LA-Slope (9): Tường đinh đất từng bước – sức kháng một đinh, ba kiểm tra ổn định và mặt bê tông phun
Thiết kế tường đinh cho mái đào cao 8 m: bản đầu tiên với đinh dài 9 m và bê tông phun 150 mm không đạt ổn định tổng thể (1,41) và mặt bê tông (165 %). Bài đi qua cách LA-Slope kiểm tra từng cơ chế và hai lần điều chỉnh để đạt yêu cầu.
Các bài trong Module Địa kỹ thuật
Mục lục bài viết
Tường đinh đất (soil nailing) gia cố mái đào bằng các thanh thép đặt trong lỗ khoan có vữa, kết hợp mặt bê tông phun. Khác với neo ứng suất trước, đinh không căng trước: nó chỉ chịu lực khi khối đất bắt đầu dịch chuyển. Thiết kế phải kiểm tra nhiều cơ chế phá hoại khác nhau; bỏ sót một cơ chế là thiếu an toàn.
1. Sức kháng của một đinh#
Tại giao điểm của đinh với mặt trượt, đinh chia làm hai đoạn: đoạn phía trước (trong khối trượt, nối với mặt tường) dài L_trước và đoạn phía sau (trong vùng ổn định) dài L_sau. Lực đinh đưa vào cân bằng là giá trị nhỏ nhất của ba cơ chế:
T = min( R_t ; R_đầu + q·L_trước ; q·L_sau )
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Ví dụ |
|---|---|---|
| R_t | Sức kháng kéo đứt của thanh thép | 180 kN |
| R_đầu | Sức kháng của liên kết đầu đinh với mặt tường | 60 kN |
| q = π·D·q_s | Sức kháng bám trên 1 m dài đinh (D đường kính lỗ khoan, q_s cường độ bám đất – vữa) | 35 kN/m |
Lực trên 1 m dài tường = T / S_h, với S_h là khoảng cách ngang giữa các đinh. Đinh là lực bị động: được chia cho F cùng với cường độ đất.
Ví dụ một đinh dài 9 m, mặt trượt cắt cách đầu đinh 4 m: q·L_sau = 35 × 5 = 175 kN; R_đầu + q·L_trước = 60 + 35 × 4 = 200 kN; R_t = 180 kN → T = 175 kN (kéo tuột phía sau quyết định).
2. Ba kiểm tra ổn định#
| Kiểm tra | Mặt trượt | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Ổn định nội | Mặt phẳng đi qua chân tường, quét góc 1°–89° | Nêm đất phía trước có bị đẩy ra, kéo đứt hoặc kéo tuột đinh không |
| Tường giả định | Khối đất có đinh coi như tường trọng lực, áp lực chủ động Rankine phía sau | Lật, trượt đáy, sức chịu tải nền (EN 1997-1 Phụ lục D) |
| Ổn định tổng thể | Mặt trượt tròn hoặc đa giác bất kỳ, kể cả đi vòng ra sau đầu đinh | Đinh có đủ dài để "khâu" qua mặt trượt sâu không |
Ngoài ra kiểm tra mặt bê tông phun theo FHWA GEC 7: lực đầu đinh T₀ = T_max·[0,6 + 0,2·(S_max − 1)], so với sức kháng uốn R_FF = C_F·(m_âm + m_dương)·8·S_h/S_v và sức kháng chọc thủng R_FP = C_P·0,33·√f′_c·π·D′_c·h_c.
3. Ví dụ: mái đào cao 8 m#
| Hạng mục | Giá trị |
|---|---|
| Mái | Cao 8 m, mái 1:1, chân (22; 0), đỉnh (14; 8) |
| Đất | Sét pha dẻo cứng c′ = 15 kPa, φ′ = 18° trên cát pha chặt vừa c′ = 4 kPa, φ′ = 28°; có mực nước ngầm |
| Đinh | 4 hàng, đầu tại cao độ 7,0 / 5,2 / 3,4 / 1,6 m (S_v = 1,8 m); nghiêng 15°; S_h = 1,5 m |
| Mặt tường | Bê tông phun f′_c = 25 MPa, tấm đệm 200 mm |
| Yêu cầu | Tổng thể 1,5; nội 1,5; lật 1,5; trượt 1,5; sức chịu tải 2,0; mặt tường 1,5 |
Trước khi gia cố (giai đoạn đào), mái có F = 1,162 theo Bishop, không đạt yêu cầu tạm thời 1,3.
Phương án 1: đinh dài 9 m, bê tông phun 150 mm, thép 400 / 250 mm²/m#
| Kiểm tra | Kết quả | Kết luận |
|---|---|---|
| Ổn định nội | F = 2,52 tại góc 22° | Đạt |
| Lật quanh chân | F = 4,85 (M_giữ = 17 996, M_lật = 3 709 kNm/m) | Đạt |
| Trượt đáy | F = 3,30 (R = 869, H = 263 kN/m) | Đạt |
| Sức chịu tải nền | q_ult/q = 606/121 = 5,01 (B′ = 12,54 m) | Đạt |
| Ổn định tổng thể (Spencer, mặt tròn tối ưu) | F = 1,405 | Không đạt |
| Mặt bê tông phun | T₀ = 136,8 kN; R_FF = 124,4 kN; R_FP = 272,1 kN → 165 % | Không đạt |
Hình mặt trượt tổng thể cho thấy vì sao đinh 9 m chưa đủ: mặt trượt cắt qua mọi hàng đinh nhưng ở rất gần đuôi, nhất là hai hàng trên, nên đoạn đinh nằm sau mặt trượt (đoạn neo giữ) rất ngắn và lực kéo tuột huy động được nhỏ. Với đinh 12 m, mặt trượt tới hạn phải đi sâu xuống lớp cát pha, F tăng lên 1,58.
T₀ = 180 × [0,6 + 0,2 × (1,8 − 1)] = 136,8 kN. Mức sử dụng mặt tường = 1,5 × 136,8 / min(124,4; 272,1) = 165 %: uốn của bản bê tông phun quyết định.
Ổn định nội và tường giả định đều đạt rất dư, nhưng hai cơ chế khác không đạt. Nếu chỉ kiểm tra theo kiểu "tường trọng lực", phương án này sẽ bị đánh giá là an toàn.
Phương án 2: đinh dài 12 m#
| Kiểm tra | Kết quả |
|---|---|
| Ổn định tổng thể | F = 1,580 – đạt |
| Ổn định nội | F = 2,73 tại 23° |
| Lật / trượt / sức chịu tải | 4,62 / 3,92 / 6,31 |
| Mặt bê tông phun | Vẫn 165 % – không đạt |
Đinh dài hơn "khâu" được mặt trượt sâu, nên ổn định tổng thể đạt. Mặt bê tông không đổi vì T₀ phụ thuộc sức kháng đinh T_max và khoảng cách, không phụ thuộc chiều dài.
Phương án 3: đinh 12 m, bê tông phun 200 mm, thép 565 / 565 mm²/m#
| Kiểm tra | Kết quả |
|---|---|
| Ổn định tổng thể | F = 1,580 – đạt |
| Mặt bê tông phun | R_FF = 285,3 kN; R_FP = 414,7 kN → 72 % – đạt |
Tăng chiều dày và thép hai lớp làm sức kháng uốn tăng từ 124 lên 285 kN.
4. Một chi tiết dễ nhầm: giảm khoảng cách đinh#
Nếu giữ đinh 12 m và giảm S_h từ 1,5 m xuống 1,2 m, ổn định tổng thể tăng nhẹ (1,591) nhưng mức sử dụng mặt bê tông lại tăng từ 165 % lên 206 %. Nguyên nhân: theo GEC 7, T₀ tính từ sức kháng thiết kế của một đinh (không giảm theo khoảng cách), trong khi sức kháng uốn của bản tỉ lệ với S_h/S_v. Bản hẹp hơn giữa hai đinh nhưng vẫn phải chịu cùng T₀ nên kiểm tra theo công thức này bất lợi hơn. Đây là đặc điểm của công thức thiết kế, cần biết để không ngạc nhiên khi đổi khoảng cách đinh.
5. Tóm tắt quy trình#
- Chọn chiều dài đinh sơ bộ 0,7–1,0 lần chiều cao tường; khoảng cách 1,2–2,0 m.
- Kiểm tra ổn định tổng thể với đinh là lực bị động: quyết định chiều dài đinh.
- Kiểm tra ổn định nội và tường giả định.
- Kiểm tra mặt bê tông phun: quyết định chiều dày bản và thép lưới.
- Kiểm tra từng giai đoạn đào: hàng đinh dưới chưa lắp khi đào tới cao độ của nó.