LA-Slope (11): Cọc chống trượt và tường đất có cốt – lực T − P, dầm trên nền đàn – dẻo, ổn định nội của lưới địa kỹ thuật
Hai giải pháp gia cố mái dốc bằng kết cấu: hàng cọc khoan nhồi D1200 chặn khối trượt, và tường đất có cốt lưới địa kỹ thuật cao 6 m. Bài đi qua cách xác định lực lên cọc từ mặt trượt, đọc biểu đồ nội lực dọc cọc, ổn định nội của từng lớp cốt theo AASHTO, và vì sao cả hai ví dụ vẫn không đạt ổn định tổng thể.
Các bài trong Module Địa kỹ thuật
Mục lục bài viết
Khi không thể làm thoải mái dốc vì mặt bằng hạn chế, kỹ sư dùng kết cấu để giữ khối đất. Hai giải pháp phổ biến là cọc chống trượt (cắm qua khối trượt xuống đất ổn định) và tường đất có cốt (MSE, đất đắp xen các lớp lưới hoặc vải địa kỹ thuật). Cả hai đều phải kiểm tra ở hai cấp: bản thân kết cấu và ổn định tổng thể của mái sau khi gia cố.
Phần A. Cọc chống trượt#
1. Lực khối trượt tác dụng lên hàng cọc#
LA-Slope tính lực cọc phải chịu từ mặt trượt tới hạn, theo cách truyền lực đẩy dư (ITF) với F yêu cầu:
- Truyền lực từ lát trên cùng xuống tới vị trí cọc, với cường độ đất đã chia cho F yêu cầu → lực đẩy T của phần khối trượt phía trên cọc.
- Phần khối trượt phía dưới cọc chịu được lực P lớn nhất mà vẫn đạt F yêu cầu.
- Cọc phải chịu F_cọc = T − P trên 1 m dài, mỗi cọc chịu F_cọc × a (a là khoảng cách cọc).
2. Mô hình cọc#
- Đoạn trong khối trượt: chịu lực F_cọc phân bố (chữ nhật, tam giác hoặc hình thang).
- Đoạn dưới mặt trượt: dầm Euler – Bernoulli trên lò xo k_h·b, lò xo bị chặn bởi áp lực giới hạn p_gh = (K_p − K_a)·σ′_v·b + 2c·(√K_p + √K_a)·b. Khi lò xo đạt giới hạn, đất quanh cọc chảy dẻo và lực dồn xuống sâu hơn.
- Tiết diện: BTCT tròn theo EN 1992-1-1 (khối ứng suất chữ nhật) hoặc thép hình.
Lời giải dầm trên nền đàn hồi đã được kiểm chứng với nghiệm Hetényi, sai khác 0,3 %.
3. Ví dụ: hàng cọc D1200 trên mái cao 12 m#
| Số liệu | Giá trị |
|---|---|
| Mái | Cao 12 m, mái 1:2; sét pha dẻo mềm c′ = 8 kPa, φ′ = 20° trên sét cứng c′ = 35 kPa, φ′ = 24°; có mực nước ngầm |
| Cọc | Tại x = 24 m (giữa mái), đầu +6, mũi −12 m (dài 18 m); khoảng cách a = 2,5 m |
| Tiết diện | BTCT D1200, 24Ø32, f_ck = 30 MPa, f_yk = 400 MPa |
| Nền dưới mặt trượt | k_h = 40 MN/m³; đầu cọc tự do |
| Kết quả | Giá trị |
|---|---|
| F mái chưa có cọc | 1,14 → yêu cầu 1,5 |
| Lực đẩy phía trên cọc T | 458,5 kN/m |
| Lực phần dưới chịu được P | 254,7 kN/m |
| Lực cọc F_cọc = T − P | 203,8 kN/m → 509,4 kN mỗi cọc |
| M_max / M_Rd | 2 545 / 2 953 kNm (86 %) |
| Q_max / V_Rd | 506 / 550 kN (92 %) |
| Chuyển vị đầu cọc | 68,6 mm |
4. Đọc biểu đồ nội lực dọc cọc#
| Cao độ | y (mm) | M (kNm) | Q (kN) | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| +6,0 (đầu) | 68,6 | 0 | 0 | Đầu tự do |
| +0,07 | 28,6 | 1 294 | 437 | Lực khối trượt tăng dần |
| −0,52 | 25,0 | 1 566 | 480 | Gần mặt trượt: Q gần lớn nhất |
| −1,11 | 21,6 | 1 862 | 475 | Bắt đầu vùng đất kháng, p = p_gh |
| −3,49 | 10,1 | 2 538 | 39 | M lớn nhất, Q đổi dấu |
| −5,27 | 4,2 | 2 301 | −335 | Đất hết chảy dẻo (p < p_gh) |
| −7,05 | 0,4 | 1 556 | −473 | Q âm lớn nhất |
| −11,8 (mũi) | −4,4 | 3,5 | −18 | Mũi xoay nhẹ ngược chiều |
Thuyết minh ghi giá trị cực trị M_max = 2 545,1 kNm, Q_max = 506 kN, chuyển vị đầu cọc 68,6 mm. Bảng dưới đây chỉ trích một số nút tiêu biểu nên giá trị tại nút −3,49 m (2 538 kNm) nhỏ hơn một chút so với cực trị.
Ba điều rút ra:
- Mô men lớn nhất nằm dưới mặt trượt khoảng 2,5–3 m, không phải tại mặt trượt. Thép chủ phải kéo dài đủ qua vùng này.
- Từ cao độ −1,1 đến −4,7 m, áp lực đất bằng giới hạn (20 nút đạt áp lực giới hạn): đất ngay dưới mặt trượt đã chảy dẻo. Nếu chỉ dùng lò xo đàn hồi, mô men sẽ bị đánh giá thấp.
- Chuyển vị đầu cọc 68,6 mm khá lớn: cọc công-xôn dài 6 m trong khối trượt. Có thể giảm bằng neo đầu cọc hoặc dầm mũ liên kết các cọc.
5. Kiểm tra lại ổn định tổng thể#
Sau khi đặt cọc với sức kháng cắt 520 kN/cọc, LA-Slope tìm lại mặt trượt tới hạn: F = 1,358, chưa đạt 1,5. Hai nguyên nhân:
| Thử nghiệm | F |
|---|---|
| Không có cọc | 1,140 |
| Cọc là lực bị động (mặc định, sức kháng chia cho F như đất) | 1,358 |
| Cọc là lực chủ động (không chia cho F) | 1,450 |
| Bị động, tăng sức kháng cắt lên 700 kN/cọc | 1,429 |
| Bị động, tăng lên 780 kN/cọc | 1,460 |
- Cách đưa lực cọc vào cân bằng. F_cọc = T − P được tính với lực cọc là lực đã có sẵn (tương đương chủ động). Khi khai báo cọc là lực bị động, sức kháng bị chia thêm cho F nên hiệu quả thấp hơn. Cần thống nhất cách khai báo với giả thiết thiết kế.
- Mặt trượt mới. Kể cả khi tăng sức kháng cọc, F chỉ tiến dần tới 1,46: mặt trượt tới hạn mới đã tránh hàng cọc (đi qua vùng phía trên hoặc phía dưới cọc). Khi đó tăng tiết diện cọc không giúp được; cần đổi vị trí cọc, thêm hàng cọc thứ hai hoặc kết hợp giảm tải ở đỉnh mái.
Phần B. Tường đất có cốt lưới địa kỹ thuật#
6. Ba cấp kiểm tra#
| Cấp | Nội dung |
|---|---|
| Ổn định ngoài | Khối đất có cốt (dài L) coi như tường trọng lực: trượt đáy, lật, sức chịu tải nền |
| Ổn định nội | Từng lớp cốt: đứt cốt, kéo tuột khỏi vùng neo, trượt theo mặt lớp cốt |
| Ổn định tổng thể | Mặt trượt đi vòng ra sau hoặc dưới khối có cốt, cốt là lực bị động |
7. Ví dụ: tường cao 6 m#
| Số liệu | Giá trị |
|---|---|
| Tường | H = 6 m, mặt gần đứng; 8 lớp lưới địa kỹ thuật dài L = 4,5 m (L/H = 0,75), S_v ≈ 0,75 m |
| Đất đắp có cốt | Cát φ = 34°, γ = 19 kN/m³ → K_a = tan²(45° − 17°) = 0,283 |
| Lưới | Cường độ dài hạn T_al = 35 kN/m; cốt dãn được |
| Nền | Sét pha c′ = 15 kPa, φ′ = 26° |
| Yêu cầu | Đứt 1,5; kéo tuột 1,5; trượt 1,5; lật 2,0; sức chịu tải 2,5 |
Ổn định ngoài (LA-Slope): trượt F = 2,83; lật F = 5,05; sức chịu tải F = 3,12 (q = 137 kPa, q_ult = 427 kPa, e = 0,35 m). Đạt.
8. Ổn định nội theo AASHTO (phương pháp đơn giản hóa)#
Với cốt dãn được, K_r = K_a. Tại lớp cốt ở độ sâu d dưới đỉnh tường:
- σ_v = γ·d + q (q: tải giao thông 10 kPa trên khối có cốt)
- T_max = K_r·σ_v·S_v
- Đứt cốt: F = T_al / T_max
- Vùng chủ động Rankine nghiêng 45° + φ/2 qua chân tường; chiều dài neo L_e = L − z·tan(45° − φ/2), z là cao độ lớp cốt trên chân tường
- Kéo tuột: P_r = F*·α·σ′_v·L_e·C, với F* = 0,67·tanφ = 0,452; α = 0,8; C = 2 (lưới, hai mặt). σ′_v ở đây không kể tải tạm thời (tải giao thông có thể không có mặt khi cốt bị kéo)
Kết quả LA-Slope (khớp tính tay):
| Lớp | Độ sâu d (m) | σ_v (kPa) | T_max (kN/m) | F đứt | L_e (m) | P_r (kN/m) | F kéo tuột |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| L8 | 0,35 | 16,7 | 3,41 | 10,26 | 1,50 | 7,2 | 2,11 |
| L7 | 1,10 | 30,9 | 6,55 | 5,34 | 1,89 | 28,6 | 4,37 |
| L6 | 1,85 | 45,2 | 9,57 | 3,66 | 2,29 | 58,3 | 6,09 |
| L5 | 2,60 | 59,4 | 12,59 | 2,78 | 2,69 | 96,2 | 7,64 |
| L4 | 3,35 | 73,7 | 15,62 | 2,24 | 3,09 | 142,3 | 9,11 |
| L3 | 4,10 | 87,9 | 18,64 | 1,88 | 3,49 | 196,6 | 10,55 |
| L2 | 4,85 | 102,2 | 21,66 | 1,62 | 3,89 | 259,1 | 11,96 |
| L1 | 5,60 | 116,4 | 25,50 | 1,37 | 4,29 | 329,8 | 12,93 |
Lớp dưới cùng có F đứt = 1,37 < 1,5: không đạt. Lực kéo trong cốt lớn nhất ở đáy tường vì σ_v lớn nhất. Kéo tuột ngược lại: lớp trên cùng khó nhất (F = 2,11) vì σ_v nhỏ, đoạn neo ngắn, và phần tải giao thông làm tăng lực kéo nhưng không được kể vào sức kháng kéo tuột. Hai cơ chế quyết định ở hai đầu tường.
Cách xử lý: dùng lưới cường độ cao hơn cho 2–3 lớp dưới cùng (với T_al = 35 kN/m cần T_al ≥ 1,5 × 25,5 = 38 kN/m cho L1), hoặc giảm S_v ở phần dưới tường (thêm lớp cốt).
9. Ổn định tổng thể#
LA-Slope tìm mặt trượt tròn đi qua nền sét pha phía dưới và phía sau khối có cốt: F = 1,104, không đạt 1,5. Đây là cơ chế quyết định của ví dụ: khối có cốt đạt mọi kiểm tra "nội bộ" nhưng nền phía dưới không đủ khỏe. Cách xử lý: tăng L (khối có cốt rộng hơn đẩy mặt trượt xuống sâu hơn), gia cố nền, hoặc làm bậc giảm tải phía trên.
10. Tóm tắt#
| Giải pháp | Kiểm tra dễ bỏ sót | Bài học từ ví dụ |
|---|---|---|
| Cọc chống trượt | Tìm lại mặt trượt sau khi đặt cọc; cách khai báo lực cọc | Cọc đủ khỏe nhưng mặt trượt mới tránh hàng cọc |
| Tường MSE | Lớp cốt dưới cùng (đứt) và trên cùng (kéo tuột); ổn định tổng thể qua nền | Lớp L1 F đứt = 1,37; tổng thể F = 1,10 |