Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ổn định của tường chắn trong hố đào sâu theo tính toán và theo quan trắc, có xét đến ảnh hưởng của áp lực thấm

Tuy nhiên , công tác tính toán chuyển vị, ổn định của hố đào sâu và các thành phần tường chắn đất còn gặp nhiều khó khăn.. Vì vậy, để góp phần giải quyết được một phần nhỏ các vấn đề nêu

- -

NGUYỄN MINH HỒNG

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA TƯỜNG CHẮN TRONG HỐ ĐÀO SÂU THEO TÍNH TOÁN VÀ THEO QUAN TRẮC, CÓ

XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC THẤM

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số ngành : 60 58 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp HồŠÀ‹Šǡ–Šž‰Ͳ͸ȀʹͲͳ͵

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN MINH HOÀNG MSHV : 11094293 Ngày, tháng, năm sinh: 03/10/1985 Nơi sinh : Đồng Nai Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MS : 60 58 60

I- TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA TƯỜNG CHẮN TRONG HỐ ĐÀO SÂU THEO TÍNH TOÁN VÀ THEO QUAN TRẮC, CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC THẤM

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1- Nhiệm vụ:

Nghiên cứu ổn định của tường chắn đất trong hố đào sâu, có xét đến ảnh hưởng của áp lực thấm

2- Nội dung:

Mở đầu Chương 1: Tổng quan về hố đào sâu Chương 2: Lý thuyết tính toán tường chắn liên tục trong đất Chương 3: Giới thiệu công trình thực tế đưa vào tính toán : Cao ốc văn phòng LIM

TOWER

Chương 4: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị của tường vây

Kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày 2 tháng 7 năm 2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ngày 21 tháng 6 năm 2013 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS VÕ PHÁN

Tp.HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS VÕ PHÁN PGS.TS VÕ PHÁN

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành được luận văn thạc sĩ, bên cạnh sự nổ lực của bản thân tác giả còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy PGS.TS VõPhán, người đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể Quý thầy cô, đặc biệt là Quý thầy cô trong Bộ môn Địa Cơ – Nền Móng đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn trong suốt thời gian vừa qua

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã không ngừng động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tác giả thực hiện luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT TRONG HỐ ĐÀO SÂU THEO TÍNH TOÁN VÀ THEO QUAN TRẮC, CÓ XÉT ĐẾN

ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC THẤM”

Luận văn này trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của một số yếu tố đến ổn định của tường chắn hố đào sâu Các thông số được nghiên cứu trong luận văn gồm : áp lực nước khi mực nước ngầm dâng cao, hệ số thấm, kích thước tường chắn, thông số đất nền Việc phân tích thông số được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng chương trình PLAXIS 2D để mô phỏng công trình thực tế Kết quả tính toán sẽ được so sánh với kết quả quan trắc ngoài hiện trường Thông qua việc tính toán và so sánh, tác giả đưa ra các kết luận về ổn định tường chắn hố đào sâu để áp dụng cho công trình tương tự

ABSTRACT

This thesis present a study of the effect of different parameters on movement and stability of a diagramph wall The principle parameters considered in the study include waterpressure, coefficient of permeability, dimention of diaphragm wall, soil parameters The analyses were carried out using the finite element software PLAXIS 2D to model an in situ excavation The analyses resultes then were compared with the measured field data to make conclusion about stability and deformation of diaphragm wall applying for similar project

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2.Mục đích nghiên cứu .1

3.Phương pháp nghiên cứu .1

3.1.Nghiên cứu về lý thuyết 1

3.2.Mô phỏng 2

3.3.Quan trắc hiện trường 2

4.Tính khoa học và thực tế của đề tài 2

5.Nội dung nghiên cứu 2

6.Hạn chế của đề tài 3

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU 4

1.1 Phân loại hố đào sâu và tường chắn 4

1.1.1 Phân loại hố đào sâu 4

1.1.2 Phân loại tường chắn 8

1.2 Giới thiệu một số công trình hố đào sâu 10

1.2.1.Trên thế giới 11

1.2.2 Ở Việt Nam 11

1.3 Các nghiên cứu về tường chắn và hố đào sâu 11

CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN LIÊN TỤC TRONG ĐẤT 15

2.1 Các phương pháp phân tích thiết kế tường chắn hố đào sâu 15

2.1.1 Phương pháp cổ điển 15

2.2 Lí thuyết tính toán áp lực đất lến kết cấu chắn giữ của hố đào sâu (tường liên tục) 17

2.2.1 Phân loại áp lực ngang của đất 17

2.2.2 Lý thuyết Morh - Rankine 18

2.4 Ảnh hưởng của chuyển vị của thân tường đến áp lực đất 29

2.5 Phương pháp tính toán áp lực nước lên kết cấu chắn giữ của hố đào sâu (tường liên tục) 32

2.5.1 Phương pháp tính riêng áp lực nước và đất 32

2.5.2 Phương pháp tính chung áp lực nước và đất 33

CHƯƠNG 3:GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ĐƯA VÀO TÍNH TOÁN : CAO ỐC VĂN PHÒNG LIM TOWER .34

3.1 Mô tả công trình 34

3.1.1.Đặc điểm của công trình 34

3.1.2 Các đặc trưng vật liệu đưa vào tính toán 36

3.2 Phần mềm Plaxis và các mô hình ứng xử của đất 40

4.1.Phân tích ảnh hưởng của các thông số đất nền 49

4.2.Ảnh hưởng của áp lực nước đến chuyển vị tường 59

4.3.Ảnh hưởng hệ số thấm đến chuyển vị của tường 62

4.4.Ảnh hưởng của kích thước tường chắn đến chuyển vị tường 67

4.5.Ảnh hưởng của chiều dài phần chân tường xuyên vào lớp đất cứng đến chuyển vị tường 74

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thành phố Hồ Chí Minh đang trên đường phát triển, các công trình cao tầng xuất hiện ngày càng nhiều để đáp ứng nhu cầu nhà ở và văn phòng làm việc của người dân Đi kèm với các công trình cao tầng là các tầng hầm dùng làm bãi đỗ xe, siêu thị….với chiều sâu hầm ngày càng lớn

Công nghệ hiện đại ngày nay đã giúp chúng ta có thể thi công được các hố đào sâu với độ sâu lớn Tuy nhiên , công tác tính toán chuyển vị, ổn định của hố đào sâu và các thành phần tường chắn đất còn gặp nhiều khó khăn Người kĩ sư thiết kế phải giải quyết nhiều bài toán như chọn biện pháp thi công phù hợp, chọn giải pháp tường chắn, tính toán ổn định và chuyển vị của hố đào và tường vây… Một vấn đề khác là điều kiện thí nghiệm ở Việt Nam còn hạn chế, gây khó khăn cho các kĩ sư thiết kế trong việc chọn thông số đầu vào để xây dựng mô hình tính toán

Vì vậy, để góp phần giải quyết được một phần nhỏ các vấn đề nêu trên, tác giả

đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ổn định của tường chắn đất trong hố đào sâu

theo tính toán và theo quan trắc, có xét đến ảnh hưởng của áp lực thấm.” nhằm

giúp cho người làm công tác thiết kế có thêm tài liệu tham khảo phục vụ cho công tác thiết kế

2 Mục đích nghiên cứu

So sánh kết quả tính toán chuyển vị của tường vây bằng phương pháp phần tử hữu hạn với kết quả quan trắc thực tế Từ kết quả thu được, tiến hành phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến ổn định và chuyển vị của tường chắn hố đào sâu

3 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu các mục đích nêu trên, tác giả đã lựa chọn các phương pháp nghiên cứu sau:

3.1 Nghiên cứu về lý thuyết:

• Lý thuyết tính toán tường chắn liên tục trong đất

• Lý thuyết kiểm tra ổn định của hố đào sâu

3.2 Mô phỏng: sử dụng phần mềm Plaxis để phân tích ổn định và biến dạng của

tường vây, tính toán cho một bài toán cụ thể

3.3 Quan trắc hiện trường: ghi nhận chuyển vị của thành hố đào trong công

trình thực tế, so sánh với kết quả tính toán

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

‐ Hiện nay, các công trình cao tầng xuất hiện ngày càng nhiều ở nước ta, các giải pháp kiến trúc, kết cấu cũng như yêu cầu sử dụng đòi hỏi phải có các tầng hầm để giải quyết các vấn đề như: bãi đậu xe, chứa các hệ thống điện, nước… Các giải pháp lựa chọn và thiết kế tường chắn đất trong hố đào sâu là rất cần thiết và quan trọng Vì kết quả tính toán thiết kế thường lớn hơn số liệu quan trắc thực tế, nên đề tài này có ý nghĩa góp phần phân tích ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến ổn định và biến dạng của tường chắn hố đào sâu, giúp cho các kĩ sư thiết kế có thêm cơ sở đánh giá lựa chọn các thông số đầu vào phù hợp với công trình thực tế, để kết quả tính toán thiết kế đạt hiệ quả an toàn và kinh tế nhất

‐ Đề tài còn xét đến ảnh hưởng của áp lực thấm do sự thay đổi mực nước ngầm đến ổn định của hố đào, ứng dụng cho địa chất ở khu vực Tp.HCM

5 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tính toán ổn định của tường chắn bằng phương pháp phần tử hữu hạn (mô phỏng bằng phần mềm Plaxis), trong quá trình tính toán có xét đến ảnh hưởng của áp lực thấm do sự thay đổi mực nước ngầm lên thành hố đào Để thực hiện nội dung này, tác giả sẽ phân tích các vấn đề sau:

‐ Phân tích ổn định và biến dạng của tường chắn hố đào sâu trong quá trình thi công của công trình thực tế, mô phỏng bằng phần mềm Plaxis2D

‐ Phân tích ảnh hưởng của áp lực thấm đến ổn định của tường khi mực nước ngầm thay đổi

‐ Phân tích ảnh hưởng của áp lực thấm đến ổn định của tường khi hệ số thấm thay đổi

‐ Phân tích ảnh hưởng của áp lực thấm đến ổn định của tường khi thay đổi các thông số đất nền

‐ Phân tích ổn định của tường chắn khi bề dày và chiều dài tường chắn thay đổi

‐ Phân tích chuyển vị và biến dạng của tường chắn khi chiều sâu đoạn tường cắm vào phần đất cứng thay đổi

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU

1.1 Phân loại hố đào và tường chắn [1][2] 1.1.1 Phân loại hố đào

Cùng với sự phát triển của cơ sở hạ tầng của đô thị, ngày càng nhiều công trình hố đào được xây dựng với nhiều mục đích khác nhau, từ đơn giản cho đến phức tạp, như: Hệ thống cấp thoát nước, hệ thống bể chứa và xử lý nước thải, bãi đậu xe ngầm, ga và đường tàu điện ngầm, tầng hầm dưới các nhà cao tầng,…

Căn cứ vào điều kiện hiện trường và chiều sâu đào, hố đào có thể được chia thành hai loại:

‐ Hố đào nông: khi chiều sâu đào không quá 5m ‐ Hố đào sâu: khi chiều sâu đào lớn hơn 5m Tuy nhiên, trong một số trường hợp chiều sâu đào của hố móng nhỏ hơn 5m nhưng phải thi công trong điều kiện địa chất công trình và địa chất thuỷ văn tương đối phức tạp thì cũng được phân tích ứng xử như hố đào sâu

Ngoài ra có thể phân loại theo phương pháp đào :

‐ Phương pháp đào mở : phương pháp đào mở có thể được chia thành

phương pháp đào mái dốc và phương pháp đào console Phương pháp đào tạo dốc không sử dụng tường chắn đất hoặc hệ giằng chống Thay vào đó, hố đào được thi công đào và tạo dốc ở các biên

Hình 1.1 : Phương pháp đào mở tạo dốc

Hình 1.2 : Phương pháp đào mở console

‐ Phương pháp đào có giằng : là phương pháp đào đất có thêm hệ giằng

ngang phía trước tường chắn để chống lại áp lực ngang của đất tác dụng lên lưng tường (hình 1.3) Mặc dù hệ giằng và các trụ đỡ có thể cản trở trong quá trình thi công, nhưng phương pháp này được sử dụng thông dụng nhất, có thể áp dụng cho tất cả các hố đào sâu với kích thước và độ sâu bất kì

Hình 1.3 : Hình ảnh công trường thi công bằng phương pháp đào có giằng

‐ Phương pháp đào neo: phương pháp này sử dụng các thanh neo thay thế

cho hệ giằng để chống lại áp lực ngang của đất Phương pháp này dựa vào cường độ của đất để tạo ra lực neo Cường độ đất nền càng cao, lực neo tạo ra càng lớn và ngược lại

Hình 1.4 : Phương pháp đào neo

‐ Phương pháp đào ốc đảo: phương pháp đào ốc đảo được giải thích như sau

: đào phần trung tâm của mặt bằng thi công trước và giữ lại phần đất gần tường chắn, tạo thành mái dốc để giữ tường xây dựng phần kết cấu chính tại khu vực trung tâm, đào mái dốc và lắp dựng hệ giằng giữa tường chắn và kết cấu chính Tháo hệ giằng và thi công phần còn lại của kết cấu Nếu độ sâu đào không quá lớn, có thể dùng các thanh chống xiên để giằng và thi công hoàn tất hố đào trong 1 giai đoạn Nếu độ sâu hố đào lớn, cần sử dụng kết hợp với các phương pháp đào giằng hoặc neo, đó là lắp đặt hệ giằng hoặc neo theo từng lớp đến độ sâu thiết kế Khi thi công đào bằng phương pháp ốc đảo, mặt bằng công trường phải đủ rộng, và biện pháp thi công phải xem xét đến vị trí của kết cấu chính Độ rộng và độ dốc của mái dốc cần được tính toán để không gây phá hoại trượt Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là tốn ít thời gian thi công Phương pháp này yêu cầu ít giằng hơn phương pháp đào giằng, giảm chi phí lắp dựng và tháo dỡ các hệ giằng Ứng dụng trong khu vực có diện tích đào rộng, phương pháp này tránh được các nhược điểm của phương pháp đào giằng, đó là nhịp giằng lớn làm giảm lực chống của giằng chống lại áp lực ngang của đất, hoặc nhược điểm của phương pháp đào neo là áp lực nước cao gây cản trở lắp đặt neo Nhược điểm của phương pháp này là khả năng rò rỉ nước hoặc

sự giảm yếu tại các mối nối giữa phần kết cấu chính ở giữa với các kết cấu xung quanh Bên cạnh đó, chuyển vị của đất nền và biến dạng của tường chắn lớn thường xảy ra do lực chống bị động của mái dốc nhỏ hơn khi ở trạng thái bình thường, đặc biệt là trong đất mềm

Hình 1.5 : Hình ảnh thi công bằng phương pháp đào ốc đảo

‐ Phương pháp thi công Top-down: các phương pháp thi công kể trên đều

thuộc dạng thi công từ dưới lên, đó là sau khi đào đến cao độ thiết kế, phần kết cấu bên dưới được thi công theo trình tự từ dưới lên Ngược lại với các phương pháp trên, phương pháp thi công top-down lắp dựng ván khuôn và thi công dầm sàn ngay sau mỗi đợt đào, các dầm sàn cố định này sẽ thay thế cho các hệ giằng tạm thời bằng thép hình trong phương pháp đào giằng để chống lại áp lực đất sau lưng tường chắn Theo phương pháp này, việc thi công kết cấu bên dưới sẽ kết thúc cùng lúc với quá trình đào đất Việc thi công phần kết cấu bên dưới được thực hiện từ trên xuống nên được gọi là phương pháp top-down

