Phân tích ổn định hệ tường vây trong quá trình thi công hố đào sâu bằng mô hình plaxis 3d

Đặc điểm của hố đào sâu

Hố đào sâu có những đặc điểm riêng biệt tùy thuộc vào yếu tố địa phương, phản ánh điều kiện địa chất của từng vùng Đặc điểm này chịu ảnh hưởng lớn từ tính chất của đất nền nơi thi công, cùng với các giải pháp kết cấu và kỹ thuật thi công hố đào.

Công trình thi công hố đào sâu yêu cầu thực hiện nhiều bước như chắn đất, đào đất, chống giữ và hạ mực nước ngầm Do tính chất quan trọng và yêu cầu an toàn cao, chi phí thi công thường rất lớn và thời gian thực hiện kéo dài.

Khi thực hiện công trình hố đào sâu trong điều kiện đất yếu và mực nước ngầm cao, thường xảy ra các sự cố như trượt lở, mất ổn định và hư hại kết cấu chắn giữ Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến công trình đang xây dựng mà còn tác động đến các công trình xung quanh.

Phân loại hố đào

Theo phương thức đào

(a) Đào không có chắn giữ thi công bằng cách hạ mực nước ngầm, đào taluy, gia cố nền và ổn định mái dốc:

Hình 1.1a: Đào thẳng đứng Hình 1.1b: Đào có dốc

Đào có chắn giữ thi công sử dụng kết cấu quây giữ và hệ thống chắn giữ, với vật liệu chính là thép, bê tông và xi măng trộn đất.

Phân loại theo đặc điểm chịu lực của kết cấu chắn giữ

Kết cấu chắn giữ chịu lực bị động có vai trò quan trọng trong việc chịu áp lực đất chủ động, bao gồm các loại kết cấu như phun neo và tường bằng đinh đất.

Kết cấu chắn giữ hố đào đóng vai trò quan trọng trong việc chịu áp lực đất bị động, bao gồm các thành phần như cọc, bản, ống, tường và hệ thống chống.

Phân loại theo chức năng chắn giữ hố đào

1.2.3.1 Bộ phận chắn đất a) Kết cấu chắn đất, thấm nước + Cọc thép hình có bản cài + Cọc nhồi đặt thưa trát mặt xi măng lưới thép

Cọc đặt dày (cọc nhồi, cọc đúc sẵn) b) Kết cấu chắn đất, ngăn nước

+ Tường liên tục trong đất + Cọc, tường trộn xi măng đất dưới tầng sâu + Giữa cọc đạt dày thêm cọc phun xi măng cao áp + Cọc bản thép

1.2.3.2 Bộ phận chắn giữ kiểu kéo giữ + Kiểu tự đứng (cọc consol, tường) + Thanh neo vào tầng đất

+ Ống thép, thép hình chống đỡ (chống ngang) + Chống chéo

+ Hệ dầm vòng chống đỡ

Các loại tường vây hố đào thường sử dụng

Tường chắn bằng cọc đất trộn xi măng

Trộn cưỡng bức đất với xi măng để tạo thành cọc xi măng, sau khi đóng rắn sẽ hình thành tường chắn dạng bản liền khối với cường độ nhất định, phù hợp cho các hố đào có độ sâu từ 3 đến 6 mét.

Hình 1.2: Tường bằng cọc xi măng trộn đất

Tường chắn bằng cọc khoan nhồi

Cọc khoan nhồi có đường kính từ 0,6 đến 1 m và chiều dài từ 15 đến 30 m, được sử dụng để xây dựng tường chắn theo kiểu hàng cọc Đỉnh cọc được cố định bằng dầm vòng bê tông cốt thép, phù hợp cho hố đào có độ sâu từ 6 đến 13 m.

Hình 1.3: Tường bằng cọc khoan nhồi

Tường chắn bằng cọc thép hình

Cọc thép hình I hoặc H được hạ xuống đất bằng búa đóng hoặc rung, tạo thành tường chắn kiểu hàng cọc với khoảng cách sát nhau Phương pháp này thường được áp dụng cho các hố đào có độ sâu từ 6 đến 13 mét, và trên đỉnh cọc được giằng bằng thép hình để tăng cường độ ổn định.

Hình 1.4: Tường bằng cọc thép hình

Tường chắn dạng hàng cọc bản thép

Sử dụng thép máng sấp ngửa hoặc cọc bản thép khóa miệng bằng thép hình chữ U và chữ Z, được hạ xuống đất bằng phương pháp đóng hoặc rung Sau khi hoàn thành nhiệm vụ chắn giữ, các loại thép này có thể được thu hồi và tái sử dụng Phương pháp này thích hợp cho các hố móng có độ sâu từ 3 đến 10 mét.

Tường chắn cọc bản bê tông cốt thép

Cọc bản bê tông cốt thép có chiều dài từ 6 đến 12 m, sau khi được hạ xuống đất, sẽ được cố định bằng dầm vòng bê tông cốt thép hoặc thanh neo Loại cọc này thường được sử dụng cho các hố đào có độ sâu từ 3 đến 6 m.

Tường vây barrette

Tường vây barrette là loại tường bê tông đổ tại chỗ, có độ dày từ 600 đến 800 mm, được sử dụng để giữ ổn định hố đào trong quá trình thi công Tường này được cấu tạo từ các đoạn cọc barrette có tiết diện chữ nhật, với chiều rộng thay đổi từ 2,2 đến 3,6 m Các đoạn tường barrette được liên kết chống thấm bằng goăng cao su Đối với công trình có 2 tầng hầm, tường barrette thường có chiều sâu lớn hơn 10 m, tùy thuộc vào địa chất và phương pháp thi công.

Các phương pháp ổn định tường vây barrette

Tường vây barrette được giữ ổn định khi thi công bằng các giải pháp sau:

Để đảm bảo sự ổn định cho công trình, hệ dàn thép hình được sử dụng với số lượng tầng thanh chống linh hoạt, có thể là 1, 2 hoặc nhiều hơn, tùy thuộc vào điều kiện địa chất và chiều sâu của hố đào.

Phương pháp neo trong đất là một kỹ thuật quan trọng để giữ ổn định trong xây dựng, trong đó thanh neo dự ứng lực được sử dụng rộng rãi Trong số các loại neo trong đất, neo phụt là loại phổ biến nhất, đặc biệt trong việc xây dựng hầm.

Phương pháp thi công Top-Down là một kỹ thuật phổ biến hiện nay để giữ ổn định trong quá trình xây dựng Để hỗ trợ sàn tầng hầm, thường sử dụng Kingpost bằng thép hình Trình tự thi công có thể được điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với đặc điểm của từng loại công trình.

Hình 1.5: Thi công Top – Down

Hệ dàn thép hình kết hợp với sườn gia cường là phương pháp giúp giữ ổn định hiệu quả, đã được áp dụng phổ biến tại Đài Bắc, Trung Quốc Tuy nhiên, tại Việt Nam, phương pháp này vẫn chưa được sử dụng rộng rãi.

Khảo sát một số công trình hố đào sâu trên thế giới và Việt Nam

Một số công trình trên thế giới

Tòa nhà Chung – Wei Đài Loan : 20 tầng, 3 tầng hầm;

Tháp đôi Luala Lumpur city Center Malaysia;

Tòa nhà Commerce Bank: 56 tầng; 3 tầng hầm;

Tòa nhà Cental Plaza HongKong : 75 tầng, 3 tầng hầm;

Tòa thư viện Anh: 7 tầng, 4 tầng hầm;

Tòa nhà Chung- Hava Đài Loan : 16 tầng, 3 thầng hầm.

