Đánh giá áp lực đất lên ống chôn sâu và khả năng ổn định trong môi trường xung quanh theo điều kiện thi công - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Trên cơ sở chọn lựa, sổ sung sơ đồ tính và chương tr ình tính toán t ự thiết lập, tiến hành phân tích đánh giá áp lực đất l ên công.. trình ống chôn sâu theo điều kiện thi cô[r]

Trang 64

Đánh giá áp lực đất lên ống chôn sâu

khả năng 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)

TÓM 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

và 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 công thực

tế Đối với công trình thi cơng 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 môi trường xung quanh

cơng trình q trình thi cơng đào kín cịn

cho phép phân tích khả ổn định môi

trường địa chất khác thông qua xuất

hiện 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.

1. PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG VÀ ĐÁNH

GIÁ ÁP LỰC ĐẤT LÊN ỐNG NGẦM

Tồn hai phương pháp đào hở

đào kín Phương pháp đào hởthường áp dụng cho cơng trình đặt nơng Từ mặt đất, tiến hành đào hố

có vách xiên tự nhiên theo khảnăng 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

Phương pháp đào nắp làm nắp trước đào đất Phương pháp tiến hành cách lắp dầm thép che chống hốđào, lát mặt

đường để đảm bảo giao thông mặt đất

Phương pháp khiên đàolà phương pháp thi công

cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm mặt

đất

Khi thi công hệ thống cơng trình ngầm

hầm ơtơ, hầm cho người bộ, hầm kĩ thuật hay công trình cấp nước đặt khơng q sâu

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 công trình rời rạc sử dụng sở lý thuyết sức bền vật liệu

đểtính tốn Đây cơng trình nghiên cứu áp lực đất khơng 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 vịm M.M.Protodiakonov số người khác, giả

thiết vềcác lăng thểtrượt 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 đểtính 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 vịm 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 nông 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, cịn có giả thiết dựa ngun tắc tụt cột địa tầng nghiên cứu Zanxen Ketter

2. ĐÁNH GIÁ ÁP LỰC ĐẤT LÊN CÔNG

TRÌNH CHƠN SÂU KHI THI CƠNG BẰNG

PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HỞ

Đặc trưng cho phương pháp tính tốn áp

lực đất lên cơng trình đào hởđược thiết lập K Terzaghi [3] vàsơ đồ áp lực tác dụng lên cơng trình hình

Biểu thức xác định áp lực lên cơng trình có dạng:

 o  o

1

K ntg K ntg

z o

c a

a

1 e qe

K tg

   

 

 

 

 

   

 (1)

Trong đó: a1 – bề rộng khối trượt,

o

a a h.tg(45 )

2 

   ; γ – trọng lượng riêng

của đất; Ko – hệ số áp lực ngang, o x

y

K 

 ; c –

lực dính; φ – góc ma sát trong; q – tải trọng phân

bố bề mặt; z n

a

 , với z độ sâu kể từ mặt

đất đến đỉnh hầm

Từ cơng thức (1), thấy áp lực đất

Trang 66

trưng lý đất đắp Dựa công thức này, khảo sát sựthay đổi áp lực đất theo chiều

sâu đắp loại đất khác

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 có thểlà đất rời đất dính đất

đắp nhiều lớp

Việc phân tích áp lực lên vịm 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 chôn khác với loại vật liệu san lấp khác

0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

8 16 24 32 40 48 56 64 72 80

z 0.5 19(  28pi0z)

z 0.5 19(  30pi0z)

z 0.5 19(  32pi0z)

z 0.5 19(  35pi0z)

z 0.5 19(  40pi0z)

z 0.5 19(  45pi0z)

z

(a)

0 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20

7 14 21 28 35 42 49 56 63 70

z 0.5 19( 16pi10z)

z 0.5 19( 16pi20z)

z 0.5 19( 16pi30z)

z

(b)

Hình Quan hệ áp lực địa tầng lên vịm cơng trình ngầm σztheo độ sâu z với kích thước cơng trình a

= 0,5m (hình vng h = 2a = 1,0m) san lấp: (a)

bằng 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)

Với vật liệu san lấp bên cát khơng có lực dính, góc ma sát thay đổi từ 28o, 30o, 32o,

35o, 40ođến 45o, dung trọng γ

cát = 19 KN/m3, kết

quả tính tốn hình cho thấy ởđộ sâu chôn bé, áp lực địa tầng lên cơng trình khơng có khác biệt nhiều với loại cát có góc ma sát khác

nhau khơng xét đến áp lực tải trọng ngồi Tuy nhiên, áp lực địa tầng lên vịm cơng trình ngầm có giá trịbé áp lực trọng lượng

thân đất hiệu ứng vòm Trong trường hợp này,

để áp lực đất tác dụng lên cơng 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 ởđộ sâu giới hạn

Có thể thấy có thành phần lực dính, áp lực đất tác dụng lên cơng trình nhỏhơn Kết quảtính tốn cho trường hợp san lấp đất dính có dung trọng 19KN/m3 với góc ma sát xem không đổi φ = 16o lực dính thay đổi từ c = 10, 20 đến 30 KN/m2 cho thấy không xét tải

0, tức không 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 môi trường xung quanh công trình ngầm vật liệu rời

Trong thực tế thi cơng cơng trình ống chơn sâu

ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh phương pháp đào hở, vật liệu đất rời thường sử dụng

để san lấp mặt sau thi công Khi đó,

áp lực địa tầng lớn, số mối nối bị dịch chuyển, vật liệu đất rời chui vào đường ngầm thể

hiện qua sụt lún mặt đất cục bộở số vị trí Trong trường hợp này, vật liệu san lấp cần thiết phải thay vật liệu có thành phần lực dính

Khi thi cơng cơng trình ngầm thành phố, người ta thường dùng cừthép đóng hai bên thành đào, sau thi cơng lắp đặt cơng trình xong, tiến hành lấp đất đồng thời rút cừ

Khi mặt trượt khối đất mặt khai đào

thẳng đứng

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

Sơ đồbài tốn hình phát triển

cơ 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

Hình Sơ đồbài tốn đất lấp nhiều lớp

Xét từ mặt nước ngầm tới mặt lớp đất thứ (z1): hw < z ≤ z1, gốc tọa độ z1= đặt z =

hw:

o o

1

1

K tg K tg

z z

a a

z w 1

o

c

a '

a

z e q e

K tg                       

Tại z = z1:

o1 o1

1

K tg K tg (z1 hw) (z1 hw)

a a

z(z z1) w

o1

c a '

a

(z hw) e qe

K tg                         

Xét từđộ sâu z = z1 tới z = z2, lúc coi σz z = z1 tải trọng q lớp 2, gốc

toạđộ z2= đặt z = z1, tương tự ta có:

o2 o2

2

2

2

K tg K tg

2 z z

a a

z w 2

o2 c a '

a

z 1 e q e

K tg                      

Tại z = z2:

o2 o2

2

K tg K tg

(z2 z1) (z2 z1)

a a

z(z z2) w 2

o2

c a '

a

(z z ) e qe

Trang 68

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 tốn cụ thể với thơng số theo bảng 1:

Bảng 1. Thông sốđất công trình ống chơn sâu

Lớp đất

Lực dính c (KN/m2)

Góc ma sát

φo

Trọng lượng riêng γ (KN/m3)

Cao trình

1 30 16 19 -4,5

2 30 19 -5,0

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 trịσz (z = 5m) = 9,762 KN/m2

Bài tốn 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 vịm cơng trình cần thiết sử dụng vật liệu có lực dính Kết tính tốn cho thấy áp lực lên cơng trình chơn ởđộ sâu 5m có giá trịkhông đáng kểσz (z =

5m) = 9,762 KN/m2

3. 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

thi cơng đào kín, sử dụng lý thuyết tính tốn ứng suất Kirsch [] có thểxác định trị sốứng suất điểm xung quanh cơng trình, từđó xác định vùng ảnh hưởng xung quanh cơng trình ngầm mức độ tiếp cận giới hạn đất xung quanh cơng trình Theo lý thuyết đàn hồi, thành phần ứng suất môi trường xung quanh công trình dạng ống trịn Kirsch đề nghị xác

định biểu thức sau:

2

1 2

r 2

p p a p p 4a 3a

1 cos

2 r r r

   

 

         

   

2

1 2

2

p p a p p 3a

1 cos

2 r r



   

 

        

   

(3)

2

1

r

p p 2a 3a

1 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

Ứng suất theo phương đứng phương ngang có

thểxác định từ giá trị thành phần

ứng suất theo tọa độ cực sau:

r r

x cos 2 r s in2

2 2

 



     

      

r r

y cos 2 r s in2

2 2

 



     

      

(4) r

xy s in2 r cos2

2





  

     

Từđó có thểxác định giá trịứng suất lớn nhỏ theo biểu thức:

   2

1 x y x y xy

1 1

2 4

          

   2

3 x y x y xy

1 1

2 4

           (5)

Hiện nay, với thiết bị thi công đại, số cáp ngầm hay cơng trình cấp nước ngầm

được 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 trịn theo mặt cắt ngang Việc tính tốn thành phần ứng suất

được 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 ởđỉnh (θ = 90o) ở góc (θ = 45o)

khi ứng suất tiếp tuyến σθ ngược lại Ngồi ra,

ứng suất tiếp τrθ khơng hình thành hơng ởđỉnh mà xuất góc với giá trị lớn vỏ

hầm giảm nhanh phía xa cơng trình Phạm

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 có thểxác định mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn môi

trường đất đá xung quanh cơng trình:

1

1

sin ( 2c cot g )

    

      (6)

(a)

(b)

Hình Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh cơng trình ngầm dạng trịn (a = 0,5m) ởđộ 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 chơn ởđộ sâu 5m thể

hình (a, b) cho thấy độổn định môi trường

đất dính lớn so với mơi trường đất rời

Trang 70

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

cũng ghi nhận mơi 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

và 315o) Trong mơi trường đất dính, vùng nguy

hiểm có ởđỉnh ởđáy 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#) bổsung sơ đồ tính, rút kết luận

đánh giá áp lực đất lên cơng trình dạng ống chơn

sâu sau:

Áp lực địa tầng lên vịm cơng trình thi cơng

đào hở:

- Áp lực địa tầng tăng theo độ sâu chơn phạm vi z/d = 15 ÷ 20 Từđộ sâu trởđi,

áp lực địa tầng đất rời không tăng lên

- 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 có kích thước từ 1m trở lại có giá trịkhơng 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, độổn định (thể thơng qua mức độ

tiếp cận trạng thái giới hạn) tốt đáng kể so với

trong môi trường đất rời

- Vùng nguy hiểm xung quanh cơng trình

trong mơi trường đất rời góc, cịn vùng nguy hiểm mơi trường đất dính ởđỉnh

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, cịn bên sử dụng đất loại