Ứng xử của khối đất gia cố trong xây dựng tường chắn và mố cầu

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng số 2/2012 
ỨNG XỬ CỦA KHỐI ĐẤT GIA CỐ TRONG XÂY DỰNG TƯỜNG CHẮN 
VÀ MỐ CẦU 
TS. PHẠM QUYẾT THẮNG 
Viện KHCN Xây dựng 
Tóm tắt: Trong thiết kế kết cấu đất gia cố bằng vải hoặc lưới địa kỹ thuật hiện nay, quan hệ giữa cường độ 
và khoảng cách giữa các lớp gia cố là tuyến tính. Hay nói một cách khác, khi cường độ của lớp gia cố tĕng lên 
và khoảng cách lớp gia cố cũng tĕng lên với cùng hệ số thì ứng xử của khối đất gia cố không thay đổi. Điều này 
đã khuyến khích nhà thiết kế sử dụng lớp gia cố có cường độ cao với khoảng cách lớn để giảm giá thành xây 
dựng. Hàng loạt các thí nghiệm kích thước lớn (tỷ lệ 1:1) đã chứng minh khoảng cách lớp gia cố đóng vai trò 
quyết định trong ứng xử của khối gia cố. Bài báo này trình bày kết quả thí nghiệm của một số khối gia cố kích 
thước lớn để làm rõ hơn và chính xác hơn vai trò của khoảng cách lớp gia cố đồng thời đưa ra công thức hợp lý 
hơn xác định sức chịu tải của khối gia cố so với công thức hiện có. 
1. Giới thiệu 
Khối đất gia cố bằng vải/lưới địa kỹ thuật - Geosynthetic-Reinforced Soil (GRS) – là khối đất được gia 
cường bằng các lớp gia cố thông thường theo phương ngang. Trong nhiều thập kỷ qua, GRS đã được ứng 
dụng vào nhiều kết cấu như tường chắn đất, mố cầu, đê, mái dốc, đường xe lửa, đường dẫn lên cầu, móng 
nông, (Adams và cộng sự [2]; Wu và cộng sự [11, 12, 13, 14]). Thực tế cho thấy kết cấu GRS có nhiều ưu 
điểm so với kết cấu thông thường như khả nĕng chịu biến dạng cao (chịu được lún lệch lớn) có thể sử dụng 
được nhiều loại đất có chất lượng thấp, dễ thi công, và hiệu quả kinh tế cao (Wu [10]; Holtz và cộng sự [7]). 
Trong các phương pháp thiết kế tường gia cố và mố cầu gia cố, cường độ yêu cầu của lớp gia cố được xác 
định theo công thức 1: 
 svhyc FST  (1) 
trong đó: 
 Tyc - cường độ yêu cầu của lớp gia cố tại độ sâu z (L); 
 h - ứng suất hông của khối đất gia cố tại độ sâu z (F/L2); 
 Sv - khoảng cách của lớp gia cố tại độ sâu z (L); 
 Fs - hệ số an toàn (không thứ nguyên). 
 Phương trình trên chỉ ra rằng nếu h và Fs không đổi thì Tyc tuyến tính với Sv, có nghĩa là tỷ số Tyc /Sv là 
hằng số. Điều này có nghĩa là nếu ta tĕng đồng thời gấp đôi cường độ của lớp vật liệu gia cố và khoảng cách 
thì ứng xử của khối gia cố sẽ không đổi. Như vậy, phương trình (1) sẽ khuyến khích việc sử dụng khoảng cách 
lớp gia cố lớn cùng với cường độ cao để giảm thời gian và giá thành xây dựng. Các kết quả thí nghiệm và thực 
tế quan sát hiện trường cho thấy công thức này không phản ánh được thực tế và khoảng cách của các lớp gia 
cố đóng vai trò quan trọng hơn nhiều so với cường độ lớp gia cố. Bài báo này trình bày những thí nghiệm kích 
thước lớn (full-scale) để đánh giá chính xác hơn mối quan hệ giữa cường độ và khoảng cách lớp gia cố, đồng 
thời cũng đưa ra công thức tính toán chính xác hơn so với công thức hiện nay về sức chịu tải của khối gia cố, 
nội lực của lớp gia cố. Dựa trên công thức này kiến nghị việc sử dụng độ cứng và cường độ của lớp gia cố 
bằng vải hoặc lưới địa kỹ thuật. 
 Ở Mỹ, khối đất gia cố được sử dụng cho nhiều dạng kết cấu như trụ cầu, mố cầu (hình 1 đến 5) và 
tường chắn, đường dẫn (hình 4 đến 6). Thực tế ứng dụng cho thấy kết cấu này giảm đáng kể chi phí và thời 
gian thi công so với kết cấu thông thường. Ở Việt Nam một số tường chắn đã được ứng dụng (hình 7) và đem 
lại hiệu quả nhất định. 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng số 2/2012 
Hình 1. Trụ cầu tại trung tâm nghiên cứu đường cao tốc 
(TFHWC – FHWA), VA, USA 
Hình 2. Trụ cầu và mố cầu do CDOT xây 
tại Denver, CO, USA 
Hình 3. Mố cầu tại TFHRC 
Hình 4. Mố cầu và đường dẫn tại Denver, CO, USA 
Hình 5. Mố cầu tại OH, USA 
Hình 6. Tường chắn cao 55 feet (17 m) tại CO, USA 
Hình 7. Tường chắn gia cố lưới địa kỹ thuật tại Sun Villas, Mỹ Khê, Đà Nẵng 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng số 2/2012 
2. Các thí nghiệm kích thước lớn (full-scale) 
 Các thí nghiệm kích thước lớn bằng kích thước thực tế, thể hiện được rõ ràng mối quan hệ giữa cường 
độ và khoảng cách lớp gia cố, được trình bày trong bài báo này gồm thí nghiệm trụ cầu kích thước nhỏ của 
Adams và cộng sự [1, 2], nén 3 trục không hạn chế nở hông của Elton và Patawaran [6], và một loạt thí nghiệm 
Generic Soil-Geosynthetic Composite gần đây của Pham [9]. 
2.1 Thí nghiệm trụ cầu của Adams (2002, 2007) 
 Adams và cộng sự [1, 2] đã tiến hành thí nghiệm không hạn chế nở hông cho 5 trụ cầu kích thước nhỏ 
tại TFHWC, VA, USA. Kích thước mẫu tiết diện ngang là 1 m x 1 m, cao 2 m, hình dạng của mẫu sau khi phá 
hoại thể hiện trên hình 8. Trong 5 mẫu thí nghiệm có 1 mẫu đất không gia cố; 2 mẫu có khoảng cách lớp vải địa 
kỹ thuật 0,2 m; 2 mẫu có khoảng cách 0,4 m và 0,6 m. Hai loại vải địa kỹ thuật được sử dụng có cường độ 70 
kN/m và 21 kN/m. Các thông số của 5 mẫu thí nghiệm và kết quả thí nghiệm thể hiện trên hình 9. So sánh ứng 
xử của mẫu thí nghiệm với các khoảng cách và cường độ vải ĐKT thay đổi được thể hiện thông qua các cặp 
kết qu