Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Ổn Định Hố Đào Sâu Sử Dụng Tường Vây Chu Vi Tròn

Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ổn định hố đào sâu sử dụng tường vây chu vi tròn, phân tích hiệu quả kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Dương Thái Phan
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Xuân Thọ
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu ổn định hố đào sâu sử dụng tường vây chu vi tròn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 0.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.2. Phương pháp nghiên cứu
• 0.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 0.4. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU TƯỜNG VÂY CHU VI TRÒN
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Các nghiên cứu về C-Dwall trên thế giới và Việt Nam
• 1.2.1. Các nghiên cứu về C-Dwall trên thế giới
• 1.2.2. Các nghiên cứu về C-Dwall tại Việt Nam
• 1.2.3. Các công trình điển hình sử dụng C-Dwall
• 1.2.4. Tiềm năng ứng dụng C-Dwall tại Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG VÂY CHU VI TRÒN
• 2.1. Ứng suất vòng trong C-Dwall
• 2.1.1. Chiều dày hữu hiệu của các tấm panel tường vây
• 2.1.2. Độ cứng vòng của C-Dwall
• 2.1.3. Độ cứng vòng của dầm vòng (ring beam)
• 2.2. Moment và lực cắt theo phương đứng
• 2.3. Moment và lực cắt theo phương ngang
• 2.4. Độ chôn sâu của tường vây
• 2.4.1. Sức kháng của đất phía bị động
• 2.4.2. Phá hoại do thủy lực – Bùng nền/ xói ngầm
• 2.4.3. Ổn định tổng thể – Thiết kế chống đẩy nổi
• 2.5. Phương pháp sai phân hữu hạn
• 2.6. Độ ổn định kết cấu của tường vây
• 2.7. Độ lún đất nền xung quanh do việc đào tầng hầm
• 2.7.1. Tường làm việc consol, chuyển vị đầu tường lớn
• 2.7.2. Tường có thanh chống, chuyển vị đỉnh tường nhỏ
• 2.8. Ổn định hố đào
• 2.9. Thiết bị đo và quan trắc phục vụ công tác đào tầng hầm
• 2.10. Hạn chế của C-Dwall
• 2.10.1. Chiều sâu đào tầng hầm
• 2.10.2. Đường kính của giếng
• 2.10.3. Sự thay đổi áp lực đất nền và phụ tải
• 3. CHƯƠNG 3: BIỆN PHÁP THI CÔNG TƯỜNG VÂY CHU VI TRÒN
• 3.1. Công tác thi công
• 3.1.1. Công tác trắc đạc
• 3.1.1.1. Mốc trắc đạc công trình
• 3.1.2. Thiết bị sử dụng
• 3.1.2.1. Tác dụng của tường dẫn
• 3.1.2.2. Thiết bị thi công tường dẫn
• 3.1.3. Thi công tường dẫn
• 3.1.3.1. Chuẩn bị dung dịch polymer
• 3.1.3.1.1. Chuẩn bị dung dịch polymer
• 3.1.3.1.2. Sử dụng polymer khi đào
• 3.1.3.2. Các thiết bị kiểm tra
• 3.1.3.3. Thi công đào tường vây
• 3.1.3.4. Panel kế tiếp
• 3.1.3.5. Phương pháp kiểm tra và giám sát độ thẳng đứng và độ ổn định
• 3.1.6. Vận chuyển polymer ra khỏi công trường
• 3.1.7. Vệ sinh đáy hố đào
• 3.1.8. Hệ thống cốp pha CWS
• 3.1.8.1. Nguyên lý gioăng CWS
• 3.1.8.2. Lắp đặt cốp pha CWS
• 3.1.8.3. Hệ thống cốp pha CWS và gàu ngoạm
• 3.1.8.4. Ưu điểm khi sử dụng cốp pha CWS
• 3.1.9. Lắp đặt lồng thép
• 3.1.9.1. Yêu cầu kỹ thuật của bêtông
• 3.1.9.2. Đổ bêtông tường vây
• 3.1.10. Thiết bị thi công tường vây
• 3.2. Công tác quản lý chất lượng trong quá trình thi công
• 3.2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ và quản lý chất lượng
• 3.2.2. Quy trình phương án tự kiểm tra chất lượng vật liệu cấu kiện và sản phẩm xây dựng trước khi sử dụng
• 3.2.2.1. Kiểm tra chất lượng vật liệu xây dựng
• 3.2.2.2. Quy trình kiểm tra vật liệu đầu vào
• 3.2.3. Đánh giá chất lượng thi công và nghiệm thu
• 3.2.3.1. Quy trình kiểm tra và đánh giá chất lượng
• 3.2.3.2. Các công tác kiểm tra và nghiệm thu
• 3.3. Công tác xử lý sự cố trong thi công
• 3.3.1. Xử lý sự cố khi tắc ống đổ
• 3.3.2. Xử lý khi gặp vật cản khi đào
• 3.3.3. Xử lý khi sập thành hố đào
• 3.3.4. Xử lý khi rơi ống đổ bêtông
• 3.3.5. Xử lý khi hố đào không thẳng
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY CHU VI TRÒN CỦA CÔNG TRÌNH VNPT HÀ NỘI – ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA TƯỜNG VÂY CHU VI TRÒN
• 4.1. Giới thiệu dự án
• 4.2. Giới thiệu phần mềm
• 4.3. Thông số đất nền
• 4.4. Phương án tường vây chu vi tròn
• 4.4.1. Mặt cắt tầng hầm và số liệu đầu vào
• 4.4.2. Thông số đầu vào
• 4.4.3. Đánh giá kết quả, so sánh với hiện trạng công trường
• 4.5. Phương án tường vây thẳng truyền thống
• 4.6. So sánh C-Dwall với tường vây thẳng truyền thống
• 4.7. Hạn chế của C-Dwall
• 4.8. Tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Ổn định hố đào

Nghiên cứu tập trung vào việc đảm bảo ổn định hố đào sâu sử dụng tường vây chu vi tròn. Phân tích ứng xử của tường vây dưới tác dụng của áp lực đất và các yếu tố địa kỹ thuật. Phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng để mô phỏng và tính toán độ ổn định. Kết quả cho thấy tường vây chu vi tròn có khả năng tự ổn định cao, giảm thiểu nhu cầu sử dụng hệ thống chống đỡ như giằng chống hoặc neo đất.

1.1. Phương pháp tính toán

Sử dụng phần mềm Paroi2009 để mô phỏng tường vây chu vi tròn và so sánh với tường vây thẳng. Kết quả chỉ ra rằng tường vây chu vi tròn yêu cầu các thông số hình học nhỏ hơn, giảm nội lực và chuyển vị so với tường vây thẳng.

1.2. Ứng dụng thực tế

Công trình VNPT Hà Nội được sử dụng làm ví dụ điển hình. Tường vây chu vi tròn với đường kính 54m và chiều sâu đào 13m đã chứng minh hiệu quả trong việc đảm bảo ổn định hố đào.

II. Thiết kế tường vây

Nghiên cứu đề xuất các bước thiết kế tường vây chu vi tròn dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tiễn. Ứng suất vòng trong tường vây đóng vai trò quan trọng trong việc giảm moment và lực cắt, từ đó giảm lượng cốt thép cần thiết. Phương pháp thiết kế tường vây được áp dụng cho các công trình có hố đào sâu, đặc biệt là trong các khu vực đô thị chật hẹp.

2.1. Cơ sở lý thuyết

Phân tích ứng suất vòng và độ cứng của tường vây chu vi tròn. Các yếu tố như chiều dày tường, độ chôn sâu và sức kháng của đất được xem xét kỹ lưỡng.

2.2. So sánh với tường vây thẳng

Kết quả so sánh cho thấy tường vây chu vi tròn có ưu thế vượt trội về độ ổn định và hiệu quả kinh tế so với tường vây thẳng.

III. Kỹ thuật đào sâu

Nghiên cứu đề cập đến các kỹ thuật đào sâu sử dụng tường vây chu vi tròn. Phương pháp Bottom-Up được áp dụng để đào tầng hầm nhanh chóng và hiệu quả. Các biện pháp thi công và kiểm soát chất lượng được trình bày chi tiết, bao gồm việc sử dụng dung dịch polymer và hệ thống cốp pha CWS.

3.1. Biện pháp thi công

Quy trình thi công tường vây chu vi tròn bao gồm các bước như trắc đạc, đào tường, lắp đặt lồng thép và đổ bê tông. Các thiết bị và phương pháp kiểm tra chất lượng được sử dụng để đảm bảo độ chính xác và an toàn.

3.2. Xử lý sự cố

Các sự cố thường gặp trong quá trình thi công như tắc ống đổ, sập thành hố đào được đề cập và giải pháp xử lý được đưa ra.

IV. Giải pháp địa kỹ thuật

Nghiên cứu đưa ra các giải pháp địa kỹ thuật để ứng dụng tường vây chu vi tròn trong các công trình ngầm. Các công trình như hệ thống xe điện ngầm, bãi đậu xe ngầm và hồ chứa nước mưa được xem xét. Tường vây chu vi tròn được đánh giá là giải pháp tối ưu cho các công trình này do khả năng tự ổn định và hiệu quả kinh tế.

4.1. Tiềm năng ứng dụng

Các dự án xây dựng hệ thống xe điện ngầm tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh được đề xuất sử dụng tường vây chu vi tròn.

4.2. Hạn chế và khuyến nghị

Một số hạn chế của tường vây chu vi tròn như đường kính không nên vượt quá 90m và không phù hợp với khu vực có địa hình thay đổi lớn. Các khuyến nghị để cải thiện hiệu quả ứng dụng được đưa ra.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng các công trình cao tầng với nhiều tầng hầm ngày càng tăng. Theo ước tính, các công trình này thường có mặt bằng thi công chật hẹp, liền kề các công trình hiện hữu, đồng thời chịu tải trọng lớn và yêu cầu khắt khe về kỹ thuật cũng như an toàn. Việc thiết kế hệ thống tường vây tầng hầm đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo ổn định hố đào sâu, hạn chế chuyển vị đất nền và bảo vệ các công trình lân cận.

Luận văn tập trung nghiên cứu ổn định hố đào sâu sử dụng tường vây chu vi tròn (C-Dwall) tại công trình VNPT Hà Nội với đường kính tầng hầm 54m và chiều sâu đào 13m. Mục tiêu cụ thể gồm phân tích ứng xử kết cấu C-Dwall, mô phỏng tính toán bằng phần mềm sai phân hữu hạn PAROI2009, so sánh ưu thế với tường vây thẳng truyền thống, đồng thời đánh giá tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, thi công và phân tích ổn định hố đào trong giai đoạn 2005-2013, chủ yếu tại các công trình ngầm đô thị.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp giải pháp kỹ thuật tối ưu cho các công trình ngầm sâu, giúp rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí vật liệu thép và đảm bảo an toàn công trình. Các chỉ số như chiều dày tường, nội lực, chuyển vị được phân tích chi tiết nhằm tối ưu hóa thiết kế và thi công trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Ứng suất vòng trong tường vây chu vi tròn (C-Dwall): Tường vây được cấu tạo từ các tấm panel hình chữ nhật liên kết bằng gioăng cản nước tạo thành hình tròn, chịu lực nén vòng giúp tự ổn định dưới áp lực đất. Chiều dày hữu hiệu của tường được xác định bằng công thức $t = T - 2d$ với $T$ là chiều dày lý thuyết và $d$ là độ lệch do thi công.

• Độ cứng vòng của tường và dầm vòng: Độ cứng vòng tỷ lệ thuận với chiều dày hữu hiệu và module đàn hồi bê tông, tỷ lệ nghịch với bán kính tường. Độ cứng vòng ảnh hưởng đến phân bố áp lực đất, moment và lực cắt trong tường.

• Moment và lực cắt theo phương đứng và ngang: Moment uốn và lực cắt phát sinh do biến dạng tường không đồng đều theo chiều sâu và do tải trọng phân bố không đều quanh chu vi. Mô hình tính toán giả định tường vây như dầm đàn hồi chịu tải phân bố, sử dụng phương trình vi phân bậc 4 để mô phỏng ứng xử.

• Ổn định kết cấu và kiểm tra mất ổn định: Sử dụng công thức của Giáo sư Courbon để đánh giá khả năng mất ổn định do ứng suất vòng quá lớn, đồng thời xem xét sức kháng đất bị động và áp lực thủy lực gây bùng nền, xói ngầm.

• Độ lún đất nền xung quanh: Đánh giá dựa trên mối quan hệ giữa chuyển vị ngang tường và độ lún đứng đất nền, phân tích theo hai trường hợp tường console và tường có thanh chống.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Số liệu thực tế từ công trình VNPT Hà Nội, các thông số địa chất, kết cấu tường vây, và dữ liệu quan trắc chuyển vị, ứng suất trong quá trình thi công.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm PAROI2009 áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để mô phỏng ứng xử tường vây chu vi tròn và tường vây thẳng truyền thống. Phần mềm mô hình đất nền theo mô hình đàn hồi - dẻo với điều kiện phá hoại Mohr-Coulomb.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình tính toán dựa trên mặt cắt và các đoạn panel điển hình quanh chu vi tường vây, lựa chọn các mặt cắt đại diện để phân tích nội lực, chuyển vị và ứng suất vòng.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

• Kiểm tra và giám sát: Kết hợp dữ liệu quan trắc thực tế như đo chuyển vị bằng inclinometer, đo ứng suất bằng strain gauges, và quan trắc mực nước ngầm để đối chiếu với kết quả mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chiều dày và kích thước tường vây: Kết quả mô phỏng cho thấy chiều dày hữu hiệu và chiều sâu tường vây chu vi tròn nhỏ hơn so với tường vây thẳng truyền thống. Ví dụ, chiều dày tường vây chu vi tròn có thể giảm khoảng 10-15% so với tường thẳng để đảm bảo ổn định.

2. Nội lực và chuyển vị: Nội lực (moment và lực cắt) trong tường vây chu vi tròn thấp hơn từ 20-30% so với tường vây thẳng. Chuyển vị ngang tối đa của C-Dwall tại bước đào sâu nhất chỉ khoảng 5-7mm, trong khi tường thẳng có thể lên đến 10-12mm.

3. Tiết kiệm vật liệu thép: Do nội lực giảm, lượng thép cần thiết bố trí trong tường vây chu vi tròn giảm khoảng 25-30% so với tường vây thẳng, góp phần giảm chi phí và thời gian thi công.

4. Ổn định hố đào: Tường vây chu vi tròn tự ổn định dưới tác dụng ứng suất vòng, không cần hệ thống chống đỡ như giằng chống, neo đất hay sàn tầng hầm trong suốt quá trình thi công. Điều này giúp rút ngắn thời gian thi công theo biện pháp Bottom-Up.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ưu thế tường vây chu vi tròn là hiệu ứng vòng xuyến tạo ra ứng suất nén vòng giúp giảm moment và lực cắt trong tường. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng tại công trình VNPT Hà Nội tương đồng với các công trình như Harlay Car Park (Pháp) hay International Financial Centre (Hồng Kông), khẳng định tính khả thi của giải pháp.

Việc giảm chiều dày và nội lực không chỉ tiết kiệm vật liệu mà còn giảm áp lực lên đất nền, hạn chế chuyển vị và lún nền xung quanh. Dữ liệu quan trắc thực tế cho thấy chuyển vị tường và độ lún đất nền đều nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn cho công trình và các công trình lân cận.

Tuy nhiên, hạn chế của C-Dwall là đường kính giếng không nên vượt quá 90m, không phù hợp với địa hình có độ dốc lớn hoặc tải trọng phân bố không đều, do đó cần cân nhắc kỹ trong thiết kế. Ngoài ra, bê tông sử dụng cho tường vây có cường độ giới hạn (khoảng 45 MPa) cũng ảnh hưởng đến chiều sâu đào tối đa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nội lực và chuyển vị giữa hai loại tường, bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và hình ảnh mô phỏng ứng suất vòng trong tường vây.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng rộng rãi tường vây chu vi tròn cho công trình ngầm đô thị: Khuyến nghị các chủ đầu tư và tư vấn thiết kế ưu tiên sử dụng C-Dwall cho các hố đào sâu có đường kính dưới 90m, đặc biệt tại các khu vực đô thị có mặt bằng thi công hạn chế nhằm tối ưu chi phí và tiến độ.

2. Nâng cao chất lượng bê tông và kiểm soát thi công: Đề xuất sử dụng bê tông có cường độ đạt chuẩn 45 MPa, kiểm soát nghiêm ngặt độ sụt và độ chảy để đảm bảo chất lượng tường vây, đồng thời áp dụng hệ thống cốp pha CWS và gioăng ngăn nước để tăng độ kín khít và ổn định.

3. Tăng cường công tác quan trắc và giám sát: Thực hiện đo chuyển vị, ứng suất và mực nước ngầm liên tục trong suốt quá trình thi công để phát hiện sớm các bất thường, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời, đảm bảo an toàn công trình.

4. Nghiên cứu mở rộng và ứng dụng phần mềm mô phỏng: Khuyến khích phát triển các mô hình phần tử hữu hạn 3D để tính toán chính xác hơn, đặc biệt trong các trường hợp có lỗ mở hoặc địa hình phức tạp, nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, thi công và quản lý chất lượng tường vây chu vi tròn cho kỹ sư, cán bộ thi công nhằm nâng cao năng lực và phổ biến giải pháp kỹ thuật này tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết, giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp tường vây phù hợp, tối ưu hóa kết cấu và vật liệu.

2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Thông tin về biện pháp thi công, quản lý chất lượng và xử lý sự cố thực tế hỗ trợ nhà thầu nâng cao hiệu quả thi công, giảm rủi ro và đảm bảo tiến độ.

3. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu rõ ưu nhược điểm, tiềm năng ứng dụng của tường vây chu vi tròn giúp chủ đầu tư đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, kiểm soát chi phí và chất lượng công trình.

4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu sâu về ổn định hố đào, mô phỏng kết cấu và phát triển công nghệ thi công tường vây hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Tường vây chu vi tròn khác gì so với tường vây thẳng truyền thống?
   Tường vây chu vi tròn tạo ra ứng suất vòng giúp tự ổn định, không cần hệ thống chống đỡ như giằng hay neo đất, giảm nội lực và chuyển vị, từ đó tiết kiệm vật liệu và thời gian thi công.

2. Phần mềm PAROI2009 có ưu điểm gì trong tính toán tường vây?
   PAROI2009 sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn mô phỏng chính xác ứng xử đàn hồi - dẻo của đất và tường vây, cho phép đánh giá nội lực, chuyển vị và ứng suất vòng trong tường vây chu vi tròn và tường thẳng.

3. Hạn chế lớn nhất của tường vây chu vi tròn là gì?
   Đường kính giếng không nên vượt quá 90m, không phù hợp với địa hình có độ dốc lớn hoặc tải trọng phân bố không đều, đồng thời bê tông có cường độ giới hạn ảnh hưởng đến chiều sâu đào.

4. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng bê tông trong thi công tường vây?
   Kiểm tra độ sụt (200±20mm), độ chảy (550-650mm), lấy mẫu thử cường độ theo tiêu chuẩn, sử dụng ống tremie để đổ bê tông tránh nhiễm bẩn với dung dịch polymer, và ghi nhật ký biểu đồ đổ bê tông.

5. Tường vây chu vi tròn có thể ứng dụng ở đâu tại Việt Nam?
   Phù hợp cho các công trình ngầm như hệ thống xe điện ngầm, bãi đậu xe ngầm, công trình xử lý nước thải, bồn chứa dầu tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh.

Kết luận

• Tường vây chu vi tròn (C-Dwall) là giải pháp kỹ thuật hiệu quả cho hố đào sâu, giảm nội lực, chuyển vị và tiết kiệm vật liệu so với tường vây thẳng truyền thống.
• Mô phỏng bằng phần mềm PAROI2009 cho thấy C-Dwall có chiều dày và chiều sâu tường nhỏ hơn, nội lực giảm 20-30%, chuyển vị tối đa dưới 7mm.
• Biện pháp thi công sử dụng hệ thống cốp pha CWS và dung dịch polymer đảm bảo chất lượng và ổn định hố đào trong suốt quá trình thi công.
• Hạn chế về đường kính giếng và điều kiện địa chất cần được xem xét kỹ lưỡng trong thiết kế và ứng dụng thực tế.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu mô hình phần tử hữu hạn 3D và tăng cường đào tạo, chuyển giao công nghệ để phát triển ứng dụng C-Dwall tại Việt Nam.

Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để tối ưu hóa thiết kế hố đào sâu, đồng thời triển khai các chương trình đào tạo và giám sát thi công nhằm nâng cao chất lượng công trình ngầm đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU TƯỜNG VÂY CHU VI TRÒN 1.1 Giới thiệu Ngày nay, rất nhiều công trình với nhiều tầng hầm được xây dựng trong khu vực đô thị. Trong công tác thiết kế, việc đánh giá và kiểm soát chuyển vị của đất nền xung quanh công trình là rất quan trọng. Chuyển vị lớn có thể làm hư hại các công trình lân cận cũng như các công trình hạ tầng kỹ thuật công cộng khác. Nhằm hạn chế tối đa chuyển vị của đất nền xung quanh, tường chắn đất được sử dụng rộng rãi để ngăn đất trong các công trình có hố đào sâu do có nhiều ưu điểm.

Tường chắn đất tổng quan có hai loại chính như sau: Tường liên tục: tường vây, tường đúc sẵn, tường cừ ván thép, tường vữa, tường cọc liên kế,… Tường vây không liên tục: tường Berlinese, tường Parisian, tường Lutitian, tường Moscow,… Hình 1.1 Các loại tường chắn đất không liên tục Nghiên cứu một hố đào sâu người ta cần quan tâm đến hai vấn đề chính đó là: ổn định và biến dạng. Một hố đào sâu ổn định khi tường chắn đất không chuyển vị quá mức cho phép và đáy hố đào không bị đẩy trồi, bùng nền,… gây ảnh hưởng đến các công trình xung quanh. Đảm bảo an toàn cho tất cả công nhân, thiết bị,… đang thi công trong hố đào sâu. -4- C-Dwall thuộc dạng tường liên tục và nó có ba ưu điểm chính so với tường vây truyền thống như sau.

Thứ nhất, nó không cần bất kì hệ chống đỡ nào như là giằng chống, neo đất, hay sàn tầng hầm. Công tác đào tầng hầm có thể được thi công rất nhanh do mặt bằng thi tốt, không có chướng ngại cản trở. Thứ hai, chiều sâu tường ngắn, không cần phải cắm sâu vào đất mà vẫn ổn định dưới tác dụng của đất nền xung quanh. Thứ ba, lực vòng phát sinh trong tường đóng vai trò quan trọng trong việc giảm moment và lực cắt trong tường do đó sẽ giảm hàm lượng thép đến mức tối thiểu.

C-Dwall đã được áp dụng trong rất nhiều loại công trình như công trình nhà cao tầng, bãi đậu xe, giếng thi công trong công trình xe điện ngầm, hồ chứa nước mưa, trạm bơm, các công trình xử lí nước thải,… 1.2 Các nghiên cứu về C-Dwall trên thế giới và Việt Nam 1.1 Các nghiên cứu về C-Dwall trên thế giới Từ thập niên 90 của thế kỉ XX, Donald A. Bruce (1991) [5], công ty Nicholson Construction của Mỹ đã nghiên cứu và ứng dụng thành công C-Dwall vào công trình trạm bơm tại Richmond Avenue ở New York, Mỹ. C-Dwall với chiều dày 0. sâu 27m, đường kính trong 16.

Sự thành công của công trình đã mở ra một giải pháp mới cho các hố đào sâu vào thời đó. Gilbert (2005) [2], đã đưa ra các đề nghị tính toán thiết kế C-Dwall. Trong đó, ứng suất khi có các lỗ mở, các dạng mất ổn định của C-Dwall cũng được xét đến.2 Các nghiên cứu về C-Dwall tại Việt Nam Tại Việt Nam, duy nhất công trình VNPT Hà Nội (năm 2005) sử dụng C-Dwall với đường kính tầng hầm 54m, chiều sâu đào 13m. Công trình được thiết kế bởi công ty Tư Vấn Thiết Kế Xây Dựng – Bộ Xây Dựng (CDC) và được thi công bởi công ty Bachy Soletanche Việt Nam.

Tuy nhiên chưa có một tổng kết, hướng dẫn chi tiết cho công trình sử dụng C-Dwall.3 Các công trình điển hình sử dụng C-Dwall C-Dwall đã được đề xuất và thi công trong các công trình nổi tiếng trên thế giới trong hơn 15 năm qua như là: -5- - Công trình Harlay car park (Pháp, năm 1996), đường kính tầng hầm 33.5m, chiều sâu đào 27m. - Công trình International Financial Centre I (Hồng Kông, năm 1999), và II (năm 1995), đường kính tầng hầm 61.5m, chiều sâu đào 37m. - Công trình Kowloon Station Package 7 (Mega Tower, Hồng Kông, năm 2003), đường kính tầng hầm 76m, chiều sâu đào 25m. - Công trình Wu Han YangLuo Bridge (Trung Quốc, năm 2003), C-Dwall cho trụ neo phía Bắc với đường kính 70m, chiều sâu đào 45m.

- Công trình Lee Tunnel (Vương Quốc Anh, 2012), đường kính tầng hầm 20m, chiều sâu đào 74.5m - … Tại Việt Nam, duy nhất công trình VNPT Hà Nội (năm 2005) sử dụng C-Dwall với đường kính tầng hầm 54m, chiều sâu đào 13m.2 Mặt bằng công trình VNPT Hà Nội -6- 1.4 Tiềm năng ứng dụng C-Dwall tại Việt Nam Các dự án xây dựng hệ thống xe điện ngầm tại các thành phố lớn, đặc biệt là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh đòi hỏi phải có các giếng để đẩy và tiếp nhận các máy đào (TBM). Các vị trí thoát hiểm nếu đoạn đường giữa hai trạm xe điện ngầm tương đối xa. Với độ sâu của các tuyến xe điện ngầm ~30m dưới mặt đất tự nhiên thì C-Dwall là một giải pháp tối ưu cho các kết cấu này. Tốc độ đô thị hóa và phát triển dân số ngày càng nhanh, nhu cầu cho các phương tiện đi lại cũng tăng lên đòi hỏi phải có nhiều bãi đậu xe ngầm với sức chứa lớn.

C- Dwall cung cấp một không gian ngầm sâu với nhiều tầng có thể giải quyết tốt vấn đền này. Vấn đề ngập đường mỗi khi mưa lớn tại các thành phố lớn cần được khắc phục triệt để nhằm hạn chế ảnh hưởng của thời tiết đến cuộc sống cũng như sự phát triển đô thị. Việc xây dựng các hệ thống hố chứa nước mưa trong thành phố là một yêu cầu cấp bách. Kết cấu cần phải có dung tích lớn.

Sau đó, hệ thống xử lí sẽ làm sạch và bơm ra các kênh rạch chính giống như công trình. Ngoài ra các trong công trình dân dụng, năng lượng, xử lý chất thải,… C-Dwall cũng là một giải pháp phù hợp. -7- CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG VÂY CHU VI TRÒN C-Dwall được thi công bởi nhiều tấm panel hình chữ nhật liên kết với nhau bởi các khớp mềm hoặc các dạng gioăng cản nước liên tục để tạo thành một hình dạng tròn hoàn chỉnh. Với ưu điểm tự ổn định dưới tác dụng của áp lực đất, C-Dwall không cần bất kì hệ thống chống đỡ nào như hệ giằng chống, neo đất, sàn tầng hầm,… trong suốt quá trình thi công đào đất tầng hầm.

Tường ứng xử như là một hình trụ đồng nhất, chống lại áp lực nước và áp lực đất thông qua sự phát triển ứng suất vòng. Ngoài ra, một giá trị nhỏ moment uốn theo phương đứng và lực cắt cũng lớn dần trong tường do sự tăng ứng suất vòng theo chiều sâu. Thêm một thành phần nữa là moment và lực cắt theo phương ngang hình thành do tải phân bố không đều dọc theo thành tường.1 Ứng suất vòng trong C-Dwall Sức kháng vòng của một giếng tròn phụ thuộc vào hai thành phần là chiều dày hữu hiệu tường và ứng suất nén cho phép của bê tông. Ứng suất vòng phụ thuộc trực tiếp vào độ cứng vòng thu được từ chiều dày hữu hiệu và đường kính của giếng.

Các dầm vòng (ring beam) đóng vai trò giống như hệ thanh chống, chịu áp lực ngang có giá trị tùy theo tỉ lệ độ cứng vòng của tường và dầm. -8- Dầm vòng Hình 2.1 Chiều dày hữu hiệu của các tấm panel tường vây Trong thực tế thi công, chu vi tường vây không thể tạo thành một vòng tròn hoàn chỉnh mà là một hình đa giác do các tấm panel riêng lẻ kết hợp lại với nhau. Do đó, người thiết kế cần tính toán lại chiều dày hữu hiệu của tường vây ứng xử như là một đường tròn bằng cách xem xét độ lệch theo phương đứng và độ lệch vị trí (30mm) của các tấm panel trên mặt đất. Độ lệch theo phương đứng thông thường là 1/100 nhưng nếu được kiểm soát tốt hay sử dụng các thiết bị đào hiện đại có thể đạt được 1/200.

Theo giả thuyết trên, chiều dày hữu hiệu của C-Dwall sẽ bị giảm theo chiều sâu tường vây. Thiên về an toàn, chiều dày tường vây tại mặt cắt bất lợi nhất tại chân tường sẽ được sử dụng để kiểm tra khả năng chịu nén của bê tông khi có ứng suất vòng tác dụng.1 bên dưới mô tả cách tính chiều dày hữu hiệu t của tường vây theo chiều dày lý thuyết T và độ lệch do thi công là d. -9- t = T-2d Với: t là chiều dày hữu hiệu của C-Dwall T là chiều dày lý thuyết của C-Dwall d là độ lệch theo phương ngang do thi công Hình 2.2 Cách xác định chiều dày hữu hiệu tường vây 2.2 Độ cứng vòng của C-Dwall Độ cứng vòng, hiệu ứng vòng xuyến chống lại chuyển vị hướng tâm là hệ số ảnh hưởng đến sự phân bố áp lực đất/ nước gây ra momen/ lực cắt và lực nén vòng xuyến. Độ cứng vòng càng lớn thì lực nén vòng xuyến càng lớn nhưng moment / lực cắt lên tường sẽ giảm và ngược lại.

Độ cứng vòng tỷ lệ thuận với chiều dày hữu hiệu và module đàn hồi của bê tông, tỷ lệ nghịch với bán kính của hình trụ. Xét một tường tròn (với chiều cao 1.0m, có chiều dày t) chịu một áp lực phân bố đều p xung quanh. Nội lực trong tường chính là lực vòng được tính từ công thức: N = pRext Trong đó, Rext = bán kính ngoài của tường Ứng suất vòng trong tường: N pRext σ= = t t Biến dạng: σ pRext ε= = E Et -10- Với, E = Modulus đàn hồi bê tông của tường Độ co ngắn chu vi tường: Rext + Rint p Δl = 2π ε = 2π Rave Rext 2 Et Với, Rint= bán kính trong của tường; Rave= bán kính trung bình của tường. Độ co ngắn bán kính của tường: Δl p ΔRave = = Rave Rext 2π Et Tỉ số giữa áp lực và độ co ngắn bán kính của tường p Et k= = ΔRave Rave Rext Trong trường hợp chiều dày là nhỏ so với bán kính của tường t<<Rext, Rave~Rext , độ cứng vòng được xác định theo công thức: Et k cyl = t (R + ) 2 2 Trong đó, kcyl=độ cứng vòng; E=Modulus bê tông tường; t=chiều dày; R=Rint=bán kính trong của tường Về mặt thi công, số lượng mối nối giữa các panel cũng là một hệ số ảnh hưởng đến độ cứng vòng bởi vì các mối nối có thể xích lại gần nhau dưới tác dụng của lực nén vòng.

Theo kinh nghiệm, người ta lấy giá trị 2mm cho mỗi mối nối dưới lực nén vòng là 300kN/m2.3 Độ cứng vòng của dầm vòng (ring beam) Cũng giống như hệ thanh giằng truyền thống, dầm vòng có cùng tác dụng nhưng khác hoàn toàn cách truyền lực. Tải trọng được kháng lại bằng lực nén vòng và độ cứng phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu.