chapter 6 (bill do) (phan tich ung suat va bien dang)

Phân tích ứng suất được áp dụng trong thiết kế các phần tử kết cấu còn phân tích biến dạng có thể dự đoán biến dạng tường và chuyển vị của mặt đất do đào sâu gây ra để bảo vệ các công tr

CHƯƠNG 6 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG-PHƯƠNG

PHÁP ĐƠN GIẢN HÓA

6.1 Giới thiệu

Những phân tích cần thiết trong thiết kế hố đào gồm có phân tích ổn định trình bày trong chương 5 và các phân tích ổn định và biến dạng sẽ được trình bày trong ba chương tiếp theo Như đề cập trong chương 5, mục đích của việc phân tích ổn định là để tránh sự sụp

đổ của hố đào do sức kháng cắt không đủ của mặt đất gây ra Phân tích ứng suất được áp dụng trong thiết kế các phần tử kết cấu còn phân tích biến dạng có thể dự đoán biến dạng tường và chuyển vị của mặt đất do đào sâu gây ra để bảo vệ các công trình lân cận Nội dung của phân tích ứng suất là lực chống và momen uốn của tường Tuy nhiên, phân tích ứng suất cũng nên được áp dụng cho thiết kế chi tiết các phần tử kết cấu như thanh chống, thanh đệm, trụ chống trung tâm, v.v., sẽ được trình bày trong chương 10

Ứng suất và biến dạng sinh ra bởi đào sâu có thể xuất hiện từ lực bất cân bằng hay sai sót thi công Lực bất cân bằng được tạo ra do việc di dời đất trong khu vực xây dựng Lực bất cân bằng càng lớn thì chuyển vị của đất trong phạm vi ảnh hưởng của đào sâu càng lớn Sai sót thi công có thể làm gia tăng chuyển vị tường, sụt lún mặt đất, và đẩy trồi ở đáy hố đào hoặc thậm chí là sụp đổ của hố đào và phá hoại của các công trình phụ cận

Độ lớn của ứng suất và biến dạng do sai sót thi công không thể tiên đoán được thông qua

mô phỏng lí thuyết hay công thức kinh nghiệm Vấn đề này chỉ có thể được ngăn chặn thông qua việc cải thiện chất lượng xây dựng Một số sai sót thi công thường gặp và hậu quả của chúng sẽ được bàn luận trong mục 11.7, chương 11 Nội dung của chương này

sẽ được giới hạn ở sụt lún mặt đất do thi công tường bê tông cốt thép, các tính chất biến dạng do đào sâu (gồm biến dạng tường chắn, sụt lún mặt đất, và đẩy trồi ở đáy hố đào),

và ứng suất trong tường và thanh chống ở điều kiện thông thường (không do đào quá giới hạn hoặc sai sót thi công)

Các phương pháp phân tích ứng suất và biến dạng cho hố đào bao gồm phương pháp đơn giản hóa và phương pháp số Phương pháp số có thể được phân chia thành phương pháp dầm trên nền đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn Những phương pháp đó sẽ được trình bày lần lượt trong các chương 7 và 8 Trong chương này, chỉ có phương pháp đơn giản hóa được đề cập

Nhìn chung, các phương pháp đơn giản hóa sử dụng kết quả quan trắc của các trường hợp đào lịch sử và phân loại chúng dựa theo đặc tính ứng suất và biến dạng của tường và đất Những đặc tính này rất hữu dụng để hiểu ứng xử thực tế của hố đào nhưng không cung cấp được thông tin cho các phân tích ứng suất và biến dạng gây bởi đào sâu

Chừng nào biến dạng tường và sụt lún mặt đất còn được quan tâm, phương pháp đơn giản hóa lấy từ kết quả đo đạc thực tế vẫn có thể đặc trưng cho ảnh hưởng của mọi yếu tố liên quan lên biến dạng Do vậy, phương pháp này đưa ra những dự đoán hiệu quả mà không quá phức tạp cho các hố đào tương tự nhau về điều kiện địa chất, phương pháp xây dựng, và thiết kế kĩ thuật Bên cạnh đó, nhiều tác giả cũng thực hiện những nghiên cứu tham số có tính hệ thống để tiên đoán đặc tính biến dạng của hố đào và từ đó dự đoán biến dạng tường và sụt lún mặt đất Do dễ dàng trong việc áp dụng, những phương pháp dạng này được gọi là phương pháp đơn giản hóa Kết quả của phân tích biến dạng theo phương pháp đơn giản hóa khá tốt với các hố đào thông thường

Về đặc điểm, hệ thống chắn giữ hố đào là kết cấu siêu tĩnh và do vậy rất khó phân tích bằng tính tay trừ khi cách thức gia tải, điều kiện biên, và phương pháp phân tích được đơn giản hóa Các phương pháp phân tích ứng suất giới thiệu trong chương này được tổng hợp từ kinh nghiệm thực tiễn hoặc nhận xét của các nhà thiết kế và khả thi cho các trường hợp hố đào thông thường Thay vào đó, với những trường hợp hố đào đặc biệt (như kích thước hay chiều sâu đào lớn), phương pháp số trình bày trong các chương 7 và 8 nên được

áp dụng do phương pháp đơn giản hóa thiếu một cơ sở lí thuyết chắc chắn

Chương này sẽ sử dụng phần lớn kết quả đo đạc thực tế của trường hợp hố đào Trung Tâm Thương Mại Quốc Gia Đài Bắc (TNEC) để giải thích các ứng xử của hố đào Các chỉ số địa chất, quy trình thi công, và kết quả quan trắc của TNEC được trình bày trong phụ lục B

6.2 Phân tích sụt lún do thi công tường bê tông cốt thép

Như trình bày trong chương 3, trong thi công tường bê tông cốt thép, trước tiên tường được phân chia ra nhiều panen Trình tự thi công mỗi panen gồm có đào rãnh dẫn, thi công tường dẫn, đào hố (cho tường chắn), hạ cốt thép và đổ bê tông (xem mục 3.3.4, chương 3)

Chiều sâu của rãnh dẫn thường khoảng 2-3 m, đôi khi là 5 m Trước khi đổ bê tông tường dẫn, các rãnh dẫn (không được chống) thường là rãnh mở Sụt lún do đào rãnh dẫn thường xuất hiện lớn nhất ở bờ rãnh và giảm dần khi xa khỏi rãnh Vì cả kết quả đo đạc

và lí thuyết trong lĩnh vực này đều gần như không có cùng với việc sụt lún xuất hiện trong giai đoạn này là không đáng kể (Woo, 1992) nên chương này sẽ không đi sâu vào khai thác chủ đề này

Điều kiện ứng suất của đất trong khu vực xung quanh rãnh đào khi thi công tường bê tông cốt thép khá phức tạp Lấy việc thi công một panen tường làm ví dụ Để giữ cho hố đào panen khỏi sụp, dung dịch giữ thành cần được sử dụng trong quá trình đào Trong điều kiện thi công thông thường, việc đào hố panen có dung dịch giữ thành sẽ khiến cho trạng thái ứng suất của đất xung quanh hố panen chuyển từ trạng thái ban đầu K0 sang trạng thái cân bằng áp lực của dung dịch giữ thành Tuy nhiên, áp lực của dung dịch giữ thành thường nhỏ hơn áp lực ban đầu của đất và nước Do đó, việc đào hố panen sẽ làm giảm áp lực hông tổng của đất xung quanh hố đào, gây ra chuyển vị của đất, và cuối cùng

là sụt lún của mặt đất Trong quá trình đổ bê tông, áp lực hông trong hố panen sẽ lớn hơn

áp lực của dung dịch giữ thành do trọng lượng đơn vị của bê tông lớn hơn của dung dịch

giữ thành Bởi vậy, chuyển vị hông sinh ra trước đó sẽ bị đẩy trở lại và giảm đi trong khi

độ lớn của sụt lún mặt đất không thay đổi đáng kể

Ứng xử chuyển vị đất gây bởi việc đào hố panen không giống như khi đào chính Lí

do là vì sự khác biệt trong kích thước hình học của hố đào và phương pháp chống Các tỉ

số của chiều sâu trên chiều rộng và chiều sâu trên chiều dài đều lớn hơn của hố đào chính Thêm nữa là do ảnh hưởng của dung dịch giữ thành dùng để chống lại áp lực hông của đất và giữ ổn định hố đào panen Tuy vậy, bất chấp sự khác biệt trong hình dạng và công nghệ thi công, hố đào panen cũng là một dạng hố đào, gây ra chuyển vị cho dù bé hơn và phạm vi ảnh hưởng nhỏ hơn Hình dạng của sụt lún mặt đất về cơ bản giống với trường hợp hố đào chính Hơn nữa, vì tường bê tông cốt thép là tổng hợp của nhiều panen bê tông cốt thép nên sự sụt lún được tích lũy qua việc thi công từng panen và kết quả cuối cùng sẽ đáng kể hơn

Mặc dù các vấn đề liên quan tới chuyển vị của mặt đất trong thi công tường bê tông cốt thép đã dần dần thu hút được sự chú ý của nhiều kĩ sư, vẫn có rất ít các kết quả nghiên cứu do sự phức tạp của quá trình thi công và một thực tế là kết quả quan trắc hầu như không có Trong những năm 1980, có một số dự án quan trắc hiện trường và một vài kết quả thu được Tuy nhiên, hầu hết được thực hiện cho khảo sát chuyển vị trong thi công một panen đơn, chẳng hạn, những dự án tiến hành ở Oslo và Singapore, và gần như không

có kết quả nào về việc quan trắc chuyển vị cuối cùng sau khi thi công toàn bộ tường chắn Dựa trên các kết quả quan trắc hệ thống tàu điện ngầm tại Hồng Kông (Cowland và Thorley, 1985), sau khi thi công tường bê tông cốt thép và trước khi đào chính, chuyển

vị tích lũy có thể đạt 40-50% tổng chuyển vị sau khi hoàn thành hố đào chính Dựa trên nhiều kết quả quan trắc, Clough và O’Rourke (1990) phát hiện rằng tỉ số của sụt lún lớn nhất trong thi công tường bê tông cốt thép trên chiều sâu hố đào panen là khoảng 0.15%,

như trình bày trong hình 6.1 Chúng ta có thể thấy rằng, sụt lún của đất xung quanh hố đào panen là đáng kể và cần phải chú ý bảo vệ các công trình phụ cận

t H

d v

Do thi công nhiều tấm tường

Do thi công toàn bộ tường Đường bao Clough and O'Rourke

Do thi công 1 tấm tường đơn

t H

d v

t

H là chiều sâu hố đào panen) và sụt lún lớn nhất hầu hết xảy ra trong phạm vi 0.3H t

tính từ hố đào panen, như thể hiện trong hình 6.2 Phạm vi ảnh hưởng chính của sụt lún

là 0.5H t tính từ hố đào panen và rất ít sụt lún xảy ra ngoài 1.0H t tính từ hố đào panen

Việc đổ bê tông không gây ra sụt lún đáng kể nào Với các lớp đất sét-cát xen kẽ, sụt lún lớn nhất do một hố đào panen đơn là 10-15 mm và với đất sét biển Singapore là 24 mm (Poh và Wong, 1998)

Ou và Yang (2000) cũng nhận thấy rằng sụt lún tích lũy lớn nhất sau khi thi công một vài panen thử nghiệm là 0.07H t% (hình 6.2) và vị trí của sụt lún lớn nhất cũng như phạm

vi ảnh hưởng về cơ bản giống với trường hợp của hố đào panen đơn Mức độ sụt lún tích lũy lớn nhất sau khi thi công toàn bộ tường lớn hơn trường hợp panen đơn cũng như trường hợp nhiều panen thử nghiệm trên Mức độ lớn nhất của tổng sụt lún là khoảng

%

13

0 H t xảy ra tại vị trí 0.3H t tính từ tường Giá trị sụt lún tổng lớn nhất trên nhỏ hơn

kết quả nghiên cứu của Clough và O’Rourke (1990) (0.15H t%) Sụt lún trở nên khó quan

sát ngoài phạm vi 1.52H t tính từ tường

6.3 Đặc tính của chuyển vị tường do đào sâu

Độ lớn của chuyển vị tường được xác định từ lực bất cân bằng do đào sâu, độ cứng của

hệ thống chắn giữ, ổn định hố đào, v.v Lực bất cân bằng là kết quả tổng hợp của nhiều yếu tố như chiều rộng hố đào, chiều sâu hố đào, gia tải trước, v.v Mối liên hệ của các yếu tố này với chuyển vị có thể được suy luận từ lý thuyết Chẳng hạn, nếu tường càng dày, hố đào càng hẹp và nông, độ cứng thanh chống càng lớn, gia tải trước càng nhiều,

và hệ số an toàn ổn định càng cao thì chuyển vị tường càng nhỏ Một số yếu tố có liên hệ phức tạp với chuyển vị và mục này sẽ đi sâu vào tìm hiểu các vấn đề đó

6.3.1 Các hệ số an toàn ổn định

Hệ số an toàn càng nhỏ thì ổn định của hố đào càng thấp Khi hố đào sụp đổ do hệ số an toàn không đủ, nó sẽ gây ra chuyển vị lớn tường chắn Do vậy, chúng ta có thể thấy rằng chuyển vị của tường liên quan mật thiết với hệ số an toàn Rất nhiều trường hợp hố đào

thực tế đã được tổng hợp bởi Clough và O’Rourke (1990) và trình bày trong hình 6.3 Như thể hiện trong hình này, hế số an toàn chống phá hoại đẩy trồi (F b) càng nhỏ thì

chuyển vị của tường chắn càng lớn Khi hệ số an toàn tiệm cận 1.0, hố đào sẽ tiến tới sự sụp đổ và chuyển vị lớn của tường sẽ xuất hiện Sự liên hệ giữa hệ số an toàn chống phá hoại đẩy vào và chuyển vị tường tương tự như trong hình 6.3

6.3.2 Chiều rộng hố đào

Clough và O’Rourke (1990) tìm ra rằng nếu hố đào càng rộng thì chuyển vị tường càng lớn Thực tế, khi hố đào rộng hơn, lực bất cân bằng sẽ càng lớn; lực bất cần bằng càng lớn thì chuyển vị tường càng lớn Thêm nữa, hệ số an toàn chống phá hoại đẩy trồi của đất sét yếu giảm theo sự gia tăng chiều rộng hố đào (xem mục 5.5.2, chương 5) Trong khi đó, như giải thích trong mục 6.2.1, chuyển vị tường lại tăng cùng sự giảm thiểu của



5 3



h

b F

Tường BTCT dày 1 m

Hình 6.3 Quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của tường, độ cứng của hệ thống chống, và hệ

số an toàn chống đẩy trồi (EI là độ cứng của tường, w là trọng lượng đơn vị của nước,

)

EI  là độ cứng của hệ thống tường chắn) (Clough và O’Rourke, 1990)

6.3.3 Chiều sâu hố đào

Hình 6.4 trình bày mối liên hệ giữa chuyển vị của các hố đào trong khu vực Đài Bắc và

chiều sâu đào (Ou et al., 1993) Như minh họa trong hình này, trong hầu hết các trường

hợp thực tế, chuyển vị tường xấu đi cùng sự gia tăng chiều sâu đào Chuyển vị tường trong đất sét yếu nhìn chung lớn hơn trong đất cát Chúng ta có thể quan sát từ hình trên rằng chuyển vị lớn nhất (hm) có thể ước lượng được từ phương trình sau:

e

hm(0.20.5%)H

 (6.1) Trong đó, H e là chiều sâu đào

Cận trên của giá trị hm được đề xuất sử dụng cho đất sét yếu, cận dưới nên sử dụng cho đất cát, và giá trị trung bình nên dùng cho các lớp đất xen kẽ sét và cát Khi phương pháp đào ngược được áp dụng trong đất sét yếu, giá trị hm có thể vượt qua cận trên Lí giải cho vấn đề này được đề cập trong mục 6.6

