Nghiên cứu sự thay đổi một số đặc trưng cơ lý của đất yếu TP hồ chí minh theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính toán hố đào sâu

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM NGÔ ĐỨC TRUNG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT YẾU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SU

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM

NGÔ ĐỨC TRUNG

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG

CƠ LÝ CỦA ĐẤT YẾU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SUẤT DỠ TẢI

TRONG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2019

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM

NGÔ ĐỨC TRUNG

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG

CƠ LÝ CỦA ĐẤT YẾU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SUẤT DỠ TẢI

TRONG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU

Chuyên ngành: Địa Kỹ thuật Xây dựng

Mã số ngành: 9 58 02 11

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS VÕ PHÁN

2 GS.TS TRẦN THỊ THANH

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2019

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS VÕ PHÁN

2 GS.TS TRẦN THỊ THANH

Phản biện 1: PGS.TS TRẦN TUẤN ANH Phản biện 2: TS NGUYỄN VIỆT TUẤN

Luận án đã được bảo vệ thành công trước Hội đồng đánh giá Luận án cấp Cơ

sở, họp tại: Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, số 658 Đại lộ Võ Văn Kiệt, Phường 1, Quận 5, Tp Hồ Chí Minh vào hồi 8 giờ 30 ngày 31 tháng 08 năm

2018

Có thể tìm hiểu Luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam

- Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học do chính tôi nghiên cứu và thực hiện Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được công

bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án

Tác giả luận án

NGÔ ĐỨC TRUNG

Tác giả trân trọng và biết ơn những đóng góp giá trị của PGS.TS Lê Bá Vinh, PGS.TS Trần Tuấn Anh, PGS.TS Tô Văn Lận và các nhà khoa học ở trường Đại học Bách Khoa TP HCM, trường Đại học Kiến trúc TP HCM

Cảm ơn ThS Nguyễn Hữu Uy Vũ và cộng sự tại phòng thí nghiệm địa

kỹ thuật Bros (Las 1136) đã hỗ trợ thiết bị và giúp đỡ kỹ thuật để tác giả có thể hoàn thành dữ liệu thí nghiệm cho luận án

Xin tri ân tình cảm từ gia đình, sự hỗ trợ giúp đỡ của anh chị em đồng nghiệp, bạn bè

và đất dưới đáy hố đào thay đổi theo lộ trình giảm ứng suất đứng σ1 và ứng suất ngang σ3 không đổi

Luận án này làm sáng tỏ sự thay đổi một số đặc trưng cơ lý của đất yếu

ở TP HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính toán hố đào sâu Các thí nghiệm ba trục được thực hiện để mô phỏng trạng thái ứng suất của vùng đất xung quanh hố đào trong quá trình thi công Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự suy giảm độ bền của vùng đất xung quanh hố đào trong quá trình đào đất Ngược lại, mô đun biến dạng lại gia tăng đáng kể trong quá trình dỡ tải và gia tải lại Các hệ số tương quan của thông số đất nền như sức kháng cắt, mô đun biến dạng, tham số mũ m được tác giả đề xuất và áp dụng để tính toán cho một

số hố đào sâu trên vùng đất yếu TP HCM bằng phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình Hardening Soil, là mô hình đàn dẻo phi tuyến có xét đến quá trình gia tải và dỡ tải lại cũng như kể đến sự phụ thuộc của mô đun biến dạng vào trạng thái ứng suất

Kết quả tính toán chuyển vị và biến dạng từ các mô hình nền được so sánh với dữ liệu quan trắc cho thấy sự phù hợp của các thông số và mô hình nền của tác giả đề xuất trong bài toán thiết kế hố đào trên vùng đất yếu TP HCM

ABSTRACT

In Ho Chi Minh City (HCMC), deep excavations have been used worldwide for underground construction, but they also alter the ground conditions and induce ground movements which might cause risks to adjacent infrastructure Construction of the deep exvacation is the process of unloading the ground is also the process of reloading: unloading when the soil in the excavation pit is removed and reloaded when the construction of the anti-wall system During this process, the stress and deformation of the soil at the around excavation changes with different stress paths in which the most obvious change is that the back retaining wall changes with the stress path reduction horizontal stress σ3, while the vertical stress σ1 is constant and the bottom soil changes with the σ1 reduction and the σ3 is constant

This thesis clarifies the the mechanical characteristics of soft soil in HCMC according to the stress paths in the calculation of deep exvacations Triaxial compression test were performed to simulate the stress state of the soil surrounding the excavation during construction The results show that the shear strength of the soil around the excavation was reduced during excavation In contrast, the deformation modulus increased considerably during unloading and reloading The correlation parameters include shear strength, modulus, power m proposed by the author and applied to calculate some deep exvacations in the soft soil of HCMC by the finite element method with the Hardening Soil model, is a plastic nonlinear model that takes into account the loading and unloading process as well as the dependence of the modulus on the stress state

The results of displacement and deformation calculations from the constitutive models were compared with the observation data showing the suitability of the parameters and the constitutive model of the author's proposed

in the design of the deep excavation in the soft soil of HCMC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ xvi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu 2

3 Nội dung nghiên cứu của luận án 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Những điểm mới của luận án 4

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

8 Cấu trúc của luận án 5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU THEO HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 6

1.1 Tổng quan về hố đào sâu 6

1.2 Đặc điểm đất yếu khu vực TP HCM 8

1.3 Các yếu tố địa kỹ thuật ảnh hưởng đến công trình hố đào sâu 11

1.4 Các hiện tượng thường xảy ra ra khi thi công hố đào sâu 12

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 13

1.5.1 Các nghiên cứu trước đây về trạng thái ứng suất xung quanh hố đào 14

1.5.2 Các nghiên cứu thực nghiệm và quan trắc hiện trường 21

1.5.3 Các nghiên cứu trong tính toán tường chắn bằng phương pháp phần

tử hữu hạn 24

1.6 Nhận xét chương 1 26

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ TRONG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU 28

