Nội dung chuyên gia lưu trữ: văn bản và công thức được quét lưu giữ tài khoản lý thuyết lịch sử nhưng không phải là nghiên cứu địa kỹ thuật, dự án tường chắn, tính toán độ ổn định, đánh giá tường hiện có, kế hoạch đào hoặc hướng dẫn thực hiện. Áp lực đất và nước phụ thuộc vào loại đất cụ thể, sự phân tầng, độ nén, hệ thống thoát nước, nước ngầm, hình học, chuyển động của tường, tải trọng bổ sung, sương giá và hoạt động địa chấn. Đối với mỗi trường hợp thực tế, cần có công việc điều tra, dữ liệu phòng thí nghiệm, các tiêu chuẩn hợp lệ và sự kiểm tra chung của kỹ sư địa kỹ thuật và kết cấu được ủy quyền.
Ngày nay, Savo Kusić tập trung vào cửa sổ gỗ, cửa sổ nhôm-gỗ, cửa sổ tùy chỉnh, cửa ra vào và yêu cầu báo giá. Bài viết này vẫn là một kho lưu trữ lịch sử và không đại diện cho một đề xuất về thiết kế địa kỹ thuật, tính toán hoặc xây dựng tường chắn.
Áp lực đất lên tường chắn
Khối đất được tường chắn đỡ tạo áp lực lên nó, có xu hướng đẩy nó tịnh tiến về phía trước (hình 1a) hoặc đẩy nó (hình 1b). Độ lớn của áp lực đất E phụ thuộc vào một số yếu tố, trong đó tính chất vật lý quan trọng nhất của đất, biến dạng của tường, độ ẩm của đất và điều kiện nước ngầm, chiều cao của tường, tải trọng bên ngoài và độ nhám của bề mặt bên trong tường.
Hình ảnh 1 — chuyển động tịnh tiến và xoay của tường chắn.
Áp lực đất ở trạng thái nghỉ
Nếu tường chắn là tường chắn cứng và cố định thì áp lực tác dụng lên tường chắn gọi là áp lực đất khi đứng yên và được ký hiệu là E0. Đây chính xác là áp lực chiếm ưu thế trong đất nguyên trạng ở độ sâu quan sát được, dưới ảnh hưởng của trọng lượng riêng của đất và có thể là tải trước của các lớp bị xói mòn trước đó. Áp lực đất ở trạng thái nghỉ rất hiếm và chỉ xảy ra trong một số trường hợp nhất định, chẳng hạn như với tường chắn được xây bằng đá rắn, sau đó với các đường hầm và đường ống khép kín, cũng như với các bến tàu lớn hoàn toàn bất động (Hình 2).
Hình 2 — áp lực đất ở trạng thái nghỉ trên ụ lớn.
Áp lực đất chủ động
Nếu tường đỡ dưới tác dụng của áp lực E di chuyển về phía trước hoặc quay quanh chân A, hoặc một điểm thấp hơn nào đó, vốn là trường hợp thường gặp trong đất chịu nén, ngoại trừ các kết cấu khối và khép kín nói trên, thì khối đất phía sau tường sẽ giãn nở. Nếu chuyển động của tường đủ lớn, một phần đất phía sau tường, lăng kính ABCA, vỡ ra và trượt xuống mặt trượt AC (hình 2). Áp lực do lăng trụ trượt tác dụng lên tường chắn gọi là áp lực chủ động của đất và ký hiệu là Ea. Áp suất này thấp hơn đáng kể so với áp suất nghỉ, khoảng 0,5 đến 0,7 E0. Do lăng trụ đất ABCA trượt, ứng suất cắt τ được kích hoạt dọc theo bề mặt trượt hình thành AC, có tác dụng chống trượt và giảm áp lực đất. Tại thời điểm lăng trụ ABCA bắt đầu trượt, ứng suất cắt τ đạt giá trị cao nhất, nghĩa là tại thời điểm đó giá trị áp lực chủ động của đất E là nhỏ nhất. Vì vậy Ea là giá trị giới hạn dưới của áp lực đất.
Các thử nghiệm của Terzaghi về áp lực đất với vật liệu cát trên tường có chiều cao h=1,50 m cho thấy rằng để đạt đến giá trị giới hạn dưới của áp lực đất chủ động Ea, chuyển động ngang trung bình của tường Δl là 5/10.000 chiều cao tường hoặc chuyển động quay của đỉnh tường Δl 1/5.000 là đủ h quanh chân A.
