nghiên cứu tính toán cơ chế phá hoại tường chắn cọc xi măng - đất thi công đoạn đào mở các tuyến metro

Kết quả tính toán ứng suất xx, yy , xy lớn nhất của đất nền, chuyển vị Ux lớn nhất, mômen M lớn nhất của tường ứng với từng trường hợp độ sâu hố đào ..... Biểu đồ chuyển vị ngang Ux m

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

(i) Luận văn này là sản phẩm nghiên c ứu của tôi,

(ii) Số liệu trong luận văn được điều tra trung thực,

(iii) Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Nguyễn Chí Trung

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận những kiến thức mới, khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu và hướng giải quyết cho đề tài Nhờ sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Thành Đạt, tôi đã từng bước giải quyết được những khó khăn trên và có thể hoàn thành được đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy

Xin gửi lời cảm ơn đến Thầy cô của trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã chỉ dạy cho tôi những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập tại trường

Tôi xin chân thành cám ơn chú Hoàng Như Cương, Phó Trưởng Ban Quản lý đường sắt đô thị TP Hồ Chí Minh, kiêm Giám Đốc Ban quản lý dự án 1 đã nhiệt tình giúp đỡ trong việc cung cấp một số thông tin liên quan đến dự án tuyến đường sắt metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên phục vụ cho đề tài

Xin cảm ơn gia đình và những người thân đã luôn khuyến khích, động viên

và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện

đề tài

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CÁM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC B ẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 13

1 Tính c ấp thiết của đề tài 13

2 Mục tiêu của đề tài 13

3 Phương pháp nghiên cứu 13

4 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài 14

5 Nội dung của luận văn 14

6 Hạn chế của đề tài 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CỌC XI MĂNG - ĐẤT TRONG THI CÔNG TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO 15

1.1 Một số loại tường chắn hố đào 15

1.1.1 Tường cừ thép 15

1.1.2 Tường cọc barrette 16

1.1.3 Tường cọc khoan nhồi 17

1.2 Ứng dụng công nghệ cọc ximăng – đất trong thi công tường chắn hố đào 17

1.2.1 Cơ sở lý thuyết cho cọc ximăng - đất 18

1.2.1.1 Quá trình nén chặt cơ học 18

1.2.1.2 Quá trình cố kết thấm 19

1.2.1.3 Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố, sức kháng cắt của đất nền 19

1.2.2 Phương pháp và công nghệ thi công cọc xi măng đất 20

1.2.3 Một số công nghệ thi công tường chắn cọc xi măng đ ất hiện nay 23

1.2.3.1 Công nghệ CDM (Cement Deep Mixing) và công nghệ SMW (Soil Mixing Wall) của Nhật Bản 23

1.2.3.2 Công nghệ Geomix 25

1.2.4 Ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt Nam 27

1.2.5 Ưu, nhược của lo ại tường chắn cọc xi măng - đất bảo vệ thành hố đào 28

CHƯƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ CHÍNH PHÁ HOẠI LOẠI TƯỜNG CHẮN CỌC XIMĂNG-ĐẤT TRONG THI CÔNG ĐOẠN ĐÀO MỞ VÀ NHÀ GA CÁC TUYẾN METRO 30

2.1 Tường bị phá ho ại do chuyển vị ngang của khối đất xung quanh cọc trong quá trình thi công 30

2.2 Phá ho ại do lớp đất dưới chân tường 36

2.3 Phá ho ại do moment uốn và lực cắt lớn nhất 39

2.4 Phá ho ại do trượt đáy chân tường 40

2.5 Phá ho ại do hiện tượng trồi đất, trồi nước ở dưới đáy chân tường 45

2.6 Phá ho ại do dòng thấm khi hạ mực nước ngầm để thi công 47

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LOẠI TƯỜNG CHẮN CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG THI CÔNG ĐOẠN ĐÀO MỞ VÀ NHÀ GA CÁC TUYẾN METRO 49

3.1 Mô hình tính toán 49

3.1.1 Cách bố trí cọc cho tường chắn cọc xi măng đất 49

3.1.2 Mô hình tính toán tường chắn cọc xi măng đất 50

3.2 Áp lực đất 50

50

53

3.2.3 Áp lực đ ất ở trạng thái nghỉ 54

3.3 ọc xi măng đất 54

3.3.1 54

3.3.2 55

3.3.3 (NLFEM) 56

3.4 n Plaxis 8.5 59

3.4 59

3.4 ần mềm Plaxis 8.5 [6], [8] 60

3.5 Kết luận chương 3 63

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN MỘT SỐ CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƯỜNG CHẮN CỌC XI MĂNG ĐẤT BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 8.5 - ÁP DỤNG CHO ĐỊA CHẤT TUYẾN ĐƯỜNG SẮT METRO SỐ 01 BẾN THÀNH – SUỐI TIÊN 64

4.1 Tổng quan về tuyến đường sắt metro số 01 Bến Thành – Suối Tiên 64

4.2 Đặc trưng vật liệu cọc xi măng đất trong các bài toán 65

4.3 Giải một số bài toán bằng phần mềm Plaxis 8.5 66

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

5.1 Kết luận 101

5.2 Kiến nghị 102

5.3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số đặc điểm của công nghệ CDM và công nghệ SMW 23 Bảng 4.1 Các thông số thiết kế của các lớp đất 65 Bảng 4.2 Đặc trưng vật liệu xi măng đất ứng với các tỷ lệ xi măng thiết kế 65 Bảng 4.3 Kết quả tính toán ứng suất xx, yy, xylớn nhất của đất nền, chuyển vị ngang Ux và momen uốn M lớn nhất của tường khi q thay đổi 70 Bảng 4.4 Kết quả tính toán ứng suất xx, yy , xy lớn nhất của đất nền, chuyển vị

Ux lớn nhất, mômen M lớn nhất của tường ứng với từng trường hợp độ sâu hố đào 74 Bảng 4.5 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux và momen uốn M lớn nhất của tường ứng với đường kính tương đương dreal của một số loại tường thông dụng 79 Bảng 4.6 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux của tường ứng với từng trường hợp chênh cao giữa 2 hàng tường 83 Bảng 4.7 Kết quả tính toán chuyển mômen uốn của tường ứng với từng chênh cao giữa 2 hàng tường chắn 84 Bảng 4.8 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux của tường ứng với từng kho ảng cách giữa 2 hàng tường chắn 88 Bảng 4.9 Kết quả tính toán mômen uốn M (kN.m/m) của tường ứng với từng kho ảng cách giữa 2 hàng tường chắn 88 Bảng 4.10 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux và momen uốn M lớn nhất của tường khi bề rộng hố đào thay đổi 92 Bảng 4.11 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux và mômen uốn M của tường ứng với từng tỷ lệ trộn của xi măng 94 Bảng 4.12 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux và mô men uốn M lớn nhất của tường ứng với từng trường hợp độ sâu mực nước ngầm khác nhau 99

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Thi công hố đào bằng tường cừ thép [19] 16

Hình 1.2 Chi tiết tường cọc barrette tầng hầm công trình dân dụng [3] 16

Hình 1.3 Cọc nhồi đơn 17

Hình 1.4 Cọc nhồi tiếp xúc 17

Hình 1.5 Hố khoan và lồng thép cọc khoan nhồi [19] 17

1.6 T - [10] 18

Hình 1.7 Chi tiết mũi khoan CN S 21

Hình 1.8 Chi tiết mũi khoan CN D 22

Hình 1.9 Lưu đồ công nghệ T 23

Hình 1.9 CDM 4 c ần trộn [21] 24

Hình 1.10 CDM 8 cần trộn [21] 24

Hình 1.11 Tường vây cọc ximăng - đất có gia cố thép hình [24] 25

Hình 1.12 Hình ảnh bánh xe trộn theo công nghệ Geomix [21] 26

Hình 1.13 Hình ảnh thi công tường ximăng - đất theo công nghệ Geomix [19] 26

Hình 2.1 Các mô hình hoạt động của cần trộn cọc ximăng - đất [20] 31

Hình 2.2 Mô hình lực tác dụng khi thi công trộn cọc ximăng - đất [20] 31

Hình 2.3 Mô hình mô phỏng tính toán biến dạng dẻo theo L M Kachanôp [20] 32

Hình 2.4 Chi tiết các hàng cọc của tường chịu ảnh hưởng áp lực ngang doζp 32

Hình 2.5 Mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến hàng đơn 36

Hình 2.6 Mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến nhiều hàng 36

Hình 2.7 Chi tiết làm việc của tường dưới tác dụng của đất nền 37

Hình 2.8 Mô hình tính toán trường hợp phá ho ại do Qmax, Mmax 39

Hình 2.9 Kiểu trượt tịnh tiến 40

Hình 2.10 Kiểu lật đổ 40

Hình 2.11 Kiểu trượt nghiêng 40

Hình 2.12 Kiểu trượt xoay 40

Hình 2.13 Tr ượt mặt phẳng 40

Hình 2.14 Tr ượt cung tròn 40

Hình 2.15 Tr ượt không theo nguyên t ắc 41

Hình 2.16 Tr ượt hỗn hợp 41

Hình 2.17 Mặt trượt cắt thân tường 42

Hình 2.18 Mặt trượt qua đáy chân t ường 42

Hình 2.22 Tính toán trồi nước 47

Hình 3.3 Cọc khối hình chữ nhật [17] 49

Hình 3.4 Cọc theo khối đào tròn [24] 49

Hình 3.5 Tường cọc ximăng - đất cát tuyến có gia cường thép hình [24] 49

Hình 3.7 Áp lực đ ất chủ động và bị động theo phương ngang của tường nhẵn 51

Hình 3.8 Giới hạn ứng suất chủ động và bị động theo phương ngang 52

Hình 3.9 Phươ ương đương t ng 54

3.10 Phươ (WINKLER) 56

- 57

- 58

- ng 62

a c 62

Hình 4.1 Tuyến đường sắt metro số 01 Bến Thành - Suối Tiên 64

Hình 4.2 Mặt cắt ngang một số loại cọc thông dụng dùng làm tường chắn 66

Hình 4.3 Mô hình tường chắn không neo 66

Hình 4.4 Mặt cắt ngang tường 2 hàng cọc chồng, đ ường kính mỗi cọc d=1300mm 67

Hình 4.5 Biểu đồ ứng suất xx của đ ất nền trường hợp tải 5kN/m2 (xuất từ plaxis) 67

Hình 4.6 Biểu đồ ứng suất yy của đất nền trường hợp tải 5kN/m2 (xuất từ plaxis) 68

Hình 4.7 Biểu đồ ứng suất xy của đất nền trường hợp tải 5kN/m2 (xuất từ plaxis) 68

Hình 4.8 Lưới biến dạng trường hợp tải 5kN/m2 (xuất từ plaxis) 69

Hình 4.9 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường hợp tải 5kN/m2 (xuât từ plaxis) 69

Hình 4.10 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất ζ (kN/mxx 2

) lớn nhất của đ ất nền và tải trọng ngoài q (kN/m2) 70 Hình 4.11 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất ζyy(kN/m2) lớn nhất của đ ất nền và tải trọng ngoài q (kN/m2) 71 Hình 4.11 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất ζxy(kN/m2) lớn nhất của đ ất nền và tải trọng ngoài q (kN/m2) 71 Hình 4.12 Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường và tải trọng ngoài q (kN/m2) 71 Hình 4.13 Đồ thị quan hệ giữa moment uốn lớn nhất của tường M (kN.m/m) và tải trọng ngoài q (kN/m2) 72 Hình 4.14 Biểu đồ chuyển vị Ux(m) và Biểu đồ mômen M (kN.m/m) theo độ sâu của tường ứng với các trường hợp tải trọng ngoài q (kN/m2) khác nhau 72 Hình 4.15 Lưới biến dạng trường hợp độ sâu hố đào 6m (xuất từ plaxis) 73 Hình 4.16 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường dộ sâu hố đào 6m (xuất từ plaxis) 74 Hình 4.17 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất ζxx (kN/m2) lớn nhất của đất nền và độ sâu

hố đào H (m) 75 Hình 4.18 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất yy (kN/m2) lớn nhất của đất nền và độ sâu

hố đào H (m) 75 Hình 4.19 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất xy (kN/m2) lớn nhất của đất nền và độ sâu hố đào H (m) 76 Hình 4.20 Biểu đồ biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường và

độ sâu hố đào H (m) 76 Hình 4.21 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn lớn nhất M (kN.m/m) của tường và độ sâu hố đào H (m) 76 Hình 4.22 biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn của tường M (kN.m/m) theo chiều sâu của tường ứng với từng độ sâu hố đào H (m) 77 Hình 4.23 Lưới biến dạng trường hợp bề dày tương đương của tường 2.101m 78

Hình 4.24 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường trường hợp

bề dày tương đương 2.101m (xuất từ plaxis) 78

Hình 4.25 Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường ứng khi thay đổi bề dày tương đ ương của tường dreal (m) 79

Hình 4.26 Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa momen uốn M (kN.m/m) lớn nhất của tường khi thay đổi bề dày tương đương của tường dreal (m) 80

Hình 4.27 Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang Ux (mm) và mômen uốn M (kN.m/m) của tường theo độ sâu ứng với từng trường hợp về dày tương đương của tường dreal (m) 80

Hình 4.28 Mô hình tường chắn không neo loại 2 hàng tường 81

Hình 4.29 Mặt cắt ngang 1 bên tường 81

Hình 4.30 Lưới biến dạng trường hợp chênh cao giữa hai hàng tường là 2.5m 82

Hình 4.31 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường trước trường hợp chênh cao giữa hai hàng tường 2.5m 82

Hình 4.32 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường sau trường hợp chênh cao giữa hai hàng tường 2.5m 83

Hình 4.33 Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang lớn nhất Ux (mm) và độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 84

Hình 4.34 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn lớn nhất M(kN.m/m) của tường khi thay đổi độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 84

Hình 4.35 Biểu đồ chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều sâu của tường trước ứng với từng trường hợp độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 85

Hình 4.36 Biểu đồ chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều sâu của tường sau ứng với từng trường hợp độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 85

Hình 4.37 Lưới biến dạng trường hợp khoảng cách giữa hai hàng tường là 3.5m 86

Hình 4.38 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường trước trường hợp kho ảng cách giữa hai hàng tường 3.5m (xuất từ plaxis) 87

Hình 4.39 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường sau trường hợp kho ảng cách giữa hai hàng tường 3.5m (xuất từ plaxis) 87 Hình 4.40 Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang lớn nhất Ux (mm) và kho ảng cách giữa hai hàng tường a (m) 88 Hình 4.41 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn lớn nhất M (KN.m/m) của tường khi thay đổi khoảng cách a(m) giữa hai tường 89 Hình 4.42 Biểu đồ chuyển vị ngang Ux(m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều sâu của tường trước ứng với từng kho ảng cách giữa hai hàng tường a(m) 89 Hình 4.43 Biểu đồ chuyển vị ngang Ux(m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều sâu của tường sau ứng với từng khoảng cách giữa hai hàng tường a(m) 90 Hình 4.44 Lưới biến dạng trường hợp bề rộng hố đào 11m 91 Hình 4.45 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường hợp bề rộng

hố đào 11m 91 Hình 4.46 Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường chắn ứng tới từng bề rộng hố đào B 92 Hình 4.47 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên c ủa moment uốn M (kN.m/m) lớn nhất của tường khi thay đổi bề rộng hố đào B(m) 93 Hình 4.48 Biểu đồ chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn M(kN.m/m) theo chiều sâu của tường ứng với từng trường hợp bề rộng hố đào B(m) 93 Hình 4.49 Lưới biến dạng trường hợp tỷ lệ xi măng là 17% (xuất từ plaxis) 95 Hình 4.50 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M c ủa tường trường hợp tỷ lệ xi măng là 17% (xuất từ plaxis) 95 Hình 4.51 Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường ứng với từng tỷ lệ xi măng trộn % 96 Hình 4.52 Đồ thị biểu diễn momen uốn M (kN.m/m) lớn nhất của tường ứng với từng tỷ lệ % xi măng trộn 96 Hình 4.53 Biểu đồ chuyển vị ngang Ux(m) và mômen uốn M (kN.m/m)theo chiều sâu của tường ứng với tường thiết kế theo các tỷ lên trộn xi măng (%) khác nhau 97 Hình 4.54 Lưới biến dạng trường hợp mực nước ngầm ngay tại mặt đất 98

Hình 4.55 Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường hợp mực nước ngầm ngay tại mặt đ ất (xuất từ plaxis) 98 Hình 4.56 Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux(mm) lớn nhất của tường và độ sâu mực nước ngầm hMNN (m) 99 Hình 4.57 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên momen uốn M (KN.m/m) của tường khi

độ sâu mực nước ngầm hMNN (m) thay đổi 99 Hình 4.58 Biểu đồ chuyển vị ngang Ux(m) và momen uốn M(kN.m/m) theo độ sâu của tường chắn ứng với từng trường hợp độ sâu mực nước ngầm hMN N (m) 100

MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Việc xây dựng các tuyến đường sắt metro phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất

và địa hình của khu vực xây dựng, công nghệ và biện pháp thi công Với Việt Nam lần đầu xây dựng tuyến đường sắt Metro, chưa có nhiều kinh nghiệm nên cần phải nghiên cứu kỹ với từng phương án đưa ra lựa chọn để giảm thiểu rủi ro mà vẫn đảm bảo tính kinh tế

Công nghệ cọc ximăng - đất đã được ứng dụng tại Việt Nam từ năm 1981và được

áp dụng cho các công trình dân dụng, thủy lợi và giao thông Bên cạnh giải pháp sử dụng cọc ximăng - đất để gia cố nền đất yếu, thì vấn đề giải quyết bài toán sử dụng cọc ximăng - đất để gia cố thành hố đào trong quá trình thi công các hạng mục ngầm cũng được sử dụng khá phổ biến trên thế giới Do đó phương án sử dụng loại tường chắn cọc xi măng đất để thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro cũng là một trong những phương án có thể xem xét để lựa chọn

Do cơ chế làm việc của loại tường chắn đất nói chung, tường chắn loại cọc xi măng đất nói riêng gia cố hố đào đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro diễn biến rất phức tạp nên vấn đề “nghiên cứu tính toán các cơ chế phá hoại tường chắn loại cọc ximăng - đất thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro” cần được nghiên cứu

kỹ để cung cấp thêm thông tin cho người thiết kế và thi công

2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu, nhận định các yếu tố phá ho ại tường chắn cọc xi măng đất trong thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro; tính toán, dự báo mức độ ảnh hưởng của từng cơ chế phá hoại, đưa ra nhận định và khuyến cáo giải quyết

3 Phương pháp nghiên cứu

Phân tích tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể là sử dụng phần mềm Plaxis 8.5 để tính toán và mô phỏng từng trường hợp các bài toán

4 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Các nước tiên tiến trên thế giới đã xây dựng các tuyến metro từ hơn một trăm năm nay, qua chừng đó thời gian, các công nghệ ngày càng phát triển để việc thi công được thuận lợi, kinh tế và an toàn hơn

Công nghệ cọc xi măng đất đã được ứng dụng từ rất lâu trên thế giới, ở Việt Nam, công nghệ này cũng đã được áp dụng trên nhiều lĩnh vực như các công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi… đã phần nào kiểm chứng được ưu điểm và tính thực tiễn của công nghệ này

5 Nội dung của luận văn

Chương 1: Tổng quan về các loại tường chắn hố đào - Ứng dụng công nghệ cọc

ximăng - đất trong thi công tường chắn hố đào

Chương 2: Các cơ chế chính phá hoại loại tường chắn cọc ximăng - đất trong thi

công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro

Chương 3: Mô hình và phương pháp tính toán loại tường chắn cọc xi măng đất

trong thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro

Chương 4: Mô phỏng và tính toán một số cơ chế phá hoại tường chắn cọc xi măng

đất bằng phần mềm Plaxis 8.5 – Áp dụng cho địa chất tuyến đường sắt metro số 01 Bến Thành – Suối Tiên

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

6 Hạn chế của đề tài

Đề tài chưa đi vào tính toán với tải trọng động mà chỉ tính toán với tải trọng tĩnh,

mô hình phẳng

Mô hình bài toán chỉ được thực hiện trên cơ sở lý thuyết thông qua phần mềm hiện

có mà chưa có điều kiện kiểm chứng thực tế để tìm được kết quả chính xác

Tài liệu tham khảo về nội dung của đề tài nghiên cứu còn hạn chế, các nghiên cứu

về cọc xi măng đất ở điều kiện địa chất khu vực chưa nhiều và mức độ chuyên sâu chưa cao nên quá trình nghiên cứu còn gặp nhiều khó khăn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CỌC XI MĂNG - ĐẤT TRONG THI CÔNG

TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO

1.1 Một số loại tường chắn hố đào

Hiện nay, trên thế giới nói chung, ở Việt Nam nói riêng, để bảo vệ thành hố đào người ta thường dùng một số giải pháp sau: Tường cừ thép hay ở Việt Nam thường gọi là cừ Larsen (steel sheet pile), tường cọc barrette, tường vây cọc khoan nhồi đường kính nhỏ và tường vây cọc ximăng – đất

1.1.1 Tường cừ thép

Ngày nay, tường cừ thép được sử dụng ngày càng phổ biến trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, cầu, hầm, công trình thủy lợi, công trình giao thông …Từ việc sử dụng trong các công trình t ạm thời đến xem như là một loại vật liệu xây dựng với những đặc tính riêng biệt, thích dụng với một số bộ phận chịu lực trong công trình xây dựng

Cừ thép được sử dụng với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau như: hình dạng mặt cắt ngang chữ U, Z thông thường, có loại có mặt cắt ngang Omega (W), dạng tấm phẳng cho các kết c ấu tường chắn tròn khép kín, dạng hộ p được nối thành bởi hai cọc U hoặc 4 cọc chữ Z hàn với nhau Ngoài ra đối với các công trình có tải trọng lớn phải dùng các loại cừ cọc thép ống hoặc cọc thép hình

Về kích thước cừ thép có bề rộng thay đổi từ 400mm đến 750mm Đối với các loại

cừ có bề rộng bản lớn thường có hiệu quả kinh tế hơn trong quá trình sử dụng Chiều dài cừ có thể được chế tạo lên tới 30m tại xưởng Tuy nhiên chiều dài thực tế của cừ thép thường được quyết định bởi yếu tố vận chuyển (thông thường từ 9m đến 18m) Riêng dạng cừ gia công tại công trường có thể lên tới 72 m

Ưu điểm: dể dàng nối lại với nhau bằng mối hàn hoặc bu lông để tăng chiều dài,

khả năng chịu tải tốt, thi công đơn giản, thuận tiện, khả năng ngăn nước tốt, có thể tái sử dụng nhiều lần và tính hiệu quả kinh tế cao

Hạn chế: Dể bị ăn mòn đặc biệt là trong môi trường nhiễm mặn

Hình 1.1 Thi công hố đào bằng tường cừ thép [19]

1.1.2 Tường cọc barrette

Tường cọc barrette là loại tường bêtông cốt thép trong đất thường có tiết diện chữ nhật, chiều dày từ 600mm đến 800mm, chiều rộng thường thay đổi từ 2,6m đến 5,0m, chiều sâu tường có thể lên tới 40m

Hình 1.2 Chi tiết tường cọc barrette tầng hầm công trình dân dụng [3]

Ưu điểm: Đây là loại tường có độ cứng lớn, biến dạng nhỏ, khả năng chống thấm

tốt và chịu được áp lực cao

Hạn chế: Thi công phức tạp và đòi hỏi tốn nhiều khối lượng vật liệu

1.1.3 Tường cọc khoan nhồi

Đây là phương pháp khoan tạo lỗ, đồng thời kết hợp với việc bơm dung dịch bentonite có khả năng giữ thành vách hố đào không cho sạt lỡ Sau đó làm sạch cặn lắng và đất bùn rơi xuống dưới đáy lỗ, tiến hành hạ lồng thép và cho đổ bêtông cọc (theo phương pháp đổ bêtông dưới nước) Khi bêtông cọc đã ninh kết, đông rắn và đạt được cường độ nhất định ta tiến hành đào hở đầu cọc, đập vỡ đầu cọc và thi công dầm giằng đỉnh cọc tường vây

Hình 1.3 Cọc nhồi đơn Hình 1.4 Cọc nhồi tiếp xúc

Hình 1.5 Hố khoan và lồng thép cọc khoan nhồi [19]

Ưu điêm: Đầu cọc có thể chọn ở độ cao tùy ý cho phù hợp với kết cấu công trình

và quy hoạch kiến trúc mặt bằng, trong quá trình thi công có thể thay đổi các thông

số (như đường kính, độ sâu), có thể xuyên qua các tầng sét cứng, cát chặt

Hạn chế: Môi trường thi công sình lầy, dơ bẩn, khó kiểm tra khuyết tật và chất

lượng cọc sau khi thi công, đòi hỏi thiết bị tốt, đầu tư máy móc thiết bị cao

1.2 Ứng dụng công nghệ cọc ximăng – đất trộn sâu trong thi công tường chắn

hố đào

1.2.1 Cơ sở lý thuyết cho cọc ximăng - đất [11]

Cũng như các phương pháp c ải tạo, gia cố nền đất yếu khác, phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất nhằm thay đổi tính chất cơ lý của đất theo hướng nâng cao s ức chịu tải, giảm biến dạng của nền Trên cơ sở phân tích lý thuyết các phương pháp gia cố nền bằng cọc đất - xi măng có thể nhận thấy, khi gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, trong nền đất sẽ diễn ra các quá trình cơ học và hoá lý sau đây:

1.2.1.1 Quá trình nén chặt cơ học

Gia cố nền bằng cọc ximăng - đất là dùng thiết bị chuyên dụng để đưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp ximăng - đất Lượng vật liệu ximăng –

đất sẽ chiếm chỗ các lỗ rỗng trong đất làm cho lỗ rỗng trong đất giảm đi do các hạt được sắp xếp lại, kết quả là đất nền được nén chặt lại

Khi gia cố nền bằng cọc ximăng - đất thì quá trình nén chặt sẽ xảy ra tức thời Hiệu quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu đưa vào nền, nghĩa là phụ thuộc vào số lượng, đường kính cũng như khoảng cách giữa các cọc, hình dạng bố trí cọc

Việc kiểm tra đánh giá định lượng tác dụng nén chặt đất khi gia cố nền bằng cọc ximăng - đất có thể thực hiện được bằng nhiều phương pháp như: khoan lấy mẫu trong phạm vi giữa các cọc để xác định hệ số rỗng cũng như khối lượng thể tích của khối đ ất sau khi gia cố hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hay nén tĩnh nền

1.2.1.2 Quá trình cố kết thấm

Ngoài tác dụng nén chặt đ ất, cọc xi măng đất còn có tác dụng làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền

Đối với cọc xi măng đất mà hỗn hợp được đưa vào nền dưới dạng khô, hỗn hợp đó

sẽ hút nước trong đất nền để tạo ra vữa xi măng, sau đó biến thành đá xi măng Quá trình tạo vữa xi măng làm tổ n thất một lượng nước lớn chứa trong lỗ hổng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất Quá trình này xảy ra ngay sau khi bắt đầu gia cố và kéo dài cho đến khi nền đất được gia cố xong, toàn bộ cọc xi măng đất trở thành một loại bê tông

1.2.1.3 Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố, sức kháng cắt của đất nền

Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, sức kháng cắt của cọc cát dưới tác dụng của tải trọng ngoài xác định theo định luật Coulomb t = σ tgφ , với φ là góc ma sát trong của cát; σ ứng suất do tải trọng ngoài gây ra Khi trộn thêm xi măng và vôi vào cát,

do hình thành liên kết xi măng – đất trong cọc nên khả năng chịu lực nén và lực cắt của cọc gia cố tăng lên đáng kể Lúc đó, sức kháng cắt của cọc ximăng - đất xác định theo biểu thức t = σ tgφ + Cxm , với Cxm là lực dính được tạo nên bởi liên kết xi măng – đất Giá trị Cxm có thể xác định được nhờ thí nghiệm cắt các mẫu chế bị ở trong phòng

Như vậy, khác với cọc cát, cọc xi măng – đất có độ bền lớn nhờ lực dính trong hỗn hợp tạo cọc tăng lên Độ bền của cọc ximăng – đất phụ thuộc vào lực dính trong

liên kết xi măng – đất, nghĩa là phụ thuộc vào hàm lượng xi măng và đ ất trong hỗn hợp tạo cọc

Mặt khác, khi trộn xi măng trong đ ất và đưa vật liệu vào nền đ ất Ở mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion và phản ứng Puzolan Các ion canxi hoá trị 2 thay thế các ion natri và hydro hoá trị 1 ở trong lớp điện kép bao quanh mỗi hạt khoáng vật sét Vì cần ít hơn kali hoá trị 2 để trung hoà lưới điện âm trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảm được kích thước của lớp điện kép và do

đó làm tăng lực hút của các hạt sét, dẫn đến lực dính của đất tăng lên Hơn nữa, silic

và nhôm trong khoáng vật sét sẽ phản ứng với silicat canxi và hydrat nhôm canxi trong phản ứng Puzolan, tạo ra các hợp chất có độ bền cao và rất bền trong môi trường nước Những quá trình này làm tăng lực ma sát và lực dính của đất xung quanh cọc gia cố, dẫn đến làm gia tăng cường độ của đất nền

Tất cả các quá trình nén chặt cơ học, quá trình cố kết, quá trình gia tăng cường độ của cọc và đất nền khi gia cố bằng cọc ximăng – đất đều có liên hệ hữu cơ với nhau Các quá trình này không độc lập với nhau mà diễn ra đồng thời với nhau, là động lực thúc đ ẩy phát triển của nhau

1.2.2 Phương pháp và công nghệ thi công cọc xi măng đất

Qua quá trình phát triển, các công nghệ thi công dựa trên 2 phương pháp cơ bản là trộn khô và trộn ướt

Phương pháp trộn khô (Dry Jet Mixing): là một quá trình cắt đất xáo trộn với

một hàm lượng ximăng khô và một lượng phụ gia nhất định (có thể có hoặc không) Mục đích c ủa phương pháp này nhằm cải thiện tính năng nén và thấm của đất nền

Phương pháp trộn ướt (Jet - grounting): [5] phương pháp này dựa vào nguyên lý

cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thi công trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + ximăng) với áp lực kho ảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ cấu trúc tầng đất Với lực xung kích c ủa vòi phun, lực li tâm, trọng lực…sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có quy luật giữa đ ất và vữa theo khối lượng hạt Dưới tác

dụng của quá trình hóa lý xảy ra giữa đất, ximăng và nước thì quá trình đông cứng được hình thành tạo thành trụ ximăng - đất

Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet - Grounting là:

Công nghệ đơn pha S (công nghệ phụt một ống JET 1- One jet technology): Với công nghệ này sử dụng cần khoan đơn với đầu mũi chỉ có một lỗ phun (nozzle), vữa phụt ra với vận tốc 100m/s, đầu khoan vừa cắt vừa trộn vữa với đất đồng thời, tạo ra cọc ximăng - đất đồng đều với độ cứng cao và hạn chế đất trào lên ngược lại

Hình 1.7 Chi tiết mũi khoan CN S

Cấu tạo đ ầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa bố trí ngang hàng ho ặc lệch hàng và có độ lệch gốc đều nhau

Công nghệ thi công đơn pha S dùng t ạo ra các cọc có đường kính vừa và nhỏ: 0.5 m đến 0.8 m và phù hợp với các loại nền đất đắp Đây là loại thiết bị đầu ít dùng, chiều

sâu cọc có thể đạt tới khoảng 25 m

Công nghệ hai pha (công nghệ D, JET 2- Two - jets technology): Công nghệ này sử dụng cần khoan nòng đôi, lõi trong bơm vữa, lõi ngoài bơm khí Lỗ phun kép có hai vòng, vòng trong phun vữa, vòng ngoài phun khí Hỗn hợp vữa ximăng được bơm với áp suất cao lớn hơn 200 atm, phun ra ở vùng trong, đồng thời bơm khí nén >20 atm phun ra ở vòng ngoài và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun Vòng khí nén sẽ làm giảm ma sát và cho phép vữa xâm nhập vào trong đất cho nên tạo ra cọc ximăng - đất có đường kính tương đối lớn Tuy nhiên, dòng khí

làm giảm độ cứng của cọc đất sơ với phương pháp phụt một tia và đất bị trào lên nhiều hơn

Hình 1.8 Chi tiết mũi khoan CN D

Cấu tạo đầu khoan bao gồm một hoặc nhiều lỗ phun được bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng có độ lệch góc đều nhau để phun vữa và khí Khe phun khí nằm bao quanh lỗ phun vữa Công nghệ hai pha này tạo ra các loại cọc có đường kính từ 0,8 đến 1,5 m được áp dụng cho việc thi công tường chắn, cọc và hào chống thấm, chiều dài cọc có thể lên tới 45 m và là công nghệ phổ biến hiện nay

Công nghệ ba pha (công nghệ T, JET 3 - Three jets technology): Quá trình phụt vữa lúc này không giống như công nghệ S hay công nghệ D nữa mà nước được bơm với

áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước để đẩy khí ra khỏi cọc đất gia cố Vữa được bơm qua một vòi riêng biệt nằm dưới vòi khí và vòi nước để lấp đầy khoản trống của khí Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo trộn Đất được thay thế sẽ trào lên mặt đất sau đó thu gom và xử lý

Cấu tạo đầu khoan gồm một lỗ hoặc nhiều lỗ đúp để phun nước và khí đồng thời và một hoặc nhiều lỗ đơn nằm thấp phía dưới để phun vữa

1.2.3 Một số công nghệ thi công tường chắn cọc xi măng đất hiện nay

1.2.3.1 Công nghệ CDM (Cement Deep Mixing) và công nghệ SMW (Soil Mixing Wall) của Nhật Bản

Bảng 1.1 Một số đặc điểm của công nghệ CDM và công nghệ SMW

Cement Deep Mixing

Công nghệ SMW Soil Mixing Wall

Hình ảnh máy trộn

Nội dung Công nghệ (CDM)

