Tài liệu Nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình ngân hàng vietinbank chi nhánh sóc trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI --------------- TRẦN KẾ ĐẠT NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI --------------- TRẦN KẾ ĐẠT NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 60580204 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ TUẤN NGHĨA HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Trần Kế Đạt, học viên cao học lớp 24ĐKT12, chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng. Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” 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. ..............., ngày tháng năm 2017 Tác giả Trần Kế Đạt -i- LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Đỗ Tuấn Nghĩa cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi, luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Đỗ Tuấn Nghĩa người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp thông tin, tài liệu và vạch ra những định hướng khoa học cần thiết để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa công trình, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học cùng toàn thể các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người đi trước đã chỉ bảo, khích lệ, động viên, ủng hộ nhiệt tình và tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả về mọi mặt trong quá trình học tập cũng như hoàn thiện luận văn. 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 các thầy cô giáo, anh chị em và các bạn đồng nghiệp. ..............., ngày tháng Tác giả Trần Kế Đạt -ii- năm 2017 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................2 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................................2 3.1 Cách tiếp cận.............................................................................................................2 3.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................3 4. Nội dung nghiên cứu..................................................................................................3 5. Kết quả dự kiến đạt được .........................................................................................3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU .........................................................4 1.1. Tình hình xây dựng hố đào sâu trên thế giới .......................................................4 1.2. Tình hình xây dựng hố đào sâu ở Việt Nam ........................................................7 1.3. Đặc điểm hố đào sâu ...............................................................................................8 1.4. Những vấn đề cần nghiên cứu khi thi công hố đào sâu .......................................9 1.4.1. Tính toán áp lực đất, nước .............................................................................................. 10 1.4.2. Hiệu ứng thời gian, không gian của công trình hố móng ............................................... 10 1.4.3. Khống chế biến dạng của hố móng ................................................................................ 11 1.5. Kết luận .................................................................................................................11 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO MỞ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN .....................................................12 2.1. Chuyển vị tường chắn trong quá trình đào sâu .................................................12 2.1.1. Tác động của sự thay đổi ứng suất trong đất nền (Nguyễn Bá Kế 2010) ....................... 12 2.1.2. Đặc tính của đất (Nguyễn Bá Kế 2010) .......................................................................... 13 2.1.3. Ứng suất ngang ban đầu trong đất (Nguyễn Bá Kế 2010) ............................................. 14 2.1.4. Tình trạng nước ngầm (Nguyễn Bá Kế 2010) ................................................................ 14 2.1.5. Các hệ số an toàn ổn định (Chang-Yu Ou 2006)............................................................ 15 2.1.6. Chiều rộng hố đào (Chang-Yu Ou 2006) ....................................................................... 15 2.1.7. Chiều sâu hố đào (Chang-Yu Ou 2006) ......................................................................... 16 2.1.8. Chiều sâu chôn tường (Chang-Yu Ou 2006) .................................................................. 16 2.1.9. Độ cứng tường (Chang-Yu Ou 2006) ............................................................................. 17 -iii- 2.1.10. Độ cứng thanh chống (Chang-Yu Ou 2006) ................................................................ 17 2.1.11. Khoảng cách chống (Chang-Yu Ou 2006) ................................................................... 19 2.1.12. Gia tải chống (Chang-Yu Ou 2006) ............................................................................. 19 2.1.13. Trình độ thi công (Nguyễn Bá Kế 2010) ...................................................................... 20 2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong phán đoán chuyển vị tường chắn ........21 2.2.1. Ưu nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn (Youssef M.A. Hashash 1992) ...... 21 2.2.2. Mô hình hố đào của phương pháp phần tử hữu hạng (R.B.J. Brinkgreve 2002)............ 24 2.3. Bài toán phân tích ngược. ....................................................................................28 2.3.1. Hố đào sâu trong đất sét ................................................................................................. 28 2.3.2. Hố đào sâu trong đất cát ................................................................................................. 35 2.4. Kết luận .................................................................................................................44 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG ...............................................46 3.1. Mô tả đặc điểm công trình Ngân hàng Công thương Việt Nam Chi nhánh Sóc Trăng.............................................................................................................................46 3.2. Đặc điểm địa chất thủy văn và các thông số thí nghiệm đất nền .....................47 3.3. Các giai đoạn thi công tầng hầm công trình: .....................................................49 3.4. Các thông số đầu vào để lập mô hình hố đào trong Plaxis 2D .........................50 3.4.1. Mô hình và thông số đất nền .......................................................................................... 51 3.4.2. Mô hình và thông số tường cọc xi măng đất .................................................................. 53 3.4.3. Mô hình và thông số hệ chống ngang ............................................................................. 54 3.5. Kết quả phân tích .................................................................................................54 3.6. Kết luận .................................................................................................................59 CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ RỘNG HỐ ĐÀO TỚI CHUYỂN VI TƯỜNG. ...............................................................................................60 4.1. Các trường hợp phân tích ....................................................................................60 4.2. Kết quả phân tích .................................................................................................61 4.3. Kết luận .................................................................................................................71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................73 1. Kết quả đạt được của đề tài ....................................................................................73 2. Những tồn tại của đề tài ..........................................................................................74 3. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo ..............................................................75 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................77 -iv- DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một công trình ngầm tại Trung Quốc ...............................................................5 Hình 1.2 Hố móng sâu tòa nhà Lotte Tower Super Tower ở Hàn Quốc .........................6 Hình 2.1 Đường ứng suất của các phần tử đất ở gần hố đào .........................................13 Hình 2.2 Quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của tường, độ cứng của hệ thống chống, và hệ số an toàn chống đẩy trồi. .........................................................................................15 Hình 2.3 Quan hệ giữa chuyển vị tường lớn nhất và chiều sâu đào. .............................16 Hình 2.4 Quan hệ giữa chiều sâu chôn tường và chuyển vị tường ...............................17 Hình 2.5 Quan hệ giữa hình dạng chuyển vị tường và độ cứng thanh chống lớn .........18 Hình 2.6 Quan hệ giữa hình dạng chuyển vị tường và độ cứng thanh chống nhỏ ........18 Hình 2.7 Chuyển vị hông của tường và sụt lún mặt đất của hố đào TNEC ..................19 Hình 2.8 Quan hệ giữa áp lực đất, lực chống, và phản lực của đất ...............................20 Hình 2.9 Ví dụ về bài toán biến dạng phẳng và đối xứng trục ......................................25 Hình 2.10 Ứng dụng trong đó các phần tử tấm, neo và các giao diện được sử dụng ...25 Hình 2.11 Vị trí các nút và điểm ứng suất ở phần tử dầm 3 nút và 5 nút .....................26 Hình 2.12 Vị trí các nút và điểm ứng suất trong các phần tử của đất ...........................27 Hình 2.13 Mô tả sơ lược trình tự thi công hố đào và các lớp đất dưới đáy hố đào .......29 Hình 2.14 Sự biến thiên của (a) hàm lượng nước và (b) hệ số rỗng ban đầu ứng với độ sâu ..................................................................................................................................30 Hình 2.15 Sự biến thiên của chỉ số nén (a) và (b) chỉ số nở ứng với độ sâu .................30 Hình 2.16 Sự biến thiên của (a) OCR và (b) sức kháng cắt không thoát nước ứng với độ sâu .............................................................................................................................31 Hình 2.17 So sánh chuyển vị tường và biến dạng lún mặt đất đo được với dự đoán bằng mô hình HS ....................................................................................................................32 Hình 2.18 Ước lượng mô đun ban đầu được đề xuất bởi Chang và Abas (1980) .........32 Hình 2.19 So sánh chuyển vị tường và biến dạng lún mặt đất đo được với dự đoán bằng mô hình Mohr-Coulomb, = 0 .....................................................................................33 Hình 2.20 So sánh chuyển vị tường và biến dạng lún mặt đất đo được với dự đoán bằng mô hình Mohr-Coulomb, = 0 .....................................................................................34 Hình 2.21 So sánh chuyển vị tường và biến dạng lún mặt đất đo được với dự đoán bằng mô hình HS ....................................................................................................................35 Hình 2.22 Sơ đồ bố trí và kế hoạch quan trắc: (a) ga tàu O6 và (b) ga tàu 07 ..............38 Hình 2.23: Sự phân bố theo chiều dọc của mô đun đàn hồi được phân tích lại ............39 Hình 2.24 Mặt cắt địa chất hố đào ở 2 ga tàu O6 và O7 ...............................................41 -v- Hình 2.25 Mối liên hệ giữa các giá trị SPT-N với mô đun đàn hồi ..............................42 Hình 2.26 Mối liên hệ giữa chiều sâu với mô đun đàn hồi ...........................................43 Hình 3.1 Mặt bằng mô hình hố đào sâu Vietinbank Sóc Trăng ....................................46 Hình 3.2 Mặt cắt địa chất công trình (hố khoan HK1, HK2, HK3) ..............................49 Hình 3.3 Mặt cắt hố đào công trình ...............................................................................50 Hình 3.4 Mô hình hố đào công