Một số công trình có thi công hố đào sâu ở Việt Nam

Cục tần số vô tuyến điện, Trần Duy Hưng, Hà Nội; tường barrette dày 80cm, 27 tầng có 3 thầng hầm;

Chung cư Nguyễn Thái Học, phường Yết Kiêu: có 2 tầng hầm;

Vietcombank Tower, 98 Trần Quang Khải, Hà nội: 2 tầng hầm;

Hacinco Tower : tường barrette: 2 tầng hầm;

Kho bạc nhà nước Hà Nội: 2 tầng hầm;

Tòa nhà văn hóa đa năng, Pasteur, quận 1, Hồ Chí Minh: 3 tầng hầm;

Tòa nhà Vincom Tower, Lê Thánh Tôn, Quận 1, Hồ Chí Minh: có 6 tầng hầm;

Bitexco tower, Hồ Chí Minh: 2 tầng hầm;

Lottery Tower, Lê Thánh Tôn, Hồ Chí Minh: 3 tầng hầm.

Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu

Nguồn biến dạng trong

1.6.1.1 Độ cứng tường chắn và hệ chống đỡ

Thay đổi độ dày của tường ảnh hưởng đến độ cứng của tường, từ đó giảm chuyển dịch của đất bên ngoài hố đào Tuy nhiên, nếu tường quá dày sẽ chiếm nhiều diện tích và làm tăng chi phí thi công.

Clough và O’Rourke (1990) đã thực hiện một nghiên cứu dựa trên quan sát biến dạng của các hố đào, lập bảng so sánh độ cứng của tường chắn và mối tương quan giữa hệ số an toàn với sự trồi nền Trong nghiên cứu này, O’Rourke đã phân tích hố đào trong đất sét từ mềm đến cứng vừa, so sánh chuyển vị ngang lớn nhất và chuẩn hóa (umax/z) với độ cứng của tường (EI/γh^4).

Trong đó: E: mô đun đàn hồi của tường ; I: mô ment chống uốn h: khoảng cách trung bình giữa các thanh chống

Hình 1.6: Đường cong thiết kế cho chuyển dịch tường lớn nhất Clough và O’Rourk,

L Sebastian Bryson và David G Zapata-Medina (2012) đã tiến hành mô phỏng 3D nhằm nghiên cứu tác động của độ cứng của các loại tường đối với chuyển vị của chúng khi tương tác với các loại đất khác nhau.

Hình 1.7: Ảnh hưởng độ cứng của tường đến chuyển vị của tường

Nghiên cứu của Long (2001) đã phân tích 296 trường hợp, tập trung vào kết quả xác nhận của Clough và O’Rourke (1990) đối với các vùng đất cứng với tỷ lệ  hm / H từ 0,05 đến 0,25% và  vm / H từ 0 đến 0,2% Đối với đất sét mềm có hệ số an toàn thấp, sự chuyển dịch của tường có thể đạt đến 3,2% Long kết luận rằng biến dạng của hố đào sâu trong đất dính và đất sét cứng không phụ thuộc nhiều vào độ cứng của bức tường và hệ chống đỡ, tuy nhiên, độ cứng có ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng khi đào sâu trong đất sét mềm với hệ số an toàn thấp Ông cũng đã phát triển hệ số linh hoạt Addenbrooke’s để xác định độ cứng của tường và hệ chống đỡ.

- Hình dạng, kích thước hố móng ảnh hưởng đến sự phân bố chuyển vị của đất xung quanh và bên dưới dáy hố móng

Hố đào càng sâu thì ứng suất tổng giảm, dẫn đến chuyển vị của tường chắn tăng lên Đồng thời, khi hố đào rộng hơn, chuyển vị của tường chắn cũng sẽ gia tăng.

- Phân tích theo mô hình ứng suất hữu hiệu, MIT-E3 (Whittle và Kavvadas,

Nghiên cứu năm 1994 cho thấy ảnh hưởng của chiều dài tường đến độ lún nền và chuyển vị ngang của tường ở các chiều sâu tường L = 40 m và 20 m Khi thực hiện các cấp đào H = 2,5 m; 5,0 m; 15,0 m; 22,5 m cho đất có chỉ số OCR = 1, nhận thấy rằng khi chiều sâu tường tăng, chuyển vị ngang của tường sẽ giảm.

Hình 1.8: Ảnh hưởng của chiều dài tường trên chuyển vị ngang

Tác giả Chang – Yu Ou đã phát triển một quy trình phân tích 3D trên chương trình máy tính để nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hố móng trong các bài toán đào sâu, với ứng dụng cụ thể trên công trình thực tế.

Hình 1.9: Sự khác nhau giữa chuyển vị lớn nhất của tường trong các trường hợp chiều dài tường phụ khác nhau

- Với chiều dài tường phụ (B>20), khi giảm chiều dài của tường chính thì độ lệch của tường sẽ giảm

Với những phương án hố đào sâu có mặt bằng đảo là hình chữ nhật hoặc hình vuông thì chuyển vị tại góc là nhỏ nhất

Hình 1.10: Phương án đào có mặt bằng là hình chữ nhật

Hình 1.11: Các vùng ứng xử biến dạng phẳng và biến dạng không gian trong hố đào

- Trong hình, ở hố đào hình chữ nhật biến dạng ở trung tâm cạnh dài (mặt cắt 1-

1) được xem là biến dạng phẳng

- Ở vùng trung tâm cạnh ngắn (mặt cắt 2-2), do bị ảnh hưởng của vùng góc nên chuyển vị tường vây nhỏ hơn so với mặt cắt 1-1

- Các ứng xử tại các góc (A, B) cũng có ứng xử không gian nên chuyển vị nhỏ hơn trung tâm của tường, nhưng góc E có chuyển vị lớn hơn góc B

Các nghiên cứu về 3D liên quan đến hố đào, ảnh hưởng của góc

Chang – Yu Ou đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hố móng và nhận thấy rằng khi chiều dài của tường chính hoặc tường phụ tăng lên, thì tác động của góc trở nên không đáng kể.

Tường vây có độ cứng theo phương ngang lớn, dẫn đến ứng xử không gian, trong khi các phương án tường chắn khác như soldier piles, cừ Larsen, và cọc vây lại có độ cứng theo phương ngang nhỏ, do đó không cần xem xét hiệu ứng góc.

Để đạt được kết quả chính xác trong phân tích tường vây, việc xem xét hiệu ứng góc của tường vây thông qua phân tích bài toán không gian là rất cần thiết Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ duy nhất có thể thực hiện điều này.

Hình 1.12 minh họa sự thay đổi của tỷ số biến dạng phẳng liên quan đến chuyển vị lớn nhất từ góc tới phần ước lượng hố đào, với chiều dài tường chính là hằng số và chiều dài tường phụ thay đổi Trong điều kiện biến dạng phẳng, ứng xử của tường trung tâm có tường phụ dài bị ảnh hưởng bởi sự tồn tại của phần góc.

Hình 1.13: Quan hệ giữa B/L và khoảng cách tính từ góc cho tỷ số biến dạng khác nhau

Nghiên cứu của Chang Yu Pu, Dar-Chang Chiou và Tzong-Shiann Wu (1996) đã chỉ ra ảnh hưởng của hiệu ứng góc đến hố đào sâu tại tòa nhà Hai-Hua, nằm ở giao lộ Chung-Hsiao và Chin-San, thành phố Đài Bắc.

Hình 1.14: Mặt bằng tòa nhà Hai-Hua với bố trí ống Inclinometer

Mặt cắt mesh lưới cho công trình cho thấy một tường vây dày 110 cm, dài 42 m và sâu 20,3 m, được thi công bằng phương pháp top-down Quá trình thi công bao gồm bảy giai đoạn đào cho phần góc, sẽ được thực hiện theo trình tự cụ thể.

