Phân tích hiệu quả của giải pháp gia cố cọc xi măng đất trong việc chống chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu ở khu vực cần thơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------

NGUYỄN ÁI HỮU

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ỔN ĐỊNH KHI GIA CỐ
CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG VIỆC CHỐNG CHUYỂN VỊ
NGANG CỦA TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO SÂU Ở KHU VỰC
CẦN THƠ

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013


Luận văn được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Đại học Quốc
gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Cán bộ hướng dẫn

: TS. LÊ TRỌNG NGHĨA

Cán bộ chấm nhận xét 1 : .......................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : .......................................................................

Luận Văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa,
ngày……tháng……năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. ……………………………………….
2. ……………………………………….
3. ……………………………………….
4. ……………………………………….
5. ……………………………………….
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo---

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN ÁI HỮU

Giới tính : Nam / Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 01/01/1981

Nơi sinh : Kiên Giang

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng

MSHV: 11864425

I- TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ỔN ĐỊNH KHI GIA CỐ CỌC XI MĂNG ĐẤT
TRONG VIỆC CHỐNG CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO
SÂU Ở KHU VỰC CẦN THƠ
II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Nhiệm vụ: Phân tích hiệu quả ổn định khi gia cố cọc xi măng đất để chống
chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu cho một công trình cụ thể ở khu vực Cần
Thơ
Nội dung:
Mở đầu
Chương 1 : Tổng quan
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong việc
phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu
Chương 3 : Ứng dụng phân tích hiệu quả của cọc xi măng đất trong việc chống
chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu trên nền đất yếu ở khu
vực Cần Thơ

Kết luận và kiến nghị
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: ……/ …. / 2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: ……/ …. / 2013

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. LÊ TRỌNG NGHĨA
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TS. LÊ TRỌNG NGHĨA

PGS.TS. VÕ PHÁN

 

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
 


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tơi. Có sự
hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là TS. Lê Trọng Nghĩa. Các nội dung nghiên cứu
và kết quả trong đề tài này là trung thực, khách quan và chưa có ai cơng bố trong
bất kỳ một cơng trình nghiên cứu nào trước đây.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm
trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình.

Tp. HCM, ngày

tháng

Học viên thực hiện

Nguyễn Ái Hữu

năm 2013


LỜI CÁM ƠN

Trước tiên, xin gởi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô Khoa xây
dựng, Bộ môn Địa cơ nền móng, trường Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí
Minh, những người đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý
báu. Tôi xin được cảm ơn các Thầy, Cô Khoa sau đại học Trường Đại học Cần
Thơ, Lãnh đạo cơ quan Sở Tài chính Cần Thơ đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho
tôi trong suốt q trình học tập.
Tơi cũng bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lê Trọng Nghĩa, người đã
tận tình hướng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện và hoàn thành luận văn
này.
Cuối cùng, xin được cảm ơn gia đình và những người bạn đã động viên,
giúp đỡ, quan tâm tơi trong q trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học
Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh.

Tp HCM, ngày 21 tháng 6 năm 2013
Học viên thực hiện

Nguyễn Ái Hữu

 

TÓM TẮT LUẬN VĂN 
Vấn đề chuyển vị của tường chắn hố đào sâu cơng trình ngầm ln là vấn đề
lớn và cần nhiều thời gian, công sức nghiên cứu. Trong đề tài này, tác giả nghiên cứu
chuyển vị của tường vây D600 (Diaphragm Wall), sâu 28m so với mặt đất hiện hữu
cho cơng trình có mặt bằng hố hình ngũ giác dài 36,094m, rộng 27,2m, có 02 tầng
hầm, 01 tầng hầm lững với độ sâu hố đào lớn nhất là 10,5m, thi công bằng phương
pháp Bottum - Up, trong khu vực địa chất quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ. Bằng
phần mềm Plaxis 3D Foundation 1.6 với mơ hình Morh Coulomb, tác giả mơ phỏng
bài tốn để phân tích chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu trong điều kiện cơng
trình được xây dựng trên nền đất yếu dày bằng phương pháp gia cố cọc xi măng đất.
Tác giả phân tích và so sánh hiệu quả hạn chế chuyển vị của tường vây thơng qua các
kiểu bố trí cọc xi măng đất (tức là thay đổi mật độ cọc xi măng đất trong cách bố trí).
Từ đó, đưa ra lựa chọn kiểu bố trí gia cố cọc xi măng đất thích hợp vừa đảm bảo tính
kỹ thuật vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế. Kết quả phân tích và lựa chọn có thể được
tham khảo trong việc lựa chọn giải pháp thiết kế trong các trường hợp khác ở cùng khu
vực.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
  
 


