Bài tập lớn ổn định bờ dốc và tường chắn

BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA CÔNG TRÌNH - BỘ MÔN ĐỊA KĨ THUẬT

BÀI TẬP LỚN
MÔN HỌC ỔN ĐỊNH BỜ DỐC VÀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT

 Tổ hợp đề: L2-T09-D02

BẢNG 1. KÍCH THƯỚC TƯỜNG CHẮN LOẠI 4 – BÊ TÔNG CỐT THÉP (L4)

Kích
thước
(m)

H1

H2

B1

B2

B3

B4

B5

Góc
nghiêng
β

1.25

5.0

6.2

1.1

1.3

3.8

0.5

25

1

Ð?t d?p

2
Ðu?ng ô tô

1300

3800

Ð?t n?n

1250

1100

0

25°

500

Tải trọng
q
(KPa)

6200
500

1


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Hình 1: Bố trí tường chắn bê tông cốt thép
BẢNG 2. CHỈ TIÊU CƠ LÝ CÁC LỚP ĐẤT NỀN SỬ DỤNG TÍNH TOÁN

Lớp đất
Chỉ tiêu
γ
W
∆
e
c
φ
Sr
WL
WP
Eo

Đơn vị

Đất đắp 1

kN/m3
kN/m3
%
kPa
độ
%
%
kPa

19
19.7
2.70

15
28
-

Đất nền tự
nhiên 2
19.3
29.2
2.73
0.841
19
13
0.95
38.2
23.6
-

Đất nền tự
nhiên 3
20.1
21
2.72
0.640
27.5
22
0.89
32.9
20.4
21500

2


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

PHẦN 1:PHÂN LOẠI TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN KHI
THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN TRỌNG LỰC / TƯỜNG CHẮN BẢN GÓC

1. Phân loại tường chắn đất và nguyên tắc tính toán khi thiết kế tường chắn
trọng lực / tường bản góc
1.1. Phân loại tường chắn đất
1.1.1. Phân loại theo độ cứng
Chia làm 2 loại : tường cứng và tường mềm
-

-

Tường cứng : Không có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất mà chỉ có chuyển
vị tịnh tiến và chuyển vị xoay. Một số tường cứng thường gặp : tường bê tông
, đá hộc , gạch xây....
Tường mềm : Có biến dạng uốn khi chịu áp lực đất. Một số thường gặp :
tường làm bằng tấm gỗ , thép, tường cừ ....

1.1.2. Phân loại theo nguyên tắc làm việc
- Tường trọng lực (a) : Độ ổn định được đảm bảo chủ yếu do trọng lượng bản thân.
Các loại tường cứng thuộc tường nửa trọng lực :
- Tường nửa trọng lực (b) : Độ ổn định không chỉ được đảm bảo do trọng lượng
bản thân và bản mỏng mà còn do trọng lượng của khối đất nằm trên bản mỏng

- Tường bản góc (c) : Độ ổn định được đảm bảo do trọng lượng của khối đất đắp đè
lên bản mỏng , tường và móng là những bản , tấm bê tông cốt thép mỏng nên trọng
lượng của bản thân tường và móng không lớn . Tường bản mỏng có dạng chữ L
nên gọi là tường chữ L
- Tường mỏng (d) : Sự ổn định của loại tường này được đảm bảo bằng cách chôn
tường vào trong nền. Do đó loại tường này còn được gọi là tường cọc và tường cừ.
Để giảm bớt độ chôn sâu trong đất của tường và để tăng độ cứng của tường người
ta dùng dây neo.

3


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Hình 1.1. Các loại tường chắn theo nguyên tắc làm việc
1.1.3. Phân loại tường theo chiều cao
- Tường thấp : có chiều cao nhỏ hơn 10m
- Tường trung bình : có chiều cao H= 10-20m
- Tường cao : có chiều cao H>20m
1.1.4. Phân loại theo góc nghiêng của lưng tường.
- Tường dốc : Lại được phân thành 2 loại dốc thuận và dốc nghịch
- Tường thoải : góc nghiêng α của lưng tường lớn

Hình 1.2. Phân loại tường theo góc nghiêng
1.1.5. Phân loại theo kết cấu
- Tường liền khối : làm bằng bê tông, bê tông đá hộc, gạch xây, đá xây hay bằng bê
tông cốt thép. Tường liền khối được xây (gạch đá) hoặc đổ (bê tông, bê tông đá hộc,
bê tông cốt thép) trực tiếp trong hố móng. Hố móng phải rộng hơn móng tường

4


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

chắn một khoảng để tiện thi công và đặt ván khuôn. Móng của tường bê tông và bê
tông cốt thép liền khối với bản thân tường, còn móng của tường chắn bằng gạch đá
xây thì có thể là những kết cấu độc lập bằng đá xây hay bê tông. Mặt cắt ngang của
tường liền khối rất khác nhau.
-Tường lắp ghép : gồm các cấu kiện bằng bê tông cốt thép đúc sẵn lắp ghép lại với
nhau theo những sơ đồ kết cấu định sẵn. Cấu kiện đúc sẵn thường là những thanh
hoặc những tấm không lớn (thường dưới 3m) để tiện vận chuyển.
- Tường rọ đá : gồm các rọ đá nối ghép lại với nhau . Những rọ đá bằng lưới sắt
hoặc lưới pôlime được xếp từng lớp, kết nối với nhau rồi xếp đá hộc vào tường rọ.
Để đất hạt mịn của đất nền và đất đắp không xàm nhập vào đá hộc trong rọ,
thường để một lớp vải địa kĩ thuật ngăn cách đáy tường và lưng tường với đất nền
và đất đắp
- Tường đất có cốt : là dạng tường hiện đại của các bao tải đâì chất đống thô sơ của
nhân dân. Tường chính là mặt bì (da) làm bằng các tấm kim loại hoặc bê tông cốt
thép. Mặt bì được nối với các dải kim loại hoặc pôlime chôn từng lớp trong đất đắp
sau tường.
1.2. Nguyên tắc tính toán khi thiết kế tường chắn trọng lực / tường chắn bản
góc
Theo Tiêu chuẩn 9152: 2012
Nếu trên suốt chiều dài tường: kích thước mặt cắt ngang, đặc trưng cơ lý của đất
nền và đất sau tường, tải trọng và tác động là những trị số không đổi, cho phép tính
toán tường chắn trên 1 m dài.
Nếu tỷ số giữa chiều dài tuyến và chiều rộng mặt đáy nhỏ hơn 3 hoặc nếu như dọc

theo chiều dài mà khuôn khổ, kích thước tường, đặc trưng cơ lý của đất nền và đất
sau tường hoặc tải trọng và tác động là những trị số biến đổi (thí dụ như sự chất
đống tàu thuyền, ứng lực do neo buộc) thì cần tính toán theo từng đoạn tường
(theo sơ đồ không gian). Khi tính như vậy, những ứng lực tác dụng lên tường chắn
và đặc trưng hình học của kết cấu (diện tích nền, mô men quán tính của tiết diện
v.v…) nói chung được xác định đối với từng đoạn tường còn tính toán khả năng chịu
tải của kết cấu và nền thì cần kể đến khả năng làm việc không gian của kết cấu.
Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất về khả năng chịu tải (theo ổn định
và độ bền) cần được thực hiện theo tổ hợp tải trọng và tác động bất lợi nhất có thể
xảy ra trong giai đoạn sử dụng, sửa chữa cũng như trong quá trình xây dựng

5


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai - theo biến dạng - cần được thực
hiện đối với tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn phản ảnh điều kiện làm việc của tường
chắn hoặc những thiết bị có trên tường mà theo đó xác định được giới hạn biến
dạng của tường chắn (lún, cong).

6


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

PHẦN 2: TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN ĐẤT TRỌNG LỰC

2.1. Tổ hợp tải trọng tại trọng tâm đáy móng
2.1.1. Áp lực đứng lên tường chắn (tính toán trên 1m tường)

W5

25°

500

1
Ðat dap

1

4

W1

W4

W2

2
Duong oto

1100

1300

3800

Dat nen

1250

2

3

W3

6200
500

Áp lực thẳng đứng do trọng lượng bản thân tường chắn (tính toán trên 1 mét
tường)
W1 = b1 × h1 × γ bt = 0.5 × 5 × 24 = 60( kN )
1)

W2 = 0.5 × b2 × h2 × γ bt = 0.5 × (1,3 − 0.5) × 5 × 24 = 48( kN )

2)

7


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

W3 = b3 × h3 × γ bt = 1.25 × 6.2 × 24 = 186(kN )
3)

Áp lực thẳng đứng do khối đất đè lên móng tường (tính toán cho 1 mét tường)
W4 = b4 × h4 × γ 1 = 3.8 × 5 ×19 = 361(kN )
4)

W5 = 0,5 × b5 × h5 × γ 1 = 0,5 × 3.8 × tan 25o × 3.8 × 19 = 16.83( kN )
5)

2.1.2. Áp lực ngang chủ động
- Ta giả định phần đất đắp trên bệ móng sau lưng tường cũng là một phần
của tường chắn. Khi đó ta có lưng tường thẳng đứng coi như nhẵn.
- Quy phần tải trọng do đất đắp bên trên tường chắn về tải trọng rải đều
sau lưng tường chắn.

8


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

5000

qo

1250

3800

6200
Chiều cao lớp đất tương đương quy đổi là:
htd =

So 0.5 × 3.8 × 3.8 × tan 25o
=
= 0.886(m)
b
3.8

Tải trọng rải đều của lớp đất tương đương là:
qo = htd × γ 1 = 0.886 ×19 = 16.834( kN / m)

Hệ số áp lực đất chủ động:
K a = tan 2 (45o −

ϕ1
28o
) = tan 2 (45o −
) = 0.36
2
2

9


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Cường độ áp lực đất chủ động là:
pa = γ K a z + qK a − 2c1 K a

Với z = 0 đến 6.25m
 Tại zo = 0 m

=> pa = qo K a − 2c1 K a = 16.834 × 0.36 − 2 × 15 × 0.36 = −11.94 ( kN / m 2 )

 Tại z1 = 6.25 m

=> pa = γ K a z + qo K a − 2c1 K a = 19 × 0.36 × 6.25 + 16.834 × 0.36 − 2 ×15 × 0.36 = 30.81( kN / m 2 )

Chiều sâu (hc) mà tại đó biểu đồ Pa = 0 là:
hc =

2c1 K a − qo K a 2 ×15 × 0.36 − 16.834 × 0.36
=
= 1, 746(m)
γ 1K a
19 × 0.36

2.1.3. Áp lực ngang bị động
Pp = 0
2.1.4. Tính toán các giá trị áp lực ngang EH
qo

4504

5000

1746

11.94

3800

1250

EH

30.81
6200

Biểu đồ áp lực đất

10


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Trị số áp lực đất ngang EH: (Tính với diện tích biểu đồ dương)
EH = 0,5 x 4.504 x 30.81 = 69.38(kN)
Điểm đặt của EH cách chân tường một đoạn :
1
1

ta = ( H1 + H 2 − hc ) = (1.25 + 5 − 1.746) = 1.5( m)
3
3

2.1.5. Tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn sử dụng
V = W1 + W2 + W3 + W4 + W5
= 60 + 48 + 186 + 361 + 16.83
= 671.83 (kN)
H = EH = 69.38 (kN)
Lấy momen với trọng tâm đáy móng :
M = W1.e1 + W2.e2 + W3.e3 - W4.e4 - W5.e5 + EH.e5

M = 60 x 0.95 + 48 x 1.47 + 186x 0 - 361 x 1.2 – 16.83 x 1.83 +69.38x 1.5
= -232.37 (kN.m)
2.1.6.Tổ hợp tải trọng theo TTGH cường độ
Ta lập bảng như sau:
Thành phần tải Giá trị thành phần
trọng
tải trọng
W1
60
W2
48
W3
186
W4
361
W5
16.83
EH

69.38
Tổ hợp tải trọng cường độ:

Hệ số tải trọng
(n)
1,25
1,25
1,25
1,35
1,35
1,5

Trị số
75
60
232.5
487.35
22.7205
104.07

V= 75+60+232.5+487.35+22.7205 =877.57 (kN)
EH= 104.07 (kN)
M= -301.84 (kN.m)

11


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

2.2. Tổ hợp tải trọng tại trọng tâm thân tường.
2.2.1. Áp lực đứng lên tường chắn (tính toán trên 1m tường)

W5

25°

500

1
Ðat dap

1

4

W1

W4

W2

2
Duong oto

1100

1300

3800

Dat nen

1250

2

3

W3

6200
500

Áp lực thẳng đứng do trọng lượng bản thân tường chắn (tính toán trên 1 mét
tường)
W1 = b1 × h1 × γ bt = 0.5 × 5 × 24 = 60( kN )
1)
2)

W2 = 0.5 × b2 × h2 × γ bt = 0.5 × (1,3 − 0.5) × 5 × 24 = 48( kN )
W3 = b3 × h3 × γ bt = 1.25 × 6.2 × 24 = 186(kN )

3)

Áp lực thẳng đứng do khối đất đè lên móng tường (tính toán cho 1 mét tường)
W4 = b4 × h4 × γ 1 = 3.8 × 5 ×19 = 361(kN )
4)

W5 = 0,5 × b5 × h5 × γ 1 = 0,5 × 3.8 × tan 25o × 3.8 ×19 = 16.83( kN )
5)

12


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

2.2.2. Áp lực ngang chủ động
- Ta giả định phần đất đắp trên bệ móng sau lưng tường cũng là một phần
của tường chắn. Khi đó ta có lưng tường thẳng đứng coi như nhẵn.
- Quy phần tải trọng do đất đắp bên trên tường chắn về tải trọng rải đều
sau lưng tường chắn.

5000

qo

1250

3800

6200
Chiều cao lớp đất tương đương quy đổi là:
So 0.5 × 3.8 × 3.8 × tan 25o
htd =
=
= 0.886(m)

b
3.8

13


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Tải trọng rải đều của lớp đất tương đương là:
qo = htd × γ 1 = 0.886 ×19 = 16.834( kN / m)

Hệ số áp lực đất chủ động:
K a = tan 2 (45o −

ϕ1
28o
) = tan 2 (45o −
) = 0.36
2
2

Cường độ áp lực đất chủ động là:
pa = γ K a z + qK a − 2c1 K a

Với z = 0 đến 5m
 Tại zo = 0 m

=> pa = qo K a − 2c1 K a = 16.834 × 0.36 − 2 × 15 × 0.36 = −11.94 ( kN / m 2 )

 Tại z1 = 5 m

=> pa = γ K a z + qo K a − 2c1 K a = 19 × 0.36 × 5 + 16.834 × 0.36 − 2 × 15 × 0.36 = 22.26( kN / m 2 )

Chiều sâu (hc) mà tại đó biểu đồ Pa = 0 là:
hc =

2c1 K a − qo K a

γ 1K a

=

2 ×15 × 0.36 − 16.834 × 0.36
= 1, 746(m)
19 × 0.36

2.2.3. Áp lực ngang bị động
Pp = 0
2.2.4. Tính toán giá trị áp lực ngang EH

14


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

qo

3254

5000

1746

11.94

1085

3800

1250

22.26

6200

1
× 22.26 × (5 − 1.746) = 36.22kN
2

EH=
1
1
ta = × ( H 2 − hc ) = × (5 − 1.746) = 1.085(m)
3
3

Điểm đặt của EH cách chân tường 1 đoạn
2.2.5.Tổ hợp tải trọng theo TTGH sử dụng
V = W1 + W2 + W3 + W4 + W5
= 60 + 48 + 186 + 361 + 16.83
= 671.83 (kN)
H = EH = 36.22 (kN)
Lấy momen với trọng tâm đáy móng :
M = W1.e1 - W2.e2 + W3.e3 +W4.e4 + W5.e5 + EH.e5

M = 60 x 0.48 - 48 x 0.463 + 186x 1.08 + 361 x 2.38 + 16.83 x 3.013 +69.38x 1.085
= 1192.6 (kN.m)
15


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

2.2.6.Tổ hợp tải trọng theo TTGH cường độ
Ta lập bảng như sau:
Thành phần tải Giá trị thành phần
trọng
tải trọng
W1
60
W2
48
W3
186
W4

361
W5
16.83
EH
69.38
Tổ hợp tải trọng cường độ:

Hệ số tải trọng
(n)
1,25
1,25
1,25
1,35
1,35
1,5

Trị số
75
60
232.5
487.35
22.7205
104.07

V= 75+60+232.5+487.35+22.7205 =877.57 (kN)
EH= 104.07 (kN)
M= 1192.6 (kN.m)

2.3 Kiểm toán lật theo trạng thái GHCĐ
qo

11.94
E1

5668

5000

1

3800

E2
1250

1250

1501

2

30.81
6200

16


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Bảng tổng hợp momen chống lật và momen lật đối với mũi tường chắn (điểm
A)
Bảng momen chống lật
Tên
W1
W2
W3
W4
W5

Lực / 1 mét tường
(kN)
60
48
186
361
16.83
Tổng momen

Cánh tay đòn
(m)
2.15
1.633
3.1
4.3
4.933

Momen / 1 mét
tường (kN.m)
129

78.384
576.6
1552.3
83.02
2419.304

Bảng momen lật
Tên
E2

Lực / 1 mét tường
(kN)
69.38
Tổng momen

Cánh tay đòn
(m)
1.501

Momen / 1 mét
tường (kN.m)
104.14
104.14

Kiểm tra momen chống lật quanh điểm A:
HSATlat = FSlat =

momenchonglat 2419.304
=
= 23.23 > 2

momenlat
104.14

Vậy, tường chắn ổn định chống lật quanh điểm A.
Tổng momen:
Mnet = Mchonglat – Mlat = 2478.4 – 104.14 = 2374.26 (kN.m)
2.4. Kiểm toán ổn định trượt theo TT GHCĐ
•

Lực chống trượt thống kê: (tổng lực theo phương thẳng đứng)

Rv = W1 + W2 + W3 + W4 + W5
= 75+60+232.5+487.35+22.7205
= 877.57 (kN)

17


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn
•

Bộ môn Địa kỹ thuật

Lực xô ngang thống kê: (tổng lực theo phương ngang)

Rh = E2 = 69.38 (kN)
HSATtruotngang = FStruotngang =

Rv
877.57 2

× tan δ =
× tan 28o = 4.45 > 1,5
Rh
69.83 3

Vậy, tường chắn ổn định trượt ngang.
2.5. Kiểm toán áp lực lên đất nền theo TT GHCĐ
Độ lệch tâm e :
e=

M 301.84 × 106
=
= 343.95( mm)
V 877.57 ×103

Các kích thước có hiệu của đáy móng là:
L’= L = 1000 (mm) (xét với 1m dài )
B’= B – 2.e = 6200 – 2 x 343.95 = 5512.1 (mm)
Khi đó, sức kháng đỡ danh định của đất sét bão hòa được tính theo công thức:
qult = cN cm + gγ 3 D f N qm × 10−9 ( MPa )

Trong đó:
Df

+ Ta có:

B'

=

1250
= 0.227 < 2,5
5512.1

;

B ' 5512.1
=
= 0 <1
L'
∞

;

H 104.07
=
= 0,12 < 0, 4
V 877.57

+ Nc = 5 cho nền đất tương đối bằng
Df

⇒ N cm = N c × 1 + 0, 2
B'


 
B' 
H
÷× 1 + 0, 2 ÷× 1 − 1,3 ÷

L'  
V 
 

= 5 × ( 1 + 0.2 × 0.227 ) × ( 1 + 2 × 0 ) × ( 1 − 1,3 × 0,12 ) = 4.41

Ta có: Nqm = 1 lấy cho nền đất tương đối bằng
c = Su = 0.03MPa

18


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

qult = 0.03 × 5 + 9.81× 2010 ×1250 × 1× 10−9 = 0.153( MPa)


Kiểm tra điều kiện sức kháng đỡ của đất nền:
qR . A' = ϕb .qult . A' = 0.6 × 0.153 ×1000 × 5512.1 = 506011( N )

Lại có: V=877.57kN = 877570 N
=> qR . A' < V

Kết luận : đất nền không đủ khả năng chịu tải.
2.8. Kiểm toán lún nền đất theo TT GHSD
Độ lún dưới đáy móng:
S=

Hc
σ + ∆σ z'
× Cc × log bt
1 + eo
σ bt

Trong đó: Hc : Chiều dày của lớp đất chịu nén
∆σ

'
z

∆σ z' = ki

: Độ tăng ứng suất do tải trọng ngoài gây ra;

V
Fi

V = 671.83 (kN)
Fi = (B’ + a)(L’ + a) = (5.5121 + a)(1 + a) (m2)
a là chiều sâu tính từ đáy móng tới giữa lớp tính lún H c
ki phụ thuộc tỉ số Z/B’ và L’/B’ (móng băng)
σ bt = γ 3 .a

;

γ 3 = 20.1(kN / m 3 )

cc = 0,12 (MPa)

eo = 0,64
Chia nền đất thành các lớp đất có chiều dày h = 1m. Tính lún với trọng tâm từng
lớp đất.

19


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Ta lập được bảng tính lún sau :

Z (m)

Hc (m)

a (m)

σ bt

Z/B’

ki

0

0

0

0

0

1

1

0,5

10.05

0.18

2

1

1,5

30.15

0.36

3

1

2,5

50.25

0.54

0
0.093
6
0.187
2
0.280
1

∆σ z'

Tổng

(kN/
m2 )
0

σ bt / σ z'

Sc (m)
0

6.973

1.441

0.017

7.174

4.2

0.007

6.711

7.49

0.004
0.028

Từ chiều sâu Z = 3m, lún không đáng kể.
Kết luận: Lún của móng tường là Sc = 0,028 m = 28 mm

20


BTL_Ổn định bờ dốc và tường chắn

Bộ môn Địa kỹ thuật

Ta thấy
Fs = 3.624 > 1.4
 Tường chắn ổn định trượt tổng thể.

21