Ứng dụng hệ thống neo để ổn định tường chắn hố đào sâu trong điều kiện đất yếu quận 1, TP. Hồ Chí Minh

Bài báo này tiến hành khảo sát chuyển vị ngang và moment trong tường khi thay đổi khoảng cách hai tầng neo, góc neo và lực neo. Kết quả phân tích cho thấy nếu bố trí khoảng cách neo, góc neo và lực neo hợp lý sẽ giảm moment uốn lớn nhất và chuyển vị ngang lớn nhất đi rất nhiều.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG NEO ĐỂ ỔN ĐỊNH TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẤT YẾU QUẬN 1, TP HỒ CHÍ MINH APPLICATION OF ANCHOR SYSTEM TO STABILIZE INTO RETAINING WALL FOR DEEP EXCAVATION IN SOFT SOIL CONDITION IN DICTRICT 1, HO CHI MINH CITY PGS TS Võ Phán, KS Dương Thành Khang Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM TÓM TẮT Bài báo tiến hành khảo sát chuyển vị ngang moment tường thay đổi khoảng cách hai tầng neo, góc neo lực neo Kết phân tích cho thấy bố trí khoảng cách neo, góc neo lực neo hợp lý giảm moment uốn lớn chuyển vị ngang lớn nhiều Khi khoảng cách hai neo xa gần làm tăng moment uốn chuyển vị ngang tường Ảnh hưởng lực neo góc neo đến nội lực chuyển vị tường tương đối lớn Lực neo lớn gây moment uốn lớn tường, chuyển vị ngang giảm Ngược lại, lực neo nhỏ gây moment uốn nhỏ tường, chuyển vị ngang lớn Kết luận rút từ nghiên cứu tính tốn hệ thống tường neo cần tối ưu hố khoảng cách bố trí neo, góc neo lực neo nhằm giảm giá trị moment uốn chuyển vị ngang tường, làm tiết kiệm vật liệu hạ giá thành xây dựng ABSTRACT This article investigate the horizontal displacements and moment in the wall when changing the distance of two-stage anchor, anchor angles and anchor forces The numerical analysis results show that the wall bending moment and horizontal displacement will reduce if the reasonable anchor spacing, anchor angles and anchor prestressed force is selected When the anchor spacing is too large or too small, the wall bending moment and horizontal displacement will be large The influence of anchor forces and anchor angles on the internal force and displacement of the wall is also relatively large The large anchor will cause large bending moment in the wall, but horizontal displacement will decrease In contrast, the small anchor force will cause small bending moments in the wall, but large horizontal displacements The conclusions are that when calculating the anchor wall system it is necessary to optimize the anchor spacing, anchor angles and anchor prestressed forces to reduce the bending moment, horizontal displacement of the wall and construction costs ĐẶT VẤN ĐỀ Tường đất giải pháp hữu hiệu xây dựng tầng hầm cơng trình nhà cao tầng, đặc biệt cơng trình có tầng hầm sâu xây chen khu đô thị Tường đất thường tường bê tông cốt thép khép kín, kết hợp với hệ thống neo đất hệ thống chống có tác dụng lớn việc chịu tác dụng áp VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 415 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 lực đất, nước; thuận tiện cho việc thi cơng hố móng sâu Ngồi ra, tường đất kết hợp để làm tầng hầm kết cấu chịu lực công trình Trong thực tế ngành xây dựng nay, đặc biệt địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, ngày có nhiều cơng trình thi cơng có hố đào sâu Bên cạnh đó, mật độ xây dựng, xây chen, số điều kiện diện tích mà không phép mở rộng mái dốc xây dựng nên phương pháp thi công tường chắn cho hố đào sâu ngày phổ biến Bên cạnh việc sử dụng chống ổn định tường chắn hố đào việc kết hợp neo với hệ thống tường chắn giải pháp đáp ứng yêu cầu kinh tế chịu lực Neo đất kết hợp với tường chắn có tác dụng làm phân bố lại moment tường, giảm kích thước tường đồng thời có tác dụng ổn định khối đất phía sau tường Tuy nhiên, để tăng hiệu sử dụng neo cần nghiên cứu giải pháp bố trí neo cách hợp lý Từ đó, báo dựa sở tính tốn lý thuyết kết hợp với mô phương pháp phần tử hữu hạn cho toán cụ thể mà đưa đánh giá, kiến nghị bố trí cho hệ thống neo đất tường chắn hố đào cách hợp lý PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tổng hợp sở lý thuyết tính tốn neo đất, sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mơ tốn neo đất ổn định hố đào sâu với nhiều trường hợp thay đổi góc neo, lực neo khoảng cách hai tầng neo Từ đưa kết luận việc bố trí hệ thống neo cho hợp lý điều kiện địa chất đất yếu khu vực quận 1, thành phố Hồ Chí Minh Hình Cấu tạo neo CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cơ chế làm việc neo Neo đất kết cấu lắp đặt đất nhằm mục đích truyền tải lực kéo vào đất để tăng ổn định vách hố đào hay mái dốc Neo đất lắp đặt lỗ khoan phun vữa Neo đất thích hợp cho hệ thống tường chắn hố đào sâu Kết cấu neo bao gồm: phần bầu neo, phần tự phần đầu neo [1] - Phần đầu neo bao gồm phần đầu neo, mã ống neo Đầu neo có tác dụng truyền tải lực ứng suất trước neo đến hệ tường chắn 416 VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 - Phần tự phần thép ứng suất trước, có tác dụng truyền tải lực neo đến kết cấu tường chắn Phần vỏ neo có tác dụng ngăn cách đoạn neo ứng suất trước với bê tông xung quanh, giúp cho phần neo tự không bị ăn mịn khơng bị kẹt với bê tơng xung quanh trình thử nghiệm gia tải ứng suất - Phần bầu neo đoạn neo liên kết với bê tơng, có tác dụng truyền tải lực kéo vào đất Phần bầu neo nên đặt phía sau mặt phẳng phá hủy đất 3.2 Phân loại neo Hình Phân loại neo Loại A: Neo trọng lực trục thẳng Neo trọng lực loại neo thích hợp với loại đá, đất dính từ cứng đến cứng, sử dụng phương pháp khoan tròn khoan rỗng Loại neo sử dụng để neo lỗ khoan có trục thẳng Loại B: Neo áp lực trục thẳng Neo áp lực phù hợp với loại đất hạt thơ đá nứt Loại neo cịn sử dụng đá yếu nứt nẻ, lớp hạt thô đất rời hạt mịn Vữa bơm vào lỗ neo với áp lực thấp (30 - 1.000 kN/m2) Loại C: Neo bơm vữa sau Phương pháp neo bơm vữa sau sử dụng cách phun vữa nhiều lần để mở rộng bầu neo Mỗi lần phun vữa cách đến ngày Thông thường, vữa áp lực cao (trên 2000 kN/m2) phun từ lần thứ trở Loại D: Neo mở rộng Phương pháp khơng cịn sử dụng phổ biến, nhiên loại neo có khả chịu lực lớn nhờ vào kết cấu neo Neo mở rộng có lỗ neo bao gồm nhiều phần mở rộng hình chng Loại neo sử dụng cho đất sét cứng 3.3 Thiết kế đoạn neo không liên kết (phần tự do) Giá trị nhỏ đoạn neo không liên kết neo đất neo đá 4,5 m (đối với neo cáp) m (đối với neo thanh) Giá trị nhỏ giúp hạn chế mát ứng suất trình truyền ứng lực từ kết cấu vào neo Chiều dài đoạn neo không liên kết phụ thuộc vào: bố trí vị trí đoạn bầu neo tối thiểu phải nằm phía sau mặt trượt tiềm năng; vị trí đoạn bầu neo phải nằm lớp đất có khả chịu lực tốt; đảm bảo ổn định cho toàn hệ neo; chịu chuyển vị theo thời gian Tổng qt, đoạn VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 417 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 neo khơng liên kết phải đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữ mặt trượt tiềm điểm đầu bầu neo l H/5 1,5 m (xem hình 3) 3.4 Thiết kế đoạn neo liên kết (phần bầu neo) 3.4.1 Thiết kế bầu neo đất rời [2] a Các neo kiểu A Các neo kiểu A nói chung khơng dùng đất rời trừ chúng phun xi măng b Các neo kiểu B Biểu thức dự báo lực neo Tf = L.n.tanϕ (1) Trong : L - chiều dài bầu neo (m); ϕ - góc ma sát có hiệu (độ); N - hệ số kể đến kỹ thuật khoan, độ sâu chơn, đường kính bầu neo, áp lực phun vữa phạm vi 30 – 1.000 kN/m2 c Các neo kiểu C Đặc tính neo kiểu C tính tốn dựa đường cong thiết kế thiết lập từ thí nghiệm trường cho phạm vi loại đất dựa theo công thức lý thuyết thực nghiệm, sử dụng đặc trưng học loại đất riêng d Chiều dài bầu neo Chiều dài bầu neo cho neo kiểu từ A đến D thông thường không nhỏ m không lớn 10 m 3.4.2 Thiết kế bầu neo đất dính [2] a Các neo kiểu A Đối với neo kiểu A, công thức dựa sở dùng độ bền cắt khơng nước Tf = π.D.L.α.Cu (2) Trong : L - chiều dài bầu neo (m); α - hệ số dính bám; D - đường kính bầu neo; Cu - độ bền cắt khơng nước trung bình tồn chiều dài bầu neo (kN/m2) b Các neo kiểu C Ma sát bên tăng theo độ chảy tăng số dẻo giảm Trong sét cứng (chỉ số chảy Ic = 0,8 - 1) với độ dẻo trung bình cao, ma sát bên từ 30 đến 80 kN/m2 giá trị thấp ghi được, giá trị cao (τM > 400 kN/m2) thu bùn cát có độ dẻo trung bình độ chảy từ chặt đến cứng (Ic = 1,25) Kỹ thuật phun vữa sau cho tăng ma sát bên sét cứng từ 25 - 50% c Các neo kiểu D Biểu thức dự báo lực neo 418 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 π Tf = π D.L.Cu + (D2 − d ).Nc Cub + π D.l.Ca (3) Trong đó: L - chiều dài bầu neo (m); D - đường kính bầu neo mở rộng; d - đường kính thân; Cu - độ bền cắt khơng nước trung bình tồn chiều dài bầu neo (kN/m2); Nc - hệ số sức chịu tải; Cub - độ bền cắt khơng nước khoảng cuối bầu neo (kN/m2); l - chiều dài thân (m); Ca - độ dính bám thân (kN/m2) Thông thường giá trị Ca phổ biến từ 0.3Cu đến 0.35Cu d Chiều dài bầu neo Chiều dài bầu neo cho neo kiểu từ A đến D thông thường không nhỏ m không lớn 10 m 3.4.3 Xác định khoảng cách neo Khoảng cách lớn theo phương ngang neo xác định dựa vào khả chịu tải cho phép neo khả chịu lực kết cấu tường Đối với tường cọc chống đứng ván lát ngang, khoảng cách theo phương ngang cọc chịu lực lấy từ 1,5 m đến 3,0 m với cọc đóng 3,0 m cọc đổ chỗ Khoảng cách tối thiểu theo phương ngang neo 1,2 m (hình 3b) để đảm bảo ảnh hưởng nhóm neo neo liền kề nhỏ Ảnh hưởng nhóm neo làm giảm khả mang tải neo riêng lẻ [1] Hình Khoảng cách tối thiểu neo theo phương đứng phương ngang ỨNG DỤNG TÍNH TỐN 4.1 Thơng số đầu vào Tiến hành tính tốn cho cơng trình VNPT TOWER với hố đào rộng 43,8 m, sâu 13,5 m, ổn định tường chắn BTCT dày 0,5 m, sâu 20 m, mác 350, với hệ số Poisson ν = 0,2 module đàn hồi E = 3E7 kN/m2 Số liệu địa chất vị trí số Cơng trường Mê Linh, q.1, Tp HCM Thông số địa chất sau (mực nước ngầm độ sâu m): VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 419 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Bảng Thơng số lớp đất Thông số Ký Đơn vị hiệu Loại đất Mô hình Ứng xử vật liệu Chiều dày Độ sâu TLR tự nhiên γunsat TLR bão hòa γsat Hệ số thấm đứng ky Hệ số thấm ngang kx Module cát tuyến E50ref Module tiếp tuyến Eoedref Module giỡ tải - gia tải Eurref lại Hệ số mũ m Lực dính cref Góc ma sát φ Góc dãn nở ψ Hệ số bề mặt tiếp xúc Rinter Cát đắp Bùn cát HS HS Drained Drained m 3,0 3,5 m 0÷3 3÷6,5 kN/m 20,0 15,7 kN/m 21,0 16,0 m/day 8,64 5,90E-05 m/day 8,64 1,77E-04 kN/m 5000 1120 kN/m 5000 1120 kN/m2 kN/m ° ° HS Drained 3,0 6,5÷9,5 20,1 20,3 5,91E-05 1,18E-04 3550 3550 Cát pha bùn sét HS Drained 25,1 9,5÷34,6 20,4 21,0 2,88E-03 8,64E-03 19100 19100 HS Undrained 15,3 34,6÷49,9 20,4 20,9 1,73E-05 8,64E-05 11060 11060 Cát pha sét Sét cứng 15000 3360 10650 57300 33180 0,5 30 0,9 0,5 7,5 2,82 0,8 0,6 22,5 17,00 0,9 0,7 29,78 12,40 0,9 35,5 27,95 0,8 Hình Mơ hình tốn ban đầu Mơ hình tốn có chiều cao 40 m, chiều rộng 140 m, sử dụng hệ neo phun vữa áp lực cao (loại B) phù hợp với đất rời hạt mịn đến hạt trung, trạng thái rời đến chặt vừa Chọn sơ vị trí hàng neo thứ cách mặt đất m, hàng neo thứ hai cách hàng neo thứ m Khoảng cách neo theo phương ngang m Tải trọng 420 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 bề mặt chọn kN/m2 Tải trọng phân bố cách tường chắn m, kéo dài đến khoảng cách m so với tường chắn 4.2 Tìm góc neo tối ưu Tiến hành thay đổi góc neo hai tầng neo để tìm ảnh hưởng góc neo chuyển vị ngang tường moment uốn tường Hình Biểu đồ mối quan hệ góc neo với moment chuyển vị ngang tường Từ đồ thị hình 5, ta thấy: moment tường, góc neo lớn moment lớn Đối với chuyển vị ngang tường, giá trị chuyển vị ngang nhỏ góc neo thay đổi khoảng 25 - 30º Bên cạnh đó, giá trị chuyển vị nhỏ góc neo nhỏ Điều phù hợp với tài liệu dẫn cơng bố góc nghiêng neo nên đặt khoảng 15 - 40° Từ kết trên, ta chọn góc nghiêng hợp lý cho tầng neo 15°, tầng neo 25° 4.3 Tìm lực neo khoảng cách hai tầng neo tối ưu Sau có góc neo hợp lý phần tính tốn trên, ta áp dụng kết cho q trình tính tốn Để tối ưu hóa tốn, ta cần thay đổi khoảng cách h hai tầng neo lực neo tầng để giảm chuyển vị moment tường Chiều dài bầu neo tăng lên 10 m để phù hợp với lực neo Bảng Khoảng cách tầng neo h 4,5 Khoảng cách tầng neo h (m) 5,5 6,5 7,5 8,5 Bảng Giá trị lực neo tầng neo Lực neo (kN/m) 300 400 1.100 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM Lực neo (kN/m) 1.200 1.300 1.400 1.500 421 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình Mặt cắt hố đào Chuyển vị (mm) 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 1150 Moment Mmax (kNm/m) 1050 950 850 750 650 h (m) 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 550 h (m) 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 Moment Mmin (kNm/m) -1500 -1300 -1100 -900 -700 -500 -300 -100 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 h (m) Hình Biểu đồ mối quan hệ lực neo, khoảng cách h moment, chuyển vị tường 422 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Đối với chuyển vị ngang tường, lực neo tăng chuyển vị ngang tường giảm Chuyển vị ngang tường thấp khoảng cách h nằm khoảng m đến m, vị trí tầng neo nằm tầng neo cao độ đào Moment dương lớn Mmax tường có giá trị giảm tăng lực neo giảm lực neo Đối với lực neo 1, giảm lực neo dẫn đến chuyển vị tường tăng làm cho moment tường giảm, điều hợp lý hệ tường chắn có neo Cịn lực neo 2, tăng lực neo mà Mmax lại giảm, điều tầng neo xiết chặt chuyển vị tường, dẫn đến moment âm vị trí tầng neo tăng lên, moment dương vị trí cạnh giảm bớt Giá trị h tối ưu nằm khoảng m đến 6,5 m Moment âm lớn Mmin tường có giá trị tăng tăng lực neo Các giá trị moment âm nằm giai đoạn 5, tiến hành ứng suất trước cho neo Do lúc chưa đào đất giai đoạn 6, tường có áp lực đất phía tầng neo gây moment dương, dẫn đến moment âm vị trí tầng neo lớn, đào đến giai đoạn moment âm nhỏ lại Để chọn phương án tối ưu, ta vào độ chênh lệch moment dương moment âm, giá trị nhỏ chứng tỏ moment tường phân bố hợp lý Giá trị h tối ưu khoảng m đến m Từ kết luận trên, ta chọn giải pháp tối ưu cho tường chắn với khoảng cách h = m, lực neo 400 – 1.200 kN/m Với lựa chọn trên, ta chuyển vị tường tương đối nhỏ, moment dương âm có giá trị chênh lệch khơng lớn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Góc neo có ảnh hưởng tương đối rõ rệt đến chuyển vị moment tường Khi thay đổi góc neo hai tầng neo, chênh lệch chuyển vị tầng neo vào khoảng 90 mm đến 185 mm, tầng neo vào khoảng 204 mm đến 268 mm Trong số trường hợp, góc neo nhỏ lớn dẫn đến khơng đủ khả chịu lực Góc neo tối ưu rơi vào khoảng 20° - 30° Lực neo có ảnh hưởng lớn đến momen uốn chuyển vị ngang tường Khi lực neo lớn momen uốn lớn chuyển vị ngang nhỏ Ngược lại, lực neo nhỏ momen uốn nhỏ chuyển vị ngang tường lại lớn Cụ thể, tùy vào khoảng cách neo h, chênh lệch chuyển vị thay đổi lực neo khoảng 9,3 – 21,3%, chênh lệch moment Mmax khoảng 3,3 – 17,3% chênh lệch moment Mmin khoảng 38,6 – 86,8% Trong trường hợp có giá trị lực neo thay đổi khoảng cách neo, giá trị tối ưu chuyển vị, moment Mmax moment Mmin thường rơi vào khoảng h = 5,0 – 6,5 m (trường hợp tầng neo rơi vào khoảng tầng neo cao độ đáy hố đào) Tuy nhiên, chênh lệch trường hợp thay đổi h lại lớn Cụ thể, tùy vào giá trị lực neo khác nhau, chênh lệch chuyển vị dao động khoảng 27,8 - 35,6%, chênh lệch Mmax vào khoảng 42,6 - 47,5% chênh lệch Mmin vào khoảng 76,6 - 95,4% VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 423 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 5.2 Kiến nghị Khi thiết kế hệ thống neo, cần tính tốn khoảng cách neo tối ưu nhất, góc neo lực truyền cho neo để giảm nội lực, chuyển vị tường hạ giá thành cơng trình Trong yếu tố khoảng cách neo h yếu tố ảnh hưởng lớn đến moment chuyển vị tường Việc lựa chọn khoảng cách neo, góc neo lực neo cần xem xét nhiều trường hợp, giai đoạn hố đào để giảm thiểu rủi ro sai sót q trình tính tốn Khi thiết kế tường có u cầu chuyển vị nhỏ sử dụng neo có giá trị lực lớn Khi tường khơng có yêu cầu chuyển vị nên sử dụng loại tường có độ cứng EI nhỏ, neo có giá trị lực nhỏ Với loại tường có độ cứng lớn, cần sử dụng neo có giá trị lực lớn để tận dụng hết khả chịu lực tường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P.J Sabatini, D.G Pass, R.C Bachus, Ground anchors and Anchor systems, Report FHWA-IF-99-015, Federal Highway Administration, 1999 [2] TS Nguyễn Hữu Đẩu, Neo đất, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2008 [3] PGS.TS Nguyễn Hùng Sơn, ThS Vũ Quang Trung, Bố trí hợp lý neo cho tường chắn có neo, Trường Đại học Xây dựng [4] Nguyễn Minh Thế, Nghiên cứu khoảng cách bố trí hợp lý neo đất cho hệ thống tường chắn, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, 2008 [5] PGS.TS Nguyễn Bá Kế (2008), Thiết kế thi cơng hố móng sâu, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Trần Thanh Giám, Tạ Tiến Đạt, Tính tốn thiết kế cơng trình ngầm, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội, 2011 Phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ 424 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM ... công tường chắn cho hố đào sâu ngày phổ biến Bên cạnh việc sử dụng chống ổn định tường chắn hố đào việc kết hợp neo với hệ thống tường chắn giải pháp đáp ứng yêu cầu kinh tế chịu lực Neo đất kết... vào đất để tăng ổn định vách hố đào hay mái dốc Neo đất lắp đặt lỗ khoan phun vữa Neo đất thích hợp cho hệ thống tường chắn hố đào sâu Kết cấu neo bao gồm: phần bầu neo, phần tự phần đầu neo. .. việc bố trí hệ thống neo cho hợp lý điều kiện địa chất đất yếu khu vực quận 1, thành phố Hồ Chí Minh Hình Cấu tạo neo CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cơ chế làm việc neo Neo đất kết cấu lắp đặt đất nhằm mục