Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc trong đất cát dựa theo mô hình thí nghiệm hố đào sâu ổn định bằng tường chắn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ảnh hưởng dòng thấm đến ma sát thân cọc trong đất cát qua mô hình thí nghiệm hố đào sâu ổn định bằng tường chắn.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Đức
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Dòng Thấm Đến Ma Sát Thân Cọc Trong Đất Cát Qua Mô Hình Thí Nghiệm Hố Đào Sâu
• Loại tài liệu: Đề Án Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Các biến và giới hạn nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu. Điểm mới của đề tài nghiên cứu. Các vấn đề sẽ thực hiện trong nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ số an toàn chống hiện tượng cát sôi (xói ngầm)
• 2.2. Phương pháp Terzaghi (1922)
• 2.3. Phương pháp Ou (1998)
• 2.4. Phương pháp Harza (1935) kết hợp đo áp lực nước
• 2.5. Phương pháp Marsland (1953)
• 2.6. Sai số phép đo
• 2.7. Ma sát thiết bị
• 2.8. Ma sát thân cọc
• 2.8.1. Ma sát thân cọc trong môi trường cát khô
• 2.8.2. Ma sát thân cọc trong môi trường nước tĩnh
• 2.8.3. Ma sát thân cọc trong môi trường có dòng chảy
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
• 3.1. Bể thí nghiệm
• 3.2. Vật liệu đất sử dụng trong nghiên cứu
• 3.3. Cọc thí nghiệm trong bể
• 3.4. Hệ thống ống đo áp
• 3.5. Hệ thống cấp, xả nước cho bể
• 4. CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM VÀ DỮ LIỆU THU ĐƯỢC
• 4.1. Chương trình thí nghiệm
• 4.2. Quy trình thí nghiệm
• 4.3. Thí nghiệm đầm nén Proctor cải tiến
• 4.4. Thí nghiệm đo chiều cao cột áp
• 4.5. Quy trình đưa cát vào bể thí nghiệm
• 4.6. Quy trình đo cột áp. Thí nghiệm đo lưu lượng dòng chảy
• 4.7. Thí nghiệm đo ma sát thành cọc
• 4.8. Dữ liệu thu được từ thí nghiệm đã qua phân tích
• 4.8.1. Dung trọng khô, độ đầm chặt cát
• 4.8.2. Hệ số an toàn đối với các biến mực cát và mực nước. Theo Harza kết hợp đo cột áp (FS1)
• 4.8.3. Trường hợp mức cát 20-30
• 4.8.4. Trường hợp mức cát 20-35
• 4.8.5. Trường hợp mức cát 25-35
• 4.8.6. Ma sát thành cọc với cân đo
• 4.8.6.1. Môi trường cát khô (F1) và nước tĩnh (F2)
• 4.8.6.2. Môi trường có dòng chảy (F3)
• 4.8.7. Dữ kiện cơ bản
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG
• 5.1. Kết quả thí nghiệm
• 5.2. Ma sát thành cọc dựa theo cột áp
• 5.3. Ma sát thân cọc môi trường cát khô (Fms1)
• 5.4. Ma sát thân cọc môi trường nước tĩnh (Fms2)
• 5.5. Ma sát thân cọc khi có dòng chảy (Fms3)
• 5.6. Tổng hợp kết quả ma sát theo hai phương pháp và đánh giá
• 5.7. Kết quả ma sát theo hai phương pháp
• 5.8. Ứng dụng kết quả nghiên cứu
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng dòng thấm đến ma sát thân cọc

Nghiên cứu về dòng thấm và ma sát thân cọc trong đất cát là một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng. Hiện nay, việc hiểu rõ ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc trong các công trình xây dựng là rất cần thiết. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn đảm bảo an toàn cho các công trình ngầm. Mô hình thí nghiệm hố đào sâu được sử dụng để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát thân cọc, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu.

1.1. Định nghĩa dòng thấm và ma sát thân cọc

Dòng thấm là hiện tượng nước di chuyển qua đất, ảnh hưởng đến áp lực nước lỗ rỗng. Ma sát thân cọc là lực cản giữa cọc và đất, quyết định khả năng chịu tải của cọc. Hiểu rõ hai khái niệm này là cơ sở để phân tích ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong xây dựng

Nghiên cứu này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát thân cọc trong điều kiện dòng thấm. Điều này rất quan trọng cho việc thiết kế các công trình ngầm, đặc biệt là trong các khu vực có đất cát. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quý giá cho các kỹ sư trong việc đảm bảo an toàn cho công trình.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu ma sát thân cọc

Một trong những thách thức lớn trong nghiên cứu là xác định chính xác ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc. Các yếu tố như độ sâu hố đào, khoảng cách giữa các cọc và tường chắn đều có thể ảnh hưởng đến kết quả. Việc thiếu dữ liệu thực nghiệm cũng là một vấn đề cần giải quyết để có được những kết quả chính xác hơn.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát thân cọc

Các yếu tố như áp lực nước, độ sâu hố đào và khoảng cách đến tường chắn đều có thể làm thay đổi ma sát thân cọc. Nghiên cứu cần xem xét các yếu tố này để đưa ra kết luận chính xác.

2.2. Khó khăn trong việc thu thập dữ liệu thực nghiệm

Việc thiết lập mô hình thí nghiệm và thu thập dữ liệu trong điều kiện thực tế là một thách thức lớn. Cần có các thiết bị đo lường chính xác để đảm bảo dữ liệu thu thập được là đáng tin cậy.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng dòng thấm đến ma sát thân cọc

Nghiên cứu sử dụng mô hình thí nghiệm hố đào sâu để phân tích ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc. Mô hình này cho phép kiểm soát các yếu tố như áp lực nước và độ sâu hố đào. Phương pháp này giúp xác định chính xác các biến số ảnh hưởng đến ma sát thân cọc.

3.1. Thiết lập mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm được thiết lập với hệ thống 9 cọc đơn xuyên bể. Điều này giúp triệt tiêu thành phần ma sát chống mũi cọc, tập trung vào ma sát thân cọc.

3.2. Phân tích dữ liệu và kết quả

Dữ liệu thu thập từ mô hình thí nghiệm sẽ được phân tích để xác định mối quan hệ giữa dòng thấm và ma sát thân cọc. Kết quả sẽ được so sánh với các phương pháp tính toán khác để kiểm chứng độ chính xác.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy dòng thấm có ảnh hưởng lớn đến ma sát thân cọc. Cụ thể, ma sát thân cọc giảm mạnh khi cọc nằm gần tường chắn. Kết quả này có thể được ứng dụng trong thiết kế các công trình ngầm, giúp cải thiện độ an toàn và hiệu quả.

4.1. Kết quả chính từ mô hình thí nghiệm

Kết quả cho thấy ma sát thân cọc giảm đến 91,23% trong điều kiện dòng thấm mạnh. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét dòng thấm trong thiết kế cọc.

4.2. Ứng dụng trong thiết kế công trình

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để tối ưu hóa thiết kế cọc trong các công trình ngầm. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của dòng thấm sẽ giúp các kỹ sư đưa ra các giải pháp hiệu quả hơn.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng dòng thấm có ảnh hưởng đáng kể đến ma sát thân cọc trong đất cát. Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc cải thiện thiết kế cọc và các công trình ngầm. Cần tiếp tục nghiên cứu để làm rõ hơn các yếu tố ảnh hưởng và phát triển các phương pháp tính toán chính xác hơn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác định rõ mối quan hệ giữa dòng thấm và ma sát thân cọc. Điều này là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các mô hình tính toán chính xác hơn, đồng thời xem xét các yếu tố khác như loại đất và điều kiện môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, việc thi công hố đào sâu ngày càng phổ biến nhằm phục vụ xây dựng các công trình ngầm như tầng hầm. Theo báo cáo ngành xây dựng, các sự cố sập hố đào đã từng xảy ra, điển hình như sự cố tòa nhà Pacific năm 2007 và công trình Sài Gòn Plaza năm 2013, gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản và ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Vấn đề ổn định hố đào sâu trở thành một thách thức lớn, trong đó dòng thấm nước được xác định là một trong những nguyên nhân chính gây mất ổn định do làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu trong đất cát.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc trong đất cát, dựa trên mô hình thí nghiệm hố đào sâu ổn định bằng tường chắn. Nghiên cứu khảo sát sự biến đổi ma sát thành cọc theo vị trí cọc, chiều sâu hố đào, độ ngàm tường chắn và hệ số an toàn chống xói ngầm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm với mô hình bể thí nghiệm kích thước 380 x 760 x 500 mm, sử dụng đất cát vàng thuần túy, mô phỏng điều kiện dòng thấm ổn định và các biến mực nước, mực cát trong và ngoài hố đào.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm chính xác về ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc, từ đó góp phần nâng cao độ an toàn và hiệu quả trong thiết kế, thi công các công trình phần ngầm, đặc biệt là hệ giằng chống Shoring – kingpost. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ xây dựng lược đồ tham khảo về mối quan hệ giữa khoảng cách cọc đến tường chắn, độ giảm ma sát thành cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm, giúp tối ưu hóa biện pháp thi công và đảm bảo ổn định hố đào sâu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết ma sát thân cọc trong đất cát: Ma sát dọc thân cọc được xác định theo biểu thức $f_s = K \sigma_v' \tan \delta$, trong đó $K$ là hệ số áp lực ngang của đất, $\sigma_v'$ là ứng suất hữu hiệu, và $\delta$ là góc ma sát trong giữa đất và cọc. Ma sát thân cọc tăng tuyến tính đến độ sâu tới hạn $D_c$ (khoảng 10-20 lần đường kính cọc), sau đó giữ ổn định.

• Hệ số an toàn chống hiện tượng cát sôi (xói ngầm): Các phương pháp tính hệ số an toàn chống xói ngầm được áp dụng gồm Terzaghi (1922), Ou (1998), Harza (1935) kết hợp đo áp lực nước, và Marsland (1953). Các phương pháp này dựa trên phân tích gradient thủy lực, chiều sâu ngàm tường chắn, độ chênh mực nước và đặc tính đất để đánh giá nguy cơ xói ngầm và ổn định hố đào.

• Ảnh hưởng của dòng thấm đến ứng suất hữu hiệu và áp lực đất: Dòng thấm hướng lên làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm ứng suất hữu hiệu và tính liên kết giữa các hạt đất, từ đó làm giảm ma sát thân cọc. Ngược lại, dòng thấm hướng xuống làm tăng ứng suất hữu hiệu. Các mô hình phân tích áp lực đất chủ động và bị động được sử dụng để đánh giá tác động của dòng thấm lên tường chắn và cọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với bể mica kích thước 380 x 760 x 500 mm, mô phỏng hố đào sâu ổn định bằng tường chắn. Hệ thống thí nghiệm bao gồm:

• 9 cọc đơn đường kính 12 mm, bố trí theo phương xiên với khoảng cách tối thiểu 80 mm để loại trừ hiệu ứng nhóm cọc, trong đó 4 cọc nằm trong hố đào và 5 cọc ngoài hố đào.

• Hệ thống bơm tuần hoàn tạo dòng chảy thấm ổn định.

• 68 ống đo áp lực nước dọc thân cọc để đo áp lực nước lỗ rỗng.

