Tìm hiểu khả năng xảy ra nghiêng lún công trình hiện hữu do đào hố móng

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 2 1 TÌM HIỂU KHẢ NĂNG XẢY RA NGHIÊNG LÚN CÔNG TRÌNH HIỆN HỮU DO ĐÀO HỐ MÓNG STUDYING POSSIBILITY OF TILT AND SETTLEMENT OF AN EXISTING BUILDING DUE TO EXCAVATION IN THE VICINITY Vương Quốc Chánh1, Dương Hồng Thẩm2 1Trường Đại học Cửu Long; vqchanh061193@gmail.com 2Trường Đại học Công nghệ Sài Gòn; tham.duonghong@stu.edu.vn Tóm tắt - Bài báo này phân tích các nguyên nhân và yếu tố phát sinh sự nghiêng và lún của công trình khi có một hố đào ở bên cạnh. Các vấn đề thường gặp trong thực tế như ảnh hưởng của khoảng cách từ công trình đến mép hố đào, bề rộng và độ sâu hố đào, suy giảm độ cứng hệ chống vách, biện pháp thi công bơm nước, thi công hố móng đến ổn định của công trình hiện hữu được đưa vào xem xét một cách cẩn thận. Mô hình tòa nhà trên nền móng băng được lập và hiệu chuẩn trên một địa chất có thực, với mục tiêu dự báo bằng mô hình phương pháp số, sử dụng phần mềm Plaxis 2D V8.5 và được hiệu chuẩn theo số liệu thực. Các kết quả khác biệt có thể giúp dự báo sự cố hố đào để đơn vị thi công tham khảo. Abstract - This article analyses factors and causes of tilt and settlement of existing buildings due to a deep excavation in their vicinity. Many conventional problems in reality like effects of distance from building to excavation on existing buildings, effects of width and depth of excavation, degraded stiffness of shoring system, procedure of construction on stability of existing buildings etc. are tentatively taken into account. A model of building on strip footing using Plaxis 2D V8.5 is established and calibrated to real condition of soil properties. Results obtained from this study suggest a tool for predicting damages caused by excavation near existing buildings and help constructors to refer to in practice. Từ khóa - công trình hiện hữu; độ nghiêng và lún; hố đào; mất ổn định; bùng đáy hố đào. Key words - existing building; tilt and settlement; excavation; instability; basal heave. 1. Giới thiệu Ngày nay, đô thị phát triển mau chóng, diện tích đất xây dựng ở các đô thị, hay khu dân cư rất hẹp và thường đã hiện hữu các công trình có sẵn, việc xây dựng một công trình mới cạnh các công trình hiện trạng rất dễ gây ra nghiêng lún cho các công trình có sẵn nếu không có biện pháp thi công hợp lý. Do đó công tác dự báo các khả năng nghiêng lún khi thi công đào móng để đề ra biện pháp thi công hợp lý đảm bảo an toàn cũng quan trọng. Các sự cố nghiêng lún thường xảy ra bên dưới lòng đất, khó quan sát thấy, có thể xảy ra liền khi thi công hoặc xảy ra sau khi đã thi công phần ngầm được một thời gian, làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận và chậm tiến độ thi công. Cho nên, đưa ra trước mô hình dự báo là cần thiết và quan trọng ở khâu thiết kế cũng như thi công. Hiện nay, chỉ có những hướng dẫn phòng ngừa sự cố khi đào hố [5, 6] và có rất ít những mô hình để dự báo cho những trường hợp đó, các yếu tố dễ thấy, dễ liên quan đến sự cố vẫn chưa được làm rõ. Bài báo nêu ra một số vấn đề và các yếu tố liên quan, cho thấy các nguyên nhân và một số kết quả có thể dự báo trước. Các yếu tố cần xem xét khi đưa ra mô hình dự báo rất quan trọng, bởi nó ảnh hưởng một phần đến tính đúng đắn và khách quan của mô hình: a) Số liệu địa chất của mô hình: số liệu phải được lấy ở phạm vi xây dựng công trình mang tính chính xác tương đối. b) Tải trọng bản thân của các công trình xung quanh nơi tọa lạc công trình sắp được xây dựng. c) Sử dụng mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis để xây dựng mô hình. Thông số mô hình được hiệu chuẩn theo kết quả nén thực tế mà trong khuôn khổ bài báo này chỉ sử dụng kết quả. Mô hình giới hạn các công trình xung quanh chỉ là nhà phố từ 3 - 5 tầng với cọc cừ tràm và móng băng, có diện tích tương đối, vì các công trình này thường ít được quan tâm nhiều do quá phổ biến và được xây dựng đại trà. 2. Các kịch bản tính toán Bài báo này xem xét những kịch bản xảy ra như sau: Bài toán kịch bản 1: Bài toán khoảng cách đến công trình hiện hữu (Hố đào cách công trình hiện hữu L/Bhố đào = 3 đến 1); Bài toán kịch bản 2: Bài toán ảnh hưởng bề rộng hố đào; Bài toán kịch bản 3: Bài toán xét mực nước trong hố bị nước mưa làm nước dâng lên hoặc hạ xuống; Bài toán kịch bản 4: Suy giảm độ cứng hệ chống vách. Hố đào công trình có thể có /không có chống vách, chiều rộng lớn hay nhỏ, gần hoặc xa công trình... mà theo đó biến dạng công trình sẽ bị ảnh hưởng khác nhau. Trong khuôn khổ bài báo, một vài trường hợp tiêu biểu được xem xét. Hình 1. Mô hình mô phỏng hố đào và tòa nhà Mặc định mỗi mô hình đều đào xuống trước 0,2 m trong 200 ngày để đất đạt cố kết. Sau đó tiến hành trình tự đào lần lượt mỗi lần 1 m cho đến khi kết cấu bị phá hoại. 2 Vương Quốc Chánh, Dương Hồng Thẩm Xét trường hợp trước khi kết cấu bị phá hoại có nghĩa là mô hình nền đạt trạng thái giới hạn trước khi kết cấu bị phá hoại. Mô hình nghiên cứu sau đây là một bài toán phẳng tính toán lấy số liệu địa chất tại địa điểm huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang, công trình loại nhà ở 4 tầng (Hình 1). 3. Mô phỏng số cho các bài tính toán Mô tả toà nhà hiện hữu cạnh hố đào bằng phần tử Plate trên thanh công cụ cho cột, dầm và cọc cừ tràm. Các thông số các lớp đất được cho ở Bảng 1. Bảng 1. Thông số đầu vào của các lớp đất trong mô hình (sơ lược cho 3 lớp đất đầu tiên) Lớp đất Chỉ số Thông số Đơn vị Lớp đất đắp (Dày 2 m) γ 16,640 kN/m3 γsat 18,120 kN/m3 c 21 kN/m2 φ 4,82 Độ E 5563 kN/m2 Lớp 1 (Dày 10 m) γ 15,290 kN/m3 γsat 15,290 kN/m3 c 15 kN/m2 φ 12 Độ E 1.000 kN/m2 Lớp 2 (Dày 7,8 m) γ 9,867 kN/m3 γsat 19,400 kN/m3 c 24,420 kN/m2 φ 14 Độ E 2.490 kN/m2 Ghi chú : E : Mô-đun của đất. γ : Trọng lượng riêng của đất. γsát : Trọng lượng riêng khô. c : Lực dính. φ : Góc ma sát trong Bảng 2. Thông số đầu vào của phần tử Plate Properties Thông số Đơn vị Cọc cừ tràm EA 1,920.105 kN/m EI 117,8 kNm2/m w 0,5 kN/m/m v (Hệ số poisson) 0,35 Ghi chú : E : Mô-đun của đất. A : Diện tích tiết diện. I : Độ cứng tiết diện. Hình 2. Thông số đầu vào của phần tử Plate - Sử dụng mô hình Mohr Coulomb. Mô tả các lớp đất với các chỉ tiêu mô-đun biến dạng, lực dính, hệ số Poisson, góc ma sát trong Hình 3. Hình 3. Thông số đầu vào của đất nền - Hệ cừ tràm dưới móng băng nằm trên nền cừ tràm được quy về phần tử Plate theo nguyên tắc “tương đương độ cứng”: Hình 4. Hệ cừ tràm và móng băng Hình 5. Thông số đầu vào của cừ tràm Hố đào gần công trình cần thiết phải có biện pháp chống vách nếu muốn đào sâu trong đất, bài toán này xét đến ảnh hưởng của độ cứng hệ tường chống vách và cây chống lên khả năng nghiêng lún của nhà hiện hữu. Hình 6. Thông số tường chống vách và thanh chống Bài toán sử dụng chống vách hố đào bằng tường barret, thanh chống bằng thép. Xét ảnh hưởng của sự suy giảm độ cứng, cụ thể vật liệu được cho giảm EI, độ cứng chịu kéo nén EA hoặc các kích thước bị khuyết tật. Do đất nền công trình hiện trạng được đóng cừ tràm nên mô-đun biến dạng của đất sẽ thay đổi tăng lên so với giá trị ban đầu. Các nghiên cứu song hành với bài báo này đã tiến hành chuẩn hóa mô hình Plaxis đất đóng cừ tràm theo thí nghiệm bàn nén (nén tĩnh) D = 1 m của các công ty tư vấn thiết kế địa phương (tài liệu [6]), sau khi đóng cừ thì mô- đun biến dạng của đất tăng lên 15 lần, lực dính c tăng lên 2 lần, chỉ số góc ma sát trong tăng lên 1,5 lần cho 3 lớp đất đầu (kết quả mô phỏng Plaxis và bàn nén là tương tự nhau). ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 2 3 4. Kết quả các bài toán 4.1. Bài toán khoảng cách đến công trình hiện hữu 4.1.1. Hố đào cách công trình hiện hữu L/Bhố đào=3 (với L là khoảng cách từ công trình đến mép hố đào) Trường hợp này xét khoảng cách hố đào cách xa công trình một khoảng L, bề rộng (B) của hố đào gấp 3 - 5 lần bề rộng của công trình. Bài toán này liên quan đến ảnh hưởng của bề rộng hố đào đến công trình lân cận. Bài toán xét hố đào cách xa công trình 1 khoảng L/B = 3, đào hố không có chống vách. Hình 7. Kết quả từ mô hình khi đào xuống 3 m Sau khi đào hố xuống 3 m kết hợp hạ mức nước ngầm (MNN), không chống vách, kết cấu mô hình đạt trạng thái giới hạn. Theo như kết quả mô hình đất dưới hố bị đẩy trồi, mép đất gần phía sát công trình bị đẩy về phía trong hố, phía xa công trình bị đẩy vào nhưng ít hơn, đã xuất hiện cung trượt trong đất, công trình hiện hữu có khả năng bị nghiêng và hướng nghiêng xa khỏi hố đào (nghiêng ra). Bảng 3. Chuyển vị ngang của đất và công trình, khi hố đào rộng Chuyển vị của đất Mép đất gần công trình 116,07.10-3 (m) Mép đất cách xa công trình -68,27.10-3 (m) Chuyển vị công trình Cột tầng 1 52,18.10-3 (m) Cột tầng 4 26,78.10-3 (m) Dấu (-) trong bảng thể hiện chiều của chuyển vị trong mô hình đi từ phải sang trái. 4.1.2. Hố đào cách công trình hiện hữu L/Bhố đào=3 với Bhố đào/Bcông trình=1 Xét trường hợp như 4.1.1 nhưng lần này thu nhỏ bề rộng hố bằng bề rộng công trình. Bài toán này cũng xét đến ảnh hưởng bề rộng hố đào đến công trình. Hình 8. Kết quả từ mô hình sau khi đào xuống Bảng 4. Chuyển vị ngang của đất và công trình, khi hố đào hẹp Chuyển vị của đất Mép đất gần công trình 172,18.10-3 (m) Mép đất cách xa công trình -159,60.10-3 (m) Chuyển vị công trình Cột tầng 1 130,91.10-3 (m) Cột tầng 4 144,69.10-3 (m) Hố đào sâu được 4 m kết hợp hạ MNN, lấy ngay vị trí hạ MNN lần 3 cho ra kết quả mô hình, đất trong hố đào không trồi lên do mực MNN đã được hạ xuống, áp lực dòng thấm ảnh hưởng không nhiều, mép đất 2 bên hố đào bị tràn về phía trong hố, công trình nghiêng về phía hố đào. Tóm lại, trường hợp đào hố móng sát bên công trình hiện trạng, kết quả chuyển vị của công trình có sẵn vượt quá phạm vi cho phép (độ lớn chuyển vị ngang đỉnh tòa nhà là 52,18 mm vượt quy định chuyển vị ngang đỉnh cho phép là H/500= 3 cm) 4.2. Bài toán xét mực nước trong hố bị nước mưa làm nước dâng lên Xét tương tự như Mục 4.1.2, đào hố xuống 3 m sau đó để một khoảng thời gian để nước mưa (hoặc MNN dâng lên trở lại) để xem ảnh hưởng của công trình khi đó. Bài toán xét đến nâng hạ MNN, mực nước trong hố cũng có ảnh hưởng đến kết cấu đất xung quanh hố. 4 Vương Quốc Chánh, Dương Hồng Thẩm Hình 9. Mô hình tính với trường hợp mực nước ngầm dâng lên Bảng 5. Chuyển vị ngang của đất và công trình, khi mức nước ngầm dâng cao Chuyển vị của đất Mép đất gần công trình 39,76.10-3 (m) Mép đất cách xa công trình -52,11.10-3 (m) Chuyển vị công trình Cột tầng 1 -27,01.10-3 (m) Cột tầng 4 -76,42.10-3 (m) Theo kết quả mô hình ta thấy, MNN dâng lên đất, dưới hố sẽ tràn lên theo (nhưng rất ít vì nằm trong nước), đất 2 bên mép hố cũng không tràn vào trong hố mà tràn sang 2 bên mép (do ảnh hưởng của lực đẩy), lúc này trong đất đã có khả năng xảy ra cung trượt nên công trình có khả năng nghiêng khác phía hố đào. Khi hạ MNN (đào 4 m, đến lần 3) cho thấy, đất trong hố đào không trồi lên do mực MNN đã được hạ xuống (dòng thấm hướng xuống, nên không ảnh hưởng nhiều của lực đẩy trong nước), mép đất 2 bên hố đào bị tràn về phía trong hố, công trình có khả năng nghiêng về phía hố đào. 4.3. Bài toán suy giảm độ cứng hệ chống vách Xét một trường hợp riêng: Hố đào cách công trình hiện hữu L/Bhố đào=0,5, Bhố đào/Bcông trình=1. Hình 10. Kết quả mô hình tính khi độ cứng hệ chống vách không đạt yêu cầu về độ cứng Bảng 6. Chuyển vị ngang của đất và công trình, khi độ cứng hệ chống vách suy giảm, kèm hạ mức nước ngầm Chuyển vị của hệ vách chống Mép đất gần công trình -34,16.10-3 (m) Mép đất cách xa công trình -4,41.10-3 (m) Chuyển vị công trình Cột tầng 1 10,08.10-3 (m) Cột tầng 4 8,42.10-3 (m) Vẫn giữ mô hình cũ, giảm độ cứng hệ tường chống vách 50%: Bảng 7. Chuyển vị ngang của đất và công trình, khi độ cứng suy giảm 50% Chuyển vị của hệ vách chống Mép đất gần công trình -33,92.10-3 (m) Mép đất cách xa công trình -3,91.10-3 (m) Chuyển vị công trình Cột tầng 1 8,60.10-3 (m) Cột tầng 4 7,53.10-3 (m) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 2 5 Kết quả phân tích đã cho thấy, khi đào hố có chống vách gần sát công trình, nhưng vật liệu không đủ cứng thì khả năng nghiêng lún xảy ra là đương nhiên. Đây cũng là tình trạng xây chen cần được quan tâm ở các đô thị. Các kết quả trên chỉ ra rằng hai bên tường chịu áp lực đất chuyển vị ngang về phía hố đào rất lớn, lại đi kèm với sự trồi đất đáy hố đào, đã làm cho công trình mau chóng bị nghiêng về phía hố đào. 5. Bàn luận Theo như kết quả chạy các trường hợp mô hình ta thấy: - Đào hố không có chống vách dễ gây ra nghiêng và lún công trình hơn khi có chống vách. - Bề rộng hố đào cũng ảnh hưởng đến công trình lân cận (dễ thấy trong trường hợp 1 và 2), bề rộng càng lớn khả năng xảy ra cung trượt càng cao, và không thể đào sâu đất trong hố. - Bề rộng hố đào bé thì khả năng xảy ra cung trượt ít, có thể đào sâu nhưng vẫn rất dễ xảy ra nghiêng lún cho toà nhà. - Xét đến hố đào ngay sát công trình, tường chống vách yếu không thể đào hố xuống sâu, áp lực tường phải chịu hai bên mép là rất lớn, vì thế nếu muốn đào sâu với công trình sát bên cần phải có hệ tường chắn và chống vách cứng, đủ hoặc hơn khả năng chịu lực để có thể đào sâu trong đất mà ít gây ảnh hưởng nhất. - Độ cứng tường chống vách cũng ảnh hưởng đến sự nghiêng lún của công trình, tường chống vách quá yếu sẽ dễ gây ra sự cố hơn. - Việc hạ MNN cũng rất quan trọng, nếu không có biện pháp xử lý phù hợp (như chống vách chắc chắn) thì không thể hạ mực nước xuống nhanh được vì rất dễ gây mất ổn định, làm khối đất sụp xuống. - Đào hố xong để MNN dâng lên cũng có thể ảnh hưởng đến công trình, làm đất trong hố đào trồi lên, kết cấu xung quanh vì thế cũng bị kéo xuống một phần, do MNN dâng lên trở lại, mặc dù việc đào hố trước đó ít gây ảnh hưởng. - Sự nghiêng lún về các phía khác nhau (về phía hố đào hoặc về phía xa khỏi hố đào) tùy tác động, cấu hình và biện pháp thi công hố đào. 6. Kết luận - Hố đào gần công trình là dễ xảy ra sự cố nhất. Khi đào hố gần công trình hiện hữu cần có biện pháp chống vách 1 cách hợp lý. - Cần tính toán độ cứng hệ tường chắn cao hơn tính toán để phù hợp với yêu cầu ổn định vách khi thi công đào hố. Bên cạnh đó, cũng cần có thiết kế biện pháp xử lý đất trong hố đối với nguy cơ bị đẩy trồi lên khi thực hiện các hố đào sâu. - Khống chế MNN trong khi thi công đào hố hợp lý để tránh MNN dâng lên, gây mất ổn định của đất trong quá trình thi công đào. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2002. [2] Lê Phương Bình, 2015, Đánh giá và lựa chọn mô hình phù hợp của Plaxis trong tính toán thiết kế hố móng sâu, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. [3] Andrew J. Whittle, 1994, Parameters for the Hardening Soil Mode, Massachusetts Institute of Technology. [4] Bộ Xây dựng, Hướng dẫn kỹ thuật phòng ngừa sự cố thi công hố đào trong vùng đất yếu, Quyết định về việc ban hành hướng dẫn kỹ thuật phòng ngừa sự cố thi công hố đào trong vùng đất yếu, số 1338/QĐ-BXD, 2006. [5] Nguyễn Bá Kế, 2009, Bảo vệ công trình lân cận khi xây dựng công trình ngầm, Hội Cơ học Đất và Địa kỹ thuật Công trình Việt Nam. [6] Báo cáo nén tĩnh nền đất gia cố cừ tràm (TCVN 9354:2012) của Trung tâm Thử nghiệm và kiểm định chất lượng xây dựng BMC-ĐT, Phòng thí nghiệm VILAS 552, 2016. (BBT nhận bài: 27/11/2017; hoàn tất thủ tục phản biện: 03/3/2018)