Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Ảnh hưởng độ cứng của tường vây lên biến dạng của cọc bên trong hố đào sâu khu vực đất yếu Cần Thơ

Những kết quả bao gồm chuyển vị ngang, moment và phạm vi của cọc bên trong tường chắn bị ảnh hưởng bởi hố đào sẽ được xác định và trình bày trong phần kết luận... CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Trọng Nghĩa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 201…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: HỒ HẢI TRIỀU Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 20/10/1985 Nơi sinh : Cần Thơ

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng(ct) MSHV: 12834704 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2012

I- TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA TƯỜNG VÂY LÊN BIẾN DẠNG CỦA CỌC

BÊN TRONG HỐ ĐÀO SÂU KHU VỰC ĐẤT YẾU CẦN THƠ

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mở đầu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn dùng phân tích

ảnh hưởng độ cứng của tường vây lên biến dạng của cọc bên trong hố đào sâu

Chương 3: Ảnh hưởng độ cứng của tường vây lên biến dạng của cọc bên trong

hố đào sâu khu vực đất yếu Cần Thơ

Kết luận và kiến nghị II- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ……….……… III- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ……… IV- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lê Trọng Nghĩa

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Bộ môn Địa cơ Nền móng, các Quý Thầy Cô đã giúp học viên trang bị tri thức, tạo môi trường điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận văn này

Với lòng kính trọng và biết ơn, xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thầy

Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa, người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và luôn quan tâm, động

viên tinh thần trong thời gian học viên thực hiện Luận văn Trong suốt thời gian thực hiện Luận văn, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng Thầy vẫn giành nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn học viên Thầy đã cung cấp cho học viên nhiều hiểu biết và truyền đạt cho học viên hiểu được phương thức tiếp cận và giải quyết một vấn đề khoa học, đây là hành trang quí giá mà học viên sẽ gìn giữ cho quá trình học tập và làm việc tiếp theo của mình

Cuối cùng, xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên, hỗ trợ học viên rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và hoàn thành Luận văn

TP Hồ Chí Minh, tháng … năm 201…

Học viên

Hồ Hải Triều

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Một hố đào sâu 10m được tiến hành trên vùng đất yếu dày để xây dựng đài móng và tầng hầm cho công trình 18 tầng tại khu vực thành phố Cần Thơ Địa chất khu vực công trình gồm 37m bùn sét có số búa SPT từ 0 đến 1, nằm ngay bên dưới là lớp cát pha có giá trị SPT trung bình bằng 7 búa và dưới cùng là sét pha dày 9m có giá trị SPT trung bình bằng 21 búa Hố đào sâu được chống đở xung quanh bằng tường vây cọc ba-rét dày 0.6m dài 22m Trước khi thi công hố đào, hệ cọc khoan nhồi đường kính 1200mm dài 54m được thi công để chống đỡ kết cấu bên trên Chiều sâu hố đào là 10m với ba tầng chống ở các cao độ -0.5m, -3.0m và -6.0m so với mặt đất tự nhiên Trong luận văn này, tác giả tiến hành phân tích bằng phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis để xét sự ảnh hưởng của độ cứng tường vây đến biến dạng của cọc hiện hữu bên trong hố đào Những kết quả bao gồm chuyển vị ngang, moment và phạm vi của cọc bên trong tường chắn bị ảnh hưởng bởi hố đào sẽ được xác định và trình bày trong phần kết luận

ABSTRACT

A large excavation was carried out in the thick soft soil layer to construct the pile cap foundation and the basement floor for the 18 stories building in Can Tho City The soil profile consists of a 37-meter-thick of very soft clay with SPT value of zero laid on a 5.5-meter-thick of clayey sand with average SPT value of 7 and laid on a 9-meter-thick of sandy clay with average SPT value of 21 The excavation was supported by the 0.6-meter-thick and 22-meter-deep diaphragm wall Before the excavation, the bored piles with 1200mm diameter and 54m long were installed to support the superstructure A excavation was carried out to 10 meter depth with three shoring system at the level of -0.5m, -3.0m and -6.0m, respectively The paper presents a numerical analysis to observe the effect of diaphragm wall stiffness on the deformation of the existing piles inside the deep excavation In the results, the lateral displacement, the moment and the distance inside the wall that effect by the excavation to the existing piles were determined

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

3 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Giới hạn phạm vi và đối tượng nghiên cứu 2

6 Hạn chế của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Sự cố lệch cọc bị lệch trong quá trình thi công hố đào sâu 3

1.2 Khu vực nghiên cứu 6

1.3 Phương pháp nghiên cứu 6

1.4 Một số nghiên cứu trước đây 7

1.4.1 Các trạng thái ứng xử của cọc trong nền đất yếu 7

1.4.2 Ảnh hưởng hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào 16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA TƯỜNG VÂY LÊN BIẾN DẠNG CỦA CỌC BÊN TRONG HỐ ĐÀO SÂU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 27

2.1 Phân tích phần tử hữu hạn trong PLAXIS 27

2.4.2 Mô hình Hardening Soil (HS) 34

2.4.3 Thông số đầu vào của đất nền 37

2.5 Đặc trưng vật liệu của tường vây và cọc 40

2.6 Đặc trưng vật liệu của phần tử dầm (wailing beam) 40

2.7 Đặc trị vật liệu của phần tử cọc (Pile) 41

2.8 Phần tử lò xo (Spring) 42

2.9 Các lỗi thường gặp với mô hình Plaxis 3D foundation 42

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA TƯỜNG VÂY LÊN BIẾN DẠNG CỦA CỌC BÊN TRONG HỐ ĐÀO SÂU KHU VỰC ĐẤT YẾU CẦN THƠ 47

3.1 Phương pháp tính toán 47

3.2 Phân tích ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào ứng với công trình thực tế 49

3.2.1 Các đặt điểm cơ bản của công trình 49

3.2.2 Số liệu địa chất công trình 50

3.2.3 Các thông số và mô hình vật liệu 52

3.2.3.1 Thông số đất sử dụng trong mô hình 52

3.2.3.2 Thông số tường vây và cọc 53

3.2.3.3 Thông số hệ chống bằng thép hình H350 53

3.2.3.4 Phụ tải mặt đất 54

3.2.3.5 Điều kiện mực nước ngầm 54

3.3 Mô hình tính toán trong Plaxis 8.5 54

3.3.1 Các bước mô phỏng bài toán trong Plaxis 55

3.3.2 Các Phase giải bài toán trong Plaxis 57

3.4 Ảnh hưởng của chuyển vị tường chắn đến chuyển vị cọc 57

3.5 Các kết quả tính toán 60

dài tường 60

3.5.2 Chuyển vị của cọc bên trong hố đào khi thay đổi chiều dài tường chắn.62 3.5.2.1 Kết quả chuyển vị của cọc ứng với chiều dài tường chắn L = 22m 62

3.5.2.2 Kết quả chuyển vị của cọc ứng với chiều dài tường chắn L = 29m 63

3.5.2.3 Kết quả chuyển vị của cọc ứng với chiều dài tường chắn L = 36m 64

3.5.2.4 Kết quả chuyển vị của cọc ứng với chiều dài tường chắn L = 43m 65

3.5.3 Moment của cọc bên trong hố đào khi thay đổi chiều dài tường chắn 68

3.5.3.1 Kết quả Moment của cọc ứng với chiều dài tường chắn L = 22m 68

3.5.3.2 Kết quả Moment của cọc ứng với chiều dài tường chắn L = 29m 69

3.5.3.3 Kết quả Moment của cọc ứng với chiều dài tường chắn L = 36m 70

3.5.3.4 Kết quả Moment của cọc ứng với chiều dài tường chắn L = 43m 71

Hình 1.4: Toàn cảnh hố đào – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ CHí Minh 5

Hình 1.5: Cọc bị nghiêng lệch khi tiến hành đào đến cao độ đáy đài – Công trình 15 tầng, Quận 8, Tp Hồ CHí Minh 5

Hình 1.6: Mặt bằng và mặt cắt mô hình tính toán (Bransby và Springman, 1995) 7

Hình 1.7: Chuyển vị của nhóm cọc dưới sự tác dụng của tải tăng cường 7

Hình1.8: Áp lực bên của cọc dưới tác dụng của tải tăng cường (chỉ phân tích theo phương pháp PTHH) 8

Hình1.9: So sánh theo biểu đồ p-δ tại độ sâu 3.15m phía trước và sau hàng cọc 8

Hình1.10: Mối quan hệ chuyển vị cực đại của tường chắn, hệ chống và hệ số an toàn bùng nền 9

Hình 1.11: Bài toán cơ bản của Poulos-Chen (1996) 11

Hình 1.12: Mặt cắt ngang hố đào (Goh, 2003) 12

Hình 1.13: Mặt bằng bố trí cọc và máy đo chuyển vị (Goh, 2003) 13

Hình 1.14: Kết quả đo chuyển vị ngang của cọc và đất (Goh, 2003) 13

Hình 1.15: Kết quả quan trắc và dự đoán bằng BCPILE về chuyển vị và mômen uốn trong cọc (Goh, 2003) 14

Hình 1.16: Thiết lập mô hình máy ly tâm (kích thước nguyên mẫu trong ngoặc) bởi Leung (2003) 15

(2006) 15

Hình 1.18: Mô hình trường hợp I – Tạo mái dốc khi đào (Thasnanipan, 1998) 17

Hình 1.19: Mô hình trường hợp II – Sử dụng cọc bản có chống chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) 18

Hình 1.20: Mô hình trường hợp III – Sử dụng cọc bản có hai tầng chống tạm chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) 18

Hình 1.21: Mô hình trường hợp IV – Sử dụng cọc bản có một tầng chống tạm chắn giữ hố đào (Thasnanipan, 1998) 19

Hình 1.22: Kết quả tính toán mômen uốn và chuyển vị của cọc gần tường cọc bản nhất Trường hợp IV 20

Hình 1.23: Mô hình 3D của các lớp địa chất (Kok, 2009) 21

Hình 1.24: Bản vẽ cho thấy vị trí gãy cọc của 2 cọc nằm liền kề hố đào (Kok, 2009) 22

Hình 2.1: Yêu cầu tối thiểu của mô hình hố đào (Bakker, 2005) 30

Hình 2.2: Các phần tử và nút trong mô hình 2D Mỗi nút có hai bậc tự do, được mô tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn, (Wiberg, 1974) 31

Hình 2.3: Các bước phân tích phần tử hữu hạn (Wiberg, 1974) 31

Hình 2.4: Kết quả chuyển vị với số nút tăng dần trong mô hình 3D, (Hannes và Daniel, 2010) 32

Hình 2.5: Mô hình dẻo lý tưởng 34

Hình 2.7: Xác định ref

oed

E qua thí nghiệm nén cố kết 36

Hình 2.8: Xác định refE50 qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước 37

Hình 2.9: Hệ trục địa phương của phần tử dầm 41

Hình 2.10: Lỗi giới hạn của Plaxis về số phần tử (I) Lỗi và cách khắc phục đối với vùng (cluster) (II) Lỗi và cách khắc phục đối với đường (line) 43

Hình 2.11: Lỗi phần tử xấu khi Mesh lưới phần tử 44

Hình 2.12: Lỗi phân kỳ và hội tụ 45

Hình 2.13: Thông số kích thước phân bố phần tử địa phương 45

Hình 3.1: Quy trình phân tích 48

Hình 3.2: Mặt bằng tường vây và cọc 49

Hình 3.3: Đặc trưng của các lớp đất 51

Hình 3.4: Các bước thi công mô phỏng trong Plaxis 56

Hình 3.5: Các Phase tính toán trong Plaxis 57

Hình 3.6: Sơ đồ mô hình trong Plaxis 57

Hình 3.7: Chuyển vị ngang của tường chắn hố đào ứng với sự thay đổi chiều dài của tường 60

Hình 3.8: Chuyển vị ngang của tường chắn hố đào ứng với sự thay đổi chiều dài, bề dày của tường 61

Hình 3.9: Chuyển vị của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn L = 22m 62

Hình 3.10: Chuyển vị của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn L = 29m 63

36m 64

Hình 3.12: Chuyển vị của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn L = 43m 65

Hình 3.13: Chuyển vị của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn 67

Hình 3.14: Moment của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn L = 22m 68

Hình 3.15: Moment của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn L = 29m 69

Hình 3.16: Moment của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn L = 36m 70

Hình 3.17: Moment của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn L = 43m 71

Hình 3.18: Momnet của cọc bên trong hố đào ứng với chiều dài tường chắn 73

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Khả năng chịu mômen của cọc và mômen gay ra trong cọc gần biên hố

đào do thi công hố đào (Thasnanipan, 1998) 19

Bảng 2.1 – Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Mohr – Coulumb 33

Bảng 2.2 – Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Hardening Soil 36

Bảng 2.3 – Miền giá trị của môđun E ứng với các loại đất khác nhau (Bowles,1988) 38

Bảng 2.4 – Các giá trị điển hình của môđun E 38

Bảng 2.5 – Các giá trị điển hình của hệ số Poisson 39

Bảng 2.6 – Góc ma sat trong của cát theo chỉ số NSPT 39

Bảng 2.7 – Các giá trị điển hình của ’ ,c’ và cu 40

Bảng 2.8 – Đặc trưng vật liệu của dầm (wailing beam) 41

Bảng 2.9 – Đặc trưng vật liệu của cọc 42

Bảng 3.1 – Đặc điểm địa chất hố khoan 1 50

Bảng 3.2 – Thông số đất nền sử dụng mô hình tính toán Plaxis 3D Foundation 52

Bảng 3.3 – Thông số của các tầng chống bằng thép hình H350 53

Bảng 3.4 – Trình tự các bước thi công tầng hầm 54

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay, nhu cầu về việc sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật hoặc dịch vụ dưới các nhà cao tầng, bãi đậu xe ngầm, hệ thống giao thông ngầm, hệ thống xử lý nước thải…, ngày càng gia tăng trong các khu đô thị và ngày càng mở rộng ra các khu lân cận khác Trong đó có không ít công trình được xây dựng trên nền đất yếu, và trường hợp các cọc bên trong hố đào mở bị phá hoại là sự cố hay xuất hiện Các sự cố này có điểm chung là, sau khi thi công phần cọc xong tiến hành công tác đào đất hố đào thì xảy ra sự cố cọc bị nghiêng lệch hay phá hoại Một số nước trên thế giới tiến hành thi công hố đào trước khi thi công cọc để bảo vệ cọc ổn định, nhưng nó lại không phù hợp trong điều kiện không gian thi công chật hẹp và không cho phép đào mở Đặc biệt là công trình có nhiều tầng hầm Việc thi công hố đào trong đất yếu là rất phức tạp, khi đất yếu chuyển vị ngang sẽ tạo ra phụ tải trên cọc và khi chuyển vị quá mức sẽ gây mômen uốn lớn hơn mômen kháng nứt của cọc, kết quả là cọc bị gãy

Đã có nhiều nghiên cứu tập trung chuyển vị ngang của tường chắn và dự đoán chuyển vị ngang của đất nền Khi công trình sử dụng móng cọc, thì liên quan đến chuyển vị ngang của đất nền có thể gây phá hoại cọc khi đào đất Cọc thường được thiết kế để chống đỡ tải trọng đứng nên khi đất chuyển vị ngang sẽ gây mômen uốn trong cọc, làm thay đổi ứng suất trong cọc hay thậm chí là gây gãy cọc

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào trong đất

yếu còn khá hạn chế Với lý do đó, luận văn này tập trung vào “ảnh hưởng độ cứng của tường vây lên biến dạng của cọc bên trong hố đào sâu khu vực đất yếu Cần Thơ”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Mục đích luận văn này là tìm hiểu về sự ảnh hưởng của việc thi công hố đào sâu trong đất yếu sẽ tác động như thế nào đến cọc bên trong hố đào chưa có tải trọng dọc trục Tải trọng ngang do chuyển vị của đất gây ra mômen uốn và chuyển vị có làm thay đổi ứng suất cũng như phá hoại cọc không?

3 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài

Thiết lập biểu đồ chuyển vị ngang và mômen uốn của cọc bên trong hố đào Từ đó xác định vùng cọc sẽ bị ảnh hưởng bên trong hố đào sâu

Thiết lập quan hệ giữa chiều sâu tường với chuyển vị và mômen uốn của cọc bên trong hố đào Đưa ra giải pháp hạn chế ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào

4 Phương pháp nghiên cứu:

Để nghiên cứu các nội dung nêu trên, tác giả đã lựa chọn phương pháp nghiên cứu sau:

Nghiên cứu về lý thuyết: Cơ sở lý thuyết về tính toán lựa chọn thông số đầu vào từ các thí nghiệm trong phân tích bài toán hố đào sâu

Mô phỏng: mô hình bài toán được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào; xác định phạm vi và mức độ ảnh hưởng do hố đào sâu gây ra cho cọc bên trong hố đào

5 Giới hạn phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

Nội dung luận văn chỉ tập trung nghiên cứu vào các vấn đề sau:

- Phân tích ứng xử của cọc bên trong hố đào khi thi công hố đào sâu trong đất yếu

- Phân tích ảnh hưởng của tải trọng xung quanh hố đào đến cọc bên trong hố đào bằng phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến chiều dài ngàm tường và khoảng

cách cọc đến tường hố đào

6 Hạn chế của đề tài:

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề của hố đào sâu được chắn giữ bằng tường vây bê tông cốt thép (Diaphram wall) và ảnh hưởng của tường vây lên biến dạng của cọc bên trong hố đào sâu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương này trình bày vấn đề liên quan đến ảnh hưởng của hố đào sâu đến các công trình xung quanh hố đào do đất chuyển vị theo phương ngang, dựa trên cở sở thu thập các tài liệu trong và ngoài nước Nội dung cơ bản bao gồm việc xem xét tác động của hố đào sâu đến cọc lân cận hố đào và các yếu tố sẽ được xem xét trong phân tích mô phỏng hố đào sâu Các nghiên cứu ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào còn khá hạn chế, hầu hết các học giả nghiên cứu sự ảnh hưởng đến cọc bên ngoài hố đào do thi công hố đào sâu, mà chưa xét đến ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào do quá trình thi công hố đào sâu trong đất yếu

1.1 Sự cố cọc bị nghiêng lệch trong quá trình thi công hố đào sâu

Công trình xây dựng cao ốc ở Phường Thảo Điền - Quận 2- TP.HCM xảy ra sự cố khi hầu như toàn bộ phần cọc, móng bị nghiêng, có cọc bị gãy khúc Thiệt hại sự cố này ước tính lên đến 10 tỷ đồng, việc khắc phục sự cố này cũng hết sức phức tạp do đất nền đã bị xáo trộn rất nhiều

Hình 1.1: Toàn cảnh sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy Cao ốc Phường

Thảo Điền, Quận 2, TP Hồ Chí Minh

Một công trình xây dựng cao ốc ở khu Phú Mỹ Hưng - Quận 7 khi đi thi công phần móng cọc thì đã xảy ra hiện tượng cọc bị xô lệch, làm sạt một phần đường đi

Theo nhận định của CONINCO thì nguyên nhân là do phương án chống đỡ không tốt trong lúc thi công cọc BTCT đã làm xảy ra hiện tượng sạt cọc Ước tính số tiền thiệt hại do sự cố này khoảng 3-4 tỷ đồng

Hình 1.2: Sự cố các cọc ống bị nghiêng lệch và gãy – Cao ốc Khu đô thị mới

Phú Mỹ Hưng, Quận 7, TP Hồ Chí Minh

Công trình tại Quận 7- Phú Mỹ Hưng- TP.HCM áp dụng phương pháp móng cọc ly tâm BTCT dự ứng lực – D500 thi công bằng phương pháp ép thủy lực (ép đỉnh) đã xảy ra sự cố cọc bị dịch chuyển ngang Sự cố được phát hiện sau khi đơn vị thi công phần móng và hầm tiến hành đào đất, khoảng cách sai lệch so với thiết kế ban đầu có tim lên đến hơn 0,6m và vượt qua ngoài phạm vi cho phép của quy trình thi công

Hình 1.3: Khu vực cọc bị nghiêng lệch – Công trình 13 tầng Khu đô thị mới Phú

Mỹ Hưng, Quận 7, TP Hồ Chí Mình

Và trong năm 2011, công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Minh Trong quá trình tiến hành thi công đào đất để thi công đài móng thì gặp sự cố cọc bị nghiêng lệch và gãy tại 2 móng M1 & M2, cọc bị chuyển vị lớn nhất lên đến khoảng 60cm Nguyên nhân ban đầu được xác định do đơn vị thi công đã vận chuyển đất trong hố đào và tập kết gần mép hố đào khoảng 12m, cao 4m Đặc biệt địa chất ở đây rất yếu có lớp sét yếu dày khoảng 25m

Hình 1.4: Toàn cảnh hố đào – Công trình 15 tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Mình

Hình 1.5: Cọc bị nghiêng lệch khi tiến hành đào đến cao độ đáy đài - Công trình 15

tầng, Quận 8, TP Hồ Chí Minh

Hiện tượng chuyển vị ngang đầu cọc xảy ra sau khi thi công dẫn đến tọa độ các cọc thay đổi Việc xác định chất lượng cọc và khả năng mang tải còn lại của cọc cũng như đề ra các biện pháp xử lý khắc phục để giảm bớt chi phí và thời gian cũng như làm giảm bớt sự chậm trễ tiến độ thi công và tính hiệu quả của dự án Do đó, cần phân tích đánh giá ảnh hưởng của hố đào sâu, đặc biệt công trình có lớp đất yếu dày

1.2 Khu vực nghiên cứu

Thành phố Cần Thơ nằm trên khu vực đất yếu có chiều dày lớp bùn sét nhão lên đến 40m, chính vì thế việc thi công các tầng hầm sâu gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém Chiều dài của tường chắn hố đào sâu phải dài để đảm bảo chuyển vị, ổn định tổng thể của hố đào và không xảy ra các mặt trượt sâu xung quanh hố đào Chuyển vị ngang của tường chắn có ảnh hưởng rất lớn đến độ ổn định của tường, đất, cũng như điều kiện sử dụng của các kết cấu bên trong tường chắn

Do đó việc lựa chọn thiết kế về độ sâu cắm tường cũng như độ cứng của tường sao cho đảm bảo được yêu cầu về cường độ, chuyển vị, ổn định tổng thể và điều kiện kinh tế là một việc rất quan trong Trong giới hạn cho phép nghiên cứu này tác giả xin trình bày ảnh hưởng của việc lựa chọn độ sâu tường thiết kế cũng như độ cứng tường chắn đến chuyển vị ngang của nó bằng phương pháp mô phỏng và tính toán bằng phần tử hữu hạn

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Dùng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán cho hố đào sâu Dùng phần mềm ứng dụng Plaxis 3D Foundation mô tả tính toán

Độ cứng của tường chắn bê tông cốt thép phụ thuộc vào cường độ bê tông, bề dày tường chắn Trong giới hạn cho phép đề tài nghiên cứu cho cường độ bê tông là không đổi B25 thay đổi độ cứng tường bằng cách thay đổi bề dày tường Đối với độ cứng nghiên cứu 3 trường hợp dày 600mm, 800mm và 1000mm Xét ảnh hưởng của chiều sâu cắm vào đất của tường chắn chọn 4 trường hợp là 22m, 29m, 37m, 44m

Để xem xét sự thay đổi độ cứng ứng, ta xét cố định cho một chiều sâu nhất định Tương tự khi xét sự thay đổi độ sâu ta cố định một độ cứng nhất định

1.4 Một số nghiên cứu trước đây 1.4.1 Các trạng thái ứng xử của cọc trong nền đất yếu

Hình 1.6: Mặt bằng và mặt cắt mô hình tính toán (Bransby và Springman,1995)

M.F Bransby và S.M Springman (1995) đưa ra một báo cáo về phân tích ứng xử ngắn hạn của nhóm cọc chịu áp lực bên do biến dạng của lớp đất sét dẻo dưới tác dụng của tải lân cận bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3D Nhóm cọc gồm 2 hàng cọc với đường kính 1,27m và dài 19m, được cắm vào trong đất, (Hình 1.11) được nghiên cứu Mô hình này cũng được sử dụng trong mô hình thí nghiệm máy ly tâm của Bransby Khoảng cách giữa các cọc là 6,67m dọc theo hàng cọc, bệ cọc có chiều dài 9m và dày 1m để đảm bảo độ cứng Trên bề mặt lớp sét được phủ thêm 1m lớp cát có tải trọng 17kPa Tải tăng cường được đắp vào bề mặt lớp đất cách cạnh bệ cọc là 1m

Hình 1.7: Chuyển vị của nhóm cọc dưới sự tác dụng của tải tăng cường

Hình 1.8: Áp lực bên của cọc dưới tác dụng của tải tăng cường (chỉ phân tích theo

phương pháp PTHH)

Hình 1.9: So sánh theo biểu đồ p-δ tại độ sâu 3.15m phía trước và sau hàng cọc

Kết quả tìm được của 2 phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp máy ly tâm là tương đương Nghiên cứu này đề nghị sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3D trong mô hình hóa các vấn đề liên quan đến tải trọng bên của cọc và nhóm cọc, có thể hữu dụng trong thiết kế và hiểu sâu hơn về ứng xử của nền đất

Bằng phương pháp bán thực nghiệm, năm 1990 Clough và O’Rourke đã khảo sát rất nhiều trường hợp hố đào sâu trong lịch sử và đã tổng kết ra sơ đồ như hình bên dưới Biểu đồ dưới thể hiện mối tương quan giữa chuyển vị tường chắn, độ cứng của hệ thống chống và hệ số an toàn chống trồi nền Với kết quả bên dưới, Clough và O’Rourke đã rút ra kết luận với bất kỳ sự thay đổi nào của hệ số chống trồi nền, thì khi

cặp thông số độ cứng EI tăng lên thì tỷ số δhm/He giảm xuống Hay nói cách khác chuyển vị tường chắn giảm khi độ cứng tường tăng lên Tuy nhiên hai ông cũng đã nhận thấy rằng việc tăng độ cứng tường chắn chỉ thực sự hiệu quả trong một khoảng nhất định nào đó

Hình 1.10: Mối quan hệ chuyển vị cực đại của tường chắn, hệ chống và hệ số an toàn

bùng nền

Poulos và Chen (1996) đã làm một phân tích hai giai đoạn bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp phần tử biên để phân tích ứng xử của cọc cạnh hố đào không được chống đỡ, gây chuyển vị bên của lớp đất trong nền đất sét Ban đầu, lộ trình biến dạng theo phương pháp phần tử hữu hạn được dùng để mô

phỏng quá trình thi công hố đào và phát sinh chuyển vị của nền đất, khi đó chuyển vị nền đất có thể xảy ra Những dữ liệu về chuyển vị đất mới phát sinh đó được dùng để nhập vào mô hình phần tử biên để phân tích ứng xử của cọc như Hình 1.11:

Trong đó:

B: nửa chiều rộng hố đào H: chiều dày lớp đất X: khoảng cách từ cọc đến hố đào cu: sức chống cắt không thoát nước của đất Es: module Young của đất

: trọng lượng riêng của đất Lp: chiều dài cọc

d: đường kính cọc Ep: module Young của cọc hmax: chiều sâu đào tối đa

Hình 1.11: Bài toán cơ bản của Poulos-Chen (1996)

Bài báo cung cấp phương pháp phân tích ứng xử của cọc đối với hố đào gây chuyển vị bên cho lớp đất, tiêu biểu là hố đào không được chống đỡ trong lớp đất sét Nhân tố quyết định ảnh hưởng đến ứng xử của cọc đơn bao gốm hố đào sâu, thông số địa chất, thông số cọc và điều kiện trạng thái của phần đầu cọc

Đối với bài toán biến dạng phẳng của hố đào thì sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hai chiều, còn phân tích ứng xử của cọc thì sử dụng phương pháp phần tử biên

Ngược lại, Goh (2003) đã sử dụng máy đo chuyển vị để đo chuyển vị theo phương ngang của đất thực tế ngoài hiện trường và nghiên cứu ứng xử của cọc hiện hữu do hố đào lân cận sâu 16m gây ra, Hình 1.12

Hình 1.12: Mặt cắt ngang hố đào (Goh, 2003)

Cọc được thi công sau khi công việc thi công tường vây hoàn tất Cọc nằm cách 3m phía sau tường vây dày 0.8m Vị trí đặt máy đo chuyển vị của cọc và chuyển vị của đất thể hiện trong hình 1.17 Hoạt động đào trong vùng lân cận cọc được tiến hành khoảng một tháng sau khi lắp đặt máy đo chuyển vị Quá trình đọc số được chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn A – Khi đào đến cao trình thanh chống 3 (khoảng 3 tháng sau khi tiến hành đào) và giai đoạn B - Khi đào đến cao trình đáy hố đào (khoảng 5 tháng sau khi tiến hành đào) Thật không may khi máy đo chuyển vị lắp đặt trong tường vây đã bị hư vì thế đã không so sánh được ứng xử của tường và cọc Kết quả chuyển vị của đất và cọc phía sau tường vây thể hiện trong hình 1.14 Chuyển vị của cọc tăng theo độ sâu đào và chuyển vị ngang lớn nhất của cọc là 15mm ở giai đoạn A và 28mm ở giai đoạn B Còn chuyển vị của đất thì không đều như chuyển vị của cọc, chuyển vị ngang lớn nhất của đất là 24mm ở giai đoạn A và 39mm ở giai đoạn B Nói chung từ 17m trở lên thì đất chuyển vị nhiều hơn cọc

Độ sâu (m)

Khoảng cách thanh chống theo phương ngang là 9m

Tường vây dày 0.8m Thanh chống

Không tỉ lệ

Hình 1.13: Mặt bằng bố trí cọc và máy đo chuyển vị (Goh, 2003)

Hình 1.14: Kết quả đo chuyển vị ngang của cọc và đất (Goh, 2003)

Goh (2003) đã sử dụng chương trình BCPILE để dùng phân tích ứng xử của cọc Trong đó, cọc được mô phỏng là phần tử dầm và liên kết với đất bằng các lò xo nằm ngang Chuyển vị và mômen uốn của cọc giữa quan trắc và dự đoán bằng chương trình BCPILE thể hiện trong Hình 1.14 và Hình 1.15 Hình dạng chuyển vị đo được do quan trắc và kết quả dự đoán khá tương đồng Đối với cả hai giai đoạn A và B, dự đoán

Chuyển vị (m)

Độ sâu (m)

Cọc (Giai đoạn A) Cọc (Giai đoạn B)

Đo chuyển vị trong cọc

Đo chuyển vị trong đất Cọc khoan nhồi

Tường vây dày 0.8m

Cọc 17A

chuyển vị của cọc lớn hơn quan trắc ngoài hiện trường trong 12m đầu Hình dạng và độ

lớn của mômen uốn trong cọc từ quan trắc và dự tính rất tương đồng

Hình 1.15: Kết quả quan trắc và dự đoán bằng BCPILE về chuyển vị và mômen uốn

trong cọc (Goh, 2003)

Những kết quả đạt được gần đây khi sử dụng mô hình máy ly tâm nghiên cứu ứng xử của cọc chịu chuyển vị ngang của đất do thi công hố đào lân cận không chống đỡ bởi Leung (2000), Leung (2003), Ong (2006), Leung (2006) và Ong (2009) Ban đầu, Leung (2000) đã trình bày kết quả thí nghiệm máy ly tâm của cọc đơn lân cận phía sau tường chắn hố đào sâu không được chống đỡ trong đất cát chặt cho hai trường hợp tường ổn định và tường bị phá hoại Tham chiếu Hình 1.16 dưới đây Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của việc cố định đầu cọc cho cọc phía sau tường vây ổn định, chuyển vị đầu cọc và mômen uốn lớn nhất đối với đầu cọc tự do giảm theo hàm mũ với sự gia tăng khoảng cách đến hố đào Về sau Leung (2003) đã mở rộng nghiên cứu thí nghiệm máy ly tâm cho nhóm cọc, kết hợp ảnh hưởng của các yếu tố tác động giữa các cọc với đầu cọc cố định khác nhau

Hình 1.16: Thiết lập mô hình máy ly tâm (kích thước nguyên mẫu trong ngoặc) bởi

Leung (2003)

Hình 1.17: Thiết lập mô hình máy ly tâm (tất cả kích thước bằng mm) bởi Ong (2006)

Nghiên cứu của Leung (2000) sau đó đã được tiếp tục với hai trường hợp, đối với cọc đơn phía sau tường vây ổn định (Ong, 2006) và tường mất ổn định (Leung, 2006) trong đất sét

Phân tích số dựa trên một mô hình đơn giản (Chow và Yong, 1996) làm phân tích ngược để nghiên cứu ứng xử của cọc đơn chịu chuyển vị ngang trong đất sét Trong mô hình này cọc được mô hình là một loạt các phần tử dầm đàn hồi tuyến tính còn đất được mô hình hóa bằng các module hệ số nền Phương pháp số này cũng đã được áp dụng thành công vào phân tích ngược cho mô hình thí nghiệm máy ly tâm đối với cọc đơn trong đất cát trong báo cáo trước đó của Leung (2000) Phương pháp này cũng tương tự như hai nghiên cứu trước đó bởi Goh và cộng sự (1997) và Poulos và Chen (1996), ở đó vùng đất tự do chuyển vị đã được thiết lập, ngoại trừ trường hợp của Poulos và Chen (1996) đất được mô hình hóa là miền đàn hồi liên tục

1.4.2 Ảnh hưởng hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào

Với sự gia tăng các trường hợp cọc bị phá hoại trong hố đào mở Điều này xảy ra khi tiến hành thi công tác đào đất sau khi cọc được thi công Mặc dù ở một số nước tiến hành thi công hố đào trước khi thi công cọc để đảm bảo cọc còn nguyên vẹn, nhưng nó lại không phù hợp cho những công trình có không gian thi công hạn chế không cho phép thi công đào mở, đặc biệt là xây dựng công trình có nhiều tầng hầm Việc thi công hố đào sâu trong đất yếu lại càng phức tạp, sự chuyển vị ngang quá mức

của đất yếu sẽ gây ra phụ tải tác dụng lên các cọc Nguồn tài liệu báo cáo về vấn đề này còn rất hạn chế

Thasnanipan (1998) đã trình bày bốn trường hợp cọc liên kết với các công trình hố đào sâu ở Bangkok trong đất sét mềm bị phá hoại Kiểm tra cọc bị phá hoại bằng thí nghiệm thử động biến dạng lớn (high strain dynamic load test) và cũng mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn hai chiều để dự đoán Từ đó tìm ra mối tương quan giữa vị trí của vết nứt và mômen uốn trong cọc vượt quá mômen uốn cho phép Khi sử phương pháp phần tử hữu hạn 2D để phân tích, Thasnanipan (1998) đã sử dụng phần mềm PLAXIS 2D version 6 và sử dụng mô hình Mohr – Coulumb để mô phỏng các giai đoạn thi công hố đào, chuyển vị của đất/cọc và phân tích ứng suất uốn trong cọc cho cả bốn trường hợp Kết quả mô hình cho thấy rằng mômen uốn trong cọc do thi công hố đào lớn hơn khả năng chịu mômen gây nứt cọc trong tất cả trường hợp Kết quả phân tích được trình bày tóm tắt trong Bảng 1.1

Hình 1.18: Mô hình trường hợp I – Tạo mái dốc khi đào (Thasnanipan, 1998)

Hình 1.19: Mô hình trường hợp II – Sử dụng cọc bản có chống chắn giữ hố đào

(Thasnanipan, 1998)

Hình 1.20: Mô hình trường hợp III – Sử dụng cọc bản có hai tầng chống tạm chắn giữ

hố đào (Thasnanipan, 1998)

Hình 1.21: Mô hình trường hợp IV – Sử dụng cọc bản có một tầng chống tạm chắn giữ

hố đào (Thasnanipan, 1998) Bảng 1.1 - Khả năng chịu mômen của cọc và mômen gây ra trong cọc gần biên hố đào

do thi công hố đào (Thasnanipan, 1998)

Trường hợp

Đường kính cọc

(m)

Hàm lượng cốt thép

(%)

Mômen gây nứt (t.m)

Mômen cực hạn (Whitney)

(t.m)

Mômen khi mô phỏng bằng PLAXIS 2D

Hình 1.22: Kết quả tính toán mômen uốn và chuyển vị của cọc gần tường

Trong trường hợp IV kết quả mô hình cho thấy rằng mômen uốn trong cọc do quá trình thi công hố đào vượt quá khả năng chịu mômen uốn cực hạn của cọc

Từ kết quả phân tích phần tử hữu hạn (Thasnanipan, 1998) thấy rằng mômen uốn lớn nhất trong cọc nằm tại vị trí tiếp giáp giữa lớp đất sét yếu và sét cứng

Ngoài ra Kok (2009) đã trình bày nghiên cứu về một trường hợp ở phía Tây Malaysia về sự phá hoại của cọc trong hố đào mở trong đất sét biển do chuyển vị ngang của đất Trong trường hợp này, độ dày của lớp đất sét biển rất mềm là 5m đến 7m tính từ mặt đất tự nhiên Theo báo cáo khảo sát địa chất thì đất này có chỉ số SPT ‘N’ = 0 Móng cọc được thiết kế để chống đỡ kết cấu bên trên Thiết kế đã không xét ảnh hưởng của hố đào mở đến cọc nên trong quá trình thi công đài cọc đã không kiểm soát được chuyển vị ngang của đất, gây mômen uốn trong cọc và kết quả là một số cọc bị nứt và bị gãy Kok (2009) đã dùng phần mềm PLAXIS 3D Foudation để phân tích ngược Mô hình Hardening soil được dùng trong phân tích Kết quả phân tích trong các giai đoạn đào được so sánh với khả năng chịu mômen gây nứt của cọc là 20.4 kNm

(cọc ly tâm ứng suất trước có đường kính 300mm và môđun đàn hồi của bê tông cọc là 30000 MPa) Kok (2009) đã chỉ ra rằng 70% cọc trong mô hình có mômen uốn dọc trục trong cọc gây ra bởi thi công hố đào đều vượt quá khả năng chịu mômen uốn gây nứt cọc và kết quả là các cọc đều bị nứt Vị trí nứt tại mặt tiếp giáp giữa lớp đất sét yếu và sét cứng

Hình 1.23: Mô hình 3D của các lớp địa chất (Kok, 2009)

Hình 1.24: Bản vẽ cho thấy vị trí gãy cọc của 2 cọc nằm liền kề hố đào (Kok, 2009)

Một số hình ảnh về nhóm cọc bị gãy được thể hiện trong Hình 1.25 và Hình 1.26 dưới đây:

- Không xét tới tải thi công trên công trường - Thiết kế cọc không xét tới ảnh hưởng của tải trọng ngang do quá trình thi công

- Cốt thép trong cọc không đủ để chống chuyển vị của đất - Lớp đất sét yếu quá dày

Ngoài ra, vị trí mômen uốn lớn nhất trong cọc là tại mặt tiếp giáp giữa lớp đất yếu và đất tốt

Bằng phương pháp bán thực nghiệm, năm 1990 Clough và O’Rourke đã khảo sát rất nhiều trường hợp hố đào sâu trong lịch sử và đã tổng kết ra sơ đồ như hình bên dưới Biểu đồ dưới thể hiện mối tương quan giữa chuyển vị tường chắn, độ cứng của hệ thống chống và hệ số an toàn chống trồi nền Với kết quả bên dưới, Clough và O’Rourke đã rút ra kết luận với bất kỳ sự thay đổi nào của hệ số chống trồi nền, thì khi cặp thông số độ cứng EI tăng lên thì tỷ số δm/He giảm xuống Hay nói cách khác chuyển vị tường chắn giảm khi độ cứng tường tăng lên Tuy nhiên hai ông cũng đã nhận thấy rằng việc tăng độ cứng tường chắn chỉ thực sự hiệu quả trong một khoảng nhất định nào đó

Hình 1.27: Mối quan hệ chuyển vị cực đại của tường chắn, hệ chống và hệ số an

toàn bùng nền

Ou (1993) cũng đã tiến hành khảo sát sự thay đổi chiều dài tường chắn có ảnh hưởng như thế nào đối với chuyển vị ngang của tường chắn trong hố đào bằng phương pháp phần tử hữu hạn đối với hai loại đất su/σ’v=0.36 và su/σ’v=0.28, kết quả đã được thể hiện ở sơ đồ hình dưới Điều này đã chứng tỏ rằng việc gia tăng chiều dài cắm

tường chắn vào nền đất cũng làm cho chuyển vị giảm đáng kể

Hình 1.28: Mối liên quan giữa chiều sâu cắm tường chắn và chuyển vị ngang cực đại

Với những nền tảng ở trên, xem xét trong điều kiện Việt Nam, cụ thể tại khu vực đất yếu Cần Thơ với chiều sâu lớp đất yếu trên 40m Vậy việc lựa chọn chiều sâu cắm tường chắn cũng như lựa chọn độ cứng tường chắn là như thế nào, sao cho phù hợp với chuyển vị tường chắn phát sinh do tải ngang gây ra và thỏa mãn yêu cầu kinh tế Ta tiến hành khảo sát hai đặc tính quan trọng của tường chắn đó là chiều sâu cắm tường chắn và độ cứng tường chắn bằng phương pháp mô hình trên phần mềm ứng dụng Plaxis 3D Foundation được trình bày dưới đây