So sánh ổn định và biến dạng của tường và đất khi thi công bằng phương pháp top down và bottom up của hố móng sâu

TÊN ĐỀ TÀI: “ SO SÁNH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG VÀ ĐẤT KHI THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOP-DOWN VÀ BOTTOM-UP CỦA HỐ MÓNG SÂU” Hiện nay ở nước ta với hố móng sâu, các nhà thầu thường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-[ \ -

TRẦN NGỌC HÒA

SO SÁNH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG VÀ ĐẤT KHI THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOP-DOWN VÀ BOTTOM-UP CỦA HỐ MÓNG SÂU

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số ngành: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SỸ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN XUÂN THỌ

Cán bộ chấm nhận xét 1:………

Cán bộ chấm nhận xét 2:………

Luận văn Thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày … tháng … năm 200…

-

Tp.HCM ngày …… tháng …… năm 200…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ và tên học viên: TRẦN NGỌC HÒA Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 24 - 12 - 1977 Nơi sinh: tỉnh Bình Định Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MSHV: 00904241

I TÊN ĐỀ TÀI:

SO SÁNH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG VÀ ĐẤT KHI THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOP-DOWN VÀ BOTTOM-UP CỦA HỐ MÓNG SÂU

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ:

So sánh ổn định và biến dạng của tường và đất khi thi công bằng phương pháp Top-Down và Bottom-Up của hố móng sâu

2 Nội dung:

Chương 1: Tổng quan về hố móng sâu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định, biến dạng của tường và đất

Chương 3: Thí nghiệm hiện trường xác định đặc trưng biến dạng của đất – Thí nghiệm nén

ngang (PRESSUREMETER TEST – PMT)

Chương 4: Phân tích các thông số của đất, các đặc trưng về vật liệu để mô phỏng công

trình thực theo mô hình đất nền Hardening-Soil

Chương 5: So sánh ổn định và biến dạng của tường và đất khi thi công bằng phương pháp

Top-Down và Bottom-Up của hố móng sâu

Kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16 – 7 – 2007

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16 – 12 – 2007

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN XUÂN THỌ

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sỹ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày …… tháng …… năm 200…

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

Luận văn Thạc sỹ là kết quả tổng hợp lại tất cả những kiến thức của bản thân tác giả đã học tập sau hai năm học chương trình Sau Đại học tại Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Kết quả có được là do các Thầy, các Cô đã tận tâm trang bị cùng với sự nỗ lực học tập của tác giả, là hành trang không thể thiếu trên con đường học tập và nghiên cứu tiếp theo

Luận văn hoàn thành đã thể hiện sự làm việc nghiêm túc của bản thân tác

giả với sự giúp đỡ đặc biệt quý báu của TS Trần Xuân Thọ Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến TS Trần Xuân Thọ

Xin chân thành cám ơn Quý Thầy/Quý Cô trong Bộ môn Địa cơ Nền móng - Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đã nhiệt tình dạy bảo trong suốt quá trình tác giả học tập, giúp tác giả có được những kiến thức hữu ích; đồng thời quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong thời gian tác giả thực hiện Luận văn

Xin cám ơn các bạn bè thân hữu và đồng nghiệp đã đóng góp nhiều kiến thức hữu ích

Và cuối cùng là gia đình - thành viên luôn kề vai sát cánh, đôn đốc trong

suốt quá trình tác giả học tập Xin bày tỏ lòng ghi ơn và tri ân sâu sắc nhất đến gia đình tác giả

Học viên TRẦN NGỌC HÒA

TÊN ĐỀ TÀI: “ SO SÁNH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG VÀ ĐẤT KHI THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOP-DOWN VÀ BOTTOM-

UP CỦA HỐ MÓNG SÂU”

Hiện nay ở nước ta với hố móng sâu, các nhà thầu thường sử dụng một

trong hai biện pháp để thi công tầng hầm là thi công từ trên xuống (Top-Down) hay từ dưới lên (Bottom-Up) Với mỗi biện pháp thi công khác nhau thì ổn định, biến dạng của tường (diaphragm wall) và đất là khác nhau Vì vậy, việc chọn

biện pháp thi công hợp lý để thi công tầng hầm có ý nghĩa rất quyết định đến sự

an toàn trong thi công và chất lượng của công trình

Vấn đề đặt ra như trên, phương pháp nghiên cứu của tác giả là:

+ Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết phân tích, tính toán giữa đất và tường + Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết, cũng như thực tiễn cho việc thi công các tầng hầm của nhà cao tầng bằng biện pháp Top-Down và Bottom-Up

+ Nghiên cứu lý thuyết về phần tử hữu hạn (FEM)

+ Tiến hành quan trắc cho công trình thực

Sau khi đã nghiên cứu các cơ sở lý thuyết, tác giả áp dụng cho công trình Fideco Tower, số 81 – 85, đường Hàm Nghi, quận 1, thành phố Hồ Chí Minh Kết quả nghiên cứu thu được:

- Phân tích và so sánh chuyển vị ngang của tường theo mô phỏng với kết quả quan trắc thực tế

- Phân tích sự thay đổi ứng suất trong đất nền

- Phân tích sự thay đổi nội lực của tường

- Phân tích chuyển vị của đất nền sau lưng tường

- Thiết lập mối tương quan giữa chuyển vị ngang của tường và chuyển vị đứng của đất nền sau lưng tường theo độ sâu đào đất

Những kết quả nghiên cứu được áp dụng cho công trình có nhiều tầng hầm ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và cả nước nói chung

THE SUBJECT: “THE COMPARISON OF STABILITY AND DEFORMATION OF DIAPHRAGM WALL AND SOIL WHEN CONSTRUCTING BY THE TOP-DOWN AND BOTTOM-UP METHOD OF THE EXCAVATION”

Nowadays, with depth excavation in Viet Nam, the contractor usually uses one in two construction methods to conduct basements: Top-Down or Bottom-Up The stability and deformation depend on each construction method

The problems are given to study:

+ Study some theories about analysis and calculation between soil and diaphragm wall

+ Some theories to conduct basements using Top-Down or Bottom-Up methods

+ Study some theories about finite element models (FEM)

+ Survey for realistic project

The Fideco Tower project, 81 – 85 number - Ham Nghi street - district 1 -

Ho Chi Minh city is applied for the research

The results obtained:

- Analysis and comparison about displacements of diaphragm wall from calculation with realistic measure results

- Analysis about changing of stresses in the soil

- Analysis about changing of diaphragm wall’s internal forces

- Analysis about displacements of soil behind the diaphragm wall

- Establishing the correlation about diaphragm wall’s horizontal displacement and soil’s vertical displacement behind the diaphragm wall upon depth of earth excavation

The results research taking are applied for the projects in Ho chi Minh city and nation

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỐ MÓNG SÂU 1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Các loại hố móng sâu 5

1.3 Các loại tường vây hố móng sâu 5

1.4 Giới thiệu một số công trình hố móng sâu theo hướng phân tích của đề tài 6 1.4.1 Một số hình ảnh thi công hố móng sâu bằng phương pháp Bottom-Up 7

1.4.2 Một số hình ảnh thi công hố móng sâu bằng phương pháp Top-Down 8

1.5 Một số sự cố công trình do đào hố móng sâu 9

1.6 Một số kết quả nghiên cứu trong nước và nước ngoài theo hướng phân tích của đề tài 13

1.7 Nhận xét và phương hướng đề tài 15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH, BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG VÀ ĐẤT 2.1 Giới thiệu 18

2.2 Tính áp lực ngang của đất tác dụng lên tường trong đất (diaphragm wall) 18 2.2.1 Lý thuyết Mohr-Rankine 19

2.2.1.1 Đối với đất rời 19

2.2.1.2 Đối với đất dính 21

2.2.2 Lý thuyết Coulomb 23

2.2.2.1 Áp lực chủ động lên tường nhám 25

2.2.4 Aùp lực ngang của đất lên công trình thực 32

2.3 Ổn định thành hố móng 34

2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, tính toán ứng suất - biến dạng và ổn định của tường và đất 35

2.4.1 Giới thiệu 35

2.4.2 Cơ sở lý thuyết 36

2.4.2.1 Lý thuyết về biến dạng 36

2.4.2.2 Lý thuyết về dòng chảy ngầm 36

2.4.3 Các mô hình đất nền trong phần mềm Plaxis 8.2 37

2.4.4 Đặc điểm của mô hình đất nền Hardening-Soil (HS) 38

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT – THÍ NGHIỆM NÉN NGANG (PRESSUREMETER TEST – PMT) 3.1 Đặt vấn đề 40

3.2 Nguyên lý chung 41

3.3 Thiết bị thí nghiệm 42

3.4 Tiến hành thí nghiệm 44

3.5 Xử lý kết quả thí nghiệm 45

3.6 Ứng dụng kết quả thí nghiệm nén ngang 46

3.6.1 Xác định loại đất 46

3.6.2 Tính toán khả năng chịu tải của đất 46

3.6.3 Tính toán độ lún 47

3.7.1 Một số hình ảnh tiến hành khoan khảo sát địa chất và thí nghiệm nén

ngang ngoài hiện trường; biểu mẫu kết quả thí nghiệm nén ngang 48

3.7.2 Xác định đồ thị tương quan giữa chỉ số SPT và giá trị của module nén ngang Ep tương ứng cho từng loại đất được thí nghiệm trong hố khoan 56

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐẤT, CÁC ĐẶC TRƯNG VỀ VẬT LIỆU ĐỂ MÔ PHỎNG CÔNG TRÌNH THỰC THEO MÔ HÌNH ĐẤT NỀN HARDENING-SOIL 4.1 Giới thiệu công trình 58

4.2 Đặc điểm địa chất công trình khu vực xây dựng 59

4.2.1 Mặt cắt địa chất 59

4.2.2 Các chỉ tiêu vật lý và cơ học của các lớp đất 61

4.2.2.1 Các chỉ tiêu vật lý 61

4.2.2.2 Các chỉ tiêu cơ học 62

4.3 Các thông số của đất theo mô hình đất nền Hardening-Soil 64

4.4 Các thông số đặc trưng về vật liệu của tường trong đất, tường cọc bản thép và thanh chống 66

4.4.1 Mặt bằng và mặt cắt ngang hố đào sâu 66

4.4.2 Các thông số về đặc trưng vật liệu của tường trong đất 67

4.4.3 Các thông số về đặc trưng vật liệu của tường cọc bản thép 68

4.4.4 Các thông số về đặc trưng vật liệu của thanh chống A và B 68

4.5 Phần tử tiếp xúc và xác lập trạng thái ban đầu 69

4.5.1 Phần tử tiếp xúc 69

4.5.2 Xác lập trạng thái ban đầu 69

4.5.3 Xác lập các giai đoạn tính toán 70

CHƯƠNG 5: SO SÁNH ỔN ĐỊNH, BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG VÀ ĐẤT KHI THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOP-DOWN VÀ BOTTOM-UP CỦA HỐ MÓNG SÂU 5.1 Đặt vấn đeÀ 72

5.2 Mô phỏng quá trình thi công đào đất của công trình thực theo mô hình đất nền hardening-soil 73

5.2.1 Bài Toán 1: Mô phỏng quá trình thi công đào đất khi thi công bằng phương pháp Bottom-Up 73

5.2.2 Bài Toán 2: Mô phỏng quá trình thi công đào đất khi thi công bằng phương pháp Top-Down 77

5.3 Mô hình hóa công trình thực bằng phần mềm plaxis 8.2 80

5.3.1 Mô hình tính toán 80

5.3.2 Tải trọng tính toán 81

5.4 Phân tích và so sánh chuyển vị ngang của tường từ việc mô phỏng bài toán 1 và bài toán 2 bằng phần mềm plaxis 8.2 với kết quả quan trắc thực teÁ 84

5.4.1 Chuyển vị ngang của tường khi đào xong lớp đất 1 84

5.4.2 Chuyển vị ngang của tường khi kích hệ thanh chống ở cao độ -2.0m với giá trị lực kích là 100kN/m theo chiều dài của tường 86

5.4.3 Chuyển vị ngang của tường khi đào xong lớp đất 2 88

5.4.4 Chuyển vị ngang của tường khi kích hệ thanh chống ở cao độ -5.5m với giá trị lực kích là 100kN/m theo chiều dài của tường 90

5.4.5 Chuyển vị ngang của tường khi đào xong lớp đất 3 92

5.5 Phân tích sự thay đổi ứng suất trong đất nền 97

5.5.1 Vị trí và nội dung khảo sát ứng suất 97

5.5.2 Phân tích sự thay đổi ứng suất 99

5.5.2.1 Vị trí khảo sát sau lưng tường (B) và đáy hố móng pit (D) 99

5.5.2.2 Nhận xét chung 109

5.6 Phân tích sự thay đổi nội lực của tường 110

5.7 Phân tích chuyển vị của đất nền sau lưng tường 112

5.7.1 Phân tích chuyển vị đứng của đất nền sau lưng tường 112

5.7.2 Phân tích chuyển vị ngang của đất nền sau lưng tường 122

5.8 Thiết lập mối tương quan giữa chuyển vị ngang của tường và chuyển vị đứng của đất sau lưng tường theo độ sâu đào đất 124

KẾT LUẬN 127

Ký hiệu Đơn vị Tên gọi

- kN/m2

- kN/m2

m2/s kN/m2

-

- -

kN kN/m kN/m2

m

m

Tham khảo tài liệu số 1 Hệ số nén lún của đất trong khoảng áp lực thí nghiệm Diện tích tiết diện ngang tường, thanh chống

Bề rộng hố móng Lực dính đơn vị của đất Chỉ số nén của đất Số gia lực dính đơn vị theo chiều sâu Chỉ số nở của đất

Lực dính đơn vị của đất trong thí nghiệm UU Hệ số cố kết

Lực dính không thoát nước giữa tường và đất Consolidated Drained test

Civil Engineering Code of Practice…

Cone Penetration Test Consolidated Undrained test Chiều dày tường

Vùng ảnh hưởng của hố móng Hệ số rỗng của đất

Hệ số rỗng ở cấp tải trọng thứ (n)

Hệ số rỗng trung bình trong khoảng áp lực thí nghiệm Module đàn hồi của tường, thanh chống

Aùp lực ngang chủ động Module đàn hồi của đất dính Số gia module biến dạng theo chiều sâu Aùp lực ngang ở trạng thái tĩnh

Module biến dạng của đất nền Module biến dạng tiếp tuyến Aùp lực ngang bị động

Module đàn hồi của đất cát Module biến dạng trong điều kiện dỡ tải và gia tải lại Module biến dạng cát tuyến trong thí nghiệm CD Độ cứng chống uốn của tường

Độ cứng dọc trục của thanh chống, tường Lực chống cắt

Các lực tác động song song với các trục x, y, z Khoảng cách của thanh chống đứng

Chiều cao của lớp đất thứ i

m

-

- kN/m2

-

-

-

- kN/m2 kN/m2 kN/m2 kN/m2 kN/m2 kN/m2 kN/m2 kN/m2kN/m

Moment quán tính tường Chỉ số dẻo của đất

Hệ số áp lực đất chủ động Hệ số áp lực đất chủ động, liên quan đến lực dính Hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh

Hệ số áp lực ngang trong điều kiện cố kết thường Hệ số áp lực đất bị động

Hệ số thấm của đất theo phương ngang, phương đứng Khoảng cách thanh chống

Toán tử vi phân của chuyển vị Hệ số lũy thừa

Vectơ bao gồm ứng suất pháp tuyến, ứng suất cắt Thông số độ bền của đất nền

Ma trận độ cứng của vật liệu

Chỉ số SPT (Standard Penetration Test)

OverConsolidation Ratio Ưùng suất tổng trung bình Ưùng suất nén đẳng hướng hữu hiệu Vectơ lực

Cường độ áp lực đất chủ động tác dụng lên tường Ứng lực tham chiếu

Aùp lực hông tạo bởi nước trong khe nứt căng Tải trọng ngoài

Ứng suất lệch (độ lệch ứng suất)

Phản lực của đất Hệ số phá hoại Hệ số giảm cường độ sức chống cắt Chuyển vị đứng trong vùng ảnh hưởng Chuyển vị đứng tại vị trí cạnh biên hố móng Tổng chuyển vị của đất nền

Aùp lực nước lỗ rỗng ban đầu Aùp lực nước lỗ rỗng

Vectơ chuyển vị Unconsolidated Undrained test Chuyển vị lớn nhất của đất Chuyển vị ngang lớn nhất của tường Chuyển vị đứng lớn nhất của đất nền Aùp lực nước lỗ rỗng thặng dư

m

m2

- độ độ độ độ độ kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3 kN/m3

Khoảng cách từ vị trí cần tính chuyển vị đứng SiĐộ sâu tại vị trí đang xét

Độ sâu bắt đầu xuất hiện lớp vật liệu Chiều sâu hố đào tại điểm khảo sát Góc của mặt phẳng phá hoại

Hệ số độ cứng của tường Hệ số độ cứng của thanh chống Hệ số ảnh hưởng

Góc nghiêng của mặt đất Góc ma sát giữa tường và đất Góc ma sát trong của đất trong thí nghiệm CD Góc nghiêng của lưng tường

Góc dãn nở của đất Dung trọng của đất Dung trọng khô của đất Dung trọng trung bình của các lớp đất Trọng lượng riêng của nước

Dung trọng ướt của đất Hệ số Poisson của đất, tường Hệ số Poisson của đất khi dỡ tải, gia tải lại Chỉ số nén hiệu chỉnh

Chỉ số nở hiệu chỉnh

Vectơ biến dạng Các ứng suất tiếp Các ứng suất pháp song song với các trục x, y, z Vectơ ứng suất

Vectơ ứng suất hữu hiệu Ưùng suất tổng theo phương ngang Ưùng suất hữu hiệu theo phương ngang Aùp lực hông chủ động

Aùp lực hông bị động

Aùp lực nén thẳng đứng ở cấp tải trọng thứ (n)

Ưùng suất tiền cố kết Ưùng suất kéo cho phép của đất Ưùng suất tổng theo phương đứng Ưùng suất hữu hiệu theo phương đứng Ưùng suất do trọng lượng bản thân các lớp đất

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề

Hầu như các thành phố lớn, đô thị lớn trên thế giới có nhu cầu rất lớn trong việc khai thác không gian dưới mặt đất trong xây dựng công trình cho nhiều mục đích khác nhau về kinh tế, xã hội, văn hóa, môi trường, đồng thời cũng để tiết kiệm đất đai do giá đất ngày càng cao, do yêu cầu thông thường của thành phố hiện đại nên đã cải tạo hoặc xây mới các đô thị của mình với ý tưởng chung là triệt để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất

Một số ngành công nghiệp do yêu cầu của dây chuyền công nghệ (như nhà máy luyện kim, cán thép, làm phân bón, sản xuất vật liệu xây dựng v.v…)

cũng đã đặt một phần không nhỏ dây chuyền đó nằm sâu dưới mặt đất

Các trạm bơm lớn, công trình thủy lợi hay thủy điện cũng đã đặt sâu vào lòng đất nhiều bộ phận chức năng của mình với diện tích đến hàng vài chục ngàn mét vuông và sâu đến hàng trăm mét

Việc xây dựng các loại công trình nói trên theo xu thế hiện nay dẫn đến việc xuất hiện hàng loạt kiểu hố móng sâu khác nhau mà để thực hiện chúng, người thiết kế và thi công cần có những biện pháp chắn giữ để bảo vệ thành vách hố và công nghệ đào thích hợp về mặt kỹ thuật – kinh tế cũng như an toàn về môi trường và không gây ảnh hưởng xấu đến công trình lân cận đã xây dựng trước đó

Những công trình hoặc một phần công trình loại này thường được đặt sâu vào trong nền đất, ngoài phải chịu những tác động như những công trình đặt trên mặt đất còn phải chịu những tác động đặc biệt của môi trường đất xung quanh

Phương diện thiết kế, nhất là phương diện thi công chúng, cần có những xem xét, nghiên cứu riêng biệt

Loại công trình xây dựng hạ tầng cơ sở đô thị thường gặp hố hoặc hào đào sâu, từ đơn giản đến phức tạp, như:

- Hệ thống cấp thoát nước;

- Hệ thống bể chứa và xử lý nước thải;

- Oáng góp kỹ thuật chung (collector), trong đó đặt các đường ống cấp

nước, khí đốt, điện động lực, cáp thông tin;

- Nút vượt ngầm cho người đi bộ hoặc phương tiện giao thông nhẹ (kết hợp các ki-ốt, thương mại, dịch vụ v.v…);

- Bãi đậu xe, gara ôtô, kho hàng;

- Ga và đường tàu điện ngầm, đường ôtô cao tốc;

- Văn phòng giao dịch, cung hội nghị, khu triển lãm khổng lồ, trung tâm thương mại v.v…;

- Tầng hầm kỹ thuật hoặc dịch vụ dưới các nhà cao tầng;

- Công trình phòng vệ dân sự;

Do loại công trình ngầm là rất đa dạng nên việc thi công kết cấu chắn giữ hố móng cho nó là cũng rất đa dạng, vì nó phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể và thiết bị cũng được hoàn thiện ngày càng tốt hơn Ơû đây cần nhấn mạnh rằng, không có loại công trình xây dựng nào mà các khâu từ khảo sát, thiết kế, thi công và quan trắc lại có yêu cầu gắn bó chặt chẽ như đối với công trình chắn giữ hố móng

Trong Luận văn này, tác giả sử dụng tường tầng hầm (diaphragm wall)

của các nhà cao tầng để phân tích, tính toán và so sánh; một trong những biện pháp hữu hiệu để chắn giữ thành vách hố móng sâu

Nội dung nghiên cứu của Luận văn

Vấn đề đặt ra như trên cho thấy, việc lựa chọn biện pháp thi công tổng

thể đối với tầng hầm như bằng biện pháp trên-xuống (Top-Down) hay dưới-lên (Bottom-Up), kỹ thuật sử dụng thanh chống hay ván cừ cho biên tầng hầm,

khoảng thời gian tiến hành các giai đoạn đào v.v… tất cả đều có ảnh hưởng đến sự chuyển dịch của đất ở quanh hố móng với điều kiện đất nền và kích thước hố

móng đã xác định Vì vậy, tính cấp thiết của đề tài “So sánh ổn định và biến dạng của tường và đất khi thi công bằng phương pháp Top-Down và Bottom-

Up của hố móng sâu” của tác giả nhằm giải quyết các vấn đề sau đây:

- Phân tích và so sánh chuyển vị ngang của tường theo mô phỏng với kết quả quan trắc thực tế

- Phân tích sự thay đổi ứng suất trong đất nền

- Phân tích sự thay đổi nội lực của tường

- Phân tích chuyển vị của đất nền sau lưng tường

- Thiết lập mối tương quan giữa chuyển vị ngang của tường và chuyển vị đứng của đất nền sau lưng tường theo độ sâu đào đất

Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được các vấn đề nêu trên, phương pháp nghiên cứu - phân tích được lựa chọn:

+ Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết phân tích, tính toán giữa đất và tường + Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết, cũng như thực tiễn cho việc thi công các tầng hầm của nhà cao tầng bằng biện pháp Top-Down và Bottom-Up

+ Nghiên cứu lý thuyết về phần tử hữu hạn (FEM)

+ Tiến hành quan trắc cho công trình thực

Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Với phương pháp thi công các tầng hầm là Bottom-Up và Top-Down, tác giả xây dựng và phân tích lộ trình ứng suất, chuyển vị của đất nền sau lưng tường và ở đáy hố đào theo các quá trình thi công; phân tích sự thay đổi về nội lực và chuyển vị của tường, thiết lập mối tương quan giữa chuyển vị ngang của tường và chuyển vị đứng của đất nền theo độ sâu đào đất Trên cơ sở đó ước lượng được các trị số của chúng và sơ bộ chọn biện pháp thi công tổng thể đối với tầng hầm cho hợp lý

Hạn chế của đề tài

- Vì công trình thực được thi công bằng phương pháp Bottom-Up, do đó chỉ có số liệu quan trắc của phương pháp trên Bằng phương pháp Phần tử hữu

hạn (FEM), tác giả mô phỏng công trình thực được thi công bằng phương pháp

Top-Down và Bottom-Up, đối chiếu với kết quả quan trắc, tác giả tiến hành phân tích và so sánh

- Chưa xét đến sự tác động qua lại giữa móng của các công trình xây chen có sẵn v.v… với tường và đất xung quanh tường

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỐ MÓNG SÂU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ, [4]

Ranh giới phân biệt giữa hố móng nông và hố móng sâu không có quy định rõ rệt, có người cho là quá 5m coi là hố móng sâu, còn trong thực tế thì thường lấy 6m làm ranh giới giữa hố móng nông với hố móng sâu là tương đối phù hợp Có khi độ sâu hố móng ít hơn 5m nhưng phải đào trong đất có điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn phức tạp cũng phải ứng xử như hố móng sâu Vì vậy, cần thiết phải chắn giữ thành hố móng sâu

1.2 CÁC LOẠI HỐ MÓNG SÂU, [4]

Căn cứ vào điều kiện hiện trường, phương pháp thi công đào hố, hố móng sâu có thể chia thành loại đào không có chắn giữ và loại đào có chắn giữ

Loại đào không có chắn giữ (hay còn gọi là đào trần) giống như đào hố

móng nông cho nhà phố, nhà ở liên kế, móng cột v.v…

Loại đào có chắn giữ, chẳng hạn như chắn giữ hố móng bằng tường cọc

bản thép (sheet pile), tường barette (hay tường trong đất – diaphragm wall) v.v…

1.3 CÁC LOẠI TƯỜNG VÂY HỐ MÓNG SÂU, [4]

Tường vây hố móng sâu bao gồm các loại thông dụng sau:

(1) Tường chắn bằng ximăng đất trộn ở tầng sâu: Trộn cưỡng chế đất với

ximăng thành cọc ximăng-đất, sau khi đông cứng lại sẽ thành tường chắn có

dạng bản liền khối đạt cường độ nhất định, dùng cho những loại hố móng có độ sâu từ 3m÷6m

(2) Cọc bản thép: Dùng thép máng sấp ngửa móc vào nhau hoặc cọc bản

thép khóa miệng bằng thép hình với mặt cắt chữ U hoặc chữ Z Dùng phương pháp đóng hoặc rung để hạ chúng vào trong đất, sau khi hoàn thành nhiệm vụ chắn giữ, có thể thu hồi sử dụng lại, dùng cho hố móng có độ sâu từ 3m÷10m

(3) Cọc bản bêtông cốt thép: Chiều dài cọc từ 6m÷12m, sau khi đóng cọc

xuống đất, trên đỉnh cọc đổ một dầm vòng bằng bêtông cốt thép đặt một dãy chắn giữ hoặc thanh neo, dùng cho loại hố móng có độ sâu từ 3m÷6m

(4) Tường chắn bằng cọc khoan nhồi: Đường kính từ φ600mm÷φ1000mm,

cọc dài từ 15m÷30m, làm thành tường chắn theo kiểu hàng cọc, trên đỉnh cọc đổ một dầm vòng bằng bêtông cốt thép, dùng cho hố móng có độ sâu từ 6m÷13m

(5) Tường liên tục trong đất (Diaphragm Wall): Sau khi đào thành hào

móng thì đổ bêtông, làm thành tường chắn đất bằng bêtông cốt thép có cường độ tương đối cao, dùng cho hố móng có độ sâu từ 10m trở lên hoặc trong điều kiện thi công tương đối khó khăn

1.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG TRÌNH HỐ MÓNG SÂU THEO HƯỚNG PHÂN TÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, tại các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh bắt đầu sử dụng các tầng hầm dưới các nhà cao tầng với hố móng

sâu có chiều sâu đến hoặc hơn 10m và chiều sâu của tường đến trên 40m

Vấn đề cốt lõi thực sự cần quan tâm là: thiết kế, thi công kết cấu chắn giữ hố móng sâu và công nghệ đào thích hợp, cũng như vấn đề an toàn về môi trường và không gây ảnh hưởng đến các công trình xung quanh

1.4.1 Một số hình ảnh thi công hố móng sâu bằng phương pháp Bottom-Up

Hình 1.1: Đào đất lớp 1, công trình Fideco Tower

Hình 1.2: Đào đất lớp 2, công trình Fideco Tower

1.4.2 Một số hình ảnh thi công hố móng sâu bằng phương pháp Top-Down

Hình 1.3: Đào đất lớp 1, công trình bệnh viện Trường Đại học Y Dược

thành phố Hồ Chí Minh

Hình 1.4: Đào đất lớp 2, công trình bệnh viện Trường Đại học Y Dược

thành phố Hồ Chí Minh

1.5 MỘT SỐ SỰ CỐ CÔNG TRÌNH DO ĐÀO HỐ MÓNG SÂU

Việc thiết kế và thi công các công trình hố móng sâu đôi khi ít được các đơn vị xây dựng quan tâm đúng mức Vì vậy, đã xảy ra một số trường hợp đáng tiếc, gây không ít thiệt hại về người và của như: bị sạt lở hố móng, gây lún sụt, nứt nẻ, thậm chí sụp đổ công trình lân cận do việc xây chen Cụ thể:

a) Vào lúc 4 giờ sáng ngày 28/7/2004, ba căn nhà số 115-117-117B nằm trên đường Nguyễn Cửu Vân, phường 17, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh, đã đổ sập hoàn toàn (hình 1.9) Nguyên nhân do ảnh hưởng của việc thi

công đào hố móng (sâu 6m, diện tích mặt bằng đào khoảng 800m 2) của công trình chung cư 10 tầng là Sai Gon View Apartment Do đơn vị thi công đã báo động trước nguy cơ sập đổ nên không thiệt hại về người Ngoài ra, việc thi công phần móng còn gây ảnh hưởng đến các công trình xung quanh

Hình 1.5: Hình ảnh đổ sập các căn nhà gần công trình

b) Sự cố sập hoàn toàn kết cấu chắn giữ hố móng sâu của một khối chung

cư cao tầng nằm trong khu Dự án Sài Gòn Pearl trên đường Nguyễn Hữu Cảnh, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh, trong khi đơn vị thi công đang thi

công đào đất hố móng sâu Rất may là không có thiệt hại lớn về người nhưng thiệt hại về tài sản được ước tính là rất lớn

c) Vào trung tuần tháng 10/2007, tại công trình Pacific, số 43 – 45 – 47, nằm trên đường Nguyễn Thị Minh Khai, quận 1, thành phố Hồ Chí Minh, do chủ đầu tư và đơn vị thi công đã không lường hết được tính phức tạp của địa chất tại công trình xây dựng và sự phức tạp của việc thi công hố móng sâu, công trình đã

thi công vượt 3 tầng hầm (tức là thực tế thi công đến 6 tầng hầm, có hố móng sâu đến hơn 20m) trong khi giấy phép xây dựng chỉ cho phép thi công có 3 tầng hầm

Kết quả là đã gây ra sự sập đổ hoàn toàn cho các căn nhà bên cạnh trong đó có Viện khoa học xã hội Miền Nam Do sự sập đổ đã được dự báo trước từ lâu và tai họa xảy ra vào lúc 19 giờ 30 phút nên không gây thiệt hại về người, tuy nhiên đã gây thiệt hại rất lớn về tài sản mà đặc biệt là sự mất mát rất nhiều tài liệu khoa học quý giá đã và đang nghiên cứu của Viện khoa học xã hội Miền Nam mà không có cách gì hồi phục được

d) Gần đây nhất, vào đầu tháng 11/2007, tại đường Nguyễn Siêu, quận 1, thành phố Hồ Chí Minh, chung cư COSACO đã xảy ra hiện tượng lún sụt nền móng, làm tường nứt nẻ, buộc phải di dời những người dân ở chung cư đó đến nơi an toàn Ngoài ra, quanh chung cư COSACO, lề đường cho người đi bộ cũng

bị nứt nẻ lan truyền với tốc độ rất nhanh, làm lún sụt lề đường có nơi sâu đến hơn 3m Nguyên nhân đánh giá ban đầu là do việc thi công các cao ốc có hố móng sâu ở gần đó mà không có biện pháp chắn giữ hố đào sâu một cách hữu hiệu

Ngoài những sự cố có liên quan đến việc thiết kế và thi công hố móng sâu như đã nêu trên, hiện tại trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh còn có rất nhiều quận, huyện mà người dân đang rất hoang mang về hiện tượng mặt đất lún sụt, nứt nẻ với tốc độ lan truyền rất nhanh, kéo theo nhà cửa cũng bị hư hại

do việc thi công các cao ốc bên cạnh có hố móng sâu, hoặc do thi công công

trình hạ tầng kỹ thuật (đào đường để lắp đặt hệ thống cống thoát nước đô thị v.v…) có hố móng cũng khá sâu Vì vậy, Uûy ban Nhân dân thành phố Hồ Chí

Minh đã liên tiếp chủ trì nhiều cuộc họp khẩn có sự tham gia của các chuyên gia đầu ngành để tổng kết, đánh giá và đưa ra phương án khắc phục trước mắt các sự cố đã xảy ra như đã nêu trên Tuy nhiên, về lâu dài, Uûy ban Nhân dân thành phố Hồ Chí Minh sẽ chỉ đạo các cơ quan quản lý nhà nước có thẩm quyền phối hợp cùng các chuyên gia để lập các tiêu chuẩn kỹ thuật về việc khoan thăm dò – khảo sát địa chất – địa hình, địa mạo, khảo sát thủy văn, thiết kế và thi công hố móng sâu cũng như hoàn tất việc lập bản đồ địa chất trên địa bàn thành phố; đồng thời đi kèm theo đó là những biện pháp xử lý nặng, phạt nặng đối với những chủ đầu tư, các đơn vị thiết kế, thi công, giám sát v.v… thiếu ý thức, năng lực hạn chế trong việc quản lý đầu tư, thiết kế, giám sát và thi công không đúng và đảm bảo theo quy trình kỹ thuật đối với những nhà cao tầng, các cao ốc có nhiều tầng hầm với hố móng sâu Có như thế, hy vọng sẽ giảm thiểu những sự cố có liên quan đến hố móng sâu

Tóm lại, các sự cố đáng tiếc đã xảy ra do việc thiết kế và thi công hố móng sâu không hợp lý là hết sức đa dạng và phức tạp; như trên, các sự cố có liên quan đến hố móng sâu đã bắt đầu từ giữa năm 2004 và cho đến nay ngày một nghiêm trọng hơn, mà hiện tại đất nước chúng ta chưa có đầy đủ những tài liệu, quy chuẩn, quy trình kỹ thuật, cũng như các văn bản pháp lý hữu hiệu trong việc quản lý đầu tư, giám sát, thiết kế và thi công đối với công trình có hố móng sâu Vì vậy, muốn giảm thiểu sự cố trong công trình hố móng sâu thì trước hết chủ đầu tư – quản lý dự án, đơn vị thiết kế, giám sát và thi công cần có những kiến thức khái quát về đặc điểm của công trình hố móng

Tựu trung lại, công trình hố móng có nhiều đặc điểm, khái quát lại như sau, [4]:

(1) Công trình hố móng là một loại công việc tạm thời, sự dự trữ về an toàn có thể là tương đối nhỏ nhưng lại có liên quan với tính địa phương, điều kiện địa chất của mỗi vùng khác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau Công trình hố móng là một khoa học đan xen giữa các khoa học về đất đá, về kết cấu và kỹ thuật thi công; là một loại công trình mà hệ thống chịu ảnh hưởng đan xen của nhiều nhân tố phức tạp; và là ngành khoa học kỹ thuật tổng hợp đang còn chờ phát triển về mặt lý luận

(2) Do hố móng là loại công trình có giá thành cao, khối lượng công việc lớn, là trọng điểm tranh giành của các đơn vị thi công, lại vì kỹ thuật 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, có tính tranh chấp trong công trình xây dựng Đồng thời cũng là trọng điểm để hạ thấp giá thành và bảo đảm chất lượng công trình

(3) Công trình hố móng đang phát triển theo xu hướng độ sâu lớn, diện tích rộng, có cái chiều rộng và chiều dài đạt tới hơn trăm mét, quy mô công trình cũng ngày càng tăng lên

(4) Theo đà phát triển cải tạo các thành phố cũ, các công trình cao tầng, siêu cao tầng chủ yếu của các thành phố lại thường tập trung ở những khu đất nhỏ hẹp, mật độ xây dựng lớn, dân cư đông đúc, giao thông chen lấn, điều kiện để thi công công trình hố móng đều rất kém Lân cận công trình thường có các công trình xây dựng vĩnh cửu, các công trình lịch sử, nghệ thuật bắt buộc phải được an toàn, không thể đào có mái dốc, yêu cầu đối với việc ổn định và khống chế chuyển dịch rất là nghiêm ngặt

(5) Tính chất của đất đá thường biến đổi trong khoảng khá rộng, điều kiện ẩn dấu của địa chất và tính phức tạp, tính không đồng đều của điều kiện địa chất

thủy văn thường làm cho số liệu khảo sát có tính phân tán lớn, khó đại diện được cho tình hình tổng thể của các tầng đất, hơn nữa, tính chính xác cũng tương đối thấp, tăng thêm khó khăn cho thiết kế và thi công công trình hố móng

(6) Đào hố móng trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp khác 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 rò nước nghiêm trọng hoặc bị chảy đất v.v… làm hư hại hố móng, uy hiếp nghiêm trọng các công trình xây dựng, các công trình ngầm và đường ống ở xung quanh

(7) 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 v.v… trong đó, một khâu nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả công trình bị đổ vỡ

(8) Việc thi công hố móng ở các hiện trường lân cận như đóng cọc, hạ nước ngầm, đào đất v.v… đều có thể sinh ra những ảnh hưởng hoặc khống chế lẫn nhau, tăng thêm các nhân tố để có thể gây ra sự cố

(9) Công trình hố móng có giá thành khá cao, nhưng lại là chỉ có tính tạm thời nên thường là không muốn đầu tư chi phí nhiều Nhưng nếu để xảy ra sự cố thì xử lý sẽ vô cùng khó khăn, gây ra tổn thất lớn về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng về mặt xã hội

(10) Công trình hố móng có chu kỳ thi công dài, từ khi đào đất đến khi hoàn thành toàn bộ các công trình kín khuất ngầm dưới mặt đất phải trải qua nhiều lần mưa to, nhiều lần chất tải, động đất, thi công có sai phạm v.v… tính ngẫu nhiên của mức độ an toàn tương đối lớn, sự cố xảy ra thường là đột biến

1.6 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC NGOÀI THEO HƯỚNG PHÂN TÍCH CỦA ĐỀ TÀI

• [5], rút ra: chuyển vị ngang và nội lực trong tường được giải bằng phương pháp giải tích cho kết quả lớn hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn

• [7], cho kết quả:

+ Khi tính chuyển vị tường trong đất lấy module đàn hồi của các đất dính

Ec=375*cu (cu là lực dính đơn vị không thoát nước), module đàn hồi của lớp đất

cát Es=766*N (N là chỉ số SPT) thì kết quả tương đối sát với quan trắc thực tế

+ Đối với công trình tường trong đất bảo vệ hai tầng hầm (độ sâu khoảng 8m), ở khu vực quận 7, thành phố Hồ Chí Minh, khi bề dày của tường trong đất

lớn hơn 0.8m thì thu được chuyển vị ngang giảm ít hơn so với khi tường nhỏ hơn 0.8m Do vậy, với công trình tường trong đất bảo vệ hai tầng hầm của nhà cao tầng nên chọn chiều dày tường là 0.8m và đưa ra được quan hệ giữa chuyển vị ngang của tường và chiều dày của tường

• [6], kết luận:

+ Cùng giống nhau về lực kích thanh chống, chuyển vị của tường theo kết

quả tính toán lớn hơn kết quả đo thực từ (1.22÷2.72) lần

+ Chiều sâu đào càng lớn thì sự chênh lệch của chuyển vị giữa tính toán và kết quả đo thực tế càng giảm

+ Bán kính vùng ảnh hưởng R của hố đào có tường chắn đến công trình lân cận tỉ lệ thuận với chiều sâu đào

+ Khi tính toán chuyển vị của tường, lấy module E tính từ thí nghiệm

xuyên tĩnh (CPT) sẽ cho kết quả tương đối sát với quan trắc thực tế

+ Module biến dạng giữa thí nghiệm xuyên tĩnh và thí nghiệm trong phòng tỷ lệ thuận với nhau và có quan hệ tuyến tính là chặt nhất

Việc phân tích ứng xử giữa đất và tường trong đất trong quá trình thi công đào đất cũng được nhiều nhà nghiên cứu nước ngoài đề cập đến trong các bài viết của mình

• [3], kết luận: tổng chuyển vị của đất nền t<[t0] = 0.2 inch ≈ 5.08mm thì việc đào đất xem như không ảnh hưởng đến tất cả các công trình lân cận

• [13], đã phát triển thành công thức để dự tính biến dạng của tường và vùng chuyển vị đất nền gần hố móng có chống đỡ trong đất sét trạng thái từ mềm tới cứng, với các thông số sau:

) , (Umax z f

w =

α - hệ số ảnh hưởng

Umax - chuyển vị lớn nhất của đất

z - chiều sâu hố đào tại điểm khảo sát

h - khoảng cách của thanh chống đứng

γ - dung trọng của đất

E*I - độ cứng chống uốn của tường

FS: Hệ số an toàn Chuyển dịch ngang lớn nhất của tường

800 1000600

400200

10080604020

Chuyển vị lớn nhất của đất

Hình 1.6: Aûnh hưởng độ cứng chống uốn của tường đến chuyển dịch ngang lớn

nhất của tường và chuyển vị lớn nhất của đất

1.7 NHẬN XÉT VÀ PHƯƠNG HƯỚNG ĐỀ TÀI

Dựa vào một số nghiên cứu vừa nêu trên, tác giả nhận thấy rằng: về phương pháp tính toán hố móng sâu có tường trong đất thì có nhiều, từ những

phương pháp cổ điển cho đến phương pháp hiện đại Tuy nhiên, việc áp dụng chúng cho phù hợp với điều kiện địa chất thực tế ở thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và Việt Nam nói chung, hiện nay vẫn chưa được thống nhất và còn nhiều bất cập Kết quả tính toán, thiết kế còn chênh lệch khá nhiều so với thực tế

Việc lựa chọn biện pháp thi công tổng thể đối với tầng hầm như bằng

biện pháp trên-xuống (Top-Down) hay dưới-lên (Bottom-Up), kỹ thuật sử dụng

thanh chống hay ván cừ cho biên tầng hầm, khoảng thời gian tiến hành các giai đoạn đào v.v… tất cả đều có ảnh hưởng đến sự chuyển dịch của đất ở quanh hố móng với điều kiện đất nền và kích thước hố móng đã xác định Với mỗi biện pháp thi công tổng thể đối với tầng hầm là khác nhau thì sự chuyển dịch của đất

ở quanh hố móng là khác nhau, từ đó tương quan về ứng suất - biến dạng, ổn định của tường và đất trong quá trình thi công đào đất để thi công các tầng hầm nhà cao tầng cũng khác nhau

Tính ưu việt trong phương pháp thi công Top-Down là người ta sử dụng sàn tầng hầm thay thanh chống cho các tường hay cọc biên, thông thường việc sử dụng như vậy làm giảm bớt độ lún thẳng đứng của đất nền sau lưng tường Không có những số đo của đất nhằm so sánh để xác định chắc chắn quan điểm này mặc dù tính chất hiển nhiên của phương pháp này là để giảm đến mức tối thiểu chuyển dịch của đất nền Chúng cũng bao gồm cả hệ các thanh chống đỡ thông thường cho các tường ngoài của công trình bằng các sàn của mỗi tầng, độ cứng đàn hồi của hệ chống đó và việc phòng chống chuyển dịch khác

Tuy nhiên, tính quy tắc của việc sử dụng hệ chống đỡ bằng hệ sàn thay cho hệ giằng ngang ở mỗi chiều cao tầng hầm có thể sẽ không cung cấp đủ lực chống đỡ tại điểm tối ưu, đặc biệt tại những chỗ có tải trọng bề mặt bên ngoài tác động, ví dụ: những móng có sẵn đối với các công trình xây chen v.v… Hơn nữa, một vài nhà thầu cho rằng khi thi công những tường nằm bên trong tường cừ

đã thi công trước đó hay khi đào tầng hầm đầu tiên thì không cần phải thi công gia cố nền đất Điều này làm mất đi tính ưu việt của phương pháp là hạn chế chuyển dịch của đất

Trước đây, việc thi công hố móng chỉ được xem là việc thi công tầng ngầm và nhà thầu thường chỉ dựa vào cường độ và ổn định để xem xét Sự phát triển trong xây dựng đã chứng tỏ rằng cách quan niệm như thế là không phản ánh đầy đủ mục đích và yêu cầu thi công hiện đại Việc tính toán cường độ và ổn định của hố móng chỉ mới là điều kiện tất yếu vì trong nhiều trường hợp còn phải khống chế cả biến dạng Việc tính toán biến dạng của đất quanh hố móng tương đối phức tạp và chưa trở thành phương pháp thuần thục Trong một số tiêu chuẩn các nước về vấn đề này, người ta thường dựa vào kinh nghiệm địa phương để khống chế biến dạng

Sự dịch chuyển của đất nền (lún và chuyển vị ngang) ở xung quanh hố

móng là một bài toán khá phức tạp vì nó bị ràng buộc bởi nhiều điều kiện như tính chất đất nền, phương pháp thi công, độ cứng hệ chống đỡ v.v… Nhưng vấn đề dự báo sự chuyển dịch của đất quanh hố móng ngày càng trở nên bức thiết, nhất là khi thi công hố móng trong vùng đô thị có mật độ xây dựng cao Do đó, những cố gắng để giải quyết vấn đề này có thể tìm thấy qua phương pháp kinh

nghiệm, bán kinh nghiệm hoặc qua các phần mềm chuyên dụng

Vì vậy, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tác giả phân tích chi tiết các vấn đề nêu trên mà cụ thể là tập trung phân tích, tính toán và so sánh để thấy rõ tính ưu - khuyết điểm của phương pháp thi công Top-Down và Bottom-Up cho hố đào sâu theo các quá trình thi công đào đất

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH,

BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG VÀ ĐẤT

2.1 GIỚI THIỆU

Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định, biến dạng của tường và đất nói chung, cũng như khi tính toán kết cấu chắn giữ nói riêng, áp lực tác động vào bề mặt tiếp xúc của kết cấu chắn giữ với thể đất tức là áp lực đất Độ lớn và quy luật phân bố của áp lực đất có liên quan với các nhân tố hướng và độ lớn của chuyển

vị ngang của kết cấu chắn giữ, tính chất của đất, độ cứng và độ cao của vật kết cấu chắn giữ, nhưng do việc xác định chúng khá phức tạp ngay trong trường hợp đơn giản nhất nên hiện nay vẫn dùng một số lý thuyết được xem là kinh điển với những hiệu chỉnh bằng số liệu thực nghiệm, như: lý thuyết Coulomb; lý thuyết Mohr-Rankine; lý thuyết cân bằng giới hạn điểm của Sokolovski

Chúng ta thường sử dụng lý thuyết của các tác giả nêu trên để phân tích và tính toán áp lực đất tác dụng lên kết cấu chắn giữ Cụ thể, dùng để tính toán các loại áp lực đất:

1) Aùp lực đất tĩnh

2) Aùp lực đất chủ động

3) Aùp lực đất bị động

2.2 TÍNH ÁP LỰC NGANG CỦA ĐẤT TÁC DỤNG LÊN TƯỜNG TRONG

ĐẤT

2.2.1 Lý thuyết Mohr-Rankine, [14]

Với sự chảy dẻo hông, ứng suất hữu hiệu theo phương ngang σ’h sẽ tăng hay giảm, với đường kính vòng tròn Mohr biến đổi tương ứng AB hay BC Khi

nở hông, trạng thái cân bằng dẻo (phá hoại) đạt được tại giá trị σ’h cực tiểu; khi nén hông, trạng thái giới hạn đạt được tại giá trị σ’h cực đại Trong cả hai trường

hợp này, sức chống cắt của đất sẽ phải được huy động toàn bộ Rankine (1857)

gọi tương ứng là trạng thái chủ động và bị động của đất Độ lớn của σ’h chỉ phụ thuộc vào ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng σ’v và độ bền kháng cắt của đất và là bài toán tĩnh định, nghĩa là không xét đến giá trị chuyển vị

2.2.1.1 Đối với đất rời

Xét khối đất rời, đồng nhất, phạm vi bán vô hạn có góc ma sát trong là ϕ’ Tại một điểm bất kỳ ở dưới mặt nằm ngang, ứng suất hữu hiệu lấy bằng:

Ứng suất thẳng đứng: σ’v=σ’1

Ứng suất nằm ngang: σ’h=σ’3

Các vòng tròn Mohr biểu thị hai trạng thái cân bằng dẻo có thể có, đều tiếp xúc với đường bao phá hoại bởi vì chúng đều quan hệ với một điều kiện

giới hạn (Hình 2.1)

Các điểm A và C biểu thị trạng thái ứng suất hông tương ứng với trạng thái chủ động và bị động:

OA=σ’ha - Aùp lực hông chủ động

OC=σ’hp - Aùp lực hông bị động

Khi nở hông sẽ dẫn đến σ’ha<σ’v

Khi nén hông sẽ dẫn đến σ’hp>σ’v

Từ vòng tròn Mohr, mặt phá hoại được định hướng tương ứng bởi các góc

αa và αp:

' 45 ) ' 90 (

* 2

1 ) 2 (

* 2

2

' 45 )]

' 90 ( 180 [

* 2

1 ] 2 180 [

* 2

Quan hệ giữa áp lực hông giới hạn và ứng suất thẳng đứng được biểu thị bằng hệ số áp lực đất:

σ’ha=Ka*σ’v (Ka - hệ số áp lực đất chủ động)

σ’hp=Kp*σ’v (Kp - hệ số áp lực đất bị động)

Theo quan hệ lượng giác, hệ số áp lực đất có thể biểu diễn thông qua góc

ma sát trong ϕ’ của đất:

) 2

' 45 ( ' sin 1

' sin 1 1

1

1

1 '

ϕ

ϕσ

+

−

= +

−

= +

−

= +

OF FB OF AF FB

OF

AF OF OB

OA K

v

ha a

Tương tự, ta có:

) 2

' 45 ( ' sin 1

' sin

+ τ

H

A O

o o

C G

B

2α 2α

a) Trạng thái chủ động

NỞ

σ' = σ'

σ' = σ'

α =45+ϕ'/2 1

NÉN

hp hp

Hình 2.1: Các trạng thái cân bằng giới hạn dẻo của Rankine

2.2.1.2 Đối với đất dính

a Đối với đất dính trong điều kiện thoát nước

Lý thuyết ban đầu của Rankine chỉ giải quyết áp lực trong vật liệu hạt (có

ma sát) và không xét đến lực dính Trong điều kiện không thoát nước và trong

đất quá cố kết, độ bền kháng cắt được biểu diễn toàn bộ hay một phần bằng lực

dính biểu kiến (cu hay c’) Dựa trên phương pháp Rankine, năm 1915-Bell công

bố lời giải có lực dính thể hiện bằng một đoạn trên trục độ bền cắt

σ' σ'

Ta thấy được vòng tròn Mohr cùng với đường bao phá hoại cho đất quá cố kết Như trong trường hợp đất không dính, điểm xuất phát là tỷ số của các ứng suất hữu hiệu:

v

ha

g c

g c

PB

PA

' ' cot '*

' ' cot '*

σϕ

σϕ+

FD PF FD

PF BF PF AF BF

PF

AF PF

−

= +

−

= +

−

=

' sin 1

' sin 1 1

1

1

1

ϕϕ

K

' ' cot '*

' ' cot '*

σϕ

σϕ+

' sin 1 '*

* 2 ' sin

' cos '*

* '

sin 1

) ' sin 1 ( ' sin 1 ' cot '*

ϕϕ

ϕϕ

' sin 1 '*

* 2 ' cot '*

* ) 1

Từ đó ta có áp lực chủ động: σ'ha=K a*σ'v− 2 *c'* K a

Tương tự ta có áp lực bị động: σ'hp=K p*σ'v+ 2 *c'* K p

b Đối với đất dính trong điều kiện không thoát nước

Các phương trình trên được dùng khi đất làm việc có thoát nước, biểu thị điều kiện lâu dài của cân bằng dẻo giới hạn Với bài toán cân bằng không thoát

nước (tức thời) trong đất bão hòa, góc ma sát ϕu =0, do đó Ka=Kp=1 cho nên áp lực hông tổng bằng:

Áp lực chủ động: σha=σv-2*cu và Áp lực bị động: σhp=σv+2*cu

Trong đó: cu là lực dính đơn vị không thoát nước của đất

2.2.2 Lý Thuyết Coulomb, [14]

Mặc dù lý thuyết Rankine cho phép giải thích thuận tiện, việc tính toán đơn giản, nhưng nó có một số hạn chế và dẫn đến những sai số đáng kể Nó dựa trên giả thiết là lưng tường nhẵn, thẳng đứng mà không xét đến độ nghiêng của lưng tường lẫn ma sát giữa lưng tường và đất

Với bài toán khi mặt đất nằm nghiêng hoặc bất thường và tải trọng phụ tác dụng lên mặt đất không theo quy luật hoặc phức tạp thì việc sử dụng gặp khó khăn Lý thuyết Rankine được xếp vào lý thuyết biên dưới và do vậy cho lời giải tương đối an toàn vì nó giả thiết là sự chảy dẻo của toàn bộ công trình được ẩn trong sự chảy dẻo của một phần tử nhỏ

Khoảng 80 năm trước khi Rankine công bố lý thuyết của mình, Coulomb

(1776) đã đưa ra giả thuyết là cường độ áp lực đất tác dụng lên tường tạo nên

bởi nêm đất đẩy vào lưng tường

Xem xét lăng thể đất, khi tường hơi dịch chuyển dẫn đến đất ở trạng thái chủ động và nêm có xu hướng di chuyển về phía tường Lúc xảy ra như vậy, nêm trượt xuống theo mặt tường AB và dọc theo mặt phá hoại BC Các lực tác dụng lên nêm ở trạng thái cân bằng dẻo, giới hạn này cùng với tam giác lực được cho như hình vẽ 2.3

Trong đó:

W - trọng lượng của nêm đất, với đất đồng nhất thì:

AC AB

2

=

Pa - cường độ áp lực đất chủ động tác dụng lên tường

R - phản lực của đất (giá trị không yêu cầu phải biết)

α - góc của mặt phẳng phá hoại

β - góc nghiêng của mặt đất

δ - góc ma sát giữa tường và đất

θ - góc nghiêng của lưng tường

ϕ’ - góc ma sát trong của đất

γ - dung trọng của đất

Góc ma sát giữa đất và tường δ liên quan tới góc ma sát của đất ϕ’ và độ nhám của tường Với tường bê tông thẳng đứng, thường chọn giá trị tùy ý nằm

trong khoảng δ=(0.5÷0.67)*ϕ’ Trị số δ có thể xác định trong phòng thí nghiệm

bằng hộp cắt cho các mẫu hỗn hợp đất -bêtông Ở cả trạng thái chủ động và bị động, ma sát ở gần chân tường có ảnh hưởng thực sự là tạo nên mặt phá hoại cong Tuy nhiên, trong phân tích Coulomb lại giả thiết là mặt phá hoại phẳng

Maët p

haù hoại thưïc

a

b) Trường hợp bị động

aα

Chuyển dịch

haù hoại Co

ulomb

PpδChuyển dịch

a) Trường hợp chủ động

Hình 2.4: Mặt phá hoại cong do ma sát của tường

Sai số hệ quả không đáng kể trong trường hợp áp lực chủ động nhưng cho

trường hợp áp lực bị động có

3

'ϕ

δ > , kết quả tính được là khá lớn

2.2.2.1 Áp lực chủ động lên tường nhám

a Điều kiện thoát nước

2

) sin(

) ' sin(

* ) ' sin(

)]

[sin(

sin

) ' sin(

+ + +

−

=

βθ

βϕδ

ϕδ

θ

θ

ϕθ

a

K

Trong trường hợp tường nhẵn thẳng đứng và mặt đất nằm ngang δ=0,

θ=900 và β=0, phương trình trên được rút gọn lại thành:

) 2

' 45 ( ' sin 1

' sin

(tương tự với lời giải của Rankine)

b Điều kiện không thoát nước

RαB

H*cotgαz*cotgα

Fc

FwW

Pa

Hình 2.5: Lý thuyết Coulomb trong điều kiện không thoát nước

Điều kiện không thoát nước giả định xảy ra ở sau tường trong đất sét bão

hòa khi thời gian thi công nhanh, ngắn ngày hoặc áp lực nước lỗ rỗng thặng dư