Phân tích ảnh hưởng của hố móng đào sâu nhà cao tầng đến ổn định công trình lân cận

TÊN ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ MÓNG ĐÀO SÂU NHÀ CAO TẦNG ĐẾN ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH LÂN CẬN TÓM TẮT Trong điều kiện quỹ đất hạn hẹp tại TP.. Đây thật sự là một hiện trạng đòi hỏi n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-[ \ -

NGUYỄN CÔNG HUÂN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ MĨNG ĐÀO SÂU NHÀ CAO TẦNG ĐẾN ỔN ĐỊNH

CƠNG TRÌNH LÂN CẬN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN XUÂN THỌ

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS TRẦN TUẤN ANH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-

Tp.HCM ngày 25 tháng 01 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ MÓNG ĐÀO SÂU NHÀ CAO TẦNG ĐẾN ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nhiệm vụ:

Phân tích ảnh hưởng của hố móng đào sâu nhà cao tầng đến ổn định công trình lân cận

2 Nội dung:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về hố móng đào sâu trong công trình nhà cao tầng

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

Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của hố móng đào sâu công trình “cao ốc văn phòng

Coteccons” đến công trình lân cận

Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 25 tháng 01 năm 2010

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 02 tháng 07 năm 2010

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN XUÂN THỌ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS TRẦN XUÂN THỌ PGS.TS VÕ PHÁN

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

Ngày …… tháng …… năm 2010

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CÁM ƠN

Luận văn Thạc sĩ là kết quả tổng hợp những kiến thức mà tác giả đã tích luỹ được sau hai năm học tập tại Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Để hoàn thành được luận văn này, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân tác giả còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên của gia đình và bạn bè đồng nghiệp

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy TS Trần Xuân Thọ, người

đã hết sức tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể Quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là Quý thầy cô trong Bộ môn Địa Cơ – Nền Móng đã hết lòng truyền đạt những kiến thức quý báu, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành tốt luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình – thành viên luôn kề vai sát cánh, đôn đốc trong quá trình tác giả học tập và thực hiện luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị đã và đang công tác tại công ty Nagecco, bạn bè đã tạo điều kiện, hỗ trợ tác giả trong thời gian qua

TP.Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2010

Nguyễn Công Huân

TÊN ĐỀ TÀI

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ MÓNG ĐÀO SÂU NHÀ CAO TẦNG ĐẾN ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

TÓM TẮT

Trong điều kiện quỹ đất hạn hẹp tại TP HCM, các công trình cao tầng thường san sát nhau, hoặc xen lẫn với các công trình cấp 3, cấp 4 đã xuống cấp Đây thật sự là một hiện trạng đòi hỏi người thiết kế và thi công phải dự tính được chuyển vị của kết cấu chắn giữ, phạm vi và mức độ ảnh hưởng do việc thi công hố móng đào sâu gây ra cho những công trình lân cận

Với tính cấp thiết của vấn đề trên, tác giả đã tiếp cận đề tài luận văn: “ Phân tích ảnh hưởng của hố móng đào sâu nhà cao tầng đến ổn định công trình lân cận”, tiến hành nghiên cứu các cơ sở lý thuyết chung và chọn phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề sau:

1) Phân tích ổn định và biến dạng của hố móng đào sâu được thi công bằng biện pháp đđào hở kết hợp hệ chống giữ

2) Thiết lập biểu đồ của chuyển vị ngang tường chắn theo từng giai đoạn thi công Kiểm tra khả năng chịu lực của hệ kết cấu chắn giữ hố móng

3) Phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố móng đào sâu đến các công trình lân cận có kết cấu móng khác nhau (móng sâu và móng nông) Từ đó kiểm tra ổn định của các công trình lân cận

4) Thiết lập biểu đồ của chuyển vị ngang và độ lún các móng công trình lân cận theo từng giai đoạn thi công hố đào sâu

5) Nghiên cứu các giải pháp làm giảm sự ảnh hưởng của quá trình thi công hố móng đào sâu đến các công trình lân cận

Từ kết quả và biểu đồ phân tích trên, tác giả thiết lập các biểu thức quan hệ để dự tính độ lún và chuyển vị ngang của công trình lân cận, cũng như chọn được các giải pháp

For the above reasons, based on general theories and the finite element method (FEM), the thesis: “Analysing the effect of deep excavation of the high-rise building on the stability of surrounding constructions” has been choosen to analyse below problems:

1) Analysing the stability and displacement of deep excavation constructed by bottom-up method

2) Establishing the diagram of horizontal displacement of diaphram wall in each stage of construction, inspecting the bearing capacity of shoring systems for deep excavation

3) Analysing effects of deep excavation on surrounding constructions with different foundation structures (shallow and deep foundations), inspecting the stability of surrounding constructions

4) Establishing the diagram of horizontal displacement and settlement of surrounding construction’s foundations in each stage of construction

5) Studying the methods to reduce the effect of deep excavation of high-rise building on the stability of surrounding constructions

From the above studies, the author will propose expressions to calculate horizontal displacement and settlement of surrounding construction’s foundations, providing the solutions to reduce the effects of deep excavation of the high-rise building on the

MỞ ĐẦU

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỐ MĨNG ĐÀO SÂU TRONG CƠNG TRÌNH NHÀ

CAO TẦNG

1.3 Giới thiệu một số công trình hố móng đào sâu nhà cao tầng 9

1.4 Những nguyên nhân gây mất ổn định hố đào và công trình lân cận 12

1.5 Những sự cố về hố móng đào sâu đã xảy ra trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA ỔN ĐỊNH HỐ

MÓNG ĐÀO SÂU VÀ CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

2.1 Giới thiệu 18 2.2 Lý thuyết tính toán áp lực đất lên kết cấu chắn giữ của hố móng đào sâu 18

2.2.4 Ảnh hưởng của chuyển vị thân tường đến áp lực đất 27

2.3 Phương pháp tính toán kết cấu chắn giữ của hố móng đào sâu 31

2.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 38 2.4 Phương pháp kiểm tra ổn định hố móng đào sâu 38

2.4.1 Kiểm tra ổn định chống trồi của hố đào 38

2.4.1.1 Phương pháp Terzaghi – Peck 38 2.4.1.2 Phương pháp Caquot và kerisel 40

2.4.1.3 Phương pháp tính theo Goh (1994) 41

2.4.1.4 Tính toán theo quy trình hố móng Thượng Hải 43

2.4.2 Kiểm tra ổn định chống chảy thấm của hố đào 44

2.4.2.1 Kiểm tra ổn định chống phun trào 44

2.4.2.2 Kiểm tra ổn định chống cột nước có áp 44

2.5 Phương pháp kiểm tra ổn định của đất và công trình lân cận hố móng 45

2.5.1 Các phương pháp thực nghiệm 45 2.5.1.1 Phương pháp của Peck (1969) 45 2.5.1.2 Phương pháp của Clough và Mana (1981) 46

2.5.2.1 Phương pháp Caspe (1966) và Bowles (1988) 47

2.5.2.3 Phương pháp của Moscomarchitextura (1999) 49

2.6 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua việc ứng dụng phần mềm

mô phỏng vào tính toán, kiểm tra ổn định hố móng và công trình lân cận 52

2.6.3 Các mô hình đất nền trong phần mềm Plaxis 54

2.7 Nhận xét và lựa chọn phương pháp phân tích 56

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ MÓNG ĐÀO SÂU CÔNG

TRÌNH “CAO ỐC VĂN PHÒNG COTECCONS” ĐẾN CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

3.2.2.3 Biện pháp hạ mực nước ngầm trong hố móng 65

3.2.2.4 Biện pháp tường chắn hố móng đào sâu 66

3.2.3.2 Các thiết bị sử dụng và thời gian quan trắc 69

3.3.2 Điều kiện thuỷ văn 71 3.4 Tính toán các thông số đầu vào cho mô hình Plaxis 73

3.4.1 Xác định các thông số cho mô hình đất nền Hardening-Soil 73

3.4.2 Các thông số của tường chắn 75

3.4.3 Các thông số của thép hình 75

3.4.4 Các thông số cọc khoan nhồi 75

3.4.5 Các thông số và tải trọng của các công trình lân cận 75

3.4.5.1 Với công trình có kết cấu móng sâu (chung cư 10 tầng) 75

3.4.5.2 Tải trọng bởi công trình có kết cấu móng nông (nhà cấp 4 – 2 tầng) 78

“cao ốc văn phòng Coteccons” 80

3.5.1 Phân tích ổn định và ứng suất biến dạng của hố móng đào sâu theo

3.5.2 Thiết lập các biểu đồ chuyển vị ngang tường chắn So sánh với kết

3.5.2.1 Thiết lập các biểu đồ chuyển vị ngang của tường tại vị trí đỉnh

tường, các vị trí ứng với từng giai đoạn đào, vị trí chân tường chắn 97

3.5.2.2 So sánh với kết quả quan trắc thực tế 103

3.5.3 Kiểm tra khả năng chịu lực của hệ kết cấu chắn giữ hố móng 105

3.6 Phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố móng đào sâu “cao ốc văn

phòng Coteccons” đến công trình lân cận có kết cấu móng sâu 107

3.6.1 Phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố móng đào sâu đến

ổn định tổng thể của chung cư 10 tầng lân cận 108

3.6.2 Phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố móng đào sâu đến

ổn định cục bộ của từng vị trí móng công trình chung cư 10 tầng lân cận 115

3.6.3 Thiết lập các biểu thức quan hệ và ứng dụng khi đánh giá ổn định

3.6.3.1 Thiết lập biểu thức quan hệ giữa (S/H) và (X/H) 123

3.6.3.2 Thiết lập biểu thức quan hệ giữa (Δux/X) và (z/H) 125

3.6.4 So sánh độ lún các móng công trình lân cận tính toán từ Plaxis với

3.7 Phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố móng đào sâu “cao ốc văn

phòng Coteccons” đến công trình lân cận có kết cấu móng nông 130

3.7.1 Phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố móng đào sâu đến

ổn định của công trình nhà cấp 4 lân cận có kết cấu móng nông 131

3.7.2 Thiết lập các biểu thức quan hệ và ứng dụng khi đánh giá ổn định

3.7.2.2 Thiết lập biểu thức quan hệ giữa (ux/H) và (X/H) 144 3.8 Nghiên cứu các giải pháp làm giảm sự ảnh hưởng của quá trình thi công

hố móng đào sâu “cao ốc văn phòng Coteccons” đến các công trình lân cận 148

3.8.1 Giải pháp 1 – Thay đổi chiều sâu tường chắn 148

3.8.2 Giải pháp 2 – Tăng thêm hệ chống cho kết cấu chắn giữ hố đào 152

3.8.3 Giải pháp 3 – Thay đổi các chỉ tiêu cường độ vật liệu 154

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, mức độ đô thị hóa ngày càng nhanh, mức sống của

