Giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là tường vây cọc barrette, ưu điểm của giải pháp này là đảm bảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các lo
Trang 1PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY TRONG HỐ ĐÀO SÂU
ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT
LÊ ĐỨC LINH *
LÊ BÁ VINH NGUYỄN NHỰT NHỨT
Analysis stability of deep excavation reinforced by cement piled Abstract: Method of using the soil cement piles in order to increase the
resistance, soil intensity of ground final layer which is constructed below for preventing basal heave instability, controlling wall deflections and reducing the strut loads for braced excavations in deep deposits of soft clay The study presents the optmal method of arranging the soil cement piles that helps to enhance the construction stability, reduce the displacement as well as the wall deflections First, Plaxis 3D method is carried out to simulate and analysise the piles implementation in Song - San Project located in the K1 area of the Taipei Basin In there, the soil cement piles are placed in a triangular grid for improving the soft clay to stabilize the wall and to prevent the sludge protruding out of pits Next, the piles arrangements with different places are caculated, compare and evaluate Results show that the plans for the arrangement of soil cement piles in single-wall strip (PA2) and the arrangement of soil cement piles by block (PA4) presenting in a horizontal displacement of 20%-22% compared with the arrangement of soil cement piles in a triangular grid, effectively controlling the horizontal displacement
of the diaphragm wall The value of internal force in the wall is significantly reduced, including torque reduction of about 23% and reduction force of about 22% compared to the arrangement of soil cement piles according to the triangular grid (PA1) This shows that, in the construction of deep excavation pits in areas with weak geological foundation, it is necessary to use soil cement piles to reinforce the foundation under the excavated pit bottom, and
at the same time choose the solution of arranging soil cement piles according
to the wall or in blocks in direct contact and perpendicular to the diaphragm wall to increase the building stability
Keywords: Numerical analysis PLAXIS 3D, Jet grout pile, Ground
improvement Finite element analysis Strut force, Wall deflection
Khi thi công tầng hầm cho các công trình nhà
cao tầng, vấn đề phức tạp đặt ra là giải pháp thi
công hố đào sâu trong điều kiện xây chen liên
quan đến các yếu tố kỹ thuật Thi công hố đào
* Bộ môn Địa cơ – Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng,
Tr ng Đ i học Bách Khoa - Đ i học Quốc gia thành
p hố Hồ Chí Minh
Email: ldlinh.sdh19@hcmut.edu.vn
sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào và làm thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịch chuyển và có thể lún gây hư hỏng công trình lân cận Giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là tường vây cọc barrette, ưu điểm của giải pháp này là 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
Trang 2trong đất hoặc được chống đỡ từ trong lòng hố
đào theo nhiều cấp khác nhau, hoặc sử dụng các
giải pháp gia cố chân tường vây cọc barrette để
làm giảm chuyển vị ngang của tường
Đối với khu vực có nền địa chất yếu, bề dày
lớn, việc lựa chọn tường vây cọc barrette để giữ
ổn định hố đào khi thi công tầng hầm là phù
hợp Tuy nhiên, cần phải cắm sâu chân tường
vây đến lớp đất tốt mới hiệu quả
Giải pháp xử dụng cọc xi măng đất làm tăng
sức kháng cắt, cường độ đất nền nhằm giữ chân
tường vây cọc barrette và chống bịt đáy hố đào
tăng khả năng ổn định công trình được xem xét
Trong nghiên cứu này, tác giả phân tích, tính
toán các phương án bố trí cọc xi măng đất để
khảo sát, lựa chọn phương án tối ưu và kiến
nghị giải pháp gia cố nền làm giảm chuyển vị
ngang tường vây trong thi công hố đào sâu:
PA1: Bố trí cọc xi măng đất theo lưới tam
giác [hình 1(a)]
PA2: Bố trí cọc xi măng đất theo dải
tường đơn [hình 1(b)]
PA3: Bố trí cọc xi măng đất theo ô cờ
[hình 1(c)]
PA4: Bố trí cọc xi măng đất theo khối
[hình 1(d)]
Hình 1: (a) B ố trí theo l ới tam giác;
(b) b ố trí theo dải t ng; (c) bố trí theo ô c ;
(d) b ố trí theo khối
Phần mềm PLAXIS 3D được sử dụng để
phân tích ổn định hố đào sâu được gia cường
bằng cọc xi măng đất trong các trường hợp trên [hình 2]
Hình 2: Ph ơng án cải thiện đất trong hố đào
sâu bằng cọc xi măng đất
2 1 Hố đào sâu
a) Đặc điểm hố đào sâu
Công tác thi công hố đào sâu đòi hỏi phải tiến hành khảo sát, tính toán, kiểm tra thật kỹ lưỡng trước khi thi công Khi đào hố móng các công trình tầng hầm khu vực có nền địa chất yếu, mực nước ngầm cao và nhiều điều kiện phức tạp khác rất dễ sinh ra mất ổn định hố đào, phình trồi đáy
hố đào, kết cấu chắn giữ bị phá hoại, ảnh hưởng nghiêm trọng các công trình lân cận
Vì vậy bài toán ổn định hố đào sâu, đòi hỏi phải phân tích và lựa chọn giải pháp tường chắn
đủ cứng để chống lại sự phá hoại kết cấu và chuyển vị ngang quá mức
b) Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây
Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu được Kung, 2009 đưa ra Độ cứng của tường vây, hệ thanh chống, chiều dài của tường vây; Hình dạng của hố đào; Cải thiện đất nền công trình Các phương pháp thi công; Tính chất cơ lý của đất nền, lịch sử chịu lực của đất nền, mực nước ngầm
- Chang-Yu Ou (2006) [1] cũng đã nêu lên những nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tương vây trong hố đào sâu bao gồm: sự mất cân bằng lực, độ cứng của tường vây, hệ thống h trợ và hệ số an toàn
c) Các nghiên cứu về ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây
Trang 3- Ảnh hưởng c a hệ số an toàn chống trồi đáy
Hệ số an toàn chống trồi đáy đã được Clough
và O’Rourke (1990) nghiên cứu Clough và
O’Rourke đã đưa ra mối tương quan thông qua
biểu đồ sau [hình 3]
Hình 3: Mối tương quan,Clough và O’Rour (1990)
Clough và O’Rourke (1990) đưa ra kết luận
rằng trong một hố đào sâu điển hình thì chuyển
vị ngang của tường tỷ lệ thuận với chiều rộng
của hố đào sâu Khi chiều rộng của hố đào càng
lớn thì sự mất cân bằng lực càng chênh lệch do
đó chuyển vị ngang của tường càng lớn Trong
đất sét yếu, chiều rộng của hố đào càng lớn thì
hệ số an toàn chống trồi đáy càng giảm, chuyển
vị ngang càng lớn
- Ảnh h ởng của chiều sâu hố đào
Hình 4: Mối t ơng quan giữa chuyển vị ngang
lớn nhất của t ng vây với chiều sâu của hố
đào Ou và các đồng sự, 1993
Mối liên hệ giữa chiều sâu hố đào với chuyển vị
ngang của tường vây trong hố đào sâu đã được Ou
và các đồng sự (1993) nghiên cứu Kết quả của nghiên cứu này thì chuyển vị ngang lớn nhất trong các tường vây hố đào sâu khoảng từ 0,2-0,5% chiều sâu hố đào: min = (0,2-0,5%) He [hình 4]
- Ảnh h ởng của chiều sâu ngàm t ng
Chang-Yu Ou (2006) [1] đã đề cập đến mối liên hệ giữa chiều sâu cắm tường vây (Hp) đến chuyển ngang của tường vây [hình 5]
Hình 5: Chiều sâu ngàm t ng H p , Chang-Yu Ou (2006)
Hình 6: Tương quan giữa chi u s u ngàm tường và chuyển vị ngang c a tường (Chang-Yu Ou 2006)
Tác giả đã tiến hành phân tích một hố đào sâu 20m bằng phương pháp phần tử hữu hạn [hình 6] Khi sức kháng thông thường của đất nền là Su/’v = 0,36, chiều sâu ngàm chân tường
Hp= 4m thì tường bị hiện tượng đá chân (phá hoại), lúc đó chuyển vị ngang của tường tăng lên nhanh chóng Trong trường hợp Su/’v = 0,28, tường bị phá hoại khi Hp=10m lúc đó
Trang 4chuyển vị ngang của tường tăng lên nhanh
chóng Do đó khi tường đã ở trạng thái ổn định
thì chiều sâu ngàm của chân tường ảnh hưởng
không đáng kể đến chuyển vị ngang của tường
- Ảnh h ởng của độ cứng t ng và phân bố
đất tốt - đất yếu
Khi chưa lắp các thanh chống thì tường sẽ
chuyển vị như một dầm hẫng, khi đã lắp thanh
chống, độ cứng của thanh chống đủ lớn thì
tường sẽ chuyển vị dạng xoay quanh điểm tiếp
giáp giữa tường và thanh chống và chuyển vị
ngang lớn nhất của tường sẽ gần đáy hố đào
[hình 7] Nếu lớp đất tại vị trí đáy hố đào là
đất yếu thì chuyển vị ngang lớn nhất của
tường sẽ nằm dưới đáy hố đào, ngược lại khi
lớp đất ngay tại đáy hố đào là lớp đất tốt thì
chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ nằm
trên đáy hố đào Khi độ cứng của hệ thống
thanh chống không đủ lớn thì chuyển vị ngang
của tường có dạng dầm hẫng và trong trường
hợp này thì chuyển vị lớn nhất của tường là
ngay tại vị trí đỉnh tường (Chang-Yu Ou,
2006) [hình 8]
Hình 7: a giai đo n đào ch a có thanh chống,
b giai đo n có thanh chống, c giai đo n l p
nhiều tầng thanh chống, Chang-Yu Ou (2006)
Hình 8: a giai đo n đào ch a có thanh chống,
(b) g iai đo n có thanh chống, c giai đo n l p
nhiều tầng thanh chống, Chang-Yu Ou (2006)
d) Các phương pháp phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu
Theo Chang-Yu Ou (2006) [1] có ba phương pháp phân tích chuyển vị ngang của tường vây: phương pháp giản đơn, phương pháp dầm trên nền đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp giản đơn dựa trên những
trường hợp trong qua khứ để xây dựng nên những biểu đồ về mối quan hệ giữa các nhân tố khác nhau với chuyển vị ngang của tường vây
và được sử dụng để dự đoán sơ bộ chuyển vị của tường vây trong những trường hợp tương tự
Do vậy, phương pháp giản đơn có nhiều hạn chế
vì chuyển vị ngang của tường vây là tổng hợp tác động của nhiều nhân tố khác nhau, điều kiện địa chất khác nhau nên việc áp dụng cho những công trình ở những khu vực khác thì kết quả có
độ tin cậy thấp
Phương pháp dầm trên nền đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp dầm trên nền đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn là hai phương pháp thông dụng trong phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu Ưu điểm của hai phương pháp này chính mô phỏng gần trọn vẹn những nhân tố ảnh hưởng đến chuyển
vị ngang của tường vây trong hố đào sâu Tuy nhiên lý thuyết cơ bản của hai phương pháp này thì không thật sự đơn giản đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn
Trong phương pháp phần tử hữu hạn M.Mitew [2] đã sử dụng mô hình Mohr-Coulomb trong phần mềm Plaxis 2D để phân tích Độ cứng của đất nền được M.Mitew chia ra làm bốn trường hợp; FEM 1: độ cứng đất nền dựa theo tiêu chuẩn Ba Lan, FEM 2: độ cứng đất nền dựa theo những nghiên cứu trước đó, FEM 3: độ cứng đất nền dựa vào kết quả khảo sát địa chất, FEM 4: độ cứng đất nền dựa vào kết quả đo đạc ứng suất tại hiện trường
Tất cả những kết quả phân tích được so sánh với kết quả quan trắc tại hiện trường M.Mitew
đã nhận xét việc tính toán bằng phương pháp
Trang 5ứng suất phụ thuộc cho kết quả rất biến động vì
phụ thuộc nhiều vào cách xác định hệ số Kh
Trong khi đó việc tính toán bằng phương pháp
phần tử hữu hạn cho kết quả tính ít biến động và
gần sát với kết quả quan trắc
2.2 Tường vây cọc barrette
Đã có nhiều nghiên cứu về sự làm việc của
hệ tường vây cọc barrette trong thi công hố đào
sâu, nhưng hầu hết các nghiên cứu đều mô
phỏng tường vây là phần tử tấm Plate liên tục
[hình 9]
Hình 9: T ng vây mô hình tấm Plate
Xét trên phương diện bài toán phẳng như
[hình 9] chỉ phù hợp với công trình có nhịp
tường vây liên tục trên mét dài Hiện nay vẫn có
thể phân tích tường vây trên mô hình 3D, nhưng
vẫn xem phần tử tấm là liên tục làm việc theo
hai phương
Thực tế tường vây cọc barrette là hệ tường
gồm các khối cọc barrette đơn nguyên bố trí liên
tục với nhau tạo thành hệ tường [hình 10], do
vậy độ cứng của hệ tường vây cọc barrtte theo
phương đứng và phương ngang là hoàn toàn
khác nhau
Hình 10: T ng vây cọc barrette
Hình 11: T ng vây cọc barrette thực tế
Tường vây là một hệ các cọc barrette riêng biệt được bố trí nối các đoạn tường lại với nhau bằng các đầu nối đặc biệt, vì vậy mà độ cứng của hệ tường vây chỉ làm việc theo phương đứng, mô men kháng uốn của tường vây theo phương ngang bằng không [hình 11]
2.3 C ọc i măng đất
a Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ làm việc như cọc
Theo quan điểm này đòi hỏi trụ phải có độ cứng tương đối lớn và các đầu trụ này được đưa
vào tầng đất chịu tải Khi đó lực truyền vào móng sẽ chủ yếu đi vào các trụ xi măng đất (bỏ qua sự làm việc của nền dưới đáy móng) Khả năng chịu lực của công trình phụ thuộc vào số lượng và cách bố trí các trụ trong khối móng, đảm bảo cho móng trụ không phát sinh biến dạng và lún quá lớn
Trang 6b Phương pháp tính toán theo quan điểm
nền tương đương
Để cho tiện việc tính toán và mô phỏng, các
cọc Jet Grouting và đất nền được xem như làm
việc theo một khối đồng nhất và được quy đổi
thành một khối vật liệu tương đương [hình 12]
Hình 12: C ải t o đất duới đáy hố đào
Với việc áp lực đất tác dụng lên bề mặt h n
hợp bao gồm các khu đất được cải tạo và khu
vực đất không được cải tạo ở dưới đáy hố đào,
công thức tính đề nghị đánh giá các tính chất
vật liệu tổng thể của h n hợp mặt đất theo
Chang-Yu Ou, Tzong-Shiann Wu, Hsii-Sheng
Hsieh (2007)
Peq = PgIrm + Pc(1-Irm)
CƯỜNG BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT
Chang-Yu Ou (2007) [3] cho rằng chuyển vị
tường và độ lún là nguyên nhân gây ra các phá
hủy đến các công trình lân cận và để giải quyết
vấn đề này tác giả sử dụng cọc xi măng đất để
gia cường nền đất yếu trong quá trình thi công
hố đào sâu
Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng công
trình thực tế thuộc khu vực Đài Bắc, chiều dài
công trình 51m, rộng 24m và đào sâu 9,31m,
tường Diaphragm wall dày 600mm, cắm sâu
đến độ sâu -21m, có lắp đặt 05 thiết bị quan trắc
chuyển vị ngang SI-1, SI-2, SI-3, SI-4, SI-5
[hình 14]
Hình 14: Mặt bằng Dự án Song - San
Tác giả đưa ra nhiều giải pháp thiết kế từ những phân tích bằng phương pháp số, đưa ra kết luận rằng do hiệu ứng góc nên không cần thiết phải tăng cường cọc xi măng đất trong khu vực hố đào, phạm vi 8m từ góc tường vây [hình
15, 16]
Hình 15: Ảnh h ởng hiệu ứng góc, Chang-Yu Ou (2007)
Trang 7Hình 16: K ết quả nghiên cứu đ c áp d ng,
Chan-Yu Ou (2007)
Wengang Zhang (2020) [4] đã nghiên cứu
hiệu quả sử dụng của cọc xi măng đất xử lý nền
đất yếu trong thi công hố đào sâu Tác giả sử
dụng cọc xi măng đất được thi công bằng công
nghệ Jet grout piles (JGP) để cải tạo các lớp đất
dưới đáy hố móng nhằm giữ ổn định chân tường
vây và giảm tải cho hệ thanh chống
Hình 17: Mặt c t ngang của hố đào Dự án
Song - San mô phỏng theo Ou
Trong nghiên cứu này, Zhang kế thừa và phát
triển nghiên cứu của Chang-Yu Ou (2007), khảo
sát công trình thực tế thuộc Dự án Song - San
nằm ở khu vực K1 của lưu vực Đài Bắc Địa tầng gồm lớp đất đắp dày 1,5m, hệ tầng gồm nhiều lớp phù sa và lớp đất sét yếu, mực nước ngầm xuất hiện ở độ sâu GL-3,3m Tường vây Diaphragm wall dày 600mm, sâu đến độ sâu -21m Hố đào sâu 9,31m, với ba cấp độ thanh chống được sử dụng để h trợ trong quá trình thi
công hố đào [hình 17]
Mặt bằng công trình có chiều dài 51m, rộng 24m được sử dụng để nghiên cứu [hình 18]
Hình 18: Mặt bằng Dự án và hệ thanh chống
3.1 Mô hình toán số
Phần mềm Plaxis 3D [5] đã được sử dụng để
tiến hành các phân tích số Để đơn giản và do tính đối xứng, mô phỏng ¼ hình chữ nhật (mặt bằng 51m x 24m) Biên mô hình 50m x 100m x 40m (trục xyz) đã được sử dụng để phân tích
a) Thông số đất nền
Bảng 1: Thông số địa chất các lớp đất trong PLAXIS 3D
Thông
số
Đ ơn
vị
Lớp 1 (Fill)
Lớp 2 (Silty clay)
Lớp 3 (Silty sand)
Lớp 4 (Silty clay)
Lớp 5 (Silty clay)
Lớp 6 (Silty clay)
Đ ộ sâu m 0,0-1,5 1,5-3,8 3,8-9,7 9,7-15 15-20 > 20
Trang 8Thông
số
Đ ơn
vị
Lớp 1 (Fill)
Lớp 2 (Silty clay)
Lớp 3 (Silty sand)
Lớp 4 (Silty clay)
Lớp 5 (Silty clay)
Lớp 6 (Silty clay)
Phân tích Drained Undrained
(B) Drained
Undrained (B)
Undrained (B)
Undrained (B)
γsat kN/m3 18,0 17,76 18,34 18,54 17,76 18,05
E50ref kN/m2 5000 7500 7500 20400 27600 54000
Eeodref kN/m2 5000 7500 7500 20400 27600 54000
Eurref kN/m2 15000 22500 22500 61200 82800 162000
b) Thông số cọc xi măng đất
Bảng 2: Thông số cọc i măng đất
Thông
số (kN/mγ 3)
Su (kPa)
E0 (MPa)
Kích thước (m)
Jet grout pile 18,5 115 67 Dài 11,4m, D1600
c) Thông số tường vây và thanh chống
Tường vây được mô hình hóa bằng các
phần tử đàn hồi tuyến tính với độ cứng E w I w
= 4,12 ×10 5 kPa Các thanh chống thép được
mô hình hóa bằng các phần tử dầm đàn hồi
tuyến tính với diện tích mặt cắt A= 218,69
cm 2 và cường độ E s = 2,06×10 8 kPa
(H400x400x13x21)
Trang 93.2 Các phương án bố trí cọc i măng
a) Bố trí cọc xi măng đất theo lưới tam giác
Khoảng cách cọc xi măng đất (s) là 3,05m x
3,23m, đường kính cọc 1,6m, dài 11,4m, tỷ lệ
thay thế cọc L i =72%L = 72% x 51m = 36,8m
[hình 19]
Hình 19: Mặt bằng bố trí cọc JGP
Hình 20: Bố trí cọc xi măng đất theo l ới
tam giác (PA1)
b) B trí ọ i ă đất t eo dải
tườ đơ
Hình 21: Bố trí cọc xi măng đất theo dải t ng
đơn PA2
c) Bố trí cọc xi măng đất theo ô cờ
Hình 22: Bố trí cọc xi măng đất theo ô c PA3
d) Bố trí cọc xi măng đất theo khối
Trang 10Hình 23: Bố trí cọc xi măng đất theo khối PA4
3.3 Mô phỏng trong Pla is 3D
Cọc xi măng đất được mô hình hóa bằng
phần tử volume trong Plaxis 3D
Hình 24: Mô hình cọc xi măng đất bố trí theo
l ới tam giác trong phần mềm PLAXIS 3D
Hình 25: Mô hình cọc xi măng đất bố trí theo
dải t ng đơn trong phần mềm PLAXIS 3D
Hình 26: Mô hình cọc xi măng đất bố trí theo
ô c trong phần mềm PLAXIS 3D
Hình 27: Mô hình cọc xi măng đất bố trí theo khối trong phần mềm PLAXIS 3D
ủ tườ vâ t eo p ươ X, vị trí ảo sát SI-1
a) Kết quả chuyển vị ngang (Ux) của tường