Phân tích ảnh hưởng của độ cứng tường gia cường đến chuyển vị và nội lực của hệ tường vây thay đổi độ cứng trong kết cấu ổn định hố đào sâu

Nội dung text: Phân tích ảnh hưởng của độ cứng tường gia cường đến chuyển vị và nội lực của hệ tường vây thay đổi độ cứng trong kết cấu ổn định hố đào sâu

1. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG TƯỜNG GIA CƯỜNG ĐẾN CHUYỂN VỊ VÀ NỘI LỰC CỦA HỆ TƯỜNG VÂY THAY ĐỔI ĐỘ CỨNG TRONG KẾT CẤU ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU ANALYSIS OF INFLUENCE OFREINFORCED WALLSTIFFNESS TO THE DISPLACEMENT AND INTERNAL FORCE OF REINFORCED WALLSYSTEM IN STABLINGSTRUCTURESOF DEEP EXCAVATIONS Phạm Kim Thanh1 1Khoa xây dựng và Cơ học ứng dụng Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Tóm tắt: Để giải quyết các vần đề chuyển vị ngang của tường vây trong kết cấu ổn định hố đào sâu là việc rất quan trọng trong công tác thi công hố đào, tác giả đã nghiên cứu áp dụng một giải pháp giúp giảm chuyển vị ngang của tường vây đó là bố trí “Ttường gia cường trong hệ tường vây”. Trong bài báo này tác giả trình bày phân tích, đánh giá kết quả chuyển vị ngang của tường gia cường trong hệ tường vây dùng Phần mềm Plaxis 3D Foundation sử dụng mô hình đất nền Hardening Soil, so sánh với dữ liệu quan trắc thực tế của công trình. Bên cạnh đó, tác giả còn sử dụng mô hình đất nền Mohr-Coulomb để so sánh với kết quả chuyển vị ngang tường gia cường trong hệ tường vây thay đổi độ cứng với mô hình đất nền Hardening Soil. Từ đó kiến nghị đề xuất lựa chọn mô hình đất nền hợp lý, thông số địa chất, lựa chọn kích thước tường gia cường phù hợp cho những công trình có địa chất tương tự ở khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh. Từ khóa: Barrette, tường vây, tường gia cường, chuyển vị ngang tường vây, Plaxis Abstract The most important in the construction excavation work is solving the problem of horizontal displacement of diaphragm wall structure in deep excavation stability, study authors have applied a solution to help reduce displacement diaphragm wall that is “reinforcing wall into diaphrgm wall system”. In this paper (report), the author presents the analysis, evaluation of the result of the horizontal displacement reinforcing wall into diaphrgm wall system with support Plaxis 3D Foundation land use Hardening Soil model, comparasion with obtained result with monitored measurements Besides, the author uses Mohr- Coulomb model for comparison with the result of hirizontal displacement reinforcing wall into diaphrgm wall system changes stiffness with Hardening Soil model. And then, selected proposals put forth reasonable ground modeling, geological parameters, choice of sizes suitable for wall reinforcement works with similar geological areas in Ho Chi Minh City. Keywords: Barrette, diaphragm walls, reinforced wall, diaphragm wall horizontal displacement, Plaxis 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nhu cầu về việc sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật hoặc
2. dịch vụ dưới các nhà cao tầng, bãi đậu xe ngầm, hệ thống giao thông ngầm, hệ thống xử lý nước thải , ngày càng gia tăng trong các khu đô thị. Hố đào sâu được sử dụng để giải quyết các vấn đề trên. Những công trình này ngoài chịu những tác động của tải sử dụng còn chịu sự tác động của môi trường xung quanh không chỉ ở giai đoạn sử dụng mà còn ở giai đoạn thi công: có thể gây ảnh hưởng xấu như lún, nứt hay hư hỏng kết cấu hoặc có thể gây mất an toàn trong thi công, làm ảnh hưởng chất lượng, tiến độ thi công công trình. Việc lựa chọn kỹ thuật xây dựng tùy thuộc vào từng đặc điểm cụ thể của công trình. Giải pháp giúp an toàn cho hố đào sâu đó là giảm chuyển vị ngang cho tường, thường được sử dụng là tường vây có chiều dày rất lớn, sẽ gây nên việc tốn kém về mặt chi phí xây dựng. Một giải pháp vừa đáp ứng được yêu cầu về chuyển vị ngang của tường vây vừa mang tính kinh tế đó là “Tường gia cường trong hệ tường vây” Bài báo này nghiên cứu trong phạm vi phân tích ảnh hưởng của độ cứng tường gia cường đến chuyển vị ngang và nội lực của hệ tường vây thay đổi độ cứng trong kết cấu ổn định hố đào sâu bằng mô hình đất nền Hardening Soil và Mohr-Coulomb tại công trình Khách sạn Pullman SaiGon Center nằm tại số 148 Trần Hưng Đạo, Phường Bến Nghé, Quận 1, Thành Phố Hồ Chí Minh. Thông qua việc so sánh kết quả mô hình Hardening Soil và Mohr-Coulomb với các dữ liệu quan trắc để có thể dự đoán cho công tác thiết kế an toàn mang lại nhiều hiệu quả hơn cho các công trình. 2. Cơ sở lý thuyết 2.1. Lý thuyết về các mô hình ứng xử đất nền trong Plaxis 2.1.1. Mô hình Hardening Soil Mô hình Hardening Soil, xác định các chỉ số c, sat , unsat , kx, ky lấy từ số liệu thí nghiệm và hồ sơ khảo sát địa chất. ref ref Eoed và Eur xác định từ thí nghiệm nén cố kết. ref E50 xác định từ thí nghiệm nén 3 trục mô hình CD.
3. Hình 2.1: Quan hệ ứng suất biến dạng Hyperbol. 2.1.2. Mô hình Mohr-Coulomb Trong Plaxis được dựa trên ý tưởng của quy luật cơ bản đàn - dẻo với mặt ngưỡng cố định không bị tác động bởi biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất của một điểm nằm trong mặt ngưỡng là đàn hồi thuần túy. Không có quy luật tái bền hay hóa mềm yêu cầu đối với mô hình Mohr- Coulomb vì nó được giả định là dẻo thuần túy Mô hình Mohr Coulomb là mô hình đàn hồi dẻo bao gồm 5 thông số đầu vào: E và  thể hiện tính đàn hồi của đất, φ’ và c’ cho tính dẻo của đất và ψ là góc trương nở của đất. Hình 2.2: Quan hệ ứng suất biến dạng trong mô hình đàn dẻo Eref kết hợp với ν : Eref là mô-đun đàn hồi cát tuyến được xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước với cấp chọn áp lực buồng σ3 phù hợp với trạng thái thực tế của lớp đất. Eoed kết hợp với mô-đun chống cắt G.
4. 2.2. Phân tích, tính toán công trình thực tế 2.2.1. Tổng quan công trình Công trình Khách sạn Pullman SaiGon Center nằm tại số 148 Trần Hưng Đạo, Phường Bến Nghé, Quận 1, Thành Phố Hồ Chí Minh. Công trình gồm 3 tầng hầm với tổng độ sâu đào trung bình là -12.6m, hố đào sâu nhất là -15.6m (vị trí đáy hố pít thang máy) so với mặt đất tự nhiên được sử dụng làm hầm để xe, phòng kỹ thuật. Tầng hầm được thiết kế thi công theo phương pháp Bottom - up. Cao độ sàn tầng trệt là 0.0m, cao độ sàn hầm 1 là -3.3m, cao độ sàn hầm 2 là -6.9m, cao độ sàn hầm 3 là - 9.3m, cao độ đáy móng là -12.5m (đối với khu vực đáy hố pít thang máy là -15.6m). Hình 2.3: Mặt cắt phần ngầm công trình thực tế 2.2.2. Thông số mô hình Bảng 2.1: Các chỉ tiêu cơ lý của đất Tên lớp đất Đất đắp 1 2 3 4 Độ sâu m 0-1.1 1.1-3.0 3.0-7.0 7-15 15.0-29.0 Ứng xử Drained UnDrained Drained Drained Drained 3  unsat KN/m 22 15.5 20.2 20.9 20.6 3  sat KN/m 22 15.8 20.6 21.3 21 kx=ky=kz m/day 0.5 1.05E-5 3.450E-5 1 5.79E-05 c’ KN/m2 1 1.12 1 1.11 4.0 ' độ 22 22 30 31.0 34.9  độ - - - 1 4.9
5. Tên lớp đất 5 6 7 8 Độ sâu m 29.0-43.0 43-46.8 46.8-55.5 55.5-78.5 Ứng xử Drained Drained UnDrained Drained 3  unsat KN/m 20.3 20.8 19.7 20.3 3  sat KN/m 21.1 21.1 19.9 20.6 kx=ky=kz m/day 4.94E-05 3.88E-05 1.96E-05 1.46E-05 c’ kN/m2 11.2 19.0 25.0 12.0 ' độ 31.4 25.68 30.1 28.3  độ 1.4 - 0.1 -
6. Bảng 2.2: Tường vây Thông số Đơn vị Giá trị Chiều dày (d) mm 600, 800,1200 ɣ kN/m3 25 E1 kN/m2 3.25E+07 E2 kN/m2 3.25E+07 ʋ 12 - 0.2 G12 kN/m2 1.355E+07 G13 kN/m2 1.355E+07 G23 kN/m2 1.355E+07 Bảng 2.3: Thanh chống Thanh chống ngang Thông số Đơn vị và Kingpost H350 H400 A m2 0.017 0.022 ɣ kN/m3 78.5 78.5 E kN/m2 2.100E+08 2.100E+08 2 0.000224 I2 kN/m 0.000136 2 I3 kN/m 0.000403 0.000666 ʋ - 0.3 0.3 Trong quá trình thi công có tải của máy thi công, vât liệu thi công nên phụ tải được lấy là 5kN/m2. Mực nước ngầm cách mặt đất -4.3m. 2.2.3. Trình tự thi công  Phase 1: Thi công tường vây, cọc Barrette, dầm tường  Phase 2: Thi công cột chống Kingpost  Phase 3: Đào đất đến độ sâu -1.1m  Phase 4: Lắp hệ chống lớp 1 (-1.1m) tại khu vực giáp nhà dân.  Phase 5: Đào đất đến độ sâu -3.3m  Phase 6: Lắp hệ chống lớp 2 (-3.3m), hạ mực nước ngầm -6.9m
7.  Phase 7: Đào đất đến độ sâu -6.9m  Phase 8: Lắp hệ chống lớp 3 (-6.9m), hạ mực nước ngầm -9.3m  Phase 9: Đào đất đến độ sâu -9.3m  Phase 10: Lắp hệ chống lớp 4 (-9.3m), hạ mực nước ngầm -12.5m  Phase 11: Đào đất đến độ sâu -12.5m  Phase 12: Lắp hệ chống lớp 5 khu vực hố thang máy (-12.5m), hạ mực nước ngầm - 15.6m  Phase 13: Đào đất đến độ sâu -15.6m. 2.3. Kết quả mô hình ứng xử đất nền so sánh với kết quả Quan trắc 2.3.1. Mô hình Hardening Soil Bảng 2.4: Tên và trạng thái các lớp đất Chiều dày Lớp Mô tả NSPT (m) 0 Lớp đất đắp: Bê tông, cát, đá 0.0-1.1 0 1 Sét béo, xám nâu, chảy (CH) 1.1-3.0 0 2 Cát sét, nâu đỏ, chặt vừa (SC) 3.0-7.0 11 3 Cát bụi, màu vàng, chặt vừa (SM-SP) 7.0-15.0 17 4 Cát sét, cát bụi, hồng vàng, chặt vừa (SC-SM) 15.0-29.0 18 5 Cát bụi, , hồng vàng nâu, chặt vừa (SM-SP-SW) 29.0-43.0 21 6 Cát sét, cát bụi, màu vàng, chặt vừa ( SC-SM) 43.0-46.8 23 Sét béo, sét gầy,nâu-nâu vàng, nửa cứng -cứng 7 46.8-55.5 26 (CH-CL) Cát sét, cát bụi, xám- xám xanh, chặt vừa- chặt 8 55.5-80.0 38 (SC-SM)
8. Đối với đất nền loại cát, chỉ số NSPT ảnh hưởng rất lớn đến khả năng biến dạng của nền đất nên mô đun biến dạng E của đất có thể được lấy tương quan theo chỉ ref số NSPT. Thông số Eoed =1000-1500N (với N là chỉ số SPT) [2] “Plaxis advanced course on Computational Geotechnics Singapore” được tác giả chọn cho các lớp đất từ lớp 2 đến lớp 8. IN01 IN03 0 0 0 10 20 -20 0 20 -5 -5 -10 -10 T 1200 T 1200 -15 -15 -20 Quan -20 Quan trắc trắc -25 -25 -30 -30 -35 -35 Hình 2.3: Biểu đồ chuyển vị ngang mô hình Hardening Soil với Quan trắc tại IN01, IN03 Bảng 2.5: So sánh chênh lệch % HS-QT tại IN01 Bảng 2.6: So sánh chênh lệch % HS-QT tại IN03 % % Độ sâu T 1200 Quan trắc Độ sâu T 1200 Quan trắc T1200 -QT T1200 -QT -1.1 5.92 3.2 45.94 -1.1 6.12 -0.275 104.49 -3.3 8.82 6.2 29.73 -3.3 9.01 3.813 57.70 -6.9 13.61 11.8 13.33 -6.9 13.83 11.8 14.68 -9.3 16.43 15.875 3.35 -9.3 16.74 16.563 1.03 -12.5 18.17 16.488 9.26 -12.5 18.69 17.55 6.12 -15 16.86 14.713 12.75 -15 17.52 15.15 13.51 -15.6 16.26 14.188 12.73 -15.6 16.92 14.4 14.91 -29 3.01 0.288 90.43 -29 2.93 0.15 94.87 -30 2.66 # #VALUE! -30 2.54 # #VALUE! Nhận xét: Kết quả chênh lệch mô hình so với quan trắc tại vị trí IN01 và IN03 ở đỉnh tường độ sâu -1.1m là 45.94% và 104%; tại bụng tường 12.75% và 13.51%; tại chân tường ở độ
9. sâu -29m là 90.43% và 94.87%. Mô hình Hardening Soil (HS) cho kết quả gần đúng với kết quả quan trắc nên có thể sử dụng để làm bài toán thiết kế cho công trình thực tế. 2.3.2. Mô hình Morh Coulomb Tác giả mô hình Morh Coulomb cải tiến cho mô hình hố đào vì thông thường E=766 đến 1000N, tuy nhiên hố đào này thực hiện theo lộ trình dở tải nên sử dụng hệ số mô đun đàn hồi 푒 =(2400−3500) , (với N là chỉ số SPT) IN01 IN03 0 0 0 10 20 -20 0 20 -5 -5 -10 -10 T1200- T1200- -15 MC -15 MC Quan -20 -20 Quan trắc trắc -25 -25 -30 -30 -35 -35 Hình 2.4: Biểu đồ chuyển vị ngang mô hình MC với QT tại IN01, IN03 Bảng 2.7: So sánh chênh lệch % MC-QT tại IN01 Bảng 2.8: So sánh chênh lệch % MC-QT tại IN03 T1200- Quan % T1200- Quan % Độ sâu Độ sâu MC trắc MC -QT MC trắc MC -QT -1.1 7.55 3.2 57.64 -1.1 7.54 -0.275 103.65 -3.3 9.42 6.2 34.16 -3.3 9.39 3.813 59.38 -6.9 12.13 11.8 2.72 -6.9 12.13 11.8 2.74 -9.3 12.70 15.875 -25.05 -9.3 12.71 16.563 -30.33 -12.5 14.42 16.488 -14.34 -12.5 14.54 17.55 -20.66 -15.6 14.63 14.188 3.02 -15.6 14.96 14.4 3.71 -29 12.16 0.288 97.63 -29 12.65 0.15 98.81 -30 3.29 # #VALUE! -30 3.31 # #VALUE! Nhận xét: Kết quả chênh lệch mô hình Morh Coulomb so với quan trắc tại vị trí IN01 và IN03 ở đỉnh tường độ sâu -1.1m là 57.64% và 103.65%; tại bụng tường -14.34% và -20.66%; tại chân tường ở độ sâu -29m là 97.63% và 98.81%. Mô hình này cho kết quả chuyển vị ngang tại vị
10. trí bụng nhỏ hơn quan trắc nên sẽ gây nguy hiểm. 2.4. Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của độ cứng tường gia cường đến chuyển vị ngang của hệ tường vây thay đổi độ cứng IN01 IN03 0 0 0 20 40 -20 0 20 40 -5 -5 -10 -10 T 1200 T 1200 -15 T 1000 -15 T 1000 -20 T 800 -20 T 800 Quan trắc Quan trắc -25 -25 -30 -30 -35 -35 Hình 2.5: Biểu đồ đánh giá mức độ ảnh hưởng của độ cứng tường gia cường tại IN01, IN03 % % % Chênh Chênh Độ sâu T1200 - T1000 - T800 – lệch % lệch % QT QT QT T1000 T800 -1.1 45.94 39.55 33.37 6.39 12.56 -3.3 29.73 27.75 26.34 1.98 3.39 -6.9 13.33 15.53 17.65 -2.20 -4.32 -9.3 3.35 7.51 11.26 -4.16 -7.91 -12.5 9.26 14.01 18.25 -4.75 -8.99 -15 12.75 16.84 20.54 -4.08 -7.78 -15.6 12.73 16.55 20.03 -3.82 -7.30 -29 90.43 89.80 89.34 0.63 1.10 -30 #VALUE! #VALUE! #VALUE! #VALUE! #VALUE!  Nhận xét: Tường gia cường dày 1000mm so với quan trắc chuyển vị đỉnh tường (6.39%), bụng tường (-4.08%), chân tường (0.63%). Tường gia cường dày 800mm so với quan trắc chuyển vị đỉnh tường (12.56%), bụng tường (-7.78%), chân tường (1.10%).  Chênh lệch % chuyển vị ngang của tường:
11. Thay đổi chiều dày tường gia cường d=1200mm thành d= 1000mm, chiều dày tường vây không thay đổi (d=800mm) thì tại vị trí bụng tường chuyển vị ngang lớn hơn so với quan trắc và tường gia cường d=1200mm, tường vây d=800mm. Thay đổi chiều dày tường gia cường d=1200mm thành d= 800mm, chiều dày tường vây không thay đổi (d=800mm) thì tại vị trí bụng tường chuyển vị ngang lớn hơn so với quan trắc và tường gia cường d=1200mm, tường vây d=800mm và lớn hơn chiều dày tường gia cường d= 1000mm 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1. Kết luận: Sau khi hoàn thành công việc phân tích, tính toán của đề tài, tác giả rút ra những kết luận như sau : - Chuyển vị ngang của tường lớn nhất khi tính toán bằng mô hình Hardening Soil lớn hơn quan trắc thực tế ở bụng tường đến chân tường tại hố quan trắc IN01 và IN03 lần lượt là 12.75% ÷90.43% và 13.51% ÷ 94.87% . - Chuyển vị ngang của tường khi tính toán bằng mô hình Mohr – Coulomb nhỏ hơn quan trắc thực tế ở bụng tường đến chân tường tại hố quan trắc IN01 và IN03 lần lượt là 14.34% ÷97.63% và -20.66% ÷ 98.81% . - Chuyển vị ngang của tường khi tính toán với mô hình Hardening Soil lớn hơn mô hình Mohr – Coulomb tại hố quan trắc IN01 và IN03 bụng tường đến chân tường -26% ÷19.13% và -28.52% ÷ 23.43% - Như vậy, việc sử dụng mô hình Hardening Soil cho kết quả chuyển vị ngang của tường phù hợp với thực tế làm việc của mô hình Mohr – Coulomb. Tuy nhiên nếu dùng mô hình Mohr – Coulomb trong thiết kế thực tế, tác giả kiến nghị khi sử dụng mô hình Morh Coulomb nên chọn HSAT >= 2 - Thông qua việc mô phỏng bằng mô hình Plaxis 3D Foundation đã thể hiện rõ ràng sự làm việc không gian, cho ra được giá trị độ cứng thật của hệ tường chắn gồm tường gia cường kết hợp xen kẽ với tường vây bê tông cốt thép. - Sử dụng tường gia cường kết hợp hệ tường vây giúp giảm chuyển vị hệ tường vây tầng hầm, tường gia cường đóng vai trò như 1 hệ sườn đứng giúp gia tăng độ cứng cho tường vây tầng hầm, đưa hệ tường gia cường làm hệ cột cho công trình. 3.2. Kiến nghị - Việc sử dụng mô hình phù hợp trong tính toán dự báo chuyển vị của tường chắn hố đào sâu sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao và đảm bảo ổn định cho công trình.
12. - Trong tương lai, cần tiến tục tiến hành các tính toán tương tự đối với các công trình khác, trong phạm vi rộng hơn, để có các kết luận tổng quát và chính xác hơn. - Cần phân tích thêm các điều kiện địa chất khác nhau trong để có thể ứng dụng phương pháp mô hình tường gia cường trong hệ tường vây này vào việc thi công tầng hầm trong điều kiện phát triển đô thị hiện nay.
13. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. “Manual of Plaxis 3D Foundation version 1.6” 2. Plaxis Couse Advanced Computational Geotechnics- Singapore 2011 3. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất. NXB Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, 2009. 4. Châu Ngọc Ẩn, Nền Móng. Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM, 2013. 5. PGS.TS. Đỗ Văn Đệ, Phần mềm Plaxis ứng dụng vào tính toán các công trình thủy công. Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2011. 6. Trần Quang Hộ, Ứng xử của đất và cơ học đất tới hạn. Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM, 2011. 7. Báo cáo kết quả quan trắc chuyển vị ngang công trình Pullman SaiGon Center- Q.1, Tp. Hồ Chí Minh" 2011. 8. PGS.TS.Võ Phán, Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trongphòng. Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, 2012. 9. Châu Ngọc Ẩn, Lê Văn Pha. "Tính toán hệ kết cấu bảo vệ hố móng sâu bằng phương pháp xét sự làm việc đồng thời giữa nền đất và kết cấu", Tạp Chí Phát Triển KH&CN, Tập 10,10-2007.
14. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