phân tích ứng xử của hố đào sâu sử dụng hệ thống chống đỡ áp lực đất với thanh giằng ứng suất trước

Phân tích và điều chỉnh kích thước, thông số… của hệ thanh giằng ứng suất trước nhằm đảm bảo sự làm việc của tường vây được chống đỡ bằng hệ thống này tương đồng về chuyển vị và nội lực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS LÊ TRỌNG NGHĨA

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS NGUYỄN TRUNG KIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

4 Ủy viên: TS LÊ TRỌNG NGHĨA

5 Thư ký: TS CAO VĂN HOÁ

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm Mã số: 8580204 I TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỐ ĐÀO SÂU SỬ DỤNG HỆ THỐNG CHỐNG ĐỠ ÁP LỰC ĐẤT VỚI THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

ANALYSIS BEHAVIOR OF DEEP EXCAVATION USING EARTH RETENTION SYSTEM WITH PRESTRESSED WALES

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ:

Phân tích ứng xử của hố đào sâu sử dụng hệ thống chống đỡ áp lực đất với thanh giằng ứng suất trước Xét cùng một điều kiện địa chất trên cùng một hố đào sâu trong hai bài toán khác nhau tương ứng hai hệ thống chống đỡ áp lực đất : hệ thanh giằng ứng suất trước và hệ shoring truyền thống Phân tích và điều chỉnh kích thước, thông số… của hệ thanh giằng ứng suất trước nhằm đảm bảo sự làm việc của tường vây được chống đỡ bằng hệ thống này tương đồng về chuyển vị và nội lực với tường vây được chống đỡ bằng hệ shoring Từ đó so sánh khối lượng và đánh giá hiệu quả kinh tế, tiến độ trong việc sử dụng phương án chống áp lực đất bằng hệ thanh giằng ứng suất trước đối với hệ shoring truyền thống

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/09/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

GVHD1 : TS LÊ TRỌNG NGHĨA GVHD2 : TS NGUYỄN TRUNG KIÊN

Nội dung Đề cương Luận văn Thạc sĩ được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

▪ Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Lê Trọng

Nghĩa và Thầy Tiến sĩ Nguyễn Trung Kiên đã luôn tận tình dẫn dắt,

hướng dẫn và động viên tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn Thạc sĩ này, các thầy đã không quản thời gian ngày hay đếm, luôn tận tâm đối với các học viên nói chung và cá nhân tác giả nói riêng

▪ Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên cùng nhóm hướng dẫn của hai thầy – bạn Ngọc Sơn, bạn Minh Trung, đã đồng hành, chia sẽ và giúp đỡ về chuyên môn cũng như các hoạt động trong quá trình thực hiện luận văn ▪ Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn khích lệ, động viên và

giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót; tác giả rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Đào hầm sâu là một trong những giai đoạn phức tạp nhất trong quá trình xây dựng kết cấu vì tính chất tốn kém về chi phí và thời gian Đối với trình tự thi công từ dưới lên, hệ shoring là phương pháp thông dụng để chống đỡ tầng hầm ở Việt Nam Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải một số nhược điểm lớn, chẳng hạn như không gian làm việc hạn chế, thời gian lắp đặt kéo dài và rất tốn kém Theo đó, luận án này trình bày một hệ thống chắn giữ mới, đó là hệ thống thanh giằng ứng suất trước (UST) dạng vòm, được kỳ vọng rút ngắn thời gian đào, tạo hiểu quả kinh tế cao hơn Nghiên cứu tập trung thiết kế hệ thống chống bằng thanh giằng ứng suất trước cho một dự án 2 tầng hầm cụ thể tại Việt Nam Trong cùng một dữ liệu đầu vào về điều kiện kết cấu công trình, điều kiện địa chất, số tầng chống, v.v, hệ thống thanh giằng ứng suất trước được thiết kế để khống chế chuyển vị tường vây xấp xỉ bằng giá trị chuyển vị của phương pháp hệ thống chống đỡ bằng shoring hiện tại Sau đó so sánh toàn diện giữa 2 hệ thống, nêu rõ ưu điểm của hệ thống mới so với hệ thống shoring truyền thống như tiết kiệm vật liệu, tạo không gian làm việc rộng rãi cho công tác đào Nghiên cứu cũng đưa ra thêm những lưu ý đến các mục cần thiết trong thiết kế hệ thống mới này, như kiểm tra chuyển vị tường vây theo phương ngang, thiết kế thanh chống góc chịu lực nén rất lớn và thiết kế các chân của hệ tường dự ứng lực chịu mômen do lực căng của cáp

ABSTRACT

Deep excavation is one of the most sophisticated stages during structural construction, because of its high-cost and time-consuming nature About bottom up construction sequence, shoring system is a customary method when it comes to basement excavation support in Viet Nam However, this method suffers from a number of pitfalls, such as limited workspace, prolonged installation, and very expensive Accordingly, this thesis presents a novel earth retention system, namely prestressed wale system, in which expected to shorten excavation time, make higher effective economy The study focuses to design the prestressed wale system for a specified project which 2 basements in Viet Nam In similar all input data about the project structure, soil condition, number of support layers, etc , the prestressed wale system is designed to control diaphragm displacement to be approximately equal with value of current shoring system method Then making a comprehensive comparison between 2 systems, the advantages of the new system compared to traditional shoring system are highlighted, for example saving material, create large workspace for excavating process The study also makes further notices to essential items in design this new system such as checking diaphragm wall displacement in horizontal direction, designing corner strut under huge compressive force and legs of prestressed wale system which carried moment due to tendon’s tension force

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan Luận văn thạc sĩ đề tài “PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỐ ĐÀO SÂU SỬ DỤNG HỆ THỐNG CHỐNG ĐỠ ÁP LỰC ĐẤT VỚI THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC ” là đề tài nghiên cứu khoa học do chính tác giả thực

hiện Đề tài được thực hiện theo đúng nhiệm vụ luận văn thạc sĩ, được thực hiện

dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa và Tiến sĩ Nguyễn Trung Kiên

Tất cả số liệu, kết quả tính toán, phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác Tác giả chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình

Tp.HCM, ngày 28 tháng 01 năm 2024

Học viên

TRƯƠNG NGỌC VIỄN

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Tính mới của nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU CHẮN GIỮ BẰNG HỆ THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Tình hình nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2 CỞ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU CHẮN GIỮ BẰNG HỆ THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC 10

2.1 Ý tưởng hình thành hệ chống áp lực đất với thanh giằng UST 10

2.2 Tính chất cơ học của hệ thanh giằng UST 12

2.3 Mô hình đất nền Hardening soil 15

2.4 Chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu 18

2.5 Chuyển vị lún nền công trình lân cận 19

2.6 Nhận xét chương 20

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU VỚI HỆ CHỐNG BẰNG THANH

GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC 21

3.1 Tổng quan về công trình 21

3.2 Chuẩn hóa chuyển vị tường vây từ số liệu quan trắc 22

3.3 Điều kiện địa chất 28

3.3.1 Hiệu chỉnh modul E’ref50 33

3.3.2 Tính tham số mũ m 40

3.4 Trình tự thi công 41

3.5 Mô phỏng Plaxis 3D 42

3.6 Tính toán kích thước hệ thanh giằng UST và lực căng cáp 45

3.6.1 Tính toán lực UST trong cáp và kích thước hệ 45

3.6.2 Tính toán lực nén trước trong dầm giằng góc 49

3.7 So sánh kết quả phương pháp hệ shoring và hệ thanh giằng UST 50

3.7.1 Chuyển vị 50

3.7.2 Nội lực 51

3.8 Phân tích sự làm việc của hệ thanh giằng UST 56

3.8.1 Chuyển vị mặt cắt phương đứng 56

3.8.2 Chuyển vị mặt cắt phương ngang 57

3.9 Nội lực dầm giằng góc và tiết diện khung hệ thanh giằng UST 63

3.9.1 Dầm giằng góc 63

3.9.2 Khung hệ thanh giằng Wale 4 67

3.10.So sánh vật liệu giữa hai phương án 72

3.11.Hình ảnh tham khảo cấu tạo và liên kết hệ thanh giằng UST 73

3.12.Tổng kết chương 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ shoring chống đỡ hố đào sâu 5

Hình 1.2 Chống đỡ tường vây bằng hệ neo đất 6

Hình 1.3 Hệ chống áp lực đất bằng thanh giằng UST[1] 6

Hình 1.4 Mặt bằng hệ thanh giằng dự án kênh đào [2] 7

Hình 1.5 Mặt bằng bố trí hệ thanh giằng UST và mặt cắt hố đào [1] 7

Hình 1.6 Mặt bằng hệ thanh giằng UST dự án tại Giang Âm, Trung Quốc [3] 8

Hình 1.7 So sánh chuyển vị tính toán và quan trắc của hố đào [3] 9

Hình 2.1 Mặt bằng hệ shoring truyền thống và hệ thanh giằng UST 11

Hình 2.2 Cấu tạo hệ thanh giằng UST và sơ đồ truyền lực [1] 12

Hình 2.3 Kích thước điển hình của hệ thanh giằng UST [1] 14

Hình 2.4 Mặt dẻo mô hình Hardening – soil trong không gian ứng suất chính 16

Hình 2.5 Định nghĩa E50 và Eur trong thí nghiệm nén ba trục [7] 16

Hình 2.6 Định nghĩa refoedE trong thí nghiệm nén cố kết 17

Hình 2.7 Mối tương quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây với chiều sâu của hố đào [9] 18

