái dốc ñắp mới
hoặc mái dốc phục hồi lại.
2.3 Vật liệu cốt gia cường

Vật liệu cốt rất ña dạng. Từ xa xưa, con người ñã sử dụng cốt bằng tre trong
một số công trình. Tiếp sau ñó, từ những nghiên cứu và ứng dụng trên những công
trình có quy mô lớn hơn, người ta ñã sử dụng cốt bằng các thanh kim loại, tiếp ñến
là vật liệu cốt bằng thép không gỉ. Với sự phát triển của các ngành sản xuất vật liệu
tổng hợp, cốt ñược sản xuất từ loại vật liệu tổng hợp có cường ñộ cao bao gồm vải
ñịa kỹ thuật hoặc lưới ñịa kỹ thuật và bây giờ một trong những loại vật liệu ñang
ñược sử dụng làm cốt là lưới thép mạ kẽm bọc Polime. Hình dạng của cốt có thể là
dải mỏng, lưới ô vuông hoặc dạng tấm mỏng.
Cho ñến thời ñiểm hiện nay, các loại cốt sử dụng trong các công trình ñất có
cốt cũng có nhiều thay ñổi và ña dạng. Dưới ñây trình bày mộ t số dạng cốt ñiển
hình thường ñược sử dụng ở các nước trên thế giới.
2.3.1 Vật liệu cốt là vải ñịa kỹ thuật:
Vải ñịa kỹ thuật ñược chế từ những sản phẩm phụ của dầu mỏ. Vải ñược chế
tạo từ một hoặc hai trong các hợp chất chính sau, gọi chung là Polime:
- Polyester
- polypropylene
- polyamide
Tùy theo hợp chất và cách cấu tạo, mỗi loại vải ðKT có những ñặc tính cơ lý
hóa như sức chịu kéo, ñộ dãn, ñộ thấm nước, môi trường thích nghi,...khác nhau.
Nói chung, vải polyester tốt hơn vải polypropylene, còn vải polyamide ở giữa hai
loại vải nói trên.
Vải ñịa kỹ thuật ñược chia làm hai nhóm chính: dệt và không dệt. Nhóm dệt
có ñộ dãn thấp, sức chịu kéo cao, còn nhóm không dệt có ñộ dãn lớn và sức chịu
kéo thấp hơn.
Vải ñịa kỹ thuật có các công dụng chính sau:


- 88 -

- Dẫn nước: dẫn nước từ ñất chảy ra bên ngoài, nhờ vậy mà sức chố ng cắt của

ñất gia tăng (ñặc ñiểm này chỉ có ở loại vải không dệt)
- Lọc nước: cho phép nước ngầm chảy ra ống thoát nước, ñồng thời ngăn chặn
ñất lọt qua.
- Ngăn cách: ngăn lớp ñất mịn xâm nhập lên lớp ñất thô hoặc ñá.
- Gia cố: Sức chịu kéo của vải ðKT tăng cường khả năng chịu tải và chịu kéo
của ñất (gia cố nền, tường chắn, ñê ñập).
Ưu nhược ñiểm của cốt liệu vải ñịa kỹ thuật so với lưới ñịa kỹ thuật:
Ưu ñiểm:
+ Giá thành rẻ
+ Cường ñộ chịu kéo cao.
+ Có thể ñồng thời là vật liệu ngăn cách nếu cần.
Nhược ñiểm:
+ Khả năng chịu kéo tuột kém.
+ ðộ cứng chống kéo kém
+ Không có khả năng chống uốn như lưới ñịa kỹ thuật nên ñôi khi gây khó
khăn trong thi công.
2.3.2 Vật liệu cốt là lưới ñịa kỹ thuật:
Các tính năng chính của lưới ðKT là tạo ra các ô lưới với bề rộng ñủ lớn ñể
lưới có thể cài chặt với ñất ñắp và cường ñộ chịu kéo cao. Lưới ñịa kỹ thuật ñược
làm bằng chất polypropylene (PP), polyethylene (PE) hay bọc bằng polyethyleneterephthalate (PET). Vật liệu lưới ñịa kỹ thuật hiện nay có thể chịu ñược sức kéo rất
lớn tới 2800 kg/cm2 (so với sắt là 2500 kg/cm2 ).
Về hình dạng có thể phân lưới ðKT ra hai loại chính (Hình 2.1): Lưới một
trục (có sức chịu kéo theo một hướng) và lưới hai trục (có sức chịu kéo cả hai
hướng).
Lưới ðKT ñược sản xuất lần ñầu tiên vào năm 1978 bởi công ty Netlon của
Anh. Sau ñó ñến lưới Gouderak, Stabilenka của Hà Lan, Polimeshlens của Úc,
Trical Net của Nhật. Hiện nay rất phổ biến là loại lưới ñịa kỹ thuật Tensar của Mỹ.


- 99 -

Các lưới Tensar một trục ñược làm từ chất polyethylene tỷ trọng cao HDPE (high
density polyethylene), lưới Tensar hai trục ñược làm bằ ng chất Polypropylene (PP).
Ngoài ra loại lưới Tensar 3 trục (Triax) ñược phát triển cơ bản dựa trên lưới hai trục
nhưng có tính năng làm việc cao hơn.

Hình 2.1. Lưới ñịa kỹ thuật Polime

Nói chung, các loại lưới ðKT ñều có các ñặc ñiểm sau:
- Sức chịu kéo lớn.
- Tính cài chặt với vật liệu xung quanh tạo nên một khối vững chắc, nhất là
chống lại sự trượt của ñất ñắp.
- Tính ña năng: hầu như thích hợp với mọi loại ñất, ñá.
- Tính thuận tiện cho thi công: lưới có thể cuộn lại ñược thành các bó ñể vận
chuyển, thi công dễ dàng, chỉ cần 2 người là có thể trải ñược lưới.
- Tính lâu dài: ít bị hư hỏng bởi ăn mòn, hóa chất.
Phạm vi ứng dụng chủ yếu của lưới ñịa kỹ thuật có thể tập hợp như sau:
Ứng dụng

Lưới 1 trục

Lưới 2 trục

ðường ô tô

x

ðường xe lửa

x

Nền móng công trình

x

ðê ñập

x

Tường chắn ñất

x

Cường ñộ của cốt bằng Polime:
Tất cả các loại Polime ñều là vật liệu dạng ñàn nhớt (visco-elastic), cường ñộ
và ñộ cứng của chúng chịu ảnh hưởng của nhiệt ñộ, ñộ lớn của tải trọng và thời gian


1010
tải trọng tác dụng (Hình 2.2). Thí nghiệm kiểm tra cường ñộ kéo của lưới ñịa ñược
quy ñịnh theo tiêu chuẩn quốc tế BS EN ISO 10319:1996 , trong ñó các thí nghiệm
kéo xác ñịnh cường ñộ mẫu (Tult) ñược thực hiện ở ñiều kiện tiêu chuẩn là: nhiệt ñộ
20oC với tốc ñộ biến dạng kéo mẫu là 2%/phút (Hình 2.3).

Hình 2.2. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ và tốc ñộ biến dạng mẫu tới cường ñộ chịu kéo
của lưới ñịa kỹ thuật Polime

a)

b)

Hình 2.3. Thí nghiệm tiêu chuẩn ISO 10319:1996

a) Thí nghiệm kéo mẫu ; b) Kết quả một mẫu thử


1111
Vấn ñề từ biến của lưới ñịa kỹ thuật Polime:
Do tính chất ñàn nhớt của vật liệu Polime nên không thể sử dụng thí nghiệm
kéo ñứt ñể xác ñịnh quan hệ ứng suất-biến dạng cho tải trọng tác dụng dài hạn trong
suốt tuổi thọ công trình, do ñó cần thiết phải có một thí nghiệm ñể xác ñịnh tính
chất này của vật liệu. Thí nghiệm kéo từ biến (Hình 2.4) ñược thực hiện ñể xác ñịnh
tính từ biến của vật liệu Polime theo quy ñịnh của tiêu chuẩn ISO 13431:1999.
Do thời gian thí nghiệm của ña số các mẫu thử chưa ñược dài như tuổi thọ của
các công trình yêu cầu (tới 120 năm) nên ñể xác ñịnh cường ñộ kéo ñứt dài hạn thì
phải dùng phép ngoại suy dựa trên chuỗi số liệu ñã có. Trong tính toán cường ñộ vật
liệu, hệ số riêng phần do các sai số về ñiều chỉnh số liệu ñược ký hiệu là fm.

Hình 2.4. Thí nghiệm từ biến của vật liệu lưới ñịa Polime


1212
-

Hình 2.5. Biểu ñồ quan hệ biến dạng-thời gian của mẫu thử ở các mức tải trọng

Hình 2.6. ðường cong ñẳng thời mối quan hệ tải trọng-biến dạng


2020

Vấn ñề biến dạng của cốt Polime do từ biến:
Biến dạng của lưới ñịa Polime dưới tác dụng của tải trọng dài hạn ñược ñánh
giá bằng cách xây dựng ñường cong ñẳng thời biến dạng của cốt liệu dưới tác dụng
của các mức tải trọng khác nhau. Các mốc thời gian thường là 1 tháng, 2 tháng và
120 năm. Hình 2.6 là ñường cong ñẳng thời biểu thị mối quan hệ giữa tải trọng và
biến dạng, ở các mốc thời gian 1 tháng và 120 năm, ñối với mẫu thử là vật liệu lưới
ñịa kỹ thuật Tensar 120RE, ở nhiệt ñộ 20oC. Theo trạng thái giới hạn về khả năng
phục vụ, tiêu chuẩn BS8006:1996 quy ñịnh, ñường cong ñẳng thời ñược dùng ñể
xác ñịnh mức tải trọng ở ñó, mức biến dạng ñược giới hạn như sau:
1% ñối với quãng thời gian từ 1 tháng ñến 120 năm cho tường chắn.
0,5% ñối với quãng thời gian từ 2 tháng ñến 120 năm cho gối ñỡ cầu.
Như vậy thí nghiệm biến dạng từ biến ñưa ra thông số giá trị cường ñộ dài hạn
(Tcs) của cốt liệu Polime dựa trên giới hạn về ñộ biến dạng trong quãng thời gian
xác ñịnh.
Các ảnh hưở ng của quá trình thi công tới ñộ bền của cốt Polime:
ðánh giá ảnh hưởng của việc thi công tới ñộ bền của lưới ñịa kỹ thuật Polime
ñược thực hiện bằng mô hình thực (Hình 2.7 và Hình 2.8), quy trình thử theo tiêu
chuẩn BS 8006:1995, trong ñó sử dụng các loại vật liệu thử dạng rời có cạnh sắc
nhọn bao gồm ñá hạt thô, hạt vừa và hạt mịn (kích thước trung bình tương ứng là
125 mm, 37,5 mm và 6 mm).
Các mẫu thử sau khi hoàn thành thí nghiệm sẽ ñược kiểm tra kéo ñứt. Cường
ñộ kéo ñứt mẫu này sẽ xác ñịnh hệ số an toàn riêng phần do quá trình thi công (fd).
Ảnh hưởng của ñiều kiện môi trường tới ñộ bền lưới ðKT Polime:
Trong suốt quá trình thi công và sử dụng, cốt liệu gia cố ñất có thể chịu nhiều
tác ñộng môi trường khác nhau (Hình 2.9). Các tác ñộng này có thể ñến từ nhiều
nguồn, chẳng hạn như tia cực tím, nhiệt ñộ hoặc các loại hóa chất và sinh vật có
trong ñất ñắp.


2121

-

Hình 2.7. Các loại ñá thô, ñá vừa và hạt
mịn dùng trong thí nghiệm ảnh hưởng thi
công

Hình 2.8. Trình tự thí
nghiệm: ñổ ñất, ñầm nén và thu hồi mẫu

Hình 2.9. Tác ñộng của môi trường qua các quá trình vận chuyển, thi công và sử dụng


2222
Một vài tiêu chuẩn và chứng chỉ của
các nhà sản xuất vật liệu ñịa kỹ thuật ñề
ra các biện pháp bảo vệ bằng cách giới hạn thời gian mà vật liệu tiếp xúc trực tiếp
với môi trường có hại, tuy nhiên biện pháp này rất khó kiểm soát trong suốt quá
trình thi công và sử dụng công trình. Do ñó biện pháp ñáng tin cậy nhất là sử dụng
liều lượng tối ưu các phụ gia phù hợp cho vật liệu Polime.
Tia cực tím (UV) có thể gây hư hỏng cho vật liệu Polime một cách nhanh
chóng do nó bẻ gẫy chuỗi phân tử Polime. Thí nghiệm chỉ ra rằng với một hàm
lượng tối thiểu phụ gia carbon ñen là 2% sẽ ngăn ngừa một cách hiệu quả tia UV
phá hủy cốt liệu. Các thí nghiệm của hãng Tensar cho thấy, dưới môi trường thời
tiết nắng nóng, cốt liệu lưới ðKT Tensar với hàm lượng Carbon ñen 2% có thể duy
trì cường ñộ tới 90% trong suốt 20 ñến 50 năm tùy thuộc bề dày của cốt liệu. Các
thí nghiệm thực hiện ở Albury, Australia, nơi có cường ñộ tia cực tím rất cao cho
thấy, sau 8 năm, cường ñộ kéo và ñộ cứng của vật liệu Tensar 55RE không mấy
thay ñổi (Hình 2.10). Như vậy có thể thấy rằng, với cốt liệu Polime sử dụng phụ gia
như trên, sẽ không cần phải giới hạn thời gian bị phơi nắng của cốt liệu trong quá
trình thi công, trước khi lớp vỏ bảo vệ kết cấu ñược hoàn thiện .

a)

a)

Hình 2.10. Hiệu quả của Carbon ñen bảo vệ HDPE chống tia cực tím
a) Hàm lượng hiệu quả của Carbon ñen tối thiểu là 2%
b) Cường ñộ của mẫu thử không mấy thay ñổ i sau 8 năm ñể ngoài trời.

CHƯƠNG 3.

KẾT CẤU ĐẤT CÓ CỐT – NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
VÀ NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ

3.1 Cơ sở lý thuyết
ðất vốn có khả năng chịu nén tốt nhưng khả năng chịu kéo và cắt kém. Do
vậy, việc sử dụng cốt gia cường kết hợp với các công trình ñất ñắp, hoặc chèn vào


ền
ất
ả
n ñ thiên nhiên làm tăng kh năng chịu
2323kéo và cắt cho ñất, ñể tạo ra các mái dốc
dốc hơn bình thường hoặc ñể cải thiện khả năng chịu tải của hệ kết cấu (bao gồm
ñất nền).
1

1

vr

v

3

3

1

3

3

1

h

hr

2

2

b)

a)
Hình 3.1. Tác dụng của cốt ñối với phần tử ñất
a) Không có cốt ; b) Có cốt

Hình 3.1 mô tả phần tử ñất dưới tác dụng của ứng suất nén chính
suất hạn chế nở ngang

3

1

và ứng

, gây ra biến dạng nén dọc trục và biến dạng kéo ngang.

Khi bổ sung cốt, do ñộ cứng chống kéo của cốt lớn hơn ñất nên giữa ñất và cốt ñã
có chuyển vị ngang tương ñối, tạo ra ứng suất cắt trên bề mặt tiếp xúc ñất -cốt. ứng
suất cắt này phân phối lại vào ñất dưới dạng nội ứng suất nén
ngoại ứng suất nén

3

3

bổ sung vào

. Ảnh hưởng của tương tác nội tại này làm giảm cả biến dạng

ngang và biến dạng dọc so với ñất không có cốt.


2424
Như vậy, khi các mẫu ñất có cốt và không có cốt cùng chịu một mức tải trọng
ngoài như nhau, việc bổ sung cốt ñã làm giảm biến dạng so với ñất không có cốt,

ñồng thời cải thiện ñộ bền trong ñất. Với ñất không cốt, hiện tượng trượt cắt xảy ra
khi ứng suất cắt ½(
1 ñủ

1-

3)

ñạt tới ñộ bền kháng cắt của ñất. Khi ñất có cốt, giá trị

ñể gây trượt cắt lớn hơn nhiều vì sự gia tăng

ứng suất cắt ½[

1-

3+

3)]

1 làm gia

tăng

3 kéo

theo việc

tăng tương ñối ít. Giới hạn thực tế về ñộ bền của ñất

có cốt ñược thể hiện là do lực kéo ñứt cốt hoặc sự phá hỏng do trượt giữa bề mặt
tiếp xúc ñất-cốt.
3.2 Cơ chế gia cường ñất trong tường chắn và mái dốc
Nghiên cứu cơ chế làm việc của mái ta luy, tường chắn ñất có cốt cho thấy:
nếu không gia cố cốt, mái ta luy hay tường chắn có thể bị phá hoại, khi kết hợp ñất
và cốt với nhau sẽ tạo ra ñược sự ổn ñịnh cho kết cấu. Khảo sát khối ñất ñược gia cố
cho thấy một cách rõ ràng rằng khối ñất hình thành hai vùng rõ rệt, vùng ñất hoạt
ñộng và vùng ñất giữ lại (Hình 3.2). Khi không có cốt vùng ñất hoạt ñộng sẽ không
ổn ñịnh và có xu hướng trượt khỏi vùng ñất giữ lại. Nếu ñặt những dải cốt ngang
qua vùng ñất hoạt ñộng và vùng ñất giữ lại nó sẽ tạo ra sự ổn ñịnh cho vùng ñất
hoạt ñộng. Cốt trong ñất sẽ tạo ra sự ổn ñịnh cho khối ñất theo cơ chế truyền những
lực gây mất ổn ñịnh từ vùng hoạt ñộng sang vùng giữ. Trong quá trình này các lực
kéo dọc trục bị hấp thụ hoặc bị triệt tiêu bởi các dải cốt. Bố trí số lượng cốt thích
hợp, nó sẽ hấp thụ lực kéo phát triển ở trong ñất trong vùng hoạt ñộng. Lực kéo
ñược truyền từ ñất vào cốt thông qua cơ chế tương tác ñất-cốt.