6.3.4 Chiều sâu chôn tường

Hình 6.5 thể hiện mối liên hệ giữa chuyển vị tường do đào sâu 20 m và chiều sâu chôn tường phân tích bởi phương pháp phần tử hữu hạn Như trình bày trong hình, khi sức kháng cắt chuẩn hóa của đất là s u/v' 0.36, chuyển vị của tường tương ứng với các chiều sâu chôn tường H p 15m và H p 20m là như nhau Khi H p 10.0m, mặc dù

chuyển vị tường giảm đôi chút, hố đào vẫn đứng vững Khi H p 4.0m, chân tường bị

“bật ra”, chứng tỏ rằng phá hoại đẩy trồi đã xảy ra và chuyển vị tường tăng đột ngột

Hình 6.5 cũng trình bày mối liên hệ giữa chuyển vị và chiều sâu chôn tường khi

Chúng ta có thể thấy từ phần thảo luận ở trên rằng khi tường chắn còn ổn định thì sự gia tăng chiều sâu chôn tường sẽ không ảnh hưởng tới chuyển vị tường

0

1 5

2 0

2 5

3 0 0.00

STAGE 7

36 0

Chuyển vị ngang của tường (cm)

Hình 6.5 Quan hệ giữa chiều sâu chôn tường và chuyển vị tường

6.3.5 Độ cứng tường

Về lý thuyết, chuyển vị tường sẽ giảm cùng với sự gia tăng độ cứng tường Tuy vậy, lượng giảm chuyển vị không liên quan tuyến tính với việc tăng độ cứng Sự gia tăng của chiều dày tường hay độ cứng tường chắc chắn làm giảm chuyển vị hiệu quả nhưng chỉ tới

một giới hạn nhất định (Hsieh, 1999) Do đó, giảm chuyển vị bằng việc tăng chiều dày tường không phải là hoàn toàn hiệu quả

6.3.6 Độ cứng thanh chống

Như trình bày trong hình 6.6a, khi giai đoạn đào đầu tiên khởi động, chuyển vị tường có dạng công xôn Giai đoạn đào thứ hai bắt đầu sau khi lắp đặt tầng chống đầu tiên Nếu độ cứng của các thanh chống đủ lớn, độ nén của các thanh chống sẽ khá nhỏ, do đó, tường

sẽ xoay quanh điểm tiếp xúc giữa tường và thanh chống, và chuyển vị tường được tạo ra Chuyển vị tường lớn nhất sẽ xuất hiện ở mặt hố đào như minh họa trong hình 6.6 Sau khi hoàn thành giai đoạn đào thứ hai, giai đoạn thứ ba sẽ khởi động Giả sử độ cứng của tầng chống thứ hai cũng đủ lớn Tường sẽ tiếp tục xoay quanh điểm tiếp xúc với tầng chống thứ hai và chuyển vị tường tiếp tục được tạo ra Vị trí của chuyển vị lớn nhất sẽ nằm gần mặt hố đào (hình 6.6c) Nếu lớp đất phía dưới mặt hố đào là đất yếu, lực chống chịu để ngăn chuyển vị tường khỏi đẩy vào sẽ yếu và vị trí của chuyển vị lớn nhất sẽ ở phía dưới mặt hố đào Suy diễn tương tự, đào sâu trong đất cứng (như đất cát) sẽ gây ra chuyển vị lớn nhất phía trên mặt hố đào Thực tế, vị trí của chuyển vị tường lớn nhất phần

lớn nằm gần mặt hố đào trong nhiều trường hợp ở Đài Bắc (Ou et al., 1993)

Như thể hiện trong hình 6.7, khi độ cứng của các thanh chống không đủ lớn, độ nén của các thanh chống sẽ khá lớn và chuyển vị tường lớn hơn sẽ xảy ra tại các điểm tiếp xúc với tầng chống trong các giai đoạn đào thứ hai và thứ ba Hình dạng chuyển vị cuối cùng của tường sẽ giống với dạng công xôn và chuyển vị tường lớn nhất sẽ xuất hiện ở đỉnh tường

Hình 6.8a là chuyển vị hông của tường tương ứng với từng giai đoạn đào trong trường

hợp TNEC (Ou et al., 1998) Vì phương pháp đào ngược được áp dụng trong trường hợp

này, độ cứng dọc trục của sàn khá lớn và đặc điểm biến dạng tường giống như trình bày trong hình 6.6 với chuyển vị tường lớn nhất nằm tại bề mặt hố đào

6.3.7 Khoảng cách chống

Khoảng cách chống có thể được phân biệt thành khoảng cách ngang và khoảng cách dọc Khoảng cách ngang càng hẹp thì độ cứng của các thanh chống trên chiều rộng đơn vị càng lớn Kết quả sẽ giống như trình bày trong mục 6.3.6 và vấn đề này sẽ không được

đề cập tiếp ở đây

Việc giảm khoảng cách đứng giữa các tầng chống có thể giảm hiệu quả biến dạng tường do độ cứng của tầng chống được gia tăng Độ cứng tầng chống tăng sẽ làm giảm chuyển vị tường Xét ở khía cạnh khác, vì chuyển vị của tường là kết quả tích lũy của tất

cả các giai đoạn đào với chiều dài tường không chống trong mỗi giai đoạn đào giảm dần theo khoảng cách đứng của tầng chống nên chuyển vị tường sẽ giảm Chiều dài tường không chống là khoảng cách từ tầng chống cuối cùng tới mặt hố đào

Cơ chế ảnh hưởng của chiều dài tường không chống lên chuyển vị tường có thể xem

ở mục 11.4.1, chương 11

(a)

Thanh chống

Bề mặt đào

Tường chắn

Hình 6.6 Quan hệ giữa hình dạng chuyển vị tường và độ cứng thanh chống lớn: (a) giai đoạn đào thứ nhất, (b) giai đoạn đào thứ hai, và (c) giai đoạn đào thứ ba

(b) (c) (a)

Thanh chống

0

Giai đoạn 1 Giai đoạn 3 Giai đoạn 5 Giai đoạn 7 Giai đoạn 9 Giai đoạn 11B Giai đoạn 13

Hình 6.8 Chuyển vị hông của tường và sụt lún mặt đất của hố đào TNEC: (a) chuyển vị

hông của tường và (b) sụt lún mặt đất (Ou et al., 1998)

Phản lực đất

Thanh

chống

Áp lực đất chủ động

Hình 6.9 Quan hệ giữa áp lực đất, lực chống, và phản lực của đất

6.3.8 Gia tải chống

Khi áp dụng phương pháp đào có chống (hay phương pháp đào có neo), việc gia tải trước thường được vận dụng cho các thanh chống Giả sử các thanh chống được đặt ở vị trí nông Ở điều kiện thông thường, gia tải trước có thể đẩy tường chuyển vị lùi lại Nếu các thanh chống nằm sâu hơn, do áp lực đất tăng theo chiều sâu, việc gia tải trước sẽ không

thể đẩy lùi tường dễ dàng (Ou et al., 1998)

Thực tế, bất kể việc gia tải trước có thể đẩy lùi tường chắn lại hay không, lực gia tải trước luôn có tác dụng giảm chuyển vị tường hoặc sụt lún mặt đất Lí do cho vấn đề này

có thể xem ở hình 6.9 Như lí giải trong mục 5.4, thiết kế của hố đào có chống được dựa trên phương pháp hệ chắn đất tự do Do vậy, chuyển vị tường hướng vào hố đào là không thể tránh khỏi một khi đào sâu được tiến hành và hiện tượng này sẽ khiến áp lực đất sau tường tiến dần tới áp lực chủ động Hình 6.9 mô tả cách thức các thanh chống và đất cùng chống chịu áp lực chủ động sau tường chắn Căn cứ vào điều kiện cân bằng lực của tường, khi thanh chống chịu nhiều áp lực đất hơn do việc gia tải trước, đất phía dưới mặt hố đào

sẽ chịu áp lực ít hơn, và do đó gây ra chuyển vị tường và sụt lún mặt đất ít hơn

6.4 Đặc tính của sụt lún mặt đất do đào sâu

Quan sát các hình dạng và loại sụt lún mặt đất (như minh họa trong các hình 6.6 và 6.7), chúng ta có thể thấy rằng đất phía sau tường dịch chuyển về phía trước và hướng xuống theo chuyển vị tường trong điều kiện thông thường và do đó gây ra sụt lún mặt đất Như vậy, các tác nhân gây ra chuyển vị tường cũng sẽ gây ra sụt lún mặt đất Mục này sẽ trình bày lại các yếu tố như độ cứng thanh chống, gia tải trước, hệ số an toàn ổn định, chiều sâu đào, và chiều rộng hố đào, v.v và tập trung vào đặc tính sụt lún của mặt đất

Tường chắn

Sụt lún kiểu lòng chảo Sụt lún kiểu dốc

m D

Hình 6.10 Loại sụt lún mặt đất

6.4.1 Hình dạng và loại sụt lún mặt đất

Tác giả tìm ra rằng hình dạng và loại sụt lún mặt đất do đào sâu có thể được phân loại thành kiểu dốc và kiểu lòng chảo như minh họa trong hình 6.10 (Hsieh và Ou, 1998) Các yếu tố chính tạo nên hai kiểu này của sụt lún mặt đất là cường độ và hình dạng của chuyển

vị tường

Nếu giai đoạn đào đầu tiên tạo ra nhiều chuyển vị tường hơn các giai đoạn tiếp theo hoặc việc đào sâu tiếp tục tạo ra chuyển vị tường dạng công xôn trong các giai đoạn kế tiếp, sụt lún kiểu dốc sẽ dễ xảy ra và sụt lún lớn nhất sẽ xuất hiện gần vị trí tường chắn Nếu tường có một chuyển vị lồi như trong hình 6.6, sụt lún lớn nhất sẽ nằm cách tường một đoạn và sụt lún kiểu lòng chảo sẽ hình thành

Trong điều kiện thông thường, đào sâu trong đất sét yếu có xu hướng gây ra nhiều chuyển vị tường có dạng chuyển vị lồi và dẫn tới kiểu sụt lún lòng chảo Mặt khác, đào sâu trong đất cát hoặc sét cứng gây ra ít chuyển vị tường và kiểu sụt lún dốc dễ được tạo

ra (Clough và O’Rourke, 1990)

Như đã thảo luận ở trên, hình dạng của sụt lún mặt đất được giả sử có liên hệ với diện tích phần công xôn và diện tích phần lồi của chuyển vị tường Để dự đoán dạng sụt lún mặt đất dựa trên chuyển vị tường, tác giả định nghĩa A c là diện tích phần công xôn và A s

là diện tích của tổng chuyển vị tường trừ đi diện tích phần công xôn (Hsieh và Ou, 1998), như minh họa trong hình 6.11 A c được xác định như sau:

),

A  (6.2) Trong đó, A c1 là diện tích biến dạng công xôn của tường ở giai đoạn đầu của đào sâu và

2

A là diện tích phần công xôn của chuyển vị tường ở giai đoạn đào cuối cùng

Để nghiên cứu mối liên hệ giữa hình dạng của chuyển vị tường và của sụt lún mặt đất, tác giả đã thu thập kết quả quan trắc của 16 trường hợp sụt lún lòng chảo và 7 trường hợp sụt lún dốc để tính toán các diện tích A c và A s Quan hệ giữa A c và A s của 16 trường

hợp thực tế được thể hiện trong hình 6.12 Các xu hướng có thể thấy được như sau: khi

c

A lớn hơn 1.6A s, hình dạng của sụt lún sẽ là kiểu lòng chảo và ngược lại sẽ là kiểu dốc

Do vậy, để dự đoán kiểu sụt lún, chúng ta có thể tham khảo quan hệ giữa A c và A s

Khi A c 1.6A s, ta có thể đoán rằng sụt lún mặt đất là kiểu dốc Khi A c 1.6A s, sụt lún

là kiểu lòng chảo

Giai đoạn đào cuối

2

c A

s A

2

1 , max c c

A Hình 6.11 Định nghĩa của các diện tích phần lồi và phần công xôn của chuyển vị tường

1 2

c c

e

8

9 10

11

a f fd

Kiểu lòng chảo Kiểu dốc

6.4.2 Vùng ảnh hưởng của sụt lún

Peck (1969b) đề xuất rằng vùng ảnh hưởng của sụt lún sẽ là hai hoặc ba lần chiều sâu đào Clough và O’Rourke (1990) cho rằng đào sâu trong đất cát có thể tạo ra vùng ảnh hưởng của sụt lún khoảng hai lần chiều sâu đào và trong đất sét cứng tới rất cứng là ba lần chiều sâu đào Cùng với nhận định trên, có rất nhiều tác giả cũng đề xuất các giá trị của vùng ảnh hưởng (chẳng hạn Nicholson, 1987) Tuy thế, hầu hết họ thiếu một định nghĩa chuẩn tắc về vùng ảnh hưởng của sụt lún và chiều sâu đào là yếu tố duy nhất trong ước lượng vùng ảnh hưởng Nhưng dựa theo các phấn tích số và nghiên cứu đặc tính sụt lún mặt đất tử nhiều trường hợp đào thực tế của tác giả, vùng ảnh hưởng của sụt lún không chỉ liên hệ với riêng chiều sâu đào Nó còn có liên hệ với chiều rộng hố đào, chiều sâu lớp đất cứng, v.v

Như đã thảo luận ở trên, các kiểu sụt lún do đào sâu gồm có kiểu dốc và kiểu lòng chảo Tác giả (Hsieh và Ou, 1998) đã đề xuất khái niệm vùng ảnh hưởng chính yếu (PIZ)

và vùng ảnh hưởng thứ yếu (SIZ) dựa trên nguyên lý cơ học và phân tích hồi quy của các trường hợp đào thực tế Chúng tôi khẳng định rằng vùng ảnh hưởng có thể trải dài rất xa

và phân bố của sụt lún luôn bao gồm vùng ảnh hưởng chủ yếu và vùng ảnh hưởng thứ yếu bất kể kiểu sụt lún là kiểu dốc hay kiểu lòng chảo Đường sụt lún sẽ dốc hơn trong vùng ảnh hưởng chủ yếu mà ở đó các công trình hứng chịu nhiều tác động hơn Trong vùng ảnh hưởng thứ yếu, độ dốc của đường sụt lún thoải hơn và ảnh hưởng lên các công trình ít hơn Phạm vi của vùng ảnh hưởng thứ yếu xấp xỉ bằng vùng ảnh hưởng chủ yếu Sụt lún có thể xuất hiện ngoài vùng ảnh hưởng thứ yếu nhưng cường độ nhỏ tới mức không nhận thấy bằng mắt được và ảnh hưởng lên các công trình có thể bỏ qua

Lấy sụt lún mặt đất của hố đào TNEC, như trình bày trong hình 6.8b, làm ví dụ minh họa cho đặc tính của các vùng ảnh hưởng:

1 Ngay khi đào sâu bắt đầu, sụt lún bắt đầu xuất hiện và vùng ảnh hưởng của nó là

lớn Chiều sâu đào của giai đoạn thứ ba là 4.9 mtrong khi vùng ảnh hưởng của sụt lún lan tới 50 m tính từ tường chắn Trong giai đoạn này, vùng ảnh hưởng chủ yếu

và vùng ảnh hưởng thứ yếu không thể phân biệt được

2 Trong giai đoạn đào thứ năm (chiều sâu đào 8.6 m), vùng ảnh hưởng chủ yếu (kéo dài tới 32 m tính từ tường) bắt đầu trở nên rõ ràng trong máng lún

3 Sau giai đoạn thứ năm, bất kể chiều sâu đào tiếp tục tăng, phạm vi của vùng ảnh

hưởng chủ yếu không đổi

Căn cứ vào quan sát trên, chiều sâu đào sẽ không phải là yếu tố duy nhất ảnh hưởng

tới phạm vi ảnh hưởng lún Do đó, Ou và Hsieh (Ou và Hsieh, 2000; Ou et al., 2005) đã

thiết lập một phương pháp đơn giản hóa được kiểm chứng bằng các phân tích phần tử hữu hạn cùng với các trường hợp đào thực tế như trình bày trong mục 6.8.5 để ước lượng

phạm vi ảnh hưởng lún dựa trên các vùng phá hoại khả dĩ Phương pháp này được mô tả như sau

Dựa vào ứng xử của đất khi chịu tải, biến dạng của đất sẽ tăng đột ngột khi đất tiến sát tới hoặc đã phá hoại Chuyển vị hay biến dạng trong vùng ảnh hưởng chủ yếu khá lớn

và chúng ta có thể giả sử vùng này là vùng phá hoại khả dĩ Căn cứ vào lí giải về cơ chế của phá hoại tổng thể trong chương 5, phá hoại do đào sâu có thể được phân thành phá hoại đẩy vào và phá hoại đẩy trồi Phá hoại đẩy vào có thể xảy ra trong đất cát, sét, hay bất kì loại đất nào khác (ngoại trừ đất cứng) trong khi phái hoại đẩy trồi chỉ xảy ra trong đất sét yếu

Do việc thiết kế tường có chống dựa theo phương pháp hệ chắn đất tự do, không chỉ chân tường có chuyển vị mà cả đất dưới chân tường cũng có thể dịch chuyển Nếu chúng

ta giả sử rằng sự dịch chuyển của đất không bị hạn chế (hay các lớp đất cứng nằm rất sâu), sự hình thành của phá hoại chủ động sau tường sẽ không bị ngăn lại và vùng phá hoại chủ động sẽ là khoảng hai lần chiều sâu đào (2H e) Khi tầng đất cứng đủ nông để ngăn cản chuyển vị, phạm vi vùng phá hoại chủ động sẽ gần bằng chiều sâu tầng đất cứng Trong trường hợp này, vùng phá hoại khả dĩ theo kiểu phá hoại đẩy vào có thể được xác định như sau:

𝑃𝐼𝑍1 = min⁡(2𝐻𝑒, 𝐻𝑔) (6.3) Trong đó Hg là chiều sâu tầng đất cứng

(b)

f

H

Đất cát hoặc đất cứng Đất yếu

PIZ, phụ thuộc vào B

PIZ, phụ thuộc vào H f

Hình 6.13 Vùng ảnh hưởng chính yếu gây bởi các mặt phá hoại đẩy trồi khả dĩ

Hố đào trong đất sét yếu cũng có thể gây ra phá hoại đẩy trồi Như trình bày trong hình 6.13, mặt phá hoại đẩy trồi khả dĩ có thể là mặt có tâm là đỉnh tường và bán kính là chiều rộng hố đào (B trong hình 6.13) Khi sự hình thành của mặt phá hoại đẩy trồi khả

dĩ không bị hạn chế bởi các tầng đất cát và đất cứng, phạm vi của mặt phá hoại khả dĩ đẩy trồi phía sau tường sẽ mở ra tới hết chiều rộng hố đào Nếu tầng đất cát và đất cứng nằm

ở vị trí nông hơn, mặt phá hoại đẩy trồi khả dĩ sẽ xuất hiện tiếp xúc với các tầng này và phạm vi mặt phá hoại sẽ kéo dài từ mặt đất tới đáy của lớp đất sét nền Bởi vậy, vùng phá hoại khả dĩ theo kiểu phá hoại đẩy trồi có thể được xác định như sau:

𝑃𝐼𝑍2 = min⁡(𝐻𝑓, 𝐵) (6.4) Trong đó, Hf là chiều dày lớp đất sét nền và B là chiều rộng hố đào

Cả PIZ1 và PIZ2 là các vùng phá hoại khả dĩ Vùng ảnh hưởng chính của lún gây bởi đào sâu sẽ là vùng lớn nhất trong hai vùng phá hoại trên Khi đó, vùng ảnh hưởng chính yếu sẽ là giá trị lớn hơn giữa PIZ1 và PIZ2:

𝑃𝐼𝑍 = max⁡(𝑃𝐼𝑍1, 𝑃𝐼𝑍2) (6.5)

6.4.3 Vị trí lún lớn nhất

Như minh họa trong hình 6.10, sụt lún nền lớn nhất theo kiểu dốc xuất hiện ở gần tường

chắn Trong khi đó, các tài liệu của Nicholson (1987) và Ou et al (1993) đã cho rằng sụt

lún nền lớn nhất theo kiểu lòng chảo sẽ xảy ra ở khoảng cách 0.5He tính từ tường Tuy vậy, dựa trên các đường lún phổ biến của hố đào tại khu vực Đài Bắc, như trình bày trong hình 6.8, thì vị trí của sụt lún nền lớn nhất được xác định ngay từ thời điểm khởi đầu công tác đào và sẽ không dịch chuyển theo chiều sâu đào sau đó Vì vậy, cả hai nghiên cứu trước đó của Nicholson và Ou đều không phản ánh đúng tính chất thực tế của lún kiểu lòng chảo

Căn cứ theo các nghiên cứu tham số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Ou và

Hsieh, 2000; Ou et al., 2005), vị trí của sụt lún lớn nhất theo kiểu lòng chảo có thể được

xác định theo công thức: 𝐷𝑚 = 𝑃𝐼𝑍/3 (Lưu ý: khái niệm của Dm có thể xem hình 6.10) Như diễn giải ở trên, vùng ảnh hưởng chính yếu (PIZ) được xác định ngay từ thời điểm đầu của công tác đào và vị trí của sụt lún lớn nhất (Dm), vốn dĩ không thay đổi theo chiều sâu đào, sẽ được xác định theo Kết quả này khớp với các quan sát thực tế (xem hình 6.8b)

Chicago Đài Bắc

Hình 6.14 Giá trị lớn nhất của sụt lún nền và chuyển vị ngang của tường (Ou et al., 1993)

Vì các yếu tố ảnh hướng tới chuyển vị tường cũng ảnh hưởng tới sụt lún nền, do vậy, cũng tồn tại các mối liên hệ giữa chuyển vị lớn nhất của tường với sụt lún lớn nhất của nền Hình 6.14 minh họa các quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của tường với sụt lún lớn

nhất của nền quan sát từ các trường hợp hố đào ở Đài Bắc, Chicago, San Francisco, và

Oslo (Mana và Clough, 1981; Ou et al., 1993) Chúng ta có thể quan sát thấy rằng 𝛿𝑣𝑚 =(0.5~0.75)𝛿ℎ𝑚 với hầu hết các trường hợp, trong đó cận dưới tương ứng với đất cát, cận trên ứng với đất sét, và các giá trị giữa tương ứng với đất xen kẽ cát và sét Với sét rất yếu, 𝛿𝑣𝑚 có thể vượt trên 1.0𝛿ℎ𝑚

Do đó, để ước lượng sụt lún lớn nhất của nền, chúng ta có thể sử dụng phương pháp dầm trên nền đàn hồi hoặc phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán giá trị lớn nhất của chuyển vị tường gây bởi công tác đào và sau đó ước lượng sụt lún lớn nhất theo hình 6.14 (Lưu ý: lí do không áp dụng trực tiếp phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán lún nền

có thể xem ở mục 8.11) Do các phân tích theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi hoặc phương pháp phần tử hữu hạn có thể kể tới rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chuyển vị tường (như chất lượng mẫu đất, hệ số an toàn ổn định, tầng chống, v.v.), giá trị lớn nhất của chuyển vị tường tính toán được là khá chính xác

6.4.5 Liên hệ giữa sụt lún nền và chuyển vị đất

Cường độ và phân bố của sụt lún trình bày ở trên đều đề cập tới chuyển vị của nền đất Thực tế, hầu hết móng được đặt ở độ sâu nhất định dưới nền đất Cách xác định lún của móng rất đáng quan tâm và vẫn cần phải giải quyết Do thiếu các nghiên cứu đáng tin cậy, nhiều kĩ sư giả sử rằng sụt lún lớn nhất do công tác đào xảy ra trên nền đất và sụt lún giảm theo chiều sâu

Hình 6.15 Vectơ chuyển vị ở các điểm trong đất bên ngoài hố đào TNEC (Ou et al.,

2000)

Hình 6.15 là các giá trị quan trắc của vectơ chuyển vị trong đất dưới mặt nền và đằng

sau tường chắn ở giai đoạn đào cuối cùng của hố đào TNEC (Ou et al., 2000) Ta có thể

thấy từ hình trên rằng đất lún xuống và di chuyển hướng tới khu vực đào Đất phía sau tường và ngang mực đào di chuyển hướng vào khu vực đào theo phương ngang nhiều hơn phương đứng (hướng xuống) Dịch chuyển thẳng đứng của đất bên trên mực đào cơ bản

là bằng nhau Mặt khác, dịch chuyển thẳng đứng của đất dưới mực đào giảm theo chiều sâu tính từ mực đào Dữ liệu trong hình 6.15 có thể sử dụng để tính lún của móng công trình

6.5 Đặc điểm của đẩy trồi ở đáy hố đào do đào sâu

Các nguyên nhân của việc đẩy trồi ở đáy hố đào gồm có dỡ tải đàn hồi do việc di dời đất, chuyển vị ngang của phần ngàm của tường, hoặc biến dạng dẻo của đất dưới mực đào (hình 6.16) Dựa theo cơ chế xuất hiện của đẩy trồi, ta có thể thấy đẩy trồi lớn nhất xuất hiện gần mực đào và cường độ giảm theo chiều sâu tính từ mực đào

Thanh chống bị bẻ cong

Trụ chống trung tâm

Hình 6.17 Ảnh hưởng của việc đẩy trồi trụ chống trung tâm lên tầng chống ngang

Quan trắc chuyển vị đất ở đáy hố đào là khó khăn và có rất ít nghiên cứu về vấn đề này (xem chương 12) Hình 6.18 cung cấp các giá trị đo được của chuyển vị đất ở đáy hố đào xảy ra tại các khu vực T1, T2, K1, và K2 của Đài Bắc (đất trong khu vực K1 và K2 phần lớn là sét yếu trong khi khu vực T1 và T2 là đất xen kẽ cát và sét) Hình 6.19 là kết quả đo chuyển vị ở đáy hố đào của hố đào TNEC Hai hình trên có thể được tham khảo cho thiết kế sơ bộ

Chiều sâu đào (m)Hình 6.18 Quan hệ giữa chuyển vị đẩy trồi ở đáy hố đào và chiều sâu đào (Woo và Moh, 1990)

(21) (2) (15)

Chiều sâu đào (m)

Hình 6.19 Chuyển vị đẩy trồi ở đáy hố đào và chiều sâu đào của hố đào TNEC (Ou et

al., 1998)

6.6 Chuyển vị theo thời gian

Thi công theo phương pháp đào ngược cần nhiều thời gian để dựng ván khuân, đổ sàn, và chờ bê tông đạt cường độ yêu cầu trước khi tiến hành công tác đào Đôi khi, để thuận tiện cho việc thi công, giai đoạn đào tiếp theo không được bắt đầu cho tới khi việc xây dựng kết cấu bên trên đạt tiến độ đề ra Lấy trường hợp hố đào TNEC làm ví dụ, mỗi giai đoạn đào cần chờ từ 30-60 ngày (khoảng thời gian từ khi kết thúc giai đoạn đào này tới lúc bắt đầu giai đoạn đào tiếp theo) Theo các số liệu quan trắc, trong giai đoạn chờ, chuyển vị ngang của tường, sụt lún của mặt đất, và chuyển vị đất ở đáy hố đào đều tăng bất chấp việc không có hoạt động đào nào diễn ra Tác giả suy đoán lí do của hiện tượng này có lẽ

do sự tiêu tan của áp lực nước lỗ rỗng dư hoặc từ biến của đất, đặc biệt là từ biến Do đó, mục này sẽ gói gọn trong việc giới thiệu đặc điểm của ảnh hưởng do từ biến lên chuyển

vị và các kết quả đo có thể dùng trong thiết kế của các kĩ sư

Khoảng cách tới tường (m)

Hình 6.20 Chuyển vị tường và sụt lún mặt đất theo thời gian của hố đào TNEC: (a) chuyển

vị tường và (b) sụt lún mặt đất (Ou et al., 1998)

Hình 6.20 trình bày sự gia tăng chuyển vị tường trong giai đoạn chờ Lấy trường hợp chiều sâu hố đào 8.6 m làm ví dụ, giai đoạn chờ từ ngày thứ 256 tới ngày thứ 281, chuyển

vị lớn nhất của tường tăng lên từ 4.40 tới 4.81 cm so với giá trị gốc Hình 6.21 cho biết mối liên hệ giữa tốc độ tăng lớn nhất của chuyển vị tường (∆𝛿∆𝑡)𝑚𝑎𝑥⁡với chiều sâu đào Tốc

độ tăng lớn nhất được định nghĩa là tỷ số giữa phần gia tăng lớn nhất của chuyển vị tường với thời gian chờ Ta có thể thấy rằng chiều sâu đào càng lớn thì tốc độ này càng cao Bên cạnh đó, các trạm đo chuyển vị cũng được lắp đặt trong đất ở ngoài khu vực đào và kết quả quan trắc cho thấy đặc điểm của tốc độ chuyển vị ngang của đất khá tương đương với của tường Đất càng ở xa tường thì tốc độ chuyển vị ngang càng giảm Lí do có thể là vì cấp độ ứng suất trong đất giảm dần theo khoảng cách tới tường (cấp độ ứng suất là tỷ số giữa ứng suất cắt với sức kháng cắt của đất Tại thời điểm phá hoại, cấp độ ứng suất là

1.0) Cấp độ ứng suất càng nhỏ thì ứng xử từ biến càng ít Ou et al (1998) nhận thấy từ

các nghiên cứu của hố đào TNEC rằng chuyển vị tường phát sinh trong giai đoạn chờ tăng tới 30-35% tổng chuyển vị, một tỷ lệ khá cao

(22)

(30)

(6)(10)

(23)(42) (25)

(20)

(22)(30)(6)

I-1I-2I-3

Hình 6.21 Quan hệ giữa tốc độ tăng của chuyển vị tường lớn nhất và chiều sâu đào của

hố đào TNEC (Ou et al., 1998)

Mana và Clough (1981) cho rằng khi hệ số an toàn chống phá hoại đẩy trồi nhỏ, từ biến thường xảy ra căn cứ theo các trường hợp hố đào ở Chicago và San Francisco Nghiên cứu của họ cũng chỉ ra rằng tốc dộ chuyển vị tường vào khoảng 0.3-30 mm/ngày

ở các trường hợp này và lớn hơn rất nhiều ở hố đào TNEC Lí do của sự khác biệt đáng

kể này liên quan chủ yếu tới cấp độ ứng suất của đất Ở thời điểm nghiên cứu của Mana

và Clough, tường cừ ván thép được sử dụng làm kết cấu chắn giữ Mặc dù chiều sâu đào khá nhỏ, từ 9.1 m tới 13.5 m, chuyển vị ngang của tường chắn vẫn lớn tới mức đất xung quanh hố đào có thể quan sát được ở sát trạng thái phá hoại Do đó, các cấp độ ứng suất

ở đây lớn hơn nhiều so với trường hợp TNEC và gây ra tốc độ chuyển vị lớn hơn

Hình 6.20b trình bày sụt lún của mặt đất trong thời gian chờ ở các giai đoạn đào khác nhau Ta có thể thấy rằng sụt lún phát triển theo thời gian ở mỗi chiều sâu đào Ứng xử

của sụt lún khá giống với trường hợp chuyển vị tường Hình 6.22 là quan hệ giữa tốc độ của sụt lún ở mặt đất (∆𝑠

∆𝑡)⁡tại vị trí cách tường 13 m với chiều sâu đào Tốc độ sụt lún là

tỷ số của sự gia tăng sụt lún với thời gian chờ Như thể hiện trong hình, tốc độ sụt lún (∆𝑠∆𝑡)⁡tăng nhanh hơn theo chiều sâu đào Nghiên cứu của Ou et al cũng thấy rằng sụt lún

sinh ra trong thời gian chờ có thể chiếm tới 43% tổng sụt lún của mặt đất Đây là một tỷ

(23)(50)

(21)

(20)(46)

Chiều sâu đào (m)

Hình 6.22 Quan hệ giữa tốc độ tăng sụt lún của mặt đất và chiều sâu đào của hố đào

TNEC (Ou et al., 1998)

Hình 6.19 cũng trình bày độ lớn chuyển vị ở đáy hố đào tăng theo thời gian chờ Nếu cho rằng nguyên nhân từ sự dịch chuyển của đất, ta có thể nói rằng tốc độ chuyển vị đất

do từ biến tăng theo chiều sâu đào và giảm theo sự gia tăng của hệ số an toàn chống phá hoại đẩy trồi

6.7 Phân tích chuyển vị tường do đào sâu

Như đã trình bày ở mục 6.3, ngoài các yếu tố có liên quan tới đất, các yếu tố ảnh hưởng tới chuyển vị tường là chiều rộng hố đào, chiều sâu đào, hệ số an toàn ổn định, chiếu sâu chôn tường, độ cứng thanh chống, và gia tải trước trong thanh chống, v.v Do vậy, Clough

và O’Rourke (1990) đã thiết lập hình 6.3 để ước lượng chuyển vị lớn nhất của tường chắn

hố đào trong sét yếu và trung bình dựa trên kết quả của nghiên cứu tham số dùng phương pháp phần từ hữu hạn Các yếu tố ảnh hưởng trong hình gồm có hệ số an toàn ổn định và

độ cứng của hệ thống chống (kể tới khoảng cách theo phương đứng của các thanh chống ngang và độ cứng chống uốn của tường chắn), v.v

Mặc dù hình 6.3 có thể dùng để ước lượng chuyển vị tường gây bởi đào sâu, tất cả các yếu tố ảnh hưởng vẫn chưa được xét hết Hơn nữa, có nhiều tham số khác cần được giả sử khi sử dụng hình 6.3 Kết quả là, hình vẽ này quá phức tạp để có thể sử dụng trong ước lượng sơ bộ chuyển vị tường Theo kinh nghiệm của tác giả, hình 6.4 hoặc công thức 6.1 sẽ hữu hiệu hơn cho thiết kế sơ bộ Với đất sét, cận trên trong hình hay công thức trên cần được sử dụng Với đất cát, cận dưới nên được dùng Với đất xen kẽ cát và sét là các giá trị trung gian

6.8 Phân tích sụt lún của mặt đất do đào sâu

Mục này sẽ trình bày các công thức kinh nghiệm để dự đoán sụt lún mặt đất và đặc tính của sụt lún Cho dù rất nhiều công thức kinh nghiệm đã được đề xuất, chỉ bốn công thức phổ biến sẽ được trình bày và áp dụng

tới tường (d), như trình bày trong hình 6.23 Phương pháp này phân loại đất thành 3 loại theo các đặc tính sau:

Loại I: đất cát và sét yếu tới cứng, chất lượng thi công trung bình

Loại II: đất sét rất yếu tới yếu

1 Chiều sâu của đất sét dưới đáy hố đào là có hạn

2 Chiều sâu của đất sét dưới đáy hố đào là vô hạn nhưng 𝑁𝑏 < 𝑁𝑐𝑏

Loại III: đất sét rất yếu tới yếu với chiều sâu dưới đáy hố đào có hạn và 𝑁𝑏 ≥ 𝑁𝑐𝑏

Trong đó, Nb là hệ số ổn định của đất được lấy bằng 𝛾𝐻𝑒/𝑠𝑢 với 𝛾 là trọng lượng đơn vị của đất, He là chiều sâu đào, và su là sức kháng cắt không thoát nước của đất Ncb là hệ số

ổn định giới hạn chống phá hoại đẩy trồi

Hình 6.23 Ước lượng sụt lún của mặt đất theo phương pháp Peck (1969)

Do phương pháp của Peck lấy số liệu quan trắc từ các trường hợp hố đào trước năm

1969, hầu hết trong số chúng sử dụng tường cừ ván thép hoặc tường cọc thép với tấm chắn Các loại tường này khác xa với các công nghệ thiết kế và thi công ngày nay (chẳng hạn, tường bê tông cốt thép hiện tại có độ cứng chống uốn lớn hơn rất nhiều tường ngày trước) Do đó, các đường quan hệ của Peck không hoàn toàn phù hợp với tất cả các hố đào

Về cơ bản, các đường quan hệ đề xuất bởi Peck là những đường bao Do phương pháp Peck là phương pháp đầu tiên đưa ra công thức dự đoán sụt lún của mặt đất gây bởi dào sâu và khá đơn giản nên nhiều kĩ sư vẫn tiếp tục sử dụng phương pháp này

2 Xác định diện tích của chuyển vị ngang của tường (ad)

3 Ước lượng vùng ảnh hưởng của sụt lún mặt đất (D) theo phương pháp Capse:

𝐷 = (𝐻𝑒+ 𝐻𝑑)tan⁡(450−∅2) (6.6) Trong đó, He là chiều sâu đào; 𝐻𝑑 = 𝐵⁡khi ∅ = 0⁡và 𝐻𝑑 = 0.5𝐵𝑡𝑎𝑛(450+ ∅ 2⁄ ) khi

∅ ≥ 0 với B là chiều rộng hố đào, và ∅ là thông số sức kháng của đất

4 Giả sử sụt lún lớn nhất của mặt đất nằm ở vị trí giao giữa tường và mặt đất Sụt lún lớn nhất (𝛿𝑣𝑚)⁡sẽ là:

là sụt lún ở vị trí lx

Về mặt lý thuyết, khi đào trong đất yếu ngập nước có ứng xử không thoát nước, diện tích vùng chuyển vị ngang của tường sẽ xấp xỉ vùng sụt lún của mặt đất (Milligan, 1983) Bởi vậy, 𝛿𝑣𝑚 sẽ bằng 3𝑎𝑑/𝐷 thay vì 4𝑎𝑑/𝐷 Giá trị 𝛿𝑣𝑚 tính theo phương pháp Bowles

sẽ bằng 1.33 lần giá trị lý thuyết Bowles đã không lý giải tại sao nên dùng 4𝑎𝑑/𝐷 thay

Hình 6.24 Ước lượng sụt lún của mặt đất theo phương pháp Bowles (1986)

6.8.3 Phương pháp Clough và O’Rourke

Clough và O’Rourke (1990) đề xuất rất nhiều kiểu đường bao của sụt lún mặt đất gây bởi

hố đào với các loại đất khác nhau dựa trên những nghiên cứu thực tế Theo những nghiên cứu này, hố đào trong đất cát và sét cứng có xu hướng gây ra sụt lún mặt đất dạng tam giác Sụt lún lớn nhất sẽ nằm gần tường chắn Các đường bao của sụt lún được trình bày trong hình 6.25a và 6.25b với các phạm vi lún lần lượt là 2He và 3He (He là chiều sâu đào cuối cùng) Hố đào trong sét yếu tới trung bình sẽ gây ra sụt lún dạng hình thang như minh họa trong hình 6.25c Sụt lún lớn nhất xảy ra trong khoảng 0 ≤ 𝑑/𝐻𝑒 ≤ 0.75 còn 0.75 ≤ 𝑑/𝐻𝑒 ≤ 2.0 là vùng chuyển tiếp nơi sụt lún giảm dần tới không Về cơ bản, những đường cong trong hình 6.25 cũng là các đường bao

0.0

Đường bao sụt lún

e H d/

e H d/

v

d e H

Hình 6.25 Ước lượng sụt lún của mặt đất theo phương pháp Clough và O’Rourke (1990): (a) đát cát, (b) đất sét cứng tới rất cứng, và (c) đất sét yếu tới trung bình

6.8.4 Phương pháp Ou và Hsieh

Ou và Hsieh (Ou và Hsieh, 2000; Ou et al., 2005) phát triển phương pháp ước lượng sụt

lún mặt đất dựa trên các nghiên cứu về kiểu sụt lún, vùng ảnh hưởng, vị trí sụt lún lớn nhất, và sụt lún lớn nhất Các tác giả đề xuất hai loại sụt lún là sụt lún kiểu dốc và kiểu lòng chảo, như minh họa trong hình 6.26

Đường ab trong hình 6.26a, với độ dốc lớn hơn, đại diện cho vùng ảnh hưởng chính

yếu (PIZ) Vùng này sẽ gây ra góc xoay lớn cho các công trình lân cận Do vậy, cần phải kiểm tra mức độ an toàn của các công trình lân cận khi giá trị 𝛿𝑣𝑚 lớn Đường bc là vùng

ảnh hưởng thứ yếu (SIZ) và có độ dốc thoải hơn Ở điều kiện thông thường, sụt lún trong vùng SIZ có ảnh hưởng nhỏ hơn tới công trình lân cận

Căn cứ vào hình 6.26b, đường sụt lún dạng lòng chảo có thể được mô tả bởi 3 đoạn

Đoạn abc đại diện cho vùng ảnh hưởng chính yếu và đoạn cd là vùng ảnh hưởng thứ yếu

Với sụt lún kiểu dốc, các vùng ảnh hưởng cũng được chia ra tương tự

Theo phương pháp Ou và Hsieh, sụt lún của mặt đất do đào sâu có thể được dự đoán dùng quy trình sau:

1 Ước lượng chuyển vị ngang lớn nhất của tường (𝛿ℎ𝑚) bằng các phương pháp như phương pháp đơn giản hóa (công thức 6.1 hay hình 6.3), phương pháp phần tử hữu hạn, hay phương pháp dầm trên nền đàn hồi

2 Xác định kiểu sụt lún: tính toán chuyển vị ngang của tường bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc phương pháp dầm trên nền đàn hồi Sau đó dùng hình 6.12 để xác định kiểu sụt lún của mặt đất Ngoài ra, kết quả quan trắc lún ở giai đoạn đào đầu tiên có thể được tận dụng do kiểu sụt lún không đổi theo chiều sâu đào

3 Ước lượng giá trị 𝛿ℎ𝑚 theo quan hệ giữa sụt lún lớn nhất (𝛿𝑣𝑚) và chuyển vị ngang lớn nhất (𝛿ℎ𝑚)⁡trong hình 6.14

4 Dựa theo kiểu sụt lún của mặt đất xác định ở bước 2 để tính toán các sụt lún ở những vị trí khác nhau phía sau tường

1/6 1.0

Hình 6.26 Ước lượng sụt lún của mặt đất theo phương pháp Ou và Hsieh (Ou và Hsieh,

2000; Ou et al., 2005)

6.8.5 So sánh các phương pháp phân tích

Mục này sẽ so sánh hình dạng sụt lún mặt đất và góc xoay khi sử dụng các phương pháp Peck, Bowles, Clough và O’Rourke, và Ou và Hsieh với số liệu quan trắc lún từ 3 trường hợp thực tế Để tiện so sánh, hai phương pháp Ou và Hsieh và Clough và O’Rourke sẽ dùng giá trị quan trắc 𝛿𝑣𝑚 Với phương pháp Bowles, 𝛿𝑣𝑚 được ước lượng theo từng bước đã đề xuất Hình dạng sụt lún trong phương pháp Peck sẽ được tính toán theo đường giữa vùng 1 và vùng II (đường 1%)

Trường hợp đầu tiên là hố đào TNEC Chiều rộng đào 40 m Tường chắn sâu 35 m và dày 90 cm Chiều sâu đào cuối cùng là 19.7 m Phần ngầm được thi công theo phương pháp ngược gồm 16 giai đoạn (với 7 giai đoạn đào) Số liệu địa chất, quy trình thì công,

và kết quả quan trắc của hố đào TNEC có thể xem phụ lục B

Khi kể tới phá hoại đẩy vào, 2 lần chiều sâu đào là 29.4 m và khi kể tới tầng đất cuội sỏi như tầng đất cứng, 𝐻𝑔 = 46⁡𝑚 Do vậy, 𝑃𝐼𝑍1 = 39.4⁡𝑚 Nếu ta coi tầng đất giữa GL -33 m với GL -35 m là đất cứng, 𝑃𝐼𝑍1= 33⁡𝑚 Với chiều dày lớp sét yếu ở đáy hố đào (𝐻𝑓) là 33 m, B = 40 m, ta có 𝑃𝐼𝑍2 = 33⁡𝑚 Do vậy, theo phương pháp Ou và Hsieh, vùng ảnh hưởng chính yếu (PIZ) là 39.4 hoặc 33 m Lấy PIZ là 39.4 m để phân tích Hình 6.27a cho thấy hình dạng sụt lún theo phương pháp này khớp với kết quả quan trắc Nếu

ta thay 𝑃𝐼𝑍 = 33⁡𝑚, kết quả thậm chí còn tốt hơn Hình dạng sụt lún theo phương pháp Clough và O’Rourke khá hợp lý với vùng ảnh hưởng chính yếu mặc dù vùng ảnh hưởng thứ yếu bị bỏ qua

12 8 4

Giai đoạn 1 Giai đoạn cuối

Chuyển vị ngang của tường (cm)

Giai đoạn 1 Giai đoạn cuối

10 8 6 4 2 0 Khoảng cách tới tường (m)

20 16 12 8 4 0

Quan trắc Peck (1969) Bowles (1986) Clough & O'Rourke (1990)

Quan trắc Clough & O'Rourke (1990)

Ou and Hsieh (2000)

Quan trắc Clough & O'Rourke (1990)

Ou and Hsieh (2000)

Hình 6.27 So sánh giữa các sụt lún mặt đất dự đoán và quan trắc: (a) Trường hợp 1: hố đào TNEC, (b) Trường hợp 2: hố đào nhà, và (c) Trường hợp III: hố đào nhà