Nghiên cứu giải pháp tường chắn đất có cốt cho tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ áp dụng cho tràn vĩnh trinh quảng nam

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả
nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được người nào cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.

Học viên

Lê Hồng Hiển

i


LỜI CẢM ƠN
Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Hồ Sỹ Tâm và TS. Nguyễn Phương
Dung, người đã dành nhiều thời gian hướng dẫn và vạch ra những định hướng khoa
học cho luận văn.
Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, được sự nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ
của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thủy lợi, bằng sự nỗ lực cố gắng học tập,
nghiên cứu và tìm tịi, tích lũy kinh nghiệm thực tế của bản thân đến nay đề tài
“Nghiên cứu giải pháp tường chắn đất có cốt cho tường cánh thượng lưu tràn tháo
lũ – áp dụng cho tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam” đã được học viên hoàn thành đúng
thời hạn quy định.
Học viên xin cảm ơn các thầy, cô giáo ở bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình, các
thầy cơ giáo ở khoa Sau đại học đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong suốt
thời gian học viên học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này. Cuối cùng
học viên xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Gia đình và những người thân đã luôn ủng
hộ và động viên học viên hoàn thành luận văn này.
Do hạn chế về thời gian và kiến thức khoa học nên luận văn khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót. Học viên rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành
giúp học viên hoàn thiện hơn đề tài của luận văn.
Hà Nội, ngày 19 tháng 03 năm 2018

Học viên

Lê Hồng Hiển

ii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................1
2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ................................................................................2
3. Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .................................................................2
4. Kết quả đạt được .......................................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT ................................................3
1.1. Khái qt về cơng nghệ đất có cốt ở Việt Nam và trên thế giới ..............................3
1.1.1. Sự ra đời của cơng nghệ đất có cốt và tường chắn đất trên thế giới .....................3
1.1.2 Tổng quan về cơng nghệ đất có cốt ở Việt Nam ....................................................7
1.2. Các nguyên lý đất có cốt về mặt cơ học ...................................................................9
1.2.1. Nguyên lý cơ bản của đất có cốt............................................................................9
1.2.2. Cấu tạo tường chắn đất có cốt .............................................................................14
1.3. Các phương pháp tính tốn ổn định và ứng suất biến dạng tường chắn đất ..........19
1.3.1. Các phương pháp tính tốn ổn định tổng thể của tường chắn .............................19
1.3.2. Các phương pháp tính tốn ứng suất biến dạng của tường chắn đất có cốt ........30
1.4. Triển vọng áp dụng cho cơng trình thủy lợi ...........................................................40
Kết luận chương I ..........................................................................................................41
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG
SUẤT BIẾN DẠNG TƯỜNG ĐẤT CÓ CỐT ..............................................................42
2.1. Cơ sở lý thuyết tính tốn ổn định ...........................................................................42
2.1.1. Ổn định ngoài ......................................................................................................42
2.1.2. Ổn định trong .......................................................................................................48

2.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn ứng suất biến dạng .........................................................58
2.2.1. Bài tốn đàn hồi tuyến tính ..................................................................................58
2.3. Giới thiệu về chương trình phần mềm plaxis .........................................................63
2.4. Khả năng áp dụng cho công trình thủy lợi .............................................................65
Kết luận chương II .........................................................................................................66
CHƯƠNG 3:

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CHO

TƯỜNG ĐẤT CÓ CỐT ÁP DỤNG CHO CƠNG TRÌNH THỦY LỢI ......................67
3.1. Xây dựng bài tốn mẫu...........................................................................................67
3.2. Kết quả tính tốn ổn định .......................................................................................70
3.2.1. Ảnh hưởng của chiều cao tường ..........................................................................70
iii


3.2.2. Ảnh hưởng của chiều dài cốt ............................................................................... 71
3.2.3. Ảnh hưởng của cường độ đất đắp ....................................................................... 74
3.2.4. Ảnh hưởng của khoảng cách đặt cốt ................................................................... 75
3.3. Kết quả tính toán ứng suất biến dạng ..................................................................... 76
3.3.1. Biến dạng ............................................................................................................. 76
3.3.2. Chuyển vị ............................................................................................................ 79
3.4. Các trường hợp gây bất ổn định tường cánh thượng lưu ....................................... 80
3.4.1. Thi công đất đắp ở ngang cao trình đỉnh tường .................................................. 80
3.4.2. Trường hợp cơng trình vận hành bình thường, hồ ở MNDBT............................ 82
3.4.3. Trường hợp chênh lệch mực nước trong và ngoài tường .................................... 84
Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 87
CHƯƠNG IV: ÁP DỤNG TÍNH TỐN CHO TRÀN VĨNH TRINH -QUẢNG NGÃI 88
4.1. Giới thiệu chung về cơng trình ............................................................................... 88
4.1.1. Vị trí địa lý .......................................................................................................... 88

4.1.2. Đặc điểm địa hình địa mao .................................................................................. 88
4.1.3. Đặc điểm khí tượng thủy văn .............................................................................. 88
4.1.4. Địa chất thủy văn................................................................................................. 89
4.2. Thiết kế chi tiết cho tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ hồ Vĩnh Trinh – Quảng
Ngãi bằng phương pháp tường chắn đất có cốt ............................................................. 89
4.2.1. Các thông số đầu vào ......................................................................................... 89
4.2.2. Xác định các thông số cơ bản của tường chắn .................................................... 91
4.2.3. Các trường hợp tính tốn ..................................................................................... 92
4.3. Phân tích và nhận xét kết quả tính tốn ổn định và ứng suất ................................. 94
4.3.1. Cơng trình vừa xây dựng xong ............................................................................ 94
4.3.2. Cơng trình hoạt động đến mực nước dâng bình thường (MNDBT) ................... 98
4.3.3. Chênh lệch mực nước trong và ngoài tường lớn nhất ....................................... 101
Kết luận chương IV ..................................................................................................... 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 100
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 102

