Thiết kế tường chắn đất có cốt bằng lưới địa kỹ thuật

thiết kế, thi công đem lại hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật, nhưng đồng thời có tính thẩm mỹ và thân thiện với môi trường. Qua nghiên cứu các tiến bộ kỹ thuật về công nghệ và vật liệu mới ở trong nước và trên thế giới, bài viết xin giới thiệu giải pháp thiết kế tường chắn đất có cốt bằng lưới địa kỹ thuật. Từ khóa: Tường chắn đất có cốt; lưới địa kỹ thuật (geogrids). 1. Giới thiệu về lưới địa kỹ thuật Hiện nay tường chắn đất có cốt sử dụng vật liệu địa kỹ thuật đã được ứng dụng rộng khắp trên thế giới. Từ những năm 1960 – 1970 những ứng dụng của lưới địa kỹ thuật đã được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các công trình ứng dụng các dạng vật liệu này đang xuất hiện tại nhiều nơi trên thế giới, từ Mỹ, Anh, Israel cho đến Singapore, Malaysia, Hàn Quốc, Trung Quốc,và Việt Nam. Tại Việt Nam, những công trình tường chắn sử dụng vật liệu địa kỹ thuật mới được phát triển vài năm trở lại đây, có thể kể đến các công trình tường chắn đường dẫn đầu cầu Kênh Nước Mặn, cầu Tân Đức, cầu Hùng Vương tại Long An, hay các công trình tường chắn đất tại Đà Nẵng, Bình Dương, Tp.HCM. Lưới địa kỹ thuật được làm bằng chất polypropylene (PP), polyester (PE) hay bọc bằng polyetylen-teretalat (PET) với phương pháp ép và dãn dọc. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty, nhà máy sản xuất lưới địa kỹ thuật làm cốt, có thể kể đến là Tensar, E’grid, BOSTD, Các lưới địa kỹ thuật thường làm bằng chất liệu polyetylen có tỷ trọng cao HDPE (High Density Polyethylen) có độ bền rất cao giúp cho lưới bền vững dưới các tác động của môi trường, tia cực tím (độ bền lên tới 120 năm). Lưới địa kỹ thuật chia làm ba loại: lưới 1 trục (uniaxial geogrid); lưới 2 trục (biaxial geogrid); lưới 3 trục (triaxial geogrid). Theo hình 1,2,3: Hình 1. Lưới 1 trục Hình 2. Lưới 2 trục Hình 3. Lưới 3 trục - Lưới địa kỹ thuật 1 trục có sức chịu kéo theo một hướng thường để gia cố mái dốc, tường chắn. Việc thi công các công trình sử dụng lưới địa kỹ thuật cũng tương đối đơn giản. Thời gian thi công được rút ngắn so với các phương pháp truyền thống. Ngoài ra, Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 1-2013 66 việc sử dụng lưới địa kỹ thuật còn giúp tận dụng được các dạng vật liệu đắp tại địa phương làm giảm thiểu chi phí thi công. Bề mặt tường chắn thì có nhiều phương án để lựa chọn như bề mặt bằng khối bê tông đúc sẵn định hình, bằng các panel bê tông đúc sẵn theo toàn bộ chiều cao hoặc đúc thành phân đoạn, bằng các tấm bê tông cốt thép mỏng lắp ghép, bằng lưới rọ đá hoặc các lưới trồng cỏ. Hình 4. Tường chắn gia cố bằng lưới địa kỹ thuật 1 trục Hình 5. Mái dốc gia cố bằng giải pháp bó uốn lưới địa kỹ thuật 1 trục - Lưới địa kỹ thuật 2 trục có sức kéo cả hai hướng, thường dùng để gia có nền đường, nền móng công trình. Hiệu quả hoạt động của lưới địa kỹ thuật 2 trục dựa trên cơ chế khóa hạt cốt liệu bên trong những ô lưới có gân lưới dạng vuông. Giữa các hạt vật liệu bên trong mắt lưới sẽ tạo ra một kết cấu cứng và loại bỏ hiện tượng dịch chuyển của các hạt nên có thể ngăn ngừa hiện tượng lún lệch, tăng cường khả năng chịu tải của đất nền, đặc biệt có sự phân bố lại tải trọng trên diện rộng hơn và giúp giảm bề dày các lớp kết cấu áo đường. Nhờ vào ưu điểm này mà bề dày của các lớp kết cấu được giảm xuống khoảng 30%, từ đó chi phí xây dựng, chi phí duy tu bảo dưỡng được giảm xuống đáng kể. Cũng như lưới địa kỹ thuật 1 trục, lưới địa kỹ thuật 2 trục có thể được sử dụng với mọi loại vật liệu đắp có tại địa phương. Sản phẩm lưới địa kỹ thuật 2 trục tỏ ra rất hiệu quả khi ứng dụng cho các công trình giao thông, đường xá, nền nhà xưởng, kho bãi. Hình 6. Nền đất được gia cố bằng lưới địa kỹ thuật 2 trục Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 1-2013 67 - Lưới 3 trục (triaxial geogrid) có sức chịu kéo theo tất cả các hướng, cấu trúc mắt lưới có dạng tam giác nên giúp giữ chặt hạt vật liệu, kết hợp với tính chất phân bố về cường độ theo các phương, tạo thành lớp gia cố hiệu quả hơn lưới 2 trục. Lưới 3 trục dùng rất hiệu quả trong gia cố nền đất yếu. 2. Thiết kế tường chắn có lưới địa kỹ thuật gia cường Tường chắn đất có cốt là lưới địa kỹ thuật được thiết kế tận dụng kết hợp đặc trưng làm việc của các vật liệu khác nhau, có tính ổn định, độ cứng và ít bị biến dạng do kết hợp được hai yếu tố: đất (chịu nén tốt) và lưới địa kỹ thuật (chịu căng kéo). Có thể nói, với nhiều đặc tính vượt trội của mình, tường chắn đất có cốt sử dụng lưới địa kỹ thuật là giải pháp tiên tiến, ưu việt cho nhiều yêu cầu khác nhau. Lưới có nhiệm vụ neo khối đất dễ bị trượt vào khối đất tự nó đã ổn định, còn bề mặt tường chỉ có tác dụng làm đẹp và giữ cho đất khỏi bị xói mòn. Phương pháp thiết kế dựa trên hai yếu tố chính để xác định loại lưới, chiều dài lưới và khoảng cách các lớp lưới: - Kiểm toán ổn định nội bộ (kiểm toán ổn định bản thân tường): bao gồm kiểm toán cốt bị khả năng kéo đứt và khả năng kéo tuột, nhằm mục đích xác định khoảng cách giữa các lớp lưới, lực đẩy lớn nhất trong mỗi lớp lưới và chiều dài lưới. Hình 7. Các sơ đồ kiểm toán ổn định nội bộ - Kiểm toán ổn định tổng thể: tương tự như các kết cấu tường chắn đất khác, bao gồm kiểm toán trượt ngang, lật, ổn định nền và trượt tổng thể. Hình 8. Các sơ đồ kiểm toán ổn định tổng thể Hiện nay, ở Việt Nam chưa có tiêu chuẩn riêng cho thiết kế tường chắn có cốt là lưới địa kỹ thuật. Vì vậy, trong nội dung bài viết này tác giả sử dụng tiêu chuẩn AASHTO 2002/NHI 043 – ASD của Mỹ để giới thiệu các bước cơ bản cho bài toán thiết kế. 3. Áp dụng tính toán thiết kế Thiết kế một tường chắn đất gia cường bằng lưới địa kỹ thuật một trục, tường chắn cao 6m. Cho biết: Đất trong tường chắn có r = 19,6kN/m3, r = 34o, cr = 0; Đất sau tường chắn có b = 19,6kN/m3, b = 30o, cb = 0; Đất nền có f = 19,6kN/m3, f = 30o, cf = 0; Tải trọng phụ phân bố đều trên đỉnh tường: q = 15kN/m2. Bước 1. Vẽ sơ đồ kiểm toán tính toán Hình 9. Sơ đồ kiểm toán Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 1-2013 68 Bước 2. Vẽ sơ đồ bố trí lưới Hình 10. Sơ đồ bố trí lưới Bước 3. Xác định các thông số cơ bản Chiều cao tường: H = 6m; chọn chiều dài lưới sơ bộ: L = 4,5m; Chọn khoảng cách giữa các lớp lưới: Sv = 0,5m; Đất trong tường chắn: r = 19,6kN/m3, r = 34o, cr = 0; Đất sau tường chắn: b = 19,6kN/m3, b = 30o, cb = 0; Đất nền: f = 19,6kN/m3, f = 30o, cf = 0; Tải trọng phụ phân bố đều trên đỉnh tường: q = 15kN/m2. Bước 4. Kiểm toán ổn định nội bộ, bao gồm: - Kiểm toán khả năng cốt bị kéo đứt + Xác định áp lực ngang lên tường, h Ka = tan2(45o - b/2) = 0,33    15*6,1933,0  zqzK rah  + Xác định lực đẩy lớn nhất trong các lớp lưới, Tmax Tmax = h*Sv = 0,33(19,6*z + 15)*Sv + Chọn lưới có độ bền chịu kéo cho phép, Tall (Lưới của hãng TENAX) 5,1 max )(  T TFS allB Bảng 1. Tổng hợp kết quả kiểm toán khả năng bị kéo đứt z Sv Tmax Loại lưới Tall HSAT TT lớp (m) (m) (kN/m) (TENAX) (kN/m) FS(B) Kết luận 12 0,5 0,5 4,1 TT045SAMP 20,8 5,1 Đạt 11 1,0 0,5 5,7 TT045SAMP 20,8 3,6 Đạt 10 1,5 0,5 7,3 TT045SAMP 20,8 2,8 Đạt 9 2,0 0,5 8,9 TT045SAMP 20,8 2,3 Đạt 8 2,5 0,5 10,6 TT045SAMP 20,8 2,0 Đạt 7 3,0 0,5 12,2 TT045SAMP 20,8 1,7 Đạt 6 3,5 0,5 13,8 TT060SAMP 27,7 2,0 Đạt 5 4,0 0,5 15,4 TT060SAMP 27,7 1,8 Đạt 4 4,5 0,5 17,0 TT060SAMP 27,7 1,6 Đạt 3 5,0 0,5 18,6 TT090SAMP 41,6 2,2 Đạt 2 5,5 0,5 20,3 TT090SAMP 41,6 2,1 Đạt 1 6,0 0,5 21,9 TT090SAMP 41,6 1,9 Đạt - Kiểm toán khả năng cốt bị kéo tuột + Chiều dài lưới neo giữ phía sau mặt trượt, LE ))()(1)(8,0)()(tan8,0)(2( )(5,1 max z TL rr E   (LE ≥ 1m) + Chiều dài lưới phía trước mặt trượt, LR          2 45tan ro R zHL  + Xác định chiều dài lưới tổng cộng của mỗi lớp, L L = LR + LE Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 1-2013 69 Bảng2. Tổng hợp kết quả kiểm toán khả năng bị kéo tuột z Sv Tmax LE LEmin FR HSAT TT lớp (m) (m) (kN/m) (m) (m) (kN/m) FS(PO) Kết luận 12 0,5 0,5 4,1 0,73 1,0 10,6 2,6 Đạt 11 1,0 0,5 5,7 0,51 1,0 21,2 3,7 Đạt 10 1,5 0,5 7,3 0,43 1,0 31,7 4,3 Đạt 9 2,0 0,5 8,9 0,39 1,0 42,3 4,7 Đạt 8 2,5 0,5 10,6 0,38 1,0 52,9 5,0 Đạt 7 3,0 0,5 12,2 0,36 1,0 63,5 5,2 Đạt 6 3,5 0,5 13,8 0,35 1,0 74,0 5,4 Đạt 5 4,0 0,5 15,4 0,34 1,0 84,6 5,5 Đạt 4 4,5 0,5 17,0 0,33 1,0 95,2 5,6 Đạt 3 5,0 0,5 18,6 0,33 1,0 105,8 5,7 Đạt 2 5,5 0,5 20,3 0,33 1,0 116,3 5,7 Đạt 1 6,0 0,5 21,9 0,32 1,0 126,9 5,8 Đạt Bảng 3. Tổng hợp kết quả tính toán chiều dài lưới z Sv Tmax LE LEmin LR L L kiến nghị TT lớp (m) (m) (kN/m) (m) (m) (m) (m) (m) 12 0,5 0,5 4,1 0,73 1,0 2,92 3,92 4,5 11 1,0 0,5 5,7 0,51 1,0 2,66 3,66 4,5 10 1,5 0,5 7,3 0,43 1,0 2,39 3,39 4,5 9 2,0 0,5 8,9 0,39 1,0 2,13 3,13 4,5 8 2,5 0,5 10,6 0,38 1,0 1,86 2,86 4,5 7 3,0 0,5 12,2 0,36 1,0 1,60 2,60 4,5 6 3,5 0,5 13,8 0,35 1,0 1,33 2,33 4,5 5 4,0 0,5 15,4 0,34 1,0 1,06 2,06 4,5 4 4,5 0,5 17,0 0,33 1,0 0,80 1,80 4,5 3 5,0 0,5 18,6 0,33 1,0 0,53 1,53 4,5 2 5,5 0,5 20,3 0,33 1,0 0,27 1,27 4,5 1 6,0 0,5 21,9 0,32 1,0 0,00 1,00 4,5 Bước 5: Kiểm toán ổn định tổng thể + Kích thước hình học của tường: H = 6m, L = 4,5m + Tính các tải trọng: W = rHL = 19,6*6*4,5 = 529,2kN/m qL = 15*4,5 = 67,5kN/m mLm qLW MMLe RBP 75,0 6 54,0 2 0     43,11633,0*6*6,19* 2 1 2 1 22 1  ab KHF  (F1 kN/m) F2 = qHKa = 15*6*0,33 = 29,7kN/m + Tính các mômen: MO = F1(H/3) + F2(H/2) = = 116,43*(6/3) + 29,7*(6/2) = = 321,96kNm/m MRO = W(L/2) = 529,2*(4,5/2) = 1190,7kNm/m MRBP = W(L/2) + qL(L/2) = 529,2*(4,5/2) + 67,5*(4,5/2) = 1342,58kNm/m - Kiểm toán lật Hệ số an toàn lật, FS(OT) 5,17,3 96,321 7,1190 )(  O RO OT M MFS  ổn định - Kiểm toán trượt ngang Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 1-2013 70 + Lực đẩy ngang tại đáy tường, FH FH = Pa = F1 + F2 = 116,43 + 29,7 = = 146,13kN/m + Lực chống đẩy ngang tại đáy tường, FR FR = Wtan(f) = 529,2*tan(30o) = 341,7kN/m + Hệ số an toàn trượt, FS(SL) 23,2 13,146 7,341 )(  H R SL F FFS  ổn định - Kiểm toán ổn định nền + Tính độ lệch tâm, e + Sức chịu tải tới hạn của đất nền, qult qult = cfNc + 0,5f (L-2e)N = 0,5*19,6*(4,5 – 2*0,54)*22,4 = = 750,76kN/m2 + Tổng tải trọng thẳng đứng, v 89,192 54,0*25,4 5,672,529 2        eL qLW v kN/m 2 + Hệ số an toàn ổn định nền, FS(BC) 5,29,3 89,192 76,750 )(  v ult BC qFS   ổn định - Kiểm toán ổn định trượt tổng thể: ổn định vì hệ số an toàn lớn hơn 1. (Sử dụng phần mềm Geoslope/W) Hình 11. Sơ đồ kiểm toán ổn định trượt tổng thể 4. Kết luận Tường chắn có cốt bằng lưới địa kỹ thuật cho thấy những ưu điểm vượt trội so với phương án truyền thống – sử dụng vật liệu bê tông cốt thép. Tường chắn bền vững trước các yếu tố tác động từ thiên nhiên. Chi phí giảm đáng kể, tỏ rõ ưu thế đối với phương án truyền thống, giúp tiết kiệm đáng kể cho chủ đầu tư. Việc thi công cũng tương đối đơn giản, không yêu cầu những phương tiện thi công phức tạp, thời gian xây dựng công trình cũng được rút ngắn, tạo sự thuận lợi cho tiến độ dự án. Tuổi thọ dạng công trình này là rất cao, có thể lên tới hơn 120 năm, việc duy tu, bảo dưỡng công trình cũng không yêu cầu quá khắt khe. Một điểm nổi bật của tường chắn có cốt bằng lưới địa kỹ thuật chính là mặt thẩm mỹ, có rất nhiều lựa chọn trong việc thiết kế bề mặt tường, có thể lựa chọn bề mặt bê tông, gạch block hay panel với các hình dạng và màu sắc khác nhau. Hiện nay, sản phẩm lưới địa kỹ thuật được sản xuất và phân phối bởi rất nhiều công ty giúp cho việc cung ứng vật liệu trở nên dễ dàng, khâu tính toán thiết kế được hỗ trợ bởi rất nhiều phần mềm chuyên dụng, giúp cho ra những kết quả chính xác. Việt Nam – nơi mà các hiện tượng xói mòn, trượt lở xảy ra khá phổ biến, gây ra Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 1-2013 71 những ảnh hưởng to lớn tới đời sống dân cư, kinh tế đất nước, vì vậy việc tìm ra các giải pháp phòng tránh, giảm thiểu tác hại của các hiện tượng này là yêu cầu cấp bách của nhiều cấp quản lý. Chính vì vậy, tiềm năng ứng dụng của các vật liệu địa kỹ thuật tiên tiến là rất lớn, phù hợp với điều kiện ở nước ta. Sản phẩm nào cũng có mặt mạnh và mặt yếu, do đó cần nghiên cứu phát triển thêm những mặt mạnh của sản phẩm và khắc phục những mặt yếu hoặc có thể phát triển những sản phẩm mới ưu việt hơn thay thế sản phẩm cũ. Không có giải pháp, kỹ thuật nào là tối ưu cho mọi trường hợp nên người thiết kế phải cân nhắc quyết định sử dụng các giải pháp một cách hợp lý và kinh tế nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Học Hải. 2004. Thiết kế và thi công tường chắn có cốt, Nxb Xây Dựng. [2] US Department of Transportation Federal Highway Administration. 2001. Design and construction guidelines. Publication No.FHWA-NHI-00-043. Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes. [3] US Department of Transportation Federal Highway Administration. 2001. Design and construction guidelines. Publication No.FHWA-NHI-00-044. Corrosion/ Degradation of Soil Reinforcement for Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes. [4] Victor Elias, P.E; Barry R. Chiristopher, PhD, P.E and Ryan R, Berg, P.E. 2001. Mechanically Stabilized earths walls and reinforced soil slopes Design & Construction Guidelines. NHI - National Highway Institute office of Bridge Technology. [5] BS 8006-1995: Code of practice for Strengthened/ Reinforced soils and other fills. British Standard.