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán hố đào sâu 28

2.1.1 Lý thuyết Coulomb (1776) 29

2.1.2 Lý thuyết áp lực đất của Rankine (1857) 30

2.2 Các phương pháp tính toán HĐS chắn giữ bằng tường liên tục 30

2.2.1 Phương pháp giải tích 30

2.2.2 Phương pháp dầm trên nền đàn hồi 31

2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 32

2.3 Các mô hình đất nền 33

2.3.1 Mô hình Mohr – Coulomb 34

2.3.2 Mô hình Hyperbol 36

2.3.3 Mô hình Cam-Clay cải tiến 37

2.3.4 Mô hình Hardening Soil 39

2.4 Lộ trình ứng suất và các đặc trưng cơ lý có ảnh hưởng lớn đến tính toán hố đào sâu 42

2.4.1 Lộ trình ứng suất trong tính toán hố đào sâu 42

2.4.2 Sức kháng cắt của đất 43

2.4.3 Mô đun biến dạng 44

2.5 Nhận xét chương 2 47

CHƯƠNG 3 - THÍ NGHIỆM BA TRỤC THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SUẤT DỠ TẢI MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT XUNG QUANH HỐ ĐÀO SÂU 49

3.1 Tổng quan về thí nghiệm ba trục xác định các chỉ tiêu cơ lý tính toán hố đào 49

3.1.1 Các lộ trình ứng suất trong thí nghiệm ba trục 50

3.1.1.1 Lộ trình ứng suất nén ba trục thông thường (Conventional

Triaxial Compression Stress Path: CTC) 51

3.1.1.2 Lộ trình ứng suất kéo ba trục giảm dần (Reduced Triaxial Extension Stress Path: RTE) 51

3.1.1.3 Lộ trình ứng suất kéo ba trục thông thường (Conventional Triaxial Extension Stress Path: CTE) 51

3.1.1.4 Lộ trình ứng suất ba trục giảm (Reduced Triaxial Compression Stress Path: RTC) 52

3.1.1.5 Lộ trình ứng suất nén ba trục (Triaxial Compression: TC) và kéo ba trục (Triaxial Extension: TE) 52

3.1.2 Thí nghiệm ba trục với các lộ trình ứng suất tính toán hố đào sâu 52 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 53

3.2 Thực hiện thí nghiệm 55

3.2.1 Thí nghiệm ba trục với lộ trình ứng suất RTE (giảm 1 áp lực buồng 3 không đổi) 56

3.2.2 Thí nghiệm ba trục với lộ trình ứng suất RTC (giảm 3 trong khi giữ cố định áp lực dọc trục1) 56

3.2.3 Mẫu thí nghiệm 57

3.2.3.1 Lấy mẫu nguyên dạng tại hiện trường 57

3.2.3.2 Đặc trưng cơ lý mẫu thí nghiệm 58

3.2.4 Thực hiện thí nghiệm 60

3.2.4.1 Bão hòa mẫu 60

3.2.4.2 Cố kết mẫu 61

3.2.4.3 Cắt mẫu 61

3.2.5 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 62

3.2.5.1 Quan hệ ứng suất và biến dạng (q-1) 62

3.2.5.2 Phân tích mô đun biến dạng của các lộ trình ứng suất 69

3.2.5.3 Sức kháng cắt của đất với các lộ trình ứng suất khác nhau 73

3.3 Nhận xét chương 3 77

CHƯƠNG 4 - NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA MÔ ĐUN BIẾN DẠNG TRONG MÔ HÌNH HARDENING SOIL TRÊN ĐẤT YẾU TP HCM 79

4.1 Cơ sở lựa chọn mô hình Hardening Soil cho tính toán hố đào sâu 79 4.2 Xác định tham số mũ m cho đất yếu TP HCM trong mô hình HS 80 4.2.1 Thí nghiệm nén ba trục thoát nước có dỡ tải và gia tải lại 81

4.2.2 Xác định mô đun cát tuyến E50, Eur và tham số mũ m từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước 83

4.2.2.1 Xác định mô đun E50 và số mũ m thông qua E50 84

4.2.2.2 Xác định mô đun Eur và số mũ m thông qua Eur 87

4.2.3 Xác định mô đun Eoed, tham số m từ thí nghiệm nén một trục không nở hông Oedometer 90

4.3 Xác định hệ số tương quan Eur/ E50 và Eoed/ E50 cho đất yếu TP HCM

95

4.4 Nhận xét chương 4 97

CHƯƠNG 5 - ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 99

5.1 Nội dung tính toán 99

5.2 Dự án Khu phức hợp – Trung Tâm Thương Mại – Văn Phòng – Căn hộ Sài Gòn Pearl 101

5.2.1 Điều kiện địa chất 102

5.2.2 Xác định thông số đất nền 104

5.2.3 Hệ tường vây và hệ kết cấu chống đỡ 105

5.2.3.1 Xác định các thông số của tường chắn 107

5.2.3.2 Xác định các thông số của kết cấu chống đỡ 107

5.2.4 Trình tự thi công 109

5.2.5 Quan trắc tại hiện trường 109

5.2.6 Mô phỏng công trình bằng FEM 110

5.2.7 Phân tích và đánh giá kết quả 111

5.2.7.1 Chuyển vị ngang của tường 111

5.2.7.2 Độ lún bề mặt 113

5.3 Dự án Trạm bơm Lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè 116

5.3.1 Điều kiện địa chất 117

5.3.2 Xác định thông số đất nền 117

5.3.3 Kết cấu hệ thanh chống 119

5.3.3.1 Xác định các thông số của tường chắn 119

5.3.3.2 Xác định các thông số của thanh chống 119

5.3.4 Trình tự thi công 120

5.3.5 Quan trắc chuyển vị 121

5.3.6 Mô phỏng quá trình thi công 121

5.3.7 Phân tích và đánh giá kết quả 122

5.4 Dự án Pearl Plaza 125

5.4.1 Điều kiện địa chất 126

5.4.2 Xác định thông số đất cho các mô hình nền 128

5.4.3 Kết cấu hệ chống đỡ 129

5.4.4 Quan trắc tại hiện trường 130

5.4.5 Trình tự thi công 131

5.4.6 Mô phỏng bằng Plaxis 132

5.4.7 Phân tích kết quả 133

5.5 Nhận xét chương 5 135

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 137

1 Kết luận 137

2 Kiến nghị 139

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 140

TÀI LIỆU THAM KHẢO 141

PHẦN PHỤ LỤC 147

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU

Α cm2 Diện tích mặt cắt ngang của mẫu trong thí nghiệm 3 trục

a cm2 Diện tích mặt cắt ngang của piston trong thí nghiệm 3 trục

a, b - Hằng số trong mô hình Duncan - Chang

B - Hệ số áp lực nước lỗ rỗng của Skempton

[B] - Ma trận liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị

C c - Chỉ số nén

C v - Hệ số cố kết trong thí nghiệm ba trục

(c’) ext kPa Lực dính hữu hiệu của đất trong thí nghiệm kéo ba trục

(c’) comp kPa Lực dính hữu hiệu của đất trong thí nghiệm nén ba trục

(c u ) ext kPa Sức kháng cắt không thoát nước của thí nghiệm kéo ba trục

(c u ) comp kPa Sức kháng cắt không thoát nước của thí nghiệm nén ba trục

D, L mm Đường kính và chiều dài mẫu đất trong thí nghiệm ba trục

[D] - Ma trận cơ bản của vật liệu

E kPa Mô đun đàn hồi của đất

E 0 kPa Mô đun biến dạng của đất

E i kPa Mô đun biến dạng ban đầu

E t , E s kPa Mô đun biến dạng tiếp tuyến, mô đun biến dạng cát tuyến 50

G kPa Mô đun kháng cắt

P - Tải trọng tác động lên piston trong thí nghiệm nén ba trục

p kPa Áp lực đất thực tác dụng lên tường

p o kPa Áp lực đất tĩnh lên tường

p ref kPa Áp lực tham chiếu

q kPa Độ lệch ứng suất

R f - Hệ số giảm ứng suất lệch đỉnh

u x mm Chuyển vị của điểm bất kỳ theo phương x

u y mm Chuyển vị của điểm bất kỳ theo phương y

Δ kPa Độ chênh lệch ứng suất

 kPa Ứng suất cắt tiếp xúc

ε l % Biến dạng đứng (biến dạng dọc trục)

(’) ext kPa Góc ma sát hữu hiệu của đất trong thí nghiệm kéo ba trục

(’) comp kPa Góc ma sát hữu hiệu của đất trong thí nghiệm nén ba trục

ψ độ Góc giãn nở của đất

, ’ kPa Ứng suất pháp, ứng suất pháp có hiệu

b kPa Áp lực ngược trong quá trình bão hoà mẫu

c kPa Áp lực cố kết của đất

1 ,2 ,3 kPa Các ứng suất chính

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CD - Thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước

CID - Thí nghiệm nén ba trục đẳng hướng cố kết thoát nước CIU - Thí nghiệm nén ba trục đẳng hướng cố kết không thoát nước

CK0UC - Thí nghiệm nén ba trục theo điều kiện cố kết K 0

CK0UE - Thí nghiệm kéo ba trục theo điều kiện cố kết K 0

CTC - Lộ trình ứng suất nén ba trục thông thường

CTE - Lộ trình ứng suất kéo ba trục thông thường

CU - Thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nước

FEM - Phương pháp phần tử hữu hạn

HĐS - Hố đào sâu

HS - Mô hình Hardening Soil

HSM - Mô hình Hardening Soil với các tham số hiệu chỉnh

MC - Mô hình Mohr – Coulomb

RTC - Lộ trình ứng suất nén ba trục giảm ứng suất ngang RTE - Lộ trình ứng suất kéo ba trục giảm ứng suất đứng

TC, TE - Lộ trình ứng suất nén ba trục, kéo ba trục

TP HCM- Thành phố Hồ Chí Minh

UU - Thí nghiệm nén ba trục không cố kết không thoát nước

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số mô hình Mohr – Coulomb 36

Bảng 2.2 Các thông số mô hình Hypebol 37

Bảng 2.3 Các thông số mô hình Cam-clay cải tiến 38

Bảng 2.4 Các thông số mô hình Hardening Soil 42

Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu cơ lý đặc trưng cho đất yếu TP HCM 58

Bảng 3.2 Các thông số vật lý cho lớp đất yếu TP HCM và lộ trình ứng suất trong thí ngiệm 3 trục 59

Bảng 3.3 Mô đun biến dạng E50từ các lộ trình ứng suất CTC, RTE và RTC 70 Bảng 3.4 Giá trị c’ và ’ của đất yếu TP HCM theo các lộ trình ứng suất 76

Bảng 4.1 Các thông số độ bền của đất 83

Bảng 4.2 Mô đun E E50, 50ref và tham số m từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước 86

Bảng 4.3 Mô đun E E ur, ur ref và số mũ m từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước 89 Bảng 4.4 Mô đun ref oed E từ kết quả thí nghiệm nén cố kết 92

Bảng 4.5 Mô đun E oed,E oed ref và số mũ m tính toán từ thí nghiệm Oedometer 93 Bảng 4.6 Kết quả tỷ số E ur / E50 và E oed / E50của đất yếu TP HCM 95

Bảng 5.1 Áp dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán HĐS 101

Bảng 5.2 Các thông số đất nền cho mô hình MC 104

Bảng 5.3 Các thông số đất nền cho mô hình HS 104

Bảng 5.4 Các thông số đất nền tác giả hiệu chỉnh cho mô hình HS 105

Bảng 5.5 Các thông số cho tường chắn 107

Bảng 5.6 Các thông số về thanh chống 108

Bảng 5.7 Quá trình thi công tầng hầm 109

Bảng 5.8 So sánh kết quả chuyển vị ngang từ các mô hình MC, HS, HSM và dữ liệu quan trắc (QT) 113

Bảng 5.9 So sánh lún bề mặt từ các mô hình MC, HS, HSM và quan trắc (QT)

115

Bảng 5.10 So sánh độ lún bề mặt từ các mô hình MC, HS, HSM và quan trắc 115

Bảng 5.11 Các thông số đất nền cho mô hình MC 118

Bảng 5.12 Các thông số đất nền cho mô hình HS 118

Bảng 5.13 Các thông số đất nền cho mô hình HSM 118

Bảng 5.14 Các thông số về thanh chống 119

Bảng 5.15 Các thông số cho tường chắn 119

Bảng 5.16 Các giai đoạn thi công công trình 120

Bảng 5.17 So sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang từ các mô hình MC, HS, HSM và Quan trắc 123

Bảng 5.18 Các thông số đất nền cho mô hình MC 128

Bảng 5.19 Các thông số đất nền cho mô hình HS 128

Bảng 5.20 Các thông số đất nền tác giả hiệu chỉnh cho mô hình HS 129

Bảng 5.21 Các thông số cho tường chắn 129

Bảng 5.22 Các thông số hệ chống đỡ 130

Bảng 5.23 Quá trình thi công tầng hầm 131

Bảng 5.24 So sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang từ các mô hình Mohr – Coulomb, Hardening Soil, HSM và dữ liệu quan trắc 134

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phân bố đất yếu ở TP HCM 9

Hình 1.2 Mặt cắt vùng đất yếu dọc sông Sài Gòn 10

Hình 1.3 Vùng ảnh hưởng của HĐS và các lộ trình ứng suất 13

Hình 1.4 Các lộ trình ứng suất khác nhau của thí nghiệm ba trục 15

Hình 1.5 Các lộ trình ứng suất trong hố đào 16

Hình 1.6 Lộ trình ứng suất trong đất 17

Hình 1.7 Lộ trình ứng suất trong hố đào 17

Hình 1.8 Các lộ trình ứng suất trong điều kiện ứng suất nén và kéo 18

Hình 1.9 So sánh đường phá hoại trong thí nghiệm nén và kéo ba trục 19

Hình 1.10 Biểu đồ thực nghiệm dự tính lún của đất quanh hố móng 22

Hình 1.11 So sánh chuyển vị và biến dạng các mô hình nền 25

Hình 2.1 Rời rạc hoá miền tính toán 32

Hình 2.2 Vòng tròn Mohr tại ngưỡng dẻo, 34

Hình 2.3 Các mặt bao phá hoại theo tiêu chuẩn Mohr – Coulomb 35

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất – biến dạng theo mô hình đàn hồi – dẻo lý tưởng 35

Hình 2.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng và các mô đun của mô hình Hypebol 37

Hình 2.6 Mặt dẻo của mô hình Cam-clay cải tiến 38

Hình 2.7 Mặt dẻo của mô hình HS trong không gian ứng suất (p-q) 40

Hình 2.8 Định nghĩa E 50 và E ur trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước 40

Hình 2.9 Định nghĩa ref oed E theo kết quả thí nghiệm nén một trục 41

Hình 2.10 Các loại mô đun trong thí nghiệm nén ba trục 45

Hình 3.1 Nguyên lý thí nghiệm nén 3 trục 49

Hình 3.2 Xác định đặc trưng chống cắt với lộ trình ứng suất 50

Hình 3.3 Các dạng cơ bản của lộ trình ứng suất trong nền đất 51 Hình 3.4 Hệ thống thiết bị 3 trục Humboldt và bộ ghi xuất dữ liệu tự động 54

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị ba trục theo mô hình dỡ tải 54

Hình 3.6 Phần mềm Advantech Adamview đọc và xử lý số liệu tự động 55

Hình 3.7 Bão hoà mẫu và kiểm tra hệ số Skempton 61

Hình 3.8 So sánh quan hệ (q – ε1) theo các lộ trình ứng suất 63

Hình 3.9 So sánh quan hệ (u – ε1) theo các lộ trình ứng suất 63

Hình 3.10 So sánh quan hệ (q – ε1) theo các lộ trình ứng suất 64

Hình 3.11 So sánh quan hệ (u – ε1) theo các lộ trình ứng suất 64

Hình 3.12 So sánh quan hệ (q – ε1) theo các lộ trình ứng suất 65

Hình 3.13 So sánh quan hệ (u – ε1) theo các lộ trình ứng suất 65

Hình 3.14 So sánh quan hệ (q – ε1) theo các lộ trình ứng suất 66

Hình 3.15 So sánh quan hệ (u – ε1) theo các lộ trình ứng suất 66

Hình 3.17 Xác định E 50 từ quan hệ ứng suất – biến dạng 69

Hình 3.18 So sánh mô đun E 50 theo các lộ trình ứng suất của đất yếu TP HCM 72

Hình 3.19 Phương trình hồi quy tương quan E 50,RTEvà E 50,CTC,E 50,RTEvà E 50,CTC 73

Hình 3.20 Đường tròn Mohr của thí nghiệm 3 trục theo lộ trình ứng suất dỡ tải (RTE, RTE) và gia tải (CTC) 74

Hình 3.21 So sánh đường tròn Mohr của thí nghiệm 3 trục theo lộ trình ứng suất dỡ tải (RTE, RTE) và gia tải (CTC) 74

Hình 3.22 So sánh đường tròn Mohr của thí nghiệm 3 trục theo lộ trình ứng suất dỡ tải (RTE, RTE) và gia tải (CTC) 75

Hình 3.23 So sánh đường tròn Mohr của thí nghiệm 3 trục theo lộ trình ứng suất dỡ tải (RTE, RTE) và gia tải (CTC) 75

Hình 4.1 Quan hệ (1-q) từ thí nghiệm ba trục CD có dỡ tải và gia tải lại 81

Hình 4.2 Quan hệ (1 - q) và (1 - v) của mẫu 1,2,3 82

Hình 4.3 Quan hệ (1 - q) và (1 - v ) của mẫu 4,5,6 82

Hình 4.4 Quan hệ (1 - q) và (1 - v) của mẫu 7,8,9 82

Hình 4.5 Quan hệ (1 - q) và (1 - v) của mẫu 10,11,12 83

Hình 4.6 Xác định E50 và Eur từ kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước 84

Hình 4.7 Xác định mô đun E50 củamẫu 1,2,3 từ kết quả thí nghiệm 85

Hình 4.8 Xác định mô đun E50 củamẫu 4,5,6 từ kết quả thí nghiệm 85

Hình 4.9 Xác định mô đun E50 củamẫu 7,8,9 từ kết quả thí nghiệm 85

Hình 4.10 Xác định mô đun E50 củamẫu 10,11,12 từ kết quả thí nghiệm 86

Hình 4.11 Phương trình hồi quy tương quan giữa 50 50 ref E E và ref y p  87

Hình 4.12 Xác định mô đun Eur các mẫu 1,2,3 88

Hình 4.13 Xác định mô đun Eur các mẫu 4,5,6 88

Hình 4.14 Xác định mô đun Eur các mẫu 7,8,9 88

Hình 4.15 Xác định mô đun Eur các mẫu 10,11,12 89

Hình 4.16 Phương trình hồi quy tương quan giữa ur ref ur E E và ref y p  90

Hình 4.17 Dụng cụ thí nghiệm nén cố kết với bộ ghi dữ liệu tự động 91

Hình 4.18 Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén cố kết không nở hông dưới dạng (logp−ε) với đoạn gia tải và dỡ tải 92

Hình 4.19 Phương trình hồi quy tương quan giữa oed ref oed E E và ref y p  94

Hình 4.20 Tương quan giữa E oed −E50của đất yếu TP HCM 96

Hình 4.21 Tương quan E ur −E50của đất yếu TP HCM 96

Hình 5.1 Vị trí công trình Opal Sai Gon Pearl 102

Hình 5.2 Mặt cắt địa chất 103

Hình 5.3 Chỉ tiêu cơ lý của dự án 103

Hình 5.4 Mặt bằng bố trí hệ giằng chống tại cao độ -12m 105

Hình 5.5 Mặt cắt kích thước hình học công trình (mặt cắt 3-3) 106

Hình 5.6 Mặt cắt ngang tường vây 106

Hình 5.7 Hệ chống hố đào lúc thi công đến độ sâu -15m 108

Hình 5.8 Mặt bằng tường và các điểm quan trắc chuyển vị ngang 110 Hình 5.9 Mô phỏng số của công trình sau khi hoàn thành đào đất 110 Hình 5.10 Biến dạng của hố đào ở giai đoạn thi công cuối cùng (GĐ6) 111 Hình 5.11 Chuyển vị ngang ở giai đoạn cuối cùng (Ux, max =57.44 mm) 111 Hình 5.12 So sánh chuyển vị tường ở giai đoạn thi công cuối cùng (GĐ6) 112 Hình 5.13 Độ lún nền ở giai đoạn cuối cùng (Uy = -80.65mm) 114 Hình 5.14 So sánh độ lún nền ở giai đoạn cuối từ các mô hình và quan trắc

114 Hình 5.15 Độ lún nền qua các giai đoạn thi công tính từ mô hình HSM 115 Hình 5.16 Mặt bằng bố trí thanh chống 116 Hình 5.17 Mặt cắt dọc hố đào 116 Hình 5.18 Kết cấu chống đỡ các kích điều chỉnh chuyển vị của tường 116 Hình 5.19 Mặt cắt địa chất công trình 117 Hình 5.20 Sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc ở công trường 121 Hình 5.21 Mô hình HĐS trong phần mềm Plaxis 122 Hình 5.22 Chuyển vị và biến dạng của hố đào ở giai đoạn thi công cuối cùng

122 Hình 5.23 Chuyển vị ngang từ các mô hình MC, HS, HSM và Quan trắc ở giai

đoạn thi công cuối cùng (GĐ8) 124 Hình 5.24 Độ lún của nền tính từ mô hình HSM ở giai đoạn thi công cuối cùng

125 Hình 5.25 Dự án Pearl Plaza 126 Hình 5.26 Hình trụ hố khoan dự án Pearl Plaza 127 Hình 5.27 Một số chỉ tiêu cơ lý của đất nền dự án Pearl Plaza 127 Hình 5.28 Mặt cắt ngang tường vây 130 Hình 5.29 Mặt bằng bố trí tường vây và các điểm quan trắc 131 Hình 5.30 Mô phỏng số hố đào sau khi hoàn thành giai đoạn đào đất 132 Hình 5.31 Chuyển vị tường ở giai đoạn đào thứ 5 theo mô hình HSM 133 Hình 5.32 Kết quả chuyển vị hố đào ở giai đoạn thi công thứ 5 theo HSM 133

Hình 5.33 Biểu đồ chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn đào thứ 5 134 Hình 5.34 Biến dạng của hố đào ở giai đoạn đào thứ 5 135

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, nhu cầu về việc sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật hoặc dịch vụ dưới các nhà cao tầng, bãi đậu xe ngầm, hệ thống giao thông ngầm, hệ thống xử lý nước thải…, ngày càng gia tăng trong các khu đô thị Hố đào sâu (HĐS) thường được sử dụng để giải quyết các vấn đề trên Ở TP HCM, HĐS thường được thi công ở những khu vực gần với các cao ốc, công trình hạ tầng hay dịch vụ đã có sẵn, do vậy việc giới hạn chuyển vị của tường chắn và độ lún bề mặt là rất quan trọng để đảm bảo các công trình xung quanh không bị ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng với mức độ cho phép

TP HCM nằm ở châu thổ sông Sài Gòn, mạng lưới sông rạch chằng chịt đan xen nhau, đất tự nhiên được bồi đắp bởi các dòng chảy mạnh Địa tầng khu vực phân thành 6 lớp đất tự nhiên trong đó lớp 1 và lớp 2 là các lớp sét yếu có

độ sâu đến 20 – 30m có ảnh hưởng lớn đến các công trình ngầm, đặc biệt là HĐS

Do các dữ liệu thí nghiệm trong phòng không đầy đủ, các kỹ sư thường

sử dụng các số liệu thí nghiệm địa chất thông thường hoặc tương quan các thông

số thiết kế từ các số liệu có sẵn và thường giới hạn cho đất mô hình đơn giản trong thiết kế hố đào Thực tế với công trình HĐS, việc thi công hố đào có thể được coi là một bài toán dỡ tải đối với đất nền, việc dỡ tải này làm thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong nền Nếu tương quan không thích hợp hoặc lựa chọn các tham số từ thí nghiệm với lộ trình ứng suất không phù hợp, người thiết

kế thường phải đối mặt với vấn đề về biến dạng của hố đào thực tế sẽ khác biệt với giá trị dự đoán ban đầu và có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng

Chính vì lý do đó, việc nghiên cứu sự thay đổi một số đặc trưng cơ lý của đất yếu TP HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính toán hố đào sâu là nhu cầu cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn

Trong những năm gần đây, ở Việt Nam nói chung và TP HCM nói riêng, việc tính toán các công trình ngầm thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với các phần mềm địa kỹ thuật như Plaxis, Geo-Slope, Abaqus… Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương pháp số được

sử dụng để dự báo ổn định và biến dạng của đất nền Ưu điểm của phương pháp này là ứng xử của đất có thể được mô phỏng tương đối chính xác và hợp lý trong quá trình thi công đào đất Tuy nhiên, bên cạnh một số ưu điểm vẫn còn một số khó khăn nhất định trong cách tiếp cận do mức độ phức tạp của nó Do đó, mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng Mohr – Coulomb (MC) thường được sử dụng vì đơn giản và các thông số đầu vào có thể dễ dàng thu được từ phòng thí nghiệm và một số thông số có thể được suy ra từ các quan hệ tương quan Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế trong mô hình MC Thứ nhất, các quan hệ phi tuyến của đất trước khi phá hoại không được mô hình Thứ hai, nó không thể tạo ra áp lực lỗ rỗng đáng tin cậy trong quá trình gia tải không thoát nước Thứ ba, dự báo chuyển vị ngang của tường và độ lún mặt là không đáng tin cậy Để khắc phục những thiếu sót trên, cần sử dụng một mô hình đàn dẻo phi tuyến tính trên cơ sở xác định các tham số đầu vào với lộ trình ứng suất phù hợp Việc sử dụng mô hình nền và các tham số đầu vào thích hợp là đặc biệt quan trọng trong tính toán HĐS, vì ứng xử của đất là phi tuyến, không hồi phục và ảnh hưởng bởi thời gian

2 Mục tiêu

- Làm sáng tỏ sự thay đổi các đặc trưng cơ lý của đất yếu TP HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của vùng đất xung quanh hố đào trong tính toán chuyển vị và biến dạng công trình HĐS

- Nghiên cứu đề xuất các thông số và mô hình nền phù hợp để tính toán HĐS bằng phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến quá trình dỡ tải của đất nền trong quá trình thi công đào đất

3 Nội dung nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu quan hệ ứng suất - biến dạng của vùng đất xung quanh và dưới đáy hố đào

- Thực hiện thí nghiệm ba trục theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng trạng thái đất nền xung quanh hố đào trong quá trình thi công đào đất để xác định sự thay đổi của các thông số kháng cắt và mô đun biến dạng cung cấp thông

số đầu vào trong tính toán HĐS

- Từ các kết quả thí nghiệm thu được, xây dựng mối tương quan giữa các tham số từ thí nghiệm ba trục theo lộ trình ứng suất dỡ tải với các thí nghiệm nén ba trục thông thường

- Nghiên cứu sự phụ thuộc của mô đun biến dạng vào trạng thái ứng suất của đất yếu Tp HCM Thiết lập, hiệu chỉnh các tham số mô hình nền đã lựa chọn trên cở sở kết quả thí nghiệm

- Mô phỏng số bằng FEM với mô hình nền và bộ thông số hiệu chỉnh Áp dụng tính toán cho công trình thực tế theo các mô hình khác nhau và so sánh với quan trắc để kiểm chứng kết quả nghiên cứu

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

❖ Đối tượng nghiên cứu của luận án là trạng thái ứng suất biến dạng của vùng đất xung quanh và dưới đáy hố đào

❖ Phạm vi nhiên cứu:

- Phạm vi nghiên cứu của luận án là đất loại sét phân bố phổ biến ở TP HCM nằm ở độ sâu từ 0 đến 30m với 2 lớp chính: lớp bùn sét và lớp sét yếu là hai lớp đất có ảnh hưởng lớn đến HĐS

- Luận án tập trung vào các đặc trưng cơ lý như sức kháng cắt và mô đun biến dạng của đất nền là các thông số có ảnh hưởng lớn đến chuyển vị và biến dạng trong thiết kế HĐS

5 Phương pháp nghiên cứu

❖ Phương pháp thống kê: Thu thập, phân tích, tổng hợp, kế thừa các tài

liệu, nghiên cứu đã có:

- Thu thập phân tích có tính kế thừa tài liệu về các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để tính toán HĐS trong và ngoài nước

- Thống kê, phân tích kết quả thí nghiệm đất, đặc điểm địa chất khu vực,

hồ sơ thiết kế thi công tường chắn, hố đào, số liệu đo đạc, quan trắc của các công trình HĐS đã xây dựng tại TP HCM

- Xử lý thống kê, phân tích các kết quả thí nghiệm, lập mối tương quan bằng các phần mềm Excel, Word

❖ Phương pháp thực nghiệm:

- Thực hiện lấy mẫu nguyên dạng tại hiện trường

- Thực hiện các thí nghiệm trong phòng

❖ Phương pháp mô phỏng số:

- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng quá trình thi công HĐS,

so sánh kết quả tính toán với kết quả quan trắc thực tế các công trình để kiểm chứng và đánh giá kết quả nghiên cứu

6 Những điểm mới của luận án

- Thực hiện các thí nghiệm ba trục với các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng trạng thái ứng suất biến dạng của vùng đất xung quanh hố đào trong quá trình thi công đào đất Từ đó nghiên cứu sự thay đổi sức kháng cắt và mô đun biến dạng của đất yếu TP HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải

- Đề xuất các hệ số điều chỉnh tham số sức kháng cắt và mô đun biến dạng

của đất nền theo lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính toán HĐS

- Đề xuất hệ số tương quan E ur /E 50 và E oed /E 50 trong mô hình Hardening Soil (HS) của đất yếu TP HCM để tính toán HĐS

- Đề xuất tham số mũ diễn tả sự phụ thuộc của mô đun biến dạng vào trạng thái ứng suất (tham số m) trong mô hình HS của đất yếu TP HCM

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung vào phương pháp luận nghiên cứu đất xây dựng khu vực, bước đầu làm sáng tỏ quy luật về sự thay đổi các đặc trưng cơ lý của đất sét yếu phổ biến ở TP HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong thiết kế HĐS

- Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và luận chứng để định hướng cho công tác khảo sát, thiết kế HĐS trên nền đất yếu TP HCM Kết quả nghiên cứu của luận án cũng có thể dùng để tham khảo trong công tác thiết kế HĐS cho các khu vực có điều kiện đất nền tương tự

8 Cấu trúc của luận án

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 toán hố đào sâu

Chương 3: Thí nghiệm nén ba trục theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng trạng thái ứng suất biến dạng của đất nền xung quanh hố đào sâu

Chương 4: Nghiên cứu sự phụ thuộc trạng thái ứng suất của mô đun biến dạng trong mô hình Hardening Soil trên đất yếu TP HCM

Chương 5: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán công trình thực tế Kết luận và kiến nghị

Các công trình khoa học tác giả đã công bố

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

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 công 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 công trình, vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Kết quả khảo sát địa chất, mô hình tính toán, 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 công trình 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 công trình xây dựng, các đường ống, công trình ngầm ở xung quanh Do đó khi thiết kế thi công các công 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 mô hình tính toán phù hợp, giải pháp thi công xây dựng, giải pháp quan trắc đo đạc chuyển vị

và biến dạng kết cấu chắn giữ cũng như quan trắc các công trình lân cận trong suốt quá trình thi công

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 nông là hố có chiều sâu < chiều rộng của hố

Sau đó Teraghi và Peck (1967), Peck và các cộng sự (1977)[50]đã đề nghị:

+ Hố đào nông 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 công trình hầm được xây dựng chen trong các khu đô thị, chính vì việc xây chen đó nên việc đảm bảo các ảnh hưởng thấp nhất của hố đến các công trình xung quanh

khiến không còn khái niệm hố nông hay hố sâu nữa mà chỉ còn 1 khái niệm duy nhất là thi công 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 không có bất kỳ hệ chống dỡ 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, quá trình thi công 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 công trình sẽ được thi công 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 công 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 công trình HĐS 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 công trình HĐS

Công trình HĐS là một loại công việc tạm thời, sự dự trữ về an toàn 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 toán 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 công trình xây dựng, các công 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 công trình HĐS để tính toán 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 sông Sài Gòn 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 Đông 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 sông Sài Gòn từ Cầu Sài Gòn 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 sông Sài Gòn [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:

- Sức kháng cắt không thoát nước Su < 50 kPa

- Sức kháng xuyên tiêu chuẩn N30 < 4 búa

- Lực dính hữu hiệu c’ < 15 kPa

Ngoài 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 công trình HĐS trên nền đất sét bão hòa 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 công trình để áp dụng mô hình tính toán phù hợp

1.3 Các yếu tố địa kỹ thuật ảnh hưởng đến công 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 không 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 K 0 lớn, chuyển dịch của đất và tường là lớn, thậm chí cả khi đào nông

- 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 công trình xung quanh Chênh lệch áp lực nước ở phía ngoài 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 công, trình tự và thời gian thi công, tính chất và quy mô của công trình lân cận

- 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

Công 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 công trình bị đổ vỡ Việc thi công 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 còn áp lực ngang của đất quanh tường chắn

sẽ gây ra chuyển vị ngang của tường Việc tính toán 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 mô phỏng sát thực quan hệ ứng suất – biến dạng của vùng đất xung quanh hố đào trong quá trình đào đất Do đó, kết quả tính toán dự báo còn khác biệt so với quan trắc thực tế ngoài công 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 toán 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

Như đã phân tích, HĐS chịu nhiều ảnh hưởng của các điều kiện địa kỹ thuật, việc tính toán 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 công 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 không 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

Hình 1.3 Vùng ảnh hưởng của HĐS và các lộ trình ứng suất

Ảnh hưởng đáng kể nhất đến sự biến dạng của hố đào là vùng I và vùng

II, trong đó vùng I là tác nhân chính gây chuyển vị ngang và vùng II gây ra hiện tượng bùng nền, có ảnh hưởng quan trọng đến sự biến dạng của hố đào Khu vực

I và Khu II tương ứng với lộ trình ứng suất AC và AMF Trong đường AMF, phần AM là phần dỡ tải và phần MF được gia tải, có thể được phân tích bằng mô hình địa kỹ thuật Đường AC là đường ứng suất dỡ tải theo chiều ngang Khác với đường ứng suất AB trong thí nghiệm nén ba trục thông thường, có những ứng

xử và lộ trình ứng suất khác nhau

Sự thay đổi lộ trình ứng suất của đất trong thực tế là rất phức tạp Từ các nghiên cứu trước đây, có thể thấy rằng để phân tích ứng xử của vùng I (sau lưng tường chắn) và vùng II (dưới đáy hố đào) thì việc phân tích sự thay đổi các thông

số độ bền và mô đun biến dạng của đất theo các lộ trình ứng suất dỡ tải hai khu vực này là vấn đề chính cần tập trung giải quyết Đó cũng chính là hướng tiếp cận của luận án này

1.5.1 Các nghiên cứu trước đây về trạng thái ứng suất xung quanh hố đào

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về trạng thái ứng suất của đất nền liên quan đến HĐS như: Bjerrum N L (1973) [22], Clough G.W và Hansen L (1981) [27], Duncan J M và Chang C Y (1970) [28], Hashash Y.M.A (1992) [34], Lambe T.W (1970) [39], Mana A.I và Clough G.W (1981) [42], O’ Rourke

T D (1981) [44], Ou C.Y (2006) [45], Peck R.B (1969) [50], Kai S Wong (2009) [62],…

Ứng xử của đất không chỉ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất hiện tại mà còn phụ thuộc vào lịch sử ứng suất Việc đào đất trong HĐS chủ yếu dẫn đến giảm ứng suất thẳng đứng dưới đáy móng trong quá trình đào và giảm ứng suất ngang vùng đất sau lưng tường chắn Vì ứng xử của hố đào ảnh hưởng bởi trạng thái ứng suất của đất, nên cần xác định các lộ trình ứng suất trong quá trình đào đất để xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sức kháng cắt và xác định

các thông số độ cứng thông qua các thí nghiệm trong phòng Lambe T W (1970)

[39] cung cấp một phương pháp lộ trình ứng suất hợp lý để hiểu các biến thể của ứng suất hiệu quả trong các phân tố đất tại một số vị trí điển hình gây ra bởi cả

sự giảm ứng suất ngang và đứng trong quá trình đào

Hình 1.4 Các lộ trình ứng suất khác nhau của thí nghiệm ba trục [43]

Theo Rahman M.M và Mofiz S.A (2010) [43] có nhiều trạng thái ứng suất trong nền trên hệ tọa độ (p-q), được trình bày trên Hình 1.4 Với hệ thống thiết bị thí nghiệm theo thiết kế của Bishop và Weley’s (1975) [21] phát triển tại trường đại học Khoa học và Kỹ thuật Imperial, London, một loạt các thí nghiệm theo các lộ trình ứng suất CTE, RTE, TE được thực hiện để xác định các tham số tính toán HĐS trong quá trình dỡ tải cho đất sét tại Bangladesh

Để xác định sự phụ thuộc vào lộ trình ứng suất trong tính toán HĐS trên đất yếu, Becker P (2008) [19] đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị để thí nghiệm với nhiều lộ trình ứng suất khác nhau như Hình 1.5 Các đoạn OA, OB, OC, OD,

OE, OF thể hiện trạng thái ứng suất tại các vị trí khác nhau xung quanh hố đào

- Đoạn OA: trạng thái của ứng suất theo trục của nền móng, nền đất đắp

- Đoạn OD: trạng thái ứng suất dưới đáy của hố đào

- Đoạn OB: trạng thái ứng suất sau lưng tường chắn

Hình 1.5 Các lộ trình ứng suất trong hố đào [19]

- Đoạn OE: trạng thái ứng suất ở phía trước tường chắn và dưới đáy hố đào (trường hợp bị động), nơi thay đổi ứng suất thẳng đứng do giảm ứng suất thẳng đứng giả định là rất nhỏ

- Đoạn OF: thể hiện sự giảm ứng suất thẳng đứng tới hố đào và tăng ứng suất nằm ngang tùy thuộc vào sự dịch chuyển của tường trên phần bị động, với điều kiện là sự gia tăng ứng suất trong cả 2 hướng chính như nhau

Kai S Wong (2001) [62] đã nghiên cứu lộ trình ứng suất trong đất với các trạng thái chịu tải khác nhau (Hình 1.6) và với hố đào (Hình 1.7) Tác giả chia các trạng thái ứng suất trong đất biến đổi do chịu tải theo các vùng từ A đến F trong đó lộ trình ứng suất trong đất nền xung quanh HĐS thuộc vùng E Đây

là vùng Wong Kai S (2009) cho rằng chưa được nghiên cứu đầy đủ Do vậy các

lộ trình ứng suất trong vùng D và C là các vùng đất nền chịu tải thông thường, thường được sử dụng thay thế cho các lộ trình ứng suất trong vùng E Các lộ

trình ứng suất này đều giao với đường phá hoại K f tuy nhiên quan hệ ứng suất

- biến dạng hoàn toàn có sự khác biệt

Hình 1.6 Lộ trình ứng suất trong đất [61]

Hình 1.7 Lộ trình ứng suất trong hố đào [61]

Ou và cộng sự (2006) [45] khảo sát một loạt các thí nghiệm với lộ trình ứng suất ba trục trên đất sét bụi của Đài Bắc Các lộ trình ứng suất bao gồm AC,

AE, LE, LC Loại thí nghiệm bao gồm CD và CU Tác giả nhận thấy từ kết quả rằng góc ma sát hữu hiệu có sự khác biệt trong các lộ trình ứng suất và điều kiện thoát nước khác nhau mặc dù xu hướng biến dạng của mẫu đất là giống nhau

Ladd và cộng sự (1977) [25] công bố các kết quả đạt được từ thí nghiệm

CK0U trong điều kiện biến dạng phẳng trên bốn loại đất khác nhau Tác giả chỉ

ra rằng góc ma sát hữu hiệu có được từ thí nghiệm nén ba trục (’ c) lớn hơn góc

ma sát hữu hiệu từ thí nghiệm kéo ba trục (’ e) Tuy nhiên sự khác biệt giảm đi với sự gia tăng độ dẻo của đất