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1- 1: Minh họa về ngun lý đất có cốt (Vidal,1963) ............................................4
Hình 1- 2:Một số cơng trình áp dụng cơng nghệ đất có cốt cho cơng trình thủy lợi trên
thế giới .............................................................................................................................7
Hình 1- 3: Đường vành đai 2–Hà Nội .............................................................................9
Hình 1- 4: Tường chắn đầu cầu Cam Lâm ......................................................................9
Hình 1- 5: Tường chắn đất cao 21m tại Đồi Ba Đèo – Quảng Ninh ...............................9
Hình 1- 6 Mơ phỏng sắp xếp hạt đất và cốt ...................................................................10
Hình 1- 7: Tác dụng của cốt đối với đất với đất ............................................................11
Hình 1- 8: Cốt dạng khung, dạng lưới bằng thép tròn tạo ra sức cản bị động của đất

nhờ có các thanh cốt bố trí vng góc với phương truyền lực PRp...............................12
Hình 1- 9: Cơ cấu truyền lực thơng qua ma sát giữa cốt và đất ....................................12
Hình 1- 10: Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một cơng trình tường chắn có cố.......14
Hình 1- 11: Cấu tạo chi tiết liên kết giữa tấm mặt tường với cốt ..................................17
Hình 1- 12: Bố trí thốt nước đỉnh tường (cao đến vai đường).....................................18
Hình 1- 13: Bố trí thốt nước từ các vết lệ nước ngầm sau tường ................................19
Hình 1- 14: Sơ đồ cung trượt và lực tác dụng lên thỏi đất thứ i ....................................20
Hình 1- 15: . Sơ đồ lực theo PP Fellenius .....................................................................22
Hình 1- 16: Sơ đồ lực tính tốn theo PP Bishop đơn giản ............................................23
Hình 1- 17 :Sơ đồ lực tính tốn theo PP Spencer .........................................................23
Hình 1- 18: Sơ đồ lực tính tốn theo phương pháp Janbu .............................................26
Hình 1- 19 Sơ đồ lực tính tốn theo phương pháp Janbu ..............................................28
Hình 1- 20: Sơ đồ thí nghiệm nén đẳng ứng suất ..........................................................31
Hình 1- 21: Những ứng suất dọc trục ............................................................................32
Hình 1- 22: Biến dạng phẳng dưới tường chắn .............................................................33
Hình 1- 23: Nén một trục...............................................................................................33
Hình 1- 24: Xác định cắt đơn và cắt thuần túy ..............................................................35
Hình 1- 25: Các vịng trịn Morh đối với cắt thuần túy .................................................36
Hình 2- 1 Sơ đồ tính tốn tổng thể mặt ngồi (mặt đất nằm ngang) ............................43
Hình 2- 2: Sơ đồ tính tốn tổng thể mặt ngoài (mặt đất dốc đều) .................................44

v


Hình 2- 3: Sơ đồ tính tốn tổng thể mặt ngồi (mặt đất gãy khúc) ............................... 44
Hình 2- 4: Mơ hình phá hoại của khối đất có cốt .......................................................... 50
Hình 2- 5 Các lực tác dụng và sơ đồ tính tốn Tj ......................................................... 52
Hình 2- 6: Sơ đồ trình tự giải bài tốn bằng phương pháp PTHH ................................ 62
Hình 2- 7: Sơ đồ tường cánh thượng lưu tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam ..................... 65
Hình 3 - 1: Mơ hình tường chắn đất có cốt ................................................................... 67

Hình 3 - 2: Mơ hình neo bên trong tường chắn đất có cốt ............................................ 68
Hình 3 - 3: Lưới phần tử của tường có cốt .................................................................... 69
Hình 3 - 4: Các giai đoạn thi cơng tường có cốt có chiều cao Hmax =15m ................. 69
Hình 3 - 5: Quan hệ Hi/Hmax với Ti/Tmax .................................................................. 70
Hình 3 - 6: Quan hệ giữa hệ số an toàn Fs, lực kéo Tmax với chiều cao tường H ....... 71
Hình 3 - 7: Ảnh hưởng của cường độ đất đắp ( tường cao 15m) .................................. 72
Hình 3 - 8: Mơ hình bố trí cốt theo chiều dài hố móng ................................................. 73
Hình 3 - 9: T max huy động theo chiều cao tường........................................................... 73
Hình 3 - 10: Ảnh hưởng của cường độ đất đắp (tường cao 15m) ................................. 74
Hình 3 - 11: Ảnh hưởng của bước cốt b (tường cao 10m) ............................................ 76
Hình 3 - 12: Phổ biến dạng góc ε xy trong tường cao 15m (%) ..................................... 77
Hình 3 - 13: Phổ biến dạng ngang ε x trong tường cao 15m (%) ................................... 77
Hình 3 - 14: Phổ biến dạng đứng ε y trong tường cao 15m (%) .................................... 78
Hình 3 - 15: Phương biến dạng cắt lớn nhất γ max trong tường ..................................... 78
Hình 3 - 16: Lưới biến dạng tường chắn đất ................................................................. 79
Hình 3 - 17: Vector chuyển vị toàn phần tường cao 15m ............................................. 79
Hình 3 - 18: Chuyển vị đứng của trường hợp thi cơng đến cao trình đỉnh tường ......... 80
Hình 3 - 19: Chuyển vị ngang của trường hợp thi cơng đến cao trình đỉnh tường ....... 80
Hình 3 - 20: Biến dạng tổng của trường hợp thi công đến cao trình đỉnh tường .......... 81
Hình 3 - 21: Hệ số ổn định giai đoạn thi cơng đến cao trình đỉnh tường K = 1,6518... 81
Hình 3 - 22: Chuyển vị đứng của trường hợp vận hành ................................................ 82
Hình 3 - 23: Chuyển vị ngang của trường hợp vận hành .............................................. 82
Hình 3 - 24: : Biến dạng tổng của trường hợp vận hành ............................................... 83
Hình 3 - 25: Hệ số an toàn của trường hợp vận hành K = 2,1903 ................................ 83
Hình 3 - 26: Chuyển vị đứng của trường hợp chênh lệch mực nước ............................ 84
vi


Hình 3 - 27: Chuyển vị ngang của trường hợp chênh lệch mực nước ..........................85
Hình 3 - 28: Ứng suất tổng của trường hợp chênh lệch mực nước ...............................85

Hình 3 - 29: Hệ số an toàn trường hợp chênh lệch mực nước K = 1,5755 ................... 86
Hình 4 - 1: Mặt cắt đứng tràn Vĩnh Trinh – Quảng Nam ..............................................90
Hình 4 - 2: Mơ hình neo bên trong tường chắn đất có cốt ............................................91
Hình 4 - 3: Sơ đồ tính tốn chiều sâu chơn móng .........................................................92
Hình 4 - 4: Sơ đồ tính tốn ............................................................................................93
Hình 4 - 5: Lưới phần tử hữu hạn ..................................................................................94
Hình 4 - 6: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,5m ........................................................94
Hình 4 - 7: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,75m ......................................................95
Hình 4 - 8: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 1,0 m .......................................................95
Hình 4 - 9: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài
cốt ..................................................................................................................................96
Hình 4 - 10: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài
cốt ..................................................................................................................................97
Hình 4 - 11: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,50 m ...................................................98
Hình 4 - 12: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,75 m ...................................................98
Hình 4 - 13: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 1,0 m .....................................................99
Hình 4 - 14: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài
cốt ................................................................................................................................100
Hình 4 - 15: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài
cốt ................................................................................................................................100
Hình 4 - 16: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,50 m .................................................101
Hình 4 - 17: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 0,75 m .................................................101
Hình 4 - 18: Chuyển vị tổng trường hợp S v = 1 m ......................................................102
Hình 4 - 19: Biếu đề quan hệ giữa hệ số an toàn Fs của khoảng cách cốt với chiều dài
cốt ................................................................................................................................103
Hình 4 - 20: Biếu đề quan hệ giữa chuyển vị tổng của khoảng cách cốt với chiều dài
cốt ................................................................................................................................103

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Tổng số đại lượng các lực tác dụng lên khối trượt gồm n thỏi đất ............... 21
Bảng 3. 1 Chỉ tiêu cơ lý của đất .................................................................................... 68
Bảng 3. 2: Hệ số an toàn của các trường hợp L khác nhau ........................................... 73
Bảng 3. 3: Kết quả tính tốn ổn định và chuyển vị của 3 trường hợp........................... 86
Bảng 4- 1 Đặc trưng về nền đất và đất đắp ................................................................... 90
Bảng 4- 2 Chiều sâu chân tường ................................................................................... 92
Bảng 4- 3: Bảng tổng hợp kết quả tính tốn hệ số ổn định Mfs của tường................... 96
Bảng 4- 4 :Bảng tổng hợp kết quả của chuyển vị tổng U (đơn vị m) ........................... 96
Bảng 4- 5: Bảng tổng hợp kết quả tính tốn hệ số ổn đinh Mfs của tường................... 99
Bảng 4- 6: Bảng tổng hợp kết quả của chuyển vị tổng U (đơn vị m) ........................... 99
Bảng 4- 7: Bảng tổng hợp kết quả tính tốn hệ số ổn đinh Mfs của tường................. 102
Bảng 4- 8: Bảng tổng hợp kết quả của chuyển tổng U (đơn vị m) ............................. 102

viii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay việc áp dụng công nghệ mới là hướng đi phù hợp với xu thế của thời đại. Do
đó có nhiều giải pháp kỹ thuật tiên tiến về vật liệu, giải pháp thi công của tường chắn
đã được đưa vào áp dụng trong việc xử lý phòng chống sạt trượt đất và gia cố mái đất
ở Việt Nam. Một trong những phương pháp đó là giải pháp tường chắn đất có cốt.
Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất vẫn dùng đất thiên nhiên để xây dựng
cơng trình nhưng trong đất có bố trí các lớp cốt bằng vật liệu chịu được lực kéo theo
các hướng nhất định, thơng qua sức neo bám (do ma sát, dính và neo bám) giữa đất với
vật liệu cốt mà loại vật liệu tổ hợp đất có cốt này có khả năng chịu kéo (giống như vật
liệu bê tơng cốt thép có khả năng chịu kéo, trong đó bản thân bê tơng chịu kéo kém).
Tại Việt Nam tường chắn đất có cốt được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực giao thông

như xây dựng đường lên cho cầu vượt cạn, sân bay, cầu cảng… và xây dựng dân dụng
như: gia cố mái dốc có cốt, gia cố nền móng có cốt…
Đất có cốt đã được sử dụng cho một số cơng trình Thủy Lợi tại trên thế giới. Nhưng
tại Việt Nam công nghệ đất có cốt áp dụng trong cơng trình thủy lợi còn hạn chế như
đắp đê, đập tại những nơi có điều kiện địa chất xấu hoặc kè bảo vệ sơng, kênh và bờ
biển. Tuy nhiên hình thức tường chắn đất có cốt chưa được áp dụng cho cơng trình
tháo lũ, vì theo suy nghĩ chung thì cơng trình tháo lũ thường chịu tác động bởi dịng
chảy có lưu tốc lớn. Điều này hoàn toàn đúng với ngưỡng tràn, dốc nước, bậc nước
hay bể tiêu năng. Với tường cánh thượng lưu tràn tháo lũ, do mặt cắt ướt lớn hơn nên
lưu tốc thường có giá trị nhỏ hơn các bộ phận khác dẫn đến khả năng áp dụng tường
chắn đất có cốt cho vị trí này là khả dĩ nhất. Cùng với đó, khi sửa chữa, nâng cấp
tường cánh thượng lưu hay phải mở rộng tràn để đảm bảo an toàn tháo lũ, khối lượng
đào, đắp đất thường rất lớn nếu sử dụng giải pháp tường bê tông hay đá xây truyền
thống. Việc áp dụng giải pháp tường có cốt trong trường hợp này nhằm đáp ứng các
nhu cầu ổn định của tường chắn đất, giảm khối lượng đào, đắp do phạm vi mở móng
nhở hơn so với các hình thức truyền thống; phù hợp với điều kiện nền yếu nhưng vẫn
1


