Tài liệu Phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu bằng phần mềm plaxis 2d và 3d foundation

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƢỜNG CHẮN ĐẤT VÀ HỆ KẾT CẤU ĐỠ TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 2D VÀ 3D FOUNDATION Học viên: Võ Thị Hoài Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số: 6058.02.08 Khóa K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Công trình ngầm đang trở thành một xu hướng tất yếu trong xây dựng các đô thị hiện đại. Thi công công trình ngầm thường dùng tường chắn đất cùng với hệ chống đỡ. Mô hình chính xác ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu chống đỡ là yếu tố tiên quyết trong việc tính toán, dự báo quá trình thi công phần ngầm. Nội dung luận văn này chủ yếu phân tích hai yếu tố là dạng hình học của mặt bằng hố đào và phụ tải ảnh hưởng đến nội lực, chuyển vị ngang của tường chắn đất và hệ kết cấu chống đỡ. Phương pháp thực hiện sử dụng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation mô phỏng công trình hố đào gồm tường chắn đất và hệ văng chống trong cùng một điều kiện địa chất giả định giống nhau, chiều sâu hố đào giống nhau, thay đổi mặt bằng công trình và phụ tải. Kết quả phân tích rút ra một số vấn đề về nội lực, chuyển vị ngang của tường chắn đất, hệ văng chống theo dạng hình học của hố đào, phụ tải khi sử dụng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation. Luận văn này sẽ giúp cho người kỹ sư thiết kế có thêm cơ sở lý luận trong việc lựa chọn phần mềm Plaxis 2D hay Plaxis 3D Foundation phù hợp khi tính toán tường chắn đất cũng như kết cấu chống đỡ trong giai đoạn thi công phần ngầm của công trình. Từ khóa - Tường chắn đất; hệ văng chống; công trình ngầm; Plaxis 2D; Plaxis 3D. BEHAVIOURAL ANALYSIS OF DIAPHRAM WALL AND SHORING SYSTEM DURING UNDERGROUND CONSTRUCTION PHASES BY PLAXIS 2D AND 3D FOUNDATION SOFTWARE Abstract - Underground construction is becoming an indispensable trend in modern urban constructions in which using of diaphram wall and shoring system is fundamental. The exact model of diaphram wall and shoring system behavior is obviousy prerequisite for the calculation and forecasting of the underground construction. The thesis content is mainly focus on analysing two factors, which are geometrical surface of the excavation pits and surcharge load affecting the internal force, horizontal displacement of the diaphram wall and shoring system. The method of analysing is using the Plaxis 2D and 3D Foundation software to simulate excavation works including diaphram walls and shoring system in the same geological conditions, excavation depths, variaties of geometrical surfaces and surcharge loads. By using software Plaxis 2D and 3D Foundation, the results of the analysis has lead to essential conclusions about internal forces, horizontal displacements of the diaphram wall, shoring system associating with the geometrical surfaces of the excavation, surcharge loads. This thesis is expected to contribute considerable factors of theoretical backgrounds for design engineers in choosing the appropriate Plaxis 2D or Plaxis 3D Foundation software in order to properly design the diaphram wall and shoring system of the construction during the underground phases. Keywords – Diaphram wall; shoring – kingpost; underground construction; Plaxis 2D; Plaxis 3D. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 1. Lí do chọn đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 1 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................ 2 5. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................... 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ TƢỜNG CHẮN ĐẤT VÀ PHƢƠNG PHÁP THI CÔNG TỪ DƢỚI LÊN TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM.............. 3 1.1. Tổng quan về tƣờng trong đất bê tông cốt thép ..................................... 3 1.1.1. Giới thiệu tường trong đất bê tông cốt thép .................................... 3 1.1.2. Nguyên tắc thiết kế, lựa chọn kết cấu tường Barrette ..................... 3 1.1.3. Công nghệ thi công tường trong đất (tường Barrette) .................... 4 1.2. Tổng quan về phƣơng pháp thi công Bottum – up ............................... 7 1.2.1. Chống đỡ tường vây bằng hệ văng chống (shoring – kingpost)...... 8 1.2.2. Chống đỡ tường vây bằng hệ neo ứng suất trước trong đất ......... 10 1.3. Nhận xét chƣơng 1 ................................................................................. 14 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƢỜNG CHẮN ĐẤT VÀ HỆ VĂNG CHỐNG BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS .................................................. 