NGHIÊN CỨU HỐ ĐÀO DẠNG TRÒN SỬ DỤNG CỌC CÁT TUYẾN(SECANT PILE)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2020 – 2021

NGHIÊN CỨU HỐ ĐÀO SÂU DẠNG TRÒN SỬ DỤNG CỌC CÁT TUYẾN
(SECANT PILE)
Mã số: CĐ-2021-05

Sinh viên thực hiện:
Trần Quốc Mạnh

63XD1

MSSV: 138663

Nguyễn Văn Nam

63XD1

MSSV: 146663

Nguyễn Trung Kiên

63XD1

MSSV: 113263

Nguyễn Trung Thành

63XD1

MSSV: 1542363

Giáo viên hướng dẫn: TS.PHẠM VIỆT ANH
Hà Nội, 01/2022


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
MỤC LỤC

1.1.3.1 Tường vây bằng cọc cát tuyến .............................................................................. 4
1.1.3.2 Tường vây bằng cọc barrette ................................................................................. 5
1.1.3.3 Tường vây bằng cọc ván thép (cừ Larsen) ............................................................ 6
1.1.3.4 Tường vây bằng cọc xi măng đất .......................................................................... 7

1.1.4.1 Giải pháp giữ ổn định bằng hệ chống thép hình ................................................... 7
1.1.4.2 Giải pháp giữ ổn định bằng phương pháp neo đất ................................................ 8

i


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên

ii


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên

iii

Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Hình dạng hố đào và các chi tiết liên kết cọc secant pile. .............................................. 5
Hình 1-2: Hố đào sâu sử dụng giải pháp tường Barrette ................................................................. 6
Hình 1-3: Tường vây bằng cừ Larsen ............................................................................................. 6
Hình 1-4: Tường vây bằng hàng cọc xi măng đất ........................................................................... 7
Hình 1-5: Mặt bằng, mặt cắt bố trí hệ chống thép hình .................................................................. 7
Hình 1-6: Hố đào sâu sử dụng Neo đất ........................................................................................... 8
Hình 1-7: Giải pháp chắn giữ hố đào bằng tường cừ .................................................................... 10
Hình 1-8: Giải pháp chắn giữ hố đào sâu dạng trịn sử dụng tường bê tơng cốt thép ................... 11
Hình 1-9: Biện pháp chắn giữ hố đào sâu dạng tròn sử dụng cọc khoan nhồi .............................. 11
Hình 2-1. Ứng xử của đất xung quanh trục trịn thẳng đứng: (a) mơ hình ứng suất, (b) mặt trượt
giả định, (c) và (d) hiệu ứng vịm [4]. ........................................................................................... 16
Hình 2-2: Áp lực đất tác động lên tường chắn hình trụ [8] ........................................................... 17
Hình 2-3: (a) Hệ tọa độ hình trụ và ứng suất, (b) Vòng tròn Mohr trong điều kiện phá hoại, (c) Quy
ước ký hiệu và ký hiệu. ................................................................................................................. 17
Hình 2-4: a) Mặt cắt ngang của một hình trụ trịn có thành dày, với một phần tử vi phân của nó. b)
Ứng suất và chuyển vị trong phần tử ............................................................................................ 20
Hình 2-5: Ứng suất và biến dạng trong tường vây dạng trịn ........................................................ 20
Hình 2-6: Vị trí đặt đầu đo chuyển vị, ứng suất và biến dạng trong tường [22] ........................... 22
Hình 2-7: Kết quả chuyển vị hướng tâm tại các điểm quan trắc dọc theo thành hố đào trong các
giai đoạn đào [22] .......................................................................................................................... 23
Hình 2-8: Áp lực đất tác dụng lên thành ngoài hố đào theo các phương pháp ............................. 23
Hình 2-9: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm của giai đoạn đào 2 (hình a) và giai đoạn đào 4 (hình
b).................................................................................................................................................... 24
Hình 2-10: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm của giai đoạn đào 6 (hình a) và giai đoạn đào 8 (hình
b).................................................................................................................................................... 25

Hình 3-1: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với ri=14 (hình a), ứng với ri=10 (hình b) giai
đoạn đào 2 ..................................................................................................................................... 27
Hình 3-2: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với ri=14 (hình a), ứng với ri=10 (hình b) giai
đoạn đào 4 ..................................................................................................................................... 28
Hình 3-3: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với ri=14 (hình a), ứng với ri=10 (hình b) giai
đoạn đào 8 ..................................................................................................................................... 28
Hình 3-4: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với re=15 (hình a), ứng với re=20 (hình b) giai
đoạn đào 2 ..................................................................................................................................... 29
iv


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
Hình 3-5: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với re=15 (hình a), ứng với re=20 (hình b) giai
đoạn đào 4 ..................................................................................................................................... 30
Hình 3-6: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với re=15 (hình a), ứng với re=20 (hình b) giai
đoạn đào 8 ..................................................................................................................................... 30
Hình 3-7: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với Eo=31.5GPA (hình a), ứng với Eo=60GPA
(hình b) giai đoạn đào 2 ................................................................................................................. 31
Hình 3-8: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với Eo=31.5GPA (hình a), ứng với Eo=60GPA
(hình b) giai đoạn đào 4 ................................................................................................................. 31
Hình 3-9: Kết quả tính chuyển vị hướng tâm ứng với Eo=31.5GPA (hình a), ứng với Eo=60GPA
(hình b) giai đoạn đào 8 ................................................................................................................. 32

v


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Thông số địa chất khu vực xây dựng hố đào [22] ........................................................ 21
Bảng 2-2: Thông số tường cọc trong hố đào dạng tròn [22] ......................................................... 21

