Ảnh hưởng của thi công hố đào sâu tới sụt lún của công trình lân cận

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 19 ẢNH HƯỞNG CỦA THI CƠNG HỐ ĐÀO SÂU TỚI SỤT LƯN CỦA CƠNG TRÌNH LÂN CẬN ĐỖ TUẤN NGHĨA*, NGUYỄN VĂN HÙNG**, TRỊNH XUÂN HƢNG***, TỐNG HUY MẠNH**** The influences of deep excavation construction in adjacent structures Abstract: The paper deal with the influences of deep excavation construction in adjacent structures. Soils behave is stumulated by Mohr- Coulonb and Hardening models. The prediction results from calculation are correspondent to the mesured. In the study, for soil setlment Hardening model is more exactly than Mohr-Coulonb and the structures with piles foundation are influenced a little. 1. GIỚI THIỆU CHUNG * Do nhu cầu sử dụng khơng gian ngầm ngày càng lớn, các hố đào trong quá trình thi cơng cơng trình ngày càng sâu và rộng hơn. Tuy nhiên, việc thi cơng hố đào sâu gây ra rất nhiều vấn đề đặc biệt là sụt lún mặt đất trong quá trình đào cĩ thể gây nghiêng, thậm chí sụp đổ cơng trình lân cận. Về cơ bản, cĩ 2 kiểu sụt lún là kiểu dốc và kiểu lịng chảo. Sụt lún kiểu dốc xuất hiện với độ sụt lớn nhất nằm ngay cạnh khu vực đào trong khi sụt lún kiểu lịng chảo sẽ tạo ra máng lún bên cạnh khu vực đào. Bởi vậy, * Khoa Cơng trình-Đ i h c Thủy lợi 175 Tây Sơn-Đ ng Đa-Hà Nội Email: dotuannghia@tlu.edu.vn ** 55C-ĐKT-Đ i h c Thủy lợi 175 Tây Sơn-Đ ng Đa-Hà Nội Email: hungnv333@wru.vn *** 55C-ĐKT-Đ i h c Thủy lợi 175 Tây Sơn-Đ ng Đa-Hà Nội Email: hungtx333@wru.vn **** 56CX-ĐKT-Đ i h c Thủy lợi 175 Tây Sơn-Đ ng Đa-Hà Nội Email: huymanhcbn@gmail.com mỗi kiểu sụt lún sẽ cĩ các ảnh hƣởng khác nhau tới cơng trình lân cận. Sụt lún do đào sâu đã đƣợc nghiên cứu bởi khá nhiều nhà nghiên cứu (nhƣ Hashash và Whittle, 1994). Tuy nhiên, do một thực tế là kết quả phân tích chịu ảnh hƣởng bởi rất nhiều yếu tố, bao gồm mơ hình đất, chất lƣợng thi cơng, loại mĩng của cơng trình lân cận, v.v., sụt lún do đào sâu rất khĩ cĩ thể dự đốn chính xác. Bởi vậy, ảnh hƣởng của việc thi cơng hố đào sâu tới cơng trình lân cận vẫn cần đƣợc phân tích thêm. Trong nghiên cứu này, sụt lún của cơng trình lân cận gây bởi việc thi cơng hố đào sâu sẽ đƣợc khảo sát, trong đĩ cĩ xét tới vị trí và loại mĩng của cơng trình. 2. ẢNH HƢỞNG CỦA MƠ HÌNH ĐẤT LÊN PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG GÂY BỞI ĐÀO SÂU 2.1. Hố đào TNEC Hố đào TNEC là hố đào sâu 19.7 m và rộng 43 m, đƣợc thi cơng theo phƣơng pháp top- down. Nhƣ trình bày trong Hình 1, hệ thống chắn giữ hố đào gồm tƣờng chắn bê tơng cốt thép dày 0.9 m và dài 35 m và 7 tầng chống ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 20 gồm sàn và thanh chống thép. Địa chất trong phạm vi cơng trình chứa phần lớn là đất sét yếu với NSPT từ 2 tới 5. Mơ hình phần tử hữu hạn (PTHH) Trong phân tích, sét yếu bão hịa nƣớc đƣợc mơ tả theo cả 2 mơ hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil để so sánh. Với mơ hình Mohr- Coulomb, sét bão hịa nƣớc đƣợc giả sử là vật liệu khơng thốt nƣớc và khơng lỗ rỗng (undrained non-porous). Để mơ phỏng vật liệu này, 5 thơng số đầu vào sẽ đƣợc sử dụng bao gồm mơ đun Young (Eu), hệ số Poison (nu = 0.495), gĩc ma sát (fu = 0 0), lực dính đơn vị (cu = su), và gĩc nở của đất (yu = 0 0 ). GL.-2.8 GL.-4.9 GL.-8.6 GL.-11.8 GL.-15.2 GL.-17.3 GL.-19.7 1FL GL.+0.0 B1F GL.-3.5 B2F GL.-7.1 B3F GL.-10.3 B4F GL.-13.7 B5F GL.-17.1 H300x300x10x15 GL.-2.3 H400x400x13x21 GL.-16.5 GL.-35.0 CL =30º =33%-38% LL=33-36 PI=13-16 Gravel GP N>100 SM N=4-11 =31º CL =32%-40% LL=29-39 PI=9-23 =29º SM N=22-24 =31º CL N=9-11 =29º SM N=14-37 =32º GL.-35.0 GL.-46.0 GL.+0.0 GL.-2.0 GL.-8.0 GL.-5.6 GL.-33.0 GL.-37.5         Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Giai đoạn 4 Giai đoạn 5 Giai đoạn 6 Giai đoạn 7 Hình 1. Mặt cắt h đào TNEC Bảng 1. Thơng số đầu vào của lớp đất sét chính Thơng số Đơn vị Mơ hình MC Mơ hình HS Eref kN/m 2 450su E50 ref kN/m 2 Eur ref /3 Eoed ref kN/m 2 Eur ref /3 Eur ref kN/m 2 pref kN/m 2 100 n 0.495 nur 0.2 c kN/m 2 su f độ 0 y độ 0 0 Chú thích: Kur là mơ đun khối gia/dỡ tải đƣợc tính tốn từ kết quả thí nghiệm Bảng 2. Thơng số đầu vào của kết cấu chắn giữ chính Thơng số Đơn vị Sàn Tƣờng EA kN/m 2 2.5x10 6 1.5x10 7 EI kNm 2 10 6 w kN/m 2 6.8 n 0.15 Với sét yếu, giá trị Eu đƣợc lấy bằng 450su (Do et al., 2016) với su đƣợc xác định từ thí nghiệm. Với mơ hình Hardening Soil, vật liệu khơng thốt nƣớc đƣợc sử dụng để mơ phỏng sét yếu ngập nƣớc. Mơ hình này sử dụng các thơng số sau: E50 ref = Eoed ref = 1/3 Eur ref (pref = ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 21 100 kN/m 2 ), nur = 0.2, f' = 29 0, c‟ = 0 kPa. Do tính chất đối xứng, chỉ một nửa hố đào TNEC đƣợc mơ hình nhƣ thể hiện trong Hình 2. Mơ hình PTHH cĩ bề rộng 100 m và dày 45 m. Các phần tử tấm và neo 1 đầu cố định lần lƣợt đƣợc sử dụng để mơ phỏng ứng xử của tƣờng và sàn/thanh chống. 2.2. Kết quả và thảo luận Hình 3 là kết quả chuyển vị tƣờng và sụt lún mặt đất. Với mục đích so sánh, dữ liệu quan trắc chuyển vị và lún cũng đƣợc thể hiện trong hình. Dựa vào hình vẽ, ta nhận thấy rằng cả mơ hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil đều dự đốn tƣơng đối chính xác chuyển vị tƣờng khi so với dữ liệu quan trắc. Với sụt lún mặt đất, mơ hình Hardening- Soil cĩ thể dự đốn tốt hơn cƣờng độ của sụt lún so với mơ hình Mohr-Coulomb. Lý do là vì mơ hình Hardening-Soil cĩ nhiều cải tiến hơn so với mơ hình Mohr-Coulomb, chẳng hạn mơ đun đàn hồi là hàm phụ thuộc vào áp lực buồng (s3‟), v.v. Tuy nhiên, cả 2 mơ hình đều dự đốn đúng kiểu sụt lún là kiểu lịng chảo với sụt lún lớn nhất nằm cách tƣờng khoảng 15 m. Theo nghiên cứu của Ou, C. Y. (2006), vị trí sụt lún lớn nhất cĩ thể đƣợc xác định bằng 1/3 phạm vi vùng sụt lún chính (PIZ) nhƣ sau: Với 21.5 m 78.5 m 1 9 .7 m 2 5 .3 m 100 m 4 5 m Hình 2. Mơ hình h đào TNEC 14 12 10 8 6 4 2 0 Chuyển vị tƣờng (cm) 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 Khoảng cách tới tƣờng (m) 10 8 6 4 2 0 Mơ hình MC Quan trắc 14 12 10 8 6 4 2 0 Chuyển vị tƣờng (cm) 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 Khoảng cách tới tƣờng (m) 10 8 6 4 2 0 Mơ hình HS Quan trắc C h iề u s â u ( m ) L ú n ( c m ) L ú n ( c m ) C h iề u s â u ( m ) 1 Bƣớc đào 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 Bƣớc đào Hình 3. Chuyển vị t ng và sụt lún mặt đất Trong đĩ, He là chiều sâu đào cuối cùng (m); Hg là chiều sâu tầng đất cứng; Hf là chiều sâu lớp sét yếu; và B là chiều rộng hố đào. Với trƣờng hợp hố đào TNEC, ta cĩ: He = 19.7 m; Hg = 46 m; Hf = 33 m; B = 41 m. Do đĩ, PIZ 1 = 39.4 m và PIZ2 = 41 m. Phạm vi vùng sụt lún chính PIZ = 41 m. Kết quả là vị trí sụt lún lớn nhất nằm cách tƣờng 13.7 m. Ta cĩ thể thấy kết quả này khá sát với kết quả phân tích trong hình 3. 3. NGHIÊN CỨU THAM SỐ 3.1. Các trƣờng hợp giả sử Hố đào TNEC đƣợc lựa chọn để tiến hành nghiên cứu tham số nhƣ thể hiện trong Hình 4. Cơng trình lân cận là các tịa nhà 1 tầng, 7 tầng, và 20 tầng nằm cách hố đào 1 m (Hình 4a). Giả sử rằng tịa nhà 1 tầng đƣợc đặt trên ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 22 mĩng nơng cĩ bề rộng 5 m. Tịa nhà 7 tầng đƣợc đặt trên mĩng cọc ép 30x30 cm dài 15 m với bề rộng mĩng 10 m. Tịa nhà 20 tầng đƣợc đặt trên mĩng cọc khoan nhồi đƣờng kính 1 m dài 40.5 m với bề rộng mĩng 35 m. Để nghiên cứu ảnh hƣởng của việc đào sâu lên vị trí của cơng trình lân cận, tịa nhà 7 tầng sẽ đƣợc mơ phỏng nằm cách hố đào lần lƣợt 1 m, 5 m, và 7 m (Hình 4b). Do mơ hình Hardening Soil cĩ thể dự đốn chính xác sụt lún mặt đất xung quanh hố đào nên mơ hình này sẽ đƣợc sử dụng trong nghiên cứu tham số. Cọc trong mĩng đƣợc mơ phỏng dùng phần tử plate của phần mềm, trong đĩ độ cứng chống uốn của cọc đƣợc khai báo rất nhỏ để khử hiện tƣợng ngăn chuyển vị của đất bởi cọc trong mơ hình phẳng. 3.2. Kết quả và thảo luận Hình 5 trình bày sụt lún mặt đất tại các cơng trình lân cận khác nhau nằm cách hố đào sâu 1 m. Dựa vào kết quả trên hình vẽ, ta cĩ thể thấy độ lún lớn nhất của cơng trình 1 tầng là 7 cm và nhỏ hơn cơng trình 7 tầng (16 cm). Tuy nhiên, cơng trình 20 tầng cĩ độ lún lớn nhất 4 cm và cũng nhỏ hơn cơng trình 7 tầng. 1 tầng 5m 20 tầng (a) (b) 7 tầng 7 tầng 7 tầng 7 tầng 1m 1m 1m 10m 35m 1m 5m 7m 10m 10m 10m Hình 4. Các tr ng hợp giả sử 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 Khoảng cách tới tƣờng (m) 8 6 4 2 0 2 3 4 5 6 7 Bƣớc đào1m 1 tầng 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 Khoảng cách tới tƣờng (m) 20 16 12 8 4 0 1 2 3 4 5 6 7 Bƣớc đào 7 tầng 1m 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 Khoảng cách tới tƣờng (m) 4 3 2 1 0 Bƣớc đào 20 tầng 1 2 3 4 5 6 71m L ú n ( cm ) L ú n ( cm ) L ú n ( cm ) (a) (b) (c) Hình 5. Sụt lún mặt đất với các cơng trình lân cận khác nhau Nhà 1 tầng Nhà 7 tầng Nhà 20 tầng (c) (b) (a) Hình 6. Phổ chuyển vị của đất t i giai đo n đào cu i cùng với các cơng trình lân cận khác nhau ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 23 Hình 6 trình bày phổ chuyển vị của đất tại giai đoạn đào cuối cùng. Dựa trên hình vẽ, ta cĩ thể thấy mĩng của nhà 1 tầng hồn tồn khơng cĩ tác dụng ngăn cản sụt lún mặt đất do dịng dịch chuyển của đất xung quanh hƣớng vào hố đào. Với nhà 7 tầng, mĩng cọc cắm sâu vào đất và đã ngăn bớt chuyển vị lún. Tuy nhiên, do mĩng nằm sát trong chảo lún nên gây ra chuyển vị lún lớn hơn nhà 1 tầng. Cần chú ý rằng cọc trong mơ hình đã bị loại bỏ khả năng chống uốn để khơng ngăn cản chuyển vị của đất qua cọc. Trái lại, mặc dù nhà 20 tầng nằm hồn tồn trong chảo lún, do mũi cọc cắm sâu vào lớp đất cứng (lớp đất này khơng bị dịch chuyển nhiều do đào sâu) nên cơng trình chịu tác động nhỏ bởi sụt lún mặt đất. Do đĩ, bên cạnh yếu tố vị trí của cơng trình so với chảo lún, loại mĩng cũng đĩng vai trị trong việc giảm lún của cơng trình lân cận gây bởi quá trình đào sâu. 0 4 8 12 16 20 Chiều sâu đào (m) 20 16 12 8 4 0 A B 7 tầng 10 mL ú n ( c m ) 1 m A B 0 4 8 12 16 20 Chiều sâu đào (m) 20 16 12 8 4 0 L ú n ( c m ) A B 7 tầng 10 m 5 m A B 0 4 8 12 16 20 Chiều sâu đào (m) A B 20 16 12 8 4 0 L ú n ( c m ) A B 7 tầng 10 m 7 m (a) (b) (c) Hình 7. Sụt lún mặt đất khi cơng trình lân cận nằm t i các vị trí khác nhau Hình 7 là sụt lún mặt đất khi cơng trình nhà 7 tầng đƣợc đặt cách hố đào lần lƣợt là 1 m, 5 m, và 7 m (trong phạm vi máng lún). Lún tại 2 điểm mép mĩng nhà (A và B) đƣợc vẽ theo chiều sâu đào trong hình. Dựa vào hình vẽ, ta thấy chênh lún giữa 2 điểm A và B tăng dần theo chiều sâu đào. Khi cơng trình nằm cách xa dần hố mĩng, chênh lún lớn nhất giữa 2 điểm giảm từ 6 cm xuống 2 cm. Phổ chuyển vị của đất tại giai đoạn đào cuối cùng khi cơng trình lân cận nằm tại các vị trí khác nhau đƣợc thể hiện trong Hình 8. Nhà 7 tầng Nhà 7 tầng (c) (b) Nhà 7 tầng (a) Hình 8. Phổ chuyển vị của đất t i giai đo n đào cu i cùng khi cơng trình lân cận nằm t i các vị trí khác nhau Căn cứ vào kết quả trên hình ta cĩ thể thấy, khi cơng trình 7 tầng nằm cách hố đào 1 m, điểm B (bên phải mĩng) nằm trong lịng máng lún cịn điểm A thì khơng do đĩ chênh lún giữa 2 điểm là lớn nhất. Khi cơng trình nằm ra cách xa hố đào, cả 2 điểm A và B đều nằm trong ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 24 máng lún do đĩ chênh lún giữa 2 điểm giảm dần. Cụ thể, khi cơng trình nằm xa nhất (cách hố mĩng 7 m), sụt lún tại vị trí cơng trình giảm dần do đĩ chênh lún giữa 2 điểm cũng giảm. 4. KẾT LUẬN Dựa vào các kết quả trên, một số kết luận cĩ thể đƣợc rút ra nhƣ sau: Mơ hình đất Hardening-Soil cĩ thể cho kết quả dự đốn sụt lún mặt đất tốt hơn mơ hình Mohr-Coulomb. Lý do là vì mơ hình đầu cĩ nhiều cải tiến hơn so với mơ hình sau nhƣ sự thay đổi độ cứng của đất theo ứng suất buồng (s3‟), v.v. Quá trình đào sâu cĩ ảnh hƣởng rõ rệt lên lún của cơng trình lân cận khi cơng trình nằm trên mĩng nơng và ảnh hƣởng khơng lớn với cơng trình nằm trên mĩng cọc đặt vào lớp đất cứng do lớp đất cứng ít biến dạng. Với cơng trình nằm trên mĩng cọc đặt vào lớp đất trung bình, độ lún phụ thuộc vào vị trí của cơng trình trong máng lún gây bởi đào sâu. Chênh lún của cơng trình lân cận sẽ giảm khi cơng trình nằm ra xa hố đào (nhƣng vẫn trong phạm vi máng lún) do độ lún tuyệt đối của các điểm trong mĩng cơng trình trở nên xấp xỉ nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Do T.N., Ou C.Y., and Chen R.P. (2016). A study of failure mechanism of deep excavations in soft clay using the finite element method. Comp. Geotech., 73:153-163. 2. Hashash Y.M.A. and Whittle A. J. (1994). Ground movement prediction for deep excavations in soft clay. J. Geotech. Engg., 122(6):474-486. 3. Ou C.Y., Liao J.T., and Lin H.D. (1996). Performance of diaphragm wall constructed using top-down method. J. Geotech. Geoenv. Engg., 124(9):798-808. Ng i phản biện: TS. NGUYỄN CHÂU LÂN