BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM

NGÔ ĐỨC TRUNG

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG
CƠ LÝ CỦA ĐẤT YẾU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SUẤT DỠ TẢI
TRONG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM

NGÔ ĐỨC TRUNG

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG
CƠ LÝ CỦA ĐẤT YẾU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THEO CÁC LỘ TRÌNH ỨNG SUẤT DỠ TẢI

- Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học do chính tôi nghiên cứu và
thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được công
bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Tác giả hoàn toàn chịu trách
nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án.
Tác giả luận án

NGÔ ĐỨC TRUNG


ii

LỜI CẢM ƠN
Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS. Võ Phán và
GS.TS. Trần Thị Thanh đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả trân trọng gửi lời cảm ơn tới GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ đã có
những góp ý rất quí báu trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Trân trọng cảm ơn Quý lãnh đạo, các thầy cô trong Viện Khoa học Thủy
lợi Việt Nam, Viện khoa học Thuỷ lợi Miền Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và
góp ý tận tình cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả trân trọng và biết ơn những đóng góp giá trị của PGS.TS. Lê Bá
Vinh, PGS.TS. Trần Tuấn Anh, PGS.TS. Tô Văn Lận và các nhà khoa học ở
trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, trường Đại học Kiến trúc TP. HCM.
Cảm ơn ThS. Nguyễn Hữu Uy Vũ và cộng sự tại phòng thí nghiệm địa
kỹ thuật Bros (Las 1136) đã hỗ trợ thiết bị và giúp đỡ kỹ thuật để tác giả có thể

trạng thái ứng suất.
Kết quả tính toán chuyển vị và biến dạng từ các mô hình nền được so
sánh với dữ liệu quan trắc cho thấy sự phù hợp của các thông số và mô hình nền
của tác giả đề xuất trong bài toán thiết kế hố đào trên vùng đất yếu TP. HCM.


iv

ABSTRACT
In Ho Chi Minh City (HCMC), deep excavations have been used
worldwide for underground construction, but they also alter the ground
conditions and induce ground movements which might cause risks to adjacent
infrastructure. Construction of the deep exvacation is the process of unloading
the ground is also the process of reloading: unloading when the soil in the
excavation pit is removed and reloaded when the construction of the anti-wall
system. During this process, the stress and deformation of the soil at the around
excavation changes with different stress paths in which the most obvious
change is that the back retaining wall changes with the stress path reduction
horizontal stress σ3, while the vertical stress σ1 is constant and the bottom soil
changes with the σ1 reduction and the σ3 is constant.
This thesis clarifies the the mechanical characteristics of soft soil in
HCMC according to the stress paths in the calculation of deep exvacations.
Triaxial compression test were performed to simulate the stress state of the
soil surrounding the excavation during construction. The results show that the
shear strength of the soil around the excavation was reduced during
excavation. In contrast, the deformation modulus increased considerably
during unloading and reloading. The correlation parameters include shear
strength, modulus, power m proposed by the author and applied to calculate
some deep exvacations in the soft soil of HCMC by the finite element method
with the Hardening Soil model, is a plastic nonlinear model that takes into

Nội dung nghiên cứu của luận án....................................................... 3

4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................... 3

5.

Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 4

6.

Những điểm mới của luận án............................................................. 4

7.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn............................................................ 5

8.

Cấu trúc của luận án .......................................................................... 5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU THEO HƯỚNG
NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ........................................................ 6
1.1

Tổng quan về hố đào sâu ................................................................... 6

1.2


Nhận xét chương 1 ........................................................................... 26

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ
TRONG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU........................................ 28
2.1

Cơ sở lý thuyết tính toán hố đào sâu ............................................... 28

2.1.1 Lý thuyết Coulomb (1776) .............................................................. 29
2.1.2 Lý thuyết áp lực đất của Rankine (1857) ........................................ 30
2.2

Các phương pháp tính toán HĐS chắn giữ bằng tường liên tục...... 30

2.2.1

Phương pháp giải tích ...................................................................... 30

2.2.2

Phương pháp dầm trên nền đàn hồi ................................................. 31

2.2.3

Phương pháp phần tử hữu hạn ......................................................... 32

2.3

Các mô hình đất nền ........................................................................ 33


