Thực nghiệm triển khai ứng dụng tường chắn đất có cốt với cốt hiệu năng cao tự chế tạo

Experimenting with the application of the Mechanically stabilized earth wall with self-manufactured high-performance reinforcements

Tóm tắt:

Bài báo giới thiệu mô hình thực nghiệm tỉ lệ thực về tường chắn đất có cốt với cốt tự chế tạo. vật liệu đắp bằng cấp phối tự nhiên, cốt thép CT5. Đánh giá khả năng chịu tải của công trình khi có ngạnh liên kết đất – cốt và có sự triết giảm tiết diện cốt do ăn mòn đến giới hạn về cường độ với các tỉ lệ 100%, 85% và 65%. Thí nghiệm xác định được sự phân bố lực kéo trên các lớp cốt trong tường ở các mô hình. Tải trọng lớn nhất làm tường chắn bị phá hoại do mất ổn định nội bộ (đứt cốt) là 302 kN/m2 (hơn 15 lần tải trọng thiết kế). Chuyển vị của tường nhỏ hơn nhiều giới hạn cho phép.

Giới thiệu về mô hình thực nghiệm

Thi công kết cấu tường chắn đất có cốt trong mô hình thí nghiệm theo công nghệ bán lắp ghép tuân thủ các tiêu chuẩn hiện hành trong nước, AASHTO, Eurocode [1-4]. Các tấm tường bằng bê tông cốt thép B45 (cấp độ bền theo TTGH thứ nhất) [5] được chế tạo sẵn, lưới cốt thép tự chế tạo với các ngạnh liên kết đất – cốt bố trí dọc theo cốt.

Hình 1. Mô hình tổng thể tường thực nghiệm
Hình 2. Mặt cắt ngang tường thực nghiệm

Tường cao 3 m bao gồm 4 tấm bê tông cốt thép (BTCT) đúc sẵn. Kích thước mỗi tấm tường là 1,5 x 0,75 x 0,14 m, BTCT B25, có bố trí các chốt liên kết với lưới cốt (hình 1, 2). Vật liệu đắp dùng cấp phối tự nhiên (cấp phối đất đồi) tại mỏ đất Xuân Phú, xã Hòa Ninh huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ – lý – hóa của vật liệu đắp như bảng 1, thí nghiệm thành phần hạt và đầm nén tiêu chuẩn mẫu đất như hình 3 và 4.

Hình 3. Biểu đồ thành phần hạt vật liệu đắp
Hình 4. K.quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn

Bảng 1. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ – lý – hóa của vật liệu đắp

g

(kN/m3)

γkmax

(kN/m3)

W0 (%)Chỉ số dẻo IPThành phần hạtHệ số đồng đều Cu
20,718,1612,508,55Đạt6,31
C (kN/m2)φ (độ)Trở kháng (Ω.cm)pHIon Cl(mg/g)Ion SO42- (mg/g)
5,134,3112705,90,0940,497

 

Dùng lưới cốt thép mạ kẽm tự chế tạo bằng thép CT5, đường kính 10mm, mạ kẽm dày 70 µm như hình 3. Chiều dài cốt l = 2,1 m. Khoảng cách giữa các lớp cốt theo phương đứng Sv = 0,75 m (4 lớp cốt/chiều cao tường H = 3 m). Khoảng cách giữa các thanh cốt theo phương dọc tường Sh = 0,375 m (4 thanh cốt dọc/chiều rộng lưới cốt 1,5 m). Khoảng cách các thanh cốt ngang là 0,45 m. Dọc theo các thanh cốt được dán các cảm biến đo biến dạng, tương ứng cũng lắp đặt các cảm biến đo biến dạng trong đất tại giao diện đất – cốt.

Hình 5. Cấu tạo lưới cốt thép và bố trí cảm biến đo biến dạng trong cốt và tại giao diện đất – cốt

Nền đất dưới mô hình là đất nền nguyên thổ được san phẳng, lu lèn chặt đạt độ chặt K95. Phía trên rải lớp cấp phối đá dăm lu lèn chặt K98 dày 20 cm trong phạm vi diện tích 2 x 3 m. Trên cùng là lớp BTCT B45 dày 20 cm kích thước 1,5 x 2,4 m. Tấm gia tải BTCT B45 dày 14cm. Dưới tấm này đặt cảm biến đo áp lực gia tải. Hai cáp neo vào nền đất được thiết kế làm đối trọng thí nghiệm, khả năng chịu tải mỗi cáp neo là 1500 kN. Tường vây 3 mặt tường chắn đất và thanh chống dùng cừ larsen IV, đóng sâu 3m. tính toán kiểm tra cho được áp lực bị động tường vây ở chân tường lớn hơn áp lực chủ động gần 12 lần, đảm bảo chân tường vây không chuyển vị. Đồng thời đỉnh tường vậy được đặt thiên phân kê để kiểm soát chuyển vị. Đỉnh của các tấm tường BTCT của tường chắn đất được đặt các LVDT đo chuyển vị vỏ tường khi thi nghiệm. Toàn bộ hệ thống các cảm biến được kết nối vào bộ Dataloger DaSME (hình 7) 28 x 6 cổng có thể đọc, phân tích dữ liệu biến dạng, chuyển vị từ xa do nhóm tự chế tạo (xin được giới thiệu ở bài sau). Hình 6 minh họa tường thực nghiệm sau khi lắp đặt. Quá trình thí nghiệm được thực hiện lần lượt cho 3 mô hình tương ứng với mức độ triết giảm cường độ cốt lần lượt là 0%-15%-35%.

