CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN ĐỊA KỸ THUẬT HỐ ĐÀO SÂU 1. THỰC TRẠNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU: 1. Đặc điểm và phạm vi nghiên cứu về hố đào sâu Trong phát triển và cải tạo đô thị, nhất là đối với các đô thị lớn, luôn luôn có sự kết hợp chặt chẽ và hữu cơ giữa các công trình trên mặt đất và các công trình đặt ngầm dưới mặt đất. Đó là một xu thế tất yếu trên thế giới và ngày càng được hoàn chỉnh để hiện đại hoá các đô thị và nó có ý nghĩa rất lớn về mặt xã hội, kinh tế và môi trường, có quan hệ mật thiết giữa hoạt động dân sinh với các công tác phòng vệ dân sự cho trước mắt cũng như lâu dài.
Việc xây dựng các loại công trình HĐS đặt ra yêu cầu về những biện pháp chắn giữ để bảo vệ thành vách hố và công nghệ đào thích hợp về mặt kỹ thuật - kinh tế cũng như an toàn môi trường và không gây ảnh hưởng xấu đến công trình lân cận đã có từ trước. Hố đào trong thực tế là một dạng công trình trung gian phục vụ thi công móng hoặc xây dựng công trình ngầm. Về phương diện cơ học, thi công hố đào có thể được coi là một bài toán dỡ tải đối với nền đất. Việc dỡ tải này làm thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong nền.
Sự cân bằng ban đầu bị vi phạm, trạng thái ứng suất thay đổi làm xuất hiện nguy cơ mất ổn định, trước hết là thành hố và sau đó là đáy hố và đất xung quanh. Khi nghiên cứu sự ổn định của hố đào và các biện pháp bảo vệ nó, Terzaghi (1943) đánh giá chiều sâu hố đào là yếu tố quan trọng nhất và đưa ra tiêu chí: + Hồ đào nông là hố có chiều sâu nhỏ hơn chiều rộng của hố; + Hố đào sâu (HĐS) là hố có chiều sâu lớn hơn chiều rộng của hố. Nhưng sau đó thì năm 1967, Teraghi và Peck, và năm 1977 Peck và các cộng sự đã đề nghị là: + Hố đào nông là hố có chiều sâu đào nhỏ hơn 6m; + Hố đào sâu là hố có chiều sâu đào lớn hơn 6m. 7 Trong cơ học đất hiện đại, một số tác giả cho rằng đối với các hố đào thi công trong đô thị thì việc đảm bảo mức ảnh hưởng thấp nhất đến các công trình xung quanh là quan trọng nhất, do đó chỉ còn một khái niệm duy nhất là thi công hố đào.
+ Đặc điểm của HĐS Công trình HĐS có nhiều đặc điểm [9], nhưng khái quát lại gồm có: - Công trình HĐS là một loại công việc tạm thời, sự dự trữ về an toàn có thể tương đối nhỏ nhưng lại liên quan đến tính địa phương, điều kiện địa chất của mỗi loại vùng khác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau. Công trình HĐS là một khoa học đan xen giữa các khoa học về đất đá, về kết cấu và kỹ thuật thi công; trong đó hệ thống chịu lực ảnh hưởng đan xen của nhiều yếu tố phức tạp; - Các công trình hố đào đang phát triển theo hướng độ sâu lớn, diện tích rộng, quy mô công trình ngày càng tăng lên; - Tính chất của đất đá thường biến đổi trong khoảng khá rộng, tính phức tạp, tính không đồng đều thường làm cho số liệu khảo sát có tính phân tán lớn, khó đại diện cho tình hình tổng thể của các tầng đất, khó xác định được chính xác bằng các phương pháp thí nghiệm hiện tại, tăng thêm khó khăn cho thiết kế và thi công; - Thi công hố đào trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp khác dễ sinh mất ổn định, dịch chuyển, đáy hố trồi lên, … làm hư hỏng kết cấu bên trong hố đào, gây nguy hiểm cho công trình lân cận. Mặc dù đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm đô thị, nhưng vẫn cần đặc biệt quan tâm đến những vấn đề sau: - Giải pháp thiết kế và thi công công trình HĐS gắn bó chặt chẽ với nhau do đặc điểm thiết kế kết cấu chắn giữ công trình hố đào phụ thuộc vào điều kiện đất nền, điều kiện nước dưới đất và công nghệ thi công; - Về mặt kỹ thuật: Đây là dạng công trình phức tạp, thi công dưới sâu, dễ gây ra sự cố cho bản thân công trình và các công trình liền kề; - Về mặt kinh tế: Công trình có tầng ngầm là công trình mà ở đó có thể gây lãng phí nếu lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công không phù hợp với đặc điểm của dự án. + Phạm vi nghiên cứu của đề tài về hố đào sâu 8 Trên thế giới, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về địa kỹ thuật liên quan đến HĐS như: Bjerrum và Eide (1956) [24], Bentler (1998) [22], Clough và Hansen (1981) [32], Hashash (1992) [37], Mana (1978) [45], Mana và Clough (1981) [46], Ou và Shiau (1998) [49], Ou (2006) [47], Peck (1969) [51], Wong (2009) [56]… Trong nước có các nghiên cứu như: Đỗ Đình Đức (2002) [1], Chu Tuấn Hạ (2011) [3], và các đề tài nghiên cứu khác.
Các nghiên cứu này tập trung vào điều kiện địa kỹ thuật của từng khu vực, nghiên cứu các thông số, các quan hệ ứng suất biến dạng, các dạng mô hình nền, …. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu liên quan mô tả được ứng xử của đất nền bên cạnh hố đào trong quá trình thi công HĐS. Theo Hans-Georg Kempfert và Berhane Geobreselassie (2006) [38] có nhiều trạng thái ứng suất trong nền, được trình bày trên hình 1.1, trên hệ tọa độ với trục tung q (độ lệch ứng suất), p (ứng suất trung bình). Các đoạn OA, OB, OC, OD, OE, OF thể hiện trạng thái ứng suất tại các vị trí khác nhau xung quanh hố đào.
Đường ứng suất khác nhau trong 1 hố đào [38] Đoạn OA là điển hình cho trạng thái của ứng suất theo trục của nền đất đắp hoặc nền móng, đoạn OD là điển hình cho trạng thái ứng suất dưới đáy của hố đào, đoạn OB là điển hình cho trạng thái ứng suất bên cạnh kết cấu chắn giữ và đoạn OE là điển hình cho trạng thái ứng suất ở phía trước kết cấu chắn giữ và dưới đáy hố đào (trường 9 hợp bị động), nơi thay đổi ứng suất thẳng đứng do giảm ứng suất thẳng đứng giả định là rất nhỏ. Sự giảm của ứng suất thẳng đứng tới hố đào và tăng của ứng suất nằm ngang tùy thuộc vào sự dịch chuyển của tường trên phần bị động có thể được biểu diễn bằng đoạn OF, với điều kiện là sự gia tăng ứng suất trong cả 2 hướng chính như nhau. Stroh 1974 [38] đã phân chia các vùng có sơ đồ chịu tải và quan hệ ứng suất - biến dạng khác nhau với công trình HĐS (Hình 1. Vïng 1- øng suÊt th¼ng ®øng gi÷ nguyªn trong khi øng suÊt n»m ngang gi¶m dÇn trong qu¸ tr×nh ®µo 1 Vïng 2 - øng suÊt th¼ng ®øng 2 gi¶m v× ®µo vµ øng suÊt n»m ngang t¨ng do dÞch chuyÓn cña têng Vïng 3 - øng suÊt th¼ng ®øng 3 gi¶m v× ®µo vµ øng suÊt n»m ngang gi÷ nguyªn '1 '1 '3 1-3) 1-3) 1-3) '3=const '1=const Dì t¶i & gia t¶i Hình 1.
Sơ đồ chịu tải và quan hệ ứng suất - biến dạng 10 Wong (2009) [56] trình bày đường ứng suất trong đất nền với các trạng thái chịu lực khác nhau (Hình 1.3) và đối với hố đào (Hình 1. Có thể chia các trạng thái ứng suất trong đất biến đổi do chịu tải theo các vùng từ A đến F trong đó đường ứng suất trong đất nền xung quanh hố đào thuộc vùng E. Đây là vùng đã được Wong (2009) [56] chỉ ra là chưa được nghiên cứu đầy đủ. Do vậy các đường ứng suất trong vùng D và C là các vùng đất nền gia tải thông thường, thường được sử dụng thay thế cho các đường ứng suất trong vùng E.
Các đường ứng suất này đều giao với đường phá hoại tuy nhiên quan hệ ứng suất - biến dạng hoàn toàn có sự khác nhau. Ph¸ ho¹i D C B E 1-3 F 1 3 A E- vïng Ýt ®îc nghiªn cøu F- vïng nguy hiÓm 3 Hình 1. Đường ứng suất trong đất §êng 1-3 ph¸ ho¹i §êng Ko A B Vùng E A B A F B 3 Hình 1. Đường ứng suất trong hố đào Vùng nghiên cứu trong luận án ứng với đoạn OB (hình 1.1) hay vùng E (hình 1.4), với đối tượng là vùng chịu ảnh hưởng sau lưng tường.
Hiện tại, chưa có nhiều nghiên cứu liên quan đến vùng này, các thông số đất nền của vùng này hiện nay đang 11 được lấy thông qua số liệu của các vùng khác (đoạn khác) chủ yếu do nguyên nhân thiết bị thí nghiệm chưa phù hợp để mô tả được sự làm việc của đất nền vùng này. Các phần mềm tính toán hố đào vẫn đang sử dụng các thông số đất nền phụ thuộc vào số liệu được cung cấp từ các kết quả thí nghiệm thông thường. Để nghiên cứu được sự làm việc của đất nền sau lưng tường cần phải có thiết bị thí nghiệm phù hợp. Sử dụng thí nghiệm ba trục có xét đến giảm tải (giảm σ3) là hướng mà luận văn này sẽ nghiên cứu.
Sau khi có số liệu thí nghiệm sẽ tiến hành xây dựng mô hình tính, phần mềm tính toán hố đào phù hợp với số liệu này. Các hiện tượng địa kỹ thuật xảy ra khi thi công hố đào sâu 1. Chuyển dịch của đất nền khi thi công HĐS Hiện tượng mất ổn định thành hố đào là do trạng thái cân bằng của đất nền bị phá vỡ. Ở thời điểm khi đất nền ổn định, tại một thời điểm trong lòng đất tồn tại các giá trị ứng suất σx, σy, σz và các trị số ứng suất cắt.
Khi đào hố, thành phần ứng suất ở thành hố đào theo phương ngang (σx) bị giảm dần, do vậy mất đi sự cân bằng ban đầu. Lúc này sẽ xuất hiện các mặt trượt đẩy đất vào phía trong hố đào gây ra sự dịch chuyển của hệ chống đỡ và ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Lún sụt đất nền xung quanh hố đào Khi thi công hố đào thường xảy ra hiện tượng lún sụt đất nền ở bề mặt xung quanh hố đào. Trên thực tế hiện tượng này là khó tránh khỏi.
Tuy nhiên với một giải pháp thi công hợp lý thì có thể hạn chế trị số này ở mức độ nhất định, do đó sự ảnh hưởng đến các công trình lân cận là không đáng kể.