Chương 2 – Đào đất

2-1 GIỚI THIỆU

Chương này trình bày các phương pháp đánh giá ổn định của hố đào nông và hố đào sâu. Có hai loại hố đào cơ bản: 1) hố đào hở (open cut excavations), trong đó ổn định đạt được bằng cách tạo mái dốc bên ổn định, và 2) hố đào có chống đỡ (braced excavations), trong đó các thành thẳng đứng hoặc dốc được chống đỡ theo phương ngang bằng các kết cấu chống đỡ bên trong hoặc bên ngoài. Các nội dung trong chương này bao gồm:

• Hố đào hở (Open cut excavations),
• Đào rãnh (Trenching),
• Hệ thống đào sâu (Deep excavation systems),
• Đào đá (Rock excavation), và
• Kiểm soát nước ngầm (Groundwater control).

Các điều kiện hiện trường chính chi phối việc lựa chọn và thiết kế hệ thống hố đào bao gồm loại đất, loại đá và địa tầng, các thông số về sức kháng cắt và cố kết của đất và đá, và điều kiện nước ngầm. Các thông số này có thể được xác định bằng các phương pháp mô tả trong Chương 2 và Chương 3 của DM 7.1 và FHWA (2017). Ngoài ra, cần xem xét thêm các yếu tố khác như độ sâu hố đào yêu cầu, ổn định thành và đáy hố đào, trình tự thi công, ổn định của hệ thống chống đỡ hố đào, và chuyển vị đứng và ngang của các khu vực lân cận cũng như các công trình hiện hữu.

2-2 HỐ ĐÀO HỞ

2-2.1 Hố Đào Có Mái Dốc

Các phương pháp mô tả trong Chương 7 của DM 7.1 có thể được sử dụng để đánh giá ổn định của hố đào có mái dốc trong đất và đá. Đối với đất sét, mất ổn định thường xảy ra ở mái dốc bên nhưng cũng có thể bao gồm cả lớp đất bên dưới đáy hố đào. Đất sét có sức kháng cắt tăng theo độ sâu thường có dạng phá hoại xảy ra tại mái dốc bên. Đối với đất sét có sức kháng cắt tương đối không đổi theo độ sâu, mặt phá hoại có thể lan rộng vào đến đáy hố đào. Đối với đất hạt thô, mất ổn định thường không lan rộng đáng kể xuống bên dưới đáy hố đào, miễn là dòng thấm được kiểm soát. Đối với đá, ổn định thường bị chi phối bởi các mặt yếu định hướng bất lợi như các khe nứt (joints), mặt phân phiến (foliation planes), hoặc đứt gãy (faults).

Đối với một số loại đất có vấn đề (problem soils), và đối với đá có các mặt yếu định hướng địa chất bất lợi, cần có những xem xét đặc biệt khi đánh giá ổn định của hố đào hở, như được trình bày trong Mục 2-7. Đối với bất kỳ loại đất nào, ổn định của mái dốc đào có thể suy giảm theo thời gian, do quá trình bão hòa nước, và do xáo trộn. Một số loại đất có thể không phù hợp với các tương quan sức kháng cắt thông thường được sử dụng trong thiết kế. Ví dụ, các đặc tính của đất tàn tích (residual soil), vốn chiếm khoảng một nửa diện tích bề mặt Trái Đất, rất khó liên hệ với lịch sử ứng suất. Kiến thức thực tế tại địa phương có thể hữu ích khi xác định phương pháp phân tích phù hợp đối với các loại đất có vấn đề này.

Ổn định của mái dốc có thể được cải thiện bằng cách giảm các lực gây mất ổn định. Có thể hạ thấp đỉnh mái dốc, hoặc giảm góc dốc, nếu hệ số an toàn chống mất ổn định chưa đạt yêu cầu. Tải trọng phụ (surcharge loading) từ thiết bị và/hoặc vật liệu chất đống cần được giữ cách xa đỉnh hố đào khi các tải trọng này gây ảnh hưởng bất lợi đến ổn định.

2-2.2 Hố Đào Thẳng Đứng (Vertical Excavations)

2-2.2.1 Đất Sét (Clay Soils)

Nhiều hố đào trong đất sét có thể đứng vững với mái dốc thẳng đứng trong một khoảng thời gian trước khi xảy ra phá hoại. Độ sâu tối đa của hố đào thẳng đứng trong đất sét, hay còn gọi là độ sâu tới hạn (critical depth), (H_crit), được xác định như sau:

\[
H_{crit}=\frac{4s_u}{\gamma_t}\tag{2-1}
\]

trong đó:
\(\qquad s_u =\) sức kháng cắt không thoát nước, và
\(\qquad \gamma_t =\) dung trọng tổng (hoặc dung trọng ẩm) của đất sét.

Tuy nhiên, sự thay đổi sức kháng cắt của đất sét theo thời gian và hiện tượng giải phóng ứng suất do đào đất gây ra có thể dẫn đến sự suy giảm ổn định theo thời gian (progressive deterioration). Cơ quan An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp Hoa Kỳ (Occupational Safety and Health Administration – OSHA) yêu cầu tất cả các hố đào phải được tạo mái dốc, và các rãnh đào phải được chống đỡ nếu có độ sâu lớn hơn 5 ft (1.52m( (OSHA 2020).

2-2.2.2 Đá (Rock)

Hố đào trong đá có thể được thi công thẳng đứng mà không cần chống đỡ (neo đá hoặc neo giằng) tùy thuộc vào chất lượng đá, sự vắng mặt của các khe nứt và đứt gãy có định hướng bất lợi, và sức kháng cắt huy động đủ dọc theo các đặc điểm cấu trúc để đảm bảo điều kiện ổn định. Ổn định của mái dốc đá cũng được trình bày trong Chương 7 của DM 7.1.

2-2.3 Các Xem Xét Thiết Kế Khác Đối Với Hố Đào Hở

Việc hạ mực nước ngầm (dewatering) có thể là cần thiết để cho phép thi công trong điều kiện không có nước trong hố đào.⁷ Hạ mực nước ngầm làm tăng ứng suất hữu hiệu và có thể gây lún cho các công trình lân cận. Có thể cần xem xét thi công tường hào chống thấm (cutoff trench) có hệ số thấm thấp, lấp đầy bằng hỗn hợp đất-bentonite hoặc đất-xi măng-bentonite, giữa hố đào và các công trình lân cận. Việc hạ mực nước ngầm trong khu vực đá carbonate có thể gây ra hiện tượng hình thành hố sụt (sinkhole). Nội dung thảo luận thêm về hạ mực nước ngầm có thể được tìm thấy trong Mục 2-6 và Unified Facilities Criteria (UFC) UFS 3-220-05 (DoD 2004). Nên bố trí rãnh thoát nước xung quanh chu vi (perimeter drains) quanh hố đào để ngăn nước mặt chảy vào hố đào gây xói mòn.

⁷ Đôi khi được gọi là “thi công khô” (“in the dry”).

Hố đào và khu vực xung quanh cần được quan trắc trong quá trình thi công. Hiện tượng trồi đáy (bottom heave), chuyển vị mái dốc, và lún của khu vực ngoài mái dốc cần được quan sát và theo dõi cẩn thận. Việc quan trắc có thể được thực hiện bằng các kỹ thuật khảo sát thông thường, các điểm đo trồi (heave points), và piezometer (xem DM 7.1, Chương 2). Piezometer có thể được sử dụng để khảo sát áp lực nước lỗ rỗng dư bên dưới hố đào và khả năng xảy ra hiện tượng xói ngầm (piping) hoặc trồi.

Các công trình gần mái dốc đào có thể cần được gia cố móng bên dưới (underpinning). Việc gia cố móng bên dưới (Mục 2-4.4) cần được xem xét khi cao độ đáy móng của công trình cao hơn đáy hố đào và chịu ảnh hưởng bởi các mặt phá hoại tới hạn của mái dốc.

Ảnh hưởng của rung động từ nổ mìn, đóng cọc, và di chuyển thiết bị nặng đến hiện tượng lún hoặc hư hỏng công trình lân cận cũng cần được xem xét. Trước khi thực hiện bất kỳ hoạt động nào có khả năng gây hư hỏng do rung động, cần thực hiện khảo sát hiện trạng trước thi công (preconstruction survey) kèm hình ảnh chụp lại. Ngoài ra, cần yêu cầu thực hiện chương trình nổ thử (test blast program) trước khi tiến hành nổ mìn chính thức. Trong quá trình thi công, việc quan trắc rung động là rất quan trọng. Ảnh hưởng của rung động đến đá có cấu trúc định hướng bất lợi cũng cần được đánh giá. Xem thêm Mục 2-5.3 để có thảo luận chi tiết hơn về nổ mìn.

2-3 ĐÀO RÃNH (TRENCHING)

2-3.1 Khảo Sát Hiện Trường (Site Exploration)

Các dự án đào rãnh riêng lẻ thường kéo dài trên khoảng cách lớn. Cần thực hiện chương trình khảo sát để xác định điều kiện đất và nước ngầm trên toàn bộ phạm vi dự án, sao cho thiết kế hệ thống chống đỡ (shoring system) có thể được điều chỉnh phù hợp với các điều kiện nền thay đổi.

2-3.2 Ổn Định Của Rãnh Đào (Trench Stability)

Hệ thống chống đỡ hố đào cho rãnh được quy định bởi OSHA (2020). Các yếu tố chính ảnh hưởng đến ổn định của rãnh đào bao gồm áp lực đất ngang (xem Chương 4) tác dụng lên hệ thống chống đỡ thành rãnh, hiện tượng trồi đáy, và áp lực cũng như tác động xói mòn của nước ngầm thấm vào (xem Chương 6 của DM 7.1). Các yếu tố bên ngoài khác ảnh hưởng đến ổn định của rãnh đào bao gồm:

• Tải trọng phụ trên bề mặt (Surface surcharge loads),
• Tải trọng do rung động (Vibration loads),
• Dòng thấm của nước ngầm (Groundwater seepage), và
• Dòng chảy của nước mặt (Surface water flow).

2-3.2.1 Tải Trọng Phụ Trên Bề Mặt (Surface Surcharge Loads)

Tải trọng bề mặt có thể tồn tại gần rãnh đào và gây ra tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ rãnh. Ảnh hưởng của tải trọng bề mặt cần được xem xét nếu tải trọng nằm trong khoảng giữa mép hố đào và giao điểm giữa mặt đất với mặt phá hoại tiềm năng. Mục 4-4.2 cung cấp hướng dẫn bổ sung về áp lực đất do tải trọng bề mặt gây ra.

2-3.2.2 Tải Trọng Do Rung Động (Vibration Loads)

Cần xem xét ảnh hưởng của máy móc gây rung, nổ mìn, các tải trọng động khác, và động đất trong khu vực lân cận hố đào. Ảnh hưởng của rung động mang tính tích lũy theo thời gian và có thể đặc biệt nguy hiểm đối với đất sét yếu, vốn có xu hướng khuếch đại rung động. Ngoài ra, rung động do động đất hoặc nổ mìn có thể khiến cát và bụi rời có tính co ngót (contractive) bị phá hoại như vật liệu giòn ở biến dạng thấp. Khi bị xáo trộn, các vật liệu này sẽ chảy (flow), có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng. Hố đào trong các loại đất này thường gặp nhiều vấn đề. Trong khi đất hạt thô chặt cũng có tính giòn và bị phá hoại ở biến dạng thấp, chúng không bị chảy và do đó ít gây vấn đề đối với hố đào. Nếu cần nổ mìn trong rãnh đào, khối lượng thuốc nổ cần được giữ ở mức nhỏ nhất có thể, và ảnh hưởng của rung động đến hiện tượng lún hoặc hư hỏng công trình lân cận cần được xem xét.

2-3.2.3 Dòng Thấm Của Nước Ngầm (Groundwater Seepage)

Dòng thấm của nước ngầm tại đáy hố đào có thể gây ra hiện tượng trồi đáy. Trồi đáy (Bottom heave) là hiện tượng chuyển vị hướng lên của đáy hố đào do gradient thủy lực hướng lên vượt quá gradient tới hạn của đất. Hiện tượng này còn được gọi là điều kiện cát chảy (quick condition). Đất bị trồi hoặc cát chảy sẽ mất toàn bộ hoặc hầu hết sức kháng cắt do ứng suất hữu hiệu tiến gần về không. Hiện tượng trồi đáy có thể xảy ra trong đất hạt thô nếu việc hạ mực nước ngầm được thực hiện không đúng cách.

Bên cạnh hiện tượng trồi, dòng thấm cũng có thể gây ra xói ngầm nội bộ (internal erosion), tức là hiện tượng các hạt đất di chuyển ra khỏi cấu trúc của đất. Cát mịn và bụi là các loại đất dễ bị xói ngầm nội bộ nhất. Các phương pháp dự báo và thiết kế phòng chống xói ngầm nội bộ được trình bày trong Chương 6 của DM 7.1.

2-3.2.4 Dòng Chảy Của Nước Mặt (Surface Water Flow)

Nước mặt không được kiểm soát có thể chảy vào khối đất được giữ lại (retained soil), làm tăng hàm lượng nước, và có khả năng dẫn đến hiện tượng bão hòa. Sự bão hòa làm tăng đáng kể tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ thành hố đào và có thể làm giảm sức kháng cắt của đất. Hệ thống thoát nước hiện trường cần được thiết kế để dẫn nước mặt tránh xa các rãnh đào. Điều này đặc biệt quan trọng đối với khu vực nằm giữa mép hố đào và giao điểm của mặt phá hoại tiềm năng với mặt đất.

2-3.3 Hệ Thống Chống Đỡ (Support Systems)

OSHA (2020) yêu cầu áp dụng các biện pháp bảo vệ đối với bất kỳ rãnh đào nào có độ sâu lớn hơn 5 ft, trừ trường hợp đá ổn định. Các biện pháp bảo vệ cũng được yêu cầu đối với một số hố đào có độ sâu nhỏ hơn 5 ft tại bất kỳ điểm nào có bằng chứng về nguy cơ sập lở tiềm ẩn, theo đánh giá của một người có thẩm quyền chuyên môn (competent person). OSHA (2020) định nghĩa người có thẩm quyền chuyên môn là người có khả năng nhận diện các mối nguy hiểm hoặc điều kiện làm việc không an toàn và có thẩm quyền thực hiện các biện pháp khắc phục.⁸

⁸ Xem OSHA (2020), Đoạn 652(a)(1)(ii) để biết định nghĩa pháp lý của “người có năng lực”.

Các bản vẽ hệ thống chống đỡ và ván khuôn (shoring and sheeting plans) cần được chứng nhận bởi kỹ sư chuyên nghiệp đã đăng ký hành nghề. Đối với rãnh đào có độ sâu lớn hơn 20 ft, thiết kế phải được phê duyệt bởi một kỹ sư chuyên nghiệp có giấy phép hành nghề (OSHA 2020).

Các hệ thống chống đỡ hố đào thường được sử dụng, được trình bày trong các mục tiếp theo, bao gồm khiên chống rãnh (trench shields), chống đỡ thủy lực (hydraulic shoring), chống đỡ bằng gỗ (timber shoring), và chống đỡ bằng thép (steel shoring). Các thanh giằng ngang (cross braces) hoặc kích chống rãnh (trench jacks) phải được đặt đúng vị trí nằm ngang; được bố trí cách đều theo phương đứng; và được cố định chắc chắn để ngăn ngừa hiện tượng trượt, rơi, hoặc bật ra (kickouts).

2-3.3.1 Các Loại Đất Theo OSHA (OSHA Soil Types)

OSHA (2020) định nghĩa các Loại Đất A, B, và C dùng cho thiết kế rãnh đào, được tóm tắt trong Bảng 2-1. Phụ lục A của tài liệu hướng dẫn OSHA cung cấp định nghĩa các thuật ngữ được sử dụng để xác định các loại đất này. Các định nghĩa của OSHA không tương thích với Hệ Thống Phân Loại Đất Thống Nhất (Unified Soil Classification System – ASTM D2487).

2-3.3.2 Khiên Chống Rãnh (Trench Shield)

Khiên chống rãnh (trench shield) là hệ thống chống đỡ bằng thép chế tạo sẵn, cứng, được sử dụng thay thế cho các loại chống đỡ (shoring) khác, kéo dài từ đáy hố đào lên đến mặt đất. Khiên chống rãnh được đặt bên trong một hố đào rộng hơn có thành thẳng đứng và bảo vệ khoảng không gian bên trong khỏi hiện tượng sập rãnh. Các hệ thống đường ống hoặc các công trình khác được thi công bên trong khiên chống, và khiên được kéo tiến về phía trước khi công tác đào rãnh và thi công tiếp diễn. Hình 2-1(a) minh họa một khiên chống rãnh. Hệ thống này hữu ích với hầu hết các loại đất, ngoại trừ đất rất chặt hoặc đất rất cứng. Khiên chống rãnh phải kéo dài lên đến mặt đất đối với các hố đào thẳng đứng. Ở những nơi một phần hố đào có mái dốc, khiên chống rãnh phải kéo dài cao hơn chân mái dốc 18 inch (5.49m), như minh họa trong Hình 2-1(b).

Khiên chống rãnh phải được thiết kế cho toàn bộ chiều cao của hố đào, bao gồm cả phần mái dốc phía trên khiên chống.

