Phân tích khả năng chịu lực của tường cừ dự ứng lực rỗng trong kết cấu chắn giữ hố đào sâu

Nghiên cứu này khảo sát khả năng chịu lực (momen uốn lớn nhất) của tường cừ dự ứng lực rỗng trong kết cấu chắn giữ hố đào 3 tầng hầm tại Hà Nội. Hệ kết cấu chắn giữ hố đào này bao gồm tường cừ bê tông cốt thép đúc sẵn thân rỗng và 2 tầng sàn hầm dày 0.22 m. Mỗi cọc cừ trong tường chắn có tiết diện chữ I kích thước 50x52 cm, thân dạng 2 nửa lỗ tròn.

BÀI BÁO KHOA HỌC PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA TƯỜNG CỪ DỰ ỨNG LỰC RỖNG TRONG KẾT CẤU CHẮN GIỮ HỐ ĐÀO SÂU Đỗ Tuấn Nghĩa1 Tóm tắt: Nghiên cứu khảo sát khả chịu lực (momen uốn lớn nhất) tường cừ dự ứng lực rỗng kết cấu chắn giữ hố đào tầng hầm Hà Nội Hệ kết cấu chắn giữ hố đào bao gồm tường cừ bê tông cốt thép đúc sẵn thân rỗng tầng sàn hầm dày 0.22 m Mỗi cọc cừ tường chắn có tiết diện chữ I kích thước 50x52 cm, thân dạng nửa lỗ tròn Khả chịu moment uốn cừ 491kNm Để sử dụng tường cừ làm kết cấu chắn giữ dài hạn, vữa xi măng chèn vào khoảng rỗng tròn tạo thân cừ để ngăn nước rò qua thân cừ vào hầm Hố đào nghiên cứu có chiều sâu lớn 14.6 m, thực phần lớn đất cát mịn chặt vừa Trong q trình thi cơng hố đào, chuyển vị lớn tường chắn tương đối nhỏ khoảng 8.0 cm Phần mềm PLAXIS 3D sử dụng để mô q trình thi cơng hố đào Kết phân tích cho thấy chuyển vị tường dự đốn phù hợp với giá trị quan trắc momen uốn lớn tường nhỏ khả chịu tải tường Từ khóa: Hố đào sâu, tường chắn, phân tích ứng suất biến dạng, phương pháp phần tử hữu hạn GIỚI THIỆU CHUNG * Các hố đào sâu thi công phần ngầm khu vực đô thị ngày trở thành phần thiếu việc tận dụng không gian ngầm cho nhiều mục đích khác bãi đỗ xe, khu mua sắm, giao thông ngầm, v.v Để giữ ổn định hố đào, tường chắn bê tông cốt thép loại tường barrett thường sử dụng Đặc điểm loại tường có độ cứng chống uốn lớn, chịu momen lớn chiều dày tường thay đổi theo yêu cầu chịu lực Tuy nhiên, tường cần thi công theo công nghệ khoan đổ bê tông chỗ Cơng nghệ địi hỏi thời gian thi công dài gây ô nhiễm môi trường lượng bùn thải dung dịch giữ thành lớn Để giải vấn đề này, công nghệ ép cừ dự ứng lực áp dụng Vì loại tường cừ chưa đạt khả chịu uốn momen lớn (mặc dù cải thiện nhiều so với tường cừ thép) nên chiều sâu hố đào chắn giữ bị hạn chế khoảng 10m Cừ dự Khoa Cơng trình-Đại học Thủy lợi 164 ứng lực thơng thường có khả chống thấm Để giải hai vấn đề khả chịu lực thi công, giải pháp tường cừ dự ứng lực rỗng áp dụng thành công kết cấu chắn giữ hố đào tầng hầm Hà Nội Hố đào có chiều sâu lớn 14.6 m, thực phần lớn đất cát mịn chặt vừa Trong q trình thi cơng hố đào, chuyển vị lớn tường chắn khả nhỏ, khoảng 8.0 cm Để chống thấm tường giai đoạn sử dụng, vữa xi măng bơm chèn vào me cừ Mục đích nghiên cứu phân tích khả chịu lực (momen uốn lớn nhất) tường cừ dự ứng lực rỗng hố đào sâu sử dụng phần mềm phân tích mặt cắt kết cấu XTRACT Phân tích ngược sử dụng phần mềm PLAXIS 3D áp dụng để so sánh chuyển vị tường dự đoán kết quan trắc thực tế Ngồi ra, momen uốn dự đốn so sánh với khả chịu tải (momen uốn lớn nhất) tường chắn Toàn hệ thống kết cấu chắn giữ gồm tường chắn, sàn hầm, trụ chống trung tâm, quy trình đào kể đến q trình mơ hình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) nghiệm cắt trực tiếp Mực nước ngầm nằm cách mặt đất 7.0m B = 57 m A07 A08 Lỗ mở GIỚI THIỆU VỀ CƠNG TRÌNH VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN CỦA BÀI TỐN Hố đào nghiên cứu cơng trình khu vực Hà Đơng Mặt cơng trình có kích thước 57x156m Hình Hình trình bày mặt cắt tiêu biểu hố đào, chiều sâu đào lớn 14.6m thực theo giai đoạn đào tương ứng với cốt -3.8m, -6.8m, 9.8m, -14.6m công nghệ thi công semi top-down Để hạn chế chuyển vị đất đào sâu, hệ tường chắn gồm tường cừ dự ứng lực rỗng dài 19.2m tầng sàn hầm dày 0.22m cốt -3.8m, -6.8m Mặt lỗ mở sàn cho thi cơng thể Hình 3, tổng diện tích lỗ mở chiếm khoảng 50% tổng mặt cơng trình Điều kiện địa chất khu vực xây dựng thể Hình Theo đó, lớp đất lấp dày 1.0m (lớp 1) Bên lớp cát pha xám, xám vàng trạng thái dẻo kẹp dải sét (lớp 3) dày 4m với PI = 7.5%, W = 25.0%, , , , Nspt = Lớp lớp cát mịn xám, Lỗ mở A06 Lỗ mở Lỗ mở A01 A02 A05 Ghi chú: A04 L = 156 m A03 A**: inclinometer Hình Mặt hố đào điểm khảo sát Lỗ khoan KB2 EL-1.5 Lớp 1, đất lấp EL-2.5 Lớp 3, cát pha xám EL-6.5 EL-8.5 xám vàng kẹp dải sét, cát pha trạng thái xốp đến chặt vừa Lớp sét xen kẹp tăng từ độ sâu 20m tới 24m Lớp có , , , Đây lớp có ảnh hưởng lớn tới MNN Lớp 4, cát mịn xám Sàn hầm EL.-3.8 dày 0.22m Sàn hầm EL.-6.8 dày 0.22m Sàn hầm EL.-9.8 dày 0.4m Đáy móng EL.-14.6 Cừ BTCT dự ứng lực EL-20.5 Hình Mặt cắt hố đào chuyển vị tường chắn hố đào Lớp sét, sét pha xám hồng lẫn hữu trạng thái dẻo mềm dày 3m với với PI = 18%, W = 37.1%, , , , Nspt = Lớp Sét xám, xám vàng loang lổ trạng thái nửa cứng dày 6m với với PI = 18.6%, W = 26.7%, , , , Nspt = 13~20 Lớp cát hạt trung xám, xám vàng lẫn sạn sỏi trạng thái xốp đến chặt vừa với , , , Bên lớp tầng đất cứng Lưu ý giá trị c, lấy từ thí KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) Hình Lỗ mở sàn thực tế 165 thường chịu momen uốn tối đa 500 kNm Do đó, tường cừ dự ứng lực có khả chịu lực lớn tường chắn thông thường Lưu ý momen uốn lớn xác định theo phần mềm XTRACT khơng phải momen kháng nứt cừ Hình Tiết diện cừ dự ứng lực rỗng (a) Hình Trụ lỗ khoan KB2 KẾT CẤU CỪ DỰ ỨNG LỰC RỖNG VÀ PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG Tiết diện cừ dự ứng lực rỗng thể Hình Mỗi cừ có kích thước 50x52cm Cốt thép dự ứng lực gồm cáp D12.7 loại grade 270 đặt mặt hố đào cáp 12.7 đặt mặt hố đào Lực căng trước cáp 144 kN Thép đai cừ 6 khoảng cách 20cm Bê tông cừ loại M600 (B45) Hình 6a mơ hình cừ phần mềm XTRACT Kết phân tích cho thấy momen uốn tăng, độ cong cừ ban đầu tăng dần (Hình 6b) sau phát triển đột ngột momen đạt 491kNm Do đó, momen lớn mà cừ chịu 491kNm Vì vậy, sử dụng làm tường chắn, 1m dài tường chịu momen lớn 944 kNm Theo kinh nghiệm tác giả, tường chắn barrette dày 0.5m thông 166 491 (b) Hình Quan hệ momen uốn độ cong cừ: (a) mơ hình; (b) kết KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN Để mơ ứng xử đất, mơ hình tăng bền (Hardening Soil) sử dụng Mơ hình phát triển Schanz (1999) Về bản, mối quan hệ ứng suất biến dạng đất giả sử tuân theo hình hyperbol cổ điển Tuy nhiên, số cải tiến áp dụng như: (1) Sử dụng lý thuyết độ dẻo thay cho lý thuyết đàn hồi; (2) Xét tới biến dạng nở đất (dilatancy); (3) Sử dụng mũ dẻo để mô ứng xử đất chịu ứng suất nén dạng khối; (4) Xét tới độ cứng đất phụ thuộc thông số phạm vi biến dạng nhỏ Thông số đầu vào đất tổng hợp Bảng Trong đó, với lớp đất loại sét với lớp đất loại cát, xác định từ Nspt theo tiêu chuẩn TCVN 9351-2012 Các thông số cường độ đất xác định theo thí nghiệm cắt trực tiếp Do tính chất đối xứng, nửa hố đào mơ tính tốn thể Hình Trong đó, chiều rộng, chiều dài chiều dày mơ hình 80m, 260m, 41m Tường chắn sàn hầm mô phần tử (hệ dầm bỏ qua để đơn giản hóa mơ hình) Các chống trung tâm hố đào mô phần tử cọc để đỡ hệ sàn Tải trọng thi công xung quanh hố đào giả sử 20 kPa Do cơng trình lân cận nằm cách xa hố đào (trên 20m), ảnh hưởng hố đào tới cơng trình bỏ qua mơ hình Quy trình thi cơng đào sâu mơ theo giai đoạn Bảng với giả sử giai đoạn đào tiến hành đồng toàn mặt hố thời gian ngắn Bảng Thông số đầu vào đất Thông số Đơn vị Ứng xử unsat kN/m3 sat kN/m3 Eref50 kN/m2 Erefoed kN/m2 Erefur kN/m2 m c kN/m2 độ  Rint Lớp 17.0 19.9 3500 3500 10500 0.5 15.4 20.2 0.67 Lớp Lớp Thoát nước 17.0 17.0 19.9 19.9 5660 17650 5660 17650 16980 52950 0.5 0.5 0 29.3 29.3 0.67 0.67 Lớp Lớp Khơng nước 16.0 18.0 18.8 20.0 2250 5500 4500 11000 6750 16500 1 21 46 5.2 7.4 0.5 0.5 Lớp Thoát nước 17.7 20.7 22450 22450 67350 0.5 36.3 0.5 q = 20 kPa 41m Sàn hầm Trụ chống trung tâm Lỗ mở sàn 260m 80m Hình Mơ hình PTHH hố đào KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 167 Bảng Quy trình thi cơng đào sâu Chuyển vị ngang tường (mm) Công tác thi công Thi công tường Đào tới -3.8m Thi công sàn hầm Đào tới -6.8m Thi công sàn hầm Đào tới -9.8m Đào tới -14.6m 40 60 80 Đào tới -3.8m Đào tới -6.8m Đào tới -9.8m Đào tới -14.6m Chiều sâu (m) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình trình bày chuyển vị ngang tường chắn theo giai đoạn đào khác Vị trí lấy kết chuyển vị hố đào cạnh dài Từ hình ta thấy tiến hành đào sâu, ban đầu tường chắn có chuyển vị dạng cơng xơn đào tới -3.8m (do chưa có sàn chống) sau chuyển sang dạng lồi, đặc biệt đào tới 14.6m với chuyển vị lớn gần mức đào Chuyển vị ngang lớn tường tăng dần theo chiều sâu đào Giá trị chuyển vị lớn 8cm Khi đào từ cốt -3.8m tới -9.8m, chân tường có dịch chuyển nhỏ Tuy nhiên, đào tới cốt -14.6m, dịch chuyển chân tường tăng đột ngột lên 3cm Về mặt tổng thể, chuyển vị ngang tường phân tích nhỏ Hình kết so sánh chuyển vị ngang tường chắn cốt đào -9.8m tính tốn cho vị trí hố đào cạnh dài giá trị quan trắc vị trí khác bao gồm A01, A02, A03, A05 Vị trí trạm đo thể Hình 1, A01 A02 nằm cạnh ngắn A03, A05 nằm cạnh dài hố đào Do số liệu quan trắc đào tới cốt -14.6m chưa thu thập nên tác giả đưa giá trị so sánh cho giai đoạn đào tới cốt -9.8m Dựa vào kết so sánh, ta thấy chuyển vị ngang lớn tường theo phân tích số 2cm, nằm phạm vi kết quan trắc từ 1cm (tại A05) tới 5cm (tại A01) Tuy nhiên, chân tường chắn phân tích có dịch chuyển lớn so với kết quan trắc 168 20 10 12 14 16 18 20 Hình Chuyển vị tường theo giai đoạn đào Chuyển vị ngang tường (mm) -20 20 40 60 Chiều sâu (m) Giai đoạn 10 12 14 16 18 Phân tích Quan trắc A01 Quan trắc A02 Quan trắc A03 Quan trắc A05 20 Hình Chuyển vị tường theo giai đoạn đào KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) Mmax = 158.3 kNm Phía ngồi hố đào Phía hố đào bẻ cong hướng vào hố Theo kết phân tích mục 4, sử dụng cừ dự ứng lực rỗng làm tường chắn, 1m dài tường chắn chịu momen uốn tối đa 944 kNm Vì vậy, tường chắn đủ khả chịu momen uốn trình đào KẾT LUẬN Dựa vào kết phân tích cơng trình Mmax = 194.8 kNm thực tế áp dụng cừ dự ứng lực rỗng làm tường chắn, số kết luận rút sau: i Cừ dự ứng lực rỗng có khả chịu momen uốn lớn tường chắn barrette thơng Hình 10 Đường bao momen uốn tác dụng lên tường thường với chiều dày ii Với hố đào nghiên cứu, chuyển vị ngang tường chắn phân tích tương đối nhỏ Hình 10 đường bao momen uốn tác dụng lên tường q trình đào sâu vị trí hố đào cạnh dài Khi đào từ cốt -3.8m tới -14.6m, tác dụng áp lực đất bên hố đào áp lực đất bên bề mặt đào nên tường chắn chịu biến dạng mặt hố đào Vì vậy, momen uốn xuất mặt hố đào tường chắn Kết Hình 10 cho thấy giá trị momen lớn 194.8 kNm 158.3 kNm (cho 1m dài tường) mặt tường hố đào Momen mặt hố đào lớn mặt ngồi tường có chuyển vị phù hợp với giá trị quan trắc cốt đào -9.8m Ngoài ra, tường chắn có đủ khả chịu momen uốn phát sinh q trình đào Do đó, tường cừ dự ứng lực rỗng áp dụng thành công cho hố đào nghiên cứu iii Ngoài khả chịu lực (momen uốn lớn nhất) lớn, tường cừ dự ứng lực rỗng đúc sẵn nhà máy giúp tăng tiến độ thi cơng giảm chi phí xây dựng Vì vậy, người nghiên cứu đề xuất sử dụng loại tường thay tường chắn bê tông cốt thép toàn khối hố đào sâu TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9351:2012 Đất xây dựng-Phương pháp thí nghiệm trường-Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) Chadwell CB, Imbsen & Associates (2002) XTRACT-cross section analysis software for structural and earthquake engineering California Schanz T, Vermeer PA, Bonnier PG (1999) The hardening soil model: formulation and verification In: Beyond 2000 in computational geothechnics Roterdam: Balkema KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 169 Abstract: BEARING CAPACITY OF PRESTRESSED AND PRECAST HOLLOW PILE TO RETAINING WALL OF DEEP EXCAVATIONS This study investigated the bearing capacity of prestressed and precast hollow pile to retaining wall of a 3-basement excavation in Hanoi The retaining system was composed of prestressed and precast hollow piles and two 0.22m-thick basements Each of piles had a cross-section of 50x52cm in semi-circle shape The maximum bending moment that they could bear was 491 kNm In order to adopt the piles as a permanent wall, grout should be inserted into the hollows between them to resist groundwater leakage The studied case had a maximume excavation depth of 14.6m, at which most of subsoil was medium dense fine sand During the course of excavation, the maximum wall displacement was small at 8.0cm PLAXIS 3D computer software was employed to model the excavation Resutls showed that the predicted wall displacement was compatible with the measured one and the bending moment was smaller than the wall capacity Keywords: Deep excavation, ground settlement, stress-deformation analysis, finite element method Ngày nhận bài: 08/10/2021 Ngày chấp nhận đăng: 10/11/2021 170 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) ... Tiết diện cừ dự ứng lực rỗng (a) Hình Trụ lỗ khoan KB2 KẾT CẤU CỪ DỰ ỨNG LỰC RỖNG VÀ PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG Tiết diện cừ dự ứng lực rỗng thể Hình Mỗi cừ có kích thước 50x52cm Cốt thép dự ứng lực gồm... mục 4, sử dụng cừ dự ứng lực rỗng làm tường chắn, 1m dài tường chắn chịu momen uốn tối đa 944 kNm Vì vậy, tường chắn đủ khả chịu momen uốn trình đào KẾT LUẬN Dựa vào kết phân tích cơng trình... tế áp dụng cừ dự ứng lực rỗng làm tường chắn, số kết luận rút sau: i Cừ dự ứng lực rỗng có khả chịu momen uốn lớn tường chắn barrette thơng Hình 10 Đường bao momen uốn tác dụng lên tường thường