ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
&
PHẠM HÙNG TIẾN
NGHIÊN CỨU CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG
TRONG GIA CỐ ĐẤT NỀN QUANH HỐ ĐÀO SÂU
TẠI HẦM THỦ THIÊM CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ
VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ
MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07/2009
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
Ngày, tháng, năm sinh : 30/10/1983 Nơi sinh : Phú Yên
Chuyên ngành : Xây dựng đường ôtô và đường thành phố
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007 MSHV : 00107748
1. TÊN ĐỀ TÀI: “ NGHIÊN CỨU CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG TRONG GIA CỐ ĐẤT
NỀN QUANH HỐ ĐÀO SÂU TẠI HẦM THỦ THIÊM “
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu tác dụng của cột đất trộn xi măng dùng gia cường
đất quanh hố đào sâu tại hầm Thủ Thiêm
3. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Chương 1 : Tổng quan về hố đào sâu và vấn đề giữ ổn định hố đào sâu bằng trụ đất
trộn xi măng
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết tính toán đất gia cường bằng cột đất trộn xi măng quanh hố
đào sâu
Chương 3 : Nghiên cứu tác dụng của cột đất trộn xi măng gia cố quanh hố đào tại dự án
hầm Thủ Thiêm
Chương 4 Nhận xét, kết luận và kiến nghị
4. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
5. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/07/2009
6. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 : GS.TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 : TS. LÊ BÁ VINH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1
GS.TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2
về những số liệu đã cung cấp.
TP. Hồ Chí Minh, Ngày Tháng Năm 2009
Học viên Phạm Hùng Tiến TÓM TẮT LUẬN VĂN
Tên đề tài : NGHIÊN CỨU CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG TRONG GIA CỐ ĐẤT
NỀN QUANH HỐ ĐÀO SÂU TẠI HẦM THỦ THIÊM
Vấn đề thiết kế đảm bảo độ ổn định và an toàn thi công hố đào sâu luôn là bài toán
khó vì cho dù có nhiều tiến bộ trong tính toán mô phỏng dựa trên các mô hình tính toán
diễn tả được ứng xử đất nền khá gần với thực tế nhưng vẫn có những sự cố công trình
liên quan đến hố móng sâu gây ra.
Một số phương pháp giữ ổn định hố đào sâu phổ biến như: Sử dụng thanh chống
thông qua hệ thống kích; Sử dụng neo trong đất; Gia cường đất quanh hố đào. Trong các
phương pháp trên phương pháp gia cường đất quanh hố đào là một phương pháp được
chú ý đến nhiều với sự phát triển của công nghệ thi công cột đất trộn xi măng (DSMC).
Công nghệ này được sử dụng vì có thể thi công trong phạm vi hẹp (nhất là trong điều
kiện thành phố) và không gây ảnh hưởng đến tường chắn và các công trình xung quanh.
Hầm Thủ Thiêm là công trình trọng điểm trong dự án Đại Lộ Đông Tây được coi
là một trong những công trình sử dụng DSMC với số lượng lớn và đa dạng mục đích sử
dụng nhất. Tại hầm dẩn Thủ Thiêm tại lý trình 14km350 đến 14km365 được sử dụng để
gia cường đất cả bên trong và bên ngoài hố đào. Luận văn sẽ nghiên cứu tác dụng của các
vùng đất gia cường bằng DSMC này thông qua việc mô phỏng bài toán bằng phần mềm
Plaxis, một công cụ rất mạnh sử dụng phương pháp FEM.
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU VÀ VẤN ĐỀ GIỮ ỔN ĐỊNH HỐ
ĐÀO SÂU BẰNG TRỤ ĐẤT TRỘN XI MĂNG (DSMC) 1
1.1. TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU 1
1.2. VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH VÀ SỰ CỐ HỐ ĐÀO SÂU 2
1.2.1. Ổn định hố đào sâu 2
1.2.2. Sự cố hố đào sâu 2
1.3. GIỮ ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU BẰNG DSMC 5
1.3.1. Tổng quan về công nghệ DSMC 5
1.3.2. Sử dụng DSMC trong ổn định hố đào sâu 8
1.4. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 11
1.5. PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU 12
1.6. GIỚI HẠN LUẬN VĂN 12
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐẤT GIA CƯỜNG BẰNG
DSMC QUANH HỐ ĐÀO SÂU 13
2.1. LÝ THUYẾT ÁP LỰC ĐẤT CỦA RANKINE 13
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ÁP LỰC LÊN TƯỜNG CHẮN GIỮ LIÊN
TỤC TRONG ĐẤT 15
2.2.1. Phương pháp SACHIPANA 16
2.2.2. Phương pháp đàn hồi 18
2.2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 20
2.3. TÍNH TOÁN VÙNG ĐẤT GIA CƯỜNG BẰNG DSMC PHÍA NGOÀI HỐ ĐÀO
(PHÍA CHỦ ĐỘNG) 22
2.3.1. Trường hợp đất sau lưng tường ở trạng thái chủ động 24
2.3.2. Trường hợp đất sau lưng tường ở trạng thái bị động 27
CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG CỦA DSMC GIA CƯỜNG QUANH HỐ
ĐÀO TẠI DỰ ÁN HẦM THỦ THIÊM 31
3.1. TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN HẦM THỦ THIÊM 31
3.2. PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ 35
3.3. PHÂN TÍCH KẾT CẤU HẦM 47
3.4. GIA CỐ ĐẤT XUNG QUANH HỐ ĐÀO BẰNG DSMC 50
NGHIÊN CỨU CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG
TRONG GIA CỐ ĐẤT NỀN QUANH HỐ ĐÀO SÂU
TẠI HẦM THỦ THIÊM
(PHẦN PHỤ LỤC)
CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ
VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ
MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07/2009
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN BẰNG PLAXIS Các trường hợp :
A. Trường hợp không gia cường đất quanh hố đào
B. Trường hợp gia cường đất phía chủ động
cầu đối với việc ổn định và khống chế chuyển dịch rất là nghiêm ngặt.
