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

TRAN MANH LIEU; NGUYEN QUANG HUY; TRUONG VAN THINH, BUI BAO TRUNG; NGUYEN<br /> TRONG THUC; NGUYEN VAN THUONG, THAI HONG ANH: Zoning quantitative complexity of<br /> geoengineering - geotechnical conditions for construction of urban infrastructure VNU in Hoa<br /> Lac 38<br /> PHAM QUANG TU, NGUYEN VAN TUAN: Determining soil parameters by probability analysis<br /> for vertical drain design 46<br /> NGUYEN VAN VIEN, NGHIEM MANH HIEN, TRINH VIET CUONG: Linear analysis of<br /> rectangular pile under vertical load in layered soil 54<br /> <br /> <br /> PHÂN TÍCH TƯƠNG TÁC KẾT CẤU VỎ GIẾNG<br /> VỚI NỀN ĐẤT XUNG QUANH THI CÔNG THEO TỔ HỢP<br /> CƠ GIỚI ĐÀO GIẾNG VSM8000<br /> PHẠM NGỌC TRƢỜNG*, ĐỖ ANH DŨNG**<br /> <br /> Analysing interaction of soil and structure of shaft constructed by<br /> mechanical combiner VSM 8000<br /> Abstract: This paper presents some results of studying the interaction between<br /> structure of shaft and soil surrounding using machanical combiner VSM 8000<br /> for shafts construction. Software Plaxis 2D and 3D is used for calculation with<br /> shaft of circle and square section. The calculation results lead to a conclusion<br /> that the circle shaft is more stable than square and Plaxis 2D should be used<br /> only for concept design and Plaxis 3D for detail design.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Việc xây dựng giếng đứng phụ thuộc rất<br /> Với việc đô thị hóa, khối lƣợng xây dựng nhà ở nhiều vào điều kiện địa chất và địa hình của khu<br /> và công trình công cộng ngày càng tăng, sự liên vực. Sau đợt mở rộng địa giới hành chính vào<br /> tục phát triển mạng lƣới giao thông đƣờng bộ, sự tháng 8 năm 2008, thành phố Hà Nội có diện<br /> hình thành các công trình và cụm công trình công tích 3.328,9 km2 và dân số theo thống kê năm<br /> nghiệp mới, các xí nghiệp... đang yêu cầu đô thị 2014 là 6.996.000 ngƣời. Mật độ dân số của<br /> dành riêng cho những khu đất lớn. Những khu đất thành phố Hà Nội là 2.087 ngƣời/km2 (theo<br /> đó, đặc biệt tại những khu trung tâm đô thị ngày https://vi.wikipedia.org/wiki/Hà_Nội).Thông<br /> càng khan hiếm. Việc phát triển và sử dụng các thƣờng thành phố từ 1 triệu dân trở lên là đã yêu<br /> không gian trên cao và không gian ngầm nhằm cầu cần có giao thông ngầm. Với quy mô thành<br /> tăng quỹ không gian đô thị, nâng cao năng lực lƣu phố nhƣ hiện nay, việc xây dựng hệ thống giao<br /> thông và vận chuyển hàng hóa, hành khách... là thông ngầm nói chung và giếng đứng nói riêng<br /> một tất yếu khách quan. là thực sự cần thiết và cấp bách.<br /> Trong đó việc xây dựng giếng đứng trong 2.TỔ HỢP THIẾT BỊ CƠ GIỚI HÓA THI<br /> hầm đƣờng bộ, đƣờng sắt, Metro... là cần thiết. C NG GIẾNG ĐỨNG VSM 8000<br /> Tổ hợp thiết bị cơ giới thi công giếng đứng<br /> VSM 8000 sử dụng thiết bị cơ giới để cắt phá<br /> * Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải đất đá tại gƣơng giếng đứng, có thể thi công<br /> 278 Lam Sơn, P. Đồng Tâm, TP Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc giếng có đƣờng kính lên đến 8,0 m [1].<br /> DĐ: 0984826232<br /> **<br /> Lữ đoàn 72 Bộ tư lệnh công binh, Thanh Nông, Lạc<br /> Thủy, Hòa Bình,<br /> DĐ: 0985276474<br /> <br /> <br /> 2 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  quá trình xây dựng và sử dụng. Ngoài ra cấu<br /> trúc vỏ giếng cần phải đảm bảo tính kinh tế, số<br /> lƣợng miếng cấu kiện trong một đốt vòng giếng<br /> là nhỏ nhất, đảm bảo chống thấm và khả năng<br /> chịu nhiệt.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Thiết bị đào giếng VSM8000<br /> Thiết bị đào giếng bao gồm hai thành phần<br /> chính: bộ phận khoan phá và bộ phận hạ chìm<br /> giếng (hình 1). Bộ phận hạ chìm giếng đƣợc neo<br /> chắc chắn vào nền móng trên bề mặt giếng. Bên<br /> trên nền móng các dạng vòng đốt đƣợc lắp ghép<br /> nhờ sự trợ giúp của cần cẩu và kích ép. Các xi<br /> lanh đẩy đƣợc lắp ráp trên bộ phận hạ chìm, đẩy<br /> các tấm đƣợc liên kết theo phƣơng thẳng đứng<br /> theo hƣớng đào giếng bằng bƣớc đào định sẵn.<br /> Bộ phận khoan đào giếng đƣợc lắp đặt ở ô<br /> đào giếng thứ nhất và đƣợc gá vào cơ cấu dẫn Hình 2: Bộ phận khai đào giếng được gá<br /> tiến (hình 2). vào cơ cấu dẫn tiến<br /> Đốt giếng đầu tiên đƣợc đúc bằng bê tông, có Líp BT lÊp chÌn dµy 10cm<br /> MT ®Êt ®¸ MT ®Êt ®¸<br /> <br /> cấu tạo đặc biệt và đƣợc hạ vào ô đào giếng thứ §èt BT l¾p ghÐp dµy 40cm §èt BT l¾p ghÐp dµy 40cm<br /> <br /> nhất bằng cần cẩu. R=<br /> 4m<br /> 8m<br /> D= Líp BT lÊp chÌn dµy 10cm<br /> <br /> <br /> <br /> Để chống lại áp lực nƣớc ngầm và tránh sự Bªt«ng M300<br /> Bªt«ng M300<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> lầy lún, nƣớc ngầm xâm nhập vào giếng trong<br /> lúc xây dựng việc khai đào gƣơng giếng đƣợc a) b)<br /> <br /> <br /> thực hiện trong nƣớc. Hình 3: Mặt cắt ngang giếng đứng<br /> Đất đá đƣợc phá vỡ bởi một cần cắt có thể a- Vỏ giếng mặt cắt hình tròn;<br /> xoay 190o theo cả hai hƣớng và đƣợc vận b- Vỏ giếng mặt cắt hình vuông.<br /> chuyển lên trạm thu hồi sản phẩm thông qua hệ<br /> thống ống hút. 3. MÔ HÌNH TÍNH<br /> Để giảm ảnh hƣởng của giếng đứng đến các a. Cấu tạo và các đặc trưng hình học<br /> công trình xây dựng xung quanh và ngƣợc lại Bài báo sẽ thực hiện phân tích kết cấu vỏ<br /> giếng có kích thƣớc phù hợp với các loại tiết<br /> thì việc xác định phạm vi ảnh hƣởng của giếng<br /> diện thi công cho hệ thống tàu điện ngầm ở Hà<br /> đứng là rất cần thiết. Trên cơ sở đó để xác định<br /> Nội và TP. Hồ Chí Minh (hình 3).<br /> kết cấu vỏ giếng phù hợp. Vỏ giếng thi công<br /> - Xét một giếng đứng có độ sâu H, giếng tròn<br /> theo tổ hợp đào giếng VSM8000 chủ yếu là có R0 - bán kính trong vỏ giếng, R1 - bán kính<br /> dạng kết cấu lắp ghép.<br /> ngoài vỏ giếng, giếng vuông có chiều dài cạnh<br /> Vỏ giếng là những miếng bê tông đƣợc đúc<br /> là a, chiều dài đƣờng chéo là D.<br /> sẵn đảm bảo yêu cầu về độ bền để có thể chịu<br /> - Kết cấu công trình tiếp xúc liên tục với môi<br /> đƣợc các tải trọng, lực tác động xuất hiện trong trƣờng đất đá.<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 3<br />  STT 1 2 3<br /> Thông số Đơn vị 10m 10m 30m<br /> g [kN/m3] 18,8 19.2 19,1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> h1<br /> Líp 1<br /> SÐt gđn [kN/m3] 19,2 19.5 19,6<br /> q1 q1 ref<br /> E50 [kN/m2] 5555 4347 7500<br /> d1<br /> H (m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Líp 2 ref<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> h2<br /> SÐt pha E oed [kN/m2] 5555 4347 7500<br /> R1<br /> q2 q2 E ref<br /> R0 ur [kN/m2] 16665 13041 22500<br /> Líp 3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> h3<br /> 2<br /> d2<br /> C¸t c [kN/m ] 42 30 0,1<br /> q3 q3  [°] 9 10 27<br />  [°] 0 0 0<br /> qd ur [-] 0,2 0,2 0,2<br /> ref<br /> p [kN/m2] 100 100 100<br /> Hình 4: Mô hình phân tích tương tác đàn dẻo m [-] 0,5 0,5 0,5<br /> kết cấu vỏ giếng và môi trường đất đá R_inter [-] 1 1 1<br /> <br /> b. Điều kiện địa chất 4. THỰC HIỆN TÍNH TOÁN<br /> Với các thông số đầu vào: bê tông mác Các phần tính toán dƣới đây đƣợc thực hiện<br /> 300; chiều dày vỏ giếng d =0,5m; chiều sâu bằng chƣơng trình tính Plaxis2D và Plaxis3D<br /> giếng H=30m; đƣờng kính giếng mặt cắt hình cho bài toán cụ thể với các số liệu đã cho trên<br /> tròn D1=8,0m; đƣờng chéo giếng mặt cắt hình đây với mặt cắt hình tròn và mặt cắt hình vuông<br /> vuông D2 =8,0m. Điều kiện địa chất đƣợc thể trong điều kiện đất nền khu vực Hà Nội thi công<br /> hiện trên bảng 1. theo công nghệ VSM8000 và kết quả tính theo<br /> Bảng 1: Địa chất tại khu vực Hà Nội phƣơng pháp giải tích để so sánh.<br /> a. Kết quả tính toán cho giếng tròn theo<br /> STT 1 2 3 Plaxis3D (bảng 2)<br /> Lớp 1- Lớp 2- Lớp 3-<br /> Tên lớp đất<br /> Sét Sét pha Cát<br /> Bảng 2: Nội lực và chuyển vị của giếng tròn tính theo Plaxis3D<br /> Y N_1 M_11 M_22 U_x U_y U_z<br /> [m] [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [m] [m] [m]<br /> -30 -530,538 96,929 21,867 -7,95E-05 0,024392 -7,01E-05<br /> -27.5 -528,28 11,947 4,918 -0,00022 0,024309 -0,00033<br /> -25 -503,706 32,141 8,174 -0,00038 0,024269 -0,00062<br /> -22.5 -423,956 2,935 1,122 -0,00015 0,0242 -0,00026<br /> -20 -352,104 14,553 2,826 -0,0003 0,024144 -0,00052<br /> -17.5 -298,612 2,649 0,473 -0,00018 0,02412 -0,00034<br /> -15 -237,428 2,550 1,043 -0,00019 0,0241 -0,00037<br /> -12.5 -196,425 0,724 0,081 -0,0001 0,024088 -0,00024<br /> -10 -155,422 -1,102 -0,881 -7,99E-05 0,024077 -0,00022<br /> -7.5 -112,572 -0,090 -0,932 -2,69E-05 0,024071 -0,00015<br /> -5 -73,9345 -0,757 -1,738 2,21E-05 0,024065 -9,46E-05<br /> -2.5 -39,0033 -0,768 -1,587 6,45E-05 0,024061 -4,53E-05<br /> 0 -4,07221 -0,778 -1,435 0,000129 0,024057 4,17E-05<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 4 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  Momen M11 Momen M22 Chuyển vị Ux Chuyển vị Uz<br /> Hình 6: Momen và chuyển vị giếng tròn theo mô hình 3D<br /> b. Kết quả tính toán cho giếng tròn theo Plaxis2D (bảng 3)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Momen Chuyển vị Ux<br /> Hình 7: Biểu đồ momen và chuyển vị cho giếng tròn theo mô hình 2D<br /> <br /> Bảng 3: Nội lực và chuyển vị của giếng tròn tính theo Plaxis2D<br /> X Y N M_max M_min U_x U_y<br /> [m] [m] [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [m] [m]<br /> 4 -30 -913,23 651,628 0 -0,0001135 0,024986<br /> 4 -27,5 -822,-33 0 -46,634 -0,00027809 0,02488<br /> 4 -25 -736,525 0 -0,68992 -0,00031581 0,024823<br /> 4 -22,5 -657,968 2,097645 0 -0,00026612 0,024778<br /> 4 -20 -586,981 0 -2,67082 -0,00026293 0,024743<br /> 4 -17,5 -520,574 0,567945 -1,89112 -0,00027482 0,024721<br /> 4 -15 -452,99 0,166581 0 -0,00023341 0,0241<br /> 4 -12,5 -385,795 0,308418 -0,02114 -0,0001916 0,024705<br /> 4 -10 -318,129 0,438612 -0,38071 -0,00015416 0,024682<br /> 4 -7,5 -243,052 0,083229 -0,01217 -0,00011201 0,024675<br /> 4 -5 -163,809 0,148969 -0,65538 -6,8193E-05 0,02467<br /> 4 -2,5 -81,1609 0,121721 -1,81734 -1,6833E-05 0,024667<br /> 4 0 -0,75256 1E-12 -8E-12 1,7146E-05 0,024664<br /> c. Kết quả tính toán cho giếng vuông theo Plaxis3D (bảng 4)<br /> Bảng 4: Nội lực và chuyển vị giếng vuông tính theo Plaxis3D<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 5<br />  Y N M_11 M_22 U_x U_y U_z<br /> [m] [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [m] [m] [m]<br /> -30 -1388,89 314,1294 -2,3499 -6,52E-05 0,009826 -4,45E-07<br /> -27.5 -747,227 -66,2132 -374,815 -0,00182 0,00967 -1,70E-06<br /> -25 -105,56 -446,556 -747,281 -0,00306 0,009623 -2,73E-06<br /> -22.5 -472,054 -127,828 -618,067 -0,0027 0,009571 -3,66E-06<br /> -20 -440,554 -147,435 -556,502 -0,00255 0,009523 -4,53E-06<br /> -17.5 -307,159 -96,1999 -509,579 -0,00232 0,009498 -5,33E-06<br /> -15 -288,713 -100,332 -473,662 -0,00215 0,009473 -6,04E-06<br /> -12.5 -238,43 -78,4075 -387,427 -0,00175 0,009451 -6,67E-06<br /> -10 -188,158 -56,4828 -301,192 -0,00138 0,009433 -7,25E-06<br /> -7.5 -140,575 -43,3363 -223,347 -0,00102 0,009419 -7,83E-06<br /> -5 -93,2127 -26,5493 -144,806 -0,00068 0,009409 -8,42E-06<br /> -2.5 -43,2855 -14,3946 -77,7908 -0,00036 0,009403 -9,01E-06<br /> 0 5,885301 1,013233 -10,1931 -6,81E-05 0,009401 -9,62E-06<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Momen M11 Momen M22 Chuyển vị Ux Chuyển vị Uz<br /> Hình 8: Momen và chuyển vị của giếng vuông theo mô hình 3D<br /> Bảng 5: Nội lực và chuyển vị lớn nhất của giếng tròn<br /> Giếng tròn tính theo Plaxis3D Giếng tròn tính theo Plaxis2D<br /> N_1max M_11max M_22max U_xmax U_ymax U_zmax Nmax Mmax U_xmax U_ymax<br /> [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [mm] [mm] [mm] [kN/m] [kNm/m] [mm] [mm]<br /> 530,538 96,9292 22,0078 0,767 24,52 0,738 913,23 651,628 0,34 24,99<br /> H=30m H=30m H=30m H=25m H=30m H=25m H=30m H=30m H=26.25m H=30m<br /> Bảng 6: Nội lực và chuyển vị lớn nhất của giếng vuông<br /> Giếng vuông tính theo Plaxis3D<br /> N_1max M_11max M_22max U_xmax U_ymax U_zmax<br /> [kN/m] [kNm/m] [kNm/m] [mm] [mm] [mm]<br /> 1388,89 314,129 687,884 3,07 9,83 3,06<br /> H=30m H=30m H=30m H=25m H=30m H=25m<br /> <br /> d. Kết quả tính theo phương pháp giải tích (bảng 7)<br /> <br /> <br /> 6 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  Việc tính áp lực lên khung-vỏ chống dựa dần theo chiều sâu và đạt giá trị lớn nhất tại độ<br /> theo cơ sở lý thuyết tƣờng chắn đất. Theo sâu h=30m.<br /> Protodiaconov, áp lực tác dụng lên khung vỏ - Với bài toán giếng tròn theo mô hình 3D có<br /> chống là áp lực chủ động, đƣợc xác định gần M_11max = 96,9292 kNm/m và M_22max =<br /> 22,0078 kNm/m, bài toán giếng vuông theo mô hình<br /> đúng cho toàn bộ chiều dài giếng là:<br /> 3D có M_11max = 314,129 kNm/m và M_22max =<br />  90 0    687,884 kNm/m. Nhƣ vậy ta thấy nội lực mặt cắt<br /> P   .z.tg 2  <br />  2  giếng hình vuông lớn hơn mặt cắt giếng tròn.<br /> Trong đó: : dung trọng trung bình của khối - Chuyển vị của giếng mặt cắt hình vuông và<br /> đá quanh giếng. giếng mặt cắt tròn theo mô hình 3D đều đạt giá<br /> : góc ma sát ảo trung bình. trị lớn nhất tại độ sâu h=25m. Cụ thể với bài<br /> z: độ sâu kể từ mặt đất đến đáy giếng. toán giếng tròn có U_xmax = 0,767 mm và<br /> U_zmax = 0,738 mm, bài toán giếng vuông có<br /> U_xmax = 3,07 mm và U_zmax = 3,06 mm.<br /> Nhƣ vậy ta thấy chuyển vị của giếng vuông lớn<br /> hơn so với giếng tròn.<br /> - Với bài toán giếng tròn theo phƣơng pháp<br /> giải tích có Nmax = 1376,188 kN/m. Theo mô<br /> hình 2D có Mmax = 651,628 kNm/m, Nmax =<br /> 913,23 kN/m. Theo mô hình 3D có M_11max =<br /> 96,9292 kNm/m,, M_22max = 22,0078<br /> kNm/m, Nmax = 530,538 kN/m. Nhƣ vậy nội<br /> Hình 9: Mô hình tính kết cấu giếng thông thường lực bài toán giếng tròn theo phƣơng pháp giải<br /> tích lớn hơn so với bài toán giếng tròn theo mô<br /> Ngoại lực tác dụng lên kết cấu vỏ giếng hình 2D và nội lực bài toán theo mô hình 2D lớn<br /> thuần túy chỉ có áp lực phân bố đều của đất đá hơn so với mô hình 3D.<br /> xung quanh khoang giếng. Trong trƣờng hợp<br /> này nội lực trong kết cấu vỏ giếng chỉ có lực<br /> dọc N đƣợc tính bởi:<br /> N=P*R<br /> Trong đó: P - là áp lực phân bố đều xung<br /> quanh khoang giếng tròn;<br /> R - là bán kính của giếng (R=4m).<br /> Bảng 7: Nội lực kết cấu vỏ giếng<br /> theo phƣơng pháp giải tích<br /> Tên Áp lực<br /> Chiều   Lực dọc<br /> TT lớp đất<br /> 3<br /> dày(m) (kN/m ) (độ) (kN/m)<br /> đất (kN/m2)<br /> 1 Sét 10 18,8 9 137,137 548,548<br /> Sét<br /> 2 10 19,2 10 272,322 1089,288<br /> pha<br /> 3 Cát 10 19,1 27 344,047 1376,188<br /> <br /> <br /> 5. CÁC NHẬN XÉT<br /> Từ kết quả bài toán cụ thể ta có nhận xét sau:<br /> - Ở cả 3 mô hình momen và lực dọc đều tăng<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 7<br />  6. KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> - Giếng đứng mặt cắt ngang hình tròn có độ<br /> bền vững, độ ổn định - phù hợp với quy luật 1. GS. TS Võ Trọng Hùng (2012), Thi công<br /> thực tế cao hơn so với mặt cắt giếng hình giếng đứng, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và<br /> vuông. Hiện nay, mặt cắt giếng đứng hình tròn Công nghệ.<br /> đƣợc sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực xây dựng 2. GS.TS Đỗ Nhƣ Tráng (2002), Cơ học đá<br /> công trình ngầm. Có thể kể tới một số hãng và tương tác hệ kết cấu công trình ngầm môi<br /> chuyên sản xuất tổ hợp đào giếng đứng mặt cắt trường đất đá, Nhà xuất bản Quân đội nhân dân.<br /> giếng hình tròn nhƣ ―Herenknecht‖ của Đức, 3 GS.TS Đỗ Nhƣ Tráng (1997), Áp lực đất<br /> ―Dosko Overseas Engineering Ltd‖ của Anh, và tính toán kết cấu công trình ngầm, Giáo trình<br /> ―Bennett Asociates Ltd‖ của Anh. Công trình ngầm, Học viện kỹ thuật quân sự.<br /> - Nội lực và chuyển vị của bài toán giếng 4. PGS. TS Đỗ Văn Đệ (2012), Phần mềm<br /> tròn theo Plaxis3D cho kết quả phù hợp với quy Plaxis 3D Foundation ứng dụng vào tính toán<br /> luật và số liệu đo đạc thực tế hơn so với bài móng và công trình ngầm, Nhà xuất bản Xây dựng.<br /> toán giếng tròn theo Plaxis2D và theo phƣơng 5. Ladanyi, B. 1974. Use of the long-term<br /> pháp giải tích. Nhƣ vậy nên dùng Plaxis2D để strength concept in determination of ground<br /> thiết kế sơ bộ còn Plaxis3D để thiết kế kỹ thuật pressure on tunnel linings. Proc. 3rd Int. Cong. on<br /> nhƣ khuyến cáo của nhiều tác giả trên thế giới. Rock Mech. 1150-56. Nat. Acad. Sci: Washington.<br /> - Các kết quả trên đây, tiếp theo, sẽ đƣợc 6. Windsor, C.R.& Alan G. Thompson.1998. The<br /> nghiên cứu toàn diện hơn để có thể vận dụng tính design of shotcrete linings for excavations created<br /> toán thiết kế giếng phục vụ cho quá trình nghiên by drill and blast methods. Proc. 1998 Aust.<br /> cứu và thi công các công trình đạt hiệu quả. Shotcrete Conf., IBC Conferences: Sydney.<br /> <br /> <br /> Người phản biện: GS. TS ĐÕ NHƢ TRÁNG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />