Neo trong đất (ground anchor): Cấu tạo, phân loại, nguyên lý hoạt động và cơ sở lý thuyết tính toán neo

và giám sát neo trong đất cho công trình dân dụng. Tác giả tổng hợp, giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cơ sở lý thuyết tính toán sức chịu tải của neo trong đất theo một số tiêu chuẩn đã được sử dụng( Tiêu chuẩn Anh: BS 8081:1989; Tiêu chuẩn Trung Quốc: CECS 22-1990) Từ khóa Neo trong đất, ground anchor. 1. Neo trong đất (Ground anchor) 1.1. Lịch sử phát triển của neo trong đất Neo trong đất là một loại thanh chịu kéo kiểu mới, một đầu thanh liên kết với kết cấu công trình hoặc tường cọc chắn đất, đầu kia neo chặt vào trong nền đất để chịu lực nâng lên, lực kéo nhổ, lực nghiêng lật hoặc áp lực đất, áp lực nước của tường chắn, nó lợi dụng lực neo giữ của tầng đất để duy trì ổn định của công trình. Qua một số công trình đã sử dụng hệ thống tường neo trong đất, cho thấy giá thành sử dụng tường neo trong đất thấp hơn xấp xỉ 1/3 lần so với sử dụng kết cấu tường chắn thông thường. Hơn nữa, hệ thống được neo thường có thời gian thi công nhanh hơn và không cần làm đường tạm. Neo trong đất thường được sử dụng để thay thế các kết cấu chống đỡ tường chắn như thép, bê tông, gỗ. Neo trong đất được sử dụng ở đập Cheurfas, Algeria để neo bể chứa nước vào năm 1938. Sau chiến tranh thế giới thứ 2, neo trong đất được ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực: ổn định mái đào, ổn định mái dốc và chống sạt lở, gia cố đập Năm 1958 lần đầu tiên neo trong đất được sử dụng để giữ ổn định tường chắn đất trong thi công hố móng sâu. Sau lần ứng dụng thành công năm 1958, neo trong đất đã cho thấy được nhiều ưu điểm nên được nhiều nước tiếp tục nghiên cứu phát triển, đưa ra các quy trình thiết kế và hoàn thiện công nghệ thi công. Ở Việt Nam, công trình đầu tiên sử dụng kỹ thuật neo trong đất đã được Bachy Soletanche Vietnam (Pháp) thực hiện thành công ở Tòa tháp VietcomBank tại 184 Trần Quang Khải, Hà Nội vào Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 29 năm 1977. Tường vây sử dụng neo trong đất được sử dụng để thi công 3 tầng hầm dự án Trung tâm điều hành và Thông tin viễn thông Điện lực Việt Nam có diện tích 14.000 m2 tại số 11 phố Cửa Bắc, TP Hà Nội vào năm 2008. Tòa tháp Keangnam Landmark Tower cao nhất Việt Nam, tại Lô 6 đường Phạm Hùng, Hà Nội, do Samwoo Geotech(Hàn Quốc) thi công tháng 5/2008, tường bê tông cốt thép liên tục trong đất dày 80cm và hai tầng neo trong đất có sức chịu tải từ 35-40 tấn được sử dụng để thi công 2 tầng hầm của tòa tháp này. Cọc ximăng - đất trộn sâu được xem xét thiết kế làm giải pháp ổn định hố đào (kết hợp một phần với neo trong đất) cho 2 tầng hầm của chung cư cao tầng Thương mại – Dịch vụ LUGIACO ở số 70 đường Lữ Gia, P.15, quận 11, thành phố Hồ Chí Minh. Gần đây nhất Công ty Samwoo Vietnam cũng sử dụng phương án tường cọc BTCT kết hợp neo ứng suất trước (ƯST) để thi công 4 tầng hầm công trình Trung tâm Thương mại Đà Lạt (Dalat Center) tại thành phố Đà Lạt. 1.2. Phân loại neo trong đất Neo trong đất có thể phân loại dựa theo cách liên kết với nền đất, cách lắp đặt, phương pháp phun vữa, công dụng, phương pháp căng kéo. Cơ bản chúng ta có thể phân chia như dưới đây: Hình 1.1. Phân loại neo trong đất Theo mục đích và thời gian sử dụng, neo có thể chia thành neo tạm thời và neo cố định: (1) Neo tạm thời là loại neo có thể tháo ra sau khi kết cấu có khả năng tự chịu lực. (2) Neo cố định được sử dụng lâu hơn tùy thuộc vào thời gian tồn tại của công trình, nó sẽ tham gia vào quá trình chịu lực chung của công trình. Theo cách lắp đặt và hoạt động của neo có thể chia thành neo thường và neo ƯST: (3) Neo thường: Là loại neo mà trong quá trình lắp đặt thanh lõi neo không được căng ứng suất trước. Đối với neo này, lõi neo có độ giãn đáng kể khi tải trọng tác dụng, do vậy chuyển dịch của đầu neo sẽ tương đối lớn khi sức chịu tải của neo được huy động tối đa. Cấu tạo lõi neo: thường là một thanh thép cường độ cao [4]. (4) Neo ƯST: Là loại neo mà khi lắp đặt lõi neo cáp đã được căng ứng suất trước. Để giảm bớt sự chuyển dịch của đầu neo tới mức có thể chấp nhận được, neo đất thường được tạo ứng suất trước bằng cách kéo trước neo đất về phía kết cấu. Cấu tạo neo ƯST: lõi neo là một bó cáp cường độ cao được căng ứng suất trước khi lắp đặt [4]. 1.3. Ứng dụng của neo trong đất 1.3.1. Neo ổn định tường chắn khi thi công hố đào Neo trong đất kết hợp với tường chắn bằng cọc chống và ván lát ngang hoặc bê tông phun, tường bê tông cốt thép, tường vây cọc ván tạo thành hệ thống tường chắn ổn định mái đất phục vụ công tác đào đất thi công các công trình ngầm: tầng hầm các tòa nhà, bể nước ngầm, nhà ga tàu điện ngầm đặt trong lòng đất, bãi đổ xe ngầm Ưu điểm của hệ thống này là không chiếm mặt bằng thi công, thời gian thi công nhanh. Hình 1.2. Neo ổn định tường chắn khi thi công đào đất khách sạn Pico Calheta – Bồ Đào Nha 2007 [9] Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 30 1.3.2. Ổn định tường chắn khi thi công đường đào Hệ thống tường neo thường được sử dụng để ổn định mái dốc cho thi công đào đường qua vách núi có mái dốc lớn, mở rộng lòng đường, Hình 1.3. Neo ổn định tường chắn khi thi công đào đất công trình đường tàu điện ngầm xuyên núi Alpine, Thụy Sĩ 2003 [9] 1.3.3. Ổn định và chống sạt lở mái dốc Neo trong đất thường được sử dụng kết hợp với tường, dầm ngang, khối bê tông để ổn định mái dốc và chống sạt lở. Neo trong đất cho phép đào sâu để xây dựng các đường cao tốc mới. Neo trong đất còn sử dụng để ổn định các khối đất đá phía trên mái dốc và ổn định mặt trượt. Các dầm ngang và khối bê tông được sử dụng để truyền tải trọng từ neo vào đất tại bề mặt mái dốc để giữ ổn định mái dốc ngay vị trí đào. Việc lựa chọn sử dụng dầm ngang hay các khối bê tông phụ thuộc các điều kiện kinh tế, mỹ quan, duy tu bảo dưỡng trong quá trình khai thác sử dụng. Hình 1.4. Neo đất giữ ổn định mái dốc và chống sạt lở tại Degendamm Australia [7] 1.3.4. Chống lật, chống đẩy nổi Các neo cố định thường được sử dụng để chống lại lực đẩy nổi. Lực đẩy nổi được tạo ra do áp lực thủy tĩnh hay do kết cấu mất ổn định và bị lật đổ. Các kết cấu xây dựng thông thường chống lại lực đẩy nổi bằng tải trọng tĩnh của chính bản thân kết cấu. Ưu điểm của việc chống lại lực đẩy nổi bằng neo trong đất là khối lượng bê tông sàn ít hơn so với dùng phương pháp tải trọng tĩnh. Tuy nhiên cách này cũng tồn tại một số nhược điểm: - Sự thay đổi tải trọng trong neo có thể làm kết cấu bị lún xuống hoặc nâng lên; - Khó thi công chống thấm; - Ứng suất trong sàn thay đổi nhiều. Hình 1.5. Hệ thống neo trong đất chống lực đẩy nổi tuyến hầm đường bộ Burnley Tunnel ở Melbourne, Australia [7] 1.4. Cấu tạo neo trong đất Về cơ bản cấu tạo của neo trong đất bao gồm phần đầu neo, đoạn tự do và đoạn neo giữ: Hình 1.6. Mặt cắt điển hình neo trong đất 1.4.1. Lõi neo Là bộ phận có khả năng truyền tải trọng kéo từ phần bầu neo đến đầu neo. Lõi neo có thể là cáp nhiều sợi hoặc thép thanh, được gia công từ thép cường độ cao.Với lõi neo dạng cáp chiều dài của neo không bị hạn chế, còn với lõi neo là thanh thép ta có thể kéo dài được bằng cách dùng các hộp nối cường độ cao thích hợp. Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 31 Lõi neo được phủ 1 lớp chống ăn mòn đặc biệt (thường chủ yếu có gốc bitum), sau đó được bọc trong các ống chất dẻo polypropylene (PP) và polyethylene (PE) không thấm nước trong nhà máy, điều đó giúp dây neo hạn chế được sự ăn mòn trong quá trình cất trữ, vận chuyển và sử dụng. Mật độ lõi neo thép trong lỗ neo cần phải được khống chế không vượt quá 15% diện tích diện tích lỗ khoan đối với dây cáp nhiều sợi song song và 20% diện tích lỗ khoan đối với dây cáp đơn, thanh thép hoặc dây cáp nhiều sợi loại sần thích hợp, nhằm mục đích giảm thiểu hiện tượng bong [1]. Hình 1.7. Lõi neo làm bằng thanh thép [9] Hình 1.8. Lõi neo làm bằng cáp [9] Vật liệu chế tạo cơ cấu đệm/định tâm phổ biến hay dùng bằng nhựa chất lượng cao. Hình 1.9. Cơ cấu định tâm/đệm cho dây neo bằng cáp nhiều sợi [9] 1.4.2. Đầu neo Đầu neo có nhiệm vụ truyền tải trọng kéo từ lõi neo đến bề mặt đất hoặc kết cấu chống đỡ (như tường chắn đất hố đào, mái dốc, tường đập ngăn nước, trụ móng tháp truyền hình,). (a) (b) Hình 1.10. (a), (b) Chi tiết đầu neo với lõi neo bằng dây cáp [9] Với lõi neo làm bằng dây cáp, tải trọng kéo từ các tao cáp truyền vào chốt nêm thông qua ma sát rồi truyền qua quả neo  bản đỡ  bệ đỡ (thường dưới dạng các khối bê tông hay dầm gân thép hình)  các kết cấu chính Với lõi neo làm bằng thanh thép, tải trọng kéo từ thanh thép truyền vào ê-cu  vòng đệm  bản đỡ  kết cấu chính Hình 1.11. Chi tiết đầu neo với lõi neo bằng thanh thép [2] 1.4.3. Đoạn tự do Đoạn tự do là chiều dài lõi neo nằm trong đất và không liên kết với đất. Đoạn tự do của neo cần đủ dài sao cho đoạn Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 32 neo giữ nằm hoàn toàn ngoài phạm vi mặt trượt giới hạn của khối đất phía sau tường chắn. Trong đoạn tự do lõi neo được bao ngoài để chống ăn mòn. 1.4.4. Đoạn neo giữ Đoạn neo giữ hay còn gọi là bầu neo, được bao bọc bằng vữa XM và truyền tải trọng từ neo vào đất đá xung quanh. Trong phần bầu neo, lõi neo được bóc lớp vỏ bọc để liên kết với vữa XM. Bầu neo có nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào từng điều kiện địa chất, có 4 loại bầu neo đã được nghiên cứu và áp dụng [1]: - Bầu neo kiểu A: được thi công khoan lỗ với ống vách, không mở rộng bầu neo, phun vữa xi măng và rút ống vách từ từ. Kiểu này được dùng rất phổ biến trong đá và rất ổn định đối với đất đắp dính cứng. Sức kháng nhổ phụ thuộc vào ma sát bên tại giao diện đất/vữa. - Bầu neo kiểu B: được phun vữa áp lực thấp (áp lực phun vữa tiêu biểu Pi 1000 kN/m2). Với kiểu neo này vữa xi măng thấm qua các lỗ rỗng hoặc nứt nẻ tự nhiên của đất làm tăng đường kính bầu neo. Kiểu neo này dùng phổ biến nhất trong đá yếu nứt nẻ và trong các lớp hạt thô, nhưng cũng rất phổ biến trong đất rời hạt mịn. Ở đây các loại vữa xi măng không đi qua các lỗ rỗng nhỏ nhưng dưới áp lực vữa làm chặt đất cục bộ sau khi khoan và làm tăng đường kính có hiệu tăng cường sức kháng cắt. Sức kháng chịu nhổ phụ thuộc chủ yếu vào sức kháng cắt bên thực tế, nhưng cũng có thể kể đến thành phần sức kháng mũi khi tính toán sức chịu tải giới hạn. Hình 1.12. Bốn loại bầu neo đã và đang được áp dụng [1] - Bầu neo kiểu C: được phun vữa áp lực cao (Pi > 2000 kN/m2). Dưới áp lực cao, vữa xi măng sẽ len lỏi qua các nứt nẻ tự nhiên, lỗ rỗng lớn nhỏ của khối đất tạo ra chùm rễ vữa  làm tăng đường kính của bầu neo. Khi thi công các neo kiểu C người ta thường tiến hành phun vữa nhiều lần để tăng khả năng chống nhổ của bầu neo, thường phun lần thứ hai sau khi vữa phun lần thứ nhất đã sơ ninh. Kiểu neo này áp dụng phổ biến trong đất rời hạt mịn. Thiết kế dựa trên cơ sở giả thiết về ứng suất không đổi dọc theo bầu neo. - Bầu neo kiểu D: được khoan lỗ bằng một máy khoan chuyên dụng có khả năng tạo một loạt chỗ mở rộng theo hình chuông hoặc theo hình bầu. Khi thi công thường phun trước vữa xi măng, hóa chất trong đất bao quanh bầu neo, bơm dung dịch khoan polime vào lỗ khoan khi khoan tạo bầu. Kiểu neo này được sử dụng phổ biến nhất trong đất dính từ chặt đến cứng. Sức chịu nhổ phụ thuộc vào ma sát bên và sức chịu ở mũi mặc dù đối với các bầu đơn hoặc có bầu rộng sức chống giữ của đất có thể được huy động chủ yếu bằng sức chống ở mũi. Vữa xi măng dùng để tạo bầu neo thường dùng vữa nguyên chất (vữa không có cấp phối). Loại vữa xi măng cát cũng có thể sử dụng cho các lỗ khoan có đường kính lớn. Máy trộn vữa tốc độ cao thường được sử dụng để đảm bảo sự đồng nhất giữa vữa và nước. tỷ lệ theo khối lượng nước/xi măng trong khoảng từ 0,40 đến 0,55. Xi măng loại I thường được sử dụng với cường độ nhỏ nhất vào thời điểm tạo ứng suất là 21 MPa. Tùy vào đặc điểm của công trình các phụ gia có thể được sử dụng để tăng độ sụt cho vữa. Các chất phụ gia không yêu cầu sử dụng, nhưng hiệu quả hơn nếu sử dụng phụ gia siêu dẻo khi bơm vữa ở nhiệt độ cao và chiều dài bơm lớn. 1.5. Các hệ thống tường neo Một ứng dụng phổ biến của neo trong đất trong các công trình dân dụng là tường neo được sử dụng nhằm ổn định Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 33 mái đào và ổn định mái dốc. Các tường neo này bao gồm tường hẫng không trọng lực với một hoặc nhiều tầng neo trong đất. Các loại tường hẫng không trọng lực gồm các bộ phận thẳng đứng có thể liên tục hoặc không liên tục được khoan hoặc đóng xuống dưới đáy cao độ đào. Tường hẫng không trọng lực chịu lực bằng sức kháng cắt, độ cứng chống uốn của thành phần theo phương đứng và sức kháng bị động của đất dưới cao độ đào. Sức chịu tải của tường neo dựa vào các thành phần này và sức chịu tải ngang của neo để chống lại áp lực ngang (đất, nước, động đất,) tác dụng vào tường. Phân loại tường neo ƯST thường được sử dụng như sau: - Tường cọc ván thép, dầm giằng; - Tường cọc chống, ván lát hoặc bê tông cốt thép lát ngang; - Hệ thống tường gồm các cọc chèn nhau. - Tường cừ bê tông cốt thép liên tục; - Tường bê tông cốt thép không liên tục (cọc chống và bê tông cốt thép lát mặt). Chuyển vị và mô men uốn của tường ổn định mái đào là hàm số của cường độ đất và độ cứng của tường. Độ cứng của tường phụ thuộc vào độ cứng kết cấu tường (EI) và khoảng cách theo phương đứng của các hàng neo (L). Tường cọc ván thép và tường gồm hệ thống cọc chống, ván lát ngang được xem là hệ thống tường mềm. Tường gồm các cọc chèn nhau, tường cọc bê tông cốt thép liên tục, tường cọc bê tông cốt thép không liên tục được xem là các hệ thống tường cứng. 1.5.1. Tường cọc chống đứng và ván lát ngang Tường cọc chống và ván lát ngang được sử dụng đầu tiên ở Đức vào những năm cuối thế kỉ 19 và nhanh chóng được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu. Tường gồm 2 bộ phận chính: cọc chống chịu toàn bộ tải trọng do lực xô ngang của đất và ván lát ngang chịu tải trọng do áp lực đất ở giữa hai cọc chống. Tường neo cọc chống đứng bằng thép hình và ván lát ngang bằng gỗ để giữ ổn định hố đào. Cọc chống đứng là thép hình có tiết diện ngang hình chữ I, giằng ngang bằng thép hình có tác dụng phân bố lực neo cho các cọc chống đứng liền kề. Hình 1.13. Tường neo cọc chống và ván lát ngang [8] 1.5.2. Tường neo cừ thép Tường cừ thép thường được sử dụng trong các loại đất không lắp đặt được ván lát như đất sét yếu, đất bùn bão hòa nước, đất bùn yếu, cát pha sét yếu Các loại đất này không ổn định khi đào nếu không được chống giữ. Hình 1.14 mô tả tường cừ thép với giằng ngang và neo trong đất. Cừ thép thường được đóng hoặc ép thành hàng chèn nhau. Cừ thép còn có thể ngăn không cho nước thấm qua. Hình 1.14. Tường neo cừ thép (Nguồn Murphy International Ltd) 1.5.3. Tường cọc bê tông cốt thép Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 34 Tường gồm các cọc bê tông cốt thép liền kề nhau thường được sử dụng trong các điều kiện địa chất không có xảy ra hoặc có thể kiểm soát được hiện tượng mất đất và thấm nước. Tường gồm các cọc liền kề có thể là kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng. Các cọc bê tông có thể liên kết theo nguyên tắc cứng – mềm (thông dụng) hay cứng – cứng. Các cọc bê tông mềm được thi công trước, sử dụng hỗn hợp bê tông mềm và không có cốt thép. Các cọc cứng được thi công sau và chèn vào các cột mềm ở cả 2 mặt. Các cọc cứng sử dụng kết cấu bê tông cốt thép. Các cọc cứng tạo nên cường độ và độ cứng của kết cấu tường. Cũng giống như tường gồm các cọc liền kề, tường gồm các cọc chèn vào nhau có thể dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng. Hình 1.15. Tường neo cọc bê tông cốt thép liền kề làm kết cấu tạm phục vụ công tác đào đất tại dự án Dalat Center (Nguồn Samwoo Geotech CO Ltd) 1.5.4. Tường cọc xi măng - đất trộn sâu Cọc ximăng - đất trộn sâu là phương pháp cải tạo đất nền nhằm tăng cường độ khống chế chuyển vị và giảm tính thấm [9]. Mũi khoan nhiều trục và guồng trộn được sử dụng để thi công các cọc chồng lên nhau và được tăng cường độ bằng việc trộn xi măng với đất. Phương pháp này được sử dụng để chống đỡ hố đào bằng cách tăng cường độ chịu cắt của đất, ngăn ngừa phá hoại do trượt, giảm tính thấm và chống lại hiện tượng trồi bề mặt. Hình 1.16. Tường neo cọc xi măng – đất trộn sâu (Nguồn Samwoo Geotech CO Ltd) 1.5.5. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất (tường barrette) Tường cừ bê tông cốt thép trong đất có thể dùng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia chịu lực cùng kết cấu cuối cùng. Khi tường cừ tham gia chịu lực với kết cấu cuối cùng sẽ kinh tế hơn và việc thi công sẽ nhanh hơn. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất có độ cứng lớn hơn so với hệ thống tường cọc chống và ván lát ngang, tường cừ ván thép. Nó được sử dụng để giảm độ lún, chuyển vị ngang của đất và kết cấu liền kề trong suốt quá trình thi công, đặc biệt là trong các loại đất mềm yếu. Hình 1.17. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất [8] 1.5.5. Ưu, nhược điểm của hệ thống tường neo * Ưu điểm: - Thi công hố đào gọn gàng tạo mặt bằng thi công rộng rãi và không sử dụng Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 35 hệ thống văng ngang nên có thể thi công đào đất bằng cơ giới. - Chống được vách đất với độ ổn định và độ an toàn cao, có thể thi công được những hố đào rất sâu mà không phụ thuộc vào kết cấu của tầng hầm. - Neo kết hợp với tường chắn mềm làm phân bố lại nội lực trong kết cấu tường, do đó có thể giảm kích thước, chiều sâu của thép trong tường chắn. * Nhược điểm: - Cần các thiết bị thi công chuyên dụng, đội ngũ kỹ thuật thi công chuyên nghiệp có nhiều kinh nghiệm. - Nền đất yếu thì khó áp dụng, chiều sâu neo lớn khó thi công. - Khi sử dụng neo phải dùng đất của các công trình lân cận do đó cần phải được sự cho phép của đơn vị chủ quản công trình này. 2. Cơ sở lý thuyết tính toán neo trong đất Trong các công trình dân dụng, neo được sử dụng phổ biến nhất là để giằng giữ ổn định tường chắn vách hố đào sâu, chủ yếu là neo ƯST. Trong mục này, tác giả tìm hiểu cơ sở lý thuyết, cách tính toán neo ƯST cho tường chắn hố đào. Tập trung vào 2 loại neo được sử dụng phổ biến nhất là neo kiểu A và neo kiểu B. 2.1. Áp lực dất chủ động Xét trường hợp lưng tường thẳng đứng, mặt đất lấp nằm ngang thì có thể vận dụng lý thuyết cân bằng giới hạn theo Rankine để tính áp lực đất chủ động (Hình 2.1). Nếu lưng tường chắn dưới tác động của áp lực đất mà làm cho lưng tường dịch chuyển như hình vẽ, khi đó thể đất sau lưng tường đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn, tức trạng thái chủ động Rankine [2]. Lấy một phân tố đất ở độ sâu z, chỗ lưng tường thì ứng suất theo phương đứng của nó là z z  là ứng suất chính lớn nhất 1 , ứng suất theo phương ngang x  là ứng suất chính nhỏ nhất 3 , cũng tức là áp lực đất chủ động tính toán pa. Lấy 3 a p  , 1 z  thay vào công thức ta sẽ được công thức tính áp lực đất chủ động Rankine: Đối với đất cát: 2tan 45 2 o a ap z zK          (1) Đất có tính sét: (2) 2tan 45 2 tan 45 2 2 2 o o a a ap z c zK c K                    Trong đó: 2tan 45 2 o aK       Ka : hệ số áp lực đất chủ động:  : dung trọng thiên nhiên của đất (kN/m3); C : lực dính của đất (kN/m2);  : góc ma sát trong của đất (độ); Z : độ sâu từ điểm tính toán đến mặt đất (m). a) b) Hình 2.1. Áp lực đất chủ động theo Rankine a) Đối với đất cát, b) Đối với đất sét Với đất cát, hợp lực EA của áp lực đất chủ động trên lưng tường sẽ là diện tích của hình phân bố pa, vị trí của điểm tác động ở chỗ trọng tâm của hình phân bố: 21 2A a E H K (3) Đối với đất tính sét: khi z = 0, từ công thức (2), biết 2a ap c K  tức là xuất hiện vùng lực kéo. Cho pa trong công Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 36 thức 2.2 bằng 0, có thể giải được độ cao của vùng chịu kéo là: 2 o a ch K  (4) Vì giữa đất lấp và lưng tường không thể chịu ứng suất kéo, do đó trong phạm vi lực kéo sẽ xuất hiện khe nứt, khi tính áp lực đất chủ động lên lưng tường sẽ không xét đến tác động của vùng lực kéo [2], nên: (5) 2 2 21 1 2( ) 2 2 2A a o a a cE K H h H K cH K        Nếu phía sau tường là đất gồm nhiều lớp (Hình 2.2) vẫn có thể theo công thức (1) và công thức (2) để tính áp lực đất chủ động nhưng phải chú ý trên mặt ranh giới của các lớp đất, do chỉ tiêu cường độ chịu cắt của 2 lớp đất là khác nhau, làm cho phân bố của áp lực đất có đột biến. Phương pháp tính như sau: Hình 2.2. Tính áp lực đất chủ động của đất gồm nhiều lớp Điểm a: 1 1 1 2a aP c K  Trên điểm b (trong tầng đất thứ nhất): 2 1 1 1 1 1 2a a aP h K c K   Dưới điểm b (trong tầng đất thứ hai): 2 1 1 1 2 22a a aP h K c K   Điểm c: 3 1 1 2 2 2 2 2( ) 2a a aP h h K c K    Trong đó: 2 1 1 tan 45 2 o aK       2 2 2 tan 45 2 o aK       Khi bề mặt đất phía sau tường chắn có tải trọng phân bố đều liên tục q tác động, khi tính toán có thể cho ứng suất đứng z  ở độ sâu z tăng thêm một trị q. Thay z trong công thức (1), (2) bằng ( z q  ) sẽ được công thức tính áp lực đất chủ động khi có siêu tải trên mặt đất: Hình 2.3. Áp lực đất chủ động khi có siêu tải quanh bờ hố móng Đất tính cát: ( )a ap z q K  (6) Đất tính sét: ( ) 2a a ap z q K c K   (7) 2 a o c q K h    Khi không có siêu tải cố định, để kể đến việc có thể chất tải thi công ở quanh hố móng, và các yếu tố xe cộ chạy qua thông thường lấy q = 10 – 20 kN/m2 [2]. 2.2. Hệ số an toàn khi tính toán neo Hệ số an toàn của một neo là tỉ số giữa tải trọng giới hạn và tải trọng thiết kế. Sau đây là quy định về hệ số an toàn trong tính toán neo theo quy phạm của một số nước: Quy định về hệ số an toàn trong tính toán neo trong quy phạm ngành của hội tiêu chuẩn hóa xây dựng Trung Quốc (CECS 22-1990) [6] được trình bày trong bảng 2.1: Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 37 Bảng 2.1: Hệ số an toàn neo theo CECS 22-1990 Mức độ nguy hiểm khi thanh neo bị phá hủy Neo tạm thời Neo vĩnh cửu Nguy hại nhẹ, không ảnh hưởng công cộng 1,4 1,8 Nguy hại lớn, không có vấn đề về công cộng 1,6 2,0 Nguy hại lớn, liên quan đến an toàn công cộng 1,8 2,2 Các hệ số an toàn tối thiểu được kiến nghị để thiết kế neo theo tiêu chuẩn Anh BS 8081:1989 [1] được thể hiện trong bảng 2.2 Bảng 2.2: Các hệ số an toàn neo theo BS 8081:1989 Hệ số an toàn tối thiểu Loại neo Dây neo Giao diện đất/vữa Giao diện vữa/dây/neo hoặc vữa/mũ neo Hệ số tải trọng thử Các neo tạm khi thời gian sống nhỏ hơn 6 tháng hoặc sự phá hoại không gây hậu quả nghiêm trọng hoặc không gây nguy hiểm công cộng, ví dụ như thử tải cọc thời gian ngắn dùng neo làm hệ đối trọng 1,40 2,0 2,0 1,10 Các neo tạm khi thời gian sống kéo dài đến 2 năm và hậu quả do phá hoại khá nghiêm trọng nhưng không gây nguy hiểm cho an toàn công cộng, không cần thiết cảnh báo, ví dụ như tường chắn có neo sau 1,60 2,5* 2,5* 1,25* Các neo dài hạn và tạm thời khi nguy hiểm do ăn mòn cao và/hoặc hậu quả do phá hoại là nghiêm trọng, ví dụ như cáp chủ của cầu treo hoặc đối trọng để nâng các bộ phận kết cấu nặng 2,00 3,0+ 3,0* 1,50 Một số quy định về hệ số an toàn neo theo các tiêu chuẩn khác: Bảng 2.3: Hệ số an toàn của neo theo một số tiêu chuẩn Tên nước Neo tạm thời Neo vĩnh cửu Đức (DIN 4125-1990) [12] 1,33 1,50 Nhật (JSFD 1990) [15] 1,50 2,50 2.3. Các phương pháp tính toán tường neo Có 3 phương pháp để tính toán, phân tích tường neo bao gồm: - Phương pháp RIGID (dầm tựa trên gối cứng) - Phương pháp WINKLER (dầm tựa trên gối đàn hồi) Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 38 - Phương pháp phần tử hữu hạn 2.3.1. Phương pháp RIGID Tường neo được giả sử như 1 phần tử đàn hồi liên tục (EI là hằng số) trên các gối đỡ cố định tại các vị trí neo trong đất. Áp lực đất được xác định trước và không phụ thuộc vào chuyển vị của đất. Vì vậy, phương pháp RIGID không xét sự phân bố lại áp lực đất do chuyển vị của tường. Tải trọng đất tác dụng vào tường có thể theo biểu đồ hình thang (biểu đồ áp lực đất biểu kiến) hoặc phân bố theo biểu đồ hình tam giác thông thường. Đất nền phía trước tường được giả thiết tác dụng lên tường như một gối giả tại điểm có tổng áp lực đất tác dụng vào tường bằng 0 nhằm khống chế chuyển vị của tường. Hình 2.4. Phương pháp dầm tương đương tựa trên gối cứng (RIGID) 2.3.2. Phương pháp WINKLER Phương pháp WINKLER là phương pháp dầm tựa trên nền đàn hồi. Phương pháp này dựa vào phần tử hữu hạn một chiều đại diện cho hệ thống tường/đất. Tường neo được xem như phần tử dẻo liên tục có độ cứng EI và được mô hình như những phần tử dầm - cột đàn hồi tuyến tính. Tường neo tựa trên một số hữu hạn các gối đàn hồi phi tuyến có độ cứng K, phân bố gần sát nhau để mô hình cho nền đất. Neo trong đất được mô hình như những gối đàn hồi phi tuyến riêng lẻ, được truyền tải trọng trước tại các vị trí neo. Các gối đất đàn hồi được truyền tải trước đến điều kiện áp lực đất ở trạng thái nghỉ, nhằm mô hình