Chương 1 GIỚI THIỆU 1 GIỚI THIỆU Thông thường đối với các bờ kè hoặc các công trình có vị trí nằm trên sườn dốc, hoặc trên vùng đất yếu có nguy cơ sạt lỡ thì cọc luôn được thiết kế kiểm soát chuyển vị ngang. Tuy nhiên, không phải trường hợp nào thì cọc cũng đều được thiết kế chịu tải trọng ngang. Ví dụ như cọc nằm gần bên khu vực có tải trọng đứng lớn (kho hàng, bãi tập kết vật liệu, .), khu vực lưu thông (đường tạm phục vụ thi công, đường giao thông hiện hữu, trụ cầu của đường cao tốc, đường trên cao và đường dẫn vào cầu .), khu vực gần bờ kè hay cụ thể hơn là những cọc nằm gần một hố đào sâu. Đã có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng chuyển vị ngang của đất lên cọc hiện hữu: - 16 - Biến dạng của đất nền bao gồm 2 thành phần chuyển vị : dọc và ngang.
Trong đó thành phần thứ 2 được cho là nguy hiểm hơn đối với cọc chỉ được thiết kế chịu tải trọng đứng. Tải trọng ngang tác dụng lên cọc sẽ gia tăng do chuyển vị ngang của đất sẽ tạo ra moment uốn và biến dạng cho cọc, điều đó có thể dẫn đến nguy hiểm cho cọc.1 Bối cảnh hiện tại Trong bối cảnh hiện nay, để đáp ứng sự phát triển về kinh tế - xã hội thì cơ sở hạ tầng và các khu đô thị ngày càng phát triển. Bên cạnh đó, sự phát triển của công nghệ xây dựng không những cho phép tận dụng không gian bên trên mà còn cho phép khai thác không gian ngầm bên dưới. Đặc biệt đối với Việt Nam, chúng ta cảm nhận được sự phát triển đó một cách rõ rệt qua từng thời kỳ.
Bắt đầu vào những thập niên đầu thế kỷ 20, việc tận dụng không gian bên trên, cụ thể Tp.HCM đã xuất hiện một số chung cư cao tầng và có hoặc không có tầng bán hầm (vd: chung cư 18 tầng Miếu Nổi, chung cư 13&15 tầng D5 khu Văn Thánh Bắc Bình Thạnh, .), tiếp theo đó là việc khai thác không gian ngầm bên dưới, các cao ốc chung cư có từ 2 tầng hầm trở lên (vd : Cao ốc Bảo Gia – Lê Đại Hành, cao ốc The Everich I – Lê Đại hành, cao ốc Vincom .) và đến nay Tp.HCM chuẩn bị có các công trình ngầm phục vụ công cộng (vd : dự án Metro tàu điện ngầm, bãi đậu xe 5 tầng hầm công viên Lê Văn Tám,. Bản thân sự phát triển đó lại làm phát sinh thêm những hạn chế mới trong công việc thiết kế các công trình trong hoàn cảnh mới trên. Mà một trong những hạn chế của công việc thiết kế đó là tránh không làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Các vấn đề chính cần quan tâm đến đối với một hố đào sâu : • Thiết kế hệ chống đỡ tạm thời hay lâu dài phải đáp ứng những yêu cầu an toàn - 17 - • Mức độ ảnh hưởng của biến dạng đất nền xung quanh đến các công trình lân cận và cụ thể là cọc hoặc hệ cọc hiện hữu của công trình lân cận.
Giải pháp thiết kế hố đào sâu truyền thống như đề nghị bởi Peck (1969), Clough and O’Rourke (1990) và giải pháp đánh giá ảnh hưởng biến dạng đất nền xung quanh lên cọc hoặc hệ cọc hiện hữu công trình lân cận như đề nghị của Poulos and Chen (1996), Chow and Yong (1996) thường dựa trên kiến thức thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm. Tuy nhiên, nếu chiều sâu hố đào vượt quá giới hạn thiết kế thông thường hay trong những điều kiện địa chất phức tạp, công nghệ xây dựng hiện đại theo những trình tự thi công khác nhau thì những phương pháp dự đoán áp lực đất bên ngoài và biến dạng đất nền xung quanh trở nên khó kiểm soát về mặt kết quả. Tất nhiên cũng đã có nhiều nghiên cứu khác dành cho những vấn đề phức tạp nhưng những phân tích này chỉ giải quyết cho một hoặc một phần của vấn đề. Điều đó dẫn đến khó có thể giải quyết bài toán về mặt ổn định tổng thể cũng như biến dạng nền đất xung quanh hay những ảnh hưởng tác động lên kết cấu công trình lân cận.
Hiện nay, giải pháp để giải quyết sự khó khăn liên quan đến hố đào sâu và biến dạng đất nền xung quanh là giải pháp phương pháp phần tử hữu hạn (FE-method), vì nó có khả năng giúp mô phỏng bài toán tùy theo thông số đầu vào và cung cấp một kết quả hợp lý so với các nghiên cứu, thí nghiệm thực tế. Tuy nhiên, công cụ này vẫn còn hiếm khi sử dụng và khi sử dụng thì kỹ năng và sự am hiểu thường bị giới hạn. Trong phương pháp phần tử hữu hạn dành cho địa kỹ thuật xây dựng, việc mô phỏng một mô hình đất có các ứng xử đầy đủ và chính xác là vô cùng quan trọng. Sự phát triển của địa kỹ thuật xây dựng đã cho ra đời nhiều mô hình cơ bản có các ứng xử khác nhau, ví dụ như mô hình đàn hồi dẻo thuần túy, mô hình hyperbolic, v.
Bên cạnh đó cũng tùy theo điều kiện bài toán mà chúng ta có thể chọn một - 18 - mô hình cơ bản phù hợp. Việc lựa chọn một mô hình cơ bản phù hợp là cốt yếu trong việc bảo đảm sự an toàn và một thiết kế kinh tế. Các chương trình tính toán địa kỹ thuật hiện nay đều có thể mô phỏng một mô hình cơ bản của đất như FLAC, PLAXIS, CRISP và ABAQUS. Tùy mỗi chương trình hoặc mỗi yêu cầu của mô hình cơ bản mà các thông số đầu vào nhận được từ những thí nghiệm khác nhau.
PLAXIS, một trong những phần mềm phổ biến, có giao diện thân thiện, thông số đầu vào cho bài toán đơn giản như thí nghiệm nén cố kết, thí nghiệm ba trục nên được tác giả sử dụng để tính toán, nghiên cứu phân tích kết quả cho đề tài này.2 Sự cần thiết của nghiên cứu Như phần giới thiệu ở trên, hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về sự ảnh hưởng cũng như mức độ ảnh hưởng của biến dạng đất nền xung quanh đến công trình lân cận do hố đào sâu gây ra. Cụ thể hơn là ảnh hưởng của quá trình thi công hố đào sâu lên hệ móng cọc công trình lân cận. Finno (1991) đưa ra một ví dụ thú vị về vấn đề này. Báo cáo của ông về ứng xử của một nhóm cọc nằm liền kề với một hố đào sâu 15m, hình 1.1 Mặt cắt hố đào (Finno, 1991) Địa chất xung quanh hố đào chủ yếu bao gồm đất đắp phù sa, đất cát phù sa (Hình 1.
Đài móng bao gồm các nhóm cọc dài 21m là những cọc không cốt thép hoặc có cốt thép với đường kính nhỏ và số lượng ít.Cấu tạo thành hố đào là tường cừ ván thép (sheet-pile wall) được neo giữ tạm bằng một hệ thống neo. Hệ thống neo được bố trí tầm khoảng 0.6m dọc theo chiều sâu tường cừ. Kết quả thực tế cho thấy sau một thời gian nhất định, các biến dạng ngang của tường cừ và biến dạng của các cột chính trên đài cọc xuất hiện rõ rệt, cá biệt có một số cọc trong đài móng có chuyển vị ngang lên đến 7.2 Chuyển vị của tường chắn hố đào và cọc công trình hiện hữu (Finno,1991) Kết quả biến dạng chuyển vị trên có giá trị gấp 2 lần so với dự kiến đối với một hố đào trong điều kiện tương tự. Vì vậy, các chuyên gia bắt đầu quan tâm đến những nguyên nhân gây nứt và gây tổn hại cho cọc.
Nhưng may mắn là suốt quá trình thi công và kết quả phân tích phần tử hữu hạn cho thấy những biến dạng được ghi nhận trên không đủ lớn để gây thiệt hại nghiêm trọng cho công trình cũng như hố đào. Bên cạnh đó, Việt Nam, một đất nước đang có tốc độ phát triển về xây dựng tương đối cao. Hàng loạt chung cư, cao ốc cao tầng mọc lên tại các thành phố lớn, ai cũng có thể cảm nhận được sự thay đổi từng ngày. Nhưng, mặt trái của sự phát triển bắt đầu xuất hiện với mật độ ngày càng nhiều, ở đây tác giả muốn nói đến mặt - 21 - trái của sự phát triển đó là sự cố công trình ngầm.
Có thể kể đến các trường hợp xảy ra tại thành phố HCM như công trình cao ốc làm sụp lún chung cư Nguyễn Siêu trên đường Thi Sách, Q.1 (2007), công trình cao ốc Pacific gây sụp Viện Khoa học xã hội trên đường NTMK và Pasteur, Q.1, hay công trình Sài Gòn MC Towwer làm sụp lún 2 căn nhà phố trên dường Hàm Nghi, Q. Đối với trường hợp biến dạng đất nền xung quanh ảnh hưởng đến hệ cọc hiện hữu công trình lân cận, ta có thể nhắc đến trường hợp một chung cư 13 tầng sụp đổ ở Trung Quốc (2009) mà hố đào sâu là một nguyên nhân.3 Chung cư 14 tầng bên Trung Quốc sụp đổ Tất cả lý do trên cho thấy sự cần thiết của việc nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình thi công hố đào sâu lên hệ móng cọc công trình lân cận - 23 - 1.3 Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của đề tài nghiên cứu này là phân tích ứng xử của một cọc và nhóm cọc hiện hữu, chỉ được thiết kế chịu tải trọng đứng, khi xuất hiện một hố đào sâu nhất định bên cạnh. Những mục đích chính được chia nhỏ thành nhiều phạm vi khác nhau như sau: − Dùng chương trình phân tích địa kỹ thuật xây dựng mô phỏng bài toán để phân tích ứng xử của cọc dưới tác dụng của áp lực đất do chuyển vị ngang của đất gây ra. Từ đó xem xét đánh giá về cường độ tới hạn của áp lực đất do chuyển vị ngang đất nền gây ra cho cọc.
− Có thể tiến hành thí nghiệm trên mô hình cọc đơn (với đồng hồ đo biến dạng) để xem xét ảnh hưởng tác động của một số tham số, bao gồm cả chiều dài cọc, điều kiện cố định đầu cọc và đường kính cọc, và ghi nhận các phản ứng theo phương ngang của cọc. − Có thể tiến hành thí nghiệm trên mô hình nhóm cọc (với các đồng hồ đo biến dạng) để xem xét ảnh hưởng tác động của một số tham số, bao gồm cả chiều dài cọc, điều kiện cố định đầu cọc và đường kính cọc, khoảng cách bố trí cọc và ghi nhận các phản ứng theo phương ngang của cọc. − So sánh kết quả của phương pháp bán thực nghiệm và kết quả của chương trình phân tích địa kỹ thuật để có thể đưa ra dự đoán phản ứng của cọc đơn và một nhóm cọc dưới tác động của biến dạng chuyển vị ngang của đất nền.
