Tài liệu về Tường chắn đất

1TRƯỜNG ĐẠ I HỌC MỞ TP HCM GIẢNG VIÊN: THS . NGUYỄN TRỌNG NGHĨA TƯỜNG CHẮN ĐẤT GIỚI THIỆU TƯỜNG CHẮNĐẤT GIỚI THIỆU TƯỜNG CHẮNĐẤT MỐ CẦUMAI DỐC CHO ĐƯỜNG BẢO VỆ CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG GIỚI THIỆU HỐ ĐÀO HỐ ĐÀO GIỚI THIỆUKÈ BẢO VỆ BỜ CHỐNG SÓI MÒN VÀ SẠT LỞ 2GIỚI THIỆU CÁC ỨNG DỤNG CỦA TƯỜNG CHẮN Một kết cấu dùng để chắn đất, nước hoặc vật liệu khác ở một mặt được gọi là tường chắn. Tường chắn được sử dụng với các mục đính như trên hình vẽ GIỚI THIỆU CÁC LOẠI TƯỜNG CHẮN 1-TƯỜNGTRỌNG LỰC TƯỜNG TRỌNG LỰC TƯỜNG CÔNXÔN TƯỜNG CÔNXÔN CÓ DẦM GIẰNG GIỚI THIỆU CÁC LOẠI TƯỜNG CHẮN 2-TƯỜNGCỌC BẢN GỖ BÊ TÔNG SẮT NỘI DUNGMÔNHỌC CHƯƠNG 1-LÝ THUYẾT ÁP LỰC NGANG CHƯƠNG 2-TƯỜNG CHẮN TRỌNG LỰC CHƯƠNG 3-TƯỜNG CỌC BẢN CHƯƠNG 4- MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ TƯỜNGCỌC BẢN TỔNGQUÁT ÁP LỰC NGANG Tường chắn chứa các vật liệu ở một mặt tường. Vật liệu này tác dụng một áp lực ngang lên tường và có xu hướng đẩy tường ra khỏi vị trí ban đầu và có thể gây lật làm mất ổn định cho công trình tường chắn. Việc xác định áp lực ngang cho tường chắn là một phần rất quan trọng trong môn học. 3TRƯỜNG ĐẠ I HỌC MỞ TP HCM GIẢNG VIÊN: THS . NGUYỄN TRỌNG NGHĨA TƯỜNG CHẮN ĐẤT CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ÁP LỰC NGANG CHƯƠNG6 ÁP LỰC CỦA ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN 1. TOÅNG QUAN VEÀ AÙP LÖÏC NGANG CUÛA ÑAÁT 2. PHÖÔNG PHAÙP RANKINE 3. PHÖÔNG PHAÙP MOHR – COULOMB 4. TÍNH TOAÙN AÙP LÖÏC ÑAÁT LEÂN TÖÔØNG CHAÉN 1 TỔNG QUAN VỀ ÁP LỰC NGANG CỦA ĐẤT CHƯƠNG1ÁP LỰC CỦA ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN Tổng quát có ba loại áp lực ngang: 1-ÁP LỰC NGANG TĨNH 2-ÁP LỰC NGANG CHỦ ĐỘNG 3-ÁP LỰC NGANG BỊ ĐỘNG CHƯƠNG6 ÁP LỰC CỦA ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN ÁP LỰC TĨNH Áp lực tĩnh: Tường hoàn toàn không chuyển vịkhối đất sau lưng tường ở TT cân bằng tĩnh  áp lực đất lên tường là áp lực tĩnh, Po (σh) và bằng ứng suất do tải trọng bản thân đất sinh ra theo phương ngang. Hệ số áp lực ngang tĩnhKo: Hệ số áp lực ngang tĩnh có thể xác định dựa trên lí thuyết đàn hồi: Theo Janky (1944) cho đất cát:      1v h oK sin1oK ÁP LỰC TĨNH zKK ovoho   4ÁP LỰC TĨNH Bảng tra hệ số áp lực ngang tĩnhKo: Loại đất Ip Ko Cát rời, bão hoà - 0.46 Cát chặt, bão hoà - 0.36 Cát chặt, khô(e=0.6) - 0.49 Cát chặt, khô(e=0.8) - 0.64 Sét cứng 9 0.42 Sét cứng 31 0.6 Sét bụi hữu cơ (w =74%) 45 0.57 ÁP LỰC CHỦ ĐỘNG Áp lực chủ động: Nếu như tường xoay từ từ quanh điểm A có hướng bị đất đẩy ra phía ngoài, áp lực đơn vị của đất lên tường do đó cũng từ từ giảm theo cho đến khi không thay đổi nửa. Áp lực tại lúc nhỏ nhất chính là áp lực chủ động - (Theo Terzaghi: 0.1% – 0.5% H) -Góc δ được gọi là góc ma sát tường - Các phân tích cho thấy mặt trượt giả định AC có xu hướng làm với mặt phẳng ngang một góc 45o+φ/2. zKK avah   ÁP LỰC BỊ ĐỘNG Áp lực bị động: Nếu như tường bị đẩy từ từ quanh điểm A về phía đất, áp lực đơn vị tác dụng lên tường tăng dần cho đến khi không đổi nửa. Áp lực nầy được gọi là áp lực bị động - (Theo Terzaghi: 1% – 5% H) -Góc δ được gọi là góc ma sát tường - Các phân tích cho thấy mặt trượt giả định AC có xu hướng làm với mặt phẳng ngang một góc 45o-φ/2. zKK pvph   TÖÔØNG BAÛO VEÄ ÑÖÔØNG VAØO CAÀU TÖÔØNG MSE TRẠNG THÁI TĨNH ÁP LỰC CHỦ ĐỘNG ÁP LỰC BỊ ĐỘNG ÁP LỰC TĨNH 5QUANHỆ GIỮA CÁC ÁP LỰC NGANG VÀ CHUYỂNVỊ Xaùc ñònh aùp löïc chuû ñoäng vaø bò ñoäng coù nghóa laø xaùc ñònh aùp löïc giôùi haïn taïi vò trí löng töôøng khi khoái ñaát bò tröôït, coù hai phöông phaùp: 1-Döïa vaøo lyù thuyeát caân baèng giôùi haïn- Phöông phaùp Rankine. 2-Döïa vaøo lyù thuyeát caân baèng khoái tröôït vôùi maët tröôït giaû ñònh tröôùc- Phöông phaùp Coulomb. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ÁP LỰC ĐẤT CHỦ ĐỘNG VÀ BỊ ĐỘNG LÊN TƯỜNG 2 LÝ THUYẾT RANKINE CHƯƠNG 1 ÁP LỰC CỦA ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN LÝ THUYẾT RANKINE 1857 LÝ THUYẾT RANKINE Các giả thiết : 1-Tường thẳng đứng 2-Góc ma sát của đất và tường bằng 0 3-Toàn bộ đất sau lưng tường đạt tới trạng thái giới hạn (Rankine’s limit) LÝ THUYẾT RANKINE CHOĐẤT RỜI Trường hợp chủ động: σ1=γz σ3 σ3=γz σ1 )( ')( 2 45 2 45 2 1 2 3       tgK zKtg a a )( ')( 2 45 2 45 2 3 2 1       tgK zKtg p p Trường hợp bị động: 6LÝ THUYẾT RANKINE CHOĐẤT DÍNH Trường hợp chủ động: Trường hợp bị động: σ1=γz σ3 σ3=γz σ1 )( ' )()( 2 45 2 2 452 2 45 2 1 2 3          tgK KczK tgctg a aa )( ' )()( 2 45 2 2 452 2 45 2 3 2 1          tgK KczK tgctg p pp 1-AÙp löïc chuû ñoäng cho ñaát caùt PHƯƠNGPHÁP W.J RANKINE 2 ' 2 1 '' HKE zKKp aa avaa     2 AÙp löïc chuû ñoäng cho ñaát dính: PHƯƠNGPHÁP W.J RANKINE )()2'( 2 1 ' 2 2' oaaa a o aa zHKcHKE K c z KczKp      a 3-AÙp löïc bò ñoäng cho ñaát caùt PHƯƠNG PHÁP W.J RANKINE 2 ' 2 1 '' HKE zKKp pp pvpp     4 AÙp löïc bò ñoäng cho ñaát dính: PHƯƠNGPHÁP W.J RANKINE HKcHKE KczKp ppp pp   )4'( 2 1 2'  p 5-AÙp löïc chủ ñoäng vaø bò ñoäng cho ñất nghieâng moät goùc β PHƯƠNG PHÁP W.J RANKINE 7Bảng tra hệ soá aùp löïc chuû ñoäng khi ñaát nghieâng moät goùc β PHƯƠNG PHÁP W.J RANKINE Bảng tra hệ soá aùp löïc bò ñoäng khi ñaát nghieâng moät goùc β PHƯƠNG PHÁP W.J RANKINE BÀI TẬP 2.1 Tường cao 5m. Mực ngầm sau lưng tường nằm dưới đáy. Đất đắp sau lưng tường có trọng lượng đơn vị là 18kN/m3. Xác định áp lực Rankine trong các trường hợp sau: 1- Áp lực và Lực chủ động khi đất sau lưng tường là đất cát có φ=30o 2-Áp lực và Lực bị động khi đất sau lưng tường là đất cát có φ=30o 3-Áp lực và Lực chủ động khi đất sau lưng tường là đất sét có φ=5o ,c = 25 kPa 4-Áp lực và Lực bị động khi đất sau lưng tường là đất sét có φ=5o ,c = 25 kPa BÀI TẬP 2.2 Tường cao 8m, chứa đất sau lưng tường có trọng lượng riêng 19kN/m3 . Nếu bề mặt của mái dốc nghiêng một góc 15o theo phương ngang. Tìm lực chủ động của đất tác dụng lên tường biết φ=30o. Sử dụng điều kiện cân bằng Rankine 3 LÝ THUYẾT COULOMB CHƯƠNG 1 ÁP LỰC CỦA ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN LÝ THUYẾT COULOMB 1776 8Caùc giaû thieát 1-Maët tröôït phaúng. 2-Khoái tröôït ñöôïc coi laø moät vaät theå raén ôû traïng thaùi caân baèng giôùi haïn. 3-Tồn tại ma saùt töôøng vaø ñaát. 4-Ñaát rôøi. LÝ THUYẾT MORH COULOMB ÁP LỰC ĐẤT CHỦ ĐỘNG THEO COULOMB Dieän tích tam giaùc ΔABC =1/2.AC.BD Thay vaøo vaø ñôn giaûn bôùt ta coù: Caân baèng khoái ñaát vôùi tam giaùc löïc W, Pa, R: ÁP LỰC ĐẤT CHỦ ĐỘNG THEO COULOMB Tìm cöïc trò cuûa Pa baèng caùch laáy ñaïo haøm dPa/dθ=0 Ф= goùc ma saùt trong cuûa ñaát  = Goùc ma saùt giöõa töôøng vaø ñaát  = goùc nghieâng cuûa löng töôøng  = goùc nghieâng cuûa maët ñaát sau löng töôøng. θ= goùc nghieâng cuûa maêt tröôït 2 2 2 )()( )()(1)( )(           SinSin SinSinSinSin SinKa ÁP LỰC ĐẤT CHỦ ĐỘNG THEO COULOMB Caân baèng khoái ñaát vôùi tam giaùc löïc W, Pa, R: ÁP LỰC ĐẤTBỊĐỘNG THEO COULOMB Tìm cöïc trò cuûa Pa baèng caùch laáy ñaïo haøm dPa/dθ=0 Ф= goùc ma saùt trong cuûa ñaát  = Goùc ma saùt giöõa töôøng vaø ñaát  = goùc nghieâng cuûa löng töôøng  = goùc nghieâng cuûa maët ñaát sau löng töôøng. θ= goùc nghieâng cuûa maêt tröôït 2 2 2 )()( )()(1)( )(           SinSin SinSinSinSin SinK p ÁP LỰC ĐẤTBỊĐỘNG THEO COULOMB 9BÀI TẬP 3.1 Tường cao 8m, chứa đất sau lưng tường có trọng lượng riêng 19kN/m3. Nếu bềmặt của mái dốc nghiêng một góc β=15o theo phương ngang. Góc ma sát trong của đât φ=30o , góc ma sát tường với đất δ=0. Tìm lực chủ động của đất tác dụng lên tường. Sử dụng lý thuyết Coulomb BÀI TẬP 3.2 Tường cao 5m. Mực ngầm sau lưng tường nằm dưới đáy. Đất đắp sau lưng tường có trọng lượng đơn vị là 18kN/m3. Biết góc ma sát giữa tường và đất δ = 0, tường thẳng đứng α= 90o, đất đắp sau lưng tường nằm ngang β = 0, Xác định áp lực theo lý thuyết Coulomb trong các trường hợp sau: 1- Áp lực và Lực chủ động khi đất sau lưng tường là đất cát có φ=30o 2-Áp lực và Lực bị động khi đất sau lưng tường là đất cát có φ=30o 3-Áp lực và Lực chủ động khi đất sau lưng tường là đất sét có φ=5o ,c = 25 kPa 4-Áp lực và Lực bị động khi đất sau lưng tường là đất sét có φ=5o ,c = 25 kPa Löu yù: Trong tröôøng hôïp töôøng thaúng ñöùng (α= 90o), maët ñaát naèm ngang (β = 0), boû qua ma saùt giöõa töôøng vaø ñaát (δ = 0) thì keát quaû xaùc ñònh aùp löïc ñaát leân töôøng chaén theo phöông phaùp Coulomb truøng vôùi keát quaû cuûa phöông phaùp W.J.Rankine Keát quaû nghieân cöùu cho thaáy, söû duïng lyù luaän Coulomb ñeå tính ALÑBÑ vôùi giaû thieát maët tröôït phaúng cho sai soá raát lôùn, bôûi vì maët tröôït thöïc teá raát cong, khaùc xa maët tröôït giaû thieát. Keát quaû tính toaùn lôùn hôn nhieàu so vôùi thöïc teá. Vôùi ñaát ñaép: φ = 16o, sai soá 17%; φ = 30o, sai soá 200%; φ = 40o, sai soá 700% Goùc ma sat giöõa töôøng vaø ñaát caøng lôùn φa > φ /3 sai soá caøng nhieàu LÝ THUYẾT COULOMB 4 TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN CHƯƠNG 1 ÁP LỰC CỦA ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN Moät soá tröôøng hôïp ñaëc bieät: Löng töôøng thaúng ñöùng, maët ñaát naèm ngang, boû qua ma saùt giöõa töôøng vaø ñaát. 1-Trong neàn coù möïc nöôùc ngaàm TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN Moät soá tröôøng hôïp ñaëc bieät: Löng töôøng thaúng ñöùng, maët ñaát naèm ngang, boû qua ma saùt giöõa töôøng vaø ñaát. 2- Treân maët ñaát coù taûi troïng phaân boá ñeàu kín khaép TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN 10 Moät soá tröôøng hôïp ñaëc bieät: Löng töôøng thaúng ñöùng, maët ñaát naèm ngang, boû qua ma saùt giöõa töôøng vaø ñaát. 3- Treân maët ñaát coù taûi troïng phaân boá höõu haïn TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN Moät soá tröôøng hôïp ñaëc bieät: Löng töôøng thaúng ñöùng, maët ñaát naèm ngang, boû qua ma saùt giöõa töôøng vaø ñaát. 4- Treân maët ñaát coù taûi troïng phaân boá baát kyø TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CHẮN BÀI TẬP 4.1 Tường cao 5m. Đất đắp sau lưng tường là đất cát có φ=30o và có trọng lượng đơn vị là 18kN/m3Trọng lượng riêng bão hòa γsat =21 kN/m3. Xác định áp lực Rankinetrong các trường hợp sau: 1- Áp lực chủ động khi đất sau lưng tường và áp lực nước ngầm khi mực nước ngầm sau lưng tường nằm ở độ sâu 2m từmặt đất đắp 2- Áp lực chủ động sau lưng tường và áp lực nước ngầm khi mực nước ngầm trên mặt đất đất đắp có tải phân phối đều khắp q=10kPa THAY THẾ VÀ LOẠI OB  Hai phương pháp Coulomb và Rankine khác nhau ở những điểm sau đây:  1. Rankine giả thiết ma sát giữa tường và đất bằng không (tường trơn). Coulomb có tính đến ma sát giữa tường và đất. Điều này dẫn đến lực ngang tác dụng lên trường chắn khi tính theo Coulomb sẽ nghiêng một góc alpha so với phương nằm ngang (alpha la hệ số ma sát giữa tường và đất). Nếu sử dụng Rankine, góc alpha sẽ bằng không.  2. Rankine sử dụng phương pháp giới hạn cận dưới (lower bound solution) còn Coulomb sử dụng phương pháp giới hạn cận trên (upper bound solution). Hai phương pháp này khác nhau cơ bản ở chỗ:  (a) Phương pháp giới hạn cận trên giả thiết mặt phá hoại trước sau đó xác định lực tác dụng dựa trên mặt phá hoại giả thiết kết hợp với cân bằng tĩnh;  (b) Phương pháp giới hạn cận dưới giả thiết toàn bộ đất sau tường đều ở trạng thái giới hạn (Rankine's limits), ứng suất ngang hữu hiệu ở trang thái tới hạn được tính từ ứng suất đứng hữu hiệu nhân với hệ số Rankine.  Như vậy, có thể thấy rằng cả hai phương pháp nêu trên đều không hoàn thiện. Rankine thỏa mãn điều kiện cân bằng ứng suất (stress equilibrium) song không thỏa mãn điều kiện biến dạng liên tục (strain compatibility) khi giả thiết toàn bộ đất sau tường đều ở trạng thái giới hạn. Coulomb thì ngược lại, điều kiện biến dạng thỏa mãn (do giả thiết trước mặt phá hoại) song điều kiện cân bằng ứng suất lại không được đáp ứng (lưu ý là Coulomb chỉ giải ra được lực chứ không ra được ứng suất). Hai phương pháp này có thể hội tụ trong một số trường hợp đặc biệt (ví dụ như khi tường thẳng đứng + ma sát giữa đất và tường bằng không + mái dốc bề mặt bằng không). Nhược điểm của cả hai phương pháp là không giải được những bài toán có điều kiện hình học hoặc địa chất phức tạp (vi dụ nhiều lớp đất, mực nước ngầm nằm giữa thân tường, mái dốc bề mặt khác không...)[