Hình 2.8 Chuyển vị tường vây ảnh hưởng tới độ lún công trình lân cận 19

Hình 2.9 Biểu đồ quan hệ độ lún nền và chuyển vị ngang tường vây [10] 20

Hình 3.1 Mặt bằng công trình 21

Hình 3.2 Mặt cắt hố đào 22

Hình 3.3 Mặt bằng định vị trường vây và vị trí đặt quan trắc 23

Hình 3.4 Chuyển vị quan trắc tường vây CV2 trước hiệu chỉnh 24

Hình 3.5 Chuyển vị quan trắc tường vây CV6 trước hiệu chỉnh 25

Hình 3.6 Chuyển vị quan trắc tường vây CV2 sau hiệu chỉnh 27

Hình 3.7 Chuyển vị quan trắc tường vây CV6 sau hiệu chỉnh 27

Hình 3.8 Vị trí hố khoan 28

Hình 3.9 Hình trụ hố khoan BH02 30

Hình 3.10 Thí nghiệm CU từ mẫu BH01-UD3 ứng với áp lực buồng 100KN/m2 33Hình 3.11 Giá trị modul đàn hồi của đất theo đề xuất của Bowles [13] 35

Hình 3.12 So sánh chuyển vị lớn nhất giữa quan trắc và tính toán tại điểm CV2 36

Hình 3.13 Tính toán giá trị Su từ thí nghiệm ba trục CU 37

Hình 3.14 Chuyển vị tường vây CV2 (DW4) sau hiệu chỉnh 38

Hình 3.15 Chuyển vị tường vây CV6 (DW2) sau hiệu chỉnh 39

Hình 3.16 Mặt cắt tường sau khi đào giữa thực tế và mô hình 43

Hình 3.17 Điều kiện biên mô hình trong Plaxis 44

Hình 3.18 Mặt bằng hệ dầm shoring tại tầng chống -2.7m 45

Hình 3.19 Mặt bằng hệ dầm shoring tại tầng chống -6.7m 46

Hình 3.20 Mặt bằng hệ thanh giằng tại mỗi cao độ tầng chống 47

Hình 3.21 So sánh chuyển vị của tường vây giữa 2 phương pháp 50

Hình 3.22 Phase đào -7.5m – Moment (KNm/m) 51

Hình 3.27 Chuyển vị tường vây DW4 sử dụng hệ thanh giằng UST 56

Hình 3.28 Chuyển vị tường vây DW4 tại cao trình -2.7m 60

Hình 3.29 Chuyển vị tường vây DW1 tại cao trình -6.7m 62

Hình 3.30 Mặt bằng vị trí triết diện dầm thép tại hệ thanh giằng Wale 4 63

Hình 3.31 Chi tiết chân hệ thanh giằng 73

Hình 3.32 Chi tiết đầu căng cáp 73

Hình 3.33 Một dạng hệ thanh giằng không chân chống xiên 74

Hình 3.34 Liên kết góc hố đào 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Lực nén và biến dạng của hệ chống lớp 1 tại CK19 26

Bảng 3.2 Chuyển vị tăng thêm của tầng chống giữa CK19 và CK46 26

Bảng 3.3 Thông số đất nền (phần 1) 31

Bảng 3.4 Thông số đất nền (phần 2) 32

Bảng 3.5 Tổng hợp tính toán E'50ref từ thí nghiệm CU 34

Bảng 3.6 Modul E'50ref của các lớp đất từ thí nghiệm CU cho đất sét và từ SPT với đất cát 34

Bảng 3.7 Bảng tổng hợp modul E'50ref sau hiệu chỉnh 37

Bảng 3.8 Tham số m 40

Bảng 3.9 Thông số tường vây D800 42

Bảng 3.10 Thông số dầm waller, chân chống hệ vòm và chống xiêng trong phương án hệ thanh giằng UST 43

Bảng 3.11 Thông số dầm chống hệ shoring 43

Bảng 3.12 Thông số cáp 44

Bảng 3.13 Áp lực phân bố đều ở tầng chống thứ nhất 48

Bảng 3.14 Áp lực phân bố đều ở tầng chống thứ hai 48

Bảng 3.15 Bảng lực căng và số lượng cáp theo từng hệ giằng 48

Bảng 3.16 Kích thước các hệ thanh giằng 48

Bảng 3.17 Lực nén tại các dầm góc 49

Bảng 3.18 Lức nén trong dầm giằng góc GX1 & GX4 lớp thứ nhất -2.7m 63

Bảng 3.19 Lực nén trong dầm giằng góc GX1 & GX4 lớp thứ nhất -6.7m 64

Bảng 3.20 Nội lực các thanh giằng của hệ Wale 4 tầng chống thứ hai -6.7m 67

Bảng 3.21 Bảng tổng hợp khối lượng hai phương án 72

MỞ ĐẦU

1 Bối cảnh và tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng và tập trung đông đúc dân cư vào các khu thành thị đòi hỏi các khu chung cư, nhà cao tầng cần được xây dựng nhiều hơn, dày hơn để đáp ứng nhu cầu ăn ở và làm việc của người dân Đi đôi với điều đó, tầng hầm cho nhà cao tầng là một thiết kế tất yếu cần có vì làm tăng diện tích xây dựng, tạo khu vực đổ xe cho dân cư, khu vực ăn uống, siêu thị…và giúp công năng công trình hiệu quả, hợp lý hơn

