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 kỳcông

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 côngtrình, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học cùng toàn thể các thầy cô giáo trongtrường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong thời gian tác giả họctập và nghiên cứu

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người đitrước đã chỉ bảo, khích lệ, động viên, ủng hộ nhiệt tình và tạo điều kiện, giúp đỡ chotác 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 nênluận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả mong nhận đượcmọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, anh chị em và cácbạn 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 đôthị 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 chiềusâu của không gian đô thị Tiết kiệm đất đai trong khai thác tài nguyên không gianngầm đô thị, bố trí hợp lý các công trình ngầm sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển vànâng cao chất lượng sống của đô thị Sự xuất hiện của các Trung tâm thương mạingầm quy mô lớn hoặc các dự án Bãi đỗ xe ngầm kết hợp dịch vụ cho thấy nhu cầu xãhội rất lớn Khai thác và sử dụng không gian ngầm cho phát triển, chỉnh trang đô thịtại 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 kếcao tầng đều gắn liền với thiết kế tầng hầm nhằm tận dụng triệt để quỹ đất đô thị Sốtầng 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 thươngmại, văn phòng, căn hộ cho thuê và bãi đậu xe ngầm tại số 70 Lê Thánh Tôn và phầnngầm công viên Chi Lăng; Cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại và căn hộ chothuê 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 kếthợp tầng hầm tại khu vực trung tâm thành phố đang dần trở nên phổ biến Với khuynhhướng phát triển mạnh các công trình nhà cao tầng, đặc biệt khi có tầng hầm trong điềukiện địa chất thủy văn trên địa bàn tỉnh là đất yếu bảo hòa nước thì việc nghiên cứutính toán ổn định của hố đào sâu cần phải được quan tâm, nghiên cứu đúng mức nhằmđảm 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 khaithác sử dụng lâu dài

Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xungquanh khu vực hố đào và có thể làm thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịchchuyển 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 đảmbảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tảitrọng Bên cạnh đó thì việc hạn chế và đảm bảo chuyển vị của tường cừ trong mức chophép là hết sức quan trọng

Vì vậy mà việc nghiên cứu chuyển vị của tường cũng như các yếu tố ảnh hưởng đếnchuyển vị của tường hố đào sâu trong công trình là rất cần thiết và cấp bách nhằm dựbáo 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 côngtrình Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng

- Sử dụng phần mềm Plaxis 2D để phân tích, tính toán chuyển vị, biến dạng của tườngchắn 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 côngtrình Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng làm công trình nghiên cứu và lập mô hình môphỏng

- 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 càngcao, nên đã tìm cách cải tạo hoặc xây mới các đô thị của mình với ý tưởng chung vàtriệt để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất cho nhiều mục đích khác nhau vềkinh 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 đặtkhông 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 xâydựng…)

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

và sâu đến hàng trăm mét

Việc xây dựng các công trình nói trên theo xu thế hiện nay đã dẫn đến xuất hiện hàngloạt kiểu hố móng sâu khác nhau, mà để thực hiện chúng, người thiết kế và thi côngcần có những biện pháp chắn giữ để bảo vệ thành vách hố và công nghệ đào thích hợp

về mặt kỹ thuật - kinh tế cũng như an toàn vệ môi trường và không ảnh hưởng xấu đếncông trình lân cận đã xây dựng trước đó

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 trưngcủa các thành phố như: Khu phức hợp ngầm lớn nhất thế giới RESO tại thành phốMontreal, 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 đầucủa thập niên 90, đặc biệt phát triển trong hơn 10 năm trở lại đây nhất là ở các đô thịlớn như thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Tuy nhiên, việc khai thác khônggian ngầm cho mục đích xây dựng, cải tạo và phát triển đô thị ở nước ta mới chỉ dừnglại ở những không gian đơn lẻ (dưới các khối nhà cao tầng của các khu đô thị), hoặcchủ yếu phục vụ nhu cầu giao thông như hầm đường bộ, hầm để xe tại các trung tâmthương mại…

Hình 1.4 Đường hầm Thủ Thiêm, thành phố Hồ Chí Minh, hầm vượt sông lớn nhấtĐông Nam Á, khánh thành 11/2011 Hầm có tổng chiều dài 1.490m, trong đó hầm dìmbao 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 móngCông trình hố móng có liên quan với tính địa phương, điều kiện địa chất của mỗi vùngkhác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau Đào hố móng trong điều kiện đất yếu, mựcnước 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 trìnhxây 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 hốmóng có độ sâu không quá 6m nhưng địa chất và môi trường xung quanh của hố móngphức tạp thì cũng được ứng xử như là hố đào sâu Hiện nay, với việc xây dựng ngày

càng tăng các công trình nhà cao tầng có khai thác không gian ngầm ở các thành phốlớn, công

1 0

trình hố móng đang phát triển theo xu hướng có độ sâu lớn hơn, diện tích rộng hơn nênvấn đề đảm bảo ổn định và an toàn thi công đào sâu luôn là bài toán khó, cần phải tuânthủ nghiêm ngặt trong suốt quá trình triển khai dự án từ khâu khảo sát địa chất, thiết kếđến việc triển khai thi công hố đào sâu kết hợp với công tác quan trắc thực tế ngoàihiện 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, cóquan niệm cho là không quá 5m coi là hố móng sâu, còn trong thực tế thị trường lấy6m 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 địachất 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 hốmóng sâu, bao gồm việc thiết kế và thi công hệ thống kết cấu tường (cọc) quây giữ cóchịu áp lực của nước đất, chắn giữa (hoặc thanh neo đất), trụ với thanh cài, màngchống 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 biếndạng 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 cácmặt 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, thuậntiện 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 nhữngphương

tiện chắn giữ theo kiểu công cụ Nhưng cũng có một số kết cấu chắn giữ được chôn lâudài ở trong đất cọc tấm bằng bêtông cốt thép, cọc nhồi, cọc trộn xi măng đất và tườngliên tục trong đất Cũng có cả loại trong khi thi công móng thì làm kết cấu chắn giữ hốmóng, thi công xong sẽ trở thành một bộ phận của kết cấu vĩnh cửu, làm thành tườngngoài 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 (ápdụng chủ động và bị động của đất và áp lực nước) sẽ thay đổi theo điều kiện môitrường, 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 nàynhư là: Độ cứng của tường vây, cách bố trí hệ chống (hoặc neo) và đặc tính mang tảicủa cấu kiện, tính chất đất nền, sự thay đổi của mức nước dưới đất, chất lượng thicông, trình độ quản lí ngoài hiện trường…

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

4/ Những nhân tố ngẫu nhiên gây ra sự thay đổi, những ngày thay đổi ngoài ý muốncủa sự phân bố áp lực đất trên hiện trường thi công, sự không nắm vững những chướngngại vật trong lòng đât (ví dụ tuyến đường ống đã cũ nát), những thay đổi của môitrường xung quanh… đều có ảnh hưởng đến việc thi công và sử dụng hố đào sâu mộtcách bình thường

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

kế hố đào theo lí thuyết phân tích độ rủi ro (Malcolm Puller, 1996)

Casagrande nhấn mạnh rằng các rủi ro được tổng kết từ nhiều dự án, sự tồn tại củachúng phải được thừa nhận, và đang từng bước sử dụng để diễn tả một sự cân bằnggiữa tính kinh tế và sự an toàn; các rủi ro này phải được xem xét một cách có hệ thốngCasagrande 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 kinhnghiệm để dự tính phạm vi có thể với liều lượng thích hợp để đưa vào giải quyết vấnđề

b) Các quyết định, trong phạm vi phù hợp về an toàn hoặc mức độ rủi ro, được kể tớitrong 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 điểmđáng quan tâm của lý thuyết độ tin cậy và xác suất nhưng nhấn mạnh rằng việc sửdụng những lí thuyết như vậy không thể thay thế được cho các đo đạc vật lí và cácphân tích công trình Cuối cùng, Whitman cho rằng sự thỏa mãn các giá trị về rủi ro sẽđược trả lời theo 2 cách:

a) Nếu xác suất phá hoại tương đối lớn (0,05 hoặc hơn) dưới tải trọng thiết kế chophép, rủi ro này có thể được đánh giá (bằng lí thuyết độ tin cậy) với độ chính xác đủ đểtạo ra các quyết định Trạng thái này chỉ được áp dụng khi quan tâm tới tổn thất vềkinh 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 trịthông 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 nhậnxác suất phá hoại phải rất nhỏ bởi các rủi ro trong đời sống Whitman đã minh họatrong các loại báo của ống các ứng dụng lí thuyết độ tin cậy để kiểm tra một cách có hệthống và các lỗi ngẫu nhiên khi đánh giá các rủi ro trong ổn định mái dốc, các yếu tố antoàn 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 hànhcho một

dự án xây dựng công nghiệp để cho khả năng hóa lỏng tiềm ẩn của cát và cho việc thicông 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 đểchống lật, sức chịu tải phá hoại và trượt, mặc dù với những giá trị an toàn này, phântích thống kê đưa ra xác suất phá hoại tương ứng là 1/10000, 13/1000 và 3/1000 Xácsuất về phá hoại khả năng chịu tải là đặc biệt cao và sự khác biệt lớn cũng được thấytrong xác suất phá hoại giữa các dạng phá hoại Ví dụ cho thấy các hệ số an toàn thôngthường có thể dễ dàng sai lệch

Hoeg và Muraka sau đó đã thiết kế lại tường trọng lực này sử dụng phương pháp xácsuất, 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 ưunày 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 cáctường có giăng và neo, mặc dù có tính lôgic trong lập luận của họ nhưng chỉ có một íttrường hợp cho thấy những phương pháp như vậy chỉ có thể được tiến hành khi ngườithiết 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 đấtbằng phương pháp đóng, rung, có thể thu hồi lại để sử dụng sau khi đã hòan thànhnhiệm 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 làphương 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 dựngxung quanh và các đường ống ngầm dễ bị lún và chuyển vị mạnh Loại này sử dụngcho 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, đấttrong 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 trườngchật hẹp Loại tường vây này thích hợp với các loại đất từ cát thô cho đến bùn yếu, sửdụng 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 códạng sóng, dạng phẳng, dạng mặt phẳng/mặt lõm; chiều dài cọc từ 6m đến 21m, bềrộng các loại cọc cố định 0,996m Phương pháp thi công bằng búa rung kết hợp xóinước Sau khi hạ cừ xong, bên trên đỉnh cọc đổ dầm vòng bê tông cốt thép và đặt mộtdãy 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; Dochiều 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 liệuhàn, trám bằng clorua nhựa vinyl nên cọc bản bê tông cốt thép có thể làm màng ngănnước;

- Nhược điểm của cọc bản bê tông cốt thép ứng suất trước: Nâng, vận chuyển cẩn thậnhơn để tránh hư hỏng; chiều dài hạn chế, không có khả năng nối dài; khả năng sử dụnglại có thể rất thấp do bị hỏng lúc nhổ; Độ dày lớn nên chi phí đóng cọc bản bê tông cốtthép gấp 1,8 đến 2,2 lần so với cọc ván thép (kinh nghiệm Nhật Bản) và không thíchhợp 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 tườngchắn 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 khuvực 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 thìlồng thép được hạ xuống để đổ bê tông; kết cấu bê tông cốt thép này được sử dụng đểlàm tường vây hố đào và kết hợp làm tường tầng hầm để sử dụng sau này Loại tườngvây này có giá thành cao, thích hợp với điều kiện địa hình thi công khó khăn, xungquanh 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 ngoàithì có cần trục để chuyển đất đào được ra khỏi giếng Cũng có thể đào đất bằngphương pháp thủy lực Dưới tác dụng của lực trọng trường (trọng lượng bản thân củagiếng) công trình sẽ hạ sâu vào đất Để giảm lực ma sát ở mặt ngoài giếng có thể dùngphương pháp xói thủy lực, làm lớp vừa sét quanh mặt ngoài mặt giếng và đất, sơn lênmặt 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 dướinằm 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 sẽđưa 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 sâuvào đất ta thi công tiếp phần kết cấu nằm phía trên hộp kín nói trên Phương phápgiếng 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 khônggian ngầm Việc khai thác, sử dụng không gian ngầm và xây dựng công trình ngầm lànhu cầu thực tế của của các đô thị ở nước ta trong thời gian tới Việc khai thác khônggian ngầm sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng mặt đất, năng lực cơ sở hạ tầng, giữ gìn cảnhquan 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 nhiềuphương 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 trìnhngầm trong đô thị Thông qua đó giúp chúng ta có một cái nhìn tổng quát công trìnhngầm; tình hình xây dựng và phát triển hố đào sâu của công trình ngầm ở nước ta cũngnhư trên thế giới; nắm bắt được đặc điểm về hố đào sâu và các vấn đề thường gặp phảikhi thi công hố đào sâu để từ đó chúng ta có những nghiên cứu, tính toán, đưa ra nhữnggiải pháp thi công hố đào sâu công trình ngầm đạt hiệu quả cao nhất cũng như hạn chếthấp nhất những rủi ro có thể xảy ra trong quá trình thi công

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gầnđúng 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 bỏphương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặcchuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó đượcgiải 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 chỉtrong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm.Trong PPPTHHmiền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử Các miền nàyliên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi là nút Cáchàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tạicác điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử vàđược 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 phươngtrình 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 giankhông chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên vô nghĩa Có rất nhiềucách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm PPPTHH là sự lựachọn

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

2.1.2 Lịch sử

Phương pháp phần tử hữu hạn được bắt nguồn từ những yêu cầu giải các bài toán phứctạp về lý thuyết đàn hồi, phân tích kết cấu trong xây dựng và kỹ thuật hàng không Nóđược 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 cómột 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 khiCourant chia những miền liên tục thành những miền có hình tam giác cho cách giải thứhai của phương trình vi phân từng phần elliptic, xuất hiện từ các bài toán về xoắn củaphần tử thanh hình trụ Sự đóng góp của Courant là phát triển, thu hút một số ngườinhanh chóng đưa ra kết quả cho PPVPTP elliptic được phát triển bởi Rayleigh, Ritz, vàGalerkin 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 thuđược nhiều kết quả ở Berkeley (xem Early Finite Element Research at Berkeley) trongnhững năm 1960 trong ngành xây dựng Phương pháp này được cung cấp nền tảngtoán học chặt chẽ vào năm 1973 với việc xuất bản cuốn Strang và tổng kết trong AnAnalysis of The Finite element Method và kể từ đó PPPTHH được tổng quát hóa thànhmột ngành

của toán ứng dụng, một mô hình số học cho các hệ thống tự nhiên, được ứng dụng rộngrãi 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 tínhtrực 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 khácnhau giữa PPPTHH và PPSPHH là:

 Điểm đặc trưng nhất của PPPTHH là nó có khả năng áp dụng cho những bài toánhình học và những bài toán biên phức tạp với mối quan hệ rời rạc Trong khi đóPPSPHH về căn bản chỉ áp dụng được trong dạng hình chữ nhật với mối quan hệ đơngiản, 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 hiệnđược

 Trong một vài trường hợp, PPSPHH có thể xem như là một tập con của PPPTHHxấp 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, nhưngmiền đó không cần liên tục Như một sự lựa chọn, nó có thể xác định một hàm trên mộtmiền rời rạc, với kết quả là toán tử vi phân liên tục không sinh ra chiều dài hơn, tuynhiên 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 hạntrở lên đúng đắn hơn, ví dụ, bởi vì trong PPSPHH đặc điểm của việc xấp xỉ nhữngđiểm

lưới còn hạn chế

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

Nói chung, PPPTHH là một phương pháp thích hợp để phân tích các bài toán về kếtcấu (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 khuynhhướng 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 toánthành 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 nàyđặc biệt đúng cho các bài toán về dòng chảy ngoài, giống như dòng không khí baoquanh 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 hìnhMột mô hình đối xứng trục được sử dụng cho những cấu trúc vòng tròn với một (nhiềuhoặc ít hơn) mặt cắt ngang đường kính đồng dạng và tải xuyên tâm lên sơ đồ xungquanh trục tâm, nơi mà trạng thái biến dạng và trọng âm được giả thiết đồng nhất trongbất kỳ phương hướng xuyên tâm nào Chú ý rằng đó cho những vấn đề đối xứng trụctọa 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 xứngtrục dẫn đến một mô hình phần tử hữu hạn hai kích thước với chỉ hai tịnh tiến tự do củanút (phương X và Y)

Một mô hình đối xứng trục 3D được sử dụng cho những cấu trúc mà về mặt hình học làđối xứng trục và chịu tải trọng với tải không đối xứng trục, như tải cọc và móng tròn

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 tựthứ 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 lạinhững kết quả ứng suất chính xác cao cho những vấn đề khó, chẳng hạn trong nhữngtính toán sự gãy vụn cho những loại đất không ép được Tuy nhiên, sử dụng nhữnghình 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 kiểuphần tử mặc định bởi vì số lượng phần tử cực đại khá có hạn Trong phiên bản này, tuynhiên, số lượng phần tử trong một mắt lưới phần tử hữu hạn có thể cao hơn nhữngphiên 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

không được xem xét trong sự phân tích 3 chiều bởi vì điều này sẽ dẫn tới sử dụngnhiều 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 hìnhbao 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 hìnhgần đúng về mối quan hệ của đất, phù hợp với các loại đất quá cố kết, được ứng dụngrộng 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

 '   ' 300

*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;

- Không phân biệt giữa tải nguyên thủy, với tải trọng gia tải, nén lại;

- 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 đàncứng Mô hình được sử dụng cho nhiều loại vật liệu như cát, sỏi và lớp cố kết bên trênlớp sét

Mô hình Hardening-Soil là mô hình nâng cao để mô phỏng ứng xử của nhiều loại đấtnền khác nhau, cả đất mềm và đất cứng Đặc tính biến dạng của đất được diễn tả thôngqua 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 tảilại 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)

c' - lực dính đơn vị của đất (kN/m2)

’ - góc dãn nở của đất (o)

E50ref - Môdun đàn hồi (độ cứng) cát tuyến trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước(C-D), ứng với biến dạng đạt 50% (kN/m2)

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

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