Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng phân tích chuyển vị ngang của tường vây tầng hầm thi công theo phương pháp topdown trong khu vực địa chất đất yếu có lớp bùn sét dày ở tp hồ chí minh

Phân tích chuyển vị ngang tường vây tầng hầm thi công phương pháp topdown tại TP HCM, đặc biệt trong khu vực địa chất đất yếu có lớp bùn sét dày.

• Tác giả: Võ Anh Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: Phân tích chuyển vị ngang của tường vây tầng hầm thi công theo phương pháp Top-Down trong khu vực địa chất đất yếu có lớp bùn sét dày ở TP. Hồ Chí Minh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân tích chuyển vị ngang tường vây

Phân tích chuyển vị ngang tường vây là một vấn đề quan trọng trong thi công hố đào sâu, đặc biệt tại các khu vực đất yếu như TP.HCM. Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang bao gồm đặc tính địa chất, phương pháp thi công, và thiết kế hệ thống chống đỡ. Phương pháp Top-Down được áp dụng để giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa quá trình thi công. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng mô hình Hardening Soil trong phân tích không thoát nước để đánh giá chính xác chuyển vị ngang của tường vây.

1.1. Các nhân tố ảnh hưởng

Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang tường vây được chia thành ba nhóm chính: đặc tính địa chất, thiết kế hệ thống chống đỡ, và phương pháp thi công. Đất yếu với lớp bùn sét dày tại TP.HCM là yếu tố địa chất chính gây ra chuyển vị lớn. Thiết kế hệ thống chống đỡ bao gồm độ cứng của tường vây và thanh chống cũng đóng vai trò quan trọng. Phương pháp thi công Top-Down giúp kiểm soát chuyển vị hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.

1.2. Phương pháp phân tích

Phương pháp phân tích chuyển vị ngang tường vây bao gồm phương pháp giản đơn, phương pháp dầm trên nền đàn hồi, và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Trong nghiên cứu này, FEM được sử dụng kết hợp với mô hình Hardening Soil để mô phỏng chính xác hành vi của đất yếu. Kết quả phân tích được so sánh với dữ liệu quan trắc từ thiết bị Inclinometer để hiệu chỉnh và đánh giá độ chính xác.

II. Cơ sở lý thuyết và ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ mạnh mẽ trong phân tích chuyển vị ngang tường vây. Nghiên cứu sử dụng mô hình Hardening Soil để mô phỏng hành vi của đất yếu trong điều kiện không thoát nước. Các thông số đầu vào bao gồm độ cứng của đất, hệ số thấm, và sức kháng cắt. Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác chuyển vị ngang và ảnh hưởng của các giai đoạn thi công.

2.1. Mô hình Hardening Soil

Mô hình Hardening Soil được sử dụng để mô phỏng hành vi của đất yếu trong điều kiện không thoát nước. Mô hình này cho phép phân tích chính xác chuyển vị ngang tường vây bằng cách xem xét các thông số như độ cứng của đất và sức kháng cắt. Kết quả phân tích cho thấy sự phù hợp cao với dữ liệu quan trắc thực tế.

2.2. Phân tích không thoát nước

Phân tích không thoát nước được áp dụng để đánh giá chuyển vị ngang tường vây trong điều kiện đất yếu. Phương pháp này giúp xác định ảnh hưởng của các giai đoạn thi công và thời gian chờ đợi giữa các giai đoạn. Kết quả cho thấy chuyển vị ngang tăng đáng kể trong giai đoạn chờ đợi, đặc biệt khi thi công sàn chịu lực.

III. Phân tích chuyển vị ngang tường vây bằng phương pháp Top Down

Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích chuyển vị ngang tường vây tầng hầm thi công theo phương pháp Top-Down tại TP.HCM. Kết quả phân tích cho thấy sự phù hợp cao giữa dữ liệu quan trắc và mô phỏng khi sử dụng thông số độ cứng từ thí nghiệm nén ba trục. Nghiên cứu cũng cảnh báo về việc sử dụng dữ liệu quan trắc không chính xác trong phân tích ngược, có thể dẫn đến kết luận sai lầm.

