OU - BTL Tường Cừ Chắn Đất - Nguyễn Đình Huy Hoàng - Thầy Dương Hồng Thẩm

BÀI TẬP LỚN TƯỜNG CHẮN ĐẤT GVHD: T.S DƯƠNG HỒNG THẨM

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HUY HOÀNG Trang 1 MSSV: 1051022117

Mục Lục PHẦN 1. SỐ LIỆU TÍNH TOÁN ............................................................................3

1.1. Mã đề: B1e9b1B ...........................................................................................3

1.2. Thông số đề bài: ............................................................................................3

1.3. Sơ đồ và thông số tính toán: ..........................................................................4

PHẦN 2. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TƯỜNG CỪ BẢN ..........................................5

2.1. Kích thước tường chắn: .................................................................................5

2.2. Phân tích và đề xuất hướng giải quyết: ..........................................................5

2.3. Trình tự tính toán: .........................................................................................6

2.4. Các bước tính toán: .......................................................................................6

2.4.1. Xác định hệ số áp lực ngang: ..................................................................6

2.4.2. Tính Gradient thủy lực, lực thấm khối, γ’trước và γ’sau tường: ..............7

2.4.3. Tính và vẽ biểu đồ áp lực ngang: .......................................................... 10

2.4.4. Đồ thị biểu diễn quan hệ tương quan giữa độ sâu D và hệ số an toàn SF

....................................................................................................................... 14

2.5. Tính toán kết cấu neo: ................................................................................. 15

2.5.1. Tính toán lực trong thanh neo: .............................................................. 15

2.5.2. Tính chiều dài thanh neo tới vùng an toàn: ........................................... 19

2.6. Biểu đồ Moment và biểu đồ Lực cắt: ........................................................... 20

2.6.1. Tính toán giá trị momen và lực cắt tại mỗi tiết diện .............................. 20

2.6.2. Tính toán giá trị Moment lớn nhất ........................................................ 27

2.7. Tính toán chuyển vị của tường cừ bản : ....................................................... 28

2.8. Tính toán tiết diện và cốt thép của tường cừ bản: ........................................ 28

2.8.1. Tính cốt thép: ....................................................................................... 29



2.8.2. Diện tích cốt thép: ................................................................................ 29

2.8.3. Kiểm tra hàm lượng cốt thép ................................................................ 29

2.8.4. Điều kiện .............................................................................................. 29

2.9. Đánh giá thiết kế tường cừ bản: ................................................................... 31

2.10. Giao diện chương trình tính toán (Microsoft Excel): ................................. 31

2.11. Giải bằng phần mềm plaxis 8.2 ................................................................. 33



PHẦN 1. SỐ LIỆU TÍNH TOÁN

1.1. Mã đề: B1e9b1B

1.2. Thông số đề bài:

B :Tường cừ bản

1 :Có tinh toán kết cấu neo

e :Tải trọng bề mặt: q=10 kN/m2

9 :Số liệu địa chất:

+ c1 = 22kPa c2 = 0kPa

+ φ1 = 33o φ2 = 30o

+ γ1 = 17 kN/m3

+ γ1bh = 21 kN/m3 γ2bh = 21 kN/m3

+ Góc ma sát sau tường: δ = 0

+ Độ sâu mực nước ngầm: Z1 = 2m

+ Chiều cao tường chắn: H = 7m

b : Chiều sâu đặt thanh neo: y1 = 1.2m

1 :Vật liệu sử dụng cho tường cừ là Bêtông cốt thép:

+ Bêtông mác 300

+ Cường độ thép: Ra = 2700 kgf/cm2

B :Yêu cầu tính toán bản neo.



1.3. Sơ đồ và thông số tính toán:

Z1

Hf

MNN

Lớp 1:

C1= 22kPa

g1= 17kN/m3

g1bh=21kN/m3

Lớp 2:

C2= 0kPa

g2bh=21kN/m3



PHẦN 2. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TƯỜNG CỪ BẢN

2.1. Kích thước tường chắn:

2.2. Phân tích và đề xuất hướng giải quyết:

Do có sự chênh lệch cột nước 2 bên tường chắn, ta phải tính đến ảnh hưởng của

dòng thấm đối với áp lực ngang tác dụng lên tường chắn.

Nếu không có D thì sẽ không tính được Gradient thủy lực và cũng không tính được

lực thấm khối j (tức không thể xét điều kiện có dòng thấm).

5000

MNN

7000

2000

Lớp 1:

C1= 22kPa

g1= 17kN/m3

g1bh=21kN/m3

Lớp 2:

C2= 0kPa

g2bh=21kN/m3



Vì vậy hướng giải quyết bài toán là ta phải giả thiết trước chiều sâu chôn cừ D, giải

theo cách thử dần và lập biều đồ biểu diễn mối quan hệ giữa chiều sâu chôn cừ D và

hệ số an toàn SF (có kể đến ảnh hưởng của dòng thấm).

2.3. Trình tự tính toán:

Lựa chọn các kích thước sơ bộ và khả thi của sơ đồ tính

Xác lập sơ đồ tính nêu nhận định loại công trình

Vẽ biểu đồ áp lực ngang của đất

Xác định chiều sâu cắm cừ bản f, thiết kế

Tính toán lực trong thanh neo (thép tròn), thiết kế chiều sâu bản neo, cấu tạo bản

neo

Vẽ biểu đồ lực cắt,biểu đồ Momen

Tính toán các độ sâu lực cắt triệt tiêu

Tính toán chuyển vị của tường cừ bản (giả thiết hệ số dãn dài của đất là như nhau

tại mỗi độ sâu của đất sau tường là 0.00005)

Tính toán cốt thép cho các cấu kiện khác nhau của tường BTCT

Vẽ hình cấu tạo hoàn chỉnh của tường chắn.

2.4. Các bước tính toán:

2.4.1. Xác định hệ số áp lực ngang:

Giả thiết chiều sâu chôn cừ: D = 5m

Tính các hệ số áp lực ngang: Vì mặt đất nằm ngang, lưng tường xem như trơn phẳng

thẳng đứng nên lý thuyết Rankine là khả áp

- Lớp đất thứ 1:

1 2 21 33tan (45 ) tan (45 ) 0.2948

2 2

oo o

aK

1

1

13.39p

a

KK



Lớp đất thứ 2:

2 2 22 30 1tan (45 ) tan (45 )

2 2 3

oo o

aK

2

2

13p

a

KK

2.4.2. Tính Gradient thủy lực, lực thấm khối, γ’trước và γ’sau tường:


Gradient thủy lực:

2

_ 2

_ 50.333

2 2 5 5dong tham

Cot ap H Li

L L f L

+ Trong đó:

L2: chiều cao từ Mực nước ngầm đến Đường đáy móng (m)

f: chiều sâu chôn cừ (m)

Áp lực thấm khối:

30.333 10 3.3 /wj i kN mg

+ Trong đó:

i: gradient thủy lực

Wg : tỷ trọng nước (kN/m3)

Phía sau lưng tường: (lực thấm hướng xuống)

' 1 31 1 ( ) (21 10) 3.33 14.33 /bh wj j kN mg g g g

' 2 32 2 ( ) (21 10) 3.3 14.33 /bh wj j kN mg g g g



+ Trong đó:

j: áp lực thấm khối (kN/m3)

1bhg : tỷ trọng lớp đất thứ 1 bảo hòa nước (kN/m3)





Phía trước tường: (lực thấm hướng lên)

' 2 32 2 ( ) (21 10) 3.33 7.67 /bh wj j kN mg g g g

+ Trong đó:

j: áp lực thấm khối (kN/m3)



Bảng giá trị trọng lượng riêng đẩy nổi trước và sau tường chắn (có kể đến ảnh

hưởng dòng thấm) ứng với từng trường hợp chiều sâu cắm cừ f:

STT f Z H gbh gw gđn deltaH deltaL i J g+

1 g+

2 g-

1 3.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 11.0 0.45 4.55 15.55 15.55 6.45