ABSTRACT
Displacement of diaphragm wall is always a complicated problem, that needs
more time and effort to research. In this theme, the author studied deep diaphragm 
wall  displacement  for  D600,  depth  28m  above  ground  existing  for  the  presence  of 
pentagon hole long 36,094m, 27,2 wide, with 2 basements, 1 basement hole with the 
largest  excavation  depth  is  10.5m,  construction  Bottum  ‐  up  method,  the  regional 
geologic Ninh Kieu District in Can Tho City. 
By PLAXIS 3D Foundation 1.6 program with Morh Coulomb model, authors
simulated to analyze the problem of horizontal displacement diaphragm wall in deep
pits work conditions are built on weak soil by means of thick reinforced concrete piles
land.
Authors analyzed and compared the effects of limited transposition through
walls layout soil cement pile (pile density changes in the piling layout). Since then,
choose layouts reinforced cement soil pile just to ensure proper technique while
ensuring economic efficiency. Results and analysis will be selected in the selection of
reference design solutions in other cases in the same area.

 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 0.1: Gia cường bằng lớp đất trộn xi măng dưới đáy hố đào ........................... 2
Hình 1.1: Các chuyển vị của tường trong q trình thi cơng.................................... 4
Hình 1.2: Chuyển vị của tường và đất ở sau tường các loại đất khác nhau ............. 4
Hình 1.3: Quan hệ giữa chiều sâu hố đào và chuyển vị tường ................................. 5
Hình 1.4: Hình dạng hố đào và thơng số cường độ đất cho hệ số an tồn................ 6
Hình 1.5: Ảnh hưởng của lớp vữa trong hố đào sâu, Wong (1998) ......................... 8
Hình 1.6: Ổn định đáy hố đào bằng phương pháp top-down trong đất sét
Singapore................................................................................................................... 9
Hình 1.7: Thiết kế sàn bằng xi măng đất cho hố đà sâu (Shirlaw 2000) .................. 9
Hình 2.1: Ý tưởng cơ bản của mơ hình đàn dẻo lý tưởng....................................... 17
Hình 2.2: Xác định Eref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thốt nước ............................. 18
Hình 2.3: Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết................................................... 19
Hình 2.4: Mối quan hệ Hyperpolic giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục
trong thí nghiệm 3 trục thốt nước.......................................................................... 22
Hình 2.5: Vùng đàn hồi của mơ hình Hardening soil trong khơng gian ứng suất
chính ........................................................................................................................ 23
Hình 2.6: Xác định E50ref từ thí nghiệm 3 trục thốt nước........................................ 24
ref
 từ thí nghiệm nén cố kết
Hình 2.7: Xác định E oed

............................................... 25

Hình 2.8: Xác định hệ số mũ (m) từ thí nghiệm 3 trục thốt nước......................... 26
Hình 2.9: Các kiểu bố trí cọc xi măng đất ............................................................. 32
Hình 2.10: Trộn ướt CDMLand4, Nhật Bản .......................................................... 32
Hình 2.11 Trộn ướt Trevimex, Ý 1980 ................................................................... 33


Hình 2.12: Trộn ướt Colmix, Pháp 1980 ................................................................ 33
Hinh 2.13: Trộn khơ dưới sâu ................................................................................. 34
Hình 2.14: Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng - đất và cường độ của xi măng đất (Lin
2000)........................................................................................................................ 35
Hình 3.1: Mặt cắt địa chất cơng trình...................................................................... 40
Hình 3.2: Qui cách bố trí cọc xi măng đất .............................................................. 43
Hình 3.3: Phương án bố trí cọc xi măng đất (Sơ đồ 5) ........................................... 43
Hình 3.4: Phương án bố trí cọc xi măng đất (Sơ đồ 4) ........................................... 44
Hình 3.5: Phương án bố trí cọc xi măng đất (Sơ đồ 3) ........................................... 44
Hình 3.6: Phương án bố trí cọc xi măng đất (Sơ đồ 2) ........................................... 45
Hình 3.7: Giai đoạn thi cơng thực tế của cơng trình ............................................... 51
Hình 3.8: Mơ hình 3D của tường vây và hệ shoring............................................... 52
Hình 3.9: Mơ hình thi cơng tường vây (cao độ -28m so với MĐTN) .................... 52
Hình 3.10: Mơ hình đào đất lớp 1 (cao độ -1,0m so với MĐTN)........................... 53
Hình 3.11: Mơ hình thi cơng hệ shoring 1 (cao độ -0,5m so với MĐTN).............. 53
Hình 3.12: Mơ hình đào đất lớp 2 (cao độ -3,5m so với MĐTN)........................... 54
Hình 3.13: Mơ hình thi cơng hệ shoring 2 (cao độ -3,0m so với MĐTN).............. 54
Hình 3.14: Mơ hình đào đất lớp 3  (cao độ -6,5m so với MĐTN).......................... 55
Hình 3.15: Mơ hình thi cơng hệ shoring 3 (cao độ -6,0m so với MĐTN).............. 55
Hình 3.16: Mơ hình bố trí cọc xi măng đất nguyên khối (cao độ -10,5m) ............. 56
Hình 3.17: Mơ hình bố trí cọc xi măng đất theo dãy (cao độ -10,5m) ................... 56

Hình 3.18: Mơ hình bố trí cọc xi măng đất theo lưới rỗng (cao độ -10,5m) .......... 57
Hình 3.19: Mơ hình bố trí cọc xi măng đất theo lưới ô vuông (-10,5m)
................................................................................................................................. 57


Hình 3.20: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -0,5m ........................................................ 58
Hình 3.21: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -1,0m ........................................................ 59
Hình 3.22: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -3,0m ........................................................ 60
Hình 3.23: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -3,5m ........................................................ 61
Hình 3.24: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -6,0m ........................................................ 62
Hình 3.25: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -6,5m ........................................................ 63
Hình 3.26: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -10,5m ...................................................... 64
Hình 3.27: Chuyển vị tổng của tường vây khi khơng có gia cố cọc xi măng đất... 65
Hình 3.28: Chuyển vị tổng của tường vây khi gia cố cọc xi măng đất cọc XMĐ
theo lưới ơ vng .................................................................................................... 65
Hình 3.29: Chuyển vị tổng của tường vây khi gia cố cọc xi măng đất cọc XMĐ
theo lưới rỗng .......................................................................................................... 66
Hình 3.30: Chuyển vị tổng của tường vây khi gia cố cọc xi măng đất cọc XMĐ
theo dãy ................................................................................................................... 66
Hình 3.31: Chuyển vị tổng của tường vây khi gia cố cọc xi măng đất cọc XMĐ
nguyên khối ............................................................................................................. 67
Hình 0.2: Biểu đồ so sánh hiệu quả chuyển vị theo kiểu bố trí cọc xi măng đất
................................................................................................................................. 69
 
 
 
 
 
 
 

 


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh ảnh hưởng của lớp vữa trong hố đào sâu, Wong (1998)............. 8
Bảng 2.1: Kết quả thí nghiệm trong phịng xác định cường độ kháng nén của hỗn
hợp vật liệu xi măng đất .......................................................................................... 35
Bảng 2.2: Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau
(Mitchell and Freitag, 1959) ................................................................................... 38
Bảng 2.3: Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân
loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) ............................................................... 38
Bảng 3.1: Bảng số liệu địa chất của cơng trình....................................................... 42
Bảng 3.2: Bảng thơng số đất nền của cơng trình. ................................................... 46
Bảng 3.3: Bảng thông số cọc xi măng đất............................................................... 47
Bảng 3.4: Bảng thông số hệ thanh chống ngang .................................................... 48
Bảng 3.5: Bảng thông số hệ thanh chống đứng ..................................................... 48
Bảng 0.1: Bảng so sánh hiệu quả chống chuyển vị của việc gia cố cọc xi măng
đất ........................................................................................................................... 68
Bảng 0.2: Phân tích hiệu quả chống chuyển vị của cọc xi măng đất theo sơ đồ bố
trí ............................................................................................................................. 68
 


-1-

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... - 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... - 1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài .............................................................................. - 2 3. Phương pháp nghiên cứu của đề tài ........................................................................ - 2 4. Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài ..................................................................... - 3 5. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... - 3 6. Hạn chế của đề tài ................................................................................................... - 3 CHƯƠNG 1.................................................................................................................. - 4 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CỦA TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU
CÓ GIA CƯỜNG BẰNG ĐẤT TRỘN XI MĂNG .................................................. - 4 1.1 Những kết quả nghiên cứu và đo đạc về chuyển vị của tường ............................. - 4 1.2 Đất trộn xi măng.................................................................................................... - 7 1.2.1 Sơ lược về đất trộn xi măng ............................................................................ - 7 1.2.2 Những kết quả nghiên cứu .............................................................................. - 7 CHƯƠNG 2................................................................................................................ - 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
TRONG VIỆC PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY

TRONG HỐ ĐÀO SÂU ............................................................................................ - 11 2.1. Các thơng số cơ bản trong mơ hình Plaxis......................................................... - 11 2.1.1. Loại vật liệu đất nền “Drained, Undrained, Non-porous” ........................... - 11 2.1.2 Dung trọng không bão hoà và dung trọng bão hoà....................................... - 12 2.1.3 Hệ số thấm .................................................................................................... - 13 2.1.4 Thông số độ cứng của đất nền ...................................................................... - 13 2.1.5 Thông số sức kháng cắt của đất nền ............................................................. - 15 2.2 Các mơ hình đất nền trong Plaxis ....................................................................... - 16 2.2.1 Mơ hình Morh-Coulomb............................................................................... - 16 2.2.2 Mơ hình Hardening Soil................................................................................ - 20 2.3 Các phương pháp phân tích khơng thốt nước, thốt nước và phân tích kép
(Khơng thốt nước kết hợp với cố kết) và ứng dụng các phương pháp này trong
việc phân tích bằng Plaxis.................................................................................... - 26 2.3.1 Phân tích khơng thốt nước........................................................................... - 27  


