Biến dạng của nền đất yếu khi thi công hầm trong đất yếu
Phần I . Sự hình thành biến dạng và tác động của nó đến các công trình lân cận
Biến dạng nền đất
Xây dựng hầm sẽ tác động lên khối đất bao quanh hang đào và gây ra sự biến dạng của khối đất và mặt đất. Biến dạng này sẽ gây tác động bất lợi đến các công trình xây dựng gần kề trong phạm vi ảnh hưởng của việc đào hầm. Hiểu biết về biến dạng là cơ sở để tính toán và lựa chọn vì chống cho hầm cũng như là để lựa chọn các giải pháp hạn chế các hư hỏng của các công trình gần kề.
Nghiên cứu biến dạng khối đất xung quanh hang đào có thể đưa ra đặc điểm và cơ chế xuất hiện biến dạng:
1- Xây dựng hầm đi kèm với sự thay đổi trạng tháin ứng suất - biến dạng (ƯSBD) tự nhiên của khối đất và có thể gây ra sự phá huỷ không thể hồi phục lại của đất nền;
2. Sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng tương tự như vậy dẫn đến sự xuất hiện trường biến dạng (chuyển dịch) trong khối đất xung quanh hầm;
3. Sự phân bố biến dạng trong khối đất từ nguồn biến dạng (hang đào) diễn ra theo tất cả các hướng từ hang đào và mang đặc tính tắt dần;
4. Hướng của trường biến dạng tập trung vào tâm của hang đào.
Vậy quá trình chuyển dịch của đất dưới tác động của việc đào hầm bắt đầu xung quanh hang đào và diễn ra liên tục, và khi tồn tại lớp đất yếu tương đối ở phía trên hang đào chuyển dịch này đạt đến bề mặt đất. Quá trình này tiếp tục cho đến khi thiết lập sự cân bằng của trạng thái ứng suất - biến dạng trong khối đất bao xung quanh hang đào hoặc khi lắp đặt hệ thống vì chống cứng vĩnh cửu cùng với việc bơm vữa lấp khe hở thi công.
Phân tích trường véc tơ biến dạng xuất hiện trong khối đất xung quanh hầm mặt cắt tròn trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng, từ sự tạo thành hang có thể nhận xét sau: Biến dạng nén thẳng đứng xuất hiện trong phần đặt gần chu tuyến hang đào tại cao độ đường kính nằm ngang của hầm, còn trên và dưới hang đào theo đường kính thẳng đứng - biến dạng kéo. Chuyển dịch thẳng đứng lớn nhất trong khối đất tập trung ở trên và dưới hang đào, ở cao độ đường kính nằm ngang của hầm, chuyển dịch này bằng không, còn chuyển dịch ngang có giá trị lớn nhất ở cao độ bán kính nằm ngang của hầm và bằng không ở đỉnh và đáy của hang đào. Trường biến dạng thẳng đứng và nằm ngang của đất bao quanh hầm có tính đối xứng qua trục thẳng đứng và nằm ngang của hầm, một cách tương ứng.
Đặc điểm của sự xuất hiện biến dạng được đặc trưng bởi sự tạo thành vùng biến dạng, được xác định bởi 2 mặt cắt chính - mặt cắt ngang (settlement trough) và dọc tim hầm, kích thước và hình dạng của các mặt cắt này trên mặt đất được xác định:
(1) góc giới hạn vùng biến dạng δ và nửa chiều dài vùng biến dạng L;
(2) đường cong biến dạng f(x), f
;
(3) biến dạng thẳng đứng trên trục hầm η với giá trị lớn nhất ηm. Lưu ý rằng, trong thực tế xây dựng hầm tồn tại các vùng biến dạng mà trong đó không chỉ xuất hiện lún mà còn sự trồi của đất.
Chuyển dịch của các điểm của khối đất trong giới hạn của vùng biến dạng có thể được thể hiện ở dạng thành phần thẳng đứng η hoặc γ ( η - độ lún, γ - độ trồi của mặt đất) và thành phần nằm ngang ξ ?.
