Kết quả phân tích này được đánh giá qua kết quả quan trắc chuyển vị thực tế cho phép việc lựa chọn mô hình và thông số đất nền hợp lý khi tính toán thiết kế CDM để ổn định hố móng đào sâu trong điều kiện tương tự tại nước ta.
Trang 1GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY TRONG TÍNH TOÁN
ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG ĐÀO SÂU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG
TẠI VIỆT NAM
NGUYỄN ĐỨC MẠNH * , VŨ TIẾN THÀNH **
Selection method of stability analysis for deep excavation with cement deep mixing in Viet Nam
Abstract: The retaining wall of cement deep mixing (CDM) to support the
deep excavation has of low cost and recently it has chosen to instead of steel sheet pile, secant pile wall, bored pile wall in some projects in Vietnam Based on the data of actual project, the article analyzes, evaluates and compares with the results of actual geotechnical monitoring
to select the method of suitable analysis for horizontal displacement of CDM retaining wall in onder to improve reliability in designing this retaining wall under similar conditions in our country
Keyword: Cement deep mixing, stability, deep excavation, horizontal
displacement
1 ĐẶT VẤN ĐỀ *
Việc giữ ổn định thành hố móng đào sâu
bằng cọc đất xi măng (Cement deep mixing -
CDM) được sử dụng phổ biến ở Nhật Bản và
nhiều nước khác từ những năm 70 thế kỷ trước
Tại Việt Nam công nghệ CDM được sử dụng
để ổn định hố móng đào sâu khi thi công tại một
số công trình lớn tiêu biểu như hạng mục kênh
xả và nhà bơm của dự án nhiệt điện Duyên Hải
(Trà Vinh) tầng hầm các tòa nhà Xi Grand
Court Gateway hay Saigon Pearl (Tp Hồ chí
Minh) … đã cho thấy nhiều lợi thế vượt trội so
với các phương pháp truyền thống khác Khi
thiết kế CDM ổn định hố móng việc tính toán
có tính đặc thù và đa dạng Sử dụng số liệu từ
công trình khu dân cư Riviera Point tại quận 7
thành phố Hồ Chí Minh áp dụng các mô hình
đất nền và việc lựa chọn thông sức kháng cắt
của đất khác nhau để phân tích chuyển vị tường
* Trường đại học Giao thông Vận tải
E-mail: ndmanhgeot@gmail.com
** Hội Cơ học đất & Địa kỹ thuật CTVN
E-mail: thanhvuks29@gmail.com
CDM khi thi công hố móng trong điều kiện nền đất yếu Kết quả phân tích này được đánh giá qua kết quả quan trắc chuyển vị thực tế cho phép việc lựa chọn mô hình và thông số đất nền hợp l khi tính toán thiết kế CDM để ổn định hố móng đào sâu trong điều kiện tương tự tại nước ta
2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG ĐÀO SÂU PHỔ BIẾN
Tường cọc thứ cấp (Secant pile wall) Tường loại này có sự kết hợp giữa các cọc chính (cọc khoan bằng bê tông cốt thép – sơ cấp) và cọc liên kết (cọc khoan bằng bê tông – cọc thứ cấp) (hình 1) Khoảng cách từ tâm đến tâm của các cọc chính thường nhỏ hơn chính đường kính của cọc này [6,7] Cọc liên kết có nhiệm vụ trám vào khoảng giữa 2 cọc chính làm kết cấu làm việc như một loại tường chắn
Loại tường này sử dụng để ổn định hố móng đào sâu rất phù hợp trong các điều kiện địa chất phức tạp và công trình xây chen Sau khi thi công bản thân nó có thể được sử dụng làm thành vách của công trình [6,7]
Trang 2Hình 1 Tường cọc thứ cấp (Secant pile wall)
Tường vây cọc ván thép (Steel sheet pile)
Loại tường này được sử dụng từ năm 1908 tại
Mỹ và hiện là loại kết cấu sử dụng để ổn định
hố móng phổ biến nhất Được cấu tạo từ hệ
thống các liên kết liên tục giữa các cọc ván
thép có hình dạng mặt cắt ngang khác nhau
như U Z W H dạng tấm khả năng làm
việc của tường phụ thuộc vào kích thước hình
học và sự kết hợp giữa các loại cừ thép với
nhau [6,7]
Hình 2 Tường vây cọc ván thép
Tường chắn bằng cọc đường kính nhỏ Cọc
đường kính nhỏ kết cấu bê tông cốt thép đã
được ứng dụng làm tường ổn định hố móng khi
thi công xây dựng lần đầu tiên tại thành phố Hà
Nội từ năm 2001 (hình 3)
Hình 3 Tường chắn cọc đường kính nhỏ
Với thiết bị thi công nhỏ gọn cơ động có thể thi công trong ng hẹp không gây ảnh hưởng làm nứt hỏng các công trình liền kề cùng với đó là sự đa dạng về đường kính cọc
từ D300 đến D800 là những ưu thế của giải pháp tường chắn này đem lại hiểu quả về kỹ thuật và kinh tế cao [6,7]
Ngoài những loại tường chắn trên để ổn định
hố móng đào sâu hiện nay còn sử dụng loại tường bằng cọc bê tông cốt thép ứng suất trước đúc sãn cọc ống thép có và không kết hợp với neo trong đất [7]…
3 ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG ĐÀO SÂU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG TẠI CÔNG
TRÌNH RIVIERA POINT
Dự án khu dân cư Riviera Point tại quận 7 thành phố Hồ Chí Minh Riêng giai đoạn 1B (Phase 1B) có diện tích phần hầm khoảng 6,6 nghìn m2 chiều sâu hố đào thiết kế để thi công tầng hầm 7 0m trên mặt nền cao độ +2,5m [4] (hình 4)
Trang 3Hình 4 Mặt bằng dự án Riviera Point [4]
Nền đất hố móng nghiên cứu theo kết quả
khảo sát địa kỹ thuật gồm 3 lớp đất [4]: Lớp
san lấp (SL); lớp đất 1 - đất bùn hữu cơ trạng
thái chảy dày ~21 1m với chỉ số SPT từ 0-1
búa; Lớp đất 2E - đất sét trạng thái dẻo cứng
đến cứng Thí nghiệm cắt cánh hiện trường
(FVT) với khoảng cách 1m/1 lần tại vị trí lựa
chọn nghiên cứu cho kết quả sức kháng cắt
không thoát nước (Su) trong lớp đất yếu (lớp
1) tăng dần theo chiều sâu (hình 5)
Phương trình đường trung bình của Su
trong lớp đất 1 theo chiều sâu có dạng:
Su = 2,23.Z + 11,2 (1)
Su= 2,23.Z + 11,2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Su (kPa)
Hình 5 S u từ thí nghiệm FVT theo chiều sâu
Trang 4Một số đặc trưng đất nền cơ bản sử
dụng tính toán hố đào theo kết quả khảo
sát phạm vi nghiên cứu được trình bày tại bảng 1 [4]
Bảng 1 Một số chỉ tiêu cơ lý các lớp đất nền
(kN/m3)
(độ)
Trong bảng 1 (1) giá trị sức kháng cắt không
thoát nước các lớp đất nền theo kết quả thí
nghiệm của từng điểm thí nghiệm FVT; (2) giá
trị sức kháng cắt không thoát nước các lớp đất
nền xác định thông qua đường tuyến tính theo l
thuyết thống kê từ các điểm thí nghiệm FVT
Dựa trên các phân tích và yêu cầu của dự án
nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và kinh tế trong
giai đoạn thi công đào đất làm tầng hầm đặc
điểm đất nền và kết cấu công trình hầm giải
pháp cọc đất xi măng được lựa chọn để ổn định
hố móng đào sâu tại đây [4]
3.0
1.8
3.8
3.3
2.8
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
Mẫu thí nghiệm (xi măng Holcim)
Hàm lượng xi măng: 240 kg/m3 Tuổi thọ cọc thí nghiệm: 17 ngày
Hình 6 Cường độ kháng nén một trục mẫu thiết
kế CDM thí nghiệm trong phòng
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Cường độ kháng nén qu (MPa)
Hình 7 Biểu đồ quan hệ E 50 ~ q u
Cọc CDM sử dụng xi măng Holcim tỷ lệ xi măng thiết kế 240 kg/m3 Cọc thử được lựa chọn thí nghiệm ở 17 ngày tuổi Kết quả thí nghiệm nén một trục mẫu CDM lấy từ l i khoan cọc thi công thử xác định được qu theo tỷ lệ loại xi măng và tuổi thí nghiệm đã thiết kế thể hiện hình 6 [2]
Trang 5Từ kết quả thí nghiệm mẫu gia cố trong
phòng thi công thử (hình 7) và thực tế các công
trình cường độ kháng nén qu = 1000 kPa và mô
đun cát tuyến E50 = 200.qu được sử dụng để tính
toán khi thiết kế cọc CDM làm tường ổn định
hố đào sâu Cọc làm tường và cọc gia cố nền
(cọc base) có cùng đường kính (1000mm) được
bố trí mật độ và độ sâu khác nhau nhằm thỏa mãn khả năng ổn định và thực tế tiến trình thi công dự kiến Chiều dài cọc làm tường L=3
5-8 5m cọc gia cố nền L=3-5,2m [4] (hình 5-8)
a) Cọc tường b) Cọc gia cố nền
Hình 8 Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng
4 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU
KHI SỬ DỤNG CỌC ĐẤT XI MĂNG
Trong phạm vi nghiên cứu lựa chọn mặt cắt
1-1 (hình 9) để phân tích [6 7 9]: Ổn định lật
trượt phá hoại cục bộ của tường CDM; Kiểm tra ổn định tổng thể thành hố đào; và dự báo chuyển vị ngang theo chiều sâu của tường CDM
Hình 9 Các mặt cắt lựa chọn tính toán (1-1)
Để có cơ sở đánh giá khả năng sử dụng cọc
đất xi măng để ổn định hố móng đào sâu tiến
hành phân tích các đại lượng cơ bản gồm:
Ứng suất nén cục bộ:
σmax = V/B + 6M/B2 (2)
Ứng suất kéo cục bộ:
σmin = V/B - 6M/B2 (3)
Ứng suất cắt:
Trong đó: V là tổng lực theo phương đứng; B
là bề rộng mặt cắt tường; M là tổng mômen nén/
kéo; H là tổng lực theo phương ngang Ứng suất cắt phần chồng lấn (overlap):
τ = τCDM
aovl ψ (5)
Ổn định trượt:
FSs = (ΣEp + ΣE2w + ΣE3) / (ΣEA + ΣE1w) (6)
Ổn định lật:
FSo = (ΣMp + ΣM2w + ΣMG + ΣM1F) / (ΣMA
Trong đó: τCDM
làứng suất cắt cho phép của vật liệu gia cố; aovl
là tỷ lệ gia cố phần chồng lấn giữa hai hàng cọc; ψ là hệ số tin cậy về cường
Trang 6độ của phần chồng lấn giữa hai cọc; ΣEp là tổng
áp lực đất bị động; ΣE1
w là tổng áp lực nước sau lưng tường; ΣE2
w là tổng áp lực nước trước lưng tường; ΣE3 là lực ma sát dưới chân tường; ΣEA
là tổng áp lực đất chủ động; ΣMp là mô men do
áp lực đất bị động gây ra tại điểm tính; ΣM1
w là
mô men do áp lực thủy tính lưng tường gây ra
tại điểm tính; ΣM2
w là mô men do áp lực thủy tính trước tường gây ra tại điểm tính; ΣMG là
mô men do trọng lượng gây ra tại điểm tính;
ΣMA là mô men do áp lực đất chủ động gây ra tại điểm tính; ΣM1
F là mô men do lực ma sát của đất ở lưng tường gây ra tại điểm tính
Sử dụng số liệu thí nghiệm đất nền tại bảng
1 thông số cọc CDM đã thiết kế để kiểm ổn định toán tường CDM Bảng 2 trình bày kết quả kiểm toán ứng suất nén cục bộ (σmax) ứng suất kéo cục bộ (σmin) ứng suất cắt (τ) ổn định trượt (FSs) ổn định lật (FSo) và ứng suất cắt phần chồng lấn (overlap) (τmax)
Bảng 2 Kết quả tính ổn định tường CDM
Sử dụng l thuyết nền tương đương như chỉ
dẫn [3] với các thông số đất nền tại bảng 1 cho
phép xác định được các thông số nền tương
đương (bảng 3) tại các phần mục hố đào theo như mặt cắt ngang (hình 9)
Bảng 3 Thông số nền đất tương đương
Phần mục hố đào Tỷ lệ gia cố m (%) γ
(kN/m3)
cu (kPa)
υ (độ)
Ổn định tổng thể tường CDM và đất thành hố
móng được thực hiện bằng phần mềm
Geostudio/SlopeW/V-2007 theo phương pháp
Bishop
Mặt cắt sử dụng phân tích ổn định tổng thể
tường CDM và đất thành hố móng hình 9 số liệu bảng 3 sử dụng mô hình đất không thoát nước kết quả xác định hệ số ổn định trượt tổng thể có giá trị khá cao (Fs =1,704 và Fs = 2,542) (hình 10,11)
Trang 7CDM W1
CDM W2
CDM W5 CDM W6 Fill back
CDM B1
CDM B3
CDM B5
CDM B7 CDM B8
Fill back
Layer 1
Layer 2E Surcharge load of 10 kPa
Hình 10 Ổn định tổng thể bên trái hố đào
Kết quả phân tích ổn định tường chắn bằng CDM để ổn định hố móng đào sâu khi có bổ sung một số cọc CDM gia cố nền trong lòng hố móng các nội dung cần kiểm toán σmax σmin τ
FSs, FSo τmax và ổn định tổng thể tường với đất sau lưng tường đều đạt yêu cầu cho phép theo các tiêu chuẩn hiện hành
CDM W1
CDM W2
CDM W5
CDM W6 Fill back
CDM B1
CDM B3
CDM B5
CDM B7
CDM B8
Fill back
Layer 1
Layer 2E
1.704
Surcharge load of 25 kPa
Hình 11 Ổn định tổng thể bên phải hố đào
Trang 8Phân tích chuyển vị tường chắn ổn định hố
móng đào sâu bằng cọc đất xi măng công trình
khu dân cư Riviera Point là nội dung nghiên cứu
chính của bài viết
Chuyển vị theo chiều sâu tường CDM được
phân tích bằng phần mềm Plaxis 2D theo
phương pháp phần tử hữu hạn thường dùng để
phân tích biến dạng và ổn định nền đất theo mô
hình phẳng (hai chiều)
Bốn trường hợp phân tích chuyển vị tường
CDM được nghiên cứu gồm:
TH1: Sử dụng mô hình đất nền
Mohr-Coulomb (MC) với thông số sức kháng cắt lấy
theo kết quả thí nghiệm từng điểm thí nghiệm
FVT đơn lẻ cột (1)tại bảng 1
TH2: Sử dụng mô hình đất nền
Mohr-Coulomb (MC) với thông số sức kháng cắt
xác định thông qua đường tuyến tính theo l
thuyết thống kê từ các mẫu thí nghiệm cột (2)
tại bảng 1
TH3: Sử dụng mô hình đất nền Hardening
soil (HS) với thông số sức kháng cắt lấy theo kết quả thí nghiệm từng điểm thí nghiệm FVT đơn lẻ cột (1)tại bảng 1
TH4: Sử dụng mô hình đất nền Hardening soil (HS) với thông số sức kháng cắt xác định thông qua đường tuyến tính theo l thuyết thống
kê từ các mẫu thí nghiệm cột (2)tại bảng 1 Khi phân tích chuyển vị trên Plaxis với mô hình đất nền MC giá trị Eu =200.Su (Konder, 1963) còn mô hình HS sử dụng theo các công thức kinh nghiệm và hướng dẫn của phần mềm [8,9] và Eur = 3.E50 = 3.Eoed = 3 Eu (1-υ)/ [(1+υ) (1-2 υ)]
Đối với cọc CDM tường và cọc CDM gia cố nền sử dụng mô hình đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic - LE) trong phần mềm
Kết quả phân tích chuyển vị theo chiều sâu của tường CDM để ổn định hố đào sâu tại mặt cắt 1-1 công trình khu dân cư Riviera Point với
4 trường hợp khảo sát thể hiện trên hình 12 13,
14, 15
Hình 12 Mô hình phân tích chuyển vị ngang tường CDM TH1
Trang 9Hình 13 Mô hình phân tích chuyển vị ngang tường CDM TH2
Hình 14 Mô hình phân tích chuyển vị ngang tường CDM TH3
Hình 15 Mô hình phân tích chuyển vị ngang tường CDM TH3
Trang 10Giá trị chuyển vị ngang lớn nhất của tường CDM tính toán tại mặt cắt nghiên cứu được trình bày tại bảng 4
Bảng 4 Chuyển vị lớn nhất của tường CDM
Với giá trị chuyển vị ngang tường CDM cho
phép 70cm tương ứng 1% chiều sâu hố đào
(Z=7m) [9] tất cả 4 trường hợp khảo sát như tại
bảng 4 đều th a mãn yêu cầu thiết kế
Hố móng công trình nghiên cứu được tiến
hành thi công đào từ tháng 2/2017 Để giám sát
dịch chuyển tường CDM theo chiều sâu trong
quá trình thi công hố móng sử dụng thiết đầu
đo độ nghiêng Inclinometer [1]
5 PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ TÍNH
TOÁN CHUYỂN VỊ VỚI QUAN TRẮC
Kết quả quan trắc dịch chuyển ngang theo
chiều sâu trong lỗ khoan bằng thiết bị đầu đo
độ nghiêng Inclinometer từ khi mở móng đến
khi thi công xong (2-5/2017) tại mặt cắt
nghiên cứu (điểm đo I-03 bên phải mặt cắt)
với chiều sâu quan trắc là 29 0m [1] được
trình bày tại hình 17
Diễn biến dịch chuyển ngang của tường
CDM theo thời gian ở vị trí có biên độ dịch
chuyển lớn nhất tại điểm quan trắc I-03 được
thể hiện tại hình 16 Sau 20 lần ghi nhận số liệu
(lần đo) bắt đầu từ 2/2017 và kết thúc 4/2017
giá trị chuyển vị ngang lớn nhất đo được
59 14mm tương ứng độ sâu -6 8m và nhỏ hơn
giới hạn cho phép (70mm)
So sánh với chuyển vị ngang lớn nhất
được dự báo tại bảng 4 (51 06 – 68,30mm),
chuyển vị ngang thực tế quan trắc được
(59 14mm) có trị số gần tương đương với 4
trường hợp khảo sát
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Thời gian (ngày)
Inclinometer I-03
Giá trị quan trắc Giá trị cho phép
Hình 16 Diễn biến chuyển vị ngang tại một độ sâu cố định của điểm quan trắc I-03
-30.0 -25.0 -20.0 -15.0 -10.0 -5.0
0.0
Chuyển vị ngang tường chắn (mm)
Đáy hố đào -7.0m
Hình 17 Chuyển vị ngang tường CDM theo chiều sâu dự báo và thực tế quan trắc