Hình 6. Mô hình tường chắn đất có cốt hoàn chỉnh
Hình 7. Dataloger DaSMe

Giới thiệu kết quả thực nghiệm:

Trong bài báo giới thiệu một số kết quả thí nghiệm quan trọng cho trường hợp triết giảm cường độ cốt còn 65%. Các cấp tải trọng thí nghiệm cho đến phá hoại (đứt 1 trong các lớp cốt) là 12, 20 (tải trọng thiết kế [4]), 50, 75, 100, 150, 200, 250, 275, 300, 302 kN/m2.
Hình 8 và 9 cho thấy sự gia tăng lực kéo trong cốt theo sự tăng của tải trong ngoài, hiệu quả làm việc của cốt thông qua sự chuyển hóa áp lực thắng đứng thành ứng lực kéo trong cốt, hiệu quả ngạnh thông qua các bước nhảy gia tăng lực kéo trong cốt. quan trắc vỏ tường cho thấy chuyển vị ngang của vỏ tường rất nhỏ cho đến khi cốt trên cùng đứt gãy. Mặt phá hoại (hình 11) được xác định thông qua dịch chuyển của đất trong cốt (hình 10) và vị trí đạt lực kéo cực đại trong các lớp cốt. Kết quả thực nghiệm được đối sánh với các nghiên cứu của Murray [6], Châu et al. [7], Long [8] cho thấy sự phù hợp về hình dạng lực kéo, vận động về lực kéo trong cốt và vị trí, hình dạng lăng thể trượt trong tường.

Hình 8. Tăng trưởng lực kéo trong cốt cho đến khi đứt gãy ở lớp cốt trên cùng
Hình 9. Tăng trưởng lực kéo trong cốt ở lớp cốt dưới cùng
Hình 10. Chuyển vị tại giao diện đất – cốt

Kết luận

Với tường chắn đất có cốt dùng cốt tự chế tạo cho thấy trong điều kiện ăn mòn bất lợi nhất (ăn mòn cục bộ) và đạt giới hạn, tường vẫn chịu được tải trọng gấp 15 lần tải trọng thiết kế 20 kN/m2. Chuyển vị của vỏ tường ngay trước thời điểm tường phá hoại chỉ hơn 4mm, nhỏ hơn nhiều so với chuyển vị cho phép của khối đắp là 22,5 mm [1, 4]. Các tính toán về thời gian phục vụ của tường theo mức độ ăn mòn cốt trong điều kiện xâm thực phổ biến cho kết quả đảm bảo tuổi thọ tường hơn 120 năm, tương ứng với công trình cấp đặc biệt. Tính toán chênh lệch suất đầu tư công trình so với một số loại cốt polymer hoặc cốt thép đai nhập khẩu có thể giảm được từ 35% đến 42%. Hiệu quả sử dụng cốt tự chế tạo hiệu năng cao rất rõ ràng.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Bộ Giáo dục và Đào Tạo, Đại học Đà Nẵng, trường Đại học Bách Khoa theo mã số đề tài: B2021-ĐNA-12.

Hình 11. Mặt phá hoại trong khối đất có cốt

Châu Trường Linh

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

Email: [email protected]

Nguyễn Thu Hà

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

Email: [email protected]

Vũ Đình Phụng

Trường Đại học Thủy Lợi.

E-mail: [email protected]

 

Tài liệu tham khảo

[1] Bộ xây dựng, TCVN 11823-11:2017 về Thiết kế cầu đường bộ – Phần 11: Mố, trụ và tường chắn.
[2] Department of Transportation Federal Highway Administration, FHWA-NHI-00-043 (2001), Mechanically stabilized earth walls and reinforced soil slopes design & construction guidelines.
[3] BS 8006-1:2010 – Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills. ISBN 978 0 580 53842 1
[4] AFNOR EN P94-270:2020 – Calcul géotechnique Ouvrages de soutènement
[5] TCVN 5574:2018 Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép
[6] R.T. Murray, Farrar (1988), Temperature distributions in reinforced soil retaining walls Temperature in soils and its effect on the aging of synthetic materials. Geotextiles and Geomembranes.
[7] T-L Chau, A. Corfdir, E. Bourgeois (2016), Corrosion des armatures sur le comportement des murs en terre armée – Effect of reinforcement corrosion on the behavior of earth walls reinforced by steel elements (Soustitre: Scénarios de corrosion des armatures métalliques et les dégradations du mur en terre armée), ISBN 978-3-8417-2710-7, Éditions Universitaires Européennes (EUE).
[8] Lê Hồng Long, Châu Trường Linh (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại cấp phối thiên nhiên đến tương tác đất – cốt trong tường chắn đất có với cốt tự chế tạo đã xét đến tuổi thọ do ăn mòn. Tạp chí Giao thông vận tải ISSN 2354-0818, 7/2016, pp. 69-72.