Nghiên cứu một số mô hình phi tuyến về ứng xử cơ học của đất đá, ứng dụng trong tính toán nền móng công trình cầu luận văn thạc sĩ xây dựng cầu hầm

Kết quả đo đạc thực tế thường cho kết quả lớn hơn so với số liệu tính toán, tuy nhiên công trình vẫn có thể xảy ra sự cố do mô hình tính toán không sát với điều kiện thực tế về ứng xử củ

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu khoa học độc lập của tôi, không tùy tiện sao chép Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

HỌC VIÊN

Tạ Ngọc Dương

MỤC LỤC 2

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO KẾT CẤU NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH CẦU 3

1.1 MÓNG ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN ĐẤT YẾU 3

1.2.MÓNG NÔNG 6

1.3 MÓNG CỌC CÓ ĐƯỜNG KÍNH NHỎ 9

1.4 MÓNG CỌC CÓ ĐƯỜNG KÍNH LỚN 13

1.5 MÓNG GIẾNG CHÌM 19

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 24

CHƯƠNG II MỘT SỐ MÔ HÌNH PHI TUYẾN VỀ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA ĐẤT, ĐÁ 25

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 25

2.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MÔ HÌNH VẬT LIỆU 27

2.2.1 Quan hệ ứng suất­ biến dạng theo lý thuyết đàn hồi 27

2.2.2 Xây dựng mô hình ứng xử của đất 29

2.2.3 Những khái niệm cơ bản về lý thuyết dẻo 31

2.3 CÁC MÔ HÌNH ĐÀN HỒI 37

2.4 CÁC MÔ HÌNH PHI TUYẾN THÔNG DỤNG 39

2.4.1 Mô hình đàn dẻo tuyệt đối 39

2.3.2 Mô hình dẻo tái bền (mô hình đất cứng hoá) 45

2.3.3 Mô hình từ biến của đất yếu ( ứng xử phụ thuộc thời gian ) 47

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 50

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG MỘT SỐ MÔ HÌNH PHI TUYẾN ĐIỂN HÌNH VÀO TÍNH TOÁN NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH CẦU 51

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 51

3.2.1 Các mô hình tính toán 51

3.2.2 Ví dụ tính toán 56

3.3 BÀI TOÁN TÍNH TOÁN MÓNG NÔNG TRÊN NỀN THIÊN NHIÊN 65

3.3.1 Mô tả bài toán 65

3.3.2 Kết quả tính toán và nhật xét 67

3.4 BÀI TOÁN TÍNH TOÁN MÓNG CỌC KHOAN NHỒI 70

3.4.1 Mô tả bài toán 70

3.4.2 Kết quả tính toán và nhận xét 71

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Bảng 3.1 – Các tham số của đất đắp, đất yếu và nền tương đương 58

Bảng 3.2 Thông số cơ lý của cát chặt phía dưới móng nông 66

Bảng 3.3 Thông số cơ lý của bê tông làm móng 66

Bảng 3.4 – Các đặc trưng cơ lý của đất, bệ móng và cọc khoan nhồi 70

Hình 1.1 – Các sơ đồ bố trí cọc đất xi măng 5

Hình 1.2 ­ Giải pháp cọc chống (a) hoặc cọc ma sát (b) 6

Hình 1.3 ­ Trụ cầu trên móng nông 7

Hình 1.4 ­ Bố trí chung móng cọc 12

Hình 1.5 ­ Bố trí cọc trong mong theo JRA 18

Hình 1.6 ­ Các dạng mặt cắt ngang móng giếng chìm 21

Hình 1.7 ­ Một số dạng mặt đứng móng giếng chìm 22

Hình 1.8 ­ Một số dạng cấu tạo chân giếng chìm 24

Hình 2.1 Biểu diễn ứng suất pháp và ứng suất tiếp 31

Hình 2.2: Mặt chảy dẻo Von Mises và Tresca trong mặt phẳng kinh tuyến (a), mặt phẳng xoáy (b), mặt phẳng ứng suất phẳng (c) 35

Hình 2.3­ Mặt phẳng chảy Drucker­Prager trong mặt phẳng kinh tuyến (a), mặt phẳng xoáy (b), mặt phẳng ứng suất phẳng (c) 35

Hình 2.4 Mặt chảy dẻo Mohr­Coulomb trong mặt phẳng kinh tuyến (a), mặt phẳng xoáy (b), mặt phẳng ứng suất phẳng (c) 36

Hình 2.5 Tiêu chuẩn Mohr­Coulomb cho mặt phẳng σ­τ 36

Hình 2.6 Mặt chảy Rankine trong mặt phẳng kinh tuyến (a), mặt phẳng xoáy (b), mặt phẳng ứng suất phẳng (c) 36

Hình 2.7­ Luật ứng xử đàn hồi của bê tông: không (a) và có (b) xét đến phần phi tuyến pre­peak 37

Hình 2.8 – Quan hệ ứng suất – biến dạng trong mô hình đàn hồi dẻo tuyệt đối 40

Hình 2.9 ­ Mặt chảy Mohr­Coulomb trong không gian ứng suất chính (c=0) 41

Hình 2.10 Mặt phá huỷ dẻo biểu diễn trong mặt phẳng các ứng suất xoáy (Druker­ Prager, Van Eekelen và Mohr­Coulomb) 42

Hình 2.11 ­ Định nghĩa của E0 và E50 cho thí nghiệm nén 3 trục 43

Hình 2.12 ­ Biểu diễn góc ma sát và hệ số kết dính C 45

Hình 2.14 ­ Ứng xử dẻo với củng cố đẳng hướng (so sánh với trường hợp đàn dẻo

tuyệt đối) 46

Hình 2.15 ­ Mặt phá huỷ dẻo biểu diễn trong mặt phẳng các ứng suất xoáy của mô hình tái bền 47

Hình 2.16 ­ Ứng xử của từ biến và cố kết do thí nghiệm máy nén tiêu chuẩn 49

Hình 3.1 ­ Quy đổi nền tương đương 52

Hình 3.2 – Mô hình biến dạng phẳng áp dụng sau khi quy đổi thành nền tương đương 53

Hình 3.3 – Mô hình biến dạng phẳng tính toán nền đất không quy đổi tương đương 54

Hình 3.4– Sơ đồ quy đổi diện tích ảnh hưởng của đất yếu xung quanh 1 cọc XMĐ 55

Hình 3.5 – Sơ đồ tính toán bài toán đối xứng trục (a) và lưới phần tử hữu hạn (b) 55 Hình 3.6 – Lưới phần tử hữu hạn với các điều kiện biên (3000) PTHH 59

Hình 3.7 – Độ lún của đáy nền đắp theo độ lún của mặt đường (Kiểm tra tính hội tụ của kết quả tính toán) 60

Hình 3.8 – Lưới phần tử hữu hạn với các điều kiện biên (1000) PTHH 60

Hình 3.9 – Lưới phần tử hữu hạn với các điều kiện biên (2000) PTHH 60

Hình 3.10 – Lưới phần tử hữu hạn với các điều kiện biên (3000) PTHH 61

Hình 3.11 – Lưới phần tử hữu hạn với các điều kiện biên (4000) PTHH 61

Hình 3.12 – Chuyển vị ngang theo phương X 62

Hình 3.13 – Chuyển vị đứng theo phương Y 62

Hình 3.14 – Ứng suất x 62

Hình 3.15 – Ứng suất y 62

Hình 3.16 – Ứng suất xy 63

Hình 3.17– Biến dạng x 63

Hình 3.18 – Biến dạng y 63

Hình 3.21 – Độ lún của đáy nền đắp theo độ lún của mặt đường 65

Hình 3.22 ­ Lưới phần tử hữu hạn mô phỏng móng nông trên nền thiên nhiên 67

Hình 3.23 ­ Phân bố các vùng dẻo dưới móng nông 67

Hình 3.24 ­ Phân bố các vùng chuyển vị thẳng đứng dưới móng nông 67

Hình 3.25 ­ Phân bố ưng suất theo phương ngang x 68

Hình 3.26 ­ Phân bố ưng suất theo phương đứng y 68

Hình 3.27 ­ Phân bố biến dạng theo phương ngang x 68

Hình 3.28 ­ Phân bố biến dạng theo phương đứng y 68

Hình 3.29 ­ Độ lún của đất dưới đáy móng theo chiều sâu 69

Hình 3.30 ­ Phân bố ứng suất nến trong đất dưới đáy móng 69

Hình 3.31 – Lưới phần tử hữu hạn với các điều kiện biên 71

Hình 3.32 ­ Phân bố vùng dẻo P (a) và vùng chuyển vị thẳng đứng Dy (b) của đất nền dưới móng cọc 72

Hình 3.33 ­ Phân bố vùng chuyển vị ngang Dx(a) và ứng suất phương ngangx (b) của đất nền dưới móng cọc 72

Hình 3.34 ­ Phân bố vùng biến dang đứngy (a) và ứng suất cắt xy (b) của đất nền dưới móng cọc 73

Hình 3.35 ­ Phân bố độ lún dưới đáy móng tính từ tim cọc 73

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

Tính toán nền móng các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói riêngở Việt nam chủ yếu dựa trên các công thức gần đúng đưa ra trong các tiêu chuẩn thiết kế Các công thức này có được dựa trên các thí nghiệm hoặc tính toán số có tính tổng quát cho nhiều dạng địa chất khác nhau Chính

vì thế kết quả thu được thường thiên về an toàn với các hệ số tải trọng và sức kháng khá lớn Kết quả đo đạc thực tế thường cho kết quả lớn hơn so với số liệu tính toán, tuy nhiên công trình vẫn có thể xảy ra sự cố do mô hình tính toán không sát với điều kiện thực tế về ứng xử của địa chất dưới nền móng công trình

Hiện nay việc ứng dụng các phương pháp số trong tính toán nền móng công trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói riêng đã được đề cập tương đối nhiều Các phần mềm như Plaxis, Geoslope… đã được ứng dụng trong một số tính toán của một số dự án, tuy nhiên chủ yếu mang tính chất tham chiếu cho các tính toán theo quy trình thiết kế Điều này có nguyên nhân từ việc chủ đầu tư không thể kiểm soát được các nội dung tính toán bằng các phần mềm chuyên dụng này một khi các thuật toán, mô hình tính toán phi tuyến của đất đá không được phân tích và đánh giá về ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng Vì thế, chủ đầu tư không hoàn toàn tin tưởng vào kết quả tính toán số, mặc dù có thể cho kết quả tính toán chính xác hơn

Yêu cầu cần có một nghiên cứu phân tích một số mô hình điển hình tính toán phi tuyếnthường dùng về ứng xử cơ học của đất đá là cần thiết nhằm góp phần làm rõ đặc điểm và phương pháp xây dựng mô hình tính toán cũng như khả năng ứng dụng trong các trường hợp tính toán cụ thể.Đây cũng sẽ là cơ sở tham khảo quan trọng cho việc thực hiện các tính toán số về ứng xử của nền móng các công trình cầu bằng các phần mềm chuyên dụng về địa kỹ thuật

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Phân tích tổng quan các dạng nền móng công trình cầu hiện nay ở Việt nam

 Phân tích một số mô hình phi tuyến về ứng xử cơ học của đất đá Đặc điểm của mô hình, phạm vi áp dụng, đặc biệt với điều kiện Việt Nam

 Thực hiện các tính toán ví dụ với một số trường hợp điển hình về ứng xử của nền móng công trình cầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Các mô hình phi tuyến điển hình về ứng xử cơ học của đất đá

 Một số dạng nền móng công trình cầu thường dùng

4 Phương pháp nghiên cứu

 Phân tích thống kê trên cơ sở các tài liệu tham khảo

 Thực hiện các tính toán ứng dụng

5 Các kết quả dự kiến

+ Báo cáo phân tích các mô hình phi tuyến về ứng xử cơ học của đất đá + Các tính toán ứng dụng về ứng xử nền móng công trình cầu cho một số trường hợp điển hình

+ Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO KẾT CẤU NỀN MÓNG

CÔNG TRÌNH CẦU 1.1 MÓNG ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN ĐẤT YẾU

Đất yếu là những đất có khả năng chịu tải kém, tính nén lún lớn, bão hoà nước, có hệ số rỗng lớn, có môđun biến dạng nhỏ, sức chống cắt nhỏ…Theo Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu 22TCN­262­2000 thì theo nguyên nhân hình thành đất yếu có thể có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ

Đất yếu có thể phân loại như sau:

 Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét ở trạng thái bão hòa nước, chảy hoặc dẻo chảy, có cường độ thấp

 Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn (<200μm) ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực

 Than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 – 80%)

 Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy

 Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc diểm độ rỗng lớn, dung trọng khô

bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập

Khi xây dựng nền đường đắp cao sau mố trên đất yếu, cần thiết phải sử dụng các giải pháp gia cố nền đất để đảm bảo ổn định Hiện nay có nhiều giải pháp xử lý đất yếu như:

 Giải pháp thay đất

 Giải pháp sử dụng bệ phản áp

 Giải pháp gia tải trước hay còn gọi là gia tải tạm thời

 Giải pháp dùng vải, lưới địa kỹ thuật

 Giải pháp giảm nhẹ trọng lượng nền đắp

 Giải pháp dùng tầng đệm cát

 Giải pháp thoát nước theo phương thẳng đứng

 Giải pháp hút chân không

 Giải pháp cọc cát, cột balát (cột đá dăm)

 Giải pháp sử dụng cột đất xi măng hoặc đất vôi

 Công nghệ sử dụng nguyên lí điện thấm để tăng nhanh độ cố kết của đất

 Giải pháp sử dụng sàn giảm tải trên nền cọc đóng

 Giải pháp sử dụng cọc đóng kết hợp với vải địa kỹ thuật

Một trong các giải pháp hay được sử dụng hiện nay là sử dụng hệ cọc xi măng đất, hay còn gọi là phương pháp trộn sâu Nguyên lí của công nghệ này là dùng các trang thiết bị trộn sâu chuyên dụng ( hay phương pháp trộn dưới sâu Deep mixing method – DMM ) để trộn đất yếu tại chỗ với xi măng hoặc vôi và tạo ra các cột đất gia cố xi măng hoặc vôi mềm hoặc nửa cứng ( là các cột đất gia cố có sức chống cắt dưới 150kPa – theo phân loại cột của Thuỵ Điển ) Các cột này vừa thay thế một phần đất yếu lại vừa chèn vào trong đất yếu tạo ra các hạn chế nở hông theo phương ngang đối với đất yếu , tạo ra lực ma sát giữa cột với đất yếu và từ đó tạo ra được sự cùng làm việc ở một mức độ nhất định giữa cột với đất yếu khi chịu tải trọng đắp phía trên , tức là tạo ra được một móng làm việc theo nguyên lí “ nền móng phức hợp “ (Composite Foundation ) dẫn đến tăng sức chịu tải và giảm độ lún của đất yếu

Tùy theo mục đích sử dụng có thể bố trí cọc theo các sơ đồ khác nhau Hai dạng bố trí cọc đất xi măng điển hình nhất khi gia cố nền đất trong xây dựng nền đường trên đất yếu là dạng bố trí tam giác và dạng bố trí vuông góc (Hình 1.1).Riêng ở Việt nam, thì sơ đồ vuông góc được sử dụng trong hầu hết các trường hợp xây dựng đường trên nền đất yếu

Mặt cắt ngang nền đường có gia cố bằng cọc xi măng ­ đất được biểu diễn như hình 2.2 Hệ cọc xi măng đất có thể được bố trí theo sơ đồ cọc

ma sát hoặc cọc chống tùy theo đặc điểm địa chất của các lớp đất tốt phía dưới tầng đất yếu Nếu đất nền tốt thì sử dụng cọc chống, nếu không thì dùng cọc ma sát

Toàn tải trọng bên trên cầu được bệ móng truyền trực tiếp xuống nền.Bỏ qua sự làm việc của đất hai bên bệ móng

Do móng có chiều sâu chôn nhỏ, ở các lớp đất phía trên có sức chịu tải không lớn nên sức chịu tải nền đất là không cao và do đó móng nông chỉ thích hợp với công trình nhỏ.Trong trường hợp mực nước mặt nằm sâu thì phương án thi công tương đối phức tạp do phải tăng chiều dài cọc ván và các công trình phụ trợ khi thi công.Móng nông rất kém ổn định với tải trọng ngang và mô men, do chúng dễ làm móng bị trượt và lật quanh mép móng

Hình 1.3 - Trụ cầu trên móng nông

Có thể phân loại móng nông theo các tiêu chí khác nhau như sau:

 Theo vật liệu làm móng có thể phân móng nông thành các loại như sau:

 Đá xây: giống như móng gạch xây móng đá xây phải được thi công từ

dưới lên trên và khả năng tạo hình của đá xây là kém nên cũng làm kéo dài thời gian thi công, giảm hiệu quả kinh tế Móng đá xây ít được sử dụng trong công trình cầu đường có yêu cầu về thời gian ngắn và chất lượng công trình cao

 Bê tông: khả năng tạo hình tốt thời gian thi công nhanh Khả năng chịu

nén tốt nhưng khả năng chịu kéo rất kém

300 300 200

+1.50

0.00(C§M§)

SÐt pha -2.00

-4.00

SÐt pha -6.00 +1.50(C§§B)

(C§§B)

(MNTN)

 Bê tông cốt thép: móng bằng bê tông cốt thép có ưu điểm của móng bê

tông đồng thời có khả năng chịu kéo tốt

 Theo kích thước móng có thể phân loại các loại móng nông như sau:

 Móng đơn: là móng có kích thước chiều dài, chiều rộng, chiều cao đều nhỏ

 Móng băng: là móng có chiều dài lớn hơn rất nhiều so với chiều rộng

 Móng bè: là móng có chiều dài và chiều rộng lớn hơn rất nhiều so với chiều dày

 Theo vị trí tác dụng của tải trọng

 Móng có tải trọng tác dụng đúng tâm: điểm đặt của tải trọng nằm ở trọng

tâm của móng

 Móng có tải trọng tác dụng lệch tâm: điểm đặt của tải trọng nằm lệch khỏi

trọng tâm móng, điểm đặt tải trọng càng xa trọng tâm thì lệch tâm càng lớn

 Móng có tải trọng ngang lớn thường xuyên: ví dụ mố cầu có chiều cao lớn

thì áp lực đất phía sau móng sinh ra áp lực ngang lớn

 Theo phương pháp thi công:

 Phương pháp thi công tại chổ: có ưu điểm là tận dụng được nhân công, tạo

ra khối bê tông móng có tính liên tục, dễ dàng khắc phục những sai số trong

thi công và không đòi hỏi kỹ thuật thi công cao Nhưng có nhược điểm là thời gian thi công lâu nên ảnh hưởng của điều kiện thi công, chất lượng bê tông không tốt bằng lắp ghép vì bảo dưỡng ở công trường không tốt bằng tại xưởng, cần nhiều thiết bị thi công và tăng chi phí quản lý thi công

 Phương pháp thi công lắp ghép: có ưu điểm thời gian thi công nhanh và việc đúc bê tông không cần yêu cầu về trình tự cho nên rút ngắn được thời gianthi công cho công trình, chất lượng bê tông được đảm bảo vì được bảo dưỡng trong nhà xưởng, giảm được vật liệu và thiết bị tại công trường Nhưng nhược điểm là chất lượng mối nối thi công và các mặt cắt tại mối nối là nơi xung yếu, yêu cầu khi đúc sẵn phải chính xác mới lắp ráp được

và khối bê tông móng là kém đồng nhất

Nhược điểm của móng cọc đường kính nhỏ làkhông thể kéo dài cọc theo ý muốn của người thiết kế do cọc đường kính nhỏ bị hạn chế về độ mảnh (thường lấy tỷ số lc/d = 30~70, đặc biệt tỷ số này có thể lên đến 100).Để đảm bảo các cọc có thể hạ đến chiều sâu thiết kế và không xảy ra hiệu ứng nhóm cọc, thì khoảng cách tối thiểu các tim cọc > 3d (d: là đường kính cọc) do đó

kích thước bệ thường phải mở rộng dẫn đến tốn vật liệu nếu tải trọng công trình bên trên mà lớn thì dẫn đến số lượng cọc rất lớn thì càng phải mở rộng

bệ cọc nhiều.Đối với cọc bê tông đường kính nhỏ thì cốt thép bố trí trong cọc chủ yếu phục vụ quá trình vận chuyển, cẩu cọc và nhất là quá trình đóng cọc

vì lực xung kích rất lớn khi đóng, vì vậy không tận dụng hết được vật liệu trong quá trình khai thác dẫn đến lãng phí vật liệu.Khả năng chịu lực ngang kém do đó những công trình có lực đẩy ngang lớn tác dụng thì sử dụng cọc đường kính nhỏ là không hiệu quả do cọc hay bị gãy hay biến dạng khi chịu tác dụng của lực ngang.Trong quá trình thi công cọc thì riêng thời gian đúc cọc, cẩu, vận chuyển, hàn mối nối đốt cọc đã chiếm 60~80 thời gian thi công móng do đó thường kéo dài thời gian thi công công trình Do đó khi thi công thường làm tăng chi phí quản lý, nhân công, máy móc, kho bãi và đồng thời chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết ảnh hưởng đến thời gian thi công chung của toàn bộ công trình

Móng cọc đường kính nhỏ được phân loại như sau:

 Phân loại theo vật liệu

 Cọc tre, cọc gỗ:Sử dụng trong các công trình chịu tải trọng nhỏ công trình tạm thời, xử lý tầng đất yếu khi chiều dày tầng đất yếu nhỏ.Được chế tạo

từ tre gỗ đảm bảo điều kiện thẳng, cao độ đầu cọc phải thấp hơn cao độ MNTN để kéo dài tuổi thọ cọc

 Cọc thép:Cọc thép được sử dụng trong các công trình thi công công trình tạm, được chế tạo trong xưởng thép hình I,O.Có khả năng chịu được kéo nén tốt nhưng giá thành đắt

 Cọc bê tông cốt thép: Đây là loại cọc được sử dụng phổ biến nhất, được chế tạo tại xưởng mặt cắt ngang hình vuông, tròn

 Phân loại theo phương pháp thi công:

 Cọc hạ bằng búa: Giá thành rẻ do chi phí thấp, có nhiều loại búa thi công nên đáp ứng được nhiều loại cọc, gây tiếng ồn gây chấn động dễ ảnh hưởng đến công trình xung quanh, thời gian thi công kéo dài Chỉ hạ được cọc có đường kính nhỏ dễ làm hư hại đến đầu cọc và gây gãy cọc do lực xung kích lớn khi đóng

 Cọc hạ bằng phương pháp ép tĩnh:Không gây chấn động vì vậy phù hợp với thi công móng để sữa chữa các công trình, hay thi công móng với các công trình đang sử dụng mà nếu cọc dễ gây nguy hại.Có thể hạ cọc có đường kính lớn qua nhiều tầng địa chất khác nhau nhưng thiết bị thi công phức tạp

và thời gian thi công lâu, khi thi công dễ gây ra sự cố nghiêng lệch và khó

hạ cọc qua các tầng địa chất phức tạp có nhiều chướng ngại vật

 Cọc đổ tại chổ (cọc khoan nhồi): Đáp ứng được nhiều loại địa hình địa chất khác nhau do nhiều công nghệ khoan, có thể khoan với chiều sâu lớn đáp ứng được đường kính cọc lớn vì vậy giảm được số lượng cọc trong móng Thời gian thi công nhanh nên đáp ứng được tiến độ công trình và không gây tiếng ồn hay chấn động trong thi công.Nhược điểm dễ bị sập vách khi khoan không có ống vách và có thể làm dịch chuyển cả vùng đất xung quanh gây nguy hại cho các công trình xung quanh, chất lượng bê tông cọc không đảm bảo do trong quá trình đổ bê tông có nhiều rủi ro

Hình 1.4 -Bố trí chung móng cọc

 Phân loại theo điều kiện làm việc của cọc

 Cọc ma sát: là cọc mà khả năng chịu lực của cọc là do thành phần ma sát hoặc cả thành phần ma sát giữa thân cọc với đất nền và phản lực mũi cọc tạo nên

 Cọc chống: khi mũi cọc tựa vào tầng cứng thì chuyển vị của cọc là rất nhỏ

và sức chịu tải của cọc do thành phần sức chống mũi cọc tạo nên

 Phân loại theo đường kính cọc

P

9

P P P 12 P 13 P 14

4 3

1000 2000

3@1200 500

200 +3.50(C§§B)

 Cọc đường kính lớn: 0.9m < d  2.5m

 Giếng vỏ móng: 2m < d < 5m

 Móng giếng chìm: d > 5m

 Phân loại cao độ đài cọc

 Móng cọc bệ thấp: là móng cọc có bệ cọc được chôn vào trong đất với chiều sâu chôn móng đủ lớn (h≥ hmin) khi đó áp lực bị động của đất tác dụng lên thành bệ phía đối diện cân bằng với lực ngang

 Móng cọc bệ cao:Là móng mà bệ cọc không được chôn vào trong đất hoặc chiều sâu chôn móng không thỏ mãn điều kiện Ưu điểm móng cọc bệ cao

là rút ngắn được thân trụ do tiết kiệm vật liệu, do nâng cao vị trí của bệ nên thuận tiện cho thi công hơn.Nhược điểm là cọc có chiều dài tự do lớn nên sinh ra chuyển vị ngang lớn, đồng thời cọc chịu mômen do bị uốn sẽ

dễ gẫy cọc

 Phân loại theo độ cứng bệ cọc

 Móng cọc bệ cứng: là móng cọc có độ cứng của bệ rất lớn, biến dạng của

bệ nhỏ hơn rất nhiều so với biến dạng của đầu cọc

 Móng cọc bệ mềm: là móng có độ cứng của bệ là hữu hạn Biến dạng bản

thân của bệ gần bằng biến dạng của đầu cọc, loại bệ này có khả năng chịu

mô men tốt tiết kiệm được vật liệu do kích thước của công trình giảm đi

1.4 MÓNG CỌC CÓ ĐƯỜNG KÍNH LỚN

Cọc đường kính lớn thường có đường kính 800 ~ 2500 mm (và có thể lớn hơn).Hiện nay các cầu lớn các nhà cao tầng đều sử dụng móng cọc là cọc đường kính lớn dưới dạng cọc khoan nhồi

 Ưu điểm của cọc đường kính lớn thể hiện ở các điểm sau:

 Đối với các nền móng sử dụng cọc vuông (đường kính nhỏ) khi tải trọng tăng chỉ có thể tăng số cọc mà không có khả năng tăng kích thước và chiều dài cọc vì những hạn chế của thiết bị đóng cọc Khi đó phải mở rộng

bệ cọc gây lãng phí lớn về kinh tế nếu thay bằng cọc đường kính lớn có thể hạ đến độ sâu lớn hơn nhiều so với cọc đường kính nhỏ, và do đó có thể đặt mũi cọc ở các tầng đất tốt hoặc tầng đá gốc nằm ở dưới sâu

 Sức chịu tải của cọc đường kính lớn thường lớn hơn rất nhiều so với cọc đường kính nhỏ, vì vậy số lượng cọc trong móng giảm đi đáng kể, có nghĩa là kích thước bệ cọc cũng có thể giảm đi và công tác thi công sẽ rút ngắn lại làm giảm thời gian thi công công trình, do đó giảm được chi phí quản lý chung, về nhân công và chi phí kho bãi

 Cọc đường kính lớn có độ cứng tương đối lớn, nên độ cứng của hệ bệ cọc cũng có độ cứng tốt hơn so với hệ bệ cọc của cọc đường kính nhỏ, do đó móng cọc đường kính lớn có khả năng chịu mô men và lực ngang tốt hơn

 Hiện nay có nhiều công nghệ hiện đại trong thi công cọc đường kính lớn,

do đó càng mở ra nhiều triển vọng phát triển móng cọc đường kính lớn

 Nhược điểm của móng cọc đường kính lớn:

 Móng cọc đường kính lớn chỉ kinh tế khi số lượng cọc trong móng nhiều, còn nếu số lượng cọc ít thì móng cọc đường kính lớn thường không có tính kinh tế

 Phải đầu tư máy móc thiết bị hiện đại, do đó giá đầu tư máy móc thiết bị ban đầu thường cao, nên có thể làm cho nhà thầu khó khăn về tài chính

 Do số lượng cọc ít và sức chịu tải của một cọc lớn, vì vậy khi thi công nếu xảy ra vấn đề hỏng hay cọc có vấn đề về chất lượng thì sẽ rất khó khăn để

xử lý móng Do đó trong khi thi công đòi hỏi máy móc phải chuyên dụng

và ở tình trạng phục vụ tốt, trình độ nhân viên kỹ thuật phải nắm vững và

có chuyên môn giỏi, do đó cũng làm cho nhà thầu gặp khó khăn trong vấn

đề nhân lực

 Cọc ống đường kính lớn

Cọc ống bê tông cốt thép đường kính lớn đã sử dụng cho các công trình xây dựng cầu ở Việt Nam có các loại đường kính từ 800mm đến 1600mm Nhưng hay sử dụng nhất là loại có đường kính 1000mm Cộc ống bê tông cốt thép đường kính lớn đã được chế tạo đúc nằm với đường kính từ 3m cho cầu Việt Trì – Vĩnh Phú nhưng không được sử dụng Đường kính cọc còn phụ thuộc vào khả năng rung hạ của các thiết bị hiện có (≤ 1.6m) Năm 1964, cọc

bê tông cốt thép Ø1550 được áp dụng ở cầu Hàm Rồng Loại đường kính thường được áp dụng trong thời gian qua là 1000mm, ví dụ như cầu Đò Quan, Phú Lương, Quang Trung, Cần Thơ…Việc đúc cọc ống Ø1600 mm có thể sử dụng phương pháp ly tâm hoặc phương pháp đúc tại bãi đúc nằm tại công trường Việc hạ cọc ống bê tông cốt thép thường được thực hiện bằng búa chấn động kết hợp xoi hút lấy đất trong lòng cọc Khi hạ cọc đến cao độ thiết

kế thường lấp lòng cọc bằng bê tông đổ theo phương pháp ống dịch chuyển thằng đứng

Ưu điểm của cọc ống đường kính lớn thể hiện ở các điểm sau:

 So với cọc khoan nhồi, cọc ống có ưu điểm hơn là việc thi công cọc không phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện thời tiết cũng như điều kiện địa chất thủy văn

 Cọc ống bê tông cốt thép đường kính lớn có thể rung hạ qua nhiều tầng đất mềm yếu, hạ cọc qua tầng cát chảy hoặc hạ cọc nơi có mực nước ngầm cao Đối với trường hợp này thì thi công bằng cọc khoan nhồi phải sử

dụng phương pháp khoan vách xoay hoặc các phương pháp khác có ống chống để lại không rút lên sau khi thi công, gây ra tốn kém lớn

 Việc chế tạo cọc ống thường được phân xưởng hóa và dễ dàng kiểm tra chất lượng trước khi rung hạ khi rung hạ đến cao độ thiết kế có thể yên tâm về chất lượng

 Cọc ống sau khi hạ xuống đến chiều sâu thiết kế có thể đổ bê tông lấp lòng hoặc không, vì thế cọc ống bê tông cốt thép đường kính lớn so với các cọc khác thì cọc ống là loại tiết kiệm vật liệu nhất

+ Nhược điểm:

­ Việc hạ ống thường là phức tạp và tốn nhiều thời gianthi công so với cọc khoan nhồi Đặc biệt khi hạ cọc qua các tầng địa chất phức tạp có lẫn đá tảng hoặc vật liệu phế thải do công tác lấy các chướng ngại vật gặp nhiều khó khăn

­ Hạ cọc bằng búa chấn động nên tạo ra rung chấn ảnh hưởng vùng xung quanh nên thi công ở những công trình mà gần các công trình khác đang bị biến dạng sẽ gây nguy hiểm

không cho phép gây tiếng ồn lớn.Móng công trình đặt trên bãi thải, có các loại vật liệu khác nhau không sử dụng được các giải pháp nền móng khác về mặt

kỹ thuật.Vì điều kiện đất nền hoặc tải trọng mà kích thước cọc vượt quá kích thước cọc đóng.Thi công được trong điều kiện thi công hạn chế như trong nhà xưởng hoặc ngầm cầu

Nhược điểm của cọc khoan nhồ là đòi hỏi dây chuyền máy móc thi công đồng bộ, giá trị đầu tư cao Khi thi công qua vũng có hang động Karst, nơi đá bị nứt nẻ lớn hoặc nền đất yếu phải sử dụng ống chống để lại không rút lên, sau đó đổ bê tông nên giá thành cao Khó kiểm tra chất lượng lỗ cọc và thân cọc sau khi đổ bê tông cũng như việc tiếp xúc giữa mũi cọc và hố móng nếu không đưa ra chương trình quản lý chất lượng tốt và thiết bị kiểm tra không đạt độ chính xác yêu cầu Lượng đất và bùn thải lớn gây ảnh hưởng đến mặt bằng khu vực thi công, gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt khi thi công trong thành phố.Phải đặc biệt quan tâm đến điều kiện địa chất khu vực thi công, nếu không có biện pháp chống vách hợp lý có thể gây ra lún sập làm biến dạng cả vùng đất xung quanh, rất nguy hiểm cho công trình liền kề Đòi hỏi đội ngũ cán bộ thi công phải có trình độ cao về chuyên ngành kỹ thuật Thông số cơ bản của cọc khoan nhồi như sau:

 Cốt thép dọc: thường có đường kính từ 12~25mm (CT5), số thanh

do tính toán quyết định Cốt thép dọc được bố trí trên suốt chiều dài

của cọc nhưng có thể thay đổi số lượng thanh thép Cốt thép dọc nếu

có số lượng ít thì trên mặt cắt ngang được bố trí một lớp đặt giữa phần chiều dày bê tông thành cọc Còn nếu số lượng nhiều thì được

bố trí thành hai lớp về hai mép của bê tông thành cọc

 Cốt thép đai: dùng cốt đai xoắn có đường kính từ 6~10 mm Bước cốt đai từ 50~200 mm, ở đầu đốt cọc bước cốt đai dày hơn từ 50, 75

mm còn ở giữa đốt cọc bước cốt đai từ 100~200 mm

 Cấu tạo bệ cọc đường kính lớn

Cao độ: cao độ mặt trên tùy thuộc vào yêu cầu và mức độ của công trình mà cao độ đỉnh bệ có thể thấp hơn MNTN hay có thể cao hơn Cao độ mặt dưới tùy thuộc vào cao độ mặt trên, điều kiện địa chất – thủy văn khu vực công trình.Sơ đồ bố trí cọc và kích thước bệ cọc như hình sau:

Hình 1.5 - Bố trí cọc trong mong theo JRA

cùng đến mép móng không nhỏ hơn 1.25d đối với cọc ống còn đối với cọc khoan nhồi là 1d Khi khoảng cách tối thiểu giữa các cọc mà nhỏ hơn 2.5d thì

sẽ tác động đến khả năng chịu tải của nhóm cọc, lúc này cần phải giả thiết là sức chịu tải dọc trục của nhóm cọc và hệ số phản lực của nền theo phương ngang là nhỏ hơn của một cọc đơn, còn nếu khoảng cách này lớn hơn 2.5d thì

hiệu ứng nhóm cọc là nhỏ hơn Đối với cọc ống lấp lòng bằng đổ bê tông và

cọc khoan nhồi thì nên lấy khoảng cách tối thiểu giữa tim hai hàng cọc > 2.5d Nếu do điều kiện khắc nghiệt khi thi công ở hiện trường mà phải bố trí khoảng cách nhỏ hơn 2.5d thì cần thiết phải xem lại hiệu ứng của nhóm cọc

Do số lượng cọc đường kính lớn trong móng thường rất ít nên để tăng

độ cứng cho hệ thường tăng khoảng cách tim giữa các cọc sẽ có lợi hơn, đồng thời giảm hiệu ứng nhóm cọc với cọc đường kính lớn thì thường bố trí đối xứng trên mặt bằng móng, còn trên mặt đứng do thi công nghiêng là rất khó nên cọc được bố trí thẳng đứng

Chều dày bệ cọc thường từ 3~5 m và cũng phải đảm bảo các yêu cầu:

- Đủ chiều dày liên kết cọc vào bệ ít nhất > d hay > 1.2 m

- Đủ chịu được mô men uốn

- Chống chọc thủng bệ cọc

1.5 MÓNG GIẾNG CHÌM

Móng giếng chìm là loại móng mà cách hạ của nó giống như hạ giếng nước trong dân gian, đó là kết cấu giếng được đúc thành từng đốt cao từ 4~6m, sau đó đất bên trong lòng giếng được đào đi, giếng được đánh chìm dần xuống vì trọng lượng bản thân của nó lớn hơn ma sát giữa đất và mặt ngoài của giếng Đôt này hạ xong lại tiếp tục đốt tiếp theo ở phía trên rồi lặp lại việc đào đất và đánh chìm Móng giếng chìm đã từng được thiết kế và thi công thành công ở một số cầu như một số trụ cầu Thăng Long, cầu Hàm Rồng, cầu

Chương Dương và cầu Bãi Cháy Nói chung về lý thuyết thì móng giếng chìm

có thể hạ tới chiều sâu bất kỳ Tuy nhiên trong quá trình hạ có nhiều điều kiện phức tạp về địa chất và kỹ thuật nên hạn chế về chiều sâu hạ giếng

Với những điều kiện địa chất ẩm ướt, có nước ngầm thì để thi công hạ giếng người ta sử dụng kết cấu móng giếng chìm hơi ép như cầu Thăng Long, cầu Bãi Cháy.Móng giếng chìm hơi ép có nguyên lý tạo một buồng kín ở phía dưới chân giếng trong quá trình hạ.Buồng kín và tạo điều kiện khô ráo để đào đất bên trong lòng giếng.Tuy nhiên, do áp suất cao nên người công nhân làm việc ở trong buồng kín rất dễ mắc các bệnh nghề nghiêp

Đặc điểm của móng giếng chìm: Giếng chìm là một kết cấu rỗng bên trong Vỏ ngoài có nhiệm vụ chủ yếu là chống đỡ áp lực đất trong quá trình

hạ và tạo ra trọng lượng để thắng ma sát của đất xung quanh

Sau khi hạ giếng đến chiều sâu thiết kế người ta có thể lấp lòng giếng một phần hay toàn bộ bằng bê tông hay có thể để rỗng Như vậy, nếu được lấp lòng thì vỏ giếng và ruột giếng đã thành một móng khối được đặt sâu trong đất và do vậy giếng chìm có khả năng mang tải rất lớn, đặc biệt là khi móng chịu mo men và tải trọng ngang lớn

Ưu điểm của móng giếng chìm là rất phù hợp khi thi công công trình bên trên có tải trọng tương đối lớn và rất lớn, điều kiện địa chất khó khăn cho việc thi công cọc ống hay cọc khoan nhồi, lớp đất tốt lại nằm sâu Khi thi công không cần yêu cầu thiết bị phức tạp, thường kết hợp với lao động thủ công trong quá trình hạ

Nhược điểm như đã nói ở trên do một số điều kiện địa chất cũng như kỹ thuật đã nói ở trên nên thực tế, giếng chìm có nhiều hạn chế (giếng chìm sâu nhất hiện nay khoảng 72m) và thường là giải pháp sau cùng khi chọn lựa loại

móng.Nhược điểm lớn nhất của móng giếng chìm còn ở chổ khối lượng thi công lớn, thời gian thi công lâu dễ bị chi phối do điều kiện thời tiết, địa chất Giếng chìm thường làm bằng vật liệu bê tông cốt thép là phổ biến nhất Thi công có thể lắp ghép hay đổ bê tông tại chỗ Xem xét cấu tạo móng giếng chìm chủ yếu những mặt sau: Trên hình 1.6 là một số dạng mặt bằng móng giếng chìm thường gặp

Hình 1.6 - Các dạng mặt cắt ngang móng giếng chìm

Chiều dày thành giếng:

 Tường ngoài và tường đầu : là các kết cấu tạo nên vỏ giếng có chức năng chống lại áp lực đất và tạo trọng lượng để thắng lực ma sát của đất xung quanh giếng trong quá trình hạ Chiều dày tường giếng phải lớn hơn 40 cm

và ≥ (1/50) chiều sâu hạ giếng, thường từ 0.6 ~ 1,5 m hay có thể lớn hơn ( 2~ 2.5 m với giếng chìm hơi ép), độ dày này phụ thuộc vào các yếu tố trên

 Vách ngăn: khi giếng có kích thước lớn thì tường ngoài chịu áp lực ngang của đất cũng rất lớn do khẩu độ tường lúc này là dài Để giảm bớt nội lực

cho thành giếng, giảm khẩu độ tính toán do tường ngoài thường làm thêm các vách ngăn Chiều sâu dày vách ngăn từ 0,4~ 0,8 ( 1,2~1,6 m với giếng chìm hơi ép)

Chân vách ngăn thường làm cao hơn tường ngoài ít nhất 0,5 m để tránh vách ngăn chạm đất trong quá trình hạ làm giếng chịu lực theo sơ đồ bất lợi Trên vách ngăn có các ô để công nhân các ô lấy đất khi thi công

Ô lấy đất: là các không gian để máy móc và nhân công hoạt động Kích thước ô lấy đất không nên làm nhỏ quá cản trở thao tác của máy móc thiết bị, nhưng cũng không nên để lớn quá làm tăng khẩu độ tính toán của tường ngoài, thường từ 2~3m và không vượt quá 5m

Hình dạng mặt đứng thường do điều kiện lực ma sát thành bên quyết định và có thể có các dạng sau:

Hình 1.7 - Một số dạng mặt đứng móng giếng chìm

Giếng có thành thằng đứng: thường chiều sâu hạ không lớn (5~10m) do không giảm được lực ma sát Tuy nhiên công tác ván khuôn dễ dàng hơn các loại thành khác do không có phần thay đổi trên suốt chiều sâu hạ giếng Hơn thế nữa, trong giai đoạn khai thác, do đất xung quanh dữ chặt nên giếng có

chuyển vị ngang nhỏ

Giếng có thành hình bậc hay nghiêng: mục đích để làm giảm ma sát của đất xung quanh Nếu là loại thành nghiêng không nên quá 1/100 vì nếu nghiêng quá giếng sẽ mất ổn định Nếu là loại thành bậc thì đốt cuối cùng (dưới chân giếng cao từ 3~4m) cũng nên thằng để tạo dẫn hướng cho giếng được thẳng tim trong quá trình hạ

Tuy nhiên với loại này do đất xung quanh không giữ chặt giếng như thành đứng nên có khả năng giếng có chuyển vị ngang đáng kể, cần phải xem xét

Chân giếng: là bộ phận chân tường ngoài có độ vát nghiêng, có chiều cao

là hc và thường có hình dạng như trên hình 1.8

+ Độ nghiêng của mặt trong chân giếng (góc α = 30~450)

+ Mặt tựa chân giếng lên đất gọi là bàn chân giếng, là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với nền đất phía dưới Tùy thuộc vào độ chặt của đất mà có chiều rộng

từ 0,1~0,3m, đôi khi với giếng hạ sâu thì chân giếng được vát nhọn Phía bàn chân giếng được bọc bằng thép góc, thép U, Hoặc thép hình để tăng độ cứng cho chân giếng

Hình 1.8 - Một số dạng cấu tạo chân giếng chìm

Bên trên chân giếng một đoạn có những rãnh lõm sâu vào tường giếng

và tường trong, để sau này đổ bê tông bản đáy cho dính bám tốt (liên kết tốt giữa tường ngoài và vách ngăn) Các rãnh này có chiều cao từ 0,8~1m, sâu vào trong 0,25~ 0,35m

Khi tường giếng dày > 1m, hoặc đất đào là dạng mềm xốp thì có thể làm chân giếng nghiêng dạng gãy khúc để giảm chiều cao chân giếng, tránh cho chân giếng có chiều cao lớn sẽ bị giảm yếu về chịu lực

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 đã trình bày được tổng quan một số dạng nền móng của các hạng mục xây dựng trong một công trình cầu bao gồm phần đường đầu cầu, móng mố trụ Với các dạng móng khác nhau thích hợp với điều kiện địa chất, công nghệ thi công và giá thành cũng vì thế khác nhau

Chương 1 này sẽ là cơ sở để áp dụng một số mô hình tính toán phi tuyến về ứng xử cơ học của đất trong tính toán ổn định móng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

CHƯƠNG II MỘT SỐ MÔ HÌNH PHI TUYẾN VỀ ỨNG XỬ CƠ HỌC

CỦA ĐẤT, ĐÁ 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Đất tự nhiên được cấu tạo từ 3 pha rắn, lỏng và khí Tỷ lệ và sự tương tác giữa các pha này quyết định tính chất của đất Dưới tác dụng của tải trọng, đất

sẽ bị biến dạng Trong giới hạn gọi là đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là quan hệ tuyến tính và tuân theo định luật Hooke Qua khỏi giới hạn đàn hồi, khi cấu trúc đất bị phá vỡ, cần thiết phải sử dụng các quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng để mô tả ứng xử của đất

Ứng xử cơ học của đất có thể được mô hình hóa để tính toán với các mô hình cơ học về ứng xử của đất, đá Độ chính xác của các kết quả tính toán phụ thuộc vào việc lựa chọn bài toán mô phỏng và mô hình vật liệu phù hợp hay không.Một khi dạng bài toán và sơ đồ tính toán đã được xác định thì việc sử dụng một mô hình vật liệu phù hợp với các dạng địa chất có ứng xử khác nhau là cần thiết để đảm bảo có kết quả tính toán phù hợp với ứng xử thực tế nhất của kết cấu công trình

Định luật Hooke là trường hợp đơn giản nhấtđối với các tính toán với giả thiết vật liệu ứng xử đàn hồi tuyến tính, đẳng hướng, đó như là các quan

hệ ứng suất – biến dạng đơn giản Nó chỉ liên quan đến 2 tham số đầu vào đó

là mô đun đàn hồi : E và hệ số Poisson  Đối với vật liệu có biến dạng đáng

kể như đất, đá, đặc biệt là đất yếu thì mô hình này dường như quá sơ sài khi không mô tả được đặc điểm ứng xử thật của đất.Tuy nhiên mô hình đàn hồi tuyến tính có thể phù hợp với mô tả ứng xử cơ học của đá cứng hoặc của móng công trình bằng bê tông, bê tông cốt thép

Để mô tả chính xác ứng xử phi tuyến của đất đá, trong một số phần mềm như Plaxis có đưa vào các mô hình dùng cho các điều kiện cụ thể:

 Mô hình cơ bản dùng cho tính toán sơ bộ các loại đất (Mô hình Mohr­Coulomb): Mô hình Mohr – Coulomb thường được dùng cho các phân tích đơn giản và yêu cầu nhanh chóng Mô hình đàn dẻo này cần sử dụng 5 tham số đầu vào đó là: E và  cho đất đàn hồi,  và c cho đất dẻo và cho trường hợp đất có trương nở Mô hình Mohr­coulomb đại diện cho phương pháp tính gần đúng đầu tiên cho ứng xử của đất hoặc đá Mô hình này tương đối dễ dùng và thường áp dụng trong các tính toán sơ bộ

 Mô hình đất cứng hoá (hay mô hình tái bền):là dạng nâng cao hơn mô hình Mohr­Coulomb Mô hình tái bền mô tả chính xác hơn ứng xử của đất bằng việc sử dụng thêm 3 tham số độ củng cốđể xét đến sự cứng hoá của đất sau giới hạn dàn hồi.Trái ngược với mô hình Mohr­Coulomb, mô hình đất cứng hoá cũng giải thích cho sự phụ thuộc của ứng suất vào mô đun độ cứng Điều này có nghĩa rằng độ cứng gia tăng với cấp áp lực

 Mô hình từ biến của đất yếu (mô hình có xét đến yếu tố thời gian):Mô hình

có xét đến ảnh hưởng nhớt như hiện tượng từ biến và chùng ứng suất Trong thực tế, tất cả các loại đất yếu thường có hiện tượng từ biến Có nghĩ là có sự cố kết của đất theo thời gian Các mô hình này có xét đến sự thoát nước trong đất liên quan đến hiện tượng cố kết

Code phần tử hạn tính toán địa kỹ thuật như Lagamine (Đại học Liege) cũng đưa vào rất nhiều các mô hình phi tuyến của đất, đá để mô tả ứng xử của vật liệu này trong các điều kiện tình toán khác nhau Riêng luật dẻo đàn hồi – dẻo tuyệt đối, phần mềm tính toán này cho phép lựa chọn dạng mặt dẻo theo tiêu chí phá hoại Mohr­Coulumb, Drucker – Prager hoặc Van Eu keelen Ngoài ra có rất nhiều mô hình dẻo để tính đến sự làm việc vật liệu biến dạng

mềm khi xét đến tính dẻo nhớt,phá huỷ dòn… có tính đến ảnh hưởng của nước lỗ rỗng, dòng thấm của nước trong đất… Tuy nhiên, các mô hình các phức tạp, thì các tham số đầu vào cần xác định sẽ càng nhiều, làm cho việc ứng dụng trong tính toán nhanh sẽ khó khả thi.Vì thế, trong thực tế, những mô hình đơn giản thường được áp dụng cho các tính toán sơ bộ hoặc tính toán nhanh và tỏ ra hiệu quả hơn các mô hình phức tạp

Trong chương này, một số mô hình phi tuyến điển hình sẽ được trình bày tóm tắt làm cơ sở cho các tính toán ứng dụng trong chương III

2.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MÔ HÌNH VẬT LIỆU

2.2.1 Quan hệ ứng suất- biến dạng theo lý thuyết đàn hồi

Vào thế kỉ 17, Hooke đã đề nghị một công thức nền tảng biểu diễn quan

hệ giữa trạng thái ứng suất và biến dạng trong giai đoạn đàn hồi của một vật thể khi chịu tác động theo 1 phương:  = E trong đó  và  lần lượt là ứng suất và biến dạng, E là mô đun đàn hồi của vật liệu Công thức ấy có tên gọi

là định luật Hooke được biểu diễn theo dạng tenxơ như sau:

kl

ijkl

ij D ε

Tính chất đối xứng của  và  làm giảm số phần tử của tenxơ bậc bốn

Dijkl xuống còn 36 thay vì 81 Như vậy với một vật liệu đàn hồi, đẳng hướng, định luật Hooke trở thành :

Khi vật thể với vật liệu đẳng hướng chịu tác dụng theo 3 phương vuông góc, định luật Hooke có dạng :

yy zz

xy xy

Mô đun Young E’và hệ số đàn hồi k được xác định theo các trạng thái

ứng suất phẳng và biến dạng phẳng như sau:

Khi một vật thể làm việc trong giai đoạn đàn hồi chịu tải trọng, vật thể

sẽ bị chuyển dịch bằng một tỉ lệ tuyến tính với tải trọng tác dụng Hệ quả là một phần công tích lũy trong vật thể dưới dạng thế năng biến dạng Giá trị năng lượng biến dạng này có thể xác định từ công thức sau :

2.2.2 Xây dựng mô hình ứng xử của đất

Một mô hình vật liệu là một tập hợp các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng.Với một mô hình đàn hồi tuyến tính quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được biểu diễn như trong mục 2.2.1.Khi

mô tả ứng xử phi tuyến của vật liệu, quan hệ tuyến tính ứng suất – biến dạng không còn đúng nữa Khi quan hệ này được thay thế bằng quan hệ giữa gia tăng ứng suất và gia tăng biến dạng.Mô hình phi tuyến về ứng xử của vật liệu thường được thể hiện trong một hình thức mà trong đó gia tăng ứng suất vô cùng bé (thường gọi là "tốc độ ứng suất ') có liên quan đến gia tăng biến dạng

vô cùng bé (hoặc' tốc độ biến dạng ')

Riêng với đất, khái

có mặt của nước trong

suất hiệu dụng là một trong những đóng góp quan trọng nhất của

Terzaghi Nó được đo bằng

đất (tập hợp các hạt tương tác v

suất cắt của đất Nó không thể đo đ

hai tham số có thể đo đ

mối quan hệ giữa tốc độ ứng suất có hiệu

quan hệ này có thể được thể hiện d

ới đất, khái niệm ứng suất có hiệu được đưa vào đ

không gian rỗng trong kết cấu của đất.Khái niệm ứng

ột trong những đóng góp quan trọng nhất của

ợc đo bằng phần áp lực truyền lên kết cấu phần kết cấu hạt ương tác với nhau), và xác định khả năng chống lại ứng

ắt của đất Nó không thể đo được một cách trực tiếp, mà b

ố có thể đo được trực tiếp hoặc được ước lượng với một độ tin cậy

σ ' trên một mặt phẳng trong một khối đất bằng hiệu số

) và áp lực nước lỗ rỗng (u):

ên, chúng ta thấy ứng suất hiệu dụng không phải là

ực giữa hạt với hạt, mà là ứng suất trung bình giữa các hạt tr

mô hình phi tuyến về ứng xử của đất đều được

ối quan hệ giữa tốc độ ứng suất có hiệu   ', và tốc độ biến dạng

ợc thể hiện dưới dạng:

5)

ột ma trận độ cứng vật liệu Lưu ý rằng trong loại ph

ếp cận, áp lực lỗ rỗng được loại ra khỏi mối quan hệ ứng suất biến

ình (2.15) ten sơ tốc độ ứng suất tensor và

ợc viết bằng ký hiệu véc tơ, trong đó bao gồm, sáu th

ột trong những đóng góp quan trọng nhất của Karl Von

ết cấu phần kết cấu hạt ịnh khả năng chống lại ứng

à bằng hiệu giữa ợng với một độ tin cậy

ột mặt phẳng trong một khối đất bằng hiệu số

ằng trong loại phương

ợc loại ra khỏi mối quan hệ ứng suất biến

à ten sơ tốc độ

ồm, sáu thành phần

Với các bài toán biến dạng phẳng và bài toán đối xứng trục,chỉ có bốn thành phần là cần thiết, bởi vì yz ,

zx

  , yz và  yzbằng không Thành phần

ứng suất dương tiêu chuẩn được coi là đại diện cho sức kéo, trong khi các thành phần ứng suất âm tiêu chuẩn cho thấy áp lực nén.Tương tự như vậy, các thành phần biến dạng dương tiêu chuẩn đại diện cho sự giãn dài, trong khi thành phần biến dạng âm tiêu chuẩn cho thấy sự nén

Hình 2.1 Biểu diễn ứng suất pháp và ứng suất tiếp

2.2.3 Những khái niệm cơ bản về lý thuyết dẻo

Lý thuyết chảy dẻo là một dạng tổng quát của lý thuyết dẻo cổ điển của Tresca, Saint – Venant , Levy, và Von Mises Các thành phần chính của lý thuyết nàybao gồm cácđiều kiện chảy dẻo, luật chảy dẻo và luật hóa cứng (luật tái bền).Trong phần này chỉ nghiên cứu về trường hợp biến dạng nhỏ Phương trình cơ bản phân tách biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo như sau:

(2.17)

Quan hệ ứng suất – biến dạng cho phần đàn hồi :

Điều kiện dẻo

(2.19) Luật chảy dẻo được viết như sau:

(2.20)

Và luật hóa cứng, bao gồm 2 phần xác định bằng sự thay đổi các biến cứng hoá, hình dạng tổng quát của phương trình tốc độ

(2.21)

Sự phụ thuộc của giá trị thay đổi q xuất hiện trong phương trình (2.19) và

(2.20) với sự thay đổi độ cứng:

(2.22) Theo các công thức ở trên, là ma trận dạng cột của thành phần biến dạng, e và p đại diện cho biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo; σ là ma trận cột của thành phần ứng suất; De là ma trận vuông của mô đun đàn hồi (ma trận độ cứng vật liệu đàn hồi); f là hàm chảy dẻo; g là hàm định hướng của biến dạng dẻo và λ là tốc độ của nhân tử dẻo Dấu chấm trên ký hiệu biểu tượng cho sai phân theo thời gian Thời gian xuất hiện ở đây chỉ đóng vao trò của các tham số hình thức, yếu tố điều khiển quá trình gia tải Phương trình tốc độ (2.20) và (2.21) có thể được thay thế bằng phương trình tương tự với các gia tăng vô cùng nhỏ

Hàm dẻo xác định miền đàn hồi trong không gian ứng suất được giới hạn bởi mặt chảy dẻo Trạng thái với f<0 là đàn hồi; trạng thái ứng với f=0 là dẻo, và trường hợp f>0 là không thể xảy ra Tất nhiên, như giá trị thay đổi q tăng hoặc giảm Các mặt chảy có thể mở rộng, thu hẹp dịch chuyểnhoặc thậm

chí thay đổi hình dạng Chảy dẻo chỉ có thể xảy ra nếu như trạng thái hiện tại

là dẻo, và được biểu diễn bởi điều kiện như sau:

(2.23)

Thật vậy, nếu vật liệu là trạng thái đàn hồi ( f<0 ) thì (2.23) sẽ đồng nghĩa với việc ̇ = 0, và theo(2.20) và (2.21) các biến dẻo và biến củng cố sẽ không thay đổi Nói cách khác, ở trạng thái dẻo chúng ta có f=0 và không hạn chế hệ số của bộ phận dẻo Tuy nhiên hế số này không bao giờ âm, bởi vì

g trong phương trình 2.20 đặt theo hướng đi lên (ví dụ hệ số của biến dạng dẻo trong thí nghiệm kéo đơn trục có thể bằng 0 hoặc dương chứ không thể là giá trị âm) Điều này được mô tả bởi thêm vào một giới hạn nữa, λ > 0 Kết hợp nó với phương trình 2.19 và 2.23 chúng ta đạt được điều kiện gia tải / dỡ tải trong một hình dạng được gọi là Kuhn­Tucker:

(2.24) Trong suốt sự phân bố dẻo, hàm chảy phải còn lại bằng 0, và hệ số của

sự thay đổi này cũng bằng 0 Điều này dẫn đến điều kiện nhất quán :

Phương trình cơ bản đã thể hiện có thể tính toán hệ số của tất cả giá trị thay đổi Nếu trạng thái hiện tại là đàn hồi ( f<0) thì bộ phận dẻo, biến dạng dẻo và sự thay đổi độ cứng vẫn là hằng số, và quá trình phát triển của ứng suất sẽ bị chi phối bởi luật đàn hồi Nếu trạng thái hiện tại là dẻo ( f=0 ) thì sự phân bố dẻo có thể tiếp tục hoặc vật liệu có thể dỡ bỏ tính đàn hồi Trường hợp này sẽ được đặc trưng bởi f=0 và λ > 0 Trong trường hợp cuối cùng Chúng ta có λ = 0 và trạng thái ứng suất tiếp theo phải là đàn hồi, hàm chảy sẽ