Áp lực đất thụ động
Nếu chúng ta tác dụng lực lên tường từ bên ngoài vào bên trong đất (hình 3), tường sẽ lùi về phía sau và đất sẽ nén chặt. Khi chuyển động của bức tường đạt đến một giá trị nhất định Δl thì lăng trụ đất ABCA sẽ tách ra khỏi mặt đất và sẽ bị mặt trượt AC đẩy lên trên dưới tác dụng tiếp theo của ngoại lực. Lực cản của đất chống lại tác dụng của ngoại lực tại thời điểm lăng kính tách ra ABCA là áp lực đất thụ động Ep. Đó là giá trị giới hạn trên cao nhất mà áp lực đất có thể đạt tới.
Áp lực đất ở trạng thái nghỉ được xác định bằng thực nghiệm, trong khi áp lực đất chủ động và thụ động có thể được xác định bằng máy tính, sử dụng phương pháp phân tích hoặc đồ thị và dựa trên kiến thức về các đặc tính vật lý của đất, thường được xác định bằng các phương tiện trong phòng thí nghiệm.
Hình 3 — áp lực đất thụ động và lăng kính trượt.
Quan trọng đối với ứng dụng: trạng thái hoạt động, thụ động và không hoạt động không chỉ được chọn theo tên của cấu trúc. Chuyển động cho phép của tường, ứng suất hữu hiệu, điều kiện thoát nước hoặc không thoát nước, mực nước ngầm và sự thay đổi, tải trọng bổ sung và khả năng mất đất phía trước tường phải được chứng minh. Việc lựa chọn sai trạng thái áp suất có thể gây nguy hiểm cho sự ổn định chống trượt, lật, khả năng chịu lực của đất và cường độ của tường.
Xác định hệ số áp suất nghỉ K0
Trong trường hợp tường chắn chịu tác dụng của áp suất tĩnh, nên áp dụng áp suất tĩnh E0, lớn hơn áp lực đất chủ động, để xác định kích thước của tường chắn. Kích thước của nó nằm giữa áp lực đất chủ động và thụ động, tùy thuộc vào loại đất và độ nén của nó.
Ở độ sâu t dưới mặt đất, áp lực thẳng đứng do trọng lượng của bản thân đất gây ra là σt = γ·t. Nếu đất không có khả năng nở ra ngang, áp lực ngang σh = γ·t·K0, trong đó K0 = σh/σt.
K0 là áp suất nghỉ. Hệ số áp suất nghỉ có thể được xác định bằng thử nghiệm ba trục theo cách sau.
Một mẫu đất nguyên dạng được lấy từ độ sâu của áp suất nghỉ được đặt vào thiết bị ba trục, trong đó áp lực ngang σ3 khi tác dụng tải trọng thẳng đứng σ1 được điều chỉnh sao cho không xảy ra biến dạng ngang, tức là biến dạng ngang của mẫu bằng 0. Các giá trị của điện áp hiệu dụng σ’1 và σ’3 được áp dụng cho sơ đồ σ’1 – σ’3 (hình 4) và thu được một đường thẳng tiếp tuyến với phần ban đầu của sơ đồ, độ dốc xác định giá trị K0 = σ’3/σ’1.
Hình 4 — xác định hệ số K__0 của áp suất nghỉ bằng thử nghiệm ba trục.
Theo Petermann, giá trị gần đúng của hệ số áp suất nghỉ là
đối với cát nén K0 = 0,40 – 0,45
đối với cát rời K0 = 0,45 – 0,50
đối với đất sét K0 = 0,60 – 0,75
Giá trị trong phòng thí nghiệm: Phạm vi gần đúng bên dưới vẫn là một phần của văn bản gốc nhưng không thay thế cho việc kiểm tra các mẫu đại diện, mô hình địa chất và giá trị thiết kế. Ký hiệu OCR của công thức, chỉ số và dấu nháy đơn phải được kiểm tra dựa trên nguồn có thẩm quyền trước khi thực hiện bất kỳ phép tính nào.
