Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình ngân hàng vietinbank chi nhánh sóc trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Ngọc Thuận, học viên cao học lớp CH24ĐKT12, chuyên ngành Địa

kỹ thuật xây dựng Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” là công trình nghiên cứu của

riêng tôi, tôi không sao chép và kết quả của luận văn này chưa công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào

Sóc Trăng, ngày tháng năm 2017

Tác giả

Nguyễn Ngọc Thuận

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Đỗ Tuấn Nghĩa

cùng với sự giúp đỡ của các giảng viên của Trường Đại học Thủy lợi Luận văn thạc sĩ

với đề tài “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các

yêu cầu trong đề cương được phê duyệt

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Đỗ Tuấn Nghĩa người đã tận tình

hướng dẫn, cung cấp thông tin, tài liệu và chỉ ra những định hướng khoa học cần thiết

để tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa công trình, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học cùng toàn thể các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người đi trước đã chỉ bảo, khích lệ, động viên, ủng hộ nhiệt tình và tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả về mọi mặt trong quá trình học tập cũng như hoàn thiện luận văn

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, anh chị em và các bạn đồng nghiệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU 4

1.1 Khái quát về hố đào sâu 4

1.1.1 Tình hình xây dựng hố đào sâu 4

1.1.2 Đặc điểm 8

1.2 Nguyên tắc thiết kế và phân loại kết cấu chắn giữ 9

1.2.1 Nguyên tắc thiết kế 9

1.2.2 Đặc điểm thiết kế 10

1.2.3 Các dạng tường vây hố đào sâu 12

1.3 Kết luận 18

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO MỞ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 19

2.1 Phương pháp Phần tử hữu hạn 19

2.1.1 Ứng dụng 20

2.1.2 Lịch sử 20

2.1.3 So sánh PPPTHH với phương pháp sai phân hữu hạn (PPSPHH) 21

2.2 Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích chuyển vị tường chắn hố đào (Plaxis 2D) 22

2.2.1 Mô hình 23

2.2.2 Những phần tử 24

2.2.3 Thiết lập dữ liệu đất nền 25

2.2.4 Thiết lập dữ liệu cho dầm 36

2.2.5 Thiết lập đặc trưng vật liệu của vải địa kỹ thuật 37

2.2.6 Thiết lập dữ liệu vật liệu neo 38

2.2.7 Tạo lưới (mesh generation) 39

2.2.8 Điều kiện ban đầu (initial conditions) 41

2.2.9 Điều kiện áp lưc nước (water conditions ) 42

2.2.10 Dạng hình học ban đầu (initial geometry configuration) 46

2.3 Kết luận 47

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU SÂU CHÔN TƯỜNG VÀ TIẾT DIỆN TƯỜNG ĐẾN CHUYỂN VỊ TƯỜNG 49

3.1 Mô hình hố đào sâu công trình Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam

(Vietinbank) chi nhánh Sóc Trăng 49

3.1.1 Mô tả đặc điểm công trình 49

3.1.2 Đặc điểm địa chất thủy văn và các thông số thí nghiệm đất nền 50

3.1.3 Các giai đoạn thi công tầng hầm công trình 53

3.1.4 Các thông số đầu vào để lập mô hình hố đào trong Plaxis 2D 54

3.1.5 Kết quả phân tích 59

3.2 Ảnh hưởng của chiều sâu chôn tường đến chuyển vị tường 63

3.3 Ảnh hưởng của tiết diện tường đến chuyển vị tường 70

3.4 Kết luận 74

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU SÂU HỐ MÓNG ĐẾN CHUYỂN VỊ TƯỜNG 76

4.1 Các trường hợp phân tích 76

4.2 Kết quả phân tích 78

4.3 Kết luận 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kênh xả ngầm ngoài khu vực đô thị G-cans thành phố Kasukabe, ngoại ô Tokyo, Nhật Bản Đây là một trong những hệ thống thoát nước nổi tiếng nhất đồng

thời là hệ thống thoát lũ ngầm lớn nhất thế giới 5

Hình 1.2 Ga Novoslobodskaya nằm trong hệ thống tàu điện ngầm hiện đại ở Moscow, Liên Bang Nga, lần đầu tiên đi vào hoạt động năm 1952 5

Hình 1.4 Đường hầm Thủ Thiêm, thành phố Hồ Chí Minh, hầm vượt sông lớn nhất Đông Nam Á, khánh thành 11/2011 Hầm có tổng chiều dài 1.490m, trong đó hầm dìm bao gồm 4 đốt hầm có tổng chiều dài 370m, hầm giao thông hộp đôi rộng 33,3m 7

Hình 1.5 Hầm B2, khu vực để xe máy cán bộ viên chức của tòa nhà Trung tâm hành chính Đà Nẵng 7

Hình 1.6 Công trình hố móng 8

Hình 1.7 Tường cừ Larsen 13

Hình 1.8 Tường vây cọc ximăng đất 14

Hình 1.9 Tường vây cọc bản bê tông cốt thép 15

Hình 1.10 Tường vây hố đào bằng cọc khoan nhồi 16

Hình 1.11 Tường vây bằng cọc barrette 17

Hình 2.1 Cửa sổ thiết lập thông số cơ bản của mô hình 23

Hình 2.2 Vị trí của nút và điểm ứng suất trong phần tử đất 25

Hình 2.3 Cửa sổ thiết lập thông số đất nền và lớp phân giới (Thông số đất nền) 31

Hình 2.4 Định nghĩa E0 và E50 32

Hình 2.5 Các đường tròn ứng suất tới hạn, một chạm vào đường phá hoại Mohr Coulomb 33

Hình 2.6 Mặt phá hoại trong không gian ứng suất chính cho đất cát 34

Hình 2.7 Cửa sổ thiết lập thông số đất nền và lớp phân giới (Thông số lớp phân giới) 34

Hình 2.8 Cửa số thiết lập thông số tường chắn 36

Hình 2.9 Cửa sổ thiết lập thông số vật liệu vải địa kỹ thuật 38

Hình 2.10 Cửa sổ thiết lập thông số hệ chống, neo 38

Hình 2.11 Cửa sổ thiết lập áp lực nước 45

Hình 2.12 Cửa sổ tạo ứng suất ban đầu 47

Hình 3.1 Phối cảnh công trình Ngân hàng Vietinbank, chi nhánh Sóc Trăng 49

Hình 3.2 Mặt bằng mô hình hố đào sâu Vietinbank Sóc Trăng 50

Hình 3.3 Mặt cắt địa chất công trình (hố khoan HK1, HK2, HK3) 53

Hình 3.4 Mặt cắt hố đào công trình 54

Hình 3.5 Mô hình hố đào công trình trong phần mềm Plaxis 2D 54

Hình 3.6 Chuyển vị ngang của tường trong các giai đoạn đào 59

Hình 3.7 Sụt lún mặt đất sau tường theo các giai đoạn đào 60

Hình 3.8 Hiện trạng công trình Câu lạc bộ hưu trí 61

Hình 3.9 Đẩy trồi qua các giai đoạn đào 61

Hình 3.10 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 1 62

Hình 3.11 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 2 62

Hình 3.12 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 3 63

Hình 3.13 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn khi tăng chiều sâu chôn tường 64

Hình 3.14 Quan hệ chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn và tỷ lệ Hp/He 65