đảm bảo chiều cao của tường cánh và kênh dẫn; rút ngắn thời gian thi cơng vì khơng
mất thời gian đổ bê tông, đợi bê tông ninh kết. Thực tế tường đất có cốt đã được sử
dụng cho cơng trình giao thông và dân dụng vấn đề đặt ra khi áp dụng tường đất có cốt
cho cơng trình thủy lợi nói chung và tường cánh cửa vào tràn nói riêng là ảnh hưởng
của hiện tượng thay đổi mực nước ngầm trong đất cũng như ảnh hưởng của lưu tốc
dòng chảy đến ứng suất – biến dạng và ổn định của tường. Đấy là những vấn đề mà
nghiên cứu này phải trả lời bằng cách khảo sát, tính tốn ổn định và ứng suất sử dụng
các phần mềm tính tốn như Plaxis. Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng cho một cơng
trình cụ thể.
2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tính tốn ổn định và ứng suất biến dạng cho

tường đất cố cốt áp dụng cho tường cánh và kênh dẫn dòng; áp dụng cho tường cánh
thượng lưu hồ Vĩnh Trinh - Quảng Nam
-

Phạm vi nghiên cứu: Tính tốn ổn đinh, ứng suất biến dạng của tường chắn đất có

cốt áp dụng cho tường cánh của vào tràn tháo lũ chịu tác động của sự thay đổi mực nước
ngầm trong quá trình làm việc của tràn.
3. Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin : Thu thập tài liệu hiện có liên quan đến thiết kế
tường đất có cốt.
- Phương pháp nghiên cứu trên mơ hình số: Nghiên cứu sử dụng các phần mềm địa kỹ
thuật có khả năng giải quyết các bài tốn liên quan đến đất có cốt như : Plaxis,
GeoStudio 2007.
4. Kết quả đạt được
- Đưa ra được đánh giá về ổn định của tường đất có cốt áp dụng cho cơng trình thủy lợi
-

Đưa ra được đánh giá về ứng suất biến dạng của tường đất có cốt áp dụng cho cơng

trình thủy lợi
-

Áp dụng tính tốn cho tường hướng dịng phía thượng lưu tràn Vĩnh Trinh – Quảng

Nam
2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT
Kết cấu đất có cốt là loại kết cấu bao gồm đất đầm chặt kết hợp với các lớp gia cố (tre,
gỗ, cao su, kim loại, vải, lưới địa kỹ thuật…) có kích thước và mật độ nhất định, đặt
theo những hướng có tính tốn trước để tăng khả năng chịu lực của kết cấu. Sự làm
việc đồng thời giữa đất và cốt thơng qua ma sát có thể đem lại hiệu quả vì đã phát huy
sức chịu nén , chịu cắt vốn có của đất và sức chịu kéo cao của cốt.
- Trải qua thực tế nghiên cứu và sử dụng đất có cốt đã thấy nhiều ưu điểm nổi bật:Thi
cơng đơn giản, có khả năng cơ giới hóa thi cơng cao;
- Cốt sử dụng thường là loại vật liệu có khả năng chịu kéo, nếu dùng vật liệu có độ
giãn dài lớn, kết cấu đất có cốt sẽ khơng bị phá hoại đột ngột, cho phép biến dạng lớn
mà vẫn đảm bảo ổn định cho cơng trình;
- Tăng cường độ của nền đường đáng kể (trung bình khoảng 3 lần)
Với những ưu điểm nổi trội, kết cấu đất có cốt ngày càng được sử dụng rộng rãi trong
các cơng trình xây dựng, giao thơng, thủy lợi đem lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật cao.
1.1. Khái quát về công nghệ đất có cốt ở Việt Nam và trên thế giới
1.1.1. Sự ra đời của cơng nghệ đất có cốt và tường chắn đất trên thế giới
Trên thế giới, việc sử dụng cơng nghệ đất có cốt trong xây dựng đã trở nên phổ biến.
Sở dĩ có thể trở nên phổ biến là vì tính ưu việt của nó như: giá thành thấp, thi công đơn
giản, thời gian thi công nhanh hơn nhiều so với kết cấu tường bê tông truyền thống mà
vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và tuổi thọ của cơng trình. Để khắc phục khả
năng chịu kéo rất kém của đất, ngoài biện pháp gia cố đất bằng các chất liên kết (vô
cơ, hữu cơ, hóa chất), từ năm 1963, Henri Vidal, một kỹ sư người Pháp đã đề xuất ý
tưởng dùng đất có cốt để xây dựng các cơng trình. Ngày 7-3-1966 Ơng đã báo cáo
trước hội đồng cơ học đất và Nền móng nước Pháp và sau đó Ơng đã được cấp bằng
sáng chế về phát minh này. Và từ đây đất được gia cố cốt mới bắt đầu có những
nghiên cứu tính toán và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng. Cho đến nay,
khái niệm về đất có cốt và những ứng dụng của nó trong các cơng trình xây dựng đã
trở nên quen thuộc với các kỹ sư cầu đường, kỹ sư xây dựng ở khắp nơi trên thế giới.

3


Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất vẫn dùng đất thiên nhiên để xây dựng
công trình nhưng trong đất có bố trí các lớp cốt bằng vật liệu chịu được lực kéo theo
các hướng nhất định, thơng qua sức neo bám (do ma sát, dính và neo bám) giữa đất với
vật liệu cốt do đó vật liệu tổ hợp đất có cốt này có khả năng chịu kéo cao hơn(giống
như vật liệu bê tông cốt thép có khả năng chịu kéo, dù bản thân bê tơng chịu kéo kém).