• Hệ thống cân đo ma sát thân cọc trực tiếp.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa phương pháp giải tích dựa trên thành phần ứng suất hữu hiệu và áp lực nước, cùng với kiểm nghiệm thực nghiệm đo ma sát trực tiếp trên mô hình. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 9 cọc, được chọn nhằm đảm bảo tính đại diện và loại trừ ảnh hưởng nhóm cọc. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong giai đoạn chuẩn bị, thực hiện thí nghiệm và phân tích dữ liệu, dự kiến hoàn thành trong vòng 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Dòng thấm làm giảm ma sát thân cọc trong hố đào sâu: Ma sát thân cọc giảm mạnh nhất đối với các cọc gần tường chắn, với mức giảm ma sát lên đến 91,23% trong trường hợp hố đào sâu 10 cm, độ ngàm tường chắn 10 cm và chênh lệch mực nước ngầm 25 cm, tương ứng hệ số an toàn chống xói ngầm cực tiểu FS2 = 0,564.

2. Ảnh hưởng giảm dần theo khoảng cách cọc đến tường chắn: Ma sát thân cọc giảm dần khi vị trí cọc càng xa tường chắn, thể hiện rõ qua hệ số tương quan khoảng cách cọc đến tường chắn.

3. Chiều sâu hố đào và độ ngàm tường chắn ảnh hưởng lớn đến ma sát thân cọc: Khi tăng độ ngàm tường chắn lên 1,5 lần, độ giảm ma sát tại cọc cách tường 30 mm giảm 25,49%. Ngược lại, tăng chiều sâu hố đào 1,5 lần làm biên độ giảm ma sát tăng 16,96%.

4. Dòng thấm làm tăng ma sát thân cọc ngoài hố đào: Đối với các cọc nằm ngoài hố đào, dòng thấm có xu hướng làm tăng ma sát thân cọc, đại diện cho các công trình lân cận hiện hữu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng giảm ma sát thân cọc trong hố đào là do dòng thấm hướng lên làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm ứng suất hữu hiệu và liên kết giữa các hạt đất, làm suy giảm lực ma sát giữa đất và cọc. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của dòng thấm đến áp lực đất chủ động và bị động, cũng như các mô hình phân tích áp lực nước lỗ rỗng.

Việc tăng độ ngàm tường chắn giúp giảm lưu lượng dòng thấm sát tường, từ đó giảm tác động tiêu cực lên ma sát thân cọc. Tương tự, chiều sâu hố đào lớn hơn làm tăng áp lực nước và gradient thủy lực, làm gia tăng hiện tượng giảm ma sát. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố ma sát thân cọc theo vị trí cọc và các biến mực nước, chiều sâu hố đào, giúp trực quan hóa xu hướng giảm ma sát.

So sánh với các nghiên cứu về ổn định hố đào và xói ngầm, kết quả nghiên cứu này bổ sung thêm góc nhìn về ảnh hưởng trực tiếp của dòng thấm đến ma sát thân cọc, một yếu tố quan trọng trong thiết kế và thi công hệ giằng chống Shoring – kingpost.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng độ ngàm tường chắn trong thiết kế hố đào sâu: Đề xuất tăng độ ngàm tường chắn ít nhất 1,5 lần so với thiết kế hiện tại nhằm giảm thiểu sự giảm ma sát thân cọc do dòng thấm, nâng cao hệ số an toàn chống xói ngầm. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế công trình, thời gian áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế.

2. Kiểm soát và điều chỉnh mực nước trong và ngoài hố đào: Thiết lập hệ thống bơm hút và điều tiết mực nước để giảm chênh lệch mực nước ngầm, hạn chế dòng thấm hướng lên gây giảm ma sát thân cọc. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và quản lý dự án, áp dụng trong suốt quá trình thi công.

3. Sử dụng mô hình thí nghiệm và phân tích áp lực nước để đánh giá ổn định hố đào: Áp dụng phương pháp giải tích kết hợp đo áp lực nước lỗ rỗng để dự báo và kiểm soát ma sát thân cọc trong điều kiện dòng thấm thực tế. Chủ thể thực hiện là các nhà nghiên cứu và tư vấn kỹ thuật, áp dụng trong giai đoạn khảo sát và thiết kế.

4. Xây dựng lược đồ tham khảo về mối quan hệ giữa khoảng cách cọc, ma sát thân cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm: Lược đồ này giúp các kỹ sư dễ dàng đánh giá và điều chỉnh thiết kế cọc và tường chắn phù hợp với điều kiện dòng thấm và mực nước. Chủ thể thực hiện là các tổ chức nghiên cứu và cơ quan quản lý xây dựng, áp dụng trong quy chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm và móng cọc: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích giúp tối ưu thiết kế cọc và tường chắn, đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công hố đào sâu.

2. Nhà thầu thi công và quản lý dự án xây dựng: Thông tin về ảnh hưởng dòng thấm đến ma sát thân cọc giúp điều chỉnh biện pháp thi công, kiểm soát mực nước và giảm thiểu rủi ro sự cố hố đào.

3. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và phân tích dữ liệu phục vụ nghiên cứu sâu hơn về tương tác đất-cọc và ổn định hố đào.

4. Cơ quan quản lý xây dựng và ban hành tiêu chuẩn: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết kế và thi công hố đào sâu, đặc biệt trong điều kiện đất cát và dòng thấm phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Dòng thấm ảnh hưởng như thế nào đến ma sát thân cọc trong hố đào?
   Dòng thấm hướng lên làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm ứng suất hữu hiệu và liên kết giữa các hạt đất, dẫn đến giảm ma sát thân cọc. Ví dụ, ma sát có thể giảm đến 91,23% trong điều kiện dòng thấm mạnh.

2. Tại sao ma sát thân cọc ngoài hố đào lại tăng khi có dòng thấm?
   Dòng thấm ngoài hố đào thường hướng xuống hoặc có áp lực nước khác biệt, làm tăng ứng suất hữu hiệu và ma sát giữa đất và cọc, giúp tăng sức kháng ma sát thân cọc.

3. Chiều sâu hố đào và độ ngàm tường chắn ảnh hưởng thế nào đến ma sát thân cọc?
   Tăng chiều sâu hố đào làm tăng biên độ giảm ma sát do dòng thấm, trong khi tăng độ ngàm tường chắn giúp giảm tác động tiêu cực của dòng thấm lên ma sát thân cọc.

4. Phương pháp nào được sử dụng để đo ma sát thân cọc trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng hệ thống cân đo ma sát trực tiếp kết hợp với 68 ống đo áp lực nước lỗ rỗng dọc thân cọc, đồng thời áp dụng phương pháp giải tích dựa trên ứng suất hữu hiệu và áp lực nước.

5. Lược đồ mối quan hệ giữa khoảng cách cọc và ma sát thân cọc có ứng dụng gì trong thực tế?
   Lược đồ giúp kỹ sư đánh giá mức độ giảm hoặc tăng ma sát thân cọc theo vị trí cọc, từ đó điều chỉnh thiết kế và biện pháp thi công phù hợp để đảm bảo ổn định hố đào và an toàn công trình.

Kết luận

• Dòng thấm có ảnh hưởng rõ rệt đến ma sát thân cọc trong đất cát, làm giảm ma sát đối với cọc trong hố đào và tăng ma sát đối với cọc ngoài hố đào.
• Ma sát thân cọc giảm mạnh nhất gần tường chắn, với mức giảm lên đến 91,23% trong điều kiện dòng thấm mạnh và hố đào sâu.
• Chiều sâu hố đào và độ ngàm tường chắn là hai yếu tố quan trọng quyết định mức độ ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc.
• Nghiên cứu đã xây dựng lược đồ mối quan hệ giữa khoảng cách cọc, ma sát thân cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm, làm cơ sở tham khảo cho thiết kế và thi công hố đào sâu.
• Đề xuất tăng độ ngàm tường chắn, kiểm soát mực nước và áp dụng phương pháp đo áp lực nước để nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công hố đào sâu.

Tiếp theo, các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thi công, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các loại đất khác và điều kiện dòng thấm phức tạp hơn nhằm hoàn thiện giải pháp ổn định hố đào sâu. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng cụ thể, quý độc giả có thể liên hệ với tác giả hoặc các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành kỹ thuật xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong điều kiện tốc độ xây dựng phát triển mạnh mẽ như hiện nay, đặc biệt là các thành phố lớn như: Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hà Nội, Thành phố Hải Phòng,…tình trạng xây chen và thi công hố đào sâu ngày càng phổ biến. Đặc biệt, không chỉ nhà cao tầng mà các nhà ở hiện nay cũng có nhu cầu làm tầng hầm nhằm mục đích tận dụng tối đa diện tích xây dựng, mở rộng và nâng cao sự tiện nghi của không gian sống. Từ đó, có thể thấy việc ổn định hố đào sâu là rất cần thiết và quan trọng trong quá trình thi công và xây dựng công trình phần ngầm.Trong quá khứ, đã có nhiều sự cố xảy ra vì không kiểm soát được vấn đề ổn định hố đào sâu và gây ra các sự cố sập hố đào, gây thiệc hại cho chính công trình đang thi công và các công trình lân cận.

Cụ thể, vào năm 2007 xảy ra sự cố tòa nhà Pacific (Hình 1.1a), toàn bộ văn phòng của viện khoa học xã hội khu vực phía Nam, số 49 Nguyễn Thị Minh Khai, quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh đột ngột bị sập khi công trình bắt đầu thi công sàn tầng hầm hay vào năm 2013, trong quá trình thi công hố đào của công trình Sài Gòn Plaza đã gây sụt lún tòa án nhân dân TP.1b), số 21 Lê Thánh Tôn, phường Bến Nghé, quận 1. Đây là hai ví dụ cho thấy vấn đề ổn định của một hố đào sâu vô cùng quan trọng đối với các công trình thi công phần ngầm. (a) – Sự cố tòa nhà Pacific (b) – Sự cố công trình Sài Gòn Plaza Hình 1. 1: Sự cố trong quá trình thi công hố đào sâu [1] 1 Vấn đề ổn định hố đào sâu được quyết định bằng nhiều yếu tố, có thể kể đến như: biện pháp thi công, đặc điểm thổ nhưỡng, điều kiện khí hậu, dòng thấm, … Dòng thấm là yếu tố luôn hiện diện và gây ra các nguy cơ mất ổn định trực tiếp đến hệ kết cấu tường vây và tường chắn (hai hệ kết cấu chính giữ thành hố đào) từ đó gây mất ổn định hố đào.

Đặc biệt, khi cọc tạm (trong hố đào) hay cọc của các công trình lân cận (ngoài hố đào) bị sự cố, sẽ gây mất ổn định đến cấu tạo của hệ Shoring – kingpost – Cừ Larsen (Hình 1. Hệ Shoring - kingpost là hệ chống đỡ phổ biến được sử dụng để gia cố và giữ vững thành hố đào. 2: Hệ giằng chống Shoring – kingpost [2] Ở đây, cọc tạm là các cọc dùng cho công nghệ thi công Top-down, nằm trong hố đào trong quá trình thi công tầng hầm. Đối với cọc của các công trình lân cận, đây là cọc của các móng cọc từ các công trình liền kề đã xây dựng trước đó.

Hiện nay, tại Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung, chưa có nhiều công trình khoa học đề cập và xem xét ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thành cọc trong quá trình thi công hố đào sâu ở điều kiện thực tế. Nhận thấy điều này, đề án mong muốn sẽ đưa ra các đánh giá đối với hành vi ứng xử cũng như tác động của dòng thấm đến ma sát thân cọc cùng sự thay đổi của các thành phần áp lực đất chủ động, áp lực đất bị động thông qua mô hình thí nghiệm (Hình 1. Công trình nghiên cứu này cũng là hướng đi mới, cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm phục vụ cho các mục đích khoa học sau này, cũng như đưa ra các 2 đề xuất mang tính tham khảo trong điều kiện thi công thực tế có môi trường đất tương tự như đất dùng trong thí nghiệm. 3: Mô hình dòng thấm trong điều kiện thực tế 1.

Tổng quan về tình hình nghiên cứu Do gradient thủy lực của dòng thấm, áp lực nước xung quanh khu vực hố đào thay đổi từ áp lực thủy tĩnh sang áp lực nước thủy động, từ đó làm thay đổi ứng suất hữu hiệu của đất. Nhiều nghiên cứu trước đã lập mô hình thí nghiệm và phương pháp giải tích về dòng thấm trong đất cát dưới hố đào sâu được bảo vệ bởi tường chắn, từ đó phân tích ảnh hưởng của dòng thấm đến áp lực chủ động, áp lực bị động tác động vào tường chắn. Ma sát thân cọc được ứng dụng trong việc xác định sức chịu tải của cọc dùng cho mục đích tính toán và thiết kế sức chịu tải cọc cho các công trình xây dựng thực tế. Sức chịu tải cọc [3] theo ma sát thân cọc được xác định theo biểu thức: Qult = Qs + Qt = f s As + qAt (1.1) Trong đó: Qs : sức kháng ma sát thành cọc do ma sát dọc thân cọc; Qt : sức kháng mũi cọc do tải trọng tác dụng lên cọc; 3 f s : lực ma sát giữa thân cọc và đất nền; As : diện tích bề mặt tiếp xúc với đất của cọc; q : Tải trọng tác dụng lên đầu cọc; At : diện tích hữu hiệu (tổng) của mũi cọc tiếp xúc với đất.

Ma sát dọc thân cọc trong đất cát tăng tuyến tính đến độ sâu tới hạn được giả định là Dc , sau đó vẫn không đổi ở độ sâu đó. Bên cạnh đó, độ sâu tới hạn dao động trong khoảng 10  20 đường kính cọc B tùy thuộc vào độ chặt của đất cát. Cụ thể, giá trị Dc = 10 B đối với cát rời, Dc = 15 B đối với cát có độ nén trung bình và Dc = 20 B đối với cát nén chặt. Ma sát dọc thân cọc và đất nền ( f s ) được tính như sau: f s = K v' tan  (1.2) Trong đó:  : góc ma sát trong giữa đất và cọc (Bảng 1.1); K : hệ số áp lực ngang của đất (Bảng 1.2) được xác định dựa theo loại đất ( K c đối với cọc chịu nén và K t đối với cọc chịu kéo);  v' : ứng suất hữu hiệu của đất (áp lực của lớp đất phía trên tác dụng lên lớp đất phía bên dưới mà không bị ảnh hưởng bởi áp lực nước ngầm).3) Với  v là ứng suất tổng của đất và u là ứng suất hữu hiệu.

Dòng thấm sẽ ảnh hưởng đến ứng suất hữu hiệu và hệ số áp lực ngang. Từ đó làm thay đổi ma sát dọc thân cọc. 1: Giá trị của  [3] Bảng 1. 2: Giá trị của K [3] Vật liệu cọc  Loại đất Kc Kt Thép 0.0 Các giá trị K và  không dựa trên kinh nghiệm và thí nghiệm chịu tải cọc.

Đồng thời, đề xuất người thiết kế sử dụng mức giảm tối thiểu của  trong khi sử dụng các giá trị K. 4 Dòng thấm xuất hiện khi dòng chảy trong đất di chuyển từ vùng có áp lực cao tới vùng có áp lực thấp, với áp lực được biểu thị bằng cột nước. Binnie và Henry J.4) n 2g Trong đó: hz : vị trí, cao trình cột nước; u : cột nước áp lực do áp lực nước lỗ rỗng; n v2 : cột nước vận tốc khi có vận tốc dòng thấm. 2g Với vận tốc thấm v được xác định theo biểu thức: v = ki (1.5) Trong đó: k : hệ số thấm của đất; H i : gradient thủy lực, i = (tổn thất trên chiều dài đường thấm).

L Tuy vậy nước chỉ thấm vào đất thông qua lỗ rỗng của đất. Chính vì thế, vận tốc thấm thực tế có thể được tính theo biểu thức sau: A 1 1+ e vtt = v = v= v (1.6) Av n e Trong đó: e : hệ số rỗng của đất; v : vận tốc trung bình của dòng thấm qua đất; A : diện tích mặt cắt của đất; Av : diện tích mặt cắt của lỗ rỗng. Trường hợp thấm phẳng ổn định trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng: 2h 2h + =0 (1.7) x 2 y 2 Trường hợp đất đồng nhất và dị hướng: 2h 2h kthx + k =0 (1.8) x 2 y 2 thy 5 Trong đó: h là cột nước thấm; x, y lần lượt là đường đi ngang và đường đứng của dòng thấm; kthx , kthy lần lượt là hệ số thấm ngang và đứng của đất. Ảnh hưởng của dòng thấm đến ứng suất hữu hiệu có trong đất được đánh giá như sau: Dòng thấm có hướng đi lên tác động tới các hạt đất, dẫn đến làm giảm ứng suất hữu hiệu giữa các hạt đất:  ' =  − u − i n (1.9) Ngược lại khi dòng thấm đi xuống sẽ làm tăng thành phần ứng suất hữu hiệu giữa các hạt đất:  ' =  − u + i n (1.10) Tác động của dòng thấm đến hệ số áp lực ngang của đất: Ngoài các tác nhân xói ngầm hay đẩy trồi thì áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động phía trước tường chắn khi có sự tham gia, cộng hưởng của dòng thấm cũng là tác nhân gây mất ổn định kết cấu tường chắn cần phải được xem xét trong thi công hố đào sâu [5].

Để phân tích ổn định cho hố đào sâu khi có lực thấm [6], phải đánh giá được sự giảm sức kháng đất bị động và sự gia tăng áp lực đất chủ động do ảnh hưởng của dòng thấm trong điều kiện có độ dốc thủy lực. Naïma Benmebarek và cộng sự [7] vào năm 2006 đã nghiên cứu vấn đề này trong đất không kết dính, với độ dốc thủy lực được nhóm tác giả thực hiện bằng phương pháp sai phân hữu hạn triển khai trong mã Fast Lagrangian Analysis of Continua (FLAC). Kết quả cho thấy, áp lực đất bị động hữu hiệu giảm dần và sự gia tăng áp lực đất chủ động hữu hiệu theo tiêu hao năng lượng ở đầu dốc thủy lực. Đồng thời, giá trị góc ma sát trong lớn sẽ ảnh hưởng lớn đến áp lực chủ động hữu hiệu có trong đất.

Khi dòng thấm được kể đến trong tính toán áp lực đất, dòng thấm thường được giả định là đẳng hướng bằng cách giả sử các bề mặt phá hoại phẳng. Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán áp lực đất [8], [9] được áp dụng trên toàn thế giới. Biểu thức xác định áp lực đất chủ động [9] được lập ra để tính cho đất rời (1.11) và đất dính (1.12) sau lưng tường tác động, sơ đồ tính toán được thể hiện trong Hình 1.5 : 6  '  Pa =  'zbt tan2  450 −  =  'zbt K a (1.11)  2  '   '  Pa =  'zbt tan2  450 −  − 2c' tan  450 −  =  'zbt K a − 2c' K a (1.