Phân tích tương tác kết cấu vỏ giếng với nền đất xung quanh thi công theo tổ hợp cơ giới đào giếng VSM8000

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 2 TRAN MANH LIEU; NGUYEN QUANG HUY; TRUONG VAN THINH, BUI BAO TRUNG; NGUYEN TRONG THUC; NGUYEN VAN THUONG, THAI HONG ANH: Zoning quantitative complexity of geoengineering - geotechnical conditions for construction of urban infrastructure VNU in Hoa Lac 38 PHAM QUANG TU, NGUYEN VAN TUAN: Determining soil parameters by probability analysis for vertical drain design 46 NGUYEN VAN VIEN, NGHIEM MANH HIEN, TRINH VIET CUONG: Linear analysis of rectangular pile under vertical load in layered soil 54 PHÂN TÍCH TƯƠNG TÁC KẾT CẤU VỎ GIẾNG VỚI NỀN ĐẤT XUNG QUANH THI CÔNG THEO TỔ HỢP CƠ GIỚI ĐÀO GIẾNG VSM8000 PHẠM NGỌC TRƢỜNG*, ĐỖ ANH DŨNG** Analysing interaction of soil and structure of shaft constructed by mechanical combiner VSM 8000 Abstract: This paper presents some results of studying the interaction between structure of shaft and soil surrounding using machanical combiner VSM 8000 for shafts construction. Software Plaxis 2D and 3D is used for calculation with shaft of circle and square section. The calculation results lead to a conclusion that the circle shaft is more stable than square and Plaxis 2D should be used only for concept design and Plaxis 3D for detail design. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Với việc đô thị hóa, khối lƣợng xây dựng nhà ở và công trình công cộng ngày càng tăng, sự liên tục phát triển mạng lƣới giao thông đƣờng bộ, sự hình thành các công trình và cụm công trình công nghiệp mới, các xí nghiệp... đang yêu cầu đô thị dành riêng cho những khu đất lớn. Những khu đất đó, đặc biệt tại những khu trung tâm đô thị ngày càng khan hiếm. Việc phát triển và sử dụng các không gian trên cao và không gian ngầm nhằm tăng quỹ không gian đô thị, nâng cao năng lực lƣu thông và vận chuyển hàng hóa, hành khách... là một tất yếu khách quan. Trong đó việc xây dựng giếng đứng trong hầm đƣờng bộ, đƣờng sắt, Metro... là cần thiết. * Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải 278 Lam Sơn, P. Đồng Tâm, TP Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc DĐ: 0984826232 ** Lữ đoàn 72 Bộ tư lệnh công binh, Thanh Nông, Lạc Thủy, Hòa Bình, DĐ: 0985276474 Việc xây dựng giếng đứng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất và địa hình của khu vực. Sau đợt mở rộng địa giới hành chính vào tháng 8 năm 2008, thành phố Hà Nội có diện tích 3.328,9 km 2 và dân số theo thống kê năm 2014 là 6.996.000 ngƣời. Mật độ dân số của thành phố Hà Nội là 2.087 ngƣời/km2 (theo https://vi.wikipedia.org/wiki/Hà_Nội).Thông thƣờng thành phố từ 1 triệu dân trở lên là đã yêu cầu cần có giao thông ngầm. Với quy mô thành phố nhƣ hiện nay, việc xây dựng hệ thống giao thông ngầm nói chung và giếng đứng nói riêng là thực sự cần thiết và cấp bách. 2.TỔ HỢP THIẾT BỊ CƠ GIỚI HÓA THI C NG GIẾNG ĐỨNG VSM 8000 Tổ hợp thiết bị cơ giới thi công giếng đứng VSM 8000 sử dụng thiết bị cơ giới để cắt phá đất đá tại gƣơng giếng đứng, có thể thi công giếng có đƣờng kính lên đến 8,0 m [1]. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 3 Hình 1: Thiết bị đào giếng VSM8000 Thiết bị đào giếng bao gồm hai thành phần chính: bộ phận khoan phá và bộ phận hạ chìm giếng (hình 1). Bộ phận hạ chìm giếng đƣợc neo chắc chắn vào nền móng trên bề mặt giếng. Bên trên nền móng các dạng vòng đốt đƣợc lắp ghép nhờ sự trợ giúp của cần cẩu và kích ép. Các xi lanh đẩy đƣợc lắp ráp trên bộ phận hạ chìm, đẩy các tấm đƣợc liên kết theo phƣơng thẳng đứng theo hƣớng đào giếng bằng bƣớc đào định sẵn. Bộ phận khoan đào giếng đƣợc lắp đặt ở ô đào giếng thứ nhất và đƣợc gá vào cơ cấu dẫn tiến (hình 2). Đốt giếng đầu tiên đƣợc đúc bằng bê tông, có cấu tạo đặc biệt và đƣợc hạ vào ô đào giếng thứ nhất bằng cần cẩu. Để chống lại áp lực nƣớc ngầm và tránh sự lầy lún, nƣớc ngầm xâm nhập vào giếng trong lúc xây dựng việc khai đào gƣơng giếng đƣợc thực hiện trong nƣớc. Đất đá đƣợc phá vỡ bởi một cần cắt có thể xoay 190 o theo cả hai hƣớng và đƣợc vận chuyển lên trạm thu hồi sản phẩm thông qua hệ thống ống hút. Để giảm ảnh hƣởng của giếng đứng đến các công trình xây dựng xung quanh và ngƣợc lại thì việc xác định phạm vi ảnh hƣởng của giếng đứng là rất cần thiết. Trên cơ sở đó để xác định kết cấu vỏ giếng phù hợp. Vỏ giếng thi công theo tổ hợp đào giếng VSM8000 chủ yếu là dạng kết cấu lắp ghép. Vỏ giếng là những miếng bê tông đƣợc đúc sẵn đảm bảo yêu cầu về độ bền để có thể chịu đƣợc các tải trọng, lực tác động xuất hiện trong quá trình xây dựng và sử dụng. Ngoài ra cấu trúc vỏ giếng cần phải đảm bảo tính kinh tế, số lƣợng miếng cấu kiện trong một đốt vòng giếng là nhỏ nhất, đảm bảo chống thấm và khả năng chịu nhiệt. Hình 2: Bộ phận khai đào giếng được gá vào cơ cấu dẫn tiến MT ®Êt ®¸ §èt BT l¾p ghÐp dµy 40cm Líp BT lÊp chÌn dµy 10cm a) b) D= 8m Líp BT lÊp chÌn dµy 10cm §èt BT l¾p ghÐp dµy 40cm MT ®Êt ®¸ R= 4m Bªt«ng M300 Bªt«ng M300 Hình 3: Mặt cắt ngang giếng đứng a- Vỏ giếng mặt cắt hình tròn; b- Vỏ giếng mặt cắt hình vuông. 3. MÔ HÌNH TÍNH a. Cấu tạo và các đặc trưng hình học Bài báo sẽ thực hiện phân tích kết cấu vỏ giếng có kích thƣớc phù hợp với các loại tiết diện thi công cho hệ thống tàu điện ngầm ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh (hình 3). - Xét một giếng đứng có độ sâu H, giếng tròn có 0R - bán kính trong vỏ giếng, 1R - bán kính ngoài vỏ giếng, giếng vuông có chiều dài cạnh là a, chiều dài đƣờng chéo là D. - Kết cấu công trình tiếp xúc liên tục với môi trƣờng đất đá. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 4 q 3 q 2 q 1 q 3 q 2 q 1 q d H ( m ) Líp 1 SÐt Líp 2 SÐt pha Líp 3 C¸t R 0 R 1 h1 h2 h3 d 1 d 2 Hình 4: Mô hình phân tích tương tác đàn dẻo kết cấu vỏ giếng và môi trường đất đá b. Điều kiện địa chất Với các thông số đầu vào: bê tông mác 300; chiều dày vỏ giếng d =0,5m; chiều sâu giếng H=30m; đƣờng kính giếng mặt cắt hình tròn D1=8,0m; đƣờng chéo giếng mặt cắt hình vuông D2=8,0m. Điều kiện địa chất đƣợc thể hiện trên bảng 1. Bảng 1: Địa chất tại khu vực Hà Nội STT 1 2 3 Tên lớp đất Lớp 1- Sét Lớp 2- Sét pha Lớp 3- Cát STT 1 2 3 Thông số Đơn vị 10m 10m 30m g [kN/m 3 ] 18,8 19.2 19,1 gđn [kN/m 3 ] 19,2 19.5 19,6 ef 50 rE [kN/m2] 5555 4347 7500 efr oedE [kN/m 2 ] 5555 4347 7500 ef ur rE [kN/m2] 16665 13041 22500 c [kN/m 2 ] 42 30 0,1  [ ° ] 9 10 27  [ ° ] 0 0 0 ur [ - ] 0,2 0,2 0,2 efrp [kN/m2] 100 100 100 m [ - ] 0,5 0,5 0,5 R_inter [ - ] 1 1 1 4. THỰC HIỆN TÍNH TOÁN Các phần tính toán dƣới đây đƣợc thực hiện bằng chƣơng trình tính Plaxis2D và Plaxis3D cho bài toán cụ thể với các số liệu đã cho trên đây với mặt cắt hình tròn và mặt cắt hình vuông trong điều kiện đất nền khu vực Hà Nội thi công theo công nghệ VSM8000 và kết quả tính theo phƣơng pháp giải tích để so sánh. a. Kết quả tính toán cho giếng tròn theo Plaxis3D (bảng 2) Bảng 2: Nội lực và chuyển vị của giếng tròn tính theo Plaxis3D Y N_1 M_11 M_22 U_x U_y U_z [m] [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [m] [m] [m] -30 -530,538 96,929 21,867 -7,95E-05 0,024392 -7,01E-05 -27.5 -528,28 11,947 4,918 -0,00022 0,024309 -0,00033 -25 -503,706 32,141 8,174 -0,00038 0,024269 -0,00062 -22.5 -423,956 2,935 1,122 -0,00015 0,0242 -0,00026 -20 -352,104 14,553 2,826 -0,0003 0,024144 -0,00052 -17.5 -298,612 2,649 0,473 -0,00018 0,02412 -0,00034 -15 -237,428 2,550 1,043 -0,00019 0,0241 -0,00037 -12.5 -196,425 0,724 0,081 -0,0001 0,024088 -0,00024 -10 -155,422 -1,102 -0,881 -7,99E-05 0,024077 -0,00022 -7.5 -112,572 -0,090 -0,932 -2,69E-05 0,024071 -0,00015 -5 -73,9345 -0,757 -1,738 2,21E-05 0,024065 -9,46E-05 -2.5 -39,0033 -0,768 -1,587 6,45E-05 0,024061 -4,53E-05 0 -4,07221 -0,778 -1,435 0,000129 0,024057 4,17E-05 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 5 Momen M11 Momen M22 Chuyển vị Ux Chuyển vị Uz Hình 6: Momen và chuyển vị giếng tròn theo mô hình 3D b. Kết quả tính toán cho giếng tròn theo Plaxis2D (bảng 3) Momen Chuyển vị Ux Hình 7: Biểu đồ momen và chuyển vị cho giếng tròn theo mô hình 2D Bảng 3: Nội lực và chuyển vị của giếng tròn tính theo Plaxis2D X Y N M_max M_min U_x U_y [m] [m] [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [m] [m] 4 -30 -913,23 651,628 0 -0,0001135 0,024986 4 -27,5 -822,-33 0 -46,634 -0,00027809 0,02488 4 -25 -736,525 0 -0,68992 -0,00031581 0,024823 4 -22,5 -657,968 2,097645 0 -0,00026612 0,024778 4 -20 -586,981 0 -2,67082 -0,00026293 0,024743 4 -17,5 -520,574 0,567945 -1,89112 -0,00027482 0,024721 4 -15 -452,99 0,166581 0 -0,00023341 0,0241 4 -12,5 -385,795 0,308418 -0,02114 -0,0001916 0,024705 4 -10 -318,129 0,438612 -0,38071 -0,00015416 0,024682 4 -7,5 -243,052 0,083229 -0,01217 -0,00011201 0,024675 4 -5 -163,809 0,148969 -0,65538 -6,8193E-05 0,02467 4 -2,5 -81,1609 0,121721 -1,81734 -1,6833E-05 0,024667 4 0 -0,75256 1E-12 -8E-12 1,7146E-05 0,024664 c. Kết quả tính toán cho giếng vuông theo Plaxis3D (bảng 4) Bảng 4: Nội lực và chuyển vị giếng vuông tính theo Plaxis3D ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 6 Y N M_11 M_22 U_x U_y U_z [m] [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [m] [m] [m] -30 -1388,89 314,1294 -2,3499 -6,52E-05 0,009826 -4,45E-07 -27.5 -747,227 -66,2132 -374,815 -0,00182 0,00967 -1,70E-06 -25 -105,56 -446,556 -747,281 -0,00306 0,009623 -2,73E-06 -22.5 -472,054 -127,828 -618,067 -0,0027 0,009571 -3,66E-06 -20 -440,554 -147,435 -556,502 -0,00255 0,009523 -4,53E-06 -17.5 -307,159 -96,1999 -509,579 -0,00232 0,009498 -5,33E-06 -15 -288,713 -100,332 -473,662 -0,00215 0,009473 -6,04E-06 -12.5 -238,43 -78,4075 -387,427 -0,00175 0,009451 -6,67E-06 -10 -188,158 -56,4828 -301,192 -0,00138 0,009433 -7,25E-06 -7.5 -140,575 -43,3363 -223,347 -0,00102 0,009419 -7,83E-06 -5 -93,2127 -26,5493 -144,806 -0,00068 0,009409 -8,42E-06 -2.5 -43,2855 -14,3946 -77,7908 -0,00036 0,009403 -9,01E-06 0 5,885301 1,013233 -10,1931 -6,81E-05 0,009401 -9,62E-06 Momen M11 Momen M22 Chuyển vị Ux Chuyển vị Uz Hình 8: Momen và chuyển vị của giếng vuông theo mô hình 3D Bảng 5: Nội lực và chuyển vị lớn nhất của giếng tròn Giếng tròn tính theo Plaxis3D Giếng tròn tính theo Plaxis2D N_1max M_11max M_22max U_xmax U_ymax U_zmax Nmax Mmax U_xmax U_ymax [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [mm] [mm] [mm] [kN/m] [kNm/m] [mm] [mm] 530,538 96,9292 22,0078 0,767 24,52 0,738 913,23 651,628 0,34 24,99 H=30m H=30m H=30m H=25m H=30m H=25m H=30m H=30m H=26.25m H=30m Bảng 6: Nội lực và chuyển vị lớn nhất của giếng vuông Giếng vuông tính theo Plaxis3D N_1max M_11max M_22max U_xmax U_ymax U_zmax [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [mm] [mm] [mm] 1388,89 314,129 687,884 3,07 9,83 3,06 H=30m H=30m H=30m H=25m H=30m H=25m d. Kết quả tính theo phương pháp giải tích (bảng 7) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 7 Việc tính áp lực lên khung-vỏ chống dựa theo cơ sở lý thuyết tƣờng chắn đất. Theo Protodiaconov, áp lực tác dụng lên khung vỏ chống là áp lực chủ động, đƣợc xác định gần đúng cho toàn bộ chiều dài giếng là:         2 90 .. 0 2  tgzP Trong đó: : dung trọng trung bình của khối đá quanh giếng. : góc ma sát ảo trung bình. z: độ sâu kể từ mặt đất đến đáy giếng. Hình 9: Mô hình tính kết cấu giếng thông thường Ngoại lực tác dụng lên kết cấu vỏ giếng thuần túy chỉ có áp lực phân bố đều của đất đá xung quanh khoang giếng. Trong trƣờng hợp này nội lực trong kết cấu vỏ giếng chỉ có lực dọc N đƣợc tính bởi: N=P*R Trong đó: P - là áp lực phân bố đều xung quanh khoang giếng tròn; R - là bán kính của giếng (R=4m). Bảng 7: Nội lực kết cấu vỏ giếng theo phƣơng pháp giải tích TT Tên lớp đất Chiều dày(m)  (kN/m3)  (độ) Áp lực đất (kN/m2) Lực dọc (kN/m) 1 Sét 10 18,8 9 137,137 548,548 2 Sét pha 10 19,2 10 272,322 1089,288 3 Cát 10 19,1 27 344,047 1376,188 5. CÁC NHẬN XÉT Từ kết quả bài toán cụ thể ta có nhận xét sau: - Ở cả 3 mô hình momen và lực dọc đều tăng dần theo chiều sâu và đạt giá trị lớn nhất tại độ sâu h=30m. - Với bài toán giếng tròn theo mô hình 3D có M_11max = 96,9292 kNm/m và M_22max = 22,0078 kNm/m, bài toán giếng vuông theo mô hình 3D có M_11max = 314,129 kNm/m và M_22max = 687,884 kNm/m. Nhƣ vậy ta thấy nội lực mặt cắt giếng hình vuông lớn hơn mặt cắt giếng tròn. - Chuyển vị của giếng mặt cắt hình vuông và giếng mặt cắt tròn theo mô hình 3D đều đạt giá trị lớn nhất tại độ sâu h=25m. Cụ thể với bài toán giếng tròn có U_xmax = 0,767 mm và U_zmax = 0,738 mm, bài toán giếng vuông có U_xmax = 3,07 mm và U_zmax = 3,06 mm. Nhƣ vậy ta thấy chuyển vị của giếng vuông lớn hơn so với giếng tròn. - Với bài toán giếng tròn theo phƣơng pháp giải tích có Nmax = 1376,188 kN/m. Theo mô hình 2D có Mmax = 651,628 kNm/m, Nmax = 913,23 kN/m. Theo mô hình 3D có M_11max = 96,9292 kNm/m,, M_22max = 22,0078 kNm/m, Nmax = 530,538 kN/m. Nhƣ vậy nội lực bài toán giếng tròn theo phƣơng pháp giải tích lớn hơn so với bài toán giếng tròn theo mô hình 2D và nội lực bài toán theo mô hình 2D lớn hơn so với mô hình 3D. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 8 6. KẾT LUẬN - Giếng đứng mặt cắt ngang hình tròn có độ bền vững, độ ổn định - phù hợp với quy luật thực tế cao hơn so với mặt cắt giếng hình vuông. Hiện nay, mặt cắt giếng đứng hình tròn đƣợc sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm. Có thể kể tới một số hãng chuyên sản xuất tổ hợp đào giếng đứng mặt cắt giếng hình tròn nhƣ ―Herenknecht‖ của Đức, ―Dosko Overseas Engineering Ltd‖ của Anh, ―Bennett Asociates Ltd‖ của Anh. - Nội lực và chuyển vị của bài toán giếng tròn theo Plaxis3D cho kết quả phù hợp với quy luật và số liệu đo đạc thực tế hơn so với bài toán giếng tròn theo Plaxis2D và theo phƣơng pháp giải tích. Nhƣ vậy nên dùng Plaxis2D để thiết kế sơ bộ còn Plaxis3D để thiết kế kỹ thuật nhƣ khuyến cáo của nhiều tác giả trên thế giới. - Các kết quả trên đây, tiếp theo, sẽ đƣợc nghiên cứu toàn diện hơn để có thể vận dụng tính toán thiết kế giếng phục vụ cho quá trình nghiên cứu và thi công các công trình đạt hiệu quả. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GS. TS Võ Trọng Hùng (2012), Thi công giếng đứng, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ. 2. GS.TS Đỗ Nhƣ Tráng (2002), Cơ học đá và tương tác hệ kết cấu công trình ngầm môi trường đất đá, Nhà xuất bản Quân đội nhân dân. 3 GS.TS Đỗ Nhƣ Tráng (1997), Áp lực đất và tính toán kết cấu công trình ngầm, Giáo trình Công trình ngầm, Học viện kỹ thuật quân sự. 4. PGS. TS Đỗ Văn Đệ (2012), Phần mềm Plaxis 3D Foundation ứng dụng vào tính toán móng và công trình ngầm, Nhà xuất bản Xây dựng. 5. Ladanyi, B. 1974. Use of the long-term strength concept in determination of ground pressure on tunnel linings. Proc. 3rd Int. Cong. on Rock Mech. 1150-56. Nat. Acad. Sci: Washington. 6. Windsor, C.R.& Alan G. Thompson.1998. The design of shotcrete linings for excavations created by drill and blast methods. Proc. 1998 Aust. Shotcrete Conf., IBC Conferences: Sydney. Người phản biện: GS. TS ĐÕ NHƢ TRÁNG