Hình 1- 1: Minh họa về ngun lý đất có cốt (Vidal,1963)
Loại cơng trình được xây dựng thử nghiệm đầu tiên bằng đất có cốt chính là trường
chắn bằng đất có cốt được xây dựng ở Pyrenees do H.Vidal đề xuất thiết kế vào năm
1965, trong đó đất đắp là loại rời rạc, ít dính, cốt là dải kim loại (rộng 60 mm, dày 5
mm) và vỏ mặt tường bao bằng kim loại dày 1,5 – 4,0 mm cao 25 cm. Sau 2 năm xây
dựng thử nghiệm, đến năm 1967 một tường chắn đất có cốt được xây dựng tại Pháp đó
là tường Incarville trên đường cao tốc A13 ở Pháp. Tường này cao 10 m, rộng 10 m,
và dài 50 m. Kết quả quan trắc ứng suất và biến dạng của cốt, của vỏ (thông qua các
đầu đo được bố trí sẵn trong q trình thi cơng) và kết quả thí nghiệm khá cơng phu
trên các mơ hình thí nghiệm tại phịng thí nghiệm trung ương về Cầu và Đường
(LCPC) của Pháp dưới sự lãnh đạo của H. Vidal (có sự tham gia đáng kể của kỹ sư
Nguyễn Thành Long, một Việt kiều tại Pháp) đã cho phép ngay từ những năm đó thiết
lập được những nguyên tắc về phương pháp thiết kế cấu tạo và tính tốn kết cấu tường
chắn bằng đất có cốt. Tiếp đó, một loạt các cơng trình tường chắn bằng đất có cốt được
xây dựng trên các đường ơ tơ và bến cảng ở Pháp, Tây Ban Nha, Đức và một số nước
khác. Đáng kể nhất là những tường chắn bằng đất có cốt (tổng cộng tới 800m dài) trên
đường cao tốc A53 qua vùng Menton (Pháp). Tại đây sườn núi dốc, địa chất không ổn
định, không thể đào sâu và khó làm cầu vượt nên đã chọn phương án đắp cao với
tường chắn tới 20m. Với tường chắn cao như vậy, nếu dùng tường chắn bê tông cốt
4

thép sẽ rất khó giải quyết vấn đề về nền móng, do vậy đã chọn kết cấu tường chắn đất
có cốt là loại tường bằng vật liệu mềm cho phép có những biến dạng lớn mà khơng bị
phá hoại đột ngột trong khi vẫn giữ được ổn định chung của cơng trình.
Cũng ngay từ những năm mới ra đời (1966-1969), ở nhiều đường cao tốc của Pháp đã
xây dựng các tường chắn đất có cốt để làm nền đường tách đôi 2 chiều xe chạy với 2
bậc cao thấp khác nhau (đề đảm bảo ổn định nền đường) hoặc làm những đường đắp
cao trên đoạn dẫn lên các cầu vượt ở các chỗ giao nhau giữa các đường khác cao trình
trong đơ thị ( để hạn chế giải phóng mặt bằng do không phải đắp mái taly) và đặc biệt
là để xây dựng cả những tường kè cảng như tường kè bến cảng Montréal (Canada), ụ
tầu ở Strasbourg, tường cảng ở Boulogne, La Grand Motte (Pháp).
Năm 1971 đánh dấu bước phát triển của tường chắn khi người ta bắt đầu sử dụng bê
tông cốt thép làm vỏ cho tường chắn với các hình dạng khác nhau, có thể tạo mỹ thuật
trên bề mặt tường;
Năm 1972 hàng loạt các cơng trình tường chắn có cốt được xây dựng trên thế giới như:
ở Pakistan xây dựng cơng trình tường chắn đất có cốt với vách thẳng đứng cao 40 m,
trong khi đó ở Pháp người ta cũng đã ứng dụng công nghệ này vào việc thi công các
mố cầu chịu nén lệch tâm (mố cầu Thionville cao 12 m, chịu tải trọng từ gối cầu
truyền xuống tới 750 tấn và độ lún định trước là 20 cm), và ở Mỹ tại bang California
một cơng trình tường chắn sử dụng lưới cốt thép đã được xây dựng tại đây;
Năm 1972 - 1976 các nghiên cứu phát triển vật liệu cốt về hình dáng (độ liên kết dính
cao) mạ kẽm (tăng tuổi thọ của cốt), vật liệu cốt Polyme... đã làm cho các công trình
tường chắn có cốt ngày càng bền vững hơn và được ứng dụng rộng rãi;
Năm 1978 trên thế giới đã xây dựng khoảng 2.000 cơng trình tường chắn có cốt, trong
đó gần một nửa ở Pháp;
Ngày nay với yêu cầu cấp thiết của xã hội về vấn đề phát triển cơ sở hạ tầng, với ưu
điểm của mình cơng nghệ thi cơng tường chắn đất có cốt đã phát triển rất nhanh và đã
có mặt ở hầu khắp các nước trên thế giới; Thống kê của tập đoàn Terre-Armée đến

