CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NEO VÀ ỨNG DỤNG 1. Tổng quan về công nghệ neo trong đất 1. Lịch sử phát triển của công nghệ neo Trên thế giới, công nghệ neo trong đất (gọi tắt là neo trong đất hay neo đất) được ứng dụng lần đầu tiên vào đầu thế kỉ XIX, trong xây dựng tường chắn và kết cấu chống lại áp lực đẩy nổi của nước. Năm 1938, Neo trong đất được sử dụng ở đập Chuerfas, Algeria để neo bể chứa nước.
Sau chiến tranh Thế giới thứ 2 (1945), neo trong đất được ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực: ổn định hố đào sâu; chống sạt lở, ổn định mái dốc; gia cố đập. Ở Châu Âu, năm 1950, neo Bauer sử dụng tao cáp cường độ cao trong lỗ khoan có đường kính nhỏ đã được giới thiệu ở Đức. Tiếp theo là Úc và Thụy Sĩ. Đến năm 1970, neo trong đất đã được ứng dụng rộng rãi ở rất nhiều nước trên thế giới.
Mới nhất là Hoa Kỳ, năm 1971, trong hệ thống chống tạm phục vụ công tác đào đất. Ở Châu Á, neo trong đất được sử dụng lần đầu tiên vào những năm 1950 ở Nhật Bản, tại đập phụ trong đập Fujihara, để neo đá phục vụ mục đích đưa dự ứng lực vào đập. Sau đó, lan rộng sang các nước trong khu vực và thực sự phát triển mạnh từ cuối thế kỷ XX đến nay [9] [12]. Ở Việt Nam, công nghệ neo trong đất được ứng dụng từ những năm 1994 đến nay.
Phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng trong các lĩnh vực khác nhau, có thể kể đến như: trong lĩnh vực Xây dựng dân dụng: ổn định các hố đào sâu thi công tầng hầm nhà cao tầng hay ổn định các tháp cột điện cao thế; trong Xây dựng các công trình giao thông: ổn định mái dốc, kiên cố hóa nền đường; trong Xây dựng đập thủy điện: neo sàn các đập thủy điện chống lực đẩy nổi;… 1. Định nghĩa và phân loại neo trong đất Định nghĩa Theo TCVN 8870:2011: “Neo trong đất là kết cấu có khả năng truyền tải trọng kéo vào lớp đất chịu tải”. 8 Neo trong đất được cấu tạo từ 3 bộ phận: Đầu neo, thân neo (đoạn dây neo không liên kết) và bầu neo (đoạn dây neo có liên kết) [3]. Nó có tác dụng làm ổn định kết cấu, chống lại chuyển dịch quá mức của kết cấu bằng cách tạo ra “ứng suất trước” truyền vào trong đất đá.
Phân loại neo trong đất Neo trong đất được phân loại theo nhiều cách khác nhau (Hình 1. Theo cách liên kết với đất nền; theo thời gian sử dụng [9]; theo biện pháp thi công [3]; theo điều kiện cải thiện chịu lực [9]. Phân loại neo trong đất 1. Phân loại theo cách liên kết của neo với đất nền Có 3 loại: Neo ma sát, neo chịu áp lực đất, neo phức hợp.
Neo ma sát có 2 loại: neo tạo lực nén và neo tạo lực kéo. Neo tạo lực kéo cũng chia ra 2 loại: Neo tạo lực tập trung, neo tạo lực phân bố. 1- Neo tạo lực kéo 9 Nhược điểm của neo tạo lực kéo là gây nên vết nứt trong lớp bảo vệ và mất tải trọng do từ biến. Do đó, trong biểu đồ phân bố ma sát (Hình 1.), đường phân bố ma sát ban đầu là đường cong (1); khi tải trọng tác dụng thì đường cong (1) sẽ bị thay đổi thành đường cong (3).
Theo biểu đồ thay đổi tải trọng, đường cong tải trọng mong muốn là đường (1), nhưng thực sự, khi tải trọng tập trung hình quạt vượt quá lực kéo cho phép của đất, đường cong bị mất tải trọng. Nguyên nhân là sự giảm ma sát do tải trọng tập trung. 2- Neo tạo lực nén tập trung Neo tạo lực nén tập trung sử dụng các tao cáp dự ứng lực được bọc bằng ống PE, tạo lực nén lên vữa bằng cách gắn chặt cáp vào đối trọng ma sát riêng. Tải trọng giảm do từ biến nhỏ hơn so với neo tạo lực kéo, nhưng phải sử dụng vữa có cường độ lớn hơn.
Nhược điểm của loại neo này là không tạo được lực neo cần thiết trong đất yếu. Khi lực nén tác dụng lên vữa, tải trọng tập trung được tạo ra ở phần cuối của vữa có thể làm vỡ lớp vữa. Neo tạo lực nén tập trung cũng có sự giảm đi tải trọng như thể hiện trên biểu đồ thay đổi tải trọng (Hình 1. Nguyên nhân làm giảm tải trọng đột ngột phụ thuộc vào sự phá hoại do tải trọng nén.
Sơ đồ thay đổi tải trọng, biểu Hình 1. Sơ đồ thay đổi tải trọng, biểu đồ phân bố ma sát neo tạo lực kéo đồ phân bố ma sát neo tạo lực nén tập trung 3- Neo tạo lực nén phân bố Để khắc phục những nhược điểm của hai loại neo trên, tải trọng tập trung quá giới hạn không được xuất hiện ở trong đất và khối vữa, sử dụng cáp bọc ống PE mà không tạo ra giới hạn đối với chiều dài tự do của neo và phân bố lực neo vào trong đất dễ dàng. Để đạt được điều đó, dạng neo tạo lực nén phân bố được phát triển và sử dụng. 10 Trong trường hợp này, tải trọng truyền dọc theo chiều dài neo ít ảnh hưởng đến cường độ vữa và đảm bảo lực neo cần thiết trong đất yếu.
Loại này có thể tạo được tải trọng rất lớn trong các loại đất Hình 1. Sơ đồ thay đổi tải trọng, biểu đồ phân thông thường và đất cát cũng như bố ma sát neo tạo lực nén phân bố đất đá. Sử dụng neo này có ưu điểm rất lớn đó là: tỷ lệ mất mát ứng suất nhỏ và giữ được tải trọng theo thời gian (Hình 1. Phân loại theo thời gian sử dụng Theo thời gian sử dụng dài hay ngắn, neo đất được phân loại thành hai loại [9]: 1- Neo vĩnh cửu (Permanent Ground Anchor) Neo vĩnh cửu là loại neo được dùng vào mục đích ổn định lâu dài cho các công trình vĩnh cửu.
Neo được xem như là một bộ phận của công trình, có cùng tuổi thọ với cấp công trình, phải được tiến hành các biện pháp chống ăn mòn, chống han rỉ cẩn thận trước khi lắp đặt vào vị trí cho tất cả các bộ phận của neo. 2- Neo tạm thời (Temporary Ground Anchor) Neo tạm thời là loại neo được dùng trong thời gian ngắn từ vài tháng đến hai năm ở thời gian công trình đang xây dựng. Loại neo này có thể được tháo ra toàn bộ hay một phần sau khi công trình thi công xong. Neo tạm thời có thể phân thành hai loại: tháo dỡ toàn phần và tháo dỡ một số bộ phận của neo.
Phân loại theo biện pháp thi công Hình 1. Các kiểu neo phân loại theo biện pháp thi công 11 Khả năng chịu nhổ của neo đối với một điều kiện đất đã cho được quyết định bởi cấu tạo hình học của neo, kỹ thuật thi công, trình tự phun vữa, phương pháp khoan và thổi sạch, có thể phân bốn loại như sau (Hình 1.) [3]: 1- Kiểu neo loại A Kiểu neo loại A bao gồm ống tremie, thân lỗ khoan được phun vữa trong bao hoặc vỏ, có thể thẳng tạm thời hoặc không thẳng tùy theo sự ổn định của lỗ. Kiểu này dùng phổ biến nhất trong đá và rất ổn định đối với các đất đắp dính cứng. Sức kháng nhổ phụ thuộc vào ma sát bên, tại giao diện đất/vữa.
