Thiết kế và thi công tường chắn đất có cốt dương học hải

GS.TS DƯƠNG HỌC HẢI

THIÈT KẺ V Â THI CÕNG


GS.TS. DƯƠNG HỌC HẢI

THIẾT KÊ VÀ THI CỘNG
TƯỞNG CHẮN ĐẤT cớ CỐT
(Tái bản)

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG

HÀ NỘI-2012


LỜI NĨI ĐẦU
Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp dùng để xây dựng các cơng trình,
phổ biến nhất là các cơng trình tường chắn và các nền đường đắp cao với
mái dốc thẳng đứng. Nguyên lí đất có cốt do một kĩ sư cầu đường người
Pháp là Henri Vidal nghĩ ra. Cho đến nay sau gần 40 năm phát triển,
nguyên lý này đã trở nên phổ biến khắp thế giới kể cả ở Việt Nam (chẳng
hạn như đoạn đường dẫn lên cầu vượt qua nút giao thông Ngã Tư Vọng
tại Hà Nội đã được xây dựng tường chắn hai bên theo ngun lí đất có cốt).
Do vậy, tác giả đã biên soạn cuốn sách này, trước hết để phục vụ cho việc
giảng dạy và học tập môn "Chuyên đề Đường" của sinh viên ngành cầu
đường và cao học chun ngành Xây dựng cơng trình của Trường đại học
Xây dựng, sau là nhằm giúp cho các kĩ sư thiết kế, các nhà thầu thi công,
các kĩ sư tư vấn giám sát nắm vững nguyên lí và cơ sở lí thuyết về đất có
cốt, đồng thời giúp các đối tượng trên nắm vững các bước tính tốn, thiết kế
và các yêu cầu về công nghệ thi công (kể cả u cầu kiểm tra, nghiệm thu)

đối với loại cơng trình tường chắn bằng đất có cốt. Trong cuốn sách, người
đọc củng có thể thấy được q trình phát triển khơng ngừng của loại vật
liệu tổ hợp này, kê từ lúc mới ra đời cho đến nay, với sự xuất hiện đa dạng
về cấu tạo các loại hỉnh cốt đặt trong đất và các loại hình mặt tường bao.
Để biên soạn cuốn sách này, tác giả đã tham khảo các tiêu chuẩn thiết
kê' và chỉ dẫn thi công của Pháp quốc, Anh quốc hiện hành, các sách báo
khoa học và giáo trình giảng dạy của các tác giả trong và ngồi nước củng
như các tài liệu giới thiệu sản phẩm của một sơ'hãng nước ngồi chun
cung ứng vật tư và thiết bị dùng cho cơng trình bằng đất có cốt. Do vậy, tác
giả mong rằng cuốn sách có thể đem lại cho người đọc không chỉ những
hiểu biết cơ bản về vật liệu đất có cối mà cịn có thể giúp người đọc thực
hành tính tốn, thiết kê'và thi cơng một cơng trình tường đất có cố t.
Mong muốn là như vậy nhưng trình độ khơng khỏi hạn chê' nên cuốn
sách chắc khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong độc giả đóng
góp ý kiến (qua Nhà xuất bản Xây dựng) để khi in lại lần sau, tập sách
này có thể được, sửa chữa và bổ sung hoàn chỉnh hơn.
Tác giả
3


P hần I

NGUN LÍ ĐẤT CĨ CỐT VÀ c ơ SỞ TÍNH TỐN
THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN BẰNG ĐẠT c ó CỐT

1.1. S ự RA ĐỜI CỦA ĐẤT CÓ CỐT VÀ CÁC CƠNG TRÌNH BẰNG
DAT CĨ CỐT
Từ lâu đời, đất được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng. So với các
loại vật liệu; khác, đất rất rẻ tiền, sẵn có nhưng lại có các đặc trưng cơ học
kém, đặc biệt là không chịu được lực kéo. Để khắc phục nhược điểm này,

ngoài những biện pháp gia cố đất bằng các chất liên kết (vơ cơ, hữu cơ, hố
chất), từ năm 1963, Henri Vidal, một kĩ sư cầu đường 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 giành được bản quyền về phát minh này, 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 kĩ sư cầu đường, kĩ sư xây dựng ở khắp nơi
trên thế giới.
Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất là 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; thông qua sức neo bám (do
ma sát, dính và neo bám) giữa đất với vật liêu cốt mà loại vật liệu tổ hợp đất
có cốt này có được khả năng chịu kéo; (giống như vật liệu bêtông cốt thép có
khả năng chịu kéo,trong đó bản thân bêtơng chịu kéo kém). Loại cơng trình
được xây dựng thử nghiệm đầu tiên bằng đất có cốt chính là tường chắn
bằng đất có cốt. Tường được đắp bằng đất có cốt với mặt tường bao khơng
chịu lực. Trên hình 1.1.1 ta có thể thấy các ỹếu tố của một tường chắn đất có
cốt đầu tiên do H. Vidal đề xuất thiết kế; trong đó đất đắp là loại rời rạc, ít
dính, cốt là các dải kim loại (rộng 60mm, dầy 5mm) và vỏ mặt tường bao
bằng kim loại dầy 1,5 - 4,0mm cao 25cm (sau khi đã uôn cong).

■5


Hình 1.1.1: Cốt và vỏ mặt tường bao bằng kim ỉoại
của một cơng trình tựờng chắn bằng đất có cốt (dạng nguyên thuỷ)
Tường chắn bằng đất có cốt đầu tiên được xây đựng thử nghiệm là tường
Incarville trên đường cao tốc A13 ở Pháp (hình 1.1.2 và 1.1.3). Tường này
c lOm, rộng lOm, dài SOm được xây dựng vào năm 1967.'

Ị “'

ỳ

;

: . •.

