Phân tích ứng xử của hố đào sâu sử dụng tường vây cọc ván thép trong đất yếu ở thị vải

Ngoài việc chống đỡ như trên, hệ thống tường cọc ván thép hoặc tường BTCT barrette này còn phải đảm bảo điều kiện ngăn nước vào hố đào sâu trong giai đoạn đào đất, đặc biệt tránh các sự

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

ĐÀO THỊ VÂN TRÂM

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỐ ĐÀO SÂU SỬ DỤNG TƯỜNG VÂY CỌC VÁN THÉP TRONG ĐẤT YẾU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :TS LÊ TRỌNG NGHĨA

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

Họ và tên: ĐÀO THỊ VÂN TRÂM

Địa chỉ liên lạc: 1456 Phạm Thế Hiển, Phường 5, Quận 8, Tp Hồ Chí Minh

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

- 2000-2005: Học đại học tại trường Đại Học Giao Thông Vận Tải CS II, Quận 9,

Tp Hồ Chí Minh

- 2011-nay: Học Cao học tại truờng Đại Học Bách Khoa TPHCM

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

- 2005-2009: công tác tại Phân viện KHCN GTVT Phía Nam, Tp Hồ Chí Minh

- 2010-nay: công tác tại Trường Cao Đẳng GTVT III, Quận 6, Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐÀO THỊ VÂN TRÂM MSHV : 11094359 Ngày, tháng, năm sinh: 30/05/1982 Nơi sinh : Khánh Hòa Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số : 60.58.60

I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỐ ĐÀO SÂU SỬ DỤNG TƯỜNG VÂY CỌC VÁN THÉP TRONG ĐẤT YẾU Ở THỊ VẢI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về tường chắn trong hố đào sâu

Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định hố đào

Chương 3 Phân tích bài toán hố đào sâu tại Thị Vải

Kết Luận và Kiến Nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/06/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS LÊ TRỌNG NGHĨA

Công trình được hoàn thành tại trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia – Hồ Chí Minh

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh

sự nổ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Lê Trọng Nghĩa, người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này.Xin gởi lời tri ân nhất của tôi đối với sự hỗ trợ mà Thầy đã dành cho tôi

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn Địa Cơ –Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh

TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2013

Học viên

Đào Thị Vân Trâm

Trong phạm vi của đề tài này, tác giả chủ yếu muốn giới thiệu và áp dụng các

lý thuyết đã được nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam trong việc sử dụng tường cừ ván thép để ổn định tạm hố đào sâu trong điều kiện đất yếu có chiều dày lớn Qua đó có thể ứng dụng để phân tích một bài toán cụ thể ngay tại khu vực bờ sông Thị Vải thuộc tỉnh Bà Rịa, Vũng Tàu, Việt Nam để tìm hiểu ứng xử của hố đào cũng như tường cừ ván thép trong quá trình thi công đào mở tại khu vực này Kết hợp với những số liệu quan trắc ứng xử thực tế của hố đào trong quá trình thi công, đế có những đánh giá về số liệu địa chất, thông số đầu vào của mô hình số, những kinh nghiệm thi công, cùng những kết luận có tính ứng dụng cho các công trình tương tự sẽ được thi công sau này

Kết luận cuối cùng của luận văn thu được là, nên kết hợp thí nghiệm hiện trường với thí nghiệm trong phòng trên mẫu nguyên dạng bằng ống lấy mẫu piston

để thiết lập các bộ thông số dùng trong phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn Có thể dùng mô hình Morh-Coulomb với phân tích Modulus theo sức chống cắt không thoát nước (Undrained Shear Strength) dao động từ (150-400)su, dùng hệ

số poisson là νu=0.495 để phân tích hố đào sâu trong điều kiện đất yếu Có thể dùng thông số hữu hiệu đối với mô hình tiên tiến như Soft Soil Model và Hardening Soil Model trong phân tích ngắn hạn (không thoát nước) đối với hố đào sâu trong điều kiện đất yếu có chiều dày lớn Độ lún mặt lớn nhất và chuyển vị ngang lớn nhất theo chiều sâu hố đào tương ứng là (0.47%-1.07%)H và (0.23%-3.35%)H, trong đó

H là chiều sâu hố đào, phù hợp với kết quả nghiên cứu của Goldberg, Jaworski et al (1976)

Within this thesis, the author would like to introduce and apply currently studied theories all over the world and Vietnam for the use of steel sheet piles to stabilize deep excavation in thick soft ground conditions Through the research, a case study of braced excavation using sheet piles in Thi Vai Soft Clay, South East

of Ho Chi Minh city, Vietnam is analysed with sophisticated soil models for the behaviors of the excavation and the wall by comparision of monitored and calculated data Evaluation and characterization of geotechnical data for input parameters of soil model are performed thourougly Furthermore, construction experiences and practical conclusions are proposed for the similar cases

The last conclusion is that field and laboratory tests should be used in conjunction with each other on undisturbed samples by stationary pistion sampler to get correct soil parameters for Finite Element Analyses Morh-Coulomb can be used with modules ranging from 150-400 undrained shear strength and poisson ratio of 0.495 for the undrained analyses of braced sheet pile in soft ground condition Effective stress parameters can be used with sophisticated soil models as Soft Soil Model and Hardening Soil Model for undrained (short term) analyses for deep excavation in thick soft ground Surface settlement of (0.47%-1.07%)H and lateral movement of (0.23%-3.35%)H with H defined as depth of excavation are found to

be consistent with previous study by Goldberg, Jaworski et al (1976)

Tên tôi là Đào Thị Vân Trâm, học viên cao học chuyên ngành Địa Kỹ Thuật

Xây Dựng, khóa 2011 đợt 2 Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ ‘‘PHÂN TÍCH

ỨNG XỬ CỦA HỐ ĐÀO SÂU SỬ DỤNG TƯỜNG VÂY CỌC VÁN THÉP

TRONG ĐẤT YẾU Ở THỊ VẢI’’ là công trình nghiên cứu của riêng tôi và không

sao chép

Học viên

Đào Thị Vân Trâm

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 9

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN TRONG HỐ ĐÀO SÂU 12

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĐỠ HỐ ĐÀO 12

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÓ 13

1.3 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 16

1.4 DỮ LIỆU CÔNG TRÌNH THỰC TẾ DÙNG TƯỜNG CỌC VÁN THÉP 20

1.5 KẾT LUẬN PHẦN TỔNG QUAN 23

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO 25

2.1 GIỚI THIỆU 25

2.2 ỔN ĐỊNH NỀN KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO 25

2.2.1 CÁC LOẠI HỆ SỐ AN TOÀN 25

2.2.2 PHÁ HOẠI CẮT TỔNG THỂ 26

2.2.3 ĐẨY TRỒI ĐÁY 36

2.3 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ MÔ HÌNH NỀN DÙNG ĐỂ PHÂN TÍCH HỐ ĐÀO SÂU CÓ SỬ DỤNG TƯỜNG CỌC VÁN THÉP 37

2.3.1 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 37

2.3.1.1 TRÌNH TỰ PHÂN TÍCH BÀI TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP PTHH 38

2.3.1.2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN 39

2.3.1.3 PHẦN TỬ TAM GIÁC 15 NÚT 40

2.3.2 CÁC MÔ HÌNH NỀN DÙNG TRONG LUẬN VĂN 43

2.3.2.1 MÔ HÌNH MORH-COULOMB 43

2.3.2.2 MÔ HÌNH SOFT SOIL 44

2.3.2.3 MÔ HÌNH HARDENING SOIL 49

CHƯƠNG 3 PHẨN TÍCH BÀI TOÁN HỐ ĐÀO SÂU TẠI THỊ VẢI 60

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN HỐ ĐÀO SÂU TẠI THỊ VẢI 60

3.2 ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Ở THỊ VẢI 62

3.2.1 THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG 64

3.2.2 THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 68

3.3 CÁC MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ DÙNG TRONG PHÂN TÍCH HỐ ĐÀO SÂU 69

3.3.1 MÔ HÌNH MORH-COULOMB 69

3.3.2 MÔ HINH SOFT SOIL 72

3.3.3 MÔ HÌNH HARDENING SOIL 72

3.3.4 CÁC PHẦN TỬ KẾT CẤU 73

3.4 CHI TIẾT CÁC GIAI ĐOẠN THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU Ở THỊ VẢI 75

3.5 HỆ THỐNG QUAN TRẮC TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG HỐ ĐÀO 80

3.6 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỐ ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU Ở THỊ VẢI 83

3.6.1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH FEM TẠI INCLINOMETER INC-01 83

3.6.1.1 KẾT QUẢ THEO MÔ HÌNH MORH-COULOMB 83

3.6.1.2 KẾT QUẢ THEO MÔ HÌNH SOFT-SOIL 86

3.6.1.3 KẾT QUẢ THEO MÔ HÌNH HARDENING SOIL 88

3.6.1.4 TỔNG HỢP SO SÁNH KẾT QUẢ THEO CÁC MÔ HÌNH MORH-COULOMB, SOFT-SOIL VÀ HARDENING-SOIL TẠI INC-01 89

3.6.2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH FEM TẠI INCLINOMETER INC-02, INC-03 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

KẾT LUẬN 92

KIẾN NGHỊ 93

PHỤ LỤC: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH FEM BẰNG CÁC MÔ HÌNH SỐ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Biểu đồ độ lún theo khoảng cách đến hố đào cho các loại đất khác nhau theo Peck (1969) 17 Hình 1-2 Đồ thị chuẩn hóa chuyển vị nền xung quanh hố đào theo Clough and O'Rourke (1990) 19 Hình 1-3 Quan hệ giữa độ cứng hệ chống và chuyển vị ngang của tường theo chiều sâu hố đào theo Clough and O'Rourke (1990) 20 Hình 1-4 Chuẩn hóa chuyển vị ngang cực đại của tường và độ lún nền cực đại theo

chiều sâu hố đào với dữ liệu ở Bảng 1-1 23

Hình 2-1 Các trạng thái phá hoại cắt tổng thể (a) Đáy tường cọc ván bị đẩy vào trong hố đào; (b) Đáy hố đào bị đẩy trồi lên 27 Hình 2-2 Phân tích đẩy ngang tường cọc ván theo phương pháp áp suất tổng cộng: (a) Phân bố áp lực đất tổng cộng; (b) Cân bằng hệ lực của phân tố tường tách ra 27 Hình 2-3 Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải của Terzaghi (a) Tìm mặt phá hoại theo phương pháp thử dần; (b) Mặt phá hoại thứ 2; (c) Mặt phá hoại thứ 3; (d) Cả 2 phía hố đào xảy ra phá hoại 29 Hình 2-4 Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp Terzaghi: (a) D>=B/sqrt(2); (b) D<B/sqrt(2) 29 Hình 2-5 Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải âm: (a) Mặt trượt có chiều rộng sqrt(2)B1; (b) Mặt trượt khác có chiều rộng sqrt(2)B1; (c) Mặt trượt bao phủ toàn đáy hố đào 30 Hình 2-6 Hệ số sức chịu tải của Skempton (Skempton, 1951) 30 Hình 2-7 Phương pháp Bjerrum và Eide mở rộng: (a) Nc,s cho mặt trượt tròn cắt qua

2 lớp đất; (b) Nc,s cho mặt trượt tròn tiếp xúc với đỉnh lớp đất phía dưới và (c) fd hiệu chuẩn cho chiều rộng hố đào (NAFAC DM7.2, 1982; Reddy và Srinivasan, 1967) 32 Hình 2-8 Vị trí tâm cung trượt tròn theo phương pháp mặt trượt trụ tròn 34 Hình 2-9 Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp mặt trượt trụ tròn: (a) Mặt trượt phá hoại và (b) Lực tác động lên khối trượt 34 Hình 2-10 Hệ số an toàn tăng khi vòng tròn phá hoại vượt quá bề rộng hố đào 35

Hình 2-11 Phân tích đẩy trồi hố đào trong trường hợp đất yếu nhiều lớp 35 Hình 2-12 Phân tích đẩy trồi đáy hố đào do áp lực nuớc 36

Hình 2-13 Thứ tự vị trí các điểm nút trên trục tọa độ địa phương 41

Hình 2-14 Mặt dẻo trong không gian ứng suất chính của mô hình Morh Coulomb.44 Hình 2-15 Quan hệ logarith giữa biến dạng thể tích và áp suất trung bình 46 Hình 2-16 Mặt chảy dẻo của mô hình Soft Soil trong mặt phẳng p’-q 48 Hình 2-17 Mặt dẻo trong không gian ứng suất chính của mô hình Soft Soil Model49 Hình 2-18 Quan hệ ứng suất biến dạng Hyperbol trong quá trình gia tải sơ cấp trong thí nghiệm thoát nước tiêu chuẩn 53 Hình 2-19 Các quỹ đạo chảy liên tiếp đối với các giá trị hằng số tái bền khác nhau

p

γ 55 Hình 2-20 Mặt dẻo của mô hình Hardening-Soil trong mặt phẳng p-q’ Miền đàn hồi

bị thu nhỏ do giới hạn chịu kéo 58 Hình 2-21 Hình dáng mặt dẻo tổng quát của mô hình hardening Soil trong không gian ứng suất chính đối với đất rời 59 Hình 3-1 Vị trí dự án kho LPG lạnh Thị Vải, tỉnh Bà Rịa, Vũng Tàu, Việt Nam 61 Hình 3-2 Vị trí tương đối của nhà bơm nước sông so với mặt bằng dự án và sông Thị Vải 61 Hình 3-3 Vị trí cụ thể của nhà bơm nuớc sông trong khu đất dự án 62 Hình 3-4 Mặt bằng vị trí các hố khoan khảo sát và thí nghiệm hiện trường của dự án

và khu vực hố đào sâu của nhà bơm nước sông 63 Hình 3-5 Mặt cắt địa chất công trình từ hố khoan BH-05 đến BH-08 63 Hình 3-6 Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất nền ngay khu vực hố đào sâu 64 Hình 3-7 Thí nghiệm cố kết tốc độ biến dạng không đổi (CRS) và gia tải từng bước (IL) 65 Hình 3-8 Hệ số cố kết từ thí nghiệm tốc độ biến dạng không đổi (CRS) và gia tải từng bước (IL) 65

Hình 3-9 Hệ số thấm thí nghiệm tốc độ biến dạng không đổi (CRS) và gia tải từng

bước (IL) 66

Hình 3-10 Đặc trưng kháng cắt hữu hiệu của lớp đất yếu bên trên theo thí nghiệm 3 trục theo sơ đồ cố kết không thoát nước CU 66

Hình 3-11 Đặc trưng kháng cắt hữu hiệu của lớp đất yếu bên dưới theo thí nghiệm 3 trục theo sơ đồ cố kết không thoát nước CU 67

Hình 3-12 Hàm hồi qui xác định modulus E50 (kPa) theo thí nghiệm ba trục cho lớp đất yếu phía trên 67

Hình 3-13 Hàm hồi qui xác định modulus E50 (kPa) theo thí nghiệm ba trục cho lớp đất yếu phía dưới 68

Hình 3-14 Thí nghiệm hiện trường: Cắt cánh (VST) và xuyên tĩnh đo áp lực nước lỗ rỗng (CPTU) 69

Hình 3-15 Chỉ tiêu sức chống cắt không thoát nước và modulus cho mô hình Morh-Coulomb 70

Hình 3-16 Đặc trưng tiết diện cửa cừ ván thép 74

Hình 3-17 Đặc trưng tiết diện của thanh giằng chống H400 74

Hình 3-18 Chi tiết tầng chống giằng thứ nhất ở cao độ +2.20m 76

Hình 3-19 Chi tiết tầng chống giằng thứ 2, 3, 4 ở cao độ +0.20m, -1.80m và -3.80m .76

Hình 3-20 Chi tiết tầng chống giằng thứ 5 ở cao độ -5.80m 77

Hình 3-21 Bố trí hệ thống quan trắc chuyển vị ngang và lún mặt xung quan hố đào (Cao độ nằm trong dấu ngoặc đơn là cao độ lắp giằng chống, cao độ ngoài dấu ngoặc đơn là cao độ đào đất) 81

Hình 3-22 Số liệu quan trắc chuyển vị ngang tại các inclinometer INC-01, INC-02 và INC-03 xung quanh hố đào sâu 82

Hình 3-23 Độ lún quan trắc tại vị trí các bàn đo lún từ SP-01 đến SP-07 (từ ngày 23 tháng 2 năm 2012 trở đi, bàn đo lún SP-01 bị hỏng) 82

Hình 3-24 Kết quả chuyển vị ngang phân tích bằng mô hình Morh-Coulomb trường hợp 1 (Case-1) cho INC-01, modulus cho lớp đất yếu trên Eu1=150su và dưới

Eu2=300su, trong đó su, (kPa) = 5.04 + 2.2243(yref-y), với yref=30m, tải trọng thi công 30kPa 84 Hình 3-25 Kết quả độ lún mặt phân tích bằng mô hình Morh-Coulomb trường hợp 1 (Case-1) cho INC-01, modulus cho lớp đất yếu trên Eu1=150su và dưới Eu2=300su, trong đó su, (kPa) = 5.04 + 2.2243(yref-y), với yref=30m, tải trọng thi công 30kPa 84 Hình 3-26 Kết quả chuyển vị ngang phân tích bằng mô hình Morh-Coulomb trường hợp 2 (Case-2) cho INC-01, modulus cho lớp đất yếu trên Eu1=250su và dưới

Eu2=400su, trong đó su1, (kPa) = 17 và su2, (kPa) = 17 + 3.45(yref-y), với yref=21m, tải trọng thi công 30kPa 85 Hình 3-27 Kết quả chuyển vị ngang phân tích bằng mô hình Morh-Coulomb trường hợp 2 (Case-2) cho INC-01, modulus cho lớp đất yếu trên Eu1=250su và dưới

Eu2=400su, trong đó su1, (kPa) = 17 và su2, (kPa) = 17 + 3.45(yref-y), với yref=21m, tải trọng thi công 30kPa 85 Hình 3-28 Kết quả chuyển vị ngang phân tích theo mô hình Soft-Soil cho các giai đoạn đào, tải trọng thi công 30kPa 87 Hình 3-29 Kết quả chuyển vị ngang phân tích bằng mô hình Soft Soil cho INC-01, tải trọng thi công 30kPa 87 Hình 3-30 Kết quả phân tích theo mô hình Hardening-Soil cho các giai đoạn đào, tải trọng thi công 30kPa 88 Hình 3-31 Kết quả chuyển vị ngang phân tích bằng mô hình Hardening Soil cho INC-01, tải trọng thi công 30kPa 88 Hình 3-32 Tổng hợp so sánh số liệu chuyển vị ngang quan trắc với kết quả chuyển

vị ngang tính toán khi phân tích hố đào sâu trong đất yếu tại vị trí inclinometer

INC-01 bằng các mô hình Morh-Coulomb, Soft-Soil và Hardening Soil với tải trọng thi công là 30kPa 89 Hình 3-33 Tổng hợp so sánh số liệu độ lún quan trắc với kết quả độ lún mặt khi phân tích hố đào sâu trong đất yếu tại vị trí inclinometer INC-01 bằng các mô hình Morh-Coulomb, Soft-Soil và Hardening Soil với tải trọng thi công là 30kPa 89 Hình 3-34 Kết quả so sánh chuyển vị ngang quan trắc và tính toán tại inclinometer INC-02 và INC-03, trường hợp điển hình dùng mô hình Soft Soil Model 90

Hình 3-35 So sánh số liệu quan trắc chuyển vị ngang và độ lún theo chiều sâu hố đào của dự án trong luận văn này với dữ liệu công trình hố đào dùng tường cọc ván thép có sẵn 91

Hình 0-1 Thư chấp thuận bài đăng tại hội nghị quốc tế Okinawa JS-2013 Nhật Bản

100

Hình 0-2 Bài chấp thuận tại hội nghị quốc tế Geotec Hanoi 2013 (Đường dẫn đến

danh sách có bài được chấp thuận http://www.geotechn2013.vn/sites/default/files/List of Accepted Full paper - GEOTEC HANOI 2013.pdf) 101

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3-1 Thông số cho INC-01 trường hợp 1 (Case-01) với su, (kPa) = 5.04 +

2.2243(yref-y), với yref=30m 70

Bảng 3-2 Thông số cho INC-01 trường hợp 2 (Case-02) với su1, (kPa) = 17 và su2, (kPa) = 17 + 3.45(yref-y), với yref=21m 71

Bảng 3-3 Các thông số cho mô hình Soft-Soil cho đất sét yếu (Dùng tính toán cho INC-01, INC-02 và INC-03) 72

Bảng 3-4 Các thông số cho mô hình Hardening-Soil cho đất sét yếu (*) Modulus sử dụng là 20% giá trị kết quả thí nghiệm ba trục trong phòng đối với lớp thứ nhất; (**)Eurref(kPa) sử dụng là giá trị gấp hai lần E50ref(kPa) theo kết quả thí nghiệm ba trục cố kết không thoát nước (Dùng tính toán điển hình cho INC-01) 72

Bảng 3-5 Đặc trưng tiết diện của phần tử thanh chống và tường cọc ván thép 73

Bảng 3-6 Chi tiết các giai đoạn thi công hố đào 75

Bảng 3-7 Một số hình ảnh thi công hố đào sâu tại Thị Vải 77

Bảng 0-1 Kết quả phân tích cho INC-01 theo mô hình Morh-Coulomb Case-01 94

Bảng 0-2 Kết quả phân tích cho INC-01 theo mô hình Morh-Coulomb Case-02 95

Bảng 0-3 Kết quả phân tích cho INC-01 theo mô hình Soft-Soil 96

Bảng 0-4 Kết quả phân tích cho INC-01 theo mô hình Hardening-Soil 97

Bảng 0-5 Kết quả phân tích cho INC-02 (INC-03) theo mô hình Soft-Soil 98

MỞ ĐẦU

Để đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng không gian ngày càng lớn của con người đặc biệt trong đô thị, việc phát triển không gian ngầm là một lựa chọn mà các nước có diện tích đất nhỏ đã làm Hiện nay Việt Nam cũng đi theo xu hướng đó để phát triển

cơ sở hạ tầng trong các khu đô thị lớn Vì thế tình hình xây dựng công trình ngầm ở nước ta đang trong thời kỳ phát triển, do đó công tác tính toán thiết kế và những vấn

đề liên quan đến điều kiện thi công công trình ngầm rất được quan tâm Điều này dẫn đến việc thiết kế hệ thống chống đở làm việc tạm thời đảm bảo ổn định trong giai đoạn thi công như hệ tường cọc ván, hoặc làm việc như kết cấu vĩnh cửu như tường tầng hầm BTCT đổ tại chỗ (cọc barrette) Ngoài việc chống đỡ như trên, hệ thống tường cọc ván thép hoặc tường BTCT (barrette) này còn phải đảm bảo điều kiện ngăn nước vào hố đào sâu trong giai đoạn đào đất, đặc biệt tránh các sự cố về đẩy trồi đáy hố đào do bùng nền (boiling) ở trong tầng đất cát mịn dưới dòng thấm của nước dưới đất xuất hiện trong quá trình làm khô hố đào Hoặc chống sự đẩy trồi đáy hố đào do quá trình dỡ tải trọng bản thân cột đất do đào Hệ giằng chống có thể bằng thép hình hoặc bằng chính các sàn ở cao độ thiết kế…

Ngoài ra hiện nay sự phát triển của máy tính điện tử và các mô hình số tiên tiến cũng góp phần vào việc nâng cao chất lượng bài toán thiết kế hệ chống đỡ trong thi công hố đào sâu Do đó với các điều kiện tải trọng và điều kiện biên phức tạp có thể được phân tích một cách thấu đáo và cặn kẽ trước khi việc thi công được bắt đầu Các hệ thống quan trắc cảnh báo nguy hiểm trong quá trình thi công cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi để hỗ trợ cho việc thi công công trình ngầm nói chung

và hố đào sâu nói riêng được thực hiện một cách an toàn

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu ứng xử của hố đào sâu trong khu vực đất yếu có chiều dày lớn trong điều kiện Việt Nam Việc phân tích bằng mô hình số để hiểu rõ hơn ứng xử thực tế của hố đào trong các giai đoạn thi công công trình ngầm Từ kết quả nghiên cứu đề xuất hướng nghiên cứu tiếp

theo và ứng dụng thực tế trong quá trình thiết kế và thi công hố đào trong điều kiện đất yếu có chiều dày lớn ở miền Nam Việt Nam Ngoài ra tác giả còn phân tích một số nguyên nhân có ảnh hưởng đến sự thành công trong công tác đào đất hố móng sâu từ đó có biện pháp phòng ngừa hoặc khuyến cáo thích hợp trong quá trình thiết kế và thi công hố đào trong điều kiện đất yếu có chiều dày lớn Kể từ nghiên cứu của Peck (1969) đã cho thấy tầm quan trọng của hệ chống đỡ cũng như ứng xử của hệ này trong thi công công trình ngầm nói chung và hố đào sâu nói riêng

Trong thi công hố đào sâu thì ứng xử của nền đất xung quanh hố đào ảnh hưởng bởi việc mất ứng suất đứng ở đáy hố đào, mất ứng suất hông ở thành hố đào

và ứng xử trung gian của những điểm ở góc hố đào Ngoài ra dòng thấm trong nền đất cũng có ảnh hưởng đáng kể trong quá trình thi công mà ở đó việc làm khô hố đào được thực hiện thường xuyên

Hơn nữa yêu cầu về an toàn trong quá trình thi công hố đào sâu và cả những ảnh hưởng đối với công trình lân cận là vấn đề rất cần thiết Do đó hệ tường kết hợp với hệ chống đỡ tạm ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt là ở những khu vực

có không gian thi công giới hạn Theo đó tác giả muốn thông qua luận văn này để nghiên cứu việc ứng dụng tường cọc ván thép trong công tác thi công hố đào sâu trong điều kiện đất yếu có chiều dày lớn ở khu vực Thị Vải, Bà Rịa, Vũng Tàu, Việt Nam

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong phạm vi của đề tài này, tác giả chủ yếu muốn giới thiệu và áp dụng các

lý thuyết đã được nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam trong việc sử dụng tường cừ ván thép để ổn định tạm hố đào sâu trong điều kiện đất yếu có chiều dày lớn Qua đó có thể ứng dụng để phân tích một bài toán cụ thể ngay tại khu vực bờ sông Thị Vải thuộc tỉnh Bà Rịa, Vũng Tàu, Việt Nam để tìm hiểu ứng xử của hố đào cũng như tường cừ ván thép trong quá trình thi công đào mở tại khu vực này Kết hợp với những số liệu quan trắc ứng xử thực tế của hố đào trong quá trình thi công, đế có những đánh giá về số liệu địa chất, thông số đầu vào của mô hình số,

những kinh nghiệm thi công, cùng những kết luận có tính ứng dụng cho các công trình tương tự sẽ được thi công sau này

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

o Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

o Nghiên cứu về lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và giới thiệu các phần mềm thương mại có dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong phân tích bài toán địa kỹ thuật nói chung và hố đào sâu nói riêng

o Phân tích kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường để có được thông số đầu vào cho bài toán phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

o Các loại quan trắc hỗ trợ cho việc thi công hố đào sâu trong thực tế xây dựng

o Phân tích ứng xử bài toán thực tế tại Thị Vải từ đó xây dựng mối tương quan của các biến số về chuyển vị ngang, chuyển vị đứng trong các giai đoạn thi công và so sánh với các dự liệu có sẵn từ trước đến nay Ngoài ra so sánh giữa kết quả phân tích với bộ thông số lựa chọn với dữ liệu quan trắc thực tế ngay tại công trình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN TRONG HỐ ĐÀO SÂU 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĐỠ HỐ ĐÀO

Peck (1969) trong một báo cáo tại hội nghị quốc tế về cơ học đất và kỹ thuật nền móng đã cho thấy một báo cáo nghiên cứu tổng quan khá đầy đủ về các nhân tố ảnh hưởng đến hệ chống đỡ của hố đào sâu Ngoài ra đến nay cũng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố kể từ nghiên cứu của Ralph B Peck vào năm 1969

Ứng xử của hố đào sâu có liên quan đến cả sự ổn định và mức độ chuyển vị của hố đào cũng như đất nền xung quanh hố đào Do đó hệ tường và hệ chống tạm được ứng dụng để giữ cho nền ổn định cũng như chuyển vị của nền xung quanh hố đào nằm trong một giới hạn cho phép, đáy hố đào không bị đẩy trồi quá mức kiểm soát

Chuyển vị của nền xung quanh hố đào có ảnh hưởng đáng kể đến các công trình lân cận, nếu chuyển vị quá lớn có thể dẫn đến sự hư hỏng hoặc thậm chí phá hủy công trình lân cận Dễ dàng nhận thấy rằng độ ổn định của hố đào và mức chuyển vị của nền xung quanh nó có mối liên hệ mật thiết với nhau Với hệ số an toàn càng lớn thì mức chuyển vị càng nhỏ và ngược lại Tuy nhiên điều này có ảnh hưởng đến vấn đề kinh tế cho hệ chống đỡ tạm trong thi công hố đào sâu Với hệ số

an toàn càng lớn thì kinh phí cho hệ chống tạm càng lớn và ngược lại Do đó việc phân tích tính toán ứng xử về ứng suất và biến dạng của hệ chống tạm cần phải được quan tâm đáng kể Mặc dù phương pháp cân bằng giới hạn cũng có thể được

áp dụng để tính toán bài toán hố đào nhưng với tốc độ phát triển của máy tính điện

tử, phương pháp số như phần tử hữu hạn (FEM), sai phân hữu hạn (FDM)…và các

mô hình số hiện đại thì việc phân tích đánh giá bài toán ngày càng đơn giản hơn ngay cả với các điều kiện biên phức tạp lẫn điều kiện tải trọng phức tạp

Hệ chống đỡ tạm bao gồm tường đứng có thể là bằng thép, BTCT, gỗ hoặc CDM hoặc cọc khoan phụt cao áp và hệ văng chống tạm Trong thi công hố đào thì

áp suất ngang bị mất trong quá trình đào do đó hệ văng chống tạm (có thể là thanh

chống ngang hoặc xiên, neo ngang hoặc xiên…) được dùng để bổ sung lực ngang thay cho áp suất ngang ở trạng thái tĩnh khi nền chưa đào Trong khi đó thì tường đứng đóng vai trò giữ đất không cho dịch chuyển vào bên trong hố đào và ngăn nước vào hố đào bằng cách tăng chiều dài đường thấm Chi tiết các hệ này được mô

tả khá đầy đủ trong sổ tay thực hành dùng trong hố đào sâu được viết bởi Puller, Malcom (1996)

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÓ

Các công trình nghiên cứu tiêu biểu về hố đào sâu nói chung là Peck (1969), Lambe (1970), Goldberg, Jaworski et al (1976), O'Rourke (1981), Clough and O'Rourke (1990) và gần đây nhất là một bài báo được tạp chí Géotechnique xuất bản nhìn lại sự đóng góp cho chủ đề kết cấu chắn đất từ 1948 đến 2008, Milligan, St John et al (2008) đã tổng hợp quá trình phát triển của công tác thiết kế, thi công và quan trắc hố đào sâu với các chủ đề liên quan đến quan trắc công trình thực, chuyển

vị nền đất và tường hố đào, phân tích bằng phương pháp số và cuối cùng là ứng suất lên tường khi đắp đất và đầm chặt Skempton and Ward (1952) mô tả một hố đào dùng hệ giằng chống trong điều kiện đất yếu và đưa ra nhận định rằng dữ liệu thực

tế về điều kiện đất nền và kết quả quan trắc quan trọng hơn việc diễn giải chúng, và công nhận rằng các phương pháp đánh giá sẽ được phát triển cùng với lý thuyết ngày càng cải tiến hơn trong khi dữ liệu quan trắc rất hữu ích trong việc kiểm soát các phương pháp thiết kế mới cũng như đóng góp vào việc phát triển phương pháp thiết kế thực nghiệm Wu and Berman (1953) trình bày một hố đào rất sâu trong điều kiện đất sét yếu đến trung bình và cho thấy rằng việc cố định đáy tường trong trường hợp này có thể giới hạn giá trị chuyển dịch nền cũng như thay đổi phân bố

áp lực đất Bjerrum and Eide (1956) hơn nữa đã tập hợp rất nhiều trường hợp thực

tế hố đào sâu trong điều kiện đất yếu với một mục đích khác hơn Bài báo này đã có ảnh hưởng rất lớn lên triết lý thiết kế bán thực nghiệm để tính toán chuyển vị nền và nội lực trong thanh giằng mà sau đó được mô tả trong các bài báo Peck (1969) và Clough and O'Rourke (1990) theo đó chuyển vị lớn nhất đối với trường hợp hố đào trong đất yếu đến trung bình ở vào khoảng 2%-5% chiều sâu hố đào Chính họ đã

tiên phong trong việc quan sát các công trình chắn đất dùng trong hố đào sâu với các dữ liệu đầu vào được thực hiện rất chuẩn bằng công tác lấy mẫu khối (block sampling) và quan trắc trong giai đoạn thi công Trong gần 60 năm kể từ bài báo của Skempton A W công bố và gần 45 năm kể từ công trình đầu tiên do Ralph B Peck công bố thì công tác thi công hố đào sâu đã được cải tiến rất nhiều bằng các phương pháp hiện đại và tinh vi hơn

Sau công trình nghiên cứu về lợi ích và hạn chế của phương pháp quan trắc trong công trình của (Peck 1969), có một loạt nghiên cứu phát triển thêm về phương pháp này như Powderham (1994), Burland (1967), Schanz and Vermeer (1999) and Janbu (1963) đã được đưa vào làm tài liệu tham khảo trong báo cáo kỹ thuật CIRIA R185 đối với phương pháp quan trắc trong kỹ thuật đất nền: nguyên lý và úng dụng

do Rowe (1962) Ấn phẩm này đã trở thành một hướng dẫn chuẩn trong ứng dụng thực hành phương pháp quan trắc trong xây dựng được sử dụng rỗng rãi ở nước Anh

Peck (1969)

Công trình của Ralph B Peck đã chỉ ra các vấn đề liên quan đến hố đào sâu bao gồm hệ văng chống ngang, chuyển vị ngang, hiện tượng lún nền xung quanh hố đào, phá hoại đáy hố đào do bùng nền hoặc đẩy trồi quá mức, các biện pháp giảm

độ lún của nền xung quanh hố đào sâu và sự phân bố áp suất lên tường cừ Ông đưa

ra những ý kiến trên thông qua các công trình thực tế được ghi nhận theo ba ý điểm

cơ bản sau: thứ nhất là tầm quan trọng của loại đất và yêu cầu của hố đào sâu; thứ hai là chiều sâu hố đào; và thứ ba là tay nghề của nhân công trong công tác thi công

hệ tường và văng chống tạm

Lambe (1970)

Công trình của T W Lambe tập trung vào việc thiết kế và phân tích hố đào sâu và hệ chống đỡ tạm Ông chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị của đất nền xung quanh và các điều kiện kỹ thuật khi thi công hố đào sâu Trong công trình đó công bố ba trường hợp thực tế ở dự án tàu điện ngầm ở Boston với dữ liệu phân tích

so sánh với dữ liệu quan trắc tại hiện trường Và ông đã đi đến kết luận rằng thiết kế

và phân tích hố đào không thể thỏa mãn vì tải trọng hệ chống tạm và chuyển vị của nền không thể được xác định một cách tin cậy Ngoài ra ông còn đề xuất dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp với kinh nghiệm thông qua các công trình thực tế được công bố rộng rãi sẽ là phương cách đầy hứa hẹn trong tương lai

để hiểu rõ ứng xử của hố đào sâu

Goldberg, Jaworski et al (1976)

Goldberg và những người khác (1976) đã tập hợp được ba tập báo cáo cho hiệp hội đường cao tốc của Mỹ (FHWA) về các kiến nghị trong thiết kế, các cân nhắc trong thiết kế và các kỹ thuật thi công đối với hố đào sâu có sử dụng hệ văng chống ngang Bản báo cáo này tập hợp đầy đủ thông tin liên quan đến công tác thi công hố đào sâu vào năm 1976 Ngoài ra các tác giả còn cập nhật 63 công trình thực

tế đã được thực hiện theo mức độ ước tính về độ lún lớn nhất của nền xung quanh

hố đào, chuyển vị ngang lớn nhất của tường và hình dạng của biểu đồ lún đất nền xung quanh hố đào Các tác giả đã lập ra mối quan hệ kinh nghiệm giữa chuyển vị

và biểu đồ lún đất nền so với chiều sâu hố đào và loại đất nền

O'Rourke (1981)

Ông nghiên cứu chuyển vị của đất nền do các hoạt động gây ra do hố đào sâu

và đã cho thấy tầm quan trọng của công tác chuẩn bị công trường đối với mức độ chuyển vị của nền đất xung quanh Trong đó phải kể đến các công tác như hút nước

hố đào, lắp đặt hệ chống tạm….là những công tác có thể gây ra chuyển vị của nền O’Rourke cũng nghiên cứu mối quan hệ giữa đường chuyển vị của tường với tỷ số chuyển vị ngang so với chuyển vị đứng của nền đất xung quanh vào khoảng 1.6 đối với tường công sơn và 0.6 đối với tường có 2 gối đỡ, từ đó ông đã kết luận về những ảnh hưởng của độ cứng, tạo ứng suất trước và thời gian lắp đặt các thanh chống tạm Ngoài ra độ cứng tương đối của hệ thanh chống chỉ vào khoảng 2% độ cứng tương đối của nó (AE/L) vì ảnh hưởng của hiện tượng nén trong các liên kết

và uốn dọc các thanh chống

Clough and O'Rourke (1990)

Clough và O’Rourke nghiên cứu chuyển vị gây ra do hố đào sâu bằng cách xem xét các công trình có thực và các nghiên cứu trước đó Họ đã chia chuyển vị ra làm hai dạng Dang thứ nhất gây ra do công tác đào sâu và chống tạm còn dạng thứ hai liên quan đến tay nghề xây dựng Và họ kết luận rằng chuyển vị do hố đào sâu gây ra có thể được xác định trong giới hạn hợp lý nếu như các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị được xét cặn kẽ

Smith and Griffith (1982)

Trong bài giảng Rankine lần thứ 42 của mình, Smith and Griffith (1982) đã nghiên cứu tổng quan mức độ thực tế của việc ứng dụng này, và đánh dấu các hạn chế cũng như các phát triển cần thiết để đạt được mục tiêu này Các kết quả của các

nỗ lực từ rất sớm trong ứng dụng lĩnh vực phân tích số thường gây thất vọng, cho đến khi sự biến thiên độ cứng của đất theo mức độ biến dạng được đánh giá đúng mức và đưa vào các mô hình số

Burland (1965)

Zdravkovic và cộng sự (2005) so sánh kết quả từ các bài toán phân tích 3 chiều (3D) của một tường trong đất với nhiều bài toán gần đúng 2 chiều (2D) khác Họ đã chứng minh trong một số điều kiện thì các bài toán gần đúng 2 chiều (2D) là thích hợp đối với kết quả moment uốn của tường và chuyển vị của nền Kết hợp với thí nghiệm mô hình, kết quả của các nghiên cứu bằng phân tích số đã được đưa vào báo cáo CIRIA C580 (Gaba, Simpson et al 2003)

1.3 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Theo đó thì có thể thấy rằng các đóng góp đáng kể đối với việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường, nền xung quanh và hệ số an toàn của hố đào sâu đã đã thực hiện từ 1969 đến nay quan các công trình của Peck (1969), Lambe (1970), Goldberg, Jaworski et al (1976), O'Rourke (1981) và Clough and O'Rourke (1990) Các ảnh hưởng này bao gồm:

Loại đất nền chính: Theo tất cả nghiên cứu được công bố trước đây thì loại

đất nền có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của hố đào sâu vì tương tác giữa đất nền

và hệ chống tạm và tường Peck (1969) đã tóm tắt lại các công trình hố đào có thực trong đó thể hiện độ lún của nền đất xung quanh Ralph B Peck đã đề xuất 3 vùng đối với biểu đồ lún của nền theo điều kiện đất nền và điều kiện tay nghề của công

nhân như Hình 1-1 Goldberg, Jaworski et al (1976) cũng đã thống kê chuyển vị

tường cho các công trình có thực đã xây dựng và thấy rằng giá trị này vào khoảng 0.4% chiều sâu hố đào đối với đất cát và cuội sỏi hoặc đất sét có trạng thái từ cứng đến rất cứng Trong khi đó giá trị này vào khoảng 1% chiều sâu hố đào đối với đất yếu

Hình 1-1 Biểu đồ độ lún theo khoảng cách đến hố đào cho các loại đất khác nhau

theo Peck (1969)

Hơn nữa Clough and O'Rourke (1990) cũng cho thấy rằng hình dạng của biểu

đồ lún nền xung quanh hố đào chịu sự ảnh hưởng của loại đất nền Theo Hình 1-2

thì Clough and O'Rourke (1990) đã đề xuất đồ thị chuẩn hóa của độ lún nền đối với các loại đất khác nhau để ước tính chuyển vị nền đất xung quanh hố đào

Hệ chống để hạn chế chuyển vị: Với hệ chống được lắp đặt kịp thời có thể

hạn chế được chuyển vị ngang của tường cũng như độ lún của nền đất xung quanh

một cách đáng kể Chuyển vị của tường có thể gia tăng theo sự chậm trễ trong công tác lắp giằng chống có thể do đất nền cố kết, từ biến của đất nền và/hoặc từ biến của thanh chống và/hoặc chiều sâu đào quá so với thiết kế Peck (1969), O'Rourke (1981) và Clough and O'Rourke (1990) cho thấy rằng việc chiều sâu hố đào thực tế thi công lớn hơn so với thiết kế có thể gây ra chuyển vị ngang và độ lún nền lớn một cách đáng kể

Ứng suất trước trong thanh chống: Goldberg, Jaworski et al (1976),

O'Rourke (1981) và Clough and O'Rourke (1990) đã cho thấy rằng việc tạo ứng suất trước trong thanh chống là phương pháp hiệu quả để giảm thiểu chuyển vị ngang của tường và lún của nền xung quanh hố đào Kết luận này được đưa ra sau khi xem xét tất cả các công trình thực tế đã thi công Ngoài ra việc tạo ứng suất trước cũng là biện pháp khử độ chùng (độ hở) ở liên kết giữa thanh chống và tường như O'Rourke (1981) đã chỉ ra Độ chùng (độ hở) này rất khó tránh trong khi thi công tường và hệ văng chống, nếu không muốn nói là không thể thực hiện được trong thực tế Ngoài

ra việc tạo ứng suất trước này cũng gây ra hiện tượng gia tải trước lên đất nền hay còn gọi là tăng áp suất hông làm cho độ cứng của đất tăng lên như Goldberg, Jaworski et al (1976) và Clough and O'Rourke (1990) đã đề cập

Hút nước hố đào: Công tác hút nước hố đào chính là nguyên nhân gây ra độ

lún nền xung quanh hố đào theo Peck (1969), Lambe (1970), Goldberg, Jaworski et

al (1976) và O'Rourke (1981) Nguyên nhân chính là hiện tượng cố kết của nền xung quanh hố đào do việc tăng tải áp suất hữu hiệu khi hạ mực nước dưới đất Độ lún này có thể lớn hơn rất nhiều lần độ lún gây ra do việc đào đất Việc hút nước hố đào cũng gây ra độ lún nền cho đất cát mịn và bụi

Các giai đoạn thi công: Đây là yếu tố cực kỳ quan trọng liên quan đến sự làm

việc của hố đào sâu Với cùng một hố đào thì giai đoạn thi công không hợp lý có thể

dẫn đến sự phá hủy hệ tường và chống tạm

Tay nghề nhân công: Có ảnh hưởng quan trọng đến sự làm việc của hệ tường

và hệ chống tạm trong công tác thi công hố đào sâu Peck (1969) đã xem đây là một

nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị của tường và đất nền xung quanh theo Hình 1-1

Ông cho thấy rằng với tay nghề nhân công tồi (lắp đặt chống tạm trễ hoặc không đạt yêu cầu) có thể dẫn đến chuyển vị của hệ tăng đáng kể

Hình 1-2 Đồ thị chuẩn hóa chuyển vị nền xung quanh hố đào theo Clough and

O'Rourke (1990)

Khoảng cách chống: Là yếu tố quan trọng đối với sự làm việc của hệ thống

hố đào sâu Peck (1969), Lambe (1970), Goldberg, Jaworski et al (1976), O'Rourke (1981) và Clough and O'Rourke (1990) nhận thấy rằng khoảng cách chống càng bé

thì chuyển vị ngang và độ lún nền xung quanh hố đào càng bé theo Hình 1-3 hay độ

cứng của hệ chống càng lớn thì hệ số an toàn tổng thể càng cao

Loại tường: có thể là yếu tố quan trọng đối với sự làm việc của hệ tường và

chống tạm trong thi công hố đào Tường trong đất rất cứng và được thi công tại chỗ rất hiệu quả để ngăn nước hố đào Goldberg, Jaworski et al (1976) đã nghiên cứu các trường hợp thực tế và đi đến kết luận rằng sử dụng tường trong đất bằng BTCT trong điều kiện đất yếu có thể giảm đến ¼ chuyển vị các loại so với khi sử dụng tường cọc ván thép trong cùng điều kiện Clough and O'Rourke (1990) đã chỉ ra

rằng khi tường trong đất BTCT được dùng có thể xóa bỏ lỗ rỗng cũng như hiện tượng đất chui vào hố móng khi sử dụng loại tường với cọc và tấm chắn

Hình 1-3 Quan hệ giữa độ cứng hệ chống và chuyển vị ngang của tường theo chiều

sâu hố đào theo Clough and O'Rourke (1990)

Các hoạt động xây dựng phụ trợ: Cũng là yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị của tường và nền đất xung quanh Các hoạt động phụ trợ liên quan này phải được xem xét một cách kỹ lưỡng khi thi công hố đào sâu O'Rourke (1981) cho rằng việc đóng cọc hoặc nhổ cọc có thể gây ra chuyển vị đến 30% giá trị quan trắc được tại hiện trường ở ngay tại dự án Embarcadero III bang San Francisco Ông cũng quan sát thấy độ lún nền trong khi hạ giếng khoan phục vụ công tác đào đất và trong giai đoạn lắp đặt hệ chống đỡ tường Hơn nữa Clough and O'Rourke (1990) cũng nghiên cứu 6 trường hợp cụ thể đối với tường BTCT trong đất và cho thấy rằng độ lún nền đạt đến 0.12% chiều sâu hố đào và độ lún phát triển đến khoảng cách gấp đôi chiều sâu hố đào kể từ mép tường

1.4 DỮ LIỆU CÔNG TRÌNH THỰC TẾ DÙNG TƯỜNG CỌC VÁN THÉP

Peck (1969), Goldberg, Jaworski et al (1976) và Clough and O'Rourke (1990)

đã nghiên cứu các công trình thực trước đó để thiết lập mối tương quan giữa loại đất, chiều sâu hố đào với chuyển vị ngang của tường và độ lún của nền đất xung

quanh hố đào cho một số loại đất nhất định Dữ liệu này rất tốt cho nhà thiết kế tính toán thiết kế hoặc kiểm tra kết quả từ các phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) có kết hợp với các mô hình vật liệu tiên tiến Phần này là so sánh và lập bảng các dữ liệu các công trình thực trên thế giới về chuyển vị ngang cực đại (δ hmax), độ lún cực đại (δ vmax), chiều sâu hố đào (H), trong điều kiện đất nền khác

nhau và có sử dụng tường cọc ván thép Dễ dàng nhận thấy rằng theo Bảng 1-1

tường cọc ván thép thường được dùng trong điều kiện đất sét yếu đến cứng với 17/22~77.2%, trong khi chỉ có duy nhất 1/22~4.6% dùng trong điều kiện đất cát và cuội sỏi và 4/22~18.2% trong điều kiện đất nền khác Các giá trị chuyển vị ngang cực đại của tường và độ lún cực đại của nền xung quanh hố đào được chuẩn hóa theo chiều sâu hố đào để có thể thấy được quan hệ giữa chúng với điều kiện đất nền cho trường hợp dùng tường cọc ván thép này theo bên dưới

Bảng 1-1 Tập hợp dữ liệu chuyển vị ngang lớn nhất của tường và độ lún lớn nhất

của nền khi dùng tường cọc ván thép làm hệ chống đỡ thành hố đào sâu trích từ

Goldberg, Jaworski et al (1976)

Tài liệu tham

khảo

Loại

Sét mềm đến

Scott, Wilson and

đến 2-3.5% mà hệ vẫn làm việc bình thường, hệ số an toàn và chuyển vị của hệ

được đề cập ở Hình 1-4 theo Clough and O'Rourke (1990) Ứng xử của hố đào sâu

rất phức tạp và có rất nhiều yếu tố rủi ro liên quan đến việc ước lượng ứng xử của

nó Dự đoán chuyển vị ngang của tường và độ lún của nền đất xung quanh thường

là công việc đầy thách thức đối với người thiết kế hố đào sâu đặc biệt là công trình lại nằm ở khu vực dân cư hoặc khu vực chật hẹp Các dữ liệu hoặc kinh nghiệm có sẵn rất hữu dụng trong việc thiết kế hệ tường ván thép để thi công đặc biệt trong điều kiện đất yếu ở Việt Nam khi mà công tác xây dựng không gian ngầm đang phát triển một cách mạnh mẽ

1234

Hình 1-4 Chuẩn hóa chuyển vị ngang cực đại của tường và độ lún nền cực đại theo

chiều sâu hố đào với dữ liệu ở Bảng 1-1

1.5 KẾT LUẬN PHẦN TỔNG QUAN

Theo các công trình đã công bố kể từ Peck (1969) nhấn mạnh tầm quan trọng của các yếu tố chính sau đây (các yếu tố khác ít ảnh hưởng đến sự làm việc của hố đào sâu có dùng tường cọc ván thép không liệt kê ra ở đây) đến ứng xử của hố đào sâu nói chung và trường hợp sử dụng tường cọc ván thép nói riêng:

• Loại đất nền tại khu vực thi công hố đào và ứng xử của đất

• Biện pháp thi công

• Các giai đoạn thi công

• Điều kiện nước ngầm dưới đất

• Hệ chống đỡ tường chắn hố đào

• Tay nghề công nhân thi công hệ chống đỡ và chất lượng trong thi công

Khó có thể chỉ rõ ra được yếu tố nào ở trên là quan trọng nhất hoặc có ảnh hưởng nhất đến sự làm việc của tường cọc ván thép trong công tác thi công hố đào sâu Điều này dẫn đến khi thi công hố đào sâu bằng cọc ván thép thì hệ thống quan trắc và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn thường được dùng để nghiên cứu các ứng xử thay đổi có thể có của hệ thống dưới sự tác động của các yếu tố bên trên Việc kết hợp bài toán phân tích ngược trong giai đoạn thi công cũng góp phần quan trọng trong việc điều chỉnh thiết kế (có thể có) để tiết kiệm kinh phí thi công hoặc/và kiểm soát mức độ an toàn của công tác đào đất trong thi công hố móng sâu dùng tường cọc ván thép để chống đỡ tạm hoặc/và dùng cho trạng thái lâu dài Phương pháp số ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong việc mô hình hóa hố đào sâu và nhiều kết quả nghiên cứu cũng đã được đưa và các tài liệu chỉ dẫn thiết

kế thực hành

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO 2.1 GIỚI THIỆU

Các hiện tượng phá hoại và sập đổ trong thi công hố đào sâu gây thiệt hại đặc biệt cho con người và tài sản cũng như làm chậm tiến độ của dự án Ảnh hưởng của chúng rất lớn, từ việc gây ra chuyển dịch nền lớn đến gây hư hại các công trình lân cận Do đó công tác phân tích ổn định của hố đào sâu trong giai đoạn thi công để tránh các sự cố liên quan đến mất ổn định là yếu tố cực kỳ quan trọng

Mất ổn định đối với công trình thi công hố đào sâu có liên quan đến ứng suất phát sinh trong hệ thống giằng chống có thể vượt quá sức chịu tải của vật liêu Ngoài ra, nó còn liên quan đến ứng suất phát sinh trong nền vượt quá sức kháng cắt của đất Các bài toán phân tích sự ổn định của hố đào sâu bào gồm, ổn định cắt tổng thể, cát sôi và đẩy trồi đáy hố đào do áp lực nước

2.2 ỔN ĐỊNH NỀN KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO

2.2.1 CÁC LOẠI HỆ SỐ AN TOÀN

a Phương pháp hệ số sức kháng cắt

Phương pháp này xét đến sự không chắc chắn mức độ đúng đắn của sức kháng của đất và vì thế cần phải chia cho hệ số an toàn FS Do đó các thông số dùng trong trường hợp phân tích bằng các thông số sức kháng hữu hiệu sẽ là:

Hệ số an toàn được định nghĩa là FSL=R/D trong đó R là lực kháng trượt và D

là lực gây trượt, hoặc cũng có thể là moment kháng trượt và gây trượt Phương pháp này xét đến sự không chắn chắn do sức kháng của đất nền, phương pháp phân tích

và ngoại lực tác dụng

c Phương pháp hệ số kích thước

Trường hợp tường ở trạng thái giới hạn và sức kháng của đất nền được huy động tối

đa theo phương trình cân bằng lực thì chiều sâu ngàm của tường có thể được xác

định như sau:

Trong đó FSd là hệ số an toàn đối với phương pháp hệ số kích thước

Hp, cal: Chiều sâu ngàm tính toán được theo điều kiện cân bằng giới hạn

Thông thường hệ số an toàn được định nghĩa là tỷ số giữa lực chống trượt và lực gây trượt hoặc là hệ số giảm sức kháng Do đó phương pháp theo hệ số kích thước không được khuyến khích dùng trong thực hành

2.2.2 PHÁ HOẠI CẮT TỔNG THỂ

Khi ứng suất cắt của một điểm nào đó trong nền vượt quá hoặc bằng sức kháng của đất có nghĩa là điểm đó đã đạt trạng thái phá hoại hoặc trạng thái giới hạn Trong trường hợp có nhiều điểm như thế sẽ hình thành mặt phá hoại, và sự phá hoại

sẽ diễn ra, đây là hiện tượng phá hoại cắt tổng thể trong các công trình hố đào như

thể hiện ở Hình 2-1

Hai dạng phá hoại cắt tổng thể chính trong hố đào sâu là PUSH-IN và BÙNG

NỀN Trong đó PUSH-IN gây ra do áp lực đất đạt trạng thái giới hạn ở cả 2 bên

mặt tường chắn đất, gây ra chuyển vị lớn vào hố đào (đặc biệt là phần ngàm dưới đáy hố đào của tường) cho đến khi đạt trạng thái phá hủy toàn vùng Theo JSA:1988 và TGS:2001 thì hệ số an toàn trong trường hợp PUSH-IN là 1.50

p p s r

Hình 2-1 Các trạng thái phá hoại cắt tổng thể (a) Đáy tường cọc ván bị đẩy vào

trong hố đào; (b) Đáy hố đào bị đẩy trồi lên

Trong đó: Fp: Hệ số an toàn chống lại hiện tượng PUSH-IN

Ms: Moment uốn cho phép của tường chắn đất

Hình 2-2 Phân tích đẩy ngang tường cọc ván theo phương pháp áp suất tổng cộng:

(a) Phân bố áp lực đất tổng cộng; (b) Cân bằng hệ lực của phân tố tường tách ra

Trong khi BÙNG NỀN xảy ra khi trọng lương đất bên ngoài hố đào vượt quá

sức chịu tải của đất bên dưới đáy hố đào làm cho đất nền dịch chuyển và đáy hố đào

bị đẩy trồi lên dẫn đến phá hoại tổng thể Hệ số an toàn trong trường hợp này tối thiểu là 1.50 nếu tính theo phương pháp Terzaghi (theo JSA:1988), tối thiểu là 1.20 nếu tính toán theo phương pháp của Bjerrum và Eide (JSA:1988) còn nếu tính theo phương pháp mặt trượt trụ tròn thì hệ số an toàn tối thiểu là 1.20 (JSA:1988, TGS:2001)

a Phương pháp Terzaghi (phương pháp sức chịu tải)

Trong trường hợp này mặt phá hoại được giới hạn bởi đất cứng (như hình 2 4b) và

hệ số an toàn được tính theo phương trình:

Hình 2-3 Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải của Terzaghi

(a) Tìm mặt phá hoại theo phương pháp thử dần; (b) Mặt phá hoại thứ 2; (c) Mặt

phá hoại thứ 3; (d) Cả 2 phía hố đào xảy ra phá hoại

Hình 2-4 Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp Terzaghi: (a)

Hình 2-5 Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải âm: (a) Mặt

trượt có chiều rộng sqrt(2)B1; (b) Mặt trượt khác có chiều rộng sqrt(2)B1; (c) Mặt

trượt bao phủ toàn đáy hố đào

Hình 2-6 Hệ số sức chịu tải của Skempton (Skempton, 1951)

Giống như phương pháp của Terzaghi, phương pháp của Bjerrum và Eide (1956) không thể xác định được hệ số an toàn đối với hiện tượng đẩy trồi đấy hố đào bằng cách tìm hệ số an toàn nhỏ nhất Thay vào đó, mặt trượt nguy hiểm nhất

được giả định có bán kính là B/sqrt(2) và từ đó tính được hệ số an toàn đẩy trồi đáy

hố đào Hệ số an toàn được tính toán theo công thức:

Trong đó qs là phụ tải trên mặt đất xung quanh hố đào, và Nc là hệ số sức chịu

tải theo Skempton, tra theo biểu đồ ở Hình 2-6

Vì Nc được tính toán có kể đến ảnh hưởng của chiều sâu ngàm và kích thước

hố đào nên phương trình (2-9) đúng với trường hợp đào sâu và nông cũng như là hố

Hình 2-7 Phương pháp Bjerrum và Eide mở rộng: (a) Nc,s cho mặt trượt tròn cắt qua

2 lớp đất; (b) Nc,s cho mặt trượt tròn tiếp xúc với đỉnh lớp đất phía dưới và (c) fd hiệu chuẩn cho chiều rộng hố đào (NAFAC DM7.2, 1982; Reddy và Srinivasan,

He: Chiều sâu hố đào

Su1: Sức kháng cắt không thoát nước của lớp sét phía trên

Su2: Sức kháng cắt không thoát nước của lớp sét phía dưới

Nc,s: Hệ số sức chịu tải không kể đến chiều sâu hố đào Hệ số này xác định

theo Hình 2-7a và b theo các giá trị D/B (tỷ số giữa khoảng cách từ bề mặt hố đào

đến các lớp đất bên dưới và chiều rộng hố đào và tỷ số su2/su1

fd: Hệ số hiệu chỉnh chiều sâu, theo Hình 2-7c

fs: Hệ số hiệu chỉnh hình dáng được tính theo phương trình: f s 1 0, 2B

L

= +