Phân tích ứng xử của đất và tường trong hố móng công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng

Luận văn này sẽ phân tích và so sánh kết quả tính toán của hai hệ kết cấu chắn giữ trong hố móng của công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng nhằm rút ra một số kết luận, cơ sở lý thuyết b

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Bản Luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của thầy PGS TS HOÀNG VIỆT HÙNG, Trường Đại học Thủy Lợi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao

chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả

DƯƠNG HOÀNG HÂN

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo, trao dồi với các bạn cùng lớp, tôi đã tích lũy cho mình một số kiến thức nhất định về chuyên môn của ngành Địa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Thủy Lợi Tôi được

giao đề tài luận văn Thạc sĩ “Phân tích ứng xử của đất và tường trong hố móng công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng”

Đề tài của tôi đã hoàn thành với nội dung như đã đề ra trong đề cương nghiên cứu với

sự nỗ lực cố gắng của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS TS Hoàng

V iệt Hùng Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn vẫn còn tồn tại một

số thiếu sót nhất định, cần được các thầy cô đóng góp ý kiến nhằm tiếp tục hoàn thiện luận văn để có thể ứng dụng cho các công việc chuyên môn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy tại Bộ môn Địa kỹ thuật, cảm

ơn cơ quan đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn Đặc biệt, tôi xin gửi

lởi cảm ơn chân thành đến thầy PGS TS Hoàng Việt Hùng đã trực tiếp hướng dẫn

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1.1.Tổng quan về tình hình xây dựng hố móng sâu ở thế giới và Việt Nam 3

1.1.1 Tình hình xây dựng hố móng sâu ở thế giới 3

1.1.2 Tình hình xây dựng hố móng sâu ở Việt Nam 3

1.2.Phân loại tường vây hố móng 6

1.2.1 Tường chắn bằng cọc xi măng đất 6

1.2.2 Cừ ván bê tông cốt thép dự ứng lực 7

1.2.3 Cọc bản thép 11

1.2.4 Tường liên tục trong đất 14

1.2.4.1 Giữ ổn định bằng hệ dàn thép hình 14

1.2.4.2 Giữ ổn định bằng phương pháp neo trong đất 14

1.2.4.3 Giữ ổn định bằng phương pháp thi công Top - down 15

1.2.5 Tường chắn bằng cọc khoan nhồi 16

1.3.Những vấn đề cần quan tâm khi thiết kế và thi công hố móng sâu 17

1.3.1 Tính toán áp lực đất, nước 18

1.3.1.1 Áp dụng lí luận áp lực đất 18

1.3.1.2 Tính riêng áp lực đất, nước 18

1.3.1.3 Phương pháp thí nghiệm xác định các thông số cường độ của đất 18

1.3.2 Tính toán bằng lý luận và hiệu chỉnh theo kinh nghiệm 19

1.3.3 Hiệu ứng thời gian, không gian của công trình hố móng 19

1.3.4 Khống chế mực nước ngầm 19

1.3.5 Khống chế biến dạng của hố móng 20

1.4.Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG TRONG HỐ MÓNG SÂU 21

2.1.Đặc điểm của công trình hố móng sâu 21

iv

2.2.Cơ sở lý thuyết bài toán thiết kế hố móng sâu 22

2.2.1 Các ngoại lực tác dụng 22

2.2.2 Áp lực đất 22

2.2.2.1 Các loại áp lực đất và điều kiện sản sinh ra chúng 22

2.2.2.2 Lý thuyết cân bằng giới hạn của đất 24

2.2.2.3 Lý thuyết W.J.W.Rankine 25

2.2.2.4 Lý thuyết áp lực đất C.A.Coulomb: 30

2.2.2.5 Áp lực đất ở trạng thái tĩnh 34

2.2.3 Áp lực nước 35

2.2.4 Ảnh hưởng của chuyển vị thân tường cừ đối với áp lực đất 36

2.2.5 Tải trọng thi công 37

2.2.6 Áp dụng tính toán 37

2.3.Phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán hố móng sâu 37

2.4.Các biện pháp thi công hố móng sâu 38

2.4.1 Giữ ổn định bằng tường cừ thép 39

2.4.2 Giữ ổn định bằng cọc Xi măng đất 41

2.5.Kết luận chương 2 41

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH ỨNG DỤNG 43

3.1.GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH 43

3.1.1 Vị trí địa lý 43

3.1.2 Qui mô công trình 43

3.1.3 Kết cấu công trình 45

3.1.4 Địa chất công trình 45

3.1.5 Địa chất thủy văn 50

3.2.PHÂN TÍCH HAI HỆ KẾT CẤU CHẮN GIỮ 50

3.2.1 Phương pháp tính toán: 50

3.2.2 PHƯƠNG ÁN 1: CỪ FSP4 52

3.2.2.1 Hệ kết cấu chắn giữ 52

3.2.2.2 Số liệu địa chất 52

3.2.2.3 Kết quả phân tích 52

3.2.3 PHƯƠNG ÁN 2: CỌC XI MĂNG ĐẤT 60

v

3.2.3.1 Hệ kết cấu chắn giữ 60

3.2.3.2 Số liệu địa chất 60

3.2.3.3 Kết quả phân tích 60

3.3.Kết luận chương 3 68

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Landmark 81 - Vietnam (nguồn: tekla.com) 4

Hình 1 2 Panorama Nha Trang (nguồn: panorama.ancu.com) 4

Hình 1 3 Tuyến metro Nhổn - Ga Hà Nội (nguồn: tapchigiaothong.vn) 5

Hình 1 4 Tòa nhà văn phòng Vietbank ( nguồn: dungtien.com) 5

Hình 1 5 IIham Baru Tower Basement, Kuala Lumpur ( nguồn: perimalaysia.com) 5

Hình 1 6 Thiết bị khoan 6

Hình 1 7 Trình tự khoan 6

Hình 1 8 Chống vách bằng cọc xi măng 7

Hình 1 9 Cấu tạo Joint cao su tại khớp nối của cừ 7

Hình 1 10 Cấu tạo cọc bản bê tông cốt thép dạng chữ W điển hình 8

Hình 1 11 Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực (nguồn: 620chauthoi.com) 9

Hình 1 12 Thi công cọc ván BTCT dự ứng lực bằng phương pháp xói nước kết hợp búa rung (nguồn: ansonjsc.com) 9

Hình 1 13 Cọc bản thép 13

Hình 1 14 Tường chắn dùng cọc bản thép (nguồn: sheetpileinvietnam.blogspot.com) 13

Hình 1 15 Thi công đào đất và hạ lồng thép tường barrette (nguồn: duyenhai.vn) 15

Hình 1 16 Công nhân gia công lồng thép tường vây (nguồn: bachy-soletanche.vn) 16

Hình 1 17 Tường chắn dùng cọc khoan nhồi (nguồn: bauervietnam.com) 16

Hình 2 1 Quan hệ giữa áp lực đất với chuyển vị của tường 23

Hình 2 2 Vòng tròn Mohr ứng suất ở điều kiện cân bằng giới hạn 24

Hình 2 3 Trạng thái bị động và chủ động Rankine 25

Hình 2 4 Sơ đồ tính toán áp lực chủ động và điểm đặt theo Rankine 27

Hình 2 5 Sơ đồ tính toán áp lực bị động và điểm đặt theo Rankine 29

Hình 2 6 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất rời theo Coulomb 30

Hình 2 7 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất dính theo Coulomb 31

Hình 2 8 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất theo đồ giải 31

Hình 2 9 Sơ đồ tính áp lực bị động theo Coulomb 32

vii

Hình 2 10 Tính áp lực đất khi mặt đất lấp chéo nghiêng 33

Hình 2 11 Tính áp lực đất nghĩ khi mặt đất ngang, lưng tường đứng 34

Hình 2 12 Biến đổi khác nhau của thân tường gây ra sực khác nhau về áp lực đất 36

Hình 3 1 Vị trí công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng 43

Hình 3 2 Phối cảnh 1 tòa nhà Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng 44

Hình 3 3 Phối cảnh 2 tòa nhà Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng 44

Hình 3 4 Mặt bằng móng bè trên nền cọc 45

Hình 3 5 Mặt bằng định vị hố khoan 45

Hình 3 6 Mô hình phần tử hữu hạn 53

Hình 3 7 Các giai đoạn tính toán 54

Hình 3 8 Lưới chuyển vị khi đào tới cốt -2.1 m 54

Hình 3 9 Phổ chuyển vị của đất khi đào tới cốt -2.1 m 55

Hình 3 10 Hướng chuyển vị của đất khi đào tới cốt -2.1 m 55

Hình 3 11 Phân bố các điểm chảy dẻo của đất khi đào tới cốt -2.1 m 56

Hình 3 12 Sụt lún nền đất khi đào tới cốt -2.1 m 56

Hình 3 13 Chuyển vị ngang của tường khi đào tới cốt -2.1 m 57

Hình 3 14 Chuyển vị lưới khi đào tới cốt -4.7 m 57

Hình 3 15 Phổ chuyển vị của đất khi đào tới cốt -4.7 m 58

Hình 3 16 Hướng chuyển vị của đất khi đào tới cốt -4.7 m 58

Hình 3 17 Biểu đồ các điểm chảy dẻo của đất khi đào tới cốt -4.7 m 59

Hình 3 18 Sụt lún nền đất khi đào tới cốt -4.7 m 59

Hình 3 19 Chuyển vị ngang của tường khi đào tới cốt -4.7 m 60

Hình 3 20 Mô hình phần tử hữu hạn (PA2) 61

Hình 3 21 Các giai đoạn tính toán (PA2) 61

Hình 3 22 Chuyển vị lưới khi đào tới cốt -2.1 m (PA2) 62

Hình 3 23 Phổ chuyển vị của đất khi đào tới cốt -2.1 m (PA2) 62

Hình 3 24 Hướng chuyển vị của đất khi đào tới cốt -2.1 m (PA2) 63

Hình 3 25 Biểu đồ các điểm chảy dẻo của đất khi đào tới cốt -2.1 m (PA2) 63

Hình 3 26 Sụt lún nền đất khi đào tới cốt -2.1 m (PA2) 64

Hình 3 27 Chuyển vị ngang của tường khi đào tới cốt -2.1 m (PA2) 64

Hình 3 28 Chuyển vị lưới khi đào tới cốt -4.7 m (PA2) 65

viii

Hình 3 29 Phổ chuyển vị của đất khi đào tới cốt -4.7 m (PA2) 65

Hình 3 30 Hướng chuyển vị của đất khi đào tới cốt -4.7 m (PA2) 66

Hình 3 31 Biểu đồ các điểm chảy dẻo của đất khi đào tới cốt -4.7 m (PA2) 66

Hình 3 32 Sụt lún nền đất khi đào tới cốt -4.7 m (PA2) 67

Hình 3 33 Chuyển vị ngang của tường khi đào tới cốt -4.7 m (PA2) 67

Hình 3 34 Thông số đầu vào 68

ix

Bảng 1 1 Kích thước hình học mặt cắt ngang của Cừ ván BTCT DƯL 10

Bảng 1 2 Đặc trương hình học của Cừ ván BTCT DƯL 10

Bảng 1 3 Các thông số kỹ thuật của Cừ ván BTCT DƯL 11

Bảng 2 1 Các giải pháp thi công hố móng sâu dựa vào chiều sâu hố móng 41

Bảng 3 1 Chỉ tiêu cơ lý của đất 49

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTCT Bê tông cốt thép

BTCT DƯL Bê tông cốt thép dự ứng lực

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Khai thác và sử dụng một cách có hiệu quả không gian dưới mặt đất trong các đô thị hiện đại đang là xu thế của sự phát triển ngày nay Những công trình ngầm, chẳng hạn như hệ thống tàu điện ngầm, các bãi đỗ xe ngầm…, hoặc một phần công trình nằm dưới mặt đất như tầng hầm của các công trình…, ngoài việc phải chịu những tác động giống như của các công trình trên mặt đất, nó còn chịu những tác động của môi trường xung quanh không chỉ ở giai đoạn thi công mà còn ở giai đoạn sử dụng

Việc thi công các loại công trình ngầm như đã nêu trên rất phức tạp, nhất là trong không gian đô thị chật hẹp, có nhiều các công trình lân cận như các công trình nhà cao tầng, viện bảo tàng, di tích lịch sử, hệ thống đường giao thông hay hệ thống kỹ thuật…, có thể gây ảnh hưởng xấu đến chúng: lún, hư hỏng, phá hủy… hoặc có thể gây mất an toàn trong thi công, làm ảnh hưởng chất lượng, tiến độ thi công công trình Hiện nay, các đơn vị thi công đã áp dụng nhiều các biện pháp thi công khác nhau để chống giữ vách hố đào của các công trình ngầm Các biện pháp thi công phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể của công trình cũng như thiết bị thi công được sử dụng Tính toán khả năng chịu lực cũng như xác định các chuyển vị, biến dạng của kết cấu ở giai đoạn thi công một cách chính xác sẽ giúp cho việc lựa chọn biện pháp thi công hợp lí Luận văn nêu tổng quan những vấn đề thiết kế, thi công hố móng sâu trên Thế giới, cũng như tại Việt Nam Vấn đề thiết kế đảm bảo ổn định và an toàn cho việc thi công đào sâu trong đất luôn là bài toán khó, dù có nhiều tiến bộ trong việc mô phỏng bài toán bằng các mô hình diễn tả ứng xử của đất khá gần với thực tế nhưng vẫn còn xảy

ra các sự cố công trình xây dựng Luận văn này sẽ phân tích và so sánh kết quả tính toán của hai hệ kết cấu chắn giữ trong hố móng của công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng nhằm rút ra một số kết luận, cơ sở lý thuyết bài toán thiết kế, thi công hố móng sâu, hy vọng có thể ứng dụng cho các công trình tương tự khác

2

2 Mục đích của đề tài

Tính toán nội lực, chuyển vị, nội lực của tường vây và các kết cấu chắn giữ hố móng sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn theo hai hệ kết cấu chắn giữ, có xét đến sự làm việc đồng thời giữa đất nền và kết cấu chống đỡ của hố móng công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng và đất nền bao quanh công trình

So sánh kết quả tính toán của hai phương án trên, đưa ra kết luận và kiến nghị trong quá trình thiết kế và thi công để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Phân tích ứng xử của đất và tường trong hố móng công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng

Phạm vi nghiên cứu: Công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng được nghiên cứu với hai phương án hệ kết cấu chắn giữ hố móng: hệ sử dụng cừ thép FSP4 với thanh chống H300, và hệ sử dụng cọc đất - xi măng đường kính d=800mm với thanh chống H300

4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về hố móng sâu, kết cấu chắn giữ hố đào sâu

Phân tích lý thuyết áp lực đất và kết cấu chắn giữ

Phân tích sự làm việc của hố móng sâu công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng có xét đến sự làm việc đồng thời giữa kết cấu và đất nền bao quanh

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Tính toán nội lực của hệ thanh chống, hệ tường vây theo các phương pháp dựa lý thuyết áp lực đất của Coulomb và tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn với việc sử dụng phần mềm Plaxis 8.6 cho phép tính toán kiểm tra ổn định của đất nền theo các giai đoạn thi công

6 Kết quả đạt được

Đưa ra kết quả tính toán chuyển vị, nội lực kết cấu trong từng giai đoạn thi, từ đó có những giải pháp thiết kế công trình đảm bảo hiệu quả và an toàn đối với các công trình tương tự

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỐ MÓNG SÂU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

1.1 Tổng quan về tình hình xây dựng hố móng sâu ở thế giới và Việt Nam

1.1.1 T ình hình xây dựng hố móng sâu ở thế giới

Tại các thành phố lớn trên thế giới, do vấn đề về đất xây dựng và giá đất ngày càng tăng cao, nên tại các thành phố đó đã kết hợp công nghệ kỹ thuật phát triển và biện pháp thi công tiên tiến đã xây dựng hầu hết những công trình nhà cao tầng đều có tầng hầm

Độ sâu cũng như số tầng hầm phụ thuộc vào điều kiện địa chất, công nghệ và công năng sử dụng của công trình [1] Đa phần các công trình đều có từ 1 đến 3 tầng hầm,

cá biệt có những công trình vì yêu cầu công năng sử dụng có đến trên 3 tầng hầm Ví

dụ như: Tại Đài Loan, công trình Taipei 101 có 101 tầng trên nền, cùng 5 tầng hầm, diện tích sàn 412.500 m2 Tại Ả Rập Saudi, công trình Kingdom Centre là tòa nhà rất cao gồm 41 tầng lầu và 2 tầng hầm, tổng diện tích sàn 300.000 m2 Tại Hàn Quốc, công trình Lotte World Premium Tower, là siêu cao ốc 123 tầng lầu và 6 tầng hầm, cao 556 mét [2]

Ở một số thành phố lớn của Việt Nam [3], có chung vấn đề như các thành phố lớn trên Thế giới, cùng với quá trình đô thị hóa, tốc độ tăng dân số nhất là tăng dân số cơ học ngày càng tăng nhanh nên quỹ đất tại các khu đô thị lớn ngày càng bị thu hẹp, môi trường sống và mỹ quan kiến trúc bị ảnh hưởng Do đó đã có rất nhiều các giải pháp khác nhau được nghiên cứu và áp dụng, và một trong những giải pháp để giải quyết bài toán không gian ở các khu đô thị đó chính là khai thác không gian ngầm Cho nên phương án xây dựng mới các đô thị luôn đặt ra mục tiêu là triệt để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất

Việc xây dựng các loại công trình nói trên dẫn đến xuất hiện nhiều loại hố móng sâu khác nhau mà để thực hiện chúng, người thiết kế và thi công cần có những biện pháp chắn giữ bảo vệ thành vách hố móng và công nghệ đào thích hợp về mặt kỹ thuật –

Hình 1 1 Landmark 81 - Vietnam (nguồn: tekla.com)

Hình 1 2 Panorama Nha Trang (nguồn: panorama.ancu.com)

5

Hình 1 3 Tuyến metro Nhổn - Ga Hà Nội (nguồn: tapchigiaothong.vn)

Hình 1 4 Tòa nhà văn phòng Vietbank ( nguồn: dungtien.com)

Hình 1 5 IIham Baru Tower Basement, Kuala Lumpur ( nguồn: perimalaysia.com)

6

1.2 Phân loại tường vây hố móng

Hiện nay trong thiết kế và thi công hố móng sâu [3]có loại tường vây chủ yếu như sau:

Cọc trộn dưới sâu là một phương pháp mới để gia cố nền đất yếu nó sử dụng xi măng,

vôi, v.v… để làm chất đóng rắn, nhờ vào máy trộn dưới sâu để trộn cưỡng bức đất yếu

với chất đóng rắn dung dịch hoặc là dạng bột, lợi dụng một loạt phản ứng hóa học –

vật lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất làm cho đất mềm đóng rắn lại thành hình cọc

có tính chỉnh thể, tính ổn định và có cường độ nhất định

Chất lượng của tường phụ thuộc vảo tổng hợp các yếu tố như địa chất, thiết bị, thiết kế

tỷ lệ trộn, quá trình khoan trộn và quản lý chất lượng Kinh nghiệm và sự chuyên

nghiệp của nhà thầu cũng đóng một vai trò rất lớn đối với chất lượng của tường Quá

trình thi công được chia làm hai loại sau: sản xuất chất trộn và quá trình trộn Sản xuất

chất trộn bao gômg quá trình định lượng, trộn, khuấy trong các thiết bị trộn Qua trình

thứ 2 là vận hành các thiết bị trong đó bao gồm tốc độ phun, lượng trộn thực và máy

khoan

Hình 1 6 Thiết bị khoan Hình 1 7 Trình tự khoan

Hỡnh 1 9 Cấu tạo Joint cao su tại khớp nối của cừ

Joint cao su kín nước Elastic Vinyl Choloride

8

Cừ ván BTCT DƯL có nhiều dạng khác nhau như dạng sóng, dạng phẳng tuy nhiên

dạng sóng W là loại thường gặp nhất Trong thực tế cọc bản bê tông cốt thép dạng W

có nhiều loại với chiều cao khác nhau từ W120 (cao 120mm) đến W600 (cao 600mm)

và chiều dài từ 6m đến 28m Bề rộng của cừ được chế tạo định hình với kích thước 996mm Cừ ván có cốt chủ thường là cốt thép dự ứng lực loại tao cáp 12,7mm, số

lượng tao cáp tuỳ theo chiều dài của cừ

Hình 1 10 Cấu tạo cọc bản bê tông cốt thép dạng chữ W điển hình

Cọc bản bê tông cốt thép với nhiều tính năng vượt trội: cường độ chịu lực cao nhờ tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng độ cứng, khả năng chịu lực, giảm trọng lương, sản xuất theo quy trình công nghệ tiên tiến nên chất lượng được kiểm soát chặt chẽ, chủng loại đa dạng, giá thành giảm, đặc biệt là thi công thuận tiện

Trong xây dựng công trình trong các thành phố dùng móng cọc ép, có thể dùng cừ ván BTCT DƯL ép làm tường chắn chung quanh móng, để khi ép cọc, đất không bị dồn về những phía có thể gây hư hại những công trình lân cận (như làm nứt tường, lún lệch ) Đây là một giải pháp thay thế tường trong đất (dày tối thiểu 600 - với chi phí xây lắp rất cao) hoặc tường cừ thép trong một số trường hợp như những trường hợp phải để cừ lại

9

Có nhiều biện pháp để thi công như: dùng búa đóng Diesel, dùng búa rung, bằng phương pháp xói nước kết hợp búa rung, phương pháp ép tĩnh kết hợp xói nước

Hình 1 11 Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực (nguồn: 620chauthoi.com)

Hình 1 12 Thi công cọc ván BTCT dự ứng lực bằng phương pháp xói nước kết hợp

búa rung (nguồn: ansonjsc.com)

97 181 362 97 190 100 0,1243

169 338 63 215 100 0,1315 109

160,7 321,4 76 230 100 0,1468 117,3

148 296 93 280 100 0,1598 130

123 246 117 330 100 0,1835 155

138 276 110 380 100 0,1818 140

126 256 125 480 100 0,2078 150

275 100 75 200 444 W275-1000

300 100 100 200 362 W300-1000

325 110 125 200 430 W325-AB-1000

350 120 150 200 404 W350-AB-1000

400 120 200 200 370 W400-AB-1000

450 120 250 200 322 W450-AB-1000

500 120 300 200 336 W500-AB-1000

600 120 400 200 306 W600-AB-1000

Mặt cắt ngang tại đỉnh a

80

b 198

c 396

d 0

h 60 f

Sngang (m2)

Mặt cắt ngang tại đỉnh H

120

t 60

i o

j 120

e 556 W120-1000

160 80 o 160 556 W160-1000

160 80 o 160 556 W180-1000

225 100 25 200 548,6 W225-1000

250 100 50 200 481 W250-1000

Bảng 1 2 Đặc trương hỡnh học của Cừ vỏn BTCT DƯL

Dtích A

624 cm2

KC từ trục trung hoà

6912

I (cm4)

Mô đun mặt cắt Z

12,0 W160-1000

mm 60 mm

996

T.m 1,41 W120-1000

1.2.3 Cọc bản thép

Tường chắn đất hố đào bằng cọc bản thép là một trong các giải pháp đào đất hố lộ thiên dựa trên tính toán điều kiện cho phép của các đặc trưng địa chất cũng như hiện trạng tồn tại của công trình lân cận Đó là xét về độ bền và ổn định cục bộ theo từng mặt cắt địa chất của từng hố khoan sao cho việc thi công hố đào sau này là khả thi, hạn chế tối đa các sự cố đẩy trồi đất, trượt lở đất xung quanh hố đào làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận Đặc biệt phải lựa chọn hệ thanh chống sao cho hạn chế biến dạng tường vây và chuyển vị ngang tại đỉnh tường là tối thiểu

Phương pháp này phù hợp với độ sâu hố đào không quá 5-7m thích hợp với nền đất yếu có mực nước ngầm cao, thi công không phức tạp

Ưu điêm của cọc bản thép là:

- Khả năng chịu ứng suất động khá cao (cả trong quá trình thi công lẫn trong quá trình sử dụng)

12

- Khả năng chịu lực lớn trong khi trọng lượng khá bé

- Cọc ván thép có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia tăng chiều dài

- Cọc ván thép có thể sử dụng nhiều lần, do đó có hiệu quả về mặt kinh tế Nhược điểm của cọc bản thép là:

- Độ cứng tương đối thấp, nếu biện pháp chống đỡ không hợp lý, cọc sẽ bị biến dạng và tại đỉnh cọc chuyển vị ngang rất lớn làm gia tăng dịch chuyển đất quanh hố đào, gây ra lún đất nền và tất yếu làm nứt vỡ kết cấu công trình lân cận, gây hư hỏng

hệ thống cống ngầm hay các kênh kỹ thuật trong thành phố, nứt mặt đường giao thông Trong cả quá trình thi công đào đất hố móng kéo dài xét về nhiều mặt thì phương pháp này thường phát sinh hiện tượng rò rỉ nước ngầm qua cừ làm đẩy nổi đất đáy hố đào

- Hệ thanh chống ngang, chống xiên không hạn chế một cách tuyệt đối được các chuyển vị lớn tại đỉnh tường cừ nếu kích thước hố đào rộng và lớn

- Do cần thiết phải sử dụng nhiều tầng, nhiều lớp thanh chống cho tường cừ sẽ gây trở ngại các hoạt động máy đào đất dù là sử dụng máy đào cỡ nhỏ, vì vậy phải đào đất bằng biện pháp thủ công nên thời gian thi công phần ngầm kéo rất dài

Ngày nay cọc bản thép được sản xuất với nhiều hình dạng, kích thước khác nhau với các đặc tính về khả năng chịu lực ngày càng được cải thiện Ngoài cọc bản thép có mặt cắt ngang dạng chữ U, Z thông thường còn có loại mặt cắt ngang Omega (W), dạng tấm phẳng cho các kết cấu tường chắn tròn khép kín, dạng hộp được cấu thành bởi 2 cọc U hoặc 4 cọc Z hàn với nhau

Về kích thước, cọc ván thép có bề rộng bản thay đổi từ 400mm đến 750mm Sử dụng cọc có bề rộng bản lớn thường đem lại hiệu quả kinh tế hơn so với cọc có bề rộng bản nhỏ vì cần ít số lượng cọc hơn nếu tính trên cùng một độ dài tường chắn Hơn nữa, việc giảm số cọc sử dụng cũng có nghĩa là tiết kiệm thời gian và chi phí cho khâu hạ cọc, đồng thời làm giảm lượng nước ngầm chảy qua các rãnh khóa của cọc

13

Chiều dài cọc ván thép có thể được chế tạo lên đến 30m tại xưởng, tuy nhiên chiều dài thực tế của cọc thường được quyết định bởi điều kiện vận chuyển (thông thường từ 9 đến 15m), riêng cọc dạng hộp gia công ngay tại công trường có thể lên đến 72m Cọc bản thép sẽ được đóng hoặc rung để hạ cọc thép vào trong đất, cọc bản thép sẽ được thu hồi tái sử dụng khi thi công xong phần hầm

Hình 1 13 Cọc bản thép

Hình 1 14 Tường chắn dùng cọc bản thép (nguồn: sheetpileinvietnam.blogspot.com)

14

1.2.4 Tường liên tục trong đất

Thực chất là một loại cọc khoan nhồi, nhưng khác cọc khoan nhồi về hình dạng tiết diện, và phương pháp tạo lỗ Tường thường dày 600-800mm để chắn giữ ổn định hố móng sâu trong quá trình thi công Tường có tiết diện chữ nhật, chữ thập, chữ I, chữ H…, và được tạo lỗ bằng gầu ngoạm Chiều rộng tường thay đổi từ 2.6 m đến 5.0 m Các đoạn tường được liên kết chống thấm bằng goăng cao su, thép và làm việc đồng thời thông qua dầm đỉnh tường và dầm bo đặt áp sát tường phía bên trong tầng hầm Tường có sức chịu tải lớn hơn nhiều so với cọc nhồi (có thể lên hơn 1000T) nên dùng cho những công trình có tải trọng dưới móng rất lớn Và thường sử dụng khi kết hợp làm tường vây và móng cho công trình Tuy nhiên giá thành thi công loại móng này thường đắt hơn nhiều (do công nghệ thi công) so với dùng cọc khoan nhồi

Tường thường được giữ ổn định trong quá trình thi công bằng các giải pháp sau:

Số lượng tầng thanh chống có thể là 1 tầng chống, 2 tầng chống hoặc nhiều hơn tuỳ theo chiều sâu hố đào, dạng hình học của hố đào và điều kiện địa chất, thuỷ văn trong phạm vi chiều sâu tường vây

a Ưu điểm:

Trọng lượng nhỏ, lắp dựng và tháo dỡ thuận tiện, có thể sử dụng nhiều lần Căn cứ vào tiến độ đào đất có thể vừa đào, vừa chống, có thể làm cho tăng chặt nếu có hệ thống kích, tăng đơ rất có lợi cho việc hạn chế chuyển dịch ngang của tường

b Nhược điểm:

Độ cứng tổng thể nhỏ, mắt nối ghép nhiều Nếu cấu tạo mắt nối không hợp lý và thi công không thoả đáng và không phù hợp với yêu cầu của thiết kế, dễ gây ra chuyển dịch ngang và mất ổn định của hố đào do mắt nối bị biến dạng

15

Thanh neo trong đất đã được ứng dụng tương đối phổ biến và đều là thanh neo dự ứng lực Neo trong đất có nhiều loại, tuy nhiên dùng phổ biến trong xây dựng tầng hầm nhà cao tầng là neo phụt

Phương pháp thi công này thường được dùng phổ biến hiện nay Để chống đỡ sàn tầng hầm trong quá trình thi công, người ta thường sử dụng cột chống tạm bằng thép hình Trình tự phương pháp thi công này có thể thay đổi cho phù hợp với đặc điểm công trình, trình độ thi công, máy móc hiện đại có

Hình 1 15 Thi công đào đất và hạ lồng thép tường barrette (nguồn: duyenhai.vn)

16

Hình 1 16 Công nhân gia công lồng thép tường vây (nguồn: bachy-soletanche.vn)

Cọc khoan nhồi là cọc bê tông đúc tại chỗ, được chế tạo bằng cách khoan lỗ, đào đất, đóng khuôn sâu trong đất tới cao trình thiết kế rồi tiến hành đổ bê tông lấp đầy tạo ra cọc ngay vị trí thiết kế Đường kính cọc thường từ 600mm đến 3000mm, chiều sâu hạ cọc cũng thường từ 30m đến 60m

17

1.3 Những vấn đề cần quan tâm khi thiết kế và thi công hố móng sâu

Khi thiết kế, thi công hố móng sâu [3] cần phải tuân thủ các nguyên tắc sau nhằm đảm bảo độ an toàn, đảm bảo tính hợp lý về kinh tế và tiến độ công trình:

- An toàn: Đáp ứng yêu cầu về cường độ, tính ổn định và sự biến dạng của kết cấu chắn giữ, đảm bảo an toàn cho công trình xung quanh

- Hợp lý về kinh tế: Ngoài nguyên tắc đảm bảo an toàn công trình cần phải xác định được phương án thiết kế thi công có hiệu quả kinh tế kỹ thuật phù hợp với các điều kiện địa chất, vật liệu, thiết bị, nhân công và tiến độ công trình

- Tính khả thi: Trên nguyên tắc an toàn và kinh tế thì cần phải xem xét tính khả thi của thiết kế và biện pháp thi công hố móng, tạo điều kiện thuận lợi cho thi công, rút ngắn thời gian thi công, sử dụng thiết bị sẵn có v.v

Về mặt thiết kế kết cấu chắn giữ hố móng và nền thường phải thõa mãn một trong hai nhóm trạng thái 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

18

+ 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

- 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 trình khoan, 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…)

1.3.1 Tính toán áp lực đất, nước

1.3.1.1 Áp dụng lí luận áp lực đất

Trong nhiều năm qua, giới khoa học kỹ thuật ở Trung Quốc[3] đã làm nhiều thí nghiệm nghiên cứu về áp lực đất của công trình hố móng và cho thấy rằng kết quả tính toán theo lí luận áp lực đất kinh điển là tương đối phù hợp với thực tế tại các vùng đất yếu Còn các vùng đất không bão hòa, tính toán áp lực đất dùng lí luận áp lực đất kinh điển và các phương pháp thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu cường độ, với kết quả tính toán thường có chênh lệch nhiều so với thực tế Với các vùng đất có mực nước ngầm sâu, độ ẩm của đất thấp thì lại tỏ ra quá an toàn

1.3.1.2 Tính riêng áp lực đất, nước

Hiện nay, các chuyên gia ở nhiều nước thường tính riêng áp lực đất với loại đất có tính thấm nước mạnh như cát, sỏi, đá… điều này trên căn bản đã được công nhận rộng rãi Còn đối với vấn đề với áp lực đất nước của loại đất có tính thấm ít như đất mịn, đất sét

thì nhận thức vẫn còn khác nhau

Thông thường việc xác định các thông số về cường độ [4], [5]của đất chưa phản ánh chuẩn xác và đầy đủ như thực tế của đất, dẫn đến việc ảnh hưởng kết quả của việc tính

19

toán áp lực đất Bên cạnh đó việc cùng một thông số được thí nghiệm trên nhiều thí bị khác nhau và nhiều phương pháp thí nghiệm khác nhau lại cho kết quả khác nhau Ngoài ra, cường độ của đất nền sẽ có biến đổi theo thời gian thi công, không phải là hằng số Vì vậy khi thực hiện thí nghiệm thì nguyên tắc là hết sức cố gắng để có kết quả thể hiện gần nhất với khả năng chịu lực và điều kiện thoát nước trong thực tế của đất nền

Do có nhiều nguyên nhân làm cho kết quả tính toán chưa đủ tin cậy, như một số tính chất của đất còn khó biểu thị bằng định lượng, có tính phân tán lớn và trị số còn nhiều ảnh hưởng bởi phương pháp đo Bên cạnh lý luận về cơ học đất chưa hoàn thiện Vì vậy cần thiết phải có sự hiệu chỉnh bằng kinh nghiệm thực tiễn

Đây là đặc trưng chủ yếu của công trình hố móng, trong đó hình dạng mặt bằng, độ sâu 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, do đào hố và hạ nước ngầm sẽ làm cho nước trong đất biến đổi, do đó cần phải kể đến trạng thái chịu lực không gian cũng như trạng thái ứng suất và biến dạng thay đổi theo thời gian của nó

Chúng ta chú ý đến lúc đào hố móng tại vùng đất yếu, hiệu ứng không gian - thời gian

vô cùng quan trọng, kịp thời chống giữ thì sự cố không xảy ra và ngược lại sẽ gây ra ảnh hưởng rất lớn đến hố móng cũng như các công trình lân cận

Qua các sự cố công trình hố móng [6] trong những năm gần đây cho thấy: đa phần sự

cố có liên quan tới nước ngầm Cho nên, thiết kế kết cấu ngăn nước phải căn cứ vào điều kiện địa chất thủy văn, tham khảo các công trình xung quanh, áp dụng các biện pháp chuyên môn hữu hiệu

20

Chất lượng chống thấm của kết cấu ngăn nước vô cùng quan trọng, nhưng sự biến dạng của kết cấu chắn giữ lại là nguyên nhân chính gây ra sự thấm nước qua tường chắn

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 móng bao gồm đất ở vùng hố móng do đào hố, hạ nước ngầm làm cho mặt nền bị biến dạng lún xuống, đồng thời cũng bao gồm vấn đề bản thân kết cấu chỗng giữ biến dạng nghiêng vào phía trong hố

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 đã nêu tổng quan về tình hình xây dựng công trình ngầm trên thế giới và tại Việt Nam trong những năm gần đây, và cho thấy được tính hiệu quả và sự cần thiết của việc xây dựng các công trình ngầm hiện nay Và nêu ra một số giải pháp tường vây thông dụng hiện nay, nêu ưu điểm, nhược điểm từ đó đánh giá, lựa chọn để áp dụng cho các công trình có tầng hầm và thi công hố móng sâu

Bên cạnh đó nêu ra những vấn đề quan trọng cần quan tâm về nguyên tắc thiết kế, về tầm quan trọng của thông số cơ lý của đất từ kết quả thí nghiệm, về tính biến thiên của đất nền, về những khía cạnh mà trong tính toán chưa thể hiện được Để ngăn chặn đến mức tối đa sự cố đối với công trình

Trong chương này cũng cho thấy việc thiết kế thi công hố móng sâu cần đòi hỏi kinh nghiệm của người thiết kế, người thi công, các thiết bị và kỹ thuật thi công có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng công trình

21

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG TRONG HỐ MÓNG SÂU

2.1 Đặc điểm của công trình hố móng sâu

Theo đà phát triển xây dựng của các thành phố lớn hiện nay, các công trình cao tầng kết hợp tầng hầm lại thường tập trung ở những khu đất nhỏ hẹp, mật độ xây dựng lớn, dân cư, giao thông đông đúc, điều kiện để thi công công trình đều rất khó khăn Luôn

có các công trình lân cận Do đó công trình buộc phải đáp ứng được sự an toàn, đảm bảo về yêu cầu ổn định và khống chế chuyển vị là rất nghiêm ngặt

Và các công trình này hiện nay đang phát triển theo xu hướng có độ sâu lớn, diện tích rộng, quy mô công trình ngày càng tăng lên

Bên cạnh đó điều kiện địa chất thay đổi phức tạp, tính không đồng đều của điều kiện địa chất thuỷ văn thường làm cho số liệu khảo sát có tính phân tán lớn, khó đại diện đựợc cho tình hình tổng thể của các tầng đất, hơn nữa tính chính xác cũng tương đối thấp, đã làm tăng thêm khó khăn cho công tác thiết kế và thi công hố móng

Hố móng là hạng mục công trình có giá thành cao, khối lượng công việc lớn, yêu cầu

kỹ thuật thi công phức tạp, phạm vi ảnh hưởng rộng, nhiều nhân tố biến đổi, sự cố hay xảy ra, là một khâu khó về mặt kỹ thuật Một trong các nhân tố đó là điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao 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 dò nước 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

Công trình hố móng bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất,

chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước, đào đất…trong đó, một khâu nào đó thất bại sẽ dẫn tới cả công trình bị đổ vỡ, và nếu để xảy ra sự cố thì sẽ vô cùng khó khăn, gây mất

an toàn về con người cũng như thiệt hại lớn về kinh tế

22

2.2 Cơ sở lý thuyết bài toán thiết kế hố móng sâu

Bài toán thiết kế hố đào sâu chính là việc tính toán tường vây và hệ kết cấu chống đỡ tường vây đảm bảo được cường độ và độ ổn định trong suốt quá trình thi công và trong quá trình sử dụng công trình

- Tải trọng phụ do biến đổi nhiệt độ

Tuỳ theo các điều kiện khác nhau mà các loại tải trọng sẽ xuất hiện ở các dạng khác nhau

2.2.2 Áp lực đất

2.2.2.1 Các loại áp lực đất và điều kiện sản sinh ra chúng

Khi tính toán kết cấu tường cừ [7], [8] [9], áp lực tác động vào bề mặt tiếp xúc vào bề mặt của tường cừ với thể đất gọi là áp lực đất Độ lớn và quy luật phân bố của áp lực đất có liên quan tới các nhân tố hướng và độ lớn của chuyển vị ngang của kết cấu

tường cừ, tính chất của đất, độ cứng và độ cao của tường cừ chắn giữ, nhưng do việc xác định chúng khá phức tạp ngay trong trường hợp đơn giản nhất nên hiện nay vẫn dung lý thuyết Coulomb với những hiệu chỉnh bằng số liệu thực nghiệm

Để phân tích định tính và định lượng áp lực đất tác dụng lên tường cừ Terzaghi đã làm thí nghiệm mô hình tìm hiểu mối quan hệ giữa áp lực đất và độ dịch chuyển của tường

cừ

23

Kết quả cho thấy, khi tường cừ chuyển vị về phớa đất đắp, ỏp lực đất tỏc dụng lờn

tường cừ giảm từ giỏ trị ban đầu ứng với trạng thỏi tĩnh Eo, tới giỏ trị ỏp lực chủ động

Ea khi trong khối đất hỡnh thành một mặt trượt liờn tục Ngược lại, nếu cho tường cừ chuyển vị về phớa đất đắp, ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường tăng từ giỏ trị ban đầu Eo tới giỏ trị ỏp lực bị động cú ộp trồi Ept khi trong đất hỡnh thành một mặt trượt liờn tục Như vậy tựy theo hướng và chuyển vị tương đối của tường cừ với đất đắp, mà cú thể hỡnh thành ba loại ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường với ba trường hợp sau đõy:

- Khi tường cừ bị khối đất xụ về phớa khụng cú đất thỡ khối đất gõy ra ỏp lực đẩy lờn tường cừ và sẽ đạt tới giỏ trị ỏp lực đất chủ động khi độ dịch chuyển đủ lớn

- Khi tường cừ bị ngoại lực xụ về phớa đất thỡ khối đất gõy ra ỏp lực chống đối với tường cừ và sẽ đạt tới giỏ trị ỏp lực bị động khi độ dịch chuyển của tường cừ đủ lớn

- Trường hợp tường cừ đứng yờn, khối đất gõy ra ỏp lực đất tỏc dụng lờn tường

Trạng thái cân bằng đàn hồi

Trạng thái phá hoại

Trạng thái phá hoại Cân bằng giới hạn bị động Cân bằng giới

hạn chủ động

Chuyển vị ngược phía đất đắp

Chuyển vị về phía đất đắp 0

Trạng thái ứng suất trong đất đắp

Hỡnh 2 1 Quan hệ giữa ỏp lực đất với chuyển vị của tường Qua thớ nghiệm trờn cú thể thấy, trong ba loại ỏp lực đất trờn thỡ ỏp lực đất bị động lớn

hơn ỏp lực đất tĩnh và ỏp lực đất chủ động là nhỏ nhất Từ phõn tớch lý luận và thử nghiệm thực tiễn cho thấy, chuyển vị cần thiết khi phớa sau tường cừ chắn đất đạt đến

ỏp lực đất bị động lớn hơn rất nhiều ỏp lực đất chủ động

24

2.2.2.2 Lý thu yết cân bằng giới hạn của đất

Đem đường cong cường độ chống cắt và trạng thái ứng suất ở một điểm nào đó trong đất vẽ thành một hình tròn ứng suất Morh, khi vòng ứng suất O1 với đường cường độ

ϕσ

τf = c+ tan tiếp xúc nhau ở điểm A thì mặt cắt qua điểm này đều ở vào trạng thái cân bằng giới hạn Từ tam giác ∆ABO1 ta có

O1B

2 3

tan +

σ

σσϕ

cotg.2

2BO

AOsin

3 1

3 1

1 1

c

++

σϕσσ

σ1− 3 = 1.sin + 3.sin +2.c.cos (2.2)

ϕϕ

σϕ

σ1(1−sin )= 3.(1+sin )+2.c.cosBằng cách biến đổi hàm số lượng giác, ta có mối quan hệ của các ứng suất chính khi một điểm nào đó trong đất ở trạng thái cân bằng giới hạn là:

)245tan(

2)245(tan

3 1

ϕϕ

σ

σ = + + c + (2.3)

) 2 45 tan(

2 ) 2 45 ( tan

1 3

ϕϕ

Hay

2

450 ϕ

α = + (2.4)

W.J.W.Rankine căn cứ trạng thái ứng suất trong vật thể bán không gian vô hạn và điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm trong bán không gian đó đã tìm ra phương pháp tính toán áp lực đất Xét trạng thái ứng suất tại điểm M khi đó khối đất ở trạng thái tĩnh (cân bằng) thì mọi điểm đều ở trạng thái cân bằng đàn hồi, khi đó:

Thành phần ứng suất pháp tuyến của mặt phẳng ngang là:

z

z =γ

σ (2.5) Thành phần ứng suất pháp tuyến của mặt phẳng thẳng đứng là:

z K

K o z o

M σ z σ x z B

45 o + ϕ

45 o 2 ϕ

c

ϕ

ϕ σ τ tan +

b) c)

d)

Hình 2 3 Trạng thái bị động và chủ động Rankine

26

Vòng tròn Mohr ứng suất O1 ở điểm này không tiếp xúc với đường bao cường độ chịu cắt Khi σz không đổi, σx giảm nhỏ dần, vòng tròn ứng suất O2 tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến cân bằng giới hạn σ và z σx lần lượt là ứng suất chính lớn nhất và nhở nhất, khi đó ta có trạng thái chủ động Rankine, trong thể đất hai tổ mặt

2

45 0 ϕ

α = − với mặt nằm ngang (hình d), khi đó ta có trạng thái bị động Rankine

a Giả thiết cơ bản và nguyên lý tính toán:

Khi khối đất đắp sau tường cừ đạt trạng thái cân bằng giới hạn chủ động (do khối đất đẩy tường cừ về phía trước - phía không có đất), hoặc trạng thái cân bằng giới hạn bị động (do ngoại lực xô tường cừ về phía sau - về phía đất) thì mọi điểm trong khối đất đều ở trạng thái cân bằng giới hạn và thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb

Lưng tường cừ thẳng đứng, mặt đất nằm ngang, mặt tường cừ trơn nhẵn và không có

ma sát

Trên cơ sở phân tích trạng thái ứng suất tại một điểm trên mặt tiếp giáp giữa lưng

tường cừ và đất đắp, Rankine tìm ra công thức xác định cường độ áp lực đất, từ đó vẽ biểu đồ cường độ áp lực đất dọc theo lưng tường cừ rồi tính giá trị tổng áp lực đất và xác định điểm đặt của nó

27

Vì điểm M ở trạng thái cân bằng giới hạn nên ứng suất tại M thoả mãn điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Coulomb

mc2m

3

σ (2.7) với m = tg2(45o + ϕ/2)

Thay (a) và (b) vào (2.7) ta có:

a a

Ka - hệ số áp lực đất chủ động theo lý luận Rankine

M σ z σ x z

z γ

= 45 o + 2

HKa γ

Hình 2 4 Sơ đồ tính toán áp lực chủ động và điểm đặt theo Rankine

a) T ường chắn dịch chuyển ra ngoài; b) Đất cát; c) Đất sét

Từ công thức (2.8) thấy rằng cường độ áp lực đất chủ động gồm hai phần: một phần do trọng lượng đất gây ra (+γz K a ) có tác dụng đẩy tường cừ, một phần do lực dính gây

ra áp lực âm (−2c K a ) có tác dụng níu kéo tường cừ, tức làm giảm áp lực đất lên

tường cừ Kết quả cộng biểu đồ cho ở hình 2.4, trong đó tồn tại phần biểu đồ âm có tác dụng kéo tường cừ lại Do giữa đất lấp và lưng tường không thể chịu ứng suất kéo, do

đó trong phạm vi lực kéo sẽ xuất hiện khe nứt, khi tính toán áp lực đất chủ động thường bỏ qua phần biểu đồ âm đó và biểu đồ phân bố áp lực đất chỉ còn tam giác abc

Tại a, P a =0=γzK a −2c K a

2

Trong đó: zo- độ sâu giới hạn (độ sâu vùng chịu kéo)

Trị số tổng áp lực đất chủ động tính bằng diện tích biểu đồ abc (hình 2.4):

2

)2)(

a

K c HK z

H abc dt

K cH K

P =γ + 2 (2.13)

-ϕ α

Hình 2 5 Sơ đồ tính toán áp lực bị động và điểm đặt theo Rankine

a) T ường chắn dịch chuyển vào trong; b) Đất cát; c) Đất sét

Trong đó:

Kp = m = tg2(45o+ϕ/2)

Kp - hệ số áp lực bị động theo lý luận Rankine

Từ công thức (2.13) thấy rằng cường độ áp lực đất bị động gồm hai phần:

γzKp - do trọng lượng khối đất gây ra

p

K c

2 - do lực dính gây ra

Cả hai phần áp lực đều có tác dụng chống lại tường cừ Lực dính của đất làm tăng áp lực bị động đối với tường cừ Biểu đồ phân bố cường độ áp lực đất bị động nêu ở hình 2.5, biểu đồ có dạng hình thang Tổng giá trị áp lực đất bị động tính bằng diện tích biểu đồ hình thang và điểm đặt ở trọng tâm hình thang:

p p

a Nguyên lý tính toán của lý luận Coulomb:

Xét sự cân bằng của khối trượt dưới tác dụng của các lực, từ đó tìm ra tổng giá trị,

phương chiều, vị trí điểm đặt cuả áp lực đất Lý luận áp lực đất Coulomb được xây dựng dựa trên các giả thiết cơ bản sau:

- Tường chắn tuyệt đối cứng, không biến dạng

- Khi khối đất sau lưng tường chắn đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn (chủ động hoặc bị động) thì khối trượt là vật rắn tuyệt đối, trượt trên hai mặt AB và BC

- Mặt trượt trong đất là mặt phẳng BC đi qua chân tường chắn

- Khi có lực dính thì lực này sẽ phân bố đều trên mặt trượt BC

b Xác định áp lực đất chủ động theo giải tích

β β

θ

H

α

W A

Hình 2 6 Sơ đồ tính áp lực chủ động của đất rời theo Coulomb

Đối với đất rời Coulomb xác định áp lực chủ động từ điều kiện để khối trượt ABC cân bằng là đa giác lực phải khép kín (hình 2.6) Từ đa giác lực xác định được:

)()-sin(

)-sin(

W

ψ+ϕθ

ϕθ