Nghiên cứu ảnh hưởng của mô hình đất nền đến dự báo chuyển vị và biến dạng công trình hố đào sâu ổn định bằng tường chắn

Bài báo này phân tích ảnh hưởng của mô hình nền đến dự báo chuyển vị của tường và biến dạng của đất n ền một công trình hố đào sâu ở Thành phố Hồ Chí Minh thông qua việc so sánh kết quả dự báo từ mô hình Mohr – Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soi (HS) với các d ữ liệu quan trắc để xác định liệu phân tích phần tữ hữu hạn tuyến tính đơn giản là đủ cho thiết kế an toàn hay phân tích số phi tuyến phức tạp cung cấp một giải pháp mang lại nhiều hiệu quả hơn. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun dỡ tải và gia tải (refurE ) trong mô hình HS đến chuyển vị của tường được thực hiện dựa trên kết quả phân tích tham số và so sánh với số liệu quan trắc. Ngày nay, nhu cầu về việc sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật hoặc dịch vụ dưới các nhà cao tầng, bãi đậu xe ngầm, hệ thống giao thông ngầm, hệ thống xử lý n ước thải…, ngày càng gia tăng trong các khu đô thị. Hố đào sâu thường được sử dụng để giải quy ết các vấn đề trên. Phương pháp phần tử hữu hạn được biết đến như là một phương pháp số được sử dụng để dự báo ổn định và biến dạng của đất nền. Ưu điểm của phương pháp này là ứng xử của đất có thể mô phỏng tương đối chính xác và h ợp lý trong quá trình thi công đào đất. Tuy nhiên, bên cạnh một số ưu điểm vẫn còn một số khó khăn nhất định trong cách tiếp cận do mức độ phức tạp của nó. Do đó, mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng MC thường được sử dụng vì tính đơn giản của nó và các thông số đất có thể dễ đàng thu được từ phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, vẫn có một số hạn chế trong mô hình MC. Thứ nhất, các quan hệ phi tuyến của đất trước khi phá hoại không được mô hình. Thứ hai, nó không thể tạo ra áp lực lỗ rỗng đáng tin cậ y trong quá trình gia tải không thoát nước. Thứ ba, dự báo chuy ển vị bên của tường và độ lún mặt là không đáng tin cậy. Để khắc phục những thiếu sót trên, cần sử dụng một mô hình đàn hồi d ẻo phi tuyến tính.Việc sử dụng mô hình đất thích hợp là đặc biệt quan trọng trong tính toán hố đào sâu ổn định bằng tường chắn, bởi vì ứng xử thông thường của đất là phi tuyến, không hồi phục và ảnh hưởng bởi thời gian. 2 Bài báo này phân tích ảnh hưởng của mô hình nền đến dự báo chuy ển vị của tường và biến dạng của đất nền công trình hố đào sâu Trạm bơm lưu vực Nhiều Lộc Thị Nghè, Thành phố Hồ Chí Minh thông qua việc so sánh kết quả dự báo từ mô hình MC và mô hình HS với các d ữ liệu quan trắc được để xác định liệu phân tích phần tữ hữu hạn tuy ến tính đơn giản là đủ cho thiết kế an toànhay phân tích số phi tuy ến phức tạp cung cấp một giải pháp mang lại nhiều hiệu quả hơn. Phạm vi nghiên cứu giới h ạn trong việc xác định chuyển vị của tường chắn, biến dạng bề mặt của đất nền và nội lực của hệ thanh chống trong quá trình thi công đào đất.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ HÌNH NỀN ĐẾN DỰ BÁO CHUYỂN VỊ VÀ BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH HỐ ĐÀO SÂU ỔN

ĐỊNH BẰNGTƯỜNG CHẮN

STUDY ON THE EFFECTS OF SOIL CONSTITUTIVE MODEL ON THE PREDICTIONS OF EXCAVATION INDUCED GROUND MOVEMENTS AND LATERAL WALL DEFLECTIONS

ThS Ngô Đức Trung, PGS.TS Võ Phán ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM TÓM TẮT

Bài báo này phân tích ảnh hưởng của mô hình nền đến dự báo chuyển vị của tường và biến dạng của đất nền một công trình hố đào sâu ở Thành phố Hồ Chí Minh thông qua việc

so sánh kết quả dự báo từ mô hình Mohr – Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soi (HS) với các dữ liệu quan trắc để xác định liệu phân tích phần tữ hữu hạn tuyến tính đơn giản là

đủ cho thiết kế an toàn hay phân tích số phi tuyến phức tạp cung cấp một giải pháp mang lại nhiều hiệu quả hơn Việc nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun dỡ tải và gia tải (Eur ref ) trong mô hình HS đến chuyển vị của tường được thực hiện dựa trên kết quả phân tích tham số và so sánh với số liệu quan trắc.

ABSTRACT

The purpose of this study is to analyse the effects of soil constitutive model on the predictions of excavation Parametric studies have been carried out to investigate the effect

of soil stiffness parameters (Eur ref ) of HS model on the lateral wall deflection, based on the results of parametric studies and comparison with measured field data The effects of soil constitutive model on the predictions of excavation induced ground movements, lateral wall deflections and strut forces were performed using Hardening Soil and Mohr – Coulomb models based on the above proposed comprising The results demonstrate that more realistic predictions of wall deflections and ground deformations can be obtained by Hardening Soil model However, in term of strut forces prediction, there appears to be no advantage in using non-linear model over a simple elastic-perfectly plastic model

Ngày nay, nhu cầu về việc sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật hoặc dịch vụ dưới các nhà cao tầng, bãi đậu xe ngầm, hệ thống giao thông ngầm, hệ thống xử lý nước thải…, ngày càng gia tăng trong các khu đô thị Hố đào sâu thường được sử dụng để giải quyết các vấn đề trên

Phương pháp phần tử hữu hạn được biết đến như là một phương pháp số được sử dụng để dự báo ổn định và biến dạng của đất nền Ưu điểm của phương pháp này là ứng xử của đất có thể mô phỏng tương đối chính xác và hợp lý trong quá trình thi công đào đất Tuy nhiên, bên cạnh một số ưu điểm vẫn còn một số khó khăn nhất định trong cách tiếp cận do mức độ phức tạp của nó Do đó, mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng MC thường được sử dụng vì tính đơn giản của nó và các thông số đất có thể dễ đàng thu được từ phòng thí nghiệm Tuy nhiên, vẫn có một số hạn chế trong mô hình MC Thứ nhất, các quan hệ phi tuyến của đất trước khi phá hoại không được mô hình Thứ hai, nó không thể tạo ra áp lực lỗ rỗng đáng tin cậy trong quá trình gia tải không thoát nước Thứ ba, dự báo chuyển vị bên của tường và độ lún mặt là không đáng tin cậy Để khắc phục những thiếu sót trên, cần sử dụng một mô hình đàn hồi dẻo phi tuyến tính.Việc sử dụng mô hình đất thích hợp là đặc biệt quan trọng trong tính toán hố đào sâu ổn định bằng tường chắn, bởi vì ứng xử thông thường của đất

là phi tuyến, không hồi phục và ảnh hưởng bởi thời gian

Bài báo này phân tích ảnh hưởng của mơ hình nền đến dự báo chuyển vị của tường và biến dạng của đất nền cơng trình hố đào sâu Trạm bơm lưu vực Nhiều Lộc Thị Nghè, Thành phố Hồ Chí Minh thơng qua việc so sánh kết quả dự báo từ mơ hình MC và mơ hình HS với các dữ liệu quan trắc được để xác định liệu phân tích phần tữ hữu hạn tuyến tính đơn giản là đủ cho thiết kế an tồnhay