Hình 3.15 Trường hợp Hp = 11m 66

Hình 3.16 Trường hợp Hp = 13m 66

Hình 3.17 Trường hợp Hp = 15m 67

Hình 3.18 Trường hợp Hp = 17m 67

Hình 3.19 Trường hợp Hp = 19m 68

Hình 3.20 Trường hợp Hp = 23m 68

Hình 3.21 Trường hợp Hp = 26m 69

Hình 3.22 Trường hợp Hp = 32,5m 69

Hình 3.23 Chuyển vị ngang lớn nhất đối với từng loại tường chắn 72

Hình 3.24 Quan hệ giữa EI/EIo và chuyển vị tường chắn 73

Hình 3.25 Biểu đồ các điểm chảy dẻo (tường chắn FSP IV) 73

Hình 3.26 Biểu đồ các điểm chảy dẻo (tường chắn SW 500A) 74

Hình 3.27 Biểu đồ các điểm chảy dẻo (tường chắn Barrette D1200) 74

Hình 4.1 Mặt cắt điển hình của các hố đào phân tích 76

Hình 4.2 Mô hình Plaxis cho trường hợp He = 8m, He = 9m 77

Hình 4.3 Mô hình Plaxis cho trường hợp He = 11m 77

Hình 4.4 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn khi tăng chiều sâu hố móng 79

Hình 4.5 Quan hệ chuyển vị ngang lớn nhất của tường cừ và chiều sâu hố móng 80

Hình 4.6 Trường hợp He = 6,5m 81

Hình 4.7 Trường hợp He = 7,0m 81

Hình 4.8 Trường hợp He = 8,0m 82

Hình 4.9 Trường hợp He = 9,0m 82

Hình 4.10 Trường hợp He = 11,0m 83

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất 51

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất (tiếp) 52

Bảng 3.2 Thông số đất nền 56

Bảng 3.3 Thông số tường cừ 58

Bảng 3.4 Thông số thanh chống 59

Bảng 3.5 Thông số tường cừ thép FSP 71

Bảng 3.6 Thông số tường cừ ván bêtông cốt thép SW 71

Bảng 3.7 Thông số tường cừ cọc barrette B25 71

Bảng 4.1 Trình tự thi công ứng với các trường hợp chiều sâu hố móng khác nhau 78

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hoá của nước ta ngày càng nhanh, quỹ đất đô thị nói chung và của các đô thị lớn nói riêng đã gần cạn kiệt, các không gian xanh, không gian công cộng ngày một thu hẹp đòi hỏi phải tận dụng cả chiều cao lẫn chiều sâu của không gian đô thị Tiết kiệm đất đai trong khai thác tài nguyên không gian ngầm đô thị,

bố trí hợp lý các công trình ngầm sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển và nâng cao chất lượng sống của đô thị Sự xuất hiện của các Trung tâm thương mại ngầm quy mô lớn hoặc các dự án Bãi đỗ xe ngầm kết hợp dịch vụ cho thấy nhu cầu xã hội rất lớn Khai thác và sử dụng không gian ngầm cho phát triển, chỉnh trang đô thị tại Việt Nam như một nguồn tài nguyên không gian rộng lớn là xu hướng tất yếu

Tại các đô thị lớn như Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng… thì các công trình có thiết kế cao tầng đều gắn liền với thiết kế tầng hầm nhằm tận dụng triệt để quỹ đất đô thị Số tầng hầm được thiết kế phổ biến nhất là từ 2-3 tầng, có nhiều công trình phức hợp có 3

- 6 tầng hầm với diện tích lớn như: Tòa nhà Kumho Asiana Plaza, Trung tâm thương mại, văn phòng, căn hộ cho thuê và bãi đậu xe ngầm tại số 70 Lê Thánh Tôn và phần ngầm công viên Chi Lăng; Cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại và căn hộ cho thuê tại số 34 Tôn Đức Thắng; Khu phức hợp Eden…

Thành phố Sóc Trăng là một đô thị còn non trẻ, quỹ đất xây dựng công trình trong nội

ô thành phố tuy còn nhiều nhưng việc đầu tư xây dựng các công trình nhà cao tầng kết hợp tầng hầm tại khu vực trung tâm thành phố đang dần trở nên phổ biến Với khuynh hướng phát triển mạnh các công trình nhà cao tầng, đặc biệt khi có tầng hầm trong điều kiện địa chất thủy văn trên địa bàn tỉnh là đất yếu bảo hòa nước thì việc nghiên cứu tính toán ổn định của hố đào sâu cần phải được quan tâm, nghiên cứu đúng mức nhằm đảm bảo cho công trình chủ thể và các công trình lân cận được ổn định, tránh được các sự cố đáng tiếc xảy ra trong quá trình thi công xây dựng cũng như khi đưa vào khai thác sử dụng lâu dài

Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào và có thể làm thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịch chuyển Các giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là: tường cừ thép, tường cừ cọc xi măng đất, tường cừ barrette Yêu cầu chung của tường cừ là phải đảm bảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tải trọng Bên cạnh đó thì việc hạn chế và đảm bảo chuyển vị của tường cừ trong mức cho phép

là hết sức quan trọng

Vì vậy mà việc nghiên cứu chuyển vị của tường cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị của tường hố đào sâu trong công trình là rất cần thiết và cấp bách nhằm dự báo chính xác sự làm việc của tường từ đó đề xuất biện pháp hợp lý, đảm bảo an toàn kĩ thuật và tính kinh tế Đây cũng chính là tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

3 Cách tiếp cận

- Nghiên cứu các lý thuyết về chuyển vị của tường hố đào sâu

- Thu thập các thông tin về hiện trạng, tài liệu địa hình, địa chất, tài liệu thiết kế công trình Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng

- Sử dụng phần mềm Plaxis 2D để phân tích, tính toán chuyển vị, biến dạng của tường chắn trong quá trình thi công đào đất

4 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng các thông tin về hiện trạng, tài liệu địa hình, địa chất, tài liệu thiết kế công trình Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng làm công trình nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng

- Phương pháp kế thừa: Tổng hợp và áp dụng các lý thuyết đã có liên quan đến vấn đề chuyển vị tường trong hố đào sâu

- Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D phân tích, tính toán để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị thực tế của tường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU

1.1 Khái quát về hố đào sâu

1.1.1 Tình hình xây dựng hố đào sâu

Hầu như các thành phố lớn trên thế giới, do cần tiết kiệm đất đai và giá đất ngày càng cao, nên đã tìm cách cải tạo hoặc xây mới các đô thị của mình với ý tưởng chung và triệt

để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất cho nhiều mục đích khác nhau về kinh

tế, xã hội, văn hóa, môi trường và có khi cả cho phòng vệ

Một số ngành công nghiệp hiện đại, do dây chuyền công nghệ yêu cầu cũng đã đặt không

ít các thiết bị, máy móc bên dưới tầng hầm công trình nằm sâu dưới mặt đất (như nhà máy luyện kim, cán thép, làm phân bón, làm rượu, sản xuất vật liệu xây dựng…) Các trạm bơm lớn, công trình thủy lợi hay thủy điện cũng cần đặt sâu vào lòng đất các

bộ phận công trình chức năng của mình với diện tích đến hàng chục nghìn mét vuông

Những loại công trình xây dựng hạ tầng cơ sở đô thị thường gặp hố hoặc hào đào sâu từ đơn giản đến phức tạp như:

- Hệ thống cấp nước;

- Hệ thống bể chứa và xử lý nước thải;

- Ống góp kỹ thuật chung (collector, trong đó đặt các đường ống cấp nước, khí đốt, điện động lực, cáp thông tin…;

Hình 1.1 Kênh xả ngầm ngoài khu vực đô thị G-cans thành phố Kasukabe, ngoại ô Tokyo, Nhật Bản Đây là một trong những hệ thống thoát nước nổi tiếng nhất

đồng thời là hệ thống thoát lũ ngầm lớn nhất thế giới

- Nút vượt ngầm cho người đi bộ hoặc phương tiện giao thông nhẹ (kết hợp các kiốt, thương mại, dịch vụ…); Bãi đậu xe, gara ô tô, kho hàng,…

- Ga và đường tàu điện ngầm, đường ô tô cao tốc;

Hình 1.2 Ga Novoslobodskaya nằm trong hệ thống tàu điện ngầm hiện đại ở Moscow,

Liên Bang Nga, lần đầu tiên đi vào hoạt động năm 1952

- Văn phòng giao dịch, cung hội nghị, khu triển lãm, trung tâm thương mại…;

Hình 1.3 RESO - Khu phức hợp ngầm lớn nhất thế giới, thành phố Montreal, Canada

- Công trình phòng vệ dân sự;

Trong thế giới hiện đại công trình ngầm không chỉ để giải quyết các vấn đề “nóng” trong phát triển đô thị mà còn phát triển thành những trung tâm văn hóa, thương mại, đạt tới trình độ đỉnh cao của nghệ thuật kiến trúc và chứa đựng những nét đặc trưng của các thành phố như: Khu phức hợp ngầm lớn nhất thế giới RESO tại thành phố Montreal, bang Quebec, Canada, hệ thống tàu điện ngầm ở Moscow, London, Paris, Tokyo, hệ thống cống ngầm thoát nước các thành phố lớn, …

Tại Việt Nam, các công trình có tầng hầm cũng bắt đầu xuất hiện từ những năm đầu của thập niên 90, đặc biệt phát triển trong hơn 10 năm trở lại đây nhất là ở các đô thị lớn như thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Tuy nhiên, việc khai thác không gian ngầm cho mục đích xây dựng, cải tạo và phát triển đô thị ở nước ta mới chỉ dừng lại ở những không gian đơn lẻ (dưới các khối nhà cao tầng của các khu đô thị), hoặc chủ yếu phục vụ nhu cầu giao thông như hầm đường bộ, hầm để xe tại các trung tâm thương mại…

Hình 1.4 Đường hầm Thủ Thiêm, thành phố Hồ Chí Minh, hầm vượt sông lớn nhất Đông Nam Á, khánh thành 11/2011 Hầm có tổng chiều dài 1.490m, trong đó hầm dìm bao gồm 4 đốt hầm có tổng chiều dài 370m, hầm giao thông hộp đôi rộng 33,3m

Hình 1.5 Hầm B2, khu vực để xe máy cán bộ viên chức của tòa nhà Trung tâm hành

chính Đà Nẵng

Hình 1.6 Công trình hố móng Công trình hố móng có liên quan với tính địa phương, điều kiện địa chất của mỗi vùng khác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau Đào hố móng trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp rất dễ sinh ra trượt lỡ khối đất, mất ổn định hố móng, gây ra hiện tượng bùn trồi đáy hố móng, gây hư hỏng công trình xây dựng và các công trình lân cận

Về ranh giới phân biệt giữa hố móng nông và hố đào sâu không có quy định rõ rệt, trong thực tế đối với các hố móng từ 6m trở lên được xem là hố đào sâu hoặc những hố móng

có độ sâu không quá 6m nhưng địa chất và môi trường xung quanh của hố móng phức tạp thì cũng được ứng xử như là hố đào sâu Hiện nay, với việc xây dựng ngày càng tăng

trình hố móng đang phát triển theo xu hướng có độ sâu lớn hơn, diện tích rộng hơn nên vấn đề đảm bảo ổn định và an toàn thi công đào sâu luôn là bài toán khó, cần phải tuân thủ nghiêm ngặt trong suốt quá trình triển khai dự án từ khâu khảo sát địa chất, thiết kế đến việc triển khai thi công hố đào sâu kết hợp với công tác quan trắc thực tế ngoài hiện trường

1.2 Nguyên tắc thiết kế và phân loại kết cấu chắn giữ

Ranh giới phân biệt giữa hố móng nông và hố móng sâu không có quy định rõ rệt, có quan niệm cho là không quá 5m coi là hố móng sâu, còn trong thực tế thị trường lấy 6m làm ranh giới hố móng nông và hố móng sâu là tương đối phù hợp Có khi độ sâu hố móng ít hơn 5m nhưng phải đào trong đất có điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn phức tạp cũng phải ứng xử như đối với hố móng sâu

Cuốn sách này chủ yếu giới thiệu về thiết kế và thi công hệ kết cấu chắn giữ trong hố móng sâu, bao gồm việc thiết kế và thi công hệ thống kết cấu tường (cọc) quây giữ có chịu áp lực của nước đất, chắn giữa (hoặc thanh neo đất), trụ với thanh cài, màng chống thấm…

1.2.1 Nguyên tắc thiết kế

Nguyên tắc thiết kế kết cấu chắn giữ là:

1/ An toàn tin cậy: Đáp ứng yêu cầu về cường độ bản thân, tính ổn định và và sự biến dạng kết cấu chắn giữ, đảm bảo an toàn cho công trình ở xung quanh;

2/ Tính hợp lí về kinh tế: Dưới tiền đề là bảo đảm an toàn, tin cậy cho kết cấu chắn giữ, phải xác định phương án có hiệu quả kinh tế kỹ thuật rõ ràng trên cơ sở tổng hợp các mặt thời gian, vật liệu, thiết bị, nhân công và bảo vệ môi trường xung quanh;

3/ Thuận lợi và bảo đảm thời gian cho thi công, trên nguyên tắc an toàn tin cậy và kinh

tế hợp lí, đáp tối đa những điều thuận lợi cho thi công (như bố trí chắn giữ hợp lí, thuận tiện cho việc đào đất), rút ngắn thời gian thi công

Kết cấu giữ thường chỉ có tính tạm thời, khi móng thi công xong là hết tác dụng Một số vật liệu làm kết cấu chắn giữ có thể được sử dụng lại, như cọc bản thép và những phương

tiện chắn giữ theo kiểu công cụ Nhưng cũng có một số kết cấu chắn giữ được chôn lâu dài ở trong đất cọc tấm bằng bêtông cốt thép, cọc nhồi, cọc trộn xi măng đất và tường liên tục trong đất Cũng có cả loại trong khi thi công móng thì làm kết cấu chắn giữ hố móng, thi công xong sẽ trở thành một bộ phận của kết cấu vĩnh cửu, làm thành tường ngoài các phòng ngầm kiểu phức hợp như tường liên tục trong đất

1.2.2 Đặc điểm thiết kế

Đặc điểm của công tác thiết kế công trình chăn giữ hố móng là:

1/ Tính không xác định của ngoại lực: Ngoại lực tác dụng lên các kết cấu chắn giữ (áp dụng chủ động và bị động của đất và áp lực nước) sẽ thay đổi theo điều kiện môi trường, phương pháp thi công và giai đoạn thi công;

