ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2022 3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG VÂY TRONG TẦNG CÁT DÀY Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG VÂY </b>

<b>TRONG TẦNG CÁT DÀY Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH </b>

<b><small>LÊ BÁ VINH</small></b><small>*</small>

<b><small>NGUYỄN TRUNG TÂM </small></b>

<i><b>Study on the behaviours of diaphragm wall on thick sandy soils in Ho Chi Minh city </b></i>

<i><b>Abstract: This paper focuses on studying the basement excavation process </b></i>

<i>of a building in Ho Chi Minh city which is in a geological area with thick sand layers interspersed between clay layers to analyse the behaviour of diaphragm wall during construction. The analysis uses Plaxis 2D software (through two soil models such as as Mohr-Coulomb, Hardening-Soil model) and 3D software with overall simulation of the piled raft foundation-diaphragm walls, at the same time based on actual monitoring results of the horizontal displacement of diaphragm walls, ground settlement and adjacent buildings to conduct back analysis, thereby determining the relationship between soil stiffness and N(SPT) value, undrained shear strength S<small>u</small> in geological survey and the relationship between diaphragm wall’s depth and the difference in water levels inside and outside the excavation to ensure the total stability of the excavation. </i>

<i><b>Keywords: Diapharagm walls, thick sand layer, excavation, back-analysis, </b></i>

<i>stability. </i>

<b>1. GIỚI THIỆU <small>*</small></b>

Ngày nay do nhu cầu phát triển của xã hội ngày càng nhiều cơng trình ngầm được xây dựng. Vì vậy nhu cầu xây dựng tầng hầm là nhu cấp cấp thiết. Trong quá trình thiết kế tầng hầm, việc lựa chọn kích thước và chiều dài tường vây là hết sức quan trọng. Đặc biệt khi tường vây nằm trong đất cát không chắn được dịng chảy hồn tồn thì việc cân nhắc chiều dài tường vây là vấn đề rất quan trọng để khơng những đảm bảo an tồn mà cịn phải tiết kiệm.

Tuy nhiên trong thực tế tính tốn cho thấy, các nhà thiết kế thường chỉ quan tâm đến nội lực tường vây và hệ chống mà ít quan tâm sâu sắc đến hệ số an toàn ổn định tổng thể cũng như

<i><small>* Bộ mơn Địa cơ – Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Q́c gia thành phớ Hồ Chí Minh </small></i>

<i><small> Email: </small></i>

hệ số ổn định đáy hố đào để nhằm đảm bảo thiết

<i>kết và mang lại tính kinh tế. </i>

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nêu trên tác giả đã tập trung phân tích ứng xử tường vây trong nền cát dày. Tác giả phân tích ngược bằng Plaxis, ước lượng sự thay đổi E<small>50</small> theo N và S<small>u</small>. Kết quả được kiểm chứng thông qua việc so sánh giá trị tính tốn với giá trị quan trắc thực tế tại hiện tường ở từng giai đoạn thi công. Đồng thời so sánh, đánh giá khả năng chịu lực, chuyển vị của tường vây của cơng trình qua việc mơ phỏng tổng thể. Ngồi ra, giá trị này cũng là giá trị tham khảo cho các đơn vị thiết kế, các nhà thầu thi công cũng như cho Chủ đầu tư.

<b>2. CƠ SƠ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH 2.1. Lựa chọn mơ hình phân tích </b>

Mơ hình Mohr Coulomb (MC) và mơ hình Hardening Soil (HS) là 02 mơ hình nền hầu hết được sử dụng phổ biến trong phân tích hố đào

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

sâu. Mơ hình MC là mơ hình đàn hồi lý tưởng đơn giản hóa đường cơng ứng suất biến dạng của đất bằng một đường thẳng tuyến tính với độ dóc chính là module đàn hồi E. Mơ hình MC sử dụng tiêu chuẩn phá hoại của Mohr-Coulomb [6]. Giá trị module E nhập vào Plaxis chính là module đàn hồi cho cả lớp đất không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của đất và xem như là hằng số không đổi trong cả lớp đất. Giá trị này

trong mơ hình HS. Mơ hình HS là mơ hình đàn dẻo tái bền mơ tả quan hệ ứng suất - biến dạng là một đường hyperpolic theo đề xuất của Duncan và Chang (1991) và bộ module ₅₀<i><small>ref</small></i>