,

•; Ỵ-

Tưởng ỈRcarvịlle:a) Nhìn tồn cảnh; b) Mặt cắt ngang.
Đơn vị trên hình tính bằng mét
6


Hình 1.1.3: Tường ỉncarvilìe khi đang thi Cổng ở chiều cao 3m
Kết quả quan trắc ứng suất và biến dạng của cốt, của vỏ (thông qua các
đẩu 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 kĩ sư Nguyễn Thàrih Long, một Việt kiều tại Pháp) đã cho
phép ngay từ những năm đó thiết lập được các 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 đất có cốt được xây dựng trên các đường ôtô và bến
cảng ở Pháp, Tây Ẹan 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
bêtông cốt thép sẽ rất khớ giải quyết ván đề nềri móng, do vậy đã chọn kết
cấu tường bằng đất có cốt là loại tường bằng vật liệu mểm cho phép có
những biến dạng lớn mà không bị phá hoại đột ngột trong khi vẫn giữ được
ổn định chung của cơng trình.
Cũng ngay từ những năm(1966 - 1969)mới rá đời, ở nhiều đường cao tốc
của Pháp đã xây dựng các tường đất có cốt để làm nền đường tách đôi 2
dhiều xe chạy vđỉ 2 bậc cao thấp khác nhau (để bảo đảm ổn định nền đường)
/


hoặc làm những đường đắp cao trên đoạn dẫn lên các cầu vượt ở các chỗ
giao nhau khác mức trong đơ;thị (để hạn chế giật phóng mặt bàng do khơng
phải đắp mái taluy) và đặc biệt là để xây dựng cả những tường ke cảng như
tường ke bến cảng Cf Montréal (Canada), ụ tầu ở Strasbourg, tường cảng ở
Boulogne, La Grand Motte (Pháp).
Sở dĩ vừa ra défi mà vật liệu đất có cốt đã được ứng dụng như vậy là vì nó
góp phần tạo ra được những ưu thế trong lĩnh vực xây dựng cơng trình:
- Nhờ đất có cốt mà các cơng trình đắp bằng đất khơng cần đắp có mái
dốc, tức là có thể đắp với mái dốc thẳng đứng (taluy 1 : 0) với những chiều
cao đắp lớn (năm 1972, ở Pakistan đã xây dựng một Công trình tường chắn
đất có cốt vách thẳng đúng cao 40m). Cũng với, đất CÓ cốt người ta đã xây
dựng các mố cầu bằng đất đắp, là kết cấu chịu nén lệch tâm (như mố cầu
Thionville ở Pháp cạo 12,Om, chịu tải từ gối cầu truyền xuống tới 750 tấn và
độ lún định trước 20cm).
Dĩ nhiên là cơng trình đắp thẳng đứng bằng đất có cốt phải cấu tạo có mặt
tường bao (không chịu lực) để giữ cho đất đắp không bị lở, không bị xâm
thực do các tác nhân môi trường bên ngoài (về vaị trộ và cấu tạo mặt tường
bao xin xem thêm ở mục II.2 và các mục khác trong phần II).
- Đất có cốt là loại vật liệu mềm, do vậy cho phép vẫn bảo đảm được ổn

định của cơng trình dù khi xẩy ra biến dạng lớn;
- Đất có cốt là ioại vật liệu nặng, cơng trình bằng đất có cốt có kích thưởc
lớn đáp ứng dưỢc u cầu đối với những cơng trình địi hỏi phải có trọng
lượng lởn để chịu đựng lực ngang lớn, chịu lực va chạm lớn hoặc áp lực sóng
nổ lớn...
Chú ý rằng, trên quan điểm kiến trúc nhiều khi cũng cần xây dựng cẳẹ
cơng trình hồnh tráng có kích thước lótn, tưịng dầy. Trong cậc trường hợp
đó, nếu dùng vật liệu bêtơng hoặc khối đá xây thì ĩất tộn kém và lúe này
tường đất có cốt có thể sẽ thích hợp cả về kinh tế và kĩ thuật, nhất là có thể
tuỳ nghi sáng tạo các kiểu mặt tường bao để đạt yêu cầu về trang trí kiến
trúc và tạo hình (như xây dựng các tường thành hoặc đài kỉ niệm).
Vì là vật liệu nặng vói các khả năng chịu đựng, được các tác động nối trên
nên đất có cốt cũng được nghiên cứu ứng dụng để xây dựng các cơng trình
8


quốc phịng và cả các cơng trình ở vùng động đất (hầm chống bom, ụ chiến
đấu, pháo đài...).
- Cơng trình bằng đất có cốt thi cơng đơn giản và nhanh, cốt và các tấm
hoặc vỏ mặt tường bao đều có thể gia công trước tại nhà máy rồi đưa ra hiện
trường lắp đặt tiện lợi ngay trong quá trình đắp đất (lắp đặt đến đâu đắp đến
đó, hình 1.1 1 va 1.1.3).
Tuy nhiên ngay từ những năm phát triển đầu tiên người ta cũng đã nhận
thấy những nhược điểm của íoại vật liệu mới này để tìm cách khắc phục:
- Nếu dùng vật liệu kim loại làm cốt và vỏ mặt tường thì gặp vấn đề về
biện pháp chống gỉ: phải dùng thép khơng gỉ hoặc thép mạ; cịn nếu dùng
thép thường thì phải tăng thêm kích thước cốt hoặc vỏ để dự trữ phòng gỉ
(xem điểm 3.1 ở phần III).
- Nếu cốt và vỏ mặt tường bằng vật liệu chất dẻo tổng hợp (vải hoặc lưới
địa kĩ thuật) thì cần phải có biện pháp chống lão hố cho chúng (xem điểm

3^2 ở phần III).
Một cách khác để khắc phục là sử dụng vỏ mặt tường bao bằng các
tấm bêtông cốt thép lắp ghép như hình LI .4 cũng đã xuất hiện trên thực tế
ngay từ đầu những năm 70 của thế kỉ XX và vẫn được tiếp tục sử dụng
cho đến ngày nay.

Hình 1.1.4: Tấm bêtơng cốt thềp làm vỏ mặt tường bao
(có mộng và chốt để lắp ghép, có mấu để liên kết với cốt)
9


Để đảm bảo cọ sức neo bám tối giữa cốt VỚI đất thì đất dùng để đắp cũng
phải đạt được các yêu cầu nhất định về thành phần hạt (thường yêu cầu là đất
rời, đất rời ít dính), về tính chất điện hoá (để giảm tác dụng xâm thực đối với
cốt kim loại hoặc cốt bằng chất dẻo tổng hợp). Những yêu cầu cụ thể đối với
đất đắp trong công trình đất có cốt sẽ được nêu chi tiết ở mục n.2 phần II.
Mặt khác ban thân cốt cũng phải được chế tạo và cải tiến cấu tạo để tăng
được sức neo bám vổi đất nhằm phát huy hiệu quả của cốt (xem thêm ở 1.3.1
dứói đây về các lóải cốt thường sử dụng hiện nay).
Sức neo bám giữa đất và cốt cũng sẽ giảm đi khi nước xâm nhập được vào
đất. Do vậy đối với tơng trình đất có cốt cần phải giải quyết tốt vấn đề thoát
nước (xem kĩ ở mục H.5 phần n).
1.2. NGUN Lí ĐẤT CĨ CỐT VỀ MẶT c ơ HỌC
1.2.1. Sự phá hoại của đất khỉ khơng có cốt
Như đã biết, đất xem như một vật liệu rời. Khi chịu ngoại lực tác dụng thì
đất sẽ Ổn định (khơng bị phá hoại cắt trượt) nếu trạng thái ứng sụất ở bất kì
điểm nào và theo hướng nào cũng nằm dưói đường bao phá hoại của các
vịng trịn Mohr (hmh.I.2.1).
Theo vịng Mohr ta có thể diễn giải các điều kiện khi đất ở vào trạng thái
cân bằng giới hạn như sau:

- Khi ơ 3 < ơj:

( 1- 2- 1)

- Khi ơ 3 > ơj:

( 1- 2- 2)

hay ơ3 = ƠỊ .Kp - 2c^Kp
Trên hình 1.2.1 và các cơng thức (1-2-1) và (1-2-2) các kí hiệu có ý nghĩa
như sau:
10


1 . 0 - ưng suài.e&t và ứng suất pháp tại điểm đang xét theo hướng đang xét;
(p - góc nội ma sát của đất;
c - lực dính của đất;
ơ| và ơ3 - ứng suất chính theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang
tại điểtn đang xét.
K0, Ka, Kp lần lượt là hệ số áp lực đất ở trạng thái tĩnh, hệ số áp lực đất
chủ động và hệ số áp lực đất bị động.

Trạng thái ữr*

Trạng thái gây
áp lực chủ độrg

Trạng thái gây
áp lục bị động

Hình Ị.2.1: Trạng thắị ứng suất ở một điểm trong đất
và đường bao phá hoại của vịng Mohr
Theo (1-2-1), với một loại đất có c, cp, đã biết, trị số ơị do ngoại lực gây ra
càng lớn mà lúc đó ơ3 khơng đủ lốn thì đất sẽ bị phá hoại. Trong trường họp
có tường, nếu áp lực hông dần dần giảm đi (tựa như lúc thân tưcmg chống đỡ
dịch chuyển ra phía ngồi) thì khi ơ 3 giảm đếnơ3 = o c , khối đất sẽ đạt đến
11


trạng thái cân bằng giới hạn dẻo và bị phá hoại. Do vậy đất là vật liệu không
chịu được nén thuần tuý (khi ơ3 = 0), không thể dùng làm vật liệu xây dựng
các cơng trình chịu nén lớn nếu lực dính c có hạn và nếu khơng có biện pháp
điều chỉnh trạng thái ứng suất (làm tăng áp lực hông ơ3). Ngược lại, theo
(1-2-2), nếu ớ3 cắng lớh sơ với ƠJ thì đất cung sễ bị phá hoặi. Trong trường
hợp có tường, nếu áp lực hơng ơ3 dần dần tăng lên (tựa như lúc thân tường
chống đỡ dịch chuyển vào trong) thì khi dạt đến ơ 3 = 0 D khối đất cũng bị
phá hoại. Chính vì vậy ứng suất chính nhỏ nhất ơ3 ở (1.2:1) gọi là ứng súất
(áp lực) chủ động với Ka là hệ số áp lực đất chủ động và ơ3 ở tình huống (I2-2) gọi là ứng suất (áp lực) bị động với Kp là hệ số áp lực đất bị động.
Khi ơị .Ka - 2 cJ k ^ < ơ3 < ƠJ .Kp - 2 cJ k ^ thì đất chưa đạt đến trạng thái
cân bằng giới hạn và lúc này ơ3 nằm giữa áp lực đất chủ động và áp lực đất
bị động, đất không dịch chuyển và ở vào trậng thái tĩnh với hệ số áp lực đất
ở trạng thái tĩnh K0 (Ka < K0 < Kp).
1.2.2. V ai trò của cốt

Vai trị của cốt chính là nhằm tao ra áp lực hơng ơ3 ngay từ bên trong
khối đất có bố trí cốt (q3 khơng phải do ngoại lực gây ra). Điều này cũng
tương đương với việc tạo ra được lực dính c lớn hớn bên trong khối đất.
Xét một khối đất có nhũng lớp cốt nằm ngang bố trí đủ gần nhau như
hình I. 2.2.
Cốt

Khối đất —

g_ Q
__ ___ z

Hình 1.2.2: Vai trò của cốt là
hạn chế khối đất hở ngang khi
chịu lực tác dụng thẳng đứng

Khi khối đất chịu nén theo phương thẳng đứng với áp lực ƠJ, nếu khơng
có cốt (ơ3 = 0) đất sè bị phá hoại vì nở hơng tự do. Nhưng khí có bố trí cốt
(khốỉ đất bị kẹp giữa hai lớp cốt) và giả thiết giữa cốt và đất có đủ sức neo
bám cần thiết (tức là đất và cốt bám chặt cùng chuyển v| với nhàu) thì khi
chịu nến, đất chỉ có thể chuyển vị ngang tròng phạm vi chuyển vị ngang của
cốt. Vi mốđun biến dạng của vật liệu cốt cao hơn rất nhiểu so với môđun


biến dạng của đất nên trị số biến dạng ngang en của khối đất hầu như khơng
đáng kể (sn « 0) và do đó đất bị xem như chịu nén 3 trục có hạn chế nở hơng
với trị số áp lực hơng ơ3:
ơ3 = K.ơ

(1-2-3)

Trong đó:
K - hệ Số áp lực ngang của đất; nếu ở trạng thái tĩnh (sn = 0) thì K = K0
với K0 là hệ SỐ áp lực đất ở trạng thái tĩnh. Theo Jaky, K0 = 1 - sincp.
Áp lực hơng ơ3 chính là do cốt tác dụng vào đất thông qua lực ma sát
giữa đất và cốt. Khối đất sẽ ổn định nếu như ơ3 không vượt quá sức chịu kéo

của cốt làm cọt đứt hoặc không vượt quá sức neo bám giữa đẩt với cốt làm
cốt bị tuột khỏi khối đất hoặc không vượt quá áp lực bị động của đất làm đất
bị phá hoại. Như vậy, trị số ơ3 do cốt đặt trong đất tạo ra bị hạn chế bởi sức
chịu kéo đứt của bản thân cốt, bởi sức chống kéo tuột cốt (phụ thuộc vào khả
năng neo bám giữa đất với cốt) và bởi sức chống cắt trượt của đất.
Bâý giờ thử cho khối đất ở hình 1.2.2 chịu lực ngang thì rõ ràng trong
trường hợp này cốt khơng có tác dụng hạn chế nở hông nữa và nếu muốn
khối đất được ổn đựìh thì lại phải bố trí các lớp cốt theo phướng thẳng đứng.
Chính vì vậy mà vật liệu đất có cốt là loại có tính dị hướng.
Vai trị nói trên ‘của cốt chính là ngun lí cơ bản đệ’ tạo ra vật liệu đất có

Hình L2.3: Hình ảnh minh hoạ ngun lí đất có cốt
Trên hình 1.2.3 ta có thể thấy: nhờ có bố trí các lớp cốt bằng giấy bìa
(hoặc vải bố) mà khối đá cuội khơng có lực dính kết vẫn có thể duy trì được


váeh thẳng đứng khi đá cuội trơn nhẩn được xếp chồng Ịên nhau; đó chính là
do các lớp cốt bằng giấy hoặc vải ìđã tạo ra được một áp lực hơng thơng qua
ma sát giữa chúng với đất. Hình 1.2.3 cũng cho ta thấy rõ rằng: khi đủ ma sát
(đủ súc neo bám giữa cốt với đất) vằ các lớp cốt bố trí đủ gần nhau theo
chiều đứng, thì mặt tường bao, nếu được đặt để bao bọc khối đất có cốt ở
mặt hơng, sẽ khơng chịu bất kì một lực đẩy ngang nào từ khối đất có cốt.
Nếu các lớp cốt được bố trí có khoảng cách nhất định theo chiều thẳng đứng
thì lúc đó vỏ mặt tưịng bao chỉ chịu một áp lực nhỏ, cục bệ, không đáng kể
của lớp đất nằm giữa hai lớp cốt và vai trò của vỏ mặt tường bao chỉ là để
bảo vệ bể mật phía hơng chống các tác dụng xâm hại, iầm lở hoặc xói cục
bộ khối đất có cốt như trên đã nói; ngồi ra, mặt tường bao cịn là bộ phận
được cấu tạo để tạo hình dạng mĩ quan cho cơng trình.
Như vậy, nếu các lóp cốt được bố trí đúng hướng, được tính tốn và bố trí
với các khoảng cách theo chiều đứng cũng như chiều ngang thích họp thì

trong khối đất có cốt sẽ khơng xẩy ra biến dạng trượt và tồn khối đất có cốt
đó được xem như một khối bền chắc, có đủ sức kết dính để ổn định dưới tác
dụng của trọng lương bản thân và ngoại lực.
Để thấy rõ thêm vai trò cửa cốt ta phân tích thêm trường hẹp một khối dất
có khả năng bị trượt thẹo một mặt nào ậó như ở hình 1.2.4,
Qhưacócốt

Chựacócốt

/ s

C6 bố trí cốt

Có bố trí cốt

Hình 1.2.4: Vaitrở cửa cốt trong một khối đất
có khả năng xẩy ra trựợt trển một mặt trtíạt S


Trên hình 1.2.4, mặt trượt s chia khối đất thành 2 phần A và B. Giả sử trên
1 diện tích ds nào đó của mặt trượt s, mảnh trượt A tác dụng lên mảnh B
một lực Rj. Nếu Rj làm với pháp tuyến của dS một góc lón hơn góc nội ma
sát cp của đất thì tại đó sẽ xẩy ra chuyển vị trượt. Để bảo đảm ổn định của cả
khối đất thì phải bố trí cốt sao cho lực kéo của cốt F (do sức neo bám giữa
cốt và đất tạo ra) hợp vói Rj thành một hợp lực R2 (hình I.2.4b) có phương
của R2 làm với pháp tuyến qua dS một góc nhỏ hơn cp.
Nếu trên tồn mặt trượt s đều bố trí cốt sao cho đảm bảo điều kiện nói
trẻn thì hai mảnh A và B sẽ gắn liên với nhau và khả năng trượt giữa chúng
sẽ khơng xẩy ra. Đây chính là ngun lí của việc gia cố các mái dổc đào
bằng cách chèn cốt vào mái dốc (soil nailing) như minh hoạ ở hình 1.2.5. Đất

chèn cốt và cả cơng nghệ neo đất cũng chính là một loại hình phát triển
mạnh trong vài chục năm gần đây từ ngun lí đất có cốt.

Hình 1.2.5: Cơng nghệ đất
chèn cốt (soil nailing) để
tăng cường ổn định mái dốc
nền đào

1.2.3. Sự neo bám giữa cốt và đất

Như trên đã thấy, phải có đủ sức neo bám giữa đất và cốt thì mới có thể
tạo ra áp lực hơng ơ3 ngay từ bên trong khối đất có cốt, tức là tạo ra được sự
truyền sức chịu kéo của cốt cho đất (giống như sự truyền sức chịu kéo của
cốt thép cho bêtông).
Việc truyền lực giữa cốt và đất hay sự tạo ra sức neo bám giữa cốt với đất
phụ thuộc vào cấu tạo hình dạng cốt và có hai phương thức cơ bản là phương
thức truyền lực thông qua ma sát giũa chúng và phương thức truyền lực
thông qua sức cản bị động của đất. Đối vái các loại cốt như cốt dạng đai
mỏng (hình 1.1.1), cốt dạng tấm (hình 1.2.3), cốt dạng khung (hình 1.2.6),
dạng lưổi, dạng mạng (như lưói hoặc mạng polinie địa kĩ thủật - geogrid), tất
cả đều truyền lực thông qua ma sát. Nhung chỉ những loại cốt dạng khung,
15


dạng lưới, dạng mạng là các loại cốt có các phần tử cốt vng góc với
phương truyền lực kéo thì mới có thêm phưcmg thức truyền lực thơng qua
sức cản bị động của đất (tức là mới có hiệu ứng; neo). Ngồi ra, trong cộng
nghệ đất chèníeốt* hiện eữttg đã có những loại cốt chỉ truyền lực nhờ sức cản
bị động của đất thơng qua cấu tạo bầu nea.

Hình 1.2.6: 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 Pp
a) Nhìn theo chiều đứng; b) Nhìn trên mặt bằng.
Cơ cấu truyền lực thông qua ma sát giữa cốt và đất được miêu tả ở hình
I. 2.7.
Py

H í i H H H H
T2

HOOHQ
Ư
-

Ơ
'r

O

Ư

d/

Hình Ị.2.7: Cơ cấu
truyền lực thống
qua mậ sớt giữa cốt yà đặt

'
TO

Phấn tích Sự cân bằng của một phân đoạn nhỏ đất có cốt dl với bề rộng b,
ta cố thể thấy lực đước truyền qúâ đl sẽ là:
dT = T2 -T ị = 2bdl.x

(1-2-4)

Trong dó: X - úng suậít cắt trượt do jna sát bề mặt trên mặt tiếp xúc giữa
đất và cốt trong phân đoạn dl:
^ p .ơ v
16

(1-2-5)


với

ơv là ứng suất pháp tác dụng trên mặt cốt;
p - hệ số ma sát giữa cốt và đất.

Hộ số ma sát p giữa bề mặt vật liệu xây dựng với cát và đất bụi thường
bằng 0,5 -ỉ- 0,8 lần hệ số nội ma sát của bản thân loại đất đó. Nếu biết trị số
ứng suất pháp ơv thì có thể dễ dàng tính ra lực kéo nhổ của đất có cốt bằng
cách lợi dụng quan hệ nói trên. Tuy nhiên, vì trong quá trình biến dạng khi
chịu cắt trượt, đất dạng hạt có thể bị xốp nở, do đó ứng suất pháp hữu hiệu
tác dụng trên mặt cốt sẽ biến đổi tuỳ theo tác dụng tương hỗ giữa đất với cốt
nên thực tế không thể biết trị số ơv là bao nhiêu. Vì vậy thường phải sử dụng
hệ số ma sát xác định bằng được bằng thí nghiệm kéo trượt:
.

Pf

( 1- 2- 6)

2b.L.ơv
Trong đó: L - chiều dài cốt;
pf - lực kéo tuột (sức chống kéo tuột).

Hệ số này cịn được kí hiệu là f*, được gọi là hộ số ma sát quy ước hay
hệ số ma sát hữu hiệu. Theo kết quả thí nghiệm cho thấy: Trị số p* thay
đổi túý th tính chất đất (cấp phối hạt, góc cạnh hạt, đặc tính ma sát và độ
chịt đất), tuỳ theo dạng hình học và đặc tính bề mặt của cốt cũng như tuỳ
thuộc trị số ứng suất gia tải hữu hiệu; Bề mặt vật liệu có cốt càng trơn
nhẩn, lực chống trượt của cốt càng nhỏ thì trị số |I* càng nhỏ. Nếu ứng suất
gia tải càng tăng thì do ứng suất ước thúc tãng lên, sự xốp nở của đất khi
biến dạng trượt càng giảm khiến cho trị số p* cũng càng giảm nhỏ tương
ứng (hĩnh 1.2.8).
7

0

20

40

60

80

100

120

ơv (kN/rn)

Hình 1.2.8: Ảnh hưởng của ứng suất gia tải ãđi với hệ số ma sát quy ước
17


Hệ số p* nói chung thường thay đổi trong phạm vi 0,4 -í- 1,5. Khi tính
tốn, đối với cốt dải mỏng có gờ bằng kim loại thường xem như tại vùng
đỉnh tường |i* = 1,5; càng xuống sâu p* càng giấm thấp, cho đến tại độ
sâu cách đỉnh tường 6,Om thì p* - tgơ = tgộ; sau đó càng tiếp tục xuống
sâu trị số ịi* sẽ giữ nguyên khổng thay dổi nữa. Còn đối với cốt dải trơn
nhẵn bằng kim loại hoặc cốt vải địa kĩ thuật hay cốt lưới sợi thép là lọại
cốt biến dạng nhiều thì thường giả thiết p* không thay đổi theo độ sâu và
thường lấy p* = tgô = tg

v3

Cơ cấu truyền lực thông qua sức cản bi đôna của đất được xác định theo
quan hệ sau:
Pp = Np.ơv.n.Ab

(1-2-7)

Trong đó:
Pp - sức chịu kéo tuột do cốt truyền cho đất thông qua sức cản bị động
của đất;
a v ứng suất pháp tác dụng trên mặt cốt;
n - số lượng các phầntử cốt vuông gổc với phượng truyền lực kéo (tức là

số lượng các thanh ngang giằng các cốt dọc để tạo ra cốt dạng khung, dạng
lưới như à hình I-2-Ố);
Ab - diện tích tiếp xức với đất của một thanh ngartg;
Np - hệ số sức cản bị động của đất; hệ số này được xác định bằng thí
nghiêm kéo tuột cổt chơn trong đất và phụ thuộc vào cường độ của đất cũng ,
như khả nâng xốp nở của dất khi đất bị biến dạng trượt. Theo kết quả nghiên
cứu thử nghiệm kéo tuột, thông thường hiện nay trong tính tốn người ta đã sử
dụng trị số Np = 15 -r 30; ở nhũng vùng phía trên của cơng trình đất có cốt (ví
dụ phần trên đỉnh tường chắn đất có cốt) là vùng đất chịu ứng suất pháp nhỏ,
đất dễ bị xốp nở nhiều khi biến dạng trượt thì trị số Np lớn bằng 30. Càng
xuống dưới khi ứng suất pháp tác đụng lên cốt càng lớn, đất càng khó bị xốp
nở thì hệ số này càng nhỏ đi và ở độ sâu cách đỉnh cơng trình 6,Om thì trị số
Np = 15; dưới độ sâu đó, trị số hệ số Np giữ nguyên khơng đổi bằng 15.
Trên thực tế, nhiều loại đất có cốt đều có cả hai phương thức truyền ứng
suất là ma sát và sức cản bị động của đất. Nhung chỉ với loại đất có cốt nào


cả 2 phương thức truyền ứng suất nói trên đều chiếm tỉ lộ tương đối lớn
(như với cốt dạng khung, dạng lưói geogrid hoặc lưới sợi thép) thì mới
xét đến lực kéo tuột đo cả 2 phương thức đó tạo ra theo quan hệ biểu thị
dưới đây:
pkt = p f + P p= ơv(p*.As +Np.n.Ab)

(1-2-8)

Trong đó: Pkt - tổng sức chống kéo tuột;
pf - sức chống kéo tuột do masát tạo ra;
As - diện tích bề mặt của các đơn nguyên cốt.
úhg suất truyền do ma sát sẽ xuất hiện trị số lớn nhất khi cốt chuyển dịch
tương đối nhỏ; còn ứng suất truyền do sức kháng bị động của đất thì chỉ xuất

hiện khi cốt chuyển dịch tương đối lớn. Do vậy, tỉ lệ của mỗi phương thức
truyền ứng suất nói trên chiếm là bao nhiêu có liên quan đến trị sơ' chuyển vị
của hệ đất có cốt. Trị số p* và Np phải được xác định thông qua thí nghiệm
có xét đến tác dụng tương hỗ giữa chúng.
Như vậy, ta đã có được phương pháp đơn giản tính toán về điều kiện neo
bám giữa đất và cốt với các hệ số p* và Np được xác định từ các thử nghiệm
kéo tuột vớí cốt chơn trong đất và chịu các áp lực thẳng đứng (ứng suất
pháp) khác nhau. Rõ ràng là, sức chống kéo tuột pf hoặc Pp (hoặc cả hai) tuỳ
thuộc vào cường độ chống cắt trượt của đất, diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa
cốt với đất, ứng sưất pháp tẩc đụng lên cốt, các đặc trưng hình học và đặc
trưng bề mật (có tạo nhám hay không) của cốt. Trong trường hợp các yếu tố
cấu tạo cốt khơng đổi thì sức chống kéo tuột (cũng tức là lực kéo của cốt
truyền cho đất) sẽ phụ thuộc vào chiều dài cốt và vị trí đặt cốt cách đỉnh
cơng trình nơng hay sâu. Do đó, một nội dung quan trọng trong tính tốn,
thiết kế các cơng trình đất có cốt là phải xác định được chiều dài cần thiết để
bảo đảm đủ neo bám đối với từng lớp cốt sẽ được bố trí trong cơng trình.
Trên đây ta mới xét đến sự truyền lực giữa cốt và đắt tại mặt tiếp xúc trực
tiếp giữa chúng. Trong thực tế các cơng trình đất có cốt, các lớp cốt thường
được bố trí cách nhau một khoảng cách Sv nhất định (theo chiều đứng) vă
các thanh cốt có thể được bố trí cách nhau một khoảng cách Sị, (trên mặt
bằng). Như vậy giữa các khoảng cách đó có một phần đất không tiếp xúc
trực tiếp với cốt. Vấn đề trạng thái ứng suất trong phần đất này và vấn đề
truyền lực eủa cốt từ mặt tiếp xức với đất đến những phần không tiếp xúc
19


trực tiếp là khá phức tạp và cũng đã được nghiên cứu với các mơ hình trong
phịng và quan trắc trên các cơng trình thực. Qua đó, hiện trong tính toán
thiết kế người ta chấp nhận giả thiết xem là: lực kéọ do mỗi thanh cốt truyền
cho đất sẽ phân bố đều trong phạm vi Sv X Sị,.

Giả thiết này có thể được chấp nhận nếu s v và % đủ nhỏ và vì vậy khi bố
trí cốt trong các cơng trình đất có cốt nên tham khảo kinh nghiệm từ những
cơng trình thực tế đã được xây dựng và đã tồn tại bền vững (vói sự ngầm
hiểu rằng đối vói các cơng trìrih đó các khoảng cách s v và Sjj được xem là
đủ nhỏ).
.
Qua phận tích ở các mục 1.2.1, I.2ị2, 1.2.3 nói trên ta thấy muốn thực hiện
được một cơng trình bằng đất có cốt (như tường chắn bằng dất có cột chẳng
hạn) thì cần phải bảọ đảm được các điều kiện sau:
- Có đủ sức neo bám giữa đất và cốt (một cách tổng quát, sức neo bám
được xảc định theo 1-2-8) ở mọi điểm trong khối đất có cốt;
- Cốt phải chịu được lực kéo lớn nhất có thể phát sinh khi cơng trình ở
trạng thái lãm viêc (chm các tác động của ngoại lực);
- Đất phải đủ cường độ chịu nén vẩ chịu cặt để tiểp nhận lực kẻo của cốt
truyền cho đất;
- Mặt bên ẹủạ Gơqg trình phái có bao đẽ báp vệ bẽ mặt chống những hự?
hại từ các tác nhân hèn ngpặi vạ chống lở đất trong phạm vigiữa các lớp cốt.
Gác điều kiện n trên cltíhh làf tdm tắt các ngun lí tạo ra vật liệu đất có
cốt và ngun lí xây đựng một Gơng trình bằng đất có cốt.
I 3. NGUYÊN TẮC CẤU TẠO VÀ CÁC c ơ SỞ TÍNH TỐN TUỒNG
CHẮN BẰNG ĐẤT c ó CỐT
1.3.1. Cấu tạo tường chán bằng đất có cốt

