Phân tích chỉnh thể kết cấu tường chắn dạng tấm làm việc cùng với nền và cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng Cơng trình thủy với đề tài:
“Phân tích chỉnh thể kết cấu Tường chắn dạng tấm làm việc cùng với nền và
cọc bằng phương pháp Phần tử hữu hạn” là một đóng góp nhỏ cho khoa học kỹ
thuật
Luận văn được hồn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của Khoa sau Đại học,
các Thầy Cô giáo thuộc Bộ môn Sức bền kết cấu - Trường Đại học Thủy lợi cùng
các bạn bè, đồng nghiệp trong và ngoài trường, Tác giả luận văn xin chân thành
cảm ơn sự giúp đỡ q báu đó để Tác giả hồn thành tốt nhiệm vụ nghiên cứu của
mình.
Đặc biệt, Tác giả luận văn xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy
giáo: TS. Lý Trường Thành đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp các
thơng tin khoa học kỹ thuật cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, đã quan tâm,
động viên, giúp đỡ về tinh thần cũng như vật chất và sự khích lệ Tác giả để Luận
văn sớm được hồn thành.
Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như trình độ chun mơn nên
Luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến
chỉ bảo của các Thầy, các Cô, các bạn đồng nghiệp để những nội dung đề cập trong
Luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, tháng 11 năm 2011
Tác giả

Trần Thanh Tùng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. ............................................................................... 1
2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI. .............................................................. 2
3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................... 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG VÀ TÍNH TỐN TƯỜNG
CHẮN ĐẤT................................................................................................. 4
1.1. CẤU TẠO VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ KẾT CẤU TƯỜNG CHẮN THƯỜNG
GẶP......................................................................................................................... 6
1.1.1. Cấu tạo: ................................................................................................................ 6
1.1.2. Ứng dụng. ........................................................................................................... 10
1.1.3. Kết cấu tường chắn được nghiên cứu trong luận văn. ........................................ 10
1.2. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN TƯỜNG CHẮN. ....................................................... 11
1.3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN DẠNG TẤM THEO QUI PHẠM. ..... 13
1.3.1. Tính tốn ổn định tường: .................................................................................... 14
1.3.2. Kiểm tra khả năng chịu tải của nền - ứng suất nền. ........................................... 17
1.3.3. Tính tốn nội lực và bố trí cốt thép. ................................................................... 18
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. ...................................................................................... 21
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
VÀ PHẦN MỀM SAP2000....................................................................... 23
2.1. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN............................................................... 23
2.2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN, PHẦN MỀM
SAP2000 ............................................................................................................... 30
2.2.1. Hệ thống đơn vị (Unit Sytem) - SAP2000 ......................................................... 31
2.2.2. Hệ thống toạ độ (Coordinate Systems) .............................................................. 32
2.2.3. Chọn cửa sổ màn hình (Windows) ..................................................................... 33
2.2.4. Tạo hệ lưới phẳng và không gian ....................................................................... 34
2.2.5. Chức năng vẽ các phần tử thanh và phần tử vỏ .................................................. 34
2.2.6. Chọn đối tượng để thực hiện các lệnh tiếp theo (xóa, gán, sao chép, nhân bản, di
chuyển, ... ) ...................................................................................................... 34
2.2.7. Xoá một số bộ phận của kết cấu đã vẽ hoặc khơi phục bộ phận vừa xố ............... 35
2.2.8. Nhân bản một bộ phận của kết cấu..................................................................... 35


2.2.9. Chức năng chia phần tử tấm lớn thành nhiều phần tử nhỏ ................................. 35

2.2.10. Chức năng chia phần tử dầm thành nhiều phần tử nhỏ ...................................... 36
2.2.11. Chức năng di chuyển nút .................................................................................... 36
2.2.12. Kết cấu mẫu ........................................................................................................ 36
2.2.13. Định nghĩa đặc trưng hình học và vật liệu của các phần tử ............................... 37
2.2.14. Gán các đặc trưng hình học và vật liệu vào các phần tử của kết cấu ................. 37
2.2.15. Gán liên kết ........................................................................................................ 37
2.2.16. Định nghĩa trường hợp tải trọng ......................................................................... 37
2.2.17. Gán tải trọng vào kết cấu .................................................................................... 38
2.2.18. Tổ hợp tải trọng (Load Combinations)............................................................... 40
2.2.19. Sắp xếp lại mã nút và mã phần tử (Change Labels) ........................................... 40
2.2.20. Kiểm tra số liệu nhập vào ................................................................................... 41
2.2.21. Phân tích kết cấu đã mơ hình hố ....................................................................... 41
2.2.22. Hiển thị hình dạng biến dạng của kết cấu .......................................................... 42
2.2.23. Hiển thị nội lực hoặc ứng suất của các thành phần kết cấu ................................ 42
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH CHỈNH THỂ KẾT CẤU TƯỜNG CHẮN DẠNG TẤM
LÀM VIỆC CÙNG VỚI NỀN VÀ CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN, DÙNG PHẦN MỀM SAP 2000 ......................... 44
3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ PHỎNG BÀI TỐN KẾT CẤU TƯỜNG CHẮN
DƯỚI DẠNG VỎ GẤP ........................................................................................ 44
3.2. CÁC MƠ HÌNH NỀN VÀ CỌC ............................................................................. 51
3.2.1. Mơ hình nền đàn hồi tuyến tính ......................................................................... 51
3.2.2. Mơ hình nền biến dạng đàn hồi cục bộ - mơ hình nền Winkler ......................... 52
3.2.3. Mơ hình nền biến dạng đàn hồi tổng quát .......................................................... 54
3.2.4. Mô hình hỗn hợp ................................................................................................ 55
3.3. MƠ HÌNH NỀN HAI HỆ SỐ CỦA PASTERNAK ............................................... 57
3.4. MƠ HÌNH CỌC ...................................................................................................... 59
CHƯƠNG 4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN VÀ CÁC VÍ DỤ BẰNG SỐ ............... 61
4.1. TÍNH TỐN NỘI LỰC MƠMEN UỐN THEO HƯỚNG DỌC, HƯỚNG
NGANG TƯỜNG CHẮN ĐẤT KIỂU BẢN CHỐNG. ....................................... 61
4.1.1. Bố trí kết cấu. ..................................................................................................... 61

4.1.2. Tính tốn nội lực mômen uốn của tường chắn. .................................................. 62
4.1.3. Số liệu và trường hợp tính tốn .......................................................................... 64
4.1.4. Tính tốn ổn định. .............................................................................................. 65
4.1.5. Tính tốn nội lực mơmen uốn theo hướng dọc bản mặt và bản đáy tường. ....... 65


4.2. TÍNH TỐN NỘI LỰC MƠMEN UỐN THEO HƯỚNG DỌC, HƯỚNG
NGANG TƯỜNG CHẮN .................................................................................... 67
4.2.1. Cách tính từng phần hệ ....................................................................................... 67
4.2.2. Cách tính tồn hệ ................................................................................................ 69
4.2.3. Kết quả tính tốn. ............................................................................................... 73
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 89
5.1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC TRONG LUẬN VĂN .............................. 89
5.2. NHỮNG ĐIỂM CÒN TỒN TẠI. ........................................................................... 90
5.3. MỘT SỐ KIẾN NGHỊ. ........................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 92


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1-1: Sơ đồ cấu tạo tường chắn đất…………………………………………………. 6
Hình 1-2: Phân loại theo mặt đất sau tường…………………………………………….. 7
Hình 1-3: Phân loại theo nguyên tắc làm việc của tường……………………………... 8
Hình 1-4: Phân loại theo độ nghiêng của lưng tường………………………………….. 9
Hình 1-5: Phân loại theo cách thi cơng tường…………………………………………. 10
Hình 1-6: Cấu tạo tường chắn đất kiểu bản chống……………………………………. 11
Hình 1-7: Mặt cắt đại diện tường chắn…………………………………………………. 13
Hình 1-8: Sơ đồ tính tốn ổn định tường chắn…………………………………………15
Hình 1-9: Sơ đồ tính tốn kiểm tra ứng suất nền……………………………………….18
Hình 1-10: Sơ đồ tính tốn nội lực bản mặt tường chắn………………………………19
Hình 1-11: Sơ đồ tính tốn nội lực bản đáy tường chắn……………………………… 20

Hình 2-1: Sơ đồ giải bài tốn kết cấu theo phương pháp PTHH……………………. 29
Hình 2-2: Sơ đồ giải bài tốn kết cấu bằng phần mềm SAP2000…………………… 31
Hình 3-1: a) Sơ đồ tải trọng tính tốn lên vỏ gấp………………………………………44
Hình 3-2: Các thành phần nội lực của tấm…………………………………………….. 46
Hình 3-3:Các thành phần nội lực………………………………………………………... 51
Hình 3-4: Mơ hình nền Winkler…………………………………………………………...52
Hình 3-5: Mơ hình nền hai hệ số Pasternak……………………………………………. 56
Hình 3-6: Mơ hình cọc ma sát……………………………………………………………. 59
Hình 4-1: Cấu tạo tường chắn đất kiểu bản chống……………………………………. 62
Hình 4-2: Kết cấu tường 5 khoang………………………………………………………. 62
Hình 4-3: Kết cấu tường 4 khoang………………………………………………………. 62
Hình 4-4: Biểu đồ mơmen uốn trường hợp tường 5 khoang…………………………. 63
Hình 4-5: Biểu đồ mômen uốn trường hợp tường 4 khoang chia khơng đều………. 64
Hình 4-6: Sơ đồ áp lực……………………………………………………………………. 66
Hình 4-7: Sơ đồ chia băng tính tốn……………………………………………………..67
Hình 4-8: Biểu đồ mômen uốn băng 4 bản mặt tường 5 khoang chia đều…………. 67
Hình 4-9: Biểu đồ mơmen uốn băng 12 bản mặt tường 5 khoang chia đều………... 68


Hình 4-10: Biểu đồ mơmen uốn băng giữa bản đáy tường 5 khoang chia đều……. 68
Hình 4-11: Biểu đồ mơmen uốn băng 4 bản mặt tường 4 khoang chia không đều…68
Hình 4-12: Biểu đồ mơmen uốn băng 12 bản mặt tường 4 khoang chia khơng đều.68
Hình 4-13: Biểu đồ mơmen uốn băng 4 bản đáy tường 4 khoang chia không đều…69
Hình 4-14: Biểu đồ mơmen uốn băng 4 bản mặt tường 5 khoang chia đều…………69
Hình 4-15: Biểu đồ mơmen uốn băng 12 bản mặt tường 5 khoang chia đều………. 69
Hình 4-16: Biểu đồ mômen uốn băng 4 bản mặt tường 5 khoang chia đều………... 70
Hình 4-17: Biểu đồ mơmen uốn băng 12 bản mặt tường 5 khoang chia đều………. 70
Hình 4-18: Biểu đồ mômen uốn băng 4 bản mặt tường 5 khoang chia đều…………70
Hình 4-19: Biểu đồ mơmen uốn băng 12 bản mặt tường 5 khoang chia đều………. 70
Hình 4-20: Biểu đồ mômen uốn băng 4 bản mặt tường 4 khoang chia khơng đều...71

Hình 4-21: Biểu đồ mơmen uốn băng 12 bản mặt tường 4 khoang chia khơng đều.71
Hình 4-22: Biểu đồ mômen uốn băng 4 bản mặt tường 4 khoang chia khơng đều…71
Hình 4-23: Biểu đồ mơmen uốn băng 12 bản mặt tường 4 khoang chia khơng đều.72
Hình 4-24: Biểu đồ mômen uốn băng 4 bản mặt tường 4 khoang chia khơng đều…72
Hình 4-25: Biểu đồ mơmen uốn băng 12 bản mặt tường 4 khoang chia khơng đều.72
Hình 4-26: Sơ đồ khơng gian tường 5 khoang…………………………………………. 74
Hình 4-27: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản mặt tường M22(T.m)………………...74
Hình 4-28: Sơ đồ mômen uốn hướng ngang bản mặt tường M11(T.m)…………….. 75
Hình 4-29: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản đáy tường M11(T.m)…………………75
Hình 4-30: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản đáy tường M22(T.m)…………….. 76
Hình 4-31: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản tường M22(T.m)…………………….. 76
Hình 4-32: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản tường M11(T.m)…………………..77
Hình 4-33: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản đáy M11(T.m)……………………….. 77
Hình 4-34: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản đáy M22(T.m)…………………….. 78
Hình 4-35: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản mặt tường M22(T.m)……………….. 78
Hình 4-36: Sơ đồ mômen uốn hướng ngang bản mặt tường M11(T.m)…………….. 79
Hình 4-37: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản đáy tường M11(T.m)………………... 79
Hình 4-38: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản đáy tường M22(T.m)…………….. 80


Hình 4-39: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản mặt tường M22(T.m)………………...80
Hình 4-40: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản mặt tường M11(T.m)…………….. 81
Hình 4-41: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản đáy tường M11(T.m)………………..81
Hình 4-42: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản đáy tường M22(T.m)…………….. 82
Hình 4-43: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản mặt tường M22(T.m)………………...82
Hình 4-44: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản mặt tường M11(T.m)…………….. 83
Hình 4-45: Sơ đồ mômen uốn hướng dọc bản đáy tường M11(T.m)…………………83
Hình 4-46: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản đáy tường M22(T.m)…………….. 84
Hình 4-47: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản mặt tường M22(T.m)………………...84
Hình 4-48: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản mặt tường M11(T.m)…………….. 85

Hình 4-49: Sơ đồ mơmen uốn hướng dọc bản đáy tường M11(T.m)………………...85
Hình 4-50: Sơ đồ mơmen uốn hướng ngang bản đáy tường M22(T.m)…………….. 86
Hình 4-51: Sơ đồ khơng gian tường 4 khoang chia khơng đều……………………….87
Hình 4-52: Sơ đồ không gian tường 5 khoang chia đều có kể đến tải trọng bên….. 87


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.
Ngày nay, do nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, các công trình xây dựng đã và
đang xuất hiện với một tốc độ nhanh chóng. Nhiệm vụ quan trong trước mắt của các
chun gia về xây dựng là tìm tịi, ứng dụng các phương pháp tính tốn và thiết kế
cơng trình hồn thiện hơn, tiết kiệm hơn, từ đó nâng cao khả năng chịu lực, độ tin
cậy cũng như hiệu quả của cơng trình.
Các kết cấu trong cơng trình thuỷ lợi như tường chắn đất thường nằm trên nền
đất tự nhiên. Tính dễ biến dạng của nền mà hệ quả của nó là độ lún không đều
thường gây ra các ứng suất bổ sung trong kết cấu xây dựng nằm trên nền đất. Độ
lớn của các ứng suất này phụ thuộc vào đặc điểm của kết cấu cơng trình.
Mặt khác độ cứng của cơng trình trên nền cũng ảnh hưởng rất lớn đến sự phân
bố ứng suất tại mặt tiếp xúc giữa cơng trình và nền, nó xác định khả năng tự cân đối
độ lún của cơng trình. Cơng trình có độ cứng càng lớn càng đảm bảo độ lún được
phân bố đều, ngược lại độ cứng cơng trình càng nhỏ càng dễ dẫn đến sự lún không
đều và biến dạng của cơng trình càng tăng lên.
Vì vậy, trong q trình thiết kế, việc tính đến sự làm việc đồng thời giữa nền và
cơng trình nằm trên nó là vơ cùng cần thiết. Nghiên cứu sự làm việc của tấm trên
nền là một bài toán kết cấu rất hay gặp trong thực tế. Tấm làm việc trên nền được sử
dụng rộng rãi trong các cơng trình như tấm mặt đường, đường sân bay, tường chắn
đất trong cơng trình thủy lợi… Tính tấm trên nền đàn hồi và cọc là một bài toán tiếp
xúc phức tạp nếu xét từ góc độ của lý thuyết đàn hồi. tuy nhiên, trong thời đại ngày

nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc giải bài toán kết cấu
bằng phương pháp số đã trở nên dễ dàng. Mơ hình nền thường được sử dụng trong
tính tốn là mơ hình có một hoặc hai hệ số nền. Các phần mềm thương mại tính
tốn kết cấu của nước ngồi đã giải quyết được bài tốn này bằng phương pháp
phần tử hữu hạn, tuy nhiên chúng lại có giá thành khá cao so với khả năng tài chính
của nhiều cơ quan thiết kế trong nước. Ở nước ta, tính tốn tấm trên nền có hai hệ
số cũng đã được một số tác giả giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn nhưng kết


2

quả để ứng dụng thực tế còn hạn chế do chúng chưa thỏa mãn được các bài tốn có
điều kiện biên phức tạp. Gần đây đã xuất hiện một số cơng trình nghiên cứu giải bài
tốn này bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Trong khuôn khổ luận văn này, tác
giả đề cập đến việc tính tốn Tường chắn đất được xem như tấm trên nền đàn hồi và
cọc theo các mơ hình nền khác nhau bằng phương pháp phần tử hữu hạn và ứng
dụng để tính tốn một cơng trình thực tế cụ thể.
2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI.
Nghiên cứu xác định trạng thái ứng xuất, biến dạng của tường chắn dạng tấm
khi có kể đến có sự tương tác với nền và cọc.
Trong khn khổ của luận văn, mục tiêu đặt ra được giới hạn cụ thể trong
những nội dung sau:
Về mặt kết cấu, xem xét bài toán tường chắn đất như tấm đặt trên nền và trên
cọc;
Về mặt chuyển vị, chỉ giới hạn nghiên cứu bài toán chuyển vị nhỏ. Điều kiện
này đặt ra chỉ nhằm đảm bảo chặt chẽ về mặt lý thuyết;
Về vật liệu của kết cấu, chỉ đề cập đến dạng mô phỏng vật liệu của kết cấu là
liên tục, đồng chất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính;
Về nền chỉ xét dạng: Đàn hồi tuyến tính.
Trường hợp nền được xử lý bằng cọc trong nghiên cứu chỉ đề cập đến cọc ma

sát, trong đó sức kháng lún của cọc bao gồm hai phần: Ma sát dọc theo thân cọc và
sức chống ở đầu mũi cọc.
Về mặt ứng xử của tấm, thiết lập phương trình cơ bản và thuật tốn để phân tích
chuyển vị và nội lực của tấm trong điều kiện tấm làm việc ở dạng chỉnh thể (tồn
khối) có xét đến tương tác của tấm với cọc và nền trong đó vật liệu kết cấu, vật liệu
nền và cọc được trình bày ở trên.
Như vậy có thể thấy: Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) có thể xét bài tốn
ở dạng tổng thể, khơng cần q nhiều giả thiết nên việc nghiên cứu bài tốn bằng
phương pháp PTHH khơng chỉ có ý nghĩa khoa học mà cịn mang lại hiệu quả kinh
tế và kỹ thuật.


3

3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết và sử dụng phương pháp tính tốn hiện đại - phương pháp
phần tử hữu hạn kết hợp sử dụng phần mềm cho bài toán đặt ra tường chắn dạng
tấm.
- Lựa chọn sơ đồ tính, thiết lập các phương trình cơ bản;
- Lập thuật tốn giải;
- Áp dụng cho cơng trình cụ thể.


4

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG VÀ TÍNH TOÁN
TƯỜNG CHẮN ĐẤT

Tường chắn đất trên Đèo Hải Vân

Tường chắn trong các cống qua đường


5

Tường chắn đất trên Đèo Hải Vân

Tường chắn đất trên Đèo Hải Vân


6

1.1. CẤU TẠO VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ KẾT CẤU TƯỜNG CHẮN
THƯỜNG GẶP.
1.1.1. Cấu tạo:
Tường chắn đất là cơng trình giữ cho mái đắp hoặc đào khỏi bị sụp đổ, nó được
sử dụng rộng rãi trong xây dựng cơng nghiệp, dân dụng, đường bộ, đường sắt và
thủy lợi, ngoài ra cịn dùng trong cơng tác hầm mỏ và cơng sự.
Mặt tường quay về phía đất đắp gọi là lưng tường, cịn mặt quay về phía ngược
lại được gọi là ngực tường (hình 1-1). Những đặc trưng hình học cơ bản của tường
chắn (hình 1-1) là: Chiều cao tường h t , bề rộng đỉnh tường b o , bề rộng đáy tường b c
và góc nghiêng α là độ nghiêng giữa lưng tường với đường thẳng đứng.
bo
A

.75

β

m=3

MNTK

α

ht

h

O1

B1

75

5

O

m

0.

B

=0

.7

m=

hm

bc

b

Hình 1-1: Sơ đồ cấu tạo tường chắn đất
Đối với móng tường thì các đặc trưng hình học là: Chiều cao móng h m và bề
rộng đáy móng b. Chiều cao của cả tường bằng h. Những đường nằm ngang có hình
chiếu trên mặt thẳng đứng là các điểm 0 1 , B 1 , 0 và B được gọi là: mép dưới của


7

lưng tường, mép dưới của ngực tường, mép dưới phía trước của móng và mép dưới
phía sau của móng.
Cần phân biệt các dạng sau đây của mặt đất tự do sau tường chắn (hình 1-2):
Mặt nằm ngang (hình 1-2a), mái dốc (nghiêng lên) (hình 1-2b), mái hạ thấp (hình 12c), nửa mái dốc (hình 1-2d), mái gẫy khúc (hình 1-2e), khơng theo một hình dạng
nào (hình 1-2g).

β

β

a)

b)

c)

d)

e)

g)

Hình 1-2: Phân loại theo mặt đất sau tường
Có thể phân loại tường chắn theo nhiều cách khác nhau:
- Theo tác dụng: Khó có thể phân chia rõ ràng, bởi vì hiện nay trong các cơng
trình xây dựng, tường chắn được sử dụng rất nhiều và dưới nhiều hình thức khác
nhau. Tuy nhiên vẫn có thể phân chia tường chắn ra loại tường giữ mái đắp và loại
tường ngăn mái đào.
- Theo tính chất làm việc: cần phân biệt loại tường chắn độc lập và tường chắn
có liên quan đến các cơng trình tiếp giáp. Ngồi ra cần phân biệt tường chắn khơng
chịu áp lực nước và tường chắn thủy công.
- Theo chiều cao: Tường chắn chia ra: loại thấp - có chiều cao dưới 10m, loại
trung bình - có chiều cao từ 10 đến 20 m và loại cao - có chiều cao lớn hơn 20m. Ví
dụ tường chắn đất cao nhất xây dựng ở nhà máy thủy điện V.I.Lenin trên sông Von
- Ga có chiều cao lớn hơn 40m.


8

- Theo vật liệu: Tường chắn có thể làm bằng bê tông cốt thép, bê tông, bê tông
đá hộc, đá xây, gạch xây hay kim loại.
- Theo nguyên tắc làm việc: Có thể chia theo các loại sau:

a)

b)

d)

Hình 1-3: Phân loại theo nguyên tắc làm việc của tường
+ Tường trọng lực: Độ ổn định được bảo đảm chính là do trọng lượng bản thân
và vật liệu (bê tông, đá xây hay gạch xây) chủ yếu chịu ứng suất nén (hình 1-3a).
+ Tường nửa trọng lực: Độ ổn định được bảo đảm khơng những chỉ nhờ trọng
lượng bản thân mà cịn do trọng lượng của khối đất nằm trên bản đáy. Loại tường
này thường là những kết cấu bê tông cốt thép, trong đó lực kéo do cốt thép chịu
(hình 1-3b).
+ Tường có những cấu kiện mỏng: Loại tường này cấu tạo bằng nhiều tấm bê
tông cốt thép đúc liền nhau. Sự ổn định của loại tường này được bảo đảm căn bản là


9

do trọng lượng của khối đất nền trên bản đáy và chỉ một phần nhỏ là do trọng lượng
bản thân (hình 1-3c).
+ Tường mỏng: sự ổn định được đảm bảo nhờ tường được chơn chặt xuống nền
(hình 1-3d). Để giảm bớt chiều sâu nằm trong đất và để tăng độ cứng của tường,
người ta thường dùng dây néo.
+ Tường trọng lực, tường nửa trọng lực và tường có cấu kiện mỏng có thể xếp
vào loại tường trọng lực để phân biệt với tường mỏng.
- Theo độ nghiêng của lưng tường: Tùy theo độ nghiêng của lưng tường có thể
chia tường chắn đất thành loại tường dốc (hình 1-4a, b); Tường thoải (hình 1-4c) và
tường nằm ngầm (hình 1-4d). Đồng thời tường dốc có thể có mái nghiêng thuận
(hình 1-4a) hoặc mái nghiêng nghịch (hình 1-4b).

a)

c)

b)

d)

Hình 1-4: Phân loại theo độ nghiêng của lưng tường
- Theo cách thi công: Tường chắn đất được chia thành tường liền khối và
tường lắp ghép. Tường chắn bằng bê tông cốt thép đổ liền khối có dạng chữ L thơng


10

thường có thể làm theo kiểu cơng xon (hình 1-5a) hay là kiểu bản chống (hình 15b).

a)

b)

Hình 1-5: Phân loại theo cách thi công tường
1.1.2. Ứng dụng.
Trong xây dựng công trình thủy lợi, tường chắn thường được dùng trong các
cơng trình trạm thủy điện trên sơng, làm bộ phận nối tiếp giữa đập tràn hoặc nhà
của trạm thủy điện với cơng trình đất và bản bờ; chúng được dùng trong các cơng
trình đầu mối thủy lợi trên sơng, làm một số bộ phận của những cơng trình giao
thơng vận tải (âu thuyền) hoặc dùng trong hệ thống dẫn nước thuộc trạm thủy điện:
máng nước, bể lắng; Ngoài ra tường chắn cịn được dùng trong các cơng trình thủy
lợi ở biển, làm một số bộ phận của những cơng trình bảo vệ bến và kè.

1.1.3. Kết cấu tường chắn được nghiên cứu trong luận văn.
Tường chắn đất kiểu bản chống là kết cấu tường được dùng khá phổ biến trong
các công trình thủy lợi, giao thơng vận tải, xây dựng. Tường chắn kiểu bản chống
được thiết kế với các chiều cao từ 4m đến 6m đặt trên nền đất, đá có bề mặt đất đắp
sau tường nằm ngang hoặc gãy khúc chịu tải trọng của xe máy thi công hoặc các tải
trọng xuất hiện trong thời gian khai thác.
Hình dạng hợp lý và kinh tế của tường chắn bê tông cốt thép liền khối là tường
chắn đất kiểu bản chống. Cấu trúc mặt cắt ngang tường bao gồm hai tấm bê tông cốt


11

thép (bản mặt và bản đáy) liên kết với nhau thành một khối dạng chữ L, ngoài ra
dọc theo chiều dài của tường ta bố trí những bản chống để tăng cường độ cứng cho
toàn kết cấu.
Chiều rộng bản đáy xác định chủ yếu từ điều kiện ổn định chống trượt theo đế
móng, tuy vậy có trường hợp cần khắc phục tình trạng áp lực đế móng lên đất nền
rất không đều người ta phải kéo dài tấm đáy về phía trước bản mặt. Chiều dài đoạn
cơng xon này tùy thuộc vào áp lực lên tường chắn và ứng suất cho phép của đất nền.
Tuy vậy khi áp dụng vào điều kiện cụ thể từng cơng trình và vị trí xây dựng cần
phải có sự linh hoạt sáng tạo, đồng thời phải bổ xung một số chi tiết cần thiết về mặt
cấu tạo.
Tường chắn đất kiểu bản chống gồm ba phần được đổ liền khối là bản mặt, bản
đáy và bản chống (hình 1.6).

Hình 1-6: Cấu tạo tường chắn đất kiểu bản chống
1.2. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN TƯỜNG CHẮN.
Trong các cơng trình xây dựng, đặc biệt là trong ngành giao thông và thủy
lợi, hạng mục tường chắn là một hạng mục có vị trí quan trọng. Nó đóng góp nhiều
tác dụng trong nhiệm vụ cơng trình và góp vai trị quan trọng trong việc an tồn ổn

định của cơng trình.
Trong các cơng trình xây dựng giao thơng và thủy lợi, tường chắn là khối
tường chống đỡ mái đất, chịu áp lực của đất, nước và các tải trọng khác như xe cộ,
cầu công tác… Tường chắn được sử dụng để khắc phục những hạn chế về phạm vi


12

địa hình thi cơng, diện tích chiếm dụng đất, giảm khối lượng đất đá bê tông, vật liệu
xây dựng mà vẫn đảm bảo được sự ổn định của kết cấu, chống được sự mất ổn định
sụt trượt của cơng trình.
Trong xây dựng thường sử dụng các kiểu: Tường chắn trọng lực bằng bê
tông cốt thép hoặc đá xây, tường chắn kiểu neo bằng bê tông cốt thép, tường chắn
kiểu trồng nề, tường chắn kiểu bản sườn… Hiện nay tường chắn kiểu bản sườn
đang được sử dụng rộng rãi đối với các cơng trình giao thơng và thủy lợi.
Ưu điểm của kết cấu tường chắn có dạng bản sườn là giảm được khối lượng
và giá thành cơng trình, áp dụng được đối với các cơng trình có chiều cao lớn kết
cấu phức tạp và độ ổn định của kết cấu yêu cầu cao, đảm bảo được các yêu cầu về
chất lượng và kỹ thuật.
Việc lựa chọn kết cấu tường chắn hợp lý phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố
khác nhau như: Phương pháp tính tốn, yếu tố địa chất của nền móng, điều kiện làm
việc thực tế của tường, điều kiện cung cấp nguyên vật liệu, giải pháp thi công…
Hầu hết các cơng trình thủy lợi như Đập, Cầu, Cống… đều có kết cấu tường
chắn: Tường chắn đầu đập, tường chắn đầu cống, tường chắn gia cố bảo vệ kênh
mương và các hạng mục cơng trình khác. Các cơng trình có qui mơ nhỏ và đơn
giản, kết cấu tường chắn thường sử dụng là tường chắn trọng lực với kết cấu vật
liệu như đá xây hoặc bê tông. Với các cơng trình có qui mơ lớn, chiều cao tường
lớn, làm việc với nhiều điều kiện bất lợi thường sử dụng các kết cấu tường chắn
dạng bản sườn nhằm làm tăng tính ổn định, giảm khối lượng xây lắp, giảm kinh phí
đầu tư xây dựng cơng trình.

Việc nghiên cứu, tính tốn tường chắn dạng bản sườn đã thu hút sự quan tâm
rất lớn của nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới. Ở nước ta việc nghiên cứu
các kết cấu tường chắn có dạng bản sườn đã được quan tâm từ những năm 1950, các
kết quả nghiên cứu đã được áp dụng ở hàng loạt các cơng trình xây dựng và đã phát
huy tác dụng tốt về mặt ổn định, an tồn và giảm kinh phí xây dựng cơng trình.
Ngày nay, với sự phát triển của ngành xây dựng, với sự trợ giúp của các
phương tiện tính tốn thiết kế và thi công hiện đại. Việc áp dụng các kết cấu tường


13

chắn có kết cấu hợp lý là một phần việc quan trọng trong việc xây dựng các cơng
trình cơ sở hạ tầng phục vụ công cuộc xây dựng đất nước. Tuy nhiên, việc tính tốn
các kết cấu tường chắn đặc biệt là dạng bản sườn vẫn là một vấn đề giành được sự
quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, của các cán bộ thiết kế cơng trình. Việc tính
tốn lựa chọn thiết kế phù hợp kết cấu tường chắn dạng bản sườn vẫn là một chuyên
đề phức tạp đối với những người làm công tác tư vấn, thiết kế xây dựng cơng trình.
Trong thực tế cách tính tốn các kết cấu của tường chắn vẫn thiên về an toàn, đơn
giản hóa trường hợp tính tốn chưa tiếp cận được sát với thực tế làm việc của kết
cấu. Chính vì những lý do nêu trên, nội dung đề tài luận văn muốn đóng góp bổ
xung thêm những lý thuyết và phương pháp mới về vấn đề tính tốn các kết cấu
tường chắn trong các cơng trình thủy lợi.
1.3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN DẠNG TẤM THEO QUI
PHẠM.
Trong công tác thiết kế tường chắn của các cơng trình thủy lợi, các công việc
cần giải quyết của người thiết kế như sau:
Định ra các kích thước cơ bản của tường tùy thuộc vào qui mơ của từng cơng
trình cụ thể. Các kích thước cơ bản của tường chắn ra là: Chiều cao tường, chiều
dày tường, bề rộng bản đáy tường, khoảng cách gia cỏc tng sn

h

sƯờn TƯờng
bản mặt TƯờng

Đáy sau

d

Đáy truớc

A

t
Chân khay sau

B

L

Ch©n khay trc

Hình 1-7: Mặt cắt đại diện tường chắn
Từ các kích thước của tường chắn được định ra, kiểm tra tính tốn ổn định và
tính tốn kết cấu của tường chắn. Nội dung tính tốn là:


14

+ Tính tốn ổn định lật.

+ Tính tốn ổn định trượt.
+ Kiểm tra ổn định ứng suất nền móng tường.
+ Tính tốn kết cấu tường: Mục đích của tính tốn là xác định nội lực trong
các bộ phận kết cấu của tường như bản đáy tường, bản mặt tường và tường sườn.
Từ đó bố trí các cốt thép chịu lực cho các kết cấu của tường.
Trong các nội dung tính tốn trên, thường cắt một băng tường có chiều dài
1m để tính tốn.
1.3.1. Tính tốn ổn định tường:
- Phương pháp tính: Cắt một băng tường có chiều dài 1m để tính tốn, đề ra
các trường hợp áp dụng tính tốn, kiểm tra (Tường chắn thường nguy hiểm về mặt
ổn định khi vừa thi cơng xong).
- Nội dung tính tốn:
1.3.1.1. Xác định các ngoại lực tác dụng vào tường chắn
- Xác định áp lực đất
Tính theo áp lực chủ động:
σ = n.γ.h.tg2(450-φ/2)
Trong đó:

σ: Cường độ áp lực đất (T/m)
n: Hệ số vượt tải, với áp lực ngang thường n = 1,2
γ: Dung trọng của đất đắp, thường tính theo dung trọng tự

nhiên bảo hịa (thường là trường hợp thi cơng xong gặp mưa).
φ: Góc nội ma sát đất đắp.
Khi tính áp lực đất, nếu trong phạm vi tường có xe máy hoạt động thì phải tính tải
trọng máy qui đổi thành chiều cao cột đắp. Trường hợp này phải biết xe máy thuộc
loại gì để tính được áp lực do tải trọng của xe máy gây ra. Trong tính tốn thiết kế
áp lực này được tính theo cơng thức:

q=

Trong đó:

P
a.b

P: Là tải trọng do xe máy gây ra


15

a,b: Khoảng cách giữa 2 trục của bánh xe theo phương dọc và
ngang (các chỉ tiêu này tra theo bảng với tải trọng cụ thể của mỗi loại xe máy). Từ
áp lực của xe máy tính được này biến đổi thành chiều cao cột đất sau lưng tường:

h0 =
Trong đó:

q

γđ
γ đ : Là dung trọng của đất đắp.

Như vậy chiều cao cột đất đắp tính tốn bây giờ khơng phải là h mà bằng

xe m¸y

ho

H = h + h 0 , trường hợp này áp lực đất có dạng hình thang.

h

sƯờn TƯờng
bản mặt TƯờng

Đáy sau

d

Đáy truớc

A

1

t
Chân khay sau

L

2

Chân khay truớc

Hỡnh 1-8: Sơ đồ tính tốn ổn định tường chắn
Trường hợp hạ lưu tường có tải trọng tương tự thì cũng tính tốn như vậy.
Các chú ý trong tính tốn áp lực đất:
+ Nếu đất đắp sau lưng tường là đất dính thì phải tính tốn áp lực đất theo
đất dính (được qui định cụ thể trong qui phạm tính tốn tường chắn đất).
+ Tính trọng lượng thường phân thành các lực theo cấu tạo mặt cắt có hệ số

n = 1,05.
+ Tính trọng lượng đất có n = 1,1.
- Tính trọng lượng bản thân của tường: Thường chia nhỏ mặt cắt của tường
thành các phần tường có mặt cắt đơn giản để tính diện tích và trọng tâm như hình
tam giác, hình vng, hình chữ nhật, hình thang. Từ đó diện tích của các mặt chia


16

nhỏ, theo đó ta tính được trọng lượng của diện tích mặt cắt bằng cách nhân thể tích
tường với trọng lượng riêng của vật liệu làm tường.
1.3.1.2. Lập bảng tính toán ổn định tường chắn.
- Kiểm tra ổn định về trượt của tường chắn:
Cơng thức tính tốn kiểm tra hệ số ổn định về trượt của tường thường được sử dụng
tính tốn là:

KT =
Trong đó:

P
.f
Q
K T : Là hệ số ổn định trượt của tường.
P: Tổng các lực thẳng đứng.
Q: Tổng các lực nằm ngang.
f: Hệ số ma sát giữa bản đáy tường và nền.
f = (0,6 - 0,7) nếu nền là đá.
f = tgφ (φ góc ma sát trong của đất) nếu nền là đất.

- Kiểm tra ổn định về lật của tường:

Tường chắn là loại tường có tác dụng chống lại xu tác dụng lực của khối đất
đá đắp sau lưng tường. Do vậy tường thường có xu thế bất lợi về lật, thường là về
phía bản mặt của tường. Trong tính tốn thiết kế, vị trí có bất lợi ổn định lật là điểm
cuối của chân khay sau (điểm A trong hình 1-8). Do vậy trong tính tốn thường lấy
mơ men của tất cả các lực với điểm A. Tổng hợp các mô men bất lợi (mô men gây
lật) thường là các mô men do các lực tác dụng như đất đá đắp sau lưng tường, xe
máy trên lưng tường, áp lực nước, áp lực ngang do động đất… Các mơ men có lợi
(mơ men chống lật) thường là các mô men do các lực: Trọng lượng bản thân tường,
thành phần thẳng đứng của lực tác dụng...
Hệ số kiểm tra ổn định về lật được tính:
KL =

∑M
∑M

CL
GL


17

Có hệ số kiểm tra K T và K L , so sánh với các hệ số qui phạm đối với cấp thiết
kế của từng cơng trình. Các hệ số này thường có giá trị từ 1,05 đến 1,25 tùy theo
từng trường hợp tính tốn cụ thể.
Sau khi tính tốn và so sánh nếu hệ số K T và K L nhỏ hơn hoặc gần bằng hệ
số [K T ], [K L ] thì cần phải có sự điều chỉnh lại các kết cấu của tường để đảm bảo an
toàn về trượt, lật của cơng trình. Thơng thường có thể tăng chiều dày tường, tăng
cột đất đắp phía bản mặt tường hoặc gia tải phía bản mặt bằng cách đổ bê tông hoặc
xây đá, kéo dài chiều dài bản đáy…
1.3.2. Kiểm tra khả năng chịu tải của nền - ứng suất nền.

Sau khi định ra các kết cấu của tường và tính tốn kiểm tra thỏa mãn điều
kiện ổn định về lật và trượt của tường. Một công việc bắt buộc trong tính tốn thiết
kế thơng thường là kiểm tra sức chịu tải của nền móng dưới chân tường, tìm được
biểu đồ ứng suất của nền khi tường làm việc trong trường hợp bất lợi. Từ đó với
mỗi loại đất nền của từng cơng trình, người thiết kế sẽ điều chỉnh kết cấu tường hợp
lý để cho đất nền đảm bảo không bị phá hủy khi tường làm việc, từ đó đảm bảo chế
độ làm việc an tồn của tường chắn và nền.
1.3.2.1. Tính tốn khả năng chịu tải của nền: R ≤ Ф
Trong đó:
R: Là tải trọng tính tốn tác dụng lên mặt nền ứng với trường hợp bất lợi nhất.
Ф: Tải trọng giới hạn (cực hạn) của nền móng tường.
1.3.2.2. Ứng suất nền:
Trong tính tốn thiết kế tường chắn, để đảm bảo an toàn cho tường thường
phải xác định biểu đồ ứng suất nền móng tường, cần tránh cho nền không bị phá
hủy bởi giá trị ứng suất kéo đối với nền đất hoặc cho phép kéo đối với nền đá nhưng
phải thỏa mãn giá trị:

1
σ kéo ≤ γ max
6


18

Giá trị ứng suất nền:
Trong đó:

σ max, min =

N 6e

±
F B

F là diện tích đáy móng
B là chiều rộng đáy móng

B
− e0 : là độ lệch tâm của tải trọng tỏc dng
2

e =

M
P

e0 =

=

M CL M GL
P

h

sƯờn TƯờng
bản mặt TƯờng



Đáy sau

d

Đáy truớc

A



t
Chân khay sau

L

Chân khay truớc

max

min

Hỡnh 1-9: S tính tốn kiểm tra ứng suất nền

1.3.3. Tính tốn nội lực và bố trí cốt thép.
Sau khi đã hồn thiện được việc xác định kích thước và kiểm tra độ ổn định
của tường chắn. Công việc tiếp theo của người thiết kế là tìm ra được nội lực trong
bản thân tường, từ đó có sơ đồ bố trí cốt thép chịu lực trong thân tường.
Tùy thuộc vào việc bố trí khoảng cách giữa các tường sườn, chiều cao bản
mặt tường, chiều dày của bản đáy tường mà chọn sơ đồ tính tốn kết cấu phù hợp.
1.3.3.1. Tính tốn nội lực trong bản mặt tường.