Bảng 2-3: Các giai đoạn thi công hố đào [22]............................................................................... 22

vi


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
MỞ ĐẦU
1. LỜI MỞ ĐẦU
Đề tài này thuộc danh mục đề tài Nghiên cứu khoa học Sinh viên năm 2020-2021, mã số CĐ2021-05 theo Quyết định số 1570/QĐ-ĐHXD ngày 28 tháng 12 năm 2020 của Hiệu trưởng trường
Đại học Xây dựng. Tên đề tài “Nghiên Cứu Hố Đào Sâu Có Dạng Trịn Sử Dụng Cọc Cát Tuyến”.
2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, không gian ngầm đô thị đang ngày càng có nhu cầu lớn, ví dụ như các
tuyến tầu điện ngầm, các bãi xe ngầm hay các trung tâm thương mại. Để thi công không gian ngầm
đơ thị, người ta có thể sử dụng giải pháp hố đào mở với các hình dạng khác nhau. Hố đào dạng
hình trịn với kết cấu tường vây hình trụ thường được sử dụng trong các hạng mục như trục thơng
gió, trục thốt hiểm của cơng trình ngầm, hoặc ở các trục hạ và thu hồi của máy khoan hầm (TBM).
Ưu điểm chính của kiểu kết cấu tường vây trụ tròn là độ cứng vòng của tường vây và hiệu ứng
vịm của đất xung quanh có thể tạo thành một hệ thống tự cân bằng. Có nghĩa là áp lực đất tác
dụng lên tường vây chuyển thành lực nén dọc theo chu vi của tường vây trụ trịn. Do đó tường vây
có thể đảm bảo chịu lực với việc sử dụng bê tơng cường độ thấp, đồng thời có thể loại bỏ cả hệ
neo, giằng và thanh chống bên trong thành hố đào trong q trình thi cơng. Do đó việc sử dụng
kiểu tường vây này có thể giảm đáng kể thời gian thi cơng hố đào, cũng như có thể giảm được giá
thành thi công.
Các nghiên cứu về hố đào dạng trụ tròn còn khá hạn chế so với các hố đào có hình dạng khác, đặc
biệt là hố đào dạng hình chữ nhật. Đối với hố đào dạng trụ tròn, các nghiên cứu chủ yếu tập trung
vào xác định áp lực đất tác dụng lên tường vây. Bài toán áp lực đất được phát triển theo phương
pháp giải tích, hoặc các cơng cụ mơ hình hóa và phương pháp thực nghiệm mơ hình trong phịng
thí nghiệm. Thiết kế hố đào dạng trụ tròn hiện nay thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
để xác định chuyển vị và nội lực của tường. Phương pháp này có ưu điểm là mô tả được những
ứng xử thực tế của hố đào trong từng giai đoạn thi công… Tuy nhiên do tính khơng gian của hố

đào trụ trịn nên thường phải sử dụng mơ hình tính tốn 3D. Điều này dẫn đến khối lượng tính tốn
lớn, thời gian xử lý bài toán lâu, từ yêu cầu số liều đầu vào đến phân tích mơ hình.
Để giải quyết vấn đề này trong thực tế thiết kế hố đào sâu dạng trụ trịn, nhóm tác giả xây dựng
trình tự thiết kế theo phương pháp cân bằng giới hạn. Phương pháp hướng đến việc đơn giản trong
công tác thiết kế, dễ ứng dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Kết quả đưa ra của phương pháp
được kiểm nghiệm, so sánh với kết quả quan trắc của cơng trình thực tế.

1


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu về hố đào sâu;
- Nghiên cứu về hố đào sâu có dạng trịn;
- Nghiên cứu về ứng sử của hố đào sâu dạng tròn sử dụng cọc cát tuyến.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp các kết quả nghiên cứu trên
thế giới, ứng dụng trong điều kiện ở Việt Nam.
5. CẤU TRÚC BÁO CÁO
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỐ ĐÀO SÂU DẠNG TRÒN
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU DẠNG TRÒN
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ CỦA HỐ ĐÀO SÂU DẠNG TRÒN

2


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên

TỔNG QUAN HỐ ĐÀO SÂU DẠNG TRÒN
TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU

Đặc điểm của hố đào sâu
Trong nhiều năm gần đây, xuất phát từ nhu cầu khai thác triệt để không gian dưới mặt đất với mục
đích kinh tế, văn hóa, mơi trường, … hay u cầu đặt sâu vào lịng đất các bộ phận chức năng của
cơng trình thủy lợi, thủy điện đã dẫn đến nhiều kiểu hố móng sâu khác nhau, từ đơn giản đến phức
tạp như hệ thống cấp thoát nước; hệ thống bể chứa và xử lý nước thải; bãi đỗ xe, gara ơtơ, … Cơng
trình hố đào sâu có nhiều đặc điểm, theo (Nguyễn Bá Kế, 2010) có thể khái qt lại như sau:
- Cơng trình hố đào sâu là một loại công việc tạm thời, sự dự trữ về an tồn có thể là tương đối
nhỏ nhưng lại có liên quan với tính địa phương, phụ thuộc vào điều kiện địa chất và là một
khoa học đan xen giữa các khoa học về đất đá, về kết cấu và kỹ thuật thi công.
- Hố đào sâu là loại cơng trình có giá thành cao, khối lượng cơng việc lớn, là một khâu khó về
mặt kĩ thuật, có tính tranh chấp trong cơng trình xây dựng. Đồng thời cũng là trọng điểm để
hạ thấp giá thành và bảo đảm chất lượng cơng trình. Cơng trình hố đào sâu đang phát triển
theo xu hướng độ sâu lớn, diện tích rộng.
- Theo đà phát triển cải tạo các thành phố cũ, các cơng trình cao tầng, siêu cao tầng lại thường
tâp trung ở những khu đất nhỏ hẹp, mật độ xây dựng lớn, dân cư đông đúc, giao thơng chen
lấn, điều kiện để thi cơng cơng trình hố đào sâu rất phức tạp. Lân cận cơng trình thường có
các cơng trình xây dựng vĩnh cửu, các cơng trình lịch sử, nghệ thuật bắt buộc phải được an
tồn, khơng thể đào có mái dốc, yêu cầu đổi với việc ổn định và khống chế chuyển dịch rất là
nghiêm ngặt.
- Tính chất của đất đá thường biến đổi trong khoảng khá rộng, điều kiện của địa chất phức tạp,
tính khơng đồng đều của điều kiện địa chất thuỷ văn thường làm cho số liệu khảo sát có tính
phân tán lớn, khó đại diện được cho tình hình tổng thể của các tầng đất, hơn nữa, tính chính
xác cũng tương đối thấp, tăng thêm khó khăn cho thiết kế và thi cơng trình.
- Cơng trình hố đào bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất, chống giữ,
ngăn nước, hạ mực nước, đào đất... trong đó, một khâu nào đó thất hại sẽ dẫn đến cả cơng
trình bị đổ vỡ.
- Việc thi cơng hố đào sâu ở các hiện trường lần cận như đóng cọc, hạ nước ngầm, đào đất…
đều có thể sinh ra những ảnh hưởng hoặc khổng chế lẫn nhau; tăng thêm các nhân tố để có
thể gây ra sự cố.
- Cơng trình hố móng có chu kỳ thi cơng dài, tính ngẫu nhiên của mức độ an toàn tương đối

lớn, sự cố xảy ra thường là đột biến.

3


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
- Cơng trình hố móng có giá thành cao, nhưng lại chỉ có tính tạm thời nên thường khơng muốn
đầu tư chi phí nhiều. Nếu xảy ra sự cố thì sẽ gặp khơng ít khó khăn trong việc xử lý.
Phân loại hố đào sâu
Hố đào sâu có nhiều cách phân loại, phổ biến nhất là phân loại theo hình thức thi công đào, hố
đào sâu được chia làm 2 loại là đào mở (khơng có hệ thống chắn giữ) và đào có hệ thống chắn
giữ. Bảng dưới đây tóm tắt nội dung công việc thi công theo 2 loại hố đào sâu.
Bảng 1-1: Phân loại hố đào sâu theo phương thức đào
Phương thức đào

Trình tự cơng việc
Hạ MNN

Đào mở

Đào đất
Gia cố nền và giữ mái dốc
Kết cấu chắn giữ
Hệ thống chắn giữ
Đào đất

Đào có chắn giữ

Hạ nước ngầm
Gia cố nền

Quan trắc
Bảo vệ xung quanh

Về cơ bản, phương án đào mở luôn là giải pháp tiết kiệm nhất và nhanh nhất, tuy nhiên lại chỉ áp
dụng với những địa điểm thi công rất rộng. Còn ở nhưng dự án bị hạn chế về mặt bằng xung quanh,
phương án đào có chống là gần như bắt buộc. Trong các nội dung tiếp theo, nhóm nghiên cứu trình
bày ngắn gọn về hố đào sâu dạng đào có hệ thống chắn giữ.
Các phương án kết cấu đối với tường vây
1.1.3.1 Tường vây bằng cọc cát tuyến
Cọc khoan nhồi secant piles (cọc cát tuyến hoặc cọc cắt) là một phương pháp ít được sử dụng đến
trong thi công tầng hầm, hố đào tại Việt Nam. Tường vây bằng cọc secant piles cấu tạo gồm các
cọc khoan nhồi bê tông cốt thép giao nhau để tăng cường sự ổn định liên kết giữa các cọc với nhau,
có thể gia cố bằng hệ thép hình chơng, neo hoặc các dầm BTCT tùy thuộc vào hình dạng của hố
đào, địa chất, vị trí nơi thi cơng.
Hệ kết cấu tường vây này được áp dụng đối với những hố đào dạng hình trụ trịn, tầng hầm có
chiều sâu >20m, hoặc vị trí xuất hiện tầng địa chất đá gốc sớm mà các phương án tường vây khác
không áp dụng được (tường vây cọc barrette, tường cừ thép...).

4


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên

Hình 1-1: Hình dạng hố đào và các chi tiết liên kết cọc secant pile.
Thi công khoan hạ cọc secant piles bằng cách sử dụng gầu khoan ruột gà khoan phá đất đá kết hợp
khí nén cơng suất lớn và xoay hạ ống vách. Trong quá trình khoan, thành vách hố đào được giữ
ổn định bằng ống vách đến cao trình đáy hố khoan, hoặc đến khi chạm đá cứng không thể hạ tiếp.
1.1.3.2 Tường vây bằng cọc barrette
Tường cọc Barrette là tường bê tông cốt thép đổ tại chỗ (tường BTCT trong đất) được dùng phổ
biến trong thi công tầng hầm với cơng trình nhà cao tầng. Cọc barrette có tiết diện hình chữ nhật

với chiều dày từ 600-800mm trở lên, chiều sâu cọc phụ thuộc vào địa chất vị trí thi cơng (có thể
dài đến 50m). Tường vây cọc barrette được cấu tạo từ các đoạn cọc barrette (tấm panel) âm/dương
chiều rộng thay đổi từ 3,6m đến 6.0m, liên kết với nhau bằng các cốt thép liên kết, gioăng cao su
hoặc thép tấm (tôn) nhằm tăng khả năng chống thấm và chịu lực của kết cấu. Ngoài ra, tùy theo
cách phân chia các tấm panel mà bố trí thêm tấm panel trung tính.

5


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên

Hình 1-2: Hố đào sâu sử dụng giải pháp tường Barrette
1.1.3.3 Tường vây bằng cọc ván thép (cừ Larsen)
Trong lĩnh vực xây dựng, cọc ván thép (cừ Larsen, steel sheet pile) được sử dụng ngày càng phổ
biến. Từ các cơng trình thủy công như cảng, bờ kè, cầu tàu, đê chắn song, cơng trình cầu, đường
hầm đến các cơng trình dân dụng như bãi đậu xe ngầm, tầng hầm nhà nhiều tầng, hố đào nhà công
nghiệp. Tường vây cọc ván thép phù hợp với hố đào, cơng trình ngầm có chiều sâu <10m.

Hình 1-3: Tường vây bằng cừ Larsen

6


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
1.1.3.4 Tường vây bằng cọc xi măng đất
Cọc xi măng đất kết hợp công nghệ jet grouting cải tạo đất sử dụng trong các hố đào áp dụng ở
nhiều nước trên thế giới. Cọc xi măng đất được trộn cưỡng chế đất với xi măng , sau khi đóng rắn
lại sẽ thành tường chắn có dạng bản liền khối đạt cường độ nhất định, dùng cho hố móng có độ
sâu 3-6m .

Hình 1-4: Tường vây bằng hàng cọc xi măng đất
Các giải pháp tăng cường ổn định hệ tường vây trong hố đào sâu
1.1.4.1 Giải pháp giữ ổn định bằng hệ chống thép hình

Hình 1-5: Mặt bằng, mặt cắt bố trí hệ chống thép hình
7


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
Hệ chống thép hình (hoặc Hệ văng chống shoring) là hệ kết cấu thép hình H,I,C… được thiết kế
tính tốn và liên kết với nhau có tác dụng chịu tải trọng ngang và tăng cường tường vây (tường
vây cọc barrette, cọc secant pile hoặc cừ larsen…). Số lượng tầng thanh chống có thể là 1 tầng
chống, 2 tầng chống hoặc nhiều hơn tuỳ theo chiều sâu hố đào, dạng hình học của hố đào và điều
kiện địa chất trong phạm vi chiều sâu tường vây. Hệ chống thép hình ngồi việc chịu tải trong
ngang từ nền đất xung quanh và tường vây, nó cịn chịu tải trọng của bản thân (đặc biệt với những
hố đào kích thước lớn). Vì vậy, cần phải bố trí các cột cọc khoan nhồi, hoặc cọc kingpost trong hố
đào để neo giữ đảm bảo ổn định của hệ chống.
1.1.4.2 Giải pháp giữ ổn định bằng phương pháp neo đất
Neo đất là giải pháp truyền tải trọng kéo của hệ tường vây vào lớp đất chịu tải. Được áp dụng
nhiều trong thi công tầng hầm hố đào tại những vị trí có nền địa chất ổn định, mặt bằng rộng và
không ảnh hưởng đến các hạng mục lân cận. Về kết cấu của neo đất này về cơ bản gồm 3 phần:
đầu neo, chiều dài neo tự do (lõi neo) và bầu neo.

Hình 1-6: Hố đào sâu sử dụng Neo đất
Lựa chọn và bố trí kết cấu chắn giữ hố móng
Tùy thuộc vào quy mơ cơng trình , đặc điểm cơng trình chủ thể , điều kiện hiện trường, những yêu
cầu về bảo vệ môi trường , tài liệu khảo sát đất nền, phương pháp đào hố móng cùng kinh nghiệm
địa phương . Thơng qua tổng hợp, phân tích và so sánh với đảm bảo an tồn tin cậy mà chọn
phương án khả thi và hợp lý về mặt kinh tế. Dựa vào độ sâu hố đào có thể lựa chọn kết cấu chắn
giữ như sau:

8


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên

Lựa chọn kết cấu chắn giữ

Độ sâu hố đào (m)

H≤6

Bùn và đất yếu

Đất sét thông thường

- Cọc nhào trộn xi măng đất

- Làm mái dốc + giếng thu nước

- Cọc bê tông + tay chống nước

- Mái dốc cục bộ + tường đinh đất (

hoặc thanh neo + tường ngăn

hoặc phun neo chống giữ )

nước

- Làm mái dốc cục bộ , cọc nhồi

- Cọc BTCT dự ứng lực + tường
máng ngăn nước + tay chống

6 ≤ H ≤ 10

- Cọc bê tông + tường mỏng

- Làm dốc cục bộ + cọc đóng + tay

ngăn nước + tay chống hoặc

chống + tường mỏng

thanh neo

- Làm mái dốc cục bộ + giữ hình

- Tường liên tục ( b =600-800 )

vòm + tường mỏng ngăn nước

+ tay chống hoặc thanh neo

- Làm dốc cục bộ + tường ngầm liên

- Cọc đóng + tay chống hoặc

tục xi măng đất + tường đinh đất +

thanh neo + tường mỏng ngăn

hạ mực nước

nước

H > 10

- Tường liên tục + tay chống

- Làm dốc cục bộ + cọc bê tông + tay

hoặc thanh neo

chống hoặc thanh neo + tường mỏng

- Cọc đường kính lớn + tường

ngăn nước

mỏng ngăn nước + nhiều tay

- Làm dốc cục bộ + tường đinh đất

chống hoặc thanh neo

(hoặc phun neo để chống giữ) + hạ

- Tường liên tục (hoặc cọc

nước

đường kính lớn) + gia cố nền đất

- Làm dốc cục bộ + cọc đóng + tay

+ tay chống hoặc thanh neo +

chống hoặc thanh neo + tường mỏng

tường mỏng ngăn nước

ngăn nước

TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU DẠNG TRỊN
Hố đào sâu dạng trịn (circular shafts) rất hay gặp trong các cơng trình trên thế giới. Nó được dùng
trong các cơng trình như cơng trình xử lý nước thải; các trục thăm do nguồn nước, dầu khí; các
cơng trình dưới mặt đất như bãi đỗ xe, các tầng hầm , …
Hố đào sâu dạng trong được chắn giữ bởi tường cừ thép
Tường cừ thép cho đến nay được sử dụng rộng rãi làm tường chắn tạm trong thi cơng tầng hầm
nhà cao tầng. Nó có thể được ép bằng phương pháp búa rung gồm một cần trục bánh xích và cơ

9


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
cấu rung ép hoặc máy ép êm thuỷ lực dùng chính ván cừ đã ép làm đối trọng. Phương pháp này
rất thích hợp khi thi cơng trong thành phố.

Hình 1-7: Giải pháp chắn giữ hố đào bằng tường cừ
Hố đào sâu dạng trong được chắn giữ bởi tường bê tông cốt thép
Tường giữ bê tông cốt thép là một loại hệ thống giữ lại khác được sử dụng cho đất gắn kết trên
mực nước. Những loại tường này được hỗ trợ bởi neo mặt đất. Khi các lỗ được khoan vào tường
hỗ trợ để chèn các thanh gia cố và vữa, bức tường được gọi là tường móng đất. Các đoạn tường
này cao 1,5m – 2m; lưới thép và vải địa kỹ thuật được sử dụng kết hợp với một mô hình móng tay.
Một số bức tường giữ lại được sử dụng trong nước chứ khơng phải trên đất liền. Ví dụ, cofferdams
là hệ thống giữ tạm thời được sử dụng trong môi trường biển, nơi chúng dự kiến sẽ giữ nước để
tạo điều kiện cho các hoạt động xây dựng trong mơi trường ven biển và biển. Ngồi những gì đã

10


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
được đề cập ở đây, các hệ thống giữ lại khác cũng tồn tại, bao gồm các bức tường màng đúc sẵn,
vữa phản lực và các bức tường hỗn hợp sâu, xây dựng từ trên xuống và khai quật một phần hoặc
phương pháp đào.

Hình 1-8: Giải pháp chắn giữ hố đào sâu dạng trịn sử dụng tường bê tơng cốt thép
Hố đào sâu dạng tròn được chắn giữ bởi tường cọc cát tuyến
Kể từ khi phương pháp khoan và thiết bị cho phép xây dựng các hệ thống cọc chồng lên nhau trong
hầu hết các điều kiện dưới đất, cọc cát tuyến (Secant Pile) đã trở thành một lựa chọn hiệu quả.
Tường cọc là một số hệ thống kiểm soát nước khai quật kinh tế nhất có thể được sử dụng trong
cấu trúc tàu điện ngầm và đường hầm vì chúng có thể cung cấp cả hỗ trợ dọc và ngang. Những
bức tường này có thể được xây dựng trong tất cả các mơ hình tạo thành các bức tường kín nước
hoặc các bức tường chồng chéo cấu trúc. Do đó, các bức tường cọc có thể được sử dụng làm nền
tảng cấu trúc, giữ lại các cấu trúc và rào cản nước ngầm. Chúng dễ dàng xây dựng với độ chính
xác căn chỉnh tốt, tạo ra ít tiếng ồn hơn so với các tùy chọn shoring khác và có thể được xây dựng
gần các tịa nhà hiện có. Hơn nữa, các bức tường cọc trong một bố cục tròn cung cấp một lợi thế
độc đáo cho các trục truy cập vì chúng hoạt động như một vịng nén dưới áp suất đất bên và thủy

tĩnh.

Hình 1-9: Biện pháp chắn giữ hố đào sâu dạng tròn sử dụng cọc khoan nhồi

11


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
Các bức tường cọc giáo phải bao gồm các cọc giao nhau liên tục, trong đó các cọc xen kẽ được
xây dựng lần đầu tiên, để lại một không gian rõ ràng cần thiết để phù hợp với các cọc trung gian,
tùy thuộc vào cách các cọc được thiết kế. Bê tông với tốc độ thiết lập chậm được đổ sau khi khai
quật. Trước khi các bộ bê tông, các trường hợp cọc trung gian với các cạnh sắc nét được điều khiển
để cắt bê tông liền kề ở một số nơi nhất định. Thủ tục được lặp đi lặp lại cho đến khi toàn bộ bức
tường được hoàn thành. Tường cọc giây có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các cường độ
nén bê tơng khác nhau có hoặc khơng có cốt thép tùy thuộc vào loại ứng dụng.
Biện pháp này áp dụng khi chiều sâu hố đào lớn, áp lực đất lớn, cơng trình là nhà xây chen cần
bảo vệ xung quanh khỏi bị sụt lún. Vách chống có thể tham gia chịu lực cùng móng cơng trình
nhưng ít sử dụng nó làm tường bao tầng hầm kín vì khả năng chống thấm của nó khơng tốt. Tuy
nhiên biện pháp này thi công khá đơn giản (so với thi cơng tường trong đất). Độ sâu của vách có
thể thi công đến chiều sâu cần thiết để không cần có biện pháp chống giữ vách.
KẾT LUẬN CHUNG
Trong chương I, nhóm tác giả đã trình bày tổng quan về đặc điểm của cơng trình thi cơng bằng hố
đào sâu, hố đào sâu dạng tròn, các giải pháp chắn giữ và phương án kết cấu ổn định hố đào. Từ đó
có thể thấy được tường cọc cát tuyến là một loại tường chắn tương đối mới có thể giảm đáng kể
thời gian thi cơng hố đào, cũng như có thể giảm được giá thành thi công. Tường cọc cát tuyến đã
được ứng dụng rộng rãi trong các hố đào sâu ở các thành phố trên thế giới trong trong các hạng
mục như trục thơng gió, trục thốt hiểm của cơng trình ngầm, hoặc ở các trục hạ và thu hồi của
máy khoan hầm (TBM). Đối với hố đào dạng trụ tròn, các nghiên cứu còn rời rạc và chủ yếu tập
trung vào xác định áp lực đất tác dụng lên tường vây. Trong chương II, nhóm tác giả xây dựng
trình tự thiết kế theo phương pháp cân bằng giới hạn. Phương pháp hướng đến việc đơn giản trong

công tác thiết kế, dễ ứng dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Kết quả đưa ra của phương pháp
được kiểm nghiệm, so sánh với kết quả quan trắc của cơng trình thực tế.

12


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU DẠNG TRÒN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Các nghiên cứu về hố đào dạng trụ tròn còn khá hạn chế so với các hố đào có hình dạng khác, đặc
biệt là hố đào dạng hình chữ nhật. Đối với hố đào dạng trụ tròn, các nghiên cứu chủ yếu tập trung
vào xác định áp lực đất tác dụng lên tường vây. Bài toán áp lực đất được phát triển theo phương
pháp giải tích, hoặc các cơng cụ mơ hình hóa và phương pháp thực nghiệm mơ hình trong phịng
thí nghiệm. Thiết kế hố đào dạng trụ trịn hiện nay thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
để xác định chuyển vị và nội lực của tường. Phương pháp này có ưu điểm là mơ tả được những
ứng xử thực tế của hố đào trong từng giai đoạn thi cơng… Tuy nhiên do tính khơng gian của hố
đào trụ trịn nên thường phải sử dụng mơ hình tính tốn 3D. Điều này dẫn đến khối lượng tính tốn
lớn, thời gian xử lý bài toán lâu, từ yêu cầu số liều đầu vào đến phân tích mơ hình.
Để giải quyết vấn đề này trong thực tế thiết kế hố đào sâu dạng trụ trịn, nhóm tác giả xây dựng
trình tự thiết kế theo phương pháp cân bằng giới hạn. Phương pháp hướng đến việc đơn giản trong
công tác thiết kế, dễ ứng dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Phương pháp này đã được đề xuất sơ
bộ trong (Nguyễn Xuân Trường, 2020). Trong chương này, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng phương
pháp, kiểm nghiệm, so sánh kết quả tính tốn với kết quả quan trắc của cơng trình thực tế.
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU DẠNG TRÒN
Thiết kế của hố đào sâu dạng tròn dựa trên khái niệm ứng suất vòng. Áp lực đất xung quanh trục
sẽ tạo ra ứng suất vòng nén lên lớp kết cấu thành hố đào hình trịn. Khi áp lực đất thay đổi theo độ
sâu, ứng suất vòng gây ra cũng sẽ thay đổi theo, điều kiện bền cần đảm bảo ứng suất vịng khơng
được vượt q ứng suất nén cho phép của kết cấu thành hố đào. Dựa trên nguyên lý này, nhóm
nghiên cứu đề xuất sơ đồ trình tự thiết kế hố đào sâu dạng tròn như dưới đây:

Bước 1: Xác định thông số đầu vào

Bước 2: Xác định áp lực đất tác dụng lên thành hố đào

Bước 3: Xác định ứng suất biến dạng của thành hố đào

Bước 4: Kiểm tra độ bền của tường

13


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
Trong nội dung tiếp theo, tác giả trình bày chi tiết các bước chính của phương pháp đề xuất gồm
bước 2 xác định áp lực đất lên tường chắn dạng tròn và bước 3 tính tốn ứng suất, biến dạng của
kết tường để thiết kế hố đào sâu dạng tròn.
ÁP LỰC ĐẤT LÊN HỐ ĐÀO HÌNH TRỊN
Trong các bài tốn phẳng, các bài toán đối xứng trục, áp lực đất tác dụng lên thành hố đào thường
được xác định bằng lý thuyết của Rankine hoặc Coulomb, cả 2 lý thuyết đều dựa trên cân bằng
dẻo, áp lực đất thu được có dạng phân bố tuyến tính theo độ sâu. Tuy nhiên, trong các bài tốn hố
đào sâu dạng trịn (bài tốn khơng đối xứng trục), do ảnh hưởng của hình dạng kết cấu, ảnh hưởng
của hiệu ứng vòm, áp lực đất xác định theo Rankine và Coulomb khơng cịn phù hợp, có nhiều sai
khác so với thực tế [4]. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết đã được phát triển nhằm
xác định áp lực đất tác dụng lên hố đào dạng tròn, [5] và [6] đã đề xuất lời giải giải tích; [7] đã sử
dụng phương pháp cân bằng giới hạn; và [8], [9], [10], [11], [12] và [13] đã sử dụng phương pháp
đường trượt để xác định áp lực đất lên hố đào dạng tròn. Trái ngược với các lý thuyết áp lực đất
cổ điển, trong đó áp lực đất chủ động được tính tốn bằng phương pháp Coulomb hoặc Rankine
về cơ bản là cho kết quả giống nhau, các phân bố thu được cho các điều kiện khơng đối xứng có
thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào phương pháp phân tích đã chọn [14].
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, áp lực đất tác dụng lên hố đào dạng tròn nhỏ hơn so với áp lực

đất trong trường hợp bài toán đối xứng trục. [4] đã tiến hành thử nghiệm mơ hình ly tâm và thử
nghiệm hiện trường tỷ lệ lớn 1:1 đối với trường hợp trục dọc (hố đào dạng tròn) và kết luận rằng
áp lực mặt đất tác dụng lên trục thẳng đứng tròn nhỏ hơn các loại cấu trúc địa kỹ thuật khác do các
hiệu ứng hình cung ba chiều (tức là hình cung lồi và / hoặc vòm ngược). [15] đã khảo sát áp lực
đất lên một trục tròn thẳng đứng bằng phương pháp thử nghiệm mơ hình máy ly tâm và phân tích
số, các phân tích tham số cho thấy ảnh hưởng của vòm đối với áp lực đất ngang phụ thuộc nhiều
vào đường kính và chiều cao của trục, góc nội ma sát và giá trị dính của đất và mô đun uốn của
trục. Nghiên cứu phát hiện ra rằng khi xem xét hiệu ứng hình cung, áp lực đất đất lên một trục tròn
thẳng đứng nhỏ hơn khoảng 80% so với áp lực đất được tính tốn bằng lý thuyết của Rankine. [16]
đã thực hiện các thử nghiệm mô hình để xác định áp lực của trái đất lên một trục tròn, nghiên cứu
chỉ ra rằng áp lực đất lên trục giảm đáng kể nếu xảy ra biến dạng tường lớn hơn 1,5% bán kính
trục. Ở những biến dạng nhỏ, áp lực đất ở giữa trạng thái nghỉ và trạng thái chủ động. Các nghiên
cứu phân tích số đã chỉ ra rằng áp lực tác dụng lên bề mặt bên ngồi của trục trịn nhỏ hơn áp lực
đất trạng thái nghỉ trong điều kiện biến dạng mặt phẳng do ứng suất giảm trong q trình đào nếu
tường có đủ biến dạng. [17] chỉ ra rằng các hiệu ứng vòm theo chiều ngang cũng ảnh hưởng đến
sự phân bố của áp lực đất lên bề mặt trịn bên ngồi của trục tròn. Tuy nhiên, do các kết cấu tường
chắn chỉ có biến dạng nhỏ xảy ra và độ lệch của áp lực đất từ điều kiện nghỉ sang điều kiện chủ

14


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
động do biến dạng tường vẫn không đáng kể ngay cả ở đường kính trục lớn. Ứng suất tạo ra trong
thành trục được tính tốn với giả thiết là ứng suất của vòng nén, dẫn đến ứng suất nén thuần túy.
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả lựa chọn 2 phương pháp xác định áp lực đất lên thành hố đào
trục đứng để tiến hành tính tốn kết cấu của tường, phương pháp cân bằng giới hạn của Kim
Kyoung-Yul [4] và phương pháp đường trượt của Cheng [9]. Dưới đây là tổng hợp ngắn gọn các
phương pháp này, chi tiết của các phương pháp có thể xem trong các tài liệu tham khảo trích dẫn
kèm theo.
Áp lực đất theo phương pháp cân bằng giới hạn của Kim Kyoung-Yul

Kim Kyoung-Yul [4] mở rộng phương pháp cân bằng giới hạn của [18], dựa trên giả thiết bề mặt
trượt là mặt phẳng và dốc một góc β = 45° + φ/2 (Error! Reference source not found.), xét đến
hiệu ứng vòm ba chiều với ba thành phần ứng suất (σ’t, σ’v, σ’r), áp lực đất tác dụng được biểu thị
bằng công thức:

pi  K wa 'v

(1)

trong đó:
Kwa : là hệ số của áp lực đất hướng tâm, được xác định theo phương trình sau:

K wa 

3  N cos2   sin 2  

(2)

3N   N  1 cos2 

với: N và  là hệ số được xác định theo phương trình:


N  tan 2  45  
2




1 

  tan 

( N 1 

 N  1

2

2 tan 



(3)



4 N tan 2  



(4)

σ’v : là ứng suất hữu hiệu theo phương đứng, xác định theo phương trình sau:



T





T

 'v   q   e S  z 
S
S

(5)

Với: T và S là 2 hệ số được xác định theo phương trình:

T  
S

2
A

2
A



1
1  tan   tan   

cw  c( R  r ) 1 

tan   tan   


 tan 


 1  tan   tan   
 K wa  R tan   ( K wa R   r )  


 tan   tan   

15

(6)

(7)


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
trong đó: γ là trọng lượng của đất (kN/m³); φ là góc ma sát của đất (°); c là hệ số dính (kPa); R là
bán kính ngồi của trụ trịn (m); r là chiều rộng của vùng dẻo ở độ sâu nhất định (m); A là diện
tích nằm ngang của vùng rời (m²); β là góc của mặt trượt (45° + φ/2); q là phụ tải.

Hình 2-1. Ứng xử của đất xung quanh trục trịn thẳng đứng: (a) mơ hình ứng suất, (b) mặt trượt
giả định, (c) và (d) hiệu ứng vòm [4].
Áp lực đất theo phương pháp trượt đường của Berezantzev
Berezantzev [8] đã mở rộng phương pháp đường trượt để tính áp lực đất tác dụng lên thành hình
trụ có mặt đất nằm ngang và phụ tải phân bố đều như trong Error! Reference source not found..
Để giải các phương trình cân bằng trong điều kiện khơng đối xứng trục, [8] giả định rằng bên trong
vùng dẻo ứng suất tiếp tuyến và ứng suất xuyên tâm tương ứng bằng ứng suất chính lớn và ứng
suất chính nhỏ σ’t = σ’v = σ1 và σ’r = σ3. Để đơn giản hóa tính tốn, các đường trượt được giả định

là các đường thẳng theo tiêu chí phá hoại Mohr – Coulomb. [8] đã thu được kết quả áp lực đất lên
thành hố đào dạng tròn như sau:

pa   R



Ka 
1 
1
1
1   1   q  K a  c 1   K a  cot 


  1  Rb 
Rb
Rb



trong đó:Ka,  và Rb là các hệ số xác định theo các phương trình sau:

16

(8)


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên





K a  tan 2  450  
2


(9)



  tan 2  450    1
2

(10)



Rb  1 



h
Ka
R

(11)

Hình 2-2: Áp lực đất tác động lên tường chắn hình trụ [8]
trong đó: q là phụ tải bề mặt (kPa); c lực dính của đất (kPa); R là bán kính trục (m); h là chiều sâu

đào (m).
Áp lực đất theo phương pháp trượt đường của Cheng
[10] đã mở rộng lý thuyết của Berezantzev để phát triển một giải pháp tổng quát hơn xem xét hệ
số áp lực đất thay đổi. Một biểu thức cho áp lực chủ động được đề xuất như được đưa ra dưới đây.

Hình 2-3: (a) Hệ tọa độ hình trụ và ứng suất, (b) Vịng trịn Mohr trong điều kiện phá hoại, (c)
Quy ước ký hiệu và ký hiệu.

17


Báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học sinh viên
Áp lực đất được tính theo cơng thức như sau:

pa  K a  z  K aq q  K ac c

(12)

Với các hệ số áp lực đất Kaγ, Kaq và Kac xác định như sau:

K a





Ka R 
1



1
 1 
 1 z   z

 1 
Ka  
R
 
 

K aq 

K ac

1





z
1  R K a 



Ka

(14)






Ka
 1  



  cot 


 
z

1  R K a  


 


1  sin  
 

2

cos 
2



1 



 1   tan 2  450 






tan 2  450    1

2


(13)



1
2 

(15)

(16)

(17)

ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG TƯỜNG VÂY DẠNG TRÒN BẰNG CỌC

CÁT TUYẾN
Ứng suất trong tường vây dạng trịn có thể được ước tính bằng cách xác định sự phân bố ứng suất
trong một hình trụ chịu áp lực hướng tâm đều, thay đổi theo độ sâu, tác dụng lên mặt ngoài của
trục. Lý thuyết này được ứng dụng từ kết quả của bài toán Lamé. Đối với bài toán kết cấu thành
trụ dạng trịn, chiều dày của thành trụ có ảnh hưởng lớn đến phân bố ứng suất và biến dạng của
thành trụ. Nếu chiều dày của thành trụ lớn hơn 1/10 bán kính của thành trụ, đây được coi là thành
trụ dày. Trong trường hợp này, đưa ra công thức xác định ứng suất biến dạng trong trụ tròn chịu
ứng suất hướng tâm bên ngoài đều, pe, ứng suất hướng tâm bên trong bằng 0 và ứng suất dọc trục
bằng 0 (hoặc cân bằng với bên ngoài) như sau:

z  0

(24)

18