Công trình hố đào 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 chỉ một khâu nào đó thất bại
thì cũng sẽ dẫn tới sự cố cho hố móng.
2
Chương 1 : Tổng quan về hố đào sâu và vấn đề ổn định hố đào sâu bằng trụ đất trộn xi măng
Công trình hố đào có chu kỳ thi công dài, từ khi đào đất đến khi hoàn thành toàn
bộ các công trình kín khuất ngầm dưới mặt đất phải trải qua nhiều lần mưa to, nhiều lần
chất tải, chấn động, thi công có sai phạm tính ngẫu nhiên của mức độ an toàn tương đối
lớn, sự cố xảy ra thường là đột biến.
1.2. VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH VÀ SỰ CỐ HỐ ĐÀO SÂU
1.2.1. ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU
Khi làm làm công trình có hạng mục nằm ngầm qua đất yếu, một mục tiêu thiết
kế quan trọng là ổn định hố đào. Sự ổn định theo nghĩa này nói tới khả năng của hệ
tường chắn chống lại sự quay của tường và biến dạng đất tổng thể đi kèm với các biến
dạng cắt quay lớn (hay sự phá hoại cắt) của đất. Biến dạng gây ra từ tình huống như vậy
có xu hướng phát triển theo chiều đi xuống (lún) ở bên ngoài hố đào và lên trên
(bùng nền) trong phạm vi hố đào.
Hình dạng của hố đào và hệ tường chắn cần phải thỏa mãn hai chế độ ổn định.
Hố đào phải được thiết kế với hệ số an toàn đủ để chống lại sự bùng nền. Bài toán này đã
được Terzaghi phân tích (năm 1949) và sau đó được cải tiến bởi Bjurrum và Eide
(1956). Hệ số an toàn cho chế độ này về cơ bản là một hàm số của cường độ chống cắt
của đất và chiều sâu đào. Chiều sâu chân tường dưới cao độ đáy hố đào không ảnh
hưởng lớn tới tính ổn định cho tới khi cao độ mũi đạt tới lớp đất cứng.
Cả hai điều kiện ổn định trên đều có khả năng gây biến dạng lớn. Ngay cả
khi phá hoại không xảy ra, nếu hệ số an toàn thấp sẽ tạo sự phát triển tương đối lớn các
biến dạng cắt. Để giữ cho biến dạng nằm trong phạm vi chấp nhận được và tránh
trượt lớn, điều quan trọng là phải có các biện pháp thiết kế và đề phòng thích hợp
khi thi công. Ví dụ, tại vùng đất sét nhạy cảm, cần dùng hệ số an toàn lớn hơn so với
Hình 1. 1 - Thi công hố móng cao ốc Pacific làm sập một phần viện KHXH Nam Bộ 4
Chương 1 : Tổng quan về hố đào sâu và vấn đề ổn định hố đào sâu bằng trụ đất trộn xi măng
- Vị trí : Quận 1, TP. Hồ Chí Minh
- Nguyên nhân tai nạn : nguyên nhân chủ yếu của sự cố này là chất lượng thi công
tường tầng hầm không tốt (chất lượng bê tông của tường thấp dẫn đến tường bị thủng).
Thêm vào đó mực nước dưới đất bên ngoài tầng hầm rất cao nước theo các khe thủng tạo
thành dòng chảy rất mạnh kéo theo đất cát chảy vào tầng hầm đồng thời làm rỗng xốp,
làm xói lở và phá hoại đất nền của móng các công trình lân cận, khiến cho các công trình
đó bị biến dạng, bị sụt lún, thậm chí bị phá hoại.
- Thiệt hại : làm sập hoàn toàn toà nhà viện KHXH Nam Bộ, và làm hư hỏng các
khối nhà lân cận khác.
v Sự cố sập hầm dẫn Nicol Highway Singapore
Hình 1. 2 - Sập hầm dẫn ở Nicol highway Singapore
Công trình này có đặc điểm rất giống với hầm Thủ Thiêm.
- Vị trí : Nicol highway Singapore
- Nguyên nhân tai nạn : Viện MIT đã chỉ ra nguyên nhân chính dẫn đến sập hầm là
do phân tích sai địa chất khu vực và đánh giá quá cao sức chống cắt của đất trong khu
vực phân tích. Do vậy việc thiết kế kết cấu chống đỡ áp lực đất trong vùng đất sét yếu
không đảm bảo.
- Thiệt hại : làm chết 4 người công nhân và làm sạt lở nghiêm trọng các công trình
xung quanh.
5
Chương 1 : Tổng quan về hố đào sâu và vấn đề ổn định hố đào sâu bằng trụ đất trộn xi măng
1.3. GIỮ ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU BẰNG DSMC
1.3.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DSMC
Các trường hợp cơ bản sử dụng DSMC (theo Hiệp hội DJM Nhật Bản, 1996)
1.3.1.2. Nguyên lý và đặc tính gia cố xi măng-đất:
Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng-đất là xi măng sau khi trộn với đất sẽ
sinh ra một loạt phản ứng hóa học rồi dần dần đóng rắn lại. Có hai phương pháp trộn là
phương pháp trộn ướt và phương pháp trộn khô. Sự khác nhau của hai phương pháp này
được thể hiện ở hai sơ đồ sau (theo TCXDVN 385-2006).
(a) Sơ đồ thi công trộn khô
7
Chương 1 : Tổng quan về hố đào sâu và vấn đề ổn định hố đào sâu bằng trụ đất trộn xi măng
Hình 1. 4 – Sơ đồ thi công phương pháp trộn khô (a) và trộn khô (b) trụ đất-xi măng
Phương pháp được sử dụng tại công trình đang xét đến trong luận văn này
(đường dẫn hầm Thủ Thiêm) là phương pháp trộn khô JMM (Jet and Mechanical
Mixing). Trong chương 3 sẽ xét kỹ về phương pháp này.
1.3.1.3. Ứng dụng DSMC ở Việt Nam
Ở Việt Nam, công nghệ này đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1980 với sự giúp
đỡ của viện địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI). Đề tài nghiên cứu được Bộ Xây Dựng nghiệm
thu vào năm 1985 và đã được áp dụng cho một số công trình dân dụng và công nghiệp ở
Hà Nội và Hải Phòng.
Công trình ứng dụng DSMC đầu tiên ở phía nam do công ty phát triển kỹ thuật
xây dựng thi công hợp tác với công ty Hercules (Thụy Điển) làm tại khu công nghiệp Trà
Nóc (Cần Thơ) sâu đến 20m bằng hệ thống tự động từ khâu khoan, phun xi măng và trộn
với tổng chiều dài cọc gần 50.000m.
Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng DSMC vào xây dựng các
công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m
DSMC có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu
đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ. Năm 2004 DSMC được sử dụng để gia cố nền
móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở
máy móc chế tạo trụ đất trộn xi măng, khi đó công nghệ này sẽ được ứng dụng rộng rãi
hơn nữa đặc biệt là cho các tĩnh phía Nam nước ta.
1.3.2. SỬ DỤNG DSMC TRONG ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU
Vấn đề này đã được một số nước đề cập đến mà đi đầu là Thụy Điển. Xin nêu
một số công trình tiêu biểu đã áp dụng DSMC để gia cường đất nhằm giữ ổn định hố đào.
Hình 1.5 là một công trình nhà cao tầng ở Gothenburg-Thụy Điển được xây
dựng vào năm 2002. Nhà thầu Peab Sweaden AB đã kết hợp tường chắn (sheet piled
wall) với DSMC với mục đích làm giảm áp lực chủ động lên tường chắn. Với mục đích
9
Chương 1 : Tổng quan về hố đào sâu và vấn đề ổn định hố đào sâu bằng trụ đất trộn xi măng
này DSMC φ600mm (50% và 50% xi măng, 82kg/m
3
) với sức chống cắt 100kPa đã được
sử dụng gia cường cho vùng đất sau lưng tường mỗi hàng 7 cột khoảng cách giữa các cột
là 1.5m, sâu 9m. DSMC được đưa vào sau khi đã thi công tường chắn, 2 tuần sau khi thi
công xong vùng đất gia cường thì tiến hành đào hố móng.
Hình 1.5 - DSMC được dùng để ổn định tường chắn ở AstraZeneca-Gothenburg-Thụy Điển
Trước đó tác giả Phung Duc Long và Hakan Bredenberg đã có nghiên cứu về
việc sử dụng DSMC phía sau lưng tường để ổn định cho tường và có so sánh với trường
hợp chỉ gia cố vùng đất bên trong hố đào cho công trình South Link ở Stockholm,Thụy
Điển. Tuy nhiên tác giả chưa xét trường hợp hố đào có thanh chống cũng như chưa xét
tác dụng tương hỗ khi gia cường cả hai phía và chưa đưa ra phương pháp giải tích xác
định kích thước vùng đất gia cường. Luận văn sẽ nghiên cứu thêm các mặt hạn chế này.
Hình 1. 6 - Hình : Mô hình phân tích của Phung Duc Long và Hakan Bredenberg
Một số hình ảnh sử dụng DSMC gia cường quanh hố đào sâu tại một số công
dẫn Hầm Thủ Thiêm và cho kết quả rất tốt.
Một ưu điểm rất quan trọng của DSMC là hầu như không gây tác động đến công
trình xung quanh và có thể thi công trong điều kiện chật hẹp. Do vậy sử dụng DSMC
trong gia cố hố đào sâu hầu như sẽ không gây ảnh hưởng đáng kể đến tường chắn xung
quanh hố đào. Luận văn này sẽ nghiên cứu thêm khả năng của DSMC trong việc giữ ổn
định hố đào sâu.
12
Chương 1 : Tổng quan về hố đào sâu và vấn đề ổn định hố đào sâu bằng trụ đất trộn xi măng
1.4. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
- Nghiên cứu tác dụng của DSMC đến việc giữ ổn định thành hố đào tại hạng mục
hầm dẫn Thủ Thiêm.
- Đưa ra cách tính toán vùng đất gia cường bằng DSMC quanh hố đào. Trường
hợp thực tế xét đến là thành hố đào bằng tường trong đất (Diaphragm wall) và đất sau
lưng tường ở trạng thái chủ động.
1.5. PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU
- Sử dụng lý thuyết cơ học đất tính vùng đất gia cường bằng DSMC quanh hố đào.
- Sử dụng phần mềm Plaxis để nghiên cứu các trường hợp dùng DSMC gia cường
phía chủ động hố đào
- Sử dụng phần mềm Plaxis để nghiên cứu các trường hợp dùng DSMC gia cường
phía bị động hố đào
x
=K
0
γ
z
vòng tròn ứng suất O
1
chưa tiếp xúc với
đường bao cường độ giới hạn cắt (Hình 2. 1-b).
+ Trạng thái chủ động : Khi σ
z
không đổi, σ
x
giảm nhỏ dần, vòng tròn ứng suất O
2
tiếp xúc với đường bao cường độ, thể đất đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn, σ
z
và σ
x
lần lượt là ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất. Trong thể đất hai tổ mặt trượt làm thành
góc kẹp 45
0
+ϕ/2 với mặt phẳng ngang (Hình 2. 1-c).
+ Trạng thái bị động : Khi σ
z
không đổi, σ
x
tăng lớn dần, vòng tròn ứng suất O
Nếu có xét đến áp lực nước γ
w
z và tải trọng phân bố đều phía sau lưng tường q thì :
zKcKaqzP
waa
γγ +−+= 2)( (2.2)
Với : )
2
45(tan
2
ϕ
−°=
a
K : Hệ số áp lực đất chủ động
γ : Trọng lượng đơn vị thể tích đất (kN/m
3
)
γ
w
: Trọng lượng đơn vị thể tích nước (kN/m
3
)
C, ϕ : Lực dính kết (kPa) và góc ma sát trong của đất (độ)
z : Cao độ từ điểm tính toán đến mặt đất lấp (m)
q : Tải trọng phân bố đầu sau lưng tường (kPa)
Hình 2. 2 - Tính áp lực đất chủ động Rankine
(a) : Tường chắn đất dịch chuyển ra ngoài
(b) : Đất cát ; (c) : Đất sét
Hình 2. 3 - Tính áp lực đất bị động Rankine
(a) : Tường chắn đất dịch chuyển về phía đất lấp
(b) : Đất cát ; (c) : Đất sét
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ÁP LỰC LÊN TƯỜNG CHẮN GIỮ
LIÊN TỤC TRONG ĐẤT
Trước khi trình bày phương pháp tính toán vùng đất gia cường sau lưng tường
xin trình bày trước phương pháp tính toán tường liên tục trong đất để làm cơ sở cho việc
tính toán lực thanh chống phục vụ cho bước tính toán vùng đất gia cường.
Copyright: Tài liệu đại học ©