chapter 6 (bill do) (phan tich ung suat va bien dang)

_ CHƯƠNG PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG-PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN HÓA 6.1 Giới thiệu Những phân tích cần thiết thiết kế hố đào gồm có phân tích ổn định trình bày chương phân tích ổn định biến dạng trình bày ba chương Như đề cập chương 5, mục đích việc phân tích ổn định để tránh sụp đổ hố đào sức kháng cắt không đủ mặt đất gây Phân tích ứng suất áp dụng thiết kế phần tử kết cấu cịn phân tích biến dạng dự đốn biến dạng tường chuyển vị mặt đất đào sâu gây để bảo vệ cơng trình lân cận Nội dung phân tích ứng suất lực chống momen uốn tường Tuy nhiên, phân tích ứng suất nên áp dụng cho thiết kế chi tiết phần tử kết cấu chống, đệm, trụ chống trung tâm, v.v., trình bày chương 10 Ứng suất biến dạng sinh đào sâu xuất từ lực bất cân hay sai sót thi cơng Lực bất cân tạo việc di dời đất khu vực xây dựng Lực bất cân lớn chuyển vị đất phạm vi ảnh hưởng đào sâu lớn Sai sót thi cơng làm gia tăng chuyển vị tường, sụt lún mặt đất, đẩy trồi đáy hố đào chí sụp đổ hố đào phá hoại công trình phụ cận Độ lớn ứng suất biến dạng sai sót thi cơng khơng thể tiên đốn thơng qua mơ lí thuyết hay cơng thức kinh nghiệm Vấn đề ngăn chặn thông qua việc cải thiện chất lượng xây dựng Một số sai sót thi cơng thường gặp hậu chúng bàn luận mục 11.7, chương 11 Nội dung chương giới hạn sụt lún mặt đất thi công tường bê tơng cốt thép, tính chất biến dạng đào sâu (gồm biến dạng tường chắn, sụt lún mặt đất, đẩy trồi đáy hố đào), ứng suất tường chống điều kiện thông thường (khơng đào q giới hạn sai sót thi công) _ Các phương pháp phân tích ứng suất biến dạng cho hố đào bao gồm phương pháp đơn giản hóa phương pháp số Phương pháp số phân chia thành phương pháp dầm đàn hồi phương pháp phần tử hữu hạn Những phương pháp trình bày chương Trong chương này, có phương pháp đơn giản hóa đề cập Nhìn chung, phương pháp đơn giản hóa sử dụng kết quan trắc trường hợp đào lịch sử phân loại chúng dựa theo đặc tính ứng suất biến dạng tường đất Những đặc tính hữu dụng để hiểu ứng xử thực tế hố đào không cung cấp thơng tin cho phân tích ứng suất biến dạng gây đào sâu Chừng biến dạng tường sụt lún mặt đất quan tâm, phương pháp đơn giản hóa lấy từ kết đo đạc thực tế đặc trưng cho ảnh hưởng yếu tố liên quan lên biến dạng Do vậy, phương pháp đưa dự đoán hiệu mà không phức tạp cho hố đào tương tự điều kiện địa chất, phương pháp xây dựng, thiết kế kĩ thuật Bên cạnh đó, nhiều tác giả thực nghiên cứu tham số có tính hệ thống để tiên đốn đặc tính biến dạng hố đào từ dự đốn biến dạng tường sụt lún mặt đất Do dễ dàng việc áp dụng, phương pháp dạng gọi phương pháp đơn giản hóa Kết phân tích biến dạng theo phương pháp đơn giản hóa tốt với hố đào thơng thường Về đặc điểm, hệ thống chắn giữ hố đào kết cấu siêu tĩnh khó phân tích tính tay trừ cách thức gia tải, điều kiện biên, phương pháp phân tích đơn giản hóa Các phương pháp phân tích ứng suất giới thiệu chương tổng hợp từ kinh nghiệm thực tiễn nhận xét nhà thiết kế khả thi cho trường hợp hố đào thông thường Thay vào đó, với trường hợp hố đào đặc biệt (như kích thước hay chiều sâu đào lớn), phương pháp số trình bày chương nên áp dụng phương pháp đơn giản hóa thiếu sở lí thuyết chắn _ Chương sử dụng phần lớn kết đo đạc thực tế trường hợp hố đào Trung Tâm Thương Mại Quốc Gia Đài Bắc (TNEC) để giải thích ứng xử hố đào Các số địa chất, quy trình thi cơng, kết quan trắc TNEC trình bày phụ lục B 6.2 Phân tích sụt lún thi cơng tường bê tơng cốt thép Như trình bày chương 3, thi công tường bê tông cốt thép, trước tiên tường phân chia nhiều panen Trình tự thi cơng panen gồm có đào rãnh dẫn, thi cơng tường dẫn, đào hố (cho tường chắn), hạ cốt thép đổ bê tông (xem mục 3.3.4, chương 3) Chiều sâu rãnh dẫn thường khoảng 2-3 m, m Trước đổ bê tông tường dẫn, rãnh dẫn (không chống) thường rãnh mở Sụt lún đào rãnh dẫn thường xuất lớn bờ rãnh giảm dần xa khỏi rãnh Vì kết đo đạc lí thuyết lĩnh vực gần khơng có với việc sụt lún xuất giai đoạn không đáng kể (Woo, 1992) nên chương không sâu vào khai thác chủ đề Điều kiện ứng suất đất khu vực xung quanh rãnh đào thi công tường bê tông cốt thép phức tạp Lấy việc thi công panen tường làm ví dụ Để giữ cho hố đào panen khỏi sụp, dung dịch giữ thành cần sử dụng trình đào Trong điều kiện thi cơng thơng thường, việc đào hố panen có dung dịch giữ thành khiến cho trạng thái ứng suất đất xung quanh hố panen chuyển từ trạng thái ban đầu K0 sang trạng thái cân áp lực dung dịch giữ thành Tuy nhiên, áp lực dung dịch giữ thành thường nhỏ áp lực ban đầu đất nước Do đó, việc đào hố panen làm giảm áp lực hông tổng đất xung quanh hố đào, gây chuyển vị đất, cuối sụt lún mặt đất Trong q trình đổ bê tơng, áp lực hông hố panen lớn áp lực dung dịch giữ thành trọng lượng đơn vị bê tông lớn dung dịch _ giữ thành Bởi vậy, chuyển vị hông sinh trước bị đẩy trở lại giảm độ lớn sụt lún mặt đất không thay đổi đáng kể Ứng xử chuyển vị đất gây việc đào hố panen không giống đào Lí khác biệt kích thước hình học hố đào phương pháp chống Các tỉ số chiều sâu chiều rộng chiều sâu chiều dài lớn hố đào Thêm ảnh hưởng dung dịch giữ thành dùng để chống lại áp lực hông đất giữ ổn định hố đào panen Tuy vậy, bất chấp khác biệt hình dạng công nghệ thi công, hố đào panen dạng hố đào, gây chuyển vị cho dù bé phạm vi ảnh hưởng nhỏ Hình dạng sụt lún mặt đất giống với trường hợp hố đào Hơn nữa, tường bê tông cốt thép tổng hợp nhiều panen bê tơng cốt thép nên sụt lún tích lũy qua việc thi công panen kết cuối đáng kể Mặc dù vấn đề liên quan tới chuyển vị mặt đất thi công tường bê tông cốt thép thu hút ý nhiều kĩ sư, có kết nghiên cứu phức tạp q trình thi cơng thực tế kết quan trắc Trong năm 1980, có số dự án quan trắc trường vài kết thu Tuy nhiên, hầu hết thực cho khảo sát chuyển vị thi công panen đơn, chẳng hạn, dự án tiến hành Oslo Singapore, gần khơng có kết việc quan trắc chuyển vị cuối sau thi công toàn tường chắn Dựa kết quan trắc hệ thống tàu điện ngầm Hồng Kông (Cowland Thorley, 1985), sau thi công tường bê tông cốt thép trước đào chính, chuyển vị tích lũy đạt 40-50% tổng chuyển vị sau hồn thành hố đào Dựa nhiều kết quan trắc, Clough O’Rourke (1990) phát tỉ số sụt lún lớn thi công tường bê tông cốt thép chiều sâu hố đào panen khoảng 0.15%, _ trình bày hình 6.1 Chúng ta thấy rằng, sụt lún đất xung quanh hố đào panen đáng kể cần phải ý bảo vệ cơng trình phụ cận d Ht 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 v / Ht (%) d v Ht -0.1 Hong Kong excavations London NPY Bell Common South Cove Studenterlunden -0.2 Hình 6.1 Đường bao sụt lún mặt đất gây đào hố tường (Clough O’Rourke, 1990) d Ht 0.0 0.5 1.0 2.5 2.0 1.5 v / Ht (%) d -0.05 Ht v -0.10 -0.15 -0.20 Do thi công tường đơn Do thi công nhiều tường Do thi cơng tồn tường Đường bao Clough and O'Rourke Hình 6.2 Các đường bao sụt lún mặt đất thi công tường bê tông cốt thép (Ou Yang, 2000) Ou Yang (2000) nghiên cứu kết đo sụt lún thi công tường bê tông cốt thép hố đào hệ thống tàu điện ngầm Đài Bắc phát điều kiện thông thường, sụt lún lớn gây hố đào panen đơn khoảng 0.05H t % ( H t chiều sâu hố đào panen) sụt lún lớn hầu hết xảy phạm vi 0.3H t tính từ hố đào panen, thể hình 6.2 Phạm vi ảnh hưởng sụt lún _ 0.5H t tính từ hố đào panen sụt lún xảy ngồi 1.0 H t tính từ hố đào panen Việc đổ bê tông không gây sụt lún đáng kể Với lớp đất sét-cát xen kẽ, sụt lún lớn hố đào panen đơn 10-15 mm với đất sét biển Singapore 24 mm (Poh Wong, 1998) Ou Yang (2000) nhận thấy sụt lún tích lũy lớn sau thi công vài panen thử nghiệm 0.07 H t % (hình 6.2) vị trí sụt lún lớn phạm vi ảnh hưởng giống với trường hợp hố đào panen đơn Mức độ sụt lún tích lũy lớn sau thi cơng tồn tường lớn trường hợp panen đơn trường hợp nhiều panen thử nghiệm Mức độ lớn tổng sụt lún khoảng 0.13H t % xảy vị trí 0.3H t tính từ tường Giá trị sụt lún tổng lớn nhỏ kết nghiên cứu Clough O’Rourke (1990) ( 0.15H t % ) Sụt lún trở nên khó quan sát ngồi phạm vi 1.5  H t tính từ tường 6.3 Đặc tính chuyển vị tường đào sâu Độ lớn chuyển vị tường xác định từ lực bất cân đào sâu, độ cứng hệ thống chắn giữ, ổn định hố đào, v.v Lực bất cân kết tổng hợp nhiều yếu tố chiều rộng hố đào, chiều sâu hố đào, gia tải trước, v.v Mối liên hệ yếu tố với chuyển vị suy luận từ lý thuyết Chẳng hạn, tường dày, hố đào hẹp nông, độ cứng chống lớn, gia tải trước nhiều, hệ số an toàn ổn định cao chuyển vị tường nhỏ Một số yếu tố có liên hệ phức tạp với chuyển vị mục sâu vào tìm hiểu vấn đề 6.3.1 Các hệ số an tồn ổn định Hệ số an tồn nhỏ ổn định hố đào thấp Khi hố đào sụp đổ hệ số an tồn khơng đủ, gây chuyển vị lớn tường chắn Do vậy, thấy chuyển vị tường liên quan mật thiết với hệ số an toàn Rất nhiều trường hợp hố đào _ thực tế tổng hợp Clough O’Rourke (1990) trình bày hình 6.3 Như thể hình này, hế số an toàn chống phá hoại đẩy trồi ( Fb ) nhỏ chuyển vị tường chắn lớn Khi hệ số an toàn tiệm cận 1.0, hố đào tiến tới sụp đổ chuyển vị lớn tường xuất Sự liên hệ hệ số an toàn chống phá hoại đẩy vào chuyển vị tường tương tự hình 6.3 6.3.2 Chiều rộng hố đào Clough O’Rourke (1990) tìm hố đào rộng chuyển vị tường lớn Thực tế, hố đào rộng hơn, lực bất cân lớn; lực bất cần lớn chuyển vị tường lớn Thêm nữa, hệ số an toàn chống phá hoại đẩy trồi đất sét yếu giảm theo gia tăng chiều rộng hố đào (xem mục 5.5.2, chương 5) Trong đó, giải thích mục 6.2.1, chuyển vị tường lại tăng giảm thiểu hệ số an toàn Cừ thép h  3.5 m Tường BTCT dày m h  3.5 m 2.5 h  hm/ He(%) 2.0 He Fb 1.5 0.9 1.0 1.1 1.0 1.4 0.5 2.0 10 30 50 70 100 3.0 300 500700 1000 EI  wh4avg  3000 Hình 6.3 Quan hệ chuyển vị lớn tường, độ cứng hệ thống chống, hệ số an toàn chống đẩy trồi (EI độ cứng tường,  w trọng lượng đơn vị nước, EI /( w havg ) độ cứng hệ thống tường chắn) (Clough O’Rourke, 1990) _ 6.3.3 Chiều sâu hố đào Hình 6.4 trình bày mối liên hệ chuyển vị hố đào khu vực Đài Bắc chiều sâu đào (Ou et al., 1993) Như minh họa hình này, hầu hết trường hợp thực tế, chuyển vị tường xấu gia tăng chiều sâu đào Chuyển vị tường đất sét yếu nhìn chung lớn đất cát Chúng ta quan sát từ hình chuyển vị lớn (  hm ) ước lượng từ phương trình sau:  hm  (0.2  0.5%) H e (6.1) Trong đó, H e chiều sâu đào Cận giá trị  hm đề xuất sử dụng cho đất sét yếu, cận nên sử dụng cho đất cát, giá trị trung bình nên dùng cho lớp đất xen kẽ sét cát Khi phương pháp đào ngược áp dụng đất sét yếu, giá trị  hm vượt qua cận Lí giải cho vấn đề đề cập mục 6.6 6.3.4 Chiều sâu chôn tường Hình 6.5 thể mối liên hệ chuyển vị tường đào sâu 20 m chiều sâu chôn tường phân tích phương pháp phần tử hữu hạn Như trình bày hình, sức kháng cắt chuẩn hóa đất su /  v'  0.36 , chuyển vị tường tương ứng với chiều sâu chôn tường H p  15 m H p  20 m Khi H p  10.0 m , chuyển vị tường giảm đôi chút, hố đào đứng vững Khi H p  4.0 m , chân tường bị “bật ra”, chứng tỏ phá hoại đẩy trồi xảy chuyển vị tường tăng đột ngột Hình 6.5 trình bày mối liên hệ chuyển vị chiều sâu chôn tường su /  v'  0.28 điều kiện đào Như thể hình này, chuyển vị tường lớn chút H p  15 m so với H p  20 m Khi H p  10 m , tượng bật chân tường rõ ràng hố đào sụp đổ _ Chúng ta thấy từ phần thảo luận tường chắn cịn ổn định gia tăng chiều sâu chôn tường không ảnh hưởng tới chuyển vị tường 0.15 0.09 O hm (m) 0.12 0.06 0.03 0.00 1 He (m) Hình 6.4 Quan hệ chuyển vị tường lớn chiều sâu đào (Ou et al., 1993) Chuyển vị ngang tường (cm) Chuyển vị ngang tường (cm) 30 25 20 15 10 10 15 20 25 30 35 40 Chiều sâu (m) Chiều sâu (m) 16 14 12 10 0 su v  0.36 su v  0.28 10 15 20 25 30 35 STAGE Hp  20 m Hp 15m STAGE 40 Hp 10 m Hp 4 m Hình 6.5 Quan hệ chiều sâu chôn tường chuyển vị tường 6.3.5 Độ cứng tường Về lý thuyết, chuyển vị tường giảm với gia tăng độ cứng tường Tuy vậy, lượng giảm chuyển vị không liên quan tuyến tính với việc tăng độ cứng Sự gia tăng chiều dày tường hay độ cứng tường chắn làm giảm chuyển vị hiệu tới _ giới hạn định (Hsieh, 1999) Do đó, giảm chuyển vị việc tăng chiều dày tường khơng phải hồn tồn hiệu 6.3.6 Độ cứng chống Như trình bày hình 6.6a, giai đoạn đào khởi động, chuyển vị tường có dạng công xôn Giai đoạn đào thứ hai bắt đầu sau lắp đặt tầng chống Nếu độ cứng chống đủ lớn, độ nén chống nhỏ, đó, tường xoay quanh điểm tiếp xúc tường chống, chuyển vị tường tạo Chuyển vị tường lớn xuất mặt hố đào minh họa hình 6.6 Sau hồn thành giai đoạn đào thứ hai, giai đoạn thứ ba khởi động Giả sử độ cứng tầng chống thứ hai đủ lớn Tường tiếp tục xoay quanh điểm tiếp xúc với tầng chống thứ hai chuyển vị tường tiếp tục tạo Vị trí chuyển vị lớn nằm gần mặt hố đào (hình 6.6c) Nếu lớp đất phía mặt hố đào đất yếu, lực chống chịu để ngăn chuyển vị tường khỏi đẩy vào yếu vị trí chuyển vị lớn phía mặt hố đào Suy diễn tương tự, đào sâu đất cứng (như đất cát) gây chuyển vị lớn phía mặt hố đào Thực tế, vị trí chuyển vị tường lớn phần lớn nằm gần mặt hố đào nhiều trường hợp Đài Bắc (Ou et al., 1993) Như thể hình 6.7, độ cứng chống không đủ lớn, độ nén chống lớn chuyển vị tường lớn xảy điểm tiếp xúc với tầng chống giai đoạn đào thứ hai thứ ba Hình dạng chuyển vị cuối tường giống với dạng công xôn chuyển vị tường lớn xuất đỉnh tường Hình 6.8a chuyển vị hơng tường tương ứng với giai đoạn đào trường hợp TNEC (Ou et al., 1998) Vì phương pháp đào ngược áp dụng trường hợp này, độ cứng dọc trục sàn lớn đặc điểm biến dạng tường giống trình bày hình 6.6 với chuyển vị tường lớn nằm bề mặt hố đào 10 ... trị trung bình nên dùng cho lớp đất xen kẽ sét cát Khi phương pháp đào ngược áp dụng đất sét yếu, giá trị  hm vượt qua cận Lí giải cho vấn đề đề cập mục 6. 6 6. 3.4 Chiều sâu chơn tường Hình 6. 5... panen có dung dịch giữ thành khiến cho trạng thái ứng suất đất xung quanh hố panen chuyển từ trạng thái ban đầu K0 sang trạng thái cân áp lực dung dịch giữ thành Tuy nhiên, áp lực dung dịch giữ... Chiều sâu (m) 16 14 12 10 0 su v  0. 36 su v  0.28 10 15 20 25 30 35 STAGE Hp  20 m Hp 15m STAGE 40 Hp 10 m Hp 4 m Hình 6. 5 Quan hệ chiều sâu chôn tường chuyển vị tường 6. 3.5 Độ cứng