+ Đào xuống 1,6 m dưới mặt đất

+ Thi công sàn bê tông tại bề mặt và đào sâu tới 5,4 m

+ Thi công sàn 2 tại -3,8 m và đào sâu tới 8,55 m

+ Thi công sàn 3 tại - 6,95 m và đào sâu tới 11,7 m

Hình 1.16: Chuyển vị theo độ sâu tại các ống I1, I2, I3 [5]

Bảng1.1: Các thông số đất của tòa nhà Hai-Hua

Silty-clay 4,2 19,4 50,0 0 0,0 0,7 0,49 0,49 225 225 Silty-sand 10,5 20,1 6,0 35,8 0,5 0,9 0,30 0,49 650 650 Silty-clay 15,0 19,4 49,7 0 0,0 0,7 0,49 0,49 610 610 Silty-clay 24,0 19,4 72,0 0 0,0 0,7 0,49 0,49 560 560 Silty-sand 30,2 20,0 25,0 20,8 0,5 0,9 0,30 0,49 600 600 Silty-slay 37,8 19,8 121 0 0,0 0,7 0,49 0,49 680 680 Silty-silt 50,0 20,2 20,0 31.2 0,5 0,8 0,30 0,49 950 950 Gravel ≥50,0 21,6 0,0 45 0,5 0,9 0,30 0,49 2000 2000

Nguồn biến dạng ngoài

1.6.2.1 Tải trọng vùng lân cận

- Tải trọng các công trình hiện hữu ảnh hưởng lớn đến việc phân bổ lại áp lực trong đất gây tác động đến chuyển vị tường vây

Theo nghiên cứu của Gerber (1929) và Spangler (1938), áp lực đất theo phương ngang được phân bổ lại dưới tác động của tải trọng phân bổ bên trên, và điều này được điều chỉnh bởi các hệ số m và n.

- Với tải trọng tập trung

Hình 1.17: Phân bổ áp lực đất lại dưới tác dụng tải trọng Qp

Hình 1.18: Phân bổ áp lực đất lại dưới tác dụng tải trọng Qs

1.6.2.2 Áp lực đất và tính chất đất nền Áp lực ngang: áp lực đất và áp lực thủy tĩnh – tác động lên hệ chống là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến chuyển dịch đất khi đào Độ lớn áp lực đất nói chung tỷ lệ nghịch với cường độ đất, đặc biệt là khi sử dụng các thông số Coulomb và Rankine Độ lớn áp lực đất tỷ lệ lớn với mức độ đàn hồi của hệ tường chống Khi hệ chống bị biến dạng đàn hồi, hệ số áp lực đất tiến tới trị số âm, hay là điều kiện Ka

Lịch sử hình thành ứng suất của khối đất ảnh hưởng đến hệ số áp lực đất ngang, đặc biệt với đất sét Áp lực ngang tác động lên hệ thống chống gây biến dạng đàn hồi, làm tường dịch vào trong và tạo ra chuyển dịch ngang, đứng cho khối đất ngoài hố đào Trong giai đoạn đầu của hầu hết các hố đào kiểu đào-và-lấp, tường thường bị hẫng consol, tình trạng này tồn tại trước và sau khi lắp đặt hệ giằng đầu tiên Các lớp đất trung gian hoạt động như điểm ngàm consol, với chiều dài có hiệu của consol vượt quá chiều sâu đào do điểm cố định không thể xảy ra tại bề mặt đã đào Chiều sâu ngàm phụ thuộc vào cường độ đất và độ cứng của tường Sau khi lắp liên kết giằng đầu tiên, chiều dài hẫng giảm nhiều, nhưng độ lún bên ngoài hố đào từ giai đoạn trước đó không thể hồi phục, dẫn đến sự tích lũy dần dần độ lún của đất trong quá trình đào theo giai đoạn.

1.6.2.3 Cố kết do thấm và bơm nước

Thoát nước cho tầng ngậm nước nông trên lớp đất chịu nén, hoặc hạ áp của tầng thấm dưới lớp đất chịu nén, đều có thể dẫn đến hiện tượng lún.

Sự thoát nước làm giảm sức đẩy nổi, dẫn đến tăng áp lực thẳng đứng lên lớp đất chịu nén Khi áp lực của tầng thấm giảm, gradient thấm hướng xuống dưới xuất hiện, làm giảm áp lực lỗ rỗng trong lớp đất phía trên Độ lớn của lún cố kết phụ thuộc vào bề dày, tốc độ cố kết, lịch sử ứng suất của lớp đất khả nén, cũng như mức độ và hướng của sự tụt nước ngầm và tính thấm của tầng ngậm nước đã được tháo nước.

Khi sử dụng tường chống không thấm, áp lực thủy tĩnh có thể vượt quá áp lực đất, ảnh hưởng lớn đến lực tác dụng lên tường chắn Sự phân bố áp lực thủy tĩnh dọc theo chiều dài tường được xác định bởi khả năng thấm của tường và các điều kiện thấm do việc bơm hút nước trong hố đào.

Khi xem xét tường không thấm nước và giả thiết không có sự thấm nước vào hố đào, ta có trường hợp áp lực thủy tĩnh lớn nhất tác động lên tường Áp lực này tăng theo tỷ lệ với chiều sâu từ mực nước ngầm thiết kế đến chân tường Ngược lại, khi có sự thấm nước, độ lớn phân bố áp lực sẽ giảm đáng kể, đặc biệt khi độ sâu của hố đào tăng lên.

Sự hạ thấp áp suất là cần thiết để ngăn ngừa hiện tượng nâng thủy tĩnh trong các hố đào, đặc biệt khi có lớp đất chống thấm ở trên và lớp dễ thấm ở dưới Nếu trọng lượng của lớp đất không thấm nhỏ hơn áp lực thủy tĩnh, hiện tượng nâng lên có thể xảy ra Để ngăn chặn điều này, cần thực hiện các giếng hạ áp để giảm áp lực Tuy nhiên, nếu tường hố đào không xuyên sâu vào lớp không thấm, việc hạ áp suất có thể gây ra lún cố kết ngoài phạm vi hố đào.

Theo “Deep Excavation – Theory and Practice” của Chang-Yu Ou:

Dưới áp lực đất, tường vây bị uốn cong và biến dạng, dẫn đến sự dịch chuyển tương đối giữa đất và tường Đất không tăng cường moment kháng uốn cho tường mà lại gia tăng ứng suất tác động lên tường Tuy nhiên, nếu tường được gia cố bằng các sườn, hệ sườn này sẽ nâng cao khả năng kháng uốn cho tường một cách hiệu quả.

Vị trí của sườn có thể thay đổi giữa bên trong và bên ngoài tường, với việc đặt bên trong thường chịu kéo Mặc dù lý thuyết khuyên đặt sườn theo cách này, thực tế cho thấy rằng việc đặt sườn bên trong lại giúp gia tăng hiệu quả moment kháng uốn cho tường Tuy nhiên, việc đặt sườn ở vị trí này yêu cầu phải phá bỏ trong quá trình thi công hố đào.

Hình 1.19: Các dạng chuyển vị của tường - trường hợp độ cứng thanh chống không đủ lớn

(a) Giai đoạn đào chưa có thanh chống, (b) giai đoạn có thanh chống, (c) giai đoạn lấp nhiều tầng thanh chống, Chang Yu Ou (2006)

Phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phần mềm Plaxis 3D Foundation là công cụ mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu để giải quyết các vấn đề liên quan đến móng và các công trình ngầm tương tác với đất Nó nổi bật với khả năng tính toán ứng suất- biến dạng, chuyển vị- lún, nội lực trong kết cấu và ổn định trượt sâu Giao diện thân thiện của Plaxis 3D Foundation cho phép người dùng dễ dàng tạo lưới phần tử hữu hạn ba chiều từ các mặt cắt ngang ở nhiều độ cao khác nhau Quy trình tính toán cho bài toán tương tác giữa công trình và nền đất bằng phần mềm này bao gồm 11 bước cụ thể.

Bước 1: Thiết lập tổng thể bài toán Bước 2: Thiết lập mặt bằng làm việc

Bước 3: Thiết lập đường bao hình dạng, kết cấu Bước 4: Khai báo tải trọng

Bước 5: Khai báo lỗ khoan và các tính chất vật liệu Bước 6: Tiến hành chia lưới phần tử để chuẩn bị cho quá trình tính toán Bước 7: Thiết lập giai đoạn tính toán phù hợp Bước 8: Chọn điểm cần phân tích Bước 9: Thực hiện tính toán để thu thập dữ liệu Cuối cùng, Bước 10: Xem và xuất kết quả về nội lực, biến dạng và ứng suất của cấu trúc.

Bước 11: Xem và xuất kết quả biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị kết cấu

Chương trình Plaxis cho phép phân tích hiệu quả hoạt động của kết cấu trong từng giai đoạn thi công đào đất, giúp mô phỏng sự làm việc của kết cấu chắn giữ gần với thực tế nhất.

Hình 1.20: Giới hạn vùng mô hình khi phân tích hố đào sâu bằng Plaxis, K.J Bakker d min(3-5)d min(2-3)h h m in h

CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN

Cơ sở lý thuyết trong Plaxis

Gần đây, các công bố liên quan đến hố đào sâu đã nhấn mạnh vai trò quan trọng của phân tích phần tử hữu hạn Việc áp dụng phương pháp này đánh dấu một bước tiến lớn trong quy trình phân tích hố đào sâu Thêm vào đó, sự chuyển vị xung quanh hố đào trong khu vực nội thành đã góp phần nâng cao độ chính xác trong thiết kế.

Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật số hiệu quả để xác định nghiệm gần đúng cho các hàm chưa biết trong miền xác định Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc giải quyết các bài toán vật lý và kỹ thuật, nhất là khi hàm cần tìm được xác định trên các miền phức tạp với các vùng nhỏ có đặc trưng hình học và vật lý khác nhau, cùng với các điều kiện biên đa dạng.

Phần mềm Plaxis 3D được sử dụng để mô phỏng công trình, giúp dự đoán chuyển vị của tường vây trong từng giai đoạn thi công hố đào tầng hầm.

2.1.1 Mô hình vật liệu a) Mô hình Mohr - Coulomb Đàn hồi Dẻo ẹieồm deỷo 1

Hình 2.1: Quan hệ ứng suất và biến dạng trong mô hình đàn dẻo

Mô hình Mohr – Coulomb là mô hình đất phổ biến nhất, thể hiện hành vi đàn hồi – dẻo lý tưởng của đất nền và áp dụng tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Coulomb.

Nguyên lý chủ yếu mô hình Mohr – Coulomb là biến dạng của đất nền sẽ bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo là dạng biến đổi không hồi phục, và để xác định sự xuất hiện của biến dạng dẻo trong tính toán, một hàm dẻo f được định nghĩa dựa trên ứng suất và biến dạng, thể hiện qua mặt trong không gian ứng suất chính Mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng có một mặt dẻo cố định, được xác định bởi các thông số đất nền và không bị ảnh hưởng bởi biến dạng dẻo Trong các trạng thái ứng suất nằm trong mặt dẻo, hành vi hoàn toàn đàn hồi và mọi biến dạng đều là hồi phục.

Mô hình Mohr – Coulomb chỉ định một ứng suất cắt giới hạn mà không xem xét tính tăng bền hay suy bền của vật liệu trong quá trình biến dạng, nhằm phân tách rõ ràng giữa ứng xử đàn hồi và ứng xử dẻo.

Hàm dẻo Mohr – Coulomb như sau:

Để tính toán sự suy giảm thể tích do biến dạng dẻo của đất cát chặt hoặc sét cứng dưới ứng suất cắt, cần bổ sung hàm thế năng dẻo của đất vào phương trình.

Mô hình Mohr – Coulomb gồm có 5 thông số tính toán như sau:

E: Mô đun đàn hồi Young (kN/m 2 )

- Thông số phá hoại (chảy dẻo): c : Lực dính hữu hiệu (kN/m 2 )

': Góc ma sát trong hữu hiệu (độ)

Mô hình Mohr – Coulomb là một phương pháp phân tích đơn giản và nhanh chóng, được sử dụng rộng rãi để đánh giá ứng xử của đất với các thông số đầu vào rõ ràng Mô hình này thường được áp dụng trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu để tính toán gần đúng các đặc tính của đất Bên cạnh đó, mô hình tăng bền đẳng hướng Hardening Soil cũng là một lựa chọn quan trọng trong phân tích ứng xử của đất.

Mô hình tăng bền đẳng hướng Hardening Soil là một phương pháp tiên tiến dùng để mô phỏng hành vi của nhiều loại đất, bao gồm cả đất mềm và đất cứng (Schanz, 1998).

Mô hình Hardening Soil khác với mô hình Mohr – Coulomb ở chỗ mặt ngưỡng dẻo không cố định theo thời gian ứng suất chính, mà có thể thay đổi tùy thuộc vào mức độ biến dạng dẻo của đất Mô hình này tích hợp hai loại ứng xử tăng bền của đất nền, bao gồm tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén.

Tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén là hai chỉ số quan trọng trong việc mô phỏng các biến dạng không hồi phục của đất nền Tăng bền chống cắt phản ánh ứng suất lệch (ứng suất cắt) ban đầu, trong khi tăng bền chống nén mô phỏng biến dạng dưới tải nén 1 trục, bao gồm nén cố kết và nén đẳng hướng.

Trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước, mối quan hệ giữa biến dạng dọc trục và ứng suất lệch được mô tả bằng dạng hyperbolic (Kondner, 1963), và sau đó được áp dụng trong mô hình hyperbolic của Duncan và Chang (1970) Tuy nhiên, mô hình Hardening Soil đã phát triển vượt bậc so với mô hình hyperbolic, vì nó dựa trên lý thuyết dẻo thay vì lý thuyết đàn hồi, đồng thời xem xét góc giãn nở của đất và cung cấp mặt dẻo hình chỏm.

Mô hình Hardening Soil mô tả độ cứng của đất nền một cách chính xác hơn so với mô hình Mohr – Coulomb, nhờ vào việc áp dụng ba loại độ cứng khác nhau cho đất nền.

- Độ cứng khi chất tải trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước: E 50 ref

- Độ cứng khi gia tải hoặc dở tải: E ur ref

- Độ cứng trong thí nghiệm nén cố kết: E oed ref

Mô hình Hardening Soil được xây dựng dựa trên mối quan hệ hyperbolic giữa biến dạng trục  1 và ứng suất lệch q, được xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước Hình 2.2 minh họa quá trình xác định E ref trong thí nghiệm này.

Các đường cong dẻo trong thí nghiệm 3 trục thoát nước được biểu diễn như sau: q a q q

Trong đó q a là giá trị tiệm cận của sức chống cắt Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 2.3

Hình 2.3: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng theo hàm Hyperbolic trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước

Giá trị E 50 là mô đun độ cứng phụ thuộc vào ứng suất nén trong lần chất tải đầu tiên và được xác định bởi phương trình sau: m ref ref p c

E 50 ref là mô đun biến dạng tham chiếu trong thí nghiệm nén 3 trục, với áp lực nén tham chiếu p ref Số mũ m thể hiện sự thay đổi phi tuyến của mô đun biến dạng E 50 theo E 50 ref, với 0,5 ≤ m ≤ 10 tùy thuộc vào loại đất nền Ứng suất lệch tới hạn q f và giá trị q a được xác định dựa trên các thông số này.

