Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích chuyển vị giới hạn tường vây theo hệ số an toàn

Chính vì vậy, tác giả thực hiện đề tài “PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ GIỚI HẠN TƯỜNG VÂY THEO HỆ SỐ AN TOÀN” nhằm xác định chuyển vị giới hạn tường vây ứng với hệ số an toàn cho phép thông qua mô

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 06 Năm 2017

TP HỒ CHÍ MINH 06/ 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Đỗ Thanh Hải

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Tô Văn Lận

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày 18 tháng 07 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ 2 PGS.TS Lê Bá Vinh

3 TS Đỗ Thanh Hải 4 PGS.TS Tô Văn Lận 5 PGS.TS Võ Phán

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

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

I TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ GIỚI HẠN TƯỜNG VÂY THEO HỆ SỐ AN TOÀN

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Mở đầu Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích hố đào Chương 3: Mô hình và phân tích ngược cho các dự án hầm cụ thể Chương 4: Phân tích chuyển vị ngang giới hạn tường vây theo hệ số an toàn Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/06/2017 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

TP HCM, ngày tháng năm 201

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS Lê Bá Vinh

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Tâm người đã giúp tác giả xây dựng ý tưởng của đề tài, mở ra những

hướng đi trên con đường tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học Thầy đã hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả cũng xin cám ơn anh Nguyễn Công Oanh đã có nhiều ý kiến đóng góp quý

báu và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong suốt chặng đường vừa qua

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học

Bách Khoa TP HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tác giả từ khi tác giả học Đại học và trong suốt khóa Cao học

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Phòng Kỹ Thuật Hòa Bình và đặc biệt là TS Huỳnh Quốc Vũ luôn tạo điều kiện để tác giả nâng cao kiến thức chuyên môn

thông qua việc tham gia tính toán các biện pháp hầm và các chương trình đào tạo trong lĩnh vực Địa Kỹ Thuật

Hi vọng đề tài luận văn của tác giả sẽ là tài liệu tham khảo hữu dụng cho quá trình tính toán trong thực tiễn Tác giả mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để tiếp tục hoàn thiện đề tài này

TP HCM, ngày 18 tháng 06 năm 2017

Tác giả luận văn

Trần Việt Thái

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Thông thường, giá trị cho phép chuyển vị ngang tường vây được lấy là 0.5% chiều sâu hố đào theo các tiêu chuẩn và tài liệu trên thế giới Đây là giá trị được xem xét cho tất cả trường hợp kể cả dự án nằm trong đô thị (tiếp giáp nhà dân) hoặc khu ngoại ô (không tiếp giáp nhà dân) Chính điều này đã gây nên nhiều tranh cãi và lãng phí trong thiết kế cũng như là thi công công trình ngầm đặc biệt trong khu ngoại ô, khi mà chỉ cần đảm đảo hệ số an toàn tối thiểu Chính vì vậy, tác giả thực hiện đề tài

“PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ GIỚI HẠN TƯỜNG VÂY THEO HỆ SỐ AN TOÀN” nhằm xác định chuyển vị giới hạn tường vây (ứng với hệ số an toàn cho phép)

thông qua mô hình Plaxis và phân tích ngược cho các dự án hầm

Kết quả cho thấy, chuyển vị ngang tường vây có sự tương quan rõ rệt theo hệ số an toàn với cùng dạng tổng quát

01

 là giá trị thay đổi phụ thuộc theo trình tự thi công Cụ thể giá trị này là 3.5% khi đào công xôn, 2.5% khi đào B1, 2% khi đào B2, 1.6% khi đào B3, 1.2% khi đào B4 và 0.95% khi đào B5 Với giá trị hệ số an toàn cho phép khi phân tích ổn định tổng thể cho các hố đào sâu được chắn

đỡ bởi tường vây là [FS]=1.4 theo các tiêu chuẩn và tài liệu hướng dẫn khác nhau, thì

các giá trị giới hạn tường vây tương ứng cho từng giai đoạn đào đất sẽ là 3%

SUMMARY

According to building standards and references around the world, the allowed horizontal displacement of diaphragm wall would be generally estimated as 0.5% of depth excavation This estimation was considered for all construction cases, including urban (adjacent to other buildings and households) and green field This has resulted several debates and conservativeness in design as well as basement construction; especially in green field condition where only minimum factor of safety is considered Therefore, this study will aim to estimate diaphragm wall’s maximum allowable displacement based on minimum allowable factor of safety, employing Plaxis models and back-analyses for many basement projects

The results showed the horizontal displacement of diaphragm wall manifested a close correlation with factor of safety according to the generalised formular

01

 varies according to the construction sequences This

value is 3.5% in case of cantilever excavation stage, 2.5% in case of B1 excavation stage, 2.0% in case of B2 excavation stage, 1.6% in case of B3 excavation stage, 1.2% in case of B4 excavation stage and 0.95% in case of B5 excavation stage With the

allowable factor of safety of 1.4 from different standards and references for

underground construction, the allowable displacement for diaphragm wall with respect to each construction sequences, which is 3%

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là đề tài do chính tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn của

thầy PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tác giả xin chịu trách nhiệm về đề tài thực hiện của mình

TP HCM, ngày 18 tháng 06 năm 2017

Tác giả luận văn

Trần Việt Thái

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 14

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 14

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 14

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 15

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỐI TƯƠNG QUAN CỦA CHUYỂN VỊ NGANG TƯỜNG VÂY VÀ HỆ SỐ AN TOÀN 16

1.1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN VỊ NGANG TƯỜNG VÂY 16

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ SỐ AN TOÀN 21

1.3 MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA CHUYỂN VỊ NGANG TƯỜNG VÂY VÀ HỆ SỐ AN TOÀN 22

1.4 DỮ LIỆU CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 22

1.5 NHẬN XÉT 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH HỐ ĐÀO 28

2.1 ỔN ĐỊNH NỀN KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO 28

Hình 1.2: max thay đổi theo độ sâu được so sánh với Moormann’s (2004) với khoảng dao động max = 0.5-1% H (giá trị trung bình là 0.87%) 19

Hình 1.3: max/H thay đổi theo độ sâu được so sánh với kết quả của Long(2001) trong trường hợp tường được chống đỡ/ phương pháp Topdown 20

Hình 1.4: Mối quan hệ giữa chuyển hệ số an toàn chống trồi đáy, độ cứng tường vây và hệ thống chống đỡ với chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây 22

Hình 1.5: Chuẩn hóa chuyển vị ngang theo chiều sâu hố đào từ dữ liệu ở 26

Hình 2.1: Cơ chế phá hoại có thể xảy ra của tường chắn 28

Hình 2.2: Các trạng thái phá hoại cắt tổng thể (a) Đáy tường cọc bị đẩy 30

Hình 2.3: Phân tích đẩy ngang tường cọc theo phương pháp áp suất tổng cộng:

(a) Phân bố áp lực đất tổng cộng; (b) Cân bằng hệ lực của phân tố tường tách ra 31

Hình 2.4: Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải của Terzaghi (a) Tìm mặt phá hoại theo phương pháp thử dần; (b) Mặt phá hoại thứ 2; (c) Mặt phá hoại thứ 3; (d) Cả 2 phía hố đào xảy ra phá hoại 32

Hình 2.5: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp Terzaghi: (a) DB/ 2

(b) DB/ 2 32

Hình 2.6: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp sức chịu tải âm : (a) Mặt trượt có bề rộng 2B1; (b) Mặt trượt khác có bề rộng 2B1 ; (c) Mặt trượt bao phủ toàn đáy hố đào 33

Hình 2.7: Hệ số sức chịu tải Skempton (Skempton, 1951) 33

Hình 2.8: Vị trí tâm cung tròn theo phương pháp mặt trụ tròn 34

Hình 2.9: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp mặt trượt trụ tròn: (a) Mặt trượt phá hoại và (b) Lực tác động lên khối trượt 35

Hình 2.10: Phân tích đẩy trồi đáy hố đào do áp lực nước 36

Hình 2.11: Lưới thấm qua chân tường chắn 37

Hình 2.12: Sơ đồ phân tích “cát sôi” 37

Hình 2.13: Phân mảnh trong phương pháp cân bằng giới hạn 38

Hình 2.14: Phân tích Phi-c reduction trong phương pháp phần tử hữu hạn_Plaxis 39

Hình 2.15: Hình dạng mặt dẻo tổng quát của mô hình Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính 40

Hình 2.16: Lộ trình ứng suất trong mô hình Mohr-Coulomb và đất thực 42

Hình 2.17: Thông số độ cứng được xác định từ thí nghiệm ba trục 42

Hình 2.18: Quan hệ giữa biến dạng thể tích và biến dạng dọc trục từ thí nghiệm ba trục thoát nước 42

Hình 2.19: Hình dạng mặt dẻo tổng quát của mô hình Hardening Soil trong không gian ứng suất chính 43

Hình 2.20: Mô phỏng cách xác định (a) E50ref và m, (b) và (c) Eoedref 46

Hình 3.1: Ảnh phối cảnh 3D kiến trúc của dự án Sai Gon Center 49

Hình 3.2: Vị trí dự án 49

Hình 3.3: Kích thước hình học phần ngầm công trình 50

Hình 3.4: Mặt cắt hình học phần ngầm công trình 50

Hình 3.5: Mặt bằng hố khoan (11 hố khoan) 51

Hình 3.6: Mặt cắt địa chất (có 4 lớp chính) 51

Hình 3.7: Sự thay đổi SPT theo độ sâu 52

Hình 3.8: Xác định thông số sức chống cắt và độ cứng từ thí nghiệm ba trục của lớp sét gầy phía trên (Lớp 1) 53

Hình 3.9: Xác định thông số sức chống cắt và độ cứng từ thí nghiệm ba trục của lớp cát phía trên (Lớp 2) 54

Hình 3.10: Xác định thông số sức chống cắt và độ cứng từ thí nghiệm ba trục của lớp sét phía dưới (Lớp 3) 54

Hình 3.11: Xác định thông số sức chống cắt và độ cứng từ thí nghiệm ba trục của lớp sét phía dưới (Lớp 4) 55

Hình 3.12: Xác định thông số độ cứng từ thí nghiệm nén cố kết của lớp sét gầy phía trên (Lớp 1) 55

Hình 3.13: Tương quan giữa độ cứng từ thí nghiệm nén ngang 56

Hình 3.14: Tương quan giữa độ cứng từ thí nghiệm nén ngang 56

Hình 3.15: Mặt bằng tường vây 58

Hình 3.16: Hình ảnh khảo sát công trường (ảnh tổng thể) 60

Hình 3.17: Hình ảnh khảo sát công trường (Đường Pasteur) 60

Hình 3.18: Hình học hố đào 63

Hình 3.19: Mô hình thi công tầng hầm trong Plaxis 2D 64

Hình 3.20: Kết quả lưới biến dạng giai đoạn đào xuống đáy móng -24.6mGL 64

Hình 3.21: Chuyển vị ngang tường vây giáp đường Nam Kỳ Khởi Nghĩa (Ux=62mm) 65

Hình 3.22: Chuyển vị ngang tường vây giáp đường Lê Lợi (Ux=65mm) 65

Hình 3.23: Chuyển vị ngang tường vây theo trình tự thi công (Plaxis) 65

Hình 3.24: Mặt bằng bố trí ống quan trắc trong và ngoài tường vây 66

Hình 3.25: Kết quả quan trắc chuyển vị ngang tường vây 67

Hình 3.26: Ảnh phối cảnh 3D kiến trúc của dự án German House 71

Hình 3.27: Kích thước hình học phần ngầm công trình 72

Hình 4.1: Mô hình thi công tầng hầm trong Plaxis 2D 96

Hình 4.2: Mô hình hố đào trong phần mềm Geo 5 96

Hình 4.3: Mối tương quan giữa chuyển vị ngang tường vây theo hệ số ổn định tổng thể và theo trình tự thi công (đường bao) 104

Hình 4.4: Mối tương quan giữa chuyển vị ngang tường vây theo hệ số ổn định tổng

thể và theo trình tự thi công (đường trung bình) 105

Hình 4.5: Mặt cắt thi công 107

Hình 4.6: Kết quả quan trắc chuyển vị ngang tường vây khi đào xuống đáy móng 108

Hình 4.7: Hiện trạng thực tế (tường vây chuyển vị lớn và vỉa hè bị lún sụt) 109

Hình 4.8: Gia cường bằng hệ chống ngang và chống chéo để hạn chế chuyển vị ngang và tiếp tục triển khai thi công đào đất 109

Bảng 1-2: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây trích từ Goldberg, Jaworski et al (1976) 23

Bảng 1-3: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây các dự án tại Hồ Chí Minh, Việt Nam trích từ Nguyễn Kiệt Hùng và N Phienwej (2015) 24

Bảng 1-4: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây của các dự án tại Việt Nam do Công ty Hòa Bình thực hiện 25

Bảng 2-1: Thông số mô hình Mohr-Coulomb 41

Bảng 2-2: Thông số mô hình Hardening Soil 45

Bảng 2-3: Hệ số an toàn tương ứng với các dạng phá hoại tổng thể 47

Bảng 2-4: So sánh các đặc tính giữa mô hình Hardening Soil và mô hình Coulomb 48

Mohr-Bảng 3-1: Thông số đất cho mô hình Hardening Soil 57

Bảng 3-2: Thông số tường vây trong mô hình Plaxis 59

Bảng 3-3: Thông số tường vây trong mô hình Plaxis 59

Bảng 3-4: Mô phỏng trình tự thi công 61

Bảng 3-5: Tiến độ thi công đào đất 66

Bảng 3-6: Kết quả quan trắc chuyển vị ngang tường vây bằng ống Inclinometer 67

Bảng 3-7: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc 68

Bảng 3-8: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc 73

Bảng 3-9: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc 78

Bảng 3-10: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc 82

Bảng 3-11: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc 85

Bảng 3-12: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc 90

Bảng 4-4: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn 102

Bảng 4-5: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn 102

Bảng 4-6: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn 102

Bảng 4-7: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn 103

Bảng 4-8: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn 103

Bảng 4-9: Giá trị giới hạn chuyển vị ngang tường vây ứng với hệ số an toàn FS=1.4 106

Bảng 4-10: Đánh giá chuyển vị ngang tường vây 108

Bảng 4-11: Đánh giá chuyển vị ngang tường vây 111

Bảng 4-12: Giá trị hệ số an toàn 113

MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Để đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng không gian ngày càng lớn của con người đặc biệt trong đô thị, việc phát triển không gian ngầm là một lựa chọn mà các nước có diện tích đất nhỏ đã làm Hiện nay, Việt Nam cũng đi theo xu hướng đó để phát triển cơ sở hạ tầng trong các khu đô thị lớn Với tình hình xây dựng công trình ngầm ở nước ta đang trong thời kỳ phát triển thì công tác tính toán thiết kế và những vấn đề liên quan đến điều kiện thi công công trình ngầm rất được quan tâm Cụ thể, việc dự đoán mức độ ảnh hưởng của chuyển vị ngang tường vây lên công trình lân cân cũng như là đảm bảo hệ số an toàn (hay hệ số ổn định tổng thể) của hố đào theo các quy chuẩn hiện hành trong suốt quá trình thi công là vấn đề cần thiết và quan trọng Đối với các công trình ngầm nằm trong khu vực đô thị thì chuyển vị ngang tường vây cần được giới hạn theo quy định của thiết kế để hạn chế đến mức tối thiểu những tác động đến công trình lân cận, khi đó chi phí biện pháp sẽ lớn Còn đối với các công trình ngầm nằm ngoại ô hay các khu đất trống thì chỉ cần đảm bảo hệ số an toàn tối thiểu theo các quy chuẩn để tiết giảm chi phí biện pháp mà vẫn an toàn khi thi công

Thông thường, giá trị cho phép chuyển vị ngang tường vây được lấy là 0.5% chiều sâu hố đào theo các tiêu chuẩn và tài liệu trên thế giới Đây là giá trị được xem xét cho tất cả trường hợp kể cả dự án nằm trong đô thị (tiếp giáp nhà dân) hoặc khu ngoại ô (không tiếp giáp nhà dân) Chính điều này đã gây nên nhiều tranh cãi và lãng phí trong thiết kế cũng như là thi công công trình ngầm đặc biệt trong khu ngoại ô, khi mà chỉ cần đảm đảo hệ số an toàn tối thiểu Chính vì vậy, việc xác định chuyển vị giới hạn tường vây (ứng với hệ số an toàn tối thiểu) đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu thiết kế và thi công hố đào sâu trong điều kiện ngoại ô

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Xác định chuyển vị tường vây theo chiều sâu hố đào sâu cho các loại đất khác nhau

Thiết lập mối tương quan giữa giá trị chuyển vị tường vây và hệ số an toàn dựa trên kết quả phân tích ngược

Tìm ra giá trị giới hạn chuyển vị ngang tường vây tương ứng với hệ số an toàn cho phép tối thiểu

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Là tài liệu tham khảo cho việc quy định giá trị cho phép của tường vây đặc biệt là trong khu vực ngoại ô (khi chỉ cần đảm bảo giá trị giới hạn), từ đó có những thiết kế biện pháp thi công phù hợp

Là tài liệu tham khảo cho quá trình thi công để theo dõi và đánh giá hệ số an toàn của hố đào theo dữ liệu quan trắc thực tế của tường vây dựa trên đồ thị tương quan giữa chuyển vị ngang tương vây và hệ số an toàn

Là tài liệu tham khảo cho việc tính toán và mô hình hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis trong thiết kế

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thu thập tài liệu nghiên cứu liên quan đến chuyển vị ngang tường vây Thu thập các dữ liệu thực tế về công trình ngầm được thi công bằng tường vây Tiến hành phân tích ngược và thiết lập mối tương quan giữa chuyển vị ngang tương vây và hệ số an toàn Từ đó đưa ra giá trị chuyển vị ngang tường vây giới hạn tương ứng với hệ số an toàn tối thiểu cho phép

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỐI TƯƠNG QUAN CỦA CHUYỂN VỊ NGANG TƯỜNG VÂY VÀ HỆ SỐ AN TOÀN 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN VỊ NGANG TƯỜNG VÂY

1.1.1 DEEP EXCAVATION THEORY AND PRACTICE (CHANG YU-OU)

Mối liên hệ giữa chiều sâu hố đào với chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu đã được Ou và các đồng sự (1993) nghiên cứu thông qua phân tích các công trình hố đào sâu trong khu vực Đài Bắc Theo kết quả của nghiên cứu này thì chuyển vị ngang lớn nhất trong các tường vây hố đào sâu khoảng từ 0.2-0.5% chiều sâu hố đào hm (0.2 0.5%) He như Hình 1.1 bên dưới

Hình 1.1: Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất tường vây và chiều sâu hố đào

cắt của để để thiết kế cho giai đoạn sử dụng Với giá trị huy động này thì sự phát sinh biến dạng trong đất sẽ được hạn chế đủ thấp để đảm bảo biến dạng trong đất nền và kết cấu được ngăn chặn

Đặc biệt, BS 8002 kiến nghị hệ số huy động 1.5 cho thiết kế sử dụng các thông số ứng suất tổng và 1.2 khi sử dụng các thông số hữu hiệu nếu chuyển vị tường vây được giới hạn trong 0.5% chiều cao tường chắn cho đất dẻo mềm hoặc chặt vừa Hệ số huy động nên lớn hơn 1.5 cho sét với biến dạng lớn hơn nếu chuyển vị tường được giới hạn trong 0.5% chiều cao tường chắn (xem điều 3.2.4 và 3.2.5 trong mục 3_Nguyên lý, phương pháp thiết kế và áp lực đất)

Đối với sức chống cắt không thoát nước (giá trị huy động M=1.5):

1.1.3 LIMITING VALUES OF RETAINING WALL DISPLACEMENTS AND

IMPACT TO THE ADJACENT STRUCTURES (FOK ET AL.)

Trong bài báo này, Fok và những người khác đã chỉ ra 3 điểm quan trọng cần được lưu ý đối với hệ số huy động được quy định trong BS 8002 Thứ nhất, những kiến nghị trên không chỉ định rằng chuyển vị tường chắn phải giới hạn trong 0.5% chiều cao tường chắn Những kiến nghị trong BS 8002 về hệ số huy động cho đất dẻo mềm và chặt vừa đang đưa ra 1 ví dụ về phương pháp thiết kế sức kháng cắt huy động (MSD) Theo Bolton (1993), hệ số huy động trong BS 8002 sẽ giới hạn sức kháng cắt thiết kế của đất được huy động ứng với 1% biến dạng cắt Để mô tả cho mối quan hệ giữa biến dạng của đất và chuyển vị tường chắn, Bolton (1993, 1996) đã thể hiện từ những dạng hình học do tường chắn bị xoay 1/200 tương ứng với 0.5% chiều cao tường chắn và gây ra biến dạng cắt trong đất lên tới 1% Do đó, quy định “chuyển vị tường chắn giới hạn trong 0.5% chiều cao tường chắn” là 1 kết quả đơn giản của việc giới hạn 1% biến dạng cắt của đất nền đối với đất dẻo mềm hoặc chặt vừa Thứ hai, cần phải làm rõ là chiều cao tường chắn tham khảo theo BS 8002 là chiều cao tổng cộng của tường chắn, tức là bao gồm cả phần tường chắn đỡ và phần chân kèo sâu vào trong đất để ổn định chân Đã có nhiều nhầm lẫn khi sử dụng phần tường chắn đỡ phía trên (tương ứng chiều sâu đào đất) để chuẩn hóa chuyển vị ngang tường chắn và chuyển vị đất nền được báo cáo trong hầu hết tổng quan về hố đào sâu Cần phải phân biệt rõ vấn đề này khi tham chiếu dữ liệu chuyển vị đã chuẩn hóa từ BS 8002 Thứ ba, ý tưởng tường vây bị xoay như là một cơ chế phá hoại chủ yếu đối với tường consol

hoặc tường vây được chống đỡ bởi 1 hệ chống Hệ số huy động được đề cập trong BS 8002 là 1 phương pháp đơn giản thích hợp với cơ chế phá hoại dưới dạng xoay của tường chắn consol hoặc tường chắn có 1 hệ chống Cho loại tường chắn có nhiều hệ chống tương đối điển hình cho hố đào sâu vào thời điểm hiện tại thì cơ chế biến dạng trở nên phức tạp và phải xem xét hình dạng chuyển vị gia tăng tương ứng trong từng giai đoạn đào đất Bolton cũng những người khác (2008) đã đề xuất phương pháp sức kháng cắt huy động và đưa ra hàm lượng giác về sự phát triển biến dạng trong trường hơp tường chắn có nhiều hệ chống

1.1.4 ADVISORY NOTE ON EARTH RETAINING OR STABILISING

STRUCTURES (ERSS)

Cơ quan quản lý về xây dựng (Building and Construction Authority_BCA), 1 tổ chức do chính phủ Singapore thành lập, đã phát hành các quy định trong thiết kế hố đào sâu về tường chắn đất và ổn định kết cấu vào 04/2009 dựa trên sự đánh giá và xem xét toàn diện các quy định xây dựng trong 3 năm áp dụng và thực thi trước đó Đặc biệt ưu tiên là các quy định các ảnh hưởng đáng kể đến chi phí cũng như tiến độ thi công mà nhận được nhiều phản hồi từ phía nhà thầu, trong đó phải kể đến giá trị chuyển vị giới hạn cho phép của tường vây (tham khảo điều 9 và điều 10 trong mục B_Thiết kế)

Bảng 1.1: Giới hạn chuyển vị cho phép của tường chắn

Giới hạn chuyển vị ngang/

Khu vực

Trong đó x = khoảng cách từ mặt hố đào; H = chiều sâu hố đào;

w=chuyển vị tường chắn

Vị trí công trình lân cận, kết cấu và

hệ thống hạ tầng

Khu vực 1 (x/H < 1)

Khu vực 2 (1  x/H  2)

Khu vực 3 (x/H > 2) Nền

loại A

Nền loại B

Chuyển vị lớn nhất cho phép tường chắn(w/H)

0.5% 0.7% 0.7% 1.0%

Một trong những vấn đề chủ chốt của thiết kế và thi công của tường chắn đất và ổn định kết cấu (ERSS) với mục đích đảm bảo sức kháng cắt của đất không được huy

động vượt quá biến dạng của đất nền Trong Bảng 1.1 thể hiện giá trị giới hạn cho

phép của các khu vực khác nhau Cụ thể: Zone 1 có công trình lân cận nằm trong phạm vi 1 lần độ sâu đào đất (1H) thì giới hạn cho phép không vượt quá 0.5%H Trong khi Zone 2 có công trình lân cận nằm trong phạm vi 1 lần độ sâu đào đất (1H) đến 2 lần độ sâu đào đất (2H)thì chuyển vị giới hạn cho phép là 0.7%H Còn với Zone 3 có công trình lân cận nằm ngoài phạm vi 2 lần độ sâu đào đất thì chuyển vị giới hạn ngang không được vượt quá 0.7%H với đất bụi, đất sét dẻo cứng quá cố kết (Đất nền

loại A) và không vượt quá 1%H với đất sét dẻo chảy, bụi và đất hữu cơ (Đất nền loại B) Và trong bất kỳ trường hợp nào, chuyển vị giới hạn cho phép của tường vây cũng nên được xác định bằng cách hạn chế các ảnh hưởng hay phá hoại đến kết cẩu công trình lân cận do sự phát sinh biến dạng đất nền

1.1.5 PRACTICE AND EXPERIENCE IN DEEP EXCAVATIONS IN SOFT

SOIL OF HO CHI MINH CITY, VIET NAM (NGUYEN KIET HUNG AND N PHIENWEJ)

Trong bài báo này, tác giả đã đánh giá cho 18 trường hợp hố đào sâu với chiều dày đất yếu khoảng 4-16m tại thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) Hầu hết các trường hợp hố đào sử dụng tường vây (tường barret) được chống đỡ bởi hệ giằng thép hình với chuyển vị ngang lớn nhất dao động 0.15%-1% chiều sâu hố đào Trong khi đó, với hố đào sử dụng cừ Larsen hoặc tường cọc nhồi thì chuyển vị ngang có xu hướng lớn hơn trong khoảng 1%-2.4% chiều sâu hố đào

Tác giả tiến hành phân tích dựa trên dữ liệu quan trắc chuyển vị ngang tường vây được đo dễ dàng bằng ống Inclinometer trong suốt giai đoạn thi công Trong khi đó, lún nền xung quanh khu vực đào hố pít khó được thực hiện do có công trình lân cận Hai hình bên dưới thể hiện mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất max và chiều sâu hố đào H cho 17 trường hợp hố đào tại TP HCM Theo đó, kết quả tương ứng rời rạc, không có sự gia tăng max theo H , tức là max không chỉ phụ thuộc vào H mà còn phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác như là loại đất, loại tường chắn, độ cứng hệ

chống đỡ và phương pháp đào đất Kết quả được thể hiện như Hình 1.2 và Hình 1.3

Hình 1.2: max thay đổi theo độ sâu được so sánh với Moormann’s (2004) với khoảng

dao động max = 0.5-1% H (giá trị trung bình là 0.87%)

Hình 1.3: max/H thay đổi theo độ sâu được so sánh với kết quả của Long(2001) trong

trường hợp tường được chống đỡ/ phương pháp Topdown

Theo kết quả nghiên cứu trong bài báo này, giá trị max/H dao động 1% đến 2.4% đối với cừ Larsen hoặc tường cọc nhồi, trong khi đó giá trị này dao động 0.15% đến 0.6% đối với tường vây được chống đỡ bằng hệ chống có độ cứng lớn và trong trường hợp hố đào với tường vây được chống đỡ bằng hệ chống có độ cứng thấp, hệ số đẩy trồi thấp giá trị max/H dao động 0.88% đến 1% Kết quả này tương đối phù hợp với những nghiên cứu trước đó: (i) Theo Manna (1981) giá trị max/H có thể đạt 2% cho cừ Larsen trong đất yếu, còn với tường vây trong đất yếu giá trị này là 0.5% (ii) Clough cùng những đồng nghiệp (1989) đã thiết lập biểu đồ ước tính max dựa vào hệ số đẩy trồi FSheave và độ cứng hệ chống, cụ thể: max/H  0.2% với FSheave>3 và với độ cứng hệ chống (>300) và có thể đạt tới 3% trong trường hợp cừ Larsen với hệ số đẩy trồi hố đào thấp FSheave<1 và độ cứng hệ chống thấp (<50) (iii) Long (2001) đã khảo sát 295 trường hợp trong đất yếu, trong các trường hợp tường được chống đỡ hoặc thi công theo phương pháp Topdown, giá trị chuyển vị ngang chuẩn hóa hầu hết dao động từ 0.1 đến 1% hố đào; ngoài ra có trường hợp đạt tới 3.2% khi hệ số đẩy trồi FSheavenhỏ (iv) Moormann (2004) đã thực hiện nghiên cứu kinh nghiệm trên 530 dự án với đất dẻo chảy (Su<75 kPa) và đã nhận thấy giá trị max dao động 0.5% đến 1%H với giá trị trung bình là 0.87%H Giá trị max/H nhỏ hơn 0.9 cho tường vây khi sử dụng hệ chống đỡ với chiều sâu hố đào H<22m, với phương pháp Top down thì giá trị này là 0.1% đến 0.75% và có thể đạt tới 1% cho cừ Larsen và Soldier pile

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ SỐ AN TOÀN

Việc lựa chọn hệ số an toàn sẽ quyết định đến sự phá hoại của hố đào, rủi ro mất ổn định các kết cấu chắn đỡ và bài toán kinh tế, do đó xác định hệ số an toàn cho phép là vấn đề rất quan trọng Hệ số an toàn cho phép được quy định trên khá nhiều tiêu chuẩn khác nhau cũng như là được khuyến cáo trong các tài liệu hướng dẫn trong thi công hố đào sâu

Theo EUROCODE 7, là tiêu chuẩn về thiết kế địa kỹ thuật của Châu Âu, hệ số

an toàn được quy định khá cụ thể theo các phương pháp tiệm cận khác nhau với hệ số

Re/ G

ODF FS  

Trong đó, ODF là hệ số vượt thiết kế và quy định ODF  1 để đảm bảo ổn định tổng thể, G là hệ số riêng phần cho các tác nhân gây lực tra theo Bảng A.3 (Phụ lục A của

tiêu chuẩn châu Âu), còn Re là hệ số riêng phần của sức kháng cắt cho kiểm tra ổn

định tổng thể tra theo Bảng A.14 (Phụ lục A của tiêu chuẩn châu Âu) Ta có

[FS]=1.35 1.1 1.485 Tuy nhiên, tính toán theo phương pháp tiệm cận 2 với các hệ số riêng phần theo phụ lục A là khá an toàn, trong khi phương pháp tiệm cận 1 và tiệm cận 3 cho kết quả khá đồng nhất Để cân bằng giữa 3 phương pháp này, có thể hiệu chỉnh hệ số riêng phần sức kháng cắt Re=1.0 Lúc này, giá trị hệ số an toàn giới hạn sẽ là [FS]=1.35 1.0 1.35

Như vậy, giá trị hệ số an toàn cho phép theo tiêu chuẩn châu Âu sẽ dao động 1.35 đến 1.485

Theo AASHTO LRFD Bridge Design, là tiêu chuẩn cầu đường Mỹ, hệ số an

toàn cho phép được lấy bằng 1.33 (tương ứng hệ số giảm sức kháng cắt =0.75) cho trường hợp thông số địa chất được xác định rõ ràng và mái trượt không ảnh hưởng đến công trình lân cận (bao gồm hệ thống đường ống, móng công trình lân cận ) và hệ số này là 1.54 (tương ứng hệ số giảm sức kháng cắt =0.65) cho trường hợp thông số địa chất không đầy đủ và mái trượt ảnh hưởng đến công trình lân cận

Theo Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 262-2000, hệ số an toàn cho phép là 1.4 khi

áp dụng phương pháp Bishop để tính toán ổn định

Theo Design of Retaining Wall and Support Systems for Deep Basement Construction, là kinh nghiệm của người Malaysia trong thiết kế hố đào sâu được tổng hợp bởi Y.C Tan & C.M Chow, hệ số an toàn được lấy bằng 1.2 cho trường hợp

ngắn hạn và kết cấu ít bị tác động, trong khi giá trị này là 1.4 cho trường hợp dài hạn hoặc có rủi ro lớn đến kết cấu của dự án

1.3 MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA CHUYỂN VỊ NGANG TƯỜNG VÂY VÀ HỆ

SỐ AN TOÀN

Hệ số an toàn đã được Clough và O‟Rourke (1990) bàn đến trong nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu Bằng cách phân tích nhiều trường hợp trong quá khứ Clough và O‟Rourke đã đưa ra mối tương quan giữa hệ số an toàn chống trồi đáy, độ cứng của tường vây và hệ thống

chống đỡ với chuyển vị ngang lớn nhất của tường thông qua Hình 1.4

Hình 1.4: Mối quan hệ giữa chuyển hệ số an toàn chống trồi đáy, độ cứng tường vây

và hệ thống chống đỡ với chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây

1.4 DỮ LIỆU CÔNG TRÌNH THỰC TẾ

Peck (1969), Golberg, Jaworski et al (1976) và Clough and O‟Rouke (1990) đã nghiên cứu các công trình thực tế trước đó để thiết lập mối tương quan giữa loại đất, chiều sâu hố đào với chuyển vị ngang tường vây Dữ liệu này rất tốt cho nhà thiết kế tính toán thiết kế hoặc kiểm tra lại kết quả tính toán từ các phân tích bằng phần tử hữu hạn (FEM) có kết hợp với các mô hình vật liệu tiên tiến

Bảng 1.2: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây trích từ Goldberg,

Jaworski et al (1976)

STT Tài liệu

tham khảo

Loại chống tạm Loại đất

H h, max h,max/H

1 Lambe, Wolfskill

and Jaworski (1972)

Giằng ứng suất trước

Sét dẻo cứng đến rất cứng 15.2 30 0.20

2

Durland (1974) and St John

(1974)

Giằng Sét dẻo cứng đến rất cứng 15.9 25 0.16

3

Burland (1974) and St John

Fernandez (1972) Neo

Sét dẻo cứng dưới cát chặt 7 102 1.46 7 Cole and Burland

(1972)

Chống xiên Sét cứng 18.4 63 0.34

8 Tait and Taylor

(1974)

Neo, giằng ứng suất trước và chống xiên

Sét mềm đến dẻo cứng 13.8 23 0.17

9 Armento (1973) Giằng ứng

suất trước

Cát và sét mềm đến dẻo

cứng

21.4 25 0.12

10 Cunningham and Fernandez (1972) Giằng Sét mềm đến dẻo cứng 9.8 89 0.91

11

Breth and wanoscheck

(1969)

Giằng Sét cứng và đá vôi 18.4 10 0.05

12 Huder (1969) Sàn Bụi dẻo và sét 19.9 36 0.18

13 Thon and Harlan

(1971)

Giằng ứng suất trước Sét mềm đến dẻo cứng 23.8 30 0.13

14 Barla and

Mascardi Neo Sét nửa cứng 25.9 66 0.25

15

Schwarz (1972) and Andra, Kunzl, and Rojek

(1974)

Neo Sét cứng và

cuội sỏi 14.4 23 0.16 19 Saxena (1974) Neo Bụi hữu cơ và

20 Ware (1974) Giằng ứng

suất trước

Sét nửa cứng, cát và cuội

sỏi

18.9 32 0.17

Không những vậy, một số dữ liệu hố đào tại Hồ Chí Minh, Việt Nam cũng được tổng hợp bởi tác giả Nguyễn Kiệt Hùng và N Phienwej (2015) cho nhiều khu vực địa chất khác nhau

Bảng 1.3: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây các dự án tại Hồ Chí

Minh, Việt Nam trích từ Nguyễn Kiệt Hùng và N Phienwej (2015)

station - BT

Giằng ứng suất trước

Sét mềm đến dẻo cứng 20 32 0.16

3 Sunrise city_Plot

dẻo cứng 13.5 78 0.58 4 Cantivil Complex-

dẻo cứng 14.5 50 0.34 5 Thanh Da view -

BT

Giằng ứng suất trước

Sét mềm đến dẻo cứng 11 33 0.30

6 Sai Gon Times squares - Q1

Giằng ứng suất trước

Sét dẻo cứng và cát chặt 14 38 0.27 7 Petroland Tower -

dẻo cứng 14 80 0.57 8 Le Meriden Sai

và cát chặt 15 94 0.63 9 Vincom B Towers -

và cát chặt 24 210 0.88 10 Kumho plaza - Q1 Sàn Sét dẻo cứng

và cát chặt 16 12 0.08 11 Lim Tower - Q1 Giằng Sét dẻo cứng

và cát chặt 14.8 68 0.46 12 Vietcombank

và cát chặt 16.5 33 0.20 Ngoài ra, bản thân tác giả cũng tổng hợp dữ liệu từ các công trình hầm mà Công ty Cổ Phần Xây Dựng và Kinh Doanh Địa Ốc Hòa Bình thực hiện trên khắp Việt Nam tính từ năm 2013 đến nay

Bảng 1.4: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây của các dự án tại Việt

Nam do Công ty Hòa Bình thực hiện

STT Tài liệu

tham khảo

Loại chống tạm Loại đất

Sét dẻo mềm và cát 10.1 16.6 0.16

5 Chung cư Nguyễn Kim - Q10 Giằng Sét dẻo cứng

và cát chặt 10.4 9 0.09

6 HITC - Q4 Giằng

Sét mềm đến dẻo mềm và

cát pha

9.1 16.4 0.18

7 The Tresor - Q4 Sàn

Sét mềm đến dẻo mềm và

Hình 1.5 thể hiện dữ liệu chuyển vị ngang tỷ đối h,max/H theo chiều sâu hố đào

với các dữ liệu thu thập được ở Bảng 1.2, Bảng 1.3 và Bảng 1.4 Dễ dàng nhận thấy,

dữ liệu tương đối tập trung đặc trưng cho từng loại đất theo chiều sâu đào đất Với đất

sét déo cứng đến cứng và cát, chuyển vị ngang dao động từ 0.1% đến 0.3%, trong khi

đối với đất sét mềm, chuyển vị ngang này dao động từ 0.5% đến 1.5%

Hình 1.5: Chuẩn hóa chuyển vị ngang theo chiều sâu hố đào từ dữ liệu ở Bảng 1.2,

Bảng 1.3 và Bảng 1.4

1.5 NHẬN XÉT

Giá trị chuyển vị ngang tường vây thay đổi phụ thuộc vào chiều sâu đào đất và đặc trưng cho từng loại đất khác nhau Dựa vào các dữ liệu tham khảo từ Goldberg, Jaworski et al (1976), Nguyễn Kiệt Hùng và N Phienwej (2015) và các dự án do công

ty Hòa Bình thực hiện, tác giả nhận thấy chuyển vị ngang dao động từ 0.1% đến 0.3%

đối với đất sét déo cứng đến cứng và cát, trong khi đối với đất sét mềm thì chuyển vị

ngang này dao động từ 0.5% đến 1.5% Như vậy, giá trị 0.5% chiều sâu hố đào chỉ là 1

trường hợp được nhiều tác giả tìm thấy đối với loại đất yếu Khi đó, việc xem giá trị 0.5% chiều sâu hố đào là giá trị chuyển vị cho phép của tường vây là chưa thực sự hợp lý mà phải dựa trên sự ổn định hay an toàn của hố đào

Hệ số an toàn cho phép cũng được tác giả tổng hợp từ nhiều tiêu chuẩn và các tài liệu hướng dẫn trong thi công hố đào sâu Đây là cơ sở để phân tích và lựa chọn hệ số an toàn phù hợp

Ngoài ra mối quan hệ giữa chuyển vị ngang tường vây và hệ số an toàn cũng sẽ được tác giả phân tích dựa trên nghiên cứu của Clough và O‟Rourke (1990) Trên cơ sở này, tác giả sẽ tìm ra giá trị chuyển vị giới hạn tường vây ứng với sự ổn định tối thiểu của đáy hố đào

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH HỐ ĐÀO 2.1 ỔN ĐỊNH NỀN KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO

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

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 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 Trạng thái giới hạn sử dụng của kết cấu xảy ra khi bắt đầu vượt quá biến dạng hay suy giảm giá trị

Hình 2.1: Cơ chế phá hoại có thể xảy ra của tường chắn Từ Hình 2.1 có thể thấy rằng các bài toán phân tích sự ổn định của hố đào sâu

gồm:  Ổn định cắt tổng thể (Overall stability): Dự liệu độ sâu ngàm của tường để

ngăn chặn sự lật của tường và ổn định tổng thể mái dốc Bao gồm phá hoại

“đá chân” (Push In) và phá hoại “bùng nền” (Basal Failure)

 Phá hoại thủy lực (Hydraulic Failure): độ xuyên của tường phải đủ để tránh

hiện tượng xói ngầm hay phun tràn phía ngực tường sau khi đào đất đến cao độ thành tạo

2.1.1 CÁC LOẠI HỆ SỐ AN TOÀN 2.1.1.1 Phương pháp hệ số sức kháng cắt

Phương pháp này xét đến sự không chắc chắn mức độ đúng đắn của sức kháng của đất và vì thế cần phải chia cho hệ số an toàn FS Do đó các thông số dùng trong trường hợp phân tích bằng các thông số sức kháng hữu hiệu sẽ là:

FS

Phương pháp này dùng hệ số an toàn cho thông số đầu vào (giống hệ số riêng phần trong tiêu chuẩn Châu Âu) nên được cho là phương pháp khá hợp lý Vì sau khi dùng hệ số an toàn thì hệ số áp lực đất bị động bé hơn, áp lực chủ động lớn hơn do đó phương pháp này chủ yếu dùng cho phân tích ổn định và không dùng trong trường hợp phân tích ứng suất biến dạng trong nền

2.1.1.2 Phương pháp hệ số sức chịu tải

2.1.1.3 Phương pháp hệ số kích thước

Trường hợp tường chắn ở trạng thái giới hạn và sức kháng của đất nền được huy động tối đa theo phương trình cân bằng lực thì chiều sâu ngàm của tường có thể được xác định như sau: Hp d, FSdHp cal, (2-4)

Trong đó FSd là hệ số an toàn đối với phương pháp hệ số kích thước Hp,cal: Chiều sâu ngàm tính toán được theo điều kiện cân bằng giới hạn Thông thường hệ số an toàn được định nghĩa là tỷ số giữa lực chống trượt và lực gây trượt hoặc là hệ số giảm sức kháng Do đó phương pháp theo hệ số kích thước không được khuyến khích dùng trong thực hành

2.1.2 PHÁ HOẠI CẮT TỔNG THỂ

Khi ứng suất cắt của một điểm nào đó trong nền vượt quá hoặc bằng sức kháng của đất có nghĩa là điểm đó đã đạt trạng thái phá hoại hoặc trạng thái giới hạn Trong trường hợp có nhiều điểm như thế sẽ hình thành mặt phá hoại, và sự phá hoại sẽ diễn ra, đây là hiện tượng phá hoại cắt tổng thể trong các công trình hố đào như thể hiện ở

Hình 2.2

Hình 2.2: Các trạng thái phá hoại cắt tổng thể (a) Đáy tường cọc bị đẩy

vào trong hố đào; (b) Đáy hố đào bị đẩy trồi lên

Hai dạng phá hoại cắt tổng thể chính trong hố đào sâu là ĐÁ CHÂN và BÙNG NỀN Trong đó ĐÁ CHÂN gây ra do áp lực đất đạt trạng thái giới hạn ở cả 2 bên mặt

tường chắn đất, gây ra chuyển vị lớn vào hố đào (đặc biệt là phần ngàm dưới đáy hố đào của tường) cho đến khi đạt trạng thái phá hủy toàn vùng Sơ đồ tính toán thể hiện

như Hình 2.3 Theo JSA:1988 và TGS:2001 thì hệ số an toàn trong trường hợp

PUSH-IN là 1.50

rp

P LMM

Md: Moment gây mất ổn định Pa: Tổng lực gây ra do áp lực đất chủ động lên phía ngoài của tường bên dưới tầng chống thấp nhất

La: Khoảng cách từ điểm đặt lực Pa đến vị trí tầng chống thấp nhất Ms: Moment uốn cho phép của tường chắn đất

Hình 2.3: Phân tích đẩy ngang tường cọc theo phương pháp áp suất tổng cộng:

(a) Phân bố áp lực đất tổng cộng; (b) Cân bằng hệ lực của phân tố tường tách ra

Trong khi BÙNG NỀN xảy ra khi trọng lương đất bên ngoài hố đào vượt quá

sức chịu tải của đất bên dưới đáy hố đào làm cho đất nền dịch chuyển và đáy hố đào bị đẩy trồi lên dẫn đến phá hoại tổng thể Hệ số an toàn trong trường hợp này tối thiểu là 1.50 nếu tính theo phương pháp Terzaghi (theo JSA:1988), tối thiểu là 1.20 nếu tính toán theo phương pháp của Bjerrum và Eide (JSA:1988) còn nếu tính theo phương pháp mặt trượt trụ tròn thì hệ số an toàn tối thiểu là 1.20 (JSA:1988, TGS:2001)

2.1.2.1 Phương pháp Terzaghi (phương pháp sức chịu tải) Khi: DB/ 2

Hình 2.4: Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải của Terzaghi

(a) Tìm mặt phá hoại theo phương pháp thử dần; (b) Mặt phá hoại thứ 2; (c) Mặt phá hoại thứ 3; (d) Cả 2 phía hố đào xảy ra phá hoại

Khi: DB/ 2Trong trường hợp này mặt phá hoại được giới hạn bởi đất cứng (như hình 2.5b) và hệ số an toàn được tính theo phương trình:

,22

2.1.2.2 Phương pháp sức chịu tải âm (Bjerrum và Eide 1956)

Hình 2.6: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp sức chịu tải âm : (a) Mặt trượt

có bề rộng 2B1; (b) Mặt trượt khác có bề rộng 2B1 ; (c) Mặt trượt bao phủ toàn đáy

hố đào

Hình 2.7: Hệ số sức chịu tải Skempton (Skempton, 1951)

Giống như phương pháp của Terzaghi, phương pháp của Bjerrum và Eide (1956) không thể xác định được hệ số an toàn đối với hiện tượng đẩy trồi đáy hố đào bằng cách tìm hệ số an toàn nhỏ nhất Thay vào đó, mặt trượt nguy hiểm nhất được giả định có bán kính B/ 2 và từ đó tính được hệ số đẩy trồi hố đào Hệ số an toàn được tính toán theo công thức:

N SF





Trong đó qs là phụ tải xung quanh hố đào, và Nc là hệ số sức chịu tải theo

Skemton, tra theo biểu đồ Hình 2.7 Vì Nc được tính toán có kể đến ảnh hưởng của

chiều sâu ngàm và kích thước hố đào nên phương trình (2-9 đúng với trường hợp hố

đào nông, sâu và cũng như là hố đào hình chữ nhật Phương pháp sức chịu tải âm của Bjerrum và Eide có kể đến ảnh hưởng của hình dạng hố đào, chiều sâu hố đào cũng như chiều rộng hố đào nên có thể áp dụng cho hố đào nông và sâu Đối với hầu hết các dạng hố đào hệ số an toàn theo phương pháp này cần đạt tối thiểu là 1.2 (theo JSA:1988)

2.1.2.3 Phương pháp mặt trụ tròn

Tính toán theo phương pháp mặt trụ tròn bằng cách thử dần nhiều mặt trượt giả thiết để tìm giá trị hệ số an toàn nhỏ nhất đối với sự đẩy trồi đáy hố đào Phương pháp này được gọi là phương pháp mặt trượt trụ tròn

Tâm của mặt trượt tròn có thể được giả định là điểm giằng chống thấp nhất trong

hố đào, ở mặt trên hố đào hoặc bất cứ điểm nào ví dụ như điểm A, B và O như Hình 2.8 Phương pháp mặt trượt trụ tròn không có tâm cụ thể dùng để tìm ra nhiều mặt

trượt có tâm và kích thước khác nhau tương ứng với các hệ số an toàn khác nhau Mặt tròn có hệ số an toàn bé nhất là mặt trượt nguy hiểm nhất Theo lý thuyết thì mặt trượt nguy hiểm nhất có giá trị hệ số an toàn bé nhất, và theo kết quả thực tế tính toán thì giá trị hệ số an toàn nhỏ nhất thường là mặt trượt có tâm ngay tại điểm giằng chống thấp nhất (liu et al 1997) Do đó mặt trượt có tâm nằm ngay vị trí giằng chống thấp

nhất thường được dùng trong tính toán Sơ đồ tính toán thể hiện như Hình 2.9

Hình 2.8: Vị trí tâm cung tròn theo phương pháp mặt trụ tròn

Hình 2.9: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp mặt trượt trụ tròn: (a) Mặt

trượt phá hoại và (b) Lực tác động lên khối trượt

Hệ số an toàn có thể tính toán theo phương trình:

( / 2)

0

( )

W2

rb

d

MF

XM

W: Tổng khối lượng đất phía trước mặt phá hoại thẳng đứng và bên trên mặt hố đào, bao gồm cả phụ tải trên mặt hố đào Khi dùng phương pháp này, hệ số an toàn tối thiểu cần phải đạt giá trị 1.20 (theo TGS:2001 và JSA:1988) Thông thường tính toán giả thiết Ms=0

Thực tế thì mắt trượt không thể cắt qua phần tường ngàm vào đất, do đó với đ ất có sức kháng cắt là hằng số hoặc sức kháng cắt tăng theo chiều sâu thì mặt trượt nguy đi qua đáy của tường chính là mặt trượt nguy hiểm nhất với giá trị hệ số an toàn bé nhất Do đó đặt X=s+Hp trong đó s là khoảng cách giữa tầng chống thấp nhất so với bề mặt đáy hố đào và Hp là chiều sâu đóng của tường để tính toán kiểm tra cho nhiều mặt trượt tròn

2.1.3 ĐẨY TRỒI ĐÁY

Trong trường hợp bên dưới đáy hố đào tồn tại một lớp có hệ số thấm lớn (chẳng hạn cát hoặc cuội sỏi) ngay bên dưới lớp đất không thấm thì lớp đất không thấm có xu

hướng bị đẩy lên do áp lực nước qua lớp đất có hệ số thấm lớn như thể hiện ở Hình 2.10 Hệ số an toàn cho sự đấy trồi do áp lực nước lên lớp đất không thấm phải được

kiểm tra

Hình 2.10: Phân tích đẩy trồi đáy hố đào do áp lực nước

Hệ số an toàn có thể tính toán theo phương trình:

ww

i iup

hF

H



Trong đó:

Fup: Hệ số đẩy trồi do áp lực nước i: Dung trọng lớp đất ở phía trên đáy lớp đất không thấm Hi: Chiều dày lớp đất phía trên đáy lớp không thấm Hw: Chiều cao cột áp trong lớp đất có hệ số thấm cao w: Dung trọng của nước dưới đất

Hệ số an toàn trong trường hợp này cần thỏa mãn tối thiểu là 1.20

2.1.4 XÓI NGẦM (CÁT SÔI)

Khi hố đào thi công trong tầng cát tương đối dày với mực nước ngầm cao, việc hạ mực nước ngầm (làm khô hố móng) để phục vụ thi công là vấn đề cần thiết Khi đó, chênh áp nước giữa bên ngoài và bên trong hố đào gây ra áp lực dòng thấm hướng lên trên, chống lại trọng lượng của đất và làm giảm ứng suất hữu hiệu theo phương đứng

đến 0 Các hạt đất rơi vào trạng thái lơ lửng và bị đẩy lên gây phá hoại (cát sôi) như

thể hiện trong Hình 2.11

Hình 2.11: Lưới thấm qua chân tường chắn

Áp lực dòng thấm được thể hiện qua giá trị gradient thủy lực, tức là tỷ số giữa chênh cột áp và chiều dài dòng thấm Giá trị gradient thủy lực lớn nhất đối với dòng

thấm qua chân tường chắn, có thể được xác định như công thức (2-12

Trong đó các thông số He, Hp, di, dj, Hw được mô tả như Hình 2.12

Hình 2.12: Sơ đồ phân tích “cát sôi”

Gradient thủy lực tương ứng với trường hợp ứng suất có hiệu suy biến về zero được gọi là gradient thủy lực tới hạn icr Khi gradient thủy lực vượt quá giá trị tới hạn

thì đất sẽ bị phá hoại theo hiện tượng “cát sôi” Giá trị icr được tính toán theo tỷ trọng hạt Gs và hệ số rỗng e như công thức (2-13

11

scr

Gi

e



Thông thường tỷ trọng hạt của cát khoảng 2.65 và hệ số rỗng dao động 0.57-0.95 nên giá trị gradient thủy lực tới hạn của hầu hết các loại cát gần giá trị 1 khi tính theo công thức trên

Khi đó, chiều dài tường vây được xem xét để hạn chế giá trị gradient thủy lực trong suốt quá trình thi công nhằm bảo vệ hố đào không bị phá hoại do thủy lực Hệ số an toàn trong trường hợp này được xác định như sau:

crsb

avg

iF

i

Hệ số Fsb theo phương pháp gradient thủy lực tới hạn như phương trình (2-14

phải thỏa mãn hệ số an toàn là 2

2.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ AN TOÀN

Hệ số an toàn (FS) của mỗi dự án trong phần này được xem xét như là hệ số ổn định tổng thể Có nhiều phương pháp để tính toán hệ số này như đã trình bày trước đó, trong đó sử dụng phần mềm Geo-Slope (phân tích ổn định theo cân bằng giới hạn) hoặc phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis (phân tích ổn định theo hệ số sức kháng cắt) khá phổ biến và đạt độ tin cậy trong hầu hết các trường hợp

Từ năm 1930, phương pháp cân bằng giới hạn đã được sử dụng để phân tích ổn định tổng thể cho mái dốc với mô hình ban đầu là Fellenius hay còn gọi là phương

pháp phân mảnh cổ điển như mô tả trong Hình 2.13

Hình 2.13: Phân mảnh trong phương pháp cân bằng giới hạn

Do yêu cầu về độ chính xác và phải phù hợp với thực tế nên đã có nhiều mô hình khác được phát triển dựa trên sự phân mảnh mịn mái dốc và xem xét toàn diện các phương trình cân bằng (lực và moment) Trong đó phương pháp Bishop (1955) với giả thuyết mặt trụ tròn tương đối đơn giản và độ chính xác cao vẫn được sử dụng để

tính toán đến thời điểm hiện tại

Với sự phát triển của máy tính và phần mềm tính toán, ứng dụng của phần tử hữu hạn trong phân tích địa kỹ thuật đã trở nên phổ biến một cách nhanh chóng Griffiths và Lanes (1999) đã công bố bài báo ứng dụng phương pháp số nâng cao trong phân tích ổn định mái dốc Và đến thời điểm hiện tại, sử dụng phương pháp phần tử

hữu hạn với phân tích hệ số sức kháng cắt_Phi-c reduction, được xem như là một giải

pháp hữu hiệu để phân tích ổn định tổng thể Phương pháp này có khá nhiều ưu điểm vượt trội như là:

 Không yêu cầu phải giả định mặt trượt  Mặt trượt hay mặt tới hạn sẽ được tự động tìm thấy ở các khu vực không

đảm bảo khả năng chịu lực  Không yêu cầu phải giả định sự phân bố nội lực trong các phân mảnh  Ứng dụng trong mô hình phức tạp (mặt cắt địa chất phức tạp, trình tự thi

công và gia tải, tác động nước ngầm và các vật liệu gia cường)  Thông tin về ứng suất, chuyển vị và áp lực nước cho phân tích biến

dạng Trong luận văn này, tác giả sẽ tiến hành tính toán hệ số an toàn theo phương

pháp phần tử hữu hạn_Plaxis như thể hiện trong Hình 2.14 Khi đó, hệ số này được

thực hiện bằng phân tích Phi-c reduction, với hệ số tỷ lệ giảm của c,  là như nhau và bằng Msf

Hình 2.14: Phân tích Phi-c reduction trong phương pháp phần tử hữu hạn_Plaxis