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc xác định chuyển vị của tường chắn, biến dạng bề mặt của đất nền và nội lực của hệ thanh chống trong quá trình thi cơng đào đất

Sử dụng phần mềm từ phương pháp Phần tử hữu hạn với hai mơ hình HS và MC để tính tốn, kết hợp so sánh với số liệu quan trắc thực tế ở hiện trường [4], [5]

Xác định các thơng số đầu vào cho mơ hình

 Với cả 2 mơ hình, các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của đất (c’, φ’, γ wet , γ dry , k x , k y ) lấy từ Hồ sơ khảo sát

địa chất [3]

 Xác định các module biến dạng:

 E oed ref,E ur ref: tính từ kết quả thí ngiệm nén cố kết

 50ref

module biến dạng Young khơng thốt nước E50ref NH như sau:

3

NH

ref

 Theo những giá trị trung bình đối với nhiều loại đất khác nhau thì E ur ≈ 3E 50 và E oed ≈ E 50, nhưng cả hai loại đất rất yếu và rất cứng cĩ xu hướng cho những tỉ số

50

E

E oed

khác Trong nghiên cứu này, ta lấy E oed ref E50ref;E ur ref 3E50refđể tính tốn trong mơ hình HS

ứng suất -

1



50

1

3

đường phá hoại đường tiệm cận



 ur

qa

qf

ứng suất -1



oed

1

pref

ref

Hình 3: Xác định E ur và E 50

từ thí nghiệm nén ba trục

Hình 4: Xác định ref

oed

E từ kết quả thí nghiệm nén một trục

 Độ cứng phụ thuộc cấp ứng suất theo quy luật lũy thừa m: lấy theo thực nghiệm

3 Giới thiệu cơng trình

 Dự án Nhiêu Lộc – Thị Nghè được tài trợ tài chính bởi nguồn vốn ADB, tọa lạc tại trung tâm Thành phố Hồ Chí Minh

 Kích thước hố đào sâu 25x54m

 Giải pháp kết cấu được chọn là bản đáy bê tơng cốt thép và các sàn liên kết vào hệ tường vây dày 1.2m, sâu 40m, chiều dài từng modul là 6m đã được đúc trước với cơng nghệ đào rãnh nhồi bê tơng tại chổ

 Giải pháp thi cơng được chọn gồm cĩ 7 tầng thanh chống cho đến độ sâu đủ để thi cơng bản đáy trạm bơm bằng BTCT

Hình 1: Mặt cắt địa chất công trình

Các giai đoạn thi công tóm tắt như Bảng 1

Bảng 1: Các giai đoạn thi công công trình

Giai

đoạn

Thời gian

1

với tải trước 50 kN/m

3

kN/m

6

kN/m

7

kN/m

9

11

 Thiết bị quan trắc ở hiện trường

Tường chắn gồm 24 cọc barret liền nhau như Hình 2

54000

P1 P2 P3 P4

P5 P6 P7

P8

P20 P19 P18

P17 P16

P15 P14 P13

IN-02

3000 2000

PZ-01

IN-03

3000 4000

5000

MW-04

IN-04

IN-05

MW-02

PZ-03

Hình 2: Sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc ở công trường [5] [6] [7]

Thiết bị quan trắc chuyển vị ngang: IN-01 đến IN-07 Thiết bị quan trắc lún: PZ-01 đến PZ-05

Thiết bị quan trắc mực nước ngầm: MW-01 đến MW-04 Bảng 2: Các thông số đất nền cho mô hình Mohr – Coulomb

Đơn vị

Lớp cát lấp

Mô

Ứng

xử Drained

Undraine

d Drained

Undraine

d Drained Drained

Undraine

d Drained

'

ref

oed

E kPa 2x104 3296 6567 1.25x104 2.75x104 3.75x104 5.12x104 7.88x104

Bảng 3: Các thông số đất nền cho mô hình Hardening Soil

Ký

hiệu Đơn vị

Lớp cát lấp

Mô

Ứng

xử - Drained Undrained Drained Undrained Drained Drained Undrained Drained

γsat kN/m 20.2 15.3 19.43 19.99 19.54 19.48 19.69 19.54

'

