chapter 5 (bill do) (on dinh ho dao)

_ CHƯƠNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH 5.1 Giới thiệu Phá hoại hay sụp đổ hố đào nguy hiểm khu vực xây dựng Trong trường hợp xấu nhất, chúng đe dọa mạng sống cơng nhân cơng trình phụ cận Phạm vi ảnh hưởng chúng thường lớn: sụt lún sâu đất xảy cơng trình phụ cận phạm vi ảnh hưởng sụt lún bị phá hoại đáng kể Vì hố đào có ảnh hưởng lớn nên việc tránh phá hoại hay sụp đổ xảy mang ý nghĩa quan trọng hàng đầu việc tiến hành phân tích ổn định bắt buộc Phá hoại hố đào ứng suất hệ thống chống đỡ vượt cường độ vật liệu, chẳng hạn, lực chống vượt lực oằn chống moment uốn tường chắn vượt momen uốn tới hạn, v.v Các thảo luận chi tiết trình bày chương 10 Phá hoại nảy sinh từ ứng suất cắt đất vượt sức kháng cắt Các phương pháp phân tích đất khu vực đào có chịu ứng suất gây việc đào sâu hay không gọi phân tích ổn định chủ đề chương Những phân tích ổn định gồm có phân tích phá hoại cắt tổng thể, phân tích cát chảy, phân tích đẩy Phân tích phá hoại cắt tổng thể chia thành phân tích phá hoại đẩy vào đẩy trồi Chương giới thiệu phương pháp phân tích phạm vi áp dụng chúng 5.2 Các loại hệ số an tồn Về bản, có phương pháp xác định hệ số an tồn phân tích ổn định: phương pháp hệ số cường độ, phương pháp hệ số tải trọng, phương pháp hệ số kích thước Các phương pháp mô tả sau: Phương pháp hệ số cường độ: phương pháp xét tới bất ổn định cường độ đất cường độ đất giảm hệ số an tồn Nếu kí hiệu hệ số an _ toàn cho phương pháp FS s, thơng số phân tích ứng suất hữu hiệu sau: tan  m'  cm'  tan  ' FS s c' FS s (5.1a) (5.1b) Thông số cho phân tích khơng nước su , m  su FS s (5.2) Sau tiến hành phần tích cân lực cân momen sử dụng thông số sau triệt giảm cm' ,  m' su ,m trên, ta thiết kế chiều sâu chôn tường Phương pháp đặt hệ số an toàn nơi mà bất ổn định lớn xảy (đó cường độ đất) phương pháp tương đối hợp lí.Vì thơng số sau triệt giảm làm giảm Kp tăng Ka nên phân bố áp lực đất lên tường chắn bị thay đổi Do vậy, phương pháp khả thi phân tích ổn định khơng thể áp dụng cho phân tích ứng suất biến dạng (xem chương 6-8) Phương pháp hệ số tải trọng: hệ số an toàn phương pháp hệ số tải trọng, kí hiệu FSl, định nghia sau: FS l  R D (5.3) Trong đó, R lực chống chịu D lực tác động, R D momen chống chịu momen tác động, khả chống chịu ngoại lực FSl tính tới bất ổn định tổng thể cường độ đất, phương pháp phân tích, ngoại lực Các hệ số an tồn trình bày chương phần lớn xác định từ phương pháp hệ số tải trọng Phương pháp hệ số kích thước: giả sử tường chắn trạng thái tới hạn cường độ đất huy động hồn tồn Khi phân tích cân lực (cần lực _ ngang, cân momen loại cân lực khác), chiều sâu chơn tường trạng thái tới hạn xác định Chiều sân chôn tường thiết kế là: H p ,d  FS d H p ,cal (5.4) Trong đó: FSd hệ số an tồn phương pháp hệ số kích thước Hp,cal chiều sâu chơn tường tính tốn từ trạng thái tới hạn Hệ số an toàn thường định nghĩa tỉ số lực chống chịu lực tác động hệ số giảm cường độ đất Công thức 5.4 phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm biểu đạt nghĩa hệ số an tồn Do đó, việc sử dụng công thức dễ mang tới kết khơng hợp lí khơng khuyến khích sử dụng Nếu sử dụng công thức này, việc kiểm tra chéo phương pháp khác cần thiết 5.3 Phá hoại cắt tổng thể Khi ứng suất cắt điểm đất lớn sức kháng cắt đất, điểm trạng thái phá hoại tới hạn Khi nhiều điểm phá hoại hình thành tạo mặt phẳng liên tục, mặt phá hoại sinh Khi mặt phá hoại xuất hiện, phá hoại sụp đổ hố đào xảy Đây gọi phá hoại cắt tổng thể Phá hoại đẩy vào đẩy trồi hai kiểu phá hoại cắt tổng thể hố đào Như minh họa hình 5.1a, phá hoại đẩy vào gây áp lực đất trạng thái tới hạn hai mặt tường chắn Tường bị đẩy vào hố đào khoảng cách lớn (đặc biệt phần tường ngàm đất) tới khkêti phá hoại tồn sinh Trong phân tích, tường xét vật thể tự có ngoại lực nội lực tác động lên tường cân từ hệ số an tồn đẩy vào chiều sâu chơn tường ước định Khi phá hoại đẩy vào xảy ra, áp lực đất lên tường biến đổi tùy thuộc vào mức độ chuyển vị phần tường ngàm đất Bởi vậy, phương pháp hệ chắn đất cố định phương pháp hệ chắn đất tự sử dụng phân tích (xem mục 5.4) _ Phá hoại đẩy trồi sinh trọng lượng đất bên hố đào vượt khả chống chịu đất đáy hố đào, gây chuyển vị đất đẩy trồi đáy hố đào lớn khiến hố đào sụp đổ Hình 5.4b minh họa dạng phá hoại đẩy trồi Khi phân tích đẩy trồi, ta thường giả sử nhiều mặt phá hoại đẩy trồi để xác định hế số an toàn tường ứng Mặt phá hoại tương ứng với hệ số an toàn nhỏ mặt phá hoại dễ xảy mặt phá hoại Do mặt phá hoại có nhiều hình dạng khác nhau, nhiều phương pháp phân tích đề xuất Chi tiết phương pháp thảo luận mục 5.5 Như đề cập trên, chế phá hoại đẩy vào đẩy trồi khác Về bản, đẩy vào liên quan tới ổn định tường Đẩy vào gây đẩy trồi gần tường Trong đó, đẩy trồi có liên quan tới ổn định đất đáy hố đào mặt phá hoại trường hợp qua nằm sâu phía chân tường Khi đẩy trồi xảy ra, đất đáy hố đào phần lớn bị trồi lên Tuy vậy, đẩy trồi xảy đất yếu, áp lực đất hai bên mặt tường thường đạt tới trạng thái tới hạn mà phá hoại đẩy vào xảy Tường chắn Thanh chống Sụt lún Mặt phá hoại Thanh chống Sụt lún Đẩy trồi đáy Chân tường “bật ra” (a) Mặt phá hoại (b) Hình 5.1 Các kiểu phá hoại cắt tổng thể: (a) đẩy vào (b) đẩy trồi _ 5.4 Phương pháp hệ chắn đất tự phương pháp hệ chắn đất cố định Có hai phương pháp phân tích phá hoại đẩy vào: phương pháp hệ chắn đất tự phương pháp hệ chắn đất cố định Như minh họa hình 5.2a, phương pháp hệ chắn đất tự giải sử phần ngàm tường chắn bị dịch chuyển khoảng đáng kể tác động áp lực đất Do đó, áp lực đất tường trạng thái tới hạn giả sử hình 5.2b Thanh chống Thanh chống Áp lực đất chủ động Áp lực đất bị động (a) (b) Hình 5.2 Phương pháp hệ chắn đất tự do: (a) biến dạng tường (b) phân bố áp lực đất Thanh chống Thanh chống O (a) (b) _ Hình 5.3 Phương pháp hệ chắn đất cố định: (a) biến dạng tường (b) phấn bố áp lực đất Phương pháp hệ chắn đất cố định giả sử phần ngàm tường có điểm cố định phía bề mặt đào xoay xung quanh điểm cố định minh họa hình 5.3a Do vậy, tường chắn trạng thái tới hạn, áp lực đất xung quanh điểm cố định hai bên mặt tường không thiết phải đạt tới áp lực đất chủ động bị động hình 5.3b Khi tường cơng xơn thiết kế theo phương pháp hệ chắn đất tự do, khơng có điểm cố định giả sử phần ngàm tường đề cập Các ngoại lực lên tường bao gồm lực chủ động bị động không đạt trạng thái cân Do vậy, phương pháp không khả thi cho tường công xôn Mặt khác, phương pháp hệ chắn đất tự áp dụng cho tường có chống, lực tác động lên tường bao gồm lực chủ động bị động với lực chống Vì ngoại lực đạt trạng thái cân nên phương pháp khả thi cho tường có chống Mặt khác, ta áp dụng phương pháp tầng chống cố định, chiều sâu chôn tường lớn không kinh tế 5.5 Phá hoại cắt tổng thể tường có chống 5.5.1 Phá hoại đẩy vào Như đề cập mục 5.4, với tường có chống, phương pháp hệ chắn đất tự thường áp dụng Trong hình 5.4a, áp lực đất bên tường chắn hố đào đạt tới áp lực đất bị động chủ động trạng thái tới hạn Giả sử phần tường tầng chống cuối vật thể tự tiến hành phân tích cân lực (hình 5.4b), ta xác định hệ số an tồn chống đẩy vào sau: Fp  M r Pp L p  M s  Md Pa La (5.5) Trong đó: _ Fp hệ số an toàn chống đẩy vào Mr momen chống chịu Md momen tác động Pa hợp lực áp lực đất chủ động mặt ngồi tường phía tầng chống cuối La khoảng cách từ tầng chống cuối tới điểm tác dụng Pa Ms momen uốn cho phép tường chắn Pp hợp lực áp lực đất chủ động mặt tường phía bề mặt hố đào Lp khoảng cách từ tầng chống cuối tới điểm tác dụng Pp Thanh chống (a) (b) Hình 5.4 Phân tích đẩy vào phương pháp áp lực tổng thể: (a) phân bố áp lực đất (b) cân lực tường vật thể tự Cơng thức 5.5 cịn gọi phương pháp áp lực tổng thể JSA (1988) TGS (2001) đề xuất Fp nên lớn 1.5 Tuy nhiên, giả sử Ms = 0, Fp nên lớn 1.2 Cơng thức 5.5 dùng để xác định hế số an toàn chống đẩy vào biết chiều sâu chôn tường chiều sâu cần thiết tường đặt hệ số an toàn cho phép Với đất sét có su khơng đổi 2su / H e  0.7 (chẳng hạn, su lớn không đổi theo chiều sâu, hố đào nông), kết phương pháp áp lực tổng thể không hợp _ lí chiều sâu chơn tường lớn hệ số an tồn đạt nhỏ minh họa hình 5.5 (Burland Potts, 1981; Ou Hu, 1998) Do vậy, phương pháp áp lực tổng thể không khả thi với đất sét có su khơng đổi 2su / H e lớn Tuy nhiên, phương pháp tương đối khả thi với đất sét có 2su / H e  0.7 Ou Hu (1997) xác định kết phương pháp áp lực tổng thể khơng hợp lí cho trường hợp đất sét có su/v’ không đổi hay su tăng theo chiều sâu đất Với đất rời có ’ nhỏ 220, chiều sâu chơn tường tính phương pháp áp lực tổng thể lớn theo Burland Potts (1981) Từ kết luận chương 4, công thức 4.16 4.18 dùng để tính tốn áp lực đất lên tường đất dính Cả hai cơng thức cần xác định lực dính (cw) tường đất Lực dính ước lượng sau: cw  su (5.6) Trong đó, su sức kháng cắt khơng nước đất sét  hệ số giảm cường độ Như bàn luận mục 4.6,  có liên quan tới cường độ đất, phương pháp thi công tường, độ nhám tường  ước lượng thơng qua tham khảo nghiên cứu móng cọc Chẳng hạn, giá trị  hình 4.2 _ 5.0 4.0 3.0 2.0 1.5 1.0 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 Hình 5.5 Các mối quan hệ hệ số an toàn chống đẩy vào xác định từ phương pháp áp lực tổng thể chiều sâu chôn tường (su không đổi) Ou Hu (1998) tiến hành loạt nghiên cứu ổn định trường hợp hố đào thực tế đất sét Đài Bắc, Singapore, San Francisco, Chicago Kết cho thấy ta giả sử lực dính (cw) tường bê tơng cốt thép với đất sét 0.67 su tường cừ ván thép với đất sét 0.5 su, hệ số an toàn cho trường hợp phá hoại nhỏ 1.0 trường hợp không phá hoại lớn 1.0 minh họa hình 5.6 Lấy mặt cắt hố đào điều kiện địa chất TNEC (Trung Tâm Thương Mại Quốc Gia Đài Bắc) làm ví dụ, bảng 5.1 đưa chiều sâu cần thiết tường tương ứng với giá trị cw khác Các điều kiện địa chất TNEC tham khảo hình 2.37, mặt mặt cắt hố đào minh họa hình 3.33 Chiều sâu đào TNEC 19.7 m tường chắn có bề dày 90 cm sâu 35 m Việc thi công hố đào phần hầm thực phương pháp thi công ngược Tầng chống cuối nằm cách bề _ mặt đào 3.2 m Đất khu vực thi công phần lớn đất sét cố kết thông thường Để đơn giản, ta giả sử đất sét khu vực đất sét cố kết thông thường với tỉ số sức kháng cắt khơng nước áp lực hữu hiệu (su/v’) 0.32, mực nước ngầm nằm m mặt đất nền, trọng lượng đơn vị bão hòa 18.6 kN/m3 Chiều sâu chôn tường cần thiết cw = 0, cw = 0.5 su, cw = 0.67 su, cw = su tính tốn theo cơng thức 5.5 tổng hợp bảng 5.1 Ta thấy chiều sâu chơn tường có liên hệ mật thiết với giá trị cw Giả sử Fp = 0, Ms = 0, cw = 0, ta xác định chiều sâu chôn tường 30.7 m khơng hợp lí Nếu cw = 0.67 su Fp = 1.2, chiều sâu chôn tường cần thiết 13.0 m, sát với giá trị kinh nghiệm chiều sâu chôn tường thực tế TNEC Lưu ý chiều sâu chôn tường thực tế xác định dựa phân tích phá hoại đẩy trồi (xem mục 5.5.2) ～ ～ ～ 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Case 1(cừ thép) Case 5(tường BTCT) Case 2(cừ thép) Case 6(tường BTCT) Case 3(tường BTCT) Case 7(tường BTCT) Case 4(tường BTCT) Case 8(tường BTCT) 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Hình 5.6 Hệ số an toàn chống đẩy vào hố đào đất sét trường hợp 3, 4, trường hợp phá hoại trường hợp khác trường hợp an toàn (giả sử cw = 0.5 su cho tường cừ ván thép) 10 ... 0.4 0 .5 1.0 5. 53 5. 53 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 su su1 2.2 2.4 He/B (c) 2.6 Nc,s D/ B ( a) fd Nc,s 50 40 1 .5 1.4 30 Nếu s /s vượt giá trị hình, mặt u2 u1 phá ho? ??i tiếp xúc với biên 20 lớp đất 2 .5 3.0... mặt phá ho? ??i hình 5. 15a sát với kết tính tốn từ cơng thức 5. 9 5. 10 Chỉ có khác biệt mặt phá ho? ??i hình 5. 15a rộng (với phần bề mặt gia tăng be) cường độ trung bình đất mặt phá ho? ??i cao 20 ... cho tường có chống Mặt khác, ta áp dụng phương pháp tầng chống cố định, chiều sâu chôn tường lớn không kinh tế 5. 5 Phá ho? ??i cắt tổng thể tường có chống 5. 5.1 Phá ho? ??i đẩy vào Như đề cập mục 5. 4,