Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu tính toán ổn định và chuyển vị hệ tường vây liên tục bằng bê tông cốt thép; chuyển vị nền đất xung quanh công trình hố đào sâu trong quá trình thi công bằng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis).
24 Khoa học Công nghệ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CƠNG TRÌNH HỐ ĐÀO SÂU TRÊN NỀN ĐẤT SÉT YẾU BẢO HỒ NƯỚC Lê Hồng Việt * Tóm tắt Bài viết trình bày kết nghiên cứu tính tốn ổn định chuyển vị hệ tường vây liên tục bê tông cốt thép; chuyển vị đất xung quanh cơng trình hố đào sâu q trình thi cơng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis) Kết tính tốn cho phép dự báo chuyển vị đất xung quanh đáy hố đào; xác định phạm vi ảnh hưởng q trình thi cơng hố đào đến cơng trình lân cận tương quan chiều sâu hố đào với phạm vi ảnh hưởng xung quanh hố đào Kết dự báo kiểm chứng số liệu đo đạc quan trắc thực tế cơng trình với điều kiện địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh cho thấy tính đáng tin cậy Từ khóa: Hố đào sâu; Tường vây; Ổn định; Chuyển vị; Phạm vi ảnh hưởng xung quanh hố đào Abstract This article presents the results of calculation of stability and displacement of continuous diaphragm wall system of reinforced concrete; the displacement of the grounds neighbor to deep excavations during the construction using limited element methods (with the help of Plaxis software) Calculation results allow to predict the displacement of the bottom and neigbouring grounds of deep excavation; to identify the scope of influence during the excavation construction to nearby works and the correlation between the depth of excavation and the scope of influence around deep excavation These forecast results are tested by measurements and observations at an actual work in Ho Chi Minh City This shows the reliability of forecast results Key word: Deep excavation; Diaphragm wall; Stability; Displacement; Influence around deep excavation Đặt vấn đề Trong thập niên qua, đô thị lớn Hà Nội TP Hồ Chí Minh, tốc độ phát triển kinh tế mật độ dân số tăng đáng kể, diện tích đất xây dựng ngày bị thu hẹp hầu hết cơng trình cao tầng xây chen Để đáp ứng nhu cầu xây dựng cơng trình phục vụ cho đời sống dân sinh thành phố này, nhiều cơng trình ngầm xây dựng khai thác hiệu không gian ngầm mặt đất như: tầng hầm cao ốc, đường ngầm metro,… Với đặc điểm địa chất khu vực TP HCM đất sét yếu bảo hòa nước có khả chịu tải thấp, việc lựa chọn giải pháp kết cấu cho tường chắn cơng trình hố đào sâu phải đáp ứng tiêu chí độ cứng, chuyển vị tường, chuyển vị đất xung quanh hố đào hiệu đầu tư vấn đề quan trọng Hiện có nhiều giải pháp kết cấu tường chắn bảo vệ thành hố đào sâu: tường vây cọc đất trộn xi măng, cọc thép, cọc bêtông cốt thép, tường chắn cọc khoan nhồi, tường vây * bê tông cốt thép (BTCT) liên tục đất, … loại kết cấu tường chắn có ưu nhược điểm định Tuy nhiên, đất sét yếu khu vực TP.HCM, cơng trình có từ ba tầng hầm trở lên sử dụng loại kết cấu tường chắn tường vây liên tục BTCT liên tục có nhiều ưu điểm 1.1 Ưu điểm Thân tường có độ cứng lớn, tính ổn định cao, chịu tải trọng ngang lớn, chống thấm tốt kết hợp làm kết cấu tường chắn hố đào với tường tầng hầm Trong trình thi cơng cơng trình: giảm chấn động, tiếng ồn, ảnh hưởng cơng trình xây dựng đường ống ngầm lân cận, dễ khống chế biến dạng lún phạm vi lún ảnh hưởng lân cận Thi công nhanh đất xung quanh hố đào ổn định Thạc sĩ, Khoa Xây dựng – Trường Đại học Xây dựng Miền Tây Số 10, tháng 9/2013 24 Khoa học Công nghệ 25 1.2 Nhược điểm Việc xử lý bùn bentonite không đảm bảo kĩ thuật làm ô nhiễm môi trường Khi mực nước ngầm dâng lên nhanh, tầng đất bên lớp đất kẹp cát tơi xốp đất sét mềm yếu dễ dẫn đến sụt lở thành móng, lún mặt đất xung quanh, ảnh hưởng đến an tồn cơng trình lân cận Nếu dùng tường vây BTCT liên tục đất để làm tường chắn đất tạm thời giai đoạn thi cơng phần ngầm giá thành cao Tổng quan kết nghiên cứu Theo Peck (1969), độ lún ổn định xung quanh hố đào đạt 1% chiều sâu đào đào cát, sét trạng thái mềm đến cứng 2% cho sét yếu dày Brian Brenner, David L Druss Beatrice J.Nessen (2006) cho rằng, tổng chuyển vị đất t 0,7b: 4.1 Tính toán nội lực tường chắn FS Xem tường có nhiều tầng chống dầm liên tục gối tựa cứng (tức gối đỡ không chuyển vị), đồng thời phải thành lập hệ thống tính tốn tĩnh cho giai đoạn thi công sau: 5, 7cu c 2 h u b (1) - Chiều sâu lớp đất đáy hố đào r < 0,7b: FS 5, 7cu c h u r (2) Trong đó: cu sức chống cắt khơng nước đất (a) (b (c) (d) trọng lượng riêng đất Hình Sơ đồ tính tốn theo giai đoạn thi công (a) Giai đoạn đào trước lắp chống A coi tường chắn cọc côngxôn ngầm đất (b) Giai đoạn đào trước lắp chống B, tường chắn dầm tĩnh định có hai gối, hai gối A điểm đất có áp lực đất tĩnh không (c) Giai đoạn đào trước lắp chống C, tường chắn dầm liên tục có ba gối Ba gối A, B điểm áp lực khơng đất Hình Cân ổn định đáy hố đào (h/b1): FS Trong đó: N c cu h p (3) Smaximum-availble: Sức chống cắt lớn có đất theo điều kiện làm Nc hệ số sức chịu tải Sneeded for.equilibrium : Sức chống cắt cần thiết đủ để cân theo điều kiện làm việc p áp lực mặt đất xung quanh hố móng Mơ tốn plaxis dung trọng đất 4.3 Tính tốn ổn định tổng thể tường khối đất trước - sau lưng tường + Phương pháp số: tính tốn kiểm tra ổn định tổng thể phương pháp phổ biến phương pháp phân mảnh Giả sử mặt trượt trụ tròn xảy với tâm trượt O, bán kính r Chia cung trượt AB thành n mảnh có bề rộng mảnh bi (thường chọn bề rộng mảnh dễ tính tốn) 5.1 Mơ hình tính tốn Xác định kích thước hình học mơ hình toán Theo đề nghị J.E Bowels (1990), sơ đồ vùng ảnh hưởng hố đào chọn sơ kích thước mơ hình tính sau: - Chiều rộng mơ hình: W=B+Hw=50+31= 81m - Chiều sâu mơ hình: H=1.5B+Hw=1.5*50+31= 106m Chọn kích thước mơ hình: 800x100m Bài tốn đối xứng trục, ta mơ hình toán đối xứng theo phương trục thẳng đứng Trong chống mơ ½ chiều dài thật Sử dụng mơ hình Morh – Coulomb để tính tốn Hình Phương pháp phân mảnh, a) Phân mảnh khối trượt, b)Các lực tác dụng lên mảnh thứ i Tại trạng thái cân giới hạn, tổng mômen gây trượt Mgt cân với tổng mômen lực chống trượt Mct dọc theo AB - Mômen gây trượt là: M gt =SMi gt = STi * r (4) - Mômen chống trượt là: M ct= S Mi ct= S Si * r (5) - Hệ số ổn định trượt F xác định sau: n F i n i Hình 10 Mặt cắt ngang hố đào M cti M gti (6) + Phương pháp phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm Plaxis để tính toán kiểm tra ổn định theo phương pháp “Phi- C reduction” Hệ số an toàn M sf S m aximum available S needed for equilibrium (7) Trong đó: S : sức chống cắt đất; Hình 11 Mơ hình tốn Số 10, tháng 9/2013 28 29 Khoa học Công nghệ Bảng 2: Các số liệu sử dụng cho tính tốn phần mềm Plaxis Các thơng số phục vụ tính tốn Ký hiệu Lớp Lớp Lớp Lớp Lớp Lớp Tên đất - Bùn sét dẻo mềm - dẻo chảy Cát pha sét dẻo mềm Cát mịntrung chặt vừa Sét lẫn bụi dẻo cứng Cát mịntrung chặt vừa Sét cát Sét cát lẫn bụi, lẫn bụi, nửa cứng cứng Mơ hình - MC MC MC MC MC Lớp MC MC Undrain Undraine Undraine Undraine Undraine Drained Drained ed d d d d Trạng thái - Dung trọng mực nước ngầm (kN/m3) 16.3 18.9 19.0 18.7 19.4 20.7 20.2 Ký hiệu Lớp Lớp Lớp Lớp Lớp Lớp Lớp Dung trọng đầy nổi(kN/m3) ' 6.5 9.2 9.5 10 11 10.5 Dung trọng mực nước ngầm (kN/m3) sat 16.5 19.2 19.5 19 20 21 20.5 5x10-6 5x10-5 10-4 2x10-6 10-4 10-7 2x10-7 Eoed 2721 25888 27540 20302 29640 29110 31251 Hệ số Poisson 0.35 0.3 0.25 0.3 0.25 0.3 0.3 Lực dính (kN/m2) c’ 10.7 7.2 2.9 16.9 1.0 16.8 15.4 Góc nội ma sát (độ) 20.7 25.6 29.4 24.8 30.4 26.7 26.6 Góc giãn nở (độ) ' 0 0 0 Chiều dày lớp đất (m) H 6.8 4.3 15.7 10.4 - Các thông số phục vụ tính tốn kx=k Hệ số thấm ngang (cm/s) y Module biến dạng(kN/m2) MC: ký hiệu mơ hình Morh – Coulomb Bảng 3: Các thông số tường, sàn tầng hầm Thành phần Đơn vị Thông số Tường 600 Tường 800 Bản đáy Sàn hầm &2 Loại mô hình Material type Elastic Độ cứng dọc trục kN/m EA 1.5E+7 2.0E+7 6.25E+7 5E+06 1.1E+6 3.25E+6 1.67E+04 Độ cứng chống uốn kNm /m EI 0.45E+6 Bề dày m d 0.6 0.8 2.5 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 Hệ số Poisson Bảng 4: Các thông số chống Thanh chống Khoảng cách (m) H300x300x10x15 2.457x106 H400x400x13x21 4.505x106 6 Loại chống Thanh chống -1.5 Thanh chống -4.0 Thanh chống Thanh chống -7.0 -10.5 Độ cứng dọc trục EA (kN) Cao trình (m) 2H350x350x12x19 2H350x350x12x19 7.150x10 7.150x10 Số 10, tháng 9/2013 29 30 Khoa học Công nghệ Bảng 5: Lực dọc chống giai đoạn thi công Thanh chống Đào lớp Thanh - Đào lớp Trước Sau kích kích -172.90 Thanh -147.60 -150* Đào lớp Trước Sau kích kích Đào lớp Trước Sau kích kích -1210 -118.80 -94.29 -96.24 45.16 -93.37 -61.74 -62.19 -357.30 -241.3 -200* Thanh -250* Thanh BT Bản đáy Đào lớp Trước Sau đổ kích BT -100.1 91.13 -71.29 47.83 -327.7 256.9 -372.4 318.0 -200* * Là giá trị điều chỉnh; Các giá trị lại đo trực tiếp chống sensor Bảng 5: Các phase tính tốn theo bước thi cơng Initial phase 0 N/A 0 Tải ngồi Staged construction Tường cừ Staged construction Hạ MNN đến cos -3m Staged construction Đào lớp dày 2m Staged construction 12 Lắp chống Staged construction 13 14 Kích lực -150KN chống Staged construction 15 16 Hạ MNN đến cos -5.5m Staged construction 17 18 Đào lớp dày 2.5m Staged construction 19 23 Lắp chống Staged construction 24 25 Kích lực -200KN chống 10 Staged construction 26 29 Hạ MNN đến cos -8.5m 11 10 Staged construction 30 31 Đào lớp dày 3m 12 11 Staged construction 32 44 Đổ liên kế hai tường 13 12 Staged construction 45 47 Lắp chống 14 13 Staged construction 48 58 Kích lực -250KN chống 15 14 Staged construction 59 62 Hạ MNN đến cos -12m 16 15 Staged construction 63 64 Đào lớp dày 3.5m 17 16 Staged construction 65 69 Lắp chống 18 17 Staged construction 70 73 Kích lực -200KN chống 19 18 Staged construction 74 75 Hạ MNN đến cos -14m 20 19 Staged construction 76 77 Đào lớp dày 2.75m 21 20 Staged construction 78 83 Đổ BTCT sàn đáy 22 21 Staged construction 84 86 Tháo chống 23 22 Staged construction 87 88 Số 10, tháng 9/2013 30 Khoa học Công nghệ 5.2 Kết tính tốn 5.2.1 Chuyển vị đứng tường Thời gian thi cơng hồn thành tường vây 12 tháng Hình 12 Độ lún sau 12 tháng (Uymax=125.52mm) 31 Hình 14 a) Chuyển vị ngang tường dày 600 sau đổ BT đáy (Uxmax=19.24mm) Hình 14.b) Chuyển vị ngang tường dày 800 sau đổ BT đáy (Uxmax=32.75mm) Hình 15 Chuyển dịch theo phương đứng khối đất Uy 14cm Nhận xét: Tường dày 600 chuyển vị ngang lớn Umax = -21.08mm chân tường (cao độ -14m) thi công đào xong lớp Tường dày 800 chuyển vị ngang lớn Umax = -33.41mm chân tường (cao độ -26m) thi công đào xong lớp 5.2.3 Chuyển vị đứng đất sau lưng tường a) b) Hình 13 a) Độ lún tường dày 600 sau 12 tháng (Uymax=55.50mm) Hình 13 b) Độ lún tường dày 800 sau 12 tháng (Uymax=51.38mm) 5.2.2 Chuyển vị ngang tường chuyển vị đứng đất a) b) Hình 16 Chuyển dịch theo phương ngang 13.5cm khối đất Ux Hình 17 Quan hệ chiều sâu đào chuyển vị ngang tường 600 Soá 10, tháng 9/2013 31 32 Khoa học Công nghệ So sánh kết tính kết quan trắc cơng trình 6.1 Chuyển vị ngang tường thi cơng lớp Hình 18 Quan hệ chiều sâu đào chuyển vị ngang tường 800 a) b) Hình 21 a) Chuyển vị ngang tường dày 600 sau đào lớp Hình 21 b) Chuyển vị ngang tường dày 800 sau đào lớp Hình 19 Quan hệ chiều sâu đào bán kính vùng ảnh hưởng vùng lân cận Nhận xét: - Chuyển vị ngang lớn tường dày 600 1.53 H độ sâu 4.5m - Quan hệ U – H tường dày 800 gần đường tuyến tính, có chuyển vị ngang 2.43 H độ sâu 26m lớn tường a) b) Hình 21 a) Chuyển vị ngang tường dày 600 sau đổ BT đáy Hình 21 b) Chuyển vị ngang tường dày 800 sau đổ BT đáy 6.2 Chuyển vị ngang tường đổ BT đáy Nhận xét: Hình 20 Quan hệ chiều sâu đào tỷ lệ H/Umax Nhận xét: - Bán kính ảnh hưởng 5H÷10H (H chiều sâu đào) Chiều sâu đào gia tăng độ lớn bán kính vùng chuyển dịch ngang lớn - Tỉ số quan hệ chiều sâu đào – chuyển vị ngang lớn tỉ số quan hệ chiều sâu đào tăng, thể qua phương trình đường thẳng có dạng sau: y = 0.04185*x + 0.09669 Về hình dạng đường cong chuyển vị kết tính tốn kết đo thực đồng dạng Về giá trị chuyển vị ngang kết tính tốn kết thực đo, kết tính tốn lớn kết thực đo: 1.35 ÷4 lần Khi thi cơng giai đoạn đầu, chuyển vị lớn xảy vùng đỉnh tường thi công giai đoạn sau, chuyển vị lớn có xu hướng xảy vùng có độ sâu từ (1.0 ÷1.2)H Chuyển vị ngang lớn tường vây (0.20÷0.24)%H, tỉ lệ giảm đáy hố đào vào lớp đất tốt Số 10, tháng 9/2013 32 Khoa học Công ngheä 33 Kết luận kiến nghị 7.2 Kiến nghị 7.1 Kết luận (1) Thực tính tốn nhiều cơng trình tương tự cơng nghệ Plaxis 3D, xem xét ảnh hưởng chiều dài cơng trình tới làm việc tường Đồng thời xem xét ứng xử đất xung quanh vị trí hố đào Từ kết nghiên cứu tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis) so sánh với kết quan trắc, đo đạc trường Cơng trình Time Square, rút kết luận sau: (1) Hình dạng biểu đồ chuyển vị ngang tính tốn kết đo cơng trình đồng dạng Về giá trị kết tính tốn kết thực đo lớn hơn: 1.35 ÷4 lần (2) Chuyển vị ngang lớn (Umax) tường dày 600 1.53 H độ sâu 4.5m (3) Quan hệ chuyển vị (U) – chiều sâu đào (H) tường dày 800 gần đường tuyến tính, có chuyển vị ngang lớn tường 2.43H độ sâu 26m (4) Tỉ số quan hệ chiều sâu đào – chuyển vị ngang lớn tỉ số quan hệ chiều sâu đào tăng (H – H/Umax), thể qua phương trình đường thẳng có dạng sau: y=0.04185*x + 0.09669 (5) Bán kính ảnh hưởng 5H÷10H Chiều sâu đào gia tăng độ lớn bán kính vùng chuyển dịch ngang lớn (6) Do ép ngang tường đào đất hố đào chênh lệch mực nước ngầm hố đào, khối đất đáy hầm bị trồi (7) Ổn định tổng thể hố đào FS=2.31 (2) Nghiên cứu nguyên lý làm việc khe nối panel (3) Cần phải tiến hành phân tích, tính tốn thơng số khơng nước cho nhiều cơng trình có hố đào có tường chắn TP HCM khu vực Đồng sông Cửu Long Từ đó, tìm mối tương quan chiều sâu đào phạm vi ảnh hưởng đất phạm vi hố đào cho nhiều loại đất khác nhau, vùng khác vùng khảo sát Nhằm khuyến cáo nhà thiết kế chọn giải pháp móng tường chắn đạt yêu cầu kỹ thuật hiệu kinh tế cao (4) Xác định mối tương quan dùng thông số sức chống cắt khơng nước thơng số sức chống cắt nước để tính tốn phạm vi ảnh hưởng xung quanh hố đào sâu q trình thi cơng (5) Thiết lập mối quan hệ chuyển vị ngang, đứng bán kính ảnh hưởng đến cơng trình lân cận q trình thi cơng cơng trình ngầm khu vực TP HCM tỉnh Đồng sông Cửu Long Tài liệu tham khảo Clough O’Rourke 2004 Kiểm soát tác động dịch chuyển đất xây dựng hầm thị Tạp chí cầu đường Việt Nam số trang 18-23 Châu Ngọc Ẩn 2008 Một vài điểm cần lưu ý thiết kế ổn định thi công phần tầng ngầm Hội thảo khoa học Cơng trình xây dựng có phần ngầm - học từ cố giải pháp phòng chống Tp.HCM H.G Kempfert, B Gebreselassie 2006 Excavations and Foundations in Soft Soils Springer Hà Quốc Dũng 2004 Phân tích ứng xử đất tường vây hố đào điều kiện đất yếu Tp Hồ Chí Minh Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật.Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM Lê Bá Lương, Pierre Larael, Nguyễn Thành Long, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lục 2001 Công trình đất yếu điều kiện Việt Nam Nhà xuất Xây dựng Lê Hoàng Việt 2009 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số khơng nước xung quanh hố đào sâu đất yếu Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM “Liên hiệp khoa học địa chất – móng – vật liệu xây dựng” (UGEFEM) 2004 Báo cáo Khảo sát địa chất cơng trình Cơng trình Khu nhà cao cấp Time Square Plaxis finite element code for soil and rock analysis version 8.2 Trần Quang Hộ 2005 Cơng trình đất yếu Nhà xuất ĐHQG TP.HCM Trần Thanh Tùng 2004 Nghiên cứu phương pháp tính tốn kiểm tra ổn định cơng trình tường đất bảo vệ hai tầng hầm nhà 14 tầng đất yếu Tp Hồ Chí Minh Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM Số 10, tháng 9/2013 33 ... dịch ngang lớn (6) Do ép ngang tường đào đất hố đào chênh lệch mực nước ngầm hố đào, khối đất đáy hầm bị trồi (7) Ổn định tổng thể hố đào FS=2.31 (2) Nghiên cứu nguyên lý làm việc khe nối panel... Quang Chiêu, Vũ Đức Lục 2001 Công trình đất yếu điều kiện Việt Nam Nhà xuất Xây dựng Lê Hoàng Việt 2009 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số khơng nước xung quanh hố đào sâu đất yếu Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật... lún ổn định xung quanh hố đào đạt 1% chiều sâu đào đào cát, sét trạng thái mềm đến cứng 2% cho sét yếu dày Brian Brenner, David L Druss Beatrice J.Nessen (2006) cho rằng, tổng chuyển vị đất t