LA-Shoring: Áp lực đất lên tường hố đào và mô hình dầm trên nền đàn – dẻo

Phương pháp tính tường hố đào truyền thống coi áp lực chủ động phía sau và bị động phía trước là hai tải trọng cố định. Thực tế, áp lực đất lên tường phụ thuộc chuyển vị của chính bức tường. Đó là lý do cùng một hố đào, tường cứng và tường mềm, chống sớm và chống muộn cho nội lực rất khác nhau.

1. Ba trạng thái của cùng một khối đất#

Với đất có lực dính: σ_a = K_a·σ′_v − 2c′·K_ac và σ_p = K_p·σ′_v + 2c′·√K_p.

Coulomb và Caquot–Kérisel#

Rankine giả định lưng tường nhẵn. Khi có ma sát tường δ (thường δ = φ′/2 đến 2φ′/3), LA-Shoring dùng:

• Chủ động: Coulomb, kể góc lưng tường α, góc mặt đất β và δ:

  K_a = cos²(φ − α) / { cos²α·cos(α + δ)·[1 + √( sin(φ + δ)·sin(φ − β) / (cos(α + δ)·cos(α − β)) )]² }

• Bị động: Caquot–Kérisel, vì Coulomb cho K_p quá lớn (thiên về không an toàn) khi δ lớn. Mặt trượt bị động thật là mặt cong chứ không phẳng như Coulomb giả định.

Ví dụ φ′ = 30°, δ = 20°, lưng tường đứng, mặt đất ngang: Coulomb cho K_p ≈ 6,1, gấp đôi Rankine (3,0). Lời giải mặt cong của Caquot–Kérisel cho giá trị nhỏ hơn Coulomb đáng kể, nên dùng Coulomb cho bị động sẽ đánh giá cao sức kháng chân tường.

Áp lực tối thiểu#

Trong đất dính, σ_a tính theo công thức có thể âm (vết nứt kéo) ở phần trên. LA-Shoring áp dụng áp lực thiết kế tối thiểu σ_a ≥ 0,2·σ′_v, tránh đánh giá thấp tải lên tường ở lớp sét yếu gần mặt đất.

2. Áp lực nước: tính riêng, không nhân với K#

Nước không có sức kháng cắt nên áp lực nước như nhau theo mọi phương. Áp lực đất tính trên ứng suất hữu hiệu σ′_v rồi cộng áp lực nước u. Sai lầm hay gặp là nhân ứng suất tổng với K_a, làm thiếu tải khi mực nước cao: với K_a = 0,33, phần áp lực nước bị nhân nhầm chỉ còn 1/3.

Khi hai phía tường chênh mực nước, nước thấm vòng qua chân tường, u không còn thủy tĩnh. LA-Shoring có lưới thấm 2D cho trường hợp này: xem Kiểm tra thủy lực hố đào.

3. Từ Blum đến dầm trên nền đàn – dẻo#

Phương pháp Blum (cân bằng giới hạn) coi tường là dầm chịu tải σ_a, σ_p cố định, tìm chiều sâu ngàm để cân bằng lực và mô men. Nhanh, dùng để chọn sơ bộ chiều sâu ngàm, nhưng không cho chuyển vị và không mô tả trình tự thi công.

Dầm trên nền đàn – dẻo (phương pháp hệ số nền):

1. Tường là dầm đàn hồi EI, chia 100 phần tử trở lên.
2. Đất hai phía là lò xo độ cứng k_h. LA-Shoring tính k_h theo Schmitt (1995): k_h = 2,1·E_oed^(4/3) / EI^(1/3), liên hệ trực tiếp độ cứng đất với độ cứng tường. Ví dụ E_oed = 10 000 kPa, EI = 100 000 kNm²/m cho k_h = 9 748 kN/m³. Tường càng cứng, k_h càng nhỏ. Ngoài ra có Ménard và Chadeisson.
3. Áp lực lò xo bắt đầu từ trạng thái K₀ và bị chặn trong khoảng σ_a ≤ σ ≤ σ_p. Khi một lò xo chạm giới hạn, nó thành dẻo và áp lực không tăng thêm.
4. Thanh chống, neo, sàn là gối lò xo độ cứng k = E·A / (L·s), với L là chiều dài tính toán và s khoảng cách giữa các thanh.

Tính theo giai đoạn#

Mỗi giai đoạn đào hoặc lắp chống tính tiếp từ chuyển vị của giai đoạn trước. Chuyển vị xảy ra trước khi lắp tầng chống không được thanh chống "kéo lại": thanh chống chỉ nhận lực căng trước (nếu có) cộng với lực do chuyển vị phát sinh sau khi lắp. Đây là điểm khác cơ bản so với cách tính một lần cho hố đào hoàn chỉnh.

4. Ví dụ: hố đào 12 m, 7 giai đoạn#

Ở giai đoạn đào đáy, mô men lớn nhất −685,9 kNm/m nằm ngay dưới đáy hố và chuyển vị lớn nhất 19,3 mm ở khoảng −13 m. Phía trước tường (màu xanh), áp lực thực chỉ chạm giới hạn bị động ở đoạn sát đáy hố rồi tách xa dần: phần chân tường sâu còn nhiều dự trữ bị động. Phía sau tường (màu đỏ), áp lực gần như trùng đường giới hạn chủ động, vì tường đã dịch chuyển đủ để đất sau tường chuyển sang trạng thái chủ động.

Ví dụ VD3_HoDao12m_TuongVay_2san trong bộ cài (số liệu minh họa): tường vây BTCT dày 0,8 m dài 26 m; một tầng chống thép hình H400 tại −1,0 m, khoảng cách 4 m, căng trước 300 kN/thanh (75 kN/m); hai sàn tầng hầm B1, B2 làm việc như gối đỡ. Trình tự thi công và kết quả (SLS, giá trị đặc trưng, trên 1 m tường):

Ba điều đọc được từ bảng:

1. Lực căng trước đẩy tường về phía đất: ở GĐ2, lực trong S1 đúng bằng lực căng trước 75 kN/m, chuyển vị lớn nhất giảm từ 9,8 xuống 5,8 mm và mô men dương giảm từ 175,9 xuống 84,6 kNm/m.
2. Lực trong thanh chống tầng trên giảm dần (S1: 173 → 65 → 24 kN/m) khi các sàn bên dưới nhận tải. Lực lớn nhất của S1 xảy ra ở GĐ3–4 (173 kN/m, tức khoảng 690 kN/thanh), không phải ở giai đoạn cuối. Nếu lấy lực ở giai đoạn cuối (24 kN/m) để thiết kế, thanh chống sẽ thiếu khoảng 7 lần.
3. Sàn vừa đổ nhận lực 0 ở giai đoạn đổ (B1 ở GĐ4, B2 ở GĐ6): chỉ nhận lực khi đào tiếp bên dưới.
4. Nội lực tường lấy theo bao mọi giai đoạn: M− = −707,2 kNm/m ở GĐ7, M+ = 255,5 kNm/m cũng ở GĐ7 nhưng M+ của GĐ1 (175,9) đã đáng kể khi tường còn công-xôn.

Giá trị thiết kế (ULS) lấy bao của hai cách: (a) tính lại toàn bộ các giai đoạn với tham số đất thiết kế theo DA3 (tanφ′/1,25, c′/1,25, c_u/1,4; tải thay đổi × 1,3) cho M_Ed = 951,6 kNm/m; (b) nội lực đặc trưng nhân 1,35 cho M_Ed = 954,8 kNm/m, V_Ed = 567,4 kN/m tại cao độ −11,76 m (GĐ7). Lấy giá trị lớn hơn: M_Ed = 954,8 kNm/m. Lực đỡ thiết kế = đặc trưng × 1,35: S1 932 kN/thanh (690 × 1,35), B1 555 kN/m, B2 730 kN/m.

5. EN 1997-1: hệ số đặt ở đâu#

LA-Shoring chạy đồng thời các tổ hợp và lấy bao. Chi tiết: Áp dụng EN 1997-1: DA1, DA2, DA3.

6. Mức tin cậy của mô hình#

Trên hồ sơ hố đào 2 tầng hầm (cừ Larssen dài 14 m, 2 tầng chống H350, 5 giai đoạn), so với một phần mềm thương mại dùng cùng phương pháp, ở giai đoạn quyết định (đáy hầm): M max 161,0 so với 160,5 kNm/m (+0,3 %), V max −1,1 %, chuyển vị +2,0 %, lực chống tầng 2 +1,0 %. Ở giai đoạn tường công-xôn đào 2 m, LA-Shoring cho mô men và chuyển vị lớn hơn 24–26 % (giá trị nhỏ, không khống chế thiết kế, nguyên nhân đang được kiểm tra). Toàn bộ số liệu đối chiếu: Đối chiếu độc lập.

7. Tóm tắt#

• σ_a, σ_p là giới hạn; áp lực thực phụ thuộc chuyển vị tường.
• Bị động dùng Caquot–Kérisel, không dùng Coulomb khi δ lớn.
• Tính áp lực đất theo ứng suất hữu hiệu, cộng áp lực nước riêng.
• Tính theo giai đoạn: lực chống tầng trên lấy ở giai đoạn trung gian, không phải giai đoạn cuối. Xem thêm Tính theo giai đoạn thi công.