Cement Deep Mixing

Công nghệ SMW Soil Mixing Wall

Mô phỏng trạng thái

làm việc

Các c ần quay làm đất di chuyển và bị cắt trộn đều tạo ra hỗn hợp đất

Các mũi khoan, các cần khoan quay tạo ra hỗn hợp đất tại chỗ, kết hợp với ximăng tạo nên bức tường ximăng - đất liên tục

Số cần khoan 2,4,6 hoặc 8 cần khoan 1,2,3 hoặc 5 cần khoan

Vật liệu Ximăng hoặc vữa vôi Vữa ximăng, bùn đất sét và vữa

phụ gia cần thiết khác

Loại đất áp dụng Bùn nhão, đất sét mềm,

cát rời

Bùn sét mềm cho tới cứng, cát, sỏi sạn, sỏi cuội đá tảng

Phạm vi ứng dụng

Phần lớn áp dụng cho các công trình kè chắn sóng vùng biển và bờ sông

Gia cố hố đào, ngăn dòng mực nước ngầm

Quan điểm nhận xét Được phát triển bởi Port

trong điều kiện cần thiết như: gia công hố đào quá sâu cần phải giằng chống do áp lực ngang của đất và nước ngầm quá lớn, người ta có thể tăng cường khả năng chịu uốn của cọc này bằng cách gia cường các thanh thép hình vào cọc khi vừa trộn xong Số lượng và vị trí cọc được gia công thép hình tùy theo điều kiện địa chất khu vực và độ sâu hố đào

Hình 1.11 Tường vây cọc ximăng - đất có gia cố thép hình [24]

Việc sử dụng ưu điểm của vật liệu hỗn hợp ximăng - đất và công nghệ áp dụng cho loại vật liệu này để gia cố đất nền và vách hố đào ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới Đồng thời hiện nay công nghệ này cũng ngày càng phổ biến ở Việt Nam Điển hình như một số dự án lớn ở Việt Nam đã thực hiện công nghệ này: đường băng sân bay Cần Thơ, công trình Sài Gòn Pearl Nguyễn Hữu Cảnh, đường dẫn vào hầm chui Thủ Thiêm…

1.2.3.2 Công nghệ Geomix

Ngoài vật liệu hỗn hợp ximăng - đất được sử dụng theo công nghệ CDM (SMW) của Nhật Bản thì hiện nay một số công trình ở Việt Nam đang sử dụng loại vật liệu này để gia cố thành hố đào dưới dạng bản tường (tấm panel) đó là công nghệ Geomix - công ty Soletanche Bachy thi công

Geomix cũng là một công nghệ dựa trên quy trình sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ, gia cố với một hàm lượng ximăng và phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất cơ – lý – hóa của đất nền tại khu vực đặt công trình thi công để tạo nên những bức tường liên hoàn dùng trong việc gia cố thành hố đào, ngăn thấm rất tốt

và rất thân thiện với môi trường

Công nghệ Geomix chỉ khác với công nghệ CDM (SMW) của Nhật ở thiết bị, phương pháp thi công và hình dạng sản phẩm sau khi thi công

Về thiết bị thi công: Lo ại dao dùng để cắt đất cho công nghệ này là loại dao CSM (cutter soil Mixing) Loại dao này gồm các motor thủy lực phía trên và hai dao cắt

và trộn đất hình bánh xe tròn được định vị cố định Khi bánh xe quay đất sẽ bị cắt

và trộn đều với ximăng Thiết bị trên phù hợp với thi công tường panel ximăng - đất

Về phương pháp thi công: Cũng như công nghệ CDM (SMW) nhưng nó chỉ khác ở chỗ: chúng dùng bánh xe quay nhờ vào các motor thủy lực cắt đất, đất sau khi bị cắt

sẽ được xáo trộn với ximăng theo vòng quay của dao, dao trộn sẽ được di chuyển lên xuống nhằm bảo đ ảm sự đồng đều của đất và ximăng

Hình 1.12 Hình ảnh bánh xe trộn theo công nghệ Geomix [21]

Hình 1.13 Hình ảnh thi công tường ximăng - đất theo công nghệ Geomix [19]

Với công nghệ Geomix sản phẩm sau khi thi công là tấm panel ximăng - đất liên tục Phần lớn các sản phẩm thi công theo công nghệ này có tác dụng ngăn thấm, ngăn sự xâm thực của nguồn nước ô nhiễm, bờ kè và gia công vách hố đào nhưng ít phổ biến do khả năng chịu uốn thấp hơn so với công nghệ DMM của Nhật Bản

1.2.4 Ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt Nam

Hiện nay, cọc ximăng - đ ất được sử dụng phổ biến trên thế giới Dùng để gia cố nền đất yếu, nền móng, đập, kè, cảng, gia cố vách hố đào, tường chắn công trình thủy, tường chắn sóng, ngăn dòng thấm, ngăn thâm nhập nước mặn và nước, đất bị nhiễm độc…

Tại Việt Nam từ năm 2002 đã có một dự án bắt đầu sử dụng cọc ximăng - đất trên nền đất yếu như dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) với lượng cọc ximăng - đất là 4000m, cọc có đường kính là 0.6m thi công bằng công nghệ trộn khô; Xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu tại Cần Thơ với đường kính bồn 21m, cao 9m Năm 2004 cọc ximăng - đất được sử dụng gia cố nền cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu Đình Vũ (Hải Phòng) và các dự án này đều được thực hiện theo công nghệ trộn khô

Năm 2004 Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) của Nhật Bản Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng ximăng đến tính chất của cọc ximăng - đất Nhằm ứng dụng cọc ximăng - đất vào xử lý nền đất yếu, chống thấm cho các công trình thủy lợi: dự án được thực hiện là sửa chữa chố ng thấm cho cống trại Nghệ An, cống D10 (Hà Nam) cống Rạch C Long An

Tại Đà Nẵng cọc ximăng - đất được áp dụng cho dự án Plaza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: làm tường trong đ ất và thay thế cọc nhồi

Tại TP Hồ Chí Minh một số dự án đã sử dụng cọc ximăng - đất như: ĐL Đông Tây, Tòa nhà Sài Gòn Time Square, tường chắn đất Sài Gòn Pearl đường Nguyễn Hữu Cảnh, Quận 2, chống mất ổn định công trình Hồ Bán Nguyệt Phú Mỹ Hưng Quận 7, đường dẫn vào hầm chui Thủ Thiêm…

Tại Quảng Ninh công trình nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đã áp dụng công nghệ phun ướt

Tại Hà Nội có dự án hầm đường bộ Kim Liên, đường Láng Hòa Lạc nối liền khu công nghệ cao Hòa Lạc

Tại Cần Thơ có đường băng sân bay Cần Thơ…

1.2.5 Ưu, nhược của loại tường chắn cọc xi măng - đất bảo vệ thành hố đào

Cọc ximăng - đất là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu Nhằm xử lý móng, nền đất yếu cho các công trình giao thông, xây dựng, thủy lợi, sân bay, bến cảng… như làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa chống thấm cho mang cống, đáy cống, gia cố đất xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn…

Ưu điểm: So với một số giải pháp xử lý nền và gia cố ổn định hố đào hiện có thì

công nghệ thi công cọc ximăng - đất có những ưu điểm sau:

Về tính năng sử dụng:

Cọc xi măng đ ất có một sô tính năng hữu dụng như: (1) tăng khả năng chịu tải của đất nền, (2) tăng khả năng chống trượt của mái dốc, (3) giảm ảnh hưởng của công trình lân cận, (4) giảm độ lún của công trình, (5) Ổn định vách hố đào, (6) ngăn dòng thấm xâm nhập vào hố đào, (7) cô lập mặn và vùng đất, nước bị ô nhiễm [23]

Về thi công: (1)Thi công đơn giản, nhanh chóng, (2) có thể kiểm tra địa chất công

trình trong khi khoan nhờ thiết bị tự động đo và ghi moment xoắn ở cần khoan, (3)

độ sâu cọc lên tới khoản 40-50 m, đường kính cọc: 0.6 -1.6 m [23]

Nhƣợc điểm:

Khả năng chịu uốn, cắt của cọc đơn kém, chính vì vậy để hạn chế khuyết điểm này người ta thi công loại tường có đường kính lớn hoặc gồm nhiều hàng liên tiếp nhau, tải trọng bản thân tường tương đối lớn, hoặc dùng thép hình để gia cố; Diện tích bề mặt thi công lớn

Chất lượng của cọc ximăng - đất phụ thuộc nhiều vào yếu tố con người và đ ặc trưng điều kiện địa chất khu vực thi công Cho nên, vấn đề kiểm tra chất lượng cọc dưới sâu có độ chính xác chưa cao

CHƯƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ CHÍNH PHÁ HOẠI LOẠI TƯỜNG CHẮN CỌC XIMĂNG-ĐẤT TRONG THI CÔNG ĐOẠN ĐÀO MỞ VÀ NHÀ

Nguyên nhân biến dạng theo phương ngang này là do quá trình trình thi công khoan trộn cọc ximăng - đất Như trước đây biến dạng ngang này được xác định bằng thực nghiệm hoặc sử dụng phương pháp số của (Koga et al 1999, Shen et al 1999) để phân tích và tính toán Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế là các thông số biến dạng,

độ bền của đất không được xác định rõ ràng và chưa được thực tế

Vì thế chúng ta có thể dùng phương pháp giãn nở lăng trụ tròn khối đồng nhất dưới tác dụng của áp lực phân bố đều bên trong như trong phương pháp biến dạng phẳng của lý thuyết dẻo, để xác định hướng chuyển vị và biến dạng c ủa đ ất nền xung quanh cọc ximăng trong một điều kiện đất nền nhất định

Phương pháp này đã được thực hiện tại hiện trường Saga ở Nhật Bản theo các công nghệ sau: Trộn ướt (SDM: Shurry double Mixing), trộn khô (DJM: Dry Jet Mixing), phun vữa áp lực cao (WJM: Wet Jet Mixing)

Hình 2.1 Các mô hình hoạt động của cần trộn cọc ximăng - đất [20]

Theo lý thuyết của Vesic (1972) dùng cho biến dạng lăng trụ tròn cho khối đất đồng nhất được biểu diễn ở hình trên Trong quá trình thi công vùng chịu ảnh hưởng bị chia làm 2 phần đó là: một vùng dẻo và một vùng đàn hồi Nếu tác dụng áp lực Puvào thành trong c ủa lăng trụ với bán kính Ru

Hình 2.2 Mô hình lực tác dụng khi thi công trộn cọc ximăng - đất [20]

Hình 2.3 Mô hình mô phỏng tính toán biến dạng dẻo theo L M Kachanôp [20]

Qua hình vẽ ta thấy bán kính của vùng dẻo là Rpvà áp lực trong mặt giao giữa 2 vùng (vùng dẻo và vùng đàn hồi) ζpcó thể xác định được biến dạng trong miền này

Khi áp lực Pu tăng lên thì miền dẻo phát triển lan rộng theo bán kính Rp cho tới khi đạt đến trạng thái giới hạn (Pu đạt trạng thái cực đại) và điều đó có nghĩa là vùng ảnh hưởng đã được xác định là tối đa (Rmax: bán kính vùng ảnh hưởng) Đồng thời

p

ζ có xu hướng giảm dần theo Rmax Nếu các c ấu kiện nào nằm trong vùng ảnh hưởng Rmax và ζpđủ lớn sẽ tạo ra một áp lực xô đẩy làm biến dạng, phá hủy kết cấu lân cận (hàng cọc hoặc cọc ximăng - đất thi công trước đó) và kết cấu tường chắn gia cố hố đào cọc ximăng - đ ất bị phá hủy

Các thông số cần tính toán cho loại bài toán này là các Rp, Pu và ζp Theo Vesic (1972) hệ số tỉ lệ giữa bán kính lỗ khoan và bán kính vùng đàn hồi được xác định như sau:

cos

I

*R

cosθII

S

G)tgqν)(c2(1

ζ   0 ν0 - Ứng suất pháp trung bình ban đầu

K0 - hệ số áp lực ngang của đ ất

ν0

ζ - Ứng suất theo phương đứng ban đ ầu

G- Mođun cắt đàn hồi

Su - Sức kháng cắt không thoát nước

Trong quá trình miền dẻo phát triển nếu chúng ta biết được các thông số cần thiết thì bán kính vùng dẻo Rp như sau:

Theo L M Kachanôp

s u max

2 p u

p

2η

P)R

R(12

1R

R

ln    (2.4) Trong đó:

Rmax - Bán kính vùng đàn hồi (đúng cho mô hình bài toán Rmax xác định trước được)

r

2η    : theo điều kiện chảy dẻo của Midet

Nhưng trong trường hợp thi công cọc ximăng - đất chúng ta chưa biết được Rmaxhoặc giả địnhRmax  Thì ta tính được bán kính biến dạng dẻo Rp (có sai số) Theo Vesic 1972, bán kính vùng biến dạng dẻo Rp được xác định theo công thức trên

Áp lực Pu được tính

q c

P   (2.5) Trong đó:

) sin (1 sin rr

cos

I)(

sin(1

Fc  q  (2.7) Khi   0, biến dạng thể tích Δ0

1)ln(I

Fc  r  (2.8) Với các giá trị Pu và tỉ số Rp/Ru được biết thì ứng suất ζptại mặt giao giữa vùng biến dạng dẻo và vùng biến dạng đàn hồi được xác định theo công thức

) sin /(1 2sin p

u u

R

R)(

cotgc(P

ζ       (2.9) Với   0

)R

Rln(

2c-(Pζ

u

p u

Khi có được các biến dạng thành phần ta sẽ tìm được chuyển vị theo các phương của hệ tọa độ cực

Vùng dẻo: Khi biết được ζpvà Rp thì chuyển vị ngangptại Rp có thể được tính theo

lý thuyết đàn hồi (Vesic 1972) theo công thức

q)(ζRE

ν1

δp   p p  (2.13) Giả sử không có biến dạng thể tích và chỉ xem xét một điều kiện biến dạng duy nhất Chúng ta có thể tính toán chuyển vị theo phương ngang trong vùng biến dạng dẻo của đất xung quanh

)Rr(Rδ

δ2r

δ2R





 (2.14) Trong đó:

r- bán kính phát triển của vùng dẻo

Tuy nhiên phương trình trên chỉ có thể giải quyết bằng phương pháp lặp không thuận tiện cho nên được rút gọn đơn giản như sau:

)Rr(Rδ

p p

δ/rRδ2r

δ2Rδ

2 p p

r

Rq)(ζ

ζ     (2.16) Chuyển vị ngang trong vùng đàn hồi

p p

3

3 p

Rrδ

rR

δ  (2.17)

Như vậy các thông số ζ ,p ε , δ ,u chính là những nguyên nhân chủ yếu để tạo ra một lực ngang phá ho ại cho các cấu kiện lân c ận Đặc biệt đối với các cấu kiện như gia

cố hố đào bằng hệ cọc ximăng - đất được bố trí theo các mô hình sau:

Hình 2.5 Mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến hàng đơn

Hình 2.6 Mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến nhiều hàng

Xét về khía cạnh thực tế hiện trường và lý thuyết đỏi hỏi phải có nhiều thời gian và công sức cho quá trình tính toán lý thuyết và thí nghiệm hiện trường Bởi vì đây là

đề tài mới cho lĩnh vực này, nếu có điều kiện cho phép sẽ nghiên cứu sâu hơn cho các loại mô hình này ở lý thuyết và thực tiễn hiện trường cho phần nghiên cứu sau này

2.2 Phá hoại do lớp đất dưới chân tường

Đối với loại tường gia cố hố đào bằng cọc ximăng - đất thì trọng lượng bản thân tường thường có giá trị rất lớn Trong quá trình làm việc tường sẽ gây ra một độ lún

S Giá trị độ lún này tùy thuộc vào điều kiện địa chất lớp đất dưới chân tường và mật độ phân bố cọc ximăng - đất trong tường Nếu S đ ủ lớn ngoài phạm vi cho phép

sẽ dẫn đến phá vỡ kết cấu bản thân tường và tác động đến các kết cấu lân c ận khác

Do đó đòi hỏi khả năng chịu tải của đất nền dưới chân tường phải ổn định trong suốt quá trình thi công và làm việc của tường Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN để tường ổn định thì đất nền phải thỏa mãn các điều kiện sau:

Hình 2.7 Chi tiết làm việc của tường dưới tác dụng của đất nền

tc

ζ  (2.18)

tc max 1,2R

6e(1B

Gζ

min max   - áp suất lớn nhất và nhỏ nhất tại mép chân móng của tường

G: trọng lượng của thân tường

B- chiều rộng đáy móng của tường

e- khoảng lệch tâm trên mặt đáy móng tường

tb

ζ - Ứng suất trung bình của đất nền dưới đáy tường

c q

R     - sức chịu tải tiêu chuẩn của đất nền

Xác định độ lún toàn phần của tường: Độ lún của tường được tính cũng giống như

độ lún của việc gia cố nền bằng cọc ximăng - đất Nó được tính toán bằng tổng độ lún của khối gia cố và độ lún c ủa đất dưới khối gia cố

S

S  (2.21) Trong đó:

S1- Độ lún bản thân của khối gia cố

S2- Độ lún của khối đất chưa gia cố dưới chân tường

Độ lún do bản thân của khối gia cố

s c

tb

1

a)E(1aE

qHE

qHS







 (2.22) Trong đó:

q - tải trọng công trình truyền lên khối gia cố

H - chiều sâu của khối gia cố (chiều sâu chôn tường)

a - tỷ số diện tích, a=(nAc/BL)

n - tổng số trụ ximăng - đất

BL - kích thước khối gia cố

Ac - diện tích tiết diện trụ

Ec - Mođun đàn hồi của vật liệu làm trụ Có thể lấy Ec =(50-100)Cc Trong

đó Cc sức kháng cắt của vật liệu làm cọc

Es - Mođun biến dạng của đất nền giữa các trụ (có thể lấy theo công thức thực nghiệm, Es = 250Cu, với Cu sức kháng cắt không thoát nước của đất nền)

Độ lún của khối đất chưa gia cố dưới chân tường

' 0 2 ' 0 10 0

c 2

ζ

qζhloge1

C



 (2.23) Trong đó:

Cc - chỉ số nén của đất, xác định theo đường cong nén lún của hệ tọa độ logarit

e0 - hệ số rỗng ban đ ầu của đất

'

0

ζ - áp lực nén ban đầu của đất do trọng lượng bản thân c ủa đất gây ra

q2 - áp lực đất do tải trọng ngoài tác dụng lên lớp đất tính lún

h - chiều dày lớp đ ất tính lún

2.3 Phá hoại do moment uốn và lực cắt lớn nhất

Trong quá trình làm việc của tường gia cố hố đào thì phần lớn lực tác dụng vào tường là áp lực ngang của đất, nước ngầm v.v…Từ đó sản sinh ra một moment uốn, lực cắt lớn nhất tác dụng vào thân tường Nhưng đối với cọc ximăng - đất thì khả năng kháng uốn rất nhỏ Cho nên khả năng chịu uốn rất kém so với loại tường cọc bêtông cốt thép Thường để tăng tính hiệu quả làm việc của tường cọc ximăng - đất được gia cường thép hình sau khi thi công xong

Hình 2.8 Mô hình tính toán trường hợp phá hoại do Qmax, Mmax

Trong trường hợp này hai vấn đề quan trọng cần xem xét là Qmax và Mmax Bởi vì từ điều kiện này mà cho phép ta chọn một kết cấu tường hợp lý (an toàn, kinh tế và đủ khả năng chịu lực)

γ)K(K

2Pz

6

1)zP(z

M        (2.25) Riêng đối với hệ tường có giằng chống đơn và giằng chống nhiều tầng phương pháp tìm z’ và Mmax được tính toán dựa trên các phương pháp cân bằng lực

2.4 Phá hoại do trượt đáy chân tường

Cơ cấu phá hoại mái dốc trong đất (đất dính): Sự phân tích cơ chế phá hoại này dựa trên việc xem xét cân bằng giới hạn Điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm dịch chuyển trượt cắt bắt đầu và biến dạng cứ tiếp tục diễn ra mà ứng suất không đổi Đầu tiên cần xác định hình dạng mặt trượt và khối đất trên mặt trượt này được coi là một vật thể tự do ở điều kiện cân bằng

Hình 2.9 Kiểu trượt tịnh tiến Hình 2.10 Kiểu lật đổ

Hình 2.11 Kiểu trượt nghiêng Hình 2.12 Kiểu trượt xoay

Một số mặt trượt có thể xem xét trong cơ chế phá ho ại này như sau:

Hình 2.13 Trượt mặt phẳng Hình 2.14 Trượt cung tròn