Bảng 2-1. Các loại đất (theo OSHA CFR Phần 1926, Tiểu phần P, Phụ lục A)

OSHA (2020) cho phép độ sâu hố đào lên đến 20 ft (6.10m) khi sử dụng khiên chống rãnh chế tạo sẵn (manufactured trench shields) được thiết kế theo tiêu chuẩn OSHA. Các khiên chống này cần được sử dụng theo đúng thông số kỹ thuật, khuyến nghị, số liệu tra bảng, và giới hạn của nhà sản xuất. Hệ thống khiên chống không được chịu tải trọng vượt quá mức mà hệ thống được thiết kế để chống chịu.

Cho phép đào sâu thêm tối đa 2 ft bên dưới đáy khiên chống khi khiên được thiết kế để chống chịu lực cho toàn bộ chiều sâu rãnh đào. Loại hố đào này chỉ được phép thực hiện khi không có dấu hiệu mất đất từ phía sau hoặc từ bên dưới đáy khiên chống. Khi thiết kế phần hố đào bên dưới đáy khiên chống, cần xem xét khả năng xảy ra hiện tượng xói ngầm nội bộ hoặc trồi đất. Trong quá trình sử dụng, hố đào cần được quan sát để phát hiện các dấu hiệu của những vấn đề này. Tải trọng phụ, rung động, hoặc tải trọng từ các công trình lân cận cũng cần được xem xét.

2-3.3.3 Chống Đỡ Thủy Lực (Hydraulic Shoring)

Chống đỡ thủy lực (Hydraulic shoring) bao gồm các thanh chống xi lanh thủy lực bằng nhôm và các tấm ván ép dày (Finform). Phương pháp này ngày càng phổ biến hơn so với chống đỡ bằng gỗ (timber shoring), vì chi phí thấp hơn và không yêu cầu công nhân phải vào bên trong rãnh đào để thi công hệ thống chống đỡ. Bảng 2-2 và Bảng 2-3 trình bày các yêu cầu về chống đỡ thủy lực theo OSHA (2020). Hình 2-2 minh họa các ứng dụng điển hình của chống đỡ thủy lực (OSHA 2020).

Chống đỡ thủy lực thường có thể được sử dụng cho độ sâu khoảng 25 ft (7.62m) với chiều rộng rãnh đào lên đến 12 ft (3.66m). Chiều rộng rãnh đào có thể được tăng thêm bằng cách sử dụng các đoạn nối dài xi lanh, gọi là ống bọc thép mở rộng (steel tube oversleeves). Hướng dẫn thiết kế chống đỡ thủy lực được nêu trong OSHA (2020), Phụ Lục D, Mục (g).

Bảng 2-2. Chống vách bằng thủy lực nhôm – Loại đất A và B, không dùng thanh giằng ngang
(theo OSHA 2020 Phụ lục D, Bảng D-1.1 và D-1.2)

Loại đất theo OSHA	Chiều sâu rãnh đào, H (ft)A	Khoảng cách và đường kính xi lanh thủy lực
		Khoảng cách ngang tối đa (ft)	Khoảng cách đứng tối đa (ft)	Đường kính xi lanh cho bề rộng rãnh đào, B (ft)
				B < 8	8 ≤ B < 12	12 ≤ B < 15
A	5 ≤ H < 10	8	4	2 in.	2 in.B	3 in.
	10 ≤ H < 15	8	4
	15 ≤ H < 20	7	4
B	5 ≤ H < 10	8	4	2 in.	2 in.B	3 in.
	10 ≤ H < 15	6.5	4
	15 ≤ H < 20	5.5	4
Ghi chú: A Thiết kế rãnh đào có chiều sâu lớn hơn 20 ft bằng cách sử dụng dữ liệu dạng bảng của nhà sản xuất, đồng thời tham khảo Bộ Quy định Liên bang (CFR) Phần 1926, Tiểu phần P 652(c)(2) và 652(c)(3). B Với bề rộng này, các xi lanh đường kính 2 inch phải có ống thép kết cấu bọc ngoài hoặc ống lồng ngoài (3.5 × 3.5 × 0.1875 in), hoặc ống lồng kết cấu theo quy định kỹ thuật của nhà sản xuất, kéo dài hết chiều dài khi thu vào hoàn toàn.

\(\\\)

Bảng 2-3. Chống vách bằng thủy lực nhôm – Loại đất B và C có thanh giằng ngang
(theo OSHA 2020 Phụ lục D, Bảng D-1.3 và D-1.4)

Loại đất theo OSHA	Chiều sâu rãnh đào, H (ft)A	Thanh giằng ngang		Khoảng cách và đường kính xi lanh thủy lực cho bề rộng rãnh đào, B (ft)						Cột chống đứng bằng gỗ (in. × in.)
		Khoảng cách đứng (ft)	Mô đun tiết diện (in.3)	B < 8		8 ≤ B < 12		12 ≤ B < 15		Ván đặc	Khoảng cách ngang 2 ft (O.C.)C	Khoảng cách ngang 3 ft (O.C.)C
				Khoảng cách ngang (ft)	Đường kính xi lanh (in.)	Khoảng cách ngang (ft)	Đường kính xi lanh (in.)	Khoảng cách ngang (ft)	Đường kính xi lanh (in.)
B	5 đến <10	4	3.5	8.0	2	8	2B	8	3	—	—	3×12
			7.0	9.0	2	9	2B	9	3	—	—
			14.0	12.0	3	12	3	12	3	—	—
	10 đến <15	4	3.5	6.0	2	6	2B	6	3	—	3×12	—
			7.0	8.0	3	8	3	8	3	—		—
			14.0	10.0	3	10	3	10	3	—		—
	15 đến <20	4	3.5	5.5	2	5.5	2B	5.5	3	3×12	—	—
			7.0	6.0	3	6	3	6	3		—	—
			14.0	9.0	3	9	3	9	3		—	—
C	5 đến <10	4	3.5	6.0	2	6.0	2B	6.0	3	3×12	—	—
			7.0	6.5	2	6.5	2B	6.5	3		—	—
			14.0	10.0	3	10.0	3	10.0	3		—	—
	10 đến <15	4	3.5	4.0	2	4.0	2B	4.0	3	3×12	—	—
			7.0	5.5	3	5.5	3	5.5	3		—	—
			14.0	8.0	3	8.0	3	8.0	3		—	—
	15 đến <20	4	3.5	3.5	2	3.5	2B	3.5	3	3×12	—	—
			7.0	5.0	3	5.0	3	5.0	3		—	—
			14.0	6.0	3	6.0	3	6.0	3		—	—
Ghi chú: A Thiết kế rãnh đào có chiều sâu lớn hơn 20 ft bằng cách sử dụng dữ liệu dạng bảng của nhà sản xuất, đồng thời tham khảo CFR Phần 1926, Tiểu phần P 652(c)(2) và 652(c)(3). B Với bề rộng này, các xi lanh đường kính 2 inch phải có ống thép kết cấu bọc ngoài hoặc ống lồng ngoài (3.5×3.5×0.1875 in), hoặc ống lồng kết cấu theo quy định kỹ thuật của nhà sản xuất, kéo dài hết chiều dài khi thu vào hoàn toàn. C O.C. là khoảng cách tính từ tim đến tim.

\(\\\)

2-3.3.4 Chống Vách Bằng Gỗ (Timber Shoring).

Chống vách bằng gỗ (timber shoring) sử dụng một kết cấu tạm thời bằng gỗ để chống đỡ thành hào đào (trench). Bốn loại chống vách bằng gỗ được minh họa trong Hình 2-3. Các hệ thống này sử dụng các thanh đứng (uprights) hoặc thanh ngang bằng gỗ áp vào đất, được chống đỡ bởi hệ thống dầm ốp (wales) và thanh giằng chéo (cross-braces). Chống vách kiểu khung (skeleton shoring) không sử dụng các thanh đứng liên tục và có thể áp dụng khi không dự kiến có đất chảy (running soils)⁹. Loại này có thể dùng đến độ sâu 20 feet (6.10m). Chống vách kín (close (tight) shoring) sử dụng các thanh đứng liên tục để chống đỡ đất và hữu ích ở nơi dự kiến có hiện tượng thấm nước và sụt lở (seepage and cave-ins). Chống vách kiểu hộp (box shoring) sử dụng các thanh ngang để chống đỡ đất. Chống vách kiểu hộp có thể áp dụng cho việc đào hào trong bất kỳ loại đất nào và chỉ bị giới hạn bởi độ bền kết cấu và kích thước của gỗ. Chống vách kiểu lồng (telescopic shoring) được dùng cho các hào rất sâu, gồm các hào lồng vào nhau có bề rộng giảm dần khi độ sâu hào tăng lên.

⁹ Đất chảy (running soils) là loại đất không có khả năng giữ được mặt thẳng đứng và sẽ chảy hoặc sụt lở vào trong hố đào nếu không được chống đỡ. Đất hạt thô, sạch và khô là một ví dụ. Hiện tượng thấm nước (seepage) cũng có thể gây ra đất chảy.

Gỗ dùng để chống vách phải chắc chắn và không có các mắt gỗ lớn hoặc lỏng lẻo. Hệ chống vách bằng gỗ phải được thiết kế và lắp đặt đến tận đáy hố đào. Thanh giằng (braces) và thanh đứng (uprights) phải được lắp đặt đồng thời với quá trình đào. Thanh giằng và thanh chống chéo (diagonal shores) bằng gỗ không được chịu ứng suất nén vượt quá ứng suất nén cho phép. Ứng suất nén cho phép sẽ thay đổi tùy theo loại gỗ. Thông tin bổ sung về các đặc tính kết cấu của gỗ có thể tham khảo tại Mục 6-7.1.1.3 cũng như tài liệu Wood Handbook (USDA 2010). Ứng suất nén cho phép sẽ giảm khi độ mảnh (slenderness) của thanh chống vách tăng lên. Tỷ số giữa chiều dài và bề rộng nhỏ nhất thường được giới hạn ở mức 50 hoặc nhỏ hơn.

Bảng 2-4 tóm tắt các yêu cầu tối thiểu của OSHA (2020) đối với việc chống vách hào (trench shoring). Dữ liệu trong bảng áp dụng cho gỗ có kích thước danh nghĩa (nominal size) với khoảng cách được đo từ tâm đến tâm (center to center). Trong thiết kế, giả định tải phụ do đất (soil surcharge) tối đa là hai feet liền kề hào và tải phụ do thiết bị (equipment surcharge) tối đa là 20000 lb. Khu vực liền kề hào được định nghĩa là khoảng cách theo phương ngang ở mỗi bên hào, bằng với độ sâu của hào. OSHA (2020) chỉ ra rằng phải sử dụng ván lát kín (tight sheeting), chẳng hạn như ván gỗ ghép mộng âm dương (tongue and groove timber) dày ít nhất ba inch hoặc cừ thép (steel sheet piling), khi gặp điều kiện ngập nước để chống lại áp lực nước ngang (lateral water pressure) và giảm thất thoát hạt mịn (fines) phía sau ván lát. Bảng 2-4 không đề cập đến trường hợp điều kiện ngập nước. Đối với các hào sâu hơn 20 ft (6.0m), điều kiện ngập nước, và các điều kiện khác được nêu trong Bảng 2-4, thiết kế phải được một kỹ sư chuyên nghiệp có giấy phép hành nghề (licensed professional engineer) phê duyệt.

(diễn giải bảng 2-4)

Đoạn văn này nằm trong UFC 3-220-20, mục nói về yêu cầu tối thiểu của OSHA (Cơ quan An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp Hoa Kỳ) đối với việc chống vách hào đào (trench shoring). Nội dung chính có thể tóm tắt như sau:

1. Bảng 2-4 là gì: Đây là bảng quy định các yêu cầu tối thiểu về chống vách gỗ, dựa trên kích thước gỗ danh nghĩa (nominal size — tức kích thước gọi tên thương mại, không phải kích thước thực tế sau bào/cắt) và khoảng cách bố trí đo từ tâm cấu kiện này đến tâm cấu kiện kia.

2. Các giả định thiết kế trong bảng:

• Tải phụ do đất (soil surcharge): tối đa 2 feet đất chất thêm sát mép hào — tức là chỉ tính đến trường hợp có một lớp đất đắp cao tối đa 2 ft ngay cạnh hào.
• Tải phụ do thiết bị (equipment surcharge): tối đa 20.000 lb — ví dụ xe máy đào, xe tải đậu gần hào.
• “Khu vực liền kề hào” được định nghĩa theo một quy tắc hình học: khoảng cách ngang từ mép hào ra mỗi bên bằng đúng độ sâu của hào (ví dụ hào sâu 6 ft thì vùng ảnh hưởng kéo dài 6 ft mỗi bên) — đây là vùng mà nếu có tải trọng (đất, thiết bị) thì sẽ ảnh hưởng đến ổn định thành hào.

3. Yêu cầu riêng cho điều kiện ngập nước: Khi thành hào tiếp xúc với nước ngầm (submerged conditions), phải dùng ván lát kín hoàn toàn (không có khe hở), cụ thể là:

• Ván gỗ ghép mộng âm-dương (tongue and groove) dày tối thiểu 3 inch, hoặc
• Cừ thép (steel sheet piling)

Mục đích là để chống lại áp lực nước ngang (lateral water pressure) — tức áp lực thủy tĩnh của nước ngầm tác động vào thành chống — và ngăn hạt mịn (fines, tức các hạt đất nhỏ như bụi, sét) bị nước cuốn trôi qua khe hở của ván lát ra ngoài, gây mất ổn định nền đất xung quanh.

4. Giới hạn phạm vi áp dụng của Bảng 2-4: Bảng này không áp dụng cho trường hợp ngập nước. Ngoài ra, với các hào sâu hơn 20 ft, hoặc gặp điều kiện ngập nước, hoặc các điều kiện đặc biệt khác nêu trong bảng, thiết kế bắt buộc phải được một kỹ sư có giấy phép hành nghề (P.E. — professional engineer) phê duyệt, thay vì áp dụng trực tiếp các số liệu tiêu chuẩn trong bảng.

Bảng 2-4 Yêu Cầu Tối Thiểu Đối Với Chống Vách Hào Bằng Gỗ (theo OSHA 2020)

Loại Đất Theo OSHA	Độ Sâu Hào, H (ft)	Kích Thước (Danh Nghĩa) và Khoảng Cách Bố Trí Cấu KiệnB,C,D
		Khoảng Cách và Kích Thước Thanh Giằng Chéo (Cross Brace)							Dầm Ốp (Wales)		Kích Thước Thanh Đứng (Upright) (in x in) @ Khoảng Cách Ngang Cho Phép Tối Đa (ft) (0 = OSHA Bố Trí Sát Nhau (Close Spacing))
		Khoảng Cách Bố Trí (ft)		Kích Thước Cấu Kiện (in x in) Theo Bề Rộng Hào Quy Định:
		Ngang	Đứng	≤ 4 ft	≤ 6 ft	≤ 9 ft	≤ 12 ft	≤ 15 ft	Kích Thước (in x in)	Khoảng Cách Đứng (ft)
A	5 đến 10	≤ 6	4	4×4	4×4	4×4	4×4	4×6	Không có	–	4×6@6
		≤ 8					4×6				4×8@8
		≤ 10		4×6	4×6	4×6	6×6	6×6	8×8	4	4×6@5
		≤ 12A									4×6@6
	10 đến 15	≤ 6	4	4×4	4×4	4×4	6×6	6×6	Không có	–	4×10@6
		≤ 8		4×6	4×6	4×6			6×8	4	4×6@4
		≤ 10A		6×6	6×6	6×6			8×8		4×8@5
		≤ 12A							8×10		4×6@4, 4×10@6
	15 đến 20	≤ 6	4	6×6	6×6	6×6	6×6	6×6	6×8	4	3×6@0
		≤ 8A							8×8		3×6@0, 4×12@4
		≤ 10A						6×8	8×10		3×6@0
		≤ 12A					6×8		8×12		3×6@0, 4×12@4
B	5 đến 10	≤ 6	5	4×6	4×6	4×6	6×6	6×6	6×8	5	3×12@3, 4×12@5
		≤ 8				6×6			8×8		3×8@2, 4×8@4
		≤ 10						6×8	8×10		4×8@3
	10 đến 15	≤ 6	5	6×6	6×6	6×6	6×8	6×8	8×8	5	3×6@0, 4×10@2
		≤ 8		6×8	6×8	6×8	8×8	8×8	8×10
		≤ 10A				8×8			10×12
	15 đến 20	≤ 6	5	6×8	6×8	6×8	6×8	8×8	8×10	5	4×6@0
		≤ 8A					8×8		10×10
		≤ 10A		8×8	8×8	8×8			12×12
C	5 đến 10	≤ 6	5	6×6	6×6	6×6	6×6	8×8	8×8	5	3×6@0
		≤ 8					8×8		10×10
		≤ 10				8×8			10×12
	10 đến 15	≤ 6	5	6×8	6×8	6×8	8×8	8×8	10×10	5	4×6@0
		≤ 8		8×8	8×8	8×8			12×12
	15 đến 20	≤ 6	5	8×8	8×8	8×8	8×10	8×10	10×12	5	4×6@0
Tham khảo OSHA (2020), Phụ lục C, các Bảng C-2.1 đến C-2.3 để biết thêm thông tin. Ghi chú: A Kỹ sư chuyên nghiệp có chứng chỉ hành nghề phải phê duyệt thiết kế theo 29 CFR Phần 1926, Tiểu phần P, Excavations, Đoạn 926.652(c), đối với các tổ hợp chiều sâu, loại đất và khoảng cách không được liệt kê. B Việc định cỡ cấu kiện xem xét ứng suất ngang đã tính toán như sau, trong đó H = chiều sâu rãnh đào: Loại đất A: σ′h = (25×H) + 72 psf; Loại đất B: σ′h = (45×H) + 72 psf; Loại đất C: σ′h = (80×H) + 72 psf. Có tính đến tải chất thêm 2 ft bằng cách cộng thêm 72 psf. C Gỗ là linh sam Douglas hoặc loại tương đương, có cường độ uốn ≥ 1.500 psi. D Các cấu kiện chế tạo sẵn có cường độ tương đương có thể được dùng thay thế cho gỗ.