người dân ngày một nâng cao kéo theo đó là nhu cầu về sinh hoạt ăn ở, nghỉ ngơi, giải trí

cũng tăng lên không ngừng, đòi hỏi một không gian sống tốt hơn , tiện nghi hơn Mặt

khác, với xu hướng hội nhập, công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước và xu thế phát triển

của thời đại nên sự đầu tư xây dựng các công trình nhà ở cao tầng thay thế các công trình

thấp tầng, các khu dân cư đã xuống cấp là rất cần thiết Tuy nhiên, việc giải quyết các

nhu cầu về sinh hoạt (nơi để xe, bố trí các bể nước ngầm, bể tự hoại, trạm bơm…) luôn là

vấn đề cần cân nhắc của các chủ đầu tư xây dựng công trình, dẫn đến việc gia tăng chiều

cao của các cao ốc thông thường kéo theo sự tăng về độ sâu của công trình

Trong điều kiện quỹ đất hạn hẹp tại TP HCM, các công trình cao tầng thường san

sát nhau, hoặc xen lẫn với các công trình cấp 3, cấp 4 đã xuống cấp Đây thật sự là một

hiện trạng đòi hỏi người thiết kế và thi công cần có những biện pháp chắn giữ để bảo vệ

thành vách hố móng, đảm bảo công trình an toàn trong quá trình thi công cũng như khi sử

dụng và không gây ảnh hưởng xấu đến các khu vực lân cận đã xây dựng trước đó Ngoài

ra, trên phương diện thiết kế cũng cần hết sức lưu ý đến việc hạn chế làm thay đổi tình

hình địa chất và thuỷ văn tại khu vực xây dựng (mực nước ngầm, đất nền bị xáo trộn…) vì

những thay đổi này sẽ có sự ảnh hưởng rất lâu dài đến các công trình lân cận

Việc thi công kết cấu chắn giữ cho hố móng nhà cao tầng rất đa dạng, phụ thuộc

vào từng điều kiện cụ thể, các thiết bị, máy móc xây dựng ngày càng hiện đại, tối tân

hơn Chúng ta cần thấy được 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

Chính vì thế việc nghiên cứu các kết cấu chắn giữ hố móng nhà cao tầng cũng như

phân tích sự ảnh hưởng của quá trình thi công và sử dụng đến công trình lân cận thật sự

rất cần thiết hiện nay Đây cũng chính là tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

2 Nội dung nghiên cứu của Luận văn

Trong phạm vi luận văn, tác giả sử dụng tường tầng hầm BTCT (diaphragm wall,

một trong những biện pháp hữu hiệu để chắn giữ thành vách hố móng sâu) để phân tích,

tính toán và so sánh

Trong suốt quá trình thi công, biện pháp bố trí hệ chống, khoảng thời gian tiến

hành các giai đoạn đào, giải pháp thoát nước hố móng … tất cả đều có ảnh hưởng đến ứng

suất, chuyển vị của tường hố đào, sự chuyển dịch của đất ở quanh hố móng, ổn định của

các công trình lân cận Vì vậy, đề tài “Phân tích ảnh hưởng của hố móng đào sâu nhà

cao tầng đến ổn định công trình lân cận” của tác giả nhằm giải quyết các vấn đề sau

đây:

1) Phân tích ổn định và biến dạng của hố móng đào sâu được thi công bằng biện

pháp đđào hở kết hợp hệ chống giữ bằng phần mềm mô phỏng, so sánh với kết

quả quan trắc thực tế

2) Thiết lập biểu đồ của chuyển vị ngang tường chắn theo từng giai đoạn thi công

Kiểm tra khả năng chịu lực của hệ kết cấu chắn giữ hố móng

3) Phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công hố móng đào sâu đến các công

trình lân cận có kết cấu móng khác nhau (móng sâu và móng nông)

4) Kiểm tra ổn định của những công trình lân cận dưới ảnh hưởng của quá trình thi

công hố móng đào sâu gây ra

Nghiên cứu các giải pháp làm giảm sự ảnh hưởng của quá trình thi công hố

móng đào sâu đến các công trình lân cận

5)

3 Phương pháp nghiên cứu

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

Phương pháp giải tích:

o Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết phân tích, kiểm tra ổn định và biến dạng của

tường chắn liên tục trong đất

o Nghiên cứu lý thuyết kiểm tra ổn định của hố móng đào sâu nhà cao tầng

o Nghiên cứu lý thuyết tính toán vùng ảnh hưởng và chuyển vị của đất nền xung

quanh hố móng Từ đó kiểm tra ổn định cho các công trình lân cận

Phương pháp phần tử hữu hạn: s dụng phần mềm Plaxis: ử

o Phân tích ổn định và biến dạng của hố móng đào sâu trong quá trình thi công,

so sánh với số liệu quan trắc thực tế Kiểm tra khả năng chịu lực của hệ kết cấu

chắn giữ

o Xác định phạm vi và mức độ ảnh hưởng do hố móng gây ra cho công trình lân

cận, so sánh với số liệu quan trắc thực tế Từ đó kiểm tra ổn định cho các công

trình lân cận

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

Từ các phân tích và nghiên cứu, tác giả thu được các kết quả sau:

1) Đánh giá ổn định và biến dạng của hố móng đào sâu được thi công bằng biện

pháp đào hở kết hợp với hệ chống giữ

2) Thiết lập biểu đồ của chuyển vị ngang tường chắn theo từng giai đoạn thi công

Trên cơ sở đó lựa chọn vị trí, tiết diện các kết cấu chắn giữ và biện pháp thi

công hợp lý cho hố móng đào sâu

3) Thiết lập biểu đồ của chuyển vị ngang và độ lún các móng công trình lân cận

theo từng giai đoạn thi công hố đào sâu Từ đó xác định được mức độ ảnh

hưởng của hố đào sâu đến ổn định của các công trình lân cận

4) Thiết lập các biểu thức quan hệ giữa độ lún và chuyển vị ngang gia tăng của

các móng công trình lân cận (sinh ra do ảnh hưởng bởi quá trình thi công

hố đào) với khoảng cách từng móng đến hố đào; giữa chuyển vị ngang tổng thể

gia tăng của hệ móng công trình lân cận theo các giai đoạn và chiều sâu đào

đất của quá trình thi công hố đào Từ đó có thể dự đoán được mức độ ảnh

hưởng cũng như kiểm tra ổn định của công trình lân cận bất kỳ xung quanh hố

móng đào sâu

5) Đưa ra các giải pháp hạn chế ảnh hưởng do việc thi công hố móng đào sâu gây

ra đến ổn định công trình lân cận và một số biện pháp xử lý sự cố mất ổn định

hố móng đào sâu và công trình lân cận

5 Hạn chế của đề tài

Trong phạm vi đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu đối với tường BTCT (diaphragm

wall), bên cạnh đó còn có nhiều biện pháp chắn giữ thành hố móng khác: cọc xi măng

đất, tường cừ laser…

Trong phần cuối tác giả chỉ đưa ra từng giải pháp riêng biệt nhằm làm giảm ảnh

hưởng quá trình thi công hố đào đến công trình lân cận, chưa tiến hành kết hợp các giải

pháp và xem xét hiệu quả của từng phương án hỗn hợp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỐ MĨNG ĐÀO SÂU TRONG CƠNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG

1.1 Tổng quan về hố móng đào sâu

Căn cứ vào chiều sâu đào, hố đào có thể được chia thành hai loại:

Hố đào nông: khi chiều sâu đào không quá 5(m)

Hố sâu sâu: khi chiều sâu đào lớn hơn 5(m)

Tuy nhiên, trong một số trường hợp chiều sâu đào của hố móng nhỏ hơn 5 (m)

nhưng phải thi công trong điều kiện địa chất công trình và địa chất thuỷ văn tương

đối phức tạp thì vẫn phải ứng xử như hố đào sâu

Căn cứ vào điều kiện hiện trường phương pháp thi công, hố đào có thể được chia

thành hai loại:

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

hố móng nông cho nhà phố, nhà ở liên kế, móng cột …

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

cọc bản thép, tường barette, tường cọc xi măng đất…

Theo chức năng, kết cấu chắn giữ hố móng đào sâu có thể được chia làm hai bộ

phận chủ yếu:

Bộ phận chắn đất: gồm kết cấu chắn đất ngăn nước (tường liên tục trong đất,

tường trộn ximăng đất dưới tầng sâu, cọc trộn ximăng dưới tầng sâu, giữa cọc

đặt dày thêm cọc phun ximăng cao áp, tường vòm cuốn khép kín.…) và kết

cấu chắn đất không ngăn nước (Cọc thép chữ H hay chữ I có bản cài, cọc nhồi

đặt thưa trát mặt ximăng lưới thép, cọc hai hàng chắn đất, …)

Hệ chống và neo giữ: thép ống hay thép hình chống đỡ (chống ngang và chống

chéo), thanh neo vào trong đất, chống đỡ bằng bản sàn các tầng hầm (đối với

những công trình thi công bằng phương pháp top – down), hệ dầm vòng chống

đỡ

1.2 Giải pháp xử lý ổn định thành hố đào

Hiện nay có các giải pháp thông dụng sau:

Hệ 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

Hình 1.1 Hệ cọc bản thép kết hợp với hệ chống thép ống 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

Hình 1.2 Hệ tường BTCT liên tục kết hợp với hệ chống thép hình I

Hình 1.3 Hệ tường BTCT sử dụng biện pháp neo trong đất

Hình 1.4 Hệ tường BTCT sử dụng biện pháp thi công top-down

* Đây là hai giải pháp được sử dụng phổ biến nhất

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

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

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

1.3 Giới thiệu một số công trình hố móng đào sâu nhà cao tầng

1.3.1 Trên thế giới

Tháp Latino America 43 tầng cao nhất ở Mexico City có tầng hầm đào sâu 12,6m

Để ngăn chặn hiện tượng đẩy trồi quá mức do đào hố móng, áp suất thuỷ tĩnh tầng

đất sét nằm bên dưới được giảm bằng cách hút nước từ giếng để thoát nước cho các

lớp cát mỏng ở trong lớp sét Bên cạnh đó, sử dụng tường BTCT sâu 33m để ngăn

ngừ lún các vùng xung quanh

Tháp đôi trung tâm thương mại thế giới ở New York bằng thép gồm 110 tầng với

độ cao 405m được đặt trên đá phiến Manhatan ở độ sâu 21m, dùng tường vữa xi

măng và các neo vào đá để bảo vệ các nhà xung quanh khỏi bị biến dạng phá hoại

khi đào hố móng

Các toà nhà cao tầng ở Thượng Hải (Trung Quốc) hiện nay thường có từ 2 đến 5

tầng hầm, kích thước mặt bằng lớn nhất là 274x187m, hố móng có thể sâu đến

32m Phương pháp giữ ổn định hố móng thông dụng nhất là sử dụng tường BTCT

chạy suốt phạm vi hố móng

Hình 1.5 Một số công trình cao tầng tại TP Thượng Hải

Hình 1.6 Tường BTCT và hệ chống giữ ổn định hố móng đào sâu

1.3.2 Trong nước

Cao ốc Harbour View ở thành phố Hồ Chí Minh có 19 tầng lầu và 2 tầng hầm, hố

móng sâu đến 10m đã dùng tường trong đất sâu 42m, dày 0,6m để vây quanh hố

móng 25x27m

Trụ sở Vietcom bank ở Hà Nội cao 22 tầng có 2 tầng hầm với hố móng sâu 11m, đã

dùng tường trong đất sâu 18m, dày 0,8m kết hợp với 101 bầu neo để giữ cho hố

móng ổn định

Cao ốc Fideco được xây dựng tại số 81-85 Hàm Nghi, quận 1, TpHCM Công trình

có hố đào được chắn giữ bằng tường liên tục (Diaphram wall), tường chắn có chiều

dày là 0.6m Tường chắn được chống đỡ bởi hệ thanh chống được bố trí thành hai

lớp:

Lớp 1: đặt ở cao trình -2.200m (cao trình mặt đất là -0.250m)

Lớp 2 : đặt ở cao trình -5.500m (cao trình mặt đất là -0.250m)

Hình 1.9 Công tác đào đất và tiến hành lắp đặt tầng chống thứ 2 cao ốc Fideco

1.4 Những nguyên nhân gây mất ổn định hố đào và công trình lân cận

Thi công hố đào sâu là một công đoạn thi công hết sức phức tạp, thường xảy ra

những sự cố mất ổn định Các sự cố xảy ra bởi một hay nhiều các nguyên nhân cùng lúc,

cả về khách quan lẫn chủ quan

1.4.1 Các nguyên nhân khách quan

o 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 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 rấtø

nghiêm ngặt

o 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, gây

khó khăn cho thiết kế và thi công công trình hố móng

o Tại các khu vực đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường

phức tạp khác, việc thi công hố móng rất dễ sinh ra trượt lở khối đất, mất ổn định

hố móng, tường chắn bị chuyển dịch vị trí và bị rò nước nghiêm trọng hoặc bị chảy

đất … làm hư hại hố móng, ảnh hưởng nghiêm trọng các công trình xây dựng xung

quanh

o Công trình hố móng đào sâu thường có chu kỳ thi công dài, từ khi đào đất đến

khi hoàn thành toàn bộ các công trình ngầm dưới mặt đất phải trải qua nhiều lần

mưa to, nhiều lần chất tải, động đất, …dẫn đến tính khách quan của sự cố tương đối

lớn, xảy ra đột biến

1.4.2 Các nguyên nhân chủ quan

o Đơn vị thi công chưa cân nhắc kĩ càng trong việc lựa chọn phương án giữ ổn

định cho thành hố đào và khu vực lân cận Bên cạnh đó, quy mô công trình cũng

ngày càng tăng lên, kéo theo hố móng công trình phát triển theo xu hướng độ sâu

lớn, diện tích rộng, trình độ và kĩ thuật của các đơn vị chưa theo kịp

o Các biện pháp thi công hố móng thường chiếm giá thành xây dựng cao, khối

lượng công việc lớn, lại đòi hỏi kỹ thuật phức tạp, là một khâu khó về mặt kỹ

thuật, hay có tính tranh chấp giữa các bên Khi vượt chi phí, công tác thi công hố

móng thường bị cắt giảm (về biện pháp), dẫn đến không đảm bảo chất lượng

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

chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước, đào đất… trong đó, một khâu nào đó

thất bại sẽ dẫn đến cả công trình bị đổ vỡ

1.5 Những sự cố về hố móng đào sâu đã xảy ra trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh

Theo các nghiên cứu trước đây, có bốn kiểu phá hoại của hố móng được chắn giữ

hay xảy ra nhất: [16]

o Sự dịch chuyển quá lớn của kết cấu chắn giữ

o Kết cấu chắn giữ bị võng hay sụt lở

o Đáy hố móng trong đất sét trương nở bị đẩy trồi

o Hiện tượng đất chảy, xói ngầm trong đất dạng hạt

Nếu hố móng nằm kề các công trình khác như nhà ở, đường ống, đường giao thông

sẽ kéo theo sự mất ổn định của các công trình lân cận này

Một số sự cố mất ổn định hố móng và công trình lân cận đã xảy ra:

Thi công tầng hầm Cao Ốc Residence (Q1): công trình có 1 tầng hầm, 1 tầng trệt

và 11 lầu Khi đào ở độ -8m dưới đáy hố móng, phát hiện nước ngầm phun lên rất

mạnh cuốn theo cát hạt nhỏ Hậu quả là ngày 31/10/2007 hè đường Nguyễn Siêu

có hố sụt rộng 4x4m và sâu khoảng 3-4m và chung cư Casaco (Đường Thi Sách ,

Q1) bị lún nghiêm trọng

Nguyên nhân có thể là dùng cừ laser làm tường vây không ngăn được nước, nên

khi hút nước để thi công tầng hầm, thì cột nước chênh áp ngoài thành hố đào tạo

nên áp lực lớn đẩy nước luồn qua chân tường vây đẩy trồi đáy móng lên Nước

dưới đất được thoát ra như bình thông nhau, cuốn theo đất cát làm sụt lún nền các

công trình xung quanh gần đó Trước tình trạng đó, người ta đã phải khẩn cấp lấp

ngay các hố đào sâu và hố sụt tạo cân bằng áp lực để tránh tình trạng sụt lún tiếp

Đồng thời lắp đặt các trạm quan trắc dịch chuyển, lún và động thái nước dưới đất

để tránh các rủi ro có thể xảy ra

Cao ốc văn phòng Bến Thành TSC – 186 Lê Thánh Tôn: Công trình này có diện

tích mặt bằng 10x40m và 2 tầng hầm Tháng 11/2007, trong khi đào hố móng sâu,

thì nước ngầm ở đáy hố phun lên rất mạnh, làm phồng trồi đáy hố làm xê dịch

tường cừ bằng cọc lasen khoảng 8cm Đất nền bị sụt lún làm nứt đường hẻm lân

cận và nghiêng tường ngăn Do đó buộc phải ngừng thi công và dùng biện pháp

khoan giếng bơm hạ nước ngầm Nguyên nhân là do dùng tường cừ Lasen không

hơp lí Chân tường cừ đang đặt ở lớp cát pha bảo hòa nước nên khi có chênh áp lực

bơm hút nước trong hố đào thì nước phun mạnh từ đáy hố lên kéo theo đất cát và

gây sụt lún

Công trình cao ốc Pacific - số 43 – 45 – 47 Nguyễn Thị Minh Khai - quận 1: công

trình có 5 tầng hầm, 1 tầng trệt và 18 tầng lầu Tường tầng hầm bằng bêtông cốt

thép, dày 1m, thi công bằng công nghệ tường trong đất, khi đào đất để thi công

tầng hầm thứ 5 thì phát hiện một lỗ thủng lớn ở tường tầng hầm có kích thước 0,2m

x 0,7m, dòng nước rất mạnh kéo theo nhiều đất cát chảy từ ngoài vào qua lỗ thủng

của tường tầng hầm Công nhân đã dùng hết cách, nhưng không thể bịt được lỗ

thủng Nước kéo theo đất cát chảy ào ào vào tầng hầm, công nhân phải thoát khỏi

tầng hầm để tránh tai nạn có thể xảy ra Sự cố công trình này đã làm sụp đổ hoàn

toàn công trình Viện nghiên cứu Khoa học xã hội Nam Bộ ngay bên cạnh, tòa nhà

Sở Ngoại Vụ cũng bị lún nứt nghiêm trọng, Cao ốc YOCO 12 tầng và các tuyến

đường xung quanh công trình Pacific cũng có nguy cơ bị lún nứt

Nguyên nhân chủ yếu của sự cố này là chất lượng thi công tường tầng hầm không

tốt Lỗ thủng lớn ở tường tầng hầm có thể là do đổ bê tông không đúng quy trình

và dùng Bentonite không đúng yêu cầu gây sạt lỡ đất ở hố đào Đất bên ngoài

tầng hầm là cát pha bão hoà nước, là loại cát chảy, nên phải dùng loại Bentonite

đặc biệt có dung trọng 1.15g/cm3 chứ không được dùng loại thông thường cho đất

loại sét có dung trọng 1.04g/ cm3 Mặt khác, mực nước dưới đất bên ngoài tầng

hầm rất cao (ở cốt – 1.5m), lỗ thủng ở tường tầng hầm nằm ở độ sâu 20m, tức là có

cột nước với áp lực lớn chênh nhau đến 18,5 mét Với một cốt nước, có áp lực

18.5atm như vậy, chứa đầy trong tầng các bồi tích hạt nhỏ và các pha bão hòa

nước, thì khi có lỗ thủng ở tầng hầm cho nó thoát, dòng chảy sẽ rất mạnh kéo theo

đất cát chảy vào tầng hầm đồng thời làm rỗng xốp, làm xói lỡ và phá hoại đất nền

của móng các công trình lân cận, khiến cho các công trình đó bị biến dạng, bị sụt

lún, thậm chí bị phá hoại

Trước tình hình ngày càng nhiều sự cố xảy ra (trong cùng năm 2007), sở xây dựng

TP.HCM đã liên tiếp chủ trì nhiều cuộc hội thảo 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, Ủy 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; 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 … 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 trong thời gian tới

1.6 Những vấn đề đã được nghiên cứu

Từ công trình cao ốc Harbour View – 35 Nguyễn Huệ, Quận 1, TP HCM cho kết

quả: 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 [11]

Từ công trình nhà cao ốc văn phòng Phú Mỹ Hưng – Quận 7 cho kết quả [12]:

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

Ec=375*cu (c u 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

Từ công trình cao ốc Fideco Tower – số 81-85 đường Hàm Nghi, Quận 1, TP

HCM cho các kết quả [13]:

Hàm tương quan giữa vùng ảnh hưởng của chuyển đứng D với độ sâu đào đất

H theo phương pháp Caspe-Bowles là: D=0.566H+19.451 Theo phương pháp

Caspe-Bowles, chuyển vị đứng của đất nền sau lưng tường đạt cực đại tại vị trí

cạnh biên hố đào và giảm dần khi khoảng cách từ điểm đang xét đến cạnh

biên hố đào gia tăng Chuyển vị đứng và vùng ảnh hưởng có xu hướng gia tăng

khi độ sâu hố đào càng tăng

Tại từng vị trí nằm trong vùng ảnh hưởng, giá trị chuyển vị đứng Si tính toán

theo mô phỏng hầu hết đều lớn hơn khi tính toán theo phương pháp

Caspe-Bowles

Giá trị chuyển vị ngang của đất nền theo mô phỏng thường lớn hơn kết quả

quan trắc

Giá trị chuyển vị ngang của đất nền theo phương pháp thi công Top-Down nhỏ

hơn so với phương pháp thi công Bottom-Up

Theo tài liệu “thiết kế và xử lý hố móng” tác giả Nguyễn Uyên – NXB Xây dựng

2008, cho một số lý thuyết tính toán:

Clough và O’Rourker – Dựa vào các quan trắc thực tế đã đưa ra mối tương

quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất với độ cứng của tường chắn

Peck – Từ những quan trắc thực tế đã thiết lập biểu đồ quan hệ giữa độ lún

thẳng đứng của các móng công trình lân cận (theo % của độ sâu hố đào đang

thi công) với khoảng cách đến hố đào (theo tỉ lệ của độ sâu hố đào)

1.7 Nhận xét

Trong điều kiện quỹ đất hạn hẹp hiện nay, việc thi công các hố móng đào sâu công

trình nhà cao tầng là một công tác hết sức phức tạp, đòi hỏi người thiết kế và thi công

phải nắm rõ được các lý thuyết về tính toán và kiểm tra ổn định để đảm bảo an toàn cho

hố đào và công trình lân cận

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA ỔN ĐỊNH

HỐ MÓNG ĐÀO SÂU VÀ CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

2.1 Giới thiệu

Lý thuyết tính toán và kiểm tra ổn định hố móng đào sâu và công trình lân cận mà

tác giả đưa ra trong chương này chủ yếu xoay quanh loại kết cấu chắn giữ là tường BTCT

liên tục trong đất (Diaphragm Wall), gồm 5 phần chính:

o Lý thuyết tính toán áp lực đất lên kết cấu chắn giữ của hố móng đào sâu

o Phương pháp tính toán kết cấu chắn giữ của hố móng đào sâu

o Phương pháp kiểm tra ổn định hố móng đào sâu

o Phương pháp kiểm tra ổn định của đất và công trình lân cận hố móng

o Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua việc ứng dụng phần mềm mô

phỏng vào tính toán, kiểm tra ổn định hố móng và công trình lân cận

2.2 Lý thuyết tính toán áp lực đất lên kết cấu chắn giữ của hố móng đào sâu

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, tuy nhiên nhằm đơn giản hoá trong quá trình tính toán (và vẫn

đảm bảo tính sai số cho phép) hiện nay vẫn dùng một số lý thuyết cơ bản với những hiệu

chỉnh bằng các hệ số thực nghiệm, điển hình như: lý thuyết Coulomb; lý thuyết

Mohr-Rankine; lý thuyết cân bằng giới hạn điểm của Sokolovski [2],[5],[14]

Chúng ta sử dụng các lý thuyết 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: áp lực đất tĩnh, áp lực

đất chủ động, áùp lực đất bị động

2.2.1 Lý thuyết Mohr-Rankine

Xét mặt phẳng AB thẳng đứng trong khối đất tự nhiên có trọng lượng riêng bão

hòa là γ

sat, mực nước nằm ngang mặt đất Aùp lực ngang lên mặt AB gồm áp lực nước lỗ

rỗng u và áp lực khung hạt ở trạng thái tĩnh σ’

h, cũng là ứng suất hữu hiệu theo phương ngang

Hình 2.1 - Điều kiện phát sinh áp lực chủ động và bị động của đất

Tại điểm P ở độ sâu z, quan hệ giữa ứng suất hữu hiệu theo phương đứng σ’

v và theo phương ngang σ’h ở trạng thái tĩnh là:

σ'h = K

oσ’v= K

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 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

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 2.2)

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:

2

' 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 (K a - hệ số áp lực đất chủ động) (2.4)

σ’hp=Kp*σ’v (K p - hệ số áp lực đất bị động) (2.5)

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('sin1

'sin11

11

1'

ϕ

ϕσ

σ

−

=+

−

=+

−

=+

−

=+

OF FB OF AF FB

OF

AF OF OB

OA K

'45('sin1

'sin

-τ

v ha

+τH

A O

o o

C G

B

2α 2α

o

σ' σ'

NÉN

hp hp

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

và không xét đến lực dính 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 (hình 2.3) Điểm xuất phát là

tỷ số của các ứng suất hữu hiệu:

v

ha

g c

g c PB

PA

''cot'*

''cot'*

σϕ

σϕ

++

σ' σ'

FD PF FD

PF BF PF AF BF

PF

AF PF PB

+

−

=+

−

=+

−

=+

−

=

'sin1

'sin11

11

g c

g c K

''cot'*

''cot'*

σϕ

σϕ

'sin1'*

*2'sin

'cos'*

*'

sin1

)'sin1('sin1'cot'*

*)1(

2

ϕ

ϕϕ

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 (2.11)

Tương tự ta có áp lực bị động: σ'hp =K p*σ'v+ 2 *c'* K p (2.12)

2.2.2 Lý Thuyết Coulomb

Mặc dù lý thuyết Rankine cho phép giải thích thuận tiện, việc tính toán đơn giản,

nhưng có một số hạn chế và sai số đáng kể Thuyết Rankine dựa trên giả thiết là lưng

tường nhẵn, thẳng đứng, không xét đến độ nghiêng của lưng tường và ma sát giữa lưng

tường và đất

Với bài toán khi mặt đất nằm nghiêng, bất thường và tải trọng phụ tác dụng lên

mặt đất không theo quy luật, phức tạp thì việc sử dụng gặp khó khăn Lý thuyết Rankine

được xếp vào lý thuyết biên dưới và 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

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 Khi đó, 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 2.4

2

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

R - phản lực của đất

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 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

tạo nên mặt phá hoại cong Tuy nhiên, trong phân tích Coulomb lại giả thiết là mặt phá

Chuyển dịch

haù hoại Co

ulomb

δ Chuyển dịch

a) Trường hợp chủ động

Hình 2.5: 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 > , sai số là khá lớn

Áp lực chủ động lên tường nhám

Phương pháp trực tiếp

)sin(

)'sin(

*)'sin(

)]

[sin(

sin

)'sin(

+++

−

=

βθ

βϕδ

ϕδ

θ

θ

ϕθ

a

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('sin1

'sin

• Áp lực bị động lên tường nhám

Lý thuyết Coulomb có thể dùng để thiết lập áp lực bị động lên tường nhám có lưng

tường nghiêng và ở nơi mặt đất là mặt phẳng nghiêng đều

Phương pháp trực tiếp

)'sin(

*)'sin(

)]

[sin(

sin

)'sin(

βϕδ

ϕδ

θ

θ

ϕθ

dẫn đến việc đánh giá cao sức kháng bị động Một số phương pháp đã được kiến nghị

trong đó phần cong được xem như cong tròn hoặc ellipse hoặc đường xoắn ốc lôgarit

Hình 2.6: Lý thuyết Coulomb cho sức kháng bị động 2.2.3 Lý thuyết cân bằng giới hạn điểm của Sokolovski

Trong bài toán phẳng, xét một phân tố đất sau lưng tường chịu tác dụng của các

ứng suất σz, σx, τzx, điều kiện để phân tố đất ở trạng thái cân bằng tĩnh:

∂

∂

0

x z

x z

x zx

xz z

στ

γτσ

z

zx γ τ

Để tiện tính toán Sokolovski đưa ra thêm hai ẩn số mới là θ và σ với θ là góc giữa

σ1 và trục Oz và σ σ σ c cot* gϕ

Họ đường trượt thứ 2

Họ đường trượt thứ 1

x o

Suy ra:σz =σ*(1+sinϕ*cos2θ)−c*cotgϕ (2.24)

ϕθ

ϕσ

σx = *(1−sin *cos2 )−c*cotg (2.25)

θϕ

σ

τzx = *sin *sin2 (2.26)

Thay vào hệ phương trình bên trên, ta được:

Xét cho trường hợp cụ thể: mặt đất nằm ngang, lưng tường thẳng đứng, góc ma sát

đất và tường không đáng kể, tải trọng q phân bố đều trên mặt đất: α=0; ϕa =0;β = 0

Áp lực chủ động

Đối với đất rời: c = 0

với q là tải trọng phân bố sau lưng tường

Đối với đất dính: c ≠ 0

2.2.4 Ảnh hưởng của chuyển vị thân tường đến áp lực đất

Khi tường chắn dịch chuyển về phía trước, áp lực đất dần dần giảm xuống cho đến

trị số nhỏ nhất – áp lực chủ động Ngược lại, khi tường ép về phía đất đấp thì áp lực đất

dần dần tăng lên cho đến trị số lớn nhất – áp lực bị động

Từ thực nghiệm quan sát được rằng: khi chuyển vị ở phần đỉnh của tường bằng

0.1% - 0.5% độ cao của tường thì áp lực đất của đất có tính cát sẽ giảm thấp đến áp lực

chủ động; ngược lại, trong đất có tính cát, để đạt đến áp lực đất bị động thì chuyển vị ở

đỉnh tường phải ≥ 5% chiều cao của tường

Ảnh hưởng chuyển vị của tường chắn đến áp lực đất:

o Khi tường hoàn toàn không dịch chuyển, áp lực đất tác dụng lên tường là áp

lực đất tĩnh như hình 2.9

o Khi đỉnh tường cố định, đầu dưới tường dịch chuyển ra phía ngoài, áp lực đất

tác dụng lên tường có hình dạng như hình 2.10

o Khi đỉnh tường và chân tường cố định, phần giữa tường vồng ra phía ngoài thì

áp lực đất tác dụng lên tường có dạng như hình 2 11

o Khi tường nghiêng ra phía ngoài, quay theo trung tâm của đoạn dưới tường thì

áp lực đất tác dụng lên tường là áp lực chủ động bình thường như hình 2.12

Khi xem nền đất hoàn toàn không chuyển vị, áp lực đất hai bên tường là đất tĩnh

po Khi tường chịu tác động của ngoại lực và bị biến dạng, nếu chuyển vị ngang tại bất cứ

một điểm nào đó của tường là δ thì áp lực tác dụng lên tường tại điểm đó bên phía đất bị

nén lại sẽ tăng thêm 1 trị số là K

h – hệ số áp lực ngang của đất

Cùng với sự gia tăng của chuyển vị, áp lực đất cũng tăng theo, nhưng khi đạt đến

trạng thái giới hạn nào đó thì áp lực đất sẽ không tăng cho dù chuyển vị tăng Aùp lực ở

trạng thái giới hạn đó gọi là áp lực đất bị động

p

α = po + Khδ ≤ pp

Tương tự, áp lực đất chủ động cũng giảm nhỏ dần theo sự gia tăng của chuyển vị,

cho đến một giá trị giới hạn nào đó tuy chuyển vị tăng nhưng áp lực đất không giảm nữa

Giá trị giới hạn này gọi là áp lực đất chủ động

Chuyển vị cần thiết của tường để sinh ra áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động:

Theo Brinch – Hansen:

- Đối với áp lực đất chủ động: δ

a = 0.001H

- Đối với áp lực đất bị động: δ

p = 0.01H Trong đó: H – chiều cao của tường