ảnh hưởng của lực kích đến chuyển vị, nội lực của hệ chống, tường vây bêtông cốt thép

Với hệ thanh chống có độ cứng đủ lớn và các biện pháp kích tải thích hợp, chuyển vị của tường chắn sẽ giảm đáng kể trong quá trình thi công.. Luận văn này nghiên cứu “ảnh hưởng của lực k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG HỒNG THẨM

TP Hồ Chí Minh, Năm 2015

Gần đây, biện pháp kích trước trong hệ chống được sử dụng, nhưng chưa có quy tắc

cụ thể Hơn nữa các nghiên cứu cho rằng hệ chống đỡ hố đào có ảnh hưởng lớn đến chuyển vị của tường vây trong quá trình thi công tầng hầm Với hệ thanh chống có độ cứng đủ lớn và các biện pháp kích tải thích hợp, chuyển vị của tường chắn sẽ giảm đáng kể trong quá trình thi công Luận văn này nghiên cứu “ảnh hưởng của lực kích đến chuyển vị, nội lực của hệ chống, tường vây bê tông cốt thép” trong bài toán thiết

kế thi công hố đào sâu.

Luận văn sử dụng mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 2D với ứng xử mô hình đất Hardening Soil, mô phỏng trình tự thi công hố đào sâu của một công trình thực tế: công trình “Trung tâm thương mại văn phòng Hải Quân địa chỉ số 15 đường Lê Thánh Tôn, quận 1, Tp.HCM” đã thi công có số liệu quan trắc, để tìm ra bộ thông số đất phù hợp với mô hình tính toán Sau đó, phân tích ảnh hưởng của lực kích đến chuyển vị, nội lực tường vây, hệ giằng chống bằng cách chạy bài toán Plaxis với các trường hợp kích.

Dự án Trung tâm thương mại văn phòng Hải Quân có diện tích xây dựng 4500m2, gồm 4 tầng hầm Tường vây bê tông cốt thép dày 0.8m sâu 37m từ mặt đất tự nhiên Biện pháp thi công đào mở với 4 lớp hệ chống thép hình: lớp 1-H350, lớp 2-2H350 lớp

3 và 4-2H400 Chiều sâu đào lớn nhất ở đáy hố pít -18.15m từ mặt đất tự nhiên

khi gia tải kích trong hệ chống gồm: ảnh hưởng lực kích đến chuyển vị tường chắn, nội lực của hệ chống và tường vây; đưa ra quy trình kích hay tải kích phù hợp với trường hợp cụ thể bài toán phân tích; làm cơ sở cho bài toán thiết kế thi công hệ chống hố đào sâu sử dụng kích

Luận văn thực hiện so sánh chuyển vị tường vây, giữa mô hình và kết quả quan trắc thực tế trong các giai đoạn thi công trong bài toán phân tích ngược để tìm bộ thông số đất phù hợp; sau đó phân tích so sánh chuyển vị, nội lực hệ chống, tường vây mô hình các giai đoạn thi công: từ giai đoạn thi công đào đất lần 1 đến giai đoạn sau khi lắp hệ chống thứ 4 (lớp 4)

Trình tự nghiên cứu trong luận văn: giải bài toán phân tích ngược tìm bộ thông số đất phù hợp; chạy bài toán không gia tải kích với mô hình đất vừa tìm được; chạy bài toán với giá trị lực kích trong các hệ chống khác nhau, gồm 16 trường hợp, giá trị lực kích trong mỗi hệ chống có mối quan hệ với nội lực hệ chống bài toán không gia tải kích; phân tích rút ra nhận xét, kết luận

Kết quả đạt được: lực kích có tác dụng làm giảm chuyển vị ngang tường vây; khi gia tải kích cho hệ chống, nội lực mômen tường vây thay đổi: mômen bên trong tường vây bên trên hố đào giảm, mômen bên ngoài tường vây bên trên hố đào tăng, mômen ngoài tường vây dưới đáy tường vây giảm;khi áp đặt lực kích ở một tầng chống nội lực (lực nén) trong tầng chống tăng lên, nội lực hệ chống liền kề có xu hướng giảm; áp dụng kích gia tải trước cho bài toán thiết kế thi công hố đào nhằm phân phối lại nội lực trong hệ chống, cũng như tường vây

Từ khóa: hố đào sâu, đào mở, lực kích, gia tải trước, phần tử hữu hạn, Plaxis, tường vây

vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CD : Cố kết thoát nước (Consolidated Drained)

CPT : Thí nghiệm xuyên tĩnh (Cone Penetrometer Test)

CU : Cố kết không thoát nước (Consolidated Undrained)

DPT : Thí nghiệm xuyên động (Dynamic Penetrometer Test)

GL : Kể từ mặt đất tự nhiên (Ground Level)

TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

SPT : Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test)

MỤC LỤC

Lời cam đoan……….… i

Lời cảm ơn……… ii

Tóm tắt……… ……….……….…iii

Mục lục……… iv

Danh mục hình và đồ thị……….….….v

Danh mục bảng……… …….… vi

Danh mục từ viết tắt………vii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1.Giới thiệu chung, tính cấp thiết của đề tài 1

1.2.Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4.Phương pháp nghiên cứu 3

1.5.Nội dung nghiên cứu 3

1.6.Giới hạn của nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

2.1.Giới thiệu 4

2.2.Các kết quả nghiên cứu trước đây 5

2.3.Phần tử hữu hạn rất hữu ích cho nghiên cứu hố đào sâu 7

2.4.Nghiên cứu hiện trường về hố đào sâu 7

2.5.Những nghiên cứu trong nước về hố đào sâu 9

2.6.Những nghiên cứu về ảnh hưởng của lực kích 10

2.7.Một số dạng hố đào sâu, hệ chống 14

iv

2.7.1.Một số dạng hố đào sâu 14

2.7.2.Một số dạng giằng chống hố đào sâu 16

2.7.3.Cấu tạo hệ chống hố đào sâu 17

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

3.1.Lý thuyết đàn hồi áp dụng trong đất 18

3.1.1.Thông số thường dùng 18

3.1.2.Môđun thoát nước và môđun không thoát nước 18

3.1.3.Phạm vi áp dụng lý thuyết đàn hồi 18

3.2.Lý thuyết biến dạng dẻo áp dụng cho đất 20

3.2.1.Đường bao cực hạn 20

3.2.2.Nguyên lý Mohr-Coulomb 21

3.3.Lý thuyết áp lực đất chủ động, bị động 22

3.4.Áp lực đất lên tường vây hố đào 24

3.4.1.Áp lực đất lên tường vây đối với đất cát và đất sét: 24

3.4.2.Áp lực đất lên tường vây trong đất nhiều lớp 25

3.5.Khảo sát địa chất, một số thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất 26

3.5.1.Lựa chọn phương pháp khảo sát địa chất 26

3.5.2.Thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất 27

3.6.Tính toán nội lực trong thanh giằng chống-Phương pháp Sachipana 30

3.7.Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị đất quanh hố móng 32

3.8.Ảnh hưởng hệ chống đến chuyển vị tường chắn trong quá trình thi công 32

3.8.1.Ảnh hưởng của độ cứng tường chắn 32

iv

6

3.8.2.Ảnh hưởng của độ cứng hệ chống 32

3.8.3.Khoảng cách của hệ chống 34

3.8.4.Ảnh hưởng của việc gia tải trước 34

3.9.Mối quan hệ giữa biến dạng của tường chắn và độ lún bề mặt đất tự nhiên 35

3.10.Ứng dụng phần tử hữu hạn plaxis để phân tích bài toán hố đào sâu 36

3.10.1 Hai mô hình tính thông dụng: Mohr-Coulomb và Hardening Soil 36

3.10.2 Tìm hiểu các thông số cho mô hình 40

3.10.3 Điều kiện thoát nước (drained) và không thoát nước (undrained) 43

3.10.4 Điều kiện biên cho bài toán 44

3.10.5 Chia lưới phần tử trong Plaxis 46

3.11.Quan trắc trong quá trình thi công hố đào sâu 47

3.12.Kích thủy lực (hydraulic jack) 48

3.13.Hệ số an toàn 49

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 50

4.1.Giới thiệu phương pháp nghiên cứu 50

4.2.Sơ đồ nghiên cứu 50

4.3.Phương pháp nghiên cứu 51

4.3.1.Khảo sát tổng quan 51

4.3.2.Dữ liệu sưu tầm 52

4.3.3.Mô phỏng trường hợp thực tế 52

4.3.4.Nghiên cứu thông số và so sánh kết quả 52

4.4.Giải bài toán phân tích ngược 53

4.4.1.Giới thiệu công trình nghiên cứu 53

iv

4.4.2.Điều kiện địa chất 53

4.4.3.Tường vây 56

4.4.4.Sàn tầng hầm 57

4.4.5.Hệ chống 57

4.4.6.Phụ tải mặt đất 58

4.4.7.Mực nước ngầm 60

4.4.8.Điều kiện biên 60

4.4.9.Trình tự thi công thực tế mô phỏng trong PLAXIS 60

4.4.10 Dữ liệu tham chiếu từ thực tế thi công 63

4.4.11 Kết quả: 66

4.5.Giải bài toán không gia tải kích với bộ thông số đất vừa tìm được 72

4.5.1.Giá trị đầu vào của mô hình 72

4.5.2.Kết quả 72

4.6.Giải bài toán gia tải kích theo các trường hợp 80

4.6.1.Ý tưởng 80

4.6.2.Các trường hợp kích 80

4.6.3.Kết quả 85

4.6.4.Nhận xét 109

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 110 5.1.Kết luận 110

5.2.Kiến nghị 110

iv

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2 1 Ảnh hưởng của việc đào đất đến chuyển vị của tường, độ lún mặt đất và ảnh

hưởng đến kết cấu xung quanh 4

Hình 2 2 Biểu đồ thực nghiệm dự tính độ lún của đất quanh hố móng (Peck, 1969) 6

Hình 2 3 Quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất và độ lún lớn nhất với chiều sâu đào theo Ou và cộng sự (1993) 8

Hình 2 4 Hình ảnh đối tượng nghiên cứu, công trình South Link, Sl 10, Stockhom trong bài báo của tác giả Phùng Đức Long 10

Hình 2 5 Hình ảnh kết quả nghiên cứu của tác giả Phùng Đức Long (2011) 11

Hình 2 6 Một số hình ảnh kết quả nghiên cứu của Yang, Ku-Seung và Oh, Sung-Nam (2000) 13

Hình 2 7 Hình ảnh một số biện pháp thi công tầng hầm thường gặp (Nguồn: Công ty Hòa Bình) 15

Hình 2 8 Một số hình ảnh biện pháp thi công đào mở thường gặp (Nguồn: Công ty Hòa Bình) 16

Hình 2 9 Một số hình ảnh dạng thanh chống thường gặp (Nguồn: Công ty Hòa Bình) 17

Hình 2 10 Cấu tạo hệ giằng chống (Nguồn: Công ty Hirose Maruken VietNam) 17

Hình 3 1 Đường biểu diễn ứng suất biến dạng tương đối ở các trạng thái 19

Hình 3 2 Đường bao cực hạn 20

Hình 3 3 Đường thẳng Coulomb 21

Hình 3 4 Quan hệ giữa áp lực đất với chuyển vị của tường chắn 23

Hình 3 5 Áp lực phân bố lên tường vây theo Peck (1969b) 24

Hình 3 6 Hố đào nhiều lớp đất 26

Hình 3 7 Vòng tròn Mohr ứng suất điển hình và đường bao sức chống cắt ở trạng thái giới hạn cho các thí nghiệm UU, CU và CD trên các mẫu đất sét quá cố kết 29

Hình 3 8 Quan hệ ứng suất-biến dạng của đất trong lịch sử chịu tải 29

Hình 3 9 Sơ đồ tính toán xác định nội lực trong thanh chống theo Sachipana 30

Hình 3 10 Sơ đồ tính toán gần đúng nội lực trong thanh chống theo Sachipana 31

v

Hình 3 11 Mối quan hệ giữa biến dạng của tường chắn với cây chống có độ cứng lớn

33

Hình 3 12 Mối quan hệ giữa biến dạng của tường chắn với cây chống có độ cứng nhỏ 33

Hình 3 13 Quan hệ giữa áp lực đất, lực cây chống và phản lực của đất 35

Hình 3 14 Hình dáng độ lún bề mặt đất (so với hình dạng chuyển vị của tường vây) 35 Hình 3 15 Biểu đồ quan hệ ứng suất-biến dạng (làm việc đàn hồi và dẻo lý tưởng) 36

Hình 3 16 Mặt phá hoại Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất 37

Hình 3 17 Mặt chảy dẻo của mô hình Hardening soil 39

Hình 3 18 Cách xác định Eoedref và E50ref trong mô hình Hardening Soil 41

Hình 3 19 Hình mô tả mặt bằng và mặt cắt để phân tích điều kiện biên 44

Hình 3 20 Điều kiện biên lưới phần tữ hữu hạn 45

Hình 3 21 Khoảng cách biên yêu cầu khi phân tích chuyển vị của tường hay độ lún nền 45

Hình 3 22 Kích thước hình học hố đào khi mô hình bằng phần mềm Plaxis 46

Hình 3 23 Lưới phần tử hữu hạn phân tích hố đào sâu 47

Hình 3 24 Thiết bị đo nghiêng (Inclinometer) (Nguồn: internet và Công ty Hòa Bình) 48

Hình 3 25 Kích thủy lực (Nguồn: Công ty Hòa Bình) 49

Hình 3 26 Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường, độ cứng hệ chống và hệ số an toàn chống lại sự phá hủy bùng nền (Clough và O’Rourke, 1990) 49

Hình 4.0 Sơ đồ nghiên cứu… 54

Hình 4 1 Mặt bằng, mặt cắt hình trụ hố khoan địa chất 54

Hình 4 2 Hiện trạng công trình và công trình lân cận (nguồn công ty Hòa Bình) 58

Hình 4 3 Hình ảnh mô tả công trình lân cận và thể hiện mặt cắt tính toán 59

Hình 4 4 Mô hình Plaxis mô phỏng bài toán hố đào 59

Hình 4 5 Mặt cắt mô tả trình tự thi công tính toán 61

Hình 4 6 Mặt bằng bố trí hệ giằng chống thi công (nguồn công ty Hòa Bình) 62

Hình 4 7 Biểu đồ quan trắc mực nước ngầm bên ngoài hố đào theo các chu kỳ 65

Hình 4 8 Chuyển vị ngang tường vây giữa mô hình và quan trắc chu kỳ 6 và chu kỳ 11 66

v

Hình 4 9 Chuyển vị ngang tường vây giữa mô hình và quan trắc chu kỳ 18 và chu kỳ

25 67 Hình 4 10 Chuyển vị ngang tường vây giữa mô hình và quan trắc chu kỳ 56 và chu kỳ

88 67 Hình 4 11 Chuyển vị ngang tường vây giữa mô hình plaxis và quan trắc qua các chu

kỳ đào đất lắp hệ chống 68 Hình 4 12 Biểu đồ bao mômen cho các giai đoạn thi công mô hình plaxis 69 Hình 4 13 Biểu đồ bao vật liệu đề xuất cho phù hợp với nội lực mômen tường vây các giai đoạn thi công 70 Hình 4 14 Chuyển vị ngang tường vây giữa bài toán mô hình plaxis kích theo thiết kế

và bài toán không gia tải kích qua các chu kỳ 73 Hình 4 15 Biểu đồ bao mômen giữa bài toán gia tải kích và không gia tải kích cho giai đoạn thi công 74 Hình 4 16 Chuyển vị ngang tường vây các giai đoạn thi công tổ hợp I (TH1-TH4) 87 Hình 4 17 Biểu đồ bao mômen các giai đoạn thi công tổ hợp I (TH1-TH4) 88 Hình 4 18 Chuyển vị ngang tường vây các giai đoạn thi công TH5-TH8 91 Hình 4 19 Biểu đồ bao mômen các giai đoạn thi công TH5-TH8 92 Hình 4 20 Chuyển vị ngang tường vây các giai đoạn thi công tổ hợp III (TH9-TH12) 95 Hình 4 21 Biểu đồ bao mômen các giai đoạn thi công tổ hợp III (TH9-TH12) 96 Hình 4 22 Chuyển vị ngang tường vây các giai đoạn thi công tổ hợp IV (TH13-TH16) 99 Hình 4 23 Biểu đồ bao mômen các giai đoạn thi công tổ hợp IV (TH13-TH16) 100 Hình 4 24 Chuyển vị ngang tường vây tại cao độ hệ chống 4 (-15.7mGL) giai đoạn đào đất lần 5 với lực kích hệ chống 4 thay đổi 107 Hình 4 25 Mômen lớn nhất tường vây giai đoạn đào đất lần 5 với lực kích hệ chống 4 thay đổi 107 Hình 4 26 Nội lực hệ chống 4 giai đoạn đào đất lần 5 với lực kích hệ chống 4 thay đổi 108 Hình 4 27 Nội lực hệ chống 2, 3, 4 giai đoạn đào đất lần 5 với lực kích hệ chống 4 thay đổi 108

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Các nghiên cứu về chuyển vị ngang lớn nhất do đào đất của một số tác giả 8

Bảng 2 2 Các nghiên cứu về độ lún nền đất lớn nhất do đào đất của một số tác giả 8

Bảng 2 3 Các nghiên cứu trong nước về hố đào sâu 9

Bảng 3 1 Lựa chọn phương pháp khảo sát theo loại đất 27

Bảng 3 2 Hệ số thấm cho một số loại đất 41

Bảng 3 3 Môđun biến dạng của đất theo một số tác giả 42

Bảng 3 4 Bảng tra hệ số Rinter 43

Bảng 4 1 Thông số đất (đã hiệu chỉnh) sử dụng để mô hình bài toán hố đào 55

Bảng 4 2 Thông số của tường chắn cho tính toán bằng phần mềm Plaxis 8.5 56

Bảng 4 3 Các thông số bề dày và cao độ của sàn hầm 57

Bảng 4 4 Thông số độ cứng sàn hầm cho tính toán bằng phần mềm Plaxis 8.5 57

Bảng 4 5 Thông số độ cứng của các thanh chống tính toán bằng phần mềm Plaxis 8.5 58

Bảng 4 6 Lịch sử đào đất từng giai đoạn tương ứng với chu kỳ quan trắc tường vây 63 Bảng 4 7 Lịch sử lắp hệ chống từng giai đoạn tương ứng với chu kỳ quan trắc tường vây 63

Bảng 4 8 Quan trắc cao độ mực nước ngầm qua các chu kỳ đào đất 64

Bảng 4 9 Các chu kỳ bài toán phân tích ngược qua các giai đoạn đào đất lắp hệ chống 66

Bảng 4 10 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây giữa bài toán gia tải kích theo thiết kế và bài toán không gia tải kích 75

Bảng 4 11 Tỷ lệ chuyển vị ngang lớn nhất tường vây với chiều sâu đào giữa bài toán gia tải kích theo thiết kế và bài toán không gia tải kích 75

Bảng 4 12 Nội lực hệ chống (kN/m) các giai đoạn thi công: (a) bài toán không gia tải kích 76

Bảng 4 13 Nội lực hệ chống (kN/m) các giai đoạn thi công: (b) bài toán gia tải kích theo thiết kế 76

vi

Bảng 4 14 Nội lực hệ chống (kN) các giai đoạn thi công: (a) bài toán không gia tải kích 77 Bảng 4 15 Nội lực hệ chống (kN) các giai đoạn thi công: (b) bài toán gia tải kích theo thiết kế 77 Bảng 4 16 Tổng hợp nội lực hệ chống các giai đoạn thi công bài toán gia tải kích theo thiết kế và bài toán không gia tải kích 78 Bảng 4 17 Khả năng chịu lực của hệ chống bằng thép hình theo TCXDVN 238-2005 79 Bảng 4 18 Nội lực max của hệ chống các giai đoạn thi công bài toán không gia tải kích 80 Bảng 4 19 Khả năng chịu lực so với nội lực các thanh chống bài toán không gia tải kích 81 Bảng 4 20 Bảng giá trị (%) lực kích trong các hệ chống 82 Bảng 4 21 Nội lực hệ chống giữa bài toán gia tải kích và bài toán không gia tải kích cho giai đoạn đi xuống 82 Bảng 4 22 Các trường hợp giá trị lực kích (%) trong các hệ chống 83 Bảng 4 23 Các trường hợp giá trị lực kích (kN/m) trong các hệ chống 84 Bảng 4 24 Chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống tổ hợp I (TH1-TH4) qua các chu kỳ 85 Bảng 4 25 Nội lực tường vây max và tại cao độ các thanh chống tổ hợp I (TH1-TH4) qua các chu kỳ 85 Bảng 4 26 Nội lực lớn nhất thanh chống trong các trường hợp tổ hợp I (TH1-TH4) 86 Bảng 4 27 Nội lực thanh chống giai đoạn đào đất lần 4 lắp hệ chống 4-kích, đào lần 5, lần 6 các trường hợp tổ hợp I (TH1-TH4) 86 Bảng 4 28 Chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống tổ hợp II (TH5-TH8) qua các chu kỳ 89 Bảng 4 29 Nội lực mômen tường vây max và tại cao độ các thanh chống tổ hợp II (TH5-TH8) qua các chu kỳ 89 Bảng 4 30 Giá trị nội lực lớn nhất thanh chống trong các trường hợp tổ hợp II (TH5-TH8) 90

vi

Bảng 4 31 Nội lực thanh chống giai đoạn đào đất lần 4 lắp hệ chống 4-kích, đào lần 5, lần 6 các trường hợp tổ hợp II (TH5-TH8) 90 Bảng 4 32 Chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống tổ hợp III (TH9-TH12) qua các chu kỳ 93 Bảng 4 33 Nội lực mômen tường vây max và tại cao độ thanh chống tổ hợp III (TH9-TH12) qua các chu kỳ 93 Bảng 4 34 Giá trị nội lực lớn nhất thanh chống trong các trường hợp tổ hợp III (TH9-TH12) 94 Bảng 4 35 Nội lực thanh chống giai đoạn đào đất lần 4 lắp hệ chống 4-kích, đào lần 5, lần 6 các trường hợp tổ hợp III (TH9-TH12) 94 Bảng 4 36 Chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống tổ hợp IV (TH13-TH16) qua các chu kỳ 97 Bảng 4 37 Nội lực mômen tường vây max và tại cao độ thanh chống tổ hợp IV (TH13-TH16) qua các chu kỳ 97 Bảng 4 38 Giá trị nội lực lớn nhất thanh chống trong các trường hợp tổ hợp IV (TH13-TH16) 98 Bảng 4 39 Nội lực thanh chống giai đoạn đào đất lần 4 lắp hệ chống 4-kích, đào lần 5, lần 6 các trường hợp tổ hợp IV (TH13-TH16) 98 Bảng 4 40 Chênh lệch chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống tổ hợp I với tổ hợp II 101 Bảng 4 41 Chênh lệch chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống tổ hợp III với tổ hợp IV 102 Bảng 4 42 Chênh lệch chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống Tổ hợp III với Tổ hợp I 103 Bảng 4 43 Chênh lệch chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống Tổ hợp

IV với Tổ hợp I 104 Bảng 4 44 Chênh lệch chuyển vị ngang tường vây tại các cao độ thanh chống Tổ hợp

IV với Tổ hợp II 105 Bảng 4 45 Giá trị chuyển vị ngang tường vây tại cao độ hệ chống 4 - giai đoạn đào đất lần 5 106 Bảng 4 46 Giá trị mômen lớn nhất tường vây - giai đoạn đào đất lần 5 106 Bảng 4 47 Giá trị nội lực hệ chống tầng chống 4 - giai đoạn đào đất lần 5 107

vi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung, tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, việc xây dựng các tòa nhà cao tầng có xu hướng ngày một tăng, đi cùng với số lượng là phát triển cả chiều cao và chiều sâu Thi công xây dựng phần ngầm công trình cần có biện pháp kỹ thuật thi công hợp lý nhằm đảm bảo điều kiện kỹ thuật cũng như mang lại giá trị kinh tế

Với điều kiện kỹ thuật, công nghệ thi công như hiện nay, tùy thuộc vào đặc điểm công trình như chiều sâu hố đào, địa chất, địa chất thủy văn công trình mà lựa chọn giải pháp kết cấu và biện pháp thi công hợp lý Giải pháp thiết kế và biện pháp thi công

Hiện tại, ở Việt Nam nói chung và Tp HCM nói riêng, các biện pháp thi công tầng hầm có thể kể đến như: thi công bottom-up, thi công top-down và bán top-down Biện pháp chắn giữ vách hố đào kết hợp với hệ chống sử dụng cừ larsen, tường barette, cọc

bê tông đường kính nhỏ, cọc secant pile, cọc xi măng đất (CDM) thường được sử dụng trong biện pháp thi công đào mở Việc thi công đào mở sử dụng tường vây và hệ chống làm kết cấu chống đỡ ít nhiều ảnh hưởng đến các công trình xung quanh Các yếu

tố ảnh hưởng có thể do nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó chuyển vị của hệ tường vây

có vai trò khá quan trọng, ảnh hưởng nhiều đến việc thiết kế, và thi công

Việc tối ưu kết cấu chắn giữ chỉ đạt được một giới hạn nhất định, gần đây biện pháp kích trước trong thanh chống được sử dụng, nhưng việc áp dụng kích trước trong hệ chống chưa có quy tắc cụ thể Hơn nữa các nghiên cứu cho rằng hệ chống đỡ hố đào trong quá trình thi công tầng hầm ảnh hưởng quan trọng đến chuyển vị của tường chuyển vây Với hệ thanh chống có độ cứng đủ lớn và các biện pháp kích tải thích hợp, chuyển

vị của tường chắn sẽ giảm đáng kể trong quá trình thi công đào đất Nên luận văn này

nghiên cứu “ảnh hưởng của lực kích đến chuyển vị, nội lực của hệ chống, tường vây

bê tông cốt thép” trong bài toán thiết kế thi công hố đào sâu

Việc tính toán hiện nay chủ yếu dựa vào PTHH cho kết quả khá chính xác nhưng nó phụ thuộc nhiều vào các thông số đầu vào của mô hình Do hạn chế về sự hiểu biết đầy

đủ của cơ học đất, hơn nữa một số tính chất của đất cón khó biểu thị bằng định lượng, các kết quả báo cáo khảo sát địa chất chưa đáp ứng được yêu cầu về các loại thí nghiệm,

hay các thí nghiệm chỉ phục vụ cho việc thiết kế phần móng của công trình do đó hồ sơ khảo sát địa chất chưa đáp ứng yêu cầu thiết kế phần biện pháp thi công thi công phần hầm Do đó, khi sử dụng phương pháp PTHH Plaxis, và các số liệu quan trắc của một công trình cụ thể đã thi công được dùng làm cơ sở để tìm bộ thông số của mô hình Plaxis, làm cơ sở tính toán cho các bước tiếp theo

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Có 3 đối tượng được đưa vào xem xét: Ứng xử của hệ tường vây, các yếu tố liên hệ đến chuyển vị ngang của tường và vấn đề gia tải kích trước

+ Phân tích ứng xử của hệ chống và tường vây: Quan trắc trong quá trình thi công về ứng xử của hệ chống và tường vây là cần thiết, nhằm để tiên đoán và đưa ra biện pháp

xử lý kịp thời

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị của tường vây: có thể kể đến như: chiều sâu

hố đào, chiều rộng hố đào, địa chất, địa chất thủy văn nói chung, biện pháp cũng như kỹ thuật thi công, độ cứng của hệ chống đỡ,

+ Hệ cây chống và tiến trình gia tải kích: độ cứng của hệ chống đỡ ít nhiều ảnh hưởng đến chuyển vị của tường vây Đối với hệ chống đỡ shoring bằng thép hình, hệ kích luôn được sử dụng và trong thực tế lực kích thường xuyên được điều chỉnh như một biện pháp giảm chuyển vị của hệ tường vây Tuy nhiên, lực kích cần được điều chỉnh như thế nào trong từng quá trình thi công đào theo giai đoạn và ảnh hưởng của nó lên nhiệm

vụ chắn giữ thành công hố đào, giảm chuyển vị ngang đến mức nào…vẫn chưa được hiểu biết đầy đủ và được quan tâm thích đáng Vì vậy, một vấn đề riêng đặt ra là nghiên

cứu ảnh hưởng của lực kích đến chuyển vị, nội lực của hệ chống, tường vây bê tông cốt thép

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

- Làm rõ ứng xử của tường vây, hệ chống trong bài toán hố đào sâu thi công theo giai đoạn

- Làm rõ ảnh hưởng của lực kích đối với nội lực và ứng xử của hệ chống vách và tường vây trong quá trình thi công hố móng đào sâu

- Xây dựng cơ sở cho quy trình kích trước trong thiết kế thi công hệ chống hố đào sâu thực tế

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết cho việc lựa chọn các thông số đất nền trong mô hình

- Nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của hệ chống đến chuyển vị của tường chắn tầng hầm

- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis 2D mô phỏng trình tự thi công hố đào sâu của một công trình thực tế đã thi công có số liệu quan trắc thực tế; kỹ thuật phân tích ngược số liệu quan trắc thực tế dược áp dụng, để tìm ra thông số đất phù hợp trên

mô hình tính toán cho kết quả đúng nhất sát với thực tế Sau khi có thông số mô hình đúng đắn rồi, phân tích ảnh hưởng của lực kích đến chuyển vị, nội lực tường vây, hệ giằng chống được tiến hành

1.5 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu ứng xử của hệ chống và tường vây trong quá trình thi công trong đó xét đến vai trò của lực kích đến chuyển vị và nội lực của tường vây cũng như hệ thanh chống; dữ liệu từ công trình Trung tâm thương mại văn phòng Hải Quân địa chỉ số 15 đường Lê Thánh Tôn, quận 1, Tp.HCM trong đó:

+ Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis 2D mô hình trình tự thi công hố đào sâu của một công trình thực tế đã thi công có số liệu quan trắc để tìm ra bộ thông số đất phù hợp với mô hình tính toán

+ Phân tích ảnh hưởng lực kích đến chuyển vị, nội lực tường chắn, cũng như nội lực

hệ chống

+ Đưa ra quy trình kích hay tải kích phù hợp với trường hợp cụ thể bài toán phân tích

1.6 Giới hạn của nghiên cứu

- Nghiên cứu chỉ xét sự tương quan giữa lực kích và kết cấu chắn giữ

- Chỉ sử dụng PP PTHH plaxis 2D để mô hình → xem xét ứng xử tương quan giữa lực kích và kết cấu chống đỡ

- Chỉ nghiên cứu đối với 1 công trình cụ thể, chưa có tính khái quát cao cho các công trình khác có chiều sâu đào khác nhau, thi công theo biện pháp khác nhau: đào mở sử dụng hệ neo trong đất, cừ larsen,….và các công trình ở các khu vực địa chất khác nhau Cần có nhiều nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm để mức độ đánh giá ngày càng chính xác hơn

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Giới thiệu

Việc thiết kế biện pháp thi công một hố đào sâu tầng hầm phải quan tâm đến sự ổn định và biến dạng của hệ chống đỡ: gồm tường vây, thanh chống ngoài ra còn có ổn định của đáy hố đào phải đảm bảo không bị phá hủy Hố đào ổn định là hố đào mà tường vây không bị sụp đổ và đáy hố đào không bị mất kiểm soát hay bị đẩy trồi Quá trình thi công, ít nhiều ảnh hưởng đến chuyển vị cũng như độ lún của kết cấu xung quanh Mức

độ ảnh hưởng phụ thuộc vào giá trị độ lún hay chuyển vị đứng của đất nền xung quanh, chuyển vị này chịu tác động bởi kết cấu chắn giữ là tường vây (độ cứng) và hệ chống

Hình 2 1 Ảnh hưởng của việc đào đất đến chuyển vị của tường, độ lún mặt đất và ảnh

hưởng đến kết cấu xung quanh

Độ cứng của hệ chống đỡ hố đào gồm tường vây và hệ thanh chống ít nhiều ảnh hưởng đến chuyển vị của tường chắn

Ổn định và biến dạng liên quan chặt chẽ với nhau Khi hệ chống không đủ cứng, tường không đủ cứng, áp lực từ đất sẽ gây biến dạng lên hệ tường và hệ giằng chống dẫn đến việc mất ổn định của các yếu tố như đất nền xung quanh, đáy hố đào….Nếu độ cứng hệ chống đỡ hố đào đủ lớn khi đó biến dạng và chuyển vị là nhỏ

Hệ chống hố đào là kết cấu tạm thời phục vụ cho thi công, nên việc thiết kế hệ chống cho hố đào bao gồm tường vây, thanh chống … ngoài sự đảm bảo khả năng chịu lực

Tường chắn Đáy hố đào

Thanh chống

Chuyển vị tường chắn Chuyển vị mặt đất

 hm : chuyển vị ngang lờn nhất tường chắn

Trước khi đào Sau khi đào Nứt do nghiêng và biến dạng công trình

của kết cấu chống giữ mà còn đảm bảo điều kiện thi công với tình hình thực tế, và đảm bảo tính kinh tế

Ngày nay, phần tử hữu hạn là công cụ hữu ích được sử dụng để phân tích bài toán thiết kế biện pháp thi công hố đào nhằm đánh giá chuyển vị, nội lực tường chắn cũng như nội lực, biến dạng hệ thanh chống và ổn định đáy hố đào

Ngoài việc tính toán, trong quá trình thi công phải tiến hành quan trắc chuyển vị ngang tường vây cũng như nội lực hệ giằng chống để kiểm chứng lại bài toán thiết kế, làm cơ sở dữ liệu cho những lần thiết kế sau và có biện pháp xử lý kịp thời

2.2 Các kết quả nghiên cứu trước đây

 Tổng kết nghiên cứu của O’Rourke (1981)

O’Rourke đã nghiên cứu chuyển vị đất nền gây ra bởi hố đào sâu có hệ chống và hoạt động thi công liên quan Ông đã chỉ ra sự quan trọng của việc chuẩn bị công trường lên chuyển vị của đất nền, ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm, thi công tường vây lên chuyển vị Tác giả cũng nghiên cứu quan hệ giữa hình dạng chuyển vị của tường

hố đào, tỷ số chuyển vị ngang và đứng của mặt đất nền bằng cách xem xét dữ liệu thực hiện từ bảy trường hợp nghiên cứu O’Rourke cũng kết luận từ những phân tích rằng tỷ

số chuyển vị ngang trên chuyển vị đứng là 1.6 đối với biến dạng công-son thuần túy và 0.6 đối với biến dạng phình trồi thuần túy của tường vây O’Rourke cũng nêu ra những kết luận về tác động của độ cứng hệ chống, việc ứng suất trước của thanh giằng chống

và tính toán thời gian của việc lắp chống Tác giả nhận xét rằng độ cứng hữu hiệu của chống có thể thấp hơn 2% so với độ cứng chuẩn (AE/L) do hiệu ứng nén tại vị trí liên kết và hiệu ứng uốn của giằng chống

 Đặc tính của đất là yếu tố quan trọng trong việc thực hiện hố đào sâu

Loại đất là quan trọng vì việc thực hiện hố đào chi phối bởi sự tương tác giữa đất và

hệ thống chống giữ Theo Peck, dịch chuyển của tường và độ lún của đất trong đất cứng (đất cát hay sét cứng) sẽ có trị số nhỏ hơn so với trong đất mềm (sét yếu, cứng vừa, bùn) Peck (1969) đã tóm tắt những thông tin từ những trường hợp nghiên cứu trên chuyển

vị đất nền lân cận với hố đào và chỉ ra rằng chuyển vị phía sau hố đào có liên quan đến loại đất Theo những ý chính sử dụng để phân tích nội lực của thanh chống của hố đào sâu dựa trên cơ sở tương tác kết quả đo đạc Peck đã thiết lập biểu đồ chuyển vị gây ra

bởi thực hiện hố đào xem hình 2.2 Có thể thấy trên hình, tác giả đề nghị 3 vùng biểu đồ chuyển vị dựa trên điều kiện đất nền

Hình 2 2 Biểu đồ thực nghiệm dự tính độ lún của đất quanh hố móng (Peck, 1969)

 Lắp đặt thanh chống là yếu tố quyết định để giảm thiểu chuyển vị

Hệ chống đỡ được lắp đặt để hạn chế chuyển vị tường Chuyển vị tường có thể tăng trong lúc trì hoãn thi công hệ chống bởi hai lý do Một là biến dạng phụ thuộc thời gian Biến dạng phụ thuộc thời gian có thể gây ra cố kết đất, lưu biến của đất, hoặc từ biến trong cấu kiện kết cấu Nguyên nhân thứ hai là việc đào quá mức Khái niệm đào quá mức mô tả chính là sự thi công trễ của hệ chống khi quá trình đào đất vẫn tiếp diễn Peck (1969), O’Rourke (1981), Clough và O’Rourke (1990)

 Trình tự thi công là yếu tố quan trọng trong việc thực hiện hố đào sâu

Trình tự thi công là thứ tự những công việc liên quan đến hố đào sâu được thực hiện Trình tự thi công là quan trọng vì đất nền thì không tuyến tính và ứng xử của nó phụ thuộc lộ trình tải trọng Ví dụ như xem xét một trường hợp mà ở đó tất cả đất được đào trước khi lắp thanh chống với trường hợp đào từng giai đoạn và lắp thanh chống sau mỗi giai đoạn Ứng xử của hố đào sẽ khác nhau cho cả hai trường hợp này Phương pháp thứ nhất có thể dẫn đến sụp đổ, trong khi phương pháp thứ hai dẫn đến giới hạn chuyển vị

ở một lượng nhỏ

 Hệ chống đỡ ứng suất trước rất hiệu quả để giảm chuyển vị

Clough và O’Rourke (1990) nhấn mạnh rằng ứng suất trước neo trong đất hay giằng chống thì rất hữu hiệu trong việc hạn chế chuyển vị của tường Thứ nhất là ứng suất

Vùng I: Đất cát và sét cứng (c u > 30kPa) Vùng II: Sét rất mềm đến mềm (c u < 30kPa) Vùng 3: Sét rất mềm đến mềm ở độ sâu dưới đáy hố móng

trước giúp gở bỏ sự chùng mối liên kết Thứ hai là tác động lại phía đất phía sau lưng tường làm cho đất chặt hơn

O’Rourke (1976) đã thống kê hầu hết các trường hợp hệ thanh chống xiên được gia tải trước đến 50% tải trọng thiết kế thì các chuyển vị lớn sẽ giảm tại các cột chống và sự quá tải của hệ khung giằng là không xảy ra khi gia tải trước đạt tới giới hạn 50% giá trị của tải thiết kế

 Công nhân cũng là yếu tố quan trọng thi công hố đào

Peck (1969) đã nhấn mạnh vai trò của công nhân trong thi công hố đào sâu Ông kết luận công nhân là yếu tố trong ba vùng chuyển vị đã đề nghị Peck đã xác nhận thấy rằng tay nghề công nhân có thể dễ dàng gây ra chuyển vị lớn

2.3 Phần tử hữu hạn rất hữu ích cho nghiên cứu hố đào sâu

Hiện nay, phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis 2D được sử dụng rộng rãi để phân tích hố đào sâu, để dự đoán chuyển vị tường Các mô hình Mohr-Coulomb, Hardening Soil, Soft Soil,… đã và đang được tiếp tục nghiên cứu để mô phỏng hố đào sâu

Phân tích phần tử hữu hạn 3D thì không thông dụng Trong đa số các trường hợp nghiên cứu, thì phần tử hữu hạn 3D ít được sử dụng chỉ vì việc mô hình và phân tích 3D phức tạp hơn nhiều so với phần tử 2D

2.4 Nghiên cứu hiện trường về hố đào sâu

Kết hợp quan trắc hiện trường và phân tích mô hình là yếu tố quan trọng trong việc thực hiện hố đào sâu

Nghiên cứu việc thực hiện đo đạc hiện trường của hố đào sâu rất quan trọng vì hai

lý do Thứ nhất là đo đạc hiện trường cung cấp sự hiểu biết sâu sắc thông qua kinh nghiệm thu được trong lúc thiết kế và thi công hố đào Việc thực hiện quan trắc hố đào không phụ thuộc vào các giả định, sắp xỉ, mô hình cơ bản hoặc công thức, không giống như phân tích số, có thể thu được từ ứng xử của tường vây khi mà quan sát cẩn thận hoạt động thi công, điều kiện công trường và những yếu tố khác Lý do thứ hai là thông thường mô hình không giải thích được hoặc không thể mô phỏng tốt Chẳng hạn như, phân tích phần tử hữu hạn của hố đào sâu điển hình không mô phỏng được việc thi công tường chắn, việc lắp đặt neo trong đất cũng như tay nghề công nhân…

Kết quả nghiên cứu của một số tác giả về chuyển vị tường vây và độ lún nền đất ứng với từng loại kết cấu chống đỡ trong các loại đất khác nhau được lặp bảng sau:

Bảng 2 1 Các nghiên cứu về chuyển vị ngang lớn nhất do đào đất của một số tác giả

Chuyển vị ngang max ( hm )

(silty sands, silty clays) Thanh chống (Strut) (0.2-0.5)%H Ou et al (1993)

Bảng 2 2 Các nghiên cứu về độ lún nền đất lớn nhất do đào đất của một số tác giả

Chuyển vị đứng max ( vm )

Tác giả

Cát rời, sạn sỏi

(loose sands, gravels)

Cừ thép (sheet pile) Cọc thép + ván gỗ 0.5%H

Terzaghi and Peck (1969) Cát trung bình đến chặt

(medium to dense sands)

Cọc thép + ván gỗ (Soldier pile) 0.3%H O’Rourke (1975)

Hình 2 3 Quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất và độ lún lớn nhất với chiều sâu đào

theo Ou và cộng sự (1993)

2.5 Những nghiên cứu trong nước về hố đào sâu

Trong nước, có rất nhiều tác giả nghiên cứu về hố đào sâu, bảng 2.3 tập hợp một số nghiên cứu của các tác giả về hố đào sâu

Bảng 2 3 Các nghiên cứu trong nước về hố đào sâu

Tác giả Nội dung nghiên cứu Kết quả đạt được

Châu Ngọc Ẩn, Lê

Văn Pha (2007)

Tính toán hệ kết cấu bảo vệ

hố móng sâu bằng phương pháp xét sự làm việc đồng thời giữa đất nền và kết cấu

Khi tháo dỡ các tầng thanh chống dưới thì lực dọc tác dụng lên các tầng chống trên tăng lên rất nhiều Cần có phương án tăng cường dự phòng

Ngô Đức Trung,

Võ Phán

Phân tích ảnh hưởng của

mô hình nền đến dự báo chuyển vị và biến dạng công trình hố đào sâu ổn định bằng tường chắn

Độ cứng gia tải và dỡ tải của đất nền tác động đáng kể đến độ lớn và phân

bố độ trồi hố móng hơn là đến chuyển vị ngang của tường và độ lún

hố đào sâu

Với những giai đoạn đào đất có chiều sâu đào đất từ tầng thanh chống cuối cùng đến bề mặt hố đào lớn hơn 4m, chuyển vị của tường vây sẽ tăng rất nhanh và ảnh hưởng lớn đến tổng chuyển vị sau cùng của tường vây

Áp lực nước gây ra bởi sự thay đổi cao độ mực nước ngầm gây ảnh hưởng khá lớn đến chuyển vị ngang

và chuyển vị đứng của tường chắn

Hệ số thấm ảnh hưởng không nhiều đến chuyển vị của tường

Ảnh hưởng giá trị Eref là đáng kể so với hệ số Poisson lên chuyển vị tường, nội lực thanh chống,

2.6 Những nghiên cứu về ảnh hưởng của lực kích

Trong nước và trên thế giới cũng có một vài tác nghiên cứu về kích gia tải trước trong hệ chống, hệ neo trong hố đào sâu

 Tình hình trong nước:

Tác giả Phùng Đức Long (2011), có bài báo nghiên cứu: Thiết kế tường chắn nhiều lớp neo trong thi công hố đào sâu (Design of multi-anchored walls for deep excavations) Bài báo được tóm tắt như sau: Hệ neo, hệ chống nhiều lớp dùng để chống đỡ tường chắn trong thi công hố đào sâu được sử dụng rộng rải trong thi công công trình ngầm Việc thiết kế hệ chống, neo nhiều lớp cho hố đào là một trong những thách thức đối với các kỹ sư địa kỹ thuật Đó là những vấn đề phức tạp về đất và kết cấu chắn giữ Hiện tại, so với các phương pháp khác, hệ neo ứng suất trước phức tạp hơn Phương pháp cổ điển trong nhiều trường hợp không thể cung cấp một công cụ thỏa mãn việc thiết kế hệ

hệ nhiều lớp chống cho tường Bài báo này, kết quả phân tích từ PTHH của hệ tường cừ thép cho hố đào từ đó thảo luận và so sánh với phương pháp cổ điển Sử dụng PTHH Plaxis, có thể thiết kế hệ chống nhiều lớp cho tương chắn hố đào một cách tối ưu + Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu lực kích trước trong hệ nhiều tầng neo (anchored)

cừ thép cho một công trình ở Stockhom

Hình 2 4 Hình ảnh đối tượng nghiên cứu, công trình South Link, Sl 10, Stockhom

Phùng Đức Long (2011)

+ Một số hình ảnh về kết quả nghiên cứu:

(a) Biểu đồ áp lực đất lên tường chắn các trường hợp kích và theo lý thuyết

(b) Mối quan hệ giữa % lực gia tải trước với lực trong hệ neo và mômen tường vây

(c) Mối quan hệ giữa % lực gia tải trước với lực cắt, chuyển vị ngang tường vây Hình 2 5 Hình ảnh kết quả nghiên cứu của tác giả Phùng Đức Long (2011)

+ Kết luận của bài báo: Mối tương quan độ cứng của đất và tường chắn được phân tích

bằng cách sử dụng các mô hình đất thực tế và được thực hiện bằng phương pháp PTHH Những lợi ích chính có thể kể đến: khả năng mô hình được ứng suất và biến dạng của đất và tường chắn phù hợp với trình tự thi công thực tế Gia tải trước trong hệ neo có thể được mô hình một cách rất thực tế Với sự hổ trợ của phương pháp PTHH một vài

kết luận có thể được rút ra bên dưới:

 Tường cừ thép với hệ neo được gia tải trước, lý thuyết Rankine về áp lực đất chủ động và bị động không còn đúng nữa

 Từ việc nghiên cứu các tham số đơn giản, có thể thấy rằng cho dù có chọn giá trị gia tải trước ở giai đoạn bắt đầu như thế nào, thì ở giai đoạn đào đất cuối cùng với cùng cao

độ đào, tải trong hệ neo gia tải trước sẽ đạt được giá trị gần bằng nhau Chọn lựa những giá trị gia tải trước đúng đắn có thể làm giảm đáng kể chuyển vị tường, nền đất, mômen uốn, cũng như lực cắt trong tường

 Trên thế giới:

Yang Ku-Seung và Oh Sung-Nam (2000), có bài báo nghiên cứu: Mối liên hệ giữa

hệ chống gia tải trước và áp lực đất lên kết cấu chắn giữ (Correlation between Strut Preloading and Earth Retaining Structures in Deep Excavations)

Bài báo được tóm tắt như sau: Việc sử dụng biện pháp gia tải trước trong hệ chống biện pháp đào đất ở Hàn Quốc ngày càng gia tăng Và nó thì cần thiết để phân tích ảnh hưởng của việc gia tải trước đến chuyển vị, mômen tường chắn và lực dọc của hệ chống, Trong nghiên cứu này, bằng cách sử dụng phương pháp phân tích dầm trên nền đàn hồi, từ việc so sánh dữ liệu đo và kết quả tính toán hai công trường và nghiên cứu tham số tương quan giữa việc gia tải trước trong hệ chống và áp lực đất tường chắn trong đất cát Kết quả, khoảng 50%-75% tải thiết kế hệ chống xem là lực kích trước có ảnh hưởng đến chuyển vị và áp lực đất lên tường chắn Tối thiểu 25% giá trị độ cứng hữu hiệu hệ chống ảnh hưởng đến việc ngăn chặn sự gia tăng chuyển vị và mômen tường chắn Một trong những phương pháp để ngăn chặn sự dịch chuyển quá lớn trong việc đào đất-giằng chống, việc gia tải trước trong các thanh chống được xem là cách hiệu quả hơn so với việc tăng độ cứng của thanh chống trong hệ giằng tường, việc gia tải

trong hệ chống có thể tránh được nếu lực dọc của thanh chống quá lớn

+ Một số hình ảnh về kết quả nghiên cứu của Yang Ku-Seung và Oh Sung-Nam:

(a) Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang với phần trăm gia tải trước

(b) Mối quan hệ giữa mômen uốn, lực trong cây chống với phần trăm gia tải trước

(c) Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang, mômen tường và lực dọc trong thanh chống với

độ cứng của tường

(d) Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang, mômen tường và lực cây chống với độ cứng có

hiệu của cây chống Hình 2 6 Một số hình ảnh kết quả nghiên cứu Yang Ku-Seung và Oh Sung-Nam (2000)

2.7 Một số dạng hố đào sâu, hệ chống

2.7.1 Một số dạng hố đào sâu

Ranh giới phân biệt giữa hố đào nông và sâu hiện nay vẫn chưa rõ rệt Một số quan điểm cho rằng hố đào quá 5m được gọi là hố đào sâu Trong thực tế, người ta thường lấy giới hạn 6m làm cơ sở phân biệt hố đào nông và sâu Tuy nhiên, trong một vài trường hợp đặc biệt, khi độ sâu hố đào nhỏ hơn 5m nhưng do được thi công trong điều kiện địa chất công trình và điều kiện thủy văn phức tạp thì cũng được phân tích như ứng xử của

hố đào sâu (Nguyễn Bá Kế, 2012)

Ngày nay, có rất nhiều biện pháp thi công hố đào sâu tầng hầm Phổ biến có thể kể đến như: top-down, bán top-down, đào mở kết hợp hệ giằng chống Trong đó biện pháp đào mở kết hợp hệ chống có thể phân biệt tùy theo kết cấu chắn giữ có thể kể đến như: cừ

thép, cọc khoan nhồi đường kính nhỏ, cọc secant pile, cọc sodier pile, tường barret,

(a) Thi công top-down

(b) Thi công bán top-down

(c) Đào mở kết hợp hệ giằng chống

Bình)

(a) Thi công đào mở sử dụng cừ larsen kết hợp với hệ chống

(b) Đào mở sử dụng cọc bê tông đường kính nhỏ kết hợp với hệ chống

(c) Thi công đào mở sử dụng cừ tường vây barete kết hợp với hệ chống

Bình)

2.7.2 Một số dạng giằng chống hố đào sâu

Thiết kế hệ thanh chống cần đảm bảo khả năng chịu lực và đảm bảo điều kiện thi công thực tế với các thiết bị máy móc trong quá trình thi công đào đất, bố trí hệ chống hạn chế trùng vị trí với các cấu kiện cột, vách, dầm, sàn tầng hầm…Hệ chống thường

có những dạng sau:

(b)Hệ thanh chống ngang dạng hệ dàn có lỗ mở

(c) Hệ thanh chống chéo theo chiều đứng (chống xuống sàn)

2.7.3 Cấu tạo hệ chống hố đào sâu

Hệ chống đỡ hố đào cấu tạo gồm các bộ phận sau:

1- Cừ larsen 8- Chân chéo 16- Tấm thép nối

2- Solder pile 9- Giằng góc 17- Gông ở góc

3- Tường BTCT 10- Gia cường góc (JIB piece) 18- Bulong

4- King post 11- Gia cường góc (CN ) 19- Giá đỡ thanh (Waler) 5- Ván gỗ 12- Kích (UJ, KJ) 20- Giá đỡ thanh (Strut)

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Lý thuyết đàn hồi áp dụng trong đất

dị hướng, nên khi áp dụng lý thuyết đàn hồi hết sức cẩn trọng, cần tiến hành các thực nghiệm để kiểm tra và có các hiệu chỉnh tương thích (Trần Văn Việt, 2013)

3.1.2 Môđun thoát nước và môđun không thoát nước

Trong môi trường đất hiện tượng biến dạng không chỉ diễn ra tức thời mà còn diễn

ra theo thời gian (gọi là quá trình cố kết) Do đó, trong phân tích biến dạng sử dụng môđun đàn hồi cần phân biệt chúng ở hai trạng thái:

+ Môđun không thoát nước (Eu): khi áp dụng cần kết hợp với hệ số poisson không thoát nước (vu) Môđun này biểu hiện là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng của đất, sao cho thời gian gia tải tức thì để nước trong đất không thể thoát ra ngoài, nghĩa là hiện tượng cố kết không xảy ra

+ Môđun đàn hồi thoát nước (E’): khi áp dụng thông số này cần kết hợp với hệ số poissson cũng ở trạng thái thoát nước (v’)

Đối với đất rời thấm nước nhanh, dù thời gian gia tải ngắn, nước vẫn thoát ra hoàn toàn Đối với các loại đất khác áp dụng cho chất tải thường xuyên

Khi đất được giả định là đàn hồi, Absi chứng minh được mối quan hệ giữa hai loại

u u

Hình 3 1 Đường biểu diễn ứng suất biến dạng tương đối ở các trạng thái

Nguồn: Trần Văn Việt, 2013

+ Quan hệ ứng suất biến dạng tương đối trong thực tế là không thể hiện dưới dạng đường thẳng

+ Đường biểu diễn quan hệ ứng suất biến dạng tương đối cũng không phục hồi + Đất được xem là môi trường đàn dẻo, nghĩa là độ biến dạng phụ thuộc với tốc độ gia tải Đặc biệt, ở điều kiện tải trọng rung thì trạng thái của đất khác nhiều so với tải ở điều kiện tĩnh

Tùy theo chế độ gia tải (tĩnh hoặc rung), có thể phân biệt các loại môđun đàn hồi sau:

 Môđun đàn hồi tĩnh: trong trạng thái chất tải tĩnh có thể phân biệt 2 loại sau:

+ Môđun tiếp tuyến tại điểm M: là độ nghiêng của đường áp lực biến dạng ở điểm M + Môđun cát tuyến là môđun theo khoảng ở 2 điểm M0;M2 theo hình 3.1 ta có:

1 0

0 2

1 0'( , )

3.1.4 Mối quan hệ giữa môđun đàn hồi với môđun nén một trục và môđun cắt

Môđun nén một trục E0 (trong thí nghiệm nén một trục hoặc cố kết) cũng được xác định qua tỷ số giữa ứng suất và biến dạng, trong điều kiện thí nghiệm không nở hông Khi áp dụng điều kiện đàn hồi nở hông tự do cần có sự tham gia của hệ số Poisson,

và khi đó được xác định theo biểu thức:

Biến dạng tương đối %

Ứng suất 

Đường lý thuyết

Đường E’

Đường E u

Trong đó : E’: môđun đàn hồi thoát nước; E0: môđun nén một trục

Khi xét một phân tố đất chịu tác dụng một ứng suất cắt:  = ’, môđun cắt G được định nghĩa qua biểu thức sau:

 G d  (3.3) Môđun đàn hồi và môđun cắt (G) liên hệ với nhau qua biểu thức:

'

2(1 )

E G

Đường bao cực hạn thực tế không hoàn toàn thẳng, tuy nhiên để đơn giản người ta quan niệm đường bao cực hạn này là một đường thẳng và được gọi là đường thẳng

Khu nguy hiểm

Đường bao cực hạn

Khu ổn định

Hình 3 3 Đường thẳng Coulomb (Nguồn: Trần Văn Việt, 2013)

Đường thẳng Coulomb thể hiện hai thông số đặc trưng cho sức kháng cắt của vật liệu: + Đường thẳng cắt trục tung cho giá trị lực dính c

+ Góc nghiêng của đường thẳng cho ta giá trị góc ma sát trong 

3.2.2 Nguyên lý Mohr-Coulomb

Theo lý thuyết bền của Mohr là vật liệu bị phá hỏng bởi giá trị giới hạn của sức kháng cắt () của đất, được xác định bởi Coulomb: *= tg + c Đất dễ bị phá hỏng (bị chảy dẻo,

bị trượt) khi sức kháng do tải trọng tác dụng (tải trọng) ≥ *

Vòng tròn Mohr ở trạng thái ứng suất tổng thì mối quan hệ giữa  và n thể hiện trạng thái phá hủy đất dưới dạng phương trình đường thẳng:

 = c + ntg (3.5) Vòng tròn Mohr ở trạng thái ứng suất hữu hiệu, ta có:

’ =  (3.6) ’ =  - u (3.7)

Và phương trình tổng quát có dạng:

’ = c’ + ’.tg’ hoặc:

 = c’ + ( -u).tg’ (3.8) Khi viết c’, ’ thể hiện đất ở trạng thái ứng suất hữu hiệu Còn viết c,  (hoặc ký hiệu

có u) là thể hiện trạng thái ứng suất tổng

Lý thuyết Mohr-Coulomb đã và đang được ứng dụng nghiên cứu và áp dụng trong thực

tế tuy nhiên vẫn còn một số giới hạn:

+ Chưa xét đến vai trò của ứng suất chính trung gian 2

+ Đường bao chống cắt là đường thẳng nên có thể dẫn đến sai số lớn trong một số trường hợp

+ Sai số khi xác định phương mặt trượt do đường bao chống cắt có thể cong nhưng lại sử dụng đường thẳng

 Áp lực đất tĩnh: Nếu tường chắn đất được duy trì ở trạng thái tĩnh tại bất động

(tường không dịch chuyển) thì áp lực đất tác động vào tường gọi là áp lực đất tĩnh Hợp lực của áp lực đất tĩnh tác dụng lên mỗi m dài tường chắn đất được biểu thị bằng E0

(kN/m), cường độ áp lực đất tĩnh biểu thị bằng p0 (kPa)

Áp lực đất tĩnh là ứng suất pháp có độ lớn tăng tuyến tính theo chiều sâu, là ứng suất

do trọng lượng bản thân Áp lực ngang của đất có khuynh hướng đẩy trượt kết cấu chắn giữ Và khi kết cấu chắn giữ bị trượt ra 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, được gọi là áp lực ngang của đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo Có hai loại áp lực ngang cực trị:

tường dịch chuyển theo chiều đất lấp, khi đó áp lực đất tác động vào tường sẽ từ giá trị

áp lực đất ở trạng thái tĩnh mà giảm dần đi Khi thể đất ở sau lưng tường đạt đến trạng thái cân bằng, đồng thời xuất hiện mặt trượt liên tục làm cho thể đất trượt xuống, khi đó

áp lực đất giảm đến giá trị nhỏ nhất, gọi là áp lực đất chủ động, biểu thị bằng EA (kN/m)

và pa (kPa)

chiều đất lấp, khi đó áp lực của khối đất phía sau lưng tường sẽ từ giá trị của áp lực đất tĩnh mà tăng dần lên, liên tục cho đến khi thể đất đạt trạng thái cân bằng, đồng thời xuất hiện mặt trượt liên tục, thể đất ở phía sau lưng tường bị chèn đẩy lên Khi đó, áp lực đất tăng đến trị số lớn nhất, gọi là áp lực đất bị động, biểu thị bằng EP (kN/m) và pp (kPa)

Trong ba loại áp lực đất thì áp lực đất bị động lớn hơn áp lực đất tĩnh và áp lực đất chủ động là nhỏ nhất Từ phân tích lí luận và thử nghiệm thực nghiệm cho thấy, chuyển

vị cần thiết khi phía sau tường chắn đất đạt đến áp lực đất bị động lớn hơn rất nhiều áp lực đất chủ động Hình 3.1 thể hiện mối quan hệ giữa áp lực đất với chuyển vị của tường chắn đất

Hình 3 4 Quan hệ giữa áp lực đất với chuyển vị của tường chắn

Áp lực đất biến đổi theo chuyển vị của tường chắn đất: khi tường chắn đất dịch chuyển về phía trước (ra xa khối đất đắp) áp lực đất dần dần giảm nhỏ đi cho đến trị số nhỏ nhất-áp lực đất chủ động, cịn khi tường chắn di chuyển về phía đất đắp thì áp lực đất dần tăng lên cho đến trị số lớn nhất-áp lực đất bị động (Châu Ngọc Ẩn, 2012) Hai lý thuyết tính tốn áp lực đất: lý thuyết áp lực đất Mohr-Rankine và lý thuyết áp lực đất Mohr-Coulomb Hai lý thuyết cĩ những điểm giống và khác nhau được tĩm tắt bên dưới:

22

2 2

0

CHUYỂN VỊ VÀO KHỐI ÐẤT

Tường di chuyển

ra khỏi khối đất

Tường di chuyển

về phía khối đất

2 2

2

2 2

:góc nghiêng giữa mặt đất lắp với mặt phẳng ngang

a: góc ma sát giữa lưng tường với đất lấp

3.4 Áp lực đất lên tường vây hố đào

3.4.1 Áp lực đất lên tường vây đối với đất cát và đất sét:

Sau khi quan sát nhiều tường vây, nhằm tránh cho các cây chống không bị phá hoại trong tất cả giai đoạn đào, Peck (1969b) đã đề nghị đường bao áp lực đất lên tường vây trong cát và trong sét dùng để thiết kế như sau:

(a)Trong đất cát (b) Trong đất sét yếu và (c) Trong đất sét cứng

Các công thức cũng như điều kiện áp dụng cho từng loại loại đất dính tương ứng với biểu đồ áp lực trên tùy thuộc vào tỷ số giữa He/su

+ Điều kiện áp dụng công thức biểu diễn đường bao áp lực đất lên tường vây trong đất sét yếu và vừa là: He/su > 4 với su sức chống cắt không thoát nước Giá trị áp lực

s



 su,b cường độ chống cắt không thoát nước của đất ở đáy hố đào và

chiều sâu đào, Nb càng lớn thì khả năng xuất hiện chuyển vị lớn tại đáy của tường chắn Peck (1969b) khuyến nghị (Nb ≤ 4, m=1; Nb > 4, m < 1.0)

+ Điều kiện áp dụng công thức biểu diễn đường bao áp lực đất lên tường vây trong đất sét cứng là: He/su  4 Giá trị áp lực phân bố Pa= (0.2-0.4)He

+ Riêng đối với đất cát giá trị áp lực đất Pa=0.65KaγHe Với γ: trọng lượng đơn vị của đất, He: chiều dài tường vây, Ka: hệ số áp lực chủ động theo Rankine

+ Biểu đồ bao áp lực của Peck phổ biến cho việc thiết kế, tuy nhiên nó cũng có một

số hạn chế như: chỉ áp dụng cho cho những hố đào sâu hơn 6m, nước ngầm được giả thiết bên dưới đáy hố đào, đất cát được giả thiết hoàn toàn thoát nước với áp lực nước

lỗ rỗng bằng không và đất sét được giả thiết không thoát nước và không xét đến áp lực

lỗ rỗng

3.4.2 Áp lực đất lên tường vây trong đất nhiều lớp

Khi hố đào qua nhiều lớp địa chất gồm cả đất cát và đất sét như hình 3.6a Trường hợp này, Peck (1943) đề nghị tính toán với cường độ của lớp đất tương đương

21

He : chiều cao hố đào Hs: chiều cao của lớp cát

γs : trọng lượng đơn vị của cát φs : góc ma sát của cát

Ks : hệ số áp lực ngang của đất cát su : cường độ chống cắt không thoát nước của đất sét

n’ : hệ số phá hoại chậm (có giá trị từ 0.5-1.0); giá trị trung bình 0.75)

+ Trong đó trọng lượng đơn vị trung bình của các lớp có thể tính như sau:

- Tương tự cho trường hợp nhiều lớp sét như hình 3.6b bên trên, lực dính trung bình

s H s H s H H

s     (3.11)

 su1,su2,sun – cường độ chống cắt không thoát nước của lớp đất 1,2,….,n

 H1,H2,Hn – chiều dày của lớp đất 1,2,….,n + Trọng lượng đơn vị trung bình của cả khối đất sét:

1

n n

avg e

      (3.12)

 1, 2, n – trọng lượng đơn vị của lớp đất 1,2,….,n

3.5 Khảo sát địa chất, một số thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất

3.5.1 Lựa chọn phương pháp khảo sát địa chất

Việc tính toán hố đào sâu phụ thuộc rất nhiều vào thông số địa chất, nên việc khảo sát địa chất và chọn loại thí nghiệm thích hợp với từng loại đất cũng như phù hợp với loại mô hình tính là rất quan trọng Thực tế, đa số thí nghiệm khảo sát địa chất chủ yếu phục vụ cho việc thiết kế nền móng