\(\\\)

2-3.3.5 Chống Vách Bằng Thép (Steel Shoring).

Có thể sử dụng ván lát thép (steel sheeting) và thanh giằng (bracing) thay cho chống vách kiểu thủy lực (hydraulic) hoặc bằng gỗ. Các cấu kiện kết cấu phải được thiết kế để chịu được an toàn áp lực nước và áp lực đất ngang (lateral earth pressures). Ván lát thép kết hợp với dầm ốp (wales) và thanh chống (struts) bằng gỗ cũng đã được sử dụng.

2-4 HỆ THỐNG CHỐNG ĐỠ HỐ ĐÀO SÂU

Phần thảo luận về các hệ thống chống đỡ hố đào sâu bao gồm việc xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và lựa chọn tường chắn, thiết kế chống lại hiện tượng trồi đáy (basal heave), dự đoán chuyển vị của tường chắn cũng như của đất và các công trình lân cận, và công tác thi công. Thông tin bổ sung có thể tham khảo tại FHWA (2008) và Clough và O’Rourke (1990). Phần thảo luận chi tiết về áp lực đất được trình bày trong Chương 4.

2-4.1 Các Loại Tường và Hệ Thống Chống Đỡ

Hệ thống chống đỡ hố đào sâu đôi khi là cần thiết để phục vụ thi công các kết cấu dưới mặt đất. Việc thiết kế các hệ thống chống đỡ này phải xem xét mức độ chuyển vị của chúng trong quá trình thi công và ảnh hưởng của chuyển vị này đến các công trình lân cận cũng như dự án được xây dựng bên trong hố đào. Chuyển vị của tường hố đào sâu phụ thuộc vào nhiều biến số, bao gồm:

• Loại đất, cường độ, độ nén lún, hệ số thấm, và áp lực đất;
• Mực nước ngầm và sự thay đổi mực nước ngầm trong quá trình thi công;
• Chiều sâu và hình dạng hố đào;
• Loại và độ cứng của tường;
• Loại và độ cứng của hệ thống chống đỡ;
• Phương pháp thi công tường;
• Tải trọng công trình liền kề và tải trọng chất thêm (surcharge); và
• Thời gian hệ thống chống đỡ hố đào sâu được duy trì tại chỗ.

Kinh nghiệm thực tế với các hố đào sâu cho thấy có ba giai đoạn chuyển vị chính trong quá trình thi công tường hố đào có chống văng và neo (Clough và O’Rourke 1990). Giai đoạn chuyển vị đầu tiên xảy ra khi tường chưa được chống đỡ hoặc ở trạng thái công-xôn (cantilever), như thể hiện trong Hình 2-4(a). Ở giai đoạn đầu này, chuyển vị lớn nhất xảy ra gần đỉnh tường. Khi hố đào tiếp tục đào sâu xuống, phần trên của tường được chống đỡ, làm giảm chuyển vị tiếp theo. Tuy nhiên, chuyển vị ngang và chuyển vị đứng bổ sung vẫn có thể xảy ra khi sức kháng của hệ thống chống đỡ được huy động. Chuyển vị cũng có thể xảy ra trước khi lắp đặt các hệ chống bổ sung, và chuyển vị đáy hố đào có thể xảy ra như thể hiện trong Hình 2-4(b). Clough và O’Rourke mô tả chuyển vị này là chuyển vị hướng vào trong sâu (deep inward movement). Chuyển vị tích lũy được thể hiện trong Hình 2-4(c).

Chuyển vị hướng vào trong sâu thay đổi về độ lớn do sự khác biệt về độ cứng của tường, chiều sâu đào chưa được chống đỡ, và điều kiện đất nền. Clough và O’Rourke ghi nhận rằng trong cát và sét cứng đến rất cứng, chuyển vị công-xôn (cantilever) thường chiếm ưu thế, và độ lún phía sau tường có phân bố dạng tam giác. Trong sét mềm đến trung bình, chuyển vị hướng vào trong sâu chiếm ưu thế, và độ lún phía sau tường có phân bố dạng hình thang.

Các loại hệ thống tường hố đào sâu chủ yếu bao gồm tường cừ thép (sheet piling), tường cừ thép kết hợp với cọc H hoặc cọc ống thép (xem Hình 2-5), cọc chống (soldier piles, cọc H) kết hợp với ván chắn (lagging), tường vây bê tông (concrete diaphragms), tường cọc khoan nhồi liền kề và tiếp giáp (secant and tangent pile walls), và trộn đất sâu (deep soil mixing). Các yếu tố liên quan đến việc lựa chọn loại tường được tóm tắt trong Bảng 2-5.

Hệ thống chống đỡ, thể hiện trong Hình 2-6, có thể là hệ chống đỡ nội bộ trong phạm vi hố đào, như thanh chống xiên (rakers), thanh chống ngang (cross lot struts), hoặc hệ giằng chống (braces). Hệ thống chống đỡ bên ngoài bao gồm neo văng ứng suất trước (prestressed tieback anchors) và neo đất (soil nails). Có thể bổ sung bệ đất (berm) vào bất kỳ hệ thống chống đỡ nào để giúp gia cường chân tường. Các bệ đất dùng cho chống đỡ tạm thời phải xem xét chuyển vị cần thiết để huy động sức kháng bị động (passive resistance). Một bệ đất được đắp từ đất cứng hoặc chặt sẽ hiệu quả hơn so với bệ đất đắp từ đất rời, vì áp lực bị động được huy động với chuyển vị nhỏ hơn. Hệ số an toàn thấp đối với hiện tượng trồi đáy hố đào (basal heave) có thể khiến bệ đất dịch chuyển cùng với đất nền và chỉ cung cấp sức kháng bị động rất hạn chế. Bảng 2-6 tóm tắt các điều kiện dự án ảnh hưởng đến việc lựa chọn hệ thống chống đỡ.

Bảng 2-5 Các Loại Tường và Yếu Tố Liên Quan Đến Việc Lựa Chọn

Loại Tường	Độ Cứng Tương Đối và Chi Phí	Yếu Tố Liên Quan Đến Việc Lựa Chọn
Tường Cừ Thép Steel Sheet Piling	Mềm Chi phí thấp	* Thi công đơn giản, nhanh chóng. * Về cơ bản không thấm nước, nhưng có thể rò rỉ nếu các khớp nối (interlock) bị tách rời. * Vật liệu dễ vận chuyển, lắp đặt và có thể tái sử dụng. * Dễ dàng điều chỉnh chiều dài bằng phương pháp hàn. * Các khớp nối có thể bị tách rời trong quá trình đóng cừ với lực đóng lớn. * Sử dụng búa rung (vibratory hammer) có thể gây lún. * Cứ mỗi 4 hoặc 5 tấm cừ có thể cần đóng sâu hơn để đạt được khả năng chịu tải và sức kháng bị động tốt hơn. * Hệ số an toàn chống trồi đáy hố đào, FBH, phải lớn hơn 2 trong đất sét mềm đến trung bình.
Cọc Chống (Cọc H) và Ván Chắn Soldier Pile (H-pile) and Lagging	Mềm Chi phí thấp	* Thi công đơn giản, nhanh chóng. * Cho phép thoát nước ngầm. * Cọc có thể được đóng, hoặc khoan trước và lấp lại bằng bê tông nghèo (lean concrete). * Cường độ chịu nén của bê tông nghèo khoảng 300 psi thường là đủ. * Ván chắn (lagging) thường bằng gỗ, mặc dù bê tông đúc sẵn được dùng cho các công trình lâu dài. * Lấp đất phía sau ván chắn giúp truyền tải trọng đất sang cọc H và ngăn thất thoát đất.
Tường Cừ Thép Kết Hợp Combined Sheet Piling	Độ cứng trung bình Chi phí trung bình	* Các loại tường cừ thép kết hợp (xem Hình 2-5) bao gồm: – Cọc chủ đơn (H-pile) kết hợp với tường cừ thép, – Cọc chủ đôi (H-pile) kết hợp với tường cừ thép, và – Cọc ống thép kết hợp với tường cừ thép. * Về cơ bản không thấm nước, nhưng có thể rò rỉ nếu các khớp nối bị tách rời. * Cọc chủ (king pile) có thể được đóng hoặc khoan sâu hơn tường cừ thép để đạt khả năng chịu tải hoặc sức kháng bị động lớn hơn. * Sử dụng búa rung có thể gây lún. * Yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp. * Có thể giảm khả năng xảy ra trồi đáy hố đào.
Cọc Khoan Nhồi Liền Kề Secant Pile	Cứng Chi phí trung bình	* Cần hệ dẫn hướng bề mặt để căn chỉnh cọc chính xác. * Cọc được khoan với độ chồng lấp (overlap) khoảng 3 inch. * Về cơ bản không thấm nước, nhưng có thể rò rỉ tại vị trí chồng lấp giữa các cọc nếu bị lệch tim. * Cọc có thể được thi công bằng bê tông nghèo với cường độ chịu nén khoảng 300 psi, hoặc bê tông kết cấu nếu cọc đóng vai trò chịu lực nền móng. * Cọc thứ cấp (không cốt thép) được thi công trước. * Cọc sơ cấp (có cốt thép) được thi công sau. * Khó đạt được dung sai thẳng đứng đối với cọc sâu. * Bê tông nghèo có thể được tạo hình để làm gối tựa neo với cốt thép cọc H. * Yêu cầu diện tích thi công lớn cho thiết bị. * Có thể giảm khả năng xảy ra trồi đáy hố đào.
Cọc Khoan Nhồi Tiếp Giáp Tangent Pile		* Cọc được thi công tiếp giáp nhau mà không chồng lấp. * Có khả năng rò rỉ nước ngầm giữa các cọc. * Xem thêm các yếu tố khác tại mục Cọc Khoan Nhồi Liền Kề.
Trộn Đất Sâu Deep Soil Mix	Cứng Chi phí trung bình	* Gồm các cột đất trộn xi măng (soil cement) chồng lấp nhau. * Về cơ bản không thấm nước. * Cường độ chịu nén của đất trộn xi măng khoảng 100 đến 150 psi thường là đủ. Cường độ tại hiện trường thường thấp hơn cường độ thí nghiệm trong phòng của hỗn hợp đất-vữa (soil-grout). * Cốt gia cường (cọc H hoặc lồng thép) được lắp đặt xen kẽ giữa các cột trước khi vữa (slurry) đông kết. * Đất trộn xi măng có thể được cắt gọt trong quá trình đào nếu cần để tạo gối tựa neo hoặc chống với cốt thép cọc H. * Không phù hợp với đất có lẫn cuội, sỏi. * Yêu cầu diện tích thi công lớn cho thiết bị. * Giảm khả năng xảy ra trồi đáy hố đào.
Tường Vây Bê Tông Concrete Diaphragm	Rất cứng Chi phí cao	* Không thấm nước – sử dụng khi là một phần của kết cấu vĩnh cửu và khi cần tránh hạ mực nước ngầm của khu vực lân cận. * Thi công theo từng tấm panel với lồng cốt thép. * Yêu cầu diện tích thi công lớn cho thiết bị. * Giảm khả năng xảy ra trồi đáy hố đào.

\(\\\)

Bảng 2-6 Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Việc Lựa Chọn Hệ Thống Chống Đỡ

Yêu Cầu	Phù Hợp Với Việc Sử Dụng:	Ghi Chú
Chi phí thấp	* Mái dốc đất kết hợp với tường cọc chống (H-pile) và ván chắn, hoặc tường cừ thép. * Thanh chống xiên (rakers). * Neo đất (soil nails).	* Neo văng (tieback anchors) có thể cần thiết để loại bỏ xung đột với kết cấu chống đỡ nội bộ trong quá trình thi công. * Neo văng có chi phí cao hơn thanh chống xiên. * Neo đất không được ứng suất trước.
Tránh hạ mực nước ngầm (Dewatering)	* Tường vây bê tông (concrete diaphragm) không thấm nước. * Tường cừ thép, tường cừ thép kết hợp, tường cọc khoan nhồi liền kề (secant), và tường trộn đất về cơ bản không thấm nước.	* Tường cọc chống (soldier pile) và ván chắn (lagging) có tính thấm nước.
Giảm thiểu chuyển vị	* Ứng suất trước cao đối với neo văng, thanh chống ngang, hoặc thanh chống xiên.	* Cần phân tích hiện tượng trồi đáy hố đào (basal heave).
Hố đào rộng ≥ 65 ft (19.81m)	* Neo văng hoặc thanh chống xiên.	* Neo văng được ưu tiên hơn nhưng có chi phí cao hơn thanh chống xiên.
Hố đào hẹp < 65 ft (19.81m)	* Hệ giằng chống ngang (cross lot bracing).	*Neo văng có thể cần thiết để tiếp cận nội bộ tốt hơn.

\(\\\)

2-4.2 Các Yếu Tố Hiện Trường Đối Với Hố Đào Sâu

2-4.2.1 Ảnh Hưởng của Loại Đất

Loại đất được chống đỡ bởi hố đào sâu sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn loại tường và hệ thống chống đỡ phù hợp. Bảng 2-7 cung cấp hướng dẫn cho quá trình lựa chọn này dựa trên loại đất.

Loại đất cũng chi phối áp lực đất và các lực tác dụng lên hệ thống hố đào sâu, được trình bày chi tiết trong Chương 4. Áp lực đất phụ thuộc vào chuyển vị của tường so với đất. Khi ít hoặc không có chuyển vị xảy ra, trạng thái áp lực đất được gọi là áp lực tĩnh (at-rest). Trạng thái ứng suất trong đất tiến gần đến trạng thái chủ động (active) tại các vị trí tường dịch chuyển ra xa khỏi đất. Điều này xảy ra ở phía sau hệ thống tường, phía trên đáy hố đào. Trạng thái ứng suất trong đất tiến gần đến trạng thái bị động (passive) tại các vị trí tường dịch chuyển vào trong đất. Điều này xảy ra ở phần ngàm của hệ thống tường, phía dưới đáy hố đào. Cần có mức độ chuyển vị khác nhau của tường để huy động hoàn toàn áp lực chủ động và áp lực bị động. Chuyển vị cần thiết để huy động áp lực chủ động thấp hơn nhiều so với chuyển vị cần thiết để huy động áp lực bị động. Việc hạn chế chuyển vị tường trong trường hợp bị động làm giảm đáng kể áp lực đất bị động được huy động, nhưng điều này là cần thiết trong hầu hết các trường hợp thiết kế do giới hạn về chuyển vị cho phép.

Áp lực đất thực tế phụ thuộc vào biến dạng của tường, và biến dạng này lại phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm độ cứng của tường và hệ thống chống đỡ, độ ổn định của đáy hố đào, và chiều sâu hố đào. Các yếu tố này được trình bày chi tiết hơn trong Mục 2-4.3 và 2-4.4.

Bảng 2-7 Ảnh Hưởng của Điều Kiện Đất Đến Việc Lựa Chọn Tường và Hệ Thống Chống Đỡ Hố Đào Sâu

Loại Đất	Độ Cứng Tường Là Yếu Tố Quyết Định Trong Thiết Kế	Loại Tường và Hệ Chống Đỡ Phù Hợp								Ghi Chú
		Tường Cừ Thép	Cọc Chống và Ván Chắn	Tường Cừ Thép Kết Hợp	Cọc Khoan Nhồi Liền Kề & Tiếp Giáp	Trộn Đất Sâu	Tường Vây Bê Tông	Chống Đỡ Nội Bộ	Chống Đỡ Bên Ngoài
Sét Mềm Đến Trung Bình, Sâu	✓	✓	✓	✓	✓	✓	✓	✓		* Độ cứng tường cao (tường vây bê tông) được ưu tiên để giảm chuyển vị và hiện tượng trồi đáy hố đào. * Neo văng có thể không phù hợp do cường độ sét thấp. * Neo đất không phù hợp do không được ứng suất trước.
Sét Cứng Đến Rất Cứng và Cát		✓	✓	✓	✓	✓	✓	✓	✓	* Neo đất có thể không phù hợp trong cát. * Độ cứng đất tăng làm giảm chuyển vị ngang. * Hệ số áp lực đất tĩnh, K₀, cao hơn có khả năng làm tăng áp lực đất tại hố đào và gây tăng chuyển vị ngang.
Cát Chặt, Sỏi Cuội, và Cát Lẫn Sét			✓		✓	✓	✓	✓	✓	* Tường cừ thép và tường cừ thép kết hợp khó đóng và các khớp nối có thể bị tách rời. * Neo đất có thể không phù hợp trong cát. * Độ cứng đất tăng làm giảm chuyển vị ngang.
Đất Lẫn Đá Tảng/Đá Tàn Dư Trôi Nổi (Boulders/Residual Floaters)			✓		✓		✓	✓	✓	* Có thể cần dùng đục (chisel) hoặc máy khoan thủy lực (hydromill) để đào cho tường vây bê tông. * Cọc chống (H-pile) và ván chắn, cọc khoan nhồi liền kề và tiếp giáp có thể yêu cầu khoan lấy lõi đá (rock coring). * Việc căn chỉnh thẳng đứng của cọc có thể gặp khó khăn…

\(\\\)

2-4.2.2 Ảnh Hưởng của Nước Ngầm

Điều kiện nước ngầm phải được đánh giá trong quá trình lựa chọn và thiết kế hố đào sâu. Một số loại tường không thấm nước và ngăn được sự thấm qua tường. Ở những vị trí nước bị giữ lại, áp lực nước lên tường có thể lớn hơn áp lực đất. Áp lực nước lỗ rỗng dư tại đáy hố đào có thể gây ra hiện tượng trồi đất, mất sức kháng bị động, thấm nước, và xói ngầm (internal erosion). Xói hạt (particle erosion) cũng có thể xảy ra tại các khớp nối cừ thép hở, ván chắn (lagging), và các khe hở trong tường cọc khoan nhồi tiếp giáp.

Trong một số trường hợp, đất liền kề và bên dưới hố đào có thể được hạ mực nước ngầm (dewatered) để cải thiện độ ổn định và giảm tải trọng lên tường. Một số loại tường không kín nước và sẽ để nước thấm vào hố đào. Mực nước ở khu vực lân cận sẽ hạ xuống nếu nước được bơm ra khỏi hố đào. Việc hạ mực nước ngầm có xu hướng gây ra lún có thể gây bất lợi cho các công trình hạ tầng lân cận. Mực nước ở khu vực lân cận hố đào cần được quan trắc trước và trong quá trình thi công để xác nhận các giả định thiết kế. Loại tường được lựa chọn phải phù hợp với điều kiện nước ngầm quan trắc được.

2-4.3 Ổn Định Tường và Hố Đào

Tường hố đào sâu và hệ thống chống đỡ phải được thiết kế để chịu các lực từ áp lực đất và áp lực nước. Chương 4 trình bày chi tiết các phương pháp được sử dụng để xác định các lực này nhằm hoàn thiện thiết kế kết cấu của tường. Các thiết kế đó cũng cần xét đến ảnh hưởng của giãn nở và co ngót do nhiệt (thermal expansion and contraction) đối với hệ giằng chống nội bộ, cũng như ảnh hưởng của sự xâm nhập băng giá (frost penetration) đối với neo văng và thanh chống. Ngoài ra, cần xem xét lún của tường, ổn định tổng thể (global stability), và hiện tượng trồi đáy hố đào.

2-4.3.1 Lún Tường

Lực áp lực đất và lực nghiêng của hệ thống chống đỡ có các thành phần theo phương đứng có thể gây ra lún cho hệ thống tường hố đào sâu. Lún tường có thể gây giảm ứng suất (destressing) trong neo văng và tăng ứng suất trong hệ giằng chống nội bộ. Lún tường phải được xem xét và kiểm soát, vì các phương pháp thiết kế tường thường giả định tường không có chuyển vị đứng hoặc lún.

Ngoại trừ tường cừ thép hoặc tường cừ thép kết hợp, hệ thống tường nên được đóng, khoan, hoặc thi công đến một lớp đất chịu lực phù hợp để tránh lún tường quá mức. Đối với tường cừ thép hoặc tường cừ thép kết hợp, lún có thể được giảm bằng cách đóng hoặc khoan đủ số lượng cừ (ví dụ, cứ mỗi cừ thứ 5) đến một tầng đất chịu lực phù hợp. Nếu không có tầng đất chịu lực, cần ước tính chuyển vị tường bằng các phương pháp trong Chương 6, và cần nỗ lực giảm thành phần lực đứng của hệ thống chống đỡ.

2-4.3.2 Ổn Định Tổng Thể

Thiết kế hố đào sâu cần xem xét khả năng mất ổn định sâu (deep seated stability) bên dưới tường và phía sau bất kỳ neo đất nào. Phân tích ổn định cần xét đến tải trọng bề mặt từ tải trọng chất thêm (surcharge) hoặc công trình liền kề. Nếu hệ thống có bất kỳ bệ đất (berm) hoặc mái dốc nào, các yếu tố này cũng phải được xem xét. Phân tích ổn định cần được thực hiện theo các phương pháp mô tả trong Chương 7 của DM 7.1.

Hố đào trong đá bên dưới tường có thể cần bu lông neo đá (rock bolting) tại chân tường nếu các mặt phân lớp (bedding) hoặc khe nứt (joints) có hướng bất lợi cắm vào phía hố đào, hoặc bề mặt đá nghiêng vào phía hố đào.

2-4.3.3 Mất Ổn Định Đáy Hố Đào hoặc Trồi Đáy

Trồi đáy (Basal heave) là xu hướng đáy hố đào dịch chuyển lên trên do trọng lượng của đất liền kề với hố đào. Trồi đáy trong hố đào sâu thường chỉ là vấn đề đáng lo ngại khi bề rộng hố đào (B) lớn hơn chiều sâu (H). Đây chủ yếu là mối quan tâm đối với sét mềm đến trung bình kéo dài đến độ sâu đáng kể.

Một phương pháp tính toán mất ổn định đáy hố đào có chống văng trong đất hạt thô được trình bày trong Hình 2-7(a). Mất ổn định đáy hố đào ít phổ biến hơn trong đất hạt thô so với đất sét.

Đối với đất sét, phương pháp được sử dụng để tính hệ số an toàn chống trồi đáy (F_BH) phụ thuộc vào độ mềm/cứng tương đối của tường. Tường mềm (ví dụ: tường cừ thép) sẽ biến dạng cùng với đất, và phần tường cắm sâu bên dưới đáy hố đào được bỏ qua. Tường cứng (ví dụ: tường vây bê tông) ngăn đất không bị đẩy lệch về phía hố đào. Đất phải chảy vòng bên dưới tường và trồi lên phía đáy hố đào để hiện tượng trồi đáy xảy ra. Do đó, đối với tường cứng, phần tường cắm sâu bên dưới đáy hố đào được đưa vào tính toán. Cần sử dụng hệ số an toàn tối thiểu là 1.5 để chống lại phá hoại do trồi đáy, như đã được thảo luận bởi Mana và Clough (1981). Độ cứng tường chuẩn hóa, K_wall, theo định nghĩa của Mana và Clough (1981), được xác định như sau:

\[K_{wall} = \dfrac{EI}{\gamma_t h^4} \tag{2-2}\]

trong đó:
\(\qquad E =\) Mô-đun đàn hồi Young của tường,
\(\qquad I =\) Mô-men quán tính của tiết diện tường (\(I = t^3 / 12\) đối với chiều dày tường t),
\(\qquad \gamma_t =\) Dung trọng tổng của đất được giữ lại, và
\(\qquad h =\) Khoảng cách theo phương đứng giữa các thanh chống hoặc neo của hệ thống chống đỡ.

Độ cứng tường chuẩn hóa chịu ảnh hưởng rất lớn từ khoảng cách của hệ thống chống đỡ, vì biến số này được nâng lên lũy thừa bậc bốn. Một yếu tố phụ cần xem xét là chuyển vị cần thiết để huy động hệ thống chống đỡ. Neo đất (ground anchors) và hệ giằng chống nội bộ có thể được ứng suất trước để giảm chuyển vị huy động. Ngược lại, neo đất dạng đinh (soil nails) đòi hỏi phải có chuyển vị để phát sinh lực chống đỡ.

Việc tính toán trồi đáy đối với đất sét được thể hiện trong Hình 2-7(b) và (c). Đối với tường mềm, lực gây trồi (driving force) là trọng lượng của khối đất kéo dài một khoảng cách B_l vượt ra ngoài hố đào cộng với tải trọng chất thêm (surcharge). Lực kháng (resisting force) được huy động dọc theo các cạnh của khối đất được xác định bởi B_l và trong đất bên dưới hố đào.¹⁰

¹⁰ Định nghĩa này của F_BH khác với định nghĩa được đề xuất bởi Terzaghi (1943) và được Mana và Clough (1981) sử dụng. Hai định nghĩa này cho kết quả tương tự nhau khi F_BH < 1.5. Terzaghi (1943) đã trừ cường độ của lớp đất phía trên đáy hố đào ra khỏi lực gây trồi thực (net driving force), điều này có thể dẫn đến hệ số an toàn cao một cách bất hợp lý đối với các hố đào hẹp.

Đối với tường rất cứng, có thể xét thêm sức kháng cắt của đất sét dọc theo mặt trong của tường. Một hệ số dính bám (adhesion factor) (α) giữa tường và đất sét được nhân với cường độ không thoát nước của đất sét trong lớp này. Tường rất cứng hiệu quả hơn nhiều so với tường mềm trong việc giảm chuyển vị ngang và trồi đáy, tạo ra hệ số an toàn cao hơn đối với hiện tượng trồi đáy.

Hình 2-7 Các phương pháp tính hệ số an toàn chống mất ổn định đáy hố đào (trồi đáy) (theo Wong và Goh, 2002)

Tường mềm, chẳng hạn tường cừ thép, thường có độ cứng chuẩn hóa (normalized wall stiffness) trong khoảng K_wall = 10 đến 50. Tường vây bê tông (diaphragm wall) cứng hơn thường có độ cứng chuẩn hóa lớn hơn 100. Tường cọc bản (soldier piles) với ván lát gỗ (wood lagging) cứng hơn tường cừ thép, nhưng khả năng biến dạng của chúng có xu hướng tương tự tường cừ thép. Các loại tường cọc xen kẽ (secant piles), cọc tiếp giáp (tangent piles), tường trộn đất sâu (deep soil mix) và tường cừ thép tổ hợp (combined sheet piling) không có độ cứng lớn bằng tường vây bê tông ở phần dưới đáy hố đào. Các loại tường này có thể biến dạng nhiều hơn tường vây bê tông, nhưng đất phải dịch chuyển vòng qua và trồi lên trong phạm vi hố đào. Hệ số an toàn thực tế chống mất ổn định đáy hố đào (basal heave) đối với các tường có độ cứng trung gian có thể nằm trong khoảng giữa các giá trị tính được bằng các công thức ở Hình 2-7(b) và (c), và cần có sự đánh giá bằng kinh nghiệm kỹ thuật (judgment) để lựa chọn phương pháp phù hợp nhằm tính toán F_BH.

2-4.4 Chuyển Vị của Đất Lân Cận Hố Đào Sâu

Dự đoán chuyển vị của tường là một phần quan trọng trong thiết kế hệ thống hố đào sâu. Mục này trình bày các trình tự để ước tính (1) chuyển vị ngang (nằm ngang) lớn nhất dự kiến và độ lún lớn nhất ngay phía sau tường chắn hố đào, (2) hình dạng (profile) chuyển vị theo khoảng cách tính từ tường, và (3) các phương pháp dự đoán mức độ hư hỏng đối với công trình lân cận hố đào.

Các quan sát về độ lún phía sau tường cừ thép và tường cọc bản (soldier pile) kèm ván lát (H-pile and lagging) vào giữa thế kỷ 20 đã cho thấy các xu hướng như trình bày ở Hình 2-8 (Peck, 1969). Độ lún (δ_V) và khoảng cách tính từ tường (d) đều được chuẩn hóa theo chiều sâu hố đào (H). Các chuyển vị thể hiện ở Hình 2-8 phản ánh trình độ thực hành phổ biến vào cuối thập niên 1960, và ngày nay vẫn có thể xảy ra nếu thi công kém chất lượng hoặc do hạ mực nước ngầm trong quá trình thi công, việc này có thể làm tăng tải trọng tác dụng lên tường. Peck đã phân chia các chuyển vị điển hình thành ba vùng (zone) quan tâm, dựa trên loại đất và mức độ ổn định đáy hố đào:¹¹

• Vùng I – Cát và sét cứng (ít sét mềm): F_BH > 2,
• Vùng II – Sét mềm bên dưới đáy hố đào: 1 < F_BH < 2, và
• Vùng III – Sét mềm với chiều dày lớn bên dưới đáy hố đào: F_BH ≈ 1.

¹¹ Peck (1969) sử dụng số ổn định. Ở đây dùng hệ số an toàn để thống nhất.

Việc kiểm soát chuyển vị trong các hố đào sâu đã được cải thiện. Nhiều phương pháp chống đỡ và loại tường mới đã được đưa vào sử dụng kể từ khi Peck xây dựng Hình 2-8. Clough và O’Rourke (1990) đã cập nhật phương pháp của Peck và cố gắng sàng lọc các dự án để loại bỏ những chuyển vị không liên quan chủ yếu đến quá trình thi công hệ chống đỡ hố đào (O’Rourke 1981, Mana và Clough 1981, Clough và cộng sự 1989). Mục này trình bày nội dung theo các nhóm sau:

• Chuyển vị lớn nhất của tường chắn hố đào trong đất sét cứng, cát và đất tàn tích¹²;
• Hình dạng chuyển vị (profile) phía ngoài tường chắn hố đào trong đất sét cứng đến rất cứng và cát; và
• Chuyển vị lớn nhất của tường chắn hố đào và hình dạng chuyển vị phía ngoài tường chắn trong đất sét mềm đến trung bình.

Các giá trị điển hình về độ lún và chuyển vị ngang tại vị trí tường được tổng hợp trong Bảng 2-8. Các giá trị này được thể hiện dưới dạng phần trăm của chiều sâu hố đào (H). Phạm vi lan truyền theo phương ngang của chuyển vị cũng được tổng hợp dưới dạng tỷ số so với H. Nội dung thảo luận chi tiết hơn cho từng loại đất được trình bày trong các mục tiếp theo.

¹² Trong ngữ cảnh này, thuật ngữ “đất tàn tích” (residual soils) đề cập đến các loại đất thuộc miền địa chất Piedmont và Blue Ridge, hình thành do phong hóa từ đá gốc bên dưới, thường có thành phần từ cát bụi đến cát sét và bụi có lẫn cát.

Bảng 2-8   Độ lún và chuyển vị ngang điển hình so với chiều sâu hố đào
(theo Clough và O’Rourke, 1990)

Loại đất	Hệ số an toàn chống trồi đáy (tính toán)	Độ lún, δVm / H	Chuyển vị ngang, δHm / H		Phạm vi lan truyền theo phương ngang, d / H
			Tường cứng Kwall > 200	Tường mềm Kwall < 50
Sét cứng đến rất cứng	Cao	0.15% trung bình 0.3% tối đa	0.2%		3
Cát	Cao	0.15% trung bình 0.3% tối đa	0.2%		3
Sét mềm đến trung bình	Khoảng 1	2%	1%	> 3%	1.5 đến 2
	Khoảng 1.5		0.3% đến 0.5%	0.8% đến 1.7%
	Lớn hơn 2	1%	0.2%	0.8%

\(\\\)

2-4.4.1 Chuyển Vị Trong Đất Sét Cứng đến Rất Cứng, Cát, và Đất Tàn Tích

Dựa trên các trường hợp thực tế (case histories) của tường chắn trong các loại đất này, chuyển vị ngang lớn nhất (δ_Hm) và độ lún lớn nhất (δ_Vm) biến thiên gần như tuyến tính theo chiều sâu hố đào, như thể hiện ở Hình 2-9 (Clough và O’Rourke, 1990). Điều này cho thấy khối đất được giữ (retained soil mass) có ứng xử gần giống như một vật liệu đàn hồi. Độ lún lớn nhất được trình bày ở Hình 2-9(a), cho thấy giá trị trung bình của δ_Vm vào khoảng 0.15%H và có thể lên đến khoảng 0.5%H. Hình 2-9(b) trình bày chuyển vị ngang lớn nhất, cho thấy giá trị trung bình của δ_Hm vào khoảng 0.2%H và cũng có thể lên đến khoảng 0.5%H.

Các điểm dữ liệu có chuyển vị rất lớn nhiều khả năng liên quan đến các yếu tố khác ngoài hệ thống chống đỡ, chẳng hạn như hạ mực nước ngầm hoặc thi công kém chất lượng. Một số điểm dữ liệu này sẽ rơi vào Vùng II và Vùng III của Hình 2-8 tại d/H = 0. Các chuyển vị của đất nằm dưới các đường 0.5%H có thể quy cho chuyển vị của hệ thống chống đỡ, chứ không phải do các yếu tố ngoại lai khác.

Hai khái niệm quan trọng được minh họa ở Hình 2-9. Dữ liệu về chuyển vị ngang phân tán nhiều hơn so với dữ liệu về độ lún. Ngoài ra, không có sự khác biệt đáng kể trong dữ liệu giữa các loại kết cấu tường khác nhau (ví dụ: tường cừ thép, tường cọc bản (H-pile) kèm ván lát, tường vây (diaphragm), cọc khoan nhồi (drilled piers), tường trộn đất sâu (deep soil mix)).