15 2.1. Tổng quan về Plaxis trong phân tích địa kỹ thuật ............................... 15 2.2. Cơ sở lý thuyết trong Plaxis................................................................... 15 2.2.1. Các phương trình biến dạng cơ bản trong môi trường liên tục .... 15 2.2.2. Rời rạc hóa theo lưới phần tử hữu hạn ......................................... 16 2.2.3. Phương pháp tính lặp ................................................................... 17 2.2.4. Mô hình ứng xử của đất ................................................................ 18 2.3. Các thông số cơ bản khi mô hình ứng xử của công trình trong Plaxis19 2.3.1. Thông số đất nền .......................................................................... 19 2.3.2. Mô hình các phần tử công trình trong Plaxis ............................... 23 2.3.3. Một số điểm khác giữa Plaxis 2D và 3D foundation .................... 24 2.4. Nhận xét chƣơng 2 ................................................................................. 23 Chƣơng 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƢỜNG TRONG ĐẤT VÀ HỆ KẾT CẤU ĐỠ TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU BẰNG PLAXIS 2D VÀ 3D FOUNDATION ......................................................................................... 26 3.1. Xác lập mô hình tính toán .................................................................... 26 3.2. Công trình thi công có mặt bằng tầng hầm đối xứng, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây đối xứng ................................... 29 3.2.1. Trường hợp 1 (TH1): Chiều rộng (W), chiều dài (L) hố đào (12x15)m.... .............................................................................................................. 31 3.2.2. Trường hợp 2 (TH2): W x L = 12 x 18m....................................... 33 3.2.3. Trường hợp 3 (TH3): W x L = 12 x 21m ...................................... 34 3.2.4. Trường hợp 4 (TH4): W x L = 12 x 24m ...................................... 35 3.3. Công trình thi công có mặt bằng tầng hầm đối xứng, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây không đối xứng ....................... 38 3.3.1. Trường hợp 5 (TH5): W x L = 12 x 15m ...................................... 39 3.3.2. Trường hợp 6 (TH6): W x L = 12 x 18m ...................................... 40 3.3.3. Trường hợp 7 (TH7): W x L = 12 x 21m ...................................... 40 3.3.4. Trường hợp 8 (TH8): W x L = 12 x 24m ...................................... 41 3.4. Công trình thi công có mặt bằng tầng hầm không đối xứng, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây không đồng đều ............. 44 3.4.1. Trường hợp 9 (TH9): Hình chữ nhật có phần lồi lõm . ......................... 44 3.4.2. Trường hợp 10 (TH10): Hình bình hành ..................................... 46 3.4.3. Trường hợp 11 (TH11): Hình tam giác ....................................... 47 3.5. Nhận xét chƣơng 3 ................................................................................. 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 51 1. Kết luận...................................................................................................... 51 2. Kiến nghị.................................................................................................... 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 Tên bảng Trang Hệ số thấm của các loại đất Miền giá trị của mô đun E ứng với các loại đất khác nhau (Bowles, 1988) Các giá trị điển hình của mô đun E Các giá trị điển hình của hệ số poisson Góc ma sát trong của cát theo chỉ số NSPT 20 Các giá trị điển hình của ' , c' và cu Các đặc trưng cơ học của vật liệu tường vây được mô hình hóa trong Plaxis Các đặc trưng cơ học của vật liệu thanh chống mô hình hóa trong Plaxis Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất Đặc trưng vật liệu và mặt cắt ngang của tường Barrette Đặc trưng vật liệu và mặt cắt ngang hệ chống Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH1: W x L = 12 x 15m Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH2 : W x L = 12 x 18m Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH3: W x L = 12 x 21m Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH4: W x L = 12 x 24m Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH5: W x L = 12 x 15m Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH6: W x L = 12 x 18m Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH7: W x L = 12 x 21m Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH8: W x L = 12 x 24m Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH9 Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH10 Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D cho TH11 23 21 21 22 22 23 23 27 28 28 32 34 35 36 39 40 41 41 45 47 48 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 Tên hình vẽ Trang Các loại đốt tường Barrette Thứ tự đào đất đốt tường có kích thước lớn hơn 2 lần chiều dài gàu đào Các giai đoạn tiếp theo sau khi hoàn thành đào đất panel đầu tiên Thi công các đốt trung gian và đốt tường cuối Các bước thi công đào đất cho công trình 3 tầng hầm, sử dụng hệ shoring – kingpost chống đỡ tường vây – Thi công các kết cấu phần ngầm từ dưới lên Một số hình ảnh thực tế thi công tầng hầm công trình từ dưới lên sử dụng hệ văng chống bằng thép hình để chống đỡ tường vây Neo ứng suất trước trong đất – nguyên lý cấu tạo Một số loại neo và bầu neo Các bước thi công đào đất cho công trình 3 tầng hầm, sử dụng neo ứng suất trước trong đất chống đỡ tường vây – Thi công các kết cấu phần ngầm từ dưới lên Một số hình ảnh thực tế thi công tầng hầm công trình từ dưới lên sử dụng neo ứng suất trước trong đất để giữ ổn định và đảm bảo khả năng chịu lực của tường vây Khai báo các lớp địa chất trong Plaxis Khai báo tường Barrette trong Plaxis 2D và 3D 4 Khai báo Hệ văng chống trong Plaxis Mặt cắt thể hiện quá trình thi công đào đất được mô phỏng trong Plaxis Mặt bằng thi công điển hình W(12m) x L(15m) Mô hình trong Plaxis 2D (TH 1 mặt bằng đối xứng, phụ tải đối xứng) Mô hình trong Plaxis 3D (mặt bằng đối xứng, phụ tải đối xứng) Mô men và chuyển vị của tường chắn (Plaxis 2D) – TH1 – trường hợp bất lợi Nội lực và chuyển vị của tường chắn (Plaxis 2D) – TH1, WxL = 12 x 15m Mô men và chuyển vị tường vây TH1 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx15m Lực dọc trong hệ văng chống - TH1 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx15m 5 6 7 9 10 11 12 12 13 27 28 28 29 30 30 31 31 31 32 32 3.12 Mô men và chuyển vị tường vây TH2 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx18m 33 3.13 Lực dọc trong hệ văng chống – TH2 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx18m 34 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 3.38 Mô men và chuyển vị tường vây TH3 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx21m Lực dọc trong hệ văng chống – TH3 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx21m Mô men và chuyển vị tường vây TH4 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx24m Lực dọc trong hệ văng chống – TH4 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx24m Biểu đồ so sánh Momen max tường vây (TH1-TH4) Biểu đồ so sánh chuyển vị max của tường vây (TH1-TH4) Biểu đồ so sánh lực dọc hệ văng 1 (TH1-TH4) Biểu đồ so sánh lực dọc hệ văng 2 (TH1-TH4) Mô hình trong Plaxis 3D (mặt bằng đối xứng, phụ tải không đối xứng) Mômen và chuyển vị tường vây TH5 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx15m Mômen và chuyển vị tường vây TH6 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx18m Mômen và chuyển vị tường vây TH7 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx21m Mômen và chuyển vị tường vây TH8 (Plaxis 3D) – WxL = 12mx24m Biểu đồ so sánh Momen max tường vây (TH5 – TH8) Biểu đồ so sánh chuyển vị max tường vây (TH5 – TH8) Biểu đồ so sánh lực dọc hệ văng 1 (TH5 – TH8) Biểu đồ so sánh lực dọc hệ văng 2 (TH5 – TH8) Mặt bằng thi công tầng hầm hình chữ nhật lồi lõm Mô hình trong Plaxis 3D (mặt bằng hình chữ nhật lồi lõm, tải không đều) Mômen và chuyển vị tường vây TH9 (Plaxis 3D) Mặt bằng thi công tầng hầm hình bình hành Mô hình trong Plaxis 3D (mặt bằng hình bình hành, tải không đều) Mômen và chuyển vị tường vây TH10 (Plaxis 3D) Mặt bằng thi công tầng hầm hình tam giác Mô hình trong Plaxis 3D (mặt bằng hình tam giác, tải không 34 35 35 36 36 37 37 37 39 39 40 40 41 42 42 43 43 44 45 45 46 46 46 47 47 3.39 đều) Mômen và chuyển vị tường vây TH11 (Plaxis 3D) 48 3.40 3.41 3.42 3.43 Biểu đồ so sánh Momen max tường vây (TH9-TH11) Biểu đồ so sánh chuyển vị max của tường vây (TH9-TH11) Biểu đồ so sánh lực dọc hệ văng 1 (TH9-TH11) Biểu đồ so sánh lực dọc hệ văng 2 (TH9-TH11) 48 49 49 49 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hiện nay, công trình ngầm đang trở thành một xu hướng tất yếu trong xây dựng các đô thị hiện đại. Khai thác không gian ngầm giải quyết được nhiều vấn đề kinh tế xã hội, đất đai xây dựng đô thị, môi trường… Trong quá trình thi công công trình ngầm, tường chắn đất đóng vai trò rất quan trọng, đảm bảo ổn định thành hố đào, đặc biệt đối với công trình có chiều sâu hố đào lớn (công trình có nhiều tầng hầm, các công trình công cộng ngầm dưới đất...). Trong giai đoạn thi công đào đất, tải trọng xung quanh tác dụng lên tường chắn đất rất lớn, gây ra những ứng suất, biến dạng, chuyển vị trong tường chắn rất lớn. Vì vậy, cần thiết phải thiết kế hệ chống đỡ đảm bảo các yêu cầu chịu lực cũng như đảm bảo an toàn cho tường chắn đất. Vấn đề đặt ra là cần phải mô hình chính xác ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu chống đỡ. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, có nhiều phần mềm thương mại có độ tin cậy cao đã được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế mô phỏng ứng xử của tường chắn và hệ kết cấu đỡ, cho độ chính xác cao, đơn giản trong sử dụng, trong đó có phần mềm Plaxis. Khi tính toán tường chắn đất trong giai đoạn thi công phần ngầm, kỹ sư kết cấu chủ yếu sử dụng Plaxis 2D. Với việc sử dụng Plaxis 2D, bài toán sẽ trở nên đơn giản, thời gian tính toán nhanh. Tuy nhiên thực tế, do ảnh hưởng của hình dạng công trình (không đối xứng), do tải trọng tác dụng (áp lực đất, nước, các hoạt tải...) dọc theo chiều dài tường và ở xung quanh tường là khác nhau, sự làm việc không gian của kết cấu đỡ. Do đó, kết quả mô phỏng bằng Plaxis 2D phản ảnh chưa sát thực tế ứng xử của tường chắn và hệ kết cấu đỡ. Đối với việc sử dụng Plaxis 3D cho phép người dùng mô hình hóa tường chắn, hệ kết cấu đỡ, tải trọng tác dụng... đúng như thực tế, kết quả mô phỏng sẽ chính xác và sát với thực tế. Tuy nhiên khối lượng công việc để mô hình bằng Plaxis 3D sẽ lớn nên sẽ mất nhiều thời gian hơn. Vì vậy, nghiên cứu áp dụng Plaxis 2D và Plaxis 3D trong các bài toán cụ thể, làm cơ sở để đề xuất ứng dụng trong tính toán và mô phỏng ứng xử của tường chắn và hệ kết cấu đỡ sao cho thuận tiện, đơn giản, đảm bảo độ chính xác là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Đó là lí do học viên chọn đề tài: “Phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ bằng phần mềm Plaxis 2D và Plaxis 3D Foundation và đề xuất trường hợp áp dụng. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ tường chắn của công 2 trình có hố đào sâu trong giai đoạn thi công. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu với các công trình thi công hố đào sâu đào mở sử dụng tường chắn đất và hệ thanh chống ngang, địa chất khu vực Đà Nẵng. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về tường chắn đất, công nghệ thi công phần ngầm từ dưới lên (Bottom up). - Phân tích số ứng xử của tường chắn đất, hệ văng chống sử dụng phần mềm chuyên dụng Plaxis 2D V.8 và 3D Foundation V.1 trên công trình cụ thể. 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở tính toán, sự làm việc của tường chắn đất. - Nghiên cứu khả năng ứng dụng của phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation khi phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ chống đỡ trong giai đoạn thi công thông qua các bài toán phân tích ứng xử trên công trình cụ thể. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: + Hiểu biết rõ ràng về ứng xử của tường chắn đất và hệ chống đỡ khi phân tích ứng xử của chúng bằng Plaxis 2D và Plaxis 3D. + Ứng dụng trong thực tế thiết kế và thi công, đề xuất giải pháp tính toán bằng Plaxis 2D hay Plaxis 3D Foundation phù hợp với từng loại công trình. - Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo, nghiên cứu và áp dụng cho chuyên ngành địa kỹ thuật, thi công xây dựng công trình ngầm. 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ TƢỜNG CHẮN ĐẤT VÀ PHƢƠNG PHÁP THI CÔNG TỪ DƢỚI LÊN TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Trong thi công công trình ngầm, tường chắn đất đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo ổn định thành hố đào. Có nhiều loại tường chắn khác nhau như tường chắn bằng cọc đất trộn xi măng, tường chắn cọc khoan nhồi, tường chắn bằng bản thép hình, tường chắn Barrette… với các phương pháp thi công khác nhau tùy thuộc vào địa chất, chiều sâu hố đào, mặt bằng thi công công trình. Trong nội dung chương này chỉ đề cập đến tường chắn Barrette và phương pháp thi công phần ngầm công trình từ dưới lên (Bottum – up). 1.1. Tổng quan về tƣờng trong đất 1.1.1. Giới thiệu về tường trong đất t ng t th p 1.1.1.1. Định nghĩa tường trong đất bê tông cốt thép Tường trong đất là một bộ phận kết cấu công trình bằng bê tông cốt thép, được đúc tại chỗ hoặc lắp ghép nằm trong đất, gọi là tường Barrette. Tường Barrette được tạo nên bởi các tấm panel nối liền với nhau qua các liên kết mềm hoặc liên kết cứng theo chu vi nhà tạo nên một hệ thống tường bao trong đất. 1.1.1.2. Vật liệu chủ yếu làm tường Barrette - Bê tông dùng cho tường chắn đất là bê tông có cấp độ bền lớn hơn B22,5. Dùng không ít hơn 400 kg xi măng PC30 cho 1m3 bê tông. - Cốt thép: + Thép chủ thường dùng có đường kính (16÷32) mm loại AII÷AIII . + Thép đai thường dùng có đường kính (12÷16) mm loại AI hoặc AII. 1.1.1.3. Kích thước hình học của Barrette Các panel thường có tiết diện hình chữ nhật với chiều rộng từ 0,4 m đến 1,8 m; chiều dài từ 2,4 m đến 6,7 m; chiều sâu thông thường từ 12 m đến 30 m, cá biệt có những công trình sâu đến 100 m. 1.1.2. Nguy n tắ thiết kế, lựa họn kết ấu tường Barrette Khi lựa chọn kích thước tường chắn đất thường căn cứ vào các yếu tố: - Chân tường phải cắm vào hoặc xuyên qua tầng đất sét, sét pha thì mới đảm bảo được nước dưới đất bên ngoài tường chắn đất không thấm hoặc thấm chậm vào hố đào. - Chiều sâu của tường chôn trong đất: chiều sâu tường càng lớn thì áp lực đất tác 4 dụng lên tường càng tăng, nên chiều dày của tường phải đảm bảo về khả năng chịu lực và biến dạng. - Biện pháp thi công: biện pháp thi công tầng hầm ảnh hưởng đến chiều dày của tường, vì trong quá trình thi công đào đất sẽ làm thay đổi sơ đồ làm việc tường, khi đó tường làm việc theo nhiều dạng kết cấu khác nhau như: công xôn, dầm liên tục, dầm liên tục có đầu công xôn... 1.1.3. C ng nghệ thi ng tường t ong đất tường a tt 1.1.3.1. Tóm tắt biện pháp thi công tường Barrette Sử dụng thiết bị thi công chuyên dụng với các gầu đào phù hợp với tiết diện tường Barrette để đào hố sâu. Đồng thời sử dụng dung dịch Bentonite hoặc dung dịch SuperMud để giữ cho thành hố đào không bị sạt lở. Đặt lồng thép vào hố đào, tiến hành đổ bê tông theo phương pháp vữa dâng, dung dịch Bentonite trào lên do bê tông chiếm chỗ được gom vào bể thu hồi để xử lý và sử dụng lại. Các panel Barrette (các đốt) được nối với nhau qua các liên kết chống thấm để tạo thành tường Barrette. 1.1.3.2. Quy trình thi công tường Barrette Tường Barrette hay tường trong đất thực chất là các cọc Barrette nối lại với nhau nhờ các liên kết và joăng chống thấm. Do vậy thi công tường trong đất về cơ bản giống thi công cọc Barrette. Mỗi một đốt tường Barrette, tương ứng như một cọc Barrette, có kích thước từ 2,4 – 6,7 m, chiều dày bằng chiều dày của tường Barrette theo thiết kế sẽ được thi công theo trình tự nhất định, đảm bảo chất lượng mỗi đốt tường, liên kết giữa các đốt. Người ta chia các đốt tường thành các loại như Hình 1.1. 1 2 3 2 1 - Đốt góc 2 2- Đốt trung gian 3- Đốt cuối cùng Hình 1.1. Các loại đốt tường Barrette - Đốt tường góc, tại đây đốt tường này có thể hình chữ nhật, hình chữ L có góc vuông đều hoặc không đều cạnh, hình chữ L góc tù (tùy theo cấu tạo của tường vây 5 công trình). - Đốt tường cơ sở: là đốt tường được thi công đầu tiên, ở hai bên đốt này là đất. - Đốt tường trung gian: là đốt tường được thi công liền kề với đốt tường đã thi công trước đó hoặc đốt tường cơ sở. Đối với đốt này, ở một bê vẫn là phần đất, bên kia đã có đốt tường thi công trước. - Đốt tường cuối cùng (đốt tường đóng): là đốt tường được thi công mà cả hai bên của đốt tường này đã có các đốt tường khác đã thi công. - Thi ng đ t đầu ti n: quy trình thi công tương tự như thi công cọc Barrette. Ở đây, khi thi công tường dẫn thì thi công luôn cho suốt chiều dài tường (không thi công từng đốt). Thường người ta thi công tường dẫn bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc lắp ghép. Việc thi công toàn bộ tường dẫn hay từng đoạn nhất định tùy thuộc vào biện pháp thi công của nhà thầu. Sau khi đào đất tới độ sâu thiết kế, lắp đặt lồng thép tiến hành lắp đặt vách chắn đầu có gioăng chống thấm (thường gọi là stop-end) ở cả hai phía cạnh ngắn của đốt đầu tiên. Các bước xử lí, kiểm tra tương tự như thi công cọc Barrette. Sau đó tiến hành đổ bê tông đốt đầu tiên. Đối với các đốt có kích thước lớn hơn kích thước chiều dài của gàu đào thì trình tự đào đất và thi công đổ bê tông như sau: + Đối với đốt có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 2 lần chiều dài gàu đào thì đào từng nửa một; + Đối với đốt có kích thước lớn hơn 2 lần chiều dài gàu đào thì đào theo thứ tự như Hình 1.2. 1 2 3 Hình 1.2. Thứ tự đào đất đốt tường có kích thước lớn hơn 2 lần chiều dài gàu đào 6 Trước tiên đào một phần hố đến chiều sâu thiết kế. Chú ý đào đến đâu, phải cung cấp kịp thời dung dịch bentonite đến đó, cho đầy hố đào, để giữ cho thành hố đào khỏi bị sụt lở. Tiếp theo đào phần hố bên cạnh, cách phần hố đầu tiên một giải đất. Làm như vậy để khi cung cấp dung dịch bentonite vào hố sẽ không làm lở thành hố cũ. Cuối cùng đào nốt phần đất còn lại (đào trong dung dịch bentonite ) để hoàn thành một hố cho panel đầu tiên theo thiết kế. + Tiếp theo, đặt gioăng chống thấm CWS vào hố đã đào sẵn (có thể sử dụng dụng cụ được thiết kế phù hợp) trong dung dịch Bentonite, sau đó hạ lồng thép vào hố móng. Tiến hành đổ bê tông theo phương pháp vữa dâng sau khi đã xử lí cặn lắng. Hoàn thành đổ bê tông cho toàn bộ panel thứ nhất. Đào hố cho panel tiếp theo và tháo bộ giá lắp gioăng chống thấm. Hình 1.3. Các giai đoạn tiếp theo sau khi hoàn thành đào đất panel đầu tiên - Thi ng đ t t ung gian: chỉ được thi công đốt bên cạnh khi bê tông của đốt đã thi công đạt cường độ quy định để đảm bảo rung động của quá trình đào đất và thi công đổ bê tông đốt trung gian không ảnh hưởng đến quá trình phát triển cường độ của bê tông đốt đổ trước. Đối với đốt có kích thước lớn hơn chiều dài của gàu đào thì tiến hành đào một phần đốt tới độ sâu thiết kế ở vị trí cách đốt đã đổ bê tông một dải đất. Tiếp theo đào phần đất còn lại tới độ sâu thiết kế. Gỡ vách chắn đầu khỏi cạnh đốt đã đổ bê tông, gioăng chống thấm nằm lại trong bê tông. Lắp vách chắn đầu mới có gioăng chống thấm vào cạnh ngắn còn lại của đốt đang thi công sau khi đã lắp lồng thép. Thực hiện các kỹ thuật như đốt đầu tiên sau đó tiến hành đổ bê tông toàn bộ đốt trung gian. - Thi ng đ t tường u i đ t đóng Tiến hành đào đất đốt cuối cùng khi hai bên đã thi công đổ bê tông các đốt khác. Tùy thuộc vào chiều dài đốt cuối để thực hiện thứ tự đào cho phù hợp như đã nêu ở 7 trên. Sau khi đào đất đến độ sâu thiết kế, tiến hành dỡ vách chắn đầu ở hai đốt hai bên, thực hiện các công tác khác và tiến hành đổ bê tông đốt cuối cùng. Hình 1.4. Thi công các đốt trung gian và đốt tường cuối Như vậy, sau khi thi công xong đốt cuối cùng, toàn bộ tường Barrette của công trình đã được thi công xong. Thông thường tường Barrette được thi công tới cao độ mặt đất. Khi thi công sàn mặt đất, người ta tiến hành đập bỏ phần bê tông chất lượng thấp ở đỉnh tường vây, lắp cốt thép và đổ bê tông dầm mũ đỉnh tường cũng như sàn tầng mặt đất. Trường hợp đòi hỏi tường vây cao hơn so với mặt đất tự nhiên, người ta cũng tiến hành đập bỏ phần bê tông chất lượng thấp ở đỉnh tường vây, lắp cốt thép, ván khuôn và đổ bê tông bù tường vây cho tới cao độ thiết kế. 1.2. Tổng quan về phƣơng pháp thi công Bottum – up Tầng hầm được vây xung quanh bằng tường vây bê tông cốt thép (tường Barrette) thi công bằng công nghệ tường trong đất. Thi công đào đất theo từng tầng, ứng với mỗi đợt đào người ta sẽ thi công hệ kết cấu chống đỡ (có thể là hệ neo ứng suất trước trong đất) hoặc hệ chống bao gồm hệ thanh ngang (Bracing system) và hệ chống tạm (King-post). Hệ chống tạm được thi công cắm vào trong cọc nhồi tại thời 8 điểm thi công cọc nhồi. Đối với các công trình có số tầng hầm ít, hệ chống tạm có thể được thiết kế cắm trực tiếp trong nền đất hoặc cắm vào cọc nhồi biện pháp do đơn vị thi công thiết kế cụ thể mà không cần cắm vào cọc nhồi. Quá trình thi công lặp lại cho tới khi đào đất đến độ sâu thiết kế (độ sâu đặt móng). Sau khi đào xong, người ta cho tiến hành thi công các kết cấu tầng hầm theo thứ tự bình thường từ dưới lên trên. Hệ thống chống sẽ được dỡ bỏ sau khi các sàn tầng hầm đủ khả năng chịu lại các áp lực tác dụng lên tường tầng hầm. Hệ cột đỡ tạm (king-post) sẽ được thu hồi nếu các cột không trùng với vị trí cột tầng hầm công trình. Trường hợp các king-post trùng với cột của công trình sẽ được để lại trong các cột bê tông của tầng hầm. Việc thi công hố đào về nguyên tắc cần đảm bảo an toàn cho cả các hạng mục bên trong hố đào lẫn các công trình lân cận hố đào. Cần đào đất theo từng đợt, chiều sâu mỗi đợt phải được tính toán kỹ, đảm bảo thuận tiện thi công cũng như đảm bảo khả năng chịu lực cho hệ chống và tường vây công trình. Bắt đầu đào từ phía cạnh ngắn của hố móng và từ khu vực giữa hố rồi tiến dần ra xung quanh. Việc đào đất có thể thực hiện bằng thủ công hay bằng các loại máy móc hiện đại khác nhau tùy thuộc vào kích thước hố đào và điều kiện thi công tại hiện trường. Việc đào và vận chuyển đất giống như ở trên mặt đất bình thường do mặt bằng thi công rộng, dùng các loại cần trục để lấy đất ở dưới các tầng sâu. Trong quá trình thi công đào đất phải tuân theo các quy tắc về ổn định hố đào. Chọn chiều sâu các lớp đào hợp lí, sơ đồ di chuyển của máy đào phải phù hợp với hình dạng và kích thước hố đào nhằm đạt hiệu quả cao nhất. Đào đất đến những cao độ thiết kế nhất định thì thi công hệ giằng giữ tường chắn đến đó. Công việc này là cốt yếu, rất quan trọng khi thi công đào đất tầng hầm, giữ cho đất, nước ngầm không thâm nhập vào công trường đang thi công, đảm bảo cho các quá trình thi công được diễn ra bình thường. Việc đào đất được kết thúc khi đạt chiều sâu thiết kế, tạo mặt bằng cho việc thi công đài móng và sàn tầng hầm. Đối với hố đào sâu, áp lực lên tường chắn lớn, nên để đảm bảo an toàn tường vây, cần phải dùng các biện pháp chống đỡ tường bao. Thông thường có hai phương pháp chống đỡ: chống đỡ bằng hệ dầm ngang và cột chống tạm hoặc hệ neo trong đất. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm, tuy nhiên tùy theo điều kiện mặt bằng và điều kiện địa chất để lựa chọn phương pháp chống đỡ tường bao phù hợp. 1.2.1. Ch ng đỡ tường v y bằng hệ v ng h ng ho ing - kingpost) Dùng hệ dầm và cột chống văng giữa các tường đối diện. Hệ dầm và cột này thường được gia công từ thép. Các xà ngang, được đỡ bởi hệ cột tạm, sẽ chống vào các mặt tường vây thông qua hệ dầm biên, được điều chỉnh b ng hệ kích thủy lực điều khiển bằng hệ bơm dầu trung tâm. Hình 1.5 trình bày các bước thi công cơ bản khi sử dụng hệ 9 văng chống (hệ shoring - Kingpost) để chống đỡ tường vây cho công trình có 3 tầng hầm. t nhiên Thi công 500÷ 1000 t Cao o t Thi công 500÷ 1000 500÷ 1000 ng p2 t t2 ng p3 o t t3 NG – N NG o Thi công Cao M t1 ng Cao NG - p1 M Cote n ng m1 Cote n ng m2 Cote n ng m3 Y Cote Cao o t y ng t4 Hình 1.5. Các bước thi công đào đất cho công trình 3 tầng hầm, sử dụng hệ shoring kingpost chống đỡ tường vây - Thi công các kết cấu phần ngầm t dưới lên Tường vây, cọc khoan nhồi, kingpost đã được thi công xong, các bước thi công cơ bản được miêu tả như sau: - Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 1, thi công hệ văng ngang thứ nhất tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 1 một khoảng từ 0,5 m đến 1,0 m. Chú ý các biện pháp thiêu thoát nước trước khi đào đất. Trình tự đào như đã trình bày phía trên. - Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 2, thi công hệ văng ngang thứ hai tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 2 một khoảng từ 0,5 m đến 1,0 m. - Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 3, thi công hệ văng ngang thứ ba tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 3 một khoảng từ 0,5 m đến 1,0 m. - Đào đất đến cao độ đáy móng hoặc đáy các bể kỹ thuật (nếu bố trí các bể kỹ thuật dưới cao trình nền tầng hầm dưới cùng), thi công các bể kỹ thuật (nếu có), đài móng, hệ thống dầm - giằng móng và nền tầng hầm thứ 3 (tầng hầm dưới cùng). Chú ý các biện pháp chống thấm cho tầng hầm dưới cùng. - Thu hồi hệ văng chống thứ ba, thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 3. - Thu hồi hệ văng chống thứ hai, thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 2. - Thu hồi hệ văng chống thứ nhất, thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 1. Sau khi thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 1 xong, xem như kết thúc thi công các kết cấu phần ngầm từ dưới lên. Việc thi công các tầng phía trên diễn ra như bình 10 thường. Hình 1.6 giới thiệu một số hình ảnh thi công thực tế tầng hầm công trình từ dưới lên sử dụng hệ văng chống bằng thép hình. Hình 1.6. Một số hình ảnh thực tế thi công tầng hầm công trình t dưới lên sử dụng hệ văng chống bằng thép hình để chống đỡ tường vây Phương pháp chống giữ bằng hệ văng chống có ưu điểm là: hệ văng chống có trọng lượng nhỏ, lắp dựng và tháo dỡ thuận tiện, có thể sử dụng nhiều lần. Căn cứ vào tiến độ đào đất có thể vừa đào, vừa chống. Có thể làm cho hệ chống ngang chủ động chống đỡ bằng cách sử dụng hệ thống kích, tăng đơ rất có lợi cho việc hạn chế chuyển dịch ngang của tường. Dễ dàng giải quyết các vấn đề về thông gió, chiếu sáng trong thi công hố đào sâu... Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm: độ cứng tổng thể của hệ văng chống nhỏ đòi hỏi tính toán kỹ, các mắt nối ghép nhiều. Nếu cấu tạo nối ghép không hợp lý, biện pháp thi công không thoả đáng và không phù hợp với yêu cầu của thiết kế, dễ gây ra chuyển dịch ngang và mất ổn định của tường vây hố đào do độ cứng tổng thể của hệ văng chống không bảo đảm, do các chi tiết nối ghép biến dạng. Ngoài ra, hệ văng chống cản trở và hạn chế cơ giới hóa quá trình thi công đào đất cũng như thi công các kết cấu, khó có khả năng thu hồi 100 hệ văng chống do phụ thuộc nhiều vào thiết kế và bố trí hệ kingpost. Thời gian thi công kéo dài, chi phí thi công cao. 1.2.2. Ch ng đỡ tường v y bằng neo ng uất t ướ trong đất Chống đỡ tường vây bằng hệ văng chống cản trở và hạn chế cơ giới hóa quá trình thi công đào đất cũng như thi công các kết cấu. Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp trên người ta dùng neo ứng suất trước trong đất. 11 Neo ứng suất trước trong đất có nhiều loại, tuy nhiên dùng phổ biến trong xây dựng tầng hầm nhà cao tầng là neo phụt, Hình 1.7. Phương pháp này được áp dụng khi ta cần không gian để thi công trong lòng hố đào. Việc đặt neo tuỳ thuộc vào lực căng mà có thể neo trên mặt đất hay neo ngầm vào trong đất. Trường hợp neo ngầm, khi đào đến đâu người ta khoan xuyên qua tường bao để chôn neo và cố định neo vào tường. Với phương pháp này tường được giữ với ứng lực trước nên hầu như là ổn định hoàn toàn. Khi tầng hầm đã được xây dựng xong, tường được giữ bởi hệ kết cấu tầng hầm, lúc này neo sẽ được dỡ đi hoặc để lại tùy theo sự thoả thuận của chủ đầu tư với các công trình bên cạnh, cũng như công nghệ sử dụng có cho phép thu hồi neo hay không. Nếu tường bao hở (không liên kết với kết cấu tầng hầm) thì các neo sẽ vẫn được giữ nguyên và làm việc lâu dài, lúc này nó cần được bảo vệ cẩn thận. i Chi t u neo ng c p neo ng vây y ng xung quanh công nh o t n i do p neo α t n a un n eo u neo m p c t ng không Hình 1.7. Neo ứng suất trước trong đất - nguyên l cấu tạo Để tạo ra bầu neo có nhiều cách khác nhau, ứng với mỗi cách khác nhau sẽ cho những đặc điểm làm việc khác nhau. Hình 1.8 giới thiệu một số loại neo và bầu neo. oại A: Bơm vữa xi măng trong ống vách  Dùng cho nền đá, đất đắp, dính. oại B: Phun vữa áp lực thấp (1000 kN m2)  dùng trong nền đá yếu, nứt n , trong các lớp hạt thô hoặc mịn. oại C: Phun vữa áp lực cao ( 2000 kN/m2)  Dùng cho nền đất rời hạt mịn, lực căng trong neo lớn. oại D: Dùng thiết bị chuyên dùng để khoan tạo bầu  dùng cho đất dính chặt, cứng, lực căng lớn. 12 iA iB iC iD Hình 1.8. Một số loại neo và bầu neo Hình 1.9 trình bày các bước thi công cơ bản khi sử dụng neo ứng suất trước trong đất để giữ ổn định và đảm bảo khả năng chịu lực của tường vây cho công trình có 3 tầng hầm. t nhiên cao thi công ng neo 1 Cao t t1 800÷ 1000 o cao thi công 800÷ 1000 800÷ 1000 t cao thi công ng neo 3 Cao o t t3 NG – N NG NG - ng neo 2 Cao t M o t2 M Cote n ng m1 Cote n ng m2 Cote n ng m3 Y Cote Cao o t y ng t4 Hình 1.9. Các bước thi công đào đất cho công trình 3 tầng hầm, sử dụng neo ứng suất trước trong đất chống đỡ tường vây - Thi công các kết cấu phần ngầm t dưới lên Tường vây, cọc khoan nhồi đã được thi công xong, các bước thi công cơ bản, sử dụng neo ứng suất trước được miêu tả như sau: - Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 1, thi công lớp neo ứng suất trước thứ nhất tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 1 một khoảng từ 0,8 m đến 1,0 m. Chú ý các biện 13 pháp tiêu thoát nước trước khi đào đất. Trình tự đào như đã trình bày phía trên. - Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 2, thi công lớp neo ứng suất trước thứ hai tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 2 một khoảng từ 0,8 m đến 1,0 m. - Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 3, thi công lớp neo ứng suất trước thứ ba tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 1 một khoảng từ 0,8 m đến 1,0 m - Đào đất đến cao độ đáy móng hoặc đáy các bể kỹ thuật (nếu bố trí các bể kỹ thuật dưới cao trình nền tầng hầm dưới cùng), thi công các bể kỹ thuật (nếu có), đài móng, hệ thống dầm - giằng móng và nền tầng hầm thứ 3 (tầng hầm dưới cùng). Chú ý các biện pháp chống thấm cho tầng hầm dưới cùng. - Thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 3, thu hồi lớp neo thứ ba (nếu thiết kế và sử dụng loại neo có thể thu hồi). - Thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 2, thu hồi lớp neo thứ hai (nếu thiết kế và sử dụng loại neo có thể thu hồi). - Thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 1, thu hồi lớp neo thứ nhất (nếu thiết kế và sử dụng loại neo có thể thu hồi). Sau khi thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 1 xong, xem như kết thúc thi công các kết cấu phần ngầm từ dưới lên. Việc thi công các tầng phía trên diễn ra như bình thường. Hình 1.10 giới thiệu một số hình ảnh thi công thực tế tầng hầm công trình từ dưới lên sử dụng neo ứng suất trước trong đất để giữ ổn định và đảm bảo khả năng chịu lực của tường vây. Hình 1.10. Một số hình ảnh thực tế thi công tầng hầm công trình t dưới lên sử dụng neo ứng suất trước trong đất để giữ n định và đảm bảo khả năng chịu lực của tường vây Sử dụng neo ứng suất trước trong đất để chống đỡ tường vây có ưu điểm là thi công hố đào gọn gàng, có thể áp dụng cho thi công những hố đào rất sâu; mặt bằng thi công thông thoáng, thuận tiện cho thi công; khả năng chịu lực tốt; dễ dàng kiểm soát chuyển vị ngang của tường vây... Tuy nhiên, công nghệ thi công phức tạp, ít phổ biến; bị ảnh hưởng bởi các công trình lân cận; không thi công được trong nền đất yếu; giá thành thi công cao.