Tài liệu Phân tích chuyển vị giới hạn tường vây theo hệ số an toàn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- TRẦN VIỆT THÁI PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ GIỚI HẠN TƢỜNG VÂY THEO HỆ SỐ AN TOÀN Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 60 58 02 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 06 Năm 2017 TP. HỒ CHÍ MINH 06/ 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Đỗ Thanh Hải Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Tô Văn Lận Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM, ngày 18 tháng 07 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: 1. GS.TSKH. Nguyễn Văn Thơ 2. PGS.TS. Lê Bá Vinh 3. TS. Đỗ Thanh Hải 4. PGS.TS. Tô Văn Lận 5. PGS.TS. Võ Phán Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG GS.TSKH. Nguyễn Văn Thơ PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: TRẦN VIỆT THÁI MSHV: 7140055 Ngày, tháng, năm sinh: 12/07/1991 Nơi sinh: Lâm Đồng Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 60 58 02 11 I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ GIỚI HẠN TƯỜNG VÂY THEO HỆ SỐ AN TOÀN II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Mở đầu Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích hố đào. Chương 3: Mô hình và phân tích ngược cho các dự án hầm cụ thể. Chương 4: Phân tích chuyển vị ngang giới hạn tường vây theo hệ số an toàn. Kết luận và kiến nghị III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/06/2017 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm TP. HCM, ngày... tháng... năm 201... CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm PGS.TS. Lê Bá Vinh TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm người đã giúp tác giả xây dựng ý tưởng của đề tài, mở ra những hướng đi trên con đường tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học. Thầy đã hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng xin cám ơn anh Nguyễn Công Oanh đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong suốt chặng đường vừa qua. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tác giả từ khi tác giả học Đại học và trong suốt khóa Cao học. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Phòng Kỹ Thuật Hòa Bình và đặc biệt là TS. Huỳnh Quốc Vũ luôn tạo điều kiện để tác giả nâng cao kiến thức chuyên môn thông qua việc tham gia tính toán các biện pháp hầm và các chương trình đào tạo trong lĩnh vực Địa Kỹ Thuật. Hi vọng đề tài luận văn của tác giả sẽ là tài liệu tham khảo hữu dụng cho quá trình tính toán trong thực tiễn. Tác giả mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để tiếp tục hoàn thiện đề tài này. TP. HCM, ngày 18 tháng 06 năm 2017 Tác giả luận văn Trần Việt Thái TÓM TẮT LUẬN VĂN Thông thường, giá trị cho phép chuyển vị ngang tường vây được lấy là 0.5% chiều sâu hố đào theo các tiêu chuẩn và tài liệu trên thế giới. Đây là giá trị được xem xét cho tất cả trường hợp kể cả dự án nằm trong đô thị (tiếp giáp nhà dân) hoặc khu ngoại ô (không tiếp giáp nhà dân). Chính điều này đã gây nên nhiều tranh cãi và lãng phí trong thiết kế cũng như là thi công công trình ngầm đặc biệt trong khu ngoại ô, khi mà chỉ cần đảm đảo hệ số an toàn tối thiểu. Chính vì vậy, tác giả thực hiện đề tài “PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ GIỚI HẠN TƢỜNG VÂY THEO HỆ SỐ AN TOÀN” nhằm xác định chuyển vị giới hạn tường vây (ứng với hệ số an toàn cho phép) thông qua mô hình Plaxis và phân tích ngược cho các dự án hầm. Kết quả cho thấy, chuyển vị ngang tường vây có sự tương quan rõ rệt theo hệ số an toàn với cùng dạng tổng quát Ux 1 U    FS   x  , H 3  H 0 trong đó  U x  là    H 0 giá trị thay đổi phụ thuộc theo trình tự thi công. Cụ thể giá trị này là 3.5% khi đào công xôn, 2.5% khi đào B1, 2% khi đào B2, 1.6% khi đào B3, 1.2% khi đào B4 và 0.95% khi đào B5. Với giá trị hệ số an toàn cho phép khi phân tích ổn định tổng thể cho các hố đào sâu được chắn đỡ bởi tường vây là [FS]=1.4 theo các tiêu chuẩn và tài liệu hướng dẫn khác nhau, thì các giá trị giới hạn tường vây tương ứng cho từng giai đoạn đào đất sẽ là cho giai đoạn đào công xôn, đoạn đào B2, và H  3% H 33 H H  1.65% H cho giai  2% H cho giai đoạn đào B1, 60 50 H H  1.25% H cho giai đoạn đào B3,  0.75% H cho giai đoạn đào B4 80 135 H  0.5% H cho giai đoạn đào B5. 200 Giá trị chuyển vị ngang giới hạn của tường vây có ý nghĩa nhất định trong việc tối ưu thiết kế biện pháp thi công công trình ngầm của khu ngoại ô khi hố đào chỉ cần đảm bảo hệ số an toàn cho phép. Ngoài ra, giá trị này còn đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi đánh giá sự ổn định của hố đào trong suốt quá trình thi công dựa vào dữ liệu quan trắc, trong trường hợp có chuyển biến bất lợi (tức là chuyển vị từ quan trắc lớn hơn giá trị giới hạn theo nghiên cứu của tác giả) thì phải bổ sung các biện pháp gia cường ngay lập tức để tránh sự sụp đổ hố đào. SUMMARY According to building standards and references around the world, the allowed horizontal displacement of diaphragm wall would be generally estimated as 0.5% of depth excavation. This estimation was considered for all construction cases, including urban (adjacent to other buildings and households) and green field. This has resulted several debates and conservativeness in design as well as basement construction; especially in green field condition where only minimum factor of safety is considered. Therefore, this study will aim to estimate diaphragm wall’s maximum allowable displacement based on minimum allowable factor of safety, employing Plaxis models and back-analyses for many basement projects. The results showed the horizontal displacement of diaphragm wall manifested a close correlation with factor of safety according to the generalised formular Ux 1 U    FS   x  ; H 3  H 0 where  U x  varies    H 0 according to the construction sequences. This value is 3.5% in case of cantilever excavation stage, 2.5% in case of B1 excavation stage, 2.0% in case of B2 excavation stage, 1.6% in case of B3 excavation stage, 1.2% in case of B4 excavation stage and 0.95% in case of B5 excavation stage. With the allowable factor of safety of 1.4 from different standards and references for underground construction, the allowable displacement for diaphragm wall with respect H  3% H in case of cantilever excavation 33 H H stage,  1.65% H in case of B2  2% H in case of B1 excavation stage, 60 50 H H excavation stage,  0.75% H in case  1.25% H in case of B3 excavation stage, 135 80 H of B4 excavation stage and  0.5% H in case of B5 excavation stage. 200 to each construction sequences, which is The maximum allowable horizontal displacement of diaphragm wall plays a particular role in maximizing the efficiency of the construction method in underground construction for areas in green field condition, where only minimum allowable factor of safety is taken into consideration. In addition, it is also important for the construction’s provision and assessment of the excavation’s stability during the construction’s duration based on monitoring data. If the monitored displacement exceeds the estimated maximum allowed displacement, additional reinforcement will be needed to prevent the excavation from collapse. LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là đề tài do chính tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm. Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác. Tác giả xin chịu trách nhiệm về đề tài thực hiện của mình. TP. HCM, ngày 18 tháng 06 năm 2017 Tác giả luận văn Trần Việt Thái 7 MỤC LỤC MỞ ĐẦU..................................................................................................................14 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .............................................................14 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ...............................................14 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI .....................................................15 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..............................................................15 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỐI TƢƠNG QUAN CỦA CHUYỂN VỊ NGANG TƢỜNG VÂY VÀ HỆ SỐ AN TOÀN..........................................................16 1.1. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN VỊ NGANG TƢỜNG VÂY ...........16 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ SỐ AN TOÀN ...........................................21 1.3. MỐI TƢƠNG QUAN GIỮA CHUYỂN VỊ NGANG TƢỜNG VÂY VÀ HỆ SỐ AN TOÀN .........................................................................................................22 1.4. DỮ LIỆU CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ........................................................22 1.5. NHẬN XÉT ...............................................................................................27 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH HỐ ĐÀO ..........................28 2.1. ỔN ĐỊNH NỀN KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO .............................................28 2.2. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ AN TOÀN ....................................38 2.3. MÔ HÌNH NỀN TRONG PHÂN TÍCH HỐ ĐÀO SÂU ..........................40 2.4. NHẬN XÉT ...............................................................................................47 CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH NGƢỢC CHO CÁC DỰ ÁN HẦM CỤ THỂ ..........................................................................................................49 3.1. DỰ ÁN SAI GON CENTER .....................................................................49 3.2. DỰ ÁN GERMAN HOUSE ......................................................................71 3.3. DỰ ÁN RIVERGATE RESIDENCE ........................................................76 3.4. DỰ ÁN SSG TOWER ...............................................................................80 3.5. DỰ ÁN TRUNG TÂM THƢƠNG MẠI HẢI QUÂN...............................84 3.6. DỰ ÁN SHP PLAZA BUILDING ............................................................88 8 3.7. NHẬN XÉT ...............................................................................................92 CHƢƠNG 4 PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG GIỚI HẠN CỦA TƢỜNG VÂY THEO HỆ SỐ AN TOÀN ...................................................................................95 4.1. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN HỆ SỐ AN TOÀN .....95 4.2. TÍNH TOÁN HỆ SỐ AN TOÀN ...............................................................96 4.3. THIẾT LẬP MỐI TƢƠNG QUAN GIỮA CHUYỂN VỊ NGANG GIỚI HẠN VÀ HỆ SỐ AN TOÀN ......................................................................................103 4.4. ỨNG DỤNG TRONG MỘT SỐ TRƢỜNG HỢP THỰC TẾ ................107 4.5. NHẬN XÉT .............................................................................................113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................114 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................116 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất tường vây và chiều sâu hố đào (Ou et al. 1993) ..............................................................................................................16 Hình 1.2: max thay đổi theo độ sâu được so sánh với Moormann’s (2004) với khoảng dao động max = 0.5-1% H (giá trị trung bình là 0.87%) ..............................................19 Hình 1.3: max/H thay đổi theo độ sâu được so sánh với kết quả của Long(2001) trong trường hợp tường được chống đỡ/ phương pháp Topdown. .........................................20 Hình 1.4: Mối quan hệ giữa chuyển hệ số an toàn chống trồi đáy, độ cứng tường vây và hệ thống chống đỡ với chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây .............................22 Hình 1.5: Chuẩn hóa chuyển vị ngang theo chiều sâu hố đào từ dữ liệu ở ..................26 Hình 2.1: Cơ chế phá hoại có thể xảy ra của tường chắn ............................................28 Hình 2.2: Các trạng thái phá hoại cắt tổng thể. (a) Đáy tường cọc bị đẩy .................30 Hình 2.3: Phân tích đẩy ngang tường cọc theo phương pháp áp suất tổng cộng: (a) Phân bố áp lực đất tổng cộng; (b) Cân bằng hệ lực của phân tố tường tách ra. ...31 Hình 2.4: Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải của Terzaghi. (a) Tìm mặt phá hoại theo phương pháp thử dần; (b) Mặt phá hoại thứ 2; (c) Mặt phá hoại thứ 3; (d) Cả 2 phía hố đào xảy ra phá hoại.........................................................32 9 Hình 2.5: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp Terzaghi: (a) D  B / 2 (b) D  B / 2 ................................................................................................................32 Hình 2.6: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phƣơng pháp sức chịu tải âm : (a) Mặt trƣợt có bề rộng 2B1 ; (b) Mặt trƣợt khác có bề rộng 2B1 ; (c) Mặt trƣợt bao phủ toàn đáy hố đào. ...........................................................................................................................33 Hình 2.7: Hệ số sức chịu tải Skempton (Skempton, 1951) ...........................................33 Hình 2.8: Vị trí tâm cung tròn theo phương pháp mặt trụ tròn ....................................34 Hình 2.9: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp mặt trượt trụ tròn: (a) Mặt trượt phá hoại và (b) Lực tác động lên khối trượt ........................................................35 Hình 2.10: Phân tích đẩy trồi đáy hố đào do áp lực nước ...........................................36 Hình 2.11: Lưới thấm qua chân tường chắn ................................................................37 Hình 2.12: Sơ đồ phân tích “cát sôi” ...........................................................................37 Hình 2.13: Phân mảnh trong phương pháp cân bằng giới hạn ...................................38 Hình 2.14: Phân tích Phi-c reduction trong phương pháp phần tử hữu hạn_Plaxis ...39 Hình 2.15: Hình dạng mặt dẻo tổng quát của mô hình Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính .......................................................................................................40 Hình 2.16: Lộ trình ứng suất trong mô hình Mohr-Coulomb và đất thực....................42 Hình 2.17: Thông số độ cứng được xác định từ thí nghiệm ba trục .............................42 Hình 2.18: Quan hệ giữa biến dạng thể tích và biến dạng dọc trục từ thí nghiệm ba trục thoát nước ..............................................................................................................42 Hình 2.19: Hình dạng mặt dẻo tổng quát của mô hình Hardening Soil trong không gian ứng suất chính .......................................................................................................43 Hình 2.20: Mô phỏng cách xác định (a) E50ref và m, (b) và (c) Eoedref ..........................46 Hình 3.1: Ảnh phối cảnh 3D kiến trúc của dự án Sai Gon Center ...............................49 Hình 3.2: Vị trí dự án ....................................................................................................49 Hình 3.3: Kích thước hình học phần ngầm công trình .................................................50 Hình 3.4: Mặt cắt hình học phần ngầm công trình ......................................................50 Hình 3.5: Mặt bằng hố khoan (11 hố khoan) ...............................................................51 10 Hình 3.6: Mặt cắt địa chất (có 4 lớp chính) .................................................................51 Hình 3.7: Sự thay đổi SPT theo độ sâu .........................................................................52 Hình 3.8: Xác định thông số sức chống cắt và độ cứng từ thí nghiệm ba trục của lớp sét gầy phía trên (Lớp 1) ...............................................................................................53 Hình 3.9: Xác định thông số sức chống cắt và độ cứng từ thí nghiệm ba trục của lớp cát phía trên (Lớp 2) ......................................................................................................54 Hình 3.10: Xác định thông số sức chống cắt và độ cứng từ thí nghiệm ba trục của lớp sét phía dưới (Lớp 3) .....................................................................................................54 Hình 3.11: Xác định thông số sức chống cắt và độ cứng từ thí nghiệm ba trục của lớp sét phía dưới (Lớp 4) .....................................................................................................55 Hình 3.12: Xác định thông số độ cứng từ thí nghiệm nén cố kết của lớp sét gầy phía trên (Lớp 1) ....................................................................................................................55 Hình 3.13: Tương quan giữa độ cứng từ thí nghiệm nén ngang .................................56 Hình 3.14: Tương quan giữa độ cứng từ thí nghiệm nén ngang .................................56 Hình 3.15: Mặt bằng tường vây ....................................................................................58 Hình 3.16: Hình ảnh khảo sát công trường (ảnh tổng thể) ..........................................60 Hình 3.17: Hình ảnh khảo sát công trường (Đường Pasteur) .....................................60 Hình 3.18: Hình học hố đào .........................................................................................63 Hình 3.19: Mô hình thi công tầng hầm trong Plaxis 2D ..............................................64 Hình 3.20: Kết quả lưới biến dạng giai đoạn đào xuống đáy móng -24.6mGL ...........64 Hình 3.21: Chuyển vị ngang tường vây giáp đường Nam Kỳ Khởi Nghĩa (Ux=62mm) .......................................................................................................................................65 Hình 3.22: Chuyển vị ngang tường vây giáp đường Lê Lợi (Ux=65mm) .....................65 Hình 3.23: Chuyển vị ngang tường vây theo trình tự thi công (Plaxis) .......................65 Hình 3.24: Mặt bằng bố trí ống quan trắc trong và ngoài tường vây ..........................66 Hình 3.25: Kết quả quan trắc chuyển vị ngang tường vây ...........................................67 Hình 3.26: Ảnh phối cảnh 3D kiến trúc của dự án German House .............................71 Hình 3.27: Kích thước hình học phần ngầm công trình ...............................................72 11 Hình 3.28: Mặt cắt hình học phần ngầm công trình ....................................................72 Hình 3.29: Ảnh phối cảnh 3D kiến trúc của dự án Rivergate Residence .....................76 Hình 3.30: Vị trí dự án ..................................................................................................76 Hình 3.31: Kích thước hình học phần ngầm công trình ...............................................77 Hình 3.32: Mặt cắt hình học phần ngầm công trình ....................................................77 Hình 3.33: Ảnh phối cảnh 3D kiến trúc của dự án SSG Tower....................................80 Hình 3.34: Kích thước hình học phần ngầm công trình ...............................................81 Hình 3.35: Mặt cắt hình học phần ngầm công trình ....................................................81 Hình 3.36: Ảnh phối cảnh 3D kiến trúc của dự án TTTM Hải Quân ...........................84 Hình 3.37: Vị trí dự án ..................................................................................................84 Hình 3.38: Kích thước hình học phần ngầm công trình ...............................................85 Hình 3.39: Mặt cắt hình học phần ngầm công trình ....................................................85 Hình 3.40: Ảnh phối cảnh 3D kiến trúc của dự án SHP Plaza Building .....................88 Hình 3.41: Vị trí dự án ..................................................................................................88 Hình 3.42: Kích thước hình học phần ngầm công trình ...............................................89 Hình 3.43: Mặt cắt hình học phần ngầm công trình ....................................................89 Hình 3.44: Tổng hợp chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu hố đào cho các dự án trong luận văn ................................................................................................................93 Hình 3.45: Tổng hợp chuyển vị ngang tỷ đối của tường vây theo độ sâu hố đào cho các dự án trong luận văn ...............................................................................................93 Hình 3.46: So sánh dữ liệu chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu hố đào cho các dự án trong luận văn và dữ liệu từ các nguồn khác ...........................................................94 Hình 3.47: So sánh dữ liệu chuyển vị ngang tỷ đối tường vây theo độ sâu hố đào cho các dự án trong luận văn và dữ liệu từ các nguồn khác ...............................................94 Hình 4.1: Mô hình thi công tầng hầm trong Plaxis 2D ................................................96 Hình 4.2: Mô hình hố đào trong phần mềm Geo 5 .......................................................96 Hình 4.3: Mối tương quan giữa chuyển vị ngang tường vây theo hệ số ổn định tổng thể và theo trình tự thi công (đường bao) ...................................................................104 12 Hình 4.4: Mối tương quan giữa chuyển vị ngang tường vây theo hệ số ổn định tổng thể và theo trình tự thi công (đường trung bình) .........................................................105 Hình 4.5: Mặt cắt thi công ..........................................................................................107 Hình 4.6: Kết quả quan trắc chuyển vị ngang tường vây khi đào xuống đáy móng ..108 Hình 4.7: Hiện trạng thực tế (tường vây chuyển vị lớn và vỉa hè bị lún sụt) .............109 Hình 4.8: Gia cường bằng hệ chống ngang và chống chéo để hạn chế chuyển vị ngang và tiếp tục triển khai thi công đào đất .........................................................................109 Hình 4.9: Mặt bằng thi công dự án ............................................................................110 Hình 4.10: Mặt cắt thi công ........................................................................................110 Hình 4.11: Kết quả quan trắc chuyển vị ngang tường vây khi đào xuống đáy móng 111 Hình 4.12: Hiện trạng thực tế (tường vây chuyển vị lớn và bị nứt) ...........................112 Hình 4.13: Chia mạch ngừng và đẩy nhanh công tác bê tông cốt thép tại 2 khu góc112 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Giới hạn chuyển vị cho phép của tường chắn ..............................................18 Bảng 1-2: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây trích từ Goldberg, Jaworski et al. (1976) ....................................................................................................23 Bảng 1-3: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây các dự án tại Hồ Chí Minh, Việt Nam trích từ Nguyễn Kiệt Hùng và N. Phienwej (2015) .............................24 Bảng 1-4: Bảng tổng hợp dữ liệu chuyển vị ngang tường vây của các dự án tại Việt Nam do Công ty Hòa Bình thực hiện.............................................................................25 Bảng 2-1: Thông số mô hình Mohr-Coulomb ...............................................................41 Bảng 2-2: Thông số mô hình Hardening Soil ...............................................................45 Bảng 2-3: Hệ số an toàn tương ứng với các dạng phá hoại tổng thể ...........................47 Bảng 2-4: So sánh các đặc tính giữa mô hình Hardening Soil và mô hình MohrCoulomb.........................................................................................................................48 Bảng 3-1: Thông số đất cho mô hình Hardening Soil ..................................................57 Bảng 3-2: Thông số tường vây trong mô hình Plaxis ...................................................59 13 Bảng 3-3: Thông số tường vây trong mô hình Plaxis ...................................................59 Bảng 3-4: Mô phỏng trình tự thi công ..........................................................................61 Bảng 3-5: Tiến độ thi công đào đất ...............................................................................66 Bảng 3-6: Kết quả quan trắc chuyển vị ngang tường vây bằng ống Inclinometer .......67 Bảng 3-7: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc.........68 Bảng 3-8: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc.........73 Bảng 3-9: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc.........78 Bảng 3-10: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc ......82 Bảng 3-11: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc ......85 Bảng 3-12: Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường vây theo dữ liệu quan trắc ......90 Bảng 4-1: Giá trị hệ số an toàn ....................................................................................95 Bảng 4-2: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp cân bằng giới hạn. ................................................................................................97 Bảng 4-3: So sánh hệ số an toàn giữa phương pháp tính theo phần tử hữu hạn và phương pháp cân bằng giới hạn. .................................................................................101 Bảng 4-4: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn. ...................102 Bảng 4-5: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn. ...................102 Bảng 4-6: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn. ...................102 Bảng 4-7: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn. ...................103 Bảng 4-8: Phân tích hệ số an toàn theo phương pháp phần tử hữu hạn. ...................103 Bảng 4-9: Giá trị giới hạn chuyển vị ngang tường vây ứng với hệ số an toàn FS=1.4 .....................................................................................................................................106 Bảng 4-10: Đánh giá chuyển vị ngang tường vây ......................................................108 Bảng 4-11: Đánh giá chuyển vị ngang tường vây ......................................................111 Bảng 4-12: Giá trị hệ số an toàn ................................................................................113 14 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Để đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng không gian ngày càng lớn của con ngƣời đặc biệt trong đô thị, việc phát triển không gian ngầm là một lựa chọn mà các nƣớc có diện tích đất nhỏ đã làm. Hiện nay, Việt Nam cũng đi theo xu hƣớng đó để phát triển cơ sở hạ tầng trong các khu đô thị lớn. Với tình hình xây dựng công trình ngầm ở nƣớc ta đang trong thời kỳ phát triển thì công tác tính toán thiết kế và những vấn đề liên quan đến điều kiện thi công công trình ngầm rất đƣợc quan tâm. Cụ thể, việc dự đoán mức độ ảnh hƣởng của chuyển vị ngang tƣờng vây lên công trình lân cân cũng nhƣ là đảm bảo hệ số an toàn (hay hệ số ổn định tổng thể) của hố đào theo các quy chuẩn hiện hành trong suốt quá trình thi công là vấn đề cần thiết và quan trọng. Đối với các công trình ngầm nằm trong khu vực đô thị thì chuyển vị ngang tƣờng vây cần đƣợc giới hạn theo quy định của thiết kế để hạn chế đến mức tối thiểu những tác động đến công trình lân cận, khi đó chi phí biện pháp sẽ lớn. Còn đối với các công trình ngầm nằm ngoại ô hay các khu đất trống thì chỉ cần đảm bảo hệ số an toàn tối thiểu theo các quy chuẩn để tiết giảm chi phí biện pháp mà vẫn an toàn khi thi công. Thông thƣờng, giá trị cho phép chuyển vị ngang tƣờng vây đƣợc lấy là 0.5% chiều sâu hố đào theo các tiêu chuẩn và tài liệu trên thế giới. Đây là giá trị đƣợc xem xét cho tất cả trƣờng hợp kể cả dự án nằm trong đô thị (tiếp giáp nhà dân) hoặc khu ngoại ô (không tiếp giáp nhà dân). Chính điều này đã gây nên nhiều tranh cãi và lãng phí trong thiết kế cũng nhƣ là thi công công trình ngầm đặc biệt trong khu ngoại ô, khi mà chỉ cần đảm đảo hệ số an toàn tối thiểu. Chính vì vậy, việc xác định chuyển vị giới hạn tƣờng vây (ứng với hệ số an toàn tối thiểu) đóng vai trò quan trọng trong việc tối ƣu thiết kế và thi công hố đào sâu trong điều kiện ngoại ô. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Xác định chuyển vị tƣờng vây theo chiều sâu hố đào sâu cho các loại đất khác nhau. Thiết lập mối tƣơng quan giữa giá trị chuyển vị tƣờng vây và hệ số an toàn dựa trên kết quả phân tích ngƣợc. Tìm ra giá trị giới hạn chuyển vị ngang tƣờng vây tƣơng ứng với hệ số an toàn cho phép tối thiểu 15 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Là tài liệu tham khảo cho việc quy định giá trị cho phép của tƣờng vây đặc biệt là trong khu vực ngoại ô (khi chỉ cần đảm bảo giá trị giới hạn), từ đó có những thiết kế biện pháp thi công phù hợp. Là tài liệu tham khảo cho quá trình thi công để theo dõi và đánh giá hệ số an toàn của hố đào theo dữ liệu quan trắc thực tế của tƣờng vây dựa trên đồ thị tƣơng quan giữa chuyển vị ngang tƣơng vây và hệ số an toàn. Là tài liệu tham khảo cho việc tính toán và mô hình hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis trong thiết kế. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập tài liệu nghiên cứu liên quan đến chuyển vị ngang tƣờng vây. Thu thập các dữ liệu thực tế về công trình ngầm đƣợc thi công bằng tƣờng vây. Tiến hành phân tích ngƣợc và thiết lập mối tƣơng quan giữa chuyển vị ngang tƣơng vây và hệ số an toàn. Từ đó đƣa ra giá trị chuyển vị ngang tƣờng vây giới hạn tƣơng ứng với hệ số an toàn tối thiểu cho phép. 16 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỐI TƢƠNG QUAN CỦA CHUYỂN VỊ NGANG TƢỜNG VÂY VÀ HỆ SỐ AN TOÀN 1.1. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN VỊ NGANG TƢỜNG VÂY 1.1.1. DEEP EXCAVATION THEORY AND PRACTICE (CHANG YU-OU) Mối liên hệ giữa chiều sâu hố đào với chuyển vị ngang của tƣờng vây trong hố đào sâu đã đƣợc Ou và các đồng sự (1993) nghiên cứu thông qua phân tích các công trình hố đào sâu trong khu vực Đài Bắc. Theo kết quả của nghiên cứu này thì chuyển vị ngang lớn nhất trong các tƣờng vây hố đào sâu khoảng từ 0.2-0.5% chiều sâu hố đào  hm  (0.2  0.5%) H e nhƣ Hình 1.1 bên dƣới. Hình 1.1: Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất tường vây và chiều sâu hố đào (Ou et al. 1993) 1.1.2. CODE OF PRACTICE FOR EARTH RETAINING STRUCTURES (BS 8002:1994) Thiết kế tƣờng chắn đất theo tiêu chuẩn Anh Quốc, BS 8002 (1994) đƣợc dựa trên nguyên lý trạng thái tới hạn và phần lớn những phân tích sử dụng phƣơng pháp cân bằng giới hạn. BS 8002 đã thừa nhận rằng biến dạng của đất với 100% khả năng huy động sức kháng cắt của đất nền xung quanh sẽ rất lớn so với biến dạng cho phép trong giai đoạn làm việc. Do đó, giá trị huy động M đƣợc đề xuất trong cho sức kháng 17 cắt của để để thiết kế cho giai đoạn sử dụng. Với giá trị huy động này thì sự phát sinh biến dạng trong đất sẽ đƣợc hạn chế đủ thấp để đảm bảo biến dạng trong đất nền và kết cấu đƣợc ngăn chặn. Đặc biệt, BS 8002 kiến nghị hệ số huy động 1.5 cho thiết kế sử dụng các thông số ứng suất tổng và 1.2 khi sử dụng các thông số hữu hiệu nếu chuyển vị tƣờng vây đƣợc giới hạn trong 0.5% chiều cao tƣờng chắn cho đất dẻo mềm hoặc chặt vừa. Hệ số huy động nên lớn hơn 1.5 cho sét với biến dạng lớn hơn nếu chuyển vị tƣờng đƣợc giới hạn trong 0.5% chiều cao tƣờng chắn (xem điều 3.2.4 và 3.2.5 trong mục 3_Nguyên lý, phƣơng pháp thiết kế và áp lực đất). Đối với sức chống cắt không thoát nước (giá trị huy động M=1.5): Su ,design  Su Su  M 1.5 (1-1) Đối với sức chống cắt hữu hiệu (giá trị huy động M=1.2): design _ c '  c' c'  M 1.2 design _ tan  '  tan  ' tan  '  M 1.2 (1-2) (1-3) 1.1.3. LIMITING VALUES OF RETAINING WALL DISPLACEMENTS AND IMPACT TO THE ADJACENT STRUCTURES (FOK ET AL.) Trong bài báo này, Fok và những ngƣời khác đã chỉ ra 3 điểm quan trọng cần đƣợc lƣu ý đối với hệ số huy động đƣợc quy định trong BS 8002. Thứ nhất, những kiến nghị trên không chỉ định rằng chuyển vị tƣờng chắn phải giới hạn trong 0.5% chiều cao tƣờng chắn. Những kiến nghị trong BS 8002 về hệ số huy động cho đất dẻo mềm và chặt vừa đang đƣa ra 1 ví dụ về phƣơng pháp thiết kế sức kháng cắt huy động (MSD). Theo Bolton (1993), hệ số huy động trong BS 8002 sẽ giới hạn sức kháng cắt thiết kế của đất đƣợc huy động ứng với 1% biến dạng cắt. Để mô tả cho mối quan hệ giữa biến dạng của đất và chuyển vị tƣờng chắn, Bolton (1993, 1996) đã thể hiện từ những dạng hình học do tƣờng chắn bị xoay 1/200 tƣơng ứng với 0.5% chiều cao tƣờng chắn và gây ra biến dạng cắt trong đất lên tới 1%. Do đó, quy định “chuyển vị tƣờng chắn giới hạn trong 0.5% chiều cao tƣờng chắn” là 1 kết quả đơn giản của việc giới hạn 1% biến dạng cắt của đất nền đối với đất dẻo mềm hoặc chặt vừa. Thứ hai, cần phải làm rõ là chiều cao tƣờng chắn tham khảo theo BS 8002 là chiều cao tổng cộng của tƣờng chắn, tức là bao gồm cả phần tƣờng chắn đỡ và phần chân kèo sâu vào trong đất để ổn định chân. Đã có nhiều nhầm lẫn khi sử dụng phần tƣờng chắn đỡ phía trên (tƣơng ứng chiều sâu đào đất) để chuẩn hóa chuyển vị ngang tƣờng chắn và chuyển vị đất nền đƣợc báo cáo trong hầu hết tổng quan về hố đào sâu. Cần phải phân biệt rõ vấn đề này khi tham chiếu dữ liệu chuyển vị đã chuẩn hóa từ BS 8002. Thứ ba, ý tƣởng tƣờng vây bị xoay nhƣ là một cơ chế phá hoại chủ yếu đối với tƣờng consol 18 hoặc tƣờng vây đƣợc chống đỡ bởi 1 hệ chống. Hệ số huy động đƣợc đề cập trong BS 8002 là 1 phƣơng pháp đơn giản thích hợp với cơ chế phá hoại dƣới dạng xoay của tƣờng chắn consol hoặc tƣờng chắn có 1 hệ chống. Cho loại tƣờng chắn có nhiều hệ chống tƣơng đối điển hình cho hố đào sâu vào thời điểm hiện tại thì cơ chế biến dạng trở nên phức tạp và phải xem xét hình dạng chuyển vị gia tăng tƣơng ứng trong từng giai đoạn đào đất. Bolton cũng những ngƣời khác (2008) đã đề xuất phƣơng pháp sức kháng cắt huy động và đƣa ra hàm lƣợng giác về sự phát triển biến dạng trong trƣờng hơp tƣờng chắn có nhiều hệ chống. 1.1.4. ADVISORY NOTE ON EARTH RETAINING OR STABILISING STRUCTURES (ERSS) Cơ quan quản lý về xây dựng (Building and Construction Authority_BCA), 1 tổ chức do chính phủ Singapore thành lập, đã phát hành các quy định trong thiết kế hố đào sâu về tƣờng chắn đất và ổn định kết cấu vào 04/2009 dựa trên sự đánh giá và xem xét toàn diện các quy định xây dựng trong 3 năm áp dụng và thực thi trƣớc đó. Đặc biệt ƣu tiên là các quy định các ảnh hƣởng đáng kể đến chi phí cũng nhƣ tiến độ thi công mà nhận đƣợc nhiều phản hồi từ phía nhà thầu, trong đó phải kể đến giá trị chuyển vị giới hạn cho phép của tƣờng vây (tham khảo điều 9 và điều 10 trong mục B_Thiết kế). Bảng 1.1: Giới hạn chuyển vị cho phép của tường chắn Vị trí công trình lân cận, kết cấu và Giới hạn chuyển vị ngang/ Khu vực Trong đó x = khoảng cách từ mặt hố đào; H = chiều sâu hố đào; w=chuyển vị tƣờng chắn hệ thống hạ tầng Khu vực 1 (x/H < 1) Khu vực 2 (1  x/H  2) 0.5% 0.7% Khu vực 3 (x/H > 2) Nền loại A Nền loại B 0.7% 1.0% Chuyển vị lớn nhất cho phép tƣờng chắn(w/H) Một trong những vấn đề chủ chốt của thiết kế và thi công của tƣờng chắn đất và ổn định kết cấu (ERSS) với mục đích đảm bảo sức kháng cắt của đất không đƣợc huy động vƣợt quá biến dạng của đất nền. Trong Bảng 1.1 thể hiện giá trị giới hạn cho phép của các khu vực khác nhau. Cụ thể: Zone 1 có công trình lân cận nằm trong phạm vi 1 lần độ sâu đào đất (1H) thì giới hạn cho phép không vƣợt quá 0.5%H. Trong khi Zone 2 có công trình lân cận nằm trong phạm vi 1 lần độ sâu đào đất (1H) đến 2 lần độ sâu đào đất (2H)thì chuyển vị giới hạn cho phép là 0.7%H. Còn với Zone 3 có công trình lân cận nằm ngoài phạm vi 2 lần độ sâu đào đất thì chuyển vị giới hạn ngang không đƣợc vƣợt quá 0.7%H với đất bụi, đất sét dẻo cứng quá cố kết (Đất nền 19 loại A) và không vƣợt quá 1%H với đất sét dẻo chảy, bụi và đất hữu cơ (Đất nền loại B). Và trong bất kỳ trƣờng hợp nào, chuyển vị giới hạn cho phép của tƣờng vây cũng nên đƣợc xác định bằng cách hạn chế các ảnh hƣởng hay phá hoại đến kết cẩu công trình lân cận do sự phát sinh biến dạng đất nền. 1.1.5. PRACTICE AND EXPERIENCE IN DEEP EXCAVATIONS IN SOFT SOIL OF HO CHI MINH CITY, VIET NAM (NGUYEN KIET HUNG AND N. PHIENWEJ) Trong bài báo này, tác giả đã đánh giá cho 18 trƣờng hợp hố đào sâu với chiều dày đất yếu khoảng 4-16m tại thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM). Hầu hết các trƣờng hợp hố đào sử dụng tƣờng vây (tƣờng barret) đƣợc chống đỡ bởi hệ giằng thép hình với chuyển vị ngang lớn nhất dao động 0.15%-1% chiều sâu hố đào. Trong khi đó, với hố đào sử dụng cừ Larsen hoặc tƣờng cọc nhồi thì chuyển vị ngang có xu hƣớng lớn hơn trong khoảng 1%-2.4% chiều sâu hố đào. Tác giả tiến hành phân tích dựa trên dữ liệu quan trắc chuyển vị ngang tƣờng vây đƣợc đo dễ dàng bằng ống Inclinometer trong suốt giai đoạn thi công. Trong khi đó, lún nền xung quanh khu vực đào hố pít khó đƣợc thực hiện do có công trình lân cận. Hai hình bên dƣới thể hiện mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất max và chiều sâu hố đào H cho 17 trƣờng hợp hố đào tại TP HCM. Theo đó, kết quả tƣơng ứng rời rạc, không có sự gia tăng max theo H , tức là max không chỉ phụ thuộc vào H mà còn phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác nhƣ là loại đất, loại tƣờng chắn, độ cứng hệ chống đỡ và phƣơng pháp đào đất. Kết quả đƣợc thể hiện nhƣ Hình 1.2 và Hình 1.3. Hình 1.2: max thay đổi theo độ sâu được so sánh với Moormann’s (2004) với khoảng dao động max = 0.5-1% H (giá trị trung bình là 0.87%)