Phân tích ổn định hố móng sâu nhà cao tầng trên đất yếu tại sóc trăng

- Sử dụng phần mềm Plaxis và phương pháp truyền thống kiểm tra chuyển vị, biến dạng của đất nền và hệ kết cấu chống đỡ hố móng sâu ở các giai đoạn đào khác nhau trong quá trình thi công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

LÊ NGOAN

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG SÂU NHÀ CAO TẦNG

TRÊN ĐẤT YẾU TẠI SÓC TRĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

LÊ NGOAN

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG SÂU NHÀ CAO TẦNG

TRÊN ĐẤT YẾU TẠI SÓC TRĂNG

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số: 60-58-02-04

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ TUẤN NGHĨA

HÀ NỘI - 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Lê Ngoan, học viên lớp cao học 24ĐKT12, chuyên ngành Địa Kỹ thuật xây

dựng Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Phân tích ổn định hố móng sâu nhà cao tầng trên đất yếu tại Sóc Trăng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, tôi không sao chép

và kết quả của luận văn này chưa công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Sóc Trăng, ngày 22 tháng 12 năm 2017

Tác giả

Lê Ngoan

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau gần 02 năm tham gia học tập chuyên ngành Địa Kỹ thuật xây dựng với sự chỉ dẫn nhiệt tình của Quý thầy cô giáo Tác giả đã hoàn thành khóa học với đề tài tốt nghiệp

“Phân tích ổn định hố móng sâu nhà cao tầng trên đất yếu tại tỉnh Sóc Trăng”

Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thầy PGS.TS Hoàng Việt Hùng và TS Đỗ Tuấn Nghĩa đã dành nhiều thời gian giúp đỡ nhiệt tình, hướng

dẫn tôi trong suốt thời gian học tập, thực hiện luận văn; giúp cho tác giả có được những kiến thức hữu ích, làm nền tảng định hướng cho công tác chuyên môn

Tác giả cũng xin chân thành cám ơn đến Quý thầy cô Bộ môn Địa Kỹ thuật cùng Quý thầy cô Phòng đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Thủy Lợi đã nhiệt tình giảng dạy

và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa học này

Lời cám ơn chân thành xin gửi đến gia đình, bạn bè và các bạn học viên Lớp cao học Địa Kỹ thuật xây dựng (24ĐKT12), đặc biệt là các bạn cùng đơn vị công tác và nhóm

bạn làm Luận văn do TS Đỗ Tuấn Nghĩa trực tiếp hướng dẫn đã động viên tinh thần,

giúp đỡ và hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của quý thầy cô giáo, anh chị em và các bạn đồng nghiệp

Trân trọng kính chào!

iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU TRONG XÂY DỤNG 4

1.1 Đặc điểm của công trình hố móng sâu 4

1.1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.2 Ứng xử của đất xung quanh khi thi công hố móng sâu [1] 5

1.2 Việc thi công hố móng sâu tại Việt Nam và thế giới [2] 7

1.2.1 Các hố móng sâu trên trên thế giới 7

1.2.2 Các hố móng sâu ở Việt Nam 8

1.3 Bài học kinh nghiệm trong thi công hố móng sâu [3] 9

1.4 Nhận xét và hướng tiếp cận của đề tài 14

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CHẮN GIỮ 16

2.1 Các dạng tải trọng và phân loại 16

2.1.1 Phân loại tải trọng 16

2.1.2 Các dạng tải trọng 16

2.2 Tính áp lực đất lên tường chắn [4] 17

2.2.1 Tính áp lực đất tĩnh 17

2.2.2 Lý thuyết tính áp lực đất Rankine 18

2.2.3 Lý thuyết tính áp lực đất Coulomb 21

2.3 Kết luận 24

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU 25

3.1 Các phương pháp xác định hệ số an toàn trong phân tích ổn định hố đào 25

3.1.1 Phương pháp hệ số cường độ 25

3.1.2 Phương pháp hệ số tải trọng 25

3.1.3 Phương pháp hệ số kích thước 26

3.2 Các hình thức và cơ chế phá hoại của hố đào 26

3.2.1 Phá hoại đẩy vào 26

3.2.2 Phá hoại đẩy trồi 35

3.3 Các phương pháp phân tích ổn định 36

3.3.1 Phương pháp sức chịu tải 36

iv

3.3.2 Phương pháp sức chịu tải ngược 41

3.3.3 Phương pháp cung trượt 46

3.3.4 Phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tính ổn định của hố đào sâu trong đất sét [19] 50

3.4 Kết luận 54

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG SÂU CÔNG TRÌNH TRỤ SỞ NGÂN HÀNG TMCP CÔNG THƯƠNG CHI NHÁNH SÓC TRĂNG 55

4.1 Mô tả đặc điểm công trình Ngân hàng Công thương Việt Nam Chi nhánh Sóc Trăng [20] 55

4.2 Đặc điểm địa chất thủy văn và các thông số thí nghiệm đất nền [21] 56

4.3 Các giai đoạn thi công tầng hầm công trình 59

4.4 Các thông số đầu vào để lập mô hình hố đào trong Plaxis 2D [22] 60

4.5 Kết quả phân tích 65

4.6 So sánh kết quả hệ số an toàn theo các phương pháp khác nhau 71

4.6.1 Tính toán ổn định bằng phần mềm Plaxis (Phương pháp c, phi, Reduction) 71

4.6.2 Phương pháp Tezaghi 74

4.6.3 Phương pháp Bjerrum và Eide 75

4.6.4 Phương pháp cung trượt 77

4.7 Kết luận 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 (1) Sự cố 05 tầng hầm Công trình Pacific và viện KHXH lân cận bị sụp đổ 13

Hình 1.2 Mặt bằng vị trí Trạm bơm 14

Hình 1.3 Ảnh chụp công trình sau khi xảy ra sự cố 14

Hình 2 1 Lý thuyết tính toán áp lực đất Rankine 18

Hình 2 2 Tính toán áp lực đất chủ động, bị động Rankine 19

Hình 2 3 Tính toán áp lực đất chủ động Coulomb 22

Hình 2 4 Tính toán áp lực đất bị động Coulomb 23

Hình 3 1 Phương pháp hệ chắn đất tự do 27

Hình 3 2 Phương pháp hệ chắn đất cố định 27

Hình 3 3 Phân tích đẩy vào bằng phương pháp áp lực tổng thể 29

Hình 3 4 Các mối quan hệ giữa hệ số an toàn chống đẩy vào xác định từ phương pháp áp lực tổng thể và chiều sâu chôn tường (su không đổi) 30