Thi công hố đào sâu của tầng hầm luôn là giai đoạn khó khăn, tốn kém chi phí và tiến độ kéo dài vì cần thực hiện nhiều công tác như thi công tường vây, lắp dựng hệ chống, đào đất… Phương án phổ biến hiện nay để chắn giữ hố đào của các nhà thầu xây dựng Việt Nam là dùng hệ shoring chống áp lực đất Phương án này gặp một số hạn chế lớn là hệ thống dầm chống dày đặc, khoảng cách thường từ 4-8m, dẫn đến công tác đào đất hoạt động trong không gian chật chội, gặp nhiều trở ngại, chậm chạp…Phương án này cũng tốn chi phí cao vì khối lượng vật liệu cần cho hệ chống lớn, thời gian lắp dựng, chi phí nhân công cao một cách tương ứng Bên cạnh phương án hệ chống bằng shoring, hệ neo đất là một giải pháp khác khá phổ biến, phương pháp này giúp tạo không gian trong hố đào rất thông thoáng Tuy nhiên phương án này gần như bị giới hạn đối với các công trình trong thành phố vì xung đột với các kết cấu ngầm công trình lân cận và sự cho phép thi công từ chính quyền Giải quyết những nhược điểm của hệ shoring, khai thác ưu điểm về tạo không gian thông thoáng của hệ neo đất, hệ chống giữ áp lực đất với thanh giằng ứng suất trước được nghiên cứu và phát triển Phương án này được ứng dụng nhiều trong thi công hố đào sâu ở Hàn Quốc, Trung Quốc… Tuy nhiên, Ở Việt Nam, công nghệ chắn giữ áp lực đất với thanh giằng UST vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng Do đó, đề tài nhằm nghiên cứu chi tiết, hệ thống đầy đủ quy trình tính toán và thi công phương pháp chống giữ áp lực đất mới này để áp dụng thực tiễn vào thi công hố đào sâu ở Việt Nam, giúp quá trình thi công hố đào nhanh chóng, dễ dàng, chi phí thấp đáng kể so với phương án shoring truyền thống

2 Phạm vi nghiên cứu

Đánh giá sơ bộ dữ liệu địa chất để chọn bộ thông số phù hợp Tập trung nghiên cứu sự làm việc của hệ chống áp lực đất bằng thanh giằng UST, tính toán kích thước hệ thanh giằng UST tương ứng điều kiện dự án

3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng, tính toán hệ thống chống đỡ bằng thanh giằng UST trong thi công hố đào sâu của một dự án cụ thể, bao gồm kích thước hệ thanh giằng, tính toán số lượng cáp mỗi hệ, tính toán kích thước và lực kích trong dầm chống xiên hố đào So sánh ưu điểm, nhược điểm của hệ thanh giằng UST và hệ shoring truyền thống

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính của luận văn là sử dụng Plaxis 3D để mô phỏng sự làm việc của hệ thanh giằng UST trong hố đào sâu Hệ shoring tương ứng cũng được mô phỏng trong mô hình plaxis 3D trên cùng một dự án để tính toán áp lực đất vào hệ thanh chống shoring nhằm suy ra giá trị lực UST trong hệ thanh giằng Từ việc thiết lập 2 mô hình làm việc tương đồng nhau có thể rút ra được ưu nhược điểm của hệ thanh giằng UST so với hệ shoring

5 Tính mới của nghiên cứu

Phương pháp chống đỡ áp lực đất bằng thanh giằng UST mặc dù được sử dụng khá nhiều ở một số nước Châu Á như Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc… vì những ưu điểm của nó mang lại Những bài báo quốc tế về hệ chống này chủ yếu trình bày lý thuyết cơ bản và dữ liệu kết quả của hố đào khi áp dụng nó Hơn nữa, ở Việt Nam, chưa có dự án nào được tính toán và áp dụng phương pháp hệ thanh giằng UST Do đó, nghiên cứu này nhằm đưa ra quy trình tính toán của hệ chống thanh giằng UST trên công trình thực tế ở Việt Nam, sử dụng phần mềm Plaxis 3D

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu này nhằm mục đích đưa ra quy trình tính toán chi tiết và cấu tạo của hệ thống chống áp lực đất bằng thanh giằng UST, từ đó ứng dụng vào thực tiễn trong thi công hố đào sâu ở Việt Nam Giải pháp này mang lại nhiều ưu việt như tạo không gian cực rộng trong thi công hố đào, tiết kiệm nguyên vật liệu, nhân công, rút ngắn thời gian lắp dựng…từ đó tiết kiệm chi phí Phương pháp này càng hiệu quả đối với hố đào có kích thước lớn trong khu vực đông dân cư, nơi mà hệ chống áp lực đất bằng neo đất bị giới hạn, hệ shoring dày đặc và tốn kém vì kích thước quá dài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU CHẮN GIỮ BẰNG HỆ THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

1.1 Giới thiệu

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng và tập trung đông đúc dân cư tại các thành phố, đòi hỏi các nhà cao tầng cần thiết kế thêm các tầng hầm nhằm tối ưu hóa không gian Việc thi công các tầng hầm này khá phức tạp, chi phí cao, thời gian dài do bao gồm nhiều công tác như : thi công tường bao, hạ mực nước ngầm, chống đỡ áp lực đất, đào đất, thi công kết cấu chính…Nếu có được giải pháp tốt trong thi công hố đào sâu sẽ giúp rút ngắn tiến độ, tiết kiệm chi phí rất lớn

Xét về hướng thi công hố đào sâu, có 2 phương pháp chủ đạo trong quy trình thi công hố đào sâu là “Bottom-up” và “Top-Down” Bottom-up là quy trình thi công kết cấu sàn cột bắt đầu từ dưới móng đi lên, tường vây được chống giữ bởi các hệ chống tạm từ trên xuống, đi cùng quá trình đào đất “Top-down” là phương pháp sử dụng các sàn hầm được thi công từ trên xuống làm hệ chống đỡ áp lực đất, các sàn này được đỡ bằng các kingpost thường đặt đúng tại vị trí cột bê tông hoặc vách của kết cấu chính

Xét riêng về quy trình thi công Bottom-up, hiện nay phổ biến 2 phương pháp là sử dụng hệ chống đỡ áp lực đất bằng shoring hoặc hệ neo trong đất

Hệ chắn áp lực đất bằng shoring gồm những dầm thép ngang được lắp đặt giữa 2 tường đối diện, với khoảng cách từ 3-8m để chống lại áp lực theo phương ngang của đất truyền lên tường vây (Hình 1.1) Hệ này lắp dựng đơn giản nhưng do bố trí dày dẫn đến hạn chế không gian thi công trong hố đào, thời gian lắp dứng lâu và tốn kém chi phí

Hình 1.1 Hệ shoring chống đỡ hố đào sâu

Một hệ chống áp lực đất khác được sử dụng tương đối phổ biến là hệ neo đất Hình 1.2 Cấu tạo neo đất gồm bầu neo được tạo ra do khoan vào đất và bơm vữa lấp đầy Bầu neo giúp tạo điểm cố định cho neo do lực ma sát với đất Thành phần thứ 2 của neo là cáp neo, 1 đầu nằm trong bầu neo, đầu còn lại liên kết với vách, cáp được căng UST để giảm chuyển vị của vách và giúp hệ neo làm việc tức thì sau khi căng

Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn tồn đọng nhiều hạn chế Trong khu vực thành thị, thường các công trình dày đặc gần nhau, “hệ neo trong đất” khó có thể áp dụng vì xung đột với kết cấu ngầm công trình lân cận như cọc, tường vây Đối với các công trình kích thước lớn, hệ shoring mang lại hiệu quả kém do khoảng cách 2 vách đối diện dài

Hình 1.2 Chống đỡ tường vây bằng hệ neo đất

Để khắc phục những nhược điểm của 2 hệ chống áp lực đất phổ biến nói trên, dựa trên cơ sở làm việc của kết cấu UST, hệ chống áp lực đất với thanh giằng UST được nghiên cứu và đưa vào áp dụng thực tế (Hình 1.3)

Hình 1.3 Hệ chống áp lực đất bằng thanh giằng UST[1]

1.2 Tình hình nghiên cứu

Mặc dù phương pháp hệ chống áp lực đất với thanh giằng UST chưa được nghiên cứu và áp dụng ở Việt Nam, nó được phát triển khá rộng rãi ở Hàn Quốc, Trung Quốc Những Nghiên cứu có thể kể đến là của Kim và cộng sự (2004)[2], giới thiệu tính chất cơ học và ứng dụng của phương pháp mới này trong một dự án hố đào rãnh nước sâu 5.2m, rộng 7m (Hình 1.4) với hai tầng chống, nghiên cứu đánh giá hiệu quả chuyển vị của tường vây dưới tác dụng của lực căng cáp

Hình 1.4 Mặt bằng hệ thanh giằng dự án kênh đào [2]

Năm 2009, Jong-Sik Park và cộng sự [1] phát triển thêm với điều chỉnh của lực kích trước trong hệ chống xiên ở góc, dự án hố đào được nghiên cứu có độ sâu 14.4m, sử dụng 3 đến 4 tầng chống bằng hệ thanh giằng (Hình 1.5) Nghiên cứu đánh giá cụ thể số liệu thiết kế, giá trị điều chỉnh thực tế, kết quả quan trắc chuyển vị tường vây, lực nén các dầm chống của hệ thanh giằng và lực nén trong dầm chống xiên

Hình 1.5 Mặt bằng bố trí hệ thanh giằng UST và mặt cắt hố đào [1]

Ngoài ra, Tugen Feng và cộng sự (2017) [3] đã thực hiện mô phỏng và phân tích đặc tính ứng xử 3D bằng phần mềm phần tử hữu hạn FLAC3D của một dự án hố

đào sâu sử dụng hệ thanh giằng UST, dự án được nghiên cứu gồm 2 tầng hầm sâu 8m của 3 khối chung cư và thương mại (Hình 1.6) tại Giang Âm, Giang Tô, Trung Quốc Kết quả tính toán được kiểm chứng với số liệu quan trắc (Hình 1.7) trên công trường cho thấy hiệu quả làm việc đáng tin cậy của hệ thanh giằng UST

Hình 1.6 Mặt bằng hệ thanh giằng UST dự án tại Giang Âm, Trung Quốc [3]

Hình 1.7 So sánh chuyển vị tính toán và quan trắc của hố đào [3]

Về đặc trưng cơ học của hệ thanh giằng UST, lực căng trước trong cáp tạo một lực hay moment ngược hướng tác dụng với lực ngoài Phương thức hoạt động hoàn toàn tương tự các hệ kết cấu UST như sàn dầm UST – loại kết cấu được sử dụng rộng rải trong công trình xây dựng Tính chất cơ học kết cấu UST được trình bày trong rất nhiều tài liệu như của Timoshenko và Gere (1961)[4] hay của Shami Khan và Martin William (1995) [5]

CHƯƠNG 2 CỞ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU CHẮN GIỮ BẰNG HỆ THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

2.1 Ý tưởng hình thành hệ chống áp lực đất với thanh giằng UST

Trong thi công hố đào sâu, phương pháp dùng hệ shoring chống áp lực ngang của đất được sử dụng rất phổ biến Tuy nhiên, phương án này còn nhiều điểm bất lợi Thứ nhất, các dầm ngang cần bố trí dày 4-8m theo hai phương bên trong hố đào, dẫn đến vận hành của xe đào gặp nhiều trở ngại và thao tác chậm Kế đến, vì bố trí dày nên quá trình lắp dựng mất nhiều thời gian và nhân lực, chi phí cao Để khắc phục những nhược điểm này, phương pháp neo đất là một lựa chọn tốt giúp tạo không gian thông thoáng trong hố đào Tuy vậy, phương pháp này gặp một số hạn chế, đặc biệt trong khu vực thành thị nơi nhiều công trình lân cận nhau Đó là vì mũi neo có thể bị xung đột với kết cấu ngầm lân cận như vách hầm, cọc…hoặc không được chính quyền phê duyệt cho phép thi công Bên cạnh, phương án cáp ứng lực được sử dụng trong kết cấu sàn dầm vượt nhịp lớn đã được nghiên cứu, ứng dụng phổ biến trong xây dựng Dựa trên nguyên lý lực UST tạo ra thành phần moment hoặc lực ngược chiều tác động của ngoại lực, từ đó phát triển ý tưởng sử dụng lực UST trong hệ dầm thép dạng vòm có các sợi cáp ở biên Lực căng trong cáp tạo ra lực nén trong các chân của hệ vòm, lực nén này có hướng tác dụng ngược với áp lực đất lên thành hố đào, hai lực ngược chiều này có xu hướng triệt tiêu nhau, do đó hệ vòm với thanh giằng UST hoạt động như một dầm dài UST chống lại áp lực đất Với hệ shoring, chuyển vị tường vây được tính từ khi bắt đầu đào đến kết thúc giai đoạn đào Trong khi với hệ thanh giằng UST, chuyển vị của tường vây được giảm trước một khoảng trong giai đoạn UST, gọi đó là “tiền chuyển vị” Chuyển vị sau cùng tại thời điểm kết thúc giai đoạn đào bằng chuyển vị tăng thêm kể từ lúc bắt đầu đào đến kết thúc trừ đi giá trị “tiền chuyển vị” Phương án này giải quyết được các nhược điểm chính của phương án hệ shoring và hệ neo đất

Hình 2.1 Mặt bằng hệ shoring truyền thống và hệ thanh giằng UST

2.2 Tính chất cơ học của hệ thanh giằng UST

Lý thuyết về tính chất cơ học của hệ thanh giằng UST được trích dẫn theo nghiên cứu của Jong-Sik Park và cộng sự (2009) [1]

Xét với một hệ thanh giằng UST cơ bản gồm 4 chân như Hình 2.2a, sơ đồ truyền lực được diễn giải theo Hình 2.2b

Hình 2.2 Cấu tạo hệ thanh giằng UST và sơ đồ truyền lực [1] Giả định lực nén trong các chân chính thẳng đứng cùng bằng V

Do tổng lực nén cân bằng với áp lực đất w, có được :

4V =wL (2.1) Với :

w : áp lực đất trên mỗi m dài (KN/m2/m) L : chiều dài hệ thanh giằng UST

Cân bằng lực tại nút B :

Psin1−Psin2− =V 0 (2.2) Pcos1−Pcos2+He =0 (2.3)

Cân bằng lực tại nút C :

Psin2− =V 0 (2.4) Pcos2+Hi =P (2.5) Với :

P : lực ứng suất trước

He, Hi : tổng thành phần lực ngang trong các thanh giằng tại nút B và C

α1, α2 : góc nghiêng của cáp so với phương ngang tại nút A và B (⁰)

Từ (2) và (4), tìm được mối quan hệ của α1, α2

sin1=2sin2 (2.6) Từ (1), (4) và (6) , rút ra được công thức tính lực UST P trong cáp :

wLP

Hình 2.3 Kích thước điển hình của hệ thanh giằng UST [1]

Như vậy, với một hệ thanh giằng được chọn trước có kích thước phù hợp (8) và áp lực đất tác dụng vào dầm bao tại cao trình đặt hệ thanh giằng, tính được lực UST sơ bộ trong cáp và suy ra số lượng cáp sơ bộ, lực nén V trong các chân của hệ chống giúp xác định tiết diện các chân này, từ đó thiết kế hoàn chỉnh hệ thanh giằng UST Đối với các hệ thanh giằng có số chân khác nhau, quy trình thiết lập công thức hoàn toàn tương tự

2.3 Mô hình đất nền Hardening soil

Mô hình Hardening soil hay còn gọi là mô hình tăng bền, là mô hình đàn dẻo,được đề xuất bởi Schanz, Vermeer và Bonnie [6] Điểm khác biệt với mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb là sau giai đoạn đàn hồi tuyệt đối, vật liệu không dẻo tuyệt đối mà xảy ra hiện tượng chảy dẻo phi tuyến Độ cứng của vật liệu khi đó sẽ phụ thuộc vào điều kiện ứng suất Phần đàn hồi sử dụng 2 modul độ cứng là modun cát tuyến E50 và Eur Phần dẻo được mô tả bởi mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng theo đường cong hyperbol :

Với p chỉ ứng suất dẻo

Các thông số E50, Eur tại ứng suất bất kỳ được tính toán từ giá trị tham chiếu

 

 



Hình 2.4 Mặt dẻo mô hình Hardening – soil trong không gian ứng suất chính

Hình 2.5 Định nghĩa E50 và Eur trong thí nghiệm nén ba trục [7]

Hình 2.6 Định nghĩa refoed

E trong thí nghiệm nén cố kết

❖ Các thông số cơ bản của mô hình HS: - Các thông số cường độ :

c' : Lực dính hữu hiệu (kN/m2) φ' : Góc ma sát trong hữu hiệu (độ) ψ: Góc giãn nở (độ)

E : Mô đun tiếp tuyến trong thí nghiệm nén cố kết tại cấp áp lực tham chiếu (kN/m2)

E : Mô đun gia và giở tải tại cấp áp lực tham chiếu, thường mặc định bằng 3 50ref

E (kN/m2)

m : Số mũ của ứng suất phụ thuộc độ cứng

- Các thông số nâng cao nên được sử dụng ở dạng mặc định : νur : Hệ số poison khi dở tải và gia tải mặc định νur = 0.2

pref : Ứng suất tham chiếu của độ cứng mặc định pref = 100 (kN/m2) KoNC: Giá trị Ko ở điều kiện cố kết thường mặc định Koref = 1-sinφ Rf: Tỷ số phá hoại qf/qa mặc định Rf = 0.9)

2.4 Chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu

Chuyển vị ngang tường vây tạo nên chuyển vị đứng của nền đất lân cận, có ảnh hưởng lớn đến kết cấu các công trình xung quanh Do đó, kiểm soát tỉ lệ chuyển vị này là một điều kiện quan trọng trong thi công hố đào sâu

Nghiên cứu của Peck (1969) [8] thể hiện tỉ lệ chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây và độ sâu hố đào là hm/He =1.0% dựa trên số liệu quan trắc hố đào sử dụng tường cọc bản và tường cọc chống tại các dự án ở St Louis và Chicago

Nghiên cứu của Ou và các cộng sự (1993) [9] đã đánh giá giới hạn chuyển vị ngang của tường bằng cách khảo sát 10 dự án thi công trên nền sét mềm ở Đài Bắc Theo kết quả nghiên cứu, giá trị hm/He =0.2% 0.5%−

Hình 2.7 Mối tương quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây với chiều sâu của hố đào [9]

Để đảm bảo trạng thái giới hạn sử dụng được thõa mãn, hạn chế ảnh hưởng đến công trình lân cận, tỉ lệ chuyển vị tối đa của tường so với độ sâu đào He, thường

chọn trong khoảng (0.5% – 1.5%)He, tùy theo vị trí khoảng cách công trình lân cận đến hố đào dự án Những hạn chế khắt khe không cần thiết có thể dẫn đến thiết kế không kinh tế Đối với dự án Royal, xung quanh 3 mặt giáp đường, có lối đi vỉa hè, mặt còn lại chưa có công trình, do đó chuyển vị ngang giới hạn được chọn 0.67%He, tương ứng He/150

2.5 Chuyển vị lún nền công trình lân cận

Dưới ảnh hưởng chuyển vị ngang của tường vây, thể tích hố đào thu nhỏ lại, đồng thời thể tích nền đất xung quanh hố đào giảm đi, tạo nên hiện tượng lún của nền lân cận hố đào (Hình 2.8)

Hình 2.8 Chuyển vị tường vây ảnh hưởng tới độ lún công trình lân cận

Pakbaz và cộng sự (2013) [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng chuyển vị ngang của tường vây đến độ lún và đưa ra nhận xét rằng, giá trị độ lún nền xấp xỉ ½ lần chuyển vị ngang tường vây

Hình 2.9 Biểu đồ quan hệ độ lún nền và chuyển vị ngang tường vây [10] Dựa vào độ lún nền tính toán tại vị trí công trình lân cận, kiểm tra điều kiện độ lún cho phép, độ lún lệch cho phép để chọn giải pháp thiết kế biện pháp hố đào cũng như giải pháp gia cố công trình lân cận phù hợp và kinh tế

2.6 Nhận xét chương

- Tùy vào hình dạng, kích thước hố đào để bố trí hệ thanh giằng UST và các dầm chống lớn giữa các hệ thanh giằng một cách phù hợp, từ nhịp của hệ thanh giằng UST, chọn sơ bộ chiều cao, số chân của hệ Tính sơ bộ áp lực đất W (KN/m) lên tầng chống để chọn số lượng cáp, nếu số lượng cáp lớn, có thể chọn phương án tăng bán kính cong của hệ thanh giằng UST để tăng hiệu quả làm việc của cáp, hoặc tăng số lượng tầng chống cho hố đào

- Mô hình nền Hardening soil được áp dụng để thể hiện ứng xử của đất một cách chính xác theo từng giai đoạn cố kết, gia tải, dở tải

- Chuyển vị ngang giới hạn của tường vây được chọn He/150, với He là chiều sâu hố đào

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU VỚI HỆ CHỐNG BẰNG THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

3.1 Tổng quan về công trình

Dự án The Royal trên đường Bạch Đằng, Quận Hải Châu, Đà Nẵng được sử dụng để tính toán sự làm việc của hệ chống áp lực đất bằng hệ shoring truyền thống và hệ thanh giằng UST Dự án với quy mô 2 tầng hầm và 29 tầng nổi với kích thước hầm 56mx55m, công trình 3 mặt giáp đường, mặt phía sau tiếp giáp khu đất trống (Hình 3.1)

Hình 3.1 Mặt bằng công trình

Bể chứa nước đặt dưới tầng hầm 2, cao độ đáy bể -12m từ mặt đất Tường vây barrete dày 800mm, dài 20m, hố đào sử dụng 2 tầng chống lần lượt tại cao độ -2.7m và -6.7m (Hình 3.2)

Hình 3.2 Mặt cắt hố đào

3.2 Chuẩn hóa chuyển vị tường vây từ số liệu quan trắc

Việc điều chỉnh modul cát tuyến của các lớp đất và chuẩn hóa chuyển vị tương vây được thực hiện đồng thời, kết quả của hai thao tác này bổ trợ nhau nhằm đạt giá trị phù hợp nhất của modul E và chuyển vị quan trắc sau hiệu chỉnh Công trình được bố trí 8 vị trí quan trắc đo chuyển vị như Hình 3.3 Sử dụng thiết bị quan trắc Inclinometer để đo chuyển vị của tường vây đến độ sâu -16m & -17.5m Đánh giá số liệu vị trí CV2, CV6 nhằm chuẩn hóa chuyển vị thực tế của tường vây

Hình 3.3 Mặt bằng định vị trường vây và vị trí đặt quan trắc

Chuyển vị quan trắc tường vây tại CV2 & CV6 trước hiệu chuẩn được thể hiện theo Hình 3.5 & Hình 3.5

Hình 3.4 Chuyển vị quan trắc tường vây CV2 trước hiệu chỉnh

Hình 3.5 Chuyển vị quan trắc tường vây CV6 trước hiệu chỉnh

Quá trình điều chỉnh số liệu quan trắc được tiến hành đồng thời với quá trình điều chỉnh '

Lực nén trong hệ cây chống tầng 1 tại CK19 ( sau giai đoạn đào 7.5m) được

thể hiện ở Bảng 3.1 Tường DW2 và DW4 cùng chung hệ shoring chống ngang, nên

lực nén và chuyển vị tăng thêm trong hệ shoring này giống nhau

Bảng 3.1 Lực nén và biến dạng của hệ chống lớp 1 tại CK19

Vị trí Lớp Tiết diện (KN) EA 1/2L shoring (m) Lực (KN) Biến dạng Đào -7.5m mm CV2 Shoring 1 2H350 6800000 27.5 3370 13.63

Giá trị biến dạng này là khoảng cách của 2 đường biến dạng của tường vây ở CK9 và CK19 sau hiệu chỉnh Hình 3.7 & Hình 3.7 tại vị trí tầng chống lớp 1

Sau khi lắp tầng chống lớp 2, chuyển vị tầng chống lớp 1 hầu như không đổi, điều đó thể hiện theo giá trị chuyển vị tăng thêm tại tầng chống lớp 1 (1.74mm) khi

đào xuống các phase đào tiếp theo (Bảng 3.2)

Bảng 3.2 Chuyển vị tăng thêm của tầng chống giữa CK19 và CK46

Vị trí Lớp Tiết diện EA (KN)

L/2 (m)

Lực(KN) Chuyển vị tăng thêm Phase

-7.5m

Phase

-12m mm CV2

Hình 3.6 Chuyển vị quan trắc tường vây CV2 sau hiệu chỉnh

Hình 3.7 Chuyển vị quan trắc tường vây CV6 sau hiệu chỉnh