TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 415
ỨNG DỤNG HỆ THỐNG NEO ĐỂ ỔN ĐỊNH TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO
SÂU TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẤT YẾU QUẬN 1, TP. HỒ CHÍ MINH
APPLICATION OF ANCHOR SYSTEM TO STABILIZE INTO RETAINING
WALL FOR DEEP EXCAVATION IN SOFT SOIL CONDITION IN DICTRICT 1,
HO CHI MINH CITY
PGS. TS. Võ Phán, KS. Dương Thành Khang
Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
TÓM TẮT
Bài báo này tiến hành khảo sát chuyển vị ngang và moment trong tường khi thay đổi
khoảng cách hai tầng neo, góc neo và lực neo. Kết quả phân tích cho thấy nếu bố trí
khoảng cách neo, góc neo và lực neo hợp lý sẽ giảm moment uốn lớn nhất và chuyển
vị ngang lớn nhất đi rất nhiều. Khi khoảng cách hai neo quá xa hoặc quá gần đều
làm tăng moment uốn và chuyển vị ngang của tường. Ảnh hưởng của lực neo và góc
neo đến nội lực và chuyển vị của tường cũng tương đối lớn. Lực neo lớn sẽ gây
moment uốn lớn trong tường, nhưng chuyển vị ngang sẽ giảm. Ngược lại, lực neo
nhỏ sẽ gây moment uốn nhỏ trong tường, nhưng chuyển vị ngang lớn. Kết luận rút ra
từ nghiên cứu là khi tính toán hệ thống tường neo cần tối ưu hoá khoảng cách bố trí
neo, góc neo và lực neo nhằm giảm giá trị moment uốn và chuyển vị ngang của
tường, làm tiết kiệm vật liệu và hạ giá thành xây dựng.
ABSTRACT
This article investigate the horizontal displacements and moment in the wall when
changing the distance of two-stage anchor, anchor angles and anchor forces. The
numerical analysis results show that the wall bending moment and horizontal
displacement will reduce if the reasonable anchor spacing, anchor angles and
anchor prestressed force is selected. When the anchor spacing is too large or too
small, the wall bending moment and horizontal displacement will be large. The
influence of anchor forces and anchor angles on the internal force and displacement
of the wall is also relatively large. The large anchor will cause large bending
moment in the wall, but horizontal displacement will decrease. In contrast, the small
anchor force will cause small bending moments in the wall, but large horizontal
displacements. The conclusions are that when calculating the anchor wall system it
is necessary to optimize the anchor spacing, anchor angles and anchor prestressed
forces to reduce the bending moment, horizontal displacement of the wall and
construction costs.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tường trong đất là giải pháp hữu hiệu khi xây dựng tầng hầm của các công trình
nhà cao tầng, đặc biệt là các công trình có tầng hầm sâu được xây chen trong khu đô thị.
Tường trong đất thường là tường bê tông cốt thép khép kín, kết hợp với hệ thống neo
trong đất hoặc hệ thống thanh chống có tác dụng rất lớn trong việc chịu tác dụng của áp
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
416 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
lực đất, nước; thuận tiện cho việc thi công hố móng sâu. Ngoài ra, tường trong đất có
thể được kết hợp để làm tầng hầm hoặc kết cấu chịu lực của công trình.
Trong thực tế ngành xây dựng hiện nay, đặc biệt là tại địa bàn thành phố Hồ Chí
Minh, ngày càng có nhiều công trình thi công có hố đào sâu. Bên cạnh đó, do mật độ
xây dựng, xây chen, do một số điều kiện về diện tích mà không được phép mở rộng mái
dốc xây dựng nên phương pháp thi công tường chắn cho hố đào sâu ngày càng phổ biến.
Bên cạnh việc sử dụng thanh chống ổn định tường chắn hố đào thì việc kết hợp neo với
hệ thống tường chắn là giải pháp có thể đáp ứng yêu cầu về kinh tế và chịu lực.
Neo trong đất kết hợp với tường chắn có tác dụng làm phân bố lại moment trong
tường, giảm kích thước tường đồng thời có tác dụng ổn định khối đất phía sau tường.
Tuy nhiên, để tăng hiệu quả sử dụng neo thì chúng ta cần nghiên cứu các giải pháp bố
trí neo một cách hợp lý. Từ đó, bài báo này đã dựa trên các cơ sở tính toán lý thuyết kết
hợp với mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho một bài toán cụ thể mà đưa
ra các đánh giá, kiến nghị về sự bố trí cho hệ thống neo trong đất của tường chắn hố đào
một cách hợp lý.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tổng hợp cơ sở lý
thuyết tính toán neo trong
đất, sử dụng phần mềm
Plaxis 2D để mô phỏng
bài toán neo trong đất ổn
định hố đào sâu với nhiều
trường hợp khi thay đổi
góc neo, lực neo và
khoảng cách giữa hai tầng
neo. Từ đó đưa ra kết luận
về việc bố trí hệ thống
neo cho hợp lý nhất trong
điều kiện địa chất đất yếu
tại khu vực quận 1, thành
phố Hồ Chí Minh.
3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Cơ chế làm việc của neo
Neo đất là kết cấu được lắp đặt trong đất nhằm mục đích truyền tải lực kéo vào
trong nền đất để tăng ổn định của vách hố đào hay mái dốc. Neo đất được lắp đặt trong
các lỗ khoan được phun vữa. Neo đất rất thích hợp cho các hệ thống tường chắn hố đào
sâu. Kết cấu cơ bản của một thanh neo bao gồm: phần bầu neo, phần tự do và phần đầu
neo. [1]
- Phần đầu neo bao gồm phần đầu thanh neo, bản mã và ống neo. Đầu neo có tác
dụng truyền tải lực ứng suất trước trong thanh neo đến hệ tường chắn.
Hình
1
.
Cấu tạo neo
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 417
- Phần tự do là phần thanh thép ứng suất
trước, có tác dụng truyền tải lực neo
đến kết cấu tường chắn. Phần vỏ neo
có tác dụng ngăn cách đoạn thanh neo
ứng suất trước với bê tông xung quanh,
giúp cho phần thanh neo tự do không
bị ăn mòn và không bị kẹt với bê tông
xung quanh trong quá trình thử nghiệm
và gia tải ứng suất.
- Phần bầu neo là đoạn thanh neo liên
kết với bê tông, có tác dụng truyền tải
lực kéo vào đất. Phần bầu neo nên
được đặt phía sau mặt phẳng phá hủy
của đất.
3.2. Phân loại neo
Loại A: Neo trọng lực trục thẳng
Neo trọng lực là loại neo thích hợp với các loại đá, đất dính từ cứng đến rất cứng,
được sử dụng phương pháp khoan tròn hoặc khoan rỗng. Loại neo này được sử dụng để
neo trong lỗ khoan có trục thẳng.
Loại B: Neo áp lực trục thẳng
Neo áp lực phù hợp nhất với loại đất hạt thô hoặc đá nứt. Loại neo này còn có thể
sử dụng trong đá yếu nứt nẻ, các lớp hạt thô hoặc đất rời hạt mịn. Vữa được bơm vào lỗ
neo với áp lực thấp (30 - 1.000 kN/m2).
Loại C: Neo bơm vữa sau
Phương pháp neo bơm vữa sau sử dụng cách phun vữa nhiều lần để mở rộng bầu
neo. Mỗi lần phun vữa cách nhau 1 đến 2 ngày. Thông thường, vữa áp lực cao (trên
2000 kN/m2) được phun từ lần thứ 2 trở đi.
Loại D: Neo mở rộng
Phương pháp này hiện nay không còn được sử dụng phổ biến, tuy nhiên đây là
loại neo có khả năng chịu lực lớn nhất nhờ vào kết cấu của neo. Neo mở rộng có lỗ neo
bao gồm nhiều phần được mở rộng như hình chiếc chuông. Loại neo này có thể được sử
dụng cho đất sét cứng.
3.3. Thiết kế đoạn neo không liên kết (phần tự do)
Giá trị nhỏ nhất của đoạn neo không liên kết đối với neo đất và neo đá là 4,5 m
(đối với neo cáp) và 3 m (đối với neo thanh). Giá trị nhỏ nhất này giúp hạn chế sự mất
mát ứng suất trong quá trình truyền ứng lực từ kết cấu vào neo. Chiều dài đoạn neo
không liên kết phụ thuộc vào: bố trí vị trí đoạn bầu neo tối thiểu phải nằm phía sau mặt
trượt tiềm năng; vị trí đoạn bầu neo phải nằm trên lớp đất có khả năng chịu lực tốt; đảm
bảo ổn định cho toàn bộ hệ neo; chịu được chuyển vị theo thời gian. Tổng quát, đoạn
Hình
2
.
Phân loại neo
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
418 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
neo không liên kết phải đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữ mặt trượt tiềm năng và điểm
đầu của bầu neo l à H/5 hoặc 1,5 m. (xem hình 3).
3.4. Thiết kế đoạn neo liên kết (phần bầu neo)
3.4.1. Thiết kế bầu neo trong đất rời [2]
a. Các neo kiểu A
Các neo kiểu A nói chung không dùng được trong đất rời trừ khi chúng được phun
xi măng.
b. Các neo kiểu B
Biểu thức dự báo lực neo
Tf = L.n.tanϕ (1)
Trong đó : L - chiều dài bầu neo (m); ϕ - góc ma sát trong có hiệu (độ); N - hệ số
kể đến kỹ thuật khoan, độ sâu chôn, đường kính bầu neo, áp lực phun vữa trong phạm vi
30 – 1.000 kN/m2.
c. Các neo kiểu C
Đặc tính của neo kiểu C là tính toán dựa trên các đường cong thiết kế được thiết
lập từ thí nghiệm hiện trường cho một phạm vi các loại đất hơn là dựa theo các công
thức lý thuyết hoặc thực nghiệm, sử dụng các đặc trưng cơ học của một loại đất riêng.
d. Chiều dài bầu neo
Chiều dài bầu neo cho các neo kiểu từ A đến D thông thường không được nhỏ hơn
3 m và không lớn hơn 10 m.
3.4.2. Thiết kế bầu neo trong đất dính [2]
a. Các neo kiểu A
Đối với các neo kiểu A, công thức dựa trên cơ sở dùng các độ bền cắt không thoát
nước
Tf = π.D.L.α.Cu (2)
Trong đó : L - chiều dài bầu neo (m); α - hệ số dính bám; D - đường kính bầu neo;
Cu - độ bền cắt không thoát nước trung bình trên toàn bộ chiều dài bầu neo (kN/m2).
b. Các neo kiểu C
Ma sát bên tăng theo độ chảy tăng và chỉ số dẻo giảm. Trong sét cứng (chỉ số chảy
Ic = 0,8 - 1) với độ dẻo trung bình hoặc cao, ma sát bên từ 30 đến 80 kN/m2 là những giá
trị thấp nhất ghi được, trong khi đó các giá trị cao nhất (τM > 400 kN/m2) đã thu được
trong bùn cát có độ dẻo trung bình và độ chảy từ rất chặt đến cứng (Ic = 1,25). Kỹ thuật
phun vữa sau cũng cho tăng ma sát bên trong sét cứng từ 25 - 50%.
c. Các neo kiểu D
Biểu thức dự báo lực neo
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 419
aubc
22
uf C.l.D.C.N).dD.(
4
C.L.D.T π+−
π
+π=
Trong đó: L - chiều dài bầu neo (m); D - đường kính bầu neo mở rộng; d - đường
kính của thân; Cu - độ bền cắt không thoát nước trung bình trên toàn bộ chiều dài bầu
neo (kN/m2); Nc - hệ số sức chịu tải; Cub - độ bền cắt không thoát nước tại khoảng cuối
bầu neo (kN/m2); l - chiều dài của thân (m); Ca - độ dính bám của thân (kN/m2). Thông
thường giá trị Ca phổ biến từ 0.3Cu đến 0.35Cu.
d. Chiều dài bầu neo
Chiều dài bầu neo cho các neo kiểu từ A đến D thông thường không được nhỏ hơn
3 m hoặc không lớn hơn 10 m.
3.4.3. Xác định khoảng cách giữa các neo
Khoảng cách lớn nhất theo phương ngang của neo được xác định dựa vào khả
năng chịu tải cho phép của neo và khả năng chịu lực của kết cấu tường. Đối với tường
cọc chống đứng và ván lát ngang, khoảng cách theo phương ngang của cọc chịu lực có
thể lấy từ 1,5 m đến 3,0 m với cọc đóng và trên 3,0 m đối với cọc đổ tại chỗ. Khoảng
cách tối thiểu theo phương ngang giữa các neo là 1,2 m (hình 3b) để đảm bảo rằng sự
ảnh hưởng nhóm neo giữa các neo liền kề là nhỏ nhất. Ảnh hưởng của nhóm neo làm
giảm khả năng mang tải của từng neo riêng lẻ [1].
Hình 3. Khoảng cách tối thiểu của neo theo phương đứng và phương ngang
4. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN
4.1. Thông số đầu vào
Tiến hành tính toán cho công trình VNPT TOWER với hố đào rộng 43,8 m, sâu
13,5 m, được ổn định bằng tường chắn BTCT dày 0,5 m, sâu 20 m, mác 350, với hệ số
Poisson ν = 0,2 và module đàn hồi E = 3E7 kN/m2.
Số liệu địa chất tại vị trí số 5 Công trường Mê Linh, q.1, Tp. HCM. Thông số địa
chất như sau (mực nước ngầm tại độ sâu 3 m):
(3)