Các thông số cơ bản trong mô hình Plaxis

2.2.1 Loại vật liệu đất nền (Drained, Undrained, Non-porous)

Đất có tính chất đặc biệt khi chứa ba thể chất: thể rắn (hạt đất), thể lỏng (nước) và thể khí (không khí) Nước trong đất tạo ra áp lực nước lỗ rỗng, ảnh hưởng lớn đến hành vi của đất nền Do đó, việc phân loại đất nền thành ba loại: thoát nước (Drained), không thoát nước (Undrained) và không thấm (Non-porous) là cần thiết để mô phỏng sự tương tác giữa kết cấu hạt đất và nước.

Khi lựa chọn lớp đất nền là vật liệu thoát nước, việc không tạo ra áp lực nước lỗ rỗng trong đất là rất quan trọng Các tải trọng bên ngoài sẽ được chuyển hoàn toàn vào ứng suất hữu hiệu của đất nền Vật liệu này thường được sử dụng cho các lớp đất nền khô ráo, nằm trên mực nước ngầm, có hệ số thấm cao, và trong các phân tích công trình ở trạng thái lâu dài mà không cần xem xét tính thấm kém của đất nền và thời gian cố kết.

Khi đất nền được thiết lập là vật liệu không thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng sẽ hình thành trong đất nền Dòng thấm trong đất nền có thể bị bỏ qua do tính thấm kém của vật liệu và hệ số tải ngoài cao Mặc dù các lớp đất nền không thoát nước hoàn toàn, nhưng chúng vẫn nằm trên mực nước ngầm Các thông số đầu vào cho lớp đất nền thường là thông số thoát nước, vì Plaxis mặc định sử dụng các công thức tương quan để chuyển đổi chúng thành thông số không thoát nước.

Vermeer & Meier (1998) đã đưa ra một công thức giúp xác định loại vật liệu trong quá trình phân tích hố đào sâu:

D - đường thấm; t - thời gian thi công

Khi T < 0,1 đất nền ứng xử không thoát nước và khi T > 0,4 đất nền ứng xử thoát nước

2.2.2 Dung trọng bão hòa và dung trọng khô

Dung trọng không bão hòa ( unsat) và dung trọng bão hòa ( sat) là các chỉ số quan trọng của đất nền, phản ánh dung trọng đơn vị bao gồm cả nước trong các lỗ rỗng của kết cấu đất Dung trọng không bão hòa đại diện cho lớp đất trên mực nước ngầm, trong khi dung trọng bão hòa áp dụng cho lớp đất dưới mực nước ngầm Lớp đất trên mực nước ngầm thường không hoàn toàn khô ráo do hiện tượng mao dẫn, vì vậy không nên coi dung trọng không bão hòa là dung trọng khô mà nên sử dụng dung trọng tự nhiên của đất Dung trọng bão hòa được tính toán thông qua công thức liên quan đến các thông số khác.

Hệ số thấm đóng vai trò quan trọng trong phân tích cố kết và dòng thấm Trong Plaxis, có sự phân biệt giữa hệ số thấm ngang (k x) và hệ số thấm đứng (k y) Tuy nhiên, trong thực tế phân tích, chúng ta thường không phân biệt giữa thấm đứng và thấm ngang để đơn giản hóa quá trình tính toán.

Các loại đất khác nhau thì hệ số thấm thay đổi rất lớn từ khoảng 10 -1 (sỏi sạn) đến 10 -10 (sét chặt) m/s

Giá trị hệ số thấm của các loại đất có thể tra theo bảng 2.1

Bảng 2.1: Hệ số thấm k của một số loại đất

Cuội sỏi >10 -1 Đất thô đến mịn 10 -1 - 10 -3

2.2.4 Thông số độ cứng của đất nền

Theo chương trình Plaxis, thông số E ref 50 trong mô hình Hardening Soil thường được xác định qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước Tuy nhiên, nhiều công trình thực tế không thực hiện thí nghiệm này Do đó, để ước lượng mô đun biến dạng của đất nền cho hầu hết các loại nền đất, nhiều tác giả đã sử dụng các thí nghiệm SPT, CPT hoặc thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước kết hợp với các công thức tương quan.

Theo kết quả thực nghiệm của Michell, Gardner và Schurtmann (1970):

N số búa của thí nghiệm NPT

- Với đất sét cố kết thường:

- Với đất sét cố kết trước:

E = 750 – 1000c u, trong đó c u là lực dính trong thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước Skempton đã đề xuất công thức thực nghiệm để tính lực dính không thoát nước dựa trên chỉ số dẻo Ip và ứng suất hữu hiệu thẳng đứng do trọng lượng bản thân, ký hiệu là σ’ z.

Theo kết quả nghiên cứu của mình, Bowles (1988) cũng đã lập ra được bảng giá trị tương quan giữa mô đun E và các loại đất khác nhau

Bảng 2.2: Miền giá trị của mô đun E ứng với các loại đất khác nhau (Bowles, 1988)

Bảng 2.3: Các giá trị điển hình của mô đun E

Loại đất Trạng thái E (MPa)

Hệ số Poisson Được xác định thông qua mối liên hệ với hệ số áp lực ngang tĩnh K o :

K o : hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh của đất; Theo Jaky: K 0  1 sin '

Bảng 2.4: Các giá trị điển hình của hệ số Poisson

Loại đất Trạng thái E (MPa)

2.2.5 Thông số sức kháng cắt của đất nền

Thông số sức chống cắt trong mô hình được phân loại thành hai dạng: dạng thoát nước và không thoát nước, tùy thuộc vào mục đích và phương pháp phân tích.

Các thông số sức chống cắt thoát nước được xác định thông qua thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước hoặc từ các giá trị sức chống cắt hữu hiệu trong thí nghiệm 3 trục cố kết không thoát nước Nếu không có thí nghiệm 3 trục CU, CD có thể được lấy từ thí nghiệm cắt trực tiếp, tuy nhiên, độ tin cậy của kết quả này thường không cao.

Thông số sức chống cắt không thoát nước, với điều kiện góc ma sát trong của đất nền là ϕu = 0, chỉ xem xét lực dính của đất (Cu) Giá trị của Cu được xác định thông qua các thí nghiệm ba trục không thoát nước, thí nghiệm cắt cánh ngoài hiện trường, hoặc thí nghiệm nén một trục nở hông.

Theo Peck, Hansen và Thornburn đưa ra bảng xác định góc ma sát trong của cát căn cứ vào số búa N của thí nghiệm SPT (bảng 2.5)

Bảng 2.5: Góc ma sát trong của cát theo chỉ số NSPT

Theo Terzaghi, Peck, Meyerhof, Duhem, Osaki, đưa ra công thức xác định góc

Các giá trị điển hình của ', c'và c u

Bảng 2.6: Các giá trị điển hình của ', c' và c u

Cát hạt tròn, chặt vừa 32,5 - -

Cát góc cạnh, chặt vừa 35 - -

Cuội sỏi không lẫn cát 37,5 - -

Sét mềm cố kết thường 15 – 20 5 – 10 10 – 25

Sét cứng cố kết trước 25 – 28 20 – 25 75 - 150

PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ HÌNH HỌC CỦA HỐ ĐÀO ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY TRONG HỐ ĐÀO SÂU

Giới thiệu

Công trình hố móng thường có chi phí cao nhưng chỉ mang tính tạm thời, dẫn đến việc nhiều người không muốn đầu tư nhiều Nếu không chú trọng đến vấn đề này, sự cố có thể xảy ra, gây khó khăn trong việc xử lý và tốn kém về kinh tế, đồng thời ảnh hưởng nghiêm trọng đến xã hội.

- Chuyển vị của tường vây là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế tường vây và là yếu tố khó tiên đoán trước

Chuyển vị ngang của tường chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thuộc tính địa chất, độ cứng của tường và hệ thanh chống, cũng như tác động của tải trọng và các yếu tố khác.

Trong thực tiễn, thiết kế mặt bằng tầng hầm phụ thuộc vào đặc điểm khu đất, giải pháp kiến trúc và kết cấu Hình dạng và kích thước hố đào ảnh hưởng đến sự phân bố và chuyển vị của đất xung quanh, cũng như bên dưới đáy hố Do đó, yếu tố hình học của hố đào cần được phân tích kỹ lưỡng, vì nó có thể tác động đến sự chuyển vị của tường vây chắn đất trong quá trình thi công hố đào sâu.

Phân tích chuyển vị ngang của tường vây theo yếu tố hình học của hố đào

Mục tiêu của chương 3 là phân tích các hình dạng của hố đào và đánh giá kết quả chuyển vị của tường vây cho từng dạng hố Phân tích được thực hiện bằng phần mềm Plaxis 3D để mô phỏng bài toán tường vây, với việc thay đổi hình dạng hố đào để tìm ra kết quả chuyển vị tương ứng và đưa ra nhận xét.

Đặt bài toán phân tích nghiên cứu

Hố đào sâu được bảo vệ bằng tường barrette (tường vây) với độ dày 0,6 m và chiều sâu 6 m Điều kiện địa chất tại khu vực thi công hố đào sâu cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thi công.

Lớp 1: Lớp đất cát, chiều dày lớp đất 6 m

Lớp 2: Lớp Sét, chiều dày lớp đất 9,5 m

Lớp 3: Lớp cát pha, chiều dày lớp đất rất dày, chưa kết thúc ở độ sâu 19,5 m Đặc điểm phụ tải trong phân tích: Các phụ tải trong quá trình thi công và các công trình liền kề được qui đổi thành tải phân bố đều với cường độ q = 5 kN/m 2 đặt cách mép ngoài tường vây là 2,0 m và ở cao trình mặt đất tự nhiên

Yêu cầu của bài toán: Xác định mức độ chuyển vị của tường vây trong các trường hợp bài toán được đặt ra để phân tích như sau:

 Bài toán 1: Dạng mặt bằng hố đào là hình vuông với kích thước mỗi cạnh là b

= 15 m và l = 15 m Tổng diện tích mặt bằng là S = b x l = 225 m 2

 Bài toán 2: Dạng mặt bằng hố đào là hình chữ nhật với kích thước cạnh là b m và l ,75 m 2 Tổng diện tích mặt bằng là S = b x l "5 m 2

 Bài toán 3: Dạng mặt bằng hố đào là hình tam giác có cạnh là a = 20 m và h22,5 m Tổng diện tích mặt bằng là S = 225 m 2

 Bài toán 4: Dạng mặt bằng hố đào là hình bình hành với kích thước mỗi cạnh là b = 12 m và l ,75 m Tổng diện tích mặt bằng là S = b x l = 225 m 2

Bảng 3.1: Thông số tường vây

(m) Đặc trƣng vật liệu Mô hình vật liệu

Mô phỏng d (mm) γ (kN/m 3 ) E (kN/m 2 ) ν

Bảng 3.2: Thông số đầu vào đất trong mô hình phân tích

Lớp đất 2 (clay) Lớp đất 3 Đơn vị

Loại vật liệu Type Drained Undrained Undrained -

Trọng lượng đơn vị trên mực nước ngầm γunsat 17 16 20,35 kN/m 3

Trọng lượng đơn vị dưới mực nước ngầm γ sat 20 18 20,9 kN/m 3

Mô đun đàn hồi E ref 15000 8000 38300 kN/m 2

Góc ma sát trong φ 32 o 22 o 30,5 o độ

Hệ số giảm cường độ R inter 0,7 0,9 0,7 -

Bảng 3.3: Thông số đầu vào của kingpost

Cấu kiện Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

H350x350x12 x 19 Độ cứng dọc trục EA 3,58 10 6 kN/m

Moment quán tính I 39.506,2 cm 4 Độ cứng chống uốn EI 8,03E+04 KNm 2 /m

Bảng 3.4: Thông số đầu vào của dầm mũ tường vây

E(kg/cm 2 ) A (cm 2 ) I (cm 4 ) EA (KN/m) EI

Hình 3.1: Mặt cắt địa chất của bài toán phân tích

Hệ thanh chống của tường vây bao gồm hai loại chính: Loại 1 với kích thước H350x350x12 x 19 và Loại 2 với kích thước 2H350x350x12x19 Các thông số đầu vào quan trọng như độ cứng dọc trục, tiết diện và mô men quán tính được thống kê chi tiết trong bảng 3.5.

Bảng 3.5: Thông số đầu vào của hệ thanh chống

2H350x350x12x19 Độ cứng dọc trục EA 7,16 10 6 kN/m

Các giai đoạn thi công hố đào đặt ra trong bài toán phân tích như sau:

- Giai đoạn 1: Thi công hệ tường vây và kingspost

- Giai đoạn 2: Đào lớp đất 1 đến độ sâu -2,0 m

- Giai đoạn 3: Thi công giằng chống lớp 1tại độ sâu -1,5 m

- Giai đoạn 4: Đào lớp đất lớp thứ 2 đến độ sâu -5,0 m

- Giai đoạn 5: Thi công giằng chống lớp 2 tại độ sâu -4,0 m.

Các dạng mặt bằng hình học hố đào trong phân tích

Bài toán 1: Mặt bằng hố đào có dạng hình vuông

Bài toán 2: Mặt bằng hố đào có dạng hình chữ nhật

Bài toán 3: Mặt bằng hố đào có dạng hình tam giác

Bài toán 4: Mặt bằng hố đào hình bình hành

Kết quả phân tích các bài toán

Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng quá trình thi công cho từng dạng hình học của mặt bằng hố đào, với các thông số đầu vào đã được nêu trước đó Mô hình nền áp dụng là Mohr - Coulomb, và dưới đây sẽ lần lượt trình bày kết quả của bài toán phân tích.

Hình 3.2: Mô hình Plaxis 3D mô phỏng bài toán

Hình 3.3: Kết cấu tường vây và hệ thanh chống qua mô phỏng Plaxis

Hình 3.4a: Kết quả chuyển vị tường vây mô hình 3D

Hình 3.4b: Kết quả chuyển vị tường vây trên mặt bằng hố đào

Bảng 3.6: Kết quả chuyển vị của tường vây - bài toán 1

Chuyển vị tường vây (mm) Giai đoạn thi công 3 Giai đoạn thi công 5

Tại trung điểm cạnh tường vây

Tại góc của tường vây

Tại trung điểm cạnh tường vây

(a) Chuyển vị ở giai đoạn thi công 3 (b) Chuyển vị ở giai đoạn thi công 5

Biểu đồ chuyển vị của tường vây tại hai thời điểm trong quá trình thi công cho thấy rằng, ở giai đoạn thi công 5, chuyển vị lớn nhất xảy ra ở độ sâu khoảng 1/3 chiều sâu tường Tại góc hố đào, chuyển vị nhỏ hơn so với khu vực giữa cạnh hố đào Khi độ sâu vượt quá 2/3 chiều sâu tường, chuyển vị tại góc và giữa cạnh hố đào trở nên tương đương Do tính chất đối xứng, các góc và trung điểm cạnh hố đào đều có giá trị chuyển vị giống nhau.

Trung điểm của cạnh mặt bằng hình vuông Góc của mặt bằng hình vuông

Hình 3.6: Mô hình Plaxis 3D mô phỏng bài toán 2

Tại trung điểm cạnh ngắn tường vây

Tại trung điểm cạnh dài tường vây

Tại trung điểm cạnh ngắn tường vây

Tại trung điểm cạnh dài tường vây

Hình 3.9: Biểu đồ chuyển vị của tường vây theo độ sâu ứng với hai thời điểm của quá trình thi công tường vây – Bài toán 2

Tại giai đoạn thi công 5, chuyển vị lớn nhất được ghi nhận tại trung điểm cạnh dài của hố đào, tương ứng với độ sâu khoảng 1/3 chiều sâu tường vây Chuyển vị ngang của tường vây ở cạnh dài lớn hơn so với cạnh ngắn và cũng lớn hơn ở các góc Nhờ vào tính chất đối xứng của bốn góc hố đào, chuyển vị ngang ở các góc là như nhau, và các cạnh hố đào song song với nhau dẫn đến chuyển vị ngang cũng bằng nhau.

Trung điểm của cạnh ngắn mặt bằng hình chữ nhật

Góc của mặt bằng hình vuông Trung điểm của cạnh dài mặt bằng hình chữ nhật

Hình 3.12b : Kết quả chuyển vị tường vây trên mặt bằng hố đào

Hình 3.13: Biểu đồ chuyển vị của tường vây theo độ sâu ứng với hai thời điểm của quá trình thi công tường vây – Bài toán 3

Trong giai đoạn thi công 5, chuyển vị ngang của cạnh bên tường vây đạt giá trị lớn nhất tại độ sâu khoảng 1/3 chiều sâu tường Cạnh đáy hố đào có chuyển vị lớn nhất nhỏ hơn so với cạnh bên, với chuyển vị lớn nhất của tường tại ba góc gần như bằng nhau Tính đối xứng của chuyển vị cho thấy hai cạnh bên tường có giá trị chuyển vị lớn nhất tương đương nhau.

Trung điểm của cạnh bên

Trung điểm của cạnh đáy

Biểu đồ chuyển vị của tường vây cho thấy, trong giai đoạn thi công 5, chuyển vị lớn nhất của cạnh dài tường đạt tại độ sâu khoảng 1/3 chiều sâu tường Chuyển vị theo phương cạnh ngắn nhỏ hơn so với phương cạnh dài Tính đối xứng của chuyển vị ngang ở các góc đối nhau là bằng nhau, và các cạnh song song cũng có chuyển vị bằng nhau Gần mặt đất, chuyển vị ngang tại các góc tù của hố đào lớn hơn so với góc nhọn, nhưng ở độ sâu lớn hơn thì hiện tượng này ngược lại.

Trung điểm của cạnh ngắn

Trung điểm của cạnh dài

SO SÁNH CHUYỂN VỊ NGANG GIỮA MÔ PHỎNG PLAXIS 3D VÀ QUAN TRẮC CỦA CÔNG TRÌNH TƯỜNG VÂY THỰC TẾ

Giới thiệu công trình

Công trình tọa lạc tại khu tứ giác Hùng Vương – Sư Vạn Hạnh – Trần Phú – Trần Nhân Tôn, quận 5, TP HCM, trên diện tích đất 3.210,1 m² Đây là trụ sở làm việc của công ty TNHH một thành viên Xổ số kiến thiết TP HCM, đồng thời cũng bao gồm văn phòng cho thuê.

Hình 4.1: Phối cảnh công trình Tòa nhà trụ sở công ty Xổ số kiến thiết TP HCM

Hình 4.2: Sơ đồ chỉ dẫn Tòa nhà trụ sở công ty Xổ số kiến thiết TP HCM

4.1.1 Tổng quan về công trình

Công trình gồm một khối chính và khối phụ trợ, đây là công trình xây dựng cấp đặc biệt

Khối chính của công trình cao 17 tầng, bao gồm 3 hầm, 1 trệt, 1 lửng và 16 lầu, được thiết kế phù hợp với chức năng làm việc của Công ty Xổ số Kiến thiết TP.HCM Công trình không chỉ đáp ứng đầy đủ tiện nghi cho văn phòng cho thuê mà còn có mặt chính hướng về đường Trần Nhân Tôn.

+ Khối phụ: bố trí máy phát điện dự phòng và trạm biến áp

Công trình được thiết kế với hình khối đơn giản, tối ưu hóa diện tích sử dụng và sử dụng chủ yếu vật liệu kính để tối đa hóa ánh sáng tự nhiên Giải pháp lam nhôm được áp dụng để che chắn nắng trực tiếp, mang lại vẻ nhẹ nhàng và thanh thoát cho công trình Khu phụ trợ được bố trí ở mặt hướng Tây để phục vụ cho công trình.

- Kết cấu công trình là kết cấu BTCT toàn khối đổ tại chỗ Sơ đồ kết cấu là hệ kết cấu khung kết hợp lõi cứng chịu lực

Các sàn lầu được thiết kế là sàn bê tông cốt thép toàn khối, có độ dày 250 mm Bản sàn đóng vai trò quan trọng như một tấm cứng, giúp truyền tải trọng ngang do gió tác động vào hệ khung của công trình.

- Toàn bộ tải trọng công trình sẽ được truyền xuống hệ móng cọc khoan nhồi đường kính D = 1000 mm

Công trình được thi công trong điều kiện xây chen giữa các nhà ở riêng lẻ, yêu cầu đặc biệt về an toàn Hố móng sâu có thể ảnh hưởng xấu đến các công trình lân cận, vì vậy cần bố trí hệ tường vây bê tông cốt thép dày 600mm để tạo ra kết cấu chắn đất, đảm bảo an toàn trong quá trình thi công phần ngầm.

4.1.2 Kết quả khảo sát địa chất công trình

Hình 4.3: Sơ đồ vị trí hố khoan

Từ kết quả khoan và thí nghiệm, địa tầng địa chất thành các lớp theo thứ tự từ trên xuống dưới như sau :

1) Lớp đất đắp : Nằm ngay trên bề mặt địa hình, độ sâu phân bố ở mỗi hố khoan như sau:

+ Hố khoan HK1: Từ 0,0 đến 0,8 mét

Thành phần gồm nền sân bằng bê tông, phía dưới là gạch, đá lẫn đất loại sét, cát

2) Lớp Sét dẻo thấp (CL) : Nằm dưới lớp đất đắp, độ sâu phân bố ở mỗi hố khoan như sau:

+ Hố khoan HK3: Từ 0,7 đến 2.0 mét

Thành phần là Sét dẻo thấp màu vàng, xám xanh, trạng thái dẻo chảy, dẻo

3) Lớp Sét dẻo thấp - sét lẫn sạn Laterit (CL-GC) : Nằm dưới lớp sét dẻo thấp (CL), độ sâu phân bố ở mỗi hố khoan như sau:

Thành phần là sét dẻo thấp, sét lẫn sạn Laterit, màu nâu vàng, nâu đỏ, xám xanh loang lỗ, trạng thái cứng Trong các hố khoan, ở độ sâu:

Có lẫn nhiều loại sạn Laterit màu nâu đỏ, trạng thái cứng (sản phẩm của quá trình phong hóa hóa học)

4) Lớp Cát lẫn sét, bụi (SC-SM (1)) : Nằm dưới lớp sét dẻo thấp, sét lẫn sạn Laterit (CL-

GC), độ sâu phân bố ở mỗi hố khoan như sau:

Thành phần là cát lẫn sét, bụi màu vàng, xám nâu, trạng thái chặt vừa Đôi chỗ có lẫn sỏi sạn

5) Lớp Cát lẫn sét, lẫn bụi (SC-SM (2)) : nằm dưới lớp Cát lẫn sét, bụi (SC-SM (1)), độ sâu phân bố ở mỗi hố khoan như sau:

Thành phần đất bao gồm cát, sét và bụi với màu sắc đa dạng như nâu vàng, xám trắng và nâu đỏ, có độ chặt từ vừa đến chặt, đôi chỗ có lẫn sỏi Tại hố khoan HK 3, ở độ sâu từ 28,5 đến 29,0 mét, phát hiện một thấu kính sét dẻo thấp màu xám xanh và có trạng thái cứng.

6) Lớp Sét dẻo thấp, dẻo cao (CL-CH) : nằm dưới lớp Cát lẫn sét, bụi (SC-SM(2)), độ sâu phân bố ở mỗi hố khoan như sau :

Thành phần là Sét dẻo thấp, dẻo cao màu nâu vàng, xám nâu, trạng thái rất cứng, rắn

7) Lớp Cát lẫn sét, lẫn bụi (SC-SM (3)) : nằm dưới lớp Sét dẻo thấp, dẻo cao (CLCH) và phân bố đến độ sâu 70 mét (HK1 + HK2) và 90 mét (HK3) vẫn chưa hết lớp Thành phần là cát lẫn sét, bụi màu nâu vàng, xám nâu, xám xanh, trạng thái chặt, rất chặt

Bảng 4.1: Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất

Loại đất Sét dẻo thấp

Sét lẫn sạn trạng thái cứng

Cát lẫn bụi, chặt vừa

Sét dẻo thấp, rất cứng

Cát pha sét, rất chặt Dung trọng tự nhiên  o

Dung trọng đẩy nổi đn

Hệ số rỗng eo 0,51 0,51 0,52 0,50 0,48 0,54 Độ bão hòa So 94,6 90,5 84,8 85,8 90,9 83,3

Hình 4.4: Mặt cắt địa chất

(a) Hố khoan 1 (b) Hố khoan 2 (c) Hố khoan 3

Hình 4.5: Mặt cắt địa chất

Trình tự thi công và một số hình ảnh trong quá trình thi công

Bảng 4.2: Trình tự thi công

Stt Bước thi công Nội dung bước thi công

1 Bước 1 Thi công đào đất, bê tông cốt thép tường vây barrette, cọc khoan nhồi cho hệ Kingpost

2 Bước 2 Thi công dầm giằng và cột thép chống tạm (Kingpost)

3 Bước 3 Đào đất đến cao độ -3,200 ( h= 2,0 m)

4 Bước 4 Thi công hệ giằng chống tại cao độ -2,70 (h=1,5m)

5 Bước 5 Đào đất tới cao độ -6,700 (h=5,5m)

6 Bước 6 Thi công hệ giẳng chống thép hình 2H350 tại cao độ -6,200

7 Bước 7 Đào đất nền đến cao độ -10,200 (h=9,0m)

8 Bước 8 Thi công hệ giẳng chống thép hình 2H400 tại cao độ -10,2000

10 Bước 9 Đào đất nền đến cao độ đáy sàn hầm 3 cao độ -11,350

11 Bước 10 Đổ bê tông móng, sàn hầm 3

Bảng 4.3: Thông số vật liệu tường barrete

E (kg/cm 2 ) A (cm 2 ) I (cm 4 ) EA (KN/m) EI (KNm 2 /m) W (KN/m/m)

Hình 4.6: Mặt bằng bố trí hệ kingpost

Hình 4.7: Mặt bằng bố trí hệ giằng chống

Bảng 4.4: Thông số vật liệu hệ giằng chống

Hình 4.8: Thi công xong tầng giằng đầu tiên, đào đất thi công tầng giằng thứ 2

Hình 4.9: Thi công tầng giằng thứ 2

Hình 4.10: Thi công tầng giằng thứ 2

Hình 4.11: Đào, vận chuyển đất thi công tầng giằng thứ 2

Hình 4.12: Giằng tại vị trí góc

Hình 4.13: Đào đất lớp giằng thứ 3

Mô phỏng bài toán

Kết quả phân tích bài toán

Hình 4.16b: Kết quả chuyển vị tường vây mô hình 3D

Hình 4.17: Vị trí quan trắc thực tế

Bảng 4.5: Kết quả chuyển vị tường vây

Chuyển vị thực tế (mm)

Chuyển vị mô hình (mm)

Bảng 4.5: Kết quả chuyển vị tường vây (tt)

INO 1: Vị trí quan trắc 1 INO 2: Vị trí quan trắc 2

(a) Vị trí quan trắc 1 (INO 1) (b) Vị trí quan trắc 2 (INO 2) Hình 4.18: Biểu đồ chuyển vị tường vây trong giai đoạn lắp hệ giằng thứ 3

Một số kết luận rút ra từ chương 4

Mặt bằng hố đào sâu của công trình nghiên cứu có đặc điểm phức tạp với nhiều đoạn cạnh gấp khúc, cùng các góc nhọn và góc tù, mỗi phần đều có giá trị khác nhau trong việc phân tích chuyển vị của tường vây.

Qua quá trình thi công hố đào sâu, chúng ta nhận thấy rằng chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây tập trung chủ yếu ở các cạnh dài của hố đào, trong khi ở các cạnh ngắn, chuyển vị ngang thường có giá trị nhỏ Điều này cho thấy hiệu ứng không gian của tường vây có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị ngang của hố đào sâu.

- Chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu tại vị trí góc nhọn thường nhỏ hơn ở vị trí góc tù

Biểu đồ chuyển vị tường vây theo chiều sâu từ kết quả quan trắc thực tế và mô hình Plaxis 3D cho thấy sự khác biệt về giá trị, nhưng nhìn chung, dạng đồ thị của hai trường hợp này tương đối tương đồng.

Vị trí đặt mốc quan trắc chuyển vị thực tế ảnh hưởng đến sự khác biệt trong kết quả so với mô hình, ví dụ, tại mốc quan trắc số 2, chuyển vị trên mô hình nhỏ hơn so với mốc quan trắc số 1.

- Theo chiều sâu của tường vây thì chuyển vị lớn nhất trên mô hình trong khoảng độ sâu từ (4 - 8) m

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Qua kết quả phân tích và tính toán trong nội dung luận văn, tác giả đưa ra những kết luận sau:

Dưới cùng điều kiện địa chất và kết cấu tường vây, khi sử dụng phần mềm Plaxis 3D để mô phỏng và phân tích các dạng mặt bằng hố đào khác nhau, độ chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây cho thấy sự khác biệt về cả giá trị và vị trí xuất hiện.

Mô phỏng công trình tường vây barrette trong thi công hố đào sâu cho công trình hai tầng hầm trên phần mềm Plaxis 3D đã thể hiện rõ sự làm việc không gian và hiệu ứng góc của hệ tường vây barrette.

Mô phỏng công trình tường vây barrette trong thi công hố đào sâu trên phần mềm Plaxis 3D đã giúp người thiết kế xác định các vị trí và cạnh tường có nguy cơ gây chuyển vị lớn nhất, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế và thi công chính xác hơn cho hố đào sâu.

Mô hình MC được sử dụng để mô phỏng công trình thực tế và xác định độ chuyển vị ngang Kết quả cho thấy có sự khác biệt về độ lớn giữa chuyển vị thực tế và tính toán trên phần mềm, nhưng dạng biểu đồ chuyển vị tương đối phù hợp Hình dạng biểu đồ chuyển vị tường vây theo độ sâu có sự sai khác tùy thuộc vào vị trí của các điểm quan trắc chuyển vị trong hố đào so với kết quả mô phỏng trên mô hình Plaxis 3D.

Các dạng mặt bằng hố đào sâu trong các bài toán phân tích chỉ là giả định, cùng với điều kiện địa chất cũng chỉ mang tính giả thuyết Hiện tại, chưa có điều kiện tổng hợp từ các công trình thực tế tương tự, cũng như kết quả quan trắc thực tế để phục vụ cho việc phân tích và so sánh.

Các kết quả phân tích trong luận văn chỉ sử dụng mô hình MC Cần thực hiện thêm phân tích với các mô hình khác để đưa ra những nhận xét cụ thể hơn.

Để nâng cao chất lượng luận văn, cần mở rộng so sánh chuyển vị tường vây với các công trình thực tế khác nhau và các điều kiện địa chất đa dạng Việc bổ sung các kết quả quan trắc chuyển vị từ các công trình này sẽ giúp tăng tính thuyết phục và độ tin cậy của nghiên cứu.

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	4,72 MB