Phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation

Đó là lí do học viên chọn đề tài: “Phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation”.. Mục tiêu nghiên cứ

Đà Nẵng – Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ KHÁNH TOÀN

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH TÙNG

Phản biện 2: PGS.TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 20 tháng 04 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Hiện nay, công trình ngầm đang trở thành một xu hướng tất yếu trong xây dựng các đô thị hiện đại Khai thác không gian ngầm giải quyết được nhiều vấn đề kinh tế - xã hội, đất đai xây dựng đô thị, môi trường… Trong quá trình thi công công trình ngầm, tường chắn đất đóng vai trò rất quan trọng, đảm bảo ổn định thành hố đào, đặc biệt đối với công trình có chiều sâu hố đào lớn (công trình có nhiều tầng hầm, các công trình công cộng ngầm dưới đất ) Trong giai đoạn thi công đào đất, tải trọng xung quanh tác dụng lên tường chắn đất rất lớn, gây ra những ứng suất, biến dạng, chuyển vị trong tường chắn rất lớn Vì vậy, cần thiết phải thiết kế hệ chống đỡ đảm bảo các yêu cầu chịu lực cũng như đảm bảo an toàn cho tường chắn đất Vấn

đề đặt ra là cần phải mô hình chính xác ứng xử của tường chắn đất và

hệ kết cấu chống đỡ

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,

có nhiều phần mềm thương mại có độ tin cậy cao đã được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế mô phỏng ứng xử của tường chắn và hệ kết cấu

đỡ, cho độ chính xác cao, đơn giản trong sử dụng, trong đó có phần mềm Plaxis Khi tính toán tường chắn đất trong giai đoạn thi công phần ngầm, kỹ sư kết cấu chủ yếu sử dụng Plaxis 2D Với việc sử dụng Plaxis 2D, bài toán sẽ trở nên đơn giản, thời gian tính toán nhanh Tuy nhiên thực tế, do ảnh hưởng của hình dạng công trình (không đối xứng), do tải trọng tác dụng (áp lực đất, nước, các hoạt tải ) dọc theo chiều dài tường và ở xung quanh tường là khác nhau,

sự làm việc không gian của kết cấu đỡ Do đó, kết quả mô phỏng bằng Plaxis 2D phản ảnh chưa sát thực tế ứng xử của tường chắn và

hệ kết cấu đỡ

Đối với việc sử dụng Plaxis 3D cho phép người dùng mô hình hóa tường chắn, hệ kết cấu đỡ, tải trọng tác dụng đúng như thực tế, kết quả mô phỏng sẽ chính xác và sát với thực tế Tuy nhiên khối lượng công việc để mô hình bằng Plaxis 3D sẽ lớn nên sẽ mất nhiều thời gian hơn

Vì vậy, nghiên cứu áp dụng Plaxis 2D và Plaxis 3D trong các bài toán cụ thể, làm cơ sở để đề xuất ứng dụng trong tính toán và mô phỏng ứng xử của tường chắn và hệ kết cấu đỡ sao cho thuận tiện, đơn giản, đảm bảo độ chính xác là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đó là lí do học viên chọn đề tài: “Phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ bằng phần mềm Plaxis 2D và Plaxis 3D Foundation và đề xuất trường hợp

áp dụng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ tường

chắn của công trình có hố đào sâu trong giai đoạn thi công

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu với các công trình thi công

hố đào sâu đào mở sử dụng tường chắn đất và hệ thanh chống ngang, địa chất khu vực Đà Nẵng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về tường chắn đất, công nghệ thi công phần ngầm từ dưới lên (Bottom up)

- Phân tích số ứng xử của tường chắn đất, hệ văng chống sử dụng phần mềm chuyên dụng Plaxis 2D V.8 và 3D Foundation V.1

trên công trình cụ thể

5 Kết quả dự kiến

- Kết quả về ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu của công trình có 02 tầng hầm bằng phần mềm Plaxis 2D foundation

- Kết quả về ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu của công trình có 02 tầng hầm bằng phