Tổng hợp xác định đầy đủ các thông số trong plaxis

Người thiết kế sau một hai công trình có thể nhận thấy yếu tố quyết định để đưa ra kết quả của bài toán chuyển vị tường chắn, nội lực trong tường chắn phản ánh gần với sự làm việc thực t

Chỉ tiêu cơ lý tính toán nhập vào Plaxis, Geo5

Home · Chuyên đề · Nền móng – Địa kỹ thuật · Chỉ tiêu cơ lý tính toán nhập vào Plaxis, Geo5

Do tính phổ biến của các công trình dân dụng có tầng hầm hiện nay, việc sử dụng phần mềm cho bài toán địa kỹ thuật tường chắn hố đào đã không còn xa lạ Người thiết kế sau một hai công trình có thể nhận thấy yếu tố quyết định để đưa ra kết quả của bài toán (chuyển vị tường chắn, nội lực trong tường chắn) phản ánh gần với sự làm việc thực tế của kết cấu chắn giữ hố đào (thu được từ kết quả quan trắc chuyển vị, ứng suất trong kết cấu chắn giữ) là lựa chọn loại mô hình nền đất và các chỉ tiêu cơ lý đưa vào tính toán Do đó chủ đề ở đây không đề cập đến các vấn

đề liên quan đến kỹ thuật thao tác phần mềm hay cơ sở lý thuyết mà các phần mềm này dùng để mô hình nền đất

và sự làm việc của nền đất tương tác với kết cấu chống giữ như thế nào Ở đây chỉ xin trình bày cách lựa chọn giá trị tính toán của các chỉ tiêu cơ lý đất nền làm đầu vào cho mô hình nền đất một cách thuyết phục, có căn cứ theo Tiêu chuẩn Việt Nam và phản ánh gần đúng nhất sự làm việc của đất nền thực tế

1 Khối lượng riêng của đất

Gồm có dung trọng tự nhiên γunsat và dung trọng bão hoà γsat Nhập trị tính toán của các thông số này theo quy trình tính toán của TCVN 9362:2012 như đã trình bày trong chủ đề xác định chỉ tiêu cơ lý đất nền

Do các hạn chế của phương pháp thí nghiệm cắt nhanh trong việc phản ánh đúng đắn sự làm việc của đất nền trong thực tế như đã trình bày trong chủ đề xác định chỉ tiêu cơ lý đất nền, các bài toán về hố đào cần được tính toán với các giá trị hữu hiệu của c và φ rút ra từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục thoát nước (CD)

Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén 3 trục thể hiện quan hệ biến dạng thể tích εv và biến dạng dọc trục theo phương nén ε1

Từ biểu đồ kết quả thí nghiệm nén 3 trục như trên (với đất cát phải nén theo sơ đồ cố kết thoát nước – CD), xác định Dilatancy angle theo công thức định nghĩa như sau:

Với εv=ε1+ε2+ε3 theo lý thuyết cơ học đất

Như minh hoạ trên biểu đồ, lấy các giá trị như sau:

Δεv=0.048−0.004=0.044 và Δε1=−0.09−(−0.03)=−0.06

Chú ý khi lựa chọn giá trị tính toán cho ψ: Theo manual của Plaxis, trừ với đất quá cố kết, đất loại sét thường có góc ψ≈0

Với đất cát, tốt nhất là yêu cầu đơn vị thí nghiệm cung cấp biểu đồ ε1−εv từ thí nghiệm nén 3 trục thoát nước (CD)

để xác định ψ theo công thức nêu trên Với đất cát từ khoáng thạch anh, có thể dùng tương quan gần

đúng ψ≈φ−30o Với đất cát có góc ma sát trong φ<30o, góc ψ gần như bằng 0

5 Hệ số bề mặt tiếp xúc Rinter

Tại mặt tiếp xúc nền đất – kết cấu (tường chắn đất, móng…), các phần tử đất sự làm việc khác so với nền đất bên ngoài Phần mềm Plaxis kể đến hiện tượng này bằng cách kể đến hệ số nhân Rinter vào các chỉ tiêu cơ lý so với phần

tử đất bình thường bên ngoài

Plaxis gợi ý một số giá trị tuỳ theo các loại bề mặt tiếp xúc nền đất / kết cấu như sau:

Bề mặt tiếp xúc đất / lưới địa kỹ thuật (phun vữa thành) Rinter≈1,0

Bề mặt tiếp xúc đất / vải địa kỹ thuật Rinter≈0,9−0,5

6 Hệ số thấm

Hệ số thấm quan trọng cho các bài toán xuất hiện dòng thấm, tiêu biểu là các hố đào nằm trong phạm vi của chiều sâu mực nước ngầm, cần kể đến ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm khi đào đất đến trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền trong quá trình thi công hố đào

Trong Plaxis, hệ số thấm được nhập vào theo phương ngang (kx) và theo phương đứng (ky) Tốt nhất là yêu cầu đơn

vị khảo sát cung cấp các số liệu này qua kết quả của thí nghiệm nén cố kết hay thí nghiệm thấm hiện trường

Có thể tham khảo một số giá trị theo đề nghị của Plaxis trong tài liệu “Advanced course on Computational

Geotechnics Singapore” – National University of Singapore – 23-25 November 2011, như sau:

Hệ số thấm theo hệ số rỗng của đất

Plaxis cho phép dùng tương quan sau giữa hệ số thấm k và hệ số rỗng e:

với D10 là đường kính hiệu quả (mm)

Ck là hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vào bản chất của đất

5 – 8 Cát cấp phối tốt và cát bụi (U c ≥ 5) 0,003 – 0,6

Chú ý khi nhập số liệu đầu vào cho hệ số thấm:

 Giá trị nhỏ nhất và lớn nhất hệ số thấm các lớp đất trong mô hình không chênh lệnh nhau quá 105

 Để mô phỏng lớp vật liệu hầu như không thấm nước (ví dụ bêtông), nhập giá trị hệ số thấm bằng 1000 là

đủ

7 Module biến dạng

Đây là thông số quan trọng, ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả của bài toán: chuyển vị và ứng suất trong nền đất

Do đó cần đặc biệt lưu ý đề lựa chọn giá trị tính toán của chỉ tiêu này

Ngoài các lưu ý quan trọng làm căn cứ hiệu chỉnh kết quả module biến dạng thu được từ thí nghiệm trong phòng cho gần với sự làm việc thực tế của đất nền như trình bày trong chủ đề xác định chỉ tiêu cơ lý đất nền, cần lưu ý định nghĩa của các thông số module biến dạng làm đầu vào cho các phần mềm Geo5, Plaxis

Theo định nghĩa của phần mềm, module biến dạng không nở hông (oedometer):

Trong đó εi là các biến dạng đơn vị từ quan hệ ứng suất – biến dạng của phần tử đất TCVN thường xác định

module biến dạng theo hệ số rỗng e khi tiến hành thí nghiệm nén không nở hông nên cần tìm cách quy đổi từ ε sang e Theo định nghĩa của hệ số rỗng có thể rút ra được quan hệ như sau:

Theo định nghĩa module biến dạng của TCVN:

Suy ra:

(def: deformation – biến dạng)

8 Các thông số của mô hình Hardening Soil

Việc mô hình nền đất trong bài toán hố đào bằng phần mềm Plaxis cần được thực hiện với mô hình Hardening Soil (HS model) Lý do là trong quá trình đào đất, đất làm việc theo sơ đồ dỡ tải – gia tải lại (unloading – reloading) Dỡ tải khi đất ở trong hố đào được lấy ra và gia tải lại khi thi công hệ văng chống vách hố đào Trong giai đoạn làm việc này, module biến dạng của đất cao hơn rất nhiều so với trường hợp gia tải thông thường (thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 3 đến 5 lần module biến dạng bình thường) Do đó nếu sử dụng mô hình Mohr-Coulomb sẽ cho kết

quả chuyển vị, biến dạng của nền đất cao hơn thực tế quan trắc rất nhiều do không thể hiện được quá trình làm việc

dỡ tải – gia tải lại của nền trong quá trình thi công đào đất Việc sử dụng mô hình HS model cho phép khắc phục được hạn chế này và cho kết quả gần với quan trắc thực tế hơn

So với mô hình Mohr-Coulomb, số lượng các chỉ tiêu cơ lý đất nền làm đầu vào cho mô hình HS model nhiều hơn và được diễn giải như sau:

Thí nghiệm nén 3 trục phải được thực hiện theo sơ đồ cố kết thoát nước (CD)

Thông thường kết quả thí nghiệm cho thấy đoạn dỡ tải – gia tải lại là tuyến tính như thể hiện trên biểu đồ thí nghiệm 3 trục ở trên

9 Yêu cầu thí nghiệm cung cấp số liệu cho HS model

Do mô hình HS đòi hỏi nhiều thông số đầu vào và các thông số này đều tương đối phức tạp để xác định nên khối lượng khảo sát cho các công trình hố đào tầng hầm yêu cầu phải thực hiện nhiều và đắt tiền hơn so với bài toán nền móng thông thường Người thiết kế cần nhận thức được điều này để đưa ra Yêu cầu khảo sát địa chất ngay từ trước giai đoạn thiết kế để thu được số liệu cho bài toán hố đào cho kết quả chính xác gần nhất với thực tế quan trắc sau này Điều này không chỉ là quy định trong nhận thức của người thiết kế mà còn là quy định bắt buộc trong Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 9363:2012 “Khảo sát cho xây dựng – Khảo sát địa kỹ thuật cho nhà cao tầng” (xem các phần 5.3.3 và 5.3.7.6), đặc biệt cho giai đoạn TKKT và TKBVTC

Do tính chất phức tạp của các thí nghiệm nén 3 trục và thí nghiệm nén cố kết không nở hông nên người thiết kế cần hướng dẫn rõ quy cách thí nghiệm, trình bày kết quả thí nghiệm trong Yêu cầu khảo sát địa chất

Xác định đặc trưng cơ lý đất nền trong thiết kế nền Home · Chuyên

đề · Nền móng – Địa kỹ thuật · Xác định đặc trưng cơ lý đất nền trong thiết kế nền móng

Khi thiết kế nền móng, người thiết kế nhận được số liệu về những chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất trong nền Các số liệu này do người khảo sát địa chất công trình cung cấp, thường dưới dạng bảng tổng hợp trong đó ghi rõ lỗ khoan,

số thứ tự mẫu đất, độ sâu lấy mẫu và trị số các chỉ tiêu vật lý cũng như cơ học của từng mẫu Xem xét các số liệu về một chỉ tiêu của từng lớp đất, cần phân biệt:

 Trị riêng: là trị số của một đặc trưng cơ học hoặc vật lý nào đó của đất xác định theo riêng một mẫu thí

nghiệm, tức là xác định cho riêng một điểm nào đó của lớp đất

Vì đất là vật liệu rất phức tạp nên dù là ở một lớp đất đã được xem là đồng nhất thì giá trị định lượng một tính chất

cơ học, vật lý nào đó của nó cũng biến đổi từ điểm này sang điểm khác Do đó các chỉ tiêu riêng của một lớp đất bao giờ cũng sai khác nhau, lớp đất càng không đồng đều, các chỉ tiêu riêng càng sai khác nhau nhiều, trị số lớn nhất và trị số nhỏ nhất càng chênh lệch nhau nhiều

 Trị tiêu chuẩn: là trị số của một đặc trưng cơ học, vật lý nào đó của lớp đất chung cho toàn bộ lớp đất

Trị tiêu chuẩn không thể lấy giá trị nhỏ nhất, hay lớn nhất, mà sẽ có trị số nằm trong khoảng giữa 2 trị số đó Vì đây

là chỉ số đại diện cho toàn bộ lớp đất nên trong các Tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật nguời ta lấy chỉ tiêu này làm chỉ tiêu tiêu chuẩn cho lớp đất đang xét

 Trị tính toán: là trị số của một đặc trưng cơ lý nào đó của một lớp đất dùng trong các tính toán thiết kế nền

móng như một hằng số hợp lý

Kết quả thí nghiệm các mẫu đất lấy về phòng thí nghiệm hoặc kết quả thí nghiệm trên hiện trường với một số điểm cho ta các chỉ tiêu riêng, từ đó ta sẽ xác định các chỉ tiêu tiêu chuẩn và chỉ tiêu tính toán Dùng phương pháp thống

kê toán học để xử lý các chỉ tiêu riêng và rút ra các chỉ tiêu tiêu chuẩn, chỉ tiêu tính toán cho một lớp đất

Tiêu chuẩn TCVN 9362:2012 “Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình” thay thế cho TCXD 45-78 quy định rõ trong điều 4.3: Trị tiêu chuẩn các đặc trưng cơ lý của đất cần xác định trên cơ sở những thí nghiệm trực tiếp làm tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm cho cả đất tự nhiên hay đất nhân tạo

Số lượng tối thiểu của 1 thí nghiệm chỉ tiêu nào đó đối với mỗi đơn nguyên địa chất công trình là 6 Khi tìm giá trị

tính toán của c, φ cần phải xác định không nhỏ hơn 6 giá trị τ đối với mỗi trị số áp lực pháp tuyến p

4 Đánh giá các chỉ tiêu

Các phần đã trình bày ở trên là cách xác định các giá trị tính toán của các thông số quan trọng như c, φ hoàn toàn từ

kết quả thí nghiệm Tuy nhiên con số thu được cần phải có sự xem xét hiệu chỉnh dựa trên sự nắm biết về ưu khuyết điểm của từng phương pháp thí nghiệm để xác định được các chỉ tiêu cơ lý đó

Với người thiết kế nền móng, các chỉ tiêu về biến dạng của đất (module biến dạng E), các chỉ tiêu về cường độ của

đất (c, φ) là những chỉ tiêu quan trọng hơn cả Bản chất vật lý của các chỉ tiêu c và φ rất phức tạp, đặc biệt đối với

đất dính (đất sét), người ta xem c và φ là những thông số tính toán sức chống cắt của đất mà không thể gắn liền nó với một hình tượng vật lý đơn giản là hiện tượng ma sát, hiện tượng dính như tên gọi Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến c và φ và chưa có phương pháp thí nghiệm đơn giản chắc chắn cho phép xác định c và φ với tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến chúng

Nhiệm vụ của người thiết kế nền móng thực tế là nhận định, đánh giá các số liệu kết quả thí nghiệm xác định c và φ

mà đơn vị khảo sát địa chất cung cấp Từ đó chọn lấy trị số c và φ hợp lý hơn, đáng tin cậy hơn để dùng cho việc tính toán thiết kế nền móng, cụ thể để tính ra trị số áp lực tính toán R của nền đất theo công thức của Tiêu chuẩn TCVN 9362:2012:

Cần lưu ý rằng các số liệu c và φ từ báo cáo khảo sát địa chất hiện nay hầu hết được xác định từ thí nghiệm theo phương pháp cắt nhanh Theo lý thuyết, đây là phương pháp cắt trong điều kiện nước hoàn toàn không thoát đi cả dưới ảnh hưởng của áp lực nén, cả dưới ảnh hưởng của lực cắt Trên thực tế thí nghiệm, mặc dù đã lót ở mặt trên và dưới của mẫu đất bằng vải không thấm, nhưng mẫu đất vẫn không kín nước và nước vẫn thoát ra một phần Tuỳ loại đất và thao tác của người thí nghiệm, trong thực tế khi cắt, đất đã được cố kết nhiều hay ít Với đất không chứa nhiều hạt sét lắm thì tuy gọi là cắt nhanh (UU), nhưng thực tế đã lại gần sơ đồ cắt nhanh cố kết (CU)

Mặt khác trong thí nghiệm lực cắt tác dụng lên mẫu đất tăng trị số rất nhanh, sau một thời gian ngắn mẫu đất đã hoàn toàn bị cắt, không gần lắm với sự làm việc thực tế của đất trong nền dưới công trình vì tải trọng công trình tăng tương đối chậm Thông thường phương pháp thí nghiệm cắt chậm phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của đất nền hơn Trừ những trường hợp đặc biệt ít gặp: nền đất không thoát nước được, tải trọng công trình tăng đột ngột thì sơ đồ thí nghiệm cắt nhanh mới có thể xem là thích hợp

Điều đáng chú ý là trị số c và φ thu được từ thí nghiệm cắt nhanh và cắt chậm thường sai khác nhau đáng kể Thí nghiệm cắt nhanh và nhất là cắt nhanh cố kết thường cho trị số c lớn hơn và φ nhỏ hơn so với cắt chậm Có thể kiểm chứng thêm bằng cách so sánh trị số c và φ tính toán được từ kết quả thí nghiệm do đơn vị khảo sát địa chất lập với giá trị tiêu chuẩn của các loại đất khác nhau như trong bảng B.1 và B.2 của TCVN 9362:2012 Các giá trị trong bảng của tiêu chuẩn này bản chất được rút ra trên cơ sở số liệu thí nghiệm cắt chậm và thống kê lại dưới dạng tiêu chuẩn

Như vậy nếu dùng các trị số c và φ theo đúng số liệu thí nghiệm mà đơn vị khảo sát địa chất công trình cung cấp để

xác định áp lực tính toán R của đất nền thì thường thu được R lớn hơn (do trị số c có ảnh hưởng nhiều nhất đến giá

trị của R) Vì vậy người thiết kế phải điều chỉnh trị số c và φ: chọn trị số φ lớn hơn một chút và trị số c nhỏ hơn

một chút so với kết quả thí nghiệm cắt nhanh Những trị số tiêu chuẩn cho trong các bảng của TCVN là một căn

cứ tốt để so sánh và hiệu chỉnh

Những trình bày ở trên áp dụng cho đất thường, không kể đất bùn Đất bùn cần có những nghiên cứu riêng

5 Chỉ tiêu về biến dạng

Chỉ tiêu cơ lý về biến dạng (Module biến dạng E) là chỉ tiêu quan trọng nhất cho các bài toán nền móng (tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn thứ hai: tính lún) và địa kỹ thuật khác (bài toán tường chắn đất, chuyển vị tường vây) Việc lựa chọn đúng giá trị module biến dạng E phản ánh đúng đắn sự làm việc của các lớp đất trong nền là điều kiện tiên quyết để tính toán, dự báo được chính xác giá trị biến dạng của nền (độ lún, chuyển vị hố đào ) Mặc

dù lý thuyết cơ học đất đã phát triển mạnh, các phương pháp thí nghiệm đã tiến bộ rất nhiều, vấn đề xác định trị số module biến dạng E của đất một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác hiện nay vẫn đang là đề tài thường gây tranh cãi lớn giữa các đơn vị tư vấn (thiết kế và thẩm tra)

Thông thường hiện nay có 2 các xác định trị số module biến dạng của đất:

 Cách thứ nhất là dựa vào thí nghiệm nén trong phòng Phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị máy nén một trục, nén đất không nở hông

 Cách thứ hai là tiến hành thí nghiệm nén đất ở hiện trường bằng cách gia tải lên một tấm nén cứng đặt trên mặt đất và theo dõi độ lún của tấm nén Từ đó tính toán ra module biến dạng của đất

So sánh giữa kết quả 2 loại thí nghiệm trên cùng nền đất thực nghiệm cho thấy bao giờ trị số module biến dạng

xác định theo thí nghiệm nén ở hiện trường cũng lớn hơn trị số module biến dạng suy ra từ thí nghiệm nén trong phòng Có rất nhiều nguyên nhân của sự chênh lệch này Một số nguyên nhân chính là khi lấy mẫu đất ra

khỏi lớp đất nó đã bị giảm tải hẳn và liên kết kết cấu của đất bị yếu đi, trong quá trình lấy mẫu, vận chuyển, bảo quản và cho đến khi thí nghiệm lấy đất vào dao đất bị nhiều tác động cơ học phá hoại, kết cấu của nó bị hư hỏng ít nhiều, đặc tính tăng tải và điều kiện thoát nước của 2 thí nghiệm là khác nhau… Người ta thừa nhận rằng trị số module biến dạng xác định theo thí nghiệm nén đất ở hiện trường là đáng tin cậy hơn vì nó gần với điều kiện làm việc thực tế của nền và công trình hơn Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu so sánh giữa 2 thí nghiệm này bằng cách thống kê nhiều kết quả thí nghiệm xác định E theo 2 phương pháp, người ta rút ra với mỗi loại đất khác nhau,

trị số 2 phương pháp chênh lệch nhau khoảng 2-3 lần Như vậy muốn có trị số module biến dạng như thí nghiệm

nén ở hiện trường, cần đem trị số module biến dạng theo kết quả thí nghiệm nén trong phòng nhân với hệ số điều

chỉnh mnào đó (điều này không đúng với đất sét dẻo nhão và nhão)

Trong TCVN 9362:2012 cung cấp các trị số tiêu chuẩn của module biến dạng E của các loại đất khác nhau dưới dạng bảng B.3 (phụ lục B của tiêu chuẩn) Đây là kết quả thống kê từ nhiều thí nghiệm nén hiện trường đã tiến hành trong thực tế cho từng loại đất, tương tự như các giá trị tiêu chuẩn của c và φ

Trong thực tế hiện nay người thiết kế chỉ có kết quả thí nghiệm nén trong phòng chứ rất hiếm có thí nghiệm nén hiện trường cho công trình dân dụng Như vậy cần lấy giá trị module biến dạng E từ thí nghiệm trong phòng so sánh với những trị số E tiêu chuẩn nêu trong bảng B.3 của tiêu chuẩn (tra bảng theo các chỉ tiêu cơ lý hệ số

rỗng e và chỉ số sệt I s của lớp đất đang xét) Ta sẽ biết được những trị số E tính theo thí nghiệm nén trong phòng

nhỏ hơn bao nhiêu lần Sau đó sẽ quyết định chọn một hệ số điều chỉnh m thích đáng để nhân vào trị số E theo thí

nghiệm trong phòng để có trị số E tính toán đưa vào các bài toán thiết kế