Phân tích ứng xử ứng suất biến dạng của đất nền xung quanh cống tròn chôn sâu trong cải tạo cơ sở hạ tầng khu vực tp hồ chí minh

NHIỆM VỤ: Khảo sát bài toán thiết kế cống ngầm trên cơ sở tính toán công trình ngầm trong điều kiện địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh; mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của

Chuyên ngành : Xây dựng đường ôtô và đường thành phố Mã số ngành : 60 58 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2007

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 25/12/1982 Nơi sinh: Nha Trang – Khánh Hòa Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô và đường TP MSHV: 00105014

I- TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỐNG TRÒN CHÔN SÂU TRONG CẢI TẠO CƠ SỞ HẠ TẦNG KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 NHIỆM VỤ:

Khảo sát bài toán thiết kế cống ngầm trên cơ sở tính toán công trình ngầm trong điều kiện địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh; mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trường đất xung quanh công trình ngầm và đánh giá các tác động có thể có của chúng với các công trình hiện hữu

2 NỘI DUNG:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về cống ngầm và một số công nghệ thi công công trình ngầm

Chương 2: Các phương pháp tính toán cống ngầm

Chương 3: Áp dụng tính toán cho công trình thực tế ở Tp HCM

Chương 4: Đặc điểm ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống ngầm chôn sâu Kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/02/2007

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/7/2007

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm

Luận văn hoàn thành ngoài những nỗ lực của học viên còn phải kể đến sự

tận tâm giảng dạy của các thầy cô giáo Học viên xin chân thành gởi lời cảm ơn

đến tất cả thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy trong quá trình đào tạo tại trường

Đặc biệt chân thành cảm ơn tiến sĩ Bùi Trường Sơn, người đã hỗ trợ rất lớn về

mặt tư liệu cũng như kiến thức nền tảng, tư duy và phương pháp nghiên cứu khoa

học cho học viên trong quá trình thực hiện đề tài này

Ngoài ra, xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cầu đường đã

giảng dạy và quan tâm giúp đỡ, cũng như cung cấp thông tin hữu ích cho học

viên trong quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn bạn bè đã hỗ trợ tài liệu tham khảo cho học viên về lĩnh vực

công trình ngầm và hồ sơ thiết kế công trình thực tế ở thành phố Hồ Chí Minh

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân đã tạo điều kiện

tốt nhất cho học viên hoàn thành đề tài thuận lợi và đúng tiến độ được giao

TÓM TẮT

Thi công đường hầm bằng phương pháp đào kín trong đất yếu rời ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh có thể gây dịch chuyển đất nền làm ảnh hưởng các công trình hạ tầng lân cận và các công trình xây dựng trên bề mặt Sự dịch chuyển của đất xung quanh cống ngầm phụ thuộc vào điều kiện địa chất thủy văn, chiều sâu chôn cống, công nghệ ứng dụng và các biện pháp giữ ổn định trong quá trình thi công Việc phân tích ứng xử ứng suất – biến dạng của đất xung quanh cống ngầm dạng tròn có xét đến quá trình thi công bằng phương pháp kích đẩy với đầu khiên có hệ thống cân bằng áp lực đất và nước ngầm Tiến hành tính toán theo hai giai đoạn thi công và sử dụng công trình Phân tích bài toán cho cả hai trường hợp thi công ổn định và thi công với tỷ lệ mất mát thể tích ở mặt đào 2% Kết quả nghiên cứu cho thấy sự có mặt của cống ngầm chôn sâu trong điều kiện địa chất thành phố Hồ Chí Minh với công nghệ thi công hiện đại không gây tác động lớn đến môi trường xây dựng xung quanh

ABSTRACT

Tunnelling by trenchless construction methods in cohesionless soil conditions of Ho Chi Minh city may cause ground movements and damage to adjacent facilities and buildings on surface Movements of the ground around circular buried pipe depend on hydro-geological conditions, tunnel depth, applied technologies and support solutions during tunnelling In this research, the behavior of stress – strain of soil around circular buried pipe constructed by pipe jacking method, together with shield machine head with groundwater and earth pressure balance system is analyzed It is calculated in the stages of construction and use Tunnelling is modeled in two different states: stable and unstable with ground loss at excavation face of 2 percent As the result of this research, it is rarely affected to the construction environment by tunnelling in geological conditions of HCMC with modern construction technologies

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỐNG NGẦM VÀ MỘT SỐ CÔNG NGHỆ THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM 3

1.1 Phân loại cống ngầm và phương pháp xây dựng .3

1.1.1 Phân loại ống ngầm 3

1.1.2 Lý luận cơ bản trong thiết kế và thi công công trình ngầm 4

1.1.3 Các phương pháp xây dựng đường hầm 6

Phương pháp thi công đường hầm qua núi 6

Phương pháp thi công đường hầm nông và hầm trong đất mềm 7

Phương pháp thi công đường hầm dưới đáy nước 9

1.2 Công nghệ thi công bằng phương pháp kích đẩy (Pipe Jacking) .10

Nguyên lý chính 11

Đặc điểm đầu khiên 12

Ưu nhược điểm của phương pháp kích đẩy 13

1.3 Khả năng ứng dụng phương pháp kích đẩy trong xây dựng cải tạo cơ sở hạ tầng ở thành phố Hồ Chí Minh 14

1.3.1 Đặc điểm địa chất khu vực Tp HCM .14

1.3.2 Khả năng ứng dụng phương pháp kích đẩy .19

1.4 Nhận xét và nhiệm vụ của đề tài 19

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỐNG NGẦM .21

2.1 Tổ hợp tải trọng tác dụng lên công trình ngầm 21

2.2 Các loại tải trọng tác dụng lên cống 22

2.2.1 Trọng lượng bản thân cống 22

2.2.5 Hoạt tải .33

2.3 Các phương pháp tính toán cống ngầm dạng tròn 36

2.3.1 Tầng địa chất yếu rời .36

2.3.2 Xem địa tầng quanh cống là nền biến dạng cục bộ .37

2.3.3 Xem địa tầng quanh cống là nền biến dạng toàn bộ 39

2.3.4 Xem địa tầng quanh cống là môi trường biến dạng liên tục .41

2.4 Nhận xét chương 43

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ Ở TP HCM .45

3.1 Ảnh hưởng của địa hình và thủy văn khu vực Tp HCM trong vấn đề thoát nước đô thị 45

3.2 Vị trí xây dựng, đặc điểm địa chất khu vực xây dựng và sơ lược về công trình .46

3.3 Tải trọng tác dụng lên cống và tính toán kết cấu vỏ cống 49

3.3.1 Áp lực địa tầng tác dụng lên cống 49

3.3.2 Áp lực nước tác dụng bên trong và ngoài cống 50

3.3.3 Tính toán vỏ cống .52

Phương pháp tính toán vỏ khuyên tròn biến dạng tự do .52

Mô phỏng bằng chương trình PLAXIS 56

Đặc điểm mô hình Cam clay 58

Kết quả tính toán 63

3.4 Kết luận chương 67

4.2 Tác động của biện pháp thi công đến biến dạng của đất xung quanh cống

ngầm, độ lún trên bề mặt và mức độ tiếp cận trạng thái tới hạn 74

4.3 Kết luận chương 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

MỞ ĐẦU

Tình trạng ngập lụt khi mưa lớn và ô nhiễm nặng hệ thống sông rạch là vấn đề bức xúc hiện nay của thành phố Hồ Chí Minh (Tp HCM) và một số thành phố khác trong cả nước Những vấn đề này tưởng chừng như là những ảnh hưởng cục bộ song nó lại gây ra tác động xấu đến cả một hệ thống Trong đó, những vấn đề nảy sinh như: chất lượng đường sá, hệ thống công trình ngầm và

cơ sở hạ tầng mau chóng xuống cấp, tắt nghẽn giao thông, môi trường đô thị bị ô nhiễm nặng nề hơn, dẫn đến sức khỏe và tâm sinh lý người dân không tốt Các yếu tố đó gây tổn thất đáng kể về mặt kinh tế, xã hội

Vì vậy, trong xây dựng cơ bản, cần có những chiến lược và mục tiêu lâu dài để giải quyết hệ thống thoát nước và xử lý nước thải Hiện nay thành phố Hồ Chí Minh đang thực hiện dự án “Cải thiện môi trường nước” với mục đích cải tạo hệ thống thoát nước mưa, thu gom và xử lý nước thải, khôi phục cải tạo hệ thống kênh, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong khu vực Dự án gồm nhiều hạng mục như cải tạo hệ thống thoát nước bằng bơm, nạo vét kênh, xây dựng tuyến cống bao, trạm bơm chuyển tiếp nước, xây dựng tuyến cống chuyển tải, nhà máy xử lý nước thải… Trong đó, hệ thống cống thu gom nước thải được thi công sâu trong lòng đất trên dưới 12m với đường kính từ ∅900 - ∅2200 là một trong những giải pháp tối ưu được lựa chọn Giải pháp này có thể thực hiện được nhờ những tiến bộ kỹ thuật hiện đại trong xây dựng Ngoài ra, tiềm năng xây dựng hệ thống cống ngầm ở Việt Nam mà đặc biệt là TP HCM còn rất lớn

Ở đây đòi hỏi về chất lượng và độ chính xác cao trong việc triển khai các công nghệ thi công hiện đại và dự báo các tác động, ảnh hưởng đối với môi trường

xây dựng trong điều kiện đô thị Do vậy, vấn đề phân tích ứng xử ứng suất –

biến dạng của đất nền xung quanh cống chôn sâu trong công tác cải tạo cơ sở hạ tầng ở khu vực TP HCM là vấn đề cấp thiết

Việc phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng của đất xung quanh công trình ngầm theo cơ sở lý thuyết đàn hồi đã được sử dụng trong thời gian dài và đóng vai trò tích cực trong việc thiết kế Các phương pháp này đều dựa trên giả thiết là giữa môi trường và vỏ công trình ngầm có sự tiếp xúc chặt chẽ, khi thi công thì kết cấu vỏ được xây dựng rất nhanh nên đất đá chưa kịp biến dạng Tuy nhiên, với môi trường được xem là đàn hồi thì biến dạng đàn hồi sẽ phát sinh ngay khi đào hầm Việc lựa chọn mô hình đàn hồi – dẻo có vẻ phù hợp hơn vì thông thường xung quanh công trình khai đào hình thành một miền biến dạng dẻo gây áp lực lên công trình Bên ngoài miền biến dạng dẻo là miền đàn hồi không gây ra áp lực địa tầng Trạng thái ứng suất của nền cho phép xác định được đường giới hạn của hai miền và từ đó xác định được áp lực địa tầng

Đề tài được chọn lựa thực hiện nhằm mục đích phân tích ứng xử ứng suất

– biến dạng của đất xung quanh các cống ngầm trong điều kiện địa chất khu vực

TP HCM Nội dung nghiên cứu phân tích và tính toán của đề tài căn cứ trên cơ sở chọn lựa mô hình đất đàn hồi – dẻo – hóa cứng, là mô hình có xét đến giá trị biến dạng khi dỡ tải do khai đào, mô phỏng sự ảnh hưởng của môi trường đất xung quanh trong công tác xây dựng công trình cống ngầm

Ngoài ra, việc phân tích ứng xử ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống chôn sâu cho thấy phù hợp trong điều kiện nền đất rời rạc cho khu vực đông dân cư

Nhiệm vụ của đề tài là khảo sát bài toán thiết kế cống ngầm trên cơ sở

tính toán công trình ngầm trong bối cảnh điều kiện địa chất khu vực TP HCM Ngoài ra, trong nội dung luận văn còn mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trường đất xung quanh công trình ngầm và đánh giá các tác động có thể có của chúng với các công trình hiện hữu bên trên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỐNG NGẦM VÀ MỘT SỐ CÔNG NGHỆ THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM

1.1 Phân loại cống ngầm và phương pháp xây dựng

1.1.1 Phân loại ống ngầm

Ống ngầm thường được sử dụng cho các công trình cơ sở hạ tầng, đặc biệt phổ biến cho các khu vực đông dân cư Ở các đô thị lớn trên thế giới, các đường dây thông tin, năng lượng, hệ thống cấp thoát nước được xây dựng ngầm dưới đất Trong đa số các trường hợp, độ sâu công trình ngầm càng lớn thì các tác động do sự có mặt của chúng với các công trình hiện hữu bên trên càng bé Theo một số các tài liệu [6], [13], [20], [25], ống ngầm được phân chia thành các nhóm theo các tiêu chuẩn sau:

- Theo công dụng, gồm các loại cống: cấp nước, thoát nước, tiêu nước, dẫn nhiệt, tháo nước (dưới đường ôtô và đường sắt), cống trong công trình thủy công, ống dẫn dầu, dẫn hơi…

- Theo vật liệu, gồm các loại cống: thép, gang, xi măng amiăng, bê tông, bê tông cốt thép, gạch, sành, chất dẻo…

- Theo áp lực của chất lỏng chứa trong cống tác động lên thành cống gồm các loại cống: không áp và có áp

- Theo hình dáng mặt cắt ngang, gồm các loại cống hình tròn, hình bầu dục, hình máng, hình vuông, hình chữ nhật… Việc chọn lựa hình dáng mặt cắt ngang của cống phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình, địa hình, biện pháp thi công hay thiết kế kỹ thuật

- Theo cấu tạo gồm các loại cống có thành trơn, thành uốn nếp hay loại cống có đai

- Theo mối nối giữa các đoạn, gồm các loại cống nối cứng, nối mềm, cống có mối nối cho phép các đoạn xoay tương đối với nhau, cống có mối nối cho phép chuyển vị dọc trục, cống có mối nối đối đầu (âm dương)…

- Theo cách lắp đặt cống, gồm các loại: cống chôn trong đất đắp là cống đặt ngay trên mặt đất hoặc cống đặt nông so với bề rộng hố đào rồi sau đó được lấp đất lên; cống chôn trong hào sâu là loại cống đặt trong hào hở, hẹp nhưng sâu với hai vách cứng, rồi sau đó được lấp đất; hay cống luồn trong đất bằng cách đào đường hầm kín, lúc này toàn bộ khối đất thiên nhiên kể từ trên mặt đất xuống không bị phá hoại

- Theo cách tựa lên nền, gồm các loại: cống tựa trên mặt nền phẳng, cống tựa trên nền đất tự nhiên hay đất đắp đã được làm lõm theo chu vi mặt cắt ngang cống, cống tựa trên gối như đặt cống trên móng cọc trong điều kiện địa chất yếu