Tính không đồng đều của biến dạng được đặc trưng bởi độ nghiêng j (mm/m) và độ cong k (1/m hay 1/km). Đại lượng ngược với độ cong biến dạng và chuyển dịch của mặt đất, người ta sử dụng khái niệm vận tốc lún V (mm/s). Giá trị j và k trong các mặt cắt chính của vùng biến dạng có thể được xác định như sau:
(1)
trong đó f(x) và f
- hàm số của đường cong trong các mặt cắt chính theo hướng ngang và dọc của vùng biến dạng mặt đất một cách tương ứng. Đối với các hầm đủ dài hàm số f
không cần tính đến, còn hàm số f(x) được miêu tả bằng các đường cong trong lời giải của giáo sư C.Г. ABEPШИH, Ю.A. ЛИMAHOB, bằng đường cong đơn vị mẫu được viết dưới dạng bảng của giáo sư B.Ф.ПOДAK, bằng đường cong phân bố Gauss theo đề nghị của giáo sư R. Peck (1969) và nhiều nhà khoa học khác,.
Các thông số chính của các đường cong kể trên là chiều dài của nửa vùng biến dạng (L) (theo đường cong của giáo sư Ю.A. ЛИMAHOB và giáo sư B.Ф.ПOДAK) hoặc hoành đồ điểm uốn của đường cong (i) (theo đường cong của giáo sư C.Г. ABEPШИH và giáo sư R. Peck) và độ lún lớn nhất. Trong các phương pháp của giáo sư Ю.A. ЛИMAHOB và giáo sư B.Ф.ПOДAK(được thiết lập phù hợp với điều kiện xây dựng hệ thống metro ở Lêningrat) L được xác định phụ thuộc vào chiều sâu đặt hầm, bán kính hầm và góc nối ma sát của lớp đất phía trên hầm. Theo đường cong của giáo sư R. Peck hoành độ điểm uốn i được các nhà khoa học lấy các giá trị khác nhau phụ thuộc vào chiều sâu đặt hầm, đường kính hầm và dạng đất. khi xác định i trong thực tế người ta thường xuyên sử dụng kết quả nghiên cứu của giáo sư R. Pẹc (1969), New and O’Reilly (1982), Clough and Schmidt (1981), Mair và nhiều tác giả (1993) và Loganathan và Poulos (1998).
B.B.Peчицкий (29005) nghiên cứu 28 đường cong có trong các tài liệu trên thế giới (7 đường cong cho mỗi loại đất) khi thi công hầm ở độ sâu 20m và đường kính hầm 9m. Trong kết quả nghiên cứu nhà khoa học đã đề xuất các giá trị sau của i: 11,4m cho đất cát, 11,3m – á cát, 13,1m- á sét và 15,4m – sét. Chiều dài vùng biến dạng trong đất dính theo quy luật sẽ lớn hơn trong đất rời.
Chiều dài vùng biến dạng có thể xác định theo giá trị góc giới hạn δ, mà giá trị này phụ thuộc vào các loại đất. Góc giới hạn có giá trị khoảng 45o và 43-48o trong điều kiện xây dựng các hầm và nhà ga của hệ thống metro ở thành phố Lêningrat, một cách tương ứng. Giá trị tương tự của góc giới hạn cũng được đưa ra trong kết quả nghiên cứu khi thi công hầm trong đất sét của Cording và Hansmire (1975). Chi (2001) và nhiều nhà khoa học khác. Ngoài ra, Cording và Hansmire đã đề xuất xác định góc giới hạn của vùng biến dạng xuất hiện khi thi công hầm trong các loại đất khác nhau, còn Chi đề nghị δ = 45o khi thi công hầm trong đất dính và 30-50o – trong đất rời.
Theo các số liệu về biến dạng lún mặt đất trong các tài liệu nghiên cứu có thể đưa ra các nhận xét sau: khi thi công hầm bằng khiên đào thông thường độ lún không vượt quá 30 – 50mm, tuy nhiên trong một số trường hợp độ lún đạt đến 100mm và lớn hơn. Ví dụ theo kết quả thống kê số liệu thi công hầm và nhà của hệ thống metro ở Lêningrat trong 25 năm đã chỉ ra rằng: biến dạng lún của mặt đất khi thi công hầm không vượt quá 15-20mm, còn khi thi công nhà ga - đến 210mm và lớn hơn. Độ lún xuất hiện khi thi công hầm bằng khiên đào không có áp lực cân bằng ở gương đào lớn hơn đáng kể so với khi thi công hầm bằng khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng của khối đất, trong đó các yếu tố liên quan đến công nghệ xây dựng, điều kiện địa chất thuỷ văn và đặc điểm kết cấu của hầm giữ vị trí quan trọng.