5

năm 2012 có hơn 50 000 cơng trình được xây dựng (hơn 40 000 000 m2 tường), bao
gồm hơn 10 000 mố cầu.
Tường chắn đất có cốt là một trong những bước phát triển lớn và đột phá trong lĩnh
vực xây dựng liên quan tới kè chống xói lở, sụt trượt mái taluy, ứng dụng làm đường
đầu cầu thành phố với mái dốc 90 độ, kè bờ sông, bờ biển, nâng cấp mở rộng mặt
đường về phía mái taluy âm khi bị hạn chế về diện tích…
Ngày nay, việc ứng dụng vật liệu mới vào ngành xây dựng càng trở nên phổ biến. Đặc
biệt sử dụng vật liệu địa kỹ thuật cho cơng trình ngày một được chú trọng, phát triển
rộng rãi. Việc ứng dụng này mang đến nhiều lợi ích cho chủ đầu tư cũng như các bên
tham gia xây dựng cơng trình như: Giá thành rẻ; thời gian thi công nhanh, vật liệu thân
thiện với môi trường.
Tường chắn đất có cốt ngày càng được ngành xây dựng quan tâm, phát triển nhân rộng
vì có những ưu điểm vượt trội so với tường chắn bê tông cốt thép hoặc tường chắn đá
hộc xây truyền thống như sau:
+ Vật liệu thân thiện với mơi trường, dễ dàng làm xanh hóa bề mặt bằng thảm thực
vật;
+ Vượt được khẩu độ chiều cao lớn mà tường bê tông cốt thép truyền thống khơng
làm được;
+ Tường kè có thể thẳng đứng lên đến 90 độ, chiều cao kè lên tới 45-50m;
+ Hình dáng dễ uốn lượn mềm mại theo địa hình, khơng kén chọn các loại vật liệu
đắp;
+ Thi công nhanh, dễ dàng;
+ Giá thành rẻ tiết kiệm khoảng 10-30% chi phí so với giải pháp truyền thống;
+ Vật liệu được sản xuất từ polymer tổng hợp như: Polyester, HDPE, Polypropylene
trơ bền với môi trường tự nhiên, cường lực cao, độ giãn dài thấp, bền vững, lâu dài.
Một số cơng trình được xây dựng điển hình trên thế giới:

6

Hình 1- 2:Một số cơng trình áp dụng cơng nghệ đất có cốt cho cơng trình thủy lợi trên
thế giới
1.1.2 Tổng quan về cơng nghệ đất có cốt ở Việt Nam
Ở Việt Nam, nguyên lý đất có cốt cũng được cán bộ và công nhân ngành giao thông
nước ta vận dụng để xây dựng và phục vụ đường sá trong chiến tranh chống Pháp và
chống Mỹ. Những năm chiến tranh đó, khi khơi phục đường bị bom đạn địch phá hoại,
các đội quân bảo đảm giao thông đã đắp lại đường với mái dốc taly bằng cách lót thêm
các lớp cành tre và đặc biệt là các lớp bổi (thuật ngữ miền Trung) tức là các lớp cành
cây nhỏ rải thêm giữa các lớp đất đắp, nhờ đó giảm khối lượng đắp lại nhằm nhanh
chóng khơi khục đường cho kịp thơng xe ra tiền tuyến.
Với thực tế đó, từ năm 1972 GS. Đặng Hữu đã viết tài liệu đầu tiên về ngun lí đất
có cốt (chun san thơng tin KHKT của Ủy ban KH&KT Nhà nước số 4 tháng 4/1972)
và cũng đã tổ chức nghiên cứu kiểm nghiệm lại nguyên lí đất có cốt bằng thiết bị nén 3
trục. Đến tháng 6/1973 một mơ hình thí điểm về tường chắn có cốt cao 4,25 m đã được
xây dựng trên đoạn đường dẫn từ Đê La Thành xuống 1 khu tập thể gần Cầu Giấy (Hà
7


Nội), tường chắn thí điểm sử dụng cốt là các dải cao su được cắt ra từ lốp ô tô phế thải
rộng 6cm dày 0,5cm được nối với vỏ bằng bu lông φ50, vỏ tường là vỏ thùng nhựa cũ
cao 25 cm (như vỏ kim loại của H. Vidal) và cơng trình này vẫn cịn tồn tại đến ngày
nay. Từ năm 1999 đến nay, cùng với các dự án xây dựng mới và khôi phục cầu đường
ở nước ta, các cơng trình đất có cốt đã tìm được chỗ ứng dụng và ngày càng được sử
dụng nhiều hơn. Lý do chủ yếu là khi xây dựng các đường dẫn đầu cầu hoặc các chỗ
giao nhau khác mức trong đô thị, xây dựng tường chắn đất có cốt sẽ giảm được mặt
bằng chiếm dụng đất hơn nhiều so với nền đắp có mái dốc, giảm được nhiều chi phí
xây dựng. Một số cơng trình tường chắn đất có cốt đã được xây dựng ở nước ta như:
tường chắn đất có cốt trên quốc lộ 5 đoạn cắt qua nút giao Lạch Tray (Hải Phịng),

cơng trình tường chắn đất có cốt cho đường dẫn lên đầu cầu vượt Ngã Tư Vọng ở Hà
Nội, đường dẫn lên đầu cầu vượt Sóng Thần ở thành phố Hồ Chí Minh, đường dẫn lên
đầu cầu vượt Hòa Cầm ở thành phố Đà Nẵng, cầu Chợ Dinh trên đường từ Huế đi
Thuận An, ... đã được xây dựng và đã cho thấy được những ưu điểm của nó. Trong
những năm sắp đến với các dự án mới về xây dựng cơng trình GTVT, đặc biệt hệ
thống đường cao tốc, cải tạo đường sắt, loại cơng trình tường chắn đất có cốt cịn có
nhiều cơ hội để ứng dụng và phát triển mạnh.

8


Hình 1- 3: Đường vành đai 2–Hà Nội

Hình 1- 4: Tường chắn đầu cầu Cam Lâm

Hình 1- 5: Tường chắn đất cao 21m tại Đồi Ba Đèo – Quảng Ninh
1.2. Các nguyên lý đất có cốt về mặt cơ học
1.2.1. Nguyên lý cơ bản của đất có cốt
Đất có cốt hoặc động theo nguyên lý của vật liệu composite, gồm hai thành phần là đất
và cốt. Bởi vậy, nguyên lý cơ bản của đất có cốt liên quan mật thiết đến tính chất của
đất và cốt. Đất có độ bền nén tương đối cao, trong khi đó cốt thường là vật liệu chịu
kéo tốt và được bố trí nằm ngang để hạn chế chuyển vị ngang của khối, do đó làm
giảm chuyển vị ngang, dẫn đến tăng khả năng chịu lực của khối.

9


Hình 1- 6 Mơ phỏng sắp xếp hạt đất và cốt
Trong tường, khối đất có cốt được xem như là mẫu nén 3 trục với trị số áp lực hông:

σ 3 = Kσ 1

(1.1)

trong đó: K là hệ số áp lực ngang của đất, nếu ở trạng thái tĩnh có thể sử dụng công
thức K = K 0 = 1 − sin ϕ (Jaky,1994) cho đất cát.
Trong thí nghiệm nén 3 trục, dưới tác dụng của tải trọng nén thẳng đứng ( σ 1 − σ 3 ),
mẫu đất sẽ bị biến dạng nở hông. Ở chế độ tải trọng này, mẫu đất khơng có cốt sẽ biến
dạng thẳng đứng là δ v và biến dạng nở hông là δ n / 2 ; mẫu đất có lớp cốt nằm ngang
có biến dạng thẳng đứng là δVT và biến dạng nở hơng là δ hr / 2 , trong đó: δVT < δV và
δ hr < δ h . Mức giảm biến dạng này là do tác dụng của lớp cốt chịu kéo làm hạn chế nở

hông dẫn đến hạn chế chuyển vị đứng. Cơ chế này tương ứng với việc tăng áp lực
hông và đây là nguyên lý làm việc cơ bản của cốt trong khối đất gia cố.

10


a, Trường hợp đất khơng có cốt

b, Trường hợp đất có cốt

Hình 1- 7: Tác dụng của cốt đối với đất với đất
Như vậy, việc bổ sung cốt làm giảm biến dạng của đất, cải thiện độ bền của đất. Giới
hạn về độ bền của đất có cốt thể hiện qua sự kéo đứt cốt hoặc do trượt ở trên bề mặt
tiếp xúc đất-cốt.
1.2.1.1. Sự neo bám giữa cốt và đất
Việc truyền lực giữa cốt và đất hay sự tạo ra sức neo bám giữa đất và cốt phụ thuộc
vào cấu tạo hình dạng cốt và có hai phương thức cơ bản là phương thức truyền lực
thông qua ma sát giữa chúng và phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động

của đất. Đối với các loại cốt như cốt dạng đai mỏng, cốt dạng tấm, cốt dạng khung,
dạng lưới, dạng mạng (lưới hoặc mạng polime), tất cả đều truyền lực thông qua ma sát.
Nhưng chỉ những loại cốt dạng khung, dạng lưới, dạng mạng là những loại cốt có các
phần tử vng góc với phương truyền lực kéo thì mới có thêm phương thức truyền lực
thơng qua sức cản bị động của đất (tức là mới có hiệu ứng neo)

11


a, Nhìn theo chiếu đứng

b, Nhìn trên mặt bằng

Hình 1- 8: Cốt dạng khung, dạng lưới bằng thép tròn tạo ra sức cản bị động của đất
nhờ có các thanh cốt bố trí vng góc với phương truyền lực P p
R

1.2.1.2. Phương thức truyền lực thông qua ma sát gữa cốt và đất
Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát giữa cốt và đất được miêu tả ở hình dưới đây:

Hình 1- 9: Cơ cấu truyền lực thơng qua ma sát giữa cốt và đất
Sự cân bằng của một phân đoạn nhỏ đất có cốt dl với bề rộng b, ta có thể thấy lực
truyền qua dl là:
dT = T2 − T1 = 2 × b × dl ×τ

(1.2)

trong đó: τ - ứng suất cắt trượt do ma sát bề mặt trên mặt tiếp xúc giữa đất và cốt
trong phân on dl
= à ì v

(1.3)

Vi: v l ng suất pháp tác dụng trên bề mặt cốt; Hệ số ma sát giữa cốt và đất
R

R

12


=
à

Pf

=
v 2 ì b ì L ì v

(1.4)

trong ú:
L: chiều dài cốt;
Pf : lực kéo tuột (sức chống kéo tuột).
R

R

Phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động của đất
Với cơ cấu truyền lực thông qua sức cản bị động của đất được xác định theo quan hệ

sau:
PP = N p × σ v × n × Ab

(1.5)

Pp : sức chống kéo tuột do cốt truyền cho đất thông qua sức cản bị động của đất;
R

R

σ v: ứng suất pháp tác dụng trên mặt cốt;
R

R

n: số lượng các phần tử cốt vng góc với phương truyền lực kéo;
Ab : diện tích tiếp xúc với đất của một thanh nằm ngang;
R

R

N p : hệ số sức cản bị động của đất (hệ số này được xác định bằng phương pháp thí
R

R

nghiệm kéo tuột cốt chơn trong đất và phụ thuộc vào cường độ của đất cũng như khả
năng xốp nở của đất khi đất bị biến dạng trượt).
Như vậy với những loại cốt tạo ra cả hai phương thức truyền lực là ma sát và sức cản
bị động của đất thì tổng sức kéo tuột của cốt trong đất là:

Pkt = Pf + Pp = σ v × ( µ × As + N p × n × Ab )

trong đó:
Pkt : tổng sức chống kéo tuột;
R

R

Pf : sức chống kéo tuột do ma sát tạo ra;
R

R

As : diện tích bề mặt của các đơn nguyên cốt;
R

R

Pp : sức chịu kéo tuột do cốt truyền cho đất thông qua sức cản bị động của đất
R

R

13

(1.6)


Tóm lại: Qua sự phân tích giữa cốt trong đất ta thấy để thực hiện được một cơng trình
tường chắn bằng đất có cốt thì phải bảo đảm được các điều kiện sau:

- Có đủ sức neo bám giữa đất và cốt;
- Cốt phải chịu được lực kéo lớn nhất có thể phát sinh khi cơng trình ở trạng thái làm
việc;
- Đất phải chịu được cường độ chịu nén và chịu cắt để tiếp nhận lực kéo của cốt truyền
cho đất;
- Mặt bên của cơng trình phải có vỏ bao để bảo vệ bề mặt chống những hư hại từ các
tác nhân bên ngoài và chống lở đất trong phạm vi giữa các lớp cốt.
Các điều kiện trên chính là tóm tắt các nguyên lý để tạo ra vật liệu đất có cốt và
ngun lí xây dựng một cơng trình bằng đất có cốt.
1.2.2. Cấu tạo tường chắn đất có cốt

Hình 1- 10: Sơ đồ và tên gọi các yếu tố cấu tạo một cơng trình tường chắn có cốt
a) Về vật liệu cốt
Cốt kim loại

14


Cốt kim loại làm tường chắn đất có cốt có thể được chế tạo dưới dạng đai mỏng (có gờ
hoặc khơng có gờ), dạng khung, dạng lưới, dạng thanh neo… nhưng được dùng phổ
biến là cố dạng đai mỏng và cốt dạng khung.
Dù dùng loại cố nào thì cường độ chịu kéo của thép chế tạo cốt cũng phải đảm bảo có
trị số tối thiểu dưới đây:
-

Thép cacbon dày dưới 16mm: 340 N/mm2

-

Thép cacbon trịn đường kính dưới 40mm: 385 N/mm2

-

Thép không gỉ dày dưới 10mm: 510 N/mm2

Với thép mạ, khối lượng trung bình lớp mạ kẽm của một mẫu thử không được nhỏ hơn
100g/m2.
Thép không mạ không được dùng làm cốt khi tuổi thọ thiết kế trên 60 năm.
Chiều dày dự phịng cho phép cốt có thể bị ăn mịn (chấp nhận thí bỏ, khơng được tính
vào phần tiết diện làm việc của cốt) trên mỗi bề mặt tiếp xúc với đất đắp được xác
định tùy thuộc tuổi thọ thiết kế.
Cốt dạng đai mỏng khơng được cấu tạo có về dày nhỏ hơn 3mm và chiều rộng không
nhỏ hơn 30mm (thường dày 5mm rộng 40 ÷ 70mm). Bề mặt cốt có thể có gờ hoặc
khơng có gờ. Chiều dài cốt được xác định theo phương pháp tính tốn thiết kế.
Cốt dạng khung gồm các thanh dọc và thanh ngang bằng thép làm tăng sức chống kéo
tuột của đất nhờ hiệu ứng neo. Các khung cốt thường cũng được bố trí với khoảng
cách thẳng đứng giữa các lớp (hàng) cốt từ 0,5 ÷ 0,75cm. Loại cốt này được liên kết
với tấm mặt vỏ tường bằng bulông xuyên qua lỗ ở bản mấu đặt sẵn trên mặt vỏ tường
và vòng khuyên ở đầu các thanh cốt dọc.
Cốt Polime
Cốt polyme thường dùng làm tường chắn đất có cốt cũng được chế tạo dưới dạng tấm
(các loại vải địa kỹ thuật), dạng lưới hoặc dạng mạng...

15


Khi dùng cốt bằng vải địa kĩ thuật thì nên chọn loại vải dệt có cường độ chịu kéo đứt
tối thiểu là 25 kN/m và tùy theo yêu cầu thiết kế có thể chọn loại có cường độ chịu kéo
đứt tới 30, 40, 50, 75, 100 kN/m.
b) Yêu cầu về tường bao

Mặt tường bao cần đảm bảo các yêu cầu sau:
-

Tạo kết cấu hình dạng mặt ngồi cho tường chắn và đảm bảo được u cầu về tính

mỹ quan;
-

Phịng ngừa xói lở đất đắp do mưa, gió...;

-

Bảo đảm nước mặt thấm vào khối đất có cốt có thể thốt qua mặt tường ra phía

ngồi mà khơng lơi theo đất đắp sau tường;
-

Tùy theo cách sử dụng mà nhà thiết kế sử dụng các loại tường bao khác nhau;

-

Tường bao tấm rời bằng bê tông xi măng (BTXM).

Cấu tạo mặt tường bao bằng các tấm bê tông rời
Trong trường hợp mặt tường bao được tạo thành bằng các tấm bê tông ximăng lắp
ghép có các khe nối gối cạnh lên nhau kết hợp với một mép gờ chịu nén. Toàn bộ mặt
tường được đặt lên lớp móng đệm chân tường.
Các đặc trưng về yêu cầu đối với tấm cụ thể như sau:
-

Tấm có thể có hình dạng chữ thập, chữ nhật, vuông, lục lăng nhưng phải dễ lắp

ghép bằng các phương tiện cần trục thông thường ( thường mỗi tấm khoảng 2m2, nặng
khoảng 1,0 tấn và lớn nhất khơng q 2,8m2);
-

Ngồi các tấm cơ bản, ở hàng dưới chân tường và hàng trên đỉnh tường phải cấu tạo

các tấm có dạng đặc biệt ( ½ chữ thập, ½ chữ nhật, ½ lục lăng hoặc có một cạnh theo độ
dốc dọc móng tường chắn...) để tạo được đúng hình dạng mặt ngồi tường theo yêu cầu
thiết kế;

16


-

Cường độ bê tông đúc tấm phải đảm bảo yêu cầu lắp ghép chun chở an tồn,

khơng bị sứt vỡ khi thi cơng ( thường u cầu mác 200 ÷ 300);
-

Kích thước và bề dày tấm cịn phải được kiểm toán để chịu được tác dụng chống đỡ

áp lực đất cục bộ.
c) Yêu cầu về chốt
Để liên kết giữa tấm mặt tường với cốt kim loai tại các vị trí dự kiến sẽ nối với cốt
phải bố trí sẵn các kẹp hình khun ngay từ khi đổ bê tơng đúc tấm ở xưởng. Cấu tạo
chi tiết kẹp hình khuyên và mối nối liên kết với cốt được thiết kế như hình 1-11.

Hình 1- 11: Cấu tạo chi tiết liên kết giữa tấm mặt tường với cốt

17