50

ref

E kPa 2x104 3296 6567 1.25x104 2.75x104 3.75x104 5.12x104 7.88x104

ref

oed

E kPa 2x104 3296 6567 1.25x104 2.75x104 3.75x104 5.12x104 7.88x104

ref

ur

E kPa 6x104 9888 1.97x104 3.15x104 8.25x104 1.13x105 1.54x105 2.36x105

m - 0.5 1 0.8 0.7 0.5 0.5 0.5 0.5

Hình 5: Lưới phần tử và điều kiện biên

Lưới phần tử và điều kiện biên sử dụng trong phân tích như Hình 5.Theo Hình 5 chỉ phân tích trên mặt cắt A-A, mặt cắt này tương đối thõa mãn điều kiện không gian biến dạng 2 chiều (2D) Giới hạn vùng đất để phân tích PTHH với lưới phần tử là rộng 140m và sâu 67m Nó chứa 1623 phần tử tam giác 16 nút, kích thước lưới phần tử trung bình là 2.42m

4 Phân tích kết quả

4.1 Phân tích ảnh hưởng của độ cứng gia tải và dỡ tải của đất nền

Việc nghiên cứu thông số được thực hiện bằng cách lặp lại các phân tích phần tử hữu hạn với các giá trị khác nhau của các thông số cần nghiên cứu trong khi vẫn không thay đổi giá trị của các thông số khác Ảnh hưởng của thông số được xác định bằng cách so sánh với sự thay đổi biến dạng của tường và đất nền tại mỗi giai đoạn thi công đào đất, khi cho các thông số tăng hay giảm theo một mức độ cho trước

ur

ur

trình này Giá trị này là giátrị mặc định trong PLAXIS

Nhìn chung, khi tăng độ lớn của mô đun dỡ tải và gia tảiE ur ref chuyển vịngang của tường từ cao độ đào đất ở giai đoạn thứ 3 trở xuống giảm, nhưng nókhông ảnh hưởngđáng kể đếnchuyển vị ngang của tường từ cao độ đào đất ở giai đoạn thi công thứ 3 trở lên

Hình 6: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ nhất

Hình 7: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ hai

Hình 8: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ ba

Hình 9: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của ở

giai đoạn thi công thứ tư

Hình 10: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ bảy

Hình 11: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ tám

Bảng 4: So sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang lớn nhất của tường với chuyển vị ngang lớn nhất khi quan trắc thực tế với các cấp độ E ur ref

Các giai đoạn

thi công

ref ur

trắc 50

4.2 So sánh mô hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil

4.2.1 Chuyển vị ngang của tường

Với mô hình MC, kết quả dự báo chuyển vị lớn hơn quan trắc thực tế từ 15.97 ÷ 31.98% Có

sự chênh lệch này là do các thông số cho mô hình lấy từ số liệu thí nghiệm trong phòng không phản ánh chính xác nền đất thực tế Mẫu đất thí nghiệm trong phòng ngay sau khi lấy mẫu đã không còn nguyên dạng

Với mô hình HS, kết quả dự báo chuyển vị ngang của tường từ GĐ2 có sự khác biệt so với

mô hình MC Từ cao độ đáy hố đào ở từng giai đoạn đào đất trở lên, kết quả dự báo chuyển vị ngang của tường lớn hơn quan trắc thực tế từ 8.07 ÷17.90%, điều này được lý giải như với mô hình MC bên trên Ngược lại từ cao độ đáy hố đào trở xuống kết quả dự báo chuyển vị ngang của tường nhỏ hơn kết quả quan trắc Điều này được giải thích như sau: khi mô phỏng bài toán với mô hình HS, các giá trị đầu vào của mô đun dỡ tải và gia tải ở từng lớp đất bên trong và ngoài hố đào lấy cùng một giá trị Thực tế, độ lớn của mô đun dỡ tải và gia tải gia tăng theo độ sâu Do đó ở từng giai đoạn đào đất, mô đun dỡ tải và gia tải bên trong hố đào sẽ nhỏ hơn ngoài hố đào tại đáy hố đào vì lớp đất bên trên trong hố đào đã bị bóc đi Như vậy đương nhiên chuyển vị của tường khi quan trắc thực tế sẽ nhỏ hơn

Tại GĐ1, kết quả tính toán chuyển vị ngang lớn nhất của tường với mô hình MC và HS lần lượt là 15.52mm và 13.74mm, cả hai mô hình đều cho kết quả chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh tường, giống như chuyển vị thực tế của tường Hình dạng chuyển vị ngang của tường dự báo bằng hai mô hình cho thấy tường làm việc như một console, điều này tương đối phù hợp Tuy nhiên ta dễ dàng nhận thấy mô hình HS cho kết quả gần thực tế hơn

Tại các giai đoạn thi công tiếp theo, kết quả dự báo từ mô hình HS tỏ ra phù hợp với chuyển

vị thực tế của tường hơn kết quả dự báo từ mô hình MC Chuyển vị ngang lớn nhất của tường tính toán từ mô hình MC lớn hơn từ mô hình HS từ 6.5% đến 17.15%

Nhìn chung, hình dạng chuyển vị của tường khi phân tích bằng 2 mô hình MC và HS tương đối giống với chuyển vị thực tế của tường Tuy nhiên, từ kết quả đã chỉ ra, ta nhận thấy tại chân tường chắn, khi phân tích bằng mô hình HS kết quả chuyển vị ngang gần như giống chuyển vị ngang thực tế của tường Còn kết quả chuyển vị ngang khi phân tích bằng mô hình MC từ giai đoạn thi công thứ 2 (tức là thời điểm tường không còn làm việc như một console nữa) có sự khác biệt đáng

kể, chuyển vị ngang lớn nhất tại đây xuất hiện ở GĐ 8, khi kết thúc hố đào là 11.44mm, so với chuyển vị ngang khi tính tóan bằng mô hình HS là 1.81 mm và so với chuyển vị ngang thực tế đo được là 0.45mm

Bảng 4: So sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang lớn nhất từ 2

mô hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil

Giai đoạn thi

công

Mohr – Coulomb (mm)

Hardening Soil (mm)

Quan trắc (mm)

Chênh lệch giữa HS và MC

Hình 12: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ nhất

Hình 13: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ hai

Hình 14: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ bảy

Hình 15: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của

tường ở giai đoạn thi công thứ tám

Bảng 5: So sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang lớn nhất từ 2 mô hình Mohr – Coulomb và

Hardening Soil với kết quả quan trắc

Giai đoạn thi

công

Mohr – Coulomb (mm)

Hardening Soil (mm)

Quan trắc (mm)

Chênh lệch giữa MC và HS với thực tế (%)

4.2.2 Biến dạng của đất nền

Hình 16 chỉ rõ kết quả tính toán độ lún bề mặt của đất nền với hai mô hình MC và HS ở giai đoạn đào đất cuối cùng (GĐ8) Theo đó, kết quả tính toán độ lún của đất nền với mô hình MC nhỏ hơn so với khi tính toán bằng mô hình HS, và số liệu quan trắc lún tại vị trí cách tường 5m là 6.42cm, hầu như trùng với kết quả tính toán với mô hình HS Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng độ lún bề mặt khi tính toán bằng mô hình MC lại lớn hơn so với khi tính toán bằng mô hình HS Kết quả dự báo độ lún bề mặt với mô hình MC cho thấy vùng ảnh hưởng lún rất lớn, và như vậy cần hết sức chú

ý và có biện pháp xử lý đối với các công trình nằm trên vùng này ở xung quanh hố đào

Với mô hình HS, khi tăng mô đun biến dạng trong điều kiện dỡ tải và gia tải E ur ref, ta thấy rõ không có ảnh hưởng đáng kể đối với độ lún bề mặt của đất nền

Cả 2 mô hình MC và HS đều cho kết quả tính toán độ lún lớn nhất tại vị trí cách tường 2.5m Kết quả so sánh độ lún bề mặt lớn nhất khi tính toán từ 2 mô hình MC và HS được trình bày tóm tắt trong Bảng 6

Hình 16: So sánh kết quả tính toán độ lún bề mặt của đất nền bằng hai mô hình Mohr – Coulomb và

Hardening Soil với kết quả quan trắc ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8)

Bảng 6: So sánh kết quả tính toán độ lún bề mặt lớn nhất của đất nền bằng hai mô hình Mohr –

Coulomb và Hardening Soil ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8)

Giai đoạn

thi công

Độ lún bề mặt lớn nhất, Sv (mm)

Mô hình HS

50

( ref 3 ref)

ur

Mô hình HS

50 (E ur ref 4E ref)

Mô hình HS

50

( ref 5 ref)

ur

Mô hình MC

Như vậy, vớiE ur ref 3E50refkhi tính toán trong mô hình Hardening Soil, độlún bề mặt lớnnhất sẽ lớn hơn khi tính toán trong mô hình mohr – coulomb khoảng 14.57%

Hình 17 thể hiện kết quả tính toán độ trồi hố móng tại giai đoạn đào đất cuối cùng (GĐ8) Kết quả tính toán với mô hình MC cho thấy độ trồi hố móng lớn hơn so với khi tínhtoán bằng mô hình HS Với mô hình hardening soil, khi mô đunbiến dạng trong điều kiện gia tải và dỡ tảiE ur reftăng,

sẽ cho kết quả là độ trồi hố móng giảm Như vậy, qua kết quả phântích, ta thấy mô đun biến dạng gia

đến chuyển vị ngang của tường chắn

Khi thi công đào đất trước tường chắn dẫn đến sự giảm ứng suất phía sau lưng tường và làm mất ứng suất theo phương đứng của lớp đất bên dưới đáy hố đào Theo đó, sẽ phù hợp hơn khi sử dụng mô đun biến dạng gia tải, dỡ tải trong việc phân tích ứng xử biến dạng bề mặt trong công trình

hố đào sâu Mô hình MC chỉ sử dụng 1 thông số mô đun biến dạng sẽ không thể mô hình đầy đủ ứng

xử đàn hồi dẻo của quá trình dỡ tải Trong trường hợp này,những mô hình đất nền có bao gồm cả thông số mô đun biến dạng trong điều kiện gia tải và dỡ tảiE ur refnhư mô hình HS sẽ ưu việt hơn môhình MC trong mô phỏng công trình hố đào sâu

Kết quả tính toán độ trồi hố móng tại đáy hố đào ở giai đoạn đào đất cuối cùng với cảhai mô hình MC và HS được tóm tắt ở Bảng 7 Độ trồi đáy hố móng khi tính toán bằng mô hình hardening soilvới ref 3 50ref

ur

Kết quả thể hiện rõ khi phân tích biến dạng bề mặt của đất nền, việc sử dụng mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng MC sẽ cho kết quả không thật sự chính xác

Bảng 7: So sánh kết quả tính toán độ trồi hố móng lớn nhất của đất nền bằng hai mô hình Mohr –

Coulomb và Hardening Soil ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8)

Giai đoạn thi

công

Độ trồi hố móng lớn nhất, Hv (mm)

Mô hình HS

50

(E ur ref 3E ref)

Mô hình HS

50

(E ur ref 4E ref)

Mô hình HS

50

(E ur ref 5E ref)

Mô hình MC