Hình 3 5 Hệ số an toàn chống đẩy vào của hố đào trong đất sét 31

Hình 3 6 Phân bố của áp lực nước do thấm 32

Hình 3 7 Hệ số an toàn chống đẩy vào cho hố đào trong đất cát (tất cả các trường hợp đều an 34

Hình 3 8 Phân tích phá hoại đẩy vào bằng phương pháp hiệu áp lực 35

Hình 3 10 Mặt cắt hố đào của trường hợp giả sử 37

Hình 3 11 Mối quan hệ giữa kích thước mặt phá hoại và hệ số an toàn chống đẩy trồi xác định bởi phương pháp sức chịu tải, phương pháp sức chịu tải ngược, và phương pháp cung trượt (su = 25 kN/m2) 38

Hình 3 12 Mối quan hệ giữa kích thước mặt phá hoại và hệ số an toàn chống đẩy trồi xác định bởi phương pháp sức chịu tải, phương pháp sức chịu tải ngược, và phương pháp cung trượt (su/𝜎v’ = 0.3) 38

Hình 3 13 Phân tích đẩy trồi sử dụng phương pháp Terzaghi: (a)DB/ 2 và (b) 2 / B D 39

Hình 3 14 Quan hệ giữa chiều sâu chôn tường và mặt phá hoại: (a) chôn sâu và (b) chôn nông 41

Hình 3 15 Phân tích phá hoại đẩy trồi bằng phương pháp sức chịu tải ngược 42

Hình 3 16 Hệ số sức chịu tải Skempton (Skempton, 1951) 44

Hình 3 18 Vị trí tâm mặt trượt trong phương pháp cung trượt 46

vi

Hình 3 19 Phân tích phá hoại đẩy trồi theo phương pháp cung trượt: (a) mặt phá hoại

và (b) các lực tác dụng lên khối trượt 48

Hình 3 20 Hệ số an toàn tăng khi cung phá hoại vượt quá chiều rộng hố đào 49

Hình 3 21 Phân tích đẩy trồi trong đất yếu phân tầng 49

Hình 4 1 Phối cảnh công trình Ngân hàng Vietinbank, chi nhánh Sóc Trăng 55

Hình 4 2 Mặt bằng mô hình hố đào sâu Vietinbank Sóc Trăng 56

Hình 4 3 Mặt cắt địa chất công trình (hố khoan HK1, HK2, HK3) 59

Hình 4 4 Mặt cắt hố đào công trình 60

Hình 4 5 Mô hình hố đào công trình trong phần mềm Plaxis 2D 61

Hình 4 6 Chuyển vị ngang của tường trong các giai đoạn đào 65

Hình 4 7 Sụt lún mặt đất sau tường theo các giai đoạn đào 66

Hình 4 8 Hiện trạng công trình Câu Lạc Bộ Hưu Trí (nằm kề hố móng đang thi công) 67

Hình 4 9 Đẩy trồi qua các giai đoạn đào 67

Hình 4 10 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 1 68

Hình 4 11 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 2 69

Hình 4 12 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 3 69

Hình 4 13 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 4 70

Hình 4 14 Kết quả hệ số an toàn Msf khi giảm Phi-c (Phase 4 trong Plaxis) 72

Hình 4 15 Vị trí các điểm khảo sát (A, B, C) 73

Hình 4 16 Chuyển vị của điểm C theo Msf 73

Hình 4 17 Phân tích đẩy trồi sử dụng phương pháp Terzaghi (= 00) 74

Hình 4 18 Phân tích đẩy trồi sử dụng phương pháp Bjerrum và Eide 75

Hình 4.19 Phân tích phá hoại đẩy trồi theo phương pháp cung trượt 77

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 Quan hệ chiều dài tường bê tông cốt thép (hoặc chiều sâu chôn tường) của

trường hợp hố đào giả sử với cw 32

Bảng 4 1 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất 57

Bảng 4 2 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất (tiếp theo) 58

Bảng 4 3Các thông số và mô hình đất nền nhập vào phần mềm Plaxis (dua len tren) 62 Bảng 4 4 Thông số tường cừ 64

Bảng 4 5 Thông số thanh chống 65

Bảng 4 6 Tính hệ số an toàn Fb theo phương pháp Terzaghi bằng excel 75

Bảng 4 7 Tính hệ số an toàn Fb theo phương pháp Bjerrum và Eide bằng excel 76

Bảng 4 8 Tính hệ số an toàn Fb theo phương pháp cung trượt bằng excel 78

Bảng 4 9 So sánh kết quả theo các phương pháp khác nhau 78

p0: kN/m2 Cường độ áp lực đất tĩnh tại điểm tính toán

i: (kN/m3) Trọng lượng đơn vị của tầng đất thứ i bên trên điểm tính toán

hi: m Độ dày tầng đất thứ i bên trên điểm tính toán

nghiêng úp xuống là dương, ngược lại là âm)

suất hữu hiệu K’p: Hệ số áp lực đất bị động tính theo chỉ tiêu cường độ ứng suất

1 kN/m3 Trị bình quân gia chuyền của trọng lượng tự nhiên của các lớp

đất ở phía ngoài hố kể từ mặt đất đến đáy tường

2 kN/m3 Trị bình quân gia quyền của trọng lượng tự nhiên của các lớp

đất ở phía trong hố kể từ mặt đất đến đáy tường

Nq, Nc Hệ số sức chịu tải của đất

h

P

cz : kN/m2 Áp lực trọng lượng bản thân của lớp đất phủ nằm từ mặt hố

móng đến mái của tầng nước có áp P

wy : kN/m2 Áp lực cột nước của tầng nước có áp

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa ngày càng nhanh, tại các khu vực đô thị các công trình cao tầng đang dần thay thế các công trình thấp tầng Đồng thời, việc giải quyết các vấn đề về hạ tầng kỹ thuật cho công trình (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

Địa chất thủy văn tại khu vực Sóc Trăng có đặc điểm chung của vùng Đồng bằng sông Cửu Long, là khu vực có nền đất yếu bảo hòa nước với chiều dày lớn Do đó, với khuynh hướng phát triển mạnh các công trình nhà cao tầng, đặc biệt khi có tầng hầm thì việc nghiên cứu tính toán ổn định của hố đào sâu cần phải được quan tâm, nghiên cứu đúng mức nhằm đảm bảo cho công trình chủ thể và các công trình lân cận được ổn định, tránh được các sự cố đáng tiếc xảy ra trong quá trình thi công xây dựng cũng như khi đưa vào khai thác sử dụng lâu dài

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 ổn định hố móng sâu 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 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn và các phương pháp phân tích truyền thống vào tính ổn định trong thi công hố đào sâu

2

- Xác định được mức độ ảnh hưởng đến ổn định và biến dạng của công trình lân cận do thi công hố đào móng sâu gây ra Từ đó có những giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng

do hố đào sâu gây ra cho các công trình lân cận

- So sánh kết quả tính toán hệ số an toàn theo các phương pháp khác nhau Từ đó lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp cho những công trình tương tự

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Công trình Trụ sở Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam Chi nhánh Sóc Trăng

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận

- Tìm hiểu các lý thuyết đã có về ổn định của hố đào sâu

- Thu thập các thông tin về hiện trạng, tài liệu địa hình, địa chất, số liệu quan trắc của Trụ sở Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam Chi nhánh Sóc Trăng để lấy sơ liệu

cơ bản cho việc tính toán và so sánh kết quả

- Sử dụng phần mềm Plaxis và phương pháp truyền thống kiểm tra chuyển vị, biến dạng của đất nền và hệ kết cấu chống đỡ hố móng sâu ở các giai đoạn đào khác nhau trong quá trình thi công, so sánh với kết quả quan trắc thực tế và đề xuất phương pháp tính toán ổn định hố móng sâu hợp lý cho các nhà cao tầng

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp giải tích: Lý thuyết tính toán áp lực đất tường chắn đất; tính toán kết cấu chắn giữ hố đào theo phương pháp đàn hồi Kiểm tra ổn định chống trồi (bùng) của hố móng và kiểm tra chống chảy thấm vào hố móng

- Phương pháp phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm Plaxis để phân tích chuyển vị ngang của tường vây cừ Larssen và cọc bê tông bên trong hố đào ở các giai đoạn thi công đào đất, so sánh với kết quả được mô phỏng bằng phần mềm Plaxis và phương pháp tính bằng giải tích

- Đánh giá cơ bản ảnh hưởng của chiều sâu chôn tường và bề rộng hố đào tới ổn định

hố móng trong thi công hố đào công trình Trụ sở Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam Chi nhánh Sóc Trăng

- Đề xuất phương pháp tính toán ổn định hố móng sâu cho các nhà cao tầng trong điều kiện địa chất yếu tại Sóc Trăng

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU TRONG XÂY DỤNG

Tỉnh Sóc Trăng nằm trong vùng đồng bằng sông Cửu Long, phía Bắc và Tây Bắc giáp thành phố Cần Thơ, phía Đông Bắc giáp tỉnh Trà Vinh, phía Tây giáp tỉnh Bạc Liêu, phía Nam giáp biển Đông Sóc Trăng có địa hình thấp và tương đối bằng phẳng Độ cao cốt đất tuyệt đối từ 0,4 - 1,5 m, độ dốc thay đổi khoảng 45 cm/km chiều dài Nhìn chung địa hình tỉnh Sóc Trăng có dạng lòng chảo, cao ở phía sông Hậu và biển Đông thấp dần vào trong, vùng thấp nhất là phía Tây và Tây Bắc Tiểu địa hình có dạng gợn sóng không đều, xen kẽ là những giồng cát địa hình tương đối cao và những vùng thấp trũng nhiễm mặn, phèn

1.1 Đặc điểm của công trình hố móng sâu

1.1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay trong xây dựng và phát triển đô thị, đối với các đô thị lớn đặc biệt quan tâm đến sự kết hợp chặt chẽ giữa các công trình trên mặt đất và các công trình được xây dựng dưới mặt đất, luôn tìm cách khai thác triệt để không gian ngầm với nhiều mục đích khác nhau Do đó các công trình ngầm ngày càng được đầu tư và phát triển

Công trình ngầm là công trình nằm trong lòng đất, theo mục đích sử dụng có thể phân chia như sau:

- Công trình ngầm giao thông: Hầm đường sắt, hầm đường ô tô xuyên núi, hầm cho người đi bộ, tầu điện ngầm, hầm vượt sông

- Công trình thủy lợi ngầm: Hầm công trình thủy điện, hầm dẫn nước tưới tiêu, hầm cấp thoát nước, hầm đường thủy

- Công trình ngầm đô thị: hầm giao thông đô thị (hầm ở nút giao thông, hầm cho người

đi bộ, hầm tàu điện ngầm…) hầm cấp thoát nước, hầm cáp thông tin, năng lượng (collector), gara ngầm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng, các công trình công cộng (cửa hàng, nhà hát, phố ngầm…)

- Công trình ngầm khai khoáng: Hầm chuẩn bị, hầm vận tải, hầm khai thác, hầm thông gió…

5

Công trình đặc biệt: Hầm chứa máy bay, tàu thuyền, kho tàng, nhà máy…

Theo phương pháp thi công có thể chia ra làm hai loại chính: công trình ngầm thi công theo phương pháp đào mở và công trình ngầm thi công theo phương pháp đào kín, ngoài

ra còn có loại công trình ngầm thi công theo phương pháp hạ chìm

Khi thi công công trình ngầm một vấn đề phức tạp đặt ra là giải pháp thi công hố đào sâu Khi thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào và có thể làm thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịch chuyển và có thể lún gây hư hỏng công trình lân cận nếu không có giải pháp thích hợp

Các giải pháp chống đỡ thành hố đào sâu thường được áp dụng là: Tường cừ thép, tường

cừ cọc xi măng đất, tường cừ barette Yêu cầu chung của tường cừ là phải đảm bảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tải trọng do được cắm sâu vào đất, neo trong đất hoặc được chống đỡ từ trong lòng hố đào theo nhiều cấp khác nhau

1.1.2 Ứng xử của đất xung quanh khi thi công hố móng sâu [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 kĩ 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 kĩ thuật tổng hợp đang còn chờ phát triển về mặt lý luận

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, tại vì kĩ thuật phức tạp, phạm vi ảnh hưởng rộng, nhiều nhân tố biến đổi, sự cố hay xảy ra, là một khâu khó về mặt kĩ 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

6

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

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

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 thuỷ 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 nửa, tính chính xác cũng tương đối thấp, tăng thêm khó khăn cho thiết

kế và thi công công trình hố móng

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 vòi nước nghiêm trọng hoặc bị chảy đất làm phá hoại hố móng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình xây dựng, các công trình ngầm và đường ống ở xung quanh

Công trình hố móng bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực mước, đào đất trong đó, một khâu nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả công trình bị phá hoại

Việc thi công hố móng như đóng cọc, hạ nước ngầm, đào đất đều có thể gây ra ảnh hưởng ở các công trình lân cận hoặc tác động lẫn nhau, tăng thêm các nhân tố để có thể gây ra sự cố

Công trình hố móng có giá thành khá cao, nhưng lại chỉ là có tính tạm thời nên thường

là không muốn đầu tư nhiều chi phí Nhưng nếu để xảy ra sự cố thì việc xử lý sẽ vô cùng khó khăn, gây ra tổn thất lớn về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng về mặt xã hội

7

Công trình hố móng có chu kỳ thi công dài, từ khi đào đất cho đến khi hoàn thành toàn

bộ phần khuất của công trình ngầm dưới mặt đất phải trải qua nhiều lần mưa to, nhiều lần chất tải, chấn động, thi công có sai sót v.v tính ngẫu nhiên của mức độ an toàn tương đối lớn, sự cố xảy ra thường là đột biến

1.2 Việc thi công hố móng sâu tại Việt Nam và thế giới [2]

1.2.1 Các hố móng sâu trên trên thế giới

Công trình có tầng hầm đã có từ lâu trên thế giới, nó trở thành phổ biến và gần như là thông lệ khi xây dựng nhà nhiều tầng Đa phần các công trình đều có từ 1 đến 3 hoặc 4 tầng hầm, cá biệt có những công trình vì yêu cầu công năng sử dụng có đến 5÷10 tầng hầm tập trung nhiều nhất ở Châu Âu và các nước phát triển như Mỹ, Canada, Australia, Đài Loan…

Ở Châu Âu do đặc điểm nền đất tương đối tốt, mực nước ngầm thấp, kỹ thuật xây dựng tiên tiến và cũng do nhu cầu sử dụng nên các công trình ngầm được xây dựng rất nhiều, hầu như nhà nhiều tầng nào cũng có tầng hầm Công nghệ này còn được sử dụng để thi công các công trình ga ngầm dưới lòng đường, đường ngầm cao tốc…

Ở Châu Á nói chung công trình có tầng hầm chưa phải là nhiều, nhưng ở một số nước

và vùng lãnh thổ như Hồng Kông, Đài Loan, Hàn Quốc… thì số lượng công trình và nhà nhiều tầng có tầng hầm chiếm tỷ lệ khá cao

Trong thế giới hiện đại công trình ngầm không chỉ để giải quyết các vấn đề “nóng” trong phát triển đô thị mà còn phát triển thành những trung tâm văn hóa, thương mại, đạt tới trình độ đỉnh cao của nghệ thuật kiến trúc và chứa đựng những nét đặc trưng của các thành phố như: thành phố ngầm RESO tại trung tâm Montreal (bang Quebec – Canada) với 33km đường hầm, kết nối 41 khối nhà trong diện tích 12 km2 bao gồm văn phòng, ngân hàng, khách sạn, trường đại học, bảo tàng, trung tâm thi đấu thể thao, trung tâm mua sắm…; hệ thống tàu điện ngầm ở Moscow, London, Paris là những bảo tàng sống động về nghệ thuật trang trí, kỹ nghệ và công nghệ mang yếu tố thời đại

Vì công trình ngầm đã được xây dựng rất lâu trên thế giới nên quy trình công nghệ, thiết bị dùng để xây dựng công trình ngầm cũng rất phát triển với nhiều công nghệ hiện đại, tiên tiến Việc lựa chọn công nghệ xây dựng tùy thuộc vào từng đặc điểm cụ thể của

8

công trình Một số công nghệ, giải pháp chống đỡ thường được sử dụng phổ biến thi công hố đào sâu để xây dựng công trình ngầm trên thế giới: tường cừ thép, tường cừ bằng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép (BTCT), tường cừ bằng cọc xi măng đất, tường

cừ BTCT thi công bằng công nghệ tường trong đất hoặc các tấm BTCT đúc sẵn… Mặc dù công trình ngầm đã được xây dựng từ lâu trên thế giới với nhiều những công nghệ khác nhau, tuy nhiên, do mức độ khó khăn, phức tạp, ẩn chứa nhiều rủi ro nên việc thi công tầng hầm công trình trên thế giới đã xảy ra không ít sự cố, tai nạn

Dưới đây là một số sự cố điển hình khi xây dựng tầng hầm trên thế giới:

- Sự cố trạm xử lý nước thải tại Bangkok, Thái Lan

- Sự cố sập hố đào công trình tàu điện ngầm ở Taegu, Hàn Quốc

1.2.2 Các hố móng sâu ở Việt Nam

Ngày nay công trình có tầng hầm đã trở thành một phần của đời sống đô thị, khai thác không gian ngầm là xu hướng tất yếu trong trát triển đô thị hiện đại Không nằm ngoài

xu thế phát triển của thế giới, tại Việt Nam, các công trình có tầng hầm cũng bắt đầu xuất hiện từ những năm đầu của thập niên 90, đặc biệt phát triển trong hơn 10 năm trở lại đây nhất là ở các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Tuy nhiên, việc khai thác không gian ngầm cho mục đích xây dựng, cải tạo và phát triển đô thị ở nước

ta mới chỉ dừng lại ở những không gian đơn lẻ (dưới các khối nhà cao tầng của các khu

đô thị), hoặc chủ yếu phục vụ nhu cầu giao thông như hầm đường bộ, hầm để xe tại các trung tâm thương mại…

Do phát triển và xây dựng công trình ngầm vẫn còn là điều mới mẻ và khiêm tốn ở nước ta, trong thực tế thi công cũng không ít các sự cố liên quan đến công nghệ thi công tầng hầm đã xảy ra ở nước ta Dưới đây xin nêu ra một vài sự cố điển hình đã xảy ra ở

Việt Nam khi thi công tầng hầm công trình trong một số năm trở lại đây:

- Sự cố khi thi công công trình Chi nhánh Ngân hàng nông nghiệp Hà Nội, 45 Lý Thường Kiệt, Hà Nội

- Sự cố khi thi công tầng hầm của khách sạn Pacific, TP.HCM

9

- Sự cố khi thi công tầng hầm Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam tại Đà Nẵng

1.3 Bài học kinh nghiệm trong thi công hố móng sâu [3]

Bên cạnh những thành tựu đã đạt được, vấn đề thi công hố móng sâu cũng xảy ra nhiều

sự cố đáng tiếc, để lại những hậu quả nặng nề trong quá trình chinh phục đỉnh cao công nghệ xây dựng của nước ta trong những năm trở lại đây Nguyên nhân các sự cố rất đa dạng, do sai sót trong các khâu khảo sát địa chất công trình, thiết kế thi công tường chắn đất (sự biến dạng quá mức của đất và kết cấu chống đỡ), vấn đề bảo vệ dòng chảy và quan trắc chuyển động của đất nền xung quanh hố đào, sự mất cân bằng khi hạ mực nước, vấn đề chủ quan không tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thi công, quản lý chất lượng công trình

Những công trình hố móng gặp sự cố, nguyên nhân và bài học kinh nghiệm được rút ra thông qua các công trình sau:

* Bài học kinh nghiệm về cọc ván thép:

(1) Nhà Văn phòng ở Quận Hai Bà Trưng – Hà Nội

Công trình (Xây chen) có diện tích mặt bằng 7,15m x 22,90m, cao 8 tầng, có 1 tầng hầm, mặt tiền ở mặt phố, xây ngay sát ngôi nhà cũ 4 tầng, có kết cấu khung, móng băng với cốt đáy móng khoảng -1,2m

Để làm móng cọc ép và tầng hầm cho ngôi nhà mới, người ta đã dùng cọc ván thép U200 dài 6m ép thành tường cừ xung quanh chu vi móng và tầng hầm

Trong khi ép cọc chỉ cách tường nhà cũ 0,5m, đã thấy có tác động ảnh hưởng đến móng

và độ ổn định của công trình cũ liền kề Sau khi thi công xong tường vây hố móng, người

ta đào hố, hút nước để thi công đài cọc và tầng hầm

Theo số liệu quan trắc lún từ ngày 22/10/2007 đến ngày 28/02/2008 thì độ lún của nhà

cũ về phía hố đào (để xây tầng hầm của nhà mới) đạt tới 5cm làm cho ngôi nhà lún nghiêng, tách hẳn khỏi nhà liền kề có sẵn ở trên mái 15cm Do đó công trình mới chưa làm xong móng và tầng hầm, đã phải ngừng thi công cho đến nay để tìm giải pháp xử

lí

10

Nguyên nhân của sự cố này là do thi công ép cọc ván thép làm tường cừ đã chấn động đến nền và móng cũ, mặt khác khi bơm hút nước trong hố đào đã làm cho nền đất của móng cũ lún thêm Độ lún của nhà không đều làm cho nó nghiêng về phía hố đào của công trình đang xây dựng tầng hầm

(2) Nhà văn phòng trên đường Hà Nội - Hà Đông

Đây là ngôi nhà theo thiết kế là 15 tầng, có 2 tầng hầm Để bảo vệ thành hố đào sâu khoảng 10m, người ta làm tường cừ bằng cừ larsen sâu khoảng 16m với hệ thanh chống bằng thép hình để ổn định thành hố đào

Trong quá trình thi công ép cừ larsen và bơm hút nước trong hố móng đã làm cho nền đất dưới móng nông của một số nhà ở 4 tầng gần đó bị lún không đều và gây nứt tường nhà, phải ngừng thi công để xử lí

Nguyên nhân có thể là chân của tường cừ chưa đặt được vào tầng đất sét dẻo cứng cách nước mà đặt vào tầng cát pha chứa nước, bảo hòa nước Trong khi đó, thì mực nước dưới đất ngoài hố móng chỉ cách mặt đất khoảng 1m Như vậy khi bơm hút nước trong

hố móng, đã hạ mức nước chênh lệnh gần một chục mét làm cho áp lực nước lỗ rỗng trong đất thay đổi và làm cho nền đất dưới móng bị lún Ở đây cần nói thêm rằng, tường vây bằng cừ larsen cũ không kín nước Như vậy nước ở trong và ngoài hố đào thông với nhau qua chân tường vây và thấm qua bản thân tường vây

Như vậy, tuy chưa có sự cố lớn, nhưng cũng là bài học kinh nghiệm khi sử dụng cừ larsen và bơm hạ mực nước dưới đất

(3) Thi công hầm đường bộ qua nút giao thông Ngã tư Sở - Hà Nội

Ở đây có vấn đề rút cừ larsen để thi công hầm, người ta phải dùng tường cừ bằng cừ larsen để bảo vệ tạm thời thành hố đào Nhưng do thi công sát nhà dân nên khi rút cừ larsen có nguy cơ làm cho nhà dân bị nứt, do đó đành phải để lại không rút lên nữa Như vậy là có thêm một bài học kinh nghiệm nữa để dự báo khi thiết kế, nên sử dụng cừ larsen như thế nào cho hiệu quả và an toàn

(4) Thi công tầng hầm Cao Ốc Residence (Tp Hồ Chí Minh)

11

Công trình có 1 tầng hầm, 1 tầng trệt và 11 lầu Theo thông tin từ bài báo của tác giả Trần Văn Xuân ( ĐH Bách Khoa Tp HCM ) thì 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 , Quận 1) bị lún nghiêm trọng

Nguyên nhân cũng có thể là dùng cừ larsen 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 (trong phạm vi “phểu” hạ thấp mực nước)

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

(5) Cao ốc văn phòng Bến Thành TSC – 186 Lê Thánh Tôn, TPHCM

Công trình này có diện tích mặt bằng 10x40m và 2 tầng hầm Tháng 11/2007, trong khi đào hố đào sâu, thì nước ngầm ở đáy hố phun lên rất mạnh, làm phồng trồi đáy hố làm

xê dịch tường cừ bằng cừ larsen 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

Như vậy ở đây lại xảy ra trường hợp dùng tường cừ bằng cọc ván thép 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 Tóm lại, cả 5 trường hợp sự cố trên đều do việc thiết kế và thi công tường cừ bằng cừ larsen không tốt tạo ra tình trạng chênh áp lực nước lớn giữa trong và ngoài hố đào sâu, nước phun mạnh từ đáy hố lên làm hỏng hố đào, đồng thời nước cuốn theo đất cát làm hỏng nền của các công trình lân cận và gây ra sự cố lún sụt nghiêm trọng

12

* Bài học kinh nghiệm về tường liên tục trong đất

(1) Công trình cao ốc Pacific, Quận 1-TP Hồ Chí Minh

Công trình có 5 tầng hầm, 1 tầng trệt và 18 tầng lầu Tường tầng hầm bằng bê tông 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, tuy nhiên, 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 cát sạt lỡ lẫn với Bentonite chèn vào bê tông làm cho bê tông bị rời xốp tạo nên lỗ thủng Đất bên ngoài tầng hầm

là cát pha bão hòa 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  = 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 cột nước, có áp lực 18.5atm như vậy, chứa đầy trong tầng các bồi tích hạt nhỏ và các pha bảo 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

13

(1) (2)

Hình 1.1 (1) Sự cố 05 tầng hầm Công trình Pacific và viện KHXH lân cận bị sụp đổ (2) Công trình trạm bơm xử lý nước thải IPS, Yannawa, Bangkok, Thái Lan Sau khi nhà thầu thi công xong tường vây, công tác đào đất bên trong được triển khai cùng với hệ giằng chống tạm bằng thép Vào giữa tháng 8 năm 1997, khi công tác đào đất bên trong gần đạt đến độ sâu cuối cùng (-20,7m), một cạnh tường vây của trạm bơm

đã bị đổ sập vào bên trong, làm cho phần đất sét mềm ở khu vực xung quanh đổ vào vùi lấp toàn bộ hai xe xúc đất và một cầu cẩu đang đứng tại một vị trí bên ngoài gần đoạn tường vây đó Sự chuyển động của đất xung quanh làm hư hại khoảng 20 căn nhà trong một phạm vi khoảng 50m

Nguyên nhân sự cố: Quy trình thi công đào đất bên trong trạm bơm đã không được nhà thầu tuân thủ nghiêm túc, đào đất bên trên không có giằng chống Nhà thầu đã không lắp đặt một số hệ giằng chống tạm mà nhà thiết kế đã đưa ra, thiếu sự kiểm tra của một đơn vị thiết kế độc lập về hệ giằng chống tạm và thiếu sự giám sát của Nhà thiết kế chính của công trình trong quá trình thi công đào đất

14

Hình 1.2 Mặt bằng vị trí Trạm bơm

Hình 1.3 Ảnh chụp công trình sau khi xảy ra sự cố

1.4 Nhận xét và hướng tiếp cận của đề tài

- Trong điều kiện quỹ đất ngày càng hạn hẹp như hiện nay, việc thi công các hố móng 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 trong điều kiện xây chen Đặc biệt trên vùng đất yếu như khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long

- Với những kết quả được các nhà khoa học nghiên cứu và rút ra kết luận, liên hệ thực tiễn Công trình Ngân hàng Công thương Chi nhánh Sóc Trăng, trong phạm vi đề tài luận văn, tác giả sẽ tiến hành mô phỏng lại thực tế quá trình thi công hố đào tầng hầm bằng

15

phương pháp số thông qua phần mềm Plaxis (các giai đoạn thi công gồm thi công tường vây tạm bằng cừ Larsen, cùng hệ thanh chống), xem xét ảnh hưởng trong quá trình đào đến ổn định của các công trình lân cận, xem xét sự ảnh hưởng đến khả năng chịu lực (chuyển vị) của tường vây hố đào

- Việc bơm hạ mực nước ngầm trong hố đào có ảnh hưởng lớn đến độ lún, biến dạng của đất nền xung quanh và ảnh hưởng đến ổn định của công trình lân cận

- Có nhiều dạng kết cấu tường vây để chắn giữ hố đào, trong phạm vi đề tài luận văn tác giả chọn giải pháp chắn giữ hố đào bằng tường cừ Larsen vì đây là loại được dùng phổ biến, sẵn có trên thị trường, dễ liên kết

16

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN KẾT CẤU CHẮN GIỮ

2.1 Các dạng tải trọng và phân loại

2.1.1 Phân loại tải trọng

Tải trọng tác động và kết cấu thông thường có thể chia làm 3 loại:

- Tải trọng vĩnh cửu (tải trọng tĩnh): là tải trọng mà trong thời gian sử dụng kết cấu không biến đổi trị số, hoặc biến đổi của chúng so với trị số bình quân có thể bỏ qua không tính Ví dụ như trọng lượng bản thân kết cấu, áp lực đất

- Tải trọng khả biến (tải trọng động): là tải trọng mà trong thời gian sử dụng kết cấu có thể biến đổi trị số mà trị số biến đổi của chúng so với trị số bình quân không thể bỏ qua được Ví dụ như tải trọng mặt sàn, ô tô, cần trục hoặc tải trọng xếp đống vật liệu

- Tải trọng ngẫu nhiên: là tải trọng mà trong thời gian xây dựng và sử dụng kết cấu không nhất định xuất hiện, nhưng hễ có xuất hiện thì trị số rất lớn và thời gian duy trì tương đối ngắn Ví dụ như lực động đất, lực phát nổ, lực va đập

- Tải trọng thi công: ô tô, cần cẩu, vật liệu xếp trên hiện trường, lực neo giữ tường cừ ;

- Nếu vật chắn giữ là một bộ phận của kết cấu chủ thể thì phải kể lực động đất;

- Tải trọng phụ do sự biến đổi nhiệt độ và co ngót của bê tông gây ra Tùy theo kết cấu chắn giữ hố móng khác nhau cũng như điều kiện đất nền mà các loại tải trọng sẽ xuất hiện ở các dạng khác nhau

17

2.2 Tính áp lực đất lên tường chắn [4]

Khi tính toán kết cấu chắn giữ, áp lực tác động vào bề mặt 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 lý thuyết Coulomb với những điều chỉnh bằng số liệu thực nghiệm

Áp lực đất tĩnh: như tường chắn đất cứng duy trì ở vị trí tĩnh tại bất động (không bị dịch chuyển) thì áp lực đất tác động vào tường gọi là áp lực đất tĩnh Hợp lực của áp lực đất tĩnh tác động trên mỗi mét dài tường chắn đất biểu thị bằng E0 (kN/m), cường độ áp lực đất tĩnh biểu thị bằng p0 (kN/m2)

Áp lực đất chủ động: nếu tường chắn đất dưới tác động của áp lực đất lấp mà lưng dịch chuyển theo chiều đất lấp, khi đó áp lực đất tác động vào tường sẽ từ áp lực đất tĩnh mà giảm dần đi, khi thể đất ở sau tường đạt đến giới hạn cân bằng, đồng thời sẽ xuất hiện mặt trượt liên tục làm cho thể đất trượt xuống, khi đó áp lực đất giảm đến giá trị nhỏ nhất, gọi là áp lực đất chủ động, biểu thị bằng EA (kN/m) và pa (kPa)

Áp lực đất bị động: nếu tường chắn đất dưới tác động của ngoại lực di động theo chiều đất lấp, khi đó áp lực đất tác động vào tường sẽ từ áp lực đất tĩnh mà tăng lên, liên tục cho đến khi thể đất đạt đến giới hạn cân bằng, đồng thời sẽ xuất hiện mặt trượt liên tục, thể đất ở phía sau tường bị chèn đẩy lên Khi đó áp lực đất tăng tới trị số lớn nhất, gọi

là áp lực đất bị động, biểu thị bằng Ep (kN/m) và pp (kPa)

Qua trình bày như trên có thể thấy, trong ba loại áp lực đất thì áp lực đất bị động lớn hơn áp lực đất tĩnh, và áp lực đất chủ động là nhỏ nhất Từ phân tích lý luận và thử nghiệm thực tiễn cho thấy, chuyển vị cần thiết khi phía sau lưng tường chắn đạt đến áp lực đất bị động lớn hơn rất nhiều áp lực đất chủ động

2.2.1 Tính áp lực đất tĩnh

Nếu tường chắn duy trì tĩnh tại bất động ở nguyên vị trí của nó thì áp lực đất tác động vào tường gọi là áp lực đất tĩnh Đất ở phía sau tường chắn ở vào trạng thái cân bằng đàn hồi, áp lực đất tĩnh có thể tính theo công thức sau:

kể đến điều kiện biên trên mặt tiếp xúc lưng tường với thể đất

Hình 2 1 Lý thuyết tính toán áp lực đất Rankine

19

Hình 2.1a cho thấy, nếu trong thể đất bán vô hạn lấy một mặt cắt thẳng đứng, ở độ sâu

z của mặt phẳng AB lấy một phân tố nhỏ, ứng suất pháp tuyến là sv, sh, vì trên mặt AB không có ứng suất cắt, nên sv, sh đều là ứng suất chính Khi thể đất ở vào trạng thái cân bằng đàn hồi:

không đổi, sh tăng lớn dần, vòng tròn ứng suất (vòng tròn b) tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến cân bằng giới hạn sv, sh lần lượt là ứng suất chính nhỏ nhất và lớn nhất, khi đó ta có trạng thái bị động Rankine, trong thể đất hai tổ mặt trượt làm thành góc kẹp 45o - /2 với mặt phẳng ngang (như hình 2.1c)

2.2.2.2 Tính áp lực đất chủ động Rankine

Hình 2 2 Tính toán áp lực đất chủ động, bị động Rankine Khi lưng tường thẳng đứng, mặt đất lấp là nằm ngang thì có thể áp dụng lý thuyết cân bằng giới hạn Rankine để tính toán áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động

20

* Tính áp lực đất chủ động Rankine

Nếu lưng tường AB dưới tác động của áp lực đất mà làm cho lưng tường tách khỏi đất lấp di động ra ngoài tới A’B’, khi đó thể đất sau lưng tường đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn, tức là trạng thái chủ động Rankine Khi đó, áp lực đất chủ động được tính theo công thức:

(2.15)

Từ công thức trên có thể thấy áp lực đất chủ động pa phân bố đường thẳng theo độ sâu

z Hợp lực EA của áp lực đất chủ động tác động trên lưng tường sẽ là diện tích của hình phân bố pa, vị trí của điểm tác động ở chỗ trọng tâm của hình phân bố

+ Đối với đất cát: c=0 thì a   z Ka

21

2

E   H K kN m (2.16)

EA tác động tại chỗ Hp/3 cách mặt đất của tường chắn

+ Đối với đất sét: tại vị trí có a  0, tính được độ cao của vùng chịu kéo là

0

2.

c h

K



 (2.17)

Vì giữa đất lấp và lưng tường không thể chịu ứng suất kéo, do đó trong phạm vi lực kéo

sẽ xuất hiện khe nứt, khi tính áp lực đất chủ động trên lưng tường sẽ không xem xét đến tác động của vùng lực kéo, nên:

21

2.2.2.3 Tính áp lực đất bị động Rankine

Nếu lưng tường AB bị đẩy về phía đất lấp dưới tác động của ngoại lực, khi đất sau lưng tường đạt trạng thái cân bằng giới hạn ta sẽ có trạng thái bị động Rankine Khi đó, áp lực đất bị động được tính theo công thức:

(2.20)

Từ công thức trên có thể biết, áp lực đất bị động pp phân bố thành đường thẳng theo độ sâu z Hợp lực Ep của áp lực đất bị động tác dụng trên lưng tường có thể tìm được bằng diện tích hình phân bố của pp :

cứ vào điều kiện cân bằng của nêm đất ABC, theo bài toán phẳng sẽ giải được áp lực đất tác dụng lên tường chắn đất

Các lực tác động vào nêm đất trượt ABC có:

- Trọng lượng G của nêm đất ABC Nếu a đã biết thì độ lớn, phương chiều và vị trí điểm tác động của G đều đã biết;

- Phản lực R của thể đất tác động lên mặt trượt BC R là hợp lực của ma sát T1 trên mặt

BC với hướng pháp N1, góc kẹp của nó với pháp tuyến của mặt BC bằng góc ma sát trong của đất Bởi vì nêm đất trượt ABC tương ứng với thể đất bên phải của mặt trượt

BC dịch chuyển theo chiều đi xuống, nên chiều của lực ma sát T1 là đi lên, chiều tác dụng của R đã biết, độ lớn chưa biết

- Lực tác dụng Q của tường chắn đất vào nêm đất Góc kẹp của nó với pháp tuyến ở lưng tường bằng góc ma sát giữa lưng tường với nêm đất Tương tự, bởi vì nêm đất trượt ABC tương ứng với lưng tường trượt theo chiều đi xuống, nên lực ma sát T2 của lưng tường sinh ra ở mặt AB có chiều đi lên Chiều tác dụng của Q đã biết, độ lớn chưa biết

23

Từ điều kiện cân bằng tĩnh của nêm đất trượt ABC, sau khi biến đổi ta tính được áp lực đất chủ động theo lý thuyết Coulomb như sau:

2 max

cos

o a

Hình 2 4 Tính toán áp lực đất bị động Coulomb

2

2

2 2

1 .2

- Mô hình đất được mô phỏng tính toán gồm nhiều loại như mô hình Morh-Coulomb, Hardening Soil, Soft Soil (Cam-Clay) Tùy theo từng dạng công trình xây dựng mà

ta lựa chọn mô hình tính toán cho phù hợp

- Nội dung luận văn là phân tích ổn định, chuyển vị của hố đào sâu với kích thước hố đào có chiều dài và chiều rộng chênh lệnh không nhiều Do đó, tác giả chọn phần mềm Plaxis 2D để tính toán

- Kết quả tính bằng Plaxis 2D để so sánh với kết quả tính bằng các phương pháp truyền thống Kiểm tra ổn định móng công trình lân cận trong quá trình thi công hố đào

25

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU

3.1 Các phương pháp xác định hệ số an toàn trong phân tích ổn định hố đào

3.1.1 Phương pháp hệ số cường độ

Phương pháp này xét tới sự bất ổn định trong cường độ của đất và do đó cường độ của đất được giảm bởi hệ số an toàn Nếu kí hiệu hệ số an toàn cho phương pháp này là FSs,

các thông số trong phân tích ứng suất hữu hiệu sẽ như sau:

s

mFS

' tan tan '  

(3.1a)

s

mFS

u

FS

s

s ,  (3.2)

Sau khi tiến hành phần tích cân bằng lực hoặc cân bằng momen sử dụng các thông

số sau triệt giảm c’

m, ’

m hoặc su,mnhư trên, ta có thể thiết kế chiều sâu chôn tường Phương pháp này đặt hệ số an toàn ở nơi mà sự bất ổn định lớn nhất có thể xảy ra (đó là cường độ của đất) và do vậy là một phương pháp tương đối hợp lí Vì các thông số sau triệt giảm sẽ làm giảm Kp và tăng Ka nên sự phân bố của áp lực đất lên tường chắn sẽ bị thay đổi Do vậy, phương pháp này chỉ khả thi trong phân tích ổn định và không thể áp dụng được cho phân tích ứng suất biến dạng

3.1.2 Phương pháp hệ số tải trọng

Hệ số an toàn trong phương pháp hệ số tải trọng, kí hiệu FSl, được định nghĩa như

sau:

D R

FS l  (3.3)

26

Trong đó, R là lực chống chịu và D là lực tác động, R và D cũng có thể là momen chống chịu và momen tác động, hoặc khả năng chống chịu và ngoại lực FSl tính tới sự bất ổn định tổng thể trong cường độ của đất, phương pháp phân tích, và ngoại lực Các hệ số

an toàn trình bày trong chương này phần lớn được xác định từ phương pháp hệ số tải trọng

3.1.3 Phương pháp hệ số kích thước

Giả sử rằng tường chắn ở trạng thái tới hạn và cường độ của đất được huy động hoàn toàn Khi phân tích cân bằng lực (cần bằng lực ngang, cân bằng momen hoặc các loại cân bằng lực khác), chiều sâu chôn tường ở trạng thái tới hạn có thể được

xác định Chiều sâu chôn tường thiết kế là:

cal p d d

p FS H

H ,  , (3.4) Trong đó:

FSd là hệ số an toàn trong phương pháp hệ số kích thước

Hp,cal là chiều sâu chôn tường tính toán từ trạng thái tới hạn

Hệ số an toàn thường được định nghĩa là tỉ số của lực chống chịu trên lực tác động hoặc

hệ số giảm cường độ của đất Công thức 3.4 phụ thuộc quá nhiều vào kinh nghiệm và không thể biểu đạt hết ý nghĩa của hệ số an toàn Do đó, việc sử dụng công thức này dễ mang tới kết quả không hợp lí và không được khuyến khích sử dụng Nếu sử dụng công thức này, việc kiểm tra chéo bằng phương pháp khác là cần thiết

3.2 Các hình thức và cơ chế phá hoại của hố đào

3.2.1 Phá hoại đẩy vào

Có hai phương pháp phân tích phá hoại đẩy vào: phương pháp hệ chắn đất tự do và phương pháp hệ chắn đất cố định Như minh họa trong hình 3.3a, phương pháp hệ chắn đất tự do giải sử rằng phần ngàm của tường chắn bị dịch chuyển một khoảng đáng kể dưới tác động của áp lực đất Do đó, áp lực đất trên tường ở trạng thái tới hạn có thể được giả sử như trong hình 3.3b