- Theo lý thuyết tính toán kết cấu cũng phân chia thành cống cứng như cống bê tông, bê tông cốt thép và cống mềm như cống PVC, cống CC-GRP (là cống làm từ vật liệu liên hợp gồm nhựa thông, sợi thủy tinh, cát, CaCO3,…)

Việc xây dựng các công trình ngầm và công trình đào sâu khác nhau về ý nghĩa công nghệ và phạm vi áp dụng, về chiều sâu và kích thước trên mặt bằng, có thể được bố trí riêng rẽ hay dưới các công trình hiện hữu phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa hình, thủy văn…

1.1.2 Lý luận cơ bản trong thiết kế và thi công công trình ngầm

Tổng hợp tất cả các biện pháp và kỹ thuật thi công có thể phân ra làm hai loại lý luận sau [12]:

“Lý luận tải trọng rời” xem đất đá có khả năng tự ổn định, không phát

kết cấu để che chống Tải trọng tác dụng lên kết cấu chống chính là trọng lực khối đất đá đã bị long rời trong một phạm vi nhất định có khả năng sụt lở Đây là lý luận truyền thống, đại diện cho trường phái này có Terzaghi, Protodiakonov và một số người khác

Về nguyên lý cơ học, lý luận này xem đất đá vây quanh là khối hạt rời để tính toán tải trọng phân bố lớn hay nhỏ của nó phát sinh đối với kết cấu chống đỡ Cơ học kết cấu xem hệ chống và vỏ hầm là kết cấu chịu tải để tính toán nội lực Lập nên hệ thống cơ học “Tải trọng – Kết cấu” lấy tải trọng bất lợi nhất tổng hợp lại làm tải trọng thiết kế kết cấu

“Lý luận đất đá chịu tải” xem đất đá ổn định hiển nhiên là nhờ bản thân

có năng lực chịu tải tự ổn định; đất đá xung quanh mất ổn định là cả một quá trình, nếu trong quá trình đó ta cung cấp một sự hỗ trợ hoặc hạn chế cần thiết thì đất đá xung quanh vẫn có thể trở lại trạng thái ổn định Đại diện cho trường phái này có K.V Rabcewicz, Miler Fecher, Fenner Talobre, H Kastener, và một số người khác

Cơ học đá xem đất đá vây quanh là khối đá ứng suất, phân tích tính toán trạng thái và quá trình thay đổi ứng suất – biến dạng và hệ chống là điều kiện biên của khối đá bị ứng suất, có tác dụng khống chế ứng suất – biến dạng của đá vây quanh, kiểm tra hiệu quả tác dụng và làm tối ưu hóa Lập nên hệ thống cơ học “Vi nham – che chống” lấy trạng thái thực tế ứng suất – biến dạng làm trạng thái thiết kế chống đỡ

Nói chung, ở “lý luận tải trọng rời” chú ý đến kết quả và xử lý theo kết quả; còn “lý luận đất đá chịu tải” lại chú trọng đến quá trình và tiến hành khống chế đối với quá trình, tức là lợi dụng đầy đủ năng lực chịu tải của đất đá xung quanh Trong thực tế thi công, việc lựa chọn phương pháp hay lý luận nào đều

phải cân nhắc đến điều kiện thực tế công trình để đánh giá và phân tích, đôi khi kết hợp nhiều phương pháp để đáp ứng yêu cầu thực tế xây dựng

1.1.3 Các phương pháp xây dựng đường hầm

ƒ Phương pháp thi công đường hầm qua núi

- Phương pháp mỏ truyền thống

Ở đây người ta gọi là phương pháp mỏ truyền thống là bởi vì phương pháp này được ứng dụng sớm nhất vào việc đào hầm lò khai thác mỏ Phương pháp này thi công dùng khoan nổ để đào kết hợp che chống bằng các cấu kiện thép hay gỗ tạm thời, đến khi đường hầm đã hình thành xong, dần dần đem hệ che chắn tạm thời thay thế bằng vỏ hầm vĩnh cửu đổ toàn khối “Lý luận tải trọng rời” là lý luận được rút ra trên cơ sở phương pháp mỏ truyền thống

- Phương pháp Aùo mới (NATM)

Đây thực chất là một bước cải tiến của phương pháp mỏ truyền thống, sở

dĩ gọi là phương pháp Áo mới (New Austrian Tunneling Method) là do nhà bác học người Aùo K.V Rabcewicz đề xuất ra đầu tiên [12] Phương pháp này lấy phun bê tông và neo làm biện pháp che chống chủ yếu, thông qua giám sát đo đạc khống chế biến dạng của địa tầng Đây là phương pháp dựa trên “lý luận đất đá chịu lực”, do vậy cần hết sức giảm thiểu số lần lay động, cường độ lay động, phạm vi lay động và thời gian lay động trong khối đất đá Vì vậy, thường dùng máy đào đất đá mà không dùng phương pháp khoan nổ Tuy nhiên, trong trường hợp đá quá cứng hay do điều kiện nào khác phải dùng biện pháp nổ mìn thì cần khống chế tốc độ, cường độ phá nổ; việc che chống phải khẩn trương theo kịp mặt đào để đất đá không bị long rời ở vị trí không che chống

ƒ Phương pháp thi công đường hầm nông và hầm trong đất mềm

- Phương pháp đào lộ thiên

Là phương pháp áp dụng ở hầm đặt nông Đầu tiên từ mặt đất, tiến hành đào hố móng có vách xiên tự nhiên theo cấu tạo mái dốc địa tầng hay gia cố hoặc vách thẳng đứng với hệ thống chống vách Trong hố móng tiến hành xây dựng kết cấu ngầm rồi lấp đất lại, khôi phục trở lại đến cao độ tự nhiên hoặc xây dựng những công trình trên mặt như đường sá, nhà cửa,…[10]

Tùy thuộc vào điều kiện địa chất thủy văn, đặc điểm công trình có thể áp dụng phương pháp đào hố móng theo mái dốc tự nhiên, mái dốc có gia cố, hố móng che chống kiểu công xon, dùng vì chống di động, hay dùng vách chống với hệ thống neo trong đất

- Phương pháp tường liên tục dưới đất

Phương pháp này xuất hiện những năm 1950, đây cũng là phương pháp thi công đào lộ thiên Tường liên tục dưới đất được phân chia làm: tường liên tục dưới đất đổ tại chỗ, tường liên tục dưới đất đúc sẵn, và tường liên tục dưới đất gồm các hàng cọc [12]

Phương pháp tường liên tục dưới đất bằng hàng cọc là loại tường liên tục được thi công bằng cách nối liền mỗi cọc độc lập thành một hàng cọc thống nhất Trong khi đó, nguyên lý chính của phương pháp thi công tường liên tục dưới đất đổ tại chỗ gồm có việc đào đoạn rãnh hẹp và dài trong đất, lắp lồng cốt thép vào trong rãnh, đổ bê tông thành một đoạn tường bê tông cốt thép, nối liền tường tấm thành một bức tường liên tục dưới đất [12] Với phương pháp tường liên tục đúc sẵn, về nguyên lý chỉ khác với phương pháp tường liên tục dưới đất đổ tại chỗ ở hạng mục lắp đặt các tấm tường đúc sẵn trong các rãnh đã đào trước rồi dùng vữa xi măng gắn các phân đoạn lại với nhau

- Phương pháp đào dưới nắp

Là phương pháp làm nắp trước rồi mới đào đất Phương pháp này được tiến hành bằng cách lắp dầm thép trên cọc thép che chống hố đào, lát mặt đường để đảm bảo giao thông trên mặt đất Sau khi đào xuống đến đáy móng, đổ bê tông đáy móng rồi dùng phương pháp thi công thuận đến đổ bê tông tấm đỉnh Về sau người ta dùng phương pháp thi công đào dưới nắp nghịch Có nghĩa là dùng kết cấu che chống có độ cứng lớn thay thế cọc thép, dùng kết cấu tấm đỉnh làm hệ thống mặt đường và hệ chống Thi công với trình tự: kết cấu che chống – tấm đỉnh – đào đất, che chống, xây tường giữa – tiếp tục đào cho đến đáy, xây hệ chống và đổ bản đáy

- Phương pháp khiên đào

Đây là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm dưới mặt đất Người ta sử dụng một ống thép hình trụ có đường kính lớn hơn đường kính ngoài vỏ hầm một chút làm vì chống, vỏ hầm trong trường hợp này thường là vỏ dạng tròn Đoạn đầu ống có thiết bị che chống và đào đất, đoạn giữa của ống được lắp các kích đẩy cho máy tiến tới trước, đoạn cuối của ống có thể lắp các ống bê tông vỏ hầm đúc sẵn (toàn khối hay những phiến cong nhỏ lắp thành công trình kích thước lớn) hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ tại chỗ Đất đá ở trước khiên được đào đi trong một khoảng bằng bề rộng của một đốt vỏ hầm Sau đó khiên di chuyển về phía trước tạo nên một khoảng trống ở phía sau, tại đây tiến hành lắp đặt hoặc đổ tại chỗ một vòng vỏ hầm (đốt hầm) dưới sự che chống của vỏ khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng cát vào khe hở đằng sau lưng các vòng bê tông để vỏ hầm và địa tầng xung quanh bó chặt vào nhau Để lắp đặt khiên, người ta đào một giếng đứng, lắp ráp khiên tại đáy giếng đứng và đất đá do khiên đào xong được đưa ra ngoài cũng thông qua

Việc điều khiển áp lực ở đầu máy đào tùy thuộc vào từng điều kiện mà có các loại “cân bằng áp lực đất” – EPB, “vữa bentonite” – BS, “nén bùn nước” – AVN, hay “khí nén” – CA Loại “khí nén” là loại xưa nhất, hiện nay không còn được ưa chuông do điều kiện làm việc khó khăn

- Phương pháp kích đẩy

Phương pháp này gần giống với phương pháp khiên đào, ở đây việc đào đất có thể bằng thủ công hoặc bằng cơ giới như máy đào, khiên đào Hình dạng đường hầm là hình tròn, đầu khiên cũng như hệ thống đường ống gồm các đốt cống đúc sẵn được kích tới trước nhờ phản lực của trạm kích đặt ở đáy giếng đứng (khác với phương pháp khiên đào là hệ thống kích đặt ở đầu khiên và nhờ vào phản lực của vỏ hầm) Ở phương pháp này phù hợp với đường hầm có đường kính nhỏ, chiều dài đào không lớn, áp dụng tốt trong khu vực đô thị

Phương pháp này là phương pháp được ứng dụng thi công cho công trình thực tế được nêu trong luận văn này Mô tả chi tiết công nghệ này ở mục 1.2

ƒ Phương pháp thi công đường hầm dưới đáy nước

- Phương pháp thi công hạ từng đoạn hầm

Đây là phương pháp chủ yếu thi công đường hầm ở đáy nước Sớm nhất vào năm 1810 đã tiến hành thí nghiệm xây dựng đường hầm dưới đáy sông Thames ở Luân Đôn, tuy nhiên thí nghiệm này đã không thành công do chưa giải quyết tốt vấn đề phòng nước Cho đến năm 1894 ở Mỹ, tại thành phố Boston đã dùng phương pháp hạ đoạn xây dựng thành công một đường hầm dẫn nước dưới sông [12]

Khi thi công bằng phương pháp hạ từng đoạn, cần chế tạo sẵn các đoạn hầm trên đảo khô được xây dựng tại địa điểm gần đường hầm (hoặc lợi dụng các

xí nghiệp nổi trên xà lan để chế tạo) Các đoạn hầm chế tạo sẵn được bịt kín tạm thời, sau đó vận chuyển nổi các đoạn hầm này đến vị trí qui định của tọa độ định

sẵn, lúc đó bên dưới vị trí này, ở đáy nước đã chế tạo sẵn một hố móng Đợi cho đoạn hầm được định vị xong, cho chất nước tăng tải trọng để đoạn hầm chìm xuống đến vị trí thiết kế, nối liền đoạn hầm này với các đoạn hầm khác ở dưới nước và nối liền các đoạn hầm dưới nước với đoạn hầm đào trong đất nền Qua xử lý nền móng, cuối cùng phủ đất đá đắp lại, tạo thành đường hầm dưới đáy sông

- Phương pháp khiên đào

Để đào hang trong đất ngậm nước và hầm dưới nước người ta thường dùng khiên kín như loại “nén bùn nước” hay “cân bằng áp lực nước” hoặc khiên thường có sử dụng khí nén ở đầu hầm sau các vách ngăn để ép đuổi nước ngầm

ra (như đã đề cập bên trên) Áp lực khí nén lựa chọn phù hợp với áp lực nước ngầm Người làm việc với khí nén về lâu dài sẽ bị chứng bệnh “bọt khí trong xương”, do vậy cần được bảo hộ an toàn đầy đủ khi tiếp xúc

1.2 Công nghệ thi công bằng phương pháp kích đẩy (Pipe Jacking)

Khi thi công hệ thống công trình ngầm như hầm ôtô, hầm cho người đi bộ, hầm kĩ thuật hay các công trình cấp thoát nước đặt không quá sâu bên dưới những công trình trên mặt như nhà cửa, đường sá, và một số công trình hiện hữu khác, nếu sử dụng phương pháp đào lộ thiên hay khiên đào sẽ không tránh khỏi gây lún công trình trên mặt do biến dạng của khối đất đá xung quanh Mặt khác, sử dụng những phương pháp đó cho hầm có chiều dài không đáng kể (100 – 150m) là không hiệu quả Trong trường hợp này người ta dùng phương pháp đẩy ép (hay phương pháp kích đẩy) là phù hợp với những điều kiện ràng buộc trong khu vực đô thị [10]

Trong điều kiện cải tạo cơ sở hạ tầng ở TP HCM, để xây dựng hệ thống thoát nước đô thị thì phương pháp kích đẩy ống cống chế tạo sẵn là một trong

Trong nghiên cứu này sử dụng các thông số thiết kế của dự án “Cải thiện Môi trường Nước Tp HCM” với biện pháp thi công là phương pháp kích đẩy Do vậy, ở đây sẽ giới thiệu sâu hơn về phương pháp thi công này

Nguyên lý chính

Công tác thi công bao gồm việc đào giếng theo phương thẳng đứng hai điểm đầu cuối, hạ mực nước ngầm đến cao độ đáy giếng Lắp đặt thiết bị kích (bệ kích, kích thủy lực…), hệ thống băng chuyền, máy bơm, thùng chứa, thiết bị cẩu, hệ thống điện, hệ thống cấp nước, thiết bị định vị và những thiết bị khác

Qui trình kích cống bao gồm việc truyền một lực đẩy ngang để kích cống bê tông hay thép vào trong đất, kết hợp đồng thời với một loại khiên đào thích hợp Trong dự án “Cải thiện Môi trường nước Tp HCM” ứng dụng hai loại đầu khiên đào là loại khiên “nén bùn nước” (AVN machine) dùng trong đất cát hạt trung đến hạt thô hay khiên “cân bằng áp lực đất” (EPB machine) dùng cho đất bùn, sét [21], [26]

Trong quá trình thi công, đất đá được vận chuyển ra ngoài bằng băng chuyền (với đầu khiên EPB) hay bùn đất được hút vào ống dẫn (với đầu khiên AVN), rồi chuyển lên thùng chứa đặt trên mặt đất Công tác xử lý tiếp theo của đất đá hay bùn đất này tùy thuộc vào công nghệ đang ứng dụng mà có cách xử lý khác nhau

Thiết bị laser được điều khiển từ trạm điều hành đặt trên mặt đất Thiết bị này dùng để định vị trong quá trình thi công Nó được cố định trong phạm vi trạm kích ở đáy giếng như hình 1.2.1 và chiếu tia đến một vị trí thuộc phạm vi khiên đào để giữ cho hệ thống cống luôn đi đúng với lộ trình định sẵn trong quá trình thi công và đạt đúng các thông số cao độ thiết kế

Hình 1.2.1 Công nghệ thi công theo phương pháp kích đẩy

Đặc điểm đầu khiên

Loại khiên “Nén bùn nước” (AVN machine)

Khi đầu khiên hoạt động, bùn đất được bơm mới từ ống dẫn bùn với nồng độ nhất định vào trong buồng chứa bùn nước Tiếp đó mở kích của khiên làm cho khiên được đẩy tiến lên phía trước, các lưỡi dao cắt xén trên mâm dao cắm vào trong đất, đất vụn mới được cắt xén ra cùng với nước ngầm thuận theo các rãnh dao chảy vào trong phòng chứa bùn nước Đất vụn qua nhào trộn của mâm dao cùng máy trộn tạo thành vữa bùn có nồng độ cao Tùy theo tình hình khiên tiến về phía trước không ngừng làm cho áp lực trong buồng cũng tăng theo Khi áp lực bùn vữa trong buồng đủ để chống lại áp lực đất và nước ngầm bên ngoài, thì có thể bảo đảm cho mặt đào ổn định tương đối không bị sụt lở Chỉ cần khống chế sao cho lượng bùn nước rót vào buồng cân bằng với lượng bùn nước từ trong phòng bài tiết ra ngoài thì công tác đào được tiến hành một cách thuận lợi Bùn nước dẫn từ trong phòng đi ra phải qua ống thoát bùn và máy nhai đá, do bơm đẩy đưa đến thiết bị xử lý bùn nước nằm trên mặt đất để tiến hành xử lý phân ly

xử lý xong lại được đưa vào phòng bùn nước tiếp tục sử dụng Phạm vi sử dụng của loại khiên nén bùn nước tương đối rộng, phần lớn dùng cho địa tầng mềm yếu với cát, tầng đá lẫn cát ở sông ngòi, đáy biển có lượng ngậm nước khá cao Loại khiên “Cân bằng áp lực đất” (EPB machine)

Nguyên lý của máy cân bằng áp lực đất cũng tương tự như máy nén bùn nước, tuy nhiên nguyên lý cân bằng áp lực lại khác đôi chút

Khi máy khởi động và kích thủy lực đẩy khiên về phía trước, đất vụn bị xén ra thuận theo rãnh dao tiến vào buồng chứa bùn đất Đất bùn ngày càng tăng lên khi kích tiếp tục đẩy đầu khiên tiến tới Lúc này mở máy xoắn ốc kéo đất ra, điều chỉnh cửa van làm cho đất vụn chẹt đầy máy xoắn ốc Như vậy, chỉ cần giữ cho lượng đất vụn trong máy xoắn ốc và lượng đất vụn trong buồng chứa đất cân bằng với lượng đất vụn mà máy cắt xén ra rơi vào trong buồng, thì công tác đào sẽ tiến hành thuận tiện và đảm bảo ổn định, chống sụt lở Tóm lại, ở đây là công tác quản lý áp lực đất, bảo đảm cho áp lực đất cân bằng và ổn định tương đối với lượng đất vụn đào ra Máy xoắn ốc sẽ chuyển đất ra băng chuyền để đưa đất ra ngoài Loại máy này có thể dùng trong tầng đất dính kết, không dính kết, thậm chí có lẫn đá cục, tầng đá hạt và nhiều địa tầng phức tạp khác có nước hoặc không có nước Khiên cân bằng áp lực đất không có thiết bị xử lý bùn nước, tốc độ thi công khá cao, so với khiên nén bùn nước thì có giá thành thấp hơn Tuy nhiên ở phương pháp này mũi dao cắt xén và mặt mâm dao ma sát lớn nên tuổi thọ lưỡi dao ngắn hơn so với loại khiên nén bùn nước

Ưu, nhược điểm của phương pháp kích đẩy

Ưu điểm

- Có thể thi công trong hầu hết mọi loại đất, tùy thuộc vào loại đầu khiên lựa chọn Phương pháp này đặc biệt thuận lợi trong điều kiện đất nền là các lớp đất

mềm yếu hay rời rạc do khả năng tự chống đỡ của đầu khiên trong quá trình khai đào

- Đặc điểm chung của phương pháp đào kín là thi công nhanh và gây ảnh hưởng tối thiểu đến điều kiện sinh hoạt trên mặt đất như: giao thông đô thị, nhà cửa, trung tâm thương mại… so với các công nghệ thi công khác hiện nay

- Hạn chế rủi ro gây mất ổn định đất nền ở mặt đào làm cho mất mát một lượng thể tích đất, nhờ vào kỹ thuật cân bằng áp lực đất và nước ngầm ở đầu khiên và hệ thống chống đỡ của khiên

- Điều khiển khai đào, chỉnh hướng, vận chuyển đất đào tự động từ trung tâm điều khiển trên mặt đất

1.3 Khả năng ứng dụng phương pháp kích đẩy trong xây dựng cải tạo cơ sở hạ tầng ở thành phố Hồ Chí Minh

1.3.1 Đặc điểm địa chất khu vực Tp HCM

Theo tài liệu địa chất kiến trúc và bản đồ phân vùng địa chất công trình lãnh thổ Việt Nam, khu vực thành phố Hồ Chí Minh nằm trên đơn nguyên địa hình chuyển tiếp giữa hai kiểu: địa hình đồng bằng cao tích tụ bóc mòn dạng bậc

tích tụ trầm tích phù sa trẻ miền Tây, thuộc ven rìa Bắc của miền võng rộng lớn dạng địa hào Nam Bộ

Tổng quan về địa mạo và điều kiện thành tạo cho thấy đơn nguyên này thuộc loại địa hình đồng bằng tích tụ các trầm tích từ phù sa cổ đến phù sa trẻ với nhiều nguồn gốc sông, đầm lầy, sông biển, vũng vịnh hỗn hợp thuộc kỷ Đệ Tứ Do điều kiện hình thành nên môi trường phân bố các tầng trầm tích biến đổi khá lớn và phức tạp, chiều dày các hệ tầng trầm tích cũng rất dày, từ vài mét và có nơi đến hơn một trăm mét

Thành phần cấu trúc phổ biến của các tầng đất trầm tích phù sa cổ có nguồn gốc sông phân bố theo chiều sâu từ trên xuống dưới dạng như sau:

- Tầng sét, sét cát feralit hóa ở mức độ khác nhau, có nơi đã phân hóa thành laterite, độ dày từ 3 đến 5m, cục bộ dày tới 8 m đến 10m, tùy theo điều kiện hình thành Đây là tầng đất được xem là tầng đánh dấu để nhận biết phù sa cổ, chúng có mặt ở khắp mọi nơi và được gọi là mũ laterite

- Tầng sét, sét cát dưới đáy thường chứa sạn sỏi thạch anh, màu xám - xám trắng, dẻo mềm đến cứng, dày từ 3m đến 12m

- Tầng cát hạt mịn đến hạt thô, cát lẫn bột, màu xám – xám trắng, vàng nâu đỏ Thành phần chủ yếu là cát thạch anh, là tầng chứa nước và bão hòa nước, trạng thái chặt vừa đến chặt và rất chặt, độ dày từ 5m đến 20m

Thành phần cấu trúc tầng đất trầm tích cổ có nguồn gốc biển bao gồm các tầng đất:

- Tầng sét xám đen có lẫn hữu cơ đã cố kết, chặt, dẻo cứng, phân bố cục bộ, độ dày từ 4m đến 6m

- Tầng sét lẫn bột, màu xám nâu, vàng xám nâu loang nâu đỏ, trạng thái từ dẻo cứng đến cứng, có thể đang trong quá trình hóa đá, phân bố ở độ sâu từ 12m đến

40m, độ dày từ 5m đến 20m, có khả năng chịu lực tốt và thường được đặt móng trong tầng này

- Tầng cát hạt trung đến hạt thô lẫn sỏi sạn, màu nâu vàng xám nhạt, chặt vừa đến rất chặt, độ sâu phân bố từ 30m đến 40m trở xuống, chiều dày chưa xác định

Mặt cắt địa chất khu vực Tp HCM theo hướng Tây bắc – Đông nam đi qua địa phận Củ Chi, Hóc Môn, quận 12, quận Gò Vấp, quận Tân Bình, quận Phú Nhuận, quận 1, 3, 4, đô thị Nam Sài Gòn, sông Nhà Bè và hướng Tây – Đông đi qua Bình Chánh, quận 10, 3, 1, cầu Sài Gòn, quốc lộ 1A, Phước Long, sông Đồng Nai, thể hiện trên hình 1.3.1 Các thông số đặc trưng địa kỹ thuật của các tầng đất thuộc quận 1, 3, 10, 5, và 11 được tổng kết trong bảng 1.3.1 Trong phạm vi xây dựng công trình dọc quận 1 và quận 5, bắt đầu từ khoảng 7 - 8 m so với mặt đất tự nhiên đến khoảng 40 m là tầng cát, cát pha sét, vàng xám trắng có sỏi nhỏ, nguồn gốc từ sông – thể hiện ở cột (5) bảng 1.3.1

Bảng 1.3.1 Các thông số đặc trưng địa kỹ thuật của các tầng đất Quận 1, 3, 10,

5, và 11 thuộc khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Số hiệu tầng đất

1.3.2 Khả năng ứng dụng phương pháp kích đẩy

Hiện nay ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh thường xuyên xảy ra tình trạng ngập lụt khi mưa lớn và hệ thống sông rạch bị ô nhiễm nặng Do đó, trong xây dựng cơ bản cần có những chiến lược và mục tiêu lâu dài để giải quyết hệ thống thoát nước và xử lý nước thải Hiện nay thành phố Hồ Chí Minh đang thực hiện dự án “Cải thiện môi trường nước Tp HCM” với mục đích cải tạo hệ thống thoát nước mưa, thu gom xử lý nước thải, khôi phục cải tạo hệ thống kênh rạch, chỉnh trang đô thị, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong khu vực

Trước nhu cầu như vậy, vấn đề đặt ra là chọn loại công nghệ thi công nào cho phù hợp trong điều kiện thành phố Với hệ thống cống bao được thi công sâu trong lòng đất trên dưới 12m với đường kính từ ∅900 - ∅2200, công nghệ thi công kích đẩy là phù hợp nhất Bởi vì, công nghệ này đảm bảo thi công nhanh (theo hồ sơ dự án “Cải thiện Môi trường Nước Tp HCM, với cống ∅2200, kế hoạch trong vòng một tháng có thể kích được khoảng 200m), không làm ảnh hưởng nhiều đến địa tầng bên trên (có nghĩa là giảm thiểu khả năng gây lún mặt đường), có thể thi công sâu trong lòng đất và đặc biệt là giao thông đô thị vẫn hoạt động bình thường (trừ những vị trí giếng kích và giếng tiếp nhận), mà đây là điều cần nhất cho TP HCM vì hầu hết các tuyến đường trong khu vực này lưu lượng xe cộ đang trong tình trạng bão hòa, do đó việc “khóa” đường để thi công là giải pháp không mong muốn

1.4 Nhận xét và nhiệm vụ của đề tài

Do đặc thù điều kiện địa chất công trình của khu vực Tp HCM có lớp trầm tích trẻ có bề dày khá lớn nên việc chọn lựa phương pháp xây dựng công trình thoát nước đô thị nhất thiết phải xét đến các yếu tố quan trọng hàng đầu này Trong điều kiện đô thị, nếu thiết kế các công trình thoát nước ở độ sâu không lớn, biện pháp thi công sẽ gặp nhiều khó khăn Thật vậy, với nhiều công

trình hiệu hữu trên nền trầm tích bở rời, nhất thiết phải bố trí các công trình chống đỡ khi khai đào để tránh ảnh hưởng đến các công trình trên mặt Việc này gây nhiều tốn kém và kéo dài thời gian thi công đáng kể

Việc tính toán phân tích biện pháp thi công không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài Ở đây nhiệm vụ chủ yếu của luận văn là khảo sát bài toán thiết kế cống ngầm trên cơ sở tính toán công trình ngầm trong bối cảnh điều kiện địa chất khu vực TP HCM Trên cơ sở mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trường đất xung quanh công trình ngầm, tiến hành đánh giá các tác động có thể có của chúng với các công trình hiện hữu

Từ các kết quả phân tích bài toán, tiến hành chọn lựa độ sâu bố trí công trình phù hợp với điều kiện địa chất mà không gây tác động đến các công trình hiệu hữu trong điều kiện đô thị

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỐNG NGẦM

2.1 Tổ hợp tải trọng tác dụng lên công trình ngầm

Cống ngầm là một trong nhiều loại hình công trình ngầm Công trình ngầm chịu tác dụng của nhiều loại tải trọng Các loại tải trọng có quá trình hình thành khác nhau, có tính chất khác nhau, phương pháp xác định tùy thuộc ý nghĩa sử dụng của công trình, tùy thuộc vị trí bố trí hầm và tùy thuộc đặc điểm của môi trường đất đá xung quanh

Để chọn được những tổ hợp tải trọng bất lợi nhất đối với sự làm việc của kết cấu, người ta phân thành 3 loại tổ hợp [6], [13]:

Tổ hợp chính: bao gồm các loại tải trọng cố định tác dụng lâu dài như trọng

lượng bản thân công trình, áp lực địa tầng, áp lực truyền qua đất do các tải trọng cố định trên mặt đất; các lực tạm thời tác động trong thời gian lâu dài như áp lực trong của chất lỏng, trọng lượng chất lỏng chứa trong cống, áp lực ngoài của nước ngầm, áp lực do xe cộ lưu thông truyền qua đất; và một số lực tạm thời tác động trong thời gian ngắn như áp lực do xe cộ truyền qua đất ở nơi không có đường giao thông, áp lực thí nghiệm

Tổ hợp phụ: bao gồm tải trọng do các thiết bị, phương tiện thi công gây ra, áp

lực do ép vữa cho vỏ hầm, ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ trong hầm, ảnh hưởng do co ngót và từ biến của bê tông vỏ hầm, áp lực của kích di chuyển trong phương pháp thi công khiên đào

Tổ hợp đặc biệt: bao gồm các tải trọng xuất hiện có tính chất ngẫu nhiên hoặc

do sự cố bất ngờ như áp lực do động đất, sự làm việc bất lợi do một bộ phận nào đó của công trình bị hư hỏng, sự tăng áp lực nước trong hầm dẫn nước có áp khi hỏng bộ phận điều chỉnh của nhà máy

Công trình được thiết kế bằng tổ hợp tải trọng chính và kiểm tra khi có tải

trọng phụ và tải trọng đặc biệt

Khi kiểm tra:

- Tổ hợp tải trọng có tải trọng phụ được nhân với hệ số 0,9;

- Tổ hợp tải trọng có tải trọng phụ và tải trọng đặc biệt được nhân với

hệ số 0,8 (trừ trọng lượng bản thân kết cấu)

2.2 Các loại tải trọng tác dụng lên cống

2.2.1 Trọng lượng bản thân cống

Xem trọng lượng này là lực thẳng đứng phân bố đều dọc theo chiều dài

đường trung bình của mặt cắt ngang cống (đường kính trung bình của cống)

Cường độ của lực này phụ thuộc vào bề dày cống và trọng lượng riêng của vật

liệu làm cống [6]

Với cống mặt cắt tròn, bề dày không thay đổi, trọng lượng bản thân cống

trên một đơn vị chiều dài đường tròn là:

m t

Trong đó γp : trọng lượng riêng của vật liệu làm cống;

r : bán kính trung bình của cống;

t : bề dày thành ống

2.2.2 Trọng lượng và áp lực của chất lỏng trong ống

Trọng lượng chất lỏng trong cống:

Trọng lượng chất lỏng trong ống tròn hay áp lực đẩy nổi mà cống phải

chịu Theo định luật Acsimet, ta tính ra áp lực là:

Trong đó: r : bán kính trong của mặt cắt ngang cống;

γW : trọng lượng riêng chất lỏng với trị số tiêu chuẩn được lấy như sau (tính bằng kN/m3): nước nguyên chất: 10; nước biển: 10,3; nước

bẩn (tùy từng loại): 10,1 ÷ 10,8; dầu lửa: 0,9; nước bùn: 1,5 [6]

Áp lực thủy tĩnh của chất lỏng chứa vừa vặn đầy ống không áp:

Chất lỏng chứa vừa vặn đầy ống không áp sẽ gây ra áp lực lên thành

trong cống như hình 2.2.1a, trong đó áp lực chất lỏng lớn dần từ đỉnh cống đến

đáy cống với độ lớn γW r(1−cosα), trong đó α là góc xoay từ 0 - 2π

Áp lực phân bố đều của ống có áp:

Áp lực chất lỏng trong cống có áp thường được chia thành hai loại là áp

lực do tràn cống tạm thời và áp lực do tràn cống theo chu kỳ

Tràn cống theo chu kỳ là do dao động lên xuống của mực nước khi hệ

thống bơm hút đẩy, van điều khiển áp lực giữ ổn định mực nước, van điều hòa

áp lực bên trong, hay do những ảnh hưởng mang tính chu kỳ khác gây ra

Tràn cống tạm thời là hiện tượng tạm thời tự nhiên, xảy ra trong khoảng

thời gian tương đối ngắn và giữa trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định

khác Áp lực trong cống có thể hình thành và ngay lập tức trở lại ổn định như ban

đầu Hiện tượng này thường không có tính chu kỳ trong tự nhiên mặc dù nó có

thể lặp lại nhiều lần Tràn cống tạm thời thường được gọi là hiện tượng nhồi

nước (water hammer) Một vài tác động vào hệ thống đường ống sẽ làm thay đổi

vận tốc dòng chảy trong ống và đó là nguyên nhân tiềm tàng dẫn đến hiện tượng

nuớc nhồi Nguyên nhân ban đầu gây ra hiện tượng này có thể là do thay đổi

trong việc lắp đặt các van, lúc bắt đầu hoặc dừng bơm, bơm không ổn định, hay

do các đặc tính của tuabin [20]

Với loại áp lực này, vỏ cống hoàn toàn chịu kéo, chuyển vị của địa tầng có tác dụng chống lại tạo nên lực kháng đàn hồi tác dụng hướng tâm ngược chiều với áp lực bên trong và phân bố đều trên toàn chu vi mặt ngoài vỏ cống [13] Ở đây, áp lực trong cống gây ra lực dọc với giá trị N = P’r, trong đó P’ là áp lực nước có áp bên trong cống; r là bán kính trung bình của cống

Hình 2.2.1 Áp lực nước trong cống a) Phân bố áp lực trong cống không áp; b) Phân bố áp lực trong cống có áp

2.2.3 Áp lực địa tầng

Trong tính toán công trình ngầm, áp lực địa tầng là tải trọng chủ yếu Tùy theo tính chất và cấu tạo địa chất, áp lực địa tầng tác dụng lên công trình ngầm có thể là thẳng đứng từ trên xuống, áp lực ngang, áp lực từ dưới đáy cống tác dụng lên và đôi khi là áp lực dọc theo chiều dài công trình

Thực tế xây dựng cho thấy rằng áp lực địa tầng lên công trình ngầm phát triển mạnh khi điểm tựa của công trình ngầm lún xuống hay biến dạng Do đó phải thực sự cẩn trọng trong công tác thi công, tránh làm yếu đất nền Theo

địa tầng theo thời gian sau khi lắp đặt Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này

là do độ cứng của công trình không đủ, đất nền xung quanh bị xáo trộn gây biến

dạng công trình và làm gia tăng giá trị áp lực đất

Áp lực đất lên công trình không những phụ thuộc vào các đặc trưng cơ lý,

cấu trúc địa tầng mà còn phụ thuộc vào đặc điểm quá trình thi công Rõ ràng

trạng thái ứng suất ban đầu ảnh hưởng đáng kể lên kết quả tính toán Do đó, kết

quả bài toán phù hợp hơn nên xét điều kiện thi công thực tế

σz

σz+ dσz

q

Hình 2.2.2 Trạng thái ứng suất trong khối đất bị xáo trộn

Trên hình 2.2.2 thể hiện trạng thái ứng suất của khối đất bị xáo trộn Áp

lực đất dọc trục công trình ngầm theo Terzaghi có thể biểu diễn dưới dạng [28]:

0 0

1 tan

n K n

K

K a

c a

Trong đó: a1 : kích thước khối trượt như hình 2.2.2;

γ : trọng lượng riêng của đất;

K0 : hệ số áp lực ngang,

c : lực dính; ϕ : góc ma sát trong;

q : tải trọng trên bề mặt;

1

a

z

n= , với z là độ sâu kể từ mặt đất đến đỉnh hầm

Xét hình 2.2.2, giả sử trong quá trình phát triển biến dạng khi đào sâu

xuất hiện mặt trượt theo cung OAB Theo mặt này, sức chống cắt của đất là

Giả sử rằng theo phương thẳng đứng thì đất trượt theo mặt AC và ứng suất

theo phương thẳng đứng σz phân bố đều theo phương ngang Tại độ sâu z ta có:

Trọng lượng bản thân của lớp đất trên 1 đơn vị chiều dài của hố đào sẽ là

2a1γdz Chiếu tất cả các lực lên phương thẳng đứng:

2a1 σz +dσz − a1σz + c dz+ K0σz ϕdz− a1γ dz= (2.2.7) Chia cho dz, ta nhận được phương trình vi phân thông thường:

1

0 1

tan

a

K a

c dz

K a c d

z

z

ϕσ

γ

Đặt

1 0

a

c

b =γ − ;

1 0 0

tan

a K

Thế (2.2.10) vào (2.2.9) ta được

0 0

Tìm hằng số vi phân C từ các điều kiện biên Thấy rằng khi z = 0 thì σz =

q (nếu không có tải thì σz = 0) Kết quả thu được là:

(b a q a

b

1ln

0 0

=+

−

b z

a

q a b

a b

Ở độ sâu khá lớn dưới mặt đất, khi giá trị z lớn hơn đáng kể so với a1 nên

xem như n = ∞, ta được:

ϕ

γσ

Terzaghi cho rằng hệ số K0 = σx/σy dọc trục công trình ở độ sâu 2a1 trên

công trình có thể đạt đến giá trị 1,5 Thông thường, trong điều kiện đất yếu bão

hòa nước ở trạng thái ban đầu K0 = 1 Khi đó:

ϕ

γσ

f1

a

Theo M.M Protodiakonov, phương trình đường cong mặt trượt khi khai

đào có dạng:

2 1

1

x a

z

f

Trên cơ sở phương trình (2.2.23) có thể biểu diễn áp lực đất theo phương

thẳng đứng lên nắp công trình dưới dạng:

2 1

x a

a

Hệ số kiên cố cho các lớp trầm tích mềm rời có thể lấy xấp xỉ f = tanϕ,

đối với đá cứng R

100

1

f ≈ , ở đây R là cường độ kháng nén đơn trục của đá

Công thức (2.2.24) là công thức gần đúng do chấp nhận một số giả thiết

Theo công thức của Terzaghi (2.2.4), có thể nhận được giá trị áp lực theo phương

Với cát có ϕ = 300, công thức (2.2.22) trở thành σz =1,735a1γ Kết quả

thực nghiệm đo đạc áp lực địa tầng theo phương thẳng đứng dao động trong

phạm vi σz =(1,3÷1,4)a1γ Sai số lớn nhất so với kết quả đo đạc thực nghiệm là

ϕ

h a

Trong trường hợp chiều sâu đặt công trình nông, có nghĩa là khi chiều sâu

đặt cống H thỏa mãn điều kiện trong công thức (2.2.26) hoặc (2.2.27) thì áp lực

theo phương thẳng đứng xem như là áp lực của cột đất, tức là σz =γH [2]

Hoặc H <5a1 (phù hợp khi f < 0,8) (2.2.27) Ngoài ra, trong trường hợp đào sâu thỏa mãn công thức trên nhưng khi đất

đá bên trên công trình ngầm yếu và rời rạc tới mức có thể bỏ qua lực liên kết

như công trình đặt trong đất bão hòa nước, vùng cát chảy,… thì áp lực theo

phương thẳng đứng vẫn được tính toán như áp lực của cột đất

Áp lực ngang lên công trình ngầm khai đào theo phương thẳng đứng:

ϕγ

i i i

Từ kết quả phân tích công thức (2.2.4), áp lực do trong lượng bản thân các

lớp đất có bề dày H ≥ 5a1 có giá trị không đổi và không phụ thuộc độ sâu chôn

công trình Ngoài ra còn có thể thấy rằng, áp lực địa tầng theo phương thẳng

đứng lên công trình ngầm có thể triệt tiêu nếu 0

Khi công trình ngầm thi công bằng phương pháp đào kín và nằm tương đối sâu, trong điều kiện địa chất tương đối tốt, việc tính toán áp lực thẳng đứng có thể dùng lý luận của M.M Protodiakonov đưa ra hai giả thiết [2], [10], [13]:

Giả thiết 1: Khi đất xung quanh công trình ngầm có nhiều vết nứt hoặc

cấu tạo có nhiều lớp dính kết không chắc chắn làm phá hoại tính hoàn chỉnh của đất đá nên trong tính toán có thể giả thiết môi trường xung quanh công trình là rời rạc Đối với đất rời hệ số ma sát do góc ma sát trong quy ước bằng hệ số ma sát do góc ma sát trong thực của đất, f = tanϕ (ϕ : là góc ma sát trong) Trong thực tế có thể gặp trường hợp đất dính, giữa các hạt có lực dính kết, vì vậy nếu coi môi trường là rời rạc thì phải tăng hệ số ma sát lên Với đất dính độ bền chống cắt là F =σ× tanϕ+c Vậy hệ số ma sát lúc này là

σ

ϕσ

Protodiakonov gọi f là hệ số độ cứng (hay độ kiên cố)

Giả thiết 2: Trên cơ sở chấp nhận giả thiết thứ nhất thì sau khi đào cống

phía trên cống sẽ hình thành một vòm cân bằng (vòm áp lực) Vòm này có khả năng chịu toàn bộ áp lực đất đá phía trên nó, do đó áp lực tác dụng lên công trình chỉ là trọng lượng phần đất đá bị phá hoại phía dưới vòm cân bằng Hai mặt bên vách của cống sẽ hình thành mặt trượt (450 −ϕ2 ) so với phương thẳng đứng khi f < 4

Đối với cống tròn, để tính toán với giả thiết vòm áp lực, có nghĩa là thỏa mãn các điều kiện trong công thức (2.2.26) hoặc (2.2.27) và điều kiện địa chất

Hình 2.2.3 Sơ đồ vòm áp lực và áp lực địa tầng

Chiều cao vòm áp lực tại đỉnh vòm và tại vị trí x suy ra từ công thức

(2.2.22):

f

a h h

a

V V

ϕ

OD OD

Áp lực ngang tác dụng lên cống:

Trong đó: hv : chiều cao vòm phá hoại;

γ : dung trọng của đất đá; khi công trình nằm thường xuyên dưới mực nước ngầm, phải tính toán theo dung trọng đẩy nổi: