ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2022 3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG VÂY TRONG TẦNG CÁT DÀY Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Kỹ Thuật - Công Nghệ - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Kết cấu - Thi công công trình ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2022 3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG VÂY TRONG TẦNG CÁT DÀY Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÊ BÁ VINH NGUYỄN TRUNG TÂM Study on the behaviours of diaphragm wall on thick sandy soils in Ho Chi Minh city Abstract: This paper focuses on studying the basement excavation process of a building in Ho Chi Minh city which is in a geological area with thick sand layers interspersed between clay layers to analyse the behaviour of diaphragm wall during construction. The analysis uses Plaxis 2D software (through two soil models such as as Mohr-Coulomb, Hardening-Soil model) and 3D software with overall simulation of the piled raft foundation-diaphragm walls, at the same time based on actual monitoring results of the horizontal displacement of diaphragm walls, ground settlement and adjacent buildings to conduct back analysis, thereby determining the relationship between soil stiffness and N(SPT) value, undrained shear strength Su in geological survey and the relationship between diaphragm wall’s depth and the dif ference in water levels inside and outside the excavation to ensure the total stability of the excavation. Keywords: Diapharagm walls, thick sand layer, excavation, back-analysis, stability. 1. GIỚI THIỆU Ngày nay do nhu cầu phát triển của xã hội ngày càng nhiều công trình ngầm được xây dựng. Vì vậy nhu cầu xây dựng tầng hầm là nhu cấp cấp thiết. Trong quá trình thiết kế tầng hầm, việc lựa chọn kích thước và chiều dài tường vây là hết sức quan trọng. Đặc biệt khi tường vây nằm trong đất cát không chắn được dòng chảy hoàn toàn thì việc cân nhắc chiều dài tường vây là vấn đề rất quan trọng để không những đảm bảo an toàn mà còn phải tiết kiệm. Tuy nhiên trong thực tế tính toán cho thấy, các nhà thiết kế thường chỉ quan tâm đến nội lực tường vây và hệ chống mà ít quan tâm sâu sắc đến hệ số an toàn ổn định tổng thể cũng như Bộ môn Địa cơ – Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây d ựng, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Email: lebavinhhcmut.edu.vn hệ số ổn định đáy hố đào để nhằm đảm bảo thiết kết và mang lại tính kinh tế. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nêu trên tác giả đã tập trung phân tích ứng xử tườ ng vây trong nền cát dày . Tác giả phân tích ngược bằng Plaxis, ước lượng sự thay đổi E50 theo N và Su. Kết quả được kiểm chứng thông qua việc so sánh giá trị tính toán với giá trị quan trắc thực tế tại hiện tường ở từng giai đoạn thi công. Đồng thời so sánh, đánh giá khả năng chịu lực, chuyển vị của tường vây của công trình qua việc mô phỏng tổng thể. Ngoài ra, giá trị này cũng là giá trị tham khảo cho các đơn vị thiết kế, các nhà thầu thi công cũng như cho Chủ đầu tư. 2. CƠ SƠ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH 2.1. Lựa chọn mô hình phân tích Mô hình Mohr Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soil (HS) là 02 mô hình nền hầu hết được sử dụng phổ biến trong phân tích hố đào ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 20224 sâu. Mô hình MC là mô hình đàn hồi lý tưởng đơn giản hóa đường công ứng suất biến dạng của đất bằng một đường thẳng tuyến tính với độ dóc chính là module đàn hồi E. Mô hình MC sử dụng tiêu chuẩn phá hoại của Mohr-Coulomb 6. Giá trị module E nhập vào Plaxis chính là module đàn hồi cho cả lớp đất không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của đất và xem như là hằng số không đổi trong cả lớp đất. Giá trị này thường chọn module cát tuyến tương tự như E50 trong mô hình HS. Mô hình HS là mô hình đàn dẻo tái bền mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng là một đường hyperpolic theo đề xuất của Duncan và Chang (1991) và bộ module50 ref E , ref urE , ref oedE là module cát tuyến, module dở tải và module tiếp tuyến từ thí nghiệm nén cố kết ở giá trị tham chiếu Pref, thường sử dụng Pref=100kNm2. Ngược lại mô hình MC, module50 ref E là module tham chiếu với giá trị Pref . Module E50 tại các vị trí khác trong lớp đất sẽ được xác định thông qua hàm mũ phụ thuộc vào σ3, công thức (2.1) và (2.2). Mô hình HS phù hợp với ứng xử dở tải của bài toán hố đào sâu hơn mô hình MC vì có module dở tải Eur , vì vậy lựa chọn mô hình HS cho bài toán phân tích hố đào sâu là hoàn toàn phù hợp. 3 50 50 cos sin cos sin m ref ref c E E c p              (2.1)3cos sin cos sin m ref ur ur ref c E E c p              (2.2) Trong đó: σ3=(1-sinφ’)σ1 là ứng xuất chính theo phương ngang và m là hàm số mũ thể hiện sự biến thiên module E50 theo σ3. Tại vị trí giữa lớp đất nếu ta nhập Pref= σ3 thì50 50 ref E E và bề dày lớp đất tương đối nhỏ thì giá trị50 ref E này chính là độ cứng của cả lớp, một cách gần đúng xem như không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất và giá trị m. Vì vậy, nếu ta chia lớp cát dày thành nhiều lớp nhỏ thì giá trị50 ref E nhập vào mô hình HS cũng chính là50E của lớp đất đó. Dựa vào điều này tác giả tiến hành chia nhỏ lớp cát dày thành nhiều lớp nhỏ khác nhau và kết quả phân tích cũng cho thấy rằng việc chia nhỏ chiều dày 2m đến 5m kết quả chuyển vị sai lệch < 4. Vì vậy trong báo cáo này tác giả chọn phân chia các lớp đất cát dày < 5m để khảo sát cho khu vực tầng cát này. Chỉ số SPT (N) từ thí nghiệm hiện trường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế nền móng điển hình như viện kiến trúc nhật bản công thức tính sức chịu tải cọc, tương quan độ cứng và chỉ số N. Giá trị module cát tuyến E50 đóng một vai trò quan trọng trong việc tính toán chuyển vị của tường gây, giá trị E50 được ước tính từ các tương quan thực nghiệm bằng cách sử dụng tương quan với giá N. Dựa trên một loạt các phân tích về dữ liệu thu thập về hố đào sâu, Hsiung 3 đã đề xuất một mối tương quan E50 =2000N. Stroud 2 trình bày mối quan hệ giữa giá trị E50 và N bằng cách thu thập dữ liệu từ các loại đất khác nhau, và ông đề nghị rằng E50 giảm khi biến dạng của tường chắn gia tăng. Trong phạm vi biến dạng thích hợp của tường chắn (0,1), Yong 4 cho rằng E có thể được ước lượng là E50 =4000N. Viện Kiến trúc Nhật Bản 5 khuyến cáo sử dụng E = 2800N cũng thường được áp dụng cho thực hành kỹ thuật. Dựa vào những cơ sở trên các giá trị E50 ước tính khoảng 2000N và 4000N được chọn để phân tích PTHH, so sánh và tìm ra mối tương quan phù hợp giữa E50 và N tầng cát khu vực Quận 1, Thành Phố Hồ Chí Minh. 2.2. Hệ số ổn định tổng thể Các hiện tượng phá hoại và sập đổ trong thi công hố đào sâu gây thiệt hại đặc biệt cho con người và tài sản cũng như làm chậm tiến độ của dự án. Ảnh hưởng của chúng rất lớn, từ việc gây ra chuyển dịch nền lớn đến gây hư hại các công trình lân cận. Do đó công tác phân tích ổn định của hố đào sâu trong giai đoạn thi công để tránh các sự cố liên quan đến mất ổn định là yếu tố cực kỳ quan trọng. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2022 5 Việc phân tích ổn định còn cho biết sự làm việc hợp lý của hệ kết cấu từ chiều sâu chân tường vây đến cao độ các hệ chống. Khi thiết kế hệ tường chắn đất cho hố đào sâu, phải xét cả hai trường hợp trạng thái giới hạn cực hạn và trạng thái giới hạn sử dụng. Trạng thái giới hạn sử dụng của kết cấu xảy ra khi bắt đầu vượt quá biến dạng cho phép hay suy giảm giá trị. Trạng thái giới hạn cực hạn của kết cấu xảy ra khi các thành phần của kết cấu, đất hay cả hai chảy dẻo dẫn đến sự hình thành một cơ chế phá hoại trong đất hay xảy ra phá hoại các thành phần kết cấu chính. Theo bài báo kinh nghiệm hố đào sâu tại Malaysia 1, hệ số ổn định tổng thể nhỏ nhất được áp dụng là 1.2 (cho bài toán ngắn hạn) và 1.4 (cho bài toán dài hạn hoặc tính chất rủi ro cao ảnh hưởng đến hệ kết cấu). 2.3. Phân tích ổn định đáy hố đào Khi tính toán tường vây lửng (chân tường vây không ngàm vào lớp đất ngăn nước) thì sẽ bị ảnh hưởng bởi dòng thấm đến đáy hố đào và chúng ta c ần phải kiểm tra hai vấn đề quan trọng sau: Hiện tượng xói ngầm (sand boiling). Hiện tượng phá huỷ dạng đường ố ng (Failure by piping). 2.3.1 Hiện tượng phá hoại do xói ngầm (Sand boiling) Hình 1: Sơ đồ kiểm tra xói ngầm đáy hố đào Phá hoại nền hố đào cũng là hiện tượng mất ứng suất hữu hiệu trong lớp cát dưới đáy hố đào. Khi nước ngầm chảy từ bên dưới mặt đáy hố móng lên bên trên mặt đáy hố móng, các hạt đất trong nền đất sẽ chịu lực đẩy nổi của áp lực nước thẩm thấu, một khi xuất hiện áp lực nước thẩm thấu quá lớn, các hạt đất sẽ ở vào trạng thái huyền phù trong nước đang lưu động, tạo ra hiện tượng phun trào.  , , , , , , dst d stb d dst d G dst w stb d G stb S G S id G d d              (2.3) Trong đó: i: gradient thủy lực ứng với chiều dài thấm dọc theo cột đất h i d   d: khoảng cách từ mực nước ngầm dưới đáy hố đào đến chân tường vây. d’: khoảng cách từ cao độ đáy đào cuối cùng đến mực nước ngầm dưới đáy hố đào. : dung trọng của lớp đất trên mực nước ngầm.   : dung trọng của lớp đất dưới mực nước ngầm., 1.35G dst   hệ số riêng cho thành phần gây mất ổn định., 0.9G stb   hệ số riêng cho thành phần giữ ổn định. Kiểm tra điều kiện hệ số an toàn ổn định đáy hố đào: , , 1.5 stb d s dst d G K S    2.3.2 Kiểm tra ổn định dòng thấm không có áp của đáy hố đào (Nguyễn Bá Kế, 2006) Khi nước ngầm chảy từ bên dưới mặt đáy hố lên phía trên thì các hạt đất trong nền sẽ chịu lực đẩy nổi của nước thẩm thấu, khi áp lực nước thẩm thấu quá lớn, các hạt đất sẽ ở trạng thái huyền phù tạo nên hiện tượng phun trào. Hình 2: Sơ đồ kiểm tra phun trào đáy hố đào do dòng thấm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 20226 Lực thẩm thấu J tác dụng trong phạm vi phun trào B là:W DB   (2.4) Trong đó :   : trọng lượng đẩy nổi của đất; D: độ sâu cắm vào đất của tường; Nếu thỏa điều kiện W > J thì sẽ không xảy ra hiện tượng phun trào, tức là thỏa mãn điều kiện:2 s w w w D D K h h         (2.5) Trong đó: Ks: hệ số an toàn chống phun trào, Ks ≥ 1.5 Do tường chắn đất hố đào chỉ là kết cấu chắn đất tạm thời, để đơn giản việc tính toán có thể lấy đường chảy ngắn nhất (Hình 2) tức là đường chảy sát vào tường chắn để tìm lực chảy thấm lớn nhất: 2.3.3 Kiểm tra theo phương pháp Gradient thủy lực tới hạn Hình 3 : Sơ đồ kiểm tra bùng nền đáy hố đào (phương pháp Gradient thủy lực tới hạn) Hệ số an toàn chống bùng nền tính theo công thức sau:max cr s i F i  Trong đó: icr : độ dốc thủy lực tới hạn của đất dưới đáy hố đào 1 1 s cr G i e    Gs: Ti trọng hạt của lớp đất dưới đáy hố đào e: Hệ số rỗng của đất Fs : Hệ số an toàn chống chảy thấm hay chống bùng nền, lấy2sF  imax : Gadient thủy lực ứng với đường thấm ngắn nhất.max w h i L  Với : hw : Độ chênh cột áp giữa mực nước ngầm ngoài tường chắn và dưới đáy hố đào L: Chiều dài đường thấm ngắn nhất (là đường thấm tiếp xúc dọc theo tường vây) 2.3.4 Kiểm tra theo phương pháp Terzaghi Ta xét hệ số an toàn Fs là tỷ số giữa trọng lượng khối đất hướng xuống và áp lực thẩm thấu hướng lên, được xác định như sau:2 d s w w L F h     (2.6) Trong đó:w  : dung trọng của nước hw : chênh lệch cột nước giữa trong và ngoài hố đào Ld : khoảng cách từ đáy hố đào đến chân tường vây Hệ số an toàn Fs được chọn như sau:1.2sK  : cho kết cấu tường chắn tạm1.5sK  : cho kết cấu tường chắn vĩnh cửu 1.1 2.3.5 Hiện tượng phá huỷ dạng ống (Failure by piping) Kiểm tra ổn định trồi (bùng) đáy hố đào (Chang-Yu Ou, 2006) Nguyên nhân trồi (bùng) hố đào bắt nguồn từ trọng lượng đất bên ngoài hố đào vược qua khả năng chịu lực của lớp đất bên dưới đáy hố đào, làm cho đất bên dưới di chuyển đáy hố đào bị trồi lên nếu để trồi lên quá nhiều nó có thể là nguyên nhân dẫn đến toàn bộ hố đào bị sập. Hình 4 miêu tả hiện tượng cơ bản của trồi đáy hố đào, mặt có hệ số an toàn nhỏ nhất là mặt có khả năng bị phá hoại hoặc bị phá hoại nghiêm trọng. Có nhiều phương pháp của nhiều tác giả phân tích hiện tượng trồi đáy hố đào. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2022 7 Hình 4: Mô tả hiện tượng bùng đáy hố đào Tính toán hệ số theo phương pháp Terzaghi:) 2a D B) 2b D B Hình 5: Phương pháp phân tích trồi đáy hố đào của Terzaghi 2.3.6 Tính toán ổn định trong Plaxis (Ph ic reduction) - Nguyễn Viết Trung, 2009 Dạng tính toán ổn định là một lựa chọn có sẵn trong Plaxis để tính toán hệ sô ổn định tổng thể. Tùy chọn này có thể được chọn dưới dạng một loại tính toán riêng trong bảng tổng hợp. Trong thiết k...

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG VÂY TRONG TẦNG CÁT DÀY Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÊ BÁ VINH*

NGUYỄN TRUNG TÂM

Study on the behaviours of diaphragm wall on thick sandy soils in

Ho Chi Minh city Abstract: This paper focuses on studying the basement excavation process

of a building in Ho Chi Minh city which is in a geological area with thick sand layers interspersed between clay layers to analyse the behaviour of diaphragm wall during construction The analysis uses Plaxis 2D software (through two soil models such as as Mohr-Coulomb, Hardening-Soil model) and 3D software with overall simulation of the piled raft foundation-diaphragm walls, at the same time based on actual monitoring results of the horizontal displacement of diaphragm walls, ground settlement and adjacent buildings to conduct back analysis, thereby determining the relationship between soil stiffness and N(SPT) value, undrained shear strength S u in geological survey and the relationship between diaphragm wall’s depth and the difference in water levels inside and outside the excavation to ensure the total stability of the excavation

Keywords: Diapharagm walls, thick sand layer, excavation, back-analysis,

stability

1 GIỚI THIỆU *

Ngày nay do nhu cầu phát triển của xã hội

ngày càng nhiều công trình ngầm được xây

dựng Vì vậy nhu cầu xây dựng tầng hầm là nhu

cấp cấp thiết Trong quá trình thiết kế tầng hầm,

việc lựa chọn kích thước và chiều dài tường vây

là hết sức quan trọng Đặc biệt khi tường vây

nằm trong đất cát không chắn được dòng chảy

hoàn toàn thì việc cân nhắc chiều dài tường vây

là vấn đề rất quan trọng để không những đảm

bảo an toàn mà còn phải tiết kiệm

Tuy nhiên trong thực tế tính toán cho thấy,

các nhà thiết kế thường chỉ quan tâm đến nội

lực tường vây và hệ chống mà ít quan tâm sâu

sắc đến hệ số an toàn ổn định tổng thể cũng như

* Bộ môn Địa cơ – Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng,

Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia thành

phố Hồ Chí Minh

Email: lebavinh@hcmut.edu.vn

hệ số ổn định đáy hố đào để nhằm đảm bảo thiết

kết và mang lại tính kinh tế

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nêu trên tác giả đã tập trung phân tích ứng xử tường vây trong nền cát dày Tác giả phân tích ngược bằng Plaxis, ước lượng sự thay đổi E50 theo N và Su Kết quả được kiểm chứng thông qua việc so sánh giá trị tính toán với giá trị quan trắc thực tế tại hiện tường ở từng giai đoạn thi công Đồng thời so sánh, đánh giá khả năng chịu lực, chuyển

vị của tường vây của công trình qua việc mô phỏng tổng thể Ngoài ra, giá trị này cũng là giá trị tham khảo cho các đơn vị thiết kế, các nhà thầu thi công cũng như cho Chủ đầu tư

2 CƠ SƠ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH 2.1 Lựa chọn mô hình phân tích

Mô hình Mohr Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soil (HS) là 02 mô hình nền hầu hết được sử dụng phổ biến trong phân tích hố đào

sâu Mô hình MC là mô hình đàn hồi lý tưởng

đơn giản hóa đường công ứng suất biến dạng

của đất bằng một đường thẳng tuyến tính với độ

dóc chính là module đàn hồi E Mô hình MC sử

dụng tiêu chuẩn phá hoại của Mohr-Coulomb

[6] Giá trị module E nhập vào Plaxis chính là

module đàn hồi cho cả lớp đất không phụ thuộc

vào trạng thái ứng suất của đất và xem như là

hằng số không đổi trong cả lớp đất Giá trị này

trong mô hình HS Mô hình HS là mô hình đàn

dẻo tái bền mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng

là một đường hyperpolic theo đề xuất của

Duncan và Chang (1991) và bộ module 50ref

ref

ur

E , E oed ref là module cát tuyến, module dở tải

và module tiếp tuyến từ thí nghiệm nén cố kết ở

giá trị tham chiếu Pref, thường sử dụng

Pref=100kN/m2 Ngược lại mô hình MC, module

50

ref

E là module tham chiếu với giá trị Pref

Module E50 tại các vị trí khác trong lớp đất sẽ

được xác định thông qua hàm mũ phụ thuộc vào

σ3, công thức (2.1) và (2.2)

Mô hình HS phù hợp với ứng xử dở tải của

bài toán hố đào sâu hơn mô hình MC vì có

module dở tải Eur, vì vậy lựa chọn mô hình HS

cho bài toán phân tích hố đào sâu là hoàn toàn

phù hợp

3

50 50

cos sin cos sin

m ref

ref

c





  (2.1)

3

cos sin cos sin

m ref

c





  (2.2)

Trong đó: σ3=(1-sinφ’)σ1 là ứng xuất chính

theo phương ngang và m là hàm số mũ thể hiện

sự biến thiên module E50 theo σ3

Tại vị trí giữa lớp đất nếu ta nhập Pref= σ3 thì

ref

E E và bề dày lớp đất tương đối nhỏ thì

giá trị 50ref

E này chính là độ cứng của cả lớp,

một cách gần đúng xem như không phụ thuộc

vào trạng thái ứng suất và giá trị m Vì vậy, nếu

ta chia lớp cát dày thành nhiều lớp nhỏ thì giá trị

50

ref

E nhập vào mô hình HS cũng chính là E50của

lớp đất đó Dựa vào điều này tác giả tiến hành chia nhỏ lớp cát dày thành nhiều lớp nhỏ khác nhau và kết quả phân tích cũng cho thấy rằng việc chia nhỏ chiều dày 2m đến 5m kết quả chuyển vị sai lệch < 4% Vì vậy trong báo cáo này tác giả chọn phân chia các lớp đất cát dày < 5m để khảo sát cho khu vực tầng cát này

Chỉ số SPT (N) từ thí nghiệm hiện trường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế nền móng điển hình như viện kiến trúc nhật bản công thức tính sức chịu tải cọc, tương quan độ cứng và chỉ số N

Giá trị module cát tuyến E50 đóng một vai trò quan trọng trong việc tính toán chuyển vị của tường gây, giá trị E50 được ước tính từ các tương quan thực nghiệm bằng cách sử dụng tương quan với giá N Dựa trên một loạt các phân tích về dữ liệu thu thập về hố đào sâu, Hsiung [3] đã đề xuất một mối tương quan

E50=2000N Stroud [2] trình bày mối quan hệ giữa giá trị E50 và N bằng cách thu thập dữ liệu

từ các loại đất khác nhau, và ông đề nghị rằng

E50 giảm khi biến dạng của tường chắn gia tăng Trong phạm vi biến dạng thích hợp của tường chắn (0,1%), Yong [4] cho rằng E có thể được ước lượng là E50=4000N Viện Kiến trúc Nhật Bản [5] khuyến cáo sử dụng E = 2800N cũng thường được áp dụng cho thực hành kỹ thuật Dựa vào những cơ sở trên các giá trị E50 ước tính khoảng 2000N và 4000N được chọn để phân tích PTHH, so sánh và tìm ra mối tương quan phù hợp giữa E50 và N tầng cát khu vực Quận 1, Thành Phố Hồ Chí Minh

2.2 Hệ số ổn định tổng thể

Các hiện tượng phá hoại và sập đổ trong thi công hố đào sâu gây thiệt hại đặc biệt cho con người và tài sản cũng như làm chậm tiến độ của

dự án Ảnh hưởng của chúng rất lớn, từ việc gây

ra chuyển dịch nền lớn đến gây hư hại các công trình lân cận Do đó công tác phân tích ổn định của hố đào sâu trong giai đoạn thi công để tránh các sự cố liên quan đến mất ổn định là yếu tố cực kỳ quan trọng

Việc phân tích ổn định còn cho biết sự làm

việc hợp lý của hệ kết cấu từ chiều sâu chân

tường vây đến cao độ các hệ chống

Khi thiết kế hệ tường chắn đất cho hố đào sâu,

phải xét cả hai trường hợp trạng thái giới hạn cực

hạn và trạng thái giới hạn sử dụng Trạng thái giới

hạn sử dụng của kết cấu xảy ra khi bắt đầu vượt

quá biến dạng cho phép hay suy giảm giá trị

Trạng thái giới hạn cực hạn của kết cấu xảy ra khi

các thành phần của kết cấu, đất hay cả hai chảy

dẻo dẫn đến sự hình thành một cơ chế phá hoại

trong đất hay xảy ra phá hoại các thành phần kết

cấu chính Theo bài báo kinh nghiệm hố đào sâu

tại Malaysia [1], hệ số ổn định tổng thể nhỏ nhất

được áp dụng là 1.2 (cho bài toán ngắn hạn) và 1.4

(cho bài toán dài hạn hoặc tính chất rủi ro cao ảnh

hưởng đến hệ kết cấu)

2.3 Phân tích ổn định đáy hố đào

Khi tính toán tường vây lửng (chân tường

vây không ngàm vào lớp đất ngăn nước) thì sẽ

bị ảnh hưởng bởi dòng thấm đến đáy hố đào và

chúng ta cần phải kiểm tra hai vấn đề quan

trọng sau:

Hiện tượng xói ngầm (sand boiling)

Hiện tượng phá huỷ dạng đường ống

(Failure by piping)

2.3.1 Hiện tượng phá hoại do xói ngầm

(Sand boiling)

Hình 1: Sơ đồ kiểm tra xói ngầm đáy hố đào

Phá hoại nền hố đào cũng là hiện tượng mất

ứng suất hữu hiệu trong lớp cát dưới đáy hố đào

Khi nước ngầm chảy từ bên dưới mặt đáy hố

móng lên bên trên mặt đáy hố móng, các hạt đất trong nền đất sẽ chịu lực đẩy nổi của áp lực nước thẩm thấu, một khi xuất hiện áp lực nước thẩm thấu quá lớn, các hạt đất sẽ ở vào trạng thái huyền phù trong nước đang lưu động, tạo ra hiện tượng phun trào

dst d stb d dst d G dst w stb d G stb





(2.3)

Trong đó:

i: gradient thủy lực ứng với chiều dài thấm dọc theo cột đất i h

d





d: khoảng cách từ mực nước ngầm dưới đáy

hố đào đến chân tường vây

d’: khoảng cách từ cao độ đáy đào cuối cùng đến mực nước ngầm dưới đáy hố đào

 : dung trọng của lớp đất trên mực nước ngầm

: dung trọng của lớp đất dưới mực nước ngầm

, 1.35

G dst

  hệ số riêng cho thành phần gây mất ổn định

G stb

  hệ số riêng cho thành phần giữ

ổn định

Kiểm tra điều kiện hệ số an toàn ổn định đáy

hố đào: ,

,

1.5

stb d s

dst d

G K S



2.3.2 Kiểm tra ổn định dòng thấm không có

áp của đáy hố đào (Nguyễn Bá Kế, 2006)

Khi nước ngầm chảy từ bên dưới mặt đáy hố lên phía trên thì các hạt đất trong nền sẽ chịu lực đẩy nổi của nước thẩm thấu, khi áp lực nước thẩm thấu quá lớn, các hạt đất sẽ ở trạng thái huyền phù tạo nên hiện tượng phun trào

Hình 2: Sơ đồ kiểm tra phun trào đáy hố đào

do dòng thấm

Lực thẩm thấu J tác dụng trong phạm vi phun

trào B là:

W DB (2.4)

Trong đó :

: trọng lượng đẩy nổi của đất;

D: độ sâu cắm vào đất của tường;

Nếu thỏa điều kiện W > J thì sẽ không xảy ra

hiện tượng phun trào, tức là thỏa mãn điều kiện:

2

s

w w w

K

  (2.5)

Trong đó:

Ks: hệ số an toàn chống phun trào, Ks ≥ 1.5

Do tường chắn đất hố đào chỉ là kết cấu chắn

đất tạm thời, để đơn giản việc tính toán có thể

lấy đường chảy ngắn nhất (Hình 2) tức là đường

chảy sát vào tường chắn để tìm lực chảy thấm

lớn nhất:

2.3.3 Kiểm tra theo phương pháp Gradient

thủy lực tới hạn

Hình 3: Sơ đồ kiểm tra bùng nền đáy hố đào

(phương pháp Gradient thủy lực tới hạn)

Hệ số an toàn chống bùng nền tính theo công

thức sau:

max

cr

s

i

F

i



Trong đó:

icr: độ dốc thủy lực tới hạn của đất dưới đáy

hố đào 1

1

s cr

G i

e







Gs: Ti trọng hạt của lớp đất dưới đáy hố đào

e: Hệ số rỗng của đất

Fs: Hệ số an toàn chống chảy thấm hay chống bùng nền, lấy F s 2

imax: Gadient thủy lực ứng với đường thấm ngắn nhất

max

w

h i

L



Với :

hw: Độ chênh cột áp giữa mực nước ngầm ngoài tường chắn và dưới đáy hố đào

L: Chiều dài đường thấm ngắn nhất (là đường thấm tiếp xúc dọc theo tường vây)

2.3.4 Kiểm tra theo phương pháp Terzaghi

Ta xét hệ số an toàn Fs là tỷ số giữa trọng lượng khối đất hướng xuống và áp lực thẩm thấu hướng lên, được xác định như sau:

s

w w

L F

h







 (2.6)

Trong đó:

w

 : dung trọng của nước

hw : chênh lệch cột nước giữa trong và ngoài

hố đào

Ld : khoảng cách từ đáy hố đào đến chân tường vây

Hệ số an toàn Fs được chọn như sau:

1.2

s

K  : cho kết cấu tường chắn tạm

1.5

s

K  : cho kết cấu tường chắn vĩnh cửu 1.1 2.3.5 Hiện tượng phá huỷ dạng ống (Failure by piping)

Kiểm tra ổn định trồi (bùng) đáy hố đào (Chang-Yu Ou, 2006)

Nguyên nhân trồi (bùng) hố đào bắt nguồn từ trọng lượng đất bên ngoài hố đào vược qua khả năng chịu lực của lớp đất bên dưới đáy hố đào, làm cho đất bên dưới di chuyển đáy hố đào bị trồi lên nếu để trồi lên quá nhiều nó có thể là nguyên nhân dẫn đến toàn bộ hố đào bị sập

Hình 4 miêu tả hiện tượng cơ bản của trồi đáy

hố đào, mặt có hệ số an toàn nhỏ nhất là mặt có khả năng bị phá hoại hoặc bị phá hoại nghiêm trọng Có nhiều phương pháp của nhiều tác giả phân tích hiện tượng trồi đáy hố đào

Hình 4: Mô tả hiện tượng bùng đáy hố đào

Tính toán hệ số theo phương pháp Terzaghi:

Hình 5: Phương pháp phân tích trồi đáy

hố đào của Terzaghi

2.3.6 Tính toán ổn định trong Plaxis (Phi/c

reduction) - Nguyễn Viết Trung, 2009

Dạng tính toán ổn định là một lựa chọn có

sẵn trong Plaxis để tính toán hệ sô ổn định tổng

thể Tùy chọn này có thể được chọn dưới dạng một loại tính toán riêng trong bảng tổng hợp

Trong thiết kế tầng hầm, ta không chỉ quan tâm đến ổn định cuối cùng mà còn quan tâm đến

ổn định trong quá trình thi công Sự ổn định để chống lại phá hủy có thể định nghĩa bằng giá trị trung bình của hệ số an toàn Hệ số an toàn thường được định nghĩa là tỷ số của tải trọng phá hủy và tải trọng làm việc Đối với đất định nghĩa này không phải lúc nào cũng tiện lợi Hệ

số này sử dụng theo định nghĩa cơ học đất:

1 2

s

s F s

 (2.7)

Trong đó:

s1 : biểu diễn độ bền cắt đất đá

s2 : biểu diễn độ bền cắt cần thiết để cân bằng

Tỷ số của độ bền đất đá và độ bền tính toán nhỏ nhất cần thiết để cân bằng gọi là hệ số an toàn

tan tan

n s

c F c





 (2.8)

Trong đó c và j là các thông số độ bền, cr và

jr là các thông số độ bền giảm đủ để đạt được cân bằng Những mô tả trên là cơ sở của phương pháp Phi-C reduction có thể sử dụng trong tính toán hệ số an toàn của chương trình Plaxis

Trong trường hợp này lực dính kết và tan của góc ma sát giảm theo cùng tỷ lệ

tan tan

sf

c M

c





 (2.9)

Msf được đặt ở mức 1.0 tại thời điểm bắt đầu tính toán để đặt tất cả thông số vật liệu cho các giá trị đầu vào của chúng

Các thông số giảm độ bền được điều khiển bằng tổng Msf Thông số này tăng từng bước trong quá trình tính toán (bằng cách giảm cr và

jr) tới khi xuất hiện phá hủy Hệ số an toàn sau

đó được xác định bằng giá trị của Msf tại thời điểm phá hủy

3 PHÂN TÍCH DỰ ÁN HỐ ĐÀO 3.1 Mô hình phân tích

Công trình Căn hộ dự án X, Thành Phố Hồ Chí Minh có qui mô 02 khối tháp cao 26 tầng,

04 tầng hầm Vị trí công trình nằm trong khu

vực địa chất có tầng cát dày

Dự án được thi công theo biện pháp

Bottom-up, sử dụng tường vây DW800 dài 34m, chiều

sâu đào móng đại trà -15.9mGL hình 6

Ghi chú: GL cao độ mặt đất tự nhiên

Hình 6: Mặt cắt thi công dự án X

Các giai đoạn thi công:

Bước 1: Kích tải + Thi công tường vây Bước 2: Đào đất từ cao độ 0,00m xuống cao

trình -2,5m

Bước 3: Lắp hệ chống 1 tại cao độ -2,0m Bước 4: Hạ mực nước ngầm từ cao độ -5,0m

xuống -7,5m và đào đất xuống cao trình -6,5m

Bước 5: Lắp hệ chống lớp 2 tại cao độ -5,4m Bước 6: Hạ mực nước ngầm xuống cao độ

-11,0m và đào đất xuống cao trình -10,0m Bước 7: Lắp hệ chống 3 tại cao độ -8,9m

Bước 8: Hạ mực nước ngầm xuống cao độ

-14,3m và đào đất xuống cao trình -13,3m

Bước 9: Lắp hệ chống 3 tại cao độ -12,2m Bước 10: Hạ mực nước ngầm xuống cao độ

-16,9m và đào đất xuống cao trình -15,9m

Hình 7: Mô hình Plaxis 2D công trình X

Hình 8: Mô hình Plaxis 3D công trình X

Công trình lân cận được xem xét mô hình

gần đúng với thực tế nhất Trong mô phỏng

Plaxis 2Dv20 sàn, dầm, cột, móng được mô

hình bằng phần tử Plate với độ cứng chống uốn EI và độ cứng chống nén EA như một kết cấu khung

Độ cứng khung mô phỏng trên 1 đơn vị m

dài Độ cứng khung 2D bao gồm tổng độ cứng

sàn dầm trên 1 m, được xác định bằng tổng độ

cứng 1 nhịp chia cho chiều dài nhịp Tĩnh tải và hoạt tải công trình lân cận được gán chung vào trọng lượng của phần tử Plate

Bảng 1: Tải trọng công trình lân cận trên 1 m 2 sàn

Hoạt tải Tĩnh tải bê tông cốt thép Tĩnh tải hoàn thiện Tổng tải 1,5kN/m2 3,5kN/m2 1,5kN/m2 6,5kN/m2

Bảng 2: Bảng thông số đầu vào công trình lân cận

Thông số Kí hiệu Sàn Cột Đơn vị

Mô ment quán tính I 3,08x10-4 2,25x10-4 m4/m

Diện tích tiết diện A 0,155 0,03 m2/m

Mô đun đàn hồi bêtông E 21000000 21000000 kN/m2

Độ cứng kháng uốn EI 6468 4725 kNm2/m

Độ cứng kháng nén EA 3150000 630000 kN/m Trọng lượng đơn vị w 3,75 1,5 kN/m/m

Hệ số poisson  0,15 0,15

Bảng 3: Kết quả chuyển vị tường vây

Trường

hợp

Chiều sâu tường vây (m)

Chuyển vị lớn nhất (mm)

MC HS TH1 26 48,13 31,35

TH2 28 52,02 31,87

TH3 30 53,65 32,35

TH4 32 55,32 32,95

TH5 34 56,88 33,64

TH6 36 58,92 34,33

TH7 38 61,22 35,11 Hình 11: Chuyển vị tường mô hình MC và HS

Hình 12: Mặt cắt thông số tính toán ổn định đáy hố đào

Bảng 4: Tổng hợp kết quả hệ số ổn định tổng thể và ổn định đáy hố đào

Trường

hợp

Chiều sâu

tường vây

(m)

Tỷ số

Hp/Hw

Hệ số ổn định tổng thể Msf

Hệ số ổn định tổng thể [Msf]

Hệ số ổn định đáy hố đào

Hệ số ổn định đáy hố đào [Min] Theo Terzaghi TH1 26 0,85 2,31 1,2 1,6 2,0

TH2 28 1,02 2,36 1,2 1,97 2,0

TH3 30 1,18 2,36 1,2 2,26 2,0

TH4 32 1,35 2,52 1,2 2,56 2,0

TH5 34 1,52 2,77 1,2 2,86 2,0

TH6 36 1,69 2,87 1,2 3,16 2,0

TH7 38 1,86 3,03 1,2 3,46 2,0

Hình 13: Biểu đồ tương quan giữa hệ

tường vây giữa model MC và HS

Hình 14: Biểu đồ hệ số ổn định tổng thể số

ổn định và chiều dài tường vây

3.1 Mô hình phân tích ngược trong Plaxis

Sử dụng Plaxis 2Dv20 để phân tích, tính

toán chuyển vị tường vây trong các trường

hợp này Mô hình HS được lựa chọn để phân

tích ứng xử của các lớp đất Thông số mô hình

HS được xác định từ thí nghiệm trong phòng

CD, CU, OED và thí nghiệm hiện trường theo

phương pháp bán kinh nghiệm như VST, SPT

Đối với đất dính, sử dụng phân tích ứng

suất tổng (Undrained B trong Plaxis) với

φu=0, sức chống cắt không thoát nước cu=Su

được xác định từ thí nghiệm hiện trường hoặc

thí nghiệm trong phòng Giá trị độ cứng E50

được lấy theo giá trị Su Với đất rời, sử dụng

phân tích ứng Drain không phát sinh áp lực

nước lỗ rỗng thặng dư Thông số sức chống

cắt lấy từ thí nghiệm tương quan với N, giá trị

độ cứng E50 lấy theo N Do lớp đất 4a và 4b là

lớp đất cát dày, do vậy việc phân chia lớp đất

thành các lớp nhỏ < 5m để xác định giá trị E50

là tương đối phù hợp với ứng xử đất theo

chiều sâu

Đối với các lớp sét khi sử dụng phân tích

Undrained B với φu=0 hàm mô tả E50 bị suy

biến, giá trị E50 không phụ thuộc vào σ3 và

hàm số mũ m Vì vậy giá trị E50ref nhập vào

mô hình cũng chính là E50 của cả lớp không

thay đổi theo độ sâu Bảng số liệu sử dụng mô

hình HS cho bài toán phân tích ngược được

thể hiện bảng 5

Hình 15: Mô hình Plaxis 2Dv20 phân chia

lớp đất 4a và 4b nhiều lớp

Hình 16: Mô hình Plaxis 3Dv20 phân chia

lớp đất 4a và 4b nhiều lớp

Bảng 5: Thông số điều chỉnh trong phương pháp phân tích ngược

Lớp

đất

Độ sâu (m)

SPT (N)

’ (o)

c’

(kPa)

Su

(kPa) E50

ref E50oe

d E50ur m

T 0-0,3 4 25 - - 18000 E50ref 3 E50ref 0,5

1 0,3-3,5 2-5 22o43’ - 172 500Su E50ref 3 E50ref 0,75

2 3,5-6,7 4-29 38o - - 2000N E50ref 3 E50ref 0,5

3 6,7-10,8 4-9 21o52’ - 189 500Su E50ref 3 E50ref 0,7

4a 10,8-18 6-10 32o44’ 14,3 - 2000N E50ref 3 E50ref 0,7

4b 18-42,2 18-25 33o05’ 14,7 - 2000N E50ref 3 E50ref 0,7

5 42,2-57,5 32-45 24o41’ 42,8 - 2000N E50ref 3 E50ref 0,7

6 57,5-80,2 40- 50 32o51’ - - 2000N E50ref 3 E50ref 0,7

Hình 17: Chuyển vị ngang Plaxis 2D và 3D

trong phân tích ngược

3.2 Lún công trình lân cận

Chuyển vị tường vây là một trong những

nguyên nhân ảnh hưởng đến công trình lân cận

thông qua độ lún Chuyển vị ngang tường vây là

một nhân tố quan trọng và gần như có thể đánh

giá được tác động của việc thi công hố đào đến công trình lân cận và nền xung quanh Từ đó xem xét mức độ ảnh hưởng của độ lún tới công trình lân cận để có biện pháp gia cường, xử lý hạn chế độ lún trước khi thi công tầng hầm Ngoài ra, giá trị này cũng là giá trị tham khảo cho đơn vị thiết kế, thi công và Chủ đầu tư

Độ lún công trình lân cận xung quanh hố đào phụ thuộc rất nhiều yếu tố chẳng hạn như: mức

độ chuyển vị ngang tường vây, thời gian thi công tầng hầm, độ lún do công tác hạ mực nước ngầm, do ảnh hưởng độ cứng thanh chống, tải trọng công trình và kết cấu móng

Ngoài ra các yếu tố khác về điều kiện địa chất cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ lún công trình

Do đó việc tính toán bằng giải tích là phức tạp không thể xem xét đồng thời được tất cả yếu tố trên Trong trường hợp này phương pháp phần tử hữu hạn tỏ ra tối ưu hơn trong việc giải quyết được đồng thời tất cả những yếu tố trên Tùy theo mức độ nguy hiểm, kỹ sư thiết kế có thể đưa ra mức cảnh báo khi vượt quá giới hạn đã đề nghị

Bảng 6: Bảng giá trị điều kiện cảnh báo trong thi công hố đào sâu

Loại Mức cảnh báo

(mm)

Mức xử lý (mm)

Mức báo động (mm)

Lún công trình lân cận 25 35 45