Đánh giá áp lực đất lên ống chôn sâu và khả năng ổn định trong môi trường xung quanh theo điều kiện thi công

Áp lực đất lên công trình ống chôn sâu phụ thuộc vào loại đất, hình dạng và kích thước công trình, độ sâu, hình dạng và kích thước hố móng và các tác nhân khác như tải trọng ngoài, mực nước ngầm.

SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 Đánh giá áp lực đất lên ống chôn sâu khả ổn định môi trường xung quanh theo điều kiện thi công  Bùi Trường Sơn Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 14 tháng 10 năm 2014, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 25 tháng 04 năm 2015) TĨM TẮT Áp lực đất lên cơng trình ống chơn sâu phụ thuộc vào loại đất, hình dạng kích thước cơng trình, độ sâu, hình dạng kích thước hố móng tác nhân khác tải trọng ngoài, mực nước ngầm Trên sở chọn lựa, sổ sung sơ đồ tính chương trình tính tốn tự thiết lập, tiến hành phân tích đánh giá áp lực đất lên cơng trình ống chơn sâu theo điều kiện thi cơng thực tế Đối với cơng trình thi công phương pháp đào hở, cần thiết chọn lựa độ sâu chôn hợp lý sở độ sâu chơn mà từ trở đi, ảnh hưởng áp lực đất thay đổi không đáng kể Việc thay phần vật liệu rời đất dính giảm đáng kể áp lực đất lên vỏ cơng trình Ngồi ra, việc đánh giá mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn mơi trường xung quanh cơng trình q trình thi cơng đào kín cho phép phân tích khả ổn định môi trường địa chất khác thông qua xuất vùng biến dạng dẻo Kết nghiên cứu có ích cho việc tính tốn, bố trí cơng trình hợp lý với điều kiện thực tế Từ khóa: áp lực đất, ống chơn sâu, ổn định, cơng trình ngầm PHƯƠNG PHÁP THI CƠNG VÀ ĐÁNH GIÁ ÁP LỰC ĐẤT LÊN ỐNG NGẦM Tồn hai phương pháp đào hở đào kín Phương pháp đào hở thường áp dụng cho cơng trình đặt nơng Từ mặt đất, tiến hành đào hố có vách xiên tự nhiên theo khả ổn định mái dốc vách thẳng đứng với hệ thống chống vách Sau đó, tiến hành xây dựng kết cấu ngầm lấp đất, khôi phục mặt đến cao độ tự nhiên xây dựng cơng trình mặt đường xá, nhà cửa [3] Phương pháp đào kín bao gồm đào nắp khiên đào hay kích đẩy Trang 64 Phương pháp đào nắp làm nắp trước đào đất Phương pháp tiến hành cách lắp dầm thép che chống hố đào, lát mặt đường để đảm bảo giao thông mặt đất Phương pháp khiên đào phương pháp thi công giới dùng khiên đào đường hầm ngầm mặt đất Khi thi cơng hệ thống cơng trình ngầm hầm ôtô, hầm cho người bộ, hầm kĩ thuật hay cơng trình cấp nước đặt khơng q sâu bên cơng trình mặt, phương pháp đào lộ thiên hay khiên đào gây lún cơng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 trình mặt biến dạng khối đất đá xung quanh Trong trường hợp này, phương pháp đẩy ép (hay phương pháp kích đẩy) xem phù hợp với điều kiện ràng buộc khu vực đô thị Các nghiên cứu lý thuyết áp lực đất lên cơng trình ngầm theo số tài liệu phân làm hướng sau [1], [2], [3], [4]: Hướng thứ nhất: giả thiết môi trường đất đá xung quanh cơng trình rời rạc sử dụng sở lý thuyết sức bền vật liệu để tính tốn Đây cơng trình nghiên cứu áp lực đất không xét đến làm việc tương hỗ khối địa tầng, dựa số liệu thực tế giả thiết riêng với việc sử dụng phương pháp tính gần giả thiết tạo vòm M.M.Protodiakonov số người khác, giả thiết lăng thể trượt bên vách hang, giả thiết dựa quan sát thực tế giả thiết dựa việc sử dụng lý thuyết đàn hồi học kết cấu Hướng thứ hai: giả thiết môi trường đất đá liên tục, đàn hồi dùng sở lý thuyết đàn hồi lý thuyết dẻo để tính tốn Người đặt móng cho hướng vào năm 1938 R Phenher Theo giả thiết nhà địa chất A Heim, áp lực trọng lượng cột đất có chiều cao chiều sâu đặt cơng trình tác dụng lên vòm cơng trình ngầm có giá trị: p=H Trong đó: γ – trọng lượng riêng đất; H – chiều sâu từ mặt đất đến đỉnh cơng trình Đây giả thiết đơn giản áp dụng cho trường hợp hầm đặt đất bão hòa nước, áp lực đất gần áp lực thuỷ tĩnh cơng trình đặt nơng Trong hầu hết trường hợp khác, áp lực tính theo giả thiết cho kết lớn thực tế nhiều Thực vậy, hiệu ứng vòm tương tác với khối đất đá kế cận nên áp lực thực tế tác dụng lên cơng trình ngầm có giá trị bé đáng kể so với giá trị ứng suất trọng lượng thân cột đất Phorkhemier chấp nhận áp lực cột đất dạng lăng trụ thẳng đứng có đáy tựa lên cơng trình Khi đó, trọng lượng cột đất bị giảm yếu lực ma sát phát sinh mặt phẳng trượt thẳng đứng Đồng với quan điểm tính tốn Birbauner xem áp lực lên cơng trình khối dạng nêm Ngồi ra, có giả thiết dựa ngun tắc tụt cột địa tầng nghiên cứu Zanxen Ketter ĐÁNH GIÁ ÁP LỰC ĐẤT LÊN CƠNG TRÌNH CHÔN SÂU KHI THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HỞ Đặc trưng cho phương pháp tính tốn áp lực đất lên cơng trình đào hở thiết lập K Terzaghi [3] sơ đồ áp lực tác dụng lên cơng trình hình Biểu thức xác định áp lực lên cơng trình có dạng:  c a1     a1  z   1 eKontg  qeKontg Kotg  Trong đó:  (1) a1 – bề rộng khối trượt,  a  a  h.tg(45o  ) ; γ – trọng lượng riêng đất; Ko – hệ số áp lực ngang, K o  x ;c– y lực dính; φ – góc ma sát trong; q – tải trọng phân bố bề mặt; n z , với z độ sâu kể từ mặt a1 đất đến đỉnh hầm Từ cơng thức (1), thấy áp lực đất theo phương đứng tác dụng lên cơng trình thay đổi theo chiều sâu chơn, kích thước cơng trình, đặc Trang 65 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 trưng lý đất đắp Dựa công thức này, khảo sát thay đổi áp lực đất theo chiều sâu đắp loại đất khác 70 63 56 49 z ( 0.5 19 16pi10 z) 42 z ( 0.5 19 16pi20 z) 35 z ( 0.5 19 16pi30 z) 28 21 14 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 z (b) Hình Quan hệ áp lực địa tầng lên vòm cơng trình ngầm σz theo độ sâu z với kích thước cơng trình a = 0,5m (hình vng h = 2a = 1,0m) san lấp: (a) đất rời có góc ma sát khác nhau; (b) đất dính có lực dính khác (chú ý: σz(z) c = 30 KN/m2 có giá trị 0) Hình Sơ đồ tính tốn áp lực lên cơng trình chơn sâu theo K Terzaghi Đối với cơng trình thi cơng phương pháp khai đào, đất đắp lại lên cơng trình sau thi cơng đất rời đất dính đất đắp nhiều lớp Việc phân tích áp lực lên vòm cơng trình ngầm chơn sâu thực chương trình tự thiết lập sở cơng thức (1) Kích thước cơng trình tính tốn có bán kính 0,5m với độ sâu chơn khác với loại vật liệu san lấp khác 80 72 z ( 0.5 19 28pi 0 z )64 z ( 0.5 19 30pi 0 z )56 z ( 0.5 19 32pi 0 z )48 z ( 0.5 19 35pi 0 z )40 z ( 0.5 19 40pi 0 z )32 z ( 0.5 19 45pi 0 z )24 16 Với vật liệu san lấp bên cát khơng có lực dính, góc ma sát thay đổi từ 28o, 30o, 32o, 35o, 40o đến 45o, dung trọng γcát = 19 KN/m3, kết tính tốn hình cho thấy độ sâu chôn bé, áp lực địa tầng lên cơng trình khơng có khác biệt nhiều với loại cát có góc ma sát khác khơng xét đến áp lực tải trọng ngồi Tuy nhiên, áp lực địa tầng lên vòm cơng trình ngầm có giá trị bé áp lực trọng lượng thân đất hiệu ứng vòm Trong trường hợp này, để áp lực đất tác dụng lên công trình đất phải trượt theo mặt trượt trình khai đào hay theo mặt trượt yếu nhất, sức chống cắt thân đất làm giảm giá trị áp lực đất tác dụng lên cơng trình Do đó, xuống sâu, ứng suất trọng lượng thân đất lớn, sức chống cắt tăng nên áp lực giảm dần đến giá trị không đổi độ sâu giới hạn 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 z (a) Có thể thấy có thành phần lực dính, áp lực đất tác dụng lên cơng trình nhỏ Kết tính tốn cho trường hợp san lấp đất dính có dung trọng 19KN/m3 với góc ma sát xem khơng đổi φ = 16o lực dính thay đổi từ c = 10, 20 đến 30 KN/m2 cho thấy không xét tải trọng ngoài, với a1≤( /c), giá trị z xem Trang 66 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 0, tức khơng phát sinh áp lực lên cơng trình Điều chứng tỏ việc sử dụng đất dính làm vật liệu san lấp giảm áp lực lên cơng trình đáng kể so với trường hợp mơi trường xung quanh cơng trình ngầm vật liệu rời Trong thực tế thi cơng cơng trình ống chơn sâu khu vực thành phố Hồ Chí Minh phương pháp đào hở, vật liệu đất rời thường sử dụng để san lấp mặt sau thi cơng Khi đó, áp lực địa tầng lớn, số mối nối bị dịch chuyển, vật liệu đất rời chui vào đường ngầm thể Hình Sơ đồ toán đất lấp nhiều lớp qua sụt lún mặt đất cục số vị trí Trong trường hợp này, vật liệu san lấp cần thiết phải thay vật liệu có thành phần lực dính Xét từ mặt nước ngầm tới mặt lớp đất thứ (z1): hw < z ≤ z1, gốc tọa độ z1 = đặt z = hw: Khi thi cơng cơng trình ngầm thành phố, người ta thường dùng cừ thép đóng hai bên thành đào, sau thi công lắp đặt công c  a   '  K tg K tg  o z1   o z1 a a z1   w z1    e  q e   a Ko tg   trình xong, tiến hành lấp đất đồng thời rút cừ Khi mặt trượt khối đất mặt khai đào thẳng đứng Tại z = z1:  c1  a '  K tg K tg a   o1a 1(z1hw)   o1a 1(z1hw)  z(zz1) w(z1 hw) 1e qe Ko1tg1   Theo tài liệu có, việc xác định áp lực lên cơng trình khơng xét đến ảnh hưởng mực nước ngầm trường hợp thi công lấp nhiều lớp đất Ở khu vực đồng ven biển, mực nước ngầm thường xuất khai đào nơng việc tốn tính tốn áp lực đất lên cơng trình ngầm cần thiết xét đến ảnh hưởng mực nước ngầm σz z = z1 tải trọng q lớp 2, gốc toạ độ z2 = đặt z = z1, tương tự ta có: Sơ đồ tốn hình phát triển sở lý thuyết Terzaghi phục vụ tính tốn áp lực địa tầng lên cơng trình ngầm điều kiện có mực nước ngầm đất lấp nhiều lớp Tại z = z2: Xét từ độ sâu z = z1 tới z = z2, lúc coi  c a2 '  K tg K tg  o2 z2 a    o2a z2  z2 wz2    e  q e   a Ko2tg2    c a2 '  Ko2tg2 Ko2tg2  a 1e a (z2z1) qe a (z2z1) z(zz2) w(z2 z)    Ko2tg2   (2) Trang 67 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 Như vậy, công thức cho phép tính áp lực đất lên cơng trình độ chơn sâu z tốn có mực nước ngầm đất lấp nhiều lớp Xét toán cụ thể với thông số theo bảng 1: Bảng Thông số đất cơng trình ống chơn sâu Góc Lớp đất Lực dính c ma sát (KN/m2) φo 30 16 thi cơng đào kín, sử dụng lý thuyết tính tốn ứng suất Kirsch [] xác định trị số ứng suất điểm xung quanh cơng trình, từ xác định vùng ảnh hưởng xung quanh cơng trình ngầm mức độ tiếp cận giới hạn đất xung quanh công trình Theo lý thuyết đàn hồi, thành phần ứng suất mơi trường xung quanh cơng trình dạng ống tròn Kirsch đề nghị xác định biểu thức sau: Trọng lượng riêng γ Cao trình (KN/m3) 19 r  p1  p  a  p1  p2  4a 3a  1        cos 2  r2   r r    p1  p  a  p1  p  3a  1    1   cos 2  r   r  -4,5 (3) 30 19 -5,0 r   Mực nước ngầm 10 -2,0 Kết tính tốn cho cơng trình chơn độ sâu: z = 5m, bán kính r = 0,5m, rãnh đào rộng 2a = 3m cho giá trị σz (z = 5m) = 9,762 KN/m2 Bài toán tính tốn thực trường hợp có ý nghĩa thực tiễn cao Thực vậy, xung quanh cơng trình việc san lấp đầm chặt đất dính khó thực so với sử dụng vật liệu rời san lấp phủ qua cơng trình Để hạn chế áp lực lên vòm cơng trình cần thiết sử dụng vật liệu có lực dính Kết tính tốn cho thấy áp lực lên cơng trình chơn độ sâu 5m có giá trị khơng đáng kể σz (z = 5m) = 9,762 KN/m2 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT VÀ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI XUNG QUANH CƠNG TRÌNH DẠNG TRỊN KHI THI CƠNG ĐÀO KÍN Nghiên cứu áp lực địa tầng thực chất xác định trạng thái ứng suất đất trước sau thi cơng cơng trình ngầm Với cơng trình Trang 68 p1  p  2a 3a      sin 2  r r  Trong đó: p1, p2 – ứng suất pháp lớn nhỏ trọng lượng thân r, , r - thành phần ứng suất theo hệ tọa độ cực Hình Sơ đồ xác định ứng suất xung quanh công trình ngầm tọa độ cực TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 Ứng suất theo phương đứng phương ngang xác định từ giá trị thành phần ứng suất theo tọa độ cực sau: x  r    r     cos 2   r s in2 2 y   r    r    cos 2   r s in2 2 (4)  xy   r   s in2   rcos2 vi ảnh hưởng xung quanh cơng trình theo thành phần ứng suất trường hợp vị trí lần kích thước cơng trình Từ giá trị thành phần ứng suất lớn bé xác định mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn môi trường đất đá xung quanh cơng trình:  1  3 sin (1  3  2c cot g) (6) Từ xác định giá trị ứng suất lớn nhỏ theo biểu thức: 1  1 x  y    x   y   xy   3  1 x  y    x   y   xy (5)   (a) Hiện nay, với thiết bị thi công đại, số cáp ngầm hay cơng trình cấp nước ngầm thi công phương pháp khiên đào hay rô bốt Sự phân bố áp lực lên cơng trình trường hợp khác biệt so với phương pháp đào hở Do đặc điểm điều kiện thi công, hầu hết trường hợp, cơng trình có dạng hình tròn theo mặt cắt ngang Việc tính tốn thành phần ứng suất thực nhờ trợ giúp chương trình tính tốn tự thiết lập Trong mơi trường đất đá khác nhau, ứng suất xuyên tâm σr xung quanh cơng trình hơng (θ = 0o) có khuynh hướng lớn đỉnh (θ = 90o) góc (θ = 45o) ứng suất tiếp tuyến σθ ngược lại Ngồi ra, ứng suất tiếp τrθ khơng hình thành hơng đỉnh mà xuất góc với giá trị lớn vỏ hầm giảm nhanh phía xa cơng trình Phạm (b) Hình Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh cơng trình ngầm dạng tròn (a = 0,5m) độ sâu 5m: (a) môi trường đất rời; (b) mơi trường đất dính Kết tính tốn cho cơng trình có kích thước (bán kính) a = 0,5m chôn độ sâu 5m thể hình (a, b) cho thấy độ ổn định mơi trường đất dính lớn so với môi trường đất rời Trong môi trường đất rời, phạm vi kế cận công Trang 69 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 trình, trạng thái ứng suất vượt trạng thái cân giới hạn, đất bị sụp đổ khơng bố trí kịp thời vỏ cơng trình nhằm chống giữ Trong mơi trường đất dính, hố khoan tự ổn định khơng cần biện pháp chống giữ Điều tương tự ghi nhận môi trường đào hở Từ kết tính tốn thấy mơi trường đất rời, phạm vi đất bị biến dạng dẻo (vượt trạng thái cân giới hạn) phát triển sâu rộng góc cơng trình (θ = 45o, 135o, 225o 315o) Trong mơi trường đất dính, vùng nguy hiểm có đỉnh đáy cơng trình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết tính tốn chương trình tự thiết lập sở lý thuyết có (trên cở sở phần mềm lập trình phổ biến MathCad C#) bổ sung sơ đồ tính, rút kết luận đánh giá áp lực đất lên công trình dạng ống chơn sâu sau: Áp lực địa tầng lên vòm cơng trình thi cơng đào hở: Áp lực địa tầng tăng theo độ sâu chôn phạm vi z/d = 15 ÷ 20 Từ độ sâu trở đi, áp lực địa tầng đất rời không tăng lên Trang 70 Áp lực địa tầng đất rời tăng theo độ sâu chôn phụ thuộc khơng đáng kể vào giá trị góc ma sát đất Áp lực địa tầng chơn cơng trình đất dính với ống có kích thước từ 1m trở lại có giá trị khơng đáng kể khơng có đối độ sâu chơn khác nhau, cơng trình tự ổn định Trong trường hợp thi cơng đào kín: Trong mơi trường đất dính xung quanh cơng trình, độ ổn định (thể thơng qua mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn) tốt đáng kể so với môi trường đất rời Vùng nguy hiểm xung quanh cơng trình mơi trường đất rời góc, vùng nguy hiểm mơi trường đất dính đỉnh đáy cơng trình Như vậy, mơi trường đất dính mơi trường phù hợp để bố trí sử dụng làm vật liệu san lấp bên cơng trình ngầm San lấp cơng trình ngầm vật liệu cát gây bất lợi cho điều kiện làm việc ổn định cơng trình, lấp qua cơng trình cát, bên sử dụng đất loại sét đầm chặt Khi đó, áp lực lên cơng trình giảm đáng kể, đảm bảo điều kiện ổn định cơng trình TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 Evaluation of earth pressure on buried pipes and stability of surroundings according to construction condition  Bui Truong Son Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT Earth pressure on buried pipes structure depends not only on soil type, shape and dimension of structure but also on depth, shape and dimension of excavated holes and other factors such as structure load, underground water level Based on the selected and modified computational scheme with self-established buried point downward The replacement of backfill material to cohesive material partially can help to reduce significantly the earth pressure on the buried structure In addition, evaluation of the the degree of approaching to limit state in surroundings in bored tunnelling excavation allows for analysing the stability in various program, the earth pressure on pipe structures according to the construction condition is evaluated and analysed It is recommended to choose the buried depth for structure in “cut and cover” excavation method so that the influence of earth pressure is reasonably steady from the geological conditions according to the appearance of plastic zone The research results are useful for calculating and arranging underground structures reasonably in actual condition Keywords: earth pressure, buried pipes, stability, underground construction TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quang Chiêu, Trần Tuấn Hiệp Thiết kế cống cầu nhỏ đường ô tô NXB Giao thông vận tải (2004) [2] Lê Văn Thưởng, Đinh Xuân Bảng, Nguyễn Tiến Cường, Phí Văn Lịch Cơ sở thiết kế cơng trình ngầm Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (1981) [3] N.A Xưtôvich Cơ học đất (bản dịch), Nhà xuất Nông nghiệp (1987) [4] L V Makốpski Cơng trình Ngầm Giao thơng Đơ thị (bản dịch) NXB Xây dựng (2004) [5] Trần Thanh Giám, Tạ Tiến Đạt Tính tốn cơng trình ngầm NXB Xây dựng (2002) Trang 71 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 [6] Nguyễn Xuân Trọng Thi công hầm cơng trình ngầm NXB Xây dựng Hà Nội (2004) [7] Trần Quang Huy, Bùi Trường Sơn Đặc điểm ứng suất - biến dạng đất xung quanh cống tròn chơn sâu khu vực Thành phố Hồ Chí Minh Tạp chí Cầu đường Việt Nam, số 11, năm 2007, trang 21- 25 [8] Trần Hồng Minh, Bùi Trường Sơn, Đặng Phúc Tuân Ứng suất – biến dạng khối đá xung quanh cơng trình ngầm sở Trang 72 mơ hình đàn hồi dẻo với tiêu chuẩn phá hoại Hoek – Brown Tập 12 (trang 677-686), Tuyển tập kết khoa học công nghệ 2009, NXB Nông nghiệp [9] Lee, C J., and B.R Wu, H.T Chen, K.H Chiang Tunnel stability and arching effects during tunneling in soft clayey soil Tunnelling and Underground Space Technology 21, p 119-132 (2006)  ... luận đánh giá áp lực đất lên cơng trình dạng ống chôn sâu sau: Áp lực địa tầng lên vòm cơng trình thi cơng đào hở: Áp lực địa tầng tăng theo độ sâu chôn phạm vi z/d = 15 ÷ 20 Từ độ sâu trở đi, áp. .. đến áp lực tải trọng ngồi Tuy nhiên, áp lực địa tầng lên vòm cơng trình ngầm có giá trị bé áp lực trọng lượng thân đất hiệu ứng vòm Trong trường hợp này, để áp lực đất tác dụng lên cơng trình đất. .. áp lực địa tầng đất rời không tăng lên Trang 70 Áp lực địa tầng đất rời tăng theo độ sâu chôn phụ thuộc không đáng kể vào giá trị góc ma sát đất Áp lực địa tầng chơn cơng trình đất dính với ống