Phương pháp xác định áp lực đất chủ động — Lý thuyết Coulomb
Coulomb là người đầu tiên công bố lý thuyết về áp lực đất (1770 năm), dựa trên kinh nghiệm thực địa. Anh nhìn bức tường chắn đỡ lớp đất xốp. Tại một thời điểm, ông đã dỡ bỏ bức tường, nhờ đó khối đất trượt dọc theo một mặt trượt AC, nghiêng một góc a so với phương ngang (hình 5). Trọng lượng W của lăng trụ đất trượt ABC, giới hạn bởi mặt địa hình BC, mặt trượt AC và tường chắn AB, tác dụng đồng thời lên tường chắn và lên mặt trượt. Độ lớn của áp lực đất chủ động Ea được Coulomb xác định theo hai giả định sau:
-
rằng mặt trượt là mặt thực;
-
rằng ba lực tác dụng: trọng lượng của lăng trụ trượt W, lực cản của tường đỡ Ea và lực cản ma sát Q dọc theo mặt trượt AC cắt nhau tại một điểm, nghĩa là mặt phẳng lực là đóng. Theo giả định này, ở trạng thái cân bằng giới hạn, trọng lượng W đồng thời bị triệt tiêu bởi lực cản của tường đỡ Ea và lực cản ma sát Q dọc theo bề mặt trượt.
Hình 5 — xác định áp lực chủ động của đất theo lý thuyết Coulomb.
Các giả định trước đó không phù hợp với thực tế. Mặt trượt không phải là mặt phẳng mà là mặt cong. Giao điểm của ba lực tác dụng chỉ tồn tại trong một trường hợp, khi bề mặt địa hình phía sau tường nằm ngang, mặt trong của tường thẳng đứng và phương của lực Ea nằm ngang, còn các trường hợp khác không tồn tại. Tuy nhiên, bất chấp những sai lệch này, việc xác định áp lực đất chủ động vẫn dựa trên lý thuyết Coulomb vì nó được chứng minh là có thể sử dụng được trong thực tế trong nhiều trường hợp.
Để xác định áp lực đất chủ động Ea Coulomb giả sử do tác dụng của trọng lượng của khối đất W đã xảy ra sự dịch chuyển của tường đỡ và sự hình thành lăng trụ ABC của áp lực đất chủ động. Giả sử rằng nội trở của đất chỉ bao gồm ma sát. Coulomb phân tách trọng lượng W thành hai thành phần, một theo hướng của lực ép đất chủ động Ea, phần còn lại theo hướng của lực cản ma sát tổng hợp Q dọc theo bề mặt trượt (hình 5b). Khi làm như vậy, Coulomb còn giả định rằng thành phần tác dụng theo một góc ma sát trong với pháp tuyến của bề mặt trượt AC, và thành phần Ea tác dụng theo một góc lệch δ với pháp tuyến của bề mặt trong của tường AB. Lực W được xác định bởi hướng, độ lớn và hướng.
Đối với một mặt trượt cho trước hợp với phương ngang một góc α với phương ngang thì lực W nhận được từ mặt đất lăng trụ ABC với chiều dài 1,0 m vuông góc với mặt phẳng và trọng lượng thể tích của đất γ, W=AΔABC x 1,00 x γ. Các lực Ea và Q được biết theo phương. Dựa vào sơ đồ lực (hình 5b) và định lý sin ta có:
Hình 6 — trường hợp giao nhau của các lực tác dụng tại một điểm.
Dạng này chỉ đúng trong trường hợp địa hình nằm ngang (v=0), mặt trong của tường thẳng đứng (θ=0) và hướng lực Ea nằm ngang (δ=0) tức là khi tường hoàn toàn nhẵn (hình 2). 6).
Đối với trường hợp đặc biệt được gọi là Rankin này, chúng ta có:
Trọng lượng W trong trường hợp này là W = 0.5·γ·h_2/tg_α, trong đó γ là trọng lượng thể tích của đất.
Nếu chúng ta đưa giá trị trước đó vào phương trình của Ea, chúng ta sẽ nhận được:
Phương trình trên đề cập đến một mặt trượt tùy ý AC. Tuy nhiên, cần xác định lực Ea đối với bề mặt trượt tới hạn, tức là bề mặt có nhiều khả năng xảy ra trượt nhất. Đó sẽ là bề mặt cho giá trị áp lực đất chủ động max Ea.