cho điều kiện đất trước khi đào. Khi đào đất (bỏ các gối đàn hồi đất ở vùng đất bị đào), tường sẽ dịch chuyển vào phía đào. Sự dịch chuyển này là do áp lực đất được truyền trước ở trạng thái nghỉ của đất ở phía sau tường (đất không đào). Các gối đất đàn hồi ở phía trước tường sẽ chịu tải trọng lớn hơn tải trọng ở trạng thái nghỉ để giữ hệ thống tường ở trạng thái cân bằng. Hơn nữa, tại vị trí các neo, neo được mô hình bằng các gối neo đàn hồi, được truyền tải trọng trước cũng giúp giữ cân bằng hệ thống tường. Phương pháp WINKLER giả thiết các gối đàn hồi để mô hình các tác động của đất một cách độc lập (ứng xử của một gối đàn hồi sẽ không ảnh hưởng đến ứng xử của các gối gần kề). Hình 2.5 mô tả phương pháp phân tích WINKLER được sử dụng cho cả phân tích tường thi công theo giai đoạn hoặc phân tích tường ở giai đoạn hoàn thành mà không xét được chuyển vị của hệ thống xảy ra trong từng giai đoạn thi công. Hình 2.5. Phương pháp dầm tựa trên nền đàn hồi (WINKLER) 2.3.3. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) [5] Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là phương pháp giải tích được sử dụng để xấp xỉ sự tương tác phức tạp, xảy ra giữa đất và kết cấu. Phương pháp FEM cần nhiều thông số đầu vào để đạt được ứng xử chính xác của đất lên bề mặt kết cấu. Loại phân tích này gọi là phân tích tương tác đất - kết cấu (SSI). Trong phân tích FEM SSI, đất và tường được mô hình như là các phần tử hữu hạn tuân theo quan hệ giữa ứng suất và biến dạng phù hợp. SSI có thể sử dụng để mô hình quá trình thi công thực tế. Các giai đoạn thi công trong suốt quá trình phân tích được mô hình gia tăng dần. Quá trình này dùng mô hình ứng suất - biến dạng để mô phỏng ứng xử Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2016 No. 1/2016 39 ứng suất - biến dạng của đất và mặt tiếp xúc đất - kết cấu là phi tuyến và phụ thuộc vào lộ trình ứng suất. Lưới phần tử hữu hạn được sử dụng trong toàn bộ quá trình phân tích. Các phần tử có thể được thêm vào hoặc bỏ ra khỏi lưới trong quá trình phân tích. Các phần tử không tồn tại trong giai đoạn phân tích được mô hình bằng các phần tử có độ cứng rất nhỏ và thường được gọi là “những phần tử không khí”. Khi đến giai đoạn thi công có sử dụng vùng lưới, trong đó có phần tử không khí, thuộc tính của những phần tử này sẽ được thay đổi thành những thuộc tính tương ứng của đất và các phần tử kết cấu. Một đặc điểm quan trọng nữa của phân tích FEM SSI là nó cho phép phân tích được mômen tương đối giữa đất và kết cấu bằng cách sử dụng phần tử trực tiếp. Đặc điểm này cho phép tính toán chính xác áp lực và ứng suất cắt tác dụng vào kết cấu tường chắn. Không giống như các phương pháp cân bằng giới hạn thông thường, phương pháp SSI không yêu cầu xác định trước biểu đồ áp lực đất tác dụng vào kết cấu nhưng cho phép tính toán ứng suất dựa vào sự tương tác giữa đất - kết cấu trong suốt quá trình thi công. 2.4. Sức chịu tải của các loại neo 2.4.1. Sức chịu tải của neo theo BS 8081:1989 [1] a. Các neo kiểu A Đối với các neo kiểu A thân thẳng được phun vữa bằng ống tremie hoặc đổ theo kiểu trọng lực, các nguyên tắc tính toán tương tự như các cọc khoan nhồi và dựa trên cơ sở dùng các độ bền cắt không thoát nước. Khả năng giữ tải trọng giới hạn T có thể được dự báo theo biểu thức: . uT n DL C  (8) Trong đó: T : tải trọng neo thiết kế (kN); N : hệ số an toàn neo; Cu : độ bền cắt không thoát nước trung bình trên toàn bộ chiều dài bầu neo (kN/m2); D : đường kính lỗ khoan (m); L : chiều dài bầu neo (m);  : hệ số dính bám, thư