Cấu trúc của luận án gồm các nội dung sau: Phần Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hố đào sâu theo hướng nghiên cứu của đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết và các đặc trưng cơ lý trong tính tốn hố đào
sâu
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm theo các lộ trình ứng suất dỡ tải của đất nền
Chương 4: Nghiên cứu sự phụ thuộc trạng thái ứng suất của mô đun biến dạng trong mơ hình Hardening Soil trên đất yếu TP. HCM
Chương 5: Phân tích ứng dụng kết quả nghiên cứu Kết luận và kiến nghị
Các cơng trình khoa học tác giả đã cơng bố Tài liệu tham khảo
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU
THEO HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.1 Tổng quan về hố đào sâu
HĐS là loại cơng trình đặc biệt, việc thiết kế, thi công các kết cấu chắn giữ HĐS là rất đa dạng và luôn tiềm ẩn nhiều sự cố cơng trình, vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Kết quả khảo sát địa chất, mơ hình tính tốn, lọai kết cấu chắn giữ, phương pháp thiết kế, phương pháp thi công, năng lực tổ chức thi công, điều kiện công trường... ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng cơng trình có HĐS. Điều kiện địa chất của nền đất biến đổi trong phạm vi khá rộng, ẩn dấu nhiều rủi ro, đặc biệt là trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp dễ sinh ra trượt lở đất, mất ổn định hố đào, chuyển dịch tường chắn, trồi hố móng… ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng đến các cơng trình xây dựng, các đường ống, cơng trình ngầm ở xung quanh. Do đó khi thiết kế thi cơng
các cơng trình loại này, cần phải phân tích lựa chọn tối ưu hóa và có hệ thống cho hàng loạt các công việc như công tác khảo sát phục vụ thiết kế, xác định mơ hình tính tốn phù hợp, giải pháp thi cơng xây dựng, giải pháp quan trắc đo đạc
chuyển vị và biến dạng kết cấu chắn giữ cũng như quan trắc các cơng trình lân cận trong suốt q trình thi cơng.
Năm 1943, Terzaghi K. [58] đưa ra khái niệm hố đào sâu lần đầu tiên: + Hố đào sâu là hố có chiều sâu > chiều rộng của hố.
+ Hố đào nơng là hố có chiều sâu < chiều rộng của hố.
Sau đó Teraghi K., Peck R.B. và các cộng sự (1969) [50] đã đề nghị: + Hố đào nơng là hố có chiều sâu đào <6m.
+ Hố đào sâu là hố có chiều sâu đào >6m.
Nhưng ngành cơ học đất hiện đại, nhận định lại khi có nhiều cơng trình
hầm được xây dựng chen trong các khu đơ thị, chính vì việc xây chen đó nên
khiến khơng cịn khái niệm hố nơng hay hố sâu nữa mà chỉ cịn 1 khái niệm duy nhất là thi cơng hố đào.
Có thể chia HĐS làm hai loại chính với hệ tường chắn liên tục. Loại thứ nhất là hố đào sử dụng tường chắn consol (cantilevered wall). Tường chắn consol khơng có bất kỳ hệ chống đỡ nào, nó dựa vào sức kháng thụ động của phần đất dưới đáy hố đào để chắn giữ phần đất phía sau tường. Tường chắn trọng lực cũng thuộc loại này. Loại tường chắn consol này rất thuận lợi cho các hố đào có độ sâu nhỏ hơn 6m, q trình thi cơng xây dựng đơn giản hơn nhiều so với các loại tường chắn khác. Loại hố đào chính thứ hai là loại sử dụng tường chắn với hệ kết cấu chống đỡ. Loại này thường được dùng cho những hố đào có độ sâu lớn hơn 6m. Quá trình đào đất thường chia làm nhiều giai đoạn, mỗi lớp chống đỡ được lắp dựng sau mỗi đợt thi công đào đất, kết cấu chống đỡ bao gồm các thanh chống và hệ giằng. Loại tường chắn này cũng thường sử dụng kết cấu chống đỡ bằng hệ neo trong đất.
Gil-Martín và cộng sự (2012) [32] đã phân tích sự phát triển của các hệ thống giằng của các hố đào sâu trong vài thập kỷ qua. Xét về trình tự xây dựng,
các hố đào với kết cấu chống đỡ có thể được phân loại thành các hố đào từ dưới lên (Bottom-up) và các hố đào từ trên xuống (Top-down). Đối với phương pháp Bottom-up, các thanh chống tạm (Bracsing system) được lắp đặt sau khi kết cấu
tường chắn đã được xây dựng và đất được đào giữa các hệ kết cấu chống đỡ tạm này. Sau khi đào đến độ sâu cuối cùng, các kết cấu vĩnh cửu của cơng trình sẽ được thi cơng từ dưới lên và các thanh chống đỡ tạm sẽ được tháo dỡ đồng thời. Đối với phương pháp Top-down, tường chắn được xây dựng trước khi đào đất và sẽ là một phần của cấu trúc vĩnh cửu của cơng trình. Khi đất được đào, các sàn tầng hầm của tòa nhà được xây dựng đồng thời. Những tầng này hoạt động giống như hệ thống giằng để chống đỡ vách, chúng sẽ nằm trong cấu trúc cuối cùng.
Quá trình này được lặp lại cho đến khi số tầng mong muốn được xây dựng hoàn
tất. Những hố đào với hệ chống đỡ này được sử dụng phổ biến nhất trong HĐS, thường là khi khu vực đào đất tiếp giáp với các tòa nhà hiện hữu.
Việc thiết kế HĐS của cơng trình bao gồm thiết kế kết cấu và thiết kế địa kỹ thuật. Thiết kế kết cấu chủ yếu đề cập đến thiết kế tường chắn và hệ thống giằng. Trong việc thiết kế kết cấu, trạng thái giới hạn cường độ (cường độ kết cấu), trạng thái giới hạn khả năng chịu lực (biến dạng kết cấu) và độ ổn định cần được thỏa mãn.
Thiết kế địa kỹ thuật bao gồm việc đánh giá trạng thái giới hạn tối đa và trạng thái giới hạn khả năng chịu tải của đất nền. Trọng tâm của luận án này là thiết kế địa kỹ thuật các HĐS, bao gồm cả đánh giá trạng thái giới hạn tối đa và đánh giá khả năng chịu lực. Ở đây, đánh giá trạng thái giới hạn tối đa đề cập đến sự ổn định cơ bản, ứng xử của đất yếu TP. HCM đối với HĐS.
HĐS là một loại công việc tạm thời, sự dự trữ về an tồn có thể là tương đối nhỏ nhưng lại có liên quan với tính địa phương, điều kiện địa chất của mỗi
vùng khác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau. Về phương diện cơ học, thi công
hố đào có thể được coi là một bài tốn dỡ tải đối với nền đất. Việc dỡ tải này làm thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong nền. Sự cân bằng ban đầu bị vi phạm, trạng thái ứng suất thay đổi làm xuất hiện nguy cơ mất ổn định, trước hết là thành hố và sau đó là đáy hố và nền đất xung quanh hố đào [13].
Đào hố móng trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều
kiện hiện trường xây chen phức tạp khác như ở TP. HCM rất dễ sinh ra trượt lở khối đất, mất ổn định hố móng, thân cọc bị chuyển dịch vị trí, đáy hố trồi lên,
kết cấu chắn giữ bị hư hại nghiêm trọng hoặc bị chảy đất… làm hư hại hố móng, uy hiếp nghiêm trọng các cơng trình xây dựng, các cơng trình ngầm và đường
ống xung quanh. Do đó, việc nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của đất yếu TP.
HCM trong điều kiện chịu tải đặc biệt của HĐS để tính tốn ổn định và biến
dạng rất cần thiết tập trung nghiên cứu.
1.2 Đặc điểm đất yếu khu vực TP. HCM
TP. HCM thuộc châu thổ sơng Sài Gịn. Căn cứ vào địa chất, địa tầng lộ ra ở các hố khoan cho thấy cấu tạo địa tầng của khu vực này thuộc kỷ Đệ Tứ
thời đại Tân Sinh và thời kỳ Tân Cận đại bồi đắp mà thành, tổng cộng phân thành 6 lớp đất tự nhiên. Lớp 1 và lớp 2 gồm bùn lẫn đất dày ước độ sâu khoảng từ 20÷30m, có hàm lượng chất hữu cơ cao, chứa lượng nước cao đạt khoảng 75- 104%, hệ số rỗng e = [1.5 ÷ 2.5], thuộc loại đất yếu có tính nén lún rất cao, giới
hạn lỏng WL > 60% đã cho thấy rõ cấu tạo đất tự nhiên ở vào trạng thái bồi đắp
từ các dòng chảy mạnh [12], [40].
Các lớp đất yếu thường gặp là bùn sét, bùn á sét, bùn á cát, có nơi là đất than bùn, cát mịn (có ở rải rác khu vực Bến Than, quận Bình Thạnh, khu vực
Nhà Bè và Cần Giờ). Các lớp đất yếu có chiều dày khác nhau: ở các vùng ven miền Đơng thường có chiều dày 5 ÷ 10m, ở trung tâm và vùng ven biển có chiều dày 10 ÷ 30m, ở
huyện Cần Giờ, Nhà Bè có chỗ dày tới 30 ÷ 50m. Các lớp đất yếu thường có màu xám, xám đen, xám
nâu, nâu đỏ và xám đậm. Hình 1.2 thể
hiện phân bố độ sâu của các lớp đất yếu dọc sơng Sài Gịn từ Cầu Sài Gịn đến Phà Bình Khánh. Hình 1.1 Phân bố đất yếu ở TP. HCM [40]
Các vùng đất yếu của TP. HCM tập trung ở: một phần quận Bình Thạnh, quận 6, quận 2, quận 8, quận 7, quận 4, huyện Bình Chánh, huyện Nhà Bè và huyện Cần Giờ.
Hình 1.2 Mặt cắt vùng đất yếu dọc sơng Sài Gịn [40]
Đất yếu là loại đất có tính nén lún cao, khả năng chịu tải rất thấp. Một số tính chất vật lý, độ bền và biến dạng nằm trong khoảng giá trị thường gặp như
sau: ❖ Tính chất vật lý - Hệ số rỗng e = [1.5÷2.5]. - Độ ẩm W 65%. - Dung trọng tự nhiên = [14÷16] kN/m3. ❖ Độ bền
- Sức kháng cắt khơng thốt nước Su < 50 kPa. - Sức kháng xuyên tiêu chuẩn N30 < 4 búa. - Lực dính hữu hiệu c’ < 15 kPa.
- Góc nội ma sát ’ = [180 ÷ 230].
❖ Tính chất biến dạng
- Hệ số nén lún a1-2 > 5 m2/kN. - Mơ đun biến dạng E < 6000 kPa.
Ngồi ra, nhiều nghiên cứu [9] cho thấy trong phạm vi độ sâu đến 6m tỷ số quá cố kết OCR thay đổi từ [4 ÷ 2] (cá biệt có nhiều trường hợp lên đến 8÷6)
– đất sét có tính quá cố kết nặng, từ độ sâu [6÷ 12]m, OCR thay đổi từ [1.7 ÷
1.2] đất sét có tính chất quá cố kết nhẹ, trung bình từ độ sâu 0 – 12m giá trị
OCR=[1.5÷2.5] và từ độ sâu [12 ÷ 22]m đất sét có tính chất cố kết thường. Từ các phân tích đã dẫn, việc phân tính cơng trình HĐS trên nền đất sét bão hịa nước khu vực TP. HCM cần có sự nghiên cứu sâu sắc về quan hệ ứng suất và biến dạng dưới điều kiện dỡ tải đặc trưng của cơng trình để áp dụng mơ
hình tính tốn phù hợp.
1.3 Các yếu tố địa kỹ thuật ảnh hưởng đến cơng trình hố đào sâu
Tùy theo các vùng đất nền khác nhau mà các yếu tố ảnh hưởng đến biến
dạng của đất xung quanh HĐS sẽ khơng giống nhau. Trong số đó các yếu tố chính có thể kể đến như sau [13]:
- Đặc tính của đất: chuyển vị ngang của tường chắn phụ thuộc vào độ bền
của đất, chuyển vị ngang của tường chắn và độ lún bề mặt đất sét cứng và đất rời nhỏ hơn so với đất sét mềm yếu.
- Ứng suất ngang ban đầu: khi đào đất với giá trị hệ số áp lực ngang ban đầu
của đất K0 lớn, chuyển dịch của đất và tường là lớn, thậm chí cả khi đào nơng.
- Kích thước hố móng: hình dạng, diện tích mặt bằng, độ sâu hố móng đều
có ảnh hưởng lớn tới sự mở rộng và sự phân bố dịch chuyển đất xung quanh và
bên dưới đáy hố móng với những điều kiện đất nền nhất định.
- Điều kiện nước dưới đất: sự thay đổi mực nước ngầm ảnh hưởng đến ổn
định của tường chắn cùng hệ chống đỡ và độ lún của các cơng trình xung quanh.
Chênh lệch áp lực nước ở phía ngồi và phía trong hố đào có thể gây ra hiện tượng bùng nền, cát chảy… ở đáy hố đào.
- Ảnh hưởng do sử dụng biện pháp thi cơng, trình tự và thời gian thi công,
- Ảnh hưởng của sự thay đổi điều kiện ứng suất trong đất nền: khi đào đất,
cả ứng suất theo phương đứng và theo phương ngang đều giảm đi và thay đổi sự cân bằng áp lực nước lỗ rỗng trong đất, một trong những hiệu ứng quan trọng
nhất của quá trình này là chuyển vị của đất nền ở đáy và xung quanh hố đào. Đây
cũng chính là đối tượng nghiên cứu trong luận án này.
1.4 Các hiện tượng thường xảy ra ra khi thi công hố đào sâu
Cơng trình HĐS bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như
chắn đất, ngăn nước, hạ mực nước ngầm, đào đất… trong đó, một khâu nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả cơng trình bị đổ vỡ. Việc thi cơng hố móng ở các hiện trường lân cận như đóng cọc, hạ nước ngầm, đào đất… đều có thể sinh ra những ảnh hưởng hoặc khống chế lẫn nhau, tăng thêm các nhân tố để có thể gây ra sự
cố. Một số hiện tượng thường xảy ra với HĐS như sau [14]:
- Mất ổn định thành hố đào
- Hiện tượng lún bề mặt xung quanh hố đào
- Hiện tượng bùng nền đáy hố đào
- Nước ngầm tràn vào hố đào
Khi đào đất sẽ làm thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất tự nhiên
dưới tác dụng trọng lượng bản thân của đất. Đáy hố đào được giải phóng khỏi tải trọng đứng nên sẽ trồi lên phía trên cịn áp lực ngang của đất quanh tường chắn sẽ gây ra chuyển vị ngang của tường. Việc tính tốn hố đào hiện nay thường sử dụng các số liệu địa chất với các lộ trình ứng suất nén một trục hoặc ba trục thông thường, các thông số từ các thí nghiệm này chưa mơ phỏng sát thực quan hệ ứng suất – biến dạng của vùng đất xung quanh hố đào trong q trình đào đất. Do đó, kết quả tính tốn dự báo cịn khác biệt so với quan trắc thực tế ngồi cơng trường,
gây kém an toàn và đặc biệt ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu về kinh tế. Vì các lý do
trên, việc nghiên cứu sự thay đổi các chỉ tiêu cơ lý theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính tốn hố đào sâu là vấn đề cần tập trung nghiên cứu.
1.5 Hướng tiếp cận của đề tài và các nghiên cứu trước đây liên quan đến trạng thái ứng suất của đất nền xung quanh hố đào sâu trạng thái ứng suất của đất nền xung quanh hố đào sâu
Như đã phân tích, HĐS chịu nhiều ảnh hưởng của các điều kiện địa kỹ thuật, việc thiết kế HĐS quan trọng nhất là khống chế chuyển vị ngang của tường
chắn ở mức phù hợp, do đó cần xác định rõ trạng thái ứng suất của vùng đất
xung quanh hố đào.
Nhiều nghiên cứu [62] đã phân chia khu vực bị ảnh hưởng bởi quá trình thi cơng đào đất thành bốn phần, như Hình 1.3.
Vùng I: với việc đào hố móng, chuyển vị ngang của tường chắn sẽ xảy ra
và ứng suất ngang giảm dần trong khi ứng suất thẳng đứng không thay đổi. Lộ
trình ứng suất như đoạn AC.
Vùng II: trong quá trình đào đất, ứng suất thẳng đứng giảm dần và ứng suất ngang tăng do dịch chuyển của tường, cường độ của đất giảm và vùng dẻo có thể xuất hiện ở đáy hố. Lộ trình ứng suất vùng này thể hiện bằng đoạn AMF.
Vùng III: Trong quá trình đào đất, ứng suất thẳng đứng giảm liên tục, ứng suất ngang thay đổi một chút, và lộ trình ứng suất được thể hiện bằng đoạn AS.
Vùng IV: Ứng suất thẳng đứng về cơ bản là khơng đổi, có sự thay đổi nhỏ trong ứng suất ngang, trục chính của ứng suất bị lệch do cắt trượt và lộ trình ứng suất vẫn ở gần đoạn AC.
Trong bốn vùng kể trên, Vùng I và Vùng II có ảnh hưởng lớn nhất đến biến dạng của hố móng và Vùng I là tác nhân chính gây ra biến dạng ngang. Với việc đào hố móng, chuyển vị ngang của cấu trúc chắn giữ sẽ xảy ra và ứng suất dọc trục gần như khơng đổi, ứng suất ngang giảm và có sự thay đổi giữa áp lực