úhg dụng ngun lí đất có cốt nói trên (mục 1.2), một cơng trình tường
chắn đất có cốt gồm có thân tường rộng L, cao H được đắp bằng đất, có góc
mái dốc đắp mặt ngoài là từ 0° đến 20° so với phương thẳng đứng, trong khối
đắp có bố trì các lớp cốt rải nằm ngang và cốt được liên kết chặt với mặt
tường bao như các sơ đồ cấu tạo ở hình 1.3.1, L3.2,1,3.3 và 1,3.4. Nếu d ¿ .
đắp mặt ngoài lớn hơn 20° so với phương thẳng đúng thì khơng xem là tường
20

chắn bằng đất có cốt; trường họp đó phải thiết kế cấu tạo và tính tốn theo
ngun tắc mái dốc có cốt (khơng đề cập trong cuốn sách này).

Hình 1.3.1: Sơ đồ và tên gọi các yếu tô'cấu tạo
một công trình tường chắn đất có cốt

Hình 1.3.2: Sơ đồ tường chắn đất có cốt có mặt tường
bằng tấm bêtơng lập ghép và cốt dạng khung bằng thép tròn
Phần đỉnh tường có thể được sử dụng trực tiếp làm một phần nền đưịng,
trên đó có thể xây dựng mặt đường cho xe cộ đi lại (hình 1.3.la, hình 1.3.3)
hoặc có thể đắp thêm các khôĩ đắp khác.
Kể từ khi tường chắn bằng đất có cốt được xây dụng thí điểm chị đến
nay, các hãng cơng nghệ về đất có cốt ở các nước đã không ngừng cải tiến
kết cấu cốt và mặt tường bao theo hưóng tăng mức độ thuận lợi cho việc lắp
đặt trong q trình thi cơng; lợi dụng các vật liệu mới và vật liệu phổ biến;
21


tăng sức neo bám giữa đất và cốt; tăng tính bền vững của cơng trình; tất cả
đều nhằm hạ giấ thành, tăng độ tin cậy để cơng nghệ này có thể cạnh tranh
được với các cơng nghệ xây dựng khác.

Hình 1.3.3: Tường chắn có cốt bằng vải địa kĩ thuật (cốt polime)
và mặt tưởng bao bằng vấi địa kĩ thuật bọc cuộn cố phun vữa phủ kín
(hoặc phun nhũ tương bitum phủ kín)

Hình 1.3.4: Tường chắn có cốt dạng lưới (dạng mạng) bằng polime
hoặc sợi thép và mặt tường bao bằng lồng hộp đá

Vé đất dùng để đắp tường đất có cốt, trước kia để tảng ma sát với cốt,
ngưcd ta chồ yếu sử dụng cát vừa và cát khổ. Ngày nay đã cho phép dùng các
loại đất kém dính nhất là khi sử dụng các loại cốt dạng khung, dạng lưới (là
các loại tạo ra hiệu ứng neo nhờ sức cản bị động của đất vào các đơn nguyên


ngang của cốt). Mặt khác, cũng đã nghiên cứu kĩ hơn u cầu về các tính
chất điện hố đối vdi đất đắp để hạn chế tác dụng xâm thực của đất đối với
cốt, bảo đảm tuổi thộ của các loại cốt bằng các vật liệu khác nhau. Các yêu
cầu cụ thể đối với đất dùng để xây dựng tường đất có cốt xin xem ở phần II
cuốn sách này.
Về cốt, ngoài cốt bằng kim loại nay đã phổ biến dùng cốt bằng vật liệu
polime dưới dạng vải, lưới địa kĩ thuật. Cốt kim loại lúc đầu dùng thép mạ
hoặc thép không gỉ nay đã dùng phổ biến cả các loại thép thường khơng mạ
(với mệt chiều dầy dự phịng cho phép cốt có thể bị ăn mịn trong thời hạn
tuổi thọ thiết kế của cơng trình). Để tăng khả năng neo bám giữa cốt và đất,
đến nay đã đa dạng hố các dậng cấu tạo cốt (hình 1.3.5), trong đó có những
loại cốt cấu tạo để lợi dụng sức cản bị động của đất (hình I.3.5c, d,; I. 3.2).
Các chỉ dẫn cụ thể về cấu tạo, vật liệu và cách bảo quản cốt các loại xin xem
chi tiết ở mục 11.3 của phần II.

Hình 1.5.5: Các dạng cấu tạo cốt
a) Dải hoặc đai; b) Tấm; c) Lưới hoặc khung; d) Neo; e) Thanh.
23


v ề mặt tường bao, ngoài loại mật tường bao mềm không tham gia chịu áp
lực đất sau lưng tường chắn như những tường chắn đất có bốt truyền thống,
mấy năm cuối thế kỷ XX, Viện nghiên cứu Công nghệ Đường sắt Nhật Bản đã
sáng tạo loại tường đất có cốt vói mặt tường bao cúng (tầng bệtơng đổ tại chỗ

có độ cứng cao) để cùng với khối đất có cốt tham gia chịu áp lực đất sau tưdng
(hình 1.3.6). Nhờ vậy, bề rộng khối đậít có cốt có thể gịảm đến L = Q.35H (h là
chiều cao tường) nhưng L < l,5fn. Vì khn khổ cuốn sách ebbing tơi chưa đề
cập đến phương pháp tính tốn thiết kế loại tường này ở đây.

Hình 1.3.6: Tường đất có cốt với mặt tường bao cứng
a) Tường chắn một phía; b) Tường chắn hai bên (cứl,5m lại nối liền một cốt).
Rọ đá được xếp để liên kết tường với cốt và để làm ván khn phía trong
khi đổ bêtơng tường bao cứng.
Về vật liệu làm mặt tường bao mềm hiện phổ biến có loại mặt bao bằng
các tấm bêtơng ximăng lắp ghép (hình 1.1.4, hình 1.3.2) và loại bằng vải địa
kĩ thuật bọc cuộn (hình 1.3.3) hoặc dùng lồng đá (hình 1.3.4). Các yêu cầu và
chỉ dẫn chi tiết về cấu tạo các loại mặt tường bao này cũng như cấu tạo chi
tiết về cách liên kết giữa cốt với mặt tường bao sẽ được trình bày ở mục n.4
phần I cuốn sách này.
1.3.2.
Các trạng thái phá hoại và các yêu cầu tính tốn thiết kế tường
chắn đất có cốt
Tường chắn bằng đất có cốt phải được tính tốn thiết kế để trong thôi gian
sử dụng không bị phá hoại theo các cách khác nhau, cụ thể là phải bảo đảm
được các yêu cầu sau:
24


- Bản thân khối đất có cốt (rộng L, cao H) ln duy trì được tính tồn
khối và bảo đảm không bị phá vỡ do các hiện tượng đứt cốt, tuột cốt hoặc
dãn cốt như miêu tả ở hình 1.3.7. Yêu cầu này được gọi là yêu cầu bảo đảm
ổn định nội bộ của tường đất có cốt.

Hình 1.3.7: Các trạng thái phá hoại ổn định nội hộ khối đất có cốt

a) Đứt cốt; h) Tuột Cốt; c) Dãn cốt.
- Như đối với các loại cơng trình chống đỡ khác (bằng rọ đá, bằng đá xây,
bằng bêtơng), tường đất có cốt (với bề rộng L, chiều cao H) phải chịu được
áp lực đẩy của đất sau lung tường (lưng tường xem định nghĩa ở hình 1.3.1)
và tác dụng của các ngoại lực khác (nếu có) để khơng bị lật, khơng bị phá
hoại do nền móng phía đáy tường khơng đủ sức chịu tải dẫn dến tường bị
nghiêng đổ (hình I.3.8a), khơng bi dịch chuyển trượt (hình I.3.8b), tường
cơng với khối đất sau tường khống bị trượt quay dẫn đến mất ổn định tồn
khối và tưctng khơng bị lún (I.3.8c và I,3.8đ). Yêu cầu này được gọi là yêu
cầu bảo đảm ổn định tổng thể (loại ổn định ngoài) đối với tường đất có cốt.

ĩ

Hình 1.3.8: Các trạng thái phá hoại ổn định tổng thể (ổn định ngoài)
của tường đất cố cốt
a) Phá hoậi đo khống đủ sức chịu tải và nghiêng lột;
b) Trượt về phía trướcỉ d) Lủh; c) Phá hoại trượt.
25


Để bảo đảm yêu cầu ổn định nội bộ của khối tường bằng đất cỏ cốt cần
phải dựa vào nguyên lí làm việc của đất có cốt và tường bằng đất có cốt
(xem kĩ ở điều 1.3,3 dưới đây) dể:
I
- Tính tốn được lực kéo lớn nhất Tj mà mỗi hàng cổt hoặc mỗi lớp cốt
phải chịu trên một mét dài tường;
- Với trị sô' lực kéo lớn nhất Tj tiến hành kiểm toán khả năng kéo đứt cốt
trên cơ sở đã biết cường độ của vật liệu cốt;
- Kiểm tốn khả năng cốt bị kéo tuột do khơng đủ sức neo bám (trên cơ
sở công thức 1-2-7 hoặc 1-2-8) và kiểm tốn chiều dài cốt cần thiết;

- Dự tính mức độ biến đặng của cốt và so sánh nó vói trị số biến dạng dãn
dài cốt cho phép;
- Tính toán liên kết giữa mặt tường bao với cốt trên cơ sở lực kéo lớn nhất
Tj đã xác định được và- tính' tốn tấm bao mặt tường.
- Tính tốn chiều dầy dự phòng bị ăn mòn của các cốt bằng kim loại hoặc
đề xuất các biện pháp chống lão hoá về cường độ của cốt và mặt tường bọc
cuộn bằng vật liệu polime hay vải địa kĩ thuật.
Tất cả các nội dung tính tốn thiết kế nhầm bảo đảm u cầu ổn định nội
bộ nói trẽn sẽ dược trình bầy chi tiết ở phẩn II cuốn sách nằy.
Để bảo đảm yêu cầu ổn định tổng thể (ổn định ngoài) của tường chắn đất
có cốt cần phải xem tưịng đất có cốt như những tưịng chắn làm bằng đá
xây, bằng bêtơng... khác và phải:
- Xác định được phân bố áp lực đất sau lưng tường theo lí thuyết của
Coulomb hoặc Rankin và áp lực đẩy của các ngoại lực tác dụng khác (nếu có);
- Xác định sợ bộ kích thước của tường đất có cốt và kiểm tốn ổn định
trượt của tường trên đáy móng và trên từng lớp cốt;
- Kiểm tốn sức chịu tải của đất móng đáy tưịng và kiểm toan khả năng
Ổn đinh nghiêng lật của tường;

- Dự tính độ lún của tường chắn đắt có cốt và so sánh vối độ lứn cho phép.
- Kiểm toán điều kiện ổn định chung của tường đất có cốt cùng với sườn
dốc hoặc nền đất tự nhiên trên đó đặt tường.
26