2 4.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 13.0 0.38 3.85 14.85 14.85 7.15

3 5.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 15.0 0.33 3.33 14.33 14.33 7.67

4 6.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 17.0 0.29 2.94 13.94 13.94 8.06

5 7.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 19.0 0.26 2.63 13.63 13.63 8.37

6 8.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 21.0 0.24 2.38 13.38 13.38 8.62

7 9.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 23.0 0.22 2.17 13.17 13.17 8.83

8 10.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 25.0 0.20 2.00 13.00 13.00 9.00

9 11.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 27.0 0.19 1.85 12.85 12.85 9.15

10 12.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 29.0 0.17 1.72 12.72 12.72 9.28

11 13.0 2.0 7.0 21.0 10.0 11.0 5.0 31.0 0.16 1.61 12.61 12.61 9.39



2.4.3. Tính và vẽ biểu đồ áp lực ngang:


MNN1

2

49

3

L1L2

f

q0



5

6

Uc

7

8

Pq1

Pq2

L2f

L2L1

f



Áp lực của hạt:

0 12

1 1 2 /17 2 14.33 5 105.65q L L kN mg g

1 121

1 17 2 0.2948 2 /10.0a kL K N m g

12 1

21 1 2 17 2 14.33 5 0.2948 31.15 /aL mL kK N g g

1 2

3 1 1 1 2 2

2

( )

0.2948 (17 2 14.33 5) 0.33 14.33 5 54. 9 /7

a a

kN m

k L L k f g g g

24 3 7.67 5 /115.05p kNk mf g

Áp lực của nước:

2

22w

2 2 5 510 33.33

2 2 5/

5c

LN

fu k m

f Lg

Áp lực của phụ tải bề mặt:

11

210 0.295 2 /.95qa Nq K mp k

22

210 0.333 3 /.33qa Nq K mp k



Lập bảng cân bằng Moment tại vị trí neo và xác định hệ số an toàn

STTCánh tay đòn lấy đối

với điểm OMoment

1 10.02 0.00 0.00

2 50.12 3.17 158.70

3 52.82 4.00 211.27

4 155.75 8.17 1271.98

5 83.33 4.00 333.33

6 83.33 7.33 611.11

7 20.64 2.17 44.71

8 16.67 8.17 136.11

9 -227.78 9.00 -2050.00

0.74

Lực/1m tới tường

HSAT

11 1 2ak L Lg

1 21 2

1

2ak Lg

11 1 1 2( )ak L L fg g

2

1

2cU L

1

2cU f

10 1 2( )ak q L L

20ak q f

2 21

1

2pk fg

1 2

3 2

L L

1 22

3 3

L L

12

3 2

L fL

1 22

3 3

L L

12

3 3

L fL

1 2 12

2 3

L L L

12

2 3

f LL

12

2

3 3

f LL

1 21 1

1

2ak Lg



Vậy: Hệ số an toàn của tường cừ bản ứng với chiều sâu cừ D đã giả thiết:

_

_

| | | 2050 |0.74

0 158.7 211.27 1271.98 333.33 611.11 44.71 136.11

bi dong

chu dong

MSF

M

Tính toán tương tự các bước trên ứng với từng trường hợp giả thiết chiều sâu chôn

cừ f, ta được bảng kết quả mối quan hệ giữa chiều sâu chôn cừ f và hệ số an toàn FS:

f HSAT

5.00 0.74

6.00 1.02

7.00 1.32

8.00 1.63

9.00 1.96

10.00 2.31

11.00 2.66

2.4.4. Đồ thị biểu diễn quan hệ tương quan giữa độ sâu D và hệ số an toàn SF

Từ đồ thị ứng với hệ số an toàn SF= 2 ta tìm được chiều sâu chôn cừ tương ứng là

f= 9m.

Độ sâu chôn cừ thiết kế: 1.2 1.2 9 10.8tk ff m

Vậy ta chọn chiều sâu chôn cừ thiết kế là ftk = 11m

0.74

1.02

1.32

1.63

1.96

2.31

2.66y = 0.3207x - 0.9029

R² = 0.9983

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8 10 12

Hệ

số a

n to

àn

Chiều sâu chôn cừ

Biểu đồ đường cong quan hệ f-HSAT



2.5. Tính toán kết cấu neo:

2.5.1. Tính toán lực trong thanh neo:

Để xác định lực thực tế trong thanh neo phải lấy hệ số an toàn SF = 1 (vừa đạt trạng

thái cân bằng giới hạn)

Ứng với SF= 1 => f= 5.9m

Gradient thủy lực:

2

_ 2

_ 50.3

2 5 2 5.9dong tham

Cot ap H H Li

L L L f

Lực thấm khối:

3. 0.3 10 3 /w ki mj Ng

Phía sau lưng tường: (lực thấm hướng xuống)

' 11 1

3( ) (21 10) 14 /3bh w j kN mjg g g g

' 22 2

3( ) (21 10) 14 /3bh w j kN mjg g g g

Phía trước tường: (lực thấm hướng lên)

' 22

3( ) (21 10) 3 8 /bh w kN mj jg g g g

Áp lực của hạt:

0 12

1 1 2 17 2 14 5 /104q L kN mLg g

1 121

1 17 2 0.2948 2 /10.0a kL K N m g

12

21 1 1 2 17 2 14 5 0.2948 30.66 /aL L kK N m g g

1 2

3 1 1 2

2

1 2( )

0.2948 (17 2 14 5) 0.33 14 5.9 92 /57.

a ak

N

L

k m

L k f g g g

24 3 8 5. .6 /9 141p k mk Nf g

Áp lực của nước:

2 2w

2

2 2 5.9 510 35.12

2 2 5.9/

5c kN m

f Lu

f Lg



Áp lực của phụ tải bề mặt:

11

210 0.295 2 /.95qa Nq K mp k

22

210 0.333 3 /.33qa Nq K mp k



MNN1

2

49

3 5

6

Uc

7

8

Pq1

Pq2

L2f

L1L2

f

L2L1

f

q0



STT

1 10.02

2 50.12

3 51.59

4 180.89

5 87.80

6 103.60

7 20.64

8 19.67

9 -336.50

Lực/1m tới tường

11 1 2ak L Lg

1 21 2

1

2ak Lg

11 1 1 2( )ak L L fg g

2

1

2cU L

1

2cU f

10 1 2( )ak q L L

20ak q f

2 21

1

2pk fg

1 21 1

1

2ak Lg

0

10.02 50.12 51.59 180.89 87.80 103.60 20.64 19.67 – 336

188

.50

/1 1.0

neoT

N m

H

k

+ Chọn khoảng cách neo s = 2m

1.25 2 188.01 470.025tkT kN



Theo yêu cầu thiết kế, thép dùng tính toán thanh neo có

2 22700 / 270000 /aR kgf cm kN m .

Ta tính được tiết diện thanh neo theo công thức:

2470.02517.41

270000tk

neo

a

TF cm

R

Dựa vào bảng tra diện tích cốt thép tròn, ta chọn 4∅25 (F = 19.625 cm2)

2.5.2. Tính chiều dài thanh neo tới vùng an toàn:

10

0 0 00

( ) 5.9 8 (7 1.2)18.23( )

3333(45 ) (45 ) (45 )(45 )

2 2 22

Lf H yL m

tg tg tgtg

Vậy: Ta chọn chiều dài thanh neo là 19m.



2.6. Biểu đồ Moment và biểu đồ Lực cắt:

2.6.1. Tính toán giá trị momen và lực cắt tại mỗi tiết diện

Tại tiết diện z = 1.2m (Đoạn A-B):

1 2 20 1

1 1K 0.2948 17 1.2 3.6

2 2aR y kNg

. 0 3.6B trQ R kN

0

1 11.2 3.6 1.44

3 3BM y R kNm

.d 0 188.01 3.6 184.41B neoQ T R kN

Tại tiết diện z = 2m (Đoạn A-C):

1 2 21 1 1

1 1K 0.2948 17 2 10.02

2 2aR L kNg

1 188.01 10.02 177.99C neoQ T R kN

R01200

QB.tr

A

B

MB

R01200

QB.d

A

B Tneo

MB

R1

1200

QC

A

B Tneo

MC

C8002000



1 1 1

1( )

3

12 10.02 188.01 (2 1.2) 143.73

3

C neoM L R T L y

kNm

Tại tiết diện z = 7m (Đoạn A-D):

1

2 1 1 2K 0.2948 17 2 5 50.12kNaR L Lg

1 2 23 1 2

1 1K 0.2948 14 5 51.59kN

2 2aR Lg

14 K 0.2948 10 7 20.636kNaR q H

W1 2

1 135.12 5 87.8kN

2 2cR U L

1 2 3 4 w1( )

188.01 (10.02 50.12 51.59 20.636 87.8) 32.156

D neoQ T R R R R R

kN

R2

QD

A

BTneo

MD

C

R3

D

R1

Uc

RW1

C

D

1200

800

5000

7000

MNN

q1

A

D

R4



1 2 22 1 2 4 3 w1

1 2

( )3 2 2 3

( )

2 5 7 55 10.02 50.12 20.636 (51.59 87.8) 188.01 (2 1.2 5)

3 2 2 3

603.84

D

neo

L L H LM L R R R R R

T L y L

kNm



Tại tiết diện z = 12.9m (Đoạn A-E):

1

5 1 1 1 2K ( )

0.2948 5.9 (17 2 14 5) 180.89

aR f L L

kN

g g

26 K 0.33 10 5.9 19.47 kNaR q f

2 27 2

1(K )

2

1(3 8 5.9 0.33 14 5.9) 5.9

2

337.3

p aR f K f f

kN

g g

W2

1 135.12 5.9 103.604kN

2 2cR U f

1 2 3 4 5 6 7 w1 w2( )

188.01 (10.02 50.12 51.59 20.636 180.89 19.47 337.3 87.8 103.604)

673.42

E neoQ T R R R R R R R R R

kN

R2

QE

A

BTneo

C

R3

D

R1

Uc

RW1

C

D

1200

5000

7000

MNN

q1A

D

R4

Pq2

RW2

R5

R7

R6

E

5900

800



1 2 22 1 2 4 3 w1

5 6 7 w 2 1 2

( )3 2 2 3

2( ) R ( f)

2 3 3

2 5 7 55 5.9 10.02 5.9 50.12 5.9 20.636 5.9 (51.59 87.8)

3 2 2 3

D

neo

L L H LM L f R f R f R f R R

f f fR R R T L y L

5.9 5.9 2 5.9

(180.89 19.47) 337.3 103.604 188.01 (2 1.2 5 5.9)2 3 3

79kNm

Bảng tổng hợp nội lực các đoạn

AB (z=1.2m) AC (z=2m) AD (z=7m) AE (z=12.9m)

Lực cắt -3.6

184.41 177.99 -32.156 -673.42

Mômen 1.44 -143.73 -603.84 -79



0

-1.2 -1.2

-2

-7

-12.9

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300

Biểu đồ lực cắt Q



0

-1.2-1.2

-2

-7

-12.9

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100

Biểu đồ Moment



2.6.2. Tính toán giá trị Moment lớn nhất

-Mômen lớn nhất tại vị trí có lực cắt bằng 0, thông qua biểu đồ phía trên ta có nhận

định rằng vị trí lực cắt bằng 0 nằm trong đoạn giữa mực nước ngầm và mặt đất, cho

nên ta giả sử vị trí có Q=0 cách mực nước ngầm cao 1 đoạn là x,ta có phương trình:

1 2 3 4 w10 ( ) 0neoQ T R R R R R

1 121

1 17 2 0.2948 2 /10.0a kL K N m g

12

21 1 1 2 17 2 14 5 0.2948 30.66 /aL L kK N m g g

2 2w

2

2 2 5.9 510 35.12

2 2 5.9/

5c kN m

f Lu

f Lg

11

210 0.295 2 /.95qa Nq K mp k

với

2 1( ) (30.66 10.02)20.64

5 5

35.127.024

8.5 5c

X Xb X

u X Xa X

R2

Q

A

BTneo

M

C

R3

D

R1

RW1

C

D

1200

x

MNN

Pq1

A

D

R4

800

b a



2 1

23

4 1

2W1

10.02

110.32

2

(2 ) 5.9 2.95

13.512

2

q

R X X

R X b X

R P X X

R a X X

1 2 3 4 w1

2 2

( ) 0

188.01 10.02 10.02 10.32 5.9 2.95 3.512 0

3.09

neoT R R R R R

X X X X

X m

Vậy vị trí cách mực nước ngầm 4.43 m thì có Mmax

max 1 2 3 4 w13.76 1.54 1.03 2.54 1.03 3.89 604.9( )neoM R R R R R T kNm

2.7. Tính toán chuyển vị của tường cừ bản :

Chuyển vị ngang được tính theo công thức:

L

Ta có: hệ số giãn dài của đất 0.05%

Chiều dài thanh neo Lneo= 19m

+ Vậy ta có 0.05% 19 0.0095 0.95L m cm

+ Độ biến dạng ngang tương đối nhỏ, kết cấu ổn định.

2.8. Tính toán tiết diện và cốt thép của tường cừ bản:

Yêu cầu vật liệu thiết kế tường cừ bản bằng bêtông cốt thép:

+ Bêtông M300

+ Thép: Ra = 2700 kgf/cm2

Moment kháng uốn của tiết diện tường cừ bản

3maxmin

604902240

27a

MW cm



Để thuận tiện thi công thực tế ta chọn tiết diện tường cừ bản 800x600mm

2 2

380 6048000

6 6

b hW cm

2max 604901.26 /

48000a

MkN cm

W

227 /a a kN cm Tiết diện đã chọn phù hợp

2.8.1. Tính cốt thép:

Giả thiết a= 3 (cm) 0 60 3 57h h a cm

Bê tông M300 Rb = 130 kg/cm2 = 13000kN/m2

0.437R

max2 20

604.900.199

13000 0.9 0.8 0.57m R

b b

M

R b h

g

0.5 1 1 2 0.5 1 1 2 0.199 0.89m

2.8.2. Diện tích cốt thép:

2 2max

0

604.90.004416 44.16

0.89 270000 0.57s

s

MA m cm

R h

Chọn 14 22 (Fa=53.196 cm2)

Khoảng cách giữa các thanh thép:

800133

6a cm

2.8.3. Kiểm tra hàm lượng cốt thép

0

44.160.97%

80 57sA

bh

max

0.9 130000.645 2.8%

270000b b

R

s

R

R

g

2.8.4. Điều kiện

min max0.05% Điều kiện cốt thép thỏa



CHI TIẾT MẶT CẮT TƯỜNG CỪ BTCT

200

150

600

150

200



2.9. Đánh giá thiết kế tường cừ bản:

Tường cừ bản thiết kế như trên theo phương pháp truyền thống có 1 số bất cập ở 1

số điểm như sau:

+ Giả thiết đầu với tường là không có chuyển vị nhưng trên thực tế là có

+ Hệ số an toàn lấy lớn (gây ra tốn kém)

+ Không xét tới yếu tố độ cứng (tức là giả thiết tường luôn luôn thẳng, không bị

mềm, uốn dưới áp lực ngang).

+ Mmax thực tế < Mmax tính toán.

Ta có thể thấy rằng tường cừ bản vừa thiết kế thiên về an toán khá nhiều, gây lãng

phí vật liệu và làm tăng quy mô thi công, tăng số lượng nhân công.

2.10. Giao diện chương trình tính toán (Microsoft Excel):





2.11. Giải bằng phần mềm plaxis 8.2



















Education

OU - BTL Tường Cừ Chắn Đất - Nguyễn Đình Huy Hoàng - Thầy Dương Hồng Thẩm