Luận Văn Thạc Sĩ: Phân Tích Ứng Xử Hố Đào Sâu Sử Dụng Hệ Thống Chống Đỡ Áp Lực Đất

Luận văn thạc sĩ phân tích ứng xử hố đào sâu với hệ thống chống đỡ áp lực đất và thanh giằng ứng suất trước trong xây dựng công trình ngầm.

• Tác giả: Trương Ngọc Viễn
• Người hướng dẫn: TS. Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: Phân Tích Ứng Xử Hố Đào Sâu Với Hệ Thống Chống Đỡ Áp Lực Đất
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Mở đầu

Trong bối cảnh phát triển đô thị hiện nay, việc thi công các công trình ngầm, đặc biệt là hố đào sâu, ngày càng trở nên quan trọng. Phân tích ứng xử của hố đào sâu với hệ thống chống đỡ áp lực đất là một vấn đề cần thiết nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thi công. Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu và so sánh hai hệ thống chống đỡ: hệ thanh giằng ứng suất trước (UST) và hệ shoring truyền thống. Mục tiêu là tìm ra giải pháp tối ưu giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thi công. Theo đó, nghiên cứu sẽ áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại để đánh giá sự làm việc của các hệ thống này trong điều kiện địa chất cụ thể tại Việt Nam. Điều này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao cho ngành xây dựng.

II. Tổng quan về hố đào sâu chắn giữ bằng hệ thanh giằng ứng suất trước

Hệ thống chống đỡ áp lực đất bằng thanh giằng ứng suất trước đã được áp dụng rộng rãi tại nhiều nước phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc. Tuy nhiên, tại Việt Nam, phương pháp này vẫn còn mới mẻ. Phân tích ứng xử của hố đào sâu cho thấy rằng hệ thanh giằng UST có thể giảm thiểu chuyển vị tường vây, đồng thời tạo không gian làm việc rộng rãi hơn so với hệ shoring. Hệ thống này sử dụng các thanh giằng được căng trước, giúp tăng cường khả năng chịu lực và giảm thiểu biến dạng của tường vây. Nghiên cứu này sẽ chỉ ra những ưu điểm vượt trội của hệ UST so với các phương pháp truyền thống, từ đó mở ra hướng đi mới cho các dự án xây dựng tại Việt Nam.

2.1. Tình hình nghiên cứu

Nghiên cứu về hệ thống thanh giằng ứng suất trước đã được thực hiện tại nhiều quốc gia, nhưng tại Việt Nam, còn thiếu các nghiên cứu chuyên sâu. Các tài liệu hiện có chủ yếu tập trung vào lý thuyết mà chưa có ứng dụng thực tiễn rõ ràng. Luận văn này sẽ làm rõ quy trình tính toán và thiết kế hệ thống UST, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng phương pháp này trong các công trình hố đào sâu tại Việt Nam.

2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán

Cơ sở lý thuyết cho việc tính toán hố đào sâu sử dụng hệ thanh giằng UST bao gồm các nguyên lý về cơ học đất và ứng suất. Tính toán áp lực đất và mô hình hóa sự làm việc của hệ thống là những yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hố đào. Các phương pháp như mô phỏng Plaxis 3D sẽ được áp dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống chống đỡ này. Qua đó, luận văn sẽ chỉ ra các thông số kỹ thuật cần thiết để thiết kế hệ thống UST một cách tối ưu.

III. Tính toán hố đào sâu với hệ chống bằng thanh giằng ứng suất trước

Trong chương này, nghiên cứu sẽ đi sâu vào việc tính toán kích thước và lực căng trong hệ thanh giằng ứng suất trước. Các thông số địa chất sẽ được thu thập và phân tích để đảm bảo tính chính xác trong mô hình hóa. Tính toán áp lực đất sẽ được thực hiện trên cả hai hệ thống, giúp so sánh hiệu quả làm việc giữa hệ UST và hệ shoring truyền thống. Kết quả sẽ được trình bày dưới dạng bảng biểu và đồ thị, cho thấy rõ sự khác biệt về chuyển vị và nội lực trong các hệ thống. Việc này không chỉ giúp đánh giá hiệu quả kinh tế mà còn chỉ ra những yếu tố cần lưu ý trong thiết kế hệ thống UST.

3.1. Điều kiện địa chất

Điều kiện địa chất đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và tính toán hố đào sâu. Các thông số như độ cứng, độ ẩm và loại đất sẽ ảnh hưởng đến áp lực đất tác động lên tường vây. Luận văn sẽ tiến hành khảo sát địa chất tại vị trí thi công để thu thập dữ liệu cần thiết. Từ đó, các phương pháp tính toán sẽ được áp dụng để xác định chính xác áp lực đất, giúp thiết kế hệ thống chống đỡ phù hợp.

3.2. So sánh kết quả

Kết quả tính toán sẽ được so sánh giữa hai hệ thống chống đỡ: thanh giằng ứng suất trước và hệ shoring truyền thống. Sự khác biệt về chuyển vị và nội lực sẽ được phân tích chi tiết, từ đó rút ra những kết luận về ưu điểm của hệ UST. Các số liệu thu được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang tính ứng dụng cao, góp phần vào việc cải tiến công nghệ thi công hố đào sâu tại Việt Nam.

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn đã chỉ ra rằng hệ thống thanh giằng ứng suất trước có nhiều ưu điểm so với hệ shoring truyền thống. Phân tích ứng xử của hố đào sâu cho thấy rằng việc áp dụng hệ UST không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn rút ngắn thời gian thi công. Đề xuất cần thiết là tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống này trong các dự án thực tế tại Việt Nam để xác định rõ hơn về tính khả thi và hiệu quả. Bên cạnh đó, việc xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế cho hệ thống UST cũng cần được thực hiện để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thi công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Bối cảnh và tính cấp thiết của đề tài. Phạm vi nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. Tính mới của nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU CHẮN GIỮ BẰNG HỆ THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC.

Tình hình nghiên cứu. CỞ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU CHẮN GIỮ BẰNG HỆ THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC. Ý tưởng hình thành hệ chống áp lực đất với thanh giằng UST. Tính chất cơ học của hệ thanh giằng UST.

Mô hình đất nền Hardening soil. Chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu. Chuyển vị lún nền công trình lân cận. Nhận xét chương .20 -viii- CHƯƠNG 3.

TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU VỚI HỆ CHỐNG BẰNG THANH GIẰNG ỨNG SUẤT TRƯỚC. Tổng quan về công trình. Chuẩn hóa chuyển vị tường vây từ số liệu quan trắc. Điều kiện địa chất.

Hiệu chỉnh modul E’ref50. Tính tham số mũ m. Trình tự thi công. Mô phỏng Plaxis 3D.

Tính toán kích thước hệ thanh giằng UST và lực căng cáp. Tính toán lực UST trong cáp và kích thước hệ. Tính toán lực nén trước trong dầm giằng góc. So sánh kết quả phương pháp hệ shoring và hệ thanh giằng UST.

Phân tích sự làm việc của hệ thanh giằng UST. Chuyển vị mặt cắt phương đứng. Chuyển vị mặt cắt phương ngang. Nội lực dầm giằng góc và tiết diện khung hệ thanh giằng UST.

Khung hệ thanh giằng Wale 4. So sánh vật liệu giữa hai phương án. Hình ảnh tham khảo cấu tạo và liên kết hệ thanh giằng UST. Tổng kết chương .75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

76 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 79 TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC. 81 -ix- DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ shoring chống đỡ hố đào sâu .2 Chống đỡ tường vây bằng hệ neo đất .3 Hệ chống áp lực đất bằng thanh giằng UST[1] .4 Mặt bằng hệ thanh giằng dự án kênh đào [2] .5 Mặt bằng bố trí hệ thanh giằng UST và mặt cắt hố đào [1] .6 Mặt bằng hệ thanh giằng UST dự án tại Giang Âm, Trung Quốc [3] .7 So sánh chuyển vị tính toán và quan trắc của hố đào [3].

Mặt bằng hệ shoring truyền thống và hệ thanh giằng UST. Cấu tạo hệ thanh giằng UST và sơ đồ truyền lực [1] .3 Kích thước điển hình của hệ thanh giằng UST [1]. Mặt dẻo mô hình Hardening – soil trong không gian ứng suất chính. Định nghĩa E50 và Eur trong thí nghiệm nén ba trục [7].

Định nghĩa Eoed ref trong thí nghiệm nén cố kết .7 Mối tương quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây với chiều sâu của hố đào [9] .8 Chuyển vị tường vây ảnh hưởng tới độ lún công trình lân cận .9 Biểu đồ quan hệ độ lún nền và chuyển vị ngang tường vây [10] .1 Mặt bằng công trình. Mặt cắt hố đào. Mặt bằng định vị trường vây và vị trí đặt quan trắc .4 Chuyển vị quan trắc tường vây CV2 trước hiệu chỉnh. Chuyển vị quan trắc tường vây CV6 trước hiệu chỉnh .6 Chuyển vị quan trắc tường vây CV2 sau hiệu chỉnh.

Chuyển vị quan trắc tường vây CV6 sau hiệu chỉnh .8 Vị trí hố khoan. Hình trụ hố khoan BH02 .10 Thí nghiệm CU từ mẫu BH01-UD3 ứng với áp lực buồng 100KN/m2. Giá trị modul đàn hồi của đất theo đề xuất của Bowles [13] .12 So sánh chuyển vị lớn nhất giữa quan trắc và tính toán tại điểm CV2. Tính toán giá trị Su từ thí nghiệm ba trục CU.

Chuyển vị tường vây CV2 (DW4) sau hiệu chỉnh .15 Chuyển vị tường vây CV6 (DW2) sau hiệu chỉnh. Mặt cắt tường sau khi đào giữa thực tế và mô hình. Điều kiện biên mô hình trong Plaxis. Mặt bằng hệ dầm shoring tại tầng chống -2.

Mặt bằng hệ dầm shoring tại tầng chống -6. Mặt bằng hệ thanh giằng tại mỗi cao độ tầng chống. So sánh chuyển vị của tường vây giữa 2 phương pháp. Phase đào -12m – Moment (KNm/m).

Phase đào -12m – Lực cắt (KN/m). Nội lực tường vây vị trí chống xiên trong mô hình hệ thanh giằng UST. Chuyển vị tường vây DW4 sử dụng hệ thanh giằng UST. Chuyển vị tường vây DW4 tại cao trình -2.29 Chuyển vị tường vây DW1 tại cao trình -6.

Mặt bằng vị trí triết diện dầm thép tại hệ thanh giằng Wale 4. Chi tiết chân hệ thanh giằng. Chi tiết đầu căng cáp. Một dạng hệ thanh giằng không chân chống xiên.

Liên kết góc hố đào. 74 -xi- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Lực nén và biến dạng của hệ chống lớp 1 tại CK19 .2 Chuyển vị tăng thêm của tầng chống giữa CK19 và CK46. Thông số đất nền (phần 1). Thông số đất nền (phần 2) .5 Tổng hợp tính toán E '50 ref từ thí nghiệm CU.

Modul E '50 ref của các lớp đất từ thí nghiệm CU cho đất sét và từ SPT với đất cát. Bảng tổng hợp modul E '50 sau hiệu chỉnh. Thông số tường vây D800. Thông số dầm waller, chân chống hệ vòm và chống xiêng trong phương án hệ thanh giằng UST.

Thông số dầm chống hệ shoring. Áp lực phân bố đều ở tầng chống thứ nhất. Áp lực phân bố đều ở tầng chống thứ hai. Bảng lực căng và số lượng cáp theo từng hệ giằng.

Kích thước các hệ thanh giằng. Lực nén tại các dầm góc. Lức nén trong dầm giằng góc GX1 & GX4 lớp thứ nhất -2. Lực nén trong dầm giằng góc GX1 & GX4 lớp thứ nhất -6.20 Nội lực các thanh giằng của hệ Wale 4 tầng chống thứ hai -6.

Bảng tổng hợp khối lượng hai phương án. Bối cảnh và tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng và tập trung đông đúc dân cư vào các khu thành thị đòi hỏi các khu chung cư, nhà cao tầng cần được xây dựng nhiều hơn, dày hơn để đáp ứng nhu cầu ăn ở và làm việc của người dân. Đi đôi với điều đó, tầng hầm cho nhà cao tầng là một thiết kế tất yếu cần có vì làm tăng diện tích xây dựng, tạo khu vực đổ xe cho dân cư, khu vực ăn uống, siêu thị…và giúp công năng công trình hiệu quả, hợp lý hơn. Thi công hố đào sâu của tầng hầm luôn là giai đoạn khó khăn, tốn kém chi phí và tiến độ kéo dài vì cần thực hiện nhiều công tác như thi công tường vây, lắp dựng hệ chống, đào đất… Phương án phổ biến hiện nay để chắn giữ hố đào của các nhà thầu xây dựng Việt Nam là dùng hệ shoring chống áp lực đất.

Phương án này gặp một số hạn chế lớn là hệ thống dầm chống dày đặc, khoảng cách thường từ 4-8m, dẫn đến công tác đào đất hoạt động trong không gian chật chội, gặp nhiều trở ngại, chậm chạp…Phương án này cũng tốn chi phí cao vì khối lượng vật liệu cần cho hệ chống lớn, thời gian lắp dựng, chi phí nhân công cao một cách tương ứng. Bên cạnh phương án hệ chống bằng shoring, hệ neo đất là một giải pháp khác khá phổ biến, phương pháp này giúp tạo không gian trong hố đào rất thông thoáng. Tuy nhiên phương án này gần như bị giới hạn đối với các công trình trong thành phố vì xung đột với các kết cấu ngầm công trình lân cận và sự cho phép thi công từ chính quyền. Giải quyết những nhược điểm của hệ shoring, khai thác ưu điểm về tạo không gian thông thoáng của hệ neo đất, hệ chống giữ áp lực đất với thanh giằng ứng suất trước được nghiên cứu và phát triển.

Phương án này được ứng dụng nhiều trong thi công hố đào sâu ở Hàn Quốc, Trung Quốc… Tuy nhiên, Ở Việt Nam, công nghệ chắn giữ áp lực đất với thanh giằng UST vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng. Do đó, đề tài nhằm nghiên cứu chi tiết, hệ thống đầy đủ quy trình tính toán và thi công phương pháp chống giữ áp lực đất mới này để áp dụng thực tiễn vào thi công hố đào sâu ở Việt Nam, giúp quá trình thi công hố đào nhanh chóng, dễ dàng, chi phí thấp đáng kể so với phương án shoring truyền thống. Phạm vi nghiên cứu Đánh giá sơ bộ dữ liệu địa chất để chọn bộ thông số phù hợp. Tập trung nghiên cứu sự làm việc của hệ chống áp lực đất bằng thanh giằng UST, tính toán kích thước hệ thanh giằng UST tương ứng điều kiện dự án.

Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng, tính toán hệ thống chống đỡ bằng thanh giằng UST trong thi công hố đào sâu của một dự án cụ thể, bao gồm kích thước hệ thanh giằng, tính toán số lượng cáp mỗi hệ, tính toán kích thước và lực kích trong dầm chống xiên hố đào. So sánh ưu điểm, nhược điểm của hệ thanh giằng UST và hệ shoring truyền thống. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chính của luận văn là sử dụng Plaxis 3D để mô phỏng sự làm việc của hệ thanh giằng UST trong hố đào sâu. Hệ shoring tương ứng cũng được mô phỏng trong mô hình plaxis 3D trên cùng một dự án để tính toán áp lực đất vào hệ thanh chống shoring nhằm suy ra giá trị lực UST trong hệ thanh giằng.

Từ việc thiết lập 2 mô hình làm việc tương đồng nhau có thể rút ra được ưu nhược điểm của hệ thanh giằng UST so với hệ shoring. Tính mới của nghiên cứu Phương pháp chống đỡ áp lực đất bằng thanh giằng UST mặc dù được sử dụng khá nhiều ở một số nước Châu Á như Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc… vì những ưu điểm của nó mang lại. Những bài báo quốc tế về hệ chống này chủ yếu trình bày lý thuyết cơ bản và dữ liệu kết quả của hố đào khi áp dụng nó. Hơn nữa, ở Việt Nam, chưa có dự án nào được tính toán và áp dụng phương pháp hệ thanh giằng UST.

Do đó, nghiên cứu này nhằm đưa ra quy trình tính toán của hệ chống thanh giằng UST trên công trình thực tế ở Việt Nam, sử dụng phần mềm Plaxis 3D. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu này nhằm mục đích đưa ra quy trình tính toán chi tiết và cấu tạo của hệ thống chống áp lực đất bằng thanh giằng UST, từ đó ứng dụng vào thực tiễn trong thi công hố đào sâu ở Việt Nam.