Phân tích ứng xử giữa đất và tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

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

NGUYỄN NGỌC VINH

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ GIỮA ĐẤT VÀ TƯỜNG
CHẮN HỐ ĐÀO SÂU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
CHUYÊN NGHÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÃ SỐ NGÀNH : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN XUÂN THỌ

Cán bộ chấm nhận xét
1:………………………………………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét
2:………………………………………………………………………………

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC
SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM,

ngày ….... tháng ….... năm 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------------oOo--TP. HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN NGỌC VINH
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 02/01/1970
Nơi sinh: Bình Định
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MSHV: 1186.4470
I. TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH ỨNG XỬ GIỮA ĐẤT VÀ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ:
- Nghiên cứu và phân tích ứng xử giữa đất và tường chắn hố đào sâu bằng
Phương pháp phần tử hữu hạn; so sánh đánh giá kết quả phân tích với kết quả quan
trắc hiện trường.
2. Nội dung:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về các giải pháp xử lý giữa đất và tường chắn của hố đào
sâu hiện nay.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn xử lý giữa đất và tường chắn hố đào sâu các
công trình có tầng hầm hiện nay.

Chương 3: Phân tích ứng xử giữa đất và tường chắn hố đào sâu “Trung tâm
Điện ảnh và Dịch vụ Văn hóa Cần Thơ”.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
Ngày 02 tháng 07 năm 2012.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
Ngày 30 tháng 11 năm 2012.
V . HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GV.TS. TRẦN XUÂN THỌ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MƠN
QL CHUN NGÀNH

GV.TS. TRẦN XN THỌ

PGS.TS.VÕ PHÁN

PHỊNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu. Được sự giảng dạy và hướng dẫn tận tình của
Thầy, Cô giáo phụ trách lớp Cao học - Địa kỹ thuật xây dựng - khóa 2011, đặc biệt là
Quý Thầy Cơ trong Bộ mơn Địa cơ & Nền móng, Em đã hồn thành luận văn Thạc sĩ
này.
Lời đầu tiên kính bày tỏ lòng biết ơn đối với tất cả Thầy Cơ đã hết lịng truyền đạt
những kiến thức q báu cho em trong suốt thời gian qua. Đặc biệt, Em kính chân thành
cảm ơn Thầy GV. TS. Trần Xuân Thọ đã nhiệt tình hướng dẫn và khơng ngừng động

viên em trong suốt quá trình thực hiện.
Sau cùng, Em xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị, các bạn trong lớp Địa Kỹ Thuật
Xây dựng- 2011, gia đình và các bạn bè đã động viên và khích lệ cho em rất nhiều trong
suốt thời gian làm luận văn.
TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2012

Nguyễn Ngọc Vinh


LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Ngọc Vinh, tác giả của luận văn “Phân tích ứng xử giữa đất và
tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, thực hiện tại Trường Đại
học Bách khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, năm 2012.
Tơi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ
cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn
đã được chỉ rõ nguồn gốc.

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2012

Nguyễn Ngọc Vinh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong điều kiện quỹ đất hạn hẹp tại Trung tâm quận Ninh kiều, TP Cần thơ, các
công trình cao tầng thường san sát nhau, hoặc xen lẫn với các cơng trình cấp 3, cấp 4 đã
xuống cấp. Đây thực sự là một hiện trạng đòi hỏi người thiết kế và thi cơng phải dự tính
được độ ổn định, chuyển vị của kết cấu chắn giữ thành hố đào và phạm vi, mức độ ảnh
hưởng do việc thi cơng hố đào sâu gây ra cho những cơng trình lân cận. Chính vì vậy đề

tài “Phân tích ứng xử giữa đất và tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu
hạn” cho cơng trình “Trung tâm điện ảnh và dịch vụ văn hóa Cần Thơ” đã được lựa chọn.
Với tính cấp thiết của vấn đề nêu trên, tác giả đã tiếp cận đề tài luận văn “ Phân
tích ứng xử giữa đất và tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, tiến
hành phân tích đánh giá và so sánh với kết quả quan trắc thực tế tại cơng trình “Trung
tâm điện ảnh và dịch vụ văn hóa Cần Thơ” với các yếu tố sau:
1/ Phân tích và so sánh chuyển vị ngang của tường chắn hố đào sâu.
2/ Phân tích và so sánh nội lực thanh chống của tường chắn hố đào sâu.
3/ Phân tích và so sánh độ lún của đất nền.
Từ các nghiên cứu trên, tác giả sẽ đề xuất các biểu thức tính tốn chuyển vị ngang
Hố đào sâu của Mơ hình Hardening- soil so với quan trắc thực tế tại cơng trình “ Trung
tâm điện ảnh và dịch vụ văn hóa Cần Thơ”. Từ đó suy ra kết quả nghiên cứu và ứng dụng
các cơng trình hố đào sâu ở khu vực đồng bằng sông cửu long.


SUMMARY OF THESIS
Limited in terms of land at the center Ninh Kieu District, Can Tho, the
buildings are often close together, or mixed with grade-3 and grade 4 was degraded. This
really is a situation requires the design and construction must anticipate stability,
displacement of Structural sure to keep the pit and the scope and extent of the impact due
to the construction of deep excavations caused for the adjacent works. Therefore, the
project "Analysis of conduct between the land and the deep pit wall by finite element
method" for "cinema center of Can Tho and cultural services" has been selected.
With the urgency of the above problem, the author had access to thesis "Analysis
of the behavior between soil and dig pit wall by finite element method", analyze evaluate
and comparewith the actual observation results at the "Center for Film and cultural
Services Tho" with the following elements:
1 / Analysis and comparison of the horizontal displacement of deep excavation
retaining wall.
2 / Analysis and comparison displacements standing of deep excavations wall ..

3 / Analysis and comparison of the internal forces of the deep pit wall struts.
4 / analysis and comparison of the ground settlement.
From the study, the author will propose expressions to calculate the horizontal
displacement dig pits of Hardening-soil model compared with actual observations at the
"Center for Film and Cultural Services Tho". It follows that the results of the study and
application of deep pits dug in the Mekong Delta region.


MỤC LỤC
Phần mở đầu
1. Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài…………………………………….....1
2. Nội dung nghiên cứu của luận văn………………………………………………...3
3. Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………………..3
3.1.

Phương pháp giải tích………………………………………………………4

3.2.

Phương pháp phần tử hữu hạn……………………………………………...4

4. ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu……………………….4
5. Phạm vi và giới hạn của đề tài……………………………………………………..5
Chương 1 Tổng quan về hố móng đào sâu được ổn định bằng tường chắn…………….6
1.1.

Tổng quan về hố móng đào sâu………………………………………………...6

1.2.

Phân loại hố đào………………………………………………………………..7

1.3.

Phân loại tường chắn giữ hố đào……………………………………………….8

1.4.

Các nghiên cứu trước đây về tường chắn ổn định hố móng sâu theo hướng
nghiên cứu của đề tài………………………………………………………….10

1.4.1. Trên thế giới………………………………………………………………10
1.4.2. Trong nước………………………………………………………………..11
1.5.

Những nguyên nhân gây mất ổn định hố đào và các cơng trình lân cận……...13

1.5.1. Các nguyên nhân khách quan……………………………………………..13
1.5.2. Các nguyên nhân chủ quan………………………………………………..14
Chương 2 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính tốn tường chắn ổn định hố đào….15
2.1.

Các phương pháp tính tốn tường trong đất………………………………...15

2.1.1 Những phương pháp giải tích……………………………………………..15
a) Phương pháp dầm liên tục…………………………………………………….15
b) Phương pháp Sachipana………………………………………………………16
c) Phương pháp tính lực trục thanh chống, nội lực thân tường biến đổi theo q
trình đào móng………………………………………………………………..20
2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn…………………………………………….23

a) giới thiệu………………………………………………………………………23
b) Trình tự phân tích bài tốn phương pháp PTHH………………………………24
2.2. Mơ hình đất nền………………………………………………………………….25
2.2.1. Mơ hình Mohr- coulomb…………………………………………………..26
2.2.2. Mơ hình Hardening- soil…………………………………………………..30


Chương 3 Phân tích ứng xử giữa đất và tường chắn của hố đào sâu bằng phương pháp
PTHH cơng trình “ Trung tâm điện ảnh và dịch vụ văn hóa cần thơ”…………………...43
3.1.

Đặt vấn đề…………………………………………………………………….43

3.2.

Mơ tả cơng trình thực tế………………………………………………………44

3.3.

Cấu tạo địa chất và thủy văn cơng trình………………………………………46

3.4.

Điều kiện thủy văn……………………………………………………………48

3.5.

Biện pháp thi cơng hố móng đào sâu…………………………………………48

3.5.1. Biện pháp đào đất…………………………………………………………48

3.5.2. Quan trắc chuyển vị ngang của tường…………………………………….51
3.5.3. Nội lực trong thanh chống………………………………………………...51
3.5.4. Đo độ lún của đất nền……………………………………………………..51
3.6.

Trình tự thi cơng………………………………………………………………51

3.7.

Phân tích phần tử hữu hạn…………………………………………………….52

3.8.

Mơ phỏng ứng suất ban đầu…………………………………………………..57

3.9.

Kết quả chuyển vị ngang lớn nhất theo mô hình Hardening- soil…………….57

3.9.1. Kết quả chuyển vị ngang theo từng giai đoạn thi công…………………...59
3.10. Kết quả chuyển vị đứng lớn nhất theo theo từng giai đoạn thi công…………65
3.11. Nội lực thanh chống theo từng giai đoạn thi công……………………………68
Kết luận và kiến nghị………………………………………………………...................70
1. Kết luận…………………………………………………………………………...70
2. Kiến nghị……………………………………………………………………........70
Tài liệu tham khảo……………………………………………………………………….72
Phụ lục tính tốn…………………………………………………………………………73


KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

BTCT

Bê tơng cốt thép

EPC

Hợp đồng trọn gói (Engineering Procurement Construction)

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

GLE

PP cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium Method)

LEM

Phương pháp cân bằng giới hạn khối trượt rắn

SRF

Hệ số giảm cường độ kháng cắt hay hệ số an tồn riêng phần cho thơng số
sức kháng cắt (Strength Reduction Factor)

Ei

Mô đun ban đầu, hàm số của ứng suất bên σ3

ε

Biến dạng tương đối dọc trục

σ1 − ơ 3

Độ lệch ứng suất

(σ1 − ơ3)u Độ lệch ứng suất tại trạng thái tới hạn khi biến dạng lớn
(σ1 − ơ3)f Độ lệch ứng suất tại trạng thái phá hoại
KL

số mô đun gia tải khơng đơn vị

Pa

Áp suất khí quyển (được sử dụng làm thơng số chuẩn hóa)

n

Số mũ để xác định ảnh hưởng của ứng suất bên tới mô đun ban đầu

Et

Mơ đun tiếp tuyến

φ

Góc ma sát của đất

c

Lực dính của đất

φf

Góc nội ma sát nhân hệ số dùng trong kiếm tra ổn định cường độ

cf

Lực dính nhân hệ số dùng trong kiểm tra ổn định cường độ

Rf

Tỉ số giữa đường tiệm cận với đường cong hyperbolic với sức kháng cắt lớn
nhất của đất. Giá trị của Rf thường trong khoảng 0,75 đến 1,0.

σ1

ứng suất chính lớn nhất

σ3

ứng suất chính nhỏ nhất

Kur

Số mô đun dỡ tải-gia tải không đon vị

Bm

Mô đun thể tích

Kb

Số mơ đun thể tích khơng đơn vị

m

Số mũ mơ đun thể tích

Δσ

Độ thay đổi của ứng suất chính

Δε

Độ thay đổi của biến dạng thể tích

ν, μ

Hệ số Poisson


-1-

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, nhu cầu về việc sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật
hoặc dịch vụ dưới các nhà cao tầng, bãi đậu xe ngầm, hệ thông giao thông ngầm, hệ
thông xử lý nước thải...ngày càng gia tăng trong các khu đô thị. Hố đào sâu thường

được sử dụng để thi cơng các cơng trình giải quyết các vấn đề trên. Thông thường,
hố đào sâu được thi công ở những khu vực gần với các cao ốc, cơng trình hạ tầng
hay dịch vụ cơng cộng đã có sẵn, do vậy, việc giới hạn chuyển vị của tường chắn và
độ lún bề mặt là rất quan trọng để đảm bảo các cơng trình có sẵn ở xung quanh
khơng bị ảnh hưởng. Chính vì lý do đó, việc nghiên cứu ứng xử của đất và tường
trong công trình hố đào sâu là nhu cầu cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Để giới hạn biến dạng của đất nền, các đại lượng sau đây luôn phải được
quan tâm trong cơng trình hố đào sâu:
Độ cứng của tường khi làm việc như một kết cấu chắn giữ.
Nội lực phát sinh trong hệ thanh chống.
Biến dạng của đất nền.
Cho đến nay việc thiết kế tường chắn hố móng sâu thường được tiến hành
theo phương pháp truyền thống đơn giản (cân bằng giới hạn) hay theo phương pháp
kinh nghiệm. Theo đó, phương pháp cân bằng giới hạn khối trượt rắn (LEM) được
sử dụng để xác định áp lực đất lên lưng tường và phương pháp trường ứng suất
(Stress Field Method) được sử dụng để xác định áp lực cho phép lên nền đất dưới
đế tường. Việc phân tích theo các phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế do phải sử
dụng nhiều giả thuyết thô sơ trong các phương pháp phân tích nhằm đơn giản hóa
việc tính tốn, làm cho kết quả thu được thiếu tính chắc chắn. Điều này dẫn tới việc
phải sử dụng hệ số an toàn cao, làm tăng chi phí xây dựng. Việc thực hành tính toán
theo phương pháp này nhiều khi trở nên hết sức phức tạp, mất nhiều thời gian, dễ
xảy ra các sai sót khó kiểm sốt trong q trình thiết kế, đặc biệt đối với các bài
tốn phức tạp về dạng hình học, về tương tác đất - kết cấu, điều kiện đất nền phức
tạp, có kể đến q trình lún cố kết theo các giai đoạn thi công .


-2Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp tính tốn với mơ hình hợp
lý có độ chính xác cao, dễ thực hiện, dễ kiểm soát, phù hợp với năng lực của các
đơn vị tư vấn trong nước là một nhu cầu cấp thiết.
Phương pháp phấn tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) được biết

đến như là một phương pháp số được sử dụng để dự báo ổn định và biến dạng của
đất nền. Ưu điểm của phương pháp này là ứng xử của đất có thể mơ phỏng tương
đối chính xác và hợp lý trong q trình thi công đào đất. Tuy nhiên, bên cạnh một
số ưu điểm vẫn cịn một số khó khăn nhất định trong cách tiếp cận do mức độ phức
tạp của nó. Do đó, mơ hình đàn hồi - dẻo Hardening- soil thường được sử dụng vì
tính đơn giản của nó và các thơng số đất có thể dễ dàng thu được từ phịng thí
nghiệm và một số thơng số có thể được suy ra từ các quan hệ tương quan.
Thứ nhất: Các quan hệ phi tuyến của đất trước khi phá hoại khơng được mơ
hình.
Thứ hai: Nó khơng thể tạo ra áp lực lỗ rồng đáng tin cậy trong quá trình gia
tải khơng thốt nước.
Thứ ba: Dự báo chuyển vị bên của tường và độ lún mặt là không đáng tin
cậy.
Để khắc phục những thiếu sót trên, cần sử dụng một mơ hình đàn hồi dẻo phi
tuyến tính.Việc sử dụng mơ hình đất thích hợp là đặc biệt quan trọng trong tính tốn
hố đào sâu ổn định bằng tường chắn, bởi vì ứng xử thông thường của đất là phi
tuyến, không hồi phục và không ảnh hưởng bởi thời gian.
Do thiếu các dữ liệu thí nghiệm trong phịng, các kỹ sư thường tương quan
các thông số thiết kế từ các thông số có sẵn và thường giới hạn cho đất mơ hình
thiết kế đơn giản trong thiết kế hố đào sâu. Nếu tương quan khơng thích hợp, người
kỹ sư thường phải đối mặt với vấn đề về số liệu xác định chuyển vị của tường chắn
và độ lún bề mặt thực tế sẽ khác biệt với giá trị dự đoán ban đầu.
Luận văn này tập trung vào việc ứng dụng mơ hình đàn hồi dẻo Harderning
Soil (Schanz et al. 1999) trong PLAXIS phiên bản 8.5 để phân tích ứng xử của đất
và tường chắn trong q trình thi cơng hố đào sâu cho một cơng trình ở khu vực
trung tâm Quận Ninh Kiều, Thành phố Cần Thơ. Tiến hành so sánh kết quả phân
tích với các số liệu quan trắc được từ cơng trường để xác định liệu phân tích phần tữ


-3hữu hạn tuyến tính đơn giản là đủ cho thiết kế an tồn hay phân tích số phi tuyến

phức tạp cung cấp một giải pháp mang lại nhiều hiệu quả hơn.

2. Nội dung nghiên cứu của Luận văn
Mục đích của luận văn này phân tích ứng xử giữa đất nền và hệ kết cấu
tường chắn hố đào sâu một công trình ở khu vực Quận Ninh Kiều, TP Cần Thơ,
thực hiện so sánh kết quả tính tốn khi tính tốn với mơ hình đàn hồi - dẻo
Hardening Soil bằng phần mềm PLAXIS với kết quả quan trắc thực tế tại cơng
trình. Ảnh hưởng của mơ hình đất nền lên biến dạng của hố đào gồm lún bề mặt,
chuyển vị ngang của tường và lực dọc thanh chống được biểu diễn qua sử dụng mơ
hình Hardening Soil trên cơ sở tương quan với số liệu quan trắc thực tế đo được tại
hiện trường.
Mục tiêu của đề tài nhằm phân tích ứng xử của tường chắn hố đào sâu bằng
phương pháp phần tử hữu hạn. Để làm sáng tỏ mục tiêu, các vấn đề sau được
nghiên cứu trong luận văn:
2.1/ So sánh chuyển vị của tường chắn từ số liệu quan trắc với kết quả dự
đoán chuyển vị của tường chắn thu được từ phương pháp phần tử hữu hạn sử
dụng mô hình Hardening Soil để nghiên cứu ứng xử của tường trong hệ kết cấu
tường chắn hố đào sâu.
2.2/ So sánh lực dọc trong thanh chống giữa số liệu quan trắc và kết quả thu
được từ việc sử dụng mơ hình Hardening Soil.
2.3/ So sánh kết quả quan hệ biến dạng của đất nền từ việc sử dụng mơ hình
Hardening Soil với số liệu quan trắc thực tế.

3. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện các vấn đề nêu trên, phương pháp nghiên cứu được lựa chọn
như sau:
3.1. Phương pháp Phần tử Hữu hạn : Sử dụng Phần mềm Plaxis
Sử dụng phần mềm PLAXIS phiên bản 8.5 và các phần mềm xử lý số liệu
kết quả để so sánh kết quả giữa tính tốn lý thuyết và số liệu quan trắc hiện trường.
Vận dụng các lý thuyết về tổng hợp số liệu thí nghiệm, thống kê, tốn học

kết hợp với việc tiến hành thực nghiệm tại hiện trường...Để thiết lập các mối tương


-4quan.
3.2. Thí nghiệm trong phịng
Khảo sát lấy mẫu để xác định các chỉ tiêu vật lý, cơ lý của đất, thí nghiệm
nén 03 trục- CU, nén cố kết để làm căn cứ phân tích, so sánh, đối chiếu kết quả.
3.3. Quan trắc hiện trường
Bố trí các thiết bị quan trắc chuyển vị ngang; Thiết bị quan trắc lún và thiết
bị quan trắc nội lực thanh chống tại những vị trí quan sát được trong suốt thời gian
thi công.
4. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Việc phân tích ứng xử của tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp phần tử
hữu hạn thực hiện trên cơ sở so sánh ảnh hưởng của mơ hình Hardening Soil đến
chuyển vị ngang của tường, nội lực phát sinh trong các hệ thanh chống và biến dạng
bề mặt đất nền. Các thơng số để tính tốn xác định một cách trung thực từ hồ sơ địa
chất có sẵn, mặt khác tác giả cũng đã thực hiện một số thí nghiệm hiện trường và
trong phịng để bổ sung các thơng số cịn thiếu. Do vậy, kết quả thu được mang tính
khoa học và thực tiễn cao.
Nghiên cứu đề tài này sẽ rất hữu ích cho các kỹ sư địa kỹ thuật được sử dụng
như tài liệu tham khảo để phân tích khả năng làm việc của hệ tường chắn chống lại
chuyển vị ngang gia tăng trong quá trình thi cơng đào đất. So sánh kết quả tính tốn
bằng lý thuyết, kết quả có được từ việc sử dụng phần mềm với các mơ hình cơ bản
của đất nền, kết quả quan trắc hiện trường. Từ đó lựa chọn phương pháp tính tốn
hợp lý và mơ hình phù hợp cho tường chắn hố đào các cơng trình có tính chất tương
tự.

5. Phạm vi và giới hạn của Đề tài
Trong luận văn này, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của hố đào
sâu và mơ hình số được nghiên cứu trên cơ sở áp dụng phương pháp phần tử hữu

hạn trong việc thiết kế hố đào sâu.
Cơng trình tiếp cận hướng nghiên cứu trong đề tài luận văn là cơng trình:
“Trung tâm Điện ảnh và Dịch vụ văn hóa Cần Thơ”. Điều kiện địa chất, loại
tường chắn, hệ thanh chống, phương pháp thi công và thiết bị quan trắc được thể


-5hiện rõ trong luận văn này. Phạm vi nghiên cứu, nhận xét và thảo luận giới hạn
trong việc xác định chuyển vị của tường chắn, biến dạng bề mặt của đất nền và nội
lực của hệ thanh chống trong quá trình thi cơng đào đất.
Đánh giá khả năng làm việc của hệ tường chắn đất và thanh chống hố đào
sâu được thực hiện dựa trên các số liệu địa chất, kết quả thí nghiệm trong phịng ,
thí nghiệm hiện trường và số liệu quan trắc chuyển vị của tường chắn và lực dọc
trong thanh chống ở mỗi giai đoạn thi cơng cùa hố đào. Các phân tích được thực
hiện bằng phần mềm PLAXIS phiên bản 8.5 với phần tử 2-D. Mơ hình đất sử dụng
trong luận văn này giới hạn trong mơ hình là Hardening Soil .
Trong luận văn này chưa xem xét đến ảnh hưởng của quá trình thi công
tường chắn, như chuyển vị của đất và sự giảm ứng suất do q trình thi cơng tường
chắn khơng được quan trắc do thiếu thiết bị đo.
Cũng trong luận văn này, ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và ngàm cứng đến
nội lực trong thanh chống không được thể hiện trong mơ hình phần tử hữu
hạn.Thanh chống được giả định ngàm cứng vào tường trong mơ hình số.
Để đơn giản, trong suốt luận văn này việc phân tích dữ liệu dựa trên cơ sở là
biến dạng phẳng. Ảnh hưởng của yếu tố hình học của hố đào chưa xem xét.


-6-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỐ MÓNG ĐÀO SÂU ĐƯỢC ỔN ĐỊNH BẰNG
TƯỜNG CHẮN

1.1.Tổng quan về hố móng đào sâu
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, điều kiện địa chất
của mỗi vùng khác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau. Cơng trình hố móng là một
khoa học đan xen giữa các khoa học về đất đá, về kết cấu kỹ thuật và thi công, là
một loại cơng trình mà hệ thống chịu ảnh hưởng đan xen của nhiều nhân tố phức tạp
và là ngành khoa học kỹ thuật tổng hợp đang còn chờ phát triển về mặt lí luận.
Do hố móng là loại cơng trình có giá thành cao, khối lượng công việc lớn, là
trọng điểm tranh giành của các đơn vị thi cơng, lại vì kỹ thuật phức tạp, phạm vi
ảnh hưởng rộng, nhiều nhân tố biến đổi, sự cố hay xảy ra, là một khâu khó về mặt
kỹ 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 công trình.
Cơng trình hố móng đang phát triển theo xu hướng độ sâu lớn, diện tích rộng,
có các chiều dài, chiều rộng đạt tới hơn trăm mét, quy mơ cơng trình cũng ngày
càng tăng lên.
Theo đà phát triển cải tạo các thành phố cũ, các cơng trình cao tầng, siêu cao
tầng chủ yếu của các thành phố lại thường tập trung ở những khu đất nhỏ hẹp, mật
độ xây dựng lớn, dân cư đông đúc, giao thông chen lấn, điều kiện thi cơng cơng
trình hố móng đều rất kém. 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, u cầu đối 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 ẩn dấu
của địa chất và tính phức tạp, tính khơng đồng đều của điều kiện địa chất thủy văn
thường làm cho số liệu khảo sát khơng 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,


-7tăng thêm khó khăn cho thiết kế và thi cơng cơng trình hố móng.
Đào hố móng trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện

hiện trường phức tạp khác rất dễ sinh ra trượt lở khối đất, mất ổn định hố móng,
thân cọc bị chuyển dịch vị trí, đáy hố trồi lên, kết cấu chắn giữ bị dò đường nghiêm
trọng hoặc bị chảy đất... làm hư hại hố móng, uy hiếp nghiêm trọng các cơng trình
xây dựng, các cơng trình ngầm và đường ống xung quanh.
Cơng trình hố móng bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như
chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước ngầm, đào đất... trong đó, một khâu
nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả cơng trình bị đỗ vỡ.
Việc thi cơng hố móng ở các hiện trường lân cận như đóng cọc, hạ mực nước
ngầm, đào đất,... đều có thể sinh ra những ảnh hưởng hoặc khống chế lẫn nhau, tăng
thêm các nhân tố để có thể gây ra sự cố.
Cơng trình hố móng có giá thành khá cao, nhưng lại chỉ là có tính tạm thời nên
thường là khơng muốn đầu tư chi phí nhiều, nhưng nếu để xảy ra sự cố thì xử lý sẽ
vơ cùng khó khăn, gây ra tổn thất lớn về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng về mặt
xã hội.
Cơng trình hố móng có chu kì thi cơng dài, từ khi đào đất cho đến khi hồn
thành tồn bộ các cơng trình kín khuất ngầm dưới mặt đất phải trãi qua nhiều lần
mưa to, nhiều lần chất tải, chấn động, thi cơng có sai phạm... tính ngẫu nhiên của
mức độ an toàn tương đối lớn, sự cố xảy ra thường đột biến.
1.2. Phân loại hố đào
Việc phân loại hố đào nông và sâu chỉ mang tính tương đối. Tezhaghi và
Peck (1969) cho rằng hố đào lớn hơn 6 mét thì được gọi là hố đào sâu. Tuy nhiên
trong một vài trường hợp đặc biệt, khi độ sâu hố đào bé hơn 6 mét nhưng do được
thi công trong điều kiện địa chất cơng trình và điều kiện thủy văn phức tạp thì cũng
được phân tích như ứng xử của hố đào sâu.
Nếu phân biệt hố đào sâu theo phương thức đào, người ta phân biệt hố đào
sâu thành hai nhóm chuyên biệt sau:
* Đào khơng có chắn giữ: được sử dụng cho các nhu cầu hạ mược nước
ngầm, đào đất, gia cố nền và giữ mái dốc;
* Đào có chắn giữ: được sử dụng cho các kết cấu quay giữ, hệ thống chắn

-8giữ, gia cố nền, quan trắc,...
* Khi phân loại hố đào theo đặc điểm chịu lực của kết cấu, người ta chia hố
đào thành hai nhóm sau:
- Kết cấu chắn giữ áp lực chủ động: Có vai trị chịu tác dụng của phần áp lực
chủ động tác động lên kết cấu thành hố đào, bao gồm các kết cấu phun neo để chắn
giữ, tường bằng đinh đất để chắn giữ .
- Kết cấu chắn giữ áp lực bị động: Có vai trò chịu tác dụng của phần áp lực
bị động tác động lên kết cấu thành hố đào, bao gồm các kết cấu như cọc, bản, ống,
tường và chống .
* Khi phân biệt hố đào theo chức năng kết cấu, có thể phân chia kết cấu chắn
giữ thành hai bộ phận sau đây:
Bộ phận chắn đất, bao gồm:
-

Kết cấu chắn đất, thấm nước cọc thép chữ H, I có bản cài; cọc nhồi

đặt thưa trát mặt xi măng lưới thép, cọc đặt dày, cọc hai hành chắn đất, cọc nhồi
kiểu liên vòm, chắn giữ bằng đinh đất,...
-

Kết cấu chắn đất, ngăn nước tường liên tục trong đất, cọc, tường trộn

xi măng dưới tầng đất sâu, giữa cọc đặt dày và bố trí thêm cột xi măng cao áp hay
cọc trộn hóa chất, tường vịm cuốn khép kín,...
Bộ phận chắn đất kiểu kéo giữ gồm kiểu tự đứng, thanh neo vào tầng đất,
ống thép, thép hình chống đỡ, chống chéo, hệ dầm vòng chống đỡ,...
1.3. Phân loại tường chắn giữ Hố đào
Hiện nay có các giải pháp thơng dụng như sau:
Hệ cọc bản thép: Dùng thép máng sấp ngửa xếp vào nhau hoặc cọc bản

thép khóa miệng bằng thép hình với mặt cắt chữ U hoặc chữ Z ... Dùng
phương pháp đóng hoặc rung để hạ chúng vào trong đất. Sau khi hồn thành
nhiệm vụ chắn giữ, có thể thu hồi để sử dụng lại, dùng cho hố móng có độ
sâu từ 3m đến 10m.


-9-

Hình 1.1 Hệ cọc bản thép kết hợp với Hệ chống thép ống
Tường liên tục trong đất (Diaphragm wall): Sau khi đào thành hố
móng thì đổ bê tơng, làm thành tường chắn đất bằng bê tơng cốt thép có
cường độ tương đối cao, dùng cho hố móng có độ sâu từ 10m trở lên hoặc
trong điều kiện thi công tương đối khó khăn.
* Đây là hai giải pháp được sử dụng phổ biến nhất
- Cọc bản BTCT : Chiều dài cọc từ 6m đến 12m, sau khi đóng cọc
xuống đất, trên đỉnh cọc đổ một dầm vòng bằng BTCT đặt một dãy chắn giữ
hoặc thanh neo, dùng cho loại hố móng có độ sâu từ 3m đến 6m.
- Tường chắn bằng cọc khoan nhồi: Đường kính từ Þ600mm đến
Þ1000mm, cọc dài từ 15m đến 30m, làm thành tường chắn theo kiểu hàng
cọc, trên đỉnh cọc đổ một dầm vòng bằng BTCT, dùng cho hố móng sâu từ
6m đến 13m.
- Tường chắn bằng xi măng đất trộn ở tầng sâu : Trộn cưỡng chế đất
với xi măng thành cọc xi măng – đất, sau khi đông cứng lại sẽ trở thành
tường chắn có dạng bản liền khối đạt cường độ nhất định, dùng cho những
loại hố móng có độ sâu từ 3m đến 6m.


- 10 -

1.4. Các nghiên cứu trước đây về Tường chắn ổn định hố móng sâu

theo hướng nghiên cứu của đề tài
1.4.1. Trên thế giới
- Tháp Latino America 43 tầng cao nhất ở Mexico city có tầng hầm đào sâu
12,6m. Để ngăn chặn hiện tượng đẩy trồi quá mức do đào hố móng, áp suất
thủy tỉnh tầng đất sét nằm bên dưới được giảm bằng cách hút nước từ giếng
để thoát nước cho các lớp cát mỏng ở trong lớp sét. Bên cạnh đó, sử dụng
tường BTCT sâu 33m để ngăn ngừa lún các vùng xung quanh.
- Tháp đôi Trung tâm thương mại thế giới ở New York bằng thép gồm 110
tầng, với độ cao 405m được đặt trên đá phiến Manhatan ở độ sâu 21m, dùng
tường vữa xi măng và các neo vào đá để bảo vệ các nhà xung quanh khỏi bị
biến dạng phá hoại khi đào hố móng.
- Các tịa nhà cao tầng ở Thượng hải (Trung Quốc) hiện nay thường có từ 2
đến 5 tầng hầm, kích thướt mặt bằng lớn nhất là (274*187)m, hố móng có thể
sâu đến 32m. Phương pháp giữ ổn định hố móng thơng dụng nhất là sử dụng
tường BTCT chạy suốt phạm vi hố móng.

Hình 1.2 Tường BTCT và hệ chống giữ ổn định hố móng đào sâu


- 11 - Ở Geneve (Thụy sĩ) đã xây dựng bằng phương pháp giếng chìm một
garage ngầm 7 tầng hầm, hình trịn cho 530 ơ tơ con, đường kính gara 57m, sâu
28m.
- Trạm bơm nước thải Bangkok - Thái Lan có kích thước đường kính
20,3m, sâu 20,2m, bị sập ngày 17- 8 -1997 khi vừa hồn tất cơng tác đào và lắp đặt
hệ thanh chống. Kết cấu của cơng trình gồm hệ tường vây liên kết (diaphragm wall)
giữ vai trò như tường chắn khi thi công đào sâu và giữ vai trị tường hầm sau khi
đúc bê tơng các bản sàn hầm. Đặc biệt là cơng trình này có kích thước hồn tồn
giống một cơng trình tương tự đã thi công thành công ở Frankfurt - Đức.
1.4.2. Trong nước
* Cao ốc Harbour View ở thành phố Hồ Chí Minh có 19 tầng lầu và 02 tầng

hầm, hố móng sâu đến 10m, đã dùng tường trong đất sâu 42m, dày 0,6m để vây
quanh hố móng (25*27)m.
* Cao ốc Fidico được xây dựng tại số 81-85 Hàm nghi, Quận 1, TP HCM.
Công trình có hố đào được chắn giữ bằng tường liên tục (Diaphram wall), chiều dày
tường chắn 0,6m. Tường chắn được chống đỡ bởi hệ thanh chống được bố trí thành
02 lớp:
Lớp 1: Đặt ở cao trình -2.200mm (cao trình mặt đất là -0.25m).
Lớp 2 : Đặt ở cao trình -5.500m (cao trình mặt đất là -0.25m).

Hình 1.3 Cơng tác lắp đặt tầng chống thứ nhất cao ốc Fidico


- 12 * Qua những cơng trình thực tế trên thế giới và trong nước, chúng ta thấy
rằng việc sử dụng hố đào sâu đã được sử dụng ngày càng nhiều và với quy mô ngày
càng lớn. Tuy nhiên vẫn có một số sự cố đáng tiếc xảy ra, gây khơng ít thiệt hại về
người và của như: bị sạt lở hố đào, gây sụt lún, nứt nẻ, thậm chí sụp đổ các cơng
trình lân cận, các sự cố này chủ yếu do việc thiết kế thi công các công trình hố đào
có tường chắn ít được quan tâm đúng mức.

1.5. Những nguyên nhân gây mất ổn định hố đào và các cơng trình
lân cận
Thi cơng hố đào sâu là một công đoạn thi công hết sức phức tạp, thường xảy
ra sự cố mất ổn định. Các sự cố xảy ra bởi một hay nhiều các nguyên nhân cùng
một lúc, cả về khách quan lẫn chủ quan.
1.5.1. Các nguyên nhân khách quan
- Theo đà phát triển cải tạo các thành phố cũ, các cơng trình cao tầng, siêu
cao tầng chủ yếu của các thành phố lại thường tập trung ở những khu vực đất nhỏ
hẹp, mật độ xây dựng lớn, dân cư đông đúc, giao thông chen lấn, điều kiện thi cơng
cơng trình hố móng đều rất phức tạp. Lân cận cơng trình đều có các cơng trình xây
dựng vĩnh cửu, các cơng trình lịch sử, nghệ thuật nên bắt buộc phải được an tồn,

khơng thể đào có mái dốc, yêu cầu đối với việc ổn định và khống chế chuyển vị là
rất nghiêm ngặt.
- Tính chất của đất đá thường biến đổi trong khoảng khá rộng, điều kiện ẩn
dấu địa chất và tính phức tạp, tính khơng đồng đều của điều kiện địa chất thủy 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, gây khó
khăn cho thiết kế và thi cơng cơng trình hố móng.
- Tại các khu vực đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường
phức tạp khác, việc thi cơng hố móng rất dễ sinh ra trượt, lỡ khối đất, mất ổn định
hố móng, tường chắn bị dịch chuyển vị trí và bị rị rĩ nước nghiêm trọng hoặc bị
chảy đất... làm hư hại hố móng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến các cơng trình xây
dựng xung quanh.


- 13 - Cơng trình hố đào sâu thường có chu kỳ thi công dài, từ khi đào đất đến khi
hồn thành tồn bộ các cơng trình ngầm dưới mặt đất phải trải qua nhiều đợt mưa,
nhiều lần chất tải, động đất... dẫn đến tính khách quan của sự cố tương đối lớn, xảy
ra đột biến.
1.5.2. Các nguyên nhân chủ quan
- Đơn vị thi công chưa cân nhắc kỹ càng việc lựa chọn phương án giữ ổn
định cho thành hố đào và khu vực lân cận. Bên cạnh đó, quy mơ cơng trình cũng
ngày càng tăng lên, kéo theo hố móng cơng trình phát triển theo hướng độ sâu lớn,
diện tích rộng mà trình độ kỹ thuật của nhà thầu chưa theo kịp.
- Các biện pháp thi cơng hố móng thường chiếm giá thành xây dựng cao,
khối lượng công việc lớn, lại đòi hỏi kỹ thuật hết sức phức tạp, là một hạng mục
khó xử lý, hay có tính tranh chấp giữa các bên. Khi vượt chi phí, cơng tác thi cơng
hố móng thường bị cắt giảm (về biện pháp an tồn), dẫn đến cơng trình khơng đảm
bảo chất lượng.
- Hạng mục thi cơng hố móng đào sâu bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt
chẽ với nhau như : chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước ngầm, đào đất...

trong đó, một khâu nào đó mà thất bại sẽ dẫn đến cả cơng trình bị đổ vỡ.


- 14 -

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
TÍNH TỐN TƯỜNG CHẮN ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU
2.1.

Các phương pháp tính tốn tường trong đất

2.1.1. Những phương pháp giải tích
a) Phương pháp dầm liên tục
Khi tường có nhiều tầng chống thường có thể tính theo dầm liên tục gối tựa
cứng (tức là gối đỡ không chuyển vị), đồng thời phải thành lập hệ thống tính tốn
tĩnh cho mỗi giai đoạn thi công. Chẳng hạn như hệ thống chắn giữa hố móng dưới
đây phải lần lượt tính theo tình huống của các giai đoạn thi cơng như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ tính tốn theo các giai đoạn thi cơng
Giai đoạn đào trước khi lắp chống A có thể coi tường chắn là một công xôn
ngàm trong đất.
Giai đoạn đào trước khi lắp chống B, tường chắn là một dầm tĩnh định có hai


- 15 gối. Hai gối lần lượt là A và một điểm trong đất có áp lực tĩnh bằng khơng.
Giai đoạn đào trước khi lắp chống C, tường chắn là một dầm liên tục có ba
gối. Ba gối lần lượt là A, B và một điểm áp lực bằng không trong đất.
Giai đoạn đào trước khi đổ bê tông bản đáy, tường chắn là một dầm ba nhịp,
bốn gối.

Các giai đoạn thi cơng nói trên, gối ở đầu dưới của tường chắn trong đất là
một điểm không của áp lực đất, tức là điểm mà áp lực đất chủ động và áp lực đất bị
động cân bằng ở bền dưới mặt đất. Nhưng trong tình huống sau giai đoạn thứ hai,
cung có một số giả định khác về việc lấy điểm khơng, thường thấy có:
Điểm cân bằng giữa moment uốn của áp lực chủ động với moment uốn của áp lực
bị động ở phía dưới hàng chống cuối cùng, cung tức là điểm moment uốn không.
Một điểm ở bền dưới của mặt thi công đào đất, độ sâu tương đương với
khoảng (20%) độ sâu phải đào.
Điểm bất động thứ nhất của dầm gối tựa đàn hồi dài nửa vô hạn, đầu trên cố
định.
Với giai đoạn đào đất cuối cùng, điểm gối theo lý luận của dầm liên tục ở
trong đất lấy tại độ sâu (0,6t) phía dưới mặt đáy hố đào (t là độ sâu cắm vào trong
đất của tường kể từ dưới mặt đáy hố đào).
b) Phương pháp Sachipana
Là phương pháp tính tốn khi xem lực trục thanh chống, moment thân tường
bất biến, lấy một số hiện tượng thực đo nào đó làm căn cứ, như:
Sau khi đặt tầng chống dưới, lực trục của tầng chống trên hầu như khơng đổi
hoặc chỉ biến đổi chút ít.
Chuyển dịch của thân tường từ điểm chống dưới trở lên, phần lớn đã xảy ra
trước khi lắp đặt tầng chống dưới.
Moment uốn của thân tường từ điểm chống dưới trở lên, phần lớn trị số của
nó là phần cịn dư lại trước khi lắp đặt tầng chống dưới.
Căn cứ vào các hiện tượng thực đo này Sachipana đưa ra phương pháp tính
lực trục thanh chống và moment thân tường không biến đổi theo q trình đào đất,
những giả định cơ bản của nó là:
Trong đất có tính dính, thân tường xem là đàn hồi dài vô hạn.