Phương pháp số và ứng dụng mô hình nền trong tính toán ảnh hưởng của hố đào sâu đến công trình lân cận

1

PHẦN MỞ ĐẦU
I. Sự cần thiết của đề tài
Nhu cầu đất ở hiện nay rất lớn, đặc biệt trong các thành phố lớn, do đó nên triệt
để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất. Tuy nhiên, việc xây dựng hố đào
sâu trong đô thị với mật độ xây dựng dày đặc với kết cấu móng đa dạng, hệ thống
cấp thốt nước đơ thị, hệ đường giao thơng và điều kiện địa chất thuỷ văn phức tạp
sẽ gây khó khăn cho q trình tính tốn thiết kế và thi cơng hố đào.
Sự cố cơng trình hố đào sâu là rất nghiêm trọng, theo tổng kết và phân tích hơn
160 sự cố hố đào ở Trung Quốc (Đường Nghiệp Thanh, 1999) các nguyên nhân
chính gây ra sự cố hố đào: nguyên nhân do thiết kế chiếm 46% và do thi cơng
chiếm 41,5% trong đó do thiếu hoặc do khơng chính xác về các thơng tin của nền
đất chiếm đa số các trường hợp điều tra nói trên. Ở nước ta tuy chưa có tổng kết và
phân tích nhưng đều đã sảy ra những sự cố lớn nhỏ do thiết kế và thi cơng gây lún
nứt, thậm chí phá huỷ cơng trình lân cận.
Nhận thấy, ngun nhân gây ra sự cố hố đào chủ yếu là do yếu tố chủ quan con
người đặc biệt nguyên nhân do thiết kế chiếm phần lớn, nhất là hiện nay nước ta
chưa có một quy chuẩn và tiêu chuẩn nào nhất thống trong quá trình thiết kế hố đào.
Sự bất cập trong khâu khảo sát - thiết kế, phần khảo sát thường do một đơn vị độc
lập tiến hành khảo sát để cung cấp những thông tin về điều kiện đất nền - nước
ngầm mà không đưa ra những kiến nghị cho đơn vị thiết kế, đôi khi những số liệu
“Báo cáo khảo sát” cấp chưa chính xác, thiếu dữ liệu cần phục vụ cho tính tốn…
Đối với đơn vị thiết kế đó là việc sử dụng tràn lan và lạm dụng các phần mềm trong
thiết kế hố đào, kỹ sư thiết kế đôi khi khơng hiểu bản chất của bài tốn địa kỹ thuật
nhưng vẫn khai báo, nhập các dữ liệu trong “Báo cáo khảo sát” mà khơng qua phân
tích hay đánh giá các dữ liệu địa chất. Việc xem nhẹ yếu tố dự liệu đầu vào và
khơng có kinh nghiệm đánh giá sơ bộ địa chất khu vực xây dựng cơng trình là tiền
đề của sai lầm có hệ thống trong thiết kế hố đào sâu của nước ta hiện nay. Vấn đề
kiểm sốt kết quả tính tốn cịn nan giải, các kết quả tính tốn hố đào thường khơng
được so sánh với các phương pháp tính tốn khác nhau, do đó khi xuất kết quả tính

2
tốn kỹ sư thiết kế khơng có khả năng kiểm sốt kết quả đầu ra nên việc tính tốn
sai lầm trong thiết kế là việc khó tránh khỏi. Sai lầm nghiêm trọng hơn cả là yếu tố
chủ quan tin tưởng tuyệt đối vào phần mềm tính tốn mà xem nhẹ q trình quan
trắc trong từng giai đoạn thi cơng hố đào, khơng có sự so sánh kết quả tính tốn qua
mỗi giai đoạn thi công với kết quả quan trắc để đưa ra quyết định trong thi cơng và
phịng ngừa sự cố.
Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận việc tính tốn ảnh hưởng của hố đào sâu đến độ
lún cơng trình lân cận là bài toàn phức tạp và đến nay chưa có biểu thức lý thuyết
thuần thục nào để tính tốn nó. Hiện nay, phương pháp để dự báo độ lún cơng trình
lân cận hố đào thường sử dụng các phương pháp:
 Phương pháp tính tốn dựa vào kinh nghiệm của địa phương để kiểm soát
biến dạng như: Phương pháp kinh nghiệm của Peck(1969); Phương pháp của
O’Rourke(1976); Phương pháp của Mana-Clough(1981); Phương pháp của
Kamaran M. Nemati (2007).
 Phương pháp bán kinh nghiệm, tính tốn độ lún thơng qua mối liên hệ kinh
nghiệm đã xác định từ chuyển vị ngang của tường chắn như: Phương pháp
caspe (1966) và Bowles (1988); Phương pháp của Bauer (1984); Phương
pháp

lập

biểu

đồ

của

Mana-Clough(1981);

Phương

pháp

của

Moscomarchitextura (1999).
 Phương pháp số sử dụng phần tử hữu hạn trong tính tốn sử dụng phần mềm
địa kỹ thuật như: ICFEP, Plaxis, Geo5…
Với tính cấp thiết và bức xúc trong quá trình thiết kế là tiền đề thúc đẩy nghiên
cứu tính tốn ảnh hưởng của hố đào sâu tới độ lún cơng trình lân cận và luận văn
này sẽ cố gắng góp phần giải quyết vấn đề nêu trên.
II. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Mục đích đặt ra của đề tài là nghiên cứu mơ hình nền phù hợp với ứng sử thực
tiễn của nền đất, qua đó phân tích các tham số của mơ hình nền để ứng dụng bằng
phần mềm Plaxis trong tính tốn ảnh hưởng của của hố đào sâu đến cơng trình lân
cận. Ngồi ra, để kiểm sốt kết quả tính tốn bằng phần mềm, luận văn trình bày


