Phương pháp số và ứng dụng mô hình nền trong tính toán ảnh hưởng của hố đào sâu đến công trình lân cận

 Phương pháp số sử dụng phần tử hữu hạn trong tính toán sử dụng phần mềm địa kỹ thuật như: ICFEP, Plaxis, Geo5… Với tính cấp thiết và bức xúc trong quá trình thiết kế là tiền đề thúc đẩ

PHẦN MỞ ĐẦU

I Sự cần thiết của đề tài

Nhu cầu đất ở hiện nay rất lớn, đặc biệt trong các thành phố lớn, do đó nên triệt

để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất Tuy nhiên, việc xây dựng hố đào sâu trong đô thị với mật độ xây dựng dày đặc với kết cấu móng đa dạng, hệ thống cấp thoát nước đô thị, hệ đường giao thông và điều kiện địa chất thuỷ văn phức tạp

sẽ gây khó khăn cho quá trình tính toán thiết kế và thi công hố đào

Sự cố công trình hố đào sâu là rất nghiêm trọng, theo tổng kết và phân tích hơn

160 sự cố hố đào ở Trung Quốc (Đường Nghiệp Thanh, 1999) các nguyên nhân chính gây ra sự cố hố đào: nguyên nhân do thiết kế chiếm 46% và do thi công chiếm 41,5% trong đó do thiếu hoặc do không chính xác về các thông tin của nền đất chiếm đa số các trường hợp điều tra nói trên Ở nước ta tuy chưa có tổng kết và phân tích nhưng đều đã sảy ra những sự cố lớn nhỏ do thiết kế và thi công gây lún nứt, thậm chí phá huỷ công trình lân cận

Nhận thấy, nguyên nhân gây ra sự cố hố đào chủ yếu là do yếu tố chủ quan con người đặc biệt nguyên nhân do thiết kế chiếm phần lớn, nhất là hiện nay nước ta chưa có một quy chuẩn và tiêu chuẩn nào nhất thống trong quá trình thiết kế hố đào

Sự bất cập trong khâu khảo sát - thiết kế, phần khảo sát thường do một đơn vị độc lập tiến hành khảo sát để cung cấp những thông tin về điều kiện đất nền - nước ngầm mà không đưa ra những kiến nghị cho đơn vị thiết kế, đôi khi những số liệu

“Báo cáo khảo sát” cấp chưa chính xác, thiếu dữ liệu cần phục vụ cho tính toán… Đối với đơn vị thiết kế đó là việc sử dụng tràn lan và lạm dụng các phần mềm trong thiết kế hố đào, kỹ sư thiết kế đôi khi không hiểu bản chất của bài toán địa kỹ thuật nhưng vẫn khai báo, nhập các dữ liệu trong “Báo cáo khảo sát” mà không qua phân tích hay đánh giá các dữ liệu địa chất Việc xem nhẹ yếu tố dự liệu đầu vào và không có kinh nghiệm đánh giá sơ bộ địa chất khu vực xây dựng công trình là tiền

đề của sai lầm có hệ thống trong thiết kế hố đào sâu của nước ta hiện nay Vấn đề kiểm soát kết quả tính toán còn nan giải, các kết quả tính toán hố đào thường không được so sánh với các phương pháp tính toán khác nhau, do đó khi xuất kết quả tính

toán kỹ sư thiết kế không có khả năng kiểm soát kết quả đầu ra nên việc tính toán sai lầm trong thiết kế là việc khó tránh khỏi Sai lầm nghiêm trọng hơn cả là yếu tố chủ quan tin tưởng tuyệt đối vào phần mềm tính toán mà xem nhẹ quá trình quan trắc trong từng giai đoạn thi công hố đào, không có sự so sánh kết quả tính toán qua mỗi giai đoạn thi công với kết quả quan trắc để đưa ra quyết định trong thi công và phòng ngừa sự cố

Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận việc tính toán ảnh hưởng của hố đào sâu đến độ lún công trình lân cận là bài toàn phức tạp và đến nay chưa có biểu thức lý thuyết thuần thục nào để tính toán nó Hiện nay, phương pháp để dự báo độ lún công trình lân cận hố đào thường sử dụng các phương pháp:

 Phương pháp tính toán dựa vào kinh nghiệm của địa phương để kiểm soát biến dạng như: Phương pháp kinh nghiệm của Peck(1969); Phương pháp của O’Rourke(1976); Phương pháp của Mana-Clough(1981); Phương pháp của Kamaran M Nemati (2007)

 Phương pháp bán kinh nghiệm, tính toán độ lún thông qua mối liên hệ kinh nghiệm đã xác định từ chuyển vị ngang của tường chắn như: Phương pháp caspe (1966) và Bowles (1988); Phương pháp của Bauer (1984); Phương pháp lập biểu đồ của Mana-Clough(1981); Phương pháp của Moscomarchitextura (1999)

 Phương pháp số sử dụng phần tử hữu hạn trong tính toán sử dụng phần mềm địa kỹ thuật như: ICFEP, Plaxis, Geo5…

Với tính cấp thiết và bức xúc trong quá trình thiết kế là tiền đề thúc đẩy nghiên cứu tính toán ảnh hưởng của hố đào sâu tới độ lún công trình lân cận và luận văn này sẽ cố gắng góp phần giải quyết vấn đề nêu trên

II Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Mục đích đặt ra của đề tài là nghiên cứu mô hình nền phù hợp với ứng sử thực tiễn của nền đất, qua đó phân tích các tham số của mô hình nền để ứng dụng bằng phần mềm Plaxis trong tính toán ảnh hưởng của của hố đào sâu đến công trình lân cận Ngoài ra, để kiểm soát kết quả tính toán bằng phần mềm, luận văn trình bày

tính toán bằng phương pháp kinh nghiệm và phương pháp giá mức độ hư hại của công trình lân cận hố đào kết hợp với quan trắc thi công Với mục đích trên, nhiệm

vụ của luận văn bao gồm:

 Nghiên cứu ảnh hưởng của hố đào sâu đến công trình lân cận bằng phương pháp số, đưa ra cách thực hiện tính toán bằng phần mềm và cách thức kiểm soát kết quả tính toán

 Tiêu chí lựa chọn mô hình nền phù hợp với ứng sử thực tiễn của nền đất

 Phân tích và ứng dụng các tham số tính toán của mô hình nền được áp dụng vào phần mềm Plaxis V8.5

 Ứng dụng phương pháp đánh giá mức độ hư hại của công trình lân cận hố đào làm cơ sở thiết kế biện pháp thi công cho hố đào

 So sánh kết quả tính toán bằng phần mềm với kết quả quan trắc thi công

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

 Sự tương tác - ảnh hưởng của hố đào sâu đến biến dạng/chuyển vị của công trình lân cận

 Xem xét sự thích hợp/đúng đắn của mô hình cho một số trường hợp đất nền

cụ thể

 Khai thác sử dụng phần mềm Plaxis V8.5 trong tính toán ảnh hưởng của hố đào sâu đến biến dạng/chuyển vị của công trình lân cận

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

 Nghiên cứu cho một số điều kiện đất nền cụ thể (Hà nội) với một số dạng công trình (kết cấu) cụ thể ở lân cận hố đào

 Đề xuất/kiến nghị biện pháp thi công nhằm hạn chế ảnh hưởng bất lợi

IV Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp tính toán (lý thuyết) bằng cách sử dụng phần mềm Plaxis V8.5 với mô hình nền lựa chọn

 So sánh kết quả tính toán bằng phần mềm và kết quả tính toán theo kinh nghiệm với kết quả quan trắc hiện trường

V Bố cục của luận văn

Luận văn bao gồm các phần:

Phần mở đầu

Phần nội dung chính của luận văn: Gồm 5 chương

Chương 1: Tổng quan ảnh hưởng của hố đào sâu đến công trình lân cận

Trình bày phương pháp kinh nghiệm, phương pháp đánh giá mức độ hư hại công trình lân cận hố đào Phân tích một số sự cố hố đào, qua đó đặt vấn đề cần được giải quyết trong các chương sau của luận văn

Chương 2: Lý thuyết và quy trình của phương pháp số trong tính toán ảnh

hưởng của hố đào đến độ lún công trình lân cận

Trình bày nguyên lý cơ bản xây dựng thuật toán của phương pháp số, đưa ra cách thức thực hiện và kiểm soát kết quả tính toán theo phương pháp số

Chương 3: Lý thuyết mô hình nền Mohr - Coulomb và mô hình nền modified

Cam-clay

Nghiên cứu ứng sử thực tế của nền đất cát, đất sét; Qua đó mô hình tính chất phức tạp của nền đất theo lý thuyết trạng thái tới hạn, xây dựng mặt bao trạng thái hoàn chỉnh của đất Lý thuyết xây dựng mặt bao trạng thái tới hạn theo mô hình nền Morh-Coulomb và mô hình nền Modified Cam-clay

Chương 4: Ứng dụng và phân tích các tham số mô hình nền trong khai báo tính

toán bằng phần mềm Plaxis V8.5

Trình bày cách thức phân tích, tính toán và xử lý số liệu khảo sát địa chất để đưa ra các tham số chính mô hình nền Morh-Coulomb và Modified Cam-clay Ứng dụng trong khai báo tính toán bằng phần mềm Plaxis V8.5

Chương 5: Áp dụng tính toán công trình thực tế

Tính toán biện pháp thi công 2 tầng hầm toà nhà N01B công trình: “Xây dựng khu nhà ở quân đội K35_TM” theo các phương án: 1) Ứng dụng mô hình nền Morh-Coulomb trong khai báo nền đất; 2) Kết hợp 2 mô hình nền Morh-Coulomb và Modified Cam-clay trong khai báo nền đất So sánh kết quả tính toán với kết quả quan trắc thực tế thi công, rút ra nhận xét

Phần kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU ĐẾN

CÔNG TRÌNH LÂN CẬN 1.1 Phản ứng của công trình lân cận hố đào

Công trình ở gần hố đào luôn có nguy cơ bị biến dạng đáng kể trong suốt quá trình đào, chắn giữ và xây mới Những chuyển vị đứng và ngang của đất ở đáy và thành hố sẽ dẫn đến lún và nghiêng công trình nằm trong vùng ảnh hưởng

Ảnh hưởng của việc xây dựng công trình ngầm trong đô thị Cơ chế ảnh hưởng thường gặp trong thực tế có thể thấy rõ như trình bày trên (Hình 1.1)

Hình 1.1: Ảnh hưởng của xây dựng công trình ngầm đến công trình lân cận

Trong đó:

1 Nguyên nhân là rỗng đất gây chuyển vị

2 Đất bị đào hoặc chuyển vị thể tích

3 Phân bố chuyển vị thể tích

4 Chuyển vị của mặt đất

5 Chuyển vị của kết cấu

6 Sự hư hỏng của kết cấu

7 Chuyển vị đất quanh hố đào phía không có công trình hiện hữu

Hố đào hở là nguyên nhân chủ yếu làm hư hại công trình liền kề do chuyển vị ngang của hệ tường chống đỡ hố đào kể từ quá trình thi công chống đỡ hố đào đến lấp đất tháo dỡ hệ văng chống Thông thường, hơn 2/3 tổng giá trị chuyển vị ngang

của hệ văng chống hố đào thường xảy ra trong quá trình thi công hố đào, khoảng 1/3 tổng giá trị chuyển vị ngang của hệ văng chống hố đào có thể xảy ra khi lấp đất

 Kích thước của hố đào (chiều rộng và chiều sâu hố đào)

 Cách tiếp cận của công trình hiện hữu với hố đào (gần/xa và song song hay vuông góc)

 Điều kiện địa chất công trình và địa chất thuỷ văn hố đào

 Độ cứng của tường vây và hệ chống giữ

 Tình trạng nước ngầm và động thái của chúng

 Công nghệ thi công tường chắn và hệ chống giữ tường …

Công trình lân cận (Hình 1.2) có hệ kết cầu

móng nông bị phá huỷ do khoảng cách từ mép hố

đào đến công trình lận cận rất nhỏ, chiều dài công

trình nằm song song với chiều dài hố đào, độ sâu

hố đào lớn, độ cứng của hệ văng chống hố đào

không đảm bảo và công nghệ thi công đào hở

không phù hợp trong trường hợp thi công này

Phản ứng của công trình lân cận trong phạm vi

ảnh hưởng lún của hố đào trong quá trình thi công

diễn ra rất phức tạp, đòi hỏi phải có kinh nghiệm

thi công và khả năng phân tích tính toán cao Bài

học mang nhiều kiến thức bổ ích được đúc rút ra từ quá trình tính toán thiết kế, thi công và quan trắc Công trình: Toà nhà Trung tâm Tổ chức kinh doanh Quốc gia Đài Loan (Taipei National Enterprising Center- TNEC) với 18 tầng nổi và 5 tầng hầm Hiện trạng công trình lân cận gồm các khối nhà 12 tầng, 14 tầng có kết cấu móng

Hình 1.2: Phá huỷ công trình

lân cận

nông, trạng thái của hai khối nhà A và B trong quá trình thi công hố đào rất đáng được xem xét phân tích và rút ra nhiều bài học Biểu thị trạng thái hai khối nhà A và