3.1. Kết quả phân tích

Kết quả phân tích cho thấy chuyển vị ngang tường vây phù hợp nhất khi sử dụng thông số độ cứng từ thí nghiệm nén ba trục. So sánh với dữ liệu quan trắc từ Inclinometer, kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác cao. Nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh hưởng của tiến độ thi công đến chuyển vị ngang, đặc biệt trong giai đoạn chờ đợi giữa các công đoạn.

3.2. Cảnh báo và kiến nghị

Nghiên cứu cảnh báo về việc sử dụng dữ liệu quan trắc không chính xác trong phân tích ngược. Hiện tượng dịch chuyển chân tường có thể dẫn đến kết luận sai lầm. Kiến nghị sử dụng thông số độ cứng từ thí nghiệm nén ba trục và hiệu chỉnh dữ liệu quan trắc để đảm bảo độ chính xác trong phân tích.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY TRONG HỐ ĐÀO SÂU 1.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu được chia ra làm ba nhóm chính (Kung 2009): - Nhóm các nhân tố cố hữu:  Nhân tố địa chất: tính chất cơ lý của đất nền quyết định khả năng chịu lực và biến dạng của đất nền, lịch sử chịu lực của đất nền, mực nước ngầm…  Nhân tố các công trình xung quanh công trình hố đào sâu như các nhà cao tầng xung quanh, các công trình giao thông và mật độ giao thông xung quanh công trình. - Nhóm các nhân tố liên quan đến vấn đề thiết kế:  Độ cứng của hệ thống chống đỡ bao gồm độ cứng của tường vây, độ cứng của hệ thống thanh chống, chiều dài của tường vây…  Hình dạng của hố đào: chiều rộng, chiều sâu, dạng hình học của hố đào  Sự tạo ứng suất trước trong hệ thống thanh chống  Sự cải thiện đất nền công trình như các biện pháp phụt vữa, trộn vữa xi măng … nhầm nâng cao khả năng chịu lực và giảm sự biến dạng của đất nền. - Nhóm các nhân tố liên quan đến vấn đề thi công:  Các phương pháp thi công khác nhau như: Top down, Semi Topdown, Bottom Up  Việc đào quá sâu để thi công hệ thống thanh chóng cũng ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây  Các giai đoạn thi công trước đó như ảnh hưởng của việc đào hố móng thi công tường vây cũng ảnh hưởng đến chuyển vị tường  Thời gian của các giai đoạn thi công: thời gian thi công ảnh hưởng khá lớn đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu đặc biệt trong nền đất sét vì liên quan đến vấn đề cố kết và từ biến -5-  Tay nghề của đội công nhân thi công công trình. Điều này cũng được Peck (1969) bàn đến.

Chang-Yu Ou (2005, pp.182-183) cũng đã nêu lên những nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tương vây trong hố đào sâu bao gồm: sự mất cân bằng lực, độ cứng của tường vây, hệ thống hỗ trợ và hệ số an toàn…. Trong đó sự mất cân bằng lực bao gồm những nhân tố như: chiều sâu của hố đào, chiều rộng của hố đào và lực nén trước trong các thanh chống…. Những nhân tố được Ou bàn đến ở đây là những nhân tố liên quan đến vấn đề thiết kế theo như phân loại của Kung (2009). Hệ số an toàn đã được Clough và O’Rourke (1990) bàn đến trong nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu.

Bằng cách phân tích nhiều trường hợp trong quá khứ Clough và O’Rourke đã đưa ra mối tương quan giữa hệ số an toàn chống trồi đáy, độ cứng của tường vây và hệ thống chống đỡ với chuyển vị ngang lớn nhất của tường thông qua biểu đồ sau: Cừ larsen 1m - bề dày tường vây Hình 1.1 Mối tương quan giữa hệ số an toàn chống trồi đáy, độ cứng của tường vây và hệ thống chống đỡ với chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây (( )/ ( ) đại diện là độ cứng của hệ thống tường chống đỡ, Fb hệ số an toàn chống trồi đáy), Clough và O’Rourke (1990) -6- Clough và O’Rourke (1990) đưa ra kết luận rằng trong một hố đào sâu điển hình thì chuyển vị ngang của tường tỷ lệ thuận với chiều rộng của hố đào sâu. Điều này được giải thích là khi chiều rộng của hố đào càng lớn thì sự mất cân bằng lực càng chênh lệch do đó chuyển vị ngang của tường càng lớn. Hơn nữa, trong đất sét yếu thi chiều rộng của hố đào càng lớn thì hệ số an toàn chống trồi đáy càng giảm vì vậy chuyển vị ngang càng lớn. Trong mối liên hệ giữa chiều sâu hố đào với chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu đã được Ou và các đồng sự (1993) nghiên cứu thông qua phân tích các công trình hố đào sâu trong khu vực Đài Bắc.

Theo kết quả của nghiên cứu này thì chuyển vị ngang lớn nhất trong các tường vây hố đào sâu khoảng từ 0.5% chiều sâu hố đào: = (0.2 Mối tương quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây với chiều sâu của hố đào (Ou và các đồng sự, 1993) Chang Yu Ou (2006,pp184-185) đã đề cập đến mối liên hệ giữa chiều sâu cấm tường vây (Hp) đến chuyển ngang của tường vây. Tác giả đã tiến hành phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong 1 hố đào sâu 20m bằng phương pháp phần tử -7- hữu hạn. Khi sức kháng thông thường của đất nền là / , = 0.36 , chiều sâu ngàm chân tường Hp=20m và 15m thì chuyển vị ngang của tường tương tự nhau. Khi giảm chiều sâu Hp=10m thì chuyển vị ngang của tường có thay đổi một ít nhưng tường vẫn đảm bảo ổn định.

Khi Hp= 4m thì tường bị hiện tượng đá chân (phá hoại) lúc đó chuyển vị ngang của tường tăng lên nhanh chóng.Trong trường hợp / , = 0.28 với trường hợp chiều sâu ngàm tường Hp= 15m thì chuyển vị ngang của tường có lớn hơn không đáng kể so với trường hợp Hp=20m và tường bị phá hoại khi Hp=10m lúc đó chuyển vị ngang của tường tăng lên nhanh chóng. Do đó khi tường đã ở trạng thái ổn định thì chiều sâu ngàm của chân tường ảnh hưởng không đáng kể đến chuyển vị ngang của tường. Chuyển vị tường vây Chuyển vị tường vây Độ sâu Độ sâu Hình 1.3 Tương quan giữa chiều sâu ngàm tường và chuyển vị ngang của tường (Chang Yu Ou 2006) Về cơ bản thì khi tăng độ cứng của tường thì sẽ giảm chuyển vị ngang của tường, tuy nhiên mối liên hệ không phải là tuyến tính và chỉ gia tăng trong một khoảng nhất định do đó việc gia tăng độ cứng cho tường để giảm chuyển vị ngang của tường là -8- không thật khả quan (Hsieh, 1999). Khi chưa lấp các thanh chống thì tường sẽ chuyển vị như một dầm hẫng (cantilever type), khi đã lấp thanh chống, độ cứng của thanh chóng đủ lớn thì tường sẽ chuyển vị dạng xoay quanh điểm tiếp giáp giữa tường và thanh chống và chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ gần đáy hố đào.

Nếu lớp đất tại vị trí đáy hố đào là đất yếu thì chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ nằm dưới đáy hố đào ngược lại khi lớp đất ngay tại đáy hố đào là lớp đất tốt thì thì chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ nằm trên đáy hố đào. Khi độ cứng của hệ thống thanh chống không đủ lớn thì chuyển vị ngang của tường có dạng dầm hẫng (cantilever type) và trong trường hợp này thì chuyển vị lớn nhất của tường là ngay tại vị trí đỉnh tường (Chang Yu Ou, 2006, pp 185-186) Thanh chống Mặt đất Tường vây Hình 1.4 Dạng chuyển vị của tường trong trường hợp độ cứng thanh chống đủ lớn. (a) giai đoạn đào chưa có thanh chống, (b) giai đoạn có thanh t chống, (c) giai đoạn lấp nhiều tầng thanh chống ,Chang Yu Ou (2006) Thanh chống Mặt đất T ường vây Hình 1.5 Dạng chuyển vị của tường trong trường hợp độ cứng thanh chống không đủ lớn.2 Các phương pháp phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu Theo Chang Yu Ou (2006) thì có 3 phương pháp phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu: phương pháp giản đơn (Simplified Method), phương pháp dầm trên nền đàn hồi (Beam on Elastic Foundation Method) và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) Phương pháp giản đơn dựa trên những trường hợp trong qua khứ để xây dựng nên những biểu đồ về mối quan hệ giữa các nhân tố khác nhau với chuyển vị ngang của tường vây. Ou và các đồng sự (1993) đạn xây dựng mối liên hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất và chiều sâu của hố đào trong đó đưa ra những trường hợp cho đất sét và đất cát.

Clough và O’Rourke (1990) cũng đã dựa trên những công trình hố đào sâu trong khu vực Đài Bắc để xây dựng nên biểu đồ tương quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây với hệ số an toàn chống trồi đáy độ cứng của tường vây và hệ thống chống đỡ. Những biểu đồ trên có thể sử dụng để dự đoán được sơ bộ chuyển vị của tường vây trong trường hợp tương tự. Do đó ta cũng nhận thấy được những hạn chế to lớn của phương pháp giản đơn vì chuyển vị ngang của tường vây là tổng hợp tác động của nhiều nhân tố nhưng những biểu đồ trên chỉ xây dựng trên những nhân tố hạn chế dẫn đến sự thiếu chính xác. Mặt khác chuyển vị ngang của tường bị ảnh hưởng to lớn bởi điều kiện địa chất nhưng những biểu đồ trên được các tác giả xây dựng trên những nghiên cứu các công trình trong một khu vực nhất định do đó khi đem những biểu đồ này áp dụng cho những công trình ở những khu vực khác thì kết quả có độ tin cậy thấp.

Phương pháp dầm trên nền đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn là hai phương pháp thông dụng trong phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu. Ưu điểm của hai phương pháp này chính mô phỏng gần trọn vẹn những nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu. Mặt khác hai phương pháp này có thể ứng trong các phần mềm máy tính để giảm khối lượng và thời gian tính toán nhưng kết quả thu được chính xác hơn. Tuy nhiên lý thuyết cơ bản của hai phương pháp này thì không thật sự đơn giản đặc biệt là phương pháp phần tử -10- hữu hạn do đó người phân tích không những phải có kiến thức cơ bản vững vàng mà còn phải có kinh nghiệm thực tế.

Việc so sánh hai phương pháp dầm trên nền đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn trong việc phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu đã được một số tác giả nghiên cứu.Mitew (2005) đã sử dụng phương pháp ứng suất phụ thuộc (Depending pressure method) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để tiến hành phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong một hố đào sâu. Phương pháp ứng suất phụ thuộc là một dạng của phương pháp dầm trên nền đàn hồi dựa trên ý tưởng là mô phỏng mối liên hệ giữa đất nền và tường bằng hệ thống những lò xo có độ cứng là Kh, tường được xem là một dầm đàn hồi. Chuyển vị ngang của tường được xác định thông qua việc giải bài toán dầm trên những gối tựa lò xo có độ cứng là Kh với tải trọng là áp lực đất nền.