3
tính tốn bằng phương pháp kinh nghiệm và phương pháp giá mức độ hư hại của
cơng trình lân cận hố đào kết hợp với quan trắc thi công. Với mục đích trên, nhiệm
vụ của luận văn bao gồm:
 Nghiên cứu ảnh hưởng của hố đào sâu đến cơng trình lân cận bằng phương
pháp số, đưa ra cách thực hiện tính toán bằng phần mềm và cách thức kiểm
soát kết quả tính tốn.
 Tiêu chí lựa chọn mơ hình nền phù hợp với ứng sử thực tiễn của nền đất.
 Phân tích và ứng dụng các tham số tính tốn của mơ hình nền được áp dụng

vào phần mềm Plaxis V8.5.
 Ứng dụng phương pháp đánh giá mức độ hư hại của cơng trình lân cận hố
đào làm cơ sở thiết kế biện pháp thi công cho hố đào.
 So sánh kết quả tính tốn bằng phần mềm với kết quả quan trắc thi công.
III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu của đề tài:
 Sự tương tác - ảnh hưởng của hố đào sâu đến biến dạng/chuyển vị của cơng
trình lân cận.
 Xem xét sự thích hợp/đúng đắn của mơ hình cho một số trường hợp đất nền
cụ thể.
 Khai thác sử dụng phần mềm Plaxis V8.5 trong tính tốn ảnh hưởng của hố
đào sâu đến biến dạng/chuyển vị của cơng trình lân cận.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
 Nghiên cứu cho một số điều kiện đất nền cụ thể (Hà nội) với một số dạng
cơng trình (kết cấu) cụ thể ở lân cận hố đào.
 Đề xuất/kiến nghị biện pháp thi công nhằm hạn chế ảnh hưởng bất lợi.
IV. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp tính tốn (lý thuyết) bằng cách sử dụng phần mềm Plaxis V8.5
với mơ hình nền lựa chọn.
 So sánh kết quả tính tốn bằng phần mềm và kết quả tính tốn theo kinh
nghiệm với kết quả quan trắc hiện trường.


4
V. Bố cục của luận văn
Luận văn bao gồm các phần:
Phần mở đầu
Phần nội dung chính của luận văn: Gồm 5 chương
Chương 1: Tổng quan ảnh hưởng của hố đào sâu đến cơng trình lân cận.
Trình bày phương pháp kinh nghiệm, phương pháp đánh giá mức độ hư hại

cơng trình lân cận hố đào. Phân tích một số sự cố hố đào, qua đó đặt vấn đề
cần được giải quyết trong các chương sau của luận văn.
Chương 2: Lý thuyết và quy trình của phương pháp số trong tính tốn ảnh
hưởng của hố đào đến độ lún cơng trình lân cận.
Trình bày ngun lý cơ bản xây dựng thuật tốn của phương pháp số, đưa ra
cách thức thực hiện và kiểm sốt kết quả tính tốn theo phương pháp số.
Chương 3: Lý thuyết mơ hình nền Mohr - Coulomb và mơ hình nền modified
Cam-clay.
Nghiên cứu ứng sử thực tế của nền đất cát, đất sét; Qua đó mơ hình tính chất
phức tạp của nền đất theo lý thuyết trạng thái tới hạn, xây dựng mặt bao
trạng thái hoàn chỉnh của đất. Lý thuyết xây dựng mặt bao trạng thái tới hạn
theo mơ hình nền Morh-Coulomb và mơ hình nền Modified Cam-clay.
Chương 4: Ứng dụng và phân tích các tham số mơ hình nền trong khai báo tính
tốn bằng phần mềm Plaxis V8.5.
Trình bày cách thức phân tích, tính tốn và xử lý số liệu khảo sát địa chất để
đưa ra các tham số chính mơ hình nền Morh-Coulomb và Modified Camclay. Ứng dụng trong khai báo tính tốn bằng phần mềm Plaxis V8.5.
Chương 5: Áp dụng tính tốn cơng trình thực tế.
Tính tốn biện pháp thi cơng 2 tầng hầm tồ nhà N01B cơng trình: “Xây
dựng khu nhà ở qn đội K35_TM” theo các phương án: 1) Ứng dụng mơ
hình nền Morh-Coulomb trong khai báo nền đất; 2) Kết hợp 2 mơ hình nền
Morh-Coulomb và Modified Cam-clay trong khai báo nền đất. So sánh kết
quả tính tốn với kết quả quan trắc thực tế thi công, rút ra nhận xét.
Phần kết luận và kiến nghị


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU ĐẾN
CƠNG TRÌNH LÂN CẬN
1.1 Phản ứng của cơng trình lân cận hố đào

Cơng trình ở gần hố đào ln có nguy cơ bị biến dạng đáng kể trong suốt quá
trình đào, chắn giữ và xây mới. Những chuyển vị đứng và ngang của đất ở đáy và
thành hố sẽ dẫn đến lún và nghiêng cơng trình nằm trong vùng ảnh hưởng.
Ảnh hưởng của việc xây dựng cơng trình ngầm trong đô thị. Cơ chế ảnh hưởng
thường gặp trong thực tế có thể thấy rõ như trình bày trên (Hình 1.1).

Hình 1.1: Ảnh hưởng của xây dựng cơng trình ngầm đến cơng trình lân cận
Trong đó:
1. Ngun nhân là rỗng đất gây chuyển vị.
2. Đất bị đào hoặc chuyển vị thể tích.
3. Phân bố chuyển vị thể tích.
4. Chuyển vị của mặt đất.
5. Chuyển vị của kết cấu.
6. Sự hư hỏng của kết cấu.
7. Chuyển vị đất quanh hố đào phía khơng có cơng trình hiện hữu.
Hố đào hở là ngun nhân chủ yếu làm hư hại cơng trình liền kề do chuyển vị
ngang của hệ tường chống đỡ hố đào kể từ q trình thi cơng chống đỡ hố đào đến
lấp đất tháo dỡ hệ văng chống. Thông thường, hơn 2/3 tổng giá trị chuyển vị ngang


6
của hệ văng chống hố đào thường xảy ra trong q trình thi cơng hố đào, khoảng
1/3 tổng giá trị chuyển vị ngang của hệ văng chống hố đào có thể xảy ra khi lấp đất
và tháo dỡ hệ văng chống.
Biến dạng của cơng trình nằm trong phạm vi ảnh hưởng của hố đào phụ thuộc
vào các yếu tố:
 Tác động của sự thay đổi ứng suất trong nền đất trong q trình thi cơng hố
đào.
 Kích thước của hố đào (chiều rộng và chiều sâu hố đào).
 Cách tiếp cận của cơng trình hiện hữu với hố đào (gần/xa và song song hay

vng góc).
 Điều kiện địa chất cơng trình và địa chất thuỷ văn hố đào.
 Độ cứng của tường vây và hệ chống giữ.
 Tình trạng nước ngầm và động thái của chúng.
 Công nghệ thi công tường chắn và hệ chống giữ tường …
Cơng trình lân cận (Hình 1.2) có hệ kết cầu
móng nơng bị phá huỷ do khoảng cách từ mép hố
đào đến cơng trình lận cận rất nhỏ, chiều dài cơng
trình nằm song song với chiều dài hố đào, độ sâu
hố đào lớn, độ cứng của hệ văng chống hố đào
không đảm bảo và công nghệ thi công đào hở
không phù hợp trong trường hợp thi cơng này.
Phản ứng của cơng trình lân cận trong phạm vi
ảnh hưởng lún của hố đào trong quá trình thi cơng
diễn ra rất phức tạp, địi hỏi phải có kinh nghiệm

Hình 1.2: Phá huỷ cơng trình

thi cơng và khả năng phân tích tính tốn cao. Bài

lân cận.
học mang nhiều kiến thức bổ ích được đúc rút ra từ q trình tính tốn thiết kế, thi
cơng và quan trắc Cơng trình: Tồ nhà Trung tâm Tổ chức kinh doanh Quốc gia Đài
Loan (Taipei National Enterprising Center- TNEC) với 18 tầng nổi và 5 tầng hầm.
Hiện trạng cơng trình lân cận gồm các khối nhà 12 tầng, 14 tầng có kết cấu móng


7
nông, trạng thái của hai khối nhà A và B trong q trình thi cơng hố đào rất đáng
được xem xét phân tích và rút ra nhiều bài học. Biểu thị trạng thái hai khối nhà A và

B trong quá trình thi cơng hố đào (Hình 1.3): Ở giai đoạn đào đầu tiên, tường chắn
làm việc như dầm côngxôn và độ lún bề mặt lớn nhất của đất xuất hiện gần tường
(sát với tường). Những độ lún bề mặt lớn nhất của đất ở gần tường chắn có giá trị
lớn hơn độ lún nằm ở gần góc c và d, do đó làm cho tồ nhà A nghiêng sang phía
vùng hố đào. Tuy nhiên, khi đào càng sâu, kiểu lõm của biểu đồ độ lún, những nơi
mà độ lún bề mặt lớn nhất của đất, đã xuất hiện ở một số điểm xa tường chắn lại có
trị số trội hơn. Khi đó độ lún bề mặt ở gần tường chắn lại nhỏ hơn độ lún bề mặt ở
gần góc c và d. Hiện tượng này làm toà nhà A quay nghiêng trở lại và cân bằng so
với trạng thái ban đầu. Đối với nhà B, khi ở giai đoạn đào cuối cùng cũng bị ảnh
hưởng nghiêng về phía hố đào. Tuy nhiên, nhà B chịu ảnh hưởng không đáng kể bởi
hố đào do phần móng nhà B nằm xa và dưới vùng ảnh hưởng lún.

Hình 1.3: Phản ứng của khối nhà A và B trong q trình thi cơng hố đào
Vậy cách xác định phạm vi ảnh hưởng lún của hố đào đến cơng trình lân cận
như thế nào? Đánh giá mức độ nguy hiểm của cơng trình lân cận khi chịu ảnh
hưởng lún xung quanh hố đào như thế nào? Vấn đề này được thể hiện trên (Hình
1.4) và sẽ được trình bày/giải thích ở các phần tiếp theo của luận văn.


8

Hình 1.4: Ảnh hưởng lún và mức độ hư hại cơng trình lân cận hố đào
1.2 Phạm vi ảnh hưởng lún của hố đào đến cơng trình lân cận
Đối với các vùng nền đất khác nhau thì các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng của
đất quanh hố đào sâu sẽ khơng giống nhau. Vì vậy, cần tìm hiểu rõ với từng trường
hợp cụ thể đâu là nguyên nhân chính gây lún với cơng trình lân cận. Các yếu tố
chính có thể kể đến :
 Tác động của sự thay đổi ứng suất trong đất nền
 Kích thước hố đào
 Các đặc tính của đất

 Ứng suất nằm ngang ban đầu trong đất
 Tình trạng nước ngầm và sự biến động của chúng
 Độ cứng của hệ chống đỡ hố đào
 Biện pháp thi công đào đất
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ xem xét phân tích hai yếu tố: độ cứng
của kết cấu chắn giữ hố đào và độ cứng của đất xây dựng cơng trình trong tính tốn
phạm vi ảnh hưởng của hố đào đến độ lún cơng trình lân cận. Phạm vi cơng trình
được nghiên cứu có độ sâu mực nước ngầm thấp hơn đáy hố đào.


9
1.2.1 Độ cứng của tường và hệ văng chống ảnh hưởng tới độ lún xung quanh
hố đào.
Trong quan sát ở hiện trường cho thấy, quá trình lún của đất xung quanh hố đào
chống đỡ bằng cọc bản thép giảm khi tăng độ cứng của cọc và hệ thanh chống đỡ.
Độ cứng đàn hồi của hệ thanh chống có vai trị rất quan trọng. Độ chôn sâu của cọc
từ đáy hố đào trở xuống cũng làm thay đổi về độ cứng của cọc bản thép và có ảnh
hưởng tới dịch chuyển của đất bên ngoài theo cả hai phương thẳng đứng và nằm
ngang.
Ngồi độ cứng của tường chắn thì độ cứng và khoảng cách bố trí chống đỡ của
hệ văng chống cũng ảnh hưởng đáng kể đến chuyển dịch của đất bên ngồi thể hiện
trên (Hình 1.5). Quan sát ngồi hiện trường cho thấy việc tăng độ cứng của hệ văng
chống đã làm giảm chuyển dịch của đất ở biên ngoài hố đào. (Hình 1.5) liên hệ giữa
độ cứng của kết cấu tường chắn với dịch chuyển đất xung quanh hố đào thể hiện
mối tương quan giữa chuyển vị ngang tường chắn với độ lún bề mặt đất xung quanh
hố đào.

Hình 1.5: Độ cứng hệ chống giữ, tường chắn và cách lắp đặt ảnh hưởng lớn tới độ
lún thẳng đứng của đất.
Theo (Goldberg và cộng sự) đã đưa ra ảnh hưởng của độ cứng và nhịp chống đỡ

tới chuyển dịch ngang của tường thể hiện trên (Hình 1.6). Với các thơng số: h khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa các cột chống đỡ hoặc giữa cột chống đỡ


10
và đáy hố đào. Ew – Môdun đàn hồi của vật liệu làm tường, Iw – Mơ men qn tính
của tường trên 1 đơn vị chiều dài, H – áp lực q cố kết, Cu cường độ kháng cắt
khơng thốt nước của đất. Theo đó, trong (Hình 1.6) với một điều kiện nền đất cụ
thể thì khi độ cứng của tường chắn lớn sẽ làm giảm dịch chuyển ngang của tường,
tuy nhiên với nền đất q yếu thì dù có tăng độ cứng tường chắn lên nhiều thì dịch
chuyển ngang của tường vẫn rất lớn.

Hình 1.6: Ảnh hưởng của độ cứng và
nhịp chống đỡ tới chuyển dịch ngang
của tường.

Tập hợp nhiều kết quả tính tốn bằng phương pháp số với mơ hình nền khác
nhau, (Hình 1.7) thấy được mối quan hệ giữa độ cứng của hệ tường chắn và hệ
chống đỡ hố đào có mối quan hệ với nhau. Diện tích vùng lún thẳng đứng bên ngồi
hố đào xấp xỉ bằng diện tích vùng giới hạn bởi đường cong biến dạng ngang của đất
ở ngay cạnh tường và biên hố móng. Hình dáng biến dạng của tường hoặc của đất
ngay cạnh tường được sinh ra bởi biến dạng giữa các điểm chống đỡ ở các độ sâu
khác nhau và những giá trị chuyển dịch vào trong lịng hố móng. Lực cân bằng thay
đổi trong thanh chống và sự thay đổi áp lực đất ở dưới đáy hố móng là nguyên nhân
gây ra một lượng dịch chuyển ngang phụ thuộc vào độ cứng của thanh chống và độ
cứng của đất ở trạng thái nén bên dưới đáy hố móng. Do đó, hệ tường chắn và hệ
chống đỡ có độ cứng lớn thì chuyển vị ngang tường chắn nhỏ, kéo theo chuyển vị
đất xung quanh hố đào nhỏ và ngược lại. Tuy nhiên, điều này chỉ phù hợp với hố
đào có mực nước ngầm thấp hơn đáy hố đào.

11

Hình 1.7: Quan hệ giữa chuyển vị tường chắn với độ lún xung quanh hố đào
1.2.2 Đặc tính của đất ảnh hưởng đến độ biến dạng xung quanh hố đào
Từ những quan sát thực tiễn ngoài hiện trường cho thấy: độ cứng của hệ chống
đỡ hố đào tuy làm giảm dịch chuyển đất xung quanh hố đào nhưng khơng hồn toàn
triệt tiêu dịch chuyển này. Mặc dù tăng một lượng lớn độ cứng của hệ chống đỡ
nhưng chỉ có tác dụng làm giảm một lượng nhỏ sự dịch chuyển của đất xung quanh
hố đào. Tóm lại thì việc chống đỡ chỉ làm hạn chế những dịch chuyển của đất chứ
không hoàn toàn loại trừ được dịch chuyển đất.
Một số tác giả (Clough, Davidson và Tomlinson) “theo tài liệu: Thiết kế và thi
cơng hố móng sâu-PGS.TS Nguyễn Bá Kế” cho rằng: độ lớn biến dạng tại mỗi độ
sâu đã cho của hố đào là một hàm của các đặc trưng chống đỡ của đất chứ không
phải chỉ là độ cứng của hệ chống đỡ. Theo nghiên cứu của Tomlinson thì với cấu
kiện thép, thậm chí có tiết diện rất lớn cũng trở nên không đủ độ cứng để làm giảm
chuyển vị của đất bằng độ cứng đáng kể của nó. Ơng cho thấy những tường bê tông
cốt thép biến dạng cùng một lượng tương tự như với tường cọc ván cừ. Vậy độ cứng


12
của đất là một yếu tố rất quan trọng trong tính tốn ảnh hưởng của hố đào đến độ
lún cơng trình lân cận.
Theo Christian Moormann (2004) đã tổng kết trên 530 sự cố của hố đào trên thế
giới, đã đưa ra nhận xét về chuyển vị của tường và đất quanh tường phụ thuộc vào
tính chất của đất và loại kết cấu tường chắn. Quan hệ giữa umax v với umax h và độ lún
của đất cạnh hố đào. Qua đó đưa ra kết luận: với đất sét yếu phạm vi ảnh hưởng lún
bằng khoảng ≤ 2H (với H là độ sâu của hố đào) kể từ mép hố đào, với đất sét cứng
và đất cát thì phạm vi ảnh hưởng lún khoảng ≤ 0,5H.
Dự báo sự dịch chuyển của đất gần hố đào theo phương pháp kinh

1.3

nghiệm
Phương pháp được xây dựng trên cơ sở quan trắc hố đào và cơng trình lân cận
trong thi cơng thực tiễn, tập hợp các kết quả quan trắc tại vùng địa chất đặc trưng để
thiết lập nên công thức và biểu đồ thực nghiệm. Tuy nhiên, áp dụng những công
thức kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm cũng chưa rõ ràng. Vì hầu hết những cơng
thức, phương pháp tính tốn trên đều dựa vào kinh nghiệm thực tế của tác giả tại
khu vực xây dựng cụ thể, chưa thể tổng quát để áp dụng cho tính tốn cho các khu
vực xây dựng rất đa dạng về điều kiện địa chất thuỷ văn, điều kiện cơng trình lân
cận…
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, những phương pháp kinh nghiệm kinh
điển và phương pháp kinh nghiệm mới nhất được tập hợp từ kết quả đo đạc của
nhiều cơng trình sảy ra sự cố trên thế giới.
1.3.1 Phương pháp kinh nghiệm của Peck (1969)
Từ những quan trắc đo lún ở lân cận hố móng sâu tại một số hiện trường có điều
kiện đất nền xác định, có thể ước lượng độ lún của đất quanh các hố đào khác có
điều kiện đất tương tự.
Cơng trình của Peck được tổng kết trong (Hình 1.8) là tập hợp những quan trắc
đo lún ở lân cận hố móng sâu tại một số hiện trường ở thành phố Chicago. (Hình
1.8) cho thấy độ lún thẳng đứng (theo % của độ sâu hố móng) với khoảng cách đến


13
hố móng (là đại lượng khơng thứ ngun) như một tỷ lệ với độ sâu hố móng. Biểu
đồ được vẽ theo khoảng cách từ hố móng tới nơi xảy ra độ lún.

Hình 1.8: Biểu đồ thực nghiệm để dự tính độ lún của đất quanh hố móng
(Peck 1969).
 Vùng I: Cát và đất sét cứng (Cu >30Kpa)

 Vùng II: Sét rất mềm tới mềm (Cu <30Kpa)
 Vùng III: Sét rất mềm tới mềm ở độ sâu dưới đáy hố móng
Trong đó:
H - độ sâu hố móng; S - khoảng cách từ điểm dự tính lún tới vách hố móng;
 - độ lún cần tính.
Các số liệu được Peck đưa ra chỉ cho thấy cách đánh giá độ lún xảy ra trong lớp
sét mềm.
Cách áp dụng biều đồ của Peck trong dự báo độ lún:
 Xác định loại đất để xếp nó thuộc vùng I, II hoặc III;
 u cầu tính lún tại các điểm i trên mặt đất, có khoảng cách tới mép móng là
si tìm được si/H;
 Từ trục hồnh, ở điểm si/H dựa vào đường cong tìm được từ trục tung, giá trị
/H;
 Biết độ sâu hố đào H, từ tỉ số /H tìm được độ lún của điểm i là .


14
1.3.2 Phương pháp của Kamran M.Nemati (2007)
Phương pháp này tính tốn ảnh hưởng độ lún của hố đào đến cơng trình lân cận
(xem Hình 1.9) cũng có cách thức tính toán tương tự như phương pháp của Peck
(1969). Cũng sử dụng quan điểm tư duy của Peck là ảnh lún của hố đào là một hàm
phụ thuộc độ cứng độ cứng của đất, ông đã tập hợp các số liệu quan trắc lún xung
quanh hố đào để xây dựng biểu khoảng cách từ hố móng tới nơi xảy ra độ lún. Theo
giáo sư Kamran M.Nemati thuộc trường Đại học Washington thì: Việc xác định độ
lún cơng trình lân cận hố đào đến nay chưa có một lý thuyết thuần thục nào để xác
định nó, việc tính tốn chỉ đơn giản là sử dụng kinh nghiệm để xác định độ lún.
Cách thức tính tốn hồn tồn giống phương pháp của Peck (1969), chỉ thay đổi các
hệ số tính tốn.

 Vùng I: Cát và đất sét cứng

 Vùng II: Sét rất mềm tới mềm
 Vùng III: Sét rất mềm tới mềm
ở độ sâu dưới đáy hố móng

Hình 1.9: Giới hạn xác định độ lún đất xung quanh hố đào
1.3.3 Phương pháp của Christian Moormann (2004)
Theo nghiên cứu của Christian Moormann (2004) thì chuyển vị của tường và đất
quanh tường tuỳ thuộc vào tính chất của đất và loại kết cấu tường chắn. Mối quan
hệ giữa umax

v

với umax h và độ lún của đất cạnh hố đào được thể hiện trên (Hình

1.10) với hàm ( umax h ) = f(H).


15

Hình 1.10: (a) Tỷ số umax v /umax h ,(b) lún mặt đất cạnh hố đào với một số loại nền.
Từ đó rút ra một số nhận xét:
 Đối với hố móng sâu trong đất mềm, độ lún lớn nhất của mặt đất cạnh hố đào
phụ thuộc vào chiều sâu hố đào và nằm trong phạm vi umax

v

/H = 0,1 ÷

10,1%.
 Tỷ số giữa chuyển vị đứng lớn nhất với chuyển vị ngang lớn nhất thay đổi từ

0,5 ÷ 1,0. Cịn đối với đất sét mềm thì tỷ số giữa chuyển vị đứng lớn nhất với
chuyển vị ngang lớn nhất lên tới 2 lần. Độ lún lớn nhất tại mặt đất quanh hố
móng thường gặp trong khoảng ≤ 0,5H từ mép móng trong đất chặt (cát và
sét), cịn trong đất sét mềm thì trong khoảng ≤ 2H.
 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn umax h xuất hiện ở dộ sâu z = 0,5 ÷
1H (chiếm 67%) và ở đỉnh tường chắn z = 0 (chiếm 21%).
1.4

Phương pháp số trong tính tốn ảnh hưởng của hố đào đến độ lún của
cơng trình lân cận
Phương pháp số được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng tính tốn được các bài toán

phức tạp trong thời gian ngắn và sử dụng dễ dàng hơn so với các phương pháp tính


16
tốn khác. Tuy nhiên, là phương pháp tính gần đúng sự làm việc của hố đào trong
thực tế nên việc thiết lập mơ hình phân tích có thể sảy ra sai lệch lớn. Sai lầm trong
tính có thể bắt đầu từ việc xây dựng sai mơ hình tính (đặc biệt là mơ hình nền khơng
phù hợp với ứng sử thực tiễn của đất), khai báo các dữ liệu đầu vào sai, q trình sử
lý phân tích tính tốn sai, cho đến xuất kết quả tính tốn và kiểm sốt kết quả tính là
rất khó.
Để tránh được những sai lầm trong tính tốn bài tốn địa kỹ thuật bằng phương
pháp số thì địi hỏi kỹ sư thiết kế cần có: Thứ nhất, phải hiểu sâu về cơ học đất, hiểu
rõ các tham số tính tốn của nền đất và thuật tốn trong phương pháp số. Thứ hai,
phải hiểu biết sâu và có khả năng phân tích mơ hình phù hợp với ứng sử làm việc
thực tế của hố đào, hiểu về những hạn chế các mơ hình. Cuối cùng, là sử dụng thành
thạo phần mềm phù hợp trong tính tốn bài toán địa kỹ thuật.
Một số sai lầm trong sử dụng phương pháp số tính tốn bài tốn địa kỹ thuật:
1.4.1 Ứng dụng phần mềm tính tốn khơng phù hợp

Mơ hình hố sơ đồ tính tốn hệ tường chắn và giằng chống bằng việc sử dụng
phần mềm tính tốn kết cấu rất dễ nhầm lẫn, khơng phù hợp với mơ hình làm việc
thực tế của hệ tường giằng chắn đất với nền đất. Mơ hình tương tác giữa đất và
tường chắn thơng qua gán gối lị xo trong mơ hình tính, quan niệm tính tốn tn
theo định luật Hooke ứng suất-biến dạng có mối quan hệ tuyến tính khơng phù hợp
với ứng sử thực tế của đất nền. Tham số độ cứng của gối lo xo xác định trong tính
tốn là khá phức tạp, rất dễ nhầm lẫn sẽ dẫn đến kết quả sai lệch lớn.
Ngồi ra, phần mềm tính tốn không mô tả được thực tế thi công theo từng giai
đoạn đào đất và lắp dựng hệ giằng chắn giữ. Mối tương tác giữa nền đất và hệ tường
chắn trong áp dụng tính tốn bằng phần mềm tính tốn kết cấu không biểu thị được
phần tử bề mặt giữa tường chắn và đất nền.
Sự cố hố đào khi sử dụng phần mềm Sap 2000 trong tính tốn của cơng trình:
“Chung cư N04-28 tầng khu ngoại giao đoàn” tại xã Xuân đỉnh, huyện Từ liêm, Hà
nội. Mơ hình hố sơ đồ thiết kế trên phần mềm Sap 2000 (Hình 1.11).


17

Hình 1.11: Mơ hình sơ đồ tính trong phần mềm Sap2000.
Sự cố hố đào diễn ra khi đào sát chân tường cừ tại cao trình đáy đài móng theo
thiết kế. Theo tính tốn biện pháp thi cơng của nhà thầu (bằng phần mềm Sap 2000)
thì hệ văng chống xiên hồn toàn đủ khả năng chịu lực theo điều kiện bền và điều
kiện ổn định tổng thể. Tuy nhiên, sau khi tính tốn kiểm tra ngun nhân sự cố hố
đào bằng phần mềm Plaxis V8.5 thì tồn bộ hệ văng chống xiên không đủ khả năng
chịu lực, hố đào bị sụp đổ hoàn toàn theo điều kiện ổn định chống lật. (Hình 1.12)
thể hiện tính tốn nội lực thanh chống và sự phá hoại hệ thanh chống xiên.

Hình 1.12: Mơ tả phá hoại hệ chống xiên

18
Một số Hình ảnh hố đào trước và sau sự cố :

Hình 1.13: Hình ảnh trước và sau sự cố đổ tường chắn.
1.4.2 Áp dụng mơ hình nền khơng phù hợp với tính chất làm việc thực tế của
nền đất
Mơ hình nền là mơ hình liên tục thể hiện sự ứng xử của nền đất dưới tác động
bên ngoài (tải trọng). Bài toán thực sự đúng đắn khi lựa chọn mơ hình nền sát với
điều kiện làm việc thực tế. Mơ hình nền rất quan trọng trong việc xác định xem khả
năng làm việc của đất nền:
+ Cường độ cho phép.
+ Biến dạng cho phép.
Phân tích sự cố sụp đường cao tốc Nicoll ở Singarpore rút ra được nhiều bài học
bổ ích về áp dụng mơ hình nền trong tính tốn ảnh hưởng của hố đào sâu đến độ lún
cơng trình lân cận. Theo Richard Davies và nhiều chuyên gia tìm hiểu nguyên nhân
sảy ra sự cố thì: nguyên nhân chủ yếu là do thiết kế sai đã sử dụng dữ liệu khơng
thích hợp trong khai báo mơ hình nền, sai lầm từ bắt đầu từ nhập số liệu đầu vào.

Hình 1.14: Mặt bằng dự án đường cao tốc


19

Hình 1.15: Mặt cắt địa chất và mơ
hình tốn tại khu vực sảy ra sự cố.

Hình 1.16: Hình ảnh cơng trình trước khi sảy ra sự cố

Hình 1.17: Hình ảnh cơng trình sau khi sảy ra sự cố

20
Phân tích nguyên nhân thiết kế sai do sử dụng dữ liệu khơng thích hợp trong
khai báo mơ hình nền. Kiểm tra tính tốn bằng phần mềm Plaxis với hai phương án
tính tốn A và B. Cả hai phương án đều sử dụng mơ hình nền Morh-Coulomb.
Phương án A là phương án được sử dụng để thiết kế biện pháp thi công:
 Sử dụng ứng suất hữu hiệu trong khai báo tính tốn áp lực đất lên tường
chắn.
 Giả thiết nền đất làm việc trong điều kiện đàn hồi đẳng hướng và trong giới
hạn trạng thái phá hoại của Morh-Coulomb.
 Với các giả thiết trên thì giá trị của ứng suất hữu hiệu có kết quả như là một
giá trị hằng số trong quá trình chảy dẻo.
Phương án B là phương án kiểm tra tìm hiểu nguyên nhân của sự cố:
 Sử dụng ứng suất tổng trong phần tích tính toán áp lực đất lên tường chắn.
So sánh hai kết quả tính tốn:
Phương án A

Phương án B

Hình 1.18: Biểu đồ chuyển vị và mô men uốn của tường chắn


21
Nhận thấy trên (Hình 1.18): chuyển vị của tường chắn khi tính tốn bằng
phương án B có chuyển vị lớn hơn nhiều khi tính bằng phương án A, Mơ men uốn
của tường chắn phương án A hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép trong khi đó
giá trị mơ men lớn nhất của phương án B nằm ngoài giá trị cho phép. Do đó, việc
khai báo sai tham số tính tốn mơ hình nền rất dễ sảy ra nhầm lẫn dẫn đến kết quả
tính tốn sai lệch lớn.
Vậy mơ hình nền trong tính tốn bằng phương pháp số là đặc biệt quan trọng, nó

quyết định tồn bộ kết quả đúng sai của bài tốn.
Phân tích lại sự sụp đổ của đường cao tốc Nicoll bằng phương pháp số của Dr
Felix Schroeder và Dr Zeljko, hai ông sử dụng và kết hợp hai mơ hình nền vào mơ
hình hố bài tốn:
 Đất lấp và đất cát sử dụng mơ hình nền Morh-Coulomb;
 Các loại đất sét gốc biển và đất bùn nhão dùng mơ hình Modified Cam-clay.
Mơ hình hố sơ đồ tính tốn:

Hình 1.19: Mơ hình tốn bằng chương trình tình ICFEP

Hình 1.20: Kết quả tính tốn và kết quả quan trắc


22
Vậy, kết hợp hai mơ hình nền Morh-Coulomb và Modified Cam-clay cho được
kết quả tính tốn hợp lý, trên (Hình 1.20) thể hiện kết quả tính tốn chuyển vị ngang
của tường chắn bám sát kết quả quan trắc thực tiễn.
1.4.3 Tổng hợp các phương pháp phân tích tính tốn
Theo David M.Potts và Lidija Zdrakovic’ tổng kết các phương pháp phân tích đã
đưa ra yêu cầu thiết kế của từng phương pháp. Trong bảng tổng hợp các phương
pháp phân tích (Bảng 1.1) thì phương pháp phân tích số sẽ giải quyết được hết các
u cầu tính tốn.
Bảng 1.1: Các u cầu tính tốn theo các phương pháp phân tích khác nhau.
KHẢ NĂNG THIẾT KẾ
Độ bền và ổn định
PHƯƠNG PHÁP
PHÂN TÍCH

Tường
chắn &

Đẩy

hệ

bùng

chống

nền

đỡ

Tường chắn & hệ
chống đỡ

Cơng trình lân cận

Độ
bền &
ổn

Nội lực

Chuyển
vị

Nội lực

Chuyển

vị

định

Đàn hồi tuyến tính

o

o

o

x

x

o

o

Cân bằng giới hạn

x

x

x

x

o

o

o

Ứng suất dẻo

x

x

x

x

o

o

o

x

x

x

x

o

o

o

x

x

x

x

x

o

o

x

o

o

x

x

o

o

x

x

x

x

x

x

x

Trạng

Giới hạn

thái

dưới

giới

Giới hạn

hạn

trên

Dầm trên nền đàn
hồi
Phân tích số hố

o – là khơng tính tốn được ; x – tính tốn được


23
Phương pháp đánh giá mức độ hư hại của công trình

1.5

Việc sử dụng phương pháp đánh giá mức độ hư hại của cơng trình qua đó sẽ đưa
ra biện pháp (thiết kế và thi công) nhằm quản lý rủi ro xây dựng cơng trình ngầm đơ
thị, từ đó sẽ xác định giải pháp xử lý thích hợp cho hố đào hoặc cơng trình, có khi
kết hợp với nhau để đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật đúng mong đợi.
Phương pháp Boscardin và Cording (1989) được áp dụng khá rộng rãi để đánh
giá mức độ hư hại của cơng trình lân cận hố đào, từ đó sẽ xác định giải pháp hợp lý
cho thiết kế hệ chống đỡ hố đào hoặc biện pháp gia cố cơng trình lân cận.
Phương pháp nghiên cứu sự liên quan giữa hư hại cơng trình dựa trên biến dạng
kéo tới hạn với các thông số biến dạng (biến dạng góc β và biến dạng ngang tới hạn
h).
Trong nghiên cứu này hai ông sử dụng phương pháp của Burland và Worth
(1974) dầm tĩnh định đặt trên hai gối đơn giản tải trọng phân bố đều để liên hệ với
biến dạng tới hạn (β,h). Khi sử dụng phương pháp này, tác động gây biến dạng của
mơ hình này có thể bao gồm do: mơ men uốn, lực cắt và tổ hợp của cả mô men và

lực cắt. Giới hạn biến dạng tới hạn được phát triển bởi xét tác động của biến dạng
mô men và lực cắt và bao gồm cả tác động của chuyển vị theo phương ngang do
ảnh hưởng của dịch chuyển đất xung quanh hố đào.
Burland và Worth (1974) đã thiết lập định nghĩa dịch chuyển nền móng điều
này đã đặt ra cơ sở làm nền tảng cho đánh giá biến dạng giới hạn và biến dạng góc.
1.5.1 Đánh giá mức độ hư hại cơng trình lân cận hố đào khi chỉ quan trắc
được bề rộng vết nứt của cơng trình hiện hữu
Khi chỉ quan trắc được sự hình thành và phát triển vết nứt của cơng trình hiện
hữu thì sử dụng kết quả nghiên cứu của Burland trên (Hình 1.21 và 1.22) để đánh
giá trạng thái kỹ thuật của cơng trình lân cận hố đào theo bề rộng vết nứt và chức
năng sử dụng theo mức độ hư hại.


24

Hình 1.21: Thí nghiệm của Burland về phát triển vết nứt dưới tác động tổng hợp
giữa khối tường xây và dầm đỡ đơn giản.

Hình 1.22: Thí nghiệm trên độ
cứng và cường độ của khối xây
trong kết cấu khung.

Bảng 1.2: Phân loại mức độ hư hại theo bề rộng vết nứt của cơng trình lân cận.


25
1.5.2 Đánh giá mức độ hư hại cơng trình lân cận hố đào khi được quan trắc
cẩn thận trong suốt q trình thi cơng
Ứng dụng nghiên cứu của Cording et at (2001) về cách xác lập thông số biến
dạng của cơng trình dùng để đánh giá sự hư hại dựa trên trị biến dạng trung bình

quan trắc được từ cơng trình lân cận hố đào. Biến dạng của tường được xác định bởi
đo đạc theo phương thẳng đứng (v), theo phương ngang (l), chuyển vị (A v, Bv, Cv,
Dv, Al, Bl, Cl, Dl) tại 4 góc (A, B, C, D) như (Hình 1.23).

Hình 1.23: Biến dạng của cơng trình lân cận hố đào
Sử dụng các tiêu chí sau đây để đánh giá:
 Độ dốc trung bình S là sự thay đổi độ dốc tại đáy nhà trên chiều dài L:
S

AV  BV
L

(1.1)

 Độ nghiêng T là góc xoay của tường được tính theo cơng thức:
T

C1  B1   ( D1  A1 )
2H

hoặc T 

(C1  B1 )
H

(1.2)

 Biến dạng góc  là biến dạng cắt được tính theo công thức:
  S T

(1.3)

 Biến dạng ngang tại đỉnh  lat (T ) là sự thay đổi chuyển vị ngang tại đáy móng
trên tồn chiều dài L:
 lat (T ) 

D1  C1
L

(1.4)