TRAO ĐỔI VÀ CHIA SẺ KINH NGHIỆM THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN
Kinh nghiệm chia sẻ
1-Tóm tắt:
Tường chắn đất là bài toán kết hợp giữa 2 bài toán nền móng và kết cấu. Thông thường tường chắn đất được phân thành 2 loại dựa trên kết cấu
• Tường chắn đất bằng bê tông cốt thép
• Tường chắn đất bằng các loại khối xây như đá hộc, đá qui cách, gạch block bê tông …
Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu, tường chắn nên sử dụng tường bê tông cốt thép trên nền cọc bê tông cốt thép.
Bài toán tường chắn đặc biệt yêu cầu các kích thước bộ phận tường chắn cần thiết phải tối ưu cho cả 2 bài toán nền móng và kết cấu.
2- Yêu cầu chung khi thiết kế tường chắn:
Tường chắn được thiết kế bảo đảm các điều kiện:
2.1. Ổn định của tường chắn
Ổn định của chính bản thân tường chắn bao gồm các bài toán:
• Ổn định trượt ngang
• Ổn định lật
• Ổn định trượt sâu
2.2. Tính kết cấu của tường chắn
Bao gồm tính bản mặt, bản đáy và tường cánh (nếu có)
2.3. Tính lún của tường chắn
2.4. Tính ổn định trượt cung tròn
Về ý nghĩa đây là vấn đề tính ổn định toàn hệ bao gồm tường chắn và nền đất bên dưới tường
Các điều kiện trên cũng chính là trình tự thiết kế tường chắn.
Trong các yêu cầu trên, tính ổn định tường chắn là bài toán bắt buộc đầu tiên, chỉ khi thoả mãn điều kiện ổn định mới tính đến các bài toán tiếp theo.
Bài toán lún có thể không cần thiết xét đến khi tường chắn thấp (< 3m), áp lực đáy móng < 0.6 kg/cm2, nền đất khá tốt trở lên.
Bài toán ổn định trượt cung tròn cũng có thể không xét đến khi tường chắn thấp, chiều cao tự do (phần chiều cao từ mặt đất trước tường đến đỉnh tường < 1.6m) và nền đất khá tốt
3- Kích thước tối ưu khi thiết kế tường chắn
Kích thước các bộ phận tường chắn thường được xác định dựa trên việc thỏa mãn các điều kiện ổn định nền móng của tường chắn.
Kích thước các bộ phận tường chắn tối ưu được thực hiện dựa trên so sánh các hệ số ổn định với các hệ số an toàn cho phép. Khi các hệ số ổn định không lớn hơn nhiều các hệ số an toàn cho phép sẽ chứng tỏ tường chắn được thiết kế tối ưu.
Các kích thước kinh nghiệm đề nghị cho tường chắn bê tông cốt thép
- Chiều cao tường mặt h
- Chiều cao tường chắn (từ đáy móng đến đỉnh tường) H
- Chiều sâu chôn tường (từ mặt đất trước tường đến đáy móng) d = (1/3 – 1/5)H
- Tường mặt dày hơn tại chân tường, đỉnh tường mỏng hơn.
• Chiều dày chân tường tw2 = (1/12 – 1/8)h. Số lớn dùng cho tường cao
• Chiều dày đỉnh tường tw1= (0.4 – 0.6)tw2
- Chiều dày bản đáy tb = (1.0 – 1.2)tw2
- Chiều dài bản đáy Lb = (0.5 – 0.7)H. Số nhỏ dùng khi đất nền rất tốt
- Chiều dày tường cánh tc = (0.8 – 1.0)tw2
- Khoảng cách tim giữa 2 tường cánh Lx = (1.5 – 2.0) h
- Chân khay, bề rộng (2.0 – 3.0)tw2, chiều sâu ~ chiều dày bảnđáy. Chân khay đặt tại vị trí tường mặt có lợi ích cho kết cấu, đặt tại mũi bản đáy khi đất trước tường có thể bị xói, đặt tại vị trí sau bản đáy nhằm mục đích thi công thuận tiện.
Bề rộng áp dụng khi tính là 1m
Các kích thước kinh nghiệm đề nghị cho tường chắn bằng khối xây.
Tùy theo trọng lượng riêng khối xây (gạch,đá…), các kích thước tương tự trên, với các điều chỉnh:
- Tường mặt dày hơn tại chân tường, đỉnh tường mỏng hơn, tường nên nghiêng về phía sau
• Chiều dày chân tường tw2 = (1/3 – 1/2)h. Số lớn dùng cho tường cao
• Chiều dày đỉnh tường tw1= không nhỏ hơn 300mm
- Chiều dài bản đáy Lb = tw2 + 600mm
4- Các vấn đề thường gặp khi thiết kế tường chắn:
Tính toán kết cấu tường chắn thường không có ý nghĩa quan trọng đến kích thước các bộ phận tường. Thay vào đó, kích thước các bộ phận như tường mặt, bản đáy được quyết định bởi bài toán tính ổn định tường, cho cả 2 loại tường bê tông cốt thép và tường bằng khối xây.
4.1. Các vấn đề khi tính ổn định của tường chắn
Ổn định của tường chắn bảo đảm khi kiểm tra các hệ số ổn định trượt ngang, lật, trượt sâu phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép tùy theo cấp công trình.
Các điều kiện này có thể không đồng thời thỏa mãn do việc tùy chọn tiết diện chưa hợp lý
• Khi trượt ngang không thỏa nhưng ổn định lật và trượt sâu thỏa
> Nguyên nhân: lực chống trượt nhỏ do trọng lượng giữ nhỏ
> Bản đáy quá ngắn hoặc /
> Phần bản đáy trước tường quá dài / phần bản đáy sau tường quá ngắn / hoặc
> Bản đáy & bản tường quá mỏng (trọng lượng tường quá nhẹ)
> Mực nước ngầm quá cao
Giải pháp thiết kế: Lần lượt thay đổi kích thước theo thứ tự trên xuống
> Giảm chiều dài phần bản đáy trước tường & tăng chiều dài phần bản đáy sau tường
> Tăng chiều dài bản đáy
> Làm chân khay dưới bản đáy nhằm tăng lực chống trượt
> Tăng chiều dày bản tường
> Sau cùng là tăng chiều dày bản đáy
• Khi ổn định lật không thỏa nhưng ổn định trượt ngang và trượt sâu thỏa
Điều này ít khả năng xảy ra.
> Nguyên nhân: momen gây lật quá lớn
> Bản đáy quá ngắn / hoặc
> Phần bản đáy trước tường quá ngắn (hoặc không có)
> Hoạt tải ngoài quá lớn
Giải pháp thiết kế: Lần lượt thay đổi kích thước theo thứ tự trên xuống
> Kiểm tra lại hoạt tải và tĩnh tải thêm
> Kéo dài thêm phần bản đáy trước tường / hoặc
> Tăng chiều dài bản đáy
> Điều chỉnh thiết kế để tường nghiêng về phía sau
• Khi ổn định trượt sâu không thỏa nhưng ổn định trượt ngang và lật thỏa
Điều này thường xảy ra khi nền đất bên dưới không tốt
> Nguyên nhân: momen lệch tâm quá lớn / hoặc
> Nền đất yếu
> Bản tường và bản đáy quá dày (quá nặng) / hoặc
> Tường chắn chôn quá cạn (chiều sâu chôn tường nhỏ) / hoặc
> Bản đáy quá ngắn
Giải pháp thiết kế: Lần lượt thay đổi kích thước theo thứ tự trên xuống
> Giảm chiều dày bản tường và chiều dày bản đáy (sử dụng kích thước đề nghị bên trên)
> Tăng chiều dài bản đáy
> Sau cùng là tăng chiều sâu chôn tường
• Khi trượt ngang và ổn định lật không thỏa nhưng trượt sâu thỏa
> Bản đáy quá ngắn / hoặc
> Tường và bản đáy quá mỏng (quá nhẹ)
> Tải trọng ngoài quá lớn
Giải pháp thiết kế: Lần lượt thực hiện theo trình tự
> Kiểm tra lại tải trọng ngoài
> Tăng chiều dài bản đáy
> Tăng chiều dày tường, chiều dày bản đáy
• Khi trượt ngang và trượt sâu không thỏa nhưng ổn định lật thỏa
Điều này khó có thể xảy ra. Nếu xảy ra, chứng tỏ nền đất quá yếu, cần thay đổi phương án kết cấu, nên chuyển thành tường chắn trên cọc hay gia cố nền bằng cừ tràm cho tường kè bằng khối xây.
• Khi trượt sâu và ổn định lật không thỏa nhưng trượt ngang thỏa
Điều này khó có thể xảy ra.
> Nguyên nhân: Nền đất yếu / hoặc
> Móng quá cạn / hoặc
> Bản đáy quá ngắn nhưng được tăng cường chân khay làm tăng chống trượt
Giải pháp thiết kế: Lần lượt thay đổi kích thước theo thứ tự trên xuống
> Tăng chiều sâu chôn tường
> Tăng chiều dài bản đáy
Tổng kết: giải pháp chung cho tất cả các trường hợp thường là
- Tăng chiều dài bản đáy
- Thường là giảm chiều dày tường, giảm chiều dày bản đáy
- Tăng chiều sâu chôn móng
4.2. Các vấn đề khi tính ổn định trượt cung tròn
Tính ổn định trượt cung tròn là bài toán kiểm tra bắt buộc nhằm kiểm tra ổn định tổng thể của toàn hệ. Khi nền đất bên dưới công trình không tốt / hoặc tường rất cao (> 4m), tường có thể bị mất ổn định.
Giải pháp thiết kế:
> Kéo dài bản đáy về phía sau tường
> Tăng chiều sâu chôn tường
Khi thực hiện cả 2 giải pháp trên nhưng ổn định không thỏa mãn, chứng tỏ phương án thiết kế không phù hợp. Cần thay đổi phương án thiết kế như làm tường chắn trên cọc hoặc làm tường nghiêng thêm về phía sau.
5- Vấn đề mực nước ngầm:
Nhiều tường chắn được thiết kế trong khu vực qua khảo sát không có mực nước ngầm. Tuy nhiên, trong thiết kế tường chắn thực tế, bề mặt mặt đất thường không được lát kín ngăn nước mưa thấm vào nền đất sau tường chắn. Do vậy, cần lưu ý rằng mực nước ngầm do nước mưa thấm vào nền có thể xuất hiện sau tường làm tăng áp lực ngang lên tường chắn. Do đó, để đảm bảo an toàn, kỹ sư thiết kế được khuyến cáo:
- Lắp đặt các ống thoát nước xuyên tường nhằm thoát nước ngầm. Đây là yêu cầu cấu tạo bắt buộc.
- Lượng nước mưa thấm quá nhanh, quá nhiều, cùng với khả năng tiêu thoát nước của các ống giảm dần theo thời gian, người thiết kế nên cân nhắc tính đến mực nước ngầm có thể xuất hiện cũng như nhằm tăng tính an toàn cho công trình, trong quá trình tính toán nên xét đến mực nước ngầm có thể xuất hiện. Theo tác giả của bài viết này, đề nghị tính mực nước ngầm tối thiểu là 1m tính từ mặt trên bản đáy, đối với các tường chắn có chiều cao tự do hơn 2m.
6- Kết luận:
Thiết kế tường chắn thường được thực hiện như bài toán tính lặp nhiều lần cho đến khi kết quả thỏa mãn. Để công trình được thiết kế tối ưu trên cả 2 phương diện ổn định và kết cấu, việc tính lặp có thể thực hiện nhiều lần.
Trên đây là các vấn đề chính cơ bản cho công tác tính toán và thiết kế tường chắn. Bản thân bài viết không thể ghi nhận và phản ánh hết tất cả các vấn đề trong thiết kế tường chắn nên rất mong sự góp ý bổ sung của người đọc.
Để hiểu rõ thêm về các chi tiết cấu tạo và kí hiệu của tường chắn, đọc giả có thể tham khảo & sử dụng phần mềm “PHÂN TÍCH & TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN ĐẤT BÊ TÔNG CỐT THÉP” ,”PHÂN TÍCH & TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN ĐẤT BẰNG KHỐI XÂY” của CdfDesign. Phần mềm là công cụ tiện ích giúp kỹ sư thiết kế dễ dàng thay đổi tính toán và xác lập thiết kế tối ưu theo cách nhanh nhất.
Xin trân trọng các ý kiến đóng góp.
Th.s Ks. Lê Hoan Cường