+ Trong đất rời ẩm, biến dạng của đất xảy ra với tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với đất dính. Trong đất hỗn hợp các biến dạng và chuyển dịch này được xác định cơ bản bằng điều kiện thế nằm của nó. Bobet (2001) đã chỉ ra rằng khi hệ số ổn định của đất N (xác định theo đề xuất của R. Peck (1969) nhỏ hơn 3,8 thì độ lún mặt đất nói chung không vượt quá 30mm.
+ Độ lớn của biến dạng tăng lên cùng với sự tăng kích thước mặt cắt ngang hầm;
+ Ảnh hưởng của các công trình xây dựng gần kề đến biến dạng của khối đất liên quan đến sự xuất hiện các biến dạng ban đầu của khối đất;
+ Chiều sâu đạt hầm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình dịch chuyển và biến dạng. Đối với hầm đặt nông (khi H/D 2-3) độ lún mặt đất xuất hiện nhanh và giá trị của chúng tăng lên khi
giảm chiều sâu đặt hầm.Đối với hầm đặt sâu quan sát được bức tranh ngược lại: độ lún mặt đất tăng lên khi tăng chiều sâu đặt hầm và tốc độ lún giảm gần như là tuyến tính với độ sâu;
+ Ảnh hưởng của kết cấu vỏ hầm đến biến dạng và chuyển dịch của mặt đất liên quan đến biến dạng vỏ hầm, sự nén vào trong đất và các lý do khác;
+ Độ lún mà xuất hiện khi thi công hầm bằng khiên đào, thông thường có giá trị nhỏ hơn khi so sánh với các phương pháp đào mỏ. Khi sử dụng phương pháp hạ mực nước ngầm và làm động cứng đất nhân tạo khi đào hầm bằng khiên đào có thể gây ra độ lún phụ thêm hoặc sự trồi bề mặt đất.
Khi đào hầm bằng khiên đào xuất hiện các biến dạng cố kết, biến dạng kéo dài và biến dạng tức thời (ngắn hạn) của đất. Độ lún cố kết của khối đất trên đỉnh hầm tăng lên theo thời gian và khi giảm chiều sâu từ mặt đất, còn độ lún ngắn hạn giảm xuống theo thời gian và khi giảm chiều sâu từ mặt đất.
+ Biến dạng cố kết mang đặc tính phụ thuộc vào thời gian và được quy định bởi đặc tính thủy động tự nhiên (sự chảy nước vào trong hầm và giảm mực nước ngầm) và sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng do sự di chuyển của khiên đào. Điều đó liên quan đến sự tăng ứng suất có hiệu trong đất. The kết quả nghiên cứu của Hwang, Wu và Lee quan sát thấy sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng khi đào hầm bằng khiên đào trong đất sét nằm trong giới hạn một lần đường kính hầm từ thành hang đào. Trong đất sét dẻo chảy và deỉo mềm, biến dạng cố kết diễn ra trong một thời gian dài và chiếm đến 30% độ lún cuối cùng;
+ Biến dạng ngắn hạn của khối đấ về cơ bản được gây ra bởi các nguyên nhân sau:
(1)sự không cân bằng áp lực ở gương đào dẫn đến sự trồi đất vào phía trong hang đã được đào hoặc sự trồi đất vào phía trong hang đã được đào hạơc sự trồi đất về phía ngược lại, và vì vậy sẽ làm xuất hiện biến dạng lún hoặc trồi của khối đất;
(2) ma sát giữa vỏ khiên đào và đất trong quá trình di chuyển khiên đào dẫn đến sự phá huỷ đất xung quanh hang đào;
(3) sự đào đất vượt quá, mà trong thực tế không thể tránh được, đặc biệt khi đào hầm trên đoạn cong;
(4) sự tồn tại của khe hở thi công trong phần đuôi của khiên đào dẫn đến sự trồi đất vào khe hở thi công và tiếp theo là biến dạng lún của đất. Độ lớn của biến dạng lún phụ thuộc vào thời gian và chất lượng lấp đẩy khe hở thi công. Lưu ý rằng, áp lực bơm vữa lấp khe hở thi công quá lớn trong đất sét sẽ dẫn đến sự trồi mặt đất. Biến dạng của khối đất có thể được gây ra bởi:
(5) sự điều chỉnh khiên đào “ngoi lên” mà thường xuyên phải điều chỉnh để bù lại sự “chìm xuồng” của nó trong khi chuyển dịch, điều đó có thể dẫn đến sự “đẩy ra” của đất phía trước khiên đào cùng với sự trồi của mặt đất;
(6) sự “sai lệch” của khiên đào khi đào hầm dẫn đến làm rời rạc khối đất ở gương đào và sập đổ đất vào trong hầm, vì vậy, dẫn đến biến dạng lún của khối đất;
(7) vận tốc di chuyển khiên đào gây ảnh hưởng đến biến dạng của đất (vận tốc càng lớn, biến dạng càng lớn). Điều đó liên quan đến mức độ phá huỷ đất xung quanh hang đào, ngoài ra vận tốc không đều trong thời gian khi đào hầm gây ra biến dạng lún lớn hơn;
+ Biến dạng lâu dài của đất gây ra bởi biến dạng (biến hình elíp nằm ngang) và chuyển dịch của vòng vỏ hầm dưới tác động của tải trọng không cân bằng và nước ngầm bao quanh hầm. Điều đó phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các liên kết bu lông giữa các khối vỏ hầm.
Biến dạng mặt đất là tổng hợp phức tạp của biến dạng lún và trồi gây ra bởi các nguyên nhân trên. Giá trị cuối cùng của biến dạng ngắn hạn (độ lún) đạt được sau 5 giai đoạn theo một trình tự thống nhất. Giai đoạn I và II tương ứng với biến dạng lún khi khiên đào chưa đến mặt cắt đang xem xét, giai đoạn III – trong quá trình đào, trong giai đoạn IV và V- sau khi di chuyển khiên đào ra khỏi giới hạn mặt cắt đang xét.
Lún mặt đất ở bất kỳ mặt cắt nào theo trục hầm bắt đầu khi khiên đào còn cách mặt đất đó ở khoảng cách từ (2-5) D (D- đường kính của hầm). Điều đó liên quan đến sự giảm mực nước
ngầm trong đất cát hay sự trồi đất ở gương đào trong đất sét yếu. Tiếp theo, theo sự di chuyển của khiên đào biến dạng lún mặt đất tiếp tục tăng. Lún (trồi) phái trước gương đào do phá vỡ sự cân bằng áp lực đất và áp lực nước ngầm ở gương đào. Khi di chuyển khiên đào qua mặt cắt đang xét xuất hiện lún (trồi) gây ra bởi sự phá huỷ đất do ma sát giữa khiên đào và đất và việc đào thừa đất. Ngay khi phần đuôi của khiên đàog đi qua mặt cắt đang xét xuất hiện lún (trồi) của mặt đất liên quan đến sự “nhả” ứng suất do sự tồn tại của khe hở thi công ở vỏ đuôi khiên đào hay sự vượt quá của áp lực bơm vưac lấp khe hở thi công. Độ lún này chiếm tỷ trọng lớn trong tổng độ lún. Khi đào hầm trong đất sét yếu xuất hiện độ lún phụ thêm do sự bị rời rác hay phá vỡ của đất. Độ lún cuối cùng (có giá trị lớn nhất), thông thường, đạt được sau khi di chuyển khiên đào khỏi mặt cắt đang xét với khoảng cách 3-5 D, còn sau đó tắt dần và ổn định.
Ảnh hưởng của biến dạng mặt đất đến các công trình xây dựng gần kề
Lún mặt đất gây ra biến dạng của các ngôi nhà và công trình mà rơi vào trong vùng biến dạng. Mức độ ảnh hưởng của chúng phụ thuộc vào độ lún có thể của mặt đất, hình dạng, kích thước và trạng thái kỹ thuật-khai thác của kết cấu công trình và vị trí phân bố của ngôi nhà và các công trình trong vùng biến dạng của mặt đất.
Các ngôi nhà mà nằm ở phần trung tâm của vùng biến dạng phải chịu ảnh hưởng của độ cong âm (lõm) của mặt đất, và vì vậy biến dạng sẽ phát triển nói chung ở các tầng thấp và móng công trình. Ở các vùng xây dựng liền kề nhau do sự nghiêng của các ngôi nhà bên cạnh, các ngôi nhà nằm gần đó có thể chịu biến dạng phụ thêm ở dạng đè hay ép của các bức tường, điều đó kèm theo sự phá vỡ các bức tường ở các đoạn riêng biệt. Các ngôi nhà mà rơi vào khoảng biên của vùng biến dạng chịu tác động của độ cong dương (lồi) của mặt đất, mà gây ra biến dạng, trước tiên ở các tầng phía trên. Bất lợi nhất cho các ngôi nhà mà nằm ở đoạn uốn của vùng biến dạng chịu tác động kép của độ cong âm và dương của vùng biến dạng.
Ảnh hưởng lớn nhất đến các ngôi nhà gây ra bởi biến dạng thẳng đứng của mặt đất: độ nghiêng và độ cong. Độ nghiêng của móng dẫn đến sự nghiêng của các ngôi nhà, còn độ cong gây ra sự uốn trong chúng. Biến dạng ngang kéo và nén tác động lên kết cấu của các ngôi nhà ở dạng lực ma sát ở đáy và các mặt bên của móng. Ảnh hưởng của các biến dạng ngang, nói chung, nhỏ hơn nhiều ảnh hưởng của các biến dạng đứng, bởi vì rằng chúng tác động trên các đoạn ngắn, không xâm chiếm toàn bộ ngôi nhà.
Để đánh giá ảnh hưởng biến dạng lún mặt đất đến ngôi nhà tồn tại nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có thể kể đến các phương pháp của giáo sư Wahls (1981), Borcardin và Cording (1987), Attewwll (1986) và nêu trong quy trình CHиΠ 2.01.09-91.
Trong CHиΠ 2.01.09-91 phụ thuộc vào các thông số của đường cong biến dạng của vùng biến dạng có thể của mặt đất, người ta chia ra làm 4 nhóm (bảng 1). Khi đó việc sử dụng các biện pháp để bảo vệ các ngôi nhà và công trình trên các đoạn của bề mặt, nơi mà độ nghiêng nhỏ hơn 3mm/m và bán kính đường cong lớn hơn 20km, nói chung không yêu cầu.
Bảng 1. Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất
Nhóm Bán kính cong R(km) Độ nghiêng J(mm/m)
I 1-3 20-10
II 3-7 10-7
III 7-12 7-5
IV 12-20 5-0
Trong nghiên cứu của Attewell và các nhà khoa học khác sự hư hỏng của các ngôi nhà và công trình trên mặt đất được chia ra 4 nhóm phụ thuộc vào độ nghiêng và độ lún lớn nhất mặt đất (bảng 2)
Bảng 2. Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất
Nhóm hư hỏng Biến dạng lún mặt đất
Độ lún lớn nhất ηm(mm) Độ nghiêng J(mm/m)
Bỏ qua <10 <2
Không đáng kể 10-50 2-5
Trung bình 50-75 5-20
Đáng kể >75 >20
Tóm lại, biến dạng lún mặt đất ảnh hưởng bất lợi đến các ngôi nhà và công trình gần kề. Mức độ phá huỷ của các ngôi nhà trên mặt đất về cơ bản phụ thuộc vào trạng thái kết cấu của các ngôi nhà và giá trị các thông số của vùng biến dạng mặt đất. Khi đó trong một số trường hợp yêu cầu có các biện pháp bảo vệ chúng.
Kết luận
Xây dựng hầm gây ra sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng tự nhiên của khối đất, vì đó dẫn đến xuấ hiện trường biến dạng tắt dần trong khối đất xung quanh hầm, quá trình đó diễn ra liên tục không dứt và khi tồn tại đất yếu (tương đối) ở các lớp phía trên vòm hầm, biến dạng đó đạt đến bề mặt đất và tạo thành vùng biến dạng.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ biến dạng khối đất và mặt đất, trong số đó có đặc điểm công nghệ xây dựng và điều kiện địa chất công trình. Khi đào hầm bằng khiên đào trong đất yếu quá trình biến dạng lún ngắn hạn diễn ra theo 5 giai đoạn.Ảnh hưởng đến cường độ các biến dạng ngắn hạn gây ra nói chung sự “thoát” ra của đất ở gương đào và ở khe hở thi công sau đoạn vỏ phần đuôi của khiên đào. Đối với khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào thông thường nguyên nhân cuối cùng gây ra lượng lớn nhất.
Biến dạng lún mặt đất khi thi công hầm gây ra ảnh hưởng có hại đối với điều kiện bề mặt, mà kéo theo nó là sự hư hỏng có thể của các ngôi nhà và công trình phân bố gần kề. Mức độ hư hỏng của các ngôi nhà và công trình phụ thuộc cơ bản vào tình trạng kết cấu của chính bản thân các ngôi nhà và giá trị của các thông số của vùng biến dạng mặt đất.
(Nguồn tin: T/C Cầu đường Việt Nam, số 12/2007)
Người đăng: Công ty TNHH Khảo sát Tư vấn Thiết kế Thế Hệ
Tel: (84-8) 37186116 Fax: (84-8) 62549246
Web:
http://thehe.vn Mail:
info@thehe.vn Hotline: 01658366666 (Mr Đinh Hoàng Kiên)