Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT ĐẮP CÓ CỐT 1. Khái niệm đất có cốt Đất có cốt là một thuật ngữ chung bao hàm đến việc sử dụng đối với đất tại chỗ, đất nhân tạo hoặc vật liệu khác trong đó các cốt chịu kéo làm việc nhờ ma sát tiếp xúc, khả năng chịu đựng và các hậu quả khác nhằm tăng cường sự ổn định [6]. Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất là vẫn dùng đất tự nhiên để xây dựng công trình nhưng trong đất có bố trí các lớp cốt bằng vật liệu chịu được lực kéo theo các hướng nhất định; thông qua sức neo bám (do ma sát, dính và neo bám) giữa đất với vật liệu cốt, mà loại vật liệu tổ hợp đất có cốt này có được khả năng chịu kéo [7]. Tường chắn đất có cốt Tường chắn đất có cốt ổn định cơ học (MSEW) là kết quả nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đất có cốt vào xây dựng tường chắn đất nhằm chắn giữ khối đất đắp sau lưng tường khỏi bị trượt, sạt lỡ gây mất ổn định.
Hệ thống tường chắn đất có cốt bao gồm các bộ phận chính được chỉ ra trên hình 2.1, đó là: - Các phần tử cốt; - Hệ thống bảo vệ bề mặt ; - Đất đắp có cốt là vật liệu đất đắp trong vùng có cốt được lựa chọn; - Đất đắp cần bảo vệ (đất đắp sau lưng tường): là vùng đất nằm sát ngay phía sau lưng tường chắn, chúng thường tạo ra các áp lực đất tác dụng vào lưng tường chắn,. Mặt cắt điển hình của tường chắn đất có cốt ổn định cơ học (MSEW). Lịch sử phát triển tường chắn đất có cốt trên thế giới Kết cấu tường chắn đất là bộ phận quan trọng gần như không thể thiếu trong các công trình giao thông. Tường chắn đất không chỉ có tác dụng giúp ổn định cho các nền đường đắp, sườn dốc mà nó còn được sử dụng trong các đoạn đường dẫn lên cầu, mố cầu.
và làm giảm đến mức thấp nhất khối lượng đất đắp, giảm diện tích chiếm dụng đất của nền đường, nó còn có chức năng tạo dáng kiến trúc cho công trình. Trong nhiều năm trước đây, các dạng kết cấu tường chắn đều được xây dựng bằng bê tông, hoặc bê tông cốt thép, chúng được tính toán thiết kế như những tường trọng lực hay tường công xôn, khi đó chúng được xem như là kết cấu cứng và bỏ qua các độ lún lệch của nền đất phía dưới. Khi chiều cao khối đất đắp lớn, lại được xây trên nền đất yếu, thì giá thành của các kết cấu 17 tường chắn có cấu tạo theo dạng này thường có kích thước to lớn, tốn nhiều vật liệu làm giá thành tăng lên đáng kể, đồng thời lại bị hạn chế về chiều cao. Tường chắn đất ổn định về mặt cơ học (Mechanically Stabilized Earth Walls – MSEW) và các sườn dốc đất có cốt ( Reinforced soil Slopes – RSS) được xem như là các kết cấu chắn đất hữu hiệu nhất, vì chúng có thể cho phép lún lớn hơn nhiều so với các tường chắn bằng bê tông hay bê tông cốt thép thông thường.
Do các phần tử cốt chịu kéo tốt được đặt trong đất nên độ bền của đất được cải thiện đáng kể, sự tương tác giữa đất và cốt tạo thành một hệ thống đất có cốt hoàn toàn tự ổn định ở chiều cao lớn với độ dốc của bề mặt ngoài dựng đứng tới 900 (xem mô hình 1. Mô hình một dạng tường chắn đất có cốt ổn định cơ học (MSE. Ý tưởng đất được ổn định về mặt cơ học bằng cốt đã được con người sáng tạo và sử dụng để xây dựng các công trình nhân tạo từ hàng nghìn năm về trước. 18 Khoảng hơn nghìn năm trước đây, người Trung Quốc đã biết dùng đất trộn với các cành cây để đắp tường thành hay đắp các con đê.
Những bức tường lớn của Trung Quốc, ví dụ như bức tường Vạn Lý Trường Thành có niên đại khoảng 2.200 năm, nó được xây dựng như một bức tường hai mặt. Đất giữa hai bức tường là hỗn hợp của đất sét và cuội sỏi trộn với các cành cây Thánh Liễu (Tamarisk) – đây là công trình vĩ đại nhất mà cả thế giới đều biết (xem hình 1. Ở Canada, từ khoảng thế kỷ 17 - 18, người ta đã dùng những cây gỗ tròn làm cốt để giúp ngăn cản hoặc giảm hiện tượng lún sụt xảy ra trên các tuyến đê ngăn bùn. Cũng bằng cách tương tự ở Mỹ và Anh vào những năm 1880 người ta đã dùng các loại cây có cành, dùng tre, cọc gỗ, lưới thép để gia cố chống xói mòn bề mặt, ngăn các hiện tượng sụt trượt cho các bờ đê dọc sông Mississipi hay các sườn dốc.
Tường chắn đất có cốt mang tên Vạn Lý Trường Thành ở Trung Quốc (hơn 1000 năm trước Công Nguyên). 19 Năm 1960, Henri Vidal đã đưa ra các nghiên cứu khoa học đầu tiên về hành vi ứng xử của đất có cốt và các cơ sở lý thuyết tính toán đầu tiên về vật liệu đất có cốt. Nghiên cứu của ông là nền tảng cho sự ra đời và phát triển của kỹ thuật đất có cốt. Công trình tường chắn Incarville có chiều cao 10m, rộng 10m, dài 50m (xem hình 1.4) trên đoạn đường cao tốc A13 ở Pháp được xây dựng vào năm 1967, đã chính thức hiện thực hóa các lý thuyết thiết kế-tính toán mà ông đã đưa ra (với kết cấu tường được đề nghị là các dải kim loại không rỉ được đặt vào trong vật liệu đất đắp là đất rời có có cường độ cao như cát và cuội).
Tiếp đó, một loạt các công trình đất có cốt được được xây dựng trên các tuyến đường cao tốc, các đoạn dẫn lên các cầu vượt, ở các chỗ giao nhau khác mức trong đô thị ở Pháp, Tây Ban Nha, Đức và một số nước châu Âu khác đã góp phần không nhỏ vào việc ổn định nền, hạn chế giải phóng mặt bằng do không phải đắp mái taluy [7]. Một tường chắn đất có cốt cao 10m trên đường cao tốc A13 (Incarville, Pháp, 1967). Cũng trong thời gian này các nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật đất có cốt vào xây dựng tường chắn đất đã đạt được những bước tiến mạnh mẽ khi mà 20 các phát minh mới về các loại tường bao bề mặt như các tấm bê tông xi măng cốt thép đúc sẵn; các loại cốt như cốt lưới thép, cốt polime ra đời đã làm tăng sức chống kéo cho toàn khối đất có đất, chống lại các tác nhân gây ăn mòn phá hỏng cốt, rút ngắn thời gian thi công, làm giảm đáng kể chi phí xây dựng, tăng tính mỹ quan cho toàn bộ công trình. Ở Mỹ, tường chắn đất có cốt đầu tiên được xây dựng vào năm 1972 trên tuyến đường cao tốc số 39 Bang California, phía tây bắc bang Los Angeles [10], trong đó cốt gia cường được sử dụng ở dạng các dây thép được hàn với nhau thành lưới thép.
Việc ứng dụng vải địa kỹ thuật và lưới đại kỹ thuật vào trong kỹ thuật đất có cốt vào những năm 1980-1983 đã làm cho số lượng các công trình tường MSE và RSS không ngừng tăng lên ở các nước châu Âu và Mỹ. Trong vòng 25 năm ứng dụng công nghệ đất có cốt đã có khoảng trên 23.000 công trình các loại tường chắn đất có cốt, tương ứng với 70 triệu m2 bề mặt tường chắn đã được hoàn thành ở 37 quốc gia trên thế giới. Trong số này ở Mỹ chiếm tới 8.000 công trình tường chắn đất có cốt khác nhau. Tại Mỹ một công trình tường chắn đất có cốt cao nhất đã đạt tới 30m.
Sau 20 năm đầu xây dựng tường chắn đất có cốt, người Mỹ đã chọn các cấu kiện bê tông đúc sẵn có dạng hình vuông và có diện tích bề mặt thay đổi từ 2,0 đến 2,25 m2 để bảo vệ bề mặt bên ngoài các tường chắn này; Trong một số công trình đặc biệt, họ sử dụng những cấu kiện bê tông đúc sẵn có diện tích tới 5,0 m2 bảo vệ bề mặt ngoài các tường chắn làm mố cầu (xem hình 1. Ví dụ, năm 1996, sở Giao thông vận tải Bang Giorgia đã lập dự án 71.000 USD để xây dựng các giao lộ không đồng mức của khu công viên Kennedy kết nối với phía Tây Bắc vùng Atlanta. Dự án này bao gồm 27 công trình tường chắn đất có cốt, và chúng chiếm 29.000 m2 diện tích bề mặt khu 21 vực. Dự án này có 5 tường chắn cao từ 26m đến 30m chạy dọc công viên, 3 tường chắn cao trên 17m được thi công theo hình bậc thang.
Theo yêu cầu của công viên Quốc Gia, mỗi cấp phải có độ cao khoảng 10m, bề mặt được ốp đá, khoảng trống mỗi cấp được trồng cây xanh để tạo cảnh quan và bảo vệ môi trường sao cho tốt nhất. Một trở ngại là, bề mặt mỗi cấp chỉ rộng 2m, do đó việc thiết kế các kiểu tường chắn này gần giống như tường thẳng đứng một cấp có cùng chiều cao. Công tác xây dựng các tường chắn có cốt dạng bậc thang được bắt đầu vào tháng 5 năm 1996, và kết thúc vào tháng 9 cùng năm (xem hình 1. Điều đáng lưu ý, kể từ khi các tường chắn trên đi vào sử dụng cho đến nay vẫn không có sự cố nào xảy ra.
Tường chắn đất có cốt tại hai đoạn đường dẫn vào cầu và làm mố cầu trên đường cao tốc tại Mỹ. Một đoạn tường đất có cốt dạng bậc thang ở công viên Kennedy, Giorgia, Mỹ. Một ví dụ khác ở nước Anh, những tuyến đường chạy vòng qua khu vực nông thôn rất nhạy cảm với môi trường thuộc vùng Batheaston. Một hệ thống tường chắn đất có cốt đã được xây dựng để chống đỡ cho con đường đất đắp nằm trên sườn dốc đã bị trượt và đang có nguy cơ trượt tiếp.
Công tác thi công hệ thống tường chắn này được thực hiện vào mùa hè khi sườn dốc ổn định nhất,và có khả năng kiểm tra được sự dịch chuyển của sườn dốc. Hệ thống tường đất có cốt có bề mặt được ốp đá đã hoàn thành khá phù hợp với môi trường xung quanh, đồng thời đảm bảo ổn định cho tuyến đường khai thác một cách an toàn (xem hình 1. Một đoạn tường đất có cốt chạy qua vùng nông thôn nước Anh. Riêng tại Đông Nam Á cũng đã có hơn 500 công trình với 550.000m2 mặt tường có cốt được xây dựng trong các công trình giao thông [4].
Tường chắn đất có cốt còn được ứng dụng trong xây dựng đê biển, cảng biển và đường sắt,… tại nhiều nước trên Thế Giới (xem hình 1. Tường chắn đất có cốt bảo vệ đường sắt (Malaysia, 2007).