Hình 3.2. Cơ chế tương tác cốt-ñất trong sự làm việc của tường chắn và mái dốc


4040
3.3 Tường chắn bằng kết cấu ñất có cốt gia cường
Phần này ñề cập ñến các loại, các dạng tường chắn và mố cầu kết cấu ñất ñắp
có cốt gia cường như thể hiện ở Hình 3.3; Chủ yếu xem xét các loại cốt mềm (cốt
polime).
Phần này xem xét các kết cấu ñất với cốt gia cường có mặt tường thẳng ñứng
hoặc mặt tường nghiêng so với phương thẳng ñứng không quá 20o. Các mái dốc có
cốt tăng cường ñược ñề cập ở phần 3.4.
3.3.1 ðại cương
Thiết kế tường và mố ñất có cốt phải tuân theo các nguyên tắc như ñối với các
công trình chống ñỡ ñất thông thường; tuy nhiên ñòi hỏi phải xét thêm tác dụng

tương hỗ giữa ñất và cốt. ðể phù hợp, thường phải phân tích, xem xét hai vấn ñề ổn
ñịnh ngoại bộ và sự ổn ñịnh nội bộ. Phân tích ổn ñịnh ngoại bộ nhằm vào sự ổn
ñịnh cơ bản của toàn khối ñất có cốt (xem ñất và cốt là một khối ); trong khi ñó phân
tích ổn ñịnh nội bộ lại nhằm vào mọi lĩnh vực liên quan ñến cơ chế làm việc bên
trong khối ñất có cốt, xét ñến các ứng suất phát sinh trong kết cấu, xét ñến sự bố trí
và làm việc của cốt tăng cường và các tính chất của vật liệu ñắp.
Về ổn ñị nh bên ngoài khối ñất, giống như trường hợp các loại công trình chắn
ñất khác, phải tiến hành kiểm tra ổn ñịnh toàn bộ: lật, trượt, ổn ñịnh nền và phá hoại
cung trượt sâu.
Về ổn ñịnh nội bộ, các tiêu chuẩn hiện hành như BS 8006 cho phép sử dụng
hai phương pháp ñể tham khảo thiết kế là phương pháp “khối nêm cân bằng sau
tường” và phương pháp “trọng lực dính kết”.
Phương pháp khối nêm cân bằng sau tường tuân theo nguyên lý cơ bản thường
ñược sử dụng ñối với các tường chắn cổ ñiển là giả thiết phá hoại chủ ñộng của
Rankine với mặt phá hoại phẳng tạo với mặt tường thẳng ñứng góc 45o- /2. Phương
pháp này ñược ñúc rút từ việc sử dụng mọi loại cốt ñã ñược thừa nhận.
Phương pháp “trọ ng lực dính kết” áp dụng cho việc thiết kế ñối với kết cấu ñất
sử dụng cốt không dãn, dựa trên cơ sở quan trắc nhiều năm sự làm việc của kết cấu
sử dụng cốt tăng cường không dãn kết hợp với phân tích lý thuyết.


4141
-

Hình 3.3. Các ñịnh nghĩa và các loại tường hoặc mố cầu


4242
Kết cấu tường chắn ñất có cốt ñược thiết kế tuân theo hai trạng thái giới hạn:
Trạng thái giới hạn phá hoại (ULS) là trạng thái giới hạn mà trong ñó nhận

thấy những cơ chế phá hoại tiềm tàng của kết cấu và xem xét thực hiện cùng với
những hệ số trạng thái giới hạn.
Trạng thái giớ i hạn về khả năng phục vụ (SLS) là trạng thái mà trong ñó nhận
thấy giớ i hạn ñiều kiện làm việc của kết cấu và kết cấu ñược kiểm tra ñể bảo ñảm
rằng nó giữ ñược những ñặc tính cần thiết ñể thực hiện các chức năng của nó trong
suốt thời kỳ khai thác mà không cần thiết phải có những bảo dưỡng (sửa chữa) bất
thường.
Nguyên lý thiết kế theo trạng thái giới hạn bao gồm các hệ số an toàn riêng
phần. Trường hợp kết cấu ñất có cốt gồm các hệ số an toàn sau:
+ Hệ số an toàn về tải trọng.
+ Hệ số an toàn về suy giảm cường ñộ vật liệu (bao gồm cốt gia cường, ñất
ñắp, và tương tác giữa cốt và ñất).
+ Hệ số an toàn về các yếu tố sai số khác, có kể ñến mức ñộ hậu quả phá hoại
công trình.
Các trạng thái giới hạn ñược xét cho ổn ñịnh tổng thể và ổn ñịnh nội bộ công
trình.
Trạng thái giới hạn phá hoại về ổn ñịnh tổng thể bao gồm:
+ Phá hoại lật nghiêng toàn khối.
+ Phá hoại do trượt ngang (tại vị trí các lớp cốt, qua tường hay qua ñất nền)
+ Phá hoại do trượt sâu.
Trạng thái giới hạn phá hoại cục bộ bao gồm:
+ Kéo ñứt hay tuột cốt tại các vị trí mặt trượt nghiêng.
Trạng thái giới hạn sử dụng bao gồm chuyển vị ñứng và chuyển vị ngang của tường.
Việc thiết kế thường dựa trên giả thiết bài toán ứng suất phẳng hai chiều. Chỉ
xét ñến tác ñộng 3 chiều khi phải xử lí các kết cấu vừa cao vừa có mái dốc nghiêng
hoặc ñối với các kết cấu ñược xây dựng trên các mái dốc dốc.


4343
3.3.2 Các hệ số riêng phần

Lí thuyết thiết kế theo trạng thái giới hạn ñối với tường và ñất có cốt ñòi hỏi
phải tăng trọng lượng ñất và hoạt tải bằng cách nhân thêm một hệ số vượt tải thích
hợp các ñặc trưng cường ñộ của ñất cũng như cường ñộ của cốt bằng các hệ số tính
toán riêng phần thích hợp. Giá trị các hệ số riêng phần này xem thêm ở [3].
3.3.2.1 Hệ số tải trọng
Hệ số tải trọng quy ñịnh sẽ ñược nhân thêm với giá trị ñặc trưng của trọng
lượng ñất ñơn vị tuỳ thuộc vào sự thay ñổi trọng lượng riêng, thành phần cấp phối
và ñộ ñầm nén. ðối với ngoại tải, hệ số tải trọng quy ñịnh sẽ ñược nhân với giá trị
ñặc trưng của chúng ở trạng thái ban ñầu lúc chưa nhân hệ số.
3.3.2.2 Các công trình biển hoặc sông
ðối với các kết cấu ñược xây dựng ở biển hoặc sông, việc xét ñến các tải trọng
tác dụng còn phải bao gồm tác ñộng của mức nước thay ñổi, tác ñộng của thuỷ
triều, sức ñẩy nổi ñối với ñất, tác ñộng của sóng và tác ñộng của tàu bè . Phải xét
ñến tác ñộng của việc nạo vét ñối với chân tường (xem BS 6349 và BS 8002). Phải
xét ñến mức ñộ bền vững (tuổi thọ) của các cốt tăng cường và của các ñơn nguyên
mặt tường, ñặc biệt là khi chúng nằm trong vùng thuỷ triều hoặc vùng nước lên theo
mùa vào lúc nước xuống.
3.3.2.3 Các hệ số ñối với vật liệu
Ở trạng thái giới hạn phá hoại, mọi hệ số ñối với vật liệu là ñất có liên quan
ñến giá trị cực ñại của 'p, c’ và cu ñều phải có trị số lớn hơn hoặc bằng 1,0. Ở trạng
thái giới hạn sử dụng, các hệ số này ñược lấy bằng 1,0.
3.3.2.4 Các hệ số ñối với yếu tố tương tác giữa ñất và cốt tăng cường
Trong công trình tường chắn và mố cầu bằng ñất có cốt có hai yếu tố chủ yếu
dẫn ñến tác dụng tương hỗ giữa ñất và cốt tăng cường:
- ðất trượt trên bề mặt của cốt;
- Cốt bị kéo (nhổ) tuột khỏi vùng neo (vùng chịu nhổ).
Ở trạng thái giới hạn phá hoại, dựa trên cơ sở giá trị cực ñại của các chỉ tiêu về
trượt và kéo tuột, các hệ số riêng phần phải ñược lấy lớn hơn 1,0.