View Categories

Chương 1 – Giới thiệu

Mục lục
(nguồn)

Publication No. FHWA-NHI-10-024
FHWA GEC 011 – Volume I
November 2009

NHI Courses No. 132042 and 132043

Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes – Volume I

TÓM TẮT

Sổ tay này là tài liệu tham khảo dùng cho các khóa FHWA NHI số 132042 và 132043 về Mechanically Stabilized Earth Walls (MSE walls – tường đất gia cố cơ học) và Reinforced Soil Slopes (RSS – mái dốc đất gia cường), và phản ánh thực hành hiện nay trong thiết kế, thi công và quan trắc các kết cấu này. Sổ tay được biên soạn nhằm giúp kỹ sư nhận dạng và đánh giá các khả năng ứng dụng tiềm năng của tường MSE và RSS như một giải pháp thay thế cho các phương pháp xây dựng khác, cũng như như một phương tiện để giải quyết các vấn đề trong thi công.

Phạm vi nội dung đủ rộng để hữu ích cho các chuyên viên lập tiêu chuẩn kỹ thuật, cán bộ thi công và hợp đồng chịu trách nhiệm về công tác kiểm tra thi công, xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật vật liệu và phương thức ký kết hợp đồng. Với sự hỗ trợ của tài liệu này, kỹ sư có thể lựa chọn, thiết kế, quy định, quan trắc và lập hợp đồng thi công tường MSE và nền đắp RSS một cách phù hợp.

Thiết kế tường MSE trong sổ tay này được xây dựng trên cơ sở các thủ tục Load and Resistance Factor Design (LRFD). Đây là bản hiệu chỉnh (sang LRFD) và cập nhật của sổ tay FHWA NHI-00-043 trước đây (vốn dựa trên các thủ tục allowable stress design – ASD).

1.1 Mục tiêu

Các phương pháp và công nghệ mới về công trình giữ đất và thi công mái dốc dốc đứng tiếp tục được phát triển, thường là bởi các nhà thầu và nhà cung cấp chuyên biệt, nhằm giải quyết các vấn đề tại những vị trí có hành lang đường (Right-of-Way – ROW) bị hạn chế, những vị trí biên với điều kiện địa chất công trình khó khăn và các ràng buộc môi trường khác, cũng như để đẩy nhanh tiến độ thi công. Những người làm công tác quy hoạch, thiết kế và triển khai các công trình cải tạo, mở rộng tại các vị trí như vậy cần hiểu rõ phạm vi áp dụng, các giới hạn và chi phí gắn với hàng loạt giải pháp và công nghệ hiện có.

Sổ tay này được biên soạn để hỗ trợ các kỹ sư thiết kế, người soạn thảo chỉ dẫn kỹ thuật, cán bộ lập dự toán, cán bộ giám sát thi công và bảo trì trong việc lựa chọn, thiết kế, thi công và bảo trì Mechanically Stabilized Earth Walls (MSEW – tường đất gia cố cơ học) và Reinforced Soil Slopes (RSS – mái dốc đất gia cường).

Các kỹ thuật thiết kế, thi công và quan trắc cho những kết cấu này đã phát triển trong ba thập kỷ qua nhờ nỗ lực của các nhà nghiên cứu, nhà cung cấp vật liệu và các cơ quan nhà nước nhằm cải thiện từng khía cạnh của công nghệ hoặc vật liệu sử dụng. Sổ tay này là một tài liệu tổng hợp, tích hợp tất cả các khía cạnh về thiết kế, thi công, vật liệu, hợp đồng và quan trắc cần thiết cho việc triển khai dự án thành công.

Sổ tay được phát triển để hỗ trợ các chương trình đào tạo của FHWA về thiết kế, thi công và bảo trì các kết cấu tường MSE và RSS. Chức năng chính của nó là làm tài liệu tham khảo cho các nội dung được trình bày. Sổ tay là hướng dẫn kỹ thuật chủ yếu của FHWA về việc sử dụng các công nghệ này trong các công trình giao thông.

1.1.1 Phạm vi

Sổ tay đề cập một cách toàn diện đến các nội dung sau:

  • Tổng quan về sự phát triển của MSE và chi phí, ưu điểm, nhược điểm của việc sử dụng các kết cấu MSE.
  • Các hệ thống MSE hiện có và ứng dụng trong các công trình giao thông.
  • Tương tác cơ bản giữa đất và cốt gia cường.
  • Thiết kế tường MSE thông thường và phức tạp.
  • Thiết kế tường MSE cho các trường hợp tải trọng cực hạn.
  • Chi tiết cấu tạo thiết kế tường MSE.
  • Thiết kế mái dốc RSS dốc đứng hơn (steepened RSS).
  • Các chỉ dẫn kỹ thuật và phương thức hợp đồng cho cả thi công tường MSE và RSS.
  • Quan trắc và kiểm tra trong quá trình thi công.
  • Các ví dụ thiết kế.
  • Một sổ tay đi kèm riêng biệt đề cập đến ăn mòn lâu dài của cốt thép kim loại và suy giảm lâu dài của cốt gia cường bằng polyme. Các chương trong sổ tay Corrosion/Degradation này trình bày bối cảnh của các chương trình đánh giá toàn bộ kích thước trong thời gian dài và các quy trình cần thiết để xây dựng, triển khai và đánh giá chúng. Các quy trình này được phát triển nhằm cung cấp thông tin thực tiễn về chủ đề này cho người dùng MSE không chuyên về ăn mòn hoặc polyme nhưng quan tâm đến việc phát triển các chương trình quan trắc dài hạn cho các loại kết cấu này.

Là một phần không thể tách rời của Sổ tay, một số ví dụ tính toán được đưa vào phụ lục để minh họa các khía cạnh thiết kế riêng lẻ.

1.1.2 Tài liệu nguồn

Sổ tay Mechanically Stabilized Earth Walls (MSE) and Reinforced Soil Slopes (RSS), Design and Construction Guidelines này là bản cập nhật của tài liệu hiện hành FHWA NHI-00-043 (Elias et al., 2001), được phát triển dựa trên các tài liệu tham khảo của AASHTO và FHWA sau:

  • AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Ấn bản lần thứ 4, 2007, cùng các bản sửa đổi tạm thời 2008 và 2009.
  • Earth Retaining Structures, FHWA-NHI-07-071 (Tanyu et al., 2008).
  • AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications, Ấn bản lần thứ 2, 2004, cùng các bản sửa đổi tạm thời 2006, 2007, 2008 và 2009.
  • Geosynthetic Design and Construction Guidelines, FHWA NHI-07-092 (Holtz et al., 2008).
  • Guidelines for Design, Specification, and Contracting of Geosynthetic Mechanically Stabilized Earth Slopes on Firm Foundations, FHWA-SA-93-025 (Berg, 1993).
  • Reinforced Soil Structures – Volume I, Design and Construction Guidelines – Volume II, Summary of Research and Systems Information, FHWA RD 89-043 (Christopher et al., 1990).
  • Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes, Design and Construction Guidelines, FHWA (Elias and Christopher, 1997).

Những hướng dẫn bổ sung mà không có sẵn từ các nguồn khác đã được soạn riêng cho sổ tay này.

1.1.3 Thuật ngữ

Một số thuật ngữ có thể thay thế cho nhau sẽ được sử dụng trong toàn bộ sổ tay. Để rõ ràng, chúng được định nghĩa như sau:

Inclusion là thuật ngữ tổng quát chỉ mọi phần tử nhân tạo được đưa vào đất nhằm cải thiện ứng xử của đất. Ví dụ về inclusion gồm có bản thép, tấm geotextile, lưới thép hoặc lưới polyme, neo thép (steel nails) và cáp thép giữa các phần tử neo. Thuật ngữ reinforcement (cốt gia cường) chỉ được dùng cho những inclusion mà trong đó truyền ứng suất giữa đất và phần tử gia cường xảy ra liên tục dọc theo chiều dài của phần tử.

Mechanically Stabilized Earth Wall (MSE wall hoặc MSEW) là thuật ngữ tổng quát bao gồm reinforced soil (đất gia cường – thuật ngữ dùng khi nhiều lớp inclusion hoạt động như cốt gia cường trong khối đất đắp). Reinforced Earth® là nhãn hiệu thương mại của một hệ thống đất gia cường cụ thể.

Reinforced Soil Slopes (RSS) là một dạng đất gia cường trong đó các phần tử gia cường phẳng được bố trí trong các kết cấu mái dốc đất đắp có độ dốc mặt mái nhỏ hơn 70°.

Geosynthetics là thuật ngữ tổng quát chỉ các vật liệu polyme mềm dẻo dùng trong địa kỹ thuật, chẳng hạn như geotextile, geomembrane, geonet và geogrid.

Facing là một bộ phận của hệ thống đất gia cường dùng để ngăn đất bị rơi lọt ra giữa các hàng cốt gia cường. Các dạng tường chắn mặt (facing) thường gặp gồm có tấm bê tông đúc sẵn, khối bê tông đúc khô, rọ đá (gabion), lưới thép hàn, bê tông phun (shotcrete), ván và tấm gỗ, hệ thống ô ngăn bằng polyme (polymeric cellular confinement systems) và các tấm geosynthetic quấn bọc. Facing cũng đóng vai trò kết cấu nhỏ trong ổn định tổng thể của công trình. Đối với các kết cấu RSS, facing thường là lưới thép hàn, geosynthetic quấn quanh và/hoặc một số loại vật liệu bảo vệ chống xói.

Retained backfill là vật liệu đắp nằm phía sau vùng đất gia cố cơ học.

Reinforced fill là vật liệu đắp trong đó các cốt gia cường được đặt vào.

Các mặt cắt điển hình của kết cấu MSE được minh họa trong Hình 1-1 và 1-2.

Hình 1-1. Mặt cắt điển hình của một kết cấu MSE.

1.2 Quá trình phát triển lịch sử

Các kết cấu chắn giữ đất là những bộ phận thiết yếu trong mọi thiết kế đường bộ. Tường chắn đất được dùng không chỉ cho mố cầu và tường cánh mà còn để ổn định mái dốc và giảm bề rộng hành lang đường cho các nền đắp. Trong nhiều năm, tường chắn đất hầu như chỉ được làm bằng bê tông cốt thép và được thiết kế dưới dạng tường trọng lực hoặc tường côngxôn, về bản chất là những kết cấu cứng và không thể chấp nhận độ lún lệch đáng kể trừ khi được đặt trên móng sâu. Khi chiều cao đất cần chắn tăng lên và điều kiện nền đất kém, chi phí cho tường chắn bê tông cốt thép tăng rất nhanh.

Mechanically Stabilized Earth Walls (MSEWs) và Reinforced Soil Slopes (RSSs) là các kết cấu chắn đất hiệu quả về chi phí, có thể chịu được độ lún lớn hơn nhiều so với tường chắn bê tông cốt thép. Bằng cách đặt các phần tử chịu kéo (các inclusion) trong đất, có thể cải thiện đáng kể sức kháng cắt của khối đất. Việc sử dụng hệ thống facing để ngăn đất rơi lọt giữa các phần tử gia cường cho phép xây dựng an toàn các mái dốc rất dốc và các tường gần như thẳng đứng.

(a)
(b)

Hình 1-2. Các mặt cắt điển hình của kết cấu mái dốc đất gia cường, trong đó cốt gia cường được sử dụng để:
(a) tăng ổn định tổng thể của mái dốc; và
(b) cải thiện độ chặt và ổn định bề mặt ở mép mái dốc (theo Berg và các cộng sự, 1990).

Các inclusion (phần tử chèn vào đất) đã được sử dụng từ thời tiền sử để cải thiện đất. Việc dùng rơm để cải thiện chất lượng gạch đất phơi (adobe) đã có từ buổi đầu lịch sử loài người. Nhiều cộng đồng nguyên thủy dùng cọc và cành cây để gia cố các túp lều bằng bùn. Trong các thế kỷ 17 và 18, những người định cư Pháp dọc Vịnh Fundy ở Canada đã dùng cọc gỗ để gia cố các đê đất. Một số ví dụ sớm khác về gia cường đất nhân tạo gồm có các đê bằng đất và cành cây, đã được sử dụng ở Trung Quốc ít nhất 1 000 năm (ví dụ, đoạn phía tây của Vạn Lý Trường Thành) và dọc sông Mississippi vào những năm 1880. Các ví dụ khác gồm có cọc gỗ dùng để kiểm soát xói mòn và sạt lở ở Anh, và tre hoặc lưới thép, được dùng phổ biến để bảo vệ mái kè chống xói. Việc gia cường đất cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng rễ cây sống.

Các phương pháp hiện đại gia cường đất cho tường chắn được khởi xướng bởi kiến trúc sư kiêm kỹ sư người Pháp Henri Vidal vào đầu những năm 1960. Nghiên cứu của ông dẫn tới việc phát minh và phát triển hệ thống Reinforced Earth®, trong đó sử dụng các dải thép làm cốt gia cường. Bức tường đầu tiên sử dụng công nghệ này ở Hoa Kỳ được xây năm 1972 trên tuyến California State Highway 39, phía đông bắc Los Angeles. Ngày nay, tường MSE là loại tường được ưu tiên lựa chọn trong hầu hết các trường hợp nền đắp, và tường MSE được sử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ cũng như trên toàn thế giới. Bức tường vĩnh cửu cao nhất được xây dựng ở Hoa Kỳ có chiều cao khoảng 150 ft (46 m), với chiều cao hở khoảng 135 ft (41 m).

Kể từ khi Reinforced Earth® được giới thiệu, nhiều hệ thống khác – cả có bản quyền và không có bản quyền – đã được phát triển và sử dụng. Bảng 1-1 trình bày tóm tắt một số hệ thống hiện nay theo tên thương mại, loại cốt gia cường và hệ thống facing.

Hiện có rất nhiều hệ thống, và vẫn còn các hệ thống mới tiếp tục được đưa ra thị trường. Thành phần, chi tiết thiết kế, kiểm soát chất lượng hệ thống, v.v. khác nhau với mỗi hệ thống. Do đó, các bang cần có một quy trình để sàng lọc và đánh giá các hệ tường MSE nhằm xem xét chấp thuận trước khi sử dụng cho các dự án của mình. Highway Innovative Technology Evaluation Center (HITEC) cung cấp dịch vụ xem xét và đánh giá tường MSE. HITEC được thành lập năm 1994 trong khuôn khổ tổ chức American Society of Civil Engineers (ASCE). Mục đích của HITEC là đẩy nhanh việc đưa các tiến bộ công nghệ trong sản phẩm, hệ thống, dịch vụ, vật liệu và thiết bị vào lĩnh vực đường bộ và cầu. Việc đánh giá các hệ tường chắn mới và kinh tế hơn được thực hiện thông qua chương trình đánh giá nhóm các hệ chắn giữ đất (ERS) có phạm vi quốc gia của HITEC. Các báo cáo đã công bố cung cấp đánh giá về thiết kế, thi công, khả năng làm việc và thông tin đảm bảo chất lượng do các nhà cung cấp hệ tường cung cấp, xét theo mức độ đáp ứng các tiêu chí thực hành hiện hành như nêu trong HITEC Protocol. Các nhà cung cấp hệ tường được khuyến khích tự thực hiện đánh giá độc lập đối với các cấu kiện và/hoặc hệ thống mới phát triển liên quan đến vật liệu, thiết kế, thi công, khả năng làm việc và đảm bảo chất lượng.

Một số cơ quan công, đặc biệt là cơ quan giao thông các bang (state DOTs), yêu cầu có đánh giá của HITEC hoặc các đánh giá độc lập đối với cấu kiện hoặc hệ thống tường; việc có được các đánh giá này đã cho thấy rất có lợi cho nhà cung cấp hệ tường trong việc được chấp nhận sử dụng hệ thống của họ.

Hiện nay, hầu hết các bằng sáng chế về quy trình thi công hoặc cấu kiện của hệ đất gia cường đã hết hiệu lực, dẫn tới sự xuất hiện tràn lan của các hệ thống hoặc cấu kiện có thể được nhà thầu thi công mua lẻ và lắp ghép. Tổ hợp các cấu kiện cần được đánh giá để bảo đảm tính tương thích về tuổi thọ, khả năng thi công và cường độ liên kết. Những bằng sáng chế còn hiệu lực nói chung chỉ bao phủ phương pháp liên kết giữa cốt gia cường và facing.

Tại Hoa Kỳ, đơn vị facing dạng đúc sẵn chia đoạn có diện tích 20 đến 25 ft² (2 đến 2.25 m²), thường có dạng gần vuông, là loại đơn vị facing được ưa chuộng. Gần đây, các đơn vị đúc sẵn lớn hơn, diện tích đến 50 ft² (4.6 m²), đã được sử dụng và ngày càng trở nên phổ biến. Ngoài ra, các khối xây bê tông nhỏ đúc khô cũng đang được dùng, thường kết hợp với cốt gia cường bằng geosynthetic.

Bảng 1-1. Tóm tắt chi tiết cốt gia cường và mặt tường cho các hệ tường MSE.

Tên hệ thống Chi tiết cốt gia cường Chi tiết mặt tường điển hình
Stabilized Earth Wall
T&B Structural Systems LLC, Ft. Worth, Texas		 Lưới thép hàn mạ kẽm với thanh W7 đến W20. Chiều rộng và khoảng cách mắt lưới có thể thay đổi. Cũng có loại lưới phủ epoxy. Tấm bê tông đúc sẵn 5 ft × 5 ft × 6 in hoặc 5 ft × 10 ft × 6 in. Ở đỉnh và chân tường dùng các tấm kích thước khác nhau để phù hợp yêu cầu dự án.
Reinforced Earth®
The Reinforced Earth Company, Vienna, VA		 Bản thép mạ kẽm có gân, dày 0.157 in, rộng 2 in; hoặc thanh thép dạng “thang” mạ kẽm dùng thép W10, gồm hai thanh dọc và các thanh ngang cách nhau 6 in. Tấm bê tông đúc sẵn hình chữ thập hoặc hình vuông 5 ft × 5 ft × ≈5–5.5 in; ngoài ra có tấm bê tông hình chữ nhật 5 ft × 10 ft × 5.5 in. Đỉnh và chân tường dùng các tấm có chiều cao thay đổi.
Retained Earth®
The Reinforced Earth Company, Vienna, VA		 Lưới thép mạ kẽm hình chữ nhật bằng thép W11, W15 hoặc W20, mắt lưới 24 × 6 in, có 2, 4, 5 hoặc 6 thanh dọc. Lưới thép không gỉ dùng trong môi trường biển và môi trường xâm thực. Tấm bê tông đúc sẵn hình vuông hoặc lục giác 5 ft × 5 ft × 5.5 in; ngoài ra có tấm bê tông hình chữ nhật 5 ft × 10 ft × 5.5 in. Đỉnh và chân tường dùng các tấm cao độ thay đổi.
Mechanically Stabilized Embankment
California Dept. of Transportation, Sacramento, CA		 Lưới thép hàn mạ kẽm hình chữ nhật bằng thép W11, W15 và W20, gồm 6 thanh dọc; khoảng cách thanh ngang thay đổi. Tấm bê tông đúc sẵn; bản vuông 5 ft, dày 6 in.
ARES
Tensar International Corporation, Atlanta, GA		 Geogrid HDPE. Tấm bê tông đúc sẵn hình chữ nhật rộng 9 ft, cao 5 ft, dày 5.5 in.
Wire Faced Wall
T&B Structural Systems LLC, Ft. Worth, Texas		 Lưới thép hàn rộng 4 ft. Mắt lưới 8 in × 12, 18 hoặc 24 in, dùng thanh W4.5 đến W20. Kích thước và cấu hình thay đổi được. Mặt tường bằng lưới thép hàn. Có nhiều lựa chọn lớp ốp hoàn thiện khác nhau.
Welded Wire Wall
Hilfiker Retaining Walls, Eureka, CA		 Lưới thép hàn, mạ kẽm hoặc không mạ. Cốt lưới có kích thước mắt và đường kính thay đổi tùy yêu cầu thiết kế. Lưới thép hàn cao 2 ft, rộng 8 ft (điển hình). Tùy dự án có thể dùng lưới đỡ phía sau, lưới kim loại nhỏ hoặc vải lọc; có thể kết hợp geotextile hoặc bê tông phun.
Reinforced Soil Embankment
Hilfiker Retaining Walls, Eureka, CA		 Lưới thép hàn, mạ kẽm hoặc không mạ; kích thước mắt và đường kính thay đổi theo thiết kế. Khối bê tông đúc sẵn dài 12.5 ft, cao 24 in.
ArtWeld Gabions
Hilfiker Retaining Walls, Eureka, CA		 Lưới thép hàn, mạ kẽm hoặc không mạ; kích thước và đường kính thay đổi. Rọ đá ArtWeld Gabion với nhiều kích thước và chiều cao khác nhau, thiết kế theo yêu cầu dự án.
Gabion Faced M.S.E.
Hilfiker Retaining Walls, Eureka, CA		 Lưới thép hàn, mạ kẽm hoặc không mạ; kích thước và đường kính thay đổi. Rọ đá ArtWeld Gabion với nhiều kích thước và chiều cao khác nhau, được liên kết với lưới cốt bằng các vòng xoắn.
Eureka Reinforced Soil
Hilfiker Retaining Walls, Eureka, CA		 Lưới thép hàn, mạ kẽm hoặc không mạ; kích thước và đường kính thay đổi. Tấm bê tông đúc sẵn hoặc đổ tại chỗ, bê tông phun, bê tông phun điêu khắc, hoặc đá xếp chồng.
Steepened Slope
Hilfiker Retaining Walls, Eureka, CA		 Lưới thép hàn, mạ kẽm hoặc không mạ; kích thước và đường kính thay đổi. Lưới thép hàn, mái dốc điển hình 1H:1V. Tùy dự án có thể dùng lưới kim loại nhỏ hoặc vải lọc; có thể kết hợp geotextile hoặc bê tông phun.
INTER-LOK
Atlantic Concrete Industries, Tullytown, PA		 Thanh thép chịu lực đường kính 0.63 hoặc 0.75 in, lắp bản neo 5 × 10 × 0.4 in, liên kết với bản khóa và được mạ kẽm sau chế tạo. Tấm bê tông đúc sẵn; dạng chữ thập rộng 6 ft, cao 3 ft, dày 8 hoặc 10 in.
ISOGRID
Neel Co., Springfield, VA		 Lưới hình chữ nhật bằng thép W11 × W11, mỗi ô gồm 4 thanh. Đơn vị bê tông đúc sẵn hình thoi, 5 ft × 8 ft, dày 5.5 in.
T-Block Wall System
T&B Structural Systems LLC		 Lưới thép hàn rộng 4 ft, làm bằng thép W7 đến W20. Khối bê tông đúc khô cao 8 in, dài 16 in, sâu 12 in.
MESA
Tensar International Corporation, Atlanta, GA		 Geogrid HDPE. Đơn vị bê tông đúc khô MESA HP (hiệu suất cao) cho đường DOT, hoặc loại tiêu chuẩn (cao 8 in, chiều dài mặt 18 in, chiều sâu danh nghĩa 10.8 in).
Pyramid™
The Reinforced Earth Company, Vienna, VA		 Thang lưới thép hàn mạ kẽm. Kích thước thay đổi theo yêu cầu thiết kế. Đơn vị bê tông đúc khô cao 8 in, chiều dài danh nghĩa mặt 16 in, chiều sâu danh nghĩa 10 in.
Omega
The Reinforced Earth Company, Vienna, VA		 Dải địa kỹ thuật bằng polyester cường độ cao bọc polyethylene. Dùng trong môi trường biển và môi trường xâm thực. Tấm bê tông đúc sẵn hình chữ thập hoặc hình vuông 5 ft × 5 ft × 5.5 in; ngoài ra có tấm bê tông hình chữ nhật 5 ft × 10 ft × 5.5 in. Đỉnh và chân tường dùng các tấm cao độ khác nhau.
Geotred™
The Reinforced Earth Company, Vienna, VA		 Dải địa kỹ thuật bằng polyester cường độ cao bọc polyethylene. Chỉ dùng cho tường tạm. Lưới thép hàn làm mặt tường, phía sau có geotextile.
Terratrel™
The Reinforced Earth Company, Vienna, VA		 Bản thép mạ kẽm có gân, dày 0.157 in, rộng 2 in; hoặc bản/thang thép mạ kẽm hoặc lưới. Kích thước thay đổi theo thiết kế. Lưới thép hàn với lớp geotextile phía sau hoặc đá hộc xếp ở mặt tường.
Maccaferri Terramesh System
Maccaferri Gabions, Inc., Williamsport, MD		 Các tấm liên tục bằng lưới thép đan xoắn kép mạ kẽm, phủ PVC. Rọ đá (gabion) được buộc liên kết với cốt gia cường.
Strengthened Earth
Gifford-Hill & Co., Dallas, TX		 Lưới thép hình chữ nhật với các thanh W7, W9.5 và W14, thanh ngang cách nhau 9 và 18 in. Đơn vị bê tông đúc sẵn hình chữ nhật hoặc dạng cánh, kích thước 6 ft × 7 ft × 5.5 in.
MSE Plus
SSL, Scotts Valley, CA		 Lưới hình chữ nhật với thanh dọc W8 đến W24 và thanh ngang W8 đến W20. Lưới có thể có 2–6 thanh dọc, cách nhau 6 hoặc 8 in. Tấm bê tông đúc sẵn hình chữ nhật cao 5 ft, rộng 5, 6, 10 hoặc 12 ft, dày 6 hoặc 7 in.
KeySystem – Inextensible
Keystone Retaining Wall Systems, Minneapolis, MN		 Thảm “thang” lưới thép hàn mạ kẽm, thanh W7.5 đến W17, thanh ngang cách nhau 6–24 in. Đơn vị bê tông KeySystem cao 8 in, rộng 18 in, sâu 12 in (bê tông đúc khô).
KeySystem – Extensible
Keystone Retaining Wall Systems, Minneapolis, MN		 Geogrid polyester cường độ cao Miragrid dùng làm cốt đất, phủ polymer, của TenCate Mirafi. Đơn vị bê tông Keystone Compac cao 8 in, rộng 18 in, sâu 12 in (bê tông đúc khô).
Tricon System
Tricon Precast Ltd., Houston, TX		 Lưới thép hàn mạ kẽm. Tấm bê tông đúc sẵn hình chữ nhật với diện tích mặt khoảng 45 ft².
Versa-Lok Retaining Wall Systems
Oakdale, MN		 Geogrid PET phủ PVC hoặc geogrid HDPE. Đơn vị bê tông Versa-Lok cao 6 in, dài 16 in, sâu 12 in (bê tông đúc khô).
Anchor Wall Systems
Minnetonka, MN		 Geogrid PET phủ PVC. Đơn vị bê tông Anchor Landmark cao 15 in, dài 8 in, sâu 12 in (khối nhỏ) hoặc khoảng 21.5 in (khối lớn), bê tông đúc khô.
EarthTrac™ HA
EarthTec Inc., Purcellville, VA		 Bản thép mạ kẽm có gân, dày 0.188 in, rộng 2.36 in. Tấm bê tông đúc sẵn hình chữ nhật 5 ft × 10 ft.
EarthTrac™ Wire
EarthTec Inc., Purcellville, VA		 Bản thép có gân dày 0.188 in, rộng 2.36 in, mạ kẽm cho tường vĩnh cửu. Giỏ lưới thép hàn cao 2.5 ft, rộng 10 ft.
EarthTrac™ Synthetic
EarthTec Inc., Purcellville, VA		 Dải địa kỹ thuật polyester cường độ cao phủ PVC. Tấm bê tông đúc sẵn, hình chữ nhật hoặc dạng chữ T.

Việc sử dụng geotextile trong tường MSE và RSS bắt đầu sau khi người ta nhận thấy hiệu quả gia cường có lợi của geotextile trong các nền đắp đường bộ xây dựng trên nền đất yếu. Tường gia cường bằng geotextile đầu tiên được xây dựng ở Pháp năm 1971, và công trình đầu tiên loại này ở Hoa Kỳ được xây dựng năm 1974. Geogrid dùng để gia cường đất được phát triển vào khoảng năm 1980. Lần sử dụng geogrid đầu tiên để gia cường đất là năm 1981. Việc sử dụng rộng rãi các sản phẩm geogrid ở Hoa Kỳ bắt đầu khoảng năm 1983, và hiện nay chúng chiếm một phần ngày càng tăng của thị trường. Từ đầu những năm 1980, việc sử dụng geosynthetics trong các kết cấu đất gia cường đã tăng lên đáng kể.

Lần sử dụng được ghi nhận đầu tiên của mái dốc dốc đứng đất gia cường được cho là nền đắp phía tây của Vạn Lý Trường Thành. Việc xuất hiện và tính kinh tế của cốt gia cường bằng geosynthetic đã làm cho việc sử dụng các mái dốc dốc đứng trở nên hấp dẫn về mặt kinh tế. Một khảo sát mức độ sử dụng vào giữa những năm 1980 đã ghi nhận vài trăm dự án đã hoàn thành. Kể từ nghiên cứu đó, ít nhất số lượng công trình RSS đã xây dựng tăng lên khoảng một bậc độ lớn. Công trình RSS cao nhất đã xây dựng ở Hoa Kỳ cho đến nay là 242 ft (74 m) (xem Chương 8).

Danh sách đại diện các nhà sản xuất và cung cấp cốt gia cường geosynthetic được trình bày trong Bảng 1-2.

Hiện trạng sử dụng: Người ta cho rằng tường MSEW đã được xây dựng ở mọi bang của Hoa Kỳ. Các đơn vị sử dụng chính gồm có các cơ quan giao thông ở Georgia, Florida, Texas, Pennsylvania, New York và California – những bang có khối lượng xây dựng đường bộ lớn nhất.

Ước tính rằng trung bình mỗi năm ở Hoa Kỳ xây dựng hơn 9 000 000 ft² (850 000 m²) tường chắn MSE có mặt bê tông đúc sẵn, con số này có thể chiếm hơn một nửa tổng diện tích tường chắn dùng cho các công trình giao thông.

Phần lớn các tường MSEW cho mục đích vĩnh cửu, đã xây dựng hoặc đang được lên kế hoạch, đều sử dụng tường mặt bê tông đúc sẵn dạng chia đoạn (segmental precast) và cốt thép mạ kẽm. Việc dùng tường MSEW có mặt geotextile trong công trình vĩnh cửu đến nay còn hạn chế; chúng rất hữu ích cho các công trình tạm, nơi đã có nhiều ứng dụng hơn.

Gần đây, các đơn vị tường mặt dạng khối bê tông đúc khô lắp ghép (modular block) được chấp nhận rộng rãi do chi phí thấp và khả năng cung ứng trên toàn quốc. Các khối bê tông nhỏ này thường kết hợp với cốt dạng lưới (grid), và hệ tường được gọi là modular block wall (MBW). Ước tính rằng hơn 3 000 000 ft² (280 000 m²) tường MBW được xây dựng hàng năm ở Hoa Kỳ nếu xét tất cả các loại công trình giao thông. Hiện nay, số dự án MBW mỗi năm cho các ứng dụng giao thông vào khoảng 100 dự án.

Việc sử dụng các kết cấu RSS đã tăng mạnh trong thập kỷ vừa qua, và ước tính có vài trăm công trình RSS đã được xây dựng ở Hoa Kỳ. Hiện tại, mỗi năm có khoảng 100 đến 150 dự án RSS được xây dựng liên quan đến các công trình giao thông ở Hoa Kỳ, với diện tích mặt đứng dự kiến khoảng 2 000 000 ft²/năm (190 000 m²/năm).

STT Nhà sản xuất / Nhà cung cấp Địa chỉ
1 ACE Geosynthetics Enterprise Co., Ltd. No. 8 Kung 10 Rd, Yu-Shih Ind. Park, Tachia, Taichung 43768, Taiwan
2 Carthage Mills 4243 Hunt Rd, Cincinnati, OH 45242-6645
3 Colbond Inc. PO Box 1057, 1301 Sand Hill Rd, Enka, NC 28728-1057
4 Dalco Nonwovens PO Box 1479, 2005 Evergreen Dr NE, Conover, NC 28613-1479
5 GSE Lining Technology Inc. 19103 Gundle Rd, Houston, TX 77073-3515
6 Huesker Inc. PO Box 411529, Charlotte, NC 28241-1529
7 Luckenhaus Technical Textiles Inc. 3130 Bee Tree Ln, Signal Mountain, TN 37377-1441
8 NAUE America Inc. 3525 Piedmont Rd NE, 7 Piedmont Center Ste 300, Atlanta, GA 30305-1578
9 Saint-Gobain Technical Fabrics 1795 Baseline Rd, Grand Island, NY 14072-2010
10 Strata Systems, Inc., Div. Glen Raven, Inc. PO Box 791, Statesville, NC 28687-0791
11 Tenax Corp. 4800 E Monument St, Baltimore, MD 21205-3031
12 Tensar International Corporation 5883 Glenridge Dr NE Ste 200, Atlanta, GA 30328-5571
13 TNS Advanced Technologies By Crown Resources 856 S Pleasantburg Dr, Greenville, SC 29607-2455
14 Belton Industries Inc. 5600 Oakbrook Pkwy Ste 150, Norcross, GA 30093-1843
15 Checkmate Geosynthetics Inc. Unit 412, 44050 South Sumas Rd, Chilliwack, BC V2R 5M3, Canada
16 Fiberweb PLC 70 Old Hickory Blvd, Old Hickory, TN 37138
17 Geo-Synthetics Inc. 2401 Pewaukee Rd, Waukesha, WI 53188
18 Highland Industries Inc. 629 Green Valley Rd, Suite 210, Greensboro, NC 27408
19 Layfield Plastics Inc. 11603 180th St SW, Edmonton, AB T5S 2J6, Canada
20 Maccaferri Inc. 10303 Governor Lane Blvd, Williamsport, MD 21795-3115
21 Propex Geosynthetics 6025 Lee Highway, Ste. 425, P.O. Box 22788, Chattanooga, TN 37422
22 SKAPS Industries 335 Athena Dr, Athens, GA 30601
23 SynTeen Technical Fabrics 1990 W Meeting St, Lancaster, SC 29720-8811
24 TenCate Geosynthetics 365 S Holland Dr, Pendergrass, GA 30567-4625
25 Thrace-LINQ Inc. 2550 W 5th North St, Summerville, SC 29483-9665
26 Vantage Partners, LLC 1000 Bucks Industrial Park Dr, Statesville, NC 28625-2575

1.3 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

Nội dung sửa đổi/cập nhật quan trọng nhất của sổ tay tham khảo này là thay đổi quy trình thiết kế tường MSE từ cơ sở allowable stress design (ASD – thiết kế theo ứng suất cho phép) sang cơ sở load and resistance factor design (LRFD). Kết cấu phần trên của các công trình giao thông hiện được thiết kế theo quy trình LRFD, và một cách hợp lý, các kết cấu phần dưới đỡ cho kết cấu phần trên cũng nên được thiết kế theo cơ sở LRFD để đảm bảo tính thống nhất trong thiết kế của toàn bộ dự án. Vì vậy, FHWA và Tiểu ban Cầu và Kết cấu phần dưới của AASHTO đã ấn định hạn chót ngày 1 tháng 10 năm 2010 để áp dụng LRFD trong thiết kế tường chắn.

Mặc dù việc áp dụng LRFD đòi hỏi thay đổi quy trình thiết kế đối với các kỹ sư đã quen với ASD, nhưng có nhiều ưu điểm. LRFD xét riêng rẽ tính không chắc chắn (uncertainty) trong cả sức kháng và tải trọng, và khi được hiệu chỉnh thích hợp, có thể đem lại mức độ an toàn đồng nhất hơn trong thiết kế các cấu kiện phần trên và phần dưới xét theo chỉ số độ tin cậy. Mục 11 của AASHTO LRFD Specification (2007) cung cấp thông tin về LRFD cho các kết cấu chắn đất, bao gồm tường đất gia cố cơ học (MSE). Mục 10.4 của AASHTO (2007) cung cấp thông tin chi tiết về đánh giá các đặc tính đất và đá dùng cho thiết kế. Mục 3 của AASHTO (2007) trình bày chi tiết về tải trọng thẳng đứng và ngang, cũng như các hệ số tải trọng cho thiết kế tường chắn.

Trong nhiều năm, các kỹ sư đã thiết kế tường cho đường bộ và các ứng dụng khác bằng phương pháp ASD. (Lưu ý rằng các tài liệu ASD của AASHTO (2002) và FHWA (Elias và cộng sự, 2001) sẽ không được AASHTO hoặc FHWA cập nhật.) Trong ASD, toàn bộ tính không chắc chắn của tải trọng tác dụng và sức kháng vật liệu được gộp vào một hệ số an toàn hoặc ứng suất vật liệu cho phép. Hơn nữa, hệ số an toàn không phụ thuộc phương pháp dùng để ước tính sức kháng. Trong LRFD, tính không chắc chắn của tải trọng và sức kháng vật liệu được xét riêng. Tính không chắc chắn của tải trọng được biểu diễn bằng hệ số tải trọng (load factor) và tính không chắc chắn của sức kháng vật liệu được biểu diễn bằng hệ số sức kháng (resistance factor). Quan trọng hơn, hệ số sức kháng là hàm của phương pháp dùng để ước tính sức kháng, do đó tính không chắc chắn của mô hình (model uncertainty) cũng được đưa vào quá trình thiết kế.

Trong khung lý thuyết AASHTO–LRFD có bốn trạng thái giới hạn, đại diện cho các tiêu chí khác nhau về khả năng làm việc của kết cấu: (1) trạng thái giới hạn cường độ; (2) trạng thái giới hạn sử dụng; (3) trạng thái giới hạn sự kiện cực hạn; và (4) trạng thái giới hạn mỏi. Đối với hầu hết các thiết kế hệ tường chắn đất, trạng thái giới hạn cường độ hoặc trạng thái giới hạn sử dụng sẽ chi phối thiết kế. Đối với các tường chịu động đất hoặc va chạm tàu xe, các trạng thái giới hạn cực hạn có thể chi phối.

Sổ tay này, cùng với các tài liệu giáo trình khóa đào tạo đi kèm, được biên soạn với giả định người dùng đã quen thuộc với các quy trình LRFD nói chung. Các cơ quan có thể tham khảo thêm tài liệu và nguồn tham khảo về quy trình LRFD cho kết cấu phần dưới từ khóa đào tạo FHWA NHI 130082 (xem www.nhi.fhwa.dot.gov).

Sổ tay này cũng cung cấp các quy trình chi tiết cho thiết kế, chỉ dẫn kỹ thuật và thi công mái dốc đất gia cường (RSS). AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2007) không đề cập tới kết cấu RSS. Do đó, thiết kế RSS trong sổ tay này vẫn dựa trên cơ sở phân tích ổn định mái dốc theo trạng thái cân bằng giới hạn.