-2-

2.3.2 Phân tích thốt nướcmuon ............................................................................ - 29 2.3.3 Phân tích kép (Couple Analysis)................................................................... - 29 2.3.4 Nhận xét ........................................................................................................ - 30 2.4 Cột đất trộn xi măng............................................................................................ - 30 2.4.1 Các đặc tính của cọc đất trộn xi măng .......................................................... - 30 2.4.2 Các kiểu bố trí của cọc xi măng đất.............................................................. - 31 2.4.3 Công nghệ thi công ....................................................................................... - 32 2.4.4 Tính tốn tỷ lệ xi măng với đất ..................................................................... - 34 2.4.5 Kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất ................................................ - 37 2.4.6 Nhận xét ........................................................................................................ - 39 CHƯƠNG 3................................................................................................................ - 40 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA CỌC XI MĂNG ĐẤT CHỐNG
CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO SÂU TRONG NỀN ĐẤT
YẾU Ở KHU VỰC CẦN THƠ................................................................................. - 40 3.1 Tổng quan về cơng trình ..................................................................................... - 40 3.2 Số liệu địa chất cơng trình................................................................................... - 40 3.3 Mơ hình bài tốn và các thơng số đầu vào.......................................................... - 42 3.3.1 Phương pháp tính .......................................................................................... - 45 3.3.2 Thơng số đất nền và kết cấu thi công............................................................ - 45 3.3.6 Mơ hình tính tốn trong Plaxis...................................................................... - 52 3.3.7 Kết quả tính tốn ........................................................................................... - 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. - 68 1. Kết luận ................................................................................................................. - 68 2. Kiến nghị ............................................................................................................... - 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ - 71 -

 


-1-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của đất nước, nhu cầu xây
dựng nhà cao tầng và xây dựng hệ thống đường giao thông tại khu vực Đồng bằng
sông Cửu Long nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh
quốc phòng ngày càng cấp thiết. Đặc biệt, phải kể đến thành phố Cần Thơ, nơi được
xem là phát triển nổi bậc nhất trong lĩnh vực xây dựng.
Một số dự án có qui mơ lớn được triển khai xây dựng trên nền đất yếu ở khu
vực trung tâm thành phố Cần Thơ đã đạt được nhiều lợi ích cho cơng cuộc xây dựng
và phát triển kinh tế xã hội tại địa phương. Tuy nhiên, việc xây dựng cơng trình có tải
trọng lớn trên nền đất yếu rất dầy (có nơi dày hơn 40m) gặp khơng ít khó khăn trong
cơng tác xử lý nền, trong khi đó một số biện pháp xử lý nền đất yếu truyền thống chưa
mang lại hiệu quả như mong muốn.
Hiện nay, phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất đang được áp

dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các cơng trình xây dựng giao
thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa
chữa thấm mang cống và đáy cống, gia cố đất xung quanh đường hầm, ổn định tường
chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn... So với một số giải
pháp xử lý nền hiện có, cơng nghệ cọc xi măng đất có ưu điểm là khả năng xử lý sâu
(đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được
cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong
nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý nền
khác.
Trong nhiều tài liệu nghiên cứu trước đây đã nói lên tính hiệu quả của cọc xi
măng đất trong việc gia cố nền, chống trượt đất cho mái dốc, … Với đề tài này, tác
giả tập trung nghiên cứu phân tích hiệu quả ổn định khi gia cố cọc xi măng đất trong
việc chống chuyển vị ngang tường vây hố đào sâu của một cơng trình cụ thể, dựa trên
số liệu địa chất sẵn có, nhằm mục đích đưa ra đề xuất lựa chọn phương án bố trí cọc
xi măng đất mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.

 


-2-

2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Phân tích ứng xử chuyển vị, nội lực của tường vây và chuyển vị của đất xung
quanh tường trong đất, được gia cố bằng đất trộn xi măng để gia cường chống chuyển
vị của tường dưới đáy hố đào.
- Ứng dụng vào việc tính tốn thiết kế ổn định chuyển vị của tường và đất xung
quanh hố đào cho cơng trình có hai tầng hầm, một tầng lững hầm, chiều sâu hố đào
khoảng 10m, với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày nên tường có chiều dài lớn để
cắm vào lớp đất tốt, trong đó nền đất dưới đáy hố đào được gia cố bằng đất trộn xi
măng để hạn chế chuyển vị của tường dưới đáy hố đào.

Hình 0.1 Gia cường bằng lớp đất trộn xi măng dưới đáy hố đào
3. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về chuyển vị của tường vây và chuyển vị của đất
xung quanh tường.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hàm lượng, modun đàn hồi và chiều dày hợp lý
của lớp đất trộn xi măng để hạn chế chuyển vị của tường vây

 


-3-

- Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D foundation để phân tích chuyển vị của
tường, phình trồi của đất ở đáy hố đào và tỉ lệ giữa chuyển vị của tường và chiều sâu
của hố đào trong đất yếu.
Phương pháp xử lý nền đất dưới đáy hố đào bằng đất trộn xi măng được sử
dụng như thanh chống ngang nhằm hạn chế chuyển vị của tường dưới đáy hố đào để
tường làm việc ổn định không gây hư hại cho cơng trình.
4. Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài
Đóng góp những hiểu biết về chuyển vị của tường và chuyển vị của đất xung
quanh tường, từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của tường đến đất nền xung quanh.
Phân tích được ứng dụng của lớp đất trộn xi măng trong việc gia cố để chống chuyển
vị ngang của tường vây dưới đáy hố đào sâu, từ đó có thể đánh giá và đưa ra ý kiến về
kiểu bố trí cũng như mật độ cọc xi măng đất cần sử dụng để hạn chế chuyển vị tường,
tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo tường làm việc trong giới hạn an tồn.
5. Nội dung nghiên cứu
Tính tốn chuyển vị ngang của tường vây tầng hầm qua mô phỏng mơ hình
bằng phần mềm plaxis 3D, với điều kiện tường cắm vào lớp đất yếu rất dày, chuyển vị
lớn nhất của tường ở tại đáy hố đào. Phân tích hiệu quả của việc gia cố cọc xi măng

đất tại đáy hố đào để chống chuyển vị ngang của tường trong điều kiện nêu trên
6. Hạn chế của đề tài
Đề tài nghiên cứu mang tính chất tổng hợp các lý thuyết đã học và tham khảo
các tài liệu có liên quan, áp dụng tính tốn trên một cơng trình cụ thể, chưa tìm tịi
được cái mới. Đề tài chỉ được phân tích dựa trên mơ hình phần tư hữu hạn nên cần
được kiểm chứng qua các phương pháp phân tích khác nhau để kết quả đạt mức độ
khái quát cao hơn.
Kết quả phân tích của đề tài chủ yếu mang ý nghĩa tham khảo trong việc chọn
giải pháp thiết trong trường hợp cụ thể.

 


-4-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CỦA TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU
CÓ GIA CƯỜNG BẰNG ĐẤT TRỘN XI MĂNG
1.1 Những kết quả nghiên cứu và đo đạc về chuyển vị của tường
Dưới đây là chuyển vị của tường giai đoạn

Nếu As>1,6Ac thì chuyển vị của đất sau tường có dạng lõm
Hình 1.1 Các chuyển vị của tường trong quá trình thi cơng
- Theo dữ liệu của Moormann (2004), thực hiện trên 530 cơng trình trong sét
mềm (cu<75 KPa). Chuyển vị ngang lớn nhất của tường thì khoảng giữa 0,5%H và
1%H (với H là chiều sâu hố đào), vị trí chuyển vị ngang lớn nhất thì khoảng 0,5H tới
1H bên dưới mặt đất.

Khoảng cách thanh chống

Hình 1.2 Chuyển vị của tường và đất ở sau tường

 


-5-

H [m]: Chiều sâu hố đào
t [m]: Chiều dài tường dưới đáy hố đào
N : Số lớp thanh chống
umaxh [m]: Chuyển vị đất max tường phương ngang
umaxv [m]: Chuyển vị đất max phương đứng
Chuyển vị ngang tường vây
Sét mềm 5KPa

Chiều sâu hố đào

Hình 1.3 Quan hệ giữa chiều sâu hố đào và chuyển vị tường
Chuyển vị của tường phần lớn phụ thuộc vào hệ thống thanh giằng
- Theo Ou, C.Y(1993) đã thực hiện trên 10 trường hợp lịch sử cho hố đào sâu ở
Tapei cho rằng mối quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất mặt đất vào khoảng 50% tới 70%
độ võng tường lớn nhất và độ võng tường lớn nhất thì khoảng 0,2% tới 0,5% chiều
sâu hố đào.
- Theo Winter, E (1992) đã thực hiện trên hố đào 10m dùng tường slurry có nhà
thờ bên cạnh cho rằng chuyển vị lớn nhất của tường theo phương ngang vào khoảng
0,15% chiều sâu hố đào.
- Phương pháp Clough (1989) đề xuất trên bán thực nghiệm về chuyển vị trên
lớp đất sét là chuyển vị lớn nhất của tường ( δ hm ) được đánh giá từ mối quan hệ giữa
hệ số an toàn (FS) và hệ thống độ cứng.
 

-6-

Với : hệ thống độ cứng η =

E.I
γ .h 4

Trong đó:

- EI là độ cứng chống uốn
- γ là trọng lượng riêng của đất dưới tường
- h là khoảng cách các thanh chống
Hệ số an toàn (FS) được định nghĩa theo Terzaghi (1943)

Hình 1.4 Hình dạng hố đào và thơng số cường độ đất cho hệ số an tồn

Trong đó:
suu là sức chống cắt khơng thốt nước của đất phía trên đáy hố đào.
sub là sức chống cắt khơng thốt nước của đất phía dưới đáy hố đào.
NC là hệ số khả năng chịu lực [Theo Terzaghi (1943) NC=5,7]
- Theo Clough và O'Rourke (1990) chuyển vị tường lớn nhất vào khoảng 0,2%
chiều sâu hố đào
- Theo Hashash (1992) nếu hệ thống thanh chống tốt thì tỷ số giữa chuyển vị
tường lớn nhất và chiều sâu hố đào
nhỏ thì hệ số tăng từ

δ Hm
H

δ Hm
H

≥ 0,5% ngược lại nếu hệ thống thanh chống

≥ 1,5% tới 2%.

Như vậy, về cơ bản thì khi tăng độ cứng của tường thì sẽ giảm chuyển vị ngang
của tường, tuy nhiên mối liên hệ không phải là tuyến tính và chỉ gia tăng trong một
khoảng nhất định do đó việc gia tăng độ cứng cho tường để giảm chuyển vị ngang của
tường là không thật khả quan (Hsieh, 1999). Khi chưa lấp các thanh chống thì tường
 


-7-

sẽ chuyển vị như một dầm hẫng (cantilever type), khi đã lấp thanh chống, độ cứng của
thanh chóng đủ lớn thì tường sẽ chuyển vị dạng xoay quanh điểm tiếp giáp giữa tường
và thanh chống và chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ gần đáy hố đào. Nếu lớp đất
tại vị trí đáy hố đào là đất yếu thì chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ nằm dưới
đáy hố đào ngược lại khi lớp đất ngay tại đáy hố đào là lớp đất tốt thì chuyển vị ngang
lớn nhất của tường sẽ nằm trên đáy hố đào.
1.2 Đất trộn xi măng
1.2.1 Sơ lược về đất trộn xi măng
Xi măng đất là hỗn hợp giữ đất nguyên trạng nơi cần gia cố và xi măng được
phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất
cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên. Trong
quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối
với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt).

Nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước
vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong
giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 bê tông đất. Riêng từ 1977
đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự
án ngoài biển và trong đất liền. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3.
Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử
lý bằng cọc xi măng đất ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. Tại
Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan từ năm 1967.
Tại Việt Nam, từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng hỗn hợp xi
măng đất vào việc xây dựng các cơng trình trên nền đất yếu. Tháng 5 năm 2004, các
nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet-grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi
của cầu Thanh Trì (Hà Nội).
1.2.2 Những kết quả nghiên cứu
- Gaba (1990) đã báo cáo khi dùng xi măng đất dưới dạng bè chiều dày 3,5m
dưới đáy hố đào, kéo dài giữa những tường chắn đào sâu 15m theo phương pháp topdown trong lớp sét biển ở Singapore. Ở tầng hình thành này, có sự hiện diện của tầng
sét biển mềm để rồi sau đó được cải tạo thành lớp cứng hơn.Tác giả trình bày số liệu
 


-8-

của thiết bị đo tường để chỉ ra những thuận lợi của lớp đất được cải tạo trong việc
giảm chuyển vị của tường.
- Wong (1998) đã thực hiện phân tích phần tử hữu hạn của hình dạng lớp vữa
để chống chuyển vị của tường vây hố đào sâu trong lớp sét mềm. Một loạt mô phỏng
đã được thực hiện với những lớp vữa khác nhau ở đó chuyển vị của tường và mô men
uốn đã được so sánh. Hố đào sâu rộng 52m và sâu 13m với 3 lớp thanh chống, tường
dài 42,5m dày 0,6m được cắm vào tầng đất cứng. Lớp vữa dày 1,5m được sử dụng
bên dưới hố đào, sự hiện diện của lớp vữa dày 1,5m làm giảm 20-30% lực thanh
chống, momen uốn, chuyển vị tường và chuyển vị mặt đất.

Độ sâu (m)

Thanh chống
Cát

Sét biển lớp trên

Tường vây dày 600mm
Lớp vữa dày 1,5m

Bùn sét cứng
Sét biển lớp dưới
Sét pha cát
Cát pha sét cứng

Hình 1.5 Ảnh hưởng của lớp vữa trong hố đào sâu, Wong (1998)
Bảng 1.1 So sánh ảnh hưởng của lớp vữa trong hố đào sâu, Wong (1998)
Lực của thanh chống
Chuyển
Moment
(KN)
vị lớn
uốn lớn
nhất
nhất của
STT
Mô tả
của
1 lớp 2 lớp 3 lớp
tường

tường
chống chống chống
(KNm/m
(mm)
1
2

 

Khơng có lớp vữa

262

835

893

1300

197

Lớp vữa gia cố dày 1.5m

187

585

696

1020

139


-9-

Hình 1.6 Ổn định đáy hố đào bằng phương pháp top-down trong đất sét Singapore
Tường cắm vào nền đất cứng
thanh

Tường không cắm vào nền đất cứng
thanh

Mặt đất tự nhiên

Mặt đất tự nhiên

Xi măng
– đất

Xi măng
– đất

thanh chống giữ CDM
Tầng đất cứng

Tầng đất cứng

Hình 1.7 Thiết kế sàn bằng xi măng đất cho hố đào sâu (Shirlaw 2000)
- Công ty thiết kế và tư vấn xây dựng cơng trình hàng khơng ADCC đã cùng

với Công ty FUDO là một trong những công ty hàng đầu của Nhật Bản trong công tác
xử lý nền đất yếu, đã hợp tác tiến hành công tác thi công thử nghiệm Gia cố nền đất
yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng - phương pháp trộn ướt - Công nghệ
Nhật Bản tại Khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả đạt được cho thấy phương
pháp có tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện nền đất yếu ở Việt Nam đặc biệt là
Khu vực đồng bằng sông Cửu Long
Trung tâm Công nghệ Máy xây dựng và Cơ khí thực nghiệm thuộc Viện Khoa
học và Công nghệ Giao thông Vận tải đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị
 


- 10 -

điều khiển và định lượng xi măng để thi cơng cọc đất gia cố. Qua đó, Trung tâm đã
làm chủ được việc chế tạo hệ điều khiển, hệ định lượng và phun xi măng; tổ hợp thiết
bị thi công cọc gia cố đã được ứng dụng thành công và cho hiệu quả cao tại công
trường.
So với sản phẩm cùng loại của CHLB Đức, thiết bị do Trung tâm chế tạo có
tính năng kỹ thuật tương đương nhưng giá thành chỉ bằng 30%. So với thiết bị của
Trung Quốc, thiết bị có nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn: Do sử dựng máy cơ sở là
loại búa đóng cọc di chuyển bằng bánh xích, nên tính cơ động cao, tốc độ làm việc
của thiết bị khoan lớn, năng suất gấp 1,5-2 lần. Đặc biệt, tổ hợp thiết bị được trang bị
hệ thống điều khiển hiện đại, toàn bộ các thao tác thi cơng cọc gia cố được tự động
hóa theo các chương trình, các số liệu về lượng xi măng sử dụng trên từng mét cọc
được hiển thị, lưu giữ và in thành bảng kết quả thi công cho từng cọc. Đây chính là
những chỉ tiêu rất quan trọng đánh giá chất lượng của thiết bị cũng như chất lượng
của cọc gia cố được thi công.
Đây là lần đầu tiên ở trong nước chế tạo được tổ hợp thiết bị thi cơng cọc gia
cố. Thiết bị có giá thành thấp, phù hợp với khả năng tài chính của các đơn vị thi công.
Thiết bị cũng được các nhà thầu sử dụng để thi cơng tại sân bay Trà Nóc.

Tóm lại, qua các nghiên cứu trên ta thấy rằng có rất nhiều tác giả đã nghiên cứu
xét đến ứng dụng của đất trộn xi măng trong việc gia cố dưới đáy hố đào để hạn chế
chuyển vị của tường và xử lý gia cố nền đất yếu dưới chân tường (khi dưới chân
tường là lớp đất yếu có bề dày rất lớn). Ở nước ta, một số dự án lớn đã ứng dụng công
nghệ đất trộn xi măng (bằng phương pháp trộn sâu) để cải tạo nền đất yếu dưới nền
đường vào cầu; làm chặt lại nền đất yếu phục vụ các cơng trình giao thơng, các bãi
container; gia cố mái taluy cơng trình; làm móng vững chắc cho cơng trình nhà cao
tầng, cơng trình cơng nghiệp, làm tường chắn đất, làm bờ kè; gia cố thành hố đào, đặc
biệt là hố đào sâu, yêu cầu chống thấm cao; chống chuyển vị của tường trong hố đào
sâu.

 


- 11 -

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
TRONG VIỆC PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY
TRONG HỐ ĐÀO SÂU

2.1. Các thông số cơ bản trong mơ hình Plaxis
2.1.1. Loại vật liệu đất nền “Drained, Undrained, Non-porous”
Một trong những tính chất khác biệt giữa đất và các vật liệu khác là trong đất tồn
tại các dạng vật chất ở ba thể khác nhau: thể rắn (hạt đất), thể lỏng (nước), thể khí
(khơng khí). Đặc biệt là nước gây nên áp nước lỗ rỗng làm ảnh hưởng to lớn đến ứng
xử của đất nền. Do đó để mơ phỏng ứng xử của đất nền trong sự tương tác giữa kết
cấu hạt đất với nước trong đất việc phân loại đất nền thành ba loại: thốt nước
(Drained), khơng thốt nước (Undrained), và khơng thấm (Non-porous) là cần thiết.
Khi lớp đất nền được chọn là loại vật liệu thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng sẽ

khơng được tạo ra trong đất, các tải ngồi sẽ chuyển toàn bộ vào ứng suất hữu hiệu
của đất nền. Loại vật liệu thoát nước được sử dụng cho những lớp đất nền khô ráo
(bên trên mực nước ngầm), các loại đất nền có hệ số thấm cao, hay trong các phân
tích cơng trình ở trạng thái lâu dài mà khơng cần kể đến tính thấm kém của đất nền và
thời gian cố kết.
Ngược lại với vật liệu thoát nước, khi đất nền được thiết lập là vật liệu khơng
thốt nước áp lực nước lỗ rỗng sẽ được tạo ra trong đất nền. Dịng thấm trong đất nền
có thể được bỏ qua do tính thấm kém của vật liệu, hệ số tải ngồi cao hay tiến hành
phân tích trong trường hợp tức thời. Khi các lớp đất nền được chọn thuộc tính khơng
thốt nước thì chúng ứng xử khơng thốt nước hồn tồn mặc dù lớp đất đó nằm trên
mực nước ngầm. Tuy nhiên các thông số nhập vào trong lớp đất nền lại là các thơng
số thốt nước vì mặc định Plaxis sẽ sử dụng những công thức tương quan để chuyển
những thông số này về thông số không thốt nước.
Đối với thuộc tính non-porous thì cả áp lực nước ban đầu và áp lực nước lỗ rỗng
đều không được tạo ra trong vật liệu này. Thuộc tính này thường kết hợp với kiểu mô
 


- 12 -

hình đàn hồi dùng để mơ phỏng các loại vật liệu bê tông, xi măng đất … Đối với loại
vật liệu này khơng có sự phân biệt giữa dung trọng tự nhiên và dung trọng bão hoà.
Việc lựa chọn loại vật liệu trong q trình phân tích một bài tốn là rất quan
trọng vì nó quyết định ứng xử của đất nền và phương pháp phân tích. Do đó việc lựa
chọn loại vật liệu theo những kinh nghiệm và cảm nhận chủ quan của người phân tích
dựa trên hệ số thấm, loại đất có thể đưa đến những kết quả phân tích khơng tin cậy.
Vermeer & Meier (1998) đã đưa ra một công thức giúp xác định loại vật liệu trong
qúa trình phân tích hố đào sâu
T=

k .Eoed
.t (2.1)
γ w .D 2

Trong đó:
- k: hệ số thấm
- Eoed: mô-đun Oedonmeter
- γw: dung trọng nước
- D: đường thấm
- t: thời gian thi công
Khi T <0.1 đất nền ứng xử khơng thốt nước, T>0.4 đất nền ứng xử thốt nước
2.1.2 Dung trọng khơng bão hồ và dung trọng bão hồ
Dung trọng khơng bão hồ (γunsat) và dung trọng bão hồ (γsat ) là dung trọng đơn
vị của đất nền bao gồm cả nước trong các lỗ rỗng của kết cấu khung hạt đất. Dung
trọng khơng bão hồ đại diện cho dung trọng đơn vị của lớp đất nằm trên mực nước
ngầm và dung trọng bão hoà là cho lớp đất nằm dưới mực nước ngầm. Trong thực tế
thì lớp đất nằm trên mực nước ngầm khơng hồn tồn khơ ráo do hiện tượng mao dẫn
do đó khơng nên gán thơng số dung trọng khơng bão hồ là dung trọng khơ của đất
mà nên chọn là dung trọng tự nhiên của đất. Dung trọng bão hồ được tính tốn thơng
qua một công thức tương quan với các thông số khác.
γ sat =

Trong đó:
- γw: dung trọng nước
 

(G s + e) * γ w
1+ e

(2.2)