‐ Phương pháp đào phân vùng: việc thi công đào đất sử dụng tường liên tục

làm tường chắn đất, bởi vì hiệu ứng vòm của tường betong, nên biến dạng của tường chắn hoặc chuyển vị của đất nền ở các góc tường rất ít, biến dạng ở cạnh ngắn của

hố đào ít hơn ở cạnh dài Việc đào theo vùng tận dụng những ưu điểm trên để làm giảm chuyển vị của tường hoặc đất nền trong quá trình đào

Hình 1.6 : Mặt bằng một hố đào sâu

Hình 1.7 : Mặt bằng hố đào bằng phương pháp đào phân vùng

1.1.2 Phân loại tường chắn

‐ Tường cọc chống : dùng thép hình H hoặc I đóng thành một hàng cọc, chèn

ván hoặc thép tấm sau lưng cọc trong lúc đào, sau đó lấp đất vào khoảng trống giữa ván và cọc, khi cần thiết có thể lắp thêm hệ giằng ngang

Hình 1.8 : Hình ảnh thi công tường cọc chống

‐ Cọc bản thép: Dùng thép máng sấp ngửa móc vào nhau hoặc cọc bản thép

khóa miệng bằng thép hình với mặt cắt chữ U hoặc Z Dùng phương pháp đóng hoặc rung để hạ chúng vào trong đất Sau khi hoàn thành nhiệm vụ chắn giữ, chúng có thể được thu hồi và sử dụng lại

Hình 1.9 : Tường cọc bản thép

‐ Tường cọc bản bêtông cốt thép: thi công các cọc BTCT (cọc khoan nhồi

hoặc cọc đúc sẵn) thành dãy liên tục để chắn đất

Hình 1.10 : Tường vây bằng cọc khoan nhồi

‐ Tường liên tục trong đất: Dùng các máy đào đặc biệt để đào thành hố đào

thành những đoạn có độ dài nhất định (có dùng dung dịch bentonite để giữ ổn định), sau đó đem các lồng thép đã chế tạo sẵn đặt vào Dùng ống dẫn đổ bêtông cho từng đoạn tường rồi nối các đoạn tường này lại với nhau bằng các đầu nối đặc biệt (ống đầu nối hoặc hộp nối) để tạo thành tường liên tục trong đất bằng bêtông cốt thép

Hình 1.11 : Tường liên tục BTCT

1.2 Giới thiệu một số công trình hố đào sâu[7]

Đây là công trình được xây dựng bằng phương pháp giếng chìm

1.2.2 Ở Việt Nam

‐ Cao ốc thương mại Phú Thọ Thuận Việt

Cao ốc được xây dựng tại số 319 Lý Thường Kiệt, Phường 15, Quận 11, TpHCM Công trình gồm 17 tầng lầu, 2 tầng hầm, sử dụng hệ tường vây cừ Larssen chu vi 58mX57.44m

‐ Công trình Cao ốc Pacific

Công trình được xây dựng tại số 43-45-47 Nguyễn thị Minh Khai – phường ĐaKao – Q.1 Tp HCM, công trình gồm 20 tầng cao và 3 tầng hầm

‐ Cao ốc Saigon M&C

Công trình toạ lạc tại số 34, Tôn Đức Thắng, Q1, Tp.HCM gồm 5 tầng hầm, sử dụng tường vây dày 1m, sâu hơn 40m

1.3 Các nghiên cứu về tường chắn hố đào sâu[3] Các nghiên cứu bằng PP số cho hố đào sâu

Clough, G.W and Tsui, Y.(1974) đã so sánh ứng xử của tường neo và tường

giằng bằng cách sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn, và kiểm tra ảnh hưởng của ứng suất trước, độ cứng neo, khoảng cách neo, độ cứng tường và chiều sâu hố đào đối với tường neo Việc phân tích được thực hiện dựa trên các giả thuyết mặt trượt phẳng Mô hình đất được sử dụng là mô hình đàn hồi phi tuyến tương tự như mô

hình được mô tả bởi Duncan và Cling, trong đó ứng xử của đất được giả thiết bao gồm 1 phần phi tuyến đối với những tải trọng ban đầu, và ứng xử tuyến tính đối với việc chất tải và dỡ tải Họ kết luận rằng tường có neo hoạt động không hiệu quả như tường giằng, việc gia tăng ứng suất trước cũng như độ cứng tường hoặc độ cứng của neo có thể giảm chuyển vị của đất, khoảng cách neo rộng có thể gây ra sự tập trung áp lực đất lớn tại cao độ neo Và họ cũng kết luận rằng yếu tố quan trọng gây nên độ lún sau lưng tường neo nhỏ hơn tường giằng đó là do tường neo thường được tạo ứng suất trước, và việc đào quá mức thường xảy ra trong quá trình thi công tường giằng có thể dễ dàng gây độ lún gấp đôi

Goh, A.T.C (1990) dùng phương pháp Phần tử hữu hạn để tiến hành nghiên

cứu các thông số nhằm đánh giá ảnh hưởng của các đặc tính của tường, độ sâu của đất cứng, bề rộng hố đào, chiều sâu chôn tường đối với sự ổn định của hố đào trong đất sét Việc nghiên cứu chỉ ra rằng độ dày của lớp sét bên dưới hố đào, độ sâu chôn tường và độ cứng tường là những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ổn định nền

Powrie, W and Li, E.S.F (1991) khảo sát ứng xử của tường vây dạng

console dùng làm hệ thống tường chắn tạm cho công trình đường cao tốc thấp Đất và bản tường liên tục được giằng ở độ sâu 9m của hố đào trong đất sét lẫn cuội quá cố kết ở trạng thái cứng Các nghiên cứu được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của đất, tường và độ cứng của bản giằng, và hệ số áp lực ngang của đất K0 Kết quả cho thấy độ cứng của đất, giá trị K0, và sự liên kết kết cấu giữa bản sàn mặt đường với tường chắn là các hệ số quan trọng ảnh hưởng tới ứng xử của tường Kết quả cũng cho thấy những biến dạng tính toán được bị chi phối bởi các giả thiết về độ cứng của đất hơn là độ cứng chịu uốn của tường Moment uốn trong tường bị ảnh hưởng rất lớn bởi giả thiết áp lực ngang của đất trước khi đào và, mở rộng hơn một chút, bởi sự kết nối kết cấu giữa tường và bản giằng cố định

Hoe, M.H.(2007) thực hiện một nghiên cứu tham số sử dụng phương pháp

Phần tử hữu hạn để khảo sát ảnh hưởng của độ cứng đất, hệ số áp lực nước ban đầu và chiều dài hốc đá Ông cũng nghiên cứu sự thích hợp của các mô hình (HS & MC)bằng cách so sánh với dữ liệu quan trắc ngoài hiện trường Ông sử dụng Plaxis V8 với giả thiết biến dạng phẳng và tường chắn liên tục thi công tại chỗ Từ kết quả

nghiên cứu ông kết luận chuyển vị của tường rất dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi độ cứng của đất và hệ số áp lực nước của đất thông qua so sánh với dữ liệu thực tế, tác giả kết luận rằng mô hình HS cho kết quả dự đoán kết quả biến dạng của nền chính xác hơn mô hình MC

Hsieh, P.G & Ou, C.Y.(1997) mở rộng mô hình hyperbol của Duncan &

Clang với lí thuyết dẻo cho điều kiện φ=0 và nghiên cứu các trường hợp của một hố đào, sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn và mô hình hyperbol cải tiến Họ đã kết luận rằng phương pháp Phần tử hữu hạn sử dụng mô hình hyperbol cải tiến cho kết quả ứng xử của đất và tường tương ứng hợp lí với quan sát thực tế

Barasubramaniam, A.S et al(1994) phân tích 6 trường hợp hố đào sâu với

các hệ giằng chống và thi công khác nhautrong đất nền ở Bangkok Kết quả cho thấy độ cứng tường chắn và khoảng cách các phần tử điều khiển biến dạng Họ cũng nhận thấy tường vây BTCT hoạt động tốt hơn ( chuyển vị nhỏ hơn) tường cọc cừ và độ sâu chôn tường là 1 yếu tố ảnh hưởng nhiều đến tường cọc cừ hơn là tường vây BTCT

Các nghiên cứu thực nghiệm

Lings, M.L et al (1991) thực hiện so sánh ứng xử của hố đào sâu thi công

bằng phương pháp Top-down trong sét Gault với kết quả thiết kế Họ phát hiện ra rằng việc thi công tường liên tục làm giảm đáng kể áp lực ngang của đất, cũng như chuyển vị ngang, nội lực trong thanh giằng, moment uốn đều thấp hơn kết quả tính toán

Garvin, R and Boward, J (1992) mô tả quá trình thi công của một bãi đỗ

xe 5 tầng hầm ở Pittsburgh Một tường liên tục có neo được dùng để chắn giữ hố đào sâu 7-8m Chuyển vị và mực nước ngầm được đo đạc trong suốt quá trình thi công Hệ thống tường chắn làm việc ổn định và cho phép hạ mực nước ngầm bên trong hố đào mà ít gây ảnh hưởng nhất đến mực nước ngầm bên ngoài hố đào Chuyển vị ngang lớn nhất của hố đào trong khoảng 10-20mm, một công trình lân cận 80 năm tuổi không bị sự cố

Ou, C.Y et al (1993) nghiên cứu các thông số của độ lún của nền trong quá

trình thi công hố đào bằng cách kiểm tra so sánh dữ liệu của 10 trường hợp thi công

hố đào sâu ở Taipei Tác giả đã kiểm tra chuyển vị lớn nhất của tường va quan hệ giữa chuyển vị chuyển vị tường và độ lún đất nền Chuyển vị ngang lớn nhất của tường thường xảy ra gần đáy hố đào Độ lún đất nền bằng khoảng 50%-70% chuyển vị ngang lớn nhất của tường Chuyển vị lớn nhất của tường bằng khoảng 0.2%-0.5% chiều sâu hố đào

Wong, I.H et al (1996) trình bày kết quả nghiên cứu ứng xử của hố đào sâu

trong dự án Central Espressway (CTE) giai đoạn 2 ở Singapore Các tác giả kiểm tra chuyển vị ngang của tường chắn, độ lún đất nền, lực trong thanh giằng tương ứng với các hệ giằng và các điều kiện đất nền khác nhau Kết quả cho thấy đối với các hố đào trong đất nền có tổng chiều dày các lớp đất yếu nằm trên đất cứng bằng khoảng 0.9H, thì chuyển vị ngang của tường nhỏ hơn 0.005H, đối với các hố đào trong đất nền có tổng chiều dày các lớp đất yếu nằm trên đất cứng bằng khoảng 0.6H, thì chuyển vị ngang của tường nhỏ hơn 0.0035H Và các tác giả đã kết luận rằng đối với tường chắn có chân tường được xuyên vào trong lớp đất cứng, đặt lớp giằng đầu tiên gần đỉnh tường chắn sẽ làm giảm đáng kể chuyển vị của tường

Hình 2.1 : Tường chắn dạng console

2

2 aA

P = K γ h d+

(2.1)

3 ( )30

K −K γ h d+ = (2.2) Giải hệ phương trình trên để xác định độ sâu chôn tường yêu cầu độ sâu thiết kế được tăng thêm 20% để cho phép chiều dài tường dư ra để tăng áp lực bị động PP2 (A Teferra and M Leikun, 1999)

2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn, FEM, xem tường và đất như những phần tử rất nhỏ và gán các thuộc tính cho chúng để kiểm soát ứng xử của chúng Phần tử dầm thường được chọn đế gán cho tường trong khi phần tử gạch được dùng cho đất Dữ liệu đầu vào cơ bản cho phương pháp phần tử hữu hạn là việc chia lưới, bao gồm lưới hình học các phần tử của tường, đất, neo, các mẫu vật liệu tường và nước, điều kiện biên và tải trọng biên Các chương trình thường sử dụng là PLAXIS,

FLAC và ABAQUS

2.1.3 So sánh các phương pháp

Sự so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp được trình bày trong bảng 2.1 Mặc dù phương pháp cổ điển đơn giản và dễ tính, nhưng việc phân tích với sự trợ giúp của máy tính là cần thiết đối với các loại đất và điều kiện thi công phức tạp việc phân tích bằng máy tính đang phát triển rộng rãi và sẽ là hướng thiết kế chính trong tương lai

Bảng 2.1 : So sánh giữa các phương pháp thiết kế Phương

pháp

Dữ liệu cần thiết

Ưu điểm Khuyết điểm

Cổ điển c, φ, Su,

k, EI, fmax

Đơn giản Nhanh, không cần đến mày tính

Đặt nhiều giả thiết Ứng dụng giới hạn

Phần tử hữu hạn

c, φ, Su, k, Esoil, EI, kanchor, fmax

Mô phỏng được các điều kiện thi công

Tính moment uốn khá chính xác Không giới hạn về điều kiện địa hình, địa chất

Nền nhiều lớp

Cần có máy tính và phần mềm tính toán

Tải trọng bất kì

2.2 Lý thuyết tính toán áp lực đất lên kết cấu chắn giữ của hố đào sâu (tường liên tục) [4]

2.2.1 Phân loại áp lực ngang của đất

Trong bán không gian đất tự nhiên ổn định, một phân tố đất cân bằng tĩnh phải thỏa hệ phương trình cân bằng sau:

xzxyx

zy

∂∂+∂∂+∂

= 0

yzyy

xy

Fzy

∂∂+∂∂+∂

= 0

zzyz

zy

∂∂+∂∂+∂

yzzy τ

Để có lời giải chính xác hệ phương trình trên, đòi hỏi nhiều điều kiện ban đầu như tính liên tục, đất đồng nhất, đất có nhiều lớp, các đặt trưng ma sát, lực dính, tính đẳng hướng… Một giả thiết được sử dụng rộng rãi cho lời giải riêng của hệ phương trình và kết qủa được chấp nhận là các ứng suất pháp tăng tuyến tính theo chiều sâu để tính ứng suất do trọng lượng bản thân Loại áp lực ngang này của đất được gọi là áp lực ngang ở trạng thái tĩnh Eo

Áp lực ngang của đất có khuynh hướng đẩy trượt vật chắn và khi vật chắn trượt ra khỏi hay lấn vào khối đất, khối đất đạt trạng thái cân bằng giới hạn dẻo và áp lực ngang tương ứng của đất đạt cực trị và được gọi là áp lực ngang của đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo Có hai loại áp lực ngang cực trị đó là:

Áp lực ngang chủ động (Ea): Khi đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo chủ động và đạt giá trị cực tiểu

Áp lực ngang bị động (Ep): Khi đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo bị động và đạt giá trị cực đại

Hình 2.2 – Sự thay đổi áp lực ngang của đất theo độ dịch chuyển của vật chắn

2.2.2 Lý thuyết Morh – Rankine

Hình 2.3 - Điều kiện phát sinh áp lực chủ động và bị động của đất

Xét mặt phẳng AB thẳng đứng trong khối đất tự nhiên có trọng lượng riêng bão hòa là γsat, mực nước nằm ngang mặt đất Áp lực ngang lên mặt AB gồm áp lực nước lỗ rỗng u và áp lực khung hạt ở trạng thái tĩnh σh’, cũng là ứng suất hữu hiệu theo phương ngang

Tại điểm P ở độ sâu z, quan hệ giữa ứng suất hữu hiệu theo phương đứng σv’ và theo phương ngang σh’ ở trạng thái tĩnh là:

2.2.2.1 Áp lực chủ động

Khi mặt AB di chuyển về bên phải đến A’B’, khối đất bên trái mặt AB rời ra (nếu là cát), ứng suất theo phương ngang σh’ của điểm M giảm dần trong khi ứng suất theo phương thẳng đứng σv’ không đổi Vòng tròn Morh ứng suất lớn dần về phía gốc trục toạ độ, cho đến khi chạm đường chống cắt Coulomb Lúc này khối đất bên trái đạt trạng thái cân bằng giới hạn dẻo gọi là trạng thái cân bằng chủ động Ứng suất theo phương ngang của đất là ứng suất chính nhỏ nhất được gọi là áp lực đất ở trạng thái cân bằng chủ động, ký hiệu σa’

Hình 2.4 - Áp lực chủ động của đất trong hệ toạ độ (τ, σ)

Trong đó:

γ - trọng lượng riêng của đất c, ϕ - lực dính và góc ma sát trong của đất z – độ sâu từ điểm tính toán đến mặt đất Từ các công thức trên, ta có thể thấy: áp lực chủ động pa phân bố tuyến tính theo độ sâu z Khi đó, hợp lực Ea của áp lực đất chủ động tác dụng lên lưng tường sẽ là diện tích của hình phân bố pa và đặt tại trọng tâm của hình phân bố

Hình 2.5 – Biểu đồ tính áp lực chủ động

™ Đối với đất rời

12

theo phương thẳng đứng σv’ không đổi Vòng tròn Morh ứng suất nhỏ dần thành một điểm σh’ = σv’, sau đó phát triển về phía xa gốc trục toạ độ, σh’ >σv’ cho đến khi chạm đường chống cắt Coulomb Lúc này khối đất bên trái đạt trạng thái cân bằng giới hạn dẻo gọi là trạng thái cân bằng bị động Ứng suất theo phương ngang của đất là ứng suất chính lớn nhất được gọi là áp lực đất ở trạng thái cân bằng bị động, ký hiệu σp’

™ Đối với đất rời

12

ối với đất dính

2.2.3.1 Áp lực chủ động Ea

Hình 2.7 - Sơ đồ tính toán áp lực đất chủ động Coulomb

Nếu tường chắn dưới tác động của áp lực đất dịch chuyển ra ngoài, tách rời khỏi khối đất, thể đất sau lưng tường đạt trạng thái giới hạn (trạng thái chủ động), trong thể đất phát sinh ra hai mặt trượt AB và BC (tạo với mặt phẳng ngang góc θ)

Xét trên 1 đơn vị chiều dài tường, các lực tác động vào nêm đất ABC gồm:

‐ Phản lực R của thể đất tác động trên mặt trượt BC

‐ Phản lực E của tường vào nêm đất Ta có:

‐ β : góc nghiêng của mái đất;

‐ θ : góc tạo bởi phương mặt trượt BC và phương ngang ¾ Phương pháp trực tiếp

22

¾ Phương pháp trực tiếp

(2.26)

2.2.4 Lý thuyết cân bằng giới hạn điểm

Lời giải của Sokolovski

ệ phương trình cân bằng

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧

=+

=+

0

xz

xz

xzx

zxz

δδσδ

δτ

γδδτδδσ

(2.27) Từ các điều kiện biên, Sokolovski thiết lập được hệ phương trình sau:

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧

=+

×+

−

=−

×−

++

0)2sin22

(cossin

2)

2cossin1(2sinsin

)2cos2

(sinsin

22

cossin)

2cossin1(

xz

xz

xz

xz

δδθθδ

δθθϕ

σδδσθϕδ

δσθϕ

γδδθθδ

δθθϕ

σδδσθϕδ

δσθϕ

với q là tải trọng phân bố sau lưng tường Khi α = 0, ϕa ≠ 0, β≠ 0:

2

12

Trong đó: H : chiều cao tường λa: hệ số áp lực chủ động ( tra bảng )

Trong đó: H : chiều cao tường λp: hệ số áp lực chủ động ( tra bảng ) Đối với đất dính: c ≠ 0

‐ v : vận tốc dòng chảy

‐ I : gradient thuỷ lực Từ phương trình trên có thể thấy rằng vận tốc dòng chảy trong đất tỉ lệ thuận với hệ số thấm Hệ số thấm k có thể định nghĩa là vận tốc thấm khi gradient thuỷ lực bằng 1 đơn vị Giá trị k được dùng để đo sức cản của đất với dòng thấm và chịu ảnh hưởng của một số yếu tố sau :

‐ Độ rỗng của đất

‐ Sự phân bố thành phần hạt

‐ Hình dạng và định hướng của hạt đất

‐ Loại cation và bề dày lớp hấp phụ hút bám với khoáng vật sét

‐ Độ nhớt của nước trong đất, nó biến đổi theo nhiệt độ Có thể xác định hệ số thầm thông qua các thí nghiệm trong phòng Mặc khác, cũng có thể xác định k dựa vào các công thức kinh nghiệm Hazen đề nghị phương trình xác định hệ số thấm như sau :

Với k : hệ số thấm (cm/s) ; D10 : đường kính hữu hiệu (mm) Bảng 2.2 và 2.3 thể hiện hệ số thấm của một số loại đất, có thể dùng để tham khảo khi tính toán thiết kế

Bảng 2.2 : Giá trị hệ số thấm của một số loại đất (Dash)

Dòng thấm sẽ ảnh hưởng đến áp lực nước bên trong và bên ngoài hố đào cũng như ứng suất hữu hiệu Trong các hố đào sâu, dòng thấm gây nên sự chênh lệch mực nước theo 2 phương và sự thay đổi tương ứng của áp lực nước có thể được tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc phương pháp lưới thấm (xem hình 2.8)

Hình 2.8 : Sơ đồ lưới thấm trong hố

đào.Hình 2.9 : Phương pháp phân tích dòng thấm đơn giản a) sự phân bố áp lực nước

b) áp lực nước ròng

Để đơn giản chúng ta thường giả thiết rằng dòng chảy là 1 phương, do đó sự tổn thất cột áp theo chiều dài của 1 dòng chảy là như nhau Xem hình 2.9a, sự chênh lệch của cột áp tổng giữa mực nước dưới thấp (bên trong hố đào) và mực nước trên cao ( bên ngoài hố đào) là: (He +di –dj) Chiều dài dòng chảy từ mực nước bên ngoài hố đào đến mực nước thấp bên trong hố đào là: (2Hp + He - di –dj) Giả thiết rằng mốc cao độ cột áp đặt ở mực nước ngầm trên cao, tổng cột áp (h) ở một khoảng cách x tính từ mực nước ngầm trên cao sẽ là:

peijx Hdu

γ

−=

Áp lực nước lỗ rỗng dưới chân tường chắn uclà:

2( )( )2

ca

pej

μμ =

cP

pi

μμ =

Khi tường chắn dịch chuyển về phía trước, áp lực đất dần dần giảm xuống cho đến trị số nhỏ nhất – áp lực chủ động Ngược lại, khi tường ép về phía đất đấp thì áp lực đất dần dần tăng lên cho đến trị số lớn nhất – áp lực bị động

Từ thực nghiệm quan sát được rằng: khi chuyển vị ở phần đỉnh của tường bằng 0.1% - 0.5% độ cao của tường thì áp lực đất của đất có tính cát sẽ giảm thấp đến áp lực chủ động; ngược lại, trong đất có tính cát, để đạt đến áp lực đất bị động thì chuyển vị ở đỉnh tường phải ≥ 5% chiều cao của tường

Ảnh hưởng chuyển vị của tường chắn đến áp lực đất:

Khi tường hoàn toàn không dịch chuyển, áp lực đất tác dụng lên tường là áp lực đất tĩnh

Hình 2.10 – Biểu đồ áp lực đất khi tường không dịch chuyển

Khi đỉnh tường cố định, đầu dưới tường dịch chuyển ra phía ngoài, áp lực đất tác dụng lên tường có hình dạng như sau:

Hình 2.11 – Biểu đồ áp lực đất khi đỉnh tường cố định, chân tườngdịch chuyển

Khi đỉnh tường và chân tường cố định, phần giữa tường vồng ra phía ngoài thì áp lực đất tác dụng lên tường có dạng sau

Hình 2.12 - Biểu đồ áp lực đất khi tường không dịch chuyển

Khi tường nghiêng ra phía ngoài, quay theo trung tâm của đoạn dưới tường thì áp lực đất tác dụng lên tường là áp lực chủ động bình thường

Hình 2.13 - Biểu đồ áp lực đất khi tường nghiêng ra phía ngoài, quay theo trung

tâm của đoạn dưới tường

Khi xem nền đất hoàn toàn không chuyển vị, áp lực đất hai bên tường là đất tĩnh po Khi tường chịu tác động của ngoại lực và bị biến dạng, nếu chuyển vị ngang tại bất cứ một điểm nào đó của tường là δ thì áp lực tác dụng lên tường tại điểm đó bên phía đất bị nén lại sẽ tăng thêm 1 trị số là Khδ, ta có:

Cùng với sự gia tăng của chuyển vị, áp lực đất cũng tăng theo, nhưng khi đạt đến trạng thái giới hạn nào đó thì áp lực đất sẽ không tăng cho dù chuyển vị tăng Áp lực ở trạng thái giới hạn đó gọi là áp lực đất bị động

Tương tự, áp lực đất chủ động cũng giảm nhỏ dần theo sự gia tăng của chuyển vị, cho đến một giá trị giới hạn nào đó tuy chuyển vị tăng nhưng áp lực đất không giảm nữa Giá trị giới hạn này gọi là áp lực đất chủ động

Theo “Sổ tay công trình móng” do Phương Hiểu Dương chủ biên:

Đất cát

Chủ động Chủ động Bị động Bị động

Song song với thân tường Quay quanh chân tường Song song với thân tường

Quay quanh chân tường

0.001H 0.001H 0.05H >0.1H

Đất sét

Chủ động Chủ động Bị động

Song song với thân tường Quay quanh chân tường

0.004H 0.004H