B trong quá trình thi công hố đào (Hình 1.3): Ở giai đoạn đào đầu tiên, tường chắn làm việc như dầm côngxôn và độ lún bề mặt lớn nhất của đất xuất hiện gần tường (sát với tường) Những độ lún bề mặt lớn nhất của đất ở gần tường chắn có giá trị lớn hơn độ lún nằm ở gần góc c và d, do đó làm cho toà nhà A nghiêng sang phía vùng hố đào Tuy nhiên, khi đào càng sâu, kiểu lõm của biểu đồ độ lún, những nơi

mà độ lún bề mặt lớn nhất của đất, đã xuất hiện ở một số điểm xa tường chắn lại có trị số trội hơn Khi đó độ lún bề mặt ở gần tường chắn lại nhỏ hơn độ lún bề mặt ở gần góc c và d Hiện tượng này làm toà nhà A quay nghiêng trở lại và cân bằng so với trạng thái ban đầu Đối với nhà B, khi ở giai đoạn đào cuối cùng cũng bị ảnh hưởng nghiêng về phía hố đào Tuy nhiên, nhà B chịu ảnh hưởng không đáng kể bởi

hố đào do phần móng nhà B nằm xa và dưới vùng ảnh hưởng lún

Hình 1.3: Phản ứng của khối nhà A và B trong quá trình thi công hố đào

Vậy cách xác định phạm vi ảnh hưởng lún của hố đào đến công trình lân cận như thế nào? Đánh giá mức độ nguy hiểm của công trình lân cận khi chịu ảnh hưởng lún xung quanh hố đào như thế nào? Vấn đề này được thể hiện trên (Hình 1.4) và sẽ được trình bày/giải thích ở các phần tiếp theo của luận văn

Hình 1.4: Ảnh hưởng lún và mức độ hư hại công trình lân cận hố đào

1.2 Phạm vi ảnh hưởng lún của hố đào đến công trình lân cận

Đối với các vùng nền đất khác nhau thì các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng của đất quanh hố đào sâu sẽ không giống nhau Vì vậy, cần tìm hiểu rõ với từng trường hợp cụ thể đâu là nguyên nhân chính gây lún với công trình lân cận Các yếu tố chính có thể kể đến :

 Tác động của sự thay đổi ứng suất trong đất nền

 Kích thước hố đào

 Các đặc tính của đất

 Ứng suất nằm ngang ban đầu trong đất

 Tình trạng nước ngầm và sự biến động của chúng

 Độ cứng của hệ chống đỡ hố đào

 Biện pháp thi công đào đất

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ xem xét phân tích hai yếu tố: độ cứng của kết cấu chắn giữ hố đào và độ cứng của đất xây dựng công trình trong tính toán phạm vi ảnh hưởng của hố đào đến độ lún công trình lân cận Phạm vi công trình được nghiên cứu có độ sâu mực nước ngầm thấp hơn đáy hố đào

1.2.1 Độ cứng của tường và hệ văng chống ảnh hưởng tới độ lún xung quanh

hố đào

Trong quan sát ở hiện trường cho thấy, quá trình lún của đất xung quanh hố đào chống đỡ bằng cọc bản thép giảm khi tăng độ cứng của cọc và hệ thanh chống đỡ

Độ cứng đàn hồi của hệ thanh chống có vai trò rất quan trọng Độ chôn sâu của cọc

từ đáy hố đào trở xuống cũng làm thay đổi về độ cứng của cọc bản thép và có ảnh hưởng tới dịch chuyển của đất bên ngoài theo cả hai phương thẳng đứng và nằm ngang

Ngoài độ cứng của tường chắn thì độ cứng và khoảng cách bố trí chống đỡ của

hệ văng chống cũng ảnh hưởng đáng kể đến chuyển dịch của đất bên ngoài thể hiện trên (Hình 1.5) Quan sát ngoài hiện trường cho thấy việc tăng độ cứng của hệ văng chống đã làm giảm chuyển dịch của đất ở biên ngoài hố đào (Hình 1.5) liên hệ giữa

độ cứng của kết cấu tường chắn với dịch chuyển đất xung quanh hố đào thể hiện mối tương quan giữa chuyển vị ngang tường chắn với độ lún bề mặt đất xung quanh

và đáy hố đào Ew – Môdun đàn hồi của vật liệu làm tường, Iw – Mô men quán tính của tường trên 1 đơn vị chiều dài, H – áp lực quá cố kết, Cu cường độ kháng cắt không thoát nước của đất Theo đó, trong (Hình 1.6) với một điều kiện nền đất cụ thể thì khi độ cứng của tường chắn lớn sẽ làm giảm dịch chuyển ngang của tường, tuy nhiên với nền đất quá yếu thì dù có tăng độ cứng tường chắn lên nhiều thì dịch chuyển ngang của tường vẫn rất lớn

Hình 1.6: Ảnh hưởng của độ cứng và nhịp chống đỡ tới chuyển dịch ngang của tường

Tập hợp nhiều kết quả tính toán bằng phương pháp số với mô hình nền khác nhau, (Hình 1.7) thấy được mối quan hệ giữa độ cứng của hệ tường chắn và hệ chống đỡ hố đào có mối quan hệ với nhau Diện tích vùng lún thẳng đứng bên ngoài

hố đào xấp xỉ bằng diện tích vùng giới hạn bởi đường cong biến dạng ngang của đất

ở ngay cạnh tường và biên hố móng Hình dáng biến dạng của tường hoặc của đất ngay cạnh tường được sinh ra bởi biến dạng giữa các điểm chống đỡ ở các độ sâu khác nhau và những giá trị chuyển dịch vào trong lòng hố móng Lực cân bằng thay đổi trong thanh chống và sự thay đổi áp lực đất ở dưới đáy hố móng là nguyên nhân gây ra một lượng dịch chuyển ngang phụ thuộc vào độ cứng của thanh chống và độ cứng của đất ở trạng thái nén bên dưới đáy hố móng Do đó, hệ tường chắn và hệ chống đỡ có độ cứng lớn thì chuyển vị ngang tường chắn nhỏ, kéo theo chuyển vị đất xung quanh hố đào nhỏ và ngược lại Tuy nhiên, điều này chỉ phù hợp với hố đào có mực nước ngầm thấp hơn đáy hố đào

Hình 1.7: Quan hệ giữa chuyển vị tường chắn với độ lún xung quanh hố đào

1.2.2 Đặc tính của đất ảnh hưởng đến độ biến dạng xung quanh hố đào

Từ những quan sát thực tiễn ngoài hiện trường cho thấy: độ cứng của hệ chống

đỡ hố đào tuy làm giảm dịch chuyển đất xung quanh hố đào nhưng không hoàn toàn triệt tiêu dịch chuyển này Mặc dù tăng một lượng lớn độ cứng của hệ chống đỡ nhưng chỉ có tác dụng làm giảm một lượng nhỏ sự dịch chuyển của đất xung quanh

hố đào Tóm lại thì việc chống đỡ chỉ làm hạn chế những dịch chuyển của đất chứ không hoàn toàn loại trừ được dịch chuyển đất

Một số tác giả (Clough, Davidson và Tomlinson) “theo tài liệu: Thiết kế và thi công hố móng sâu-PGS.TS Nguyễn Bá Kế” cho rằng: độ lớn biến dạng tại mỗi độ sâu đã cho của hố đào là một hàm của các đặc trưng chống đỡ của đất chứ không phải chỉ là độ cứng của hệ chống đỡ Theo nghiên cứu của Tomlinson thì với cấu kiện thép, thậm chí có tiết diện rất lớn cũng trở nên không đủ độ cứng để làm giảm chuyển vị của đất bằng độ cứng đáng kể của nó Ông cho thấy những tường bê tông cốt thép biến dạng cùng một lượng tương tự như với tường cọc ván cừ Vậy độ cứng

của đất là một yếu tố rất quan trọng trong tính toán ảnh hưởng của hố đào đến độ lún công trình lân cận

Theo Christian Moormann (2004) đã tổng kết trên 530 sự cố của hố đào trên thế giới, đã đưa ra nhận xét về chuyển vị của tường và đất quanh tường phụ thuộc vào tính chất của đất và loại kết cấu tường chắn Quan hệ giữa umax

v với umax

h và độ lún của đất cạnh hố đào Qua đó đưa ra kết luận: với đất sét yếu phạm vi ảnh hưởng lún bằng khoảng ≤ 2H (với H là độ sâu của hố đào) kể từ mép hố đào, với đất sét cứng

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, những phương pháp kinh nghiệm kinh điển và phương pháp kinh nghiệm mới nhất được tập hợp từ kết quả đo đạc của nhiều công trình sảy ra sự cố trên thế giới

1.3.1 Phương pháp kinh nghiệm của Peck (1969)

Từ những quan trắc đo lún ở lân cận hố móng sâu tại một số hiện trường có điều kiện đất nền xác định, có thể ước lượng độ lún của đất quanh các hố đào khác có điều kiện đất tương tự

Công trình của Peck được tổng kết trong (Hình 1.8) là tập hợp những quan trắc

đo lún ở lân cận hố móng sâu tại một số hiện trường ở thành phố Chicago (Hình 1.8) cho thấy độ lún thẳng đứng (theo % của độ sâu hố móng) với khoảng cách đến

hố móng (là đại lượng không thứ nguyên) như một tỷ lệ với độ sâu hố móng Biểu

đồ được vẽ theo khoảng cách từ hố móng tới nơi xảy ra độ lún

Hình 1.8: Biểu đồ thực nghiệm để dự tính độ lún của đất quanh hố móng

(Peck 1969)

 Vùng I: Cát và đất sét cứng (Cu >30Kpa)

 Vùng II: Sét rất mềm tới mềm (Cu <30Kpa)

 Vùng III: Sét rất mềm tới mềm ở độ sâu dưới đáy hố móng

Cách áp dụng biều đồ của Peck trong dự báo độ lún:

 Xác định loại đất để xếp nó thuộc vùng I, II hoặc III;

 Yêu cầu tính lún tại các điểm i trên mặt đất, có khoảng cách tới mép móng là

1.3.2 Phương pháp của Kamran M.Nemati (2007)

Phương pháp này tính toán ảnh hưởng độ lún của hố đào đến công trình lân cận (xem Hình 1.9) cũng có cách thức tính toán tương tự như phương pháp của Peck (1969) Cũng sử dụng quan điểm tư duy của Peck là ảnh lún của hố đào là một hàm phụ thuộc độ cứng độ cứng của đất, ông đã tập hợp các số liệu quan trắc lún xung quanh hố đào để xây dựng biểu khoảng cách từ hố móng tới nơi xảy ra độ lún Theo giáo sư Kamran M.Nemati thuộc trường Đại học Washington thì: Việc xác định độ lún công trình lân cận hố đào đến nay chưa có một lý thuyết thuần thục nào để xác định nó, việc tính toán chỉ đơn giản là sử dụng kinh nghiệm để xác định độ lún Cách thức tính toán hoàn toàn giống phương pháp của Peck (1969), chỉ thay đổi các

hệ số tính toán

 Vùng I: Cát và đất sét cứng

 Vùng II: Sét rất mềm tới mềm

 Vùng III: Sét rất mềm tới mềm

ở độ sâu dưới đáy hố móng

Hình 1.9: Giới hạn xác định độ lún đất xung quanh hố đào

1.3.3 Phương pháp của Christian Moormann (2004)

Theo nghiên cứu của Christian Moormann (2004) thì chuyển vị của tường và đất quanh tường tuỳ thuộc vào tính chất của đất và loại kết cấu tường chắn Mối quan

 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn umax

h xuất hiện ở dộ sâu z = 0,5 ÷ 1H (chiếm 67%) và ở đỉnh tường chắn z = 0 (chiếm 21%)

1.4 Phương pháp số trong tính toán ảnh hưởng của hố đào đến độ lún của công trình lân cận

Phương pháp số được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng tính toán được các bài toán phức tạp trong thời gian ngắn và sử dụng dễ dàng hơn so với các phương pháp tính

toán khác Tuy nhiên, là phương pháp tính gần đúng sự làm việc của hố đào trong thực tế nên việc thiết lập mô hình phân tích có thể sảy ra sai lệch lớn Sai lầm trong tính có thể bắt đầu từ việc xây dựng sai mô hình tính (đặc biệt là mô hình nền không phù hợp với ứng sử thực tiễn của đất), khai báo các dữ liệu đầu vào sai, quá trình sử

lý phân tích tính toán sai, cho đến xuất kết quả tính toán và kiểm soát kết quả tính là rất khó

Để tránh được những sai lầm trong tính toán bài toán địa kỹ thuật bằng phương pháp số thì đòi hỏi kỹ sư thiết kế cần có: Thứ nhất, phải hiểu sâu về cơ học đất, hiểu

rõ các tham số tính toán của nền đất và thuật toán trong phương pháp số Thứ hai, phải hiểu biết sâu và có khả năng phân tích mô hình phù hợp với ứng sử làm việc thực tế của hố đào, hiểu về những hạn chế các mô hình Cuối cùng, là sử dụng thành thạo phần mềm phù hợp trong tính toán bài toán địa kỹ thuật

Một số sai lầm trong sử dụng phương pháp số tính toán bài toán địa kỹ thuật:

1.4.1 Ứng dụng phần mềm tính toán không phù hợp

Mô hình hoá sơ đồ tính toán hệ tường chắn và giằng chống bằng việc sử dụng phần mềm tính toán kết cấu rất dễ nhầm lẫn, không phù hợp với mô hình làm việc thực tế của hệ tường giằng chắn đất với nền đất Mô hình tương tác giữa đất và tường chắn thông qua gán gối lò xo trong mô hình tính, quan niệm tính toán tuân theo định luật Hooke ứng suất-biến dạng có mối quan hệ tuyến tính không phù hợp với ứng sử thực tế của đất nền Tham số độ cứng của gối lo xo xác định trong tính toán là khá phức tạp, rất dễ nhầm lẫn sẽ dẫn đến kết quả sai lệch lớn

Ngoài ra, phần mềm tính toán không mô tả được thực tế thi công theo từng giai đoạn đào đất và lắp dựng hệ giằng chắn giữ Mối tương tác giữa nền đất và hệ tường chắn trong áp dụng tính toán bằng phần mềm tính toán kết cấu không biểu thị được phần tử bề mặt giữa tường chắn và đất nền

Sự cố hố đào khi sử dụng phần mềm Sap 2000 trong tính toán của công trình:

“Chung cư N04-28 tầng khu ngoại giao đoàn” tại xã Xuân đỉnh, huyện Từ liêm, Hà nội Mô hình hoá sơ đồ thiết kế trên phần mềm Sap 2000 (Hình 1.11)

Hình 1.11: Mô hình sơ đồ tính trong phần mềm Sap2000

Sự cố hố đào diễn ra khi đào sát chân tường cừ tại cao trình đáy đài móng theo thiết kế Theo tính toán biện pháp thi công của nhà thầu (bằng phần mềm Sap 2000) thì hệ văng chống xiên hoàn toàn đủ khả năng chịu lực theo điều kiện bền và điều kiện ổn định tổng thể Tuy nhiên, sau khi tính toán kiểm tra nguyên nhân sự cố hố đào bằng phần mềm Plaxis V8.5 thì toàn bộ hệ văng chống xiên không đủ khả năng chịu lực, hố đào bị sụp đổ hoàn toàn theo điều kiện ổn định chống lật (Hình 1.12) thể hiện tính toán nội lực thanh chống và sự phá hoại hệ thanh chống xiên

Hình 1.12: Mô tả phá hoại hệ chống xiên

Một số Hình ảnh hố đào trước và sau sự cố :

Hình 1.13: Hình ảnh trước và sau sự cố đổ tường chắn

1.4.2 Áp dụng mô hình nền không phù hợp với tính chất làm việc thực tế của

nền đất

Mô hình nền là mô hình liên tục thể hiện sự ứng xử của nền đất dưới tác động bên ngoài (tải trọng) Bài toán thực sự đúng đắn khi lựa chọn mô hình nền sát với điều kiện làm việc thực tế Mô hình nền rất quan trọng trong việc xác định xem khả năng làm việc của đất nền:

+ Cường độ cho phép

+ Biến dạng cho phép

Phân tích sự cố sụp đường cao tốc Nicoll ở Singarpore rút ra được nhiều bài học

bổ ích về áp dụng mô hình nền trong tính toán ảnh hưởng của hố đào sâu đến độ lún công trình lân cận Theo Richard Davies và nhiều chuyên gia tìm hiểu nguyên nhân sảy ra sự cố thì: nguyên nhân chủ yếu là do thiết kế sai đã sử dụng dữ liệu không thích hợp trong khai báo mô hình nền, sai lầm từ bắt đầu từ nhập số liệu đầu vào

Hình 1.14: Mặt bằng dự án đường cao tốc

Hình 1.15: Mặt cắt địa chất và mô hình toán tại khu vực sảy ra sự cố

Hình 1.16: Hình ảnh công trình trước khi sảy ra sự cố

Hình 1.17: Hình ảnh công trình sau khi sảy ra sự cố

Phân tích nguyên nhân thiết kế sai do sử dụng dữ liệu không thích hợp trong khai báo mô hình nền Kiểm tra tính toán bằng phần mềm Plaxis với hai phương án tính toán A và B Cả hai phương án đều sử dụng mô hình nền Morh-Coulomb Phương án A là phương án được sử dụng để thiết kế biện pháp thi công:

 Sử dụng ứng suất hữu hiệu trong khai báo tính toán áp lực đất lên tường chắn

 Giả thiết nền đất làm việc trong điều kiện đàn hồi đẳng hướng và trong giới hạn trạng thái phá hoại của Morh-Coulomb

 Với các giả thiết trên thì giá trị của ứng suất hữu hiệu có kết quả như là một giá trị hằng số trong quá trình chảy dẻo

Phương án B là phương án kiểm tra tìm hiểu nguyên nhân của sự cố:

 Sử dụng ứng suất tổng trong phần tích tính toán áp lực đất lên tường chắn

So sánh hai kết quả tính toán:

Phương án A Phương án B

Hình 1.18: Biểu đồ chuyển vị và mô men uốn của tường chắn

Nhận thấy trên (Hình 1.18): chuyển vị của tường chắn khi tính toán bằng phương án B có chuyển vị lớn hơn nhiều khi tính bằng phương án A, Mô men uốn của tường chắn phương án A hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép trong khi đó

giá trị mô men lớn nhất của phương án B nằm ngoài giá trị cho phép Do đó, việc khai báo sai tham số tính toán mô hình nền rất dễ sảy ra nhầm lẫn dẫn đến kết quả tính toán sai lệch lớn

Vậy mô hình nền trong tính toán bằng phương pháp số là đặc biệt quan trọng, nó quyết định toàn bộ kết quả đúng sai của bài toán

Phân tích lại sự sụp đổ của đường cao tốc Nicoll bằng phương pháp số của Dr Felix Schroeder và Dr Zeljko, hai ông sử dụng và kết hợp hai mô hình nền vào mô hình hoá bài toán:

 Đất lấp và đất cát sử dụng mô hình nền Morh-Coulomb;

 Các loại đất sét gốc biển và đất bùn nhão dùng mô hình Modified Cam-clay

Mô hình hoá sơ đồ tính toán:

Hình 1.19: Mô hình toán bằng chương trình tình ICFEP

Hình 1.20: Kết quả tính toán và kết quả quan trắc

Vậy, kết hợp hai mô hình nền Morh-Coulomb và Modified Cam-clay cho được

kết quả tính toán hợp lý, trên (Hình 1.20) thể hiện kết quả tính toán chuyển vị ngang

của tường chắn bám sát kết quả quan trắc thực tiễn

1.4.3 Tổng hợp các phương pháp phân tích tính toán

Theo David M.Potts và Lidija Zdrakovic’ tổng kết các phương pháp phân tích đã

đưa ra yêu cầu thiết kế của từng phương pháp Trong bảng tổng hợp các phương

pháp phân tích (Bảng 1.1) thì phương pháp phân tích số sẽ giải quyết được hết các

yêu cầu tính toán

Bảng 1.1: Các yêu cầu tính toán theo các phương pháp phân tích khác nhau

hệ chống

đỡ

Đẩy bùng nền

Độ bền &

ổn định

1.5 Phương pháp đánh giá mức độ hư hại của công trình

Việc sử dụng phương pháp đánh giá mức độ hư hại của công trình qua đó sẽ đưa

ra biện pháp (thiết kế và thi công) nhằm quản lý rủi ro xây dựng công trình ngầm đô thị, từ đó sẽ xác định giải pháp xử lý thích hợp cho hố đào hoặc công trình, có khi kết hợp với nhau để đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật đúng mong đợi

Phương pháp Boscardin và Cording (1989) được áp dụng khá rộng rãi để đánh giá mức độ hư hại của công trình lân cận hố đào, từ đó sẽ xác định giải pháp hợp lý cho thiết kế hệ chống đỡ hố đào hoặc biện pháp gia cố công trình lân cận

Phương pháp nghiên cứu sự liên quan giữa hư hại công trình dựa trên biến dạng kéo tới hạn với các thông số biến dạng (biến dạng góc β và biến dạng ngang tới hạn

h)

Trong nghiên cứu này hai ông sử dụng phương pháp của Burland và Worth (1974) dầm tĩnh định đặt trên hai gối đơn giản tải trọng phân bố đều để liên hệ với biến dạng tới hạn (β,h) Khi sử dụng phương pháp này, tác động gây biến dạng của

mô hình này có thể bao gồm do: mô men uốn, lực cắt và tổ hợp của cả mô men và lực cắt Giới hạn biến dạng tới hạn được phát triển bởi xét tác động của biến dạng

mô men và lực cắt và bao gồm cả tác động của chuyển vị theo phương ngang do ảnh hưởng của dịch chuyển đất xung quanh hố đào

Burland và Worth (1974) đã thiết lập định nghĩa dịch chuyển nền móng điều này đã đặt ra cơ sở làm nền tảng cho đánh giá biến dạng giới hạn và biến dạng góc

1.5.1 Đánh giá mức độ hư hại công trình lân cận hố đào khi chỉ quan trắc

được bề rộng vết nứt của công trình hiện hữu

Khi chỉ quan trắc được sự hình thành và phát triển vết nứt của công trình hiện hữu thì sử dụng kết quả nghiên cứu của Burland trên (Hình 1.21 và 1.22) để đánh giá trạng thái kỹ thuật của công trình lân cận hố đào theo bề rộng vết nứt và chức năng sử dụng theo mức độ hư hại

Hình 1.21: Thí nghiệm của Burland về phát triển vết nứt dưới tác động tổng hợp

giữa khối tường xây và dầm đỡ đơn giản

Hình 1.22: Thí nghiệm trên độ cứng và cường độ của khối xây trong kết cấu khung

Bảng 1.2: Phân loại mức độ hư hại theo bề rộng vết nứt của công trình lân cận

1.5.2 Đánh giá mức độ hư hại công trình lân cận hố đào khi được quan trắc

cẩn thận trong suốt quá trình thi công

Ứng dụng nghiên cứu của Cording et at (2001) về cách xác lập thông số biến dạng của công trình dùng để đánh giá sự hư hại dựa trên trị biến dạng trung bình quan trắc được từ công trình lân cận hố đào Biến dạng của tường được xác định bởi

đo đạc theo phương thẳng đứng (v), theo phương ngang (l), chuyển vị (Av, Bv, Cv,

Dv, Al, Bl, Cl, Dl) tại 4 góc (A, B, C, D) như (Hình 1.23)

Hình 1.23: Biến dạng của công trình lân cận hố đào

Sử dụng các tiêu chí sau đây để đánh giá:

 Độ dốc trung bình S là sự thay đổi độ dốc tại đáy nhà trên chiều dài L:

L

B A

1 1 )



 (1.4)

 Biến dạng ngang tại đáy lat (F) là sử thay đổi chuyển vị ngang tại đáy móng trên toàn chiều dài L:

L

B A F lat

1 1 )

 (1.5) Theo Boscardin và Cording (1989) thì góc lệch và chuyển vị ngang là những thông số chính để đánh giá sự hư hại Tuy nhiên, việc lựa chọn biến dạng góc làm tiêu chí đánh giá vì: 1) Công trình gần hố đào thường có độ lún lệch lớn 2) biến dạng góc dễ quan sát trong thực tế Đưa ra biểu đồ đánh giá hư hại công trình theo biến dạng góc  và biến dạng ngang h Trong đó, (Hình 1.24) là biểu đồ đánh giá

hư hại dựa trên tỷ số giữa mô đun đàn hồi và mô đun trượt E/G = 2,6 và tỷ số giữa chiều dài với chiều cao ngôi nhà L/H = 1

Hình 1.24: biểu đồ đánh giá hư hại công trình theo biến dạng góc  và biến

dạng ngang h Bảng 1.3: Phân loại mức độ hư hại theo bề rộng vết nứt công trình lân cận hố đào

1.5.3 Đánh giá mức độ hư hại công trình lân cận hố đào khi kết hợp đo đạc bề

rộng vết nứt với quan trắc độ lún công trình suốt quá trình thi công

Storer J.Boone (1996) đã tổng hợp 3 yếu tố: Bề rộng vết nứt, độ lún lệch () và biến dạng góc β (=/L) để phân chia mức độ hư hại công trình lân cận hố đào

Bảng 1.4: Phân cấp hư hại công trình theo biến dạng

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ QUY TRÌNH CỦA PHƯƠNG PHÁP

SỐ TRONG TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ ĐÀO ĐẾN ĐỘ LÚN

CÔNG TRÌNH LÂN CẬN 2.1 Nguyên lý cơ bản

Lý thuyết của phương pháp số được xây dựng trên nguyên lý cơ bản là: phải đảm bảo điều kiện cân bằng, tính nhất quán, tính chất đặc trưng của vật liệu và điều kiện biên

2.1.1 Điều kiện cân bằng

Xét phần tử hình lập phương (Hình 2.1), điều kiện cân bằng được biểu thị bằng tổng ứng suất trên phân tử phải bằng 0

zx yx x

zy y

z yz

xz  



Trong đó:

-  là trọng lượng bản thân theo phương x

- Ứng suất nén được giả thiết là dương

- Các phương trình cân bằng trong biểu thức (2.1) là trong điều kiện ứng suất tổng

- Ứng suất phải thoả mãn điều kiện cân bằng được áp dụng cho lực kéo bề mặt

2.1.2 Tính nhất quán

1 Nhất quán về mặt vật lý

Tính nhất quán về biến dạng bao gồm không chồng lên nhau và không có sự phát sinh hoặc đột biến của phân tử Ý nghĩa về tính nhất quán mặt vật lý có thể được giải thích bằng phân tích biến dạng nút của phần tử tấm phẳng được thể hiện trên (Hình 2.2) Tính không nhất quán của phần tử tấm được thể hiện ở chỗ đứt quãng giữa các nút phần tử

Ban đầu không nhất quán nhất quán

Hình 2.2: Biến dạng nút của phần tử tấm

2 Xây dựng công thức toán học

Từ giải thích tính nhất quán về mặt vật lý trên, xây dựng được công thức toán học thông qua định nghĩa về biến dạng Biến dạng là một hàm liên tục f(u,v,w) trong hệ toạ độ x, y, z tương ứng Timoshenko và Goodier (1951) đã định nghĩa về biến dạng như sau:

(2.2)

Gồm 6 thành phần biến dạng và 3 thành phần chuyển vị liên quan đến nhau

2.1.3 Thành lập mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng

Mô tả tính chất làm việc của vật liệu đó là biểu diễn ứng sử của nền đất theo điều kiện ứng suất và biến dạng Qua đó thành lập biểu thức liên hệ giữa ứng suất

và biến dạng trên cơ sở kết hợp điều kiện cân bằng và tính nhất quán

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài là

nghiên cứu hố đào sâu có dạng hình học là đa

giác Do đó, bài toán được mô hình tính toán

theo biến dạng phẳng (Hình 2.3) Khi đó, giả

thiết phương z là phương rất dài và không có

biến dạng tỉ đối của các mặt phẳng xy song

song với nhau Vậy, w=0 biến dạng u và v

không phụ thuộc vào toạ độ trục z Khi đó: Hình 2.3: Mô hình biến dạng phẳng

(2.4) Biểu thức liên hệ giữa ứng suất và biến dạng được rút gọn:

(2.5)

2.2 Mô hình phần tử bề mặt (Interface element)

Tương tác giữa đất và bề mặt kết cấu có

thể gây ra chuyển vị tương đối giữa bề mặt

kết cấu chắn giữ với đất Sử dụng phần tử

bề mặt (Hình 2.4) trong môi trường liên

tục, với tính nhất quán của chuyển vị, trong

phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích

những vị trí ngăn chặn chuyển vị tương đối

ở bề mặt kết cấu và đất Nút tương thích

của phương pháp phần tử hữu hạn kìm lại

sự dịch chuyển cùng nhau của công trình

lân cận và phần tử đất

Hình 2.4: Phần tử bề mặt

Các phương pháp mô hình rời rạc ứng sử tại bề mặt kết cấu và đất:

Sử dụng phần tử mảnh trong môi trường liên tục để

mô hình phần tử bề mặt

Sử dụng gối lò xo để mô hình phần tử bề mặt

Sử dụng mối liên hệ đặc biệt để mô hình phần tử bề

mặt (gọi là phần tử bề mặt đặc biệt) Bề mặt hoặc tiếp

nối giữa các phần tử hoặc có bề dày bằng không hoặc

hữu hạn

Trong mô hình nền được áp dụng trong tính toán bằng phương pháp số sẽ sử dụng phần tử bề mặt đặc biệt để tính toán

2.3 Chia lưới phần tử

Chia lưới phần tử ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính toán của bài toán Chia lưới thưa (Hình 2.5) thì kết quả kém chính xác, còn chia lưới quá mau thì kết quả tuy chính xác nhưng khối lượng tính toán lớn mất thời gian và có thể số lượng phần

tử vượt quá giới hạn tính toán cho phép của phần mềm sẽ không tính toán được Vậy nguyên tắc của chia lưới phần tử (Hình 2.6) là: chia lưới mau ở vùng ứng suất tập trung và khu vực cần tính toán chuẩn xác, chia thưa dần ngoài vùng ứng suất tập trung và phạm vi cần tính toán

Hình 2.5: Chia lưới phần tử chưa phù hợp cho tính toán

Hình 2.6: Chia lưới phần tử phù hợp cho tính toán

2.4 Điều kiện biên

Điều kiện biên được sử dụng để bao tất cả các điều kiện cần thiết để thể hiện đầy

đủ một vấn đề riêng biệt Các loại điều kiện biên có thể được phân loại theo tác động của nó

Theo Chang Yu Ou và Shiau (1998) phân tích dịch chuyển đất của hố đào Khi bài toán là tính toán biến dạng của tường chắn thì khoảng cách từ tường chắn đến đường biên phải lớn hơn ba lần chiều sâu hố đào Khi tính toán ảnh hưởng của hố đào đến độ lún xung quanh thì khoảng cách từ tường chắn đến đường biên phải lớn hơn bốn lần chiều sâu hố đào Điều kiện biên dưới nên đặt ở lớp đất cứng hoặc vài mét cách chân tường chắn

Hình 2.7: Khoảng cách yêu cầu điều kiện biên trong tính toán biến dạng tường

chắn hoặc độ lún xung quanh hố đào

 Tính toán biến dạng tường chắn: D3He

 Tính toán ảnh hưởng lún nền đất xung quanh hố đào: D4He

2.5 Phương pháp mô hình hố đào sâu và ảnh hưởng của hố đào sâu đến độ lún lân cận

2.5.1 Mô hình toán hố đào sâu

Mô hình tính toán hố đào sâu được minh hoạ theo (Hình 2.8), trước khi đào ứng suất ban đầu của đất là cân bằng Bắt đầu đào, xuất hiện ứng suất trên bề mặt hố đào

và ứng suất bền mặt này sẽ trở về 0

Biểu diễn mô phỏng của hố đào:

1 Tính toán trạng thái ứng suất trên

bề mặt thiết kế hố đào (b)

2 Theo trạng thái ứng suất nhận

được, tính toán điều kiện cân bằng

lực (Pep)

3 Lực tải trọng trên bề mặt hố đào

Pep

4 Độ cứng của đất được giảm

xuống là 0 khi bị đào (hoặc có giá trị

rất nhỏ)

5 Tính toán chuyển vị, ứng suất,

biến dạng trên vùng không bị đào do

tác động của Pep

Hình 2.8: Mô phỏng của hố đào: (a) trước khi đào, (b) ứng suất trên bề mặt hố đào, (c) lực dỡ tải

Biểu thức tính cân bằng lực trên bề mặt hố đào, theo Brown và Booker (1985):

Trong đó:

Pep - là tải trọng cân bằng lực trên bề mặt hố đào

i - giai đoạn đào

Vi - thể tích của giai đoạn đào thứ i

1



i

 - ứng suất của giai đoạn đào trước i-1

[K]T - mô đun biến dạng thể tích.s

[f]T - hàm hình dáng chuyển vị

 - trọng lượng riêng của đất

(2.7)

(2.8)

Thực hiện quá trình tháo khô trong hố đào sẽ làm thay đổi áp lực nước trước và sau khi đào, khi đó áp lực nước sau tường chắn sẽ tăng Khi đó, biểu thức 2.6 sẽ được viết lại theo biểu thức sau:

U – áp lực nước thay đổi trong quá trình tháo khô

2.5.2 Đặc tính của chuyển vị đất lân cận hố đào

Trong thực tế ngoài hiện

trường và tập hợp các kết quả tính

toán, Chang Yu Ou đưa ra đánh

giá vùng ảnh hưởng lún của hố

đào nằm trong khoảng hai lần độ

sâu hố đào, ngoài phạm vi này thì

ít chịu ảnh hưởng của hố đào

(Hình 2.9) đưa ra sơ bộ xác định

vùng ảnh hưởng lún của hố đào

Hình 2.9: Vùng ảnh hưởng biến dạng của hố

đào

Trong vùng ảnh hưởng lớn (Hình 2.10) thì cần xác định loại và hình dạng lún của bề mặt nền đất lân cận hố đào có quan hệ đến chuyển vị của tường chắn đất Có hai loại hình dạng độ lún của đất nền dịch chuyển theo chuyển vị tương ứng của tường chắn:

Hình 2.10: Loại lún bề mặt của nền đất

Dự báo loại độ lún bề mặt nền đất lân cận hố đào theo chuyển vị của tường chắn, thông qua diện tích chuyển vị của tường chắn (Hình 2.11) Trong đó, AC là diện tích biến dạng của tường chắn thành phần dạng côngxôn, AS tổng diện tích chuyển vị của tường chắn ở giai đoạn đào cuối cùng

Hình 2.11: Diện tích biến dạng tường chắn dạng công xôn

Theo Hsied và Ou: Khi AS < 1.6AC dự báo dạng độ lún bề mặt của đất nền sẽ là loại Hình nửa vòm Khi AS ≥ 1.6AC dự báo dạng độ lún bề mặt của đất nền sẽ là loại hình lõm dạng lòng chảo

2.6 Tổng hợp

Chương 2 trình bày nguyên lý cơ bản và thuật toán trong tính toán bằng phương pháp số khi áp dụng tính toán hố đào sâu Đưa ra cách thức thực hiện tính toán bằng phương pháp số Trình bày các đặc tính chuyển vị của đất xung quanh hố đào theo hình dáng biến dạng của tường chắn nhằm kiểm soát kết quả tính toán

Trong tính toán bằng phương pháp số cần lưu ý khi thiết lập mô hình tính toán:

 Kiểu phần tử hữu hạn: phần tử đất, phần tử kết cấu và phần tử tiếp xúc (interface);

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH NỀN MOHR – COULOMB VÀ

MÔ HÌNH NỀN MODIFIED CAM-CLAY 3.1 Ứng sử thực tế của nền đất

3.1.1 Giới thiệu

Ứng sử của nền đất trong thực tế là vật liệu hoàn toàn phi tuyến tính, với cường

độ và độ cứng của đất phụ thuộc vào mối quan hệ ứng suất và biến dạng Do đó, ứng sử của nền đất diễn biến rất phức tạp, rất khó thiết lập một mô hình toán có thể biểu diễn được đầy đủ tất cả mặt ứng sử của nền đất thông qua các tham số đầu vào hiện có của mô hình nền Vì vậy, trước khi nghiên cứu sâu lý thuyết mô hình toán nền đất thì trước hết phải nhận biết được hình dạng ứng sử của nền đất, với các loại nền đất khác nhau sẽ có ứng sử khác nhau, qua đó so sánh ứng sử thực tế của nền đất với mô hình toán xem có nhất quán và phù hợp với thực tế chưa

3.1.2 Ứng sử của nền đất cát

Trong thí nghiệm nén một trục

thể hiện rõ ứng sử làm việc của đất

cát phụ thuộc chủ yếu vào độ chặt

ban đầu của đất cát Điều này được

minh hoạ theo theo thí nghiệm hai

mẫu đất cát có trạng thái ban đầu

định hệ số rỗng của đất cát tại mọi thời điểm là rất khó đạt được kết quả chính xác

Do đó, sẽ có vô số trạng thái của đất cát có hệ số rỗng khác nhau có cùng một ứng suất nén Đường ứng sử của đất cát khi tăng giá trị ứng suất hữu hiệu lên cao thì đường nén bình thường (NCL) sẽ tiếp cận tiến sát vào đường nén nguyên sơ hoặc

Hình 3.1: Ứng sử làm việc của đất cát trong

thí nghiệm nén một trục

đường nén lý tưởng (VCL) Khi ứng suất thẳng đứng đủ lớn thì sảy ra biến dạng thể tích của đất phụ thuộc hoàn toàn vào cường độ của thành phần hạt

Độ bền chống cắt: của đất được định nghĩa bằng giá trị ứng suất chống cắt tối

đa hay giới hạn mà đất có thể tạo ra bên trong khối đất trước khi nó bị chảy Trong

hoàn cảnh xác định, chảy sẽ dẫn tới sự tạo thành mặt trượt cắt, trên đó có thể xảy ra

sự di chuyển trượt tương đối lớn như trượt đất, mái dốc trượt xoay và phá hoại hố móng, được thể hiện trên (Hình 3.2) Độ bền ở bên trong khối đất chủ yếu là do sự phát triển của sức kháng ma sát giữa các hạt liền kề với nhau

Hình 3.2: Biến dạng của đất (a) độ lún, (b) sức chống cắt của đất

Quan hệ giữa độ bền chống cắt và các đặc trưng biến dạng của đất chủ yếu phụ thuộc vào sự thay đổi thể tích trong quá trình cắt Trường hợp của đất cát, mức độ cài vào nhau giữa các hạt lớn hơn khi đất chèn chặt Để phá vỡ sự ma sát do các hạt đất cài vào nhau (Hình 3.3) tại các điểm tiếp xúc thì cần có sự giãn hay nở ban đầu

Vì thế, lúc đầu ứng suất cắt tăng đột ngột tới giá trị đỉnh tại một trị số chuyển vị tương đối thấp (chính là biến dạng) và sự tăng thể tích tương ứng Tại thể tích mới này, sự cài vào nhau giảm đi và do đó chuyển vị tiếp tục mà ứng suất cắt vụt xuống

và cuối cùng giữ ở mức giá trị cực hạn

Tính chất này của cát chặt trái ngược với tính chất của cát chèn rời xốp, bởi vì ở loại đất sau ứng suất cắt tăng ổn đinh khi chuyển vị tăng lên Thể tích giảm đi và đất chuyển sang trạng thái chặt hơn khi ứng suất cắt tăng lên để đạt tới cùng giá trị cực hạn Thể tích không đổi đạt được tại ứng suất cực hạn tương ứng với trạng thái thể

tích giới hạn Sự khác nhau giữa giá trị đỉnh và giá trị cực hạn rõ ràng phụ thuộc vào thể tích ban đầu của đất (như đã trình bày ở trên) Đất chặt hơn thể tích giới hạn

sẽ nở, trong khi đất rời rạc hơn thể tích giới hạn sẽ co ngót Hơn nữa, ứng suất đỉnh

là hàm số của trạng thái chèn và thể tích ban đầu

Hình 3.3: Trạng thái của đất cát khi chịu cắt (a) cát rời, (b) cát chặt

Trong trường hợp đất cát rất rời rạc, thể tích lớn hơn nhiều giá trị giới hạn và vì thế một giá trị chuyển vị nhỏ sẽ kèm theo sự thay đổi lớn về thể tích Loại đất như thế chắc chắn sẽ dễ đầm chặt bằng tải trọng tương đối nhỏ hay rung động, gây co ngót và lún

Casagrande khi thực hiện thí nghiệm về cường độ trên đất cát rời và cát, ông đã thực hiện thí nghiệm đất cát bằng dụng cụ cắt trực tiếp và phát hiện ra rằng sau khi

bị cắt, hệ số rỗng của đất cát chặt và cát rời là gần như nhau (Hình 3.4 và 3.5) Khi biểu thị kết quả này trên đồ thị Casagrande đã gọi đường cong thể hiện trạng thái của đất sau khi bị cắt là đường hệ số rỗng tới hạn Khi một mẫu đất đã ở trạng thái tới hạn, mẫu đất này sẽ tiếp tục bị cắt với giá trị ứng suất cắt và hệ số rỗng không đổi

Hình 3.4: Mô tả kết quả thí nghiệm của Casagrande: biến dạng khi bị cắt của

một phân tố đất