<i>E</i> , <i>E_oed^ref</i> là module cát tuyến, module dở tải và module tiếp tuyến từ thí nghiệm nén cố kết ở giá trị tham chiếu P<small>ref</small>, thường sử dụng P<small>ref</small>=100kN/m<small>2</small>. Ngược lại mơ hình MC, module

<i>E</i> là module tham chiếu với giá trị P<small>ref</small>. Module E<small>50</small> tại các vị trí khác trong lớp đất sẽ được xác định thông qua hàm mũ phụ thuộc vào σ<small>3</small>, công thức (2.1) và (2.2).

Mơ hình HS phù hợp với ứng xử dở tải của bài toán hố đào sâu hơn mơ hình MC vì có module dở tải E<small>ur</small>, vì vậy lựa chọn mơ hình HS cho bài tốn phân tích hố đào sâu là hồn tồn phù hợp.

cos sincos sin

cos sincos sin

Tại vị trí giữa lớp đất nếu ta nhập P<small>ref</small>= σ<small>3</small> thì

<i>E</i> nhập vào mơ hình HS cũng chính là <i>E</i>₅₀của

lớp đất đó. Dựa vào điều này tác giả tiến hành chia nhỏ lớp cát dày thành nhiều lớp nhỏ khác nhau và kết quả phân tích cũng cho thấy rằng việc chia nhỏ chiều dày 2m đến 5m kết quả chuyển vị sai lệch < 4%. Vì vậy trong báo cáo này tác giả chọn phân chia các lớp đất cát dày < 5m để khảo sát cho khu vực tầng cát này.

Chỉ số SPT (N) từ thí nghiệm hiện trường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế nền móng điển hình như viện kiến trúc nhật bản cơng thức tính sức chịu tải cọc, tương quan độ cứng và chỉ số N.

Giá trị module cát tuyến E<small>50</small> đóng một vai trị quan trọng trong việc tính tốn chuyển vị của tường gây, giá trị E<small>50</small> được ước tính từ các tương quan thực nghiệm bằng cách sử dụng tương quan với giá N. Dựa trên một loạt các phân tích về dữ liệu thu thập về hố đào sâu, Hsiung [3] đã đề xuất một mối tương quan E<small>50</small>=2000N. Stroud [2] trình bày mối quan hệ giữa giá trị E<small>50 </small>và N bằng cách thu thập dữ liệu từ các loại đất khác nhau, và ông đề nghị rằng E<small>50</small> giảm khi biến dạng của tường chắn gia tăng. Trong phạm vi biến dạng thích hợp của tường chắn (0,1%), Yong [4] cho rằng E có thể được ước lượng là E<small>50</small>=4000N. Viện Kiến trúc Nhật Bản [5] khuyến cáo sử dụng E = 2800N cũng thường được áp dụng cho thực hành kỹ thuật. Dựa vào những cơ sở trên các giá trị E<small>50</small> ước tính khoảng 2000N và 4000N được chọn để phân tích PTHH, so sánh và tìm ra mối tương quan phù hợp giữa E<small>50</small> và N tầng cát khu vực Quận 1, Thành Phố Hồ Chí Minh.

<b>2.2. Hệ số ổn định tổng thể </b>

Các hiện tượng phá hoại và sập đổ trong thi công hố đào sâu gây thiệt hại đặc biệt cho con người và tài sản cũng như làm chậm tiến độ của dự án. Ảnh hưởng của chúng rất lớn, từ việc gây ra chuyển dịch nền lớn đến gây hư hại các cơng trình lân cận. Do đó cơng tác phân tích ổn định của hố đào sâu trong giai đoạn thi công để tránh các sự cố liên quan đến mất ổn định là yếu tố cực kỳ quan trọng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Việc phân tích ổn định cịn cho biết sự làm việc hợp lý của hệ kết cấu từ chiều sâu chân tường vây đến cao độ các hệ chống.

Khi thiết kế hệ tường chắn đất cho hố đào sâu, phải xét cả hai trường hợp trạng thái giới hạn cực hạn và trạng thái giới hạn sử dụng. Trạng thái giới hạn sử dụng của kết cấu xảy ra khi bắt đầu vượt quá biến dạng cho phép hay suy giảm giá trị. Trạng thái giới hạn cực hạn của kết cấu xảy ra khi các thành phần của kết cấu, đất hay cả hai chảy dẻo dẫn đến sự hình thành một cơ chế phá hoại trong đất hay xảy ra phá hoại các thành phần kết cấu chính. Theo bài báo kinh nghiệm hố đào sâu tại Malaysia [1], hệ số ổn định tổng thể nhỏ nhất được áp dụng là 1.2 (cho bài toán ngắn hạn) và 1.4 (cho bài tốn dài hạn hoặc tính chất rủi ro cao ảnh hưởng đến hệ kết cấu).

<b>2.3. Phân tích ổn định đáy hố đào </b>

Khi tính tốn tường vây lửng (chân tường vây khơng ngàm vào lớp đất ngăn nước) thì sẽ bị ảnh hưởng bởi dòng thấm đến đáy hố đào và chúng ta cần phải kiểm tra hai vấn đề quan trọng sau:

<i>Hiện tượng xói ngầm (sand boiling). Hiện tượng phá huỷ dạng đường ống (Failure by piping). </i>

<i>2.3.1 Hiện tượng phá hoại do xói ngầm (Sand boiling) </i>

<i>Hình 1: Sơ đồ kiểm tra xói ngầm đáy hớ đào </i>

Phá hoại nền hố đào cũng là hiện tượng mất ứng suất hữu hiệu trong lớp cát dưới đáy hố đào. Khi nước ngầm chảy từ bên dưới mặt đáy hố

móng lên bên trên mặt đáy hố móng, các hạt đất trong nền đất sẽ chịu lực đẩy nổi của áp lực nước thẩm thấu, một khi xuất hiện áp lực nước thẩm thấu quá lớn, các hạt đất sẽ ở vào trạng thái huyền phù trong nước đang lưu động, tạo ra hiện tượng phun trào.

(2.3)

d: khoảng cách từ mực nước ngầm dưới đáy hố đào đến chân tường vây.

d’: khoảng cách từ cao độ đáy đào cuối cùng đến mực nước ngầm dưới đáy hố đào.



: dung trọng của lớp đất trên mực nước ngầm.



: dung trọng của lớp đất dưới mực nước ngầm.

<i><small>dst d</small></i>

<i>Hình 2: Sơ đồ kiểm tra phun trào đáy hớ đào do dịng thấm </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Lực thẩm thấu J tác dụng trong phạm vi phun trào B là:

<i>2.3.3 Kiểm tra theo phương pháp Gradient thủy lực tới hạn </i>

<i>Hình 3: Sơ đồ kiểm tra bùng nền đáy hố đào (phương pháp Gradient thủy lực tới hạn) </i>

Hệ số an toàn chống bùng nền tính theo cơng thức sau:

<i><small>w w</small>LF</i>

 (2.6)

<i>Trong đó: <small>w</small></i>



: dung trọng của nước

h<small>w</small> : chênh lệch cột nước giữa trong và ngoài hố đào

L<small>d</small> : khoảng cách từ đáy hố đào đến chân tường vây

Hệ số an toàn F<small>s</small> được chọn như sau:

Kiểm tra ổn định trồi (bùng) đáy hố đào (Chang-Yu Ou, 2006)

Nguyên nhân trồi (bùng) hố đào bắt nguồn từ trọng lượng đất bên ngoài hố đào vược qua khả năng chịu lực của lớp đất bên dưới đáy hố đào, làm cho đất bên dưới di chuyển đáy hố đào bị trồi lên nếu để trồi lên quá nhiều nó có thể là nguyên nhân dẫn đến toàn bộ hố đào bị sập. Hình 4 miêu tả hiện tượng cơ bản của trồi đáy hố đào, mặt có hệ số an tồn nhỏ nhất là mặt có khả năng bị phá hoại hoặc bị phá hoại nghiêm trọng. Có nhiều phương pháp của nhiều tác giả phân tích hiện tượng trồi đáy hố đào.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<i>Hình 4: Mơ tả hiện tượng bùng đáy hớ đào </i>

Tính tốn hệ số theo phương pháp Terzaghi:

thể. Tùy chọn này có thể được chọn dưới dạng một loại tính tốn riêng trong bảng tổng hợp.

Trong thiết kế tầng hầm, ta không chỉ quan tâm đến ổn định cuối cùng mà cịn quan tâm đến ổn định trong q trình thi công. Sự ổn định để chống lại phá hủy có thể định nghĩa bằng giá trị trung bình của hệ số an toàn. Hệ số an toàn thường được định nghĩa là tỷ số của tải trọng phá hủy và tải trọng làm việc. Đối với đất định nghĩa này không phải lúc nào cũng tiện lợi. Hệ số này sử dụng theo định nghĩa cơ học đất:

  ^(2.8)

Trong đó c và j là các thông số độ bền, c<small>r</small> và j<small>r</small> là các thông số độ bền giảm đủ để đạt được cân bằng. Những mô tả trên là cơ sở của phương pháp Phi-C reduction có thể sử dụng trong tính tốn hệ số an tồn của chương trình Plaxis. Trong trường hợp này lực dính kết và tan của

góc ma sát giảm theo cùng tỷ lệ.



(2.9)

M<small>sf</small> được đặt ở mức 1.0 tại thời điểm bắt đầu tính tốn để đặt tất cả thông số vật liệu cho các giá trị đầu vào của chúng.

Các thông số giảm độ bền được điều khiển bằng tổng M<small>sf</small>. Thông số này tăng từng bước trong quá trình tính tốn (bằng cách giảm c<small>r</small> và j<small>r</small>) tới khi xuất hiện phá hủy. Hệ số an toàn sau đó được xác định bằng giá trị của M<small>sf</small> tại thời điểm phá hủy.

<b>3. PHÂN TÍCH DỰ ÁN HỐ ĐÀO 3.1. Mơ hình phân tích </b>

Cơng trình Căn hộ dự án X, Thành Phố Hồ Chí Minh có qui mơ 02 khối tháp cao 26 tầng,

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

04 tầng hầm. Vị trí cơng trình nằm trong khu vực địa chất có tầng cát dày.

Dự án được thi công theo biện pháp up, sử dụng tường vây DW800 dài 34m, chiều sâu đào móng đại trà -15.9mGL hình 6.

Bottom-Ghi chú: GL cao độ mặt đất tự nhiên

<i>Hình 6: Mặt cắt thi cơng dự án X </i>

Các giai đoạn thi cơng:

<b>Bước 1: Kích tải + Thi công tường vây. Bước 2: Đào đất từ cao độ 0,00m xuống cao </b>

trình -2,5m

<b>Bước 3: Lắp hệ chống 1 tại cao độ -2,0m Bước 4: Hạ mực nước ngầm từ cao độ -5,0m </b>

xuống -7,5m và đào đất xuống cao trình -6,5m

<b>Bước 5: Lắp hệ chống lớp 2 tại cao độ -5,4m Bước 6: Hạ mực nước ngầm xuống cao độ -</b>

11,0m và đào đất xuống cao trình -10,0m Bước 7: Lắp hệ chống 3 tại cao độ -8,9m

<b>Bước 8: Hạ mực nước ngầm xuống cao độ </b>

-14,3m và đào đất xuống cao trình -13,3m

<b>Bước 9: Lắp hệ chống 3 tại cao độ -12,2m Bước 10: Hạ mực nước ngầm xuống cao độ </b>

-16,9m và đào đất xuống cao trình -15,9m.

<i>Hình 7: Mơ hình Plaxis 2D cơng trình X</i>

<i>Hình 8: Mơ hình Plaxis 3D cơng trình X </i>

Cơng trình lân cận được xem xét mơ hình gần đúng với thực tế nhất. Trong mô phỏng Plaxis 2Dv20 sàn, dầm, cột, móng được mơ

hình bằng phần tử Plate với độ cứng chống uốn EI và độ cứng chống nén EA như một kết cấu khung.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Độ cứng khung mô phỏng trên 1 đơn vị m dài. Độ cứng khung 2D bao gồm tổng độ cứng sàn dầm trên 1 m, được xác định bằng tổng độ

cứng 1 nhịp chia cho chiều dài nhịp. Tĩnh tải và hoạt tải cơng trình lân cận được gán chung vào trọng lượng của phần tử Plate.

<b>Bảng 1: Tải trọng cơng trình lân cận trên 1 m<small>2</small> sàn </b>

Hoạt tải Tĩnh tải bê tơng cốt thép Tĩnh tải hồn thiện Tổng tải 1,5kN/m² 3,5kN/m² 1,5kN/m² 6,5kN/m²

<b>Bảng 2: Bảng thông số đầu vào cơng trình lân cận </b>

Thơng số Kí hiệu Sàn Cột Đơn vị Mơ ment qn tính I 3,08x10<small>-4</small> 2,25x10<small>-4</small> m<small>4</small>/m

Diện tích tiết diện A 0,155 0,03 m²/m Mô đun đàn hồi bêtông E 21000000 21000000 kN/m²Độ cứng kháng uốn EI 6468 4725 kNm²/m Độ cứng kháng nén EA 3150000 630000 kN/m Trọng lượng đơn vị w 3,75 1,5 kN/m/m Hệ số poisson  0,15 0,15

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>Bảng 3: Kết quả chuyển vị tường vây </b>

Trường hợp

Chiều sâu tường vây (m)

Chuyển vị lớn nhất (mm) MC HS TH1 26 48,13 31,35 TH2 28 52,02 31,87 TH3 30 53,65 32,35 TH4 32 55,32 32,95 TH5 34 56,88 33,64 TH6 36 58,92 34,33

TH7 38 61,22 35,11 <i>^{Hình 11: Chuyển vị tường mơ hình MC và HS}</i>

<i> Hình 12: Mặt cắt thơng sớ tính tốn ổn định đáy hớ đào </i>

<b>Bảng 4: Tổng hợp kết quả hệ số ổn định tổng thể và ổn định đáy hố đào </b>

Trường hợp

Chiều sâu tường vây

(m)

Tỷ số H<small>p</small>/H<small>w</small>

Hệ số ổn định tổng

thể M<small>sf</small>

Hệ số ổn định tổng thể

[M<small>sf</small>]

Hệ số ổn định đáy hố đào

Hệ số ổn định đáy hố đào [Min]

Theo Terzaghi TH1 26 0,85 2,31 1,2 1,6 2,0 TH2 28 1,02 2,36 1,2 1,97 2,0 TH3 30 1,18 2,36 1,2 2,26 2,0 TH4 32 1,35 2,52 1,2 2,56 2,0 TH5 34 1,52 2,77 1,2 2,86 2,0 TH6 36 1,69 2,87 1,2 3,16 2,0 TH7 38 1,86 3,03 1,2 3,46 2,0

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<i>Hình 13: Biểu đồ tương quan giữa hệ tường vây giữa model MC và HS </i>

<i>Hình 14: Biểu đồ hệ số ổn định tổng thể số ổn định và chiều dài tường vây </i>

<b>3.1. Mơ hình phân tích ngược trong Plaxis </b>

Sử dụng Plaxis 2Dv20 để phân tích, tính tốn chuyển vị tường vây trong các trường hợp này. Mơ hình HS được lựa chọn để phân tích ứng xử của các lớp đất. Thơng số mơ hình HS được xác định từ thí nghiệm trong phịng CD, CU, OED và thí nghiệm hiện trường theo phương pháp bán kinh nghiệm như VST, SPT.

Đối với đất dính, sử dụng phân tích ứng suất tổng (Undrained B trong Plaxis) với φ<small>u</small>=0, sức chống cắt khơng thốt nước c<small>u</small>=S<small>u</small>

được xác định từ thí nghiệm hiện trường hoặc thí nghiệm trong phịng. Giá trị độ cứng E<small>50</small>

được lấy theo giá trị S<small>u</small>. Với đất rời, sử dụng phân tích ứng Drain không phát sinh áp lực nước lỗ rỗng thặng dư. Thông số sức chống cắt lấy từ thí nghiệm tương quan với N, giá trị độ cứng E<small>50</small> lấy theo N. Do lớp đất 4a và 4b là lớp đất cát dày, do vậy việc phân chia lớp đất thành các lớp nhỏ < 5m để xác định giá trị E<small>50</small>

là tương đối phù hợp với ứng xử đất theo chiều sâu.

Đối với các lớp sét khi sử dụng phân tích Undrained B với φ<small>u</small>=0 hàm mô tả E<small>50</small> bị suy biến, giá trị E<small>50</small> không phụ thuộc vào σ<small>3</small> và hàm số mũ m. Vì vậy giá trị E<small>50</small>^ref nhập vào mơ hình cũng chính là E<small>50</small> của cả lớp không thay đổi theo độ sâu. Bảng số liệu sử dụng mơ hình HS cho bài tốn phân tích ngược được thể hiện bảng 5.

<i>Hình 15: Mơ hình Plaxis 2Dv20 phân chia lớp đất 4a và 4b nhiều lớp </i>

<i>Hình 16: Mơ hình Plaxis 3Dv20 phân chia lớp đất 4a và 4b nhiều lớp</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>Bảng 5: Thông số điều chỉnh trong phương pháp phân tích ngược </b>

Lớp đất

Độ sâu (m)

SPT (N)

’ (<small>o</small>)

c’ (kPa)

giá được tác động của việc thi cơng hố đào đến cơng trình lân cận và nền xung quanh. Từ đó xem xét mức độ ảnh hưởng của độ lún tới cơng trình lân cận để có biện pháp gia cường, xử lý hạn chế độ lún trước khi thi cơng tầng hầm. Ngồi ra, giá trị này cũng là giá trị tham khảo cho đơn vị thiết kế, thi công và Chủ đầu tư.

Độ lún cơng trình lân cận xung quanh hố đào phụ thuộc rất nhiều yếu tố chẳng hạn như: mức độ chuyển vị ngang tường vây, thời gian thi công tầng hầm, độ lún do công tác hạ mực nước ngầm, do ảnh hưởng độ cứng thanh chống, tải trọng cơng trình và kết cấu móng.

Ngồi ra các yếu tố khác về điều kiện địa chất cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ lún cơng trình. Do đó việc tính tốn bằng giải tích là phức tạp không thể xem xét đồng thời được tất cả yếu tố trên. Trong trường hợp này phương pháp phần tử hữu hạn tỏ ra tối ưu hơn trong việc giải quyết được đồng thời tất cả những yếu tố trên. Tùy theo mức độ nguy hiểm, kỹ sư thiết kế có thể đưa ra mức cảnh báo khi vượt quá giới hạn đã đề nghị.

<b>Bảng 6: Bảng giá trị điều kiện cảnh báo trong thi công hố đào sâu </b>

Loại ^{Mức cảnh báo}(mm)

Mức xử lý (mm)

Mức báo động (mm)

Lún cơng trình lân cận 25 35 45

</div>