Luận văn Nghiên cứu khoảng cách bố trí hợp lý của Neo trong đất cho hệ thống tường chắn

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA ------------œ------------- VOÕ MINH THEÁ NGHIEÂN CÖÙU KHOAÛNG CAÙCH BOÁ TRÍ HÔÏP LYÙ CUÛA NEO TRONG ÑAÁT CHO HEÄ THOÁNG TÖÔØNG CHAÉN CHUYEÂN NGAØNH: XAÂY DÖÏNG CAÀU HAÀM LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TP. HOÀ CHÍ MINH, thaùng 12 naêm 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. PHÙNG MẠNH TIẾN Cán bộ chấm nhận xét 1 : GS.TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. TRẦN XUÂN THỌ Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 13 tháng 01 năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---oOo--- Tp. HCM, ngày……… tháng…….. năm …….. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : Võ Minh Thế Giới tính : Nam þ/ Nữ ¨ Ngày, tháng, năm sinh : 24/06/1982 Nơi sinh : Long An Chuyên ngành : Xây dựng Cầu hầm MSHV : 03806727 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHOẢNG CÁCH BỐ TRÍ HỢP LÝ CỦA NEO TRONG ĐẤT CHO HỆ THỐNG TƯỜNG CHẮN. 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Nghiên cứu cấu tạo và các ứng dụng của neo trong đất (Ground anchor). - Nghiên cứu lý thuyết tính toán neo trong đất và hệ thống tường neo giữ ổn định hố đào. - Nghiên cứu khoảng cách bố trí hợp lý của neo trong đất cho hệ thống tường neo. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/06/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS. PHÙNG MẠNH TIẾN TS. LÊ BÁ KHÁNH Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. Ngày …..…tháng ..….. năm …….. TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận những kiến thức mới và hướng giải quyết cho đề tài. Nhờ sự hướng dẫn tận tình của T.S Phùng Mạnh Tiến, tôi nắm bắt được nhiều kiến thức và do đó có thể hoàn thành được đề tài. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy. Xin gửi lời cảm ơn đến Thầy cô của trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã chỉ dạy cho tôi những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập tại trường. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Đức Toản, dự án Metro Hà Nội, đã giúp tôi định hướng đề tài, giới thiệu nhiều tài liệu hữu ích và cho nhiều nhận xét để hoàn thiện đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đến Văn phòng Việt Nam của công ty Samwoo Geotech (Hàn Quốc), chuyên về công nghệ neo trong đất, đã cung cấp cho tôi nhiều tài liệu quý giá về neo. Xin cảm ơn gia đình và những người thân đã luôn khuyến khích, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Neo trong đất có nhiều ứng dụng trong xây dựng làm kết cấu tạm phục vụ thi công hoặc tham gia vào kết cấu chịu lực cuối cùng nhằm ổn định hố đào, ổn định mái dốc, ổn định kết cấu chống lật, ổn định kết cấu chống lực đẩy nổi. Đề tài giới thiệu tổng quan về neo trong đất và hệ thống tường chắn có sử dụng neo trong đất để giữ ổn định hố đào và nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách bố trí neo đến nội lực và chuyển vị trong tường. Hố đào được giữ ổn định bằng tường neo cọc đất-xi măng trộn sâu tại dự án Lake Parkway, Milwaukee, Wi, US được dùng để phân tích tính toán. Sau khi nghiên cứu lý thuyết về neo trong đất và hệ thống tường neo, tường neo của hố đào dự án Lake Parkway được mô hình tính toán, phân tích bằng chương trình phần tử hữu hạn Plaxis 8.2 Kết quả phân tích cho thấy nếu bố trí khoảng cách neo hợp lý sẽ giảm mô men uốn lớn nhất và chuyển vị ngang lớn nhất trong tường dùng để tính toán thiết kế kết cấu đi rất nhiều. Khi khoảng cách hai neo quá xa hoặc quá gần đều làm tăng mô men uốn và chuyển vị ngang của tường. Ảnh hưởng của lực neo đến nội lực và chuyển vị của tường cũng xét đến trong đề tài. Lực neo lớn sẽ gây mô men uốn lớn trong tường, nhưng chuyển vị ngang sẽ giảm. Ngược lại, lực neo nhỏ sẽ gây mô men 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 và lực neo nhằm giảm giá trị mô men uốn và chuyển vị ngang của tường, làm tiết kiệm vật liệu và hạ giá thành xây dựng. iii ABSTRACT Ground anchor has many applications in construction field. It can be used for temporary supports or permanent anchored systems, such as: retaining wall stabilization, slope and landslide stabilization, lift-up resistance for structure under the ground water level. This thesis presents the ground anchor, anchored wall systems and studies the effect of ground anchor spacing to wall bending moment and horizontal displacement. The deep excavation supported by anchored deep mixing wall, namely Lake Parkway project, Milwaukee, Wi, US is used to analysis. After an extensive literature review on anchors and anchored retaining wall, the excavation of Lake Parkway project is described, modeled and analyzed by finite element method program Plaxis 8.2. The numerical analysis results show that the wall bending moment and horizontal displacement will reduce if the reasonable anchor spacing is selected. When the anchor spacing is too large or too small, the wall bending moment and horizontal displacement will be large. Anchor force effects to wall bending moment and horizontal displacement was also performed in this thesis. The large anchor force will result the large wall bending moment and the small horizontal displacement. Otherwise, the small anchor force will result the small wall bending moment and the large horizontal displacement. Base on the results of this study, it can be concluded that the designers should optimize the anchor spacing and anchor force to get the minimum wall bending moment and horizontal displacement to save the wall material and to achieve the cost-effective project. iv MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ....................................................................... ii ABSTRACT ....................................................................................................... iii MỤC LỤC ....................................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Giới thiệu ...................................................................................................... 1 2. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài .................................................. 1 3. Tổ chức đề tài nghiên cứu ............................................................................ 2 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................ 3 NEO TRONG ĐẤT VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯỜNG NEO ................................ 3 1.1. Neo trong đất (Ground Anchor) .............................................................. 3 1.1.1. Lịch sử phát triển của neo trong đất ..................................................... 3 1.1.2. Phân loại neo trong đất ........................................................................ 4 1.1.2.1. Tổng quan ................................................................................. 4 1.1.2.2. Neo tạo lực kéo ......................................................................... 5 1.1.2.3. Neo tạo lực nén tập trung .......................................................... 7 1.1.2.4. Neo tạo lực nén phân bố ............................................................ 8 1.1.3. Cấu tạo của neo trong đất ..................................................................... 9 1.1.3.1. Thanh thép và bó cáp ................................................................ 9 1.1.3.2. Cử định vị và miếng định tâm ..................................................10 1.1.3.3. Vữa epoxy lấp đầy khoảng trống các tao cáp ............................11 1.1.3.4. Vữa ximăng ..............................................................................11 1.1.4. Ứng dụng của neo trong đất ................................................................12 1.1.4.1. Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào .......................12 1.1.4.2. Ổn định tường chắn khi thi công đường đào .............................14 1.1.4.3. Ổn định và chống sạt lở mái dốc ..............................................15 v 1.1.4.4. Ổn định kết cấu ........................................................................15 1.2. Các hệ thống tường neo ..........................................................................17 1.2.1. Tổng quan ...........................................................................................17 1.2.2. Tường cọc chống đứng và ván lát ngang .............................................19 1.2.3. Tường neo cọc ván thép ......................................................................21 1.2.4. Tường cọc bê tông đổ tại chổ ..............................................................22 1.2.5. Tường cọc đất-xi măng trộn sâu ..........................................................24 1.2.6. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất....................................................25 1.3. Kết luận chương 1 ...................................................................................26 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG NEO ....................28 2.1. Áp lực đất ................................................................................................28 2.1.1. Tổng quát............................................................................................28 2.1.2. Áp lực đất chủ động và bị động ..........................................................28 2.1.2.1. Lý thuyết Rankine ....................................................................28 2.1.2.2. Lý thuyết Coulomb ..................................................................33 2.1.3. Áp lực đất ở trạng thái nghỉ.................................................................34 2.1.4. Ảnh hưởng chuyển vị của tường đến áp lực đất...................................34 2.2. Thiết kế tường neo ..................................................................................38 2.2.1. Tính toán áp lực đất ............................................................................38 2.2.1.1. Tổng quan ................................................................................38 2.2.1.2. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck ...................39 2.2.1.3. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến đề xuất cho đất cát .......................40 2.2.1.4. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng .........................................................................................41 2.2.1.5. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái mềm đến trung bình ..........................................................................................42 2.2.1.6. Áp lực đất do tải trọng chất thêm..............................................43 2.2.2. Thiết kế neo trong đất .........................................................................43 2.2.2.1. Xác định vị trí mặt trượt giới hạn .............................................43 2.2.2.2. Tính toán tải trọng neo dựa vào biểu đồ áp lực đất biểu kiến ....44 2.2.2.3. Thiết kế đoạn chiều dài không liên kết .....................................46 2.2.2.4. Thiết kế đoạn chiều dài liên kết ................................................46 vi 2.2.2.5. Xác định khoảng cách các neo ..................................................47 2.2.3. Các phương pháp tính toán tường neo .................................................49 2.2.3.1. Phương pháp RIGID ................................................................50 2.2.3.2. Phương pháp WINKLER .........................................................50 2.2.3.3. Phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính (LEFEM) và phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến (NLFEM) ...............................51 2.3. Phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 8.2...................................................55 2.3.1. Tổng quát............................................................................................55 2.3.2. Các mô hình đất trong phần mềm Plaxis 8.2. ......................................56 2.4. Kết luận chương 2 ...................................................................................60 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU KHOẢNG CÁCH BỐ TRÍ HỢP LÝ CỦA NEO TRONG ĐẤT ................................................................................63 TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU: DỰA ÁN LAKE PARKWAY .......................63 3.1. Mô tả dự án Lake Parkway ....................................................................63 3.2. Mô hình tính toán bằng phần mềm PTHH Plaxis .................................63 3.2.1. Mô hình bài toán .................................................................................63 3.2.2. So sánh trường hợp tường không bố trí neo và có bố trí neo ...............70 3.2.2.1. Mô hình bài toán ......................................................................70 3.2.2.2. Chuyển vị ngang của tường ......................................................71 3.2.2.3. Mô men uốn trong tường ..........................................................72 3.2.2.4. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng...................................74 3.2.3. Tìm khoảng cách bố trí hợp lý của neo................................................79 3.2.4. Khoảng cách bố trí hợp lý của neo khi lực neo thay đổi. .....................85 3.3. Kết luận chương 3 ...................................................................................91 KẾT LUẬN .......................................................................................................92 1. Kết luận .......................................................................................................92 2. Kiến nghị ......................................................................................................93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................94 PHỤ LỤC .......................................................................................................98 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Phân loại neo trong đất ........................................................................... 5 Hình 1.2. Phân loại neo theo phương thức liên kết với đất nền. .............................. 6 Hình 1.3. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực kéo. .................................................................................................. 6 Hình 1.4. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực nén tập trung. ................................................................................... 7 Hình 1.5. Cấu tạo, sơ đồ thay đổi tải trọng và biểu đồ phân bố ma sát của neo tạo lực nén phân bố. ..................................................................................... 8 Hình 1.6. Mặt cắt ngang điển hình của neo trong đất. ............................................. 9 Hình 1.7. Cáp dự ứng lực sử dụng cho neo trong đất .............................................10 Hình 1.8. Bố trí cử định vị và miếng định tâm .......................................................11 Hình 1.9. Neo ổn định tường chắn đất khi thi công hố đào ....................................12 Hình 1.10. Neo ổn định tường chắn khi đào đất thi công nhà ga tuyến Metro Athen- Hy Lạp. .................................................................................................13 Hình 1.11. Hệ shoring chống đỡ hố đào thi công tầng hầm toà nhà Bảo Gia ..........13 Hình 1.12. So sánh tường trọng lực và tường neo ứng dụng khi thi công đường đào .............................................................................................................14 Hình 1.13. Ứng dụng neo trong đất ổn định mái dốc và chống sạt lở. ....................15 Hình 1.14. Ứng dụng neo trong đất, khối bê tông chống sạt lở ..............................16 Hình 1.15. Ứng dụng neo trong đất chống tải trọng nâng và ổn định kết cấu. ........16 Hình 1.16. Neo chống lực đẩy nổi .........................................................................17 Hình 1.17. Năm loại tường cừ chống giữ hố đào thông dụng. ................................19 Hình 1.18. Tường neo cọc chống và ván lát ngang. ...............................................20 Hình 1.19. Tiết diện ngang liên hợp và hình ống của cọc chống. ...........................20 Hình 1.20. Ván lát ngang bằng gỗ và bê tông phun ...............................................21 Hình 1.21. Hệ thống tường neo cọc ván thép .........................................................21 Hình 1.22. Tường neo cọc ván thép. ......................................................................22 Hình 1.23. Tường gồm các cọc bê tông cốt thép liền kề ........................................23 Hình 1.24. Tường gồm các cọc bê tông cài vào nhau .............................................23 Hình 1.25. Tường neo cọc đất xi-măng trộn sâu. ...................................................24 Hình 1.26. Chu kỳ thi công tường cọc đất-xi măng trộn sâu. .................................25 viii Hình 1.27. Mặt cắt ngang điển hình của tường cọc đất-xi măng trộn sâu. ..............25 Hình 1.28. Tường cừ bê tông cốt thép trong đất.....................................................26 Hình 2.1. Áp lực đất chủ động và bị động theo phương ngang của tường nhẵn. .....29 Hình 2.2. Giới hạn ứng suất chủ động và bị động theo phương ngang. ..................30 Hình 2.3. Hệ số áp lực đất chủ động và bị động cho tường nghiêng ......................31 Hình 2.4. Hệ số áp lực đất chủ động và bị động cho đất có mái dốc nghiêng. ........32 Hình 2.5. Mặt cắt của mô hình tường neo ..............................................................35 Hình 2.6. Chuyển vị ngang và áp lực đất khi đào đến cao độ tầng neo đầu tiên .....35 Hình 2.7. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi truyền lực cho neo. ......36 Hình 2.8. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi đào đất đến tầng neo bên dưới. .....................................................................................................37 Hình 2.9. Chuyển vị và áp lực đất theo phương ngang khi đào đất đến cao độ thiết kế. .........................................................................................................38 Hình 2.10. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến của Terzaghi và Peck...............................40 Hình 2.11. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất cát. ..............................................41 Hình 2.12. Biểu đồ áp lực đất biểu kiến cho đất sét trạng thái nửa cứng đến cứng. 42 Hình 2.13. Tính toán lực neo cho tường một tầng neo ...........................................44 Hình 2.14. Tính toán lực neo cho tường có nhiều tầng neo ....................................45 Hình 2.15. Khoảng cách yêu cầu của neo theo phương đứng và phương ngang .....49 Hình 2.16. Phương pháp dầm tương đương tựa trên gối cứng. ...............................50 Hình 2.17. Phương pháp dầm tựa trên nền đàn hồi. .