Tính c ấp thiết
Đô thị hóa và phát triển đô thị bền vững là yếu tố then chốt cho sự phát triển quốc gia, tuy nhiên, sự gia tăng dân số đô thị đã tạo áp lực lên hạ tầng và quy hoạch Việc khai thác không gian dưới mặt đất, như đường hầm và bãi đỗ xe ngầm, trở nên cần thiết nhưng gặp nhiều thách thức trong môi trường đô thị chật hẹp Để đảm bảo an toàn và chất lượng công trình, người thiết kế cần tuân thủ "Năm Nguyên tắc xây dựng": bảo vệ môi trường, an toàn, tiến độ, kinh tế và thẩm mỹ Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng thi công cọc ván thép cho nhà có hai tầng hầm tại Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng công nghệ ép tĩnh trong điều kiện xây chen.
Ph ạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài
Trong xây dựng, có nhiều loại tường như tường cọc bê tông cốt thép, tường cọc bản bê tông cốt thép và tường cọc đất trộn xi măng Bài viết này tập trung nghiên cứu ứng dụng tường cọc ván thép trong thi công tầng hầm bằng công nghệ ép tĩnh.
Tường cọc ván thép trong đề tài này chỉ giới hạn cho nhà có 2 tầng hầm trong việc xây chen sử dụng công nghệ ép tĩnh.
Phương pháp nghiên cứu
Bài viết sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp số và so sánh kết quả đo đạc từ một công trình thực tế có 2 tầng hầm xây chen Mục tiêu là đánh giá tính khả thi của việc thi công cọc ván thép bằng công nghệ ép tĩnh.
B ố cục luận văn
Mở đầu: Tính cấp thiết, phạm vi nghiên cứu, giới hạn đề tài và phương pháp nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về Cọc ván thép và Công nghệ thi công cọc ván thép hiện nay
Chương 2: Công nghệ ép tĩnh cọc ván thép cho công trình xây chen bằng thiết bị Silent Pile
Chương 4 tập trung vào việc phân tích tính khả thi của việc sử dụng cọc ván thép trong thi công công trình có 2 tầng hầm, áp dụng công nghệ ép tĩnh trong điều kiện xây chen Nghiên cứu này nhằm đánh giá hiệu quả và độ an toàn của phương pháp thi công, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thi công và khả năng chịu lực của cọc ván thép Việc áp dụng công nghệ ép tĩnh không chỉ giúp tăng cường tính ổn định cho công trình mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường xung quanh.
Kết luận và Kiến nghị
TỔNG QUAN VỀ CỌC VÁN THÉP VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG
C ọc ván thép
1.1.1 Tổng quan về Cọc ván thép
Cọc ván thép (steel sheet pile) ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực xây dựng, được ứng dụng rộng rãi trong các công trình thủy công như cảng, bờ kè, cầu tàu và các dự án dân dụng như bãi đậu xe ngầm và tầng hầm Loại vật liệu này không chỉ thích hợp cho các công trình tạm thời mà còn được sử dụng cho các công trình vĩnh cửu, nhờ vào những đặc tính ưu việt giúp gia tăng khả năng chịu lực trong các công trình xây dựng.
Cọc ván thép được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1908 tại Mỹ trong dự án Black Rock
Harbour, tuy nhiên trước đó người Ý đã sử dụng tường cọc bản bằng gỗ (hình 1.1) để làm tường vây khi thi công móng mố trụ cầu trong nước
Ngoài gỗ và thép, cọc bản có thể được sản xuất từ nhôm và bê tông ứng lực trước Tuy nhiên, cọc ván thép vẫn được ưa chuộng hơn nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
Cọc ván thép hiện có nhiều hình dạng tiết diện đa dạng như chữ U, chữ Z, mũ (Hat type), tấm phẳng (straight web) và hộp (box pile), mang lại nhiều tính năng ưu việt cho các kết cấu tường chắn khép kín Tùy thuộc vào mức độ tải trọng tác dụng, tường chắn có thể chỉ sử dụng cọc ván thép hoặc kết hợp với các loại cọc khác.
Người Ý đã sử dụng tường cọc gỗ trong việc xây dựng mố trụ cầu, kết hợp với cọc ván thép và thép hình H hoặc cọc thép ống để tăng cường khả năng chịu mô men uốn Các cọc ván thép được liên kết với nhau tại hai biên, tạo thành một bức tường liên tục vững chắc, có khả năng chịu áp lực ngang và tải trọng đứng nhờ vào sức chống đầu cọc và ma sát giữa thân cọc và đất nền.
Hình 1.2 Cọc ván thép chữ H và Cọc thép ống [13]
Cọc ván thép có bề rộng bản dao động từ 400 đến 750mm, trong đó cọc có bề rộng lớn thường mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn do giảm số lượng cọc cần thiết cho cùng một độ dài tường chắn Việc giảm số lượng cọc không chỉ tiết kiệm thời gian và chi phí thi công mà còn giảm lượng nước ngầm chảy qua các rãnh khóa của cọc Chiều dài cọc có thể được chế tạo lên tới 38m tại xưởng, nhưng chiều dài thực tế thường phụ thuộc vào điều kiện vận chuyển, thường từ 9 đến 15m, trong khi cọc dạng hộp gia công tại công trường có thể đạt tới 72m.
1.1.2 Ưu và nhược điểm của Cọc ván thép
Cọc ván thép có những ưu điểm sau:
- Khả năng chịu ứng suất động khá cao (cả trong quá trình thi công lẫn trong quá trình sử dụng)
- Khả năng chịu lực lớn trong khi trọng lượng khá bé
- Cọc ván thép có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia tăng chiều dài
- Cọc ván thép có thể sử dụng nhiều lần, do đó có hiệu quả về mặt kinh tế
- Có khả năng thi công nhanh và trong các khu vực chật hẹp
Cọc ván thép ngày càng trở nên phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt trong các công trình tạm và vĩnh cửu Các dự án lớn như cảng Container trung tâm Sài Gòn đã sử dụng 22.100 m cọc ván thép, tương đương hơn 2.100 tấn, và bến số 3, số 4 cảng Đình Vũ – Hải Phòng với 25.450 m, tương đương 2.673 tấn Nhiều công trình khác cũng ứng dụng cọc ván thép, bao gồm dự án đường cao tốc TP.HCM – Trung Lương và cải tạo nút giao thông Kim Liên – Hà Nội, cùng với các công trình nhà cao tầng.
Theo nghiên cứu của Nippon Steel Corporation, cọc ván thép được sử dụng phổ biến tại Nhật Bản cho các công trình xây dựng vĩnh cửu cũng như các công trình tạm thời phục vụ thi công.
Khoảng 70% lượng cọc ván thép tại Nhật Bản được sử dụng cho các công trình vĩnh cửu, với 30% dành cho kè bờ sông, tiếp theo là các công trình xây dựng bến cảng, cầu tàu, cũng như các công trình phục vụ nông nghiệp, ngư nghiệp và kè chắn đường Chỉ có 30% lượng cọc ván thép được sử dụng cho các công trình tạm.
Cọc ván thép có nhược điểm lớn nhất là tính bị ăn mòn trong môi trường làm việc, đặc biệt khi sử dụng cho các công trình vĩnh cữu Tuy nhiên, nhược điểm này có thể khắc phục thông qua các phương pháp bảo vệ như sơn phủ chống ăn mòn, mạ kẽm, hoặc sử dụng loại cừ thép chế tạo từ thép đặc biệt có khả năng chống ăn mòn cao Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng mức độ ăn mòn của cừ thép thay đổi theo thời gian và môi trường Do đó, dựa vào thời gian phục vụ của công trình, người thiết kế có thể lựa chọn loại cừ thép với độ dày phù hợp để giảm thiểu ảnh hưởng của ăn mòn.
1.1.3 Ứng dụng của Cọc ván thép
Cọc ván thép được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau như sau:
Công trình vĩnh cữu bao gồm các hạng mục như cầu cảng, gia cố bờ sông hoặc kênh rạch, đê chắn sóng, tường chắn, tường chống xói, tường cắt dòng, đập, đê biển và nhiều công trình khác Những công trình này đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và phát triển hạ tầng.
- Công trình tạm thời: Tường chắn đất, tường chống, công trình phục vụ thi công mố trụ cầu, công trình dạng đảo và các công trình khác
Cọc ván thép là giải pháp lý tưởng cho các công trình đặc biệt như xi lô dầu, bảo vệ ống dẫn dầu, và các công trình chống động đất, biển lấn Với khả năng chịu tải trọng động cao, cọc ván thép rất phù hợp cho các công trình cảng, cầu tàu, và đê đập, có thể chịu áp lực từ sóng biển và lực va đập của tàu thuyền Nhiều công trình cảng trên thế giới đã áp dụng cọc ván thép, thường kết hợp với hệ tường neo và thanh neo, tạo thành tường chắn vững chắc Đất được lấp đầy bên trong, với nền cảng bằng bê tông cốt thép và móng cọc ống thép hoặc cọc bê tông cốt thép ứng suất trước bên dưới Tường cọc thép được ngàm vào bê tông tương tự như cọc ống, trong khi hệ tường neo sử dụng cọc ván thép với kích thước và chiều dài nhỏ hơn.
Việc sử dụng cọc ván thép để ổn định mái dốc và làm bờ bao trong các công trình đường bộ và hầm giao thông qua địa hình đồi dốc phức tạp hoặc ven sông là một giải pháp hiệu quả.
Cọc ván thép được sử dụng trong các công trình dân dụng như tường tầng hầm cho nhà nhiều tầng và bãi đỗ xe ngầm, thay thế cho tường bê tông cốt thép Phương pháp thi công Topdown cho phép hạ cọc ván thép trước, tạo thành tường vây chắn đất cho hố đào Cọc ván thép được hàn thép chờ bên trong để liên kết chắc chắn với bê tông của các dầm biên sau này Để ngăn nước vào tầng hầm, các rãnh khóa giữa các cọc được chèn bitum hoặc hàn liên tục, với khuyến nghị sử dụng cọc bản rộng để giảm số lượng rãnh khóa Thiết kế cọc ván thép cần kiểm tra điều kiện bền chịu tải trọng ngang và chống cháy để xác định độ dày phù hợp Bề mặt cọc bên trong được sơn phủ nhằm nâng cao thẩm mỹ và bảo vệ chống ăn mòn.
Cọc ván thép được sử dụng chủ yếu để làm tường vây chắn đất hoặc nước trong thi công các hố đào tạm thời, phổ biến trong xây dựng tầng hầm, móng cầu, hệ thống cấp thoát nước ngầm, và các công trình hạ tầng khác Tùy thuộc vào độ sâu và áp lực của đất và nước, cọc ván thép có thể được lắp đặt độc lập hoặc kết hợp với hệ giằng thép hình, thường là thép hình I hoặc H để thuận tiện cho thi công Để chống nước chảy qua các rãnh khoá, phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí là sử dụng hỗn hợp xi măng trộn đất sét, giúp ngăn nước gần như tuyệt đối.
Cọc ván thép không chỉ là phương tiện thi công cho các hố đào tạm thời mà còn là vật liệu xây dựng vĩnh cửu trong nhiều công trình Sản phẩm cọc ván thép trên thị trường rất đa dạng về hình dáng và kích cỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lựa chọn Mỗi công trình có nhiều giải pháp thiết kế khác nhau với các loại vật liệu khác nhau, do đó, việc quyết định có sử dụng cọc ván thép hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố như địa hình, mực nước ngầm, chi phí và điều kiện thi công Điều quan trọng là nhà đầu tư có nhiều cơ hội lựa chọn để đạt được mục tiêu của mình.
Dưới đây là một số hình ảnh ứng dụng của Cọc ván thép:
Hình 1.3 Tổng quan về ứng dụng Cọc ván thép [6]
Hình 1.4 Ứng dụng cọc ván thép cho tường bảo vệ bến, tường chắn, đảo nhân tạo [6]
Hình 1.5 Ứng dụng cọc ván thép cho kè bảo vệ sông, tường chắn, bảo vệ móng trụ cầu, tường chắn tạm thời, vòng vây ngăn nước [6]
[Nguồn hình ảnh trên từ Tập đoàn thép JFE [10]]
1.1.4 Đặc trưng của Cọc ván thép
Tìm hi ểu các công nghệ thi công ép cọc ván thép hiện nay
Hiện nay, có ba loại công nghệ thi công cừ ván thép dựa trên nguyên lý làm việc của máy đóng cọc, bao gồm loại va đập, loại rung và loại máy ép.
- Nguyên lý làm việc: Dùng lực va đập tác dụng lên đầu cọc, nhờ lực này mà cọc được đóng xuống đất
Máy thi công hạ cọc hiện nay bao gồm các loại như búa hơi, búa máy Diesel và búa thủy lực, đang được sử dụng phổ biến trong ngành xây dựng Đây là loại máy đầu tiên trong hệ thống máy đóng cọc, với búa lớn nhất tại Việt Nam có bộ phận rơi lên đến 30 tấn, tương đương với sức ép 30.000 tấn.
Phương pháp đóng cọc này có nhiều nhược điểm, bao gồm lực xung kích lớn gây ra tiếng ồn và ô nhiễm môi trường, cùng với việc tạo ra chấn động cho các khu vực lân cận Hơn nữa, việc sử dụng máy đóng cọc này cũng gây khó khăn trong việc kiểm tra chất lượng và sức chịu tải của cọc trong quá trình hạ cọc, dẫn đến nguy cơ hỏng cọc do lực đóng mạnh và ứng suất động lớn.
- Sử dụng năng lượng hơi nước hoặc không khí nén
- Quả búa hơi được chia làm hai loại: Quả búa tác động đơn và quả búa tác động kép
Búa hơi sử dụng áp lực của khí nén hoặc hơi nước để nâng búa lên độ cao cần thiết cho việc đóng cọc Sau đó, khí được xả nhanh chóng để búa rơi xuống và hạ cọc Loại búa này được gọi là búa tác động đơn.
Trong quả búa tác động kép, năng lượng từ hơi nước hoặc không khí nén không chỉ giúp nâng đầu búa lên cao mà còn thúc đẩy quá trình rơi xuống đầu cọc nhanh chóng.
- Ở Việt Nam, Công ty Cơ khí Mai Động (Hà Nội) đã chế tạo được loại máy này có khối lượng bộ phận rơi: 50 kg, 75 kg, 150 kg và 250 kg
1.2.1.2 Búa Diezel (hình 1.23a): Cơ chế làm việc dựa vào khối nặng được nện xuống đầu cọc do hành trình có chu kỳ của piston khi đốt cháy nhiên liệu dầu Diezel Búa máy Diezel làm việc theo nguyên lý động cơ đốt trong hai thì Theo cấu tạo chúng được chia làm hai loại: Loại ống dẫn và loại cột dẫn Ưu điểm: Ở Việt Nam hiện nay, phần lớn sử dụng búa Diezel làm búa đóng cọc vì nhiều ưu điểm Kết cấu búa đơn giản, trọng lượng nhỏ dễ thao tác, dễ lắp đặt, tháo lắp dễ dàng, nhiều phụ tùng thay thế, di chuyển tiện lợi, lực xung kích lớn, khi làm việc không cần nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài như nồi hơi, ống dẫn khí nén
Nhược điểm của phương pháp cọc mảnh bao gồm việc khi đóng xuống đất mềm, búa có thể tụt nhanh, dẫn đến việc nhiên liệu không cháy hết Điều này không chỉ tạo ra tiếng ồn lớn mà còn gây ra hiện tượng tràn dầu và nhớt, ảnh hưởng đến hiệu suất và môi trường.
(a) (b) Hình 1.23 Thi công ép cọc bằng búa [Nguồn: Internet] a) Búa Diezel; b) Búa Thủy lực.
1.2.1.3 Búa Thủy lực (hình 1.23b): Búa máy thuỷ lực làm việc dưới áp lực của chất lỏng công tác (thường là dầu thuỷ lực) có áp suất lớn từ (10-30 Mpa) Búa máy thuỷ lực được chia làm hai loại: Loại đơn động và loại song động
- Ở búa máy đơn động, chất lỏng công tác làm nhiệm vụ nâng đầu búa lên cao, sau đó để rơi tự do
- Trong quả búa song động,ngoài nhiệm vụ nâng đầu búa lên cao chất lỏng công tác còn tác dụng làm đầu búa rơi nhanh xuống đầu cọc
Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng lực rung động để giảm lực bám giữa đất và cọc Cọc được hạ xuống nhờ trọng lượng của búa và cọc Máy thi công áp dụng phương pháp này là búa máy rung động.
Máy búa rung là thiết bị phổ biến trong việc đóng cọc, đặc biệt hiệu quả trên nền cát tơi xốp và trong các địa hình chật hẹp Chúng rất hữu ích khi thực hiện đóng cọc cát gia cố nền.
Có hai loại búa rung: Loại dùng điện (thi công với xe cẩu – hình 1.24) và Loại dùng Thủy lực gắn trên máy đào (hình 1.25)
Hình 1.24 Máy rung điện với cẩu
[Nguồn: Internet] Hình 1.25 Máy rung thủy lực gắn trên xe đào
Phương pháp ép cọc tĩnh sử dụng lực tĩnh để đẩy cọc xuống nền đất mà không gây ra rung động, lực xung kích hay tiếng ồn như phương pháp va đập Đặc điểm này khiến phương pháp ép tĩnh trở thành lựa chọn phổ biến trong thi công xây dựng ở các đô thị, đặc biệt là những khu vực gần dân cư và các công trình hiện hữu.
• Máy thi công dùng cho phương pháp này:
+ Máy ép cọc Thủy lực
+ Máy nén ép cọc tự hành Giken Silent Piler
1.2.3.1 Máy ép cọc Thủy lực(hình 1.26): Được dùng phổ biến và rất nhiều ở nước ta hiện nay, Máy ép cọc thuỷ lực áp dụng hệ thống truyền động thuỷ lực Đây là hệ thống truyền động được sử dụng ngày một nhiều, nó là một thành tựu khoa học kỹ thuật trong truyền động
Hình 1.26 Máy ép cọc thủy lực[Nguồn: Internet]
-Cọc ép êm chất lượng cọc được đảm bảo
- Không có tiếng ồn tiếng động lớn nên có thể thi công ở các đô thị, gần dân cư
- Không có lực xung kích, rung động nên có thể thi công được ở gần các công trình
- Do lực ép tĩnh nên không thểép cọc lớn
- Năng suất ép cọc thấp
- Máy lớn cồng kềnh không thích hợp ở những nơi xây chen có diện tích chật hẹp mà máy không thể vào được
* Máy ép cọc thủy lực thường dùng hiện nay:
- Máy ép cọc thuỷ lực sử dụng chất tải
- Máy ép cọc thuỷ lực sử dụng vít xoắn ruột gà
- Máy ép cọc thuỷ lực sử dụng cơ cấu bám vào chân công trình
Máy ép cọc sử dụng chất tải và máy vít xoắn ruột gà là thiết bị quan trọng trong thi công ép cọc, giúp tạo nền móng vững chắc cho công trình.
-> Còn máy ép cọc sử dụng cơ cấu bám vào chân công trình được dùng ép cọc sau khi đã tạo móng cho công trình
1.2.3.2 Máy nén ép cọc tự hành Giken Silent Piler (phương pháp nén – ép “press-in”):
Việc sử dụng phương pháp đóng cọc truyền thống không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn yêu cầu không gian xây dựng lớn cho máy móc Các thiết bị cồng kềnh thường gây tắc nghẽn giao thông và không thể thi công ở những khu đất chật hẹp Để khắc phục vấn đề này, thiết bị Silent piler ra đời, sử dụng phương pháp nén – ép với máy thủy lực để đóng cọc thép Máy ép cọc nhỏ gọn, không cần cẩu lắp đặt nhưng cần có cẩu riêng để treo giữ cọc Phương pháp này phù hợp với không gian thi công hạn chế, đáp ứng yêu cầu về tiếng ồn và độ rung thấp Tuy nhiên, trong trường hợp đất nền cứng, việc đóng cọc có thể gặp khó khăn, và máy tạo xói nước sẽ hỗ trợ hiệu quả khi được sử dụng cùng.
Hình 1.27 Máy nén ép cho cọc ván théo kiểu “cái mũ” [6]
Hình 1.28 Máy nén ép cho cọc ván thép kiểu chữ U [6]
Hình 1.29 Máy nén ép thi công tiếp cận sát bên [6]
Công nghệ thi công cọc ván thép hiện nay có những ưu điểm nổi bật như khả năng chịu lực tốt, thi công nhanh chóng và tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, bên cạnh đó cũng tồn tại một số nhược điểm như khó khăn trong việc thi công ở những khu vực có địa hình phức tạp và yêu cầu kỹ thuật cao Những ưu và nhược điểm này cần được cân nhắc kỹ lưỡng để lựa chọn phương pháp thi công phù hợp nhất.
Máy ép tĩnh (Silent piler) Ưu điểm
Hiệu quả làm việc cao
Lực đóng có thể điều chỉnh được
Lực đóng có thể điều chỉnh được
Lực đóng có thể điều chỉnh được không cần thiết bị lớn
Sử dụng cho cả việc ép và nhổ cọc
Tiếng ồn dao động thấp sử dụng cho việc ép và nhổ cọc
Hiệu quả làm việc cao, tiếng ồn và dao động thấp sử dụng cho cả việc ép và nhổ cọc, tính an toàn cao và thi công nhanh
- Tiếng ồn và dao động lớn
- Xảy ra hiện tượng tràn dầu, nhớt,
Tiếng ồn và dao động lớn
Tiếng ồn và dao động lớn
- Tiếng ồn và dao động lớn
- Hiệu quả làm việc thấp
Tiếng ồn và dao động lớn
Hiệu quả làm việc tương đối thấp
Giá thành đầu tư ban đầu cao
CÔNG NGHỆ ÉP TĨNH CỌC VÁN THÉP BẰNG THIẾT BỊ
T ổng quan về công nghệ Press-in
Theo Goh (2010), trong Sách trắng năm 1996 của Bộ Môi trường Nhật Bản, đã xác định bảy loại ô nhiễm môi trường do ngành công nghiệp xây dựng gây ra, bao gồm ô nhiễm không khí, nước, đất, mùi hôi, tiếng ồn, độ rung và độ lún mặt đất Trong số đó, tiếng ồn là loại ô nhiễm nhận được tỷ lệ khiếu nại cao nhất từ người dân, như thể hiện trong hình 2.1.
Gần 40% khiếu nại liên quan đến tiếng ồn, trong khi khoảng 10% là do rung động phát sinh trong quá trình xây dựng Điều này cho thấy tiếng ồn và độ rung tại công trường xây dựng là những vấn đề nghiêm trọng cần được giải quyết liên tục trong suốt quá trình thi công.
Hình 2.1 Khiếu nại của dân chúng về hoạt động xây dựng tại Nhật Bản [1]
Việc sử dụng phương pháp đóng cọc truyền thống không chỉ gây ra các vấn đề về môi trường mà còn yêu cầu một không gian xây dựng lớn để lắp đặt máy móc thiết bị Các thiết bị cồng kềnh thường chiếm nhiều diện tích, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông, như minh họa trong hình 2.2.
Hình 2.2 Giao thông bị tắc nghẽn trong quá trình xây dựng công trình [1]
Một số khu đất hẹp giữa các tòa nhà hiện có khiến việc thi công bằng máy móc truyền thống trở nên khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được.
Năm 1967, Ông Akio Kitamura thành lập Công ty Giken Seisakusho ở Kochi, Nhật Bản để khắc phục những khó khăn và hậu quả được đề cập ở trên Vào năm
Vào năm 1975, nhu cầu cấp bách về việc xử lý ô nhiễm tiếng ồn và rung động đã dẫn đến sự ra đời của máy nén nhổ cọc tĩnh kiểu áp lực dầu, hoạt động theo nguyên lý nén ép tĩnh mà không gây ô nhiễm môi trường Để ép cọc ván thép xuống nền đất mà không tạo ra rung động hay tiếng ồn, máy cần có cơ cấu kháng lại tải trọng tĩnh lớn do sức kháng xuyên và phản lực tác động Nguyên lý cơ bản của máy nén ép tĩnh là kẹp một số cọc ván thép đã được ép vào nền đất làm phản lực, sau đó sử dụng tải trọng tĩnh từ áp lực dầu để ép cọc ván thép tiếp theo xuống nền đất.
Hình 2.3 Máy nén ép cọc dựa trên nguyên lý lực kháng [1]
Nhiều loại máy móc đã được phát triển để sản xuất các loại cọc với hình dạng và vật liệu đa dạng, bao gồm cọc chữ U, Z, H, ống cọc ván thép và cọc bê tông.
Hình 2.4 Hình dạng và vật liệu khác nhau của cọcván thép [1]
Tính năng của máy nén -ép Silent piler
2.2.1 Cơ chế tự di chuyển trên đầu cọc
Máy ép cọc tĩnh bao gồm ba phần chính kết nối qua một đường sắt trượt Phần chân có ba hoặc bốn móng kẹp giữ máy trên các cọc bằng cách kẹp chặt cọc vào nền đất Phần mâm cặp gắn vào thân máy có chức năng di chuyển theo chiều dọc, cho phép ép cọc xuống đất mà không gây tiếng ồn và rung lắc Máy được nâng lên bằng các kích thủy lực và được giữ vững bởi mâm cặp trên đầu cọc.
Hình 2.5 Cơ chế tự di chuyển trên đầu cọc [1]
2.2.2 Hệ thống GRB không dàn
Vào năm 1982, Hệ thống Giken Reaction Base (GRB) đã được phát triển cùng với công nghệ ép tĩnh, cho phép thi công ép không dàn ở các khu vực nhạy cảm, trên mặt nước và trên dốc bờ kè Hệ thống này kết hợp thiết bị công nghệ ép tĩnh với bộ nguồn, cần cẩu và thiết bị vận chuyển cọc, giúp đặt cọc vào bộ phận vận chuyển và lắp đặt cọc vào mâm cặp của máy ép tĩnh.
Hình 2.6 Thiết bị được hệ thống hóa bởi GRB [1]
Phương pháp này cho phép thực hiện công việc ép cọc trên mặt nước mà không cần sử dụng xà lan, đồng thời có thể tiến hành tại khu vực bờ kè mà không cần dàn lan can bên ngoài Điều này đặc biệt hữu ích trong không gian chật hẹp, nơi mà các thao tác truyền thống không thể thực hiện được.
2.2.3 Ép cọc trong đất cứng
Trong điều kiện đất nền cứng với sự xuất hiện của đá và đá cuội, việc ép cọc gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là khi sử dụng kỹ thuật đóng cọc truyền thống cho các cọc ván thép dài và mỏng Việc đóng cọc cưỡng bức thường dẫn đến hư hại rãnh khóa và mũi cọc Để khắc phục vấn đề này, các kỹ thuật phụ trợ như hệ thống phun nước và hệ thống khoan cắt là cần thiết, được áp dụng song song với quy trình nén ép.
Hệ thống vòi xối nước áp lực cao giúp giảm áp lực đất tạm thời trong quá trình nén ép bằng cách phun nước qua vòi linh hoạt từ máy ép cọc Áp lực nước cao này có tác dụng thổi bay các hạt nhỏ, tạo lỗ thí điểm qua lớp đất cứng, cho phép cọc đẩy các hạt nặng như sỏi ra khỏi đường đi và bôi trơn cọc tạm thời, giảm ma sát giữa đất và cọc.
Hình 2.7 Phương pháp ép cọc với hệ thống xối nước thổng thể [1]
Phương pháp nén ép là một phần quan trọng trong hệ thống khoan, diễn ra đồng thời với quá trình ép cọc, giúp cọc được cắm sâu vào đất qua lớp đất cứng Mũi khoan sẽ phá vỡ nền đất cứng và loại bỏ một lượng đất nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ép cọc.
Hình 2.8 Phương pháp ép cọc với hệ thống khoan cắt [1]
2.2.4 Ép cọc trong điều kiện thi công chật hẹp Đô thị hóa đang tiến triển rất nhanh trong tất cả các thành phố lớn trong khi đó cơ sở hạ tầng được quy hoạch không đồng bộ.Một số khu vực chật hẹp như đường phố chật hẹp giữa các tòa nhà hiện có không thể xây dựng được với những khó khăn trong việc tiếp cận của máy thi công.Máy ép cọc tĩnh đã được thiết kế để làm việc trong những điều kiện chật hẹp như vậy (hình 2.9), cho phép các vùng đất biên được xây dựng thay vì để chúng lãng phí
Hình 2.9Giải quyết những khó khăn trong các khu vực chật hẹp [1]
• Giải quyết được với việc thi công bị cản trở trên cao
Các hạn chế về cấu trúc như cầu và dây cáp điện cao thế không ảnh hưởng đến việc thi công các công trình ép cọc, nhờ vào việc sử dụng máy nén ép tĩnh Máy nén ép gần mặt đất giúp quá trình thi công diễn ra thuận lợi hơn.
Hình 2.10 Có khoảng trống trên cao trong quá trình ép cọc [1]
Ứng dụng của máy nén - ép Silent piler
2.3.1 Ứng dụng với công trình giao thông.
Trong xây dựng đường bộ, việc đào và san lấp sườn dốc nhằm tạo mặt đường có thể dẫn đến hiện tượng sạt lở đất do trọng lực Khối lượng đất đá trên sườn dốc có xu hướng di chuyển xuống dưới, gây ra nguy hiểm cho các phương tiện giao thông và làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn đường bộ.
Để ngăn chặn sạt lở đất, việc xây dựng tường chắn trên các khu vực dốc là cần thiết Các khu vực này có thể được khai thác để tạo ra làn đường mới, giúp giải quyết tình trạng kẹt xe hiện tại Khái niệm này ngày càng được áp dụng trong các dự án mở rộng đường ở đô thị, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng đất một cách hiệu quả.
Hình 2.12 Tường chắn cắm sâu vào đất nền cho công trình giao thông mở rộng [1]
Việc xây dựng tường chắn trên dốc là một quá trình phức tạp do độ dốc của mặt đất và không gian làm việc hạn chế, thường có luồng giao thông liên tục Phương pháp đóng cọc truyền thống đòi hỏi phải làm dàn tạm lớn, gây khó khăn trong quá trình xây dựng Tuy nhiên, hiện nay, vấn đề này có thể được giải quyết hiệu quả bằng hệ thống ép cọc GRB không dàn, thi công bằng công nghệ “press-in”.
Hình 2.13 So sánh giữa phương pháp truyền thống và hệ thống GRB không dàn
Hệ thống GRB ép cọc không dàn tiên tiến đã được ứng dụng trong dự án mở rộng đường lớn tại Yokohama, Nhật Bản, nơi có môi trường xây dựng bị hạn chế do khu dân cư xung quanh Các công trình được thực hiện thành công mà không gây ra gián đoạn lớn cho lưu lượng giao thông hiện tại, với 130.000 xe qua lại mỗi ngày.
Hình 2.14 Ép cọc trên sườn dốc [1]
2.3.2 Ứng dụng trong thi công móng cầu
Việc thay thế cầu cũ bằng cách xây mới thường diễn ra ở môi trường nông thôn với lưu lượng giao thông thấp và giá đất rẻ Ngược lại, trong các khu vực đô thị đông dân cư, tái phát triển cầu cũ trở nên cần thiết do khan hiếm đất và tình trạng tắc nghẽn giao thông trong quá trình xây dựng, gây thiệt hại lớn về kinh tế.
Hình 2.15 Sửa chữa cây cầu cũ [1]
Trụ cầu mở rộng mới sẽ được thi công trong điều kiện làm việc nghiêm ngặt trên cao và trên mặt nước, điều này khiến việc sử dụng hệ thống đóng cọc truyền thống trở nên khó khăn Tuy nhiên, công nghệ ép tĩnh với máy nén ép được thiết kế đặc biệt cho phép thực hiện việc ép cọc dưới cầu mà không gây xáo trộn giao thông bên trên, đảm bảo lưu thông liên tục trong quá trình sửa chữa trụ cầu.
Hình 2.16 Thi công sửa chữa cầu [1]
2.3.3 Ứng dụng cải tạo công trình đường sắt
Việc xây dựng đường hầm và sửa chữa các tuyến đường sắt trong khu vực đô thị luôn đặt ra thách thức lớn cho các nhà thầu do không gian làm việc hạn chế Các công trình thường diễn ra trong hành lang hẹp, không đủ cho xe cần cẩu đậu Công nghệ nén ép tĩnh đã giải quyết vấn đề này nhờ vào sự phát triển của máy nén ép nhỏ gọn và nhẹ với hệ thống GRB không dàn.
Hình 2.17 Thi công ép cọc cho các đường hầm tàu điệnngầm [1]
Theo thống kê, tỷ lệ rơi vật liệu và thiết bị trong các vụ tai nạn xây dựng ngày càng gia tăng, chủ yếu do quá trình thi công đóng cọc Điều này cho thấy luôn tiềm ẩn nguy cơ tai nạn trong mọi điều kiện, đặc biệt khi thi công gần đường sắt vào ban đêm Để giảm thiểu rủi ro và đẩy nhanh tiến độ hoàn thành công trình, cần thay đổi thiết bị và phương pháp thi công Công nghệ nén ép tĩnh cho phép hệ thống ép cọc bám chắc vào đầu cọc đã được ép trước đó, đảm bảo an toàn trong thi công, ngay cả khi làm việc gần đường giao thông và các kết cấu khác, cho phép thi công 24 giờ mỗi ngày.
Hình 2.18 Thi công ép cọc các công trình liền kề với đường sắt hiện có [1]
K ết luận chương 2
Sản phẩm của công trình xây dựng đạt hiệu quả cao khi hài hòa giữa đơn vị sử dụng, nhà thầu thi công và môi trường xung quanh, phản ánh xu hướng phát triển bền vững của xã hội hiện đại Các phương pháp thi công cọc truyền thống không còn phù hợp, do đó, phương pháp “press-in” ra đời như một giải pháp hiệu quả cho việc ép cọc trong các công trình xây dựng tại đô thị, góp phần đảm bảo tính bền vững và đáp ứng nhu cầu của công chúng cùng môi trường xung quanh.
ÁP LỰC ĐẤ
Tính toán Áp l ực đất có xét đến chuyển vị của tường
Khi tường chắn đất dịch chuyển, áp lực đất thay đổi từ áp lực đất chủ động đến áp lực đất bị động Cụ thể, khi tường di chuyển về phía trước, áp lực đất giảm xuống mức tối thiểu, còn khi tường ép vào đất đắp, áp lực đất tăng lên mức tối đa Thí nghiệm cho thấy, khi chuyển vị ở đỉnh tường đạt từ 0,1% đến 0,5% chiều cao tường, áp lực đất của đất có tính cát giảm xuống áp lực đất chủ động Để đất lấp có tính cát đạt được áp lực đất bị động, chuyển vị ở đỉnh tường cần lớn hơn 5% chiều cao tường Từ đó, có thể nhận thấy ảnh hưởng của chuyển vị tường chắn đối với áp lực đất có nhiều tình huống khác nhau.
Hình 3.1 Biến đổi khác nhau của thân tường gây ra sự sai khác về áp lực đất [7]
Hình 3.2 Chuyển dịch của tường và điều chỉnh tăng giảm áp lực đất [7]
- Khi đỉnh tường cố định, đầu dưới tường dịch chuyển ra phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 3.1a);
- Khi hai đầu trên và dưới tường cố định nhưng phần giữa tường thì vòng ra phía ngoài, áp lực đất có hình yên ngựa (hình 3.1b);
- Khi tường dịch chuyển song song ra phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 4.1c);
- Khi tường nghiên ra phía ngoài quay theo trung tâm đoạn dưới tường sẽ gây ra áp lực đất chủ động bình thường (hình 3.1d);
- Khi tường chắn hoàn toàn không dịch chuyển sinh ra áp lực đất tĩnh (hình 3.1e)
Khi tường chịu ngoại lực và biến dạng, nếu chuyển vị ngang tại điểm m là δ, áp lực đất p tác động vào m sẽ tăng thêm trị số Khδ, trong đó Kh là hệ số nền nằm ngang của đất Áp lực đất tại cạnh α bị chèn ép sẽ được tính toán dựa trên sự gia tăng này.
Trong đó: p α : cường độ áp lực đất hướng ngang ở vị trí tính toán tác động vào tường; p 0 : cường độ áp lực đất tĩnh ở cùng một vị trí tĩnh;
Hệ số nền nằm ngang (K h) của nền đất tường và chuyển vị ngang (δ) tại vị trí tính toán ảnh hưởng đến áp lực đất Tại cạnh β, khi đất trở nên tơi xốp, áp lực đất sẽ giảm với trị số Khδ, dẫn đến áp lực đất tại cạnh này được xác định.
Trong đó: pβ: cường độ áp lực đất nằm ngang chủ động tác động ở vị trí tính toán trên tường p 0α p 0β
Áp lực đất bị động tăng lên theo sự chuyển vị, nhưng khi đạt đến trạng thái giới hạn, áp lực này không tăng thêm nữa, được gọi là áp lực đất bị động Ngược lại, áp lực đất chủ động giảm dần theo sự tăng chuyển vị, và khi đạt đến giới hạn mà áp lực không giảm thêm, thì đây được gọi là áp lực đất chủ động.
+ p p : cường độ áp lực đất bị động của tường ở vị trí tính toán;
Cường độ áp lực đất chủ động của tường được xác định tại vị trí tính toán Để hiệu chỉnh áp lực đất, phương pháp này yêu cầu tính toán lặp đi lặp lại nhiều lần nhằm đạt được kết quả hợp lý Áp lực đất tĩnh có xu hướng giảm dần cho đến khi đạt áp lực đất chủ động hoặc tăng lên cho đến áp lực đất bị động, điều này cần có tường cứng chuyển động ngang hoặc quay Brinch-Hansen đã đề xuất định lượng δ cho loại chuyển vị này.
Với áp lực chủ động:δa=0,001H;
Với áp lực bị động: δa=0,01H
Trong đó: H – chiều cao của tường
Chủ động bị động chủ động bị động
Biến dạng của thân tường khi chịu áp lực đất chủ động và bị động được thể hiện qua hai trạng thái: a) Ứng suất chủ động và bị động do chuyển vị ngang của thân tường; b) Tình huống khi thân tường quay quanh chân tường.
Chuyển vị cần thiết của tường để sinh ra áp lực đất chủ động và bị động trong đất cát và đất sét cho ở bảng 3.1.
Bảng 3.1: Chuyển vị cần thiết ở đỉnh tường để sinh ra áp lực đất chủ động và bị động [7]
Loại đất Trạng thái ứng suất Hình thức chuyển dịch Chuyển vị cần thiết Đất cát Chủ động
Song song với thân tường Quay quanh chân tường Song song với thân tường Quay quanh chân tường
Song song với thân tường Quay quanh chân tường
Ghi chú: Bảng này trích trong “Sổ tay công trình móng” do Phương Hiểu
Dựa trên số liệu đã phân tích, đối với các kết cấu chắn giữ hố móng thông thường, việc tạo ra chuyển vị thân tường để phát sinh áp lực đất chủ động là tương đối dễ dàng, trong khi đó, lượng chuyển vị cần thiết để tạo ra áp lực đất bị động lại lớn hơn nhiều.
3.2.1 Phương pháp tính áp lực nước bình thường
Tải trọng tác động lên kết cấu chắn đất không chỉ bao gồm áp lực đất mà còn có áp lực nước từ nước ngầm Khi tính toán áp lực nước, trọng lượng nước thường được xác định là γwkN/m³ Áp lực nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sự thay đổi theo mùa, độ kín nước của tường chắn trong quá trình thi công đào hố, độ sâu của tường trong đất và phương pháp xử lý thoát nước.
Tính áp lực nước, đất dưới mực nước ngầm thường dùng 2 phương pháp là
"Nước đất tính riêng" là phương pháp tính toán áp lực nước và áp lực đất một cách riêng biệt trước khi cộng lại Đối với đất có tính cát và đất bột, việc áp dụng phương pháp này cho phép xác định chính xác áp lực của từng thành phần, từ đó tổng hợp lại để có được giá trị tổng thể.
Với đất có tính sét có thể căn cứ vào tình hình ở hiện trường và kinh nghiệm thi công để xem tính chung hoặc tính riêng
3.2.2 Phương pháp tính riêng áp lực nước và đất
Phương pháp nước đất tính riêng sử dụng trọng lượng đẩy nổi để xác định áp lực đất, đồng thời áp dụng áp lực nước tĩnh để tính toán áp lực nước Cuối cùng, tổng áp lực bên được tính bằng cách cộng hai loại áp lực này lại với nhau (hình 3.4).
Hình 3.4 Tính áp lực đất và áp lực nước [7]
Lợi dụng nguyên lí ứng suất hữu hiệu để tính áp lực đất, tính riêng áp lực nước, đất, tức là:
Trong đó: γ': trọng lượng đẩy nổi của đât;
K' a : hệ số áp lực nước chủ động tính theo chỉ tiêu cường độ ứng suất hữu hiệu
K' p : hệ số áp lực nước bị động tính theo chỉ tiêu cường độ ứng suất hữu hiệu
Trong đó: φ': góc ma sát trong hữu hiệu; c': lực dính kết hữu hiệu; γw: trọng lượng của đất γ'K a -2c K a
Mặc dù khái niệm về phương pháp này khá rõ ràng, nhưng trong thực tế, việc áp dụng còn gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong việc xác định chỉ tiêu cường độ hữu hiệu Do đó, trong nhiều trường hợp, người ta thường sử dụng phương pháp ứng suất tổng để tính toán áp lực đất và sau đó cộng thêm áp lực nước.
K a : hệ số áp lực nước chủ động tính theo chỉ tiêu cường độ ứng suất tổng của đất;
Kp là hệ số áp lực nước bị động, được tính dựa trên cường độ ứng suất tổng của đất Góc ma sát trong (φ) được xác định qua phương pháp cắt cố kết không thoát nước, có thể là cố kết cắt nhanh hoặc không cố kết không thoát nước Lực dính kết (c) cũng được xác định theo các phương pháp cắt cố kết không thoát nước hoặc không cố kết không thoát nước.
3.2.3 Phương pháp áp lực nước đất tính chung
Phương pháp áp lực nước đất được tính bằng trọng lượng bảo hòa của đất, cho phép xác định tổng áp lực nước và đất Đây là một phương pháp phổ biến, đặc biệt khi áp dụng cho đất sét, nơi đã tích lũy nhiều kinh nghiệm Công thức tính toán được sử dụng trong phương pháp này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong các dự án xây dựng.
Trong đó: γsat: trọng lượng bảo hòa của đất, từ mực nước ngầm trở xuống có thể áp dụng gần đúng trọng lượng tự nhiện;
K a : hệ số áp lực nước chủ động :
Hệ số áp lực nước bị động (Kp) được xác định dựa trên góc ma sát trong điều kiện cắt cố kết không thoát nước, có thể áp dụng cho cả phương pháp cắt cố kết nhanh và phương pháp tổng ứng xuất Ngoài ra, lực dính kết (c) cũng được xác định theo các phương pháp tương tự, đảm bảo tính chính xác trong việc đánh giá áp lực nước trong đất.
3.2.4 Tính áp lực nước khi dòng thấm ở trạng thái ổn định
3.2.4.1 Tính áp lực nước dòng thấm theo phương pháp lưới thấm
Khi thi công hố móng, việc hạ thấp mực nước ngầm bên trong tường vây sẽ tạo ra chênh lệch cột nước giữa bên trong và bên ngoài Nước ngầm từ ngoài sẽ chảy vào hố, và nếu dòng thấm ổn định, áp lực nước tác động lên tường vây có thể được xác định bằng phương pháp lưới thấm.
Hình 3.5 Phân bố áp lực nước ở thân tường [7]
(1) Đường cột nước áp lực phía trước tường; (2) Đường cột nước áp lực phía sau tường; (3) Đường cột nước áp lực tĩnh
Phân tích tường vây theo phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là một kỹ thuật số hiệu quả để tìm nghiệm gần đúng cho các hàm chưa biết trong các miền xác định phức tạp Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho các bài toán trong lĩnh vực vật lý và kỹ thuật, nơi hàm cần tìm được xác định trên các vùng nhỏ với đặc trưng hình học và vật lý khác nhau, cùng với các điều kiện biên đa dạng.
Phaân boá hình thang Phân bố tam giác
Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng công trình, nhằm dự báo chuyển vị tường vây trong từng giai đoạn thi công hố đào tầng hầm.
3.3.1 Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr Coulomb
3.3.1.1Tổng quát về mô hình
Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr Coulomb (MC) là một trong những mô hình đất cơ bản và phổ biến nhất, phản ánh ứng xử đàn hồi – dẻo lý tưởng của đất nền Mô hình này phù hợp với mọi loại đất và nhờ tính đơn giản, dễ sử dụng, nó thường được áp dụng để tính toán gần đúng các ứng xử ban đầu của đất.
Trong mô hình Mohr Coulomb, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính trong miền đàn hồi, được xác định bởi hai thông số chính là mô đun E và hệ số Poisson ν Đồng thời, tiêu chuẩn phá hoại của đất nền được quy định bởi hai yếu tố quan trọng: sức khoáng cắt c và góc ma sát ϕ.
3.3.1.2 Quá trình làm việc của đất
Trong giai đoạn ban đầu, độ lệch ứng suất q=σ1 - σ3 còn nhỏ, vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi
Khi q đạt đến một giá trị nào đó (TTGH đàn hồi), sức kháng của đất, σ’ const biến dạng ε vẫn tiếp tục tăng
Hinh 3.7 Quan hệ ứng suất – biến dạng dọc trục [3] σ' ε e ε p ε
Tiêu chuẩn phá hoại Mohr Coulomb, các phương trình mặt giới hạn được biểu diễn:
Trên mặt bao phá hoại xác định được ba hàm thế năng dẻo:
Trong đó: ψ - góc giãn nở của đất
Với c>0, tiêu chuẩn MC cho phép đất chịu kéo Trong trường hợp này, xác định được các hàm dẻo: f 4 = σ'1 - σ't f 5 = σ' 2 - σ' t f 6 = σ' 2 - σ' t
Với σ' t=tension : Ứng suất kéo cho phép
Các hàm trên được thể hiện bằng hình nón sáu cạnh trong không gian ứng suất chính:
Hình 3.8 Các mặt bao phá hoại MC trong không gian ứng suất chính [3]
3.3.1.3 Xác định các thông số cơ bản
Trong mô hình Mohr Coulomb, các thông số quan trọng nhất bao gồm độ cứng E, hệ số Poisson v, và sức chống cắt c, ϕ, ψ, bên cạnh các thông số cơ bản của đất nền như dung trọng và hệ số thấm.
Các thông số đầu vào của mô hình này là:
E – mô đun đàn hồi của vật liệu (kN/m2)
Trong đó: Eo - mô đun biến dạng dùng cho sét cố kết trước và đá;
E 50 - mô đun biến dạng dùng cho sét cố kết thường và cát v – Hệ số Poisson; ϕ - Góc ma sát trong (độ)
C – cường độ kháng cắt của vật liệu (kN/m2) ψ - góc dãn nở của vật liệu (độ)
Trong phần mềm Plaxis, đưa ra hai lựa chọn để nhập thông số độ cứng:Eref kết hợp với v và Eoed kết hợp với mô đun chống cắt G
Hình 3.9 Xác định E 0 và E 50 từ kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước [3]
E oed : mô đun biến dạng (được xác định từ thí nghiệm nén cố kết)
Hình 3.10 Xác định qua thí nghiệm nén cố kết [3]
• Thông số sức chống cắt c, ϕ:
Thông số sức chống cắt trong mô hình được phân loại thành hai dạng: thoát nước và không thoát nước, tùy thuộc vào mục đích và phương pháp phân tích Các thông số sức chống cắt thoát nước thường được xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước hoặc từ các giá trị sức chống cắt hữu hiệu trong thí nghiệm ba trục cố kết không thoát nước Nếu không có thí nghiệm ba trục CU, CD, có thể sử dụng kết quả từ thí nghiệm cắt trực tiếp, nhưng độ tin cậy sẽ không cao.
Thông số sức chống cắt không thoát nước được xác định mà không tính đến góc ma sát trong của đất nền (ϕu = 0), chỉ xem xét lực dính của đất (Cu) Giá trị Cu được xác định thông qua các phương pháp thí nghiệm như thí nghiệm ba trục không thoát nước, thí nghiệm cắt cánh ngoài hiện trường, hoặc thí nghiệm nén một trục nở hông trong phòng thí nghiệm.
• Hệ số Poisson ν Được xác định thông qua mối quan hệ với hệ số áp lực ngang tĩnh K0:
K 0 : hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh của đất, theo Jaky: K 0 = 1-sinφ
Bảng 3.2: Giá trị hệ số Poisson của một số loại đất [12]
Loại đất Hệ số Poisson ν
Cát có độ chặt trung bình 0,25 ÷ 0,4
Sét có độ cứng trung bình 0,20 ÷ 0,5
• Các thông số nâng cao
Mô đun của đất nền thực tế phụ thuộc vào ứng suất, tuy nhiên mô hình Mohr Coulomb chỉ sử dụng một giá trị E cố định Để cải thiện điều này, phần nâng cao của mô hình Plaxis đã cung cấp tính năng điều chỉnh mô đun theo độ sâu, giúp tối ưu hóa mô hình cho phù hợp với thực tế.
: Số gia mô đun biến dạng gia tăng theo chiều sâu
E inc = (5 ÷ 20) (kN/m²/m) thể hiện sự gia tăng lực dính theo chiều sâu, trong khi c inc = (1 ÷ 5) (kN/m²/m) chỉ ra số gia lực dính tăng theo độ sâu Độ sâu bắt đầu xuất hiện lớp đất y ref (m) là cao trình tại bề mặt lớp đất.
R inter : Hệ số giảm cường độ tại bề mặt tiếp xúc c inter = R inter c soil tanφ = R inter tanφ soil
Bảng 3.3: Giá trị giảm cường độ tại bề mặt tiếp xúc R inter [12]
Sự tương tác giữa R inter
Sét và bê tông 1,00 ÷ 0,70 Đất và lưới địa kỹ thuật 1,00 Đất và vải địa kỹ thuật 0,90 ÷ 0,50
3.3.2 Mô hình tái bền đẳng hướng Hardening Soil
3.3.2.1 Các đặc trưng cơ bản
Mô hình Hardening Soil (HS) là một phương pháp tiên tiến để mô phỏng hành vi ứng suất - biến dạng của nhiều loại đất, bao gồm cả đất cứng và đất mềm.
Mô hình Hardening Soil (HS) khác biệt so với mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr Coulomb, vì mặt ngưỡng dẻo không cố định mà có thể thay đổi tùy thuộc vào mức độ biến dạng của đất Mô hình HS kết hợp hai loại ứng xử tái bền của đất nền: chống cắt và chống nén, cho thấy ứng xử của đất dưới tải trọng là không tuyến tính, không đàn hồi và phụ thuộc vào cường độ ứng suất Mặc dù mô hình đàn hồi không tuyến tính có thể dự đoán ứng xử của đất ở mức ứng suất nhỏ, nhưng trong trường hợp thí nghiệm ba trục thoát nước, mô hình HS xấp xỉ đường cong ứng suất lệch và biến dạng dọc trục bằng đường hyperbol Mặc dù mô hình hyperbol có thể được sử dụng trong mô hình Duncan & Chang, nhưng mô hình HS lại bỏ qua đáng kể mô hình này Thay vào đó, mô hình Hardening Soil dựa trên lý thuyết dẻo, cho phép mô phỏng ứng suất biến dạng không hồi phục và khả năng mô phỏng ứng xử biến dạng thể tích tái bền mà mô hình Duncan không thể thực hiện.
Mô hình Hardening Soil (HS) cung cấp một cách tiếp cận tốt hơn so với hình Mohr Coulomb trong việc mô phỏng ứng xử dở tải của đất Mô hình này có khả năng tính toán chính xác sự phân bố áp lực dưới móng bè cũng như bên cạnh các kết cấu tường chắn (Brinkgreve 2007).
3.3.2.2 Quá trình làm việc của đất
Mô hình HS phân biệt các mô đun của đất dựa trên trạng thái và lộ trình ứng suất, bao gồm biến dạng dẻo do ứng suất lệch E50, biến dạng dẻo do ứng suất nén chính E oed, và biến dạng đàn hồi trong quá trình dở tải và nén lại Eur Các giá trị E không cố định cho mỗi loại đất mà thay đổi theo ứng suất Độ cứng của đất nền biến đổi được mô tả bằng một hàm mũ (m) với biến là ứng suất tại vị trí đang xem xét.
Trong đó Eref là giá trị mô đun của đất nền tương ứng với giá trị ứng suất của đất nền là Pref Thông thường Pref= 100(kPa)
Khi ứng suất lệch tăng, độ cứng của đất giảm và biến dạng dẻo gia tăng Đặc biệt, trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước, mối quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng thẳng đứng được thể hiện rõ ràng qua hàm hyperbol.
Trong đó: q f : ứng suất lệch phá hoại được xác định từ tiêu chuẩn phá hoại Mohr Coulomb, thông qua thông số chống cắt c, φf:
Hình 3.11 Mối quan hệ hyperpolic giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước [3] Đường phá hoại Đường tiệm cận
Hình 3.12 Vùng đàn hồi mô hình HS trong không gian ứng suất chính [3]
3.3.2.3 Xác định các thông số cơ bản
* Thông số mô đun biến dạng
Mô đun đất nền trong mô hình HS phân thành 3 dạng ( , , ) và phụ thuộc vào ứng suất
Mô đun biến dạng cát tuyến trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước được xác định qua thông số (kN/m2) và áp lực buồng σ 3 bằng với giá trị Pref Từ đó, ta có thể vẽ mối liên hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục ε 1, giúp xác định mô đun cát tuyến tương ứng.