Nghiên cứu ứng dụng giải pháp kết hợp cọc đất xi măng và cừ thép để giữ ổn định thành hố đào sâu cho dự án cải thiện môi trường nước thành phố Hồ Chí Minh

Trong những năm gần đây giải pháp thi công hố đào ngày càng được cải thiện và có xu hướng áp dụng công nghệ hiện đại. Trên cơ sở đó, nhóm tác giả đánh giá khả năng sử dụng phần mềm Midas để tính toán ổn định thành hố đào sâu cho dự án Cải thiện môi trường nước Thành phố Hồ Chí Minh.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 35-02/2020 65 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP CỌC ĐẤT XI MĂNG VÀ CỪ THÉP ĐỂ GIỮ ỔN ĐỊNH THÀNH HỐ ĐÀO SÂU CHO DỰ ÁN CẢI THIỆN MƠI TRƯỜNG NƯỚC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THE APPLICATION OF COMBINED SOLUTION OF DEEP MIXING COLUMNS AND SHEET PILLING TO STABILIZE THE WALL OF DEEP EXCAVATION FOR PROJECT ON WATER ENVIRONMENT IMPROVEMENT IN HO CHI MINH CITY Nguyễn Đức Anh, 2Nguyễn Thành Đạt Công ty TNHH Đầu Tư VTCO - TP.Hồ Chí Minh Trường ĐG GTVT TP.Hồ Chí Minh 1 Tóm tắt: Trong năm gần giải pháp thi công hố đào ngày cải thiện có xu hướng áp dụng cơng nghệ đại Việc tận dụng giải pháp kết hợp truyền thống đại mang lại lợi lớn cho nhà thầu thi công, tiết kiệm nhiều chi phí để thực thi cơng Các phần mềm tính tóan mơ ngày nhiều phổ biến cơng tác thực tốn địa kỹ thuật Plaxis, Benley Midas…, giải pháp phần mềm công ty MIDAS IT phát triển ứng dụng rộng rãi nhiều cơng trình Trên sở đó, nhóm tác giả đánh giá khả sử dụng phần mềm Midas để tính tốn ổn định thành hố đào sâu cho dự án Cải thiện môi trường nước Thành phố Hồ Chí Minh Từ khóa: Sức chống cắt khơng nước, lún, ổn định thành hố đào Chỉ số phân loại: 2.4 Abstract: In recent years, the constructive solution for pit excavation has been improved with the application of modern technology The combination of traditional and modern solutions brings several advantages for contractors and also save cost to be carried out on construction site The simulation software is becoming popular in the implementation of geotechnical problems such as Plaxis, Benley Midas…, among these, Midas is a solution set developed by MIDAS IT company and is widely applied in many construction projects On that basis, the authors will evaluate the ability to use this Midas software to calculate the stabilize the wall of deep excavation for the project On water environment improvement in Ho Chi Minh city Keywords: Undraining shear strength, settlement, and wall stability of deep excavation Classification number: 2.4 tầng hầm tòa nhà, nhiên sức kháng Giới thiệu Tốc độ phát triển đô thị ngày nhanh cắt theo phương ngang nhỏ nên chúng áp Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) dụng cho hố đào không sâu làm cho diện tích xây dựng ngày bị thu Hiện chưa tìm dự án kết hợp cọc hẹp Qua đo hệ thống hạ tầng kỹ thuật sửa đất gia cố xi măng với cừ thép, nên nhóm nghiên cứu đưa tốn mô kết hợp chữa nhiều tốc độ phát triển đô thị cọc đất xi măng cừ thép nhằm tìm ngày mạnh mẽ nên việc đào hố thi cơng cơng trình sâu diễn nhiều thường kiếm giải pháp tốt Cơ sở lý thuyết xuyên Giải pháp chống đỡ hố đào tường 2.1 Phương pháp giản đơn cừ thép kết hợp với hệ giằng chống để ổn định hố thường sử dụng tính linh hoạt Phương pháp giản đơn dựa hữu dụng chúng mang lại, nhiên tồn trường hợp khứ để xây dựng nên số vấn đề mối nối cừ biểu đồ mối quan hệ nhân thép hay rỉ nước tràn vào bên hố đào tố khác với chuyển vị ngang tường gây khó khăn thi công vây Giải pháp tường cọc đất xi măng 2.2 Phương pháp dầm đàn hồi sử dụng thường xuyên thi công 66 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 35, Feb 2020 phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp dầm đàn hồi phương pháp phần tử hữu hạn hai phương pháp thơng dụng phân tích chuyển vị ngang tường vây hố đào sâu Ưu điểm hai phương pháp mơ gần trọn vẹn nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang tường vây hố đào sâu Mặt khác hai phương pháp ứng dụng phần mềm máy tính để giảm khối lượng thời gian tính tốn, kết thu xác Tuy nhiên lý thuyết hai phương pháp khơng thật đơn giản đặc biệt phương pháp phần tử hữu hạn người phân tích khơng phải có kiến thức vững vàng mà phải có kinh nghiệm thực tế Thơng số địa chất cơng trình Hố đào thuộc gói G vị trí hố đào SIP1 cơng ty SOME THING VIETNAM thực thi công dự án Cải thiện môi trường nước TP.HCM lưu vực Tàu Hũ - Bến Nghé - Đôi Tẻ (giai đoạn B), công trình hệ thống cống bao Tính chất lý lớp đất khu vực nghiên cứu tổng hợp tóm tắt bảng 1, vị trí hố kích SIP1-15.Khảo sát địa chất cơng ty Cổ phần Nước Môi trường Việt nam (VIWASE) cung cấp Bảng Đặc trưng lý lớp đất Tên tiêu Lóp Lớp m 1 Góc giãn nở v(độ) 0 Hệ số poisson V 0.30 0.30 Mơ hình vật liệu H-S H-S ứng xử vật liệu Drained Drained Bảng Đặc trưng lý cọc đất xi măng (CĐXM) mơ hình tương đương Tên tiêu CĐXM (Lớp 2) CĐXM (Lớp 4) Y unsat kN/m3) 8.79 16.20 Ỵ sat (kN/m3) 15.40 20.15 k x (m/day) 1.02E-01 3.73E-02 ky (m/day) 6.48E-02 1.09E-02 E50ref(kN/m2) 15387 20640.00 EoedrefkN/m2) 15387 20640.00 Eurref(kN/m2) 36160 61920.00 c' (kN/m2) 22.70 40.20 φ(độ) 4.81 19.63 R inter 0.00 0.00 m 0.90 1.00 Góc giãn nở v(độ) 0.97 0.97 Hệ số poisson V 0.30 0.25 Lóp Lớp Mơ hình vật liệu HS HS Sét Cát pha ứng xử vật liệu Drained Drained Chảy Chặt vừa Bề dày 5.2 43.8 Y unsat kN/m3) 8.20 16.00 Ỵ sat (kN/m3) 15.05 20.05 k x (m/day) 1.03E-01 3.47E-02 ky (m/day) 6.37E-02 6.94E-03 E50ref(kN/m2) 5670.00 11200.00 EoedrefkN/m2) 5670.00 11200.00 17010 33600 c' (kN/m ) 8.10 16.00 φ(độ) 3.22 18.82 R inter 0.65 0.65 Tên tiêu Loại đất Trạng thái ref Eur (kN/m ) Bảng Đặc trưng lý CĐXM mơ hình trụ l làm việc cọc Thành phần Thông số Trị Số Loại mơ hình Material Type Elastic E 2.00E+05 KN/m2 A 7.85E-01 m2 EA 1.57E+05 KN/m L m Module đàn hồi Diện tích tiết diện ngang Độ cứng dọc trục Khoảng cách Đơn vị 4.Mô giải pháp kết hợp cọc xi măng cừ thép để giữ ổn định thành hố đào 4.1 Trình tự thi cơng hố đào TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 35-02/2020 Bảng Trình tự thi cơng hố đào Các bước Nội dung Trạng thái ban đầu đất (Cao độ mặt +0.0 m) Thi công tường vây cừ Larsen Thi công tường đất xi măng Thi công bịt đáy cọc đất xi măng m (-22.0 m đến -20.0 m) Thi công tầng chống (cao độ +0.0m) Hạ mực nước ngầm, thi công đào lần (3 m đất) tới cao độ -3.0 m Thi công tầng chống hai (cao độ -3.0 m) Hạ mực nước ngầm, thi công đào lần hai (3 m đất) tới cao độ -6.0 m Thi công tầng chống ba (cao độ -6.0 m) Hạ mực nước ngầm, thi công đào lần ba (3 m đất) tới cao độ -9.0 m 10 Thi công tầng chống ba (cao độ -9.0 m) 11 Hạ mực nước ngầm, thi công đào lần bốn (3 m đất) tới cao độ -12.0 m 12 Thi công tầng chống ba (cao độ -12.0 m) 13 Hạ mực nước ngầm, thi công đào lần năm (3 m đất) tới cao độ -15.0 m 14 Thi công tầng chống (cao độ -15.0 m) 15 Hạ mực nước ngầm, thi công đào lần sáu (3 m đất) tới cao độ -18.0 m 16 Thi công tầng chống ba (cao độ -18.0 m) 17 Hạ mực nước ngầm, thi công đào lần sáu (3 m đất) tới cao độ -20.0 m 4.2 Mơ cơng trình phần mềm Midas GTS NX Thông số tường vây: Tường vây cừ Larsen ép xuống với chiều sâu 30 m Hình Mặt cắt ngang chống hố đào 67 68 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 35, Feb 2020 Thông số Cừ Larsen A 242,50 cm2 I =(b*d3)/12 38600 cm4 Chiều dày d 1,55 cm Chiều cao H 17,00 cm Trọng lượng w 7.6 Hệ số Posisson V 0,2 Thành phần Diện tích tiết diện ngang Moment tính Hình Mặt cắt ngang chống hố đào kết hợp cừ Larsen quán Đơn vị KN/m/m Bảng Thông số chống: hố đào thi công chống H400 x 400 x 13 x 21 Đơn Thành phần Thông số Trị Số vị Material Loại mơ hình Elastic Type KN/m Module đàn hồi E 2.10E+08 Hình Mặt cắt ngang thi cơng đáy hố đào Diện tích tiết diện ngang Độ cứng dọc trục Khoảng cách A 2.187E-2 m2 EA 4.59E+06 KN/m L m 4.3 Kết tường cừ Larsen phương pháp quy đổi tương đương (EMS) Hình Mặt cắt dọc hố đào Bảng Thông số cừ thép gia cố thành hố đào Thành phần Thơng số Cừ Larsen Loại mơ hình Material Type Elastic E 21E+07 Module đàn hồi Đơn vị KN/m2 Hình Biểu đồ moment theo phương cạnh dài tường vây cừ Larsen theo mơ hình Mohr Coulomb mơ hình Hardening Soil TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 35-02/2020 69 mơ hình Hardening Soil Hình Biểu đồ lực cắt theo phương cạnh dài tường vây cừ Larsen theo mơ hình Mohr Coulomb mơ hình Hardening Soil Hình Biểu đồ lực cắt theo phương cạnh dài tường vây cừ Larsen theo mơ hình Mohr Coulomb mơ hình Hardening Soil Hình Biểu đồ chuyển vị theo phương cạnh dài tường vây cừ Larsen theo mơ hình Mohr Coulomb mơ hình Hardening Soil 4.4 Kết nội lực tường cừ Larsen phương pháp xem làm việc theo cọc (RAS) Hình 10 Biểu đồ chuyển vị theo phương cạnh dài tường vây cừ Larsen theo mơ hình Mohr Coulomb mơ hình Hardening Soil 4.5 Kết chuyển vị mặt chưa gia cố thành hố đào cọc đất xi măng Hình Biểu đồ moment theo phương cạnh dài tường vây cừ Larsen theo mơ hình Mohr Coulomb 70 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 35, Feb 2020 đất xi măng 4.7 Kết chuyển vị mặt gia cố thành hố đào cọc đất xi măng theo phương pháp làm việc cọc (RAS) Hình 11 Kết chuyển vị đứng đứng theo mô hình Hardening Soil chưa gia cố thành hố đào cọc đất xi măng D800 Hình 15 Kết chuyển vị đứng theo mơ hình Hardening Soil gia cố thành hố đào cọc đất xi măng Hình 12 Kết chuyển vị đứng theo mơ hình Mohr Coulomb chưa gia cố thành hố đào cọc đất xi măng 4.6 Kết chuyển vị mặt gia cố thành hố đào cọc đất xi măng theo phương pháp quy đổi tương đương (EMS) Hình 13 Kết chuyển vị đứng theo mơ hình Hardening Soil gia cố thành hố đào cọc đất xi măng Hình 14 Kết chuyển vị đứng theo mơ hình Mohr Coulomb gia cố thành hố đào cọc Hình 16 Kết chuyển vị đứng theo mơ hình Mohr Coulomb gia cố thành hố đào cọc đất xi măng 4.8 Nhận xét Nôi lực tường cừ Larsen: • Khi chưa gia cố tường cọc đất xi măng có đường kính 800 mm (D800): Từ kết mơ hình tính tốn nhận thấy mơ hình Mohr Coulomb kết moment tường cừ lớn M = 131.241 kN.m/m < [M] = 476.70 kN.m/m (moment nằm phạm vi cho phép), so với phương pháp giải tích M = 140.35kN.m/m (chênh lệch 6.94%) Từ nhận xét thấy đất mơ hình Mohr Coulomb có kết gần với mơ hình giải tích Lực cắt tường cừ chưa gia cố thành cọc đất xi măng có giá trị ngang lớn mơ hình Hardening Soil Q = 277.740 kN/m so với phương pháp giải tích Q = 286.10 kN/m (chênh lệch 3%), từ kết thu trên, chứng minh kết mơ hình phần tử hữu hạn phần mềm Midas GTS NX với phương pháp giải tích tương đương nên thực mơ hình tiếp tốn hố đào giữ ổn định cọc đất xi măng kết hợp với cừ thép; • Khi mơ hình toán kết hợp cọc xi măng đất cừ thép để ổn định hố đào theo TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 35-02/2020 phương pháp EMS: Từ kết nhận thấy mơ hình Mohr Coulomb cho kết moment tường cừ lớn M = 88.657 kN.m/m, mơ hình Hardening Soil M = 24.083 kN.m/m, chênh lệch cho thấy tường cừ nguy hiểm mơ hình đẩt Mohr Coulomb Lực cắt tường cừ gia cố có giá trị ngang mơ hình Mohr Coulomb Q = 265.492 kN/m mơ hình Hardening Soil Q = 283.250 kN.m/m; • Khi mơ hình tốn kết hợp cọc xi măng đất cừ thép để ổn định hố đào theo phương pháp RAS: từ kết nhận thấy mơ hình Mohr Coulomb cho kết moment tường cừ lớn M = 48.754 kN.m/m, mơ hình Hardening Soil M = 43.437 kN.m/m, chênh lệch chứng tỏ tường cừ nguy hiểm mơ hình đất Mohr Coulomb Lực cắt tường cừ gia cố có giá trị ngang mơ hình Mohr Coulomb Q = 194.02 kN/m mơ hình Hardening Soil Q = 196.679 kN/m Chuyển vị tường cừ Larsen: • Khi chưa gia cố thành hố đào cọc đất xi măng qua so sánh hai mơ hình Mohr Coulomb, Hardening Soil quan trắc nhận thấy mơ hình HS cho kết gần với quan trắc (vị trí chuyển vị nhiều phía cách đáy hố đào – m) Khi gia cố thêm thành hố đào cọc đất xi măng chuyển vị tường cừ giảm Độ lún mặt nền: • Khi gia cố đáy hố đào chưa gia cố thành hố đào độ lún mép ngồi mép tường gia cố cọc đất xi măng có chênh lệch lớn không đều, kết hợp cọc đất xi măng với cừ độ lún giảm phân bố đều, mặt khác độ lún phạm vi gia cố cọc đất xi măng lại tăng lên lớp đất gia cố xi măng nên tải trọng thân lớn G = 21 kN/m3 so với lớp hữu có G = 14.8 kN/m3 lớp có G = 20.5 kN/m3 Kết luận khuyến nghị 5.1 Kết luận Tổng quát chung nội dung nghiên cứu, đánh giá việc ứng dụng giải pháp kết hợp cọc đất xi măng cừ thép để giữ ổn định thành hố đào sâu cụ thể cho dự án cải thiện môi trường nước Thành phố Hồ Chí Minh, qua phân tích nghiên cứu cho kết luận sau: 71 • Khi kết hợp cọc đất xi măng cừ thép làm giảm chuyển vị ngang tường cừ thép :  Theo phương pháp EMS: Mơ hình Mohr Coulumb chuyển vị ngang lớn chưa gia cố thành hố đào CĐXM D800 có giá trị Ty = 0.018 m giảm xuống 38.89% lại Ty = 0.011 m (vị trí cách miệng hố đào 17 m), mơ hình Harderning Soil chuyển vị ngang lớn chưa gia cố thành hố đào CĐXM D800 có giá trị Ty = 0.008 m giảm xuống 62.25% lại Ty = 0.003 m (vị trí cách miệng hố đào 17 m) ;  Theo phương pháp RAS: Mơ hình Mohr Coulumb chuyển vị ngang lớn chưa gia cố thành hố đào CĐXM D800 có giá trị Ty = 0.018 m giảm xuống 61.11% lại Ty = 0.007m (vị trí cách miệng hố đào 16.95m), mơ hình Harderning Soil chuyển vị ngang lớn chưa gia cố thành hố đào CĐXM D800 có giá trị Ty = 0.008 m giảm xuống 50% lại Ty = 0.004 m (vị trí cách miệng hố đào 17.25 m) • Khi kết hợp CĐXM cừ thép khơng giảm chuyển vị ngang mà làm độ lún đất xung quanh hố đào lún nằm phạm vi cho phép, điều đảm bảo cho mặt đường lân cận làm việc ổn định không bị nứt:  Theo phương pháp EMS: Mơ hình Mohr Coulumb độ lún mặt lớn Tz = 0.019 m giảm xuống 47.36% lại Tz = 0.010 m (vị trí cách mép ngồi CĐXM), Mơ hình Harderning soil độ lún mặt lớn Tz = 0.004 m giảm xuống 47.5% lại Ty = 0.0021 m (vị trí mép ngồi CĐXM) ;  Theo phương pháp RAS: Mơ hình Mohr Coulumb độ lún mặt lớn Tz = 0.022 m giảm xuống 34.09% lại Tz = 0.0145 m (vị trí cách mép ngồi CĐXM), Mơ hình Harderning Soil độ lún mặt lớn Tz = 0.005m giảm xuống 36% lại Ty = 0.0032m (vị trí mép ngồi CĐXM) • Khi kết hợp CĐXM cừ thép làm giảm nội lực tường cừ thép:  Theo phương pháp EMS: Mơ hình Mohr Coulumb moment tường cừ lớn M = 88.657 kN.m/m giảm 32.44% lực cắt Q = 265.492 kN/m giảm 1.93% , mơ hình Hardening Soil M = 24.083 KN.m/m 72 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 35, Feb 2020 giảm 79.10% lực cắt Q = 283.250 tăng 1.98% ;  Theo phương pháp RAS: Mơ hình Mohr coulumb moment tường cừ lớn M = 48.754 kN.m/m giảm 62.85%) lực cắt Q = 194.04 kN/m giảm 28.32% , mơ hình Hardening Soil M = 43.437 kN.m/m giảm 62.32% lực cắt Q = 196.679 kN/m giảm 29.18%  Ngồi tường CĐXM có tác dụng chống thấm ngang nước tràn vào hố đào, với hệ số thấm k = 0.0864 m/ngày nên ứng dụng nhiều cơng trình thủy lợi, hạ tầng, xây dựng…để chống thấm bờ đê, tường vây 5.2 Khuyến nghị - Giải pháp CĐXM cừ thép để giữ ổn định hố đào nên xem xét áp dụng; - Có thể sử dụng phần mềm Midas GTS NX để mơ tốn: - Cần có nghiên cứu tối ưu kết hợp CĐXM cừ thép, đánh giá hiệu kinh tế; - Cần nghiên cứu thêm khu vực địa chất khác tương đồng Tài liệu tham khảo [1] Chang-Yu Ou, “Deep Excavation”, Theory and Practice, Taipei, Taiwan: Taylor& Francis Group, 2006; [2] Clough, G.W.O"Rourke, T.D “Constructioninduced movements of in situ wall Design and Performance of Earth Retaining Structures”, ASCE Special Publication, No.25, pp.439-470, 1990; [3] TCVN 9403-2012, “Gia cố đất yếu -Phương pháp trụ đất xi măng”; [4] Trần Nguyễn Hồng Hùng, “Cơng nghệ xói trộn vữa cao áp”, Nhà xuất đại học quốc gia TP.HCM năm 2016”; [5] Ngơ Đức Trung, Võ Phán, "Phân tích ảnh hưởng mơ hình đến dự báo chuyển vị biến dạng cơng trình hố đào sâu ổn định tường chắn", Kỷ Yếu Hội nghị Khoa Học Công nghệ lần Thứ 12, Khoa KT Xây Dựng ĐH Bách Khoa Tp.HCM, 10/2011; [6] Châu Ngọc Ẩn, “Cơ học đất”, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2009; [7] Lê Trọng Nghĩa, Nguyễn Ái Hữu, “Phân tích chuyển vị ngang tường chắn hố đào sâu vùng đất yếu dày gia cố đáy hố đào cọc xi măng”, TC Địa kỹ thuật, Vol.2, 25-33, 2014; [8] Lê Trọng Nghĩa , Trần Đình Tài, “ Phân tích hiệu cột đất trộn xi măng chống chuyển vị ngang tường hố đào đất yếu” Ngày nhận bài: 24/1/2020 Ngày chuyển phản biện: 27/1/2020 Ngày hoàn thành sửa bài: 17/2/2020 Ngày chấp nhận đăng: 20/2/2020 ... giá việc ứng dụng giải pháp kết hợp cọc đất xi măng cừ thép để giữ ổn định thành hố đào sâu cụ thể cho dự án cải thiện môi trường nước Thành phố Hồ Chí Minh, qua phân tích nghiên cứu cho kết luận... phương pháp giải tích tương đương nên thực mơ hình tiếp tốn hố đào giữ ổn định cọc đất xi măng kết hợp với cừ thép; • Khi mơ hình toán kết hợp cọc xi măng đất cừ thép để ổn định hố đào theo TẠP CHÍ... Module đàn hồi Diện tích tiết diện ngang Độ cứng dọc trục Khoảng cách Đơn vị 4.Mô giải pháp kết hợp cọc xi măng cừ thép để giữ ổn định thành hố đào 4.1 Trình tự thi cơng hố đào TẠP CHÍ KHOA HỌC