Áp lực đất lên tường chắn là gì?
Áp lực đất lên tường chắn (earth pressure on retaining wall) là lực ngang do đất tác dụng lên mặt tường chắn, phụ thuộc vào tính chất đất, chiều cao tường và chuyển vị của tường. Đây là tải trọng chủ yếu trong thiết kế tường chắn đất, tường cừ và hầm đào. Lý thuyết cổ điển Rankine và Coulomb là hai phương pháp tính phổ biến nhất.
Ba trạng thái áp lực đất
Áp lực chủ động (Active Earth Pressure)
Xảy ra khi tường chuyển vị ra xa đất → đất chủ động trượt xuống → áp lực nhỏ nhất. Hệ số áp lực chủ động theo Rankine:
Ka = tan²(45° – φ/2) = (1 – sinφ) / (1 + sinφ)
Áp lực chủ động tại độ sâu z: σa = Ka × γ × z – 2c × √Ka
Tổng lực chủ động: Pa = 0.5 × Ka × γ × H² (khi c=0)
Áp lực bị động (Passive Earth Pressure)
Xảy ra khi tường bị đẩy vào đất → đất kháng lại → áp lực lớn nhất. Hệ số áp lực bị động:
Kp = tan²(45° + φ/2) = (1 + sinφ) / (1 – sinφ)
Lưu ý: Kp = 1/Ka; áp lực bị động lớn hơn chủ động nhiều lần.
Áp lực tĩnh (At-Rest Earth Pressure)
Xảy ra khi tường hoàn toàn không chuyển vị (tường cứng tuyệt đối). Hệ số Jaky:
K₀ = 1 – sinφ
Đất quá cố kết: K₀_OC = K₀_NC × OCR^sinφ (Meyerhof)
Biểu đồ phân bố áp lực đất
| Thông số | Áp lực chủ động | Áp lực tĩnh | Áp lực bị động |
|---|---|---|---|
| Hệ số K | Ka (nhỏ nhất) | K₀ (trung bình) | Kp (lớn nhất) |
| Ví dụ (φ=30°) | Ka = 0.333 | K₀ = 0.500 | Kp = 3.000 |
| Chuyển vị tường | Ra xa đất | Không chuyển vị | Vào phía đất |
| Phân bố theo chiều sâu | Tam giác (cát) | Tam giác | Tam giác |
| Điểm đặt lực | H/3 từ đáy | H/3 từ đáy | H/3 từ đáy |
Ảnh hưởng của lực dính c và tải trọng mặt
Đất có lực dính c > 0 (sét, sét pha) tạo vùng kéo ở phần trên:
Chiều sâu vùng kéo: zc = 2c / (γ × √Ka)
Khi có tải trọng phân bố q trên mặt đất: cộng thêm Ka × q vào biểu đồ áp lực.
Lý thuyết Coulomb vs Rankine
- Rankine (1857): Đất lý tưởng, tường nhẵn (δ=0), bề mặt đất ngang; đơn giản, phổ biến trong thiết kế sơ bộ.
- Coulomb (1776): Xét góc ma sát tường-đất δ và mặt đất nghiêng β; chính xác hơn, phức tạp hơn; cần dùng cho tường nghiêng hoặc có tải trọng phức tạp.
Ứng dụng trong thiết kế
- Tường trọng lực, tường chắn đất: Kiểm tra lật, trượt và sức chịu tải đất nền dưới móng.
- Tường cừ thép (sheet pile): Tính độ sâu ngàm cừ, nội lực cừ dưới tác dụng Pa và Pp.
- Hầm đào mở: Thiết kế chống đỡ (strut, waler) chịu áp lực đất chủ động.
- Tường tầng hầm: Dùng K₀ khi tường bê tông ngàm cứng không chuyển vị.
Áp lực nước ngầm
Khi có mực nước ngầm, cần cộng thêm áp lực thủy tĩnh u = γw × hw vào tổng áp lực ngang. Tính toán trên phần dưới mực nước dùng dung trọng đẩy nổi γ’ = γsat – γw.
- Ka và Kp khác nhau bao nhiêu lần?
- Kp = 1/Ka; với φ=30°, Ka=0.333 và Kp=3.0, tức là áp lực bị động lớn gấp 9 lần áp lực chủ động. Với φ=35°, tỷ lệ này còn lớn hơn.
- Khi nào dùng K₀ thay vì Ka?
- Dùng K₀ khi tường hoàn toàn không có khả năng chuyển vị như tường tầng hầm nhiều tầng, trụ cầu neo chặt, hoặc khi thiết kế bảo thủ cho công trình quan trọng.
- Mực nước ngầm ảnh hưởng như thế nào đến áp lực tường?
- Nước ngầm tác dụng áp lực thủy tĩnh trực tiếp lên tường, cộng thêm vào áp lực đất hiệu quả. Đây thường là tải trọng lớn nhất; thiết kế thoát nước sau tường là biện pháp giảm tải hiệu quả.