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 TRONG

- 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

hạn với mô hình Hardening Soil, là mô hình đàn dẻo phi tuyến có xét đến quá
trình gia tải và dỡ tải lại cũng như kể đến sự phụ thuộc của mô đun biến dạng
vào 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

3.

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


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

2.3.1 Mô hình Mohr – Coulomb...............................................................34
2.3.2 Mô hình Hyperbol........................................................................... 36
2.3.3 Mô hình Cam-Clay cải tiến............................................................. 37
2.3.4 Mô hình Hardening Soil..................................................................39
2.4

Lộ trình ứng suất và các đặc trưng cơ lý có ảnh hưởng lớn đến tính
toán hố đào sâu


3.1.1.4

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

3.1.1.5 Lộ trình ứng suất nén ba trục (Triaxial Compression: TC) và
kéo ba trục (Triaxial Extension: TE) ..................................... 52
3.1.2 Thí nghiệm ba trục với các lộ trình ứng suất tính toán hố đào sâu . 52
3.1.3

Thiết bị thí nghiệm .......................................................................... 53

3.2

Thực hiện thí nghiệm ....................................................................... 55

3.2.1 Thí nghiệm ba trục với lộ trình ứng suất RTE (giảm
buồng
3.2.2

3

không đổi) ........................................................................ 56

Thí nghiệm ba trục với lộ trình ứng suất RTC (giảm
giữ cố định áp lực dọc trục

3.2.3

áp lực


Nhận xét chương 3...........................................................................77

CHƯƠNG 4 - NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC TRẠNG THÁI ỨNG
SUẤT CỦA MÔ ĐUN BIẾN DẠNG TRONG

MÔ HÌNH

HARDENING SOIL TRÊN ĐẤT YẾU TP. HCM.....................79
4.1

Cơ sở lựa chọn mô hình Hardening Soil cho tính toán hố đào sâu . 79

4.2

Xác định tham số mũ m cho đất yếu TP. HCM trong mô hình HS. 80

4.2.1 Thí nghiệm nén ba trục thoát nước có dỡ tải và gia tải lại..............81
4.2.2 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

5.2.3.2

Xác định các thông số của kết cấu chống đỡ......................107

5.2.4 Trình tự thi công............................................................................109
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
5.3.2 Xác định thông số đất nền............................................................. 117
5.3.3 Kết cấu hệ thanh chống................................................................. 119
5.3.3.1

Xác định các thông số của tường chắn................................119

5.3.3.2

Xác định các thông số của thanh chống..............................119

5.3.4 Trình tự thi công............................................................................120
5.3.5 Quan trắc chuyển vị.......................................................................121


x

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU
Α

cm2

Diện tích mặt cắt ngang của mẫu trong thí nghiệm 3 trục

a
a, b

cm2
-

Diện tích mặt cắt ngang của piston trong thí nghiệm 3 trục
Hằng số trong mô hình Duncan - Chang

B

-

Hệ số áp lực nước lỗ rỗng của Skempton

[B]

-


Lực dính của đất, lực dính có hiệu

(c’)ext

kPa

Lực dính hữu hiệu của đất trong thí nghiệm kéo ba trục

(c’)comp

kPa

Lực dính hữu hiệu của đất trong thí nghiệm nén ba trục

(cu)ext

kPa

Sức kháng cắt không thoát nước của thí nghiệm kéo ba trục

(cu)comp

kPa

Sức kháng cắt không thoát nước của thí nghiệm nén ba trục

D, L

mm


Mô đun biến dạng tiếp tuyến, mô đun biến dạng cát tuyến

E ref

kPa

Mô đun cát tuyến tham chiếu

oed

kPa

Mô đun cố kết tham chiếu

Eurref

kPa

Mô đun dỡ tải tham chiếu

e

-

Hệ số rỗng của đất

f

-



Hệ số nền theo phương ngang

K0

-

Hệ số áp lực đất tĩnh

Ka

-

Hệ số áp lực đất chủ động

Kp

-

Hệ số áp lực đất bị động

KL

-

Hệ số mô đun gia tải

[K]

-


Áp lực đất tĩnh lên tường

pref

kPa

Áp lực tham chiếu

q

kPa

Độ lệch ứng suất

Rf

-

Hệ số giảm ứng suất lệch đỉnh

S

%Độ bão hoà

ux

mmChuyển vị của điểm bất kỳ theo phương x

uy

Giới hạn chảy

kPa

Độ chênh lệch ứng suất

kPa

Ứng suất cắt tiếp xúc

%

Biến dạng đứng (biến dạng dọc trục)

εl


xii
εv

%

Biến dạng thể tích

γd

kN/m3

Dung trọng khô



độGóc giãn nở của đất

, ’

kPa

Hệ số Poisson
Ứng suất pháp, ứng suất pháp có hiệu

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

-

Lộ trình ứng suất kéo ba trục thông thường

CU

-

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


TP. HCMUU

Thành phố Hồ Chí Minh
-

Thí nghiệm nén ba trục không cố kết không thoát nước


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 E

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
50

ref



E ,
Bảng 4.5 Mô đun
E

từ kết quả thí nghiệm nén cố kết

92

ref
oed

và số mũ m tính toán từ thí nghiệm Oedometer. 93

oed

Bảng 4.6 Kết quả tỷ số E / E
ur

E

oed

/E

.......... 95

và
50 của đất yếu TP. HCM
Bảng 5.1 Áp dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán HĐS ..........................

dữ liệu quan trắc (QT) .................................................................. 113


xv
Bảng 5.9 So sánh lún bề mặt từ các mô hình MC, HS, HSM và quan trắc (QT)

115
Bảng 5.10 So sánh độ lún bề mặt từ các mô hình MC, HS, HSM và quan trắc
115
Bảng 5.11 Các thông số đất nền cho mô hình MC.......................................118
Bảng 5.12 Các thông số đất nền cho mô hình HS........................................118
Bảng 5.13 Các thông số đất nền cho mô hình HSM.................................... 118
Bảng 5.14 Các thông số về thanh chống...................................................... 119
Bảng 5.15 Các thông số cho tường chắn......................................................119
Bảng 5.16 Các giai đoạn thi công công trình............................................... 120
Bảng 5.17 So sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang từ các mô hình MC, HS,

HSM và Quan trắc.........................................................................123
Bảng 5.18 Các thông số đất nền cho mô hình MC.......................................128
Bảng 5.19 Các thông số đất nền cho mô hình HS........................................128
Bảng 5.20 Các thông số đất nền tác giả hiệu chỉnh cho mô hình HS...........129
Bảng 5.21 Các thông số cho tường chắn......................................................129
Bảng 5.22 Các thông số hệ chống đỡ...........................................................130
Bảng 5.23 Quá trình thi công tầng hầm........................................................131
Bảng 5.24 So sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang từ các mô hình Mohr –
Coulomb, Hardening Soil, HSM và dữ liệu quan trắc..................134


xvi


xvii
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị ba trục theo mô hình dỡ tải...................... 54
Hình 3.6 Phần mềm Advantech Adamview đọc và xử lý số liệu tự động......55
Hình 3.7 Bão hoà mẫu và kiểm tra hệ số Skempton...................................... 61
Hình 3.8 So sánh quan hệ (q – ε1) theo các lộ trình ứng suất.........................63
Hình 3.9 So sánh quan hệ ( u – ε1) theo các lộ trình ứng suất......................63
Hình 3.10 So sánh quan hệ (q – ε1) theo các lộ trình ứng suất.......................64
Hình 3.11 So sánh quan hệ ( u – ε1) theo các lộ trình ứng suất....................64
Hình 3.12 So sánh quan hệ (q – ε1) theo các lộ trình ứng suất.......................65
Hình 3.13 So sánh quan hệ ( u – ε1) theo các lộ trình ứng suất....................65
Hình 3.14 So sánh quan hệ (q – ε1) theo các lộ trình ứng suất.......................66
Hình 3.15 So sánh quan hệ ( u – ε1) theo các lộ trình ứng suất....................66
Hình 3.17 Xác định E50 từ quan hệ ứng suất – biến dạng..............................69
Hình 3.18 So sánh mô đun E50 theo các lộ trình ứng suất của đất yếu TP. HCM

72
Hình 3.19 Phương trình hồi quy tương quan

E50,RT và E50,CT ,E50,RTE và E50,CTC
E

C

73
Hình 3.20 Đường tròn Mohr của thí nghiệm 3 trục theo lộ trình ứng suất dỡ tải

(RTE, RTE) và gia tải (CTC)

74


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
y
E
50
Hình 4.11 Phương trình hồi quy tương quan giữa ref và
.................. 87
E
pref
50

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 5.2 Mặt cắt địa chất............................................................................. 103
Hình 5.3 Chỉ tiêu cơ lý của dự án.................................................................103
Hình 5.4 Mặt bằng bố trí hệ giằng chống tại cao độ -12m...........................105
Hình 5.5 Mặt cắt kích thước hình học công trình (mặt cắt 3-3)...................106
Hình 5.6 Mặt cắt ngang tường vây...............................................................106
Hình 5.7 Hệ chống hố đào lúc thi công đến độ sâu -15m............................ 108


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

công trình hạ tầng hay dịch vụ đã có sẵn, do vậy việc giới hạn chuyển vị của
tường chắn và độ lún bề mặt là rất quan trọng để đảm bảo các công trình xung
quanh không bị ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng với mức độ cho phép.
TP. HCM nằm ở châu thổ sông Sài Gòn, mạng lưới sông rạch chằng chịt
đan xen nhau, đất tự nhiên được bồi đắp bởi các dòng chảy mạnh. Địa tầng khu
vực phân thành 6 lớp đất tự nhiên trong đó lớp 1 và lớp 2 là các lớp sét yếu có
độ sâu đến 20 – 30m có ảnh hưởng lớn đến các công trình ngầm, đặc biệt là
HĐS.
Do các dữ liệu thí nghiệm trong phòng không đầy đủ, các kỹ sư thường sử
dụng các số liệu thí nghiệm địa chất thông thường hoặc tương quan các thông số
thiết kế từ các số liệu có sẵn và thường giới hạn cho đất mô hình đơn giản 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.