2- Kiểu neo loại B Kiểu neo loại B bao gồm các lỗ khoan được phun vữa áp lực thấp (áp lực phun vữa pi < 1000KN/mm2), khi đường kính của bầu neo tăng lên và xáo trộn ít nhất khi vữa thấm qua các lỗ rỗng hoặc các nứt nẻ tự nhiên của đất. Kiểu neo này áp dụng phổ biến nhất trong đá yếu, nứt nẻ và các lớp đất hạt thô, nhưng cũng rất phổ biến trong đất rời hạt mịn. Ở đây, các loại vữa xi măng không đi qua các lỗ rỗng nhỏ nhưng dưới áp lực vữa làm chặt đất cục bộ sau khi khoan và làm tăng đường kính có hiệu, tăng cường sức kháng cắt. Sức chịu kháng nhổ phụ thuộc chủ yếu vào sức kháng cắt trên thực tế nhưng sức kháng mũi cũng có thể kể đến khi tính toán sức chịu tải giới hạn.
3- Kiểu neo loại C Các kiểu neo loại C này bao gồm các lỗ khoan được phun vữa ở áp lực cao pi > 1000KN/mm2 thông qua một ống thẳng. Chiều dài neo cố định được mở rộng bằng hydrfracturing của khối đất tạo ra chùm rễ vữa hoặc hệ thống thay thế cho đường kính lõi của lỗ khoan. Thông thường áp lực được đặt khi phun lần thứ 2, sau khi vữa phun lần thứ nhất. Và nó thường được thực hiện thông qua một ống của hệ thống măng sét hoặc các ống vữa rất nhỏ được bố trí bên trong chiều dài bầu neo.
Cách trước ưu việt hơn nếu dự tính nhiều lần phun. Lượng vữa phun lần hai tương đối ít. Sự tiếp tục tràn hoặc ngừng đột ngột trong áp lực phun lần đầu có thể làm mất nước và sau đó chỉ giữ được áp lực tương đối hạn chế. Mặc dù kiểu neo nàu áp dụng phổ biến trong đất rời hạt mịn tuy nhiên cũng đã có một số kết quả 12 trong đất dính cứng.
Thiết kế dựa trên cơ sở giả thiết về ứng suất tiếp không đổi dọc theo bầu neo. 4- Kiểu neo loại D Các kiểu neo D bao gồm cả lỗ khoan được phun vữa bằng ống Tremie. Trong đó có một loạt chỗ mở rộng theo hình chuông hoặc hình bầu, đã được hình thành từ trước. Kiểu neo này được sử dụng phổ biến nhất trong đất dính từ chặt đến cứng.
Sức chịu nhổ phụ thuộc vào ma sát bên và sức chịu ở mũi. Dù không phổ biến nhưng kiểu neo này có thể sử dụng trong đất rời khi phối hợp với một vài dạng ổn định theo kiểu tường mặt trên một chiều dài lớn. Thường loại này thi công bằng cách phun trước vữa xi măng, hóa chất trong đất bao quanh bầu neo, bơm dịch khoan polime vào lỗ khoan khi khoan hoặc tạo bầu. Phân loại theo điều kiện cải thiện chịu lực – Neo OVM 1- Dùng cốt thép thanh để neo Thanh neo được dính kết cả chiều dài thanh không có UST: Loại này được sử dụng rộng rãi đối với khối đất đá không cần đảm bảo taluy ổn định (Hình 1.
Thanh neo dính kết cả hai chiều dài thanh có UST: Được sử dụng vào khối đất đá cần UST để gia cố ta luy.