DẠNG CỦA ĐẤT XUNG QUANH HỐ ĐÀO SÂU ...................... 49
3.1

Tổng quan về thí nghiệm ba trục xác định các chỉ tiêu cơ lý tính
toán hố đào ....................................................................................... 49

3.1.1 Các lộ trình ứng suất trong thí nghiệm ba trục ................................ 50


vii
3.1.1.1

Lộ trình ứng suất nén ba trục thông thường (Conventional
Triaxial Compression Stress Path: CTC) ............................ 51

3.1.1.2

Lộ trình ứng suất kéo ba trục giảm dần (Reduced Triaxial
Extension Stress Path: RTE) ................................................ 51

3.1.1.3

Lộ trình ứng suất kéo ba trục thông thường (Conventional
Triaxial Extension Stress Path: CTE) ................................... 51

3.1.1.4

Lộ trình ứng suất ba trục giảm (Reduced Triaxial
Compression Stress Path: RTC) ............................................ 52


Lấy mẫu nguyên dạng tại hiện trường.......................................... 57

3.2.3.2

Đặc trưng cơ lý mẫu thí nghiệm ................................................... 58

3.2.4

Thực hiện thí nghiệm ........................................................................ 60

3.2.4.1

Bão hòa mẫu ................................................................................. 60

3.2.4.2

Cố kết mẫu .................................................................................... 61

3.2.4.3

Cắt mẫu ......................................................................................... 61

3.2.5

Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm ........................................ 62

3.2.5.1

Quan hệ ứng suất và biến dạng (q-1) .......................................... 62



Xác định mô đun cát tuyến E50, Eur và tham số mũ m từ thí nghiệm
nén ba trục thoát nước ..................................................................... 83

4.2.2.1

Xác định mô đun E50 và số mũ m thông qua E50 .......................... 84

4.2.2.2

Xác định mô đun Eur và số mũ m thông qua Eur ........................... 87

4.2.3

Xác định mô đun Eoed, tham số m từ thí nghiệm nén một trục không
nở hông Oedometer ......................................................................... 90
Xác định hệ số tương quan Eur/ E50 và Eoed/ E50 cho đất yếu TP.

4.3

HCM ...................................................................................................
........................................................................................................ 95
Nhận xét chương 4 ........................................................................... 97

4.4

CHƯƠNG 5 - ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ TÍNH TOÁN
CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ........................................................... 99
5.1



5.2.5

Quan trắc tại hiện trường ............................................................... 109


ix
5.2.6

Mô phỏng công trình bằng FEM ................................................... 110

5.2.7

Phân tích và đánh giá kết quả ........................................................ 111

5.2.7.1

Chuyển vị ngang của tường ........................................................ 111

5.2.7.2

Độ lún bề mặt ............................................................................. 113

5.3

Dự án Trạm bơm Lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè ........................ 116

5.3.1

Điều kiện địa chất .......................................................................... 117


Phân tích và đánh giá kết quả ........................................................ 122

5.4

Dự án Pearl Plaza........................................................................... 125

5.4.1 Điều kiện địa chất .......................................................................... 126
5.4.2 Xác định thông số đất cho các mô hình nền ................................. 128
5.4.3 Kết cấu hệ chống đỡ ...................................................................... 129
5.4.4 Quan trắc tại hiện trường ............................................................... 130
5.4.5 Trình tự thi công ............................................................................ 131
5.4.6 Mô phỏng bằng Plaxis ................................................................... 132
5.4.7 Phân tích kết quả............................................................................ 133
5.5

Nhận xét chương 5 ......................................................................... 135

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 137
1.

Kết luận .......................................................................................... 137

2.

Kiến nghị ....................................................................................... 139

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ .............. 140
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 141
PHẦN PHỤ LỤC........................................................................................ 147

[B]

-

Ma trận liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị

Cc

-

Chỉ số nén

Cr

-

Chỉ số nở

Cv

-

Hệ số cố kết trong thí nghiệm ba trục

CR, RR -

Tỷ số nén, tỷ số nén lại

c, c’


mm

Đường kính và chiều dài mẫu đất trong thí nghiệm ba trục

[D]

-

Ma trận cơ bản của vật liệu

E

kPa

Mô đun đàn hồi của đất

E0

kPa

Mô đun biến dạng của đất

Ei

kPa

Mô đun biến dạng ban đầu

Et, Es



-

Hàm dẻo trong các mô hình đất nền


xi
G

kPa

Mô đun kháng cắt

G ref

kPa

Mô đun kháng cắt tham chiếu

IP

%

Chỉ số dẻo

K

-

Hệ số nền theo phương ngang


m

-

Tham số mũ thể hiện sự phụ thuộc của mô đun vào ứng suất

OCR

-

Hệ số quá cố kết của đất

P

-

Tải trọng tác động lên piston trong thí nghiệm nén ba trục

p

kPa

Áp lực đất thực tác dụng lên tường

po

kPa

Áp lực đất tĩnh lên tường


uy

mm

Chuyển vị của điểm bất kỳ theo phương y

V

cm3

Thể tích khối đất

V0

cm3

Thể tích ban đầu của khối đất

Wn

%

Độ ẩm tự nhiên

WP

%

Giới hạn dẻo


Biến dạng thể tích

γd

kN/m3

Dung trọng khô

γn

kN/m3

Dung trọng tự nhiên

γsat

kN/m3

Dung trọng bão hoà

*

-

Chỉ số nén cải tiến

φ, φ’

độ


b

kPa

Áp lực ngược trong quá trình bão hoà mẫu

c

kPa

Áp lực cố kết của đất

1,2,3 kPa

Các ứng suất chính
CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CD

-

Thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước

CID

-

Thí nghiệm nén ba trục đẳng hướng cố kết thoát nước


Thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nước

FEM

-

Phương pháp phần tử hữu hạn

HĐS

-

Hố đào sâu

HS

-

Mô hình Hardening Soil

HSM

-

Mô hình Hardening Soil với các tham số hiệu chỉnh

MC

-



xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các thông số mô hình Mohr – Coulomb ........................................ 36
Bảng 2.2 Các thông số mô hình Hypebol ...................................................... 37
Bảng 2.3 Các thông số mô hình Cam-clay cải tiến ........................................ 38
Bảng 2.4 Các thông số mô hình Hardening Soil ............................................ 42
Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu cơ lý đặc trưng cho đất yếu TP. HCM .............. 58
Bảng 3.2 Các thông số vật lý cho lớp đất yếu TP. HCM và lộ trình ứng suất
trong thí ngiệm 3 trục .................................................................... 59
Bảng 3.3 Mô đun biến dạng E50 từ các lộ trình ứng suất CTC, RTE và RTC 70
Bảng 3.4 Giá trị c’ và ’ của đất yếu TP. HCM theo các lộ trình ứng suất .. 76
Bảng 4.1 Các thông số độ bền của đất ........................................................... 83
ref
Bảng 4.2 Mô đun E50 , E50 và tham số m từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước

........................................................................................................ 86
ref
Bảng 4.3 Mô đun Eur , Eur và số mũ m từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước 89
ref
Bảng 4.4 Mô đun Eoed
từ kết quả thí nghiệm nén cố kết ............................... 92

ref
Bảng 4.5 Mô đun Eoed , Eoed và số mũ m tính toán từ thí nghiệm Oedometer. 93

Bảng 4.6 Kết quả tỷ số Eur / E50 và Eoed / E50 của đất yếu TP. HCM .......... 95
Bảng 5.1 Áp dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán HĐS .......................... 101
Bảng 5.2 Các thông số đất nền cho mô hình MC ........................................ 104



xvi

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phân bố đất yếu ở TP. HCM ............................................................ 9
Hình 1.2 Mặt cắt vùng đất yếu dọc sông Sài Gòn ........................................ 10
Hình 1.3 Vùng ảnh hưởng của HĐS và các lộ trình ứng suất........................ 13
Hình 1.4 Các lộ trình ứng suất khác nhau của thí nghiệm ba trục ................ 15
Hình 1.5 Các lộ trình ứng suất trong hố đào .................................................. 16
Hình 1.6 Lộ trình ứng suất trong đất ............................................................. 17
Hình 1.7 Lộ trình ứng suất trong hố đào ....................................................... 17
Hình 1.8 Các lộ trình ứng suất trong điều kiện ứng suất nén và kéo ............. 18
Hình 1.9 So sánh đường phá hoại trong thí nghiệm nén và kéo ba trục ........ 19
Hình 1.10 Biểu đồ thực nghiệm dự tính lún của đất quanh hố móng ............ 22
Hình 1.11 So sánh chuyển vị và biến dạng các mô hình nền ....................... 25
Hình 2.1 Rời rạc hoá miền tính toán .............................................................. 32
Hình 2.2 Vòng tròn Mohr tại ngưỡng dẻo, .................................................... 34
Hình 2.3 Các mặt bao phá hoại theo tiêu chuẩn Mohr – Coulomb .............. 35
Hình 2.4 Quan hệ ứng suất – biến dạng theo mô hình đàn hồi – dẻo lý tưởng
........................................................................................................ 35
Hình 2.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng và các mô đun của mô hình Hypebol
........................................................................................................ 37
Hình 2.6 Mặt dẻo của mô hình Cam-clay cải tiến ......................................... 38
Hình 2.7 Mặt dẻo của mô hình HS trong không gian ứng suất (p-q) ............ 40
Hình 2.8 Định nghĩa E50 và Eur trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước ...... 40
ref
Hình 2.9 Định nghĩa E oed theo kết quả thí nghiệm nén một trục ................... 41

Hình 2.10 Các loại mô đun trong thí nghiệm nén ba trục .............................. 45

suất dỡ tải (RTE, RTE) và gia tải (CTC)........................................ 75
Hình 4.1 Quan hệ (1-q) từ thí nghiệm ba trục CD có dỡ tải và gia tải lại .... 81
Hình 4.2 Quan hệ (1 - q) và (1 - v) của mẫu 1,2,3 ...................................... 82
Hình 4.3 Quan hệ (1 - q) và (1 - v ) của mẫu 4,5,6 ...................................... 82
Hình 4.4 Quan hệ (1 - q) và (1 - v) của mẫu 7,8,9 ...................................... 82


xviii
Hình 4.5 Quan hệ (1 - q) và (1 - v) của mẫu 10,11,12 ................................ 83
Hình 4.6 Xác định E50 và Eur từ kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước .. 84
Hình 4.7 Xác định mô đun E50 của mẫu 1,2,3 từ kết quả thí nghiệm ............. 85
Hình 4.8 Xác định mô đun E50 của mẫu 4,5,6 từ kết quả thí nghiệm ............. 85
Hình 4.9 Xác định mô đun E50 của mẫu 7,8,9 từ kết quả thí nghiệm ............. 85
Hình 4.10 Xác định mô đun E50 của mẫu 10,11,12 từ kết quả thí nghiệm ..... 86
Hình 4.11 Phương trình hồi quy tương quan giữa

y
E50
và
.................. 87
E50ref
p ref

Hình 4.12 Xác định mô đun Eur các mẫu 1,2,3 .............................................. 88
Hình 4.13 Xác định mô đun Eur các mẫu 4,5,6 .............................................. 88
Hình 4.14 Xác định mô đun Eur các mẫu 7,8,9 .............................................. 88
Hình 4.15 Xác định mô đun Eur các mẫu 10,11,12 ........................................ 89
Hình 4.16 Phương trình hồi quy tương quan giữa

y

xix
Hình 5.8 Mặt bằng tường và các điểm quan trắc chuyển vị ngang ............ 110
Hình 5.9 Mô phỏng số của công trình sau khi hoàn thành đào đất ................ 110
Hình 5.10 Biến dạng của hố đào ở giai đoạn thi công cuối cùng (GĐ6) ..... 111
Hình 5.11 Chuyển vị ngang ở giai đoạn cuối cùng (Ux, max =57.44 mm) ..... 111
Hình 5.12 So sánh chuyển vị tường ở giai đoạn thi công cuối cùng (GĐ6). 112
Hình 5.13 Độ lún nền ở giai đoạn cuối cùng (Uy = -80.65mm) ................... 114
Hình 5.14 So sánh độ lún nền ở giai đoạn cuối từ các mô hình và quan trắc
...................................................................................................... 114
Hình 5.15 Độ lún nền qua các giai đoạn thi công tính từ mô hình HSM .... 115
Hình 5.16 Mặt bằng bố trí thanh chống ....................................................... 116
Hình 5.17 Mặt cắt dọc hố đào ...................................................................... 116
Hình 5.18 Kết cấu chống đỡ các kích điều chỉnh chuyển vị của tường ...... 116
Hình 5.19 Mặt cắt địa chất công trình .......................................................... 117
Hình 5.20 Sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc ở công trường .............................. 121
Hình 5.21 Mô hình HĐS trong phần mềm Plaxis ........................................ 122
Hình 5.22 Chuyển vị và biến dạng của hố đào ở giai đoạn thi công cuối cùng
...................................................................................................... 122
Hình 5.23 Chuyển vị ngang từ các mô hình MC, HS, HSM và Quan trắc ở giai
đoạn thi công cuối cùng (GĐ8) .................................................... 124
Hình 5.24 Độ lún của nền tính từ mô hình HSM ở giai đoạn thi công cuối cùng
...................................................................................................... 125
Hình 5.25 Dự án Pearl Plaza ........................................................................ 126
Hình 5.26 Hình trụ hố khoan dự án Pearl Plaza .......................................... 127
Hình 5.27 Một số chỉ tiêu cơ lý của đất nền dự án Pearl Plaza ................... 127
Hình 5.28 Mặt cắt ngang tường vây............................................................. 130
Hình 5.29 Mặt bằng bố trí tường vây và các điểm quan trắc ....................... 131
Hình 5.30 Mô phỏng số hố đào sau khi hoàn thành giai đoạn đào đất ........ 132
Hình 5.31 Chuyển vị tường ở giai đoạn đào thứ 5 theo mô hình HSM ....... 133
Hình 5.32 Kết quả chuyển vị hố đào ở giai đoạn thi công thứ 5 theo HSM . 133

trong thiết kế hố đào. Thực tế với công trình HĐS, việc thi công hố đào có thể
được coi là một bài toán dỡ tải đối với đất nền, việc dỡ tải này làm thay đổi trạng
thái ứng suất biến dạng trong nền. Nếu tương quan không thích hợp hoặc lựa
chọn các tham số từ thí nghiệm với lộ trình ứng suất không phù hợp, người thiết
kế thường phải đối mặt với vấn đề về biến dạng của hố đào thực tế sẽ khác biệt
với giá trị dự đoán ban đầu và có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng.
Chính vì lý do đó, việc nghiên cứu sự thay đổi một số đặc trưng cơ lý của
đất yếu TP. HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính toán hố đào sâu là
nhu cầu cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn.


2
Trong những năm gần đây, ở Việt Nam nói chung và TP. HCM nói riêng,
việc tính toán các công trình ngầm thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
với các phần mềm địa kỹ thuật như Plaxis, Geo-Slope, Abaqus… Phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương pháp số được
sử dụng để dự báo ổn định và biến dạng của đất nền. Ưu điểm của phương pháp
này là ứng xử của đất có thể được mô phỏng tương đối chính xác và hợp lý trong
quá trình thi công đào đất. Tuy nhiên, bên cạnh một số ưu điểm vẫn còn một số
khó khăn nhất định trong cách tiếp cận do mức độ phức tạp của nó. Do đó, mô
hình đàn hồi - dẻo lý tưởng Mohr – Coulomb (MC) thường được sử dụng vì đơn
giản và các thông số đầu vào có thể dễ dàng thu được từ phòng thí nghiệm và
một số thông số có thể được suy ra từ các quan hệ tương quan. Tuy nhiên, vẫn
còn một số hạn chế trong mô hình MC. Thứ nhất, các quan hệ phi tuyến của đất
trước khi phá hoại không được mô hình. Thứ hai, nó không thể tạo ra áp lực lỗ
rỗng đáng tin cậy trong quá trình gia tải không thoát nước. Thứ ba, dự báo
chuyển vị ngang của tường và độ lún mặt là không đáng tin cậy. Để khắc phục
những thiếu sót trên, cần sử dụng một mô hình đàn dẻo phi tuyến tính trên cơ sở
xác định các tham số đầu vào với lộ trình ứng suất phù hợp. Việc sử dụng mô
hình nền và các tham số đầu vào thích hợp là đặc biệt quan trọng trong tính toán