Đối với chiều cao tường nhất định H và góc ma sát trong không đổi ϕ, giá trị áp lực đất chủ động thay đổi theo góc nghiêng α của bề mặt trượt so với phương ngang. Giá trị tối đa Ea sẽ đạt được nếu chúng ta vi phân Ea với α và đặt vi phân bằng 0:
Công thức không phải là máy tính: các phương trình được quét có thể có số mũ, chỉ số, góc và dấu không đọc được. Chúng không được sao chép vào dự án mà không so sánh với nguồn chuyên gia đáng tin cậy, kiểm tra các đơn vị, giả định mô hình và kiểm soát độc lập kết quả. Việc tính toán phải bao gồm nước, hệ thống thoát nước, tải trọng dọc theo đỉnh tường, tác động địa chấn và tất cả các trường hợp giới hạn có liên quan.
Xác định góc ϕ và δ
Góc nội ma sát ϕ được xác định trong phòng thí nghiệm. Kích thước của nó phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm và độ nén. Đối với một số loại đất nhất định, giá trị của góc ϕ thường nằm trong giới hạn cho trong bảng 1.
Bảng 1 — giá trị gần đúng của góc ma sát trong ϕ đối với một số loại đất nhất định.
Góc lệch δ của lực Ea so với pháp tuyến đến mặt trong của tường phụ thuộc vào sự biến dạng của tường và đất phía sau và vào độ nhám của bề mặt trong của tường. Nếu độ lún của đất lớn hơn độ lún của tường là trường hợp thường gặp nhất thì góc δ dương, lực ma sát giữa tường và mặt đất hướng lên trên. Nếu độ lún của tường lớn hơn độ lún của mặt đất, đây là trường hợp ngoại lệ, thì góc δ là âm, lực ma sát giữa tường và mặt đất tác động hướng xuống. Các giá trị giới hạn của góc δ dành cho bề mặt tường hoàn toàn nhẵn δ=0, dành cho bề mặt tường hoàn toàn gồ ghề δ=ϕ. Nói chung, δ=2/3_ϕ_ được sử dụng, với thực tế là đất của tường được bảo vệ vĩnh viễn khỏi bị ướt mạnh. Nếu đất phía sau bức tường tiếp xúc với trận động đất mạnh, δ=ϕ/2 sẽ được sử dụng và nếu đất rất ẩm ướt δ=0.
Giá trị thiết kế của các góc: giá trị dạng bảng và mô tả ϕ và δ không được áp dụng trực tiếp cho một vị trí cụ thể. Việc lựa chọn các thông số phải tương ứng với loại và tình trạng của đất, phương pháp lắp đặt và nén chặt, thoát nước, chuyển động dự kiến của tường, độ nhám của điểm tiếp xúc và cách tiếp cận dự án liên quan.
Phân bổ áp lực đất phía sau tường và lực tấn công điểm Ea
Hình 7 — phân bố áp lực đất trong quá trình quay tường chắn quanh chân A.
Sự phân bổ áp lực đất dọc theo bề mặt trong của tường phụ thuộc vào biến dạng của tường chắn, hình dạng của bề mặt đất phía sau tường và hình dạng của bề mặt bên trong tường.
Điểm tấn công của áp lực đất chủ động Ea phụ thuộc vào sự phân bố áp lực dọc theo bề mặt bên trong của tường và hình dạng của tường. Nó luôn ở độ cao bằng trọng tâm bề mặt của biểu đồ áp suất.
Coulomb thừa nhận rằng áp lực đất phía sau bức tường tăng tuyến tính theo độ sâu, giống như cái gọi là đối với nước. phân bố thủy tĩnh của áp lực đất (hình 7). Tuy nhiên, sự phân bổ áp suất thủy tĩnh chỉ tồn tại trong trường hợp tường quay quanh chân A hoặc một số điểm thấp hơn, trong khi trong tất cả các trường hợp khác nó lệch khỏi chân đó.
Nếu tường chắn quay quanh chân A, hoặc một điểm nào đó thấp hơn, đất sẽ di chuyển xuống dưới (hình 7a), trong khi không có lực đẩy về phía bên trong đất. Trong trường hợp này, hiện tượng trượt đất xuất hiện trên các bề mặt có điện trở nhỏ nhất M1C1, M2C2… song song với mặt trượt AC, xảy ra khi độ quay của tường đủ lớn tạo thành lăng trụ trượt ABCA.
Theo đó, trong trường hợp này áp lực tăng tỉ lệ thuận với độ sâu, tức là phân bố áp lực đất theo thủy tĩnh Coulomb. Chúng ta sẽ thu được biểu đồ áp lực đất chủ động dựa trên kiến thức về lực Ea và chiều cao tường h, vì lực Ea bằng diện tích biểu đồ áp lực abc (hình 7b):
Ea=x·h/2, từ đâu x=2Ea/h,
tức là vì Ea = ½ γh2Ka, x = γhKa.
Hình 8 — phân bố áp lực đất khi tường quay quanh đỉnh B hoặc điểm nào đó cao hơn L.
Nếu tường chắn quay quanh đỉnh tường B hoặc một số điểm cao hơn L (hình 8a), thì sẽ có một lực đẩy ở phần trên hướng về phía trong của đất, do đó lực đẩy này bị đẩy lên trên dọc theo các bề mặt có lực cản nhỏ nhất M1C1, M2C2…
Khi tường quay đủ lớn, một bề mặt trượt AC được hình thành, dọc theo đó lăng kính trượt trượt xuống trong quá trình ép đùn. Do lực đẩy của đất ở phần trên xuất hiện áp lực đất thụ động cao hơn đáng kể so với áp lực chủ động và ở phần đó biểu đồ áp lực bd tương ứng với áp lực thụ động Ep (hình 8b). Vì tổng áp lực đất Ea phụ thuộc vào kích thước của lăng trụ đất ABCA và bằng bề mặt tam giác của biểu đồ áp lực abe, biểu đồ này sẽ giảm dần trong quá trình tiếp theo, cho đến khi bề mặt của nó bằng với bề mặt tam giác abe. Biểu đồ áp suất thực tế trong trường hợp này là đường cong bc, không thể xác định được bằng toán học. Tuy nhiên, trọng tâm S của bề mặt sơ đồ ac nằm phía trên trọng tâm bề mặt của sơ đồ tam giác, điều này kém thuận lợi cho sự ổn định của tường chắn vì điểm tấn công của lực Ea cao hơn. Theo Terzaghi, nó nằm ở độ cao bằng một nửa bức tường đỡ.
Nếu tường đỡ được di chuyển tịnh tiến về phía trước (hình 9a), áp lực trước khi chuyển động tương ứng với áp lực đất ở trạng thái nghỉ E0 giảm đi, theo đó các bề mặt có điện trở thấp hơn không xuất hiện, nhưng khi tường di chuyển đủ lớn sẽ tạo ra một bề mặt trượt AC, dọc theo đó lăng trụ đất ABC trượt xuống. Vì áp suất tổng bằng diện tích hình tam giác của biểu đồ áp suất abe (hình 9b), nên biểu đồ áp suất sẽ giảm dần trong quá trình tiếp theo. Biểu đồ áp suất thực tế là đường cong ac, không thể xác định được bằng toán học. Theo Terzaghi, trọng tâm S có độ cao 0,40 – 0,45_h_.
Hình 9 — phân bố áp lực đất trong quá trình chuyển động tịnh tiến của tường chắn về phía trước.
Xét phương pháp xác định áp lực đất là giá trị cực trị, lớn nhất đối với chủ động và nhỏ nhất đối với thụ động, lý thuyết Coulomb được coi là một phương pháp xác định áp lực đất cực trị.
Lưu ý kỹ thuật cuối cùng: sự phân bổ áp suất và điểm tấn công phụ thuộc vào cách cấu trúc bị biến dạng thực tế. Ngoài áp lực đất, áp lực thoát nước và thủy tĩnh, độ ổn định tổng thể và bên trong, độ trượt, chuyển vị, khả năng chịu lực và độ lún của đất, cường độ tường và móng, xói mòn, rửa trôi, các giai đoạn đào và ổn định tạm thời phải được kiểm tra. Tình trạng bức tường hiện tại có biểu hiện xê dịch, nứt, phồng lên hoặc rò rỉ nước không kiểm soát được cần phải có sự đánh giá chuyên môn khẩn cấp.