trình trong phần mềm Plaxis 2D .................................51 Hình 3.5 Chuyển vị ngang của tường cọc xi măng đất trong các giai đoạn đào ...........54 Hình 3.6 Sụt lún mặt đất sau tường cọc xi măng đất theo các giai đoạn đào ................55 Hình 3.7 Hiện trạng công trình Câu lạc bộ hưu trí ........................................................56 Hình 3.8 Đẩy trồi qua các giai đoạn đào .......................................................................56 Hình 3.9 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 1 .........................................57 Hình 3.10 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 2 .......................................57 Hình 3.11 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 3 .......................................58 Hình 4.1 Mặt cắt đại diện của các hố đào phân tích ......................................................60 Hình 4.2 Chuyển vị ngang của tường chắn hố đào khi tăng bề rộng hố đào theo tỷ lệ B/B0 ...............................................................................................................................61 Hình 4.3 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn hố đào khi tăng bề rộng hố đào theo tỷ lệ B/B0 .......................................................................................................................62 Hình 4.4 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=1 ................................63 Hình 4.5 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=1,2 .............................63 Hình 4.6 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=1,5 .............................64 Hình 4.7 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=1 ..............................................64 Hình 4.8 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=1,2 ...........................................65 Hình 4.9 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=1,5 ...........................................65 Hình 4.10 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=1,7 ..........................66 Hình 4.11 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=2 ..............................67 Hình 4.12 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=2,5 ...........................67 Hình 4.13 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=3 ..............................68 Hình 4.14 Các điểm chảy dẻo của đất ứng với trường hợp B/B0=4 ..............................68 Hình 4.15 Chuyển vị ứng với trường hợp B/B0=1,7.....................................................69 Hình 4.16 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=2 ............................................69 Hình 4.17 Chuyển vị ứng với trường hợp B/B0=2,5.....................................................70 Hình 4.18 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=3 ............................................70 Hình 4.19 Chuyển vị của đất ứng với trường hợp B/B0=4 ............................................71 -vi- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các công trình ngầm đã thi công tại Việt Nam ................................................7 Bảng 2.1 Các thông số đầu vào của vật liệu trong ứng sử không thoát nước, ước tính từ Chang và Abas (1980), cho mô hình Mohr Coulomb ...................................................32 Bảng 2.2 Trình tự thi công tường chắn cho hố đào O6 và O7 ......................................36 Bảng 2.3 Tính chất của đất ở ga tàu O6. .......................................................................37 Bảng 2.4 Tính chất của đất ở ga tàu O7. .......................................................................37 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất........................................................47 Bảng 3.2 Thông số đất nền ............................................................................................52 Bảng 3.3 Thông số tường cọc xi măng đất ....................................................................53 Bảng 3.4 Thông số thanh chống ....................................................................................54 -vii- DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT FEM: Phương pháp phần tử hữu hạn . BEM: Phương pháp phần tử biên . TNEC: Tòa nhà Trung Tâm Thương Mại Đài Bắc . MC: Mô hình Mohr-Coulomb. HS: Mô hình Hardening Soil. -viii- MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hoá của nước ta ngày càng nhanh, hệ thống đô thị phát triển cả về số lượng, chất lượng và quy mô, quỹ đất đô thị nói chung và của các đô thị lớn nói riêng đã gần cạn kiệt, các không gian xanh, không gian công cộng ngày một thu hẹp... đòi hỏi phải tận dụng cả chiều cao lẫn chiều sâu của không gian đô thị. Khai thác và sử dụng một cách có hiệu quả không gian dưới mặt đất trong các đô thị hiện nay đang là xu thế tất yếu của sự phát triển. Trong xu thế chung đó thì hệ thống công trình ngầm đô thị ngày càng có vị trí quan trọng. Sự xuất hiện của các Trung tâm thương mại ngầm quy mô lớn hoặc các dự án Bãi đỗ xe ngầm kết hợp dịch vụ cho thấy nhu cầu xã hội rất lớn. Khai thác và sử dụng không gian ngầm cho phát triển, chỉnh trang đô thị tại Việt Nam như một nguồn tài nguyên không gian rộng lớn là xu hướng tất yếu. Đặc biệt ở các đô thị lớn như Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng… thì các công trình có thiết kế cao tầng đều gắn liền với thiết kế tầng hầm nhằm tận dụng triệt để quỹ đất đô thị. Số tầng hầm được thiết kế phổ biến nhất là từ 2-3 tầng, có nhiều công trình phức hợp có 3 - 6 tầng hầm với diện tích lớn như: Tòa nhà Kumho Asiana Plaza, Trung tâm thương mại, văn phòng, căn hộ cho thuê và bãi đậu xe ngầm tại số 70 Lê Thánh Tôn và phần ngầm công viên Chi Lăng; Cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại và căn hộ cho thuê tại số 34 Tôn Đức Thắng; Khu phức hợp Eden… Thành phố Sóc Trăng là một đô thị còn non trẻ, quỹ đất xây dựng công trình trong nội ô thành phố tuy còn nhiều nhưng việc đầu tư xây dựng các công trình nhà cao tầng kết hợp tầng hầm tại khu vực trung tâm thành phố đang dần trở nên phổ biến. Với khuynh hướng phát triển mạnh các công trình nhà cao tầng, đặc biệt khi có tầng hầm trong điều kiện địa chất thủy văn trên địa bàn tỉnh là đất yếu bảo hòa nước 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. -1- 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. Các giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là: tường cừ thép, tường cừ cọc xi măng đất, tường cừ barrette. 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. Bên cạnh đó thì việc hạn chế và đảm bảo chuyển vị của tường cừ trong mức cho phép là hết sức quan trọng. Chuyển vị của tường cừ phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như tải trọng, cách thi công hố đào, địa chất của công trình, hình dạng của tường cừ, chiều sâu chôn tường, bề rộng hố đào… Việc nghiên cứu chuyển vị của tường hố đào sâu trong công trình là rất cần thiết và cấp bách, nhằm dự báo chính xác sự làm việc của tường cừ để từ đó đề xuất biện pháp hợp lý, đảm bảo an toàn kĩ thuật và tính kinh tế. Đây cũng chính là tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu. 2. Mục đích nghiên cứu - Nắm vững kiến thức về chuyển vị của tường chắn hố đào khi thi công các hố móng sâu với điều kiện địa chất yếu. - Tính toán chuyển vị tường chắn hố đào sâu của một công trình cụ thể có thi công tầng hầm trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng. - Đánh giá cơ bản ảnh hưởng bề rộng hố đào tới chuyển vị của tường chắn hố đào sâu của một công trình cụ thể có thi công tầng hầm trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3.1 Cách tiếp cận - Tìm hiểu các lý thuyết đã có về chuyển vị của tường của hố đào sâu. - Thu thập các thông tin về hiện trạng, tài liệu địa hình, địa chất, tài liệu thiết kế công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng. -2- - Sử dụng phần mềm Plaxis để tính toán chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng và ảnh hường của bề rộng hố đào tới chuyển vị của tường chắn. 3.2. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa: tổng hợp và áp dụng các lý thuyết đã có liên quan đến vấn đề chuyển vị tường chắn trong hố đào sâu. - Phương pháp phân tích: dựa vào số liệu khảo sát kết hợp với sử dụng phần mềm Plaxis tính toán để đánh giá và dự đoán chuyển vị của tường. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết đã có về chuyển vị tường chắn hố đào mở sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. - Nghiên cứu việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào dự đoán chuyển vị tường chắn hố đào sâu trong thi công tầng hầm công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng theo phương pháp đào mở. - Nghiên cứu ảnh hưởng của bề rộng hố đào lên chuyển vị của tường chắn. 5. Kết quả dự kiến đạt được - Nắm vững kiến thức về chuyển vị của tường chắn hố đào khi thi công các hố móng sâu với điều kiện địa chất yếu. - Tính toán chuyển vị tường chắn hố đào trong thi công hầm công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis). - Đánh giá cơ bản ảnh hường của bề rộng hố đào tới chuyển vị của tường chắn hố đào. - Đóng góp một phần nhỏ vào công tác nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố đào các công trình có thi công tầng hầm trên địa tỉnh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn. -3- CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU 1.1. Tình hình xây dựng hố đào sâu trên thế giới Ngày nay trong xây dựng và phát triển đô thị, đặc biệt đối với các đô thị lớn rất 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 có tầng hầm đã được xây dựng từ lâu trên thế giới, hầu hết các công trình nhà cao tầng đều có tầng hầm. Độ sâu cũng như số tầng hầm phụ thuộc vào điều kiện địa chất, công nghệ và công năng sử dụng của công trình. 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. Đa số các công trình nhà cao tầng có tầng hầm sâu tập trung chủ yếu ở các nước phát triển như: Mỹ, Philipin, Australia, Đài Loan… Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nước đang phát triển cũng xây dựng nhà cao tầng có tầng hầm sâu ngày càng nhiều như: Singapore, Thailand… cho thấy sự cần thiết cũng như xu thế phát triển tất yếu của công trình nhà cao tầng có nhiều tầng hầm. Vì công trình có nhiều tầng hầm đã được xây dựng rất lâu trên thế giới nên quy trình công nghệ, thiết bị dùng để xây dựng công trình có nhiều tầng hầm 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 công trình. Một số công nghệ, giải pháp chống đỡ thường được sử dụng phổ biến để xây dựng công trình có nhiều tầng hầm trên thế giới: tường cừ thép, tường cừ bằng cọc nhồi bêtông 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… Hầu như các thành phố lớn trên thế giới, do cần tiết kiệm đất đai và giá đất ngày càng cao nên đã tìm cách cải tạo hoặc xây mới các đô thị của mình với ý tưởng chung là triệt để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất cho nhiều mục đích khác nhau về kinh tế, xã hội, văn hóa và môi trường. -4- Một số ngành công nghiệp do yêu cầu của dây chuyền công nghệ (như nhà máy luyện kim, cán thép, làm phân bón…) cũng đã đặt một phần không nhỏ dây chuyền đó nằm sâu dưới mặt đất. Các trạm bơm lớn, công trình thủy điện cũng cần đặt sâu vào long đất nhiều bộ phận chức năng của mình với diện tích đến hang vài chục ngàn mét vuông và sâu đến hàng trăm mét. Hướng xây dựng “thành phố theo chiều thẳng đứng” rất ưu việt trong những thập niên tới. Nhật Bản xem hướng phát triển đô thị bằng cách đi sâu vào lòng đất là một trong những biện pháp giải tỏa sự đông đúc mật độ dân cư của họ cùng với 2 giải pháp là lên cao và lấn biển. Ở Tokyo đã có quy định khi xây nhà cao tầng phải có ít nhất 5-8 tầng hầm. Ở Thượng Hải (Trung Quốc) thường thấy có 2-3 tầng hầm dưới mặt đất ở các tòa nhà cao tầng, có nhà đã thiết kế đến 5 tầng hầm, kích thước mặt bằng lớn nhất đã lên đến 274x187m, diện tích khoảng 51.000m2, hố móng sâu nhất tới 32m. Hình 1.1 Một công trình ngầm tại Trung Quốc (Nguồn Internet) Một gara lớn có kích thước 156x54x27m gồm 7 tầng được xây dựng đầu tiên ở Mátcơva, có sức chứa 2000 ô tô con mà nếu làm trên mặt đất cần 50.000m2. Để xây dựng công -5- trình này, người ta đã phải đào 274.000m3 đất, 4000m3 bê tông đổ tại chỗ và 19.500m3 bê tông đúc sẵn. Hình 1.2 Hố móng sâu tòa nhà Lotte Tower Super Tower ở Hàn Quốc (Nguồn Internet) Ở Genever (Thụy Sĩ) xây dựng bằng phương pháp giếng chìm 1 gara ngầm 7 tầng hình tròn cho 530 ô tô con, đường kính gara là 57m, sâu 28m, sàn trên cùng cách mặt đường 3m. Các tầng được xếp theo đường xoắn ốc với độ nghiêng không lớn lắm. Một giếng chìm có kết cấu thành mỏng, gồm nhiều đoạn đúc sẵn có đường kính 37.8m, sâu 57.8m đã hạ vào trong đất có điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn hết sức phức tạp vào năm 1972 tại Mikahilovski (Nga) (Nguyễn Bá Kế, 2012) Mặc dù công trình có nhiều tầng hầm 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 mà điển hình là sự cố công trình trạm bơm nước thải Bangkok – TháiLan có kích thước 20,3m đường kính, sâu 20,2m, bị sập ngày 17-8-1997 khi vừa hoàn tất công tác đào và lắp đặt hệ thanh chống. Kết cấu của công trình gồm hệ tường vây liên kết (diaphragm wall) giữ vai trò như tường chắn khi thi công đào sâu và giữ vai trò tường -6- hầm sau khi đúc bê tông các bản sàn hầm. Đặc biệt là công trình này có kích thước hoàn toàn giống một công trình tương tự đã thi công thành công ở Frankfurt - Đức. 1.2. Tình hình xây dựng hố đào sâu ở Việt Nam Công trình có tầng ngầm 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. Trong những năm gần đây ở nước ta, tại các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh cũng bắt đầu sử dụng các tầng hầm dưới các nhà cao tầng với hố đào có chiều sâu lên đến hơn chục mét. Bảng 1.1 Các công trình ngầm đã thi công tại Việt Nam (Nghiêm Hữu Hạnh, 2012) TT Tên công trình Đơn vị thi công Bachy Soletanche Cty XD số 1 HN Thiết kế 1 Văn phòng và chung cư 27 Láng Hạ CDCC 2 Trụ sở kho bạc NN 32 Cát Linh CDCC Delta 3 Toà nhà 70-72 Bà Triệu CDCC Delta VNCC Đông Dương VNCC Delta 4 5 6 7 VP và Chung cư 47 Huỳnh Thúc Kháng Toà nhà Vincom 191 Bà Triệu Chung cư cao tầng 25 Láng hạ TT Viễn thông VNPT 57 Huỳnh Thúc Kháng Cty XD số 1 HN Bachy Soletanche VNCC CDC 8 Toà nhà tháp đôi HH4 Mỹ Đình CDC TCty XD Sông Đà 9 Trụ sở văn phòng 59 Quang Trung Cty KT& XDHội KTS Cty XD số 1, HN 10 Ocean Park số 1 Đào Duy Anh Tr. ĐH KT HN Cty XD số 1, HN 11 12 13 Khách sạn Sun Way 19 Phạm Đình Hổ Toà nhà tháp Vietcombank Pacific Place 83 Lý Thường Kiệt Archrtype, Pháp -7- Indochine Group Cty XD Sông Đà 2 Đặc điểm thi công tầng hầm - Tường barrette - Đào hở, chống bằng dàn thép - Tường barrette - Top – down - Tường barrette - Top – down - Tường barrette - Top – down - Tường barrette - Top – down - Tường barrette - Top – down - Tường barrette - Không chống - Tường barrette - Đào hở, chống bằng dàn thép - Tường barrette - Top – down - Tường bê tông thường - Cọc xi măng đất - Tường barrette - Neo trong đất - Tường barrette - Neo trong đất - Tường barrette - Top – down 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. Một số sự cố điển hình đã xảy ra ở Việt Nam khi thi công tầng hầm công trình trong một số năm trở lại đây như: Sự cố khi thi công công trình Chi nhánh Ngân hàng nông nghiệp tại Hà Nội; Sự cố khi thi công tầng hầm của khách sạn Pacific tại TP.HCM; Sự cố khi thi công tầng hầm Ngân hàng TMCP công thương Việt Nam tại Đà Nẵng. 1.3. Đặc điểm hố đào sâu Thi công hố đào có thể coi là một bài toán dỡ tải đối với nền đất. Việc dỡ tải này làm thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong nền. Sự cân bằng ban đầu bị vi phạm, trạng thái ứng suất thay đổi làm xuất hiện nguy cơ mất ổn định, trước hết là thành hố đào và sau đó là đáy hố và đất xung quanh. Khi nghiên cứu sự ổn định của hố đào và các biện pháp bảo vệ nó, Terzaghi (1943) đánh giá chiều sâu hố đào là yếu tố quan trọng nhất và đưa ra tiêu chí: - Hồ đào nông là hố đòa có chiều sâu nhỏ hơn chiều rộng của hố; - Hố đào sâu là hố đào có chiều sâu lớn hơn chiều rộng của hố. Nhưng sau đó thì năm 1967 Teraghi và Peck, và năm 1977 Peck và các cộng sự đã đề nghị là: - Hố đào nông là hố đào có chiều sâu đào nhỏ hơn 6m; - Hố đào sâu là hố đào có chiều sâu đào lớn hơn 6m. Công trình hố đào sâu bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước ngầm, đào đất… trong đó, một khâu nào đó gặp sự cố có thể sẽ dẫn đến cả công trình bị đỗ vỡ. Bài toán ổn định hố đào sâu đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có kinh nghiệm trong việc phân tích và lựa chọn giải pháp tường chắn đủ cứng để chống lại sự phá hoại kết cấu, sự trượt, chuyển vị và sự phá hoại ổn định -8- 1.4. Những vấn đề cần nghiên cứu khi thi công hố đào sâu Để tránh hay hạn chế những sai sót hoặc sự cố xảy ra trong lúc thiết kế và thi công hố móng sâu, cần phải thỏa mãn các yêu cầu chung nhất sau đây theo tổng kết kinh nghiệm của thế giới. Về mặt thiết kế kết cấu chắn giữ hố móng và nền của nó phải tính theo 2 nhóm trạng thái giới hạn sau đây: - Nhóm 1cần thỏa mãn về: + Ổn định vị trí của tường, chống trượt, lật, xoay; + Ổn định sức chịu tải và ổn định cục bộ của nền; + Cường độ của các cấu kiện và mối nối; + Sức chịu tải và độ bền của các kết cấu neo; + Ổn định và độ bền của kết cấu thanh chống; + Ổn định thấm của nền. - Nhóm 2 cần thỏa mãn về: + Tính theo biến dạng nền, tường chắn và cấu kiện của nó; + Tính các cấu kiện của kết cấu tường theo sự phát triển của vết nứt; + Ổn định của thành hố đào khi tường làm việc trong đất; + Kể đến ảnh hưởng của hố đến công trình lân cận. Về mặt thi công cần chú ý: + Đặc điểm công nghệ và trình tự thi công, thao tác; + Bơm hút nước, neo đất, kết cấu thanh chống; + Khả năng thay đổi các đặc trưng cơ lý của đất có liên quan tới quá trình khoan, đóng và các tác động công nghệ khác; -9- + Sự cần thiết của kết cấu chắn giữ chống thấm nước; + Sự cần thiết dùng các giải pháp kết cấu để giảm áp lực lên tường chắn (cấu kiện giải tỏa tải trọng, vải địa kỹ thuật, đất có cốt…). Trước khi thực hiện việc thiết kế và thi công hố đào sâu cần nghiên cứu kỹ các vấn đề sau đây: 1.4.1. Tính toán áp lực đất, nước a) Áp lực đất: Trong hơn chục năm qua kể từ khi cải cách và mở cửa, giới khoa học kỹ thuật ở Trung Quốc đã làm nhiều thí nghiệm nghiên cứu về áp lực đất của công trình hố móng và cho thấy rằng kết quả tính toán theo lí luận áp lực đất kinh điển là tương đối phù hợp với thực tế tại các vùng đất yếu như Thượng Hải, Thiên Tân…Còn các vùng đất không bão hòa như Bắc Kinh chẳng hạn, tính toán áp lực đất cũng vẫn dùng lí luận áp lực đất kinh điển và các phương pháp thí nghiệm thường hay làm để xác định các chỉ tiêu cường độ, nhưng kết quả tính toán có vênh nhiều so với thực tế. Với các vùng đất có mực nước ngầm sâu, độ ẩm của đất thấp thì lại tỏ ra quá an toàn. b) Tính riêng và tính gộp áp lực đất, nước: Hiện nay, các chuyên gia ở nhiều nước thường tính riêng áp lực đất với loại đất có tính thấm nước mạnh như cát, sỏi, đá…điều này trên căn bản đã được công nhận rộng rãi. Còn đối với vấn đề với áp lực đất nước của loại đất có tính thấm ít như đất mịn, đất sét thì nhận thức vẫn còn khác nhau. Tính gộp áp lực đất nước về lý luận đang còn khiếm khuyết, nhưng thực tế lại tương đối dễ dàng , thêm vào một số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm là có thể tiếp cận được với tình hình thực tế. 1.4.2. Hiệu ứng thời gian, không gian của công trình hố móng Đây là đặc trưng chủ yếu của công trình hố móng, trong đó, hình dạng mặt bằng, độ sâu đào, hoàn cảnh xung quanh, điều kiện tải trọng, thời gian đào hố dài hay ngắn, đều có ảnh hưởng rất lớn đến chịu lực và biến dạng. Nhất là trong những vùng đất yếu, do đào hố và hạ nước ngầm sẽ làm cho nước trong đất biến đổi, khung cốt đất lại có đặc trưng xúc biến, do đó, cần phải kể đến trạng thái chịu lực không gian cũng như trạng thái ứng suất và biến dạng thay đổi theo thời gian của nó. Lí luận về hiệu ứng thời gian và không gian này, hiện nay đã được các chuyên gia rất coi trọng, nhưng vận dụng nó trong thiết kế thi công như thế nào thì đang còn phải chờ một bước phát triển hoàn thiện hơn nữa. -10-