2/ Tính không xác định của biến dạng, khống chế biển dạng điều quan trọng trong thiết

kế kết cấu chắn giữ nhưng lại có nhiều nhân số ảnh hưởng đến lượng biến dạng này như là: Độ cứng của tường vây, cách bố trí hệ chống (hoặc neo) và đặc tính mang tải của cấu kiện, tính chất đất nền, sự thay đổi của mức nước dưới đất, chất lượng thi công, trình độ quản lí ngoài hiện trường…

3/ Tính chất không xác định của đất; tính chất không đồng nhất của đất nền (hoặc của lớp đất) và chúng cũng không phải là số không đổi, hơn nữa lại có những phương pháp xác định khác nhau (như cắt không có thoát nước…) tùy theo mẫu lấy ở những vị trí và giai đoạn thi công không giống nhau của hố móng, tính chất đất cũng thay đổi, sự tác dụng của đất nền lên kết cấu chắn giữ hoặc lực chắn giữ của nó cũng theo đó mà thay đổi;

4/ Những nhân tố ngẫu nhiên gây ra sự thay đổi, những ngày thay đổi ngoài ý muốn của

sự phân bố áp lực đất trên hiện trường thi công, sự không nắm vững những chướng ngại vật trong lòng đât (ví dụ tuyến đường ống đã cũ nát), những thay đổi của môi trường xung quanh… đều có ảnh hưởng đến việc thi công và sử dụng hố đào sâu một cách bình thường

Do những nhân tố khó xác định chính xác nói trên nêu một xu hướng mới trong thiết kế

Casagrande nhấn mạnh rằng các rủi ro được tổng kết từ nhiều dự án, sự tồn tại của chúng phải được thừa nhận, và đang từng bước sử dụng để diễn tả một sự cân bằng giữa tính kinh tế và sự an toàn; các rủi ro này phải được xem xét một cách có hệ thống Casagrande định nghĩa “rủi ro tính toán” gồm hai thành phần:

a) Việc sử dụng những kiến thức chưa hoàn chỉnh, các chỉ dẫn đánh giá và kinh nghiệm

để dự tính phạm vi có thể với liều lượng thích hợp để đưa vào giải quyết vấn đề

b) Các quyết định, trong phạm vi phù hợp về an toàn hoặc mức độ rủi ro, được kể tới trong các yếu tố kinh tế và mức độ của tổn thất từ các phá hoại

Casagrande không định lượng các rủi ro Sau đó, Whitman đã chỉ ra những ưu điểm đáng quan tâm của lý thuyết độ tin cậy và xác suất nhưng nhấn mạnh rằng việc sử dụng những lí thuyết như vậy không thể thay thế được cho các đo đạc vật lí và các phân tích công trình Cuối cùng, Whitman cho rằng sự thỏa mãn các giá trị về rủi ro sẽ được trả lời theo 2 cách:

a) Nếu xác suất phá hoại tương đối lớn (0,05 hoặc hơn) dưới tải trọng thiết kế cho phép, rủi ro này có thể được đánh giá (bằng lí thuyết độ tin cậy) với độ chính xác đủ để tạo ra các quyết định Trạng thái này chỉ được áp dụng khi quan tâm tới tổn thất về kinh tế và không an toàn

b) Nếu xác suất phá hoại rất nhỏ (nhỏ hơn 0,001) dưới tải trọng thiết kế cho phép, rủi ro này không thể đánh giá được bằng phân tích Mặc dù vậy, việc tạo ra một giá trị thông thường của xác suất phá hoại có thể được trợ giúp nhiều từ các biểu biết về rủi ro và những gì tốt nhất có thể làm để giảm thiểu chúng

Việc thiết kế nhiều dự án về hố đào sâu phải nằm trong dạng thức hai khi chấp nhận xác suất phá hoại phải rất nhỏ bởi các rủi ro trong đời sống Whitman đã minh họa trong các loại báo của ống các ứng dụng lí thuyết độ tin cậy để kiểm tra một cách có hệ thống và các lỗi ngẫu nhiên khi đánh giá các rủi ro trong ổn định mái dốc, các yếu tố an toàn trong phân tích rủi ro của sự hóa lỏng và việc sử dụng kĩ thuật phân tích hệ thống để định lượng rủi ro trong một số dự án Các ví dụ về đánh giá rủi ro đã được tiến hành cho một

dự án xây dựng công nghiệp để cho khả năng hóa lỏng tiềm ẩn của cát và cho việc thi công đập đất

Hoeg và Muraka đã xem việc thiết kế thông thường một tường chắn trọng lực đơn giản

và tiến hành một phần tích thống kê về tường cho thiết kế Đối với các đặc tính của đất

và chiều cao lớp đất lấp, thiết kế này đã sử dụng các hệ số an toàn là 1,9; 3,7 và 1,6 để chống lật, sức chịu tải phá hoại và trượt, mặc dù với những giá trị an toàn này, phân tích thống kê đưa ra xác suất phá hoại tương ứng là 1/10000, 13/1000 và 3/1000 Xác suất

về phá hoại khả năng chịu tải là đặc biệt cao và sự khác biệt lớn cũng được thấy trong xác suất phá hoại giữa các dạng phá hoại Ví dụ cho thấy các hệ số an toàn thông thường

có thể dễ dàng sai lệch

Hoeg và Muraka sau đó đã thiết kế lại tường trọng lực này sử dụng phương pháp xác suất, tính giá thành ban đầu, giá thành thi công, giá thành thiệt hại và xác suất phá hoại

do lật, qua sức chịu tải và trượt, để xác định tổng giá thành cần thiết Thiết kế tối ưu này

là hệ thống với tổng giá thành cân thiết là nhỏ nhất

Dự định chủ yếu của Whitman Hoeg, Muraka là cung cấp một mô hình cho việc thiết

kế theo xác suất bằng các phương pháp tương tự, cho các kết cấu phức tạp hơn như các tường có giăng và neo, mặc dù có tính lôgic trong lập luận của họ nhưng chỉ có một ít trường hợp cho thấy những phương pháp như vậy chỉ có thể được tiến hành khi người thiết kế chấp nhận

1.2.3 Các dạng tường vây hố đào sâu

Tường quây giữ có các loại chủ yếu sau đây:

1.2.3.1 Tường cọc bản thép (tường cừ Larsen):

Sử dụng các loại thép hình có mặt cắt ngang dạng chữ U hoặc chữ Z, hạ xuống nền đất bằng phương pháp đóng, rung, có thể thu hồi lại để sử dụng sau khi đã hòan thành nhiệm

vụ chắn giữ hố móng Đây là phương pháp cổ điển nhất, thi công nhanh nhưng độ cứng tường không lớn nên lượng thanh chống lớn, không gian đào đất chật hẹp Loại này sử dụng cho các hố đào có độ sâu từ 3m đến 10m

Hình 1.7 Tường cừ Larsen

- Ưu điểm của phương pháp này là chất lượng vật liệu của cọc bản tin cậy, đây là phương pháp cổ điển nhất, thi công nhanh, khả năng ngăn nước tương đối tốt nhưng độ cứng tường không lớn nên lượng thanh chống lớn, không gian đào đất chật hẹp

- Nhược điểm của phương pháp này là gây ra tiếng ồn thi công lớn, chấn động mạnh, xáo động nền đất nhiều, khi thi công sinh ra biến dạng lớn, các công trình xây dựng xung quanh và các đường ống ngầm dễ bị lún và chuyển vị mạnh Loại này sử dụng cho các hố đào có độ sâu từ 3m đến 10m

1.2.3.2 Tường vây hố đào bằng cọc ximăng đất trộn ở tầng sâu:

Dùng máy khoan khoan vào đất với đường kính và chiều sâu lổ khoan theo thiết kế, đất trong quá trình khoan được trộn cưỡng chế với ximăng thành các dãy cọc ximăng đất, sau khi đóng rắn lại sẽ thành tường chắn dạng bản liền khối, có khả năng chống thấm

và ổn định cho hố đào, thi công được trong điều kiện ngập sâu trong nước, hiện trường chật hẹp Loại tường vây này thích hợp với các loại đất từ cát thô cho đến bùn yếu, sử dụng cho các hố đào có độ sâu từ 3m đến 10m

Hình 1.8 Tường vây cọc ximăng đất

1.2.3.3 Tường vây hố đào bằng cọc bản bê tông cốt thép:

Đây là dạng đặc biệt của tường chắn, được dùng để bảo vệ các công trình ven sông, chống xói ngầm rất hiệu quả, cường độ chịu lực tốt, giá thành rẻ Mặt cắt tiết diện có dạng sóng, dạng phẳng, dạng mặt phẳng/mặt lõm; chiều dài cọc từ 6m đến 21m, bề rộng các loại cọc cố định 0,996m Phương pháp thi công bằng búa rung kết hợp xói nước Sau khi hạ cừ xong, bên trên đỉnh cọc đổ dầm vòng bê tông cốt thép và đặt một dãy hệ thanh chống hoặc thanh neo

Hình 1.9 Tường vây cọc bản bê tông cốt thép

- Ưu điểm của cọc bản bê tông cốt thép: Độ cứng chống uốn lớn; Độ dịch chuyển nhỏ ở đầu cọc; Không bị ăn mòn nhanh; Có thể được dùng như một kết cấu vĩnh viễn; Do chiều rộng cọc bản bêtông cốt thép đến gần 1m nên giảm thời gian hạ cọc; Dùng thiết

bị thông dụng để hạ cọc (rung ép có đóng cọc khi kết hợp xói nước); Sử dụng vật liệu hàn, trám bằng clorua nhựa vinyl nên cọc bản bê tông cốt thép có thể làm màng ngăn nước;

- Nhược điểm của cọc bản bê tông cốt thép ứng suất trước: Nâng, vận chuyển cẩn thận hơn để tránh hư hỏng; chiều dài hạn chế, không có khả năng nối dài; khả năng sử dụng lại có thể rất thấp do bị hỏng lúc nhổ; Độ dày lớn nên chi phí đóng cọc bản bê tông cốt thép gấp 1,8 đến 2,2 lần so với cọc ván thép (kinh nghiệm Nhật Bản) và không thích hợp khi làm hố móng trong xây chen do chuyển vị ngang đất nền lớn

1.2.3.4 Tường vây hố đào bằng cọc khoan nhồi:

Các cọc nhồi có đường kính từ 0,6m đến 1m, dài 15m đến 30m, tạo thành hệ tường chắn kín khít để bảo vệ thành hố đào sâu của tầng hầm Giải pháp tường vây này bảo vệ các công trình lân cận rất an toàn, nhưng tốn nhiều không gian ngầm, giá thành cao Sử dụng thích hợp đối với các hố đào có độ sâu từ 6m đến 13m, hiệu quả đối với khu vực có nhiều công trình xây chen

Hình 1.10 Tường vây hố đào bằng cọc khoan nhồi

1.2.3.5 Tường vây Diaphragm wall, cọc barrette (tường liên tục trong đất):

Tiết diện tường có dạng hình chữ nhật, sau khi được tạo thành hào bằng gầu ngoạm thì lồng thép được hạ xuống để đổ bê tông; kết cấu bê tông cốt thép này được sử dụng để làm tường vây hố đào và kết hợp làm tường tầng hầm để sử dụng sau này Loại tường vây này có giá thành cao, thích hợp với điều kiện địa hình thi công khó khăn, xung quanh có nhiều công trình xây chen, sử dụng cho các hố đào có độ sâu từ 10m trở lên

Hình 1.11 Tường vây bằng cọc barrette

1.2.3.6 Giếng chìm và giếng chìm hơi ép, trên mặt đất hoặc trong hố đào nông có nền

Được chuẩn bị đặc biệt ta làm tường vây của công trình để hở phía trên và phía dưới, phía bên trong công trình (trong lòng của giếng) đặt các máy đào đất, phía bên ngoài thì

có cần trục để chuyển đất đào được ra khỏi giếng Cũng có thể đào đất bằng phương pháp thủy lực Dưới tác dụng của lực trọng trường (trọng lượng bản thân của giếng) công trình sẽ hạ sâu vào đất Để giảm lực ma sát ở mặt ngoài giếng có thể dùng phương pháp xói thủy lực, làm lớp vừa sét quanh mặt ngoài mặt giếng và đất, sơn lên mặt ngoài lớp sơn chống ma sát v.v…

Sau khi giếng đã hạ đến độ sâu thiết kế sẽ thi công bịt đáy và làm các kết cấu bên trong

từ dưới lên trên: Cột, sàn, móng, thiết bị, bunke v.v…

Giếng chìm hơi ép: Trên mặt đất làm một hộp kín với nắp là sàn giếng và đáy dưới nằm sát phần đào của chân giếng, trong đó có lắp ống lên xuống và thiết bị điều chỉnh áp suất không khí: bên cạnh có trạm khí nén và máy bơm Đất đào được trong giếng sẽ đưa lên mặt đất qua ống lên xuống và thiết bị điều chỉnh áp suất không khí nói trên Trong không gian công tác của giếng chìm hơi ép đuoẹc bơm khí nén tới áp lực bằng áp lực thủy tinh

và nhờ vậy mà công tác đào đất đã khô ráo Cùng với hộp kín đi sâu vào đất ta thi công tiếp phần kết cấu nằm phía trên hộp kín nói trên Phương pháp giếng chìm hơi ép thường

dùng trong đất yếu có mực nước ngầm cao, dòng chảy mạnh, ở những nơi ngập nước, tức là trong những trường hợp việc thoát nước là khó khăn và không hợp lí về mặt kinh

tế, và chỉ ở độ sâu 30-35m vì không thể công tác ở áp suất 0 - 3,5atm

1.3 Kết luận

Quá trình xây dựng và phát triển đô thị trên thế giới đều quan tâm đến sử dụng không gian ngầm Việc khai thác, sử dụng không gian ngầm và xây dựng công trình ngầm là nhu cầu thực tế của của các đô thị ở nước ta trong thời gian tới Việc khai thác không gian ngầm sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng mặt đất, năng lực cơ sở hạ tầng, giữ gìn cảnh quan lịch sử văn hóa, tăng diện tích xanh, cải thiện sinh thái đô thị…

Công trình ngầm trong đô thị có rất nhiều loại, các công nghệ thi công nó cũng đa dạng

và phức tạp Việc thiết kế thi công hố đào sâu của công trình ngầm dựa theo nhiều phương thức, phương pháp tính toán khác nhau

Trong Chương 1, tác giả đã trình bày một cách khái quát về hố đào sâu của công trình ngầm trong đô thị Thông qua đó giúp chúng ta có một cái nhìn tổng quát công trình ngầm; tình hình xây dựng và phát triển hố đào sâu của công trình ngầm ở nước ta cũng như trên thế giới; nắm bắt được đặc điểm về hố đào sâu và các vấn đề thường gặp phải khi thi công hố đào sâu để từ đó chúng ta có những nghiên cứu, tính toán, đưa ra những giải pháp thi công hố đào sâu công trình ngầm đạt hiệu quả cao nhất cũng như hạn chế thấp nhất những rủi ro có thể xảy ra trong quá trình thi công

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO MỞ

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân, ví

dụ như phương trình truyền nhiệt Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, vân vân

PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm.Trong PPPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi là nút Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán

Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên vô nghĩa Có rất nhiều cách

để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm PPPTHH là sự lựa chọn

tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn miền Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là dự báo thời tiết cho vùng biển rộng, điều này có thể thực hiện được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

2.1.1 Ứng dụng

Phương pháp Phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán Cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn cũng được dùng trong vật lý học để giải các phương trình sóng, như trong vật lý plasma, các bài toán về truyền nhiệt, động lực học chất lỏng, trường điện từ

2.1.2 Lịch sử

Phương pháp phần tử hữu hạn được bắt nguồn từ những yêu cầu giải các bài toán phức tạp về lý thuyết đàn hồi, phân tích kết cấu trong xây dựng và kỹ thuật hàng không Nó được bắt đầu phát triển bởi Alexander Hrennikoff (1941) và Richard Courant (1942) Mặc dù hướng tiếp cận của những người đi tiên phong là khác nhau nhưng họ đều có một quan điểm chung, đó là chia những miền liên tục thành những miền con rời rạc Hrennikoff rời rạc những miền liên tục bằng cách sử dụng lưới tương tự, trong khi Courant chia những miền liên tục thành những miền có hình tam giác cho cách giải thứ hai của phương trình vi phân từng phần elliptic, xuất hiện từ các bài toán về xoắn của phần tử thanh hình trụ Sự đóng góp của Courant là phát triển, thu hút một số người nhanh chóng đưa ra kết quả cho PPVPTP elliptic được phát triển bởi Rayleigh, Ritz, và Galerkin Sự phát triển chính thức của PPPTHH được bắt đầu vào nửa sau những năm

1950 trong việc phân tích kết cấu khung máy bay và công trình xây dựng, và đã thu được nhiều kết quả ở Berkeley (xem Early Finite Element Research at Berkeley) trong những năm 1960 trong ngành xây dựng Phương pháp này được cung cấp nền tảng toán học chặt chẽ vào năm 1973 với việc xuất bản cuốn Strang và tổng kết trong An Analysis

of The Finite element Method và kể từ đó PPPTHH được tổng quát hóa thành một ngành

của toán ứng dụng, một mô hình số học cho các hệ thống tự nhiên, được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật, ví dụ như điện từ học và động lực học chất lỏng

Sự phát triển của PPPTHH trong cơ học kết cấu đặt cơ sở cho nguyên lý năng lượng, ví

dụ như: nguyên lý công khả dĩ, PPPTHH cung cấp một cơ sở tổng quát mang tính trực quan theo quy luật tự nhiên, đó là một yêu cầu lớn đối với những kỹ sư kết cấu

2.1.3 So sánh PPPTHH với phương pháp sai phân hữu hạn (PPSPHH)

PPSPHH là một phương pháp khác để giải phương trình vi phân từng phần Sự khác nhau giữa PPPTHH và PPSPHH là:

 Điểm đặc trưng nhất của PPPTHH là nó có khả năng áp dụng cho những bài toán hình học và những bài toán biên phức tạp với mối quan hệ rời rạc Trong khi đó PPSPHH

về căn bản chỉ áp dụng được trong dạng hình chữ nhật với mối quan hệ đơn giản, việc vận dụng kiến thức hình học trong PPPTHH là đơn giản về lý thuyết

 Điểm đặc trưng của phương pháp sai phân hữu hạn là có thể dễ dàng thực hiện được

 Trong một vài trường hợp, PPSPHH có thể xem như là một tập con của PPPTHH xấp xỉ Việc lựa chọn hàm cơ sở là hàm không đổi từng phần hoặc là hàm delta Dirac Trong cả hai phương pháp xấp xỉ, việc xấp xỉ được tiến hành trên toàn miền, nhưng miền đó không cần liên tục Như một sự lựa chọn, nó có thể xác định một hàm trên một miền rời rạc, với kết quả là toán tử vi phân liên tục không sinh ra chiều dài hơn, tuy nhiên việc xấp xỉ này không phải là PPPTHH

 Có những lập luận để lưu ý đến cơ sở toán học của việc xấp xỉ phần tử hữu hạn trở lên đúng đắn hơn, ví dụ, bởi vì trong PPSPHH đặc điểm của việc xấp xỉ những điểm lưới còn hạn chế

 Kết quả của việc xấp xỉ bằng PPPTHH thường chính xác hơn PPSPHH, nhưng điều này còn phụ thuộc vào nhiều vấn đề khác và một số trường hợp đã cho kết quả trái ngược

Nói chung, PPPTHH là một phương pháp thích hợp để phân tích các bài toán về kết cấu (giải các bài toán về biến dạng và ứng suất của vật thể dạng khối hoặc động lực học kết cấu), trong khi đó phương pháp tính trong động lực học chất lỏng có khuynh hướng sử

dụng PPSPHH hoặc những phương pháp khác (như phương pháp khối lượng hữu hạn) Những bài toán của động lực học chất lỏng thường yêu cầu phải rời rạc hóa bài toán thành một số lượng lớn những “ô vuông” hoặc những điểm lưới (hàng triệu hoặc hơn),

vì vậy mà nó đòi hỏi cách giải phải đơn giản hơn để xấp xỉ các “ô vuông” Điều này đặc biệt đúng cho các bài toán về dòng chảy ngoài, giống như dòng không khí bao quanh xe hơi hoặc máy bay, hoặc việc mô phỏng thời tiết ở một vùng rộng lớn

Có rất nhiều bộ phần mềm về phương pháp phần tử hữu hạn, một số miễn phí và một số được bán phổ biến nhất là Plaxis, GeoSlope,

2.2 Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích chuyển vị tường chắn

hố đào (Plaxis 2D)

Những đặc tính hữu hiệu của phần mềm Plaxis:

- Mô phỏng bài toán theo quá trình thi công;

- Tính toán theo thời gian (cố kết);

- Tính toán dòng thấm;

- Tính hệ số ổn định bằng C – Phi Reduction Technique

Các bước cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn:

- Chia lưới phần tử hữu hạn

- Chuyển vị tại các nút là các ẩn số

- Chuyển vị bên trong phần tử được nội suy từ các giá trị chuyển vị nút

- Mô hình vật liệu (quan hệ ứng suất – biến dạng)

- Điều kiện biên về chuyển vị - lực

- Giải hệ phương trình tổng thể cân bằng lực cho kết quả chuyển vị nút

- Tính các đại lượng khác (ứng suất – biến dạng)

Hình 2.1 Cửa sổ thiết lập thông số cơ bản của mô hình Một mô hình đối xứng trục được sử dụng cho những cấu trúc vòng tròn với một (nhiều hoặc ít hơn) mặt cắt ngang đường kính đồng dạng và tải xuyên tâm lên sơ đồ xung quanh trục tâm, nơi mà trạng thái biến dạng và trọng âm được giả thiết đồng nhất trong bất kỳ phương hướng xuyên tâm nào Chú ý rằng đó cho những vấn đề đối xứng trục tọa độ X đại diện bán kính và tọa độ Y tương ứng với đường trục đối xứng Những tọa độ X âm không cần được sử dụng Sự chọn lựa của biến dạng phẳng hoặc đối xứng trục dẫn đến một mô hình phần tử hữu hạn hai kích thước với chỉ hai tịnh tiến tự do của nút (phương

với ba tịnh tiến tự do của nút (phương X, Y và Z) Đối xứng trục 3D là sẵn có như một

mô đun riêng biệt và có thể được đọc theo yêu cầu đặc biệt

Cho một sự phân tích 3 chiều (đối xứng trục 3 chiều) duy nhất một loại phần tử là sẵn

có, phần tử nêm 15 nút (xem hình 2.2) Phần tử này đưa cho một phép nội suy thứ tự thứ hai cho những sự dịch chuyển và sự lấy tích phân là gồm sáu điểm ứng suất

Hình tam giác 15 nút là một phần tử 2 chiều rất chính xác mà đã được chỉ ra để đem lại những kết quả ứng suất chính xác cao cho những vấn đề khó, chẳng hạn trong những tính toán sự gãy vụn cho những loại đất không ép được Tuy nhiên, sử dụng những hình tam giác 15 nút dẫn tới sử dụng tương đối nhiều bộ nhớ và sự thực hiện tính toán và thao tác chậm Trong những phiên bản Plaxis trước đây hình tam giác 15 nút là kiểu phần tử mặc định bởi vì số lượng phần tử cực đại khá có hạn Trong phiên bản này, tuy nhiên, số lượng phần tử trong một mắt lưới phần tử hữu hạn có thể cao hơn những phiên bản được cho phép trước đây Để tránh thời gian tính toán và sự thực hiện chậm, phần

tử mặc định bây giờ là hình tam giác 6 nút Kiểu phần tử này thực hiện tốt cho đa số các kiểu tính toán

Tuy nhiên, sự chính xác của những kết quả trong đa số các trường hợp sẽ thấp hơn trong trường hợp tương tự khi sử dụng cùng số lượng của hình tam giác 15 nút

Sự chính xác của hình nêm 15 nút cho sự phân tích 3 chiều là có thể so sánh được với hình tam giác 6 nút trong một sự phân tích 2 chiều Những kiểu phần tử cao hơn thì

không được xem xét trong sự phân tích 3 chiều bởi vì điều này sẽ dẫn tới sử dụng nhiều

bộ nhớ và thời gian tính toán không thể chấp nhận được

Hình 2.2 Vị trí của nút và điểm ứng suất trong phần tử đất

2.2.3 Thiết lập dữ liệu đất nền

2.2.3.1 Mô hình vật liệu

Plaxis hỗ trợ nhiều loại mô hình trong quan hệ của đất Mô hình và các thông số được

mô tả chi tiết trong sổ tay mô hình vật liệu và được đề cập dưới đây:

a) Mô hình đường đàn dẻo:

Mô hình này đại diện là định luật Hooke's cho đường đẳng hướng đàn dẻo Mô hình bao gồm hai thông số Môdun đàn hồi E và hệ số Poisson's ν

b) Mô hình Mohr-Coulomb:

Mô hình Mohr-Coulomb (đàn hồi dẻo) chỉ tính cho giai đoạn đàn hồi dẻo, là mô hình gần đúng về mối quan hệ của đất, phù hợp với các loại đất quá cố kết, được ứng dụng rộng rãi trong mọi trường hợp

Công dụng của mô hình này là dùng để tính toán cho đất ở miền đàn hồi hay miền dẻo Nếu đất nằm trong miền đàn hồi dùng lý thuyết đàn hồi Nếu đất trong miền dẻo, dùng

lý thuyết dẻo

Mô hình được tính toán không liên quan đến dòng chảy ( ≠ ψ) và không đưa vào hệ số thấm để tính toán

Mô hình Mohr-Coulomb (đàn hồi dẻo) không áp dụng để tính toán cho các trường hợp:

- Đất nền hóa cứng (về khối lượng thể tích, lực cắt);

- Ứng xử thay đổi của đất nền đối với trường hợp tải nén nguyên thủy và tải đàn hồi (dỡ tải nén lại)

- Yếu tố ảnh hưởng về mặt thời gian chất tải

Khi tính toán theo mô hình Mohr-Coulomb gồm có 5 thông số cơ bản:

- Môdun đàn hồi Eref = E0 hoặc Eref = E50 được xác định từ thí nghiệm nén 3 trục thoát nước; hoặc từ thí nghiệm xuyên tĩnh SPT

- Hệ số poison ν: được xác định từ thí nghiệm nén đơn

- Lực dính c’: thông qua biểu đồ vòng tròn Morh

- Góc ma sát trong ’: xác định thông qua biểu đồ vòng tròn Morh

- Góc giãn nở ψ’: xác định từ thí nghiệm cắt trực tiếp hoặc theo công thức

0' ' 30

*Ưu điểm của mô hình:

- Mô hình sử dụng đơn giản;

- Phù hợp với những ứng dụng thực tiễn giản đơn;

- Các thông số đầu vào ít, số lượng phép tính có giới hạn;

- Cho kết quả phù hợp với trạng thái phá hoại thoát nước (drained)

*Khuyết điểm của mô hình:

- Ứng xử đàn hồi – dẻo cho đến khi phá hoại;

- Không phụ thuộc ứng suất đất nền – độ cứng độc lập;

- Ứng xử không thoát nước (undrained) không phù hợp với thực tế đất nền

c) Mô hình Hardening-Soil:

Đây là mô hình đường đàn dẻo loại hyperbolic Công thức tính ma sát trong đường đàn cứng Mô hình được sử dụng cho nhiều loại vật liệu như cát, sỏi và lớp cố kết bên trên lớp sét

Mô hình Hardening-Soil là mô hình nâng cao để mô phỏng ứng xử của nhiều loại đất nền khác nhau, cả đất mềm và đất cứng Đặc tính biến dạng của đất được diễn tả thông qua ba thông số độ cứng khác nhau: Môdun đàn hồi (độ cứng) cát tuyến E50ref, Môdun biến dạng tiếp tuyến Eoedref, Môdun đàn hồi trong điều kiện dỡ tải và gia tải lại Eurref, diễn tả sự phụ thuộc của ứng suất vào Môdun biến dạng

Mô hình Hardening-Soil được dùng để tính toán cho các trường hợp:

+ Ứng suất phụ thuộc vào độ cứng đất nền theo hàm mũ

+ Biến dạng dẻo phụ thuộc vào tính nén ban đầu và gia tải lệch ban đầu

+ Môdun biến dạng thay đổi khi dỡ tải hoặc gia tải lại

+ Ứng xử phá hoại theo mô hình Mohr-Coulomb

* Các thông số sử dụng trong mô hình Hardening-Soil:

’ - góc ma sát trong của đất (o)

Eurref - Môdun đàn hồi trong điều kiện dỡ tải và gia tải lại (kN/m2) (mặc định Eurref

=3 x E50ref )

m - năng lượng tại mức ứng suất phụ thuộc vào độ cứng (hệ số lũy thừa)

ur - hệ số Poisson trong điều kiện dỡ tải và gia tải lại

pref - ứng suất tham chiếu theo độ cứng

KoNC - hệ số áp lực ngang trong điều kiện cố kết thường

Rf - hệ số phá hoại, Rf = qf

qa

d) Mô hình Soft Soil:

Là loại mô hình đất sét ( Cam-Clay ) được dùng nhiều trong loại đất mềm như loại cố kết đất sét và than bùn Mô hình được thực hiện tốt ở trạng thái nén nguyên thủy e) Mô hình từ biến của đất mềm:

Mô hình dùng để mô phỏng quan hệ phụ thuộc giữa thời gian và đất mềm

2.2.3.2 Loại quan hệ vật liệu

Tất cả các hệ số trong Plaxis đại diện cho sự ảnh hưởng của đất như sự liên hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất Điều quan trọng của đất là sự có mặt của nước lổ rỗng Áp lực nước lổ rỗng tác động lớn đến đất

Để có thể hợp nhất áp lực nước lổ rỗng ở trong đất, Plaxis đưa mỗi mô hình có ba quan hệ:

a) Quan hệ thoát nước (Drained behaviour):

Quan hệ này được sử dụng ngoại trừ tạo ra áp lực nước lổ rỗng Điều này thể hiện rõ cho trường hợp đất khô và hoàn toàn thoát nước do khả năng thấm cao như cát và tốc

độ gia tải thấp Điều này cũng có thể dùng mô phỏng quan hệ dài hạn của đất mà không cần đến mô hình chính xác về lịch sử cố kết và tải trọng không thoát nước

Quan hệ này được dùng để phát triển toàn bộ áp lực nức lổ rỗng Nước lổ rỗng đôi khi

bị tắt do quá trình thoát nước thấp (như đất sét ) và tốc độ gia tải cao

Tất cả những lớp không thoát nước có quan hệ thực sự với nhau , ngay cả một lớp hoặc một phần của lớp nằm ở vị trí bên trên đường mặt nước

Ngoài độ cứng và cường độ của đất, Plaxis tự động thêm vào kích thước độ cứng cho nước và phân biệt ảnh hưởng giữa ứng suất và biến dạng và áp lực nước lổ rỗng

Plaxis không sử dụng môdun thực tế cao của nước bởi vì điều này dẫn đến tình trạng xấu của ma trận độ cứng và vấn đề toán học Thực tế tổng độ cứng chống lại lực nén của cả đất và nước dựa theo công thức trên hệ số Poisson là 0,495 Kết quả này làm thấp

đi môdun độ lớn của nước

Trong đó áp lực nước lổ rỗng từ một lực nén nhỏ trong một vài phần trăm của tải trọng sẽ ảnh hưởng đến ứng suất khi đó hệ số Poisson ảnh hưởng nhỏ nhất Đối với vật liệu không thoát nước lấy nhỏ hơn 0,35 Sử dụng giá trị hệ số Poisson cao có nghĩa

là nước sẽ không thích hợp với độ cứng của đất

c) Quan hệ không có nước lổ rỗng (Non-porous behaviour):

Sử dụng mô hình này khi áp lực nước lổ rỗng không vượt quá áp lực trong lớp đó Ứng dụng này có thế thấy trong mô hình kết cấu bê tông và đá Quan hệ không thoát nước lổ rỗng thường dùng kết hợp với mô hình đàn hồi tuyên tính Khối lượng ướt không thích hợp với loại vật liệu không có lổ rỗng

Trong phân tích và tính toán mực nước ngầm trong những lớp không có lổ rỗng có thể

sử dụng để tránh áp lực nước lổ rỗng trong khu vực Điều kiện biên của những lớp không

có lổ rỗng là hoàn toàn không thấm được

Loại vật liệu không có lổ rỗng cũng có thể áp dụng cho lớp phân cách Để có thể hoàn toàn thành khối tường cọc bản hoặc những kết cấu ở phần trước, xung quanh mặt phân giới có thể phân tách thành loại vật liệu không có lổ rỗng

2.2.3.3 Dung trọng khô và dung trọng ướt (ɣ dry và ɣ wet )

Dung trọng khô và dung trọng ướt là khối lượng đơn vị của đất kể cả loại vật liệu có lổ rỗng Dung trọng khô ɣdry áp dụng trên mực nước ngầm Dung trọng ướt được áp dụng cho tất cả vật liệu nằm dưới mực nước ngầm Khối lượng riêng nhập vào là khối lượng trên đơn vị thể tích Những vật liệu không có lổ rỗng chỉ có dung trọng khô Với đất có

lổ rỗng dung trọng khô nhỏ hơn dung trọng ướt Ví dụ cát có dung trọng khô 16 kN/m3

Khối lượng được tính bằng tổng hệ số khối lượng trong ứng suất ban đầu hoặc bằng trọng lượng tải trọng trong chương trình tính

2.2.3.4 Hệ số thấm (k x and k y )

Hệ số thấm là kích thước của vận tốc (chiều dài đơn vị trên một đơn vị thờ gian) Hệ số thấm nhập vào đòi hỏi phân tích mức độ cố kết và tính toán mực nước ngầm Trong trường hợp này hệ số thấm đặc biệt cần thiết cho tất cả các lớp gồm hầu hết các lớp thấm

mà được xem xét ở phần trước Plaxis phân biệt giữa hệ số thoát nước theo phương ngang kx, and và theo phương đứng ky, khi một số loại đất (ví dụ như than bùn ) có sự khác nhau đáng kể giữa hệ số thấm nước theo phương đứng và phương ngang

Trong đất hiện trường thì khác nhau về hệ số thấm giữa nhiều lớp đất là rất lớn Tuy nhiên cần quan tâm khi lấy giá trị hệ số thấm quá cao hoặc quá thấp xảy ra đồng thời trong phần tử hữu hạn dẫn đến thiếu ma trận kèm theo Để có thể thu được kết quả chính xác giá trị hệ số thoát nước lớn nhất và nhỏ nhất không vượt quá 105

Để có thể mô phỏng hầu hết những loại vật liệu không thấm nước (như bê tông hoặc đá không nứt) khi sử dụng nên nhập vào hệ số thấm ít liên quan đến hệ số thấm thực của đất xung quanh Thông thường hệ số 100 đủ cho kết quả thỏa mãn

Hình 2.3 Cửa sổ thiết lập thông số đất nền và lớp phân giới (Thông số đất nền)

2.2.3.5 Môdun đàn hồi (E)

Plaxis dùng môdun đàn hồi như là môdun độ cứng trong mô hình đàn hồi và mô hình Mohr-Coulomb, nhưng một số Môdun độ cúng thay đổi cho tốt hơn Một Môdun độ cứng có khích thước ứng suất Giá trị hệ số độ cứng cho phép trong tính toán đặc biệt chú ý trong nhiều mô hình thể hiện trong quan hệ tuyến tính khi bắt đầu có tải tải trọng Trong cơ học đất, độ dốc ban đầu thường được xem là E0 và cát tuyến ở 50% cường độ được xem là E50 (xem hình 2.4) Một số loại đất có hệ số cố kết cao hơn đất sét và một

số loại đá với vùng biến dạng đàn hồi lớn thường dùng hệ số E0 trong khi cát và gần những lớp sét cố kế thông thường một trong 10 lớp dùng E50