Nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình ngân hàng vietinbank chi nhánh sóc trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNTTRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI ---TRẦN KẾ ĐẠT NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG BẰNG P

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

-TRẦN KẾ ĐẠT

NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

-TRẦN KẾ ĐẠT

NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ: 60580204

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ TUẤN NGHĨA

HÀ NỘI, NĂM 2017

-LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Trần Kế Đạt, học viên cao học lớp 24ĐKT12, chuyên ngành Địa kỹ thuật

xây dựng Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố

đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, tôi không sao chép và kết

quả của luận văn này chưa công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào

, ngày tháng năm 2017

Tác giả

Trần Kế Đạt

-LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Đỗ

Tuấn

Nghĩa cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi, luận

văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình

Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn”

đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầutrong đề cương được phê duyệt

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Đỗ Tuấn Nghĩa người đã tận

tình hướng dẫn, cung cấp thông tin, tài liệu và vạch ra những định hướng khoa học cầnthiết để tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa côngtrình, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học cùng toàn thể các thầy cô giáo trongtrường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong thời gian tác giả họctập và nghiên cứu

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người đitrước đã chỉ bảo, khích lệ, động viên, ủng hộ nhiệt tình và tạo điều kiện, giúp đỡ chotác giả về mọi mặt trong quá trình học tập cũng như hoàn thiện luận văn

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, kiến thức bản thân còn hạn chế nênluận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả mong nhận đượcmọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, anh chị em và cácbạn

đồng nghiệp

, ngày tháng năm 2017

Tác giả

Trần Kế Đạt

-MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

3.1 Cách tiếp cận 2

3.2 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Kết quả dự kiến đạt được 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU 4

1.1 Tình hình xây dựng hố đào sâu trên thế giới 4

1.2 Tình hình xây dựng hố đào sâu ở Việt Nam 7

1.3 Đặc điểm hố đào sâu 8

1.4 Những vấn đề cần nghiên cứu khi thi công hố đào sâu 9

1.4.1 Tính toán áp lực đất, nước

10 1.4.2 Hiệu ứng thời gian, không gian của công trình hố móng

10 1.4.3 Khống chế biến dạng của hố móng

11 1.5 Kết luận 11

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO MỞ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 12

2.1 Chuyển vị tường chắn trong quá trình đào sâu 12

2.1.1 Tác động của sự thay đổi ứng suất trong đất nền (Nguyễn Bá Kế 2010)

12 2.1.2 Đặc tính của đất (Nguyễn Bá Kế 2010)

13 2.1.3 Ứng suất ngang ban đầu trong đất (Nguyễn Bá Kế 2010)

14 2.1.4 Tình trạng nước ngầm (Nguyễn Bá Kế 2010)

14 2.1.5 Các hệ số an toàn ổn định (Chang-Yu Ou 2006) 15

2.1.6 Chiều rộng hố đào (Chang-Yu Ou 2006) 15

-2.1.10 Độ cứng thanh chống (Chang-Yu Ou 2006) 17

2.1.11 Khoảng cách chống (Chang-Yu Ou 2006) 19

2.1.12 Gia tải chống (Chang-Yu Ou 2006) 19

2.1.13 Trình độ thi công (Nguyễn Bá Kế 2010) 20

2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong phán đoán chuyển vị tường chắn 21

2.2.1 Ưu nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn (Youssef M.A Hashash 1992) 21

2.2.2 Mô hình hố đào của phương pháp phần tử hữu hạng (R.B.J Brinkgreve 2002) 24

2.3 Bài toán phân tích ngược .28

2.3.1 Hố đào sâu trong đất sét 28

2.3.2 Hố đào sâu trong đất cát 35

2.4 Kết luận 44

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG 46

3.1 Mô tả đặc điểm công trình Ngân hàng Công thương Việt Nam Chi nhánh Sóc Trăng 46

3.2 Đặc điểm địa chất thủy văn và các thông số thí nghiệm đất nền 47

3.3 Các giai đoạn thi công tầng hầm công trình: 49

3.4 Các thông số đầu vào để lập mô hình hố đào trong Plaxis 2D 50

3.4.1 Mô hình và thông số đất nền 51

3.4.2 Mô hình và thông số tường cọc xi măng đất 53

3.4.3 Mô hình và thông số hệ chống ngang 54

3.5 Kết quả phân tích 54

3.6 Kết luận 59

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ RỘNG HỐ ĐÀO TỚI CHUYỂN VI TƯỜNG .60

4.1 Các trường hợp phân tích 60

4.2 Kết quả phân tích 61

4.3 Kết luận 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

1 Kết quả đạt được của đề tài 73

2 Những tồn tại của đề tài 74

3 Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

-DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một công trình ngầm tại Trung Quốc 5

Hình 1.2 Hố móng sâu tòa nhà Lotte Tower Super Tower ở Hàn Quốc 6

Hình 2.1 Đường ứng suất của các phần tử đất ở gần hố đào 13

Hình 2.2 Quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của tường, độ cứng của hệ thống chống, và hệ số an toàn chống đẩy trồi .15

Hình 2.3 Quan hệ giữa chuyển vị tường lớn nhất và chiều sâu đào 16

Hình 2.4 Quan hệ giữa chiều sâu chôn tường và chuyển vị tường 17

Hình 2.5 Quan hệ giữa hình dạng chuyển vị tường và độ cứng thanh chống lớn 18

Hình 2.6 Quan hệ giữa hình dạng chuyển vị tường và độ cứng thanh chống nhỏ 18

Hình 2.7 Chuyển vị hông của tường và sụt lún mặt đất của hố đào TNEC 19

Hình 2.8 Quan hệ giữa áp lực đất, lực chống, và phản lực của đất 20

Hình 2.9 Ví dụ về bài toán biến dạng phẳng và đối xứng trục 25

Hình 2.10 Ứng dụng trong đó các phần tử tấm, neo và các giao diện được sử dụng 25

Hình 2.11 Vị trí các nút và điểm ứng suất ở phần tử dầm 3 nút và 5 nút 26

Hình 2.12 Vị trí các nút và điểm ứng suất trong các phần tử của đất 27

Hình 2.13 Mô tả sơ lược trình tự thi công hố đào và các lớp đất dưới đáy hố đào 29

Hình 2.14 Sự biến thiên của (a) hàm lượng nước và (b) hệ số rỗng ban đầu ứng với độ sâu 30

Hình 2.15 Sự biến thiên của chỉ số nén (a) và (b) chỉ số nở ứng với độ sâu 30

Hình 2.16 Sự biến thiên của (a) OCR và (b) sức kháng cắt không thoát nước ứng với độ sâu 31

Hình 2.17 So sánh chuyển vị tường và biến dạng lún mặt đất đo được với dự đoán bằng mô hình HS 32

Hình 2.18 Ước lượng mô đun ban đầu được đề xuất bởi Chang và Abas (1980) 32

Hình 2.19 So sánh chuyển vị tường và biến dạng lún mặt đất đo được với dự đoán bằng mô hình Mohr-Coulomb, = 0 33

Hình 2.20 So sánh chuyển vị tường và biến dạng lún mặt đất đo được với dự đoán bằng mô hình Mohr-Coulomb, = 0 34

Hình 2.21 So sánh chuyển vị tường và biến dạng lún mặt đất đo được với dự đoán bằng mô hình HS 35

Hình 2.22 Sơ đồ bố trí và kế hoạch quan trắc: (a) ga tàu O6 và (b) ga tàu 07 38

Hình 2.23: Sự phân bố theo chiều dọc của mô đun đàn hồi được phân tích lại 39

Hình 2.24 Mặt cắt địa chất hố đào ở 2 ga tàu O6 và O7 41

-Hình 2.25 Mối liên hệ giữa các giá trị SPT-N với mô đun đàn hồi 42

Hình 2.26 Mối liên hệ giữa chiều sâu với mô đun đàn hồi 43

Hình 3.1 Mặt bằng mô hình hố đào sâu Vietinbank Sóc Trăng 46

Hình 3.2 Mặt cắt địa chất công trình (hố khoan HK1, HK2, HK3) 49

Hình 3.3 Mặt cắt hố đào công trình 50

Hình 3.4 Mô hình hố đào công trình trong phần mềm Plaxis 2D 51

Hình 3.5 Chuyển vị ngang của tường cọc xi măng đất trong các giai đoạn đào 54

Hình 3.6 Sụt lún mặt đất sau tường cọc xi măng đất theo các giai đoạn đào 55

Hình 3.7 Hiện trạng công trình Câu lạc bộ hưu trí 56

Hình 3.8 Đẩy trồi qua các giai đoạn đào 56

Hình 3.9 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 1 57

Hình 3.10 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 2 57

Hình 3.11 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 3 58

Hình 4.1 Mặt cắt đại diện của các hố đào phân tích 60

Hình 4.2 Chuyển vị ngang của tường chắn hố đào khi tăng bề rộng hố đào theo tỷ lệ B/B0 61

Hình 4.3 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn hố đào khi tăng bề rộng hố đào theo tỷ lệ B/B0 .62

Hình 4.4 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=1 63

Hình 4.5 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=1,2 63

Hình 4.6 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=1,5 64

Hình 4.7 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=1 64

Hình 4.8 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=1,2 65

Hình 4.9 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=1,5 65

Hình 4.10 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=1,7 66

Hình 4.11 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=2 67

Hình 4.12 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=2,5 67

Hình 4.13 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=3 68

Hình 4.14 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=4 68

Hình 4.15 Chuyển vị ứng với trường hợp B/B0=1,7 69

Hình 4.16 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=2 69

Hình 4.17 Chuyển vị ứng với trường hợp B/B0=2,5 70

Hình 4.18 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=3 70

Hình 4.19 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=4 71

-DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các công trình ngầm đã thi công tại Việt Nam 7

Bảng 2.1 Các thông số đầu vào của vật liệu trong ứng sử không thoát nước, ước tính từ Chang và Abas (1980), cho mô hình Mohr Coulomb 32

Bảng 2.2 Trình tự thi công tường chắn cho hố đào O6 và O7 36

Bảng 2.3 Tính chất của đất ở ga tàu O6 .37

Bảng 2.4 Tính chất của đất ở ga tàu O7 .37

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất 47

Bảng 3.2 Thông số đất nền 52

Bảng 3.3 Thông số tường cọc xi măng đất 53

Bảng 3.4 Thông số thanh chống 54

-DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

FEM: Phương pháp phần tử hữu hạn

BEM: Phương pháp phần tử biên

TNEC: Tòa nhà Trung Tâm Thương Mại Đài Bắc MC: Mô hình Mohr-

Coulomb HS: Mô hình

Hardening Soil

-MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hoá của nước ta ngày càngnhanh, hệ thống đô thị phát triển cả về số lượng, chất lượng và quy mô, quỹ đất đô thịnói chung và của các đô thị lớn nói riêng đã gần cạn kiệt, các không gian xanh, khônggian công cộng ngày một thu hẹp đòi hỏi phải tận dụng cả chiều cao lẫn chiều sâucủa không gian đô thị Khai thác và sử dụng một cách có hiệu quả không gian dướimặt đất trong các đô thị hiện nay đang là xu thế tất yếu của sự phát triển Trong xu thếchung đó thì hệ thống công trình ngầm đô thị ngày càng có vị trí quan trọng Sự xuấthiện của các Trung tâm thương mại ngầm quy mô lớn hoặc các dự án Bãi đỗ xe ngầmkết hợp dịch vụ cho thấy nhu cầu xã hội rất lớn Khai thác và sử dụng không gianngầm cho phát triển, chỉnh trang đô thị tại Việt Nam như một nguồn tài nguyên khônggian rộng lớn là xu hướng tất yếu

Đặc biệt ở các đô thị lớn như Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng… thì các công trình cóthiết kế cao tầng đều gắn liền với thiết kế tầng hầm nhằm tận dụng triệt để quỹ đất đôthị Số tầng hầm được thiết kế phổ biến nhất là từ 2-3 tầng, có nhiều công trình phứchợp có 3 - 6 tầng hầm với diện tích lớn như: Tòa nhà Kumho Asiana Plaza, Trung tâmthương mại, văn phòng, căn hộ cho thuê và bãi đậu xe ngầm tại số 70 Lê Thánh Tôn vàphần ngầm công viên Chi Lăng; Cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại và căn hộcho thuê tại số 34 Tôn Đức Thắng; Khu phức hợp Eden…

Thành phố Sóc Trăng là một đô thị còn non trẻ, quỹ đất xây dựng công trình trong nội

ô thành phố tuy còn nhiều nhưng việc đầu tư xây dựng các công trình nhà cao tầng kếthợp tầng hầm tại khu vực trung tâm thành phố đang dần trở nên phổ biến Với khuynhhướng phát triển mạnh các công trình nhà cao tầng, đặc biệt khi có tầng hầm trong điềukiện địa chất thủy văn trên địa bàn tỉnh là đất yếu bảo hòa nước thì việc nghiên cứutính toán ổn định của hố đào sâu cần phải được quan tâm, nghiên cứu đúng mức nhằmđảm bảo cho công trình chủ thể và các công trình lân cận được ổn định, tránh được các

sự cố đáng tiếc xảy ra trong quá trình thi công xây dựng cũng như khi đưa vào khaithác sử dụng lâu dài

-Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xungquanh khu vực hố đào và có thể làm thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịchchuyển Các giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là: tường cừ thép,tường cừ cọc xi măng đất, tường cừ barrette Yêu cầu chung của tường cừ là phải đảmbảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tảitrọng Bên cạnh đó thì việc hạn chế và đảm bảo chuyển vị của tường cừ trong mức chophép là hết sức quan trọng

Chuyển vị của tường cừ phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như tải trọng, cách thi công hốđào, địa chất của công trình, hình dạng của tường cừ, chiều sâu chôn tường, bề rộng hốđào… Việc nghiên cứu chuyển vị của tường hố đào sâu trong công trình là rất cần thiết

và cấp bách, nhằm dự báo chính xác sự làm việc của tường cừ để từ đó đề xuất biệnpháp hợp lý, đảm bảo an toàn kĩ thuật và tính kinh tế Đây cũng chính là tính cấp thiếtcủa đề tài nghiên cứu

- Tìm hiểu các lý thuyết đã có về chuyển vị của tường của hố đào sâu

- Thu thập các thông tin về hiện trạng, tài liệu địa hình, địa chất, tài liệu thiết kế côngtrình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng

Sử dụng phần mềm Plaxis để tính toán chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trìnhNgân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng và ảnh hường của bề rộng hố đào tớichuyển vị của tường chắn

3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa: tổng hợp và áp dụng các lý thuyết đã có liên quan đến vấn đềchuyển vị tường chắn trong hố đào sâu

- Phương pháp phân tích: dựa vào số liệu khảo sát kết hợp với sử dụng phần mềmPlaxis tính toán để đánh giá và dự đoán chuyển vị của tường

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết đã có về chuyển vị tường chắn hố đào mở sử dụng phương phápphần tử hữu hạn

- Nghiên cứu việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào dự đoán chuyển vị tườngchắn hố đào sâu trong thi công tầng hầm công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánhSóc Trăng theo phương pháp đào mở

- Nghiên cứu ảnh hưởng của bề rộng hố đào lên chuyển vị của tường chắn

5 Kết quả dự kiến đạt được

- Nắm vững kiến thức về chuyển vị của tường chắn hố đào khi thi công các hố móngsâu với điều kiện địa chất yếu

- Tính toán chuyển vị tường chắn hố đào trong thi công hầm công trình Ngân hàngVietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis)

- Đánh giá cơ bản ảnh hường của bề rộng hố đào tới chuyển vị của tường chắn hố đào

- Đóng góp một phần nhỏ vào công tác nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố đào cáccông trình có thi công tầng hầm trên địa tỉnh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữuhạn

-CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU

1.1 Tình hình xây dựng hố đào sâu trên thế giới

Ngày nay trong xây dựng và phát triển đô thị, đặc biệt đối với các đô thị lớn rất quantâm đến sự kết hợp chặt chẽ giữa các công trình trên mặt đất và các công trình đượcxây dựng dưới mặt đất, luôn tìm cách khai thác triệt để không gian ngầm với nhiềumục đích khác nhau Do đó các công trình ngầm ngày càng được đầu tư và phát triển.Công trình có tầng hầm đã được xây dựng từ lâu trên thế giới, hầu hết các công trìnhnhà cao tầng đều có tầng hầm Độ sâu cũng như số tầng hầm phụ thuộc vào điều kiệnđịa chất, công nghệ và công năng sử dụng của công trình Đa phần các công trình đều

có từ 1 đến 3 hoặc 4 tầng hầm, cá biệt có những công trình vì yêu cầu công năng sửdụng có đến 5÷10 tầng hầm Đa số các công trình nhà cao tầng có tầng hầm sâu tậptrung chủ yếu ở các nước phát triển như: Mỹ, Philipin, Australia, Đài Loan… Tuynhiên, trong những năm gần đây, các nước đang phát triển cũng xây dựng nhà cao tầng

có tầng hầm sâu ngày càng nhiều như: Singapore, Thailand… cho thấy sự cần thiếtcũng như xu thế phát triển tất yếu của công trình nhà cao tầng có nhiều tầng hầm

Vì công trình có nhiều tầng hầm đã được xây dựng rất lâu trên thế giới nên quy trìnhcông nghệ, thiết bị dùng để xây dựng công trình có nhiều tầng hầm cũng rất phát triểnvới nhiều công nghệ hiện đại, tiên tiến Việc lựa chọn công nghệ xây dựng tùy thuộcvào từng đặc điểm cụ thể của công trình Một số công nghệ, giải pháp chống đỡ thườngđược sử dụng phổ biến để xây dựng công trình có nhiều tầng hầm trên thế giới: tường

cừ thép, tường cừ bằng cọc nhồi bêtông cốt thép (BTCT), tường cừ bằng cọc xi măngđất, tường cừ BTCT thi công bằng công nghệ tường trong đất hoặc các tấm BTCT đúcsẵn…

Hầu như các thành phố lớn trên thế giới, do cần tiết kiệm đất đai và giá đất ngày càngcao nên đã tìm cách cải tạo hoặc xây mới các đô thị của mình với ý tưởng chung là triệt

để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất cho nhiều mục đích khác nhau vềkinh tế, xã hội, văn hóa và môi trường

-Một số ngành công nghiệp do yêu cầu của dây chuyền công nghệ (như nhà máy luyệnkim, cán thép, làm phân bón…) cũng đã đặt một phần không nhỏ dây chuyền đó nằmsâu dưới mặt đất

Các trạm bơm lớn, công trình thủy điện cũng cần đặt sâu vào long đất nhiều bộ phậnchức năng của mình với diện tích đến hang vài chục ngàn mét vuông và sâu đến hàngtrăm mét

Hướng xây dựng “thành phố theo chiều thẳng đứng” rất ưu việt trong những thập niêntới Nhật Bản xem hướng phát triển đô thị bằng cách đi sâu vào lòng đất là một trongnhững biện pháp giải tỏa sự đông đúc mật độ dân cư của họ cùng với 2 giải pháp là lêncao và lấn biển Ở Tokyo đã có quy định khi xây nhà cao tầng phải có ít nhất 5-8 tầnghầm Ở Thượng Hải (Trung Quốc) thường thấy có 2-3 tầng hầm dưới mặt đất ở các tòanhà cao tầng, có nhà đã thiết kế đến 5 tầng hầm, kích thước mặt bằng lớn nhất đã lênđến 274x187m, diện tích khoảng 51.000m2, hố móng sâu nhất tới 32m

Hình 1.1 Một công trình ngầm tại Trung Quốc (Nguồn Internet)

Một gara lớn có kích thước 156x54x27m gồm 7 tầng được xây dựng đầu tiên ởMátcơva, có sức chứa 2000 ô tô con mà nếu làm trên mặt đất cần 50.000m2 Để xâydựng công

Một giếng chìm có kết cấu thành mỏng, gồm nhiều đoạn đúc sẵn có đường kính 37.8m,sâu 57.8m đã hạ vào trong đất có điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn hếtsức phức tạp vào năm 1972 tại Mikahilovski (Nga) (Nguyễn Bá Kế, 2012)

Mặc dù công trình có nhiều tầng hầm đã được xây dựng từ lâu trên thế giới với nhiềunhững công nghệ khác nhau, tuy nhiên, do mức độ khó khăn, phức tạp, ẩn chứa nhiềurủi ro nên việc thi công tầng hầm công trình trên thế giới đã xảy ra không ít sự cố, tainạn mà điển hình là sự cố công trình trạm bơm nước thải Bangkok – TháiLan có kíchthước 20,3m đường kính, sâu 20,2m, bị sập ngày 17-8-1997 khi vừa hoàn tất công tácđào và lắp đặt hệ thanh chống Kết cấu của công trình gồm hệ tường vây liên kết(diaphragm wall) giữ vai trò như tường chắn khi thi công đào sâu và giữ vai trò tường

-hầm sau khi đúc bê tông các bản sàn -hầm Đặc biệt là công trình này có kích thướchoàn

toàn giống một công trình tương tự đã thi công thành công ở Frankfurt - Đức

1.2 Tình hình xây dựng hố đào sâu ở Việt Nam

Công trình có tầng ngầm đã trở thành một phần của đời sống đô thị, khai thác khônggian ngầm là xu hướng tất yếu trong trát triển đô thị hiện đại Không nằm ngoài xu thếphát triển của thế giới, tại Việt Nam, các công trình có tầng hầm cũng bắt đầu xuất hiện

từ những năm đầu của thập niên 90, đặc biệt phát triển trong hơn 10 năm trở lại đây.Trong những năm gần đây ở nước ta, tại các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố

Hồ Chí Minh cũng bắt đầu sử dụng các tầng hầm dưới các nhà cao tầng với hố đào cóchiều sâu lên đến hơn chục mét

Bảng 1.1 Các công trình ngầm đã thi công tại Việt Nam (Nghiêm Hữu Hạnh, 2012)

áp Đà

-Do phát triển và xây dựng công trình ngầm vẫn còn là điều mới mẻ và khiêm tốn ởnước ta, trong thực tế thi công cũng không ít các sự cố liên quan đến công nghệ thicông tầng hầm đã xảy ra ở nước ta Một số sự cố điển hình đã xảy ra ở Việt Nam khithi công tầng hầm công trình trong một số năm trở lại đây như: Sự cố khi thi công côngtrình Chi nhánh Ngân hàng nông nghiệp tại Hà Nội; Sự cố khi thi công tầng hầm củakhách sạn Pacific tại TP.HCM; Sự cố khi thi công tầng hầm Ngân hàng TMCP côngthương Việt Nam tại Đà Nẵng

1.3 Đặc điểm hố đào sâu

Thi công hố đào có thể coi là một bài toán dỡ tải đối với nền đất Việc dỡ tải này làmthay 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 hốđào và sau đó là đáy hố và đất xung quanh Khi nghiên cứu sự ổn định của hố đào vàcác biện pháp bảo vệ nó, Terzaghi (1943) đánh giá chiều sâu hố đào là yếu tố quantrọng nhất và đưa ra tiêu chí:

- Hồ đào nông là hố đòa có chiều sâu nhỏ hơn chiều rộng của hố;

- Hố đào sâu là hố đào có chiều sâu lớn hơn chiều rộng của hố

Nhưng sau đó thì năm 1967 Teraghi và Peck, và năm 1977 Peck và các cộng sự đã đềnghị là:

- Hố đào nông là hố đào có chiều sâu đào nhỏ hơn 6m;

- Hố đào sâu là hố đào có chiều sâu đào lớn hơn 6m

Công trình hố đào sâu bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất,chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước ngầm, đào đất… trong đó, một khâu nào đó gặp sự

cố có thể sẽ dẫn đến cả công trình bị đỗ vỡ

Bài toán ổn định hố đào sâu đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có kinh nghiệm trongviệc phân tích và lựa chọn giải pháp tường chắn đủ cứng để chống lại sự phá hoại kếtcấu, sự trượt, chuyển vị và sự phá hoại ổn định

-1.4 Những vấn đề cần nghiên cứu khi thi công hố đào sâu

Để tránh hay hạn chế những sai sót hoặc sự cố xảy ra trong lúc thiết kế và thi công hốmóng sâu, cần phải thỏa mãn các yêu cầu chung nhất sau đây theo tổng kết kinhnghiệm của thế giới

Về mặt thiết kế kết cấu chắn giữ hố móng và nền của nó phải tính theo 2 nhóm trạngthái giới hạn sau đây:

- Nhóm 1cần thỏa mãn về:

+ Ổn định vị trí của tường, chống trượt, lật, xoay;

+ Ổn định sức chịu tải và ổn định cục bộ của nền;

+ Cường độ của các cấu kiện và mối nối;

+ Sức chịu tải và độ bền của các kết cấu neo;

+ Ổn định và độ bền của kết cấu thanh chống;

+ Ổn định thấm của nền

- Nhóm 2 cần thỏa mãn về:

+ Tính theo biến dạng nền, tường chắn và cấu kiện của nó;

+ Tính các cấu kiện của kết cấu tường theo sự phát triển của vết nứt;+ Ổn định của thành hố đào khi tường làm việc trong đất;

+ Kể đến ảnh hưởng của hố đến công trình lân cận

Về mặt thi công cần chú ý:

+ Đặc điểm công nghệ và trình tự thi công, thao tác;

+ Bơm hút nước, neo đất, kết cấu thanh chống;

+ Khả năng thay đổi các đặc trưng cơ lý của đất có liên quan tới quá trìnhkhoan, đóng và các tác động công nghệ khác;

-+ Sự cần thiết của kết cấu chắn giữ chống thấm nước;

+ Sự cần thiết dùng các giải pháp kết cấu để giảm áp lực lên tường chắn(cấu kiện giải tỏa tải trọng, vải địa kỹ thuật, đất có cốt…)

Trước khi thực hiện việc thiết kế và thi công hố đào sâu cần nghiên cứu kỹ các vấn đềsau đây:

b) Tính riêng và tính gộp áp lực đất, nước: Hiện nay, các chuyên gia ở nhiều nướcthường tính riêng áp lực đất với loại đất có tính thấm nước mạnh như cát, sỏi, đá…điềunày trên căn bản đã được công nhận rộng rãi Còn đối với vấn đề với áp lực đất nướccủa loại đất có tính thấm ít như đất mịn, đất sét thì nhận thức vẫn còn khác nhau Tínhgộp áp lực đất nước về lý luận đang còn khiếm khuyết, nhưng thực tế lại tương đối dễdàng , thêm vào một số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm là có thể tiếp cận được với tìnhhình thực tế

1.4.2 Hiệu ứng thời gian, không gian của công trình hố móng

Đây là đặc trưng chủ yếu của công trình hố móng, trong đó, hình dạng mặt bằng, độsâu đào, hoàn cảnh xung quanh, điều kiện tải trọng, thời gian đào hố dài hay ngắn, đều

có ảnh hưởng rất lớn đến chịu lực và biến dạng Nhất là trong những vùng đất yếu, dođào hố và hạ nước ngầm sẽ làm cho nước trong đất biến đổi, khung cốt đất lại có đặctrưng xúc biến, do đó, cần phải kể đến trạng thái chịu lực không gian cũng như trạngthái ứng suất và biến dạng thay đổi theo thời gian của nó Lí luận về hiệu ứng thời gian

và không gian này, hiện nay đã được các chuyên gia rất coi trọng, nhưng vận dụng nó

-trong thiết kế thi công như thế nào thì đang còn phải chờ một bước phát triển hoànthiện hơn nữa

-1.4.3 Khống chế biến dạng của hố móng

Đây chính là nội dung quan trọng của hiệu ứng thời gian, không gian, cũng là một vấn

đề lớn được mọi người chú ý trong công trình hố móng Vấn đề biến dạng của hố móngbao gồm đất ở vùng hố móng do đào hố, hạ nước ngầm làm cho mặt nền bị biến dạnglún xuống, đồng thời cũng bao gồm vấn đề bản thân kết cấu chỗng giữ biến dạngnghiêng vào phía trong hố

1.5 Kết luận

Quá trì xây dựng và phát triển đô thị trên thế giới đều quan tâm đến sử dụng khônggian ngầm Việc khai thác, sử dụng không gian ngầm và xây dựng công trình ngầm lànhu cầu thực tế của của các đô thị ở nước ta trong thời gian tới Việc khai thác khônggian ngầm sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng mặt đất, năng lực cơ sở hạ tầng, giữ gìn cảnhquan lịch sử văn hóa, tăng diện tích xanh, cải thiện sinh thái đô thị…

Trong chương 1, tác giả đã tổng quan về tính cấp thiết của việc xây dựng công trìnhngầm trong thời điểm hiện nay Nêu ra tình hình xây dựng công trình ngầm trên thếgiới và tại Việt Nam trong những năm gần đây Bên cạnh đó là những sự cố về côngtrình ngầm đã xảy ra trên thế giới và tại Việt Nam để thấy rõ được mức độ nghiêmtrọng khi có sự cố xảy ra

Trong chương này, các vấn đề cần nghiên cứu khi tính toán thiết kế và thi công mộtcông trình ngầm cũng được nêu ra nhằm thấy rõ được việc thiết kế, thi công một côngtrình hố đào sâu là một công việc đòi hỏi kinh nghiệm của người thiết kế, thi công; kỹthuật thi công và các vấn đề còn hạn chế trong thiết kế tính toán hố đào sâu

-CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO MỞ

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

2.1 Chuyển vị tường chắn trong quá trình đào sâu

Hiện nay khi thi công hố đào sâu thì yếu tố chuyển vị tường chắn quanh hố móng đặcbiệt được quan tâm Khống chế được yếu tố này thì sẽ giảm thiểu được đáng kể các sự

cố hay hư hỏng không đáng có đối với công trình đang thi công và các công trình lâncận

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 củanhiều yếu tố như chiều rộng hố đào, chiều sâu hố đào, gia tải trước, v.v Mối liên hệcủa các yếu tố này với chuyển vị có thể được suy luận từ lý thuyết

Đối với các vùng đất nền khác nhau mà các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng của đấtquanh hố đào sâu sẽ không giống nhau, trong số đó các yếu tố chính ảnh hưởng đếnchuyển vị của tường chắn có thể kể đến như sau:

2.1.1 Tác động của sự thay đổi ứng suất trong đất nền (Nguyễn Bá Kế 2010)

Sự thay đổi ứng suất xảy ra ở hai dạng phần tử đất, một ở cạnh (phần tử A) và một ởbên dưới đáy hố móng (phần tử B) Các phần tử này được thể hiện trong hình 2.1.Đường ứng suất này xảy ra trong đất sét cố kết bình thường Sự giảm ứng suất tổngthể theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang xảy ra trong quá trình đào và việcthay đổi sự cân bằng áp lực nước lỗ rỗng có tác động quan trọng tới biến dạng của đất

Sự thay đổi mối quan hệ ứng suất - biến dạng theo thời gian trong quá trình đào sẽ làmthay đổi ứng suất hữu hiệu khi áp lực nước lỗ rỗng được cân bằng lại Trong quá trình

cố kết, tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng có liên quan đến hiệu suất thoát nước, độthấm của thớ đất và lượng độ ẩm nhận được

-Hình 2.1 Đường ứng suất của các phần tử đất ở gần hố đào (theo Lambe, 1970)

Vị trí đường ứng suất khi chưa có tải của phần tử B tiến dần tới đường bao phá hoại lànhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến dịch chuyển ngang của đất bên dưới đáy hố móng (do

vùng chảy nhỏ, biến dạng của phần tử đất là nhỏ, do đó dịch chuyển ngang của đấtcũng sẽ

nhỏ Ngược lại, nếu những điểm ứng suất hữu hiệu của phần tử B quá gần với đườngbao phá hoại thì trong phần tử đất sẽ xuất hiện vùng chảy lớn, dịch chuyển ngang lớn

và phá hoại bị động cục bộ

2.1.2 Đặc tính của đất (Nguyễn Bá Kế 2010)

Ảnh hưởng do đặc tính của đất đến hố đào đã được Peck (1969) tiến hành nghiên cứu

và tổng kết Theo Peck, dịch chuyển của tường và độ lún của đất trong đất cứng (chẳnghạn như đất cát hay sét cứng) sẽ có trị số nhỏ hơn so với trong đất mềm (chẳng hạn sétyếu hay cứng vừa và bùn lỏng)

Dịch chyển của đất do đào trong sét yếu có thể trở thành mối quan tâm lớn, đặc biệtnơi mà đất sét đã được giả định là không đẳng hướng Nhiều nghiên cứu (ví dụ:

-Malcom Puller, 1996) đã cho thấy rằng tốc độ và độ lớn của dịch chuyển của tường sẽtăng nhanh

cừ hay mối nối tường trong đất dính ở trạng thái nhão với ứng suất cao do nước ngầm,tốc độ đào quá nhanh Tình trạng nước ngầm và đất do đó trở thành nhân tố quan trọngnhất trong các nhân tố khác có ảnh hưởng tới sự dịch chuyển của đất ở xung quanh hốđào.

2.1.3 Ứng suất ngang ban đầu trong đất (Nguyễn Bá Kế 2010)

Trong các vùng đất cao, tồn tại những ứng suất theo phương ngang ở trong đất kiểunhư trong sét quá cố kết, giá trị của hệ số áp lực đất lớn hơn K0, biến dạng của đấtxung quanh hố đào tăng thậm chí xảy ra ngay cả những hố đào nông Đối với đất cótính nén thấp, giá trị của hệ số áp lực đất ở trạng thái nghỉ là K0, biến dạng thường nhỏhơn

ổn định nước ngầm như vậy là nguyên nhân dẫn đến sự dịch chuyển của đất theo cảhai phương nằm ngang và thẳng đứng

Sự hạ nước ngầm lớn nhất ở gần hố đào và giảm dần theo sự tăng khoảng cách so với

hố đào, vì vậy quá trình lún ở các điểm khác nhau trong đất sẽ có hình dáng tương tựnhư do dở tải các lớp đất ở phía trên hố đào gây ra

-2.1.5 Các hệ số an toàn ổn định (Chang-Yu Ou 2006)

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 cho tường chắn Do vậy, chúng ta có thểthấy rằng chuyển vị của tường liên quan mật thiết với hệ số an toàn Thực tế mối liênquan giữa chuyển vị tường hố đào với hệ số an toàn của rất nhiều trường hợp đã đượctổng hợp bởi Clough và O’Rourke (1990) và trình bày trong hình 2.2 Theo hình này,

hệ số an toàn chống phá hoại đẩy trồi (Fb) càng nhỏ thì chuyển vị của tường chắncàng lớn Khi hệ số an toàn tiệm cận 1.0, hố đào sẽ tiến tới sự sụp đổ và chuyển vị lớncủa tường sẽ xuất hiện Sự liên hệ giữa hệ số an toàn chống phá hoại đẩy vào vàchuyển vị tường tương tự như trong hình 2.2

Hình 2.2 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, γw là trọng lượng đơn vị của

4

2.1.6 Chiều rộng hố đào (Chang-Yu Ou 2006)

Clough và O’Rourke (1990) tìm ra rằng nếu hố đào càng rộng thì chuyển vị tường cànglớn Thực tế, khi hố đào rộng hơn, lực bất cân bằng sẽ càng lớn; lực bất cần bằng cànglớn thì chuyển vị tường càng lớn Thêm nữa, hệ số an toàn chống phá hoại đẩy trồi củađất sét yếu giảm theo sự gia tăng chiều rộng hố đào

2.1.7 Chiều sâu hố đào (Chang-Yu Ou 2006)

Mối liên hệ giữa chuyển vị tường và chiều sâu đào của các hố đào trong khu vực ĐàiBắc (Ou et al., 1993) được thể hiện như hình 2.3 Như minh họa trong hình, thực tếtrong hầu hết các trường hợp, chuyển vị tường xấu đi cùng sự gia tăng chiều sâu đào.Nhìn chung chuyển vị tường trong đất sét lớn hơn trong đất cát Cũng từ hình trên

chúng ta thấy rằng chuyển vị lớn nhất (δhm) có thể ước lượng được từ phương trình

sau:

δhm = (0.2 - 0.5%)H e

Trong đó, H e là chiều sâu đào

Cận trên của giá trị δhm được đề xuất sử dụng cho đất sét yếu, cận dưới nên sử dụng chođất cát, và giá trị trung bình nên dùng cho các lớp đất xen kẽ sét và cát Khi phươngpháp đào ngược được áp dụng trong đất sét yếu, giá trị δhm có thể vượt qua cận trên

Hình 2.3 Quan hệ giữa chuyển vị tường lớn nhất và chiều sâu đào (Ou et al., 1993)

2.1.8 Chiều sâu chôn tường (Chang-Yu Ou 2006)

Mối liên hệ giữa chuyển vị tường do đào sâu 20 m và chiều sâu chôn tường phân tíchbởi phương pháp phần tử hữu hạn được thể hiện như hình 2.4 Như trình bày trong

hình, khi sức kháng cắt chuẩn hóa của đất là s u /σ’v = 0.36, chuyển vị của tường tương

tường bị “bật ra”, chứng tỏ rằng phá hoại đẩy trồi đã xảy ra và chuyển vị tường tăngđột ngột.

Mối liên hệ giữa chuyển vị và chiều sâu chôn tường khi s u/σ’ ' = 0.28 trong cùng điềukiện đào được thể hiện như hình 2.4 Như thể hiện trong hình, chuyển vị tường lớn hơn

tường rõ ràng hơn và hố đào sụp đổ

Như trình bày ở trên chúng ta thấy rằng khi tường chắn còn ổn định thì sự gia tăngchiều sâu chôn tường sẽ không ảnh hưởng tới chuyển vị tường

Hình 2.4 Quan hệ giữa chiều sâu chôn tường và chuyển vị tường

2.1.9 Độ cứng tường (Chang-Yu Ou 2006)

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 tăngcủa chiều dày tường hay độ cứng tường chắc chắn làm giảm chuyển vị hiệu quả nhưngchỉ tới một giới hạn nhất định (Hsieh, 1999) Do đó, giảm chuyển vị bằng việc tăngchiều dày tường không phải là hoàn toàn hiệu quả

ba sẽ khởi động sau khi lắp đặt tầng chống thứ hai 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 vàchuyển vị tường tiếp tục được tạo ra Vị trí của chuyển vị lớn nhất sẽ nằm gần mặt hốđào (hình 2.5c) Nếu lớp đất phía dưới mặt hố đào là đất yếu, lực chống chịu để ngănchuyển vị tường khỏi đẩy vào sẽ yếu và vị trí của chuyển vị lớn nhất sẽ ở phía dướimặt 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 lớnđều nằm

gần mặt hố đào

Thanh chống

Bề mặt đào

Tường chắn

Hình 2.5 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 baKhi 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 cácgiai đoạn đào thứ hai và thứ ba Hình dạng chuyển vị cuối cùng của tường sẽ giống vớidạng

công xôn và chuyển vị tường lớn nhất sẽ xuất hiện ở đỉnh tường (hình 2.6)

Thanh chống

hông của tường tương ứng với từng giai đoạn đào trong trường hợp TNEC (Ou et al.,

1998) được thể hiện như hình 2.7a 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 tườnggiống như thể hiện trong hình 2.5 với chuyển vị tường lớn nhất nằm tại bề mặt hố đào.

Xét ở khía cạnh khác, vì chuyển vị của tường là kết quả tích lũy của tất cả các giaiđoạn đào với chiều dài tường không chống, trong mỗi giai đoạn đào giảm dần theokhoảng cách đứng của tầng chống nên chuyển vị tường sẽ giảm Chiều dài tườngkhông chống là khoảng cách từ tầng chống cuối cùng tới mặt hố đào

2.1.12 Gia tải chống (Chang-Yu Ou 2006)

Khi áp dụng phương pháp đào có chống (hay phương pháp đào có neo), việc gia tảitrước 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 tảitrước luôn có tác dụng giảm chuyển vị tường hoặc sụt lún mặt đất Thiết kế của hố đào

có chống được dựa trên phương pháp hệ chắn đất tự do Do vậy, chuyển vị tườnghướng vào hố đào là không thể tránh khỏi một khi đào sâu được tiến hành và hiệntượng này sẽ khiến áp lực đất sau tường tiến dần tới áp lực chủ động Như thể hiệntrong hình 2.8 các thanh chống và đất cùng chống chịu áp lực chủ động sau tườngchắn Căn cứ vào điều kiện cân bằng lực của tường, khi thanh chống chịu nhiều áp lựcđất hơn do việc gia tải trước, đất phía dưới mặt hố đào sẽ chịu áp lực ít hơn, và do đógây ra chuyển vị tường

và sụt lún mặt đất ít hơn

Thanh chống

Áp lực đất chủ động

Phản lực đất

Hình 2.8 Quan hệ giữa áp lực đất, lực chống, và phản lực của đất

2.1.13 Trình độ thi công (Nguyễn Bá Kế 2010)

Nhiều kết quả quan trắc và cả các tiêu chuẩn thi công khác nhau đều cho thấy rằng việcđào nhanh và thái độ thi công cẩu thả đối với công việc chống đỡ hố đào cũng dẫn tới

sự dịch chuyển của hệ thanh chống, sự lún sụt của đất, những phá hoại cục bộ và đã cótrường hợp dẫn tới sự sụp đổ Nhiều nguyên nhân của những chuyển dịch hay phá hoạiphụ của hố đào là do kinh nghiệm hiện trường kém như là việc chậm thi công hệ chống

đỡ, đào quá cốt đáy, thi công đóng cọc chất lượng kém, mất nước do các khe tườngchắn, mối nối giữa các khóa cọc cừ hay mối nối của tường trong đất kém dẫn tới mấtđất, sự biến dạng hay tách thớ của bờ chắn bằng đất sét, sự chất tải bề mặt quá lớn dochất đống các đất đá đào lên hay do thiết bị thi công, thanh neo - giằng không đủ độcứng, lực kéo/nhổ của chúng không đạt trị số yêu cầu hoặc nêm giữa các thanh giằng bịtrượt cũng gây ra sự dịch chuyển lớn của tường và đất quanh hố đào gây lún sụt

Cũng còn có nguyên nhân do công tác giám sát và quản lý thi công không chặt chẽ…

đã gây ra lún sụt đất quanh hố đào hay sụp đổ của hệ thống chống đỡ hố móng

2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong phán đoán chuyển vị tường chắn

2.2.1 Ưu nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn (Youssef M.A Hashash 1992)

Các phương pháp thiết kế hố đào thông thường dựa trên tính toán giới hạn cân bằng,xét đến cơ chế phá hoại cơ sở của đất (ví dụ như Terzaghi 1943) Tuy nhiên tại khuvực trong đô thị chủ yếu dựa trên sự dịch chuyển cho phép của các lớp đất kế cận hơn

là xét đến sự phá hoại Việc đánh giá sự dịch chuyển của nền mang đến những khókhăn cho bài toán hố đào do phải xác định rõ số lượng của nhiều biến số trong quytrình thi công:

1) Điều kiện ban đầu của đất tại hiện trường: Đặc tính địa tầng, tính chất của đất và sựbiến đổi trong không gian của chúng là một thách thức lớn trong tất cả các vấn đề vềđịa kỹ thuật Lý thuyết về tính dẻo đã được sử dụng rộng rãi để miêu tả độ bền ứng suấtbiến dạng trong ứng xử của đất

2) Chi tiết và quá trình xây dựng mô hình:

Hố đào đại diện cho những vấn đề tương tác đất - kết cấu phức tạp trong cấu trúc đất

Có nhiều hoạt động xây dựng khác nhau liên quan với hố đào có thể tác động đếnchuyển vị nền, bao gồm:

- Thi công tường trước khi đào (quá trình đóng cọc, tường vây, xây dựng tường vữa ximăng)

- Chuẩn bị mặt bằng trước khi thi công, tháo nước, di dời tiện ích, phá dỡ các côngtrình có sẵn…

- Xử lý và xây dựng ổn định bờ đất (thay đổi địa hình)

- Rút nước hố đào bằng bể nông hoặc/và giếng sâu

- Các công trình hỗ trợ (giằng, sàn, neo…)

Các hoạt động này diễn ra trong một khoảng thời gian liên tục và chồng chéo Các hoạtđộng xây dựng khác cũng có thể xảy ra tại các địa điểm khác nhau xung quanh khu vựcxây dựng cùng một lúc.

Không có phương pháp phân tích đơn giản nào để ước tính chuyển vị của đất có liênquan đến các hoạt động này, và do đó các dự đoán phải dựa trên các quan trắc thựcnghiệm (như Peck 1969, O'Rourke và Clough 1990), hay mô phỏng số bằng Phươngpháp phần tử hữu hạn (FEM)

(FEM) là một công cụ mạnh để mô hình các vấn đề của hố đào và có thể đưa vào đócác thông số như: (1) đặc điểm và địa tầng của đất, (2) đặc điểm kết cấu của hệ thốngchống đỡ, (3) quá trình thi công xây dựng như đào đất, đắp bờ, đào hố FEM thu hút vìphân tích số được tổng quát và độc lập với các vấn đề về hố đào cụ thể đang được xemxét Mô hình hố đào sử dụng FEM lần đầu tiên được báo cáo bởi Clough và Duncan(1971), và hiện cũng đang rất phổ biến cho việc thiết kế các hố đào phức tạp Sự pháttriển đáng kể trong kỹ thuật của FEM, công nghệ phần cứng máy tính và mô hình hóađất đã dẫn đến những tiến bộ quan trọng trong khả năng tiên đoán Hạn chế của nhữngtác phẩm trước đó có thể được tóm tắt như sau:

1) Giải pháp ước lượng của các phương trình phần tử hữu hạn: Nhiều triển khai trướcđây sử dụng 'phương pháp ứng suất ban đầu' để giải các phương trình phần tử hữu hạncho hố đào Phương pháp ứng suất ban đầu tương ứng với sự tuyến tính hoá phản ứng

về cấu hình ban đầu của hệ thống phần tử hữu hạn, và có thể dẫn đến nghiệm hội tụ rấtchậm và kể cả là phân kỳ Phương pháp này được sử dụng bởi vì nó đòi hỏi việc tínhtoán ma trận độ cứng chỉ một lần cho mỗi bước tăng tải Điều này thuận lợi do khảnăng máy tính hạn chế Tuy nhiên, kỹ thuật này yêu cầu sử dụng các bước gia tăng rấtnhỏ để có được một giải pháp chính xác (gia số nhỏ) Các bước cân bằng 'tương đốilớn' rời rạc thường được sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn dẫn đến những saisót đáng kể trong tính toán và các dự đoán không đáng tin cậy Giải quyết các phươngtrình phần tử hữu hạn bằng cách sử dụng một chương trình lặp như phương phápNewton-Raphson đưa ra các giải pháp hiệu quả và chính xác hơn cho các phân tích phituyến tính

2) Mô hình đất: Các mô hình đàn hồi siêu tụ và các mô hình đàn dẻo đơn giản được sửdụng rộng rãi trong các triển khai trước đây của phương pháp phần tử hữu hạn cho việcđào sâu Những tiến bộ gần đây trong mô hình hóa đất cung cấp cho các nhà phân tíchcác mô hình thực tế hơn về ứng xử của đất.

3) Các loại phần tử: Các phần tử đẳng tham số, được sử dụng trong các bài nghiên cứu

đã công bố gần đây thỉnh thoảng được ưa thích hơn các phần tử phụ, bởi vì chúng sửdụng cùng một độ nội suy cho hệ tọa độ và chuyển vị (các phần tử phụ sử dụng mứcnội suy thấp hơn cho hệ tọa độ)

4) Quá trình đào đất: Một giả thiết cơ bản phải được thỏa mãn khi mô phỏng quy trìnhđào là nguyên tắc đặc trưng của phương pháp cắt trong môi trường đàn hồi tuyến tính.Nguyên tắc cho rằng đối với hố đào trong vật liệu đàn hồi tuyến tính, trạng thái cuốicùng của ứng suất và biến dạng là độc lập với số bước đào cần thiết để đạt được độ sâuđáy móng Nguyên tắc này xuất phát từ thực tế rằng phản ứng của vật liệu đàn hồituyến tính là đường độc lập Các tiêu chuẩn về phần tử hữu hạn trước đó (một số sửdụng rộng rãi trong thực tế) không thỏa mãn nguyên tắc cơ bản này (Tsui 1974,Hansen 1980) Lỗi trong các phương pháp này lan truyền và tăng lên cùng với sự giatăng số lượng các bước đào Christian và Wong (1973) đưa ra một cuộc thảo luận vềcác nguyên nhân của các lỗi này và các phương pháp số đề xuất để sửa quy trình đào.Lỗi xảy ra trong quá trình loại bỏ các phần tử, khi lực được áp dụng trên bề mặt hố đàokhông đáp ứng các phương trình cân bằng tổng quát và do áp dụng sai các phươngtrình phần tử hữu hạn trong phần còn lại của mô hình số Ghaboussi và Pecknold(1984), Brown và Booker (1985) cho thấy một ví dụ về ứng dụng chính xác của môhình phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình đào Aubery và Modaressi (1989) vàBorja et al (1989) mô tả một công thức để mô hình quy trình đào như một miền liêntục thay đổi (co lại) theo thời gian Tuy nhiên, một khi thuật toán này được tách biệttrong mô hình phần tử hữu hạn thì nó giống với công thức thông thường

5) Phân tích ứng suất tổng: Mặc dù được cho rằng ứng xử của đất được kiểm soát bởicác ứng suất hữu hiệu, phần lớn các phân tích trước đó dựa vào các phương pháp phântích ứng suất tổng Kết quả là các dự báo biến dạng đất bị giới hạn trong các điều kiện

thoát nước đơn giản (hoàn toàn thoát nước hoặc không thoát nước) trong khi phân tíchcác ứng suất thành phần được sử dụng để tính dòng chảy của nước ngầm.

Phương pháp sai phân hữu hạn cung cấp một giải pháp thay thế cho việc dựng mô hình

hố đào Tuy nhiên, phương pháp này rất hạn chế so với FEM vì yêu cầu chuẩn hóa sốđòi hỏi lại là các vấn đề chuyên biệt (Bathe, 1982)

Phương pháp phần tử biên (BEM) đang được xem như một phương pháp vượt trội sovới FEM (Beskos, 1988) Phương pháp này hiệu quả cho việc mô hình hoá các miềnlớn có phản ứng tuyến tính là chủ yếu Booker et al (1989) công bố một ứng dụng củaBEM cho hố đào Girija Vallabhan (1987) kết hợp FEM và BEM, nơi FEM được sửdụng để mô hình miền mà có sự thay đổi đáng kể về hình học và tải trọng, trong khiBEM được sử dụng để mô hình tầm xa Tuy nhiên, BEM bản thân nó không thể thaythế FEM trong mô hình hố đào

Bất kể việc dùng mô hình số để mô phỏng quá trình đào đất, cần phải nhận thức đượcnhững hạn chế của mô hình và các dự đoán của nó Trong thực tế, không thể trông đợi

mô hình số có thể dự đoán chính xác tất cả các khía cạnh của hành vi ứng xử hố đàođược quan sát Mô hình này được sử dụng tốt nhất tìm hiểu những thay đổi của hố đàokhi bị ảnh hưởng bởi các hoạt động xây dựng khác nhau

2.2.2 Mô hình hố đào của phương pháp phần tử hữu hạng (R.B.J Brinkgreve 2002)

2.2.2.1 Mô hình hố đào

Hầu hết các hố đào đều có hình dạng và các quá trình xây dựng có tính chất ba chiều.Thực hiện phân tích 3-D cho một hố đào bằng cách sử dụng một mô hình đất phức tạpthì cần có một một hệ thống máy tính rất đắt tiền Do đó, hố đào được đơn giản hoábằng cách sử dụng mô hình 2 chiều Nhiều phân tích giả định một mô hình biến dạngphẳng Giả định này có thể là một phép xấp xỉ tốt cho các hố đào tuyến tính (ví dụ nhưxây dựng tàu điện ngầm) và cho các phần tường nằm dọc theo cạnh dài hơn của một hốđào hình chữ nhật, nhưng sẽ ước lượng quá cao đến chuyển vị ở các cạnh góc của hốđào

Trong phần mềm phần tử hữu hạn (Plaxis) sử dụng cho nghiên cứu này, có 2 mô hìnhtính toán được cung cấp bao gồm mô hình biến dạng phẳng và mô hình đối xứng trục