Clough và O’Rourke (1990) đã sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để xác nhận xu hướng đường δ_Hm = 0.2%H thể hiện qua dữ liệu ở Hình 2-9(b). Ảnh hưởng của mô đun đất (E_s), độ cứng chuẩn hóa của tường (K_wall), khoảng cách hệ chống đỡ (h), và hệ số áp lực đất ngang tĩnh (K₀) đối với chuyển vị của tường cũng được nghiên cứu. K₀ phản ánh áp lực đất ngang cao hơn thường gặp ở các loại đất quá cố kết (overconsolidated). Các phân tích phần tử hữu hạn, vốn xem xét đặc tính đàn hồi của các loại đất tương đối cứng này, cho thấy rằng:

• E_s và K₀ nhìn chung có ảnh hưởng lớn hơn đến δ_Hm của tường so với độ cứng của tường,
• E_s cao hơn và K₀ thấp hơn dẫn đến δ_Hm thấp hơn, và
• E_s thấp hơn và K₀ cao hơn dẫn đến δ_Hm cao hơn.

Trong các trường hợp này, đất đủ cứng để giảm thiểu ảnh hưởng của độ cứng tường. Hình 2-9 có thể được sử dụng để ước tính δ_Hm và δ_Vm của các hệ thống chống đỡ hố đào mới trong đất sét cứng đến rất cứng, cát, và đất tàn tích.

Clough và O’Rourke (1990) đã tách riêng dữ liệu case history của đất sét cứng đến rất cứng ra khỏi cát và đất tàn tích, sau đó phân tích hình dạng chuyển vị (profile) về độ lún và chuyển vị ngang của các loại đất này. Hai mục tiếp theo trình bày hình dạng chuyển vị về độ lún và chuyển vị ngang mở rộng ra các khoảng cách khác nhau phía sau tường chắn hố đào, đối với đất sét cứng đến rất cứng và đối với cát.

2-4.4.1.1 Hình dạng chuyển vị trong đất sét cứng đến rất cứng

Hình 2-10 tổng hợp các trường hợp thực tế (case histories) cho đất sét cứng đến rất cứng. Các hệ tường và hệ chống đỡ được xét gồm:

• Tường cọc bản (soldier pile) kèm ván lát (lagging), có neo giằng (tieback anchor);
• Tường vây bê tông (concrete diaphragm wall), có neo giằng;
• Tường vây bê tông, có thanh chống ngang toàn khu đất (cross lot struts);
• Tường cọc khoan nhồi (drilled shaft), có neo giằng; và
• Tường có thanh chống xiên nội bộ (internal raker brace).

Để biết thêm thông tin về các điểm dữ liệu cụ thể, xem Clough và O’Rourke (1990)

Độ lún: Hình 2-10 cho thấy δ_Vm dao động từ 0% đến 0.3%H và trung bình vào khoảng 0.15%H. Giá trị độ lún lớn nhất trung bình này phù hợp với Hình 2-9(a). Độ lún giảm dần từ vị trí tường đến giá trị không đáng kể tại d/H = 3.0, trong đó d là khoảng cách tính từ mặt tường chắn hố đào. Một số trường hợp ghi nhận hiện tượng trồi (heave) do giải phóng ứng suất (stress relief) ở đất sét cứng đến rất cứng bao quanh các hố đào sâu. Hình dạng chuyển vị lún không thứ nguyên (Hình 2-10(c)) có thể được sử dụng để ước tính dạng chuyển vị đứng lân cận một hố đào trong đất sét cứng đến rất cứng.

Chuyển vị ngang: Hình 2-10(b) thể hiện hai nhóm hệ chống đỡ theo độ cứng ngang:
   Hệ chống đỡ có độ cứng ngang cao — giảm chuyển vị, cho ​δ_Hm trung bình khoảng 0.2%H (phù hợp cho hầu hết các ước tính, tương tự xu hướng ở Hình 2-9(b)).
   Hệ chống đỡ có độ cứng ngang thấp — cho phép chuyển vị lớn hơn, với δ_Hm lớn nhất lên đến 0.8%H.
Tương tự hình dạng chuyển vị lún, hình dạng chuyển vị ngang dạng tam giác có thể dùng để ước tính chuyển vị ngang, với $\delta_H$​ giảm dần về giá trị không đáng kể tại $d/H = 3.0$

Đất sét và đá phiến sét (shale) rất cứng đến rất rắn chắc có thể có hệ số áp lực đất ngang tĩnh tại chỗ (K₀) cao, trong khoảng từ 2 đến 3. Giá trị K₀ có thể được ước tính từ tỷ số quá cố kết (overconsolidation ratio) và góc ma sát (xem Phương trình 4-2). Việc đào hố trong các loại đất này có thể gây ra hiện tượng giải phóng ứng suất ngang (lateral stress relief) và chuyển vị ngang lớn. Các neo giằng (anchor) trong các loại đất này có thể dịch chuyển cùng với đất nếu không được lắp đặt vượt ra ngoài vùng chuyển vị, vùng này có thể được giả định một cách thận trọng là mở rộng từ đáy hố đào theo góc 45° so với phương ngang.

2-4.4.1.2 Hình dạng chuyển vị trong cát

Hình 2-11 tổng hợp các trường hợp thực tế (case histories) cho mặt cắt địa tầng gồm cát hoặc cát lẫn sỏi, có xen kẹp một số lớp sét mỏng (Clough và O’Rourke, 1990). Mực nước ngầm được hạ thấp hoặc bổ cấp (recharge) để giảm độ lún, nhưng không thay đổi trong suốt quá trình thi công. Các hệ tường bao gồm cả tường mềm và tường cứng, gồm:

• Tường cọc bản (soldier pile) kèm ván lát (lagging), với thanh chống ngang toàn khu đất (cross lot struts) hoặc neo giằng (tieback anchor);
• Tường cừ thép (sheet piling), với neo giằng; và
• Tường vây bê tông (concrete diaphragm wall), với thanh chống ngang toàn khu đất.

Độ lún: Độ lún lớn nhất có xu hướng nhỏ hơn 0.3%H trong cát, và giảm về giá trị không đáng kể tại d/H = 2.0. Trong đa số trường hợp, phạm vi δ_Vm vào khoảng 0.1%H đến 0.2%H, trung bình khoảng 0.15%H, có thể dùng để ước tính độ lún lớn nhất. Hình dạng chuyển vị lún không thứ nguyên ở Hình 2-11(b) có thể được sử dụng để ước tính dạng chuyển vị đứng lân cận một hố đào trong cát.

Chuyển vị ngang: Clough và O’Rourke (1990) không đưa ra khuyến nghị cụ thể về chuyển vị ngang đối với hố đào trong cát. Đối với cát, giá trị trung bình δ_Hm = 0.2%H (theo Hình 2-9(b)) có thể được sử dụng. Chuyển vị ngang được dự kiến sẽ giảm về giá trị không đáng kể tại d/H = 2.0, với hình dạng chuyển vị ngang tương tự như hình dạng chuyển vị lún ở Hình 2-11(b).

2-4.4.2 Chuyển Vị trong Đất Sét Mềm đến Trung Bình

Hình 2-12 tổng hợp các trường hợp thực tế (case histories) về chuyển vị tường trong đất sét mềm đến trung bình (Mana và Clough, 1981; Clough và cộng sự, 1989; Clough và O’Rourke, 1990). Các loại hệ tường và hệ chống đỡ gồm:
    Tường cừ thép, với thanh chống ngang toàn khu đất (cross lot struts);
    Tường cọc bản (soldier pile) kèm ván lát (lagging), với thanh chống ngang toàn khu đất; và
    Tường vây bê tông (concrete diaphragm wall), với thanh chống ngang toàn khu đất.
Trong một số dự án, bệ (berm) và thanh chống xiên (raker) được sử dụng làm hệ chống đỡ chính hoặc chống đỡ bổ sung. Các vùng (zone) theo Peck (1969) được thể hiện trên Hình 2-12(a) để tham khảo.

Độ lún: Độ lún lớn nhất giới hạn ở khoảng 2%H, với hình dạng chuyển vị (profile) dạng hình thang phía sau tường như thể hiện ở Hình 2-12(a):
   * Từ vị trí tường đến d/H = 0.75: δ_Vm = 2%H (giữ nguyên giá trị lớn nhất);
   * Từ d/H = 0.75 đến d/H = 1.5: giá trị giảm dần về δ_V = 0.0 (độ lún trở nên không đáng kể).
Trong hầu hết các trường hợp, độ lún nhỏ hơn 1%H. Có thể áp dụng hai giả định sau tùy điều kiện:
   * Nếu thi công cẩn thận và hệ số an toàn chống trồi đáy vào khoảng 2 → giả định δ_Vm = 1%H. Giả định này áp dụng được cho cả tường mềm lẫn tường cứng, với điều kiện chuyển vị dạng công-xôn (cantilever) bị hạn chế.
   * Nếu tường là loại mềm và hệ số an toàn chống trồi đáy nhỏ hơn 1.5 → giả định δ_Vm = 2%H là hợp lý.
Khi các giá trị độ lún được chuẩn hóa theo δ_Vm (Hình 2-12(b)), chúng nằm trong một vùng hình thang, giảm về 0 tại d/H ≈ 1.5 — hoặc có thể mở rộng để thiên về an toàn đến d/H = 2 theo đề xuất của Clough và O’Rourke.

Chuyển vị ngang: Dữ liệu case history của δ_Hm/H đối với đất sét mềm đến trung bình được thể hiện theo độ cứng chuẩn hóa của tường ở Hình 2-13, cho tường cừ thép và tường vây bê tông thi công bằng dung dịch bentonite (slurry concrete diaphragm wall). Độ ổn định tổng thể của tường tăng lên khi hệ số an toàn chống trồi đáy tăng, như thể hiện ở Hình 2-13. Đối với đất sét mềm đến trung bình, chuyển vị ngang phụ thuộc rất nhiều vào hệ số an toàn chống trồi đáy. Tường vây cứng thường có hệ số an toàn lớn hơn 2. Trong khi đó, tường cừ thép — loại tường mềm hơn — thường có hệ số an toàn nhỏ hơn 1.5, trừ trường hợp điều kiện địa chất bên dưới thuận lợi cho một đáy hố đào ổn định.

Hình 2-13 cũng trình bày kết quả phân tích phần tử hữu hạn của Clough và O’Rourke (1990), phù hợp tốt với dữ liệu case history. Các đường cong phần tử hữu hạn có thể được sử dụng để chọn giá trị δ_Hm/H dựa trên độ cứng chuẩn hóa của tường và hệ số an toàn chống trồi đáy, áp dụng cho các hố đào trong đất sét mềm đến trung bình. Lưu ý rằng độ cứng chuẩn hóa của tường chịu ảnh hưởng đáng kể bởi khoảng cách giữa các tầng chống đỡ hoặc neo giằng (h). Phạm vi độ cứng chuẩn hóa của tường sử dụng trong các phân tích phần tử hữu hạn được thể hiện ở phía trên Hình 2-13, trong đó khoảng cách chống đỡ được lấy bằng h = 3.5m (khoảng 12 feet) — một khoảng cách thiết kế điển hình.

Hình dạng chuyển vị ngang đối với đất sét mềm nhiều khả năng tương tự như hình dạng đã quan trắc được đối với độ lún. Do đó, có thể giả định hình dạng chuyển vị ngang không thứ nguyên tương tự như hình dạng thể hiện ở Hình 2-12 cho độ lún, áp dụng cho đất sét mềm đến trung bình.

2-4.4.3 Dự Đoán Mức Độ Hư Hỏng Đối Với Công Trình Lân Cận

Chuyển vị của hệ chống đỡ hố đào sâu (loại có thanh chống hoặc neo giằng) cần được đánh giá để xác định xem các công trình lân cận sử dụng móng nông có cần biện pháp gia cố nền móng (underpinning) hay không. Khoảng cách từ công trình hiện hữu đến hệ chống đỡ hố đào cần được so sánh với các hình dạng chuyển vị (movement profile) ở Hình 2-10 đến Hình 2-12. Mức độ chịu đựng chuyển vị của công trình được thảo luận ở Chương 5 của DM 7.1. Ngoài ra, còn có các yếu tố khác ảnh hưởng đến nhu cầu gia cố nền móng, bao gồm:

• Việc hạ mực nước ngầm bằng bơm hạ nước (dewatering) có thể gây ra cố kết đất và độ lún.
• Tường cọc bản (soldier pile) kèm ván lát, tường cừ thép, và tường cọc tiếp giáp (tangent piles) đều có khả năng bị rò rỉ ở nhiều mức độ khác nhau, việc này sẽ làm hạ mực nước ngầm.
• Rò rỉ trong hệ chống đỡ hố đào cũng có thể gây ra hiện tượng thất thoát hạt mịn (loss of fines), xói ngầm (piping), và lún, nếu không được lọc đúng cách.

Góc xoay lệch (angular distortion) dự đoán, $\beta$, và biến dạng ngang, $\varepsilon_h$​, trên toàn công trình có thể được dùng để đánh giá khả năng hư hỏng. Góc xoay lệch (angular distortion) là chuyển vị đứng chênh lệch giữa hai điểm, chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó:

\[
\beta=\frac{\delta_{Vi}-\delta_{Vj}}{d_b}\tag{2-3}
\]

trong đó:
\(\qquad \delta_{Vi}, \delta_{Vj} =\) độ lún ước tính tại hai điểm \(i\) và \(j\) trên công trình;
\(\qquad d_b =\) khoảng cách giữa các điểm, thường là chiều rộng công trình.

Tương tự, biến dạng ngang \((\varepsilon_h)\) giữa hai điểm là:

\[
\varepsilon_h=\frac{\delta_{Hi}-\delta_{Hj}}{d_b}\tag{2-4}
\]

trong đó:
\(\qquad \delta_{Hi}, \delta_{Hj} =\) chuyển vị ngang ước tính tại hai điểm trên công trình;
\(\qquad d_b =\) khoảng cách giữa các điểm, thường là chiều rộng công trình.

Trong hầu hết các trường hợp, $\beta$ và $\varepsilon_h$ sẽ được đo trên toàn bộ chiều rộng công trình. Trong trường hợp này, chuyển vị sẽ được ước tính tại mặt trước và mặt sau của công trình (so với hố đào), và d_b sẽ bằng chiều rộng công trình. Chuyển vị có thể được ước tính từ δ_Vm, δ_Hm, và hình dạng chuyển vị phía sau tường, được xác định bằng các phương pháp trình bày ở Mục 2-4.4.1 và 2-4.4.2.

Đối với đất sét cứng đến rất cứng và cát, chuyển vị có thể được ước tính như sau:

\[
\delta_i=\delta_m\left(\frac{d_o-d_i}{d_o}\right)
\tag{2-5}
\]

trong đó:
    δ_i = chuyển vị ngang (δ_Hi) hoặc chuyển vị đứng (δ_Vi) cần xác định tại điểm quan tâm,
    δ_m = chuyển vị ngang lớn nhất (δ_Hm) hoặc chuyển vị đứng lớn nhất (δ_Vm) tại vị trí tường,
    d_i = khoảng cách từ tường đến điểm quan tâm, và d₀ = 3H đối với đất sét cứng đến rất cứng, và 2H đối với cát.

Đối với đất sét mềm đến trung bình, chuyển vị có thể được ước tính như sau:

\[
\delta_i =
\begin{cases}
\delta_m, & 0 \le d_i \le 0.75H \\
\delta_m\left(\dfrac{1.5H-d_i}{0.75H}\right), & 0.75H \le d_i \le 1.5H
\end{cases}
\tag{2-6}
\]

Một phương pháp đánh giá mức độ nghiêm trọng của hư hỏng đối với công trình lân cận do đào hố móng được trình bày ở Hình 2-14 (Clough và O’Rourke, 1990). Hình 2-14 thể hiện các mức độ hư hỏng đối với kết cấu tường chịu lực xây gạch (masonry load-bearing wall), tương ứng với các giá trị dự đoán của biến dạng ngang và góc xoay lệch (Boscardin và Cording, 1989). Các mức độ hư hỏng gồm: không đáng kể, rất nhẹ, nhẹ, trung bình đến nặng, và nặng đến rất nặng. Việc phân loại hư hỏng này dựa trên ứng xử kết cấu theo lý thuyết dưới tác dụng của biến dạng, các quan sát thực tế về hư hỏng công trình, và số liệu đo đạc chuyển vị ngang và chuyển vị đứng của công trình. Khi β ≈ 0, ranh giới giữa các mức độ hư hỏng gần như nằm ngang, thể hiện biến dạng kéo ngang bằng với biến dạng kéo tới hạn. Khi ε_h ≈ 0, các ranh giới nghiêng khoảng 45°, thể hiện biến dạng kéo theo phương chéo bằng với biến dạng kéo tới hạn.

Tỷ số ước tính giữa chuyển vị ngang và chuyển vị đứng tại mép hố đào có thể được ước tính từ δ_Hm và δ_Vm. Các tỷ số này được kỳ vọng là đồng nhất từ vị trí tường đến khoảng cách d = 0.5H. Tỷ số δ_Hm / δ_Vm được thể hiện chồng lên Hình 2-14(a) đối với các loại đất cứng, và Hình 2-14(b) đối với đất sét mềm đến trung bình (Clough và O’Rourke, 1990; O’Rourke, 1981). Các tỷ số này dựa trên dữ liệu đã phân tích ở Hình 2-10 đến Hình 2-13. Trong cát và đất sét cứng đến rất cứng, mức độ hư hỏng thường nằm trong giới hạn từ trung bình đến nặng, và các biện pháp kiểm soát thi công có thể làm giảm mức độ nghiêm trọng của chuyển vị. Trong đất sét mềm đến trung bình, mức độ hư hỏng thường nằm trong giới hạn từ nặng đến rất nặng, và hệ chống đỡ không đủ cứng có thể dẫn đến chuyển vị tăng thêm.

Nếu chuyển vị dự đoán quá lớn theo Hình 2-14 so với mức công trình hiện hữu có thể chịu đựng được, sẽ cần thực hiện biện pháp gia cố nền móng (underpinning). Các phương pháp gia cố nền móng được mô tả trong FHWA (1978). Vì việc gia cố nền móng có thể cần thiết đối với các công trình lân cận khi xem xét hệ chống đỡ hố đào sâu, các phương pháp gia cố nền móng được thảo luận ở Bảng 2-9. Các bài toán ví dụ có xét đến chủ đề hệ chống đỡ hố đào sâu được trình bày ở Hình 2-15 đối với đất sét cứng đến rất cứng, và Hình 2-16 đối với đất sét mềm đến trung bình.

(sử dụng hinh 2-14)

Hình này dùng để đánh giá mức độ hư hỏng công trình do biến dạng nền đất, dựa đồng thời vào:

• Trục X: Angular distortion — góc xoay lệch (10^-3).
• Trục Y: Horizontal strain — biến dạng ngang (ε_h,10^-3).

Điểm quan trọng là không chỉ dùng riêng góc xoay lệch. Bạn xác định một điểm (β, ε_h ) rồi xem điểm đó rơi vào vùng hư hỏng nào.

1. Chọn đúng biểu đồ

Hình chia làm hai trường hợp:

• (a) Sands and stiff to hard clays: cát và sét cứng đến rất cứng.
• (b) Soft to medium stiff clays: sét mềm đến sét cứng vừa.

Nếu nền của bạn là sét yếu, thông thường sử dụng hình (b).

2. Tính góc xoay lệch

Thông thường có thể biểu diễn:

\[
\beta=\dfrac{\delta}{L}
\]

trong đó (δ) là độ lún lệch tương đối giữa hai điểm và (L) là khoảng cách giữa hai điểm đó.

Ví dụ hai điểm cách nhau L=10 m và chênh lệch độ lún δ = 0.02m thì:

\[
\beta=\frac{0.020}{10}=0.002
=2\times10^{-3}
\]

→ trên hình lấy X = 2.0.

3. Tính biến dạng ngang

\[
\varepsilon_h=\frac{\Delta L}{L}
\]

Ví dụ: ΔL=10 mm L=10 m thì:

\[
\varepsilon_h
=\frac{0.010}{10}
=0.001
=1\times10^{-3}
\]

→ trên hình lấy Y = 1.0.

4. Đưa điểm lên biểu đồ

Với ví dụ trên: (X,Y)=(2.0;1.0)

Nếu là sét mềm, dùng hình (b). Điểm này nằm xấp xỉ vùng chuyển tiếp giữa Slight Damage – hư hỏng nhẹ và Moderate to Severe Damage – hư hỏng vừa đến nghiêm trọng.

Các đường cong trên hình phân chia các mức:

Vùng	Ý nghĩa
Negligible	Hư hỏng không đáng kể
Very Slight	Hư hỏng rất nhẹ
Slight Damage	Hư hỏng nhẹ
Moderate to Severe Damage	Hư hỏng vừa đến nghiêm trọng
Severe to Very Severe Damage	Hư hỏng nghiêm trọng đến rất nghiêm trọng

5. Các đường thẳng xiên có ý nghĩa gì?

Các đường ghi 2.5:1, 1.5:1, 1:1, 0.8:1, 0.5:1 biểu diễn quan hệ giữa biến dạng ngang và góc xoay lệch

Ví dụ đường: 1:1 tương ứng gần với: ε_h = β; 0.5:1 nghĩa là ε_h = 0.5β

Chúng giúp thấy mức độ hư hỏng thay đổi như thế nào tùy tỷ lệ giữa hai dạng biến dạng.

Một chi tiết rất hữu ích nằm ở góc phải hình (b). Tác giả cho quy đổi:

\[
\varepsilon_h=0.0005=\frac{1}{2000}
\]

\[
0.00075=\frac{1}{1333}
\]

\[
0.00111\approx\frac{1}{900}
\]

\[
0.0015\approx\frac{1}{667}
\]

\[
0.00167\approx\frac{1}{600}
\]

\[
0.00333\approx\frac{1}{300}
\]

\[
0.00667\approx\frac{1}{150}
\]

Do đó cần đặc biệt chú ý rằng con số trên trục đều nhân (10^-3). Chẳng hạn X = 2 trên hình thực tế là:

\[
\beta=2\times10^{-3}=\frac{1}{500}
\]

chứ không phải \(\beta=2\).

Bảng 2-9. Một số phương pháp gia cố nền móng thường gặp

Loại gia cố nền móng	Ghi chú
Cọc nhỏ (micropiles)	Cọc nhỏ (micropiles) thường là phương pháp được lựa chọn hàng đầu. Cọc đường kính nhỏ (3 đến 10 inch ≈ 7.62–25.4 cm) được thi công xuyên qua đài móng. Liên kết với đài móng được thực hiện bằng vữa cường độ cao (high strength grout).
Cọc (cọc thép hình H, cọc ống thép hở đầu)	Cọc được ép (jacked) vào vị trí theo từng đoạn, trong một hố đào có chống đỡ (shored pit), sử dụng đài móng làm phản lực. Khi đạt vị trí cuối cùng, lắp nêm (wedge), tháo kích, và đầu cọc được bọc trong bê tông. Cọc có thể được đóng ở cả hai bên đài móng, với dầm đặt ngang qua các cọc và tấm bản thép lắp bên dưới đài móng. Khoảng trống giữa đài móng và tấm bản sau đó được chèn khô (dry packed). Có thể hàn giá đỡ (bracket) vào cọc nếu chỉ tiếp cận được từ một phía của đài móng. Cọc cũng có thể được đặt vào lỗ khoan xoắn (auger hole) và di chuyển vào đúng vị trí bên dưới đài móng. Cọc được thử tải đến giá trị lớn hơn tải trọng dự kiến.
Cọc xoắn (Helical Piers)	Các đoạn cọc được vặn xoắn vào vị trí. Một giá đỡ (bracket) được lắp bên dưới đài móng và liên kết với cọc.
Hố gia cố nền móng (Underpinning Pits)	Đây là phương pháp lâu đời và hiệu quả, nhưng có thể tốn kém nếu chiều sâu quá lớn. Bê tông được đổ vào hố, và hỗn hợp cát-xi măng chèn khô (dry pack) được sử dụng để đảm bảo tiếp xúc với đáy đài móng.

\(\\\)

2-4.5 Các Vấn Đề Cần Xem Xét Trong Thi Công

Các biện pháp thi công có thể ảnh hưởng đến chuyển vị của hệ chống đỡ hố đào sâu. Bảng 2-10 liệt kê nhiều yếu tố cần xem xét trong thi công đối với các loại tường và đặc điểm của hệ chống đỡ khác nhau. FHWA (2008) cung cấp thêm hướng dẫn chi tiết.

Tường hoặc cấu kiện của hệ chống đỡ	Các vấn đề cần xem xét trong thi công và ghi chú
Tường cừ thép (Sheet Pile)	\(\ \)* Đầu có khóa âm của cừ nên được dẫn trước khi đóng để giảm hiện tượng tách khóa liên kết. \(\ \)* Có thể khắc phục khó khăn khi đóng cừ bằng cách sử dụng cọc dẫn hướng (spud piles), khoan dẫn trước hoặc sử dụng loại tường khác. \(\ \)* Sự tách khóa liên kết là nguyên nhân lớn gây thấm nước và rửa trôi đất. \(\ \)* Việc hạ thấp mực nước ngầm bằng bơm hút hoặc thấm qua tường cừ có thể gây lún. \(\ \)* Khi nhổ cừ sau thi công cần cẩn trọng để tránh lấy theo đất, có thể gây lún. \(\ \)* Phủ lớp bitum lên khóa liên kết trong đất sét dẻo. \(\ \)* Búa rung có thể gây lún trong cát rời đến cát chặt vừa.
Soldier Piles (H-Piles) và ván chèn (Lagging)	\(\ \)* Cọc đóng có thể gây: \(\qquad \)+ Tiếng ồn và rung động. \(\qquad \)+ Lún phía sau tường – xem xét sử dụng búa tác động đơn. \(\qquad \)+ Khó khăn về định vị do vật cản – sử dụng tiết diện nặng và mũi cọc để đóng xuyên lớp cứng. \(\qquad \)+ Cần nhổ cọc nếu đất vẫn còn trong lòng cọc. \(\ \)* Lỗ khoan dẫn trước cho cọc: \(\qquad \)+ Giảm tiếng ồn và rung động. \(\qquad \)+ Dùng khoan đập hoặc khoan xoay để phá đá tảng và đá gốc. \(\qquad \)+ Giúp xác định chính xác vị trí cọc. \(\qquad \)+ Lấp lại bằng bê tông nghèo để có thể gọt bỏ khi thi công neo hoặc chống bên trong. \(\ \)* Ván chèn (Lagging): \(\qquad \)+ Hình thành vòm áp lực đất truyền lên cọc lính. \(\qquad \)+ Thường được thi công phía sau mặt trước cọc lính. \(\qquad \)+ Khoảng đào vượt phải được lấp lại bằng đất để bảo đảm tiếp xúc chặt. \(\qquad \)+ Ván chèn thường dày 3 inch, trừ khi đào sâu lớn. \(\qquad \)+ Đất sét mềm hoặc cát rời dưới mực nước ngầm có thể gây ứng suất lớn lên ván chèn. \(\qquad \)+ Dùng vải địa kỹ thuật giữa các tấm ván để ngăn thất thoát đất và thoát nước ngầm. \(\qquad \)+ Việc hạ thấp nước ngầm bằng bơm hoặc thấm qua ván chèn có thể gây lún. \(\qquad \)+ Nên tháo bỏ ván chèn sau thi công nếu nằm trên mực nước ngầm.
Tường cừ thép kết hợp (Combined Sheet Pile)	\(\ \)* Khóa liên kết đặc biệt giữa cừ thép và cọc king pile có thể gây vấn đề nếu không được căn chỉnh đúng. \(\ \)* Độ thẳng đứng của cọc là yếu tố rất quan trọng. \(\ \)* Các nhận xét đối với cừ thép và cọc lính trong lỗ khoan dẫn cũng áp dụng cho loại tường này.
Cọc Secant và cọc Tangent	\(\ \)* Cần có tường dẫn bằng bê tông cốt thép (sâu 3–5 ft) để bảo đảm căn chỉnh tường chính xác và ổn định phần đỉnh hố đào. \(\ \)* Cọc bê tông được thi công bằng dung dịch giữ thành, khoan guồng xoắn rỗng liên tục hoặc hố khoan mở. \(\qquad \)+ Độ sụt bê tông nên từ 7–8 inch. \(\qquad \)+ Đối với hố khoan mở, bê tông được đổ đến đáy cọc dưới áp lực cột bê tông dương (8–10 ft). \(\qquad \)+ Đối với guồng xoắn rỗng liên tục, bê tông được bơm xuống đáy trong khi rút guồng khoan. \(\qquad \)+ Hố khoan mở yêu cầu cọc thử để xác minh có thể duy trì đường kính thiết kế. \(\ \)* Lồng cốt thép hoặc dầm H được đặt trong cọc sơ cấp để gia cường. \(\ \)* Thi công xen kẽ các cọc nhằm tránh làm hư hại bê tông còn mới. \(\ \)* Tường cọc secant yêu cầu các cọc có cốt thép được thi công bằng bê tông nghèo để cọc xen giữa có thể cắt vào. \(\ \)* Độ thẳng đứng có thể là vấn đề khi gặp đất cứng hoặc đá cuội, đá tảng. \(\ \)* Cọc tangent được khoan liền kề nhau và có khả năng rò rỉ nước ngầm cao hơn. \(\ \)* Có thể cần phụt vữa giữa các cọc tangent để ngăn thấm nếu không duy trì được độ thẳng đứng.
Trộn sâu đất (Deep Soil Mixing)	\(\ \)* Tường phụ thuộc vào việc sử dụng đất tại chỗ (*in situ soil*) làm vật liệu thi công; các viên cuội, đá tảng và vật cản phải được loại bỏ và thay thế bằng đất phù hợp. \(\ \)* Cần giám sát thiết bị và quy trình thi công. \(\qquad \)+ Số vòng quay của cánh trộn trên một đơn vị thể tích đất tại hiện trường (*in situ soil*). \(\qquad \)+ Lượng vữa phụ thuộc vào loại đất gặp phải. \(\ \)* Cần thi công các cột thử nghiệm. \(\ \)* Không được để vật liệu ngoại lai (nước, mảnh vụn hoặc đất đào) lọt vào các cột đang thi công.
Tường vây bê tông (Concrete Diaphragm)	\(\ \)* Cần có tường dẫn bằng bê tông cốt thép (sâu 3–5 ft) để bảo đảm căn chỉnh tường chính xác và ổn định phần đỉnh hố đào. \(\ \)* Các panel được thi công xen kẽ để tránh làm hư hại bê tông. \(\ \)* Việc đào thường được thực hiện theo ba bước (a, b, c): trái, phải và giữa. \(\ \)* Độ ổn định của hố đào panel được duy trì bằng dung dịch bentonite–nước và hiệu ứng vòm đến hai đầu panel. \(\ \)* Dung dịch giữ thành phải: \(\qquad \)+ Duy trì cao hơn mực nước ngầm và có thể cao đến một phần chiều cao của tường dẫn. \(\qquad \)+ Được kiểm tra các đặc tính mới và sau khi hoàn lưu. \(\ \)* Đá tảng hoặc đá cứng có thể được phá bằng đục hoặc dụng cụ khoan đập. \(\ \)* Dùng máy đào gầu ngoạm (*hydromill*) hoặc thiết bị tương tự để loại bỏ đá gốc. \(\ \)* Các loại đất có vấn đề tiềm tàng: \(\qquad \)+ Cát sạch và sỏi: xem xét tăng nồng độ bentonite và dùng cát mịn để bịt lỗ rỗng. \(\qquad \)+ Đất sét rất mềm (su < 500 psf): có thể xảy ra hiện tượng ép trồi (*squeezing*) và lún bề mặt. Cần panel thử nghiệm để đánh giá. \(\qquad \)+ Đất sét nứt nẻ cứng: có thể xảy ra đào vượt và sập thành. Cần panel thử nghiệm để đánh giá. \(\ \)* Cần đặt cọc định vị để xác định đầu các panel. \(\ \)* Hố đào phải được kiểm tra độ thẳng đứng và kích thước yêu cầu trước khi hạ lồng cốt thép. \(\ \)* Bê tông phải: \(\qquad \)+ Có độ sụt từ 7–8 inch. \(\qquad \)+ Được đổ bằng ống tremie tới đáy hố đào dưới áp lực cột bê tông dương (8–10 ft).
Chống bên trong (Internal Bracing)	\(\ \)* Căng trước khoảng 50% tải trọng dự kiến để tránh quá tải nếu tải tăng lên. \(\ \)* Cần theo dõi sự thay đổi nhiệt độ vì có thể gây biến dạng và ứng suất trong hệ chống. \(\ \)* Chuyển vị của tường hố đào sâu cần được quan trắc trong suốt quá trình thi công. \(\ \)* Nên cho phép tải trọng đào vượt. \(\ \)* Thi công chậm có thể làm đất sét bị từ biến (*creep*).
Neo Tieback (Tieback Anchors)	\(\ \)* Đất sét cứng đến rất cứng và đất hạt rời chặt vừa đến chặt hoặc đá là điều kiện ưu tiên. \(\ \)* Đất sét mềm có thể không phù hợp và đất hạt thô rời có thể gây lo ngại. \(\ \)* Neo nghiêng tạo ra thành phần lực đứng tác dụng lên tường. Chuyển vị đứng đáng kể sẽ làm giảm ứng suất trong neo và làm tăng chuyển vị của tường. \(\ \)* Mỗi neo phải được thử tải vượt tải trọng neo thiết kế (thường từ 115% đến 125%), sau đó khóa neo ở mức 75% đến 100% tải trọng thiết kế. \(\ \)* Thi công chậm có thể làm đất sét bị từ biến (*creep*).

\(\\\)

2-5 ĐÀO HỐ TRONG ĐÁ

2-5.1 Các Xem Xét Sơ Bộ

Công tác quy hoạch và thiết kế đào hố trong đá phải dựa trên khảo sát hiện trường chi tiết, bao gồm: 1) rà soát dữ liệu hiện có của khu vực, 2) lập bản đồ địa chất (geological mapping) đối với các bề mặt đá lộ ra, và 3) khoan khảo sát (test borings) đủ để xác định địa tầng. Trong phạm vi có thể, các công trình hạ tầng xây dựng trong nền đá nên được định hướng phù hợp với cấu trúc địa chất. Ví dụ, các đường hầm nên được bố trí với trục vuông góc với phương của đứt gãy (strike of faults) hoặc các đới nứt nẻ lớn (major fracture zones). Cần tránh trường hợp các mặt gián đoạn (discontinuities) nghiêng theo hướng đổ về phía hố đào hở.

Nhìn chung, các yếu tố cần được xem xét trong quy hoạch, thiết kế, và thi công một hố đào trong đá bao gồm:

• Sự hiện diện và định hướng của đứt gãy, nếp uốn (folds), khe nứt (fractures), và các mặt trượt trước đây;
• Ứng suất tại chỗ (In situ stresses);
• Điều kiện nước ngầm;
• Bản chất của vật liệu lấp đầy các khe nứt (joints);
• Chiều sâu và độ dốc của mái đào (cut surfaces);
• Hướng của các mặt trượt tiềm năng;
• Tải trọng động (dynamic loading);
• Tuổi thọ thiết kế của mái đào so với tốc độ phong hóa hoặc suy thoái của bề mặt đá;
• Khả năng đào bằng máy (rippability) và/hoặc nhu cầu sử dụng nổ mìn; và
• Ảnh hưởng của việc đào và/hoặc nổ mìn đối với các công trình lân cận.

Ảnh hưởng của hầu hết các yếu tố này đối với hố đào trong đá tương tự như đối với hố đào trong đất.

Thông tin chi tiết hơn về mô tả, phân loại, và thí nghiệm đá có thể tìm thấy ở Chương 1 đến Chương 3 của DM 7.1. Ngoài ra, DM 7.1 còn có các nội dung liên quan về phân bố ứng suất (Chương 4), thấm và thoát nước (Chương 6), và ổn định mái dốc đá (Chương 7).

2-5.2 Đánh Giá Các Phương Pháp Đào Hố Trong Đá

Đào hố trong đá có thể được thực hiện bằng máy đào (excavators), máy cày xới (rippers), búa đập thủy lực (hoe rams), và nổ mìn. Các đoạn sau đây thảo luận cách đánh giá phương pháp nào là phù hợp nhất.

2-5.2.1 Khả Năng Đào Đá Dựa Trên Đoạn Thử Nghiệm Đá Hiện Trường

Quan sát hiện trường tại một đoạn thử nghiệm đá (rock test section) rất hữu ích trong giai đoạn thiết kế của dự án. Nhiều loại thiết bị khác nhau, chẳng hạn máy đào, máy cày xới, và búa đập thủy lực, có thể được thử nghiệm để đánh giá loại thiết bị nào sẽ hiệu quả nhất trong quá trình thi công. Kích thước và hình dạng của khu vực cần đào là yếu tố quan trọng trong việc ước tính khả năng cày xới đá (rip rock). Kỹ thuật khảo sát này sẽ cung cấp dữ liệu có giá trị về chiều sâu có thể cày xới hoặc đào được bằng từng loại thiết bị, đồng thời xác định vị trí và độ sâu nào sẽ cần đến nổ mìn.

2-5.2.2 Khả Năng Đào Đá Dựa Trên Tương Quan Với Chỉ Số GSI

Khả năng đào đá bằng các phương pháp khác nhau có thể liên hệ với Chỉ số cường độ địa chất (Geologic Strength Index, GSI) (Hoek và cộng sự, 1992; Marinos và Hoek, 2000). Giá trị GSI được xác định dựa trên cấu trúc khối đá và điều kiện bề mặt, như thể hiện bằng các đường đồng mức đánh số ở Hình 2-17. Tsiambaos và Saroglou (2010) đã phân chia các khối đá trầm tích và biến chất, từ dạng khối (blocky) đến dạng rã rời (disintegrated), thành hai nhóm dựa trên chỉ số cường độ tải trọng điểm (point load strength index, I_s(50)). Từ đó có thể xác định được vùng tương ứng với cấu trúc và điều kiện bề mặt của đá. Các khu vực được tô bóng thể hiện các mức độ khả năng đào khác nhau: “Đào” (Digging) nghĩa là đá có thể đào bằng máy đào cơ giới (power excavators); “Cày xới” (Ripping) nghĩa là đào bằng máy kéo loại D8 và D9; “Búa đập (và nổ mìn)” (Hammer) nghĩa là việc phá đá nhiều khả năng cần đến búa đập thủy lực hoặc gàu đập; “Nổ mìn” (Blasting) nghĩa là cần phải nổ mìn.

(ghi chú hình)

KHOAN NỔ (BLASTING); ĐẬP (VÀ KHOAN NỔ) (HAMMER AND BLASTING); ĐÀO PHÁ (RIPPING); ĐÀO ĐẤT (DIGGING) — màu trắng/để trống

Đây là bảng phân loại phương pháp thi công đào đất/đá theo độ cứng của vật liệu, thường gặp trong hồ sơ khảo sát địa chất hoặc thiết kế công trình:

• Blasting: cần dùng thuốc nổ để phá đá (đá rất cứng)
• Hammer (and Blasting): dùng búa đập kết hợp khoan nổ (đá cứng)
• Ripping: dùng máy cào/xới (đất đá cứng vừa, không cần nổ)
• Digging: đào bằng máy thông thường (đất mềm)

2-5.2.3 Khả Năng Cày Xới Đá Dựa Trên Tương Quan Với Vận Tốc Sóng Nén

Khả năng cày xới đá (ripping) chịu chi phối bởi nhiều yếu tố: 1) thạch học của khối đá, bao gồm phân lớp (strata), điều kiện khe nứt, và định hướng; 2) mức độ phong hóa của đá; 3) cường độ đá; và 4) kích thước và tình trạng của thiết bị cày xới (ripper). Khả năng cày xới đá có thể được đánh giá dựa trên quan sát hiện trường và tương quan với GSI như đã thảo luận ở trên, hoặc bằng tương quan với vận tốc sóng địa chấn (seismic wave velocity).

Tương quan phổ biến nhất để đánh giá khả năng cày xới đá là dựa trên vận tốc sóng nén (compression wave velocity), hay còn gọi là vận tốc sóng P (P-wave velocity), thu được từ khảo sát địa chấn khúc xạ (seismic refraction studies). Vận tốc này phụ thuộc vào điều kiện nứt nẻ của đá. Hình 2-18 minh họa các biểu đồ ví dụ về hiệu suất của thiết bị cày xới (ripper) lắp trên máy kéo cỡ trung bình (Caterpillar D-8), cỡ nặng (D-9), và cỡ rất nặng (D-11), tương ứng với vận tốc sóng nén địa chấn của các loại vật liệu đá khác nhau (Caterpillar, 2000). Các loại biểu đồ này có sẵn từ các nhà sản xuất thiết bị.

2-5.3 Nổ Mìn

Sau khi đã xác định cần thực hiện nổ mìn, cần tiến hành khảo sát trước khi nổ mìn (pre-blasting survey). Tối thiểu, khảo sát này cần bao gồm: 1) kiểm tra hiện trường, 2) kiểm tra chi tiết và lập hồ sơ ảnh chụp các công trình lân cận, và 3) thiết lập các điểm khống chế trắc đạc (survey control points) theo phương ngang và phương đứng.

2-5.3.1 Thiết Kế Nổ Mìn

Việc thiết kế công tác nổ mìn cho một dự án có thể được ước tính dựa trên vận tốc hạt lớn nhất (maximum particle velocity). Vận tốc hạt đỉnh (hay vận tốc hạt lớn nhất) (peak particle velocity, PPV) là vận tốc dọc trục của một hạt theo phương truyền sóng do nổ mìn gây ra. Mối quan tâm chính trong công tác nổ mìn là ảnh hưởng của nó đối với các công trình lân cận. PPV là tiêu chí được chấp nhận rộng rãi để đánh giá khả năng gây hư hỏng kết cấu do rung động nổ mìn. Ngưỡng tới hạn của vận tốc hạt phụ thuộc vào đặc tính của đá, bản chất của lớp đất phủ (overburden), đặc trưng tần số của kết cấu, và khả năng chịu ứng suất động của kết cấu.

Ảnh hưởng của một vụ nổ đối với công trình có thể được đánh giá thông qua khoảng cách quy đổi (scaled distance) (USBM 1971; Oriard 1987). Khoảng cách quy đổi (scaled distance, SD) là khoảng cách thực từ vị trí đặt thuốc nổ (charge) đến công trình, đã được hiệu chỉnh theo khối lượng thuốc nổ, và có thể được tính như sau:

\[
SD = \frac{D}{W^\beta}
\tag{2-7}
\]

trong đó:
\(\qquad D =\) khoảng cách thực từ khối thuốc nổ đến công trình (true distance from charge to structure), ft;
\(\qquad W =\) khối lượng thuốc nổ (weight of charge), lb;
\(\qquad \beta =\) 0.33 đối với các công trình vùng gần (near-field structures), tức là < 20 ft tính từ khối thuốc nổ, hoặc 0.5 đối với các công trình xa hơn khối thuốc nổ.

Khoảng cách quy đổi (scaled distance) không đúng về mặt thứ nguyên và yêu cầu sử dụng đúng các đơn vị đã chỉ định.

Sử dụng SD, PPV có thể được ước tính theo:

\[
PPV = K \cdot SD^{-1.6}
\tag{2-8}
\]

trong đó:
\(\qquad K =\) hệ số kiềm chế (confinement factor), giới hạn dưới = 20, giới hạn trên = 242, giá trị trung bình = 150.

Các giá trị của \(K\) là giá trị thực nghiệm và yêu cầu sử dụng đúng các đơn vị đã chỉ định. \(K\) có thể được tính từ dữ liệu nổ mìn (blast data) như sau:

\[
K = \frac{PPV}{SD^{-1.6}}
\tag{2-9}
\]

Hình 2-19 sau đó có thể được sử dụng để ước tính khả năng gây hư hỏng đối với công trình dựa trên giá trị PPV ước tính. Phản ứng của con người đối với rung động được trình bày ở Hình 2-20.

2-5.3.2 Quan Trắc Trong Quá Trình Nổ Mìn

Trong quá trình thi công, cần thiết lập các trạm quan trắc rung động (vibration monitoring stations) và tiến hành quan trắc. Cần lưu giữ hồ sơ chi tiết về khối lượng thuốc nổ, vị trí điểm nổ, khoảng cách từ điểm nổ đến các công trình hiện hữu, độ trễ (delays), và phản ứng ghi nhận được từ quan trắc rung động. Vì lý do an toàn, nên sử dụng lượng thuốc nổ nhỏ ở giai đoạn đầu để thiết lập mối quan hệ đặc thù theo từng công trường (site-specific relationship) giữa khối lượng thuốc nổ, khoảng cách, và vận tốc hạt đỉnh (peak particle velocity), cùng với phản ứng kết cấu tương ứng.

2-6 KIỂM SOÁT NƯỚC NGẦM

2-6.1 Các Xem Xét Sơ Bộ

Các hố đào nằm dưới mực nước ngầm cần được kiểm soát nước ngầm. Công tác này thường bao gồm kiểm soát thấm vào hố đào và kiểm soát áp lực nước lỗ rỗng dư (excess pore water pressure) bên dưới đáy hố đào. Hố thu nước (sumps), giếng kim (wellpoints), và giếng sâu (deep wells) là các phương pháp phổ biến nhất để hạ mực nước ngầm trong hố đào. Hình 2-21 minh họa phạm vi áp dụng của các phương pháp hạ mực nước ngầm (dewatering) này đối với các loại cấp phối đất khác nhau.

Tường chắn thấm bằng dung dịch (slurry cutoff walls) (đất-bentonite hoặc xi măng-đất-bentonite), tường vây bê tông (concrete diaphragm walls), tường cọc xen kẽ (secant pile walls), và tường trộn đất sâu (deep soil mix walls) là các loại tường hiệu quả nhất để giảm thấm vào hố đào. Tường vây bê tông có thể trở thành một phần của kết cấu vĩnh cửu (final structure). Tường cừ thép thường được xem là không thấm nước, nhưng hiện tượng thấm vẫn xảy ra qua các khớp nối (interlocks). Nếu các khớp nối bị tách (split) do đóng cừ trong điều kiện đất cứng, tốc độ thấm có thể tăng lên đáng kể. Có thể sử dụng các loại vật liệu chắn nước chuyên dụng (waterstops) để khắc phục.

2-6.2 Khả Năng Thấm Của Tường Cừ Thép

Khả năng thấm của tường cừ thép, chỉ xảy ra qua các khớp nối (interlocks), thường được biểu thị dưới dạng nghịch đảo sức cản thấm riêng ($\rho$) theo định nghĩa trong Tiêu chuẩn châu Âu EN 12063 (1999) như sau:

\[\rho = \dfrac{q \gamma_w}{\Delta p} \tag{2-10}\]

trong đó: q = lưu lượng thấm trên một đơn vị chiều cao dọc theo khớp nối, \(\gamma_w\) = dung trọng của nước, và \(\Delta p\) = chênh lệch áp lực.

Có thể giảm hiện tượng thấm bằng cách duy trì lực căng tại các khớp nối và/hoặc bằng cách bịt kín các mối nối. Các đoạn thử nghiệm (test sections) đã được thực hiện trên tường cừ thép được bịt kín bằng nhiều loại vật liệu trám gốc bitum và vật liệu trám trương nở (swelling fillers) (Sellmeijer và cộng sự, 1995). Các thí nghiệm này cho thấy ρ dao động trong khoảng 10^-3 cm/giây đối với khớp nối không bịt kín, đến khoảng 10^-9 cm/giây đối với khớp nối được bịt kín nhưng không có lực căng tại mối nối. Vật liệu trám gốc bitum có hiệu quả kém hơn một chút so với vật liệu trám trương nở. Các thí nghiệm trên tường cừ thép vinyl (vinyl sheet piling) cho thấy ρ dao động từ 10^-5 cm/giây đối với khớp nối không bịt kín có lực căng, đến khoảng 10^-10 cm/giây đối với khớp nối được bịt kín.

Nếu biết hoặc giả định được giá trị ρ, Phương trình 2-10 có thể được biến đổi để tính lưu lượng thấm trên một đơn vị chiều dài khớp nối. Điều này cho phép tính toán lưu lượng thấm qua một đoạn tường cừ thép. Một bài toán ví dụ về rò rỉ qua tường cừ thép được trình bày ở Hình 2-22.

2-6.3 Các Phương Pháp Kiểm Soát Nước Ngầm

Bảng 2-11 liệt kê các phương pháp kiểm soát nước ngầm, phạm vi áp dụng, và các hạn chế của từng phương pháp. Các phương pháp này bao gồm các kỹ thuật hạ mực nước ngầm như hố thu nước (sumps), giếng kim (wellpoints), giếng sâu (deep wells), và giếng hút phản lực (jet-eductor wells). Các loại tường chắn thấm (cutoff walls) bao gồm tường cừ thép, tường chắn bằng dung dịch (slurry walls), tường vây bê tông (concrete diaphragm walls), tường cọc xen kẽ (secant pile walls), và tường trộn tại chỗ (mix-in-place walls).

Bảng 2-11. Các phương pháp kiểm soát nước ngầm

Phương pháp	Loại đất phù hợp	Ứng dụng	Ghi chú
Hố thu nước (Sumps)	Cát và sỏi	Hạ mực nước ngầm cục bộ, nông	* Bơm từ trống đục lỗ (perforated drum) hoặc ống vách (casing). * Nên sử dụng vải địa kỹ thuật (geotextile) để ngăn thất thoát hạt mịn.
Hệ thống giếng kim (Wellpoint) với bơm hút	Cát, cát pha bụi, và bụi	Hố đào hở, kể cả hào đặt ống	* Dễ lắp đặt. * Giới hạn chiều cao hút khoảng 18 ft. * Cần bố trí giếng nhiều tầng, khoảng cách đứng 15 ft, để hạ nước sâu hơn.
Giếng sâu (Deep Wells) với bơm chìm	Cát, cát pha bụi, bụi; đá nứt nẻ	Hố đào sâu	* Không giới hạn chiều sâu hạ mực nước. * Cần thiết kế khe lọc (screen) và lớp lọc (filter pack). * Có thể bố trí bên ngoài phạm vi hố đào.
Giếng hút phản lực (Jet-eductor Wells)	Cát, cát pha bụi, và bụi	Không gian hạn chế, hoặc khi không thể dùng hệ giếng kim	* Không giới hạn chiều sâu hạ mực nước. * Thiết kế phức tạp. * Hiệu suất thấp.
Tường chắn thấm bằng cừ thép (Sheet Pile Cutoff Walls)	Hầu hết các loại đất, trừ cát chặt và sỏi, đất tàn tích băng hà (glacial till), và đất lẫn đá tảng	Sử dụng không hạn chế, trừ điều kiện đóng cừ khó khăn; có thể dùng làm kết cấu vĩnh cửu	* Đóng cừ khó khăn và đá tảng có thể gây hỏng khớp nối. * Có thể khắc phục được. * Tấm cừ cán nóng (hot rolled sheets) có độ thấm thấp hơn. * Giảm rò rỉ khớp nối bằng bitum, vật liệu trương nở khi gặp nước, hoặc bentonite. * Có loại tường cừ với khớp nối có thể bịt kín (sealable joint sheet piling). * Nếu bịt kín khớp nối đúng cách, hiệu quả chắn thấm có thể tương đương tường hào bằng dung dịch (slurry trench), tường vây bê tông, cọc xen kẽ, và tường trộn đất sâu.
Tường chắn thấm dạng hào bằng dung dịch (Slurry Trench Cutoff Walls)	Bụi, cát, sỏi lẫn cuội, và đá tảng	Không hạn chế	* Cần cắm sâu vào lớp có tính thấm thấp hơn (keyed) để giảm thấm. * Có thể cắm sâu vào nền đá.
Tường chắn thấm và tường móng bằng bê tông vây (Concrete Diaphragm Cutoff and Foundation Wall)	Bụi, cát, sỏi, cuội, và đá tảng	Tầng hầm, hệ chống đỡ hố đào, và giếng chìm (shaft)	* Cần cắm sâu vào lớp có tính thấm thấp hơn để giảm thấm. * Có thể cắm sâu vào nền đá. * Cần xem xét khả năng chịu tải và lún.
Tường chắn thấm và tường móng bằng cọc xen kẽ, cọc tiếp giáp (Secant and Tangent Pile Cutoff and Foundation Walls)	Bụi, cát, sỏi và cuội	Tầng hầm, hệ chống đỡ hố đào, và giếng chìm	* Cần cắm sâu vào lớp có tính thấm thấp hơn để giảm thấm. * Có thể cắm sâu vào đá mềm. * Cần xem xét khả năng chịu tải và lún. * Tường cọc tiếp giáp (tangent piles) rò rỉ nhiều hơn do các cọc không chồng lấn nhau.
Tường trộn tại chỗ (Mix-In-Place Walls)	Cát, cát pha bụi, và bụi	Hệ chống đỡ hố đào và giếng chìm	* Cần cắm sâu vào lớp có tính thấm thấp hơn để giảm thấm. * Cần xem xét khả năng chịu tải và lún.
Đông cứng đất bằng phương pháp làm lạnh: Amoniac/dung dịch muối làm lạnh	Tất cả các loại đất bão hòa nước và đá	Hình thành băng trong lỗ rỗng để ngăn dòng thấm	* Phù hợp hơn cho diện tích lớn và thời gian sử dụng dài. * Cần thời gian dài để hình thành.
Đông cứng đất bằng phương pháp làm lạnh: Nitơ lỏng làm lạnh	Tất cả các loại đất bão hòa nước và đá	Hình thành băng trong lỗ rỗng để ngăn dòng thấm	* Phù hợp hơn cho diện tích nhỏ, thời gian sử dụng ngắn, cần đông cứng nhanh. * Chi phí cao và đòi hỏi kiểm soát công trường nghiêm ngặt. * Có thể xảy ra hiện tượng trồi đất (ground heave) ở mức độ nhất định.

\(\\\)

Hình 2-23 thể hiện chi tiết hệ thống giếng kim (wellpoint) và giếng sâu (deep well) với bơm chìm. Hình 2-24 minh họa một ví dụ về hệ thống giếng kim hai tầng và hệ thống hạ mực nước ngầm sử dụng giếng sâu.

Các trình tự thiết kế liên quan đến phân tích thấm và kiểm soát hạ mực nước ngầm được trình bày ở Chương 6 của DM 7.1. Các tài liệu tham khảo hữu ích khác gồm Mansur và Kaufman (1961), và Cedergren (1997).

2-7. CÁC LOẠI ĐẤT CÓ VẤN ĐỀ VÀ CÔNG TÁC ĐÀO ĐẤT

Chương 1 trình bày tóm tắt nhiều loại điều kiện đất có vấn đề có thể ảnh hưởng đến thiết kế móng và các công trình đất. Bảng 2-12 và Bảng 2-13 tóm tắt các điều kiện quan trọng đối với thiết kế hố đào trong các loại đất có vấn đề.

Bảng 2-12 Các vấn đề về điều kiện đất cần xem xét đối với hố đào hở có mái dốc (theo Clough và Davidson, 1977)

Loại đất	Các vấn đề chính khi thiết kế mái dốc
Đất sét cứng nứt nẻ, đất sét có tính dẻo cao và đá phiến sét mềm	\(\ \)* Sức kháng cắt tại hiện trường có thể thấp hơn giá trị xác định trong phòng thí nghiệm. \(\ \)* Các vụ trượt lần đầu có thể phát triển dần dần do: \(\qquad \)+ Sự giải phóng ứng suất (stress relief); \(\qquad \)+ Gia tăng hệ số rỗng; \(\qquad \)+ Sự mềm hóa do nước bề mặt thấm vào các khe nứt; \(\qquad \)+ Sự thay đổi chuyển vị dọc theo mặt trượt. \(\ \)* Nên sử dụng cường độ chống cắt thoát nước ở trạng thái mềm hóa hoàn toàn để phân tích các vụ trượt lần đầu. \(\ \)* Xem Chương 3 của DM 7.1 về các quy trình thí nghiệm. \(\ \)* Nên sử dụng cường độ chống cắt dư khi tồn tại các mặt trượt cũ. \(\ \)* Góc ma sát dư của đá phiến sét có thể chỉ từ 7° đến 12°.
Đất sét có tính dẻo cao bị khô nứt	\(\ \)* Chiều sâu vùng mềm hóa và suy giảm cường độ liên quan đến chiều sâu các khe nứt do khô hạn. \(\ \)* Đã ghi nhận các khe nứt do khô hạn có thể sâu tới 8 ft (≈ 2.4 m). \(\ \)* Nên sử dụng cường độ chống cắt thoát nước ở trạng thái mềm hóa hoàn toàn để phân tích ổn định của các loại đất này, vốn thường có mặt trượt nông.
Đất hoàng thổ (Loess) và các loại đất có khả năng sụp lún khác	\(\ \)* Có khả năng sụp đổ/cói mòn đối với vật liệu tương đối khô khi bị thấm ướt. \(\ \)* Mái dốc trong đất hoàng thổ ổn định hơn khi đào gần thẳng đứng: \(\qquad \)+ Để ngăn nước thấm vào; \(\qquad \)+ Có thể bố trí các cơ (bench) đối với mái dốc cao. \(\ \)* Xem Chương 1 của DM 7.1.
Đất sét nhạy	\(\ \)* Có thể xảy ra sự suy giảm đáng kể cường độ khi đất bị xáo trộn. \(\ \)* Ước lượng độ nhạy từ thí nghiệm nén không nở hông hoặc từ thí nghiệm cánh xoay hiện trường/phòng thí nghiệm. \(\ \)* Đất sét biển có thể có độ nhạy cao do phá vỡ cấu trúc (keo tụ) và rửa trôi muối bởi nước ngọt (các lớp đất sét được nâng lên hoặc mực nước biển hạ thấp trong lịch sử địa chất). \(\ \)* Liquidity Index > 1 (w > LL) là một chỉ dấu của đất sét nhạy. \(\ \)* Xem Mục 1-5.6 để biết thêm mô tả về đất sét nhạy.
Đất tàn tích	\(\ \)* Cần dự kiến sự biến đổi đáng kể về tính chất trong phạm vi cục bộ. \(\ \)* Sự biến đổi xuất phát từ quá trình phong hóa của đá mẹ. \(\ \)* Tính chất của các loại đất này không liên quan đến lịch sử ứng suất. \(\ \)* Hiện có rất ít tương quan đáng tin cậy.
Đất đá vụn chân sườn dốc (Talus)	\(\ \)* Talus là khối tích tụ rời rạc của các mảnh đá tập trung ở chân vách đá. \(\ \)* Mái dốc ổn định thường có tỷ lệ từ 1.25H:1V đến 1.75H:1V. \(\ \)* Dễ mất ổn định khi có nhiều nước.
Cát rời	\(\ \)* Có thể bị lún chặt dưới tác động rung do nổ mìn. \(\ \)* Khi bão hòa và chịu tải trọng động đất, có thể hóa lỏng và mất cường độ. \(\ \)* Hiện tượng hóa lỏng tĩnh cũng có thể xảy ra trong cát rời có xu hướng co ngót thể tích. \(\ \)* Dễ bị xói ngầm và piping.
Đá có các mặt yếu	\(\ \)* Phá hoại trượt phẳng hoặc trượt nêm trên các mặt gián đoạn nghiêng về phía hố đào và lộ ra trên mái dốc. \(\ \)* Lật đổ các phiến đá có mặt lớp dốc đứng vào phía gương đào.

\(\\\)

Bảng 2-13. Các lưu ý đối với đất có vấn đề khi thiết kế hố đào sâu có hệ chống đỡ
(Problem Soil Considerations for Deep, Supported Excavations)

Loại đất	Các vấn đề chính khi thiết kế hố đào sâu có hệ chống đỡ
Đất sét mềm	\(\ \)* Nâng nền do thấm (basal heave). \(\ \)* Chuyển vị tường lớn. \(\ \)* Áp lực đất biểu kiến cao.
Đất sét cứng nứt nẻ, đất sét có tính dẻo cao và đá phiến sét mềm	\(\ \)* Có thể cần xem xét ảnh hưởng của quá trình mềm hóa đối với các công trình vĩnh cửu hoặc bán vĩnh cửu. \(\ \)* Cần dự kiến áp lực đất lớn tùy thuộc vào giá trị K0 trước khi đào đất. \(\ \)* Nước bề mặt cần được dẫn tránh xa khối đất được giữ bởi hệ chống đỡ.
Đất hoàng thổ (Loess) và các loại đất có khả năng sụp lún khác	\(\ \)* Cấu trúc giả ổn định (metastable) của đất có thể bị sụp đổ dưới tác dụng tải trọng, đặc biệt khi bị thấm ướt. \(\ \)* Có thể dự kiến áp lực đất thấp hơn do đặc điểm cấu trúc của đất.
Đất sét nhạy	\(\ \)* Các khu vực dễ chịu rung động có thể làm đất sét nhạy bị suy giảm cường độ. \(\ \)* Đất sét nhạy có độ nhạy > 4 cần được xem xét đặc biệt. \(\ \)* Khuyến nghị sử dụng tường chống thấm. \(\ \)* Duy trì ứng suất cắt thấp hơn cường độ chống cắt không thoát nước cực đại trong toàn bộ lớp đất sét nhạy. \(\ \)* Sử dụng hệ số ổn định FBH hoặc thực hiện phân tích số.
Đất tàn tích và đất laterit	\(\ \)* Phần lớn các loại đất này có ứng xử tương tự đất sét cứng. \(\ \)* Đất laterit có thể có hệ số thấm cao hơn.
Cát rời	\(\ \)* Có thể cần hệ thống hạ mực nước ngầm quy mô lớn nếu đất bão hòa. \(\ \)* Xói ngầm bên trong do các hạt đất di chuyển qua tường hoặc tại đáy hố đào có thể là vấn đề đáng quan tâm.
Đất băng tích (Glacial Till)	\(\ \)* Các tảng đá cuội lớn có thể làm phức tạp một số phương pháp đào đất và hệ tường chống đỡ.
Đất hữu cơ, than bùn và đất Muskeg	\(\ \)* Có thể tồn tại cường độ chống cắt không thoát nước thấp. \(\ \)* Sức kháng bị động sẽ thấp do trọng lượng thể tích nhỏ. \(\ \)* Độ lún của tường có thể là vấn đề cần quan tâm.

\(\\\)

2-8. KÝ HIỆU

Ký hiệu	Định nghĩa
B	Bề rộng hố đào hoặc rãnh đào.
B1	Bề rộng vùng đất liền kề hố đào trong đất sét góp phần gây mất ổn định đáy.
Bs	Bề rộng tải trọng phân bố (surcharge) liền kề hố đào.
D	Chiều sâu chôn của tường phía dưới đáy hố đào.
d, di	Khoảng cách từ hố đào đến điểm đang xét.
d0	Khoảng cách điển hình từ hố đào mà tại đó không xảy ra chuyển động.
db	Khoảng cách giữa hai điểm trên công trình dùng để tính biến dạng góc hoặc biến dạng.
E	Mô đun Young.
Es	Mô đun đàn hồi của đất.
FBH	Hệ số an toàn chống nâng nền do thấm (basal heave).
GSI	Chỉ số cường độ địa chất (Geological Strength Index).
\(h, h_{avg}\)	Khoảng cách đứng giữa các tầng chống hoặc neo của hệ chống đỡ.
H	Chiều sâu hố đào.
\(H_{crit}\)	Chiều sâu đào tới hạn trong đất sét đối với điều kiện không thoát nước.
\(I_{s(50)}\)	Mô men quán tính bậc hai.
Is(50)	Chỉ số cường độ tải trọng điểm của đá.
K	Hệ số giam giữ dùng trong tính toán nổ mìn.
Ka	Hệ số áp lực đất chủ động.
K0	Hệ số áp lực đất ở trạng thái tĩnh.
Kwall	Độ cứng chuẩn hóa của tường.
N	Số lượng khóa liên kết (interlock) trong tường cừ thép.
\(N_\gamma\)	Hệ số sức chịu tải liên quan đến trọng lượng thể tích đất.
PA	Lực áp lực đất chủ động.
P′H	Lực đất mất cân bằng tác dụng lên phần chôn của tường chắn hố đào.
PPV	Vận tốc dao động cực đại của hạt (Peak Particle Velocity).
q	Lưu lượng nước trên một đơn vị chiều cao dọc theo khóa liên kết của cừ thép.
Q	Tổng lưu lượng nước chảy vào hố đào.
S	Khoảng cách giữa các cấu kiện kết cấu trong tường cừ tổ hợp.
SD	Khoảng cách quy đổi dùng trong tính toán nổ mìn.
\(s_u\)	Cường độ chống cắt không thoát nước.
\(s_{u,b}\)	Cường độ chống cắt không thoát nước bên dưới đáy hố đào.
\(s_{u,d}\)	Cường độ chống cắt không thoát nước dọc theo phần chôn của tường.
\(s_{u,h}\)	Cường độ chống cắt không thoát nước phía trên đáy hố đào.
W	Khối lượng thuốc nổ.
w	Độ ẩm khối lượng của đất.
α	Hệ số bám dính giữa đất hạt mịn và kết cấu chắn giữ.
β	Chênh lệch độ lún trên một đơn vị chiều dài (angular distortion) của công trình do chuyển vị không đều.
δH, δHi, δHm	Chuyển vị ngang của nền đất liền kề hố đào; chỉ số m biểu thị giá trị lớn nhất.
Δp	Chênh lệch áp lực nước giữa hố đào và khối đất được giữ lại đối với bài toán thấm qua cừ thép.
δV, δVi, δVm	Chuyển vị đứng của nền đất liền kề hố đào; chỉ số m biểu thị giá trị lớn nhất.
εb	Biến dạng ngang của công trình do chuyển vị không đều.
γ, γt	Trọng lượng thể tích ẩm hoặc tổng.
γw	Trọng lượng thể tích của nước.
\(\phi’\)	Góc ma sát theo ứng suất hữu hiệu (góc ma sát thoát nước).
\(\rho\)	Sức cản thấm của khóa liên kết cừ thép.
\(\sigma’_h\)	Ứng suất ngang hữu hiệu.

\(\\\)

2-9 TÀI LIỆU ĐỌC THÊM

Chủ đề	Tài liệu tham khảo
An toàn đào đất và chống đỡ hố đào	CFR Part 1926, Subpart P, Excavations, with Appendices A–F CFR Phần 1926, Tiểu phần P, Công tác đào đất, kèm các Phụ lục A–F Occupational Safety and Health Administration (OSHA). 2020. https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1926/1926SubpartP
Hố đào sâu	Earth Retaining Structures, FHWA NHI-07-071 Kết cấu chắn giữ đất, FHWA NHI-07-071 FHWA. 2008. U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington, DC.
	Construction Induced Movements of In situ Walls Chuyển vị của tường tại chỗ do thi công gây ra Clough, G. W., and O’Rourke, T. D. 1990. Proc. of Conf. on Design and Performance of Earth Retaining Structures. ASCE Geotechnical Special Publication No. 25.
Ụ khô và kiểm soát nước ngầm	Design and Construction of Dry Docks Thiết kế và thi công ụ khô Mazurkiewicz, B.K. 1980. Trans Tech Publications, Rockport, MA.
	Dewatering and Groundwater Control, TM 5/818-5/AFM 88-5 Hạ mực nước ngầm và kiểm soát nước ngầm, TM 5/818-5/AFM 88-5 USACE. 1983. Department of the Army, Washington, DC.
Hạ mực nước ngầm	Dewatering Hạ mực nước ngầm Mansur, C. and Kaufman, R. 1961. Foundation Engineering, Ed. Leonards, McGraw Hill, 514 pp.
	Seepage, Drainage, and Flow Nets Thấm, thoát nước và lưới dòng thấm Cedergren, H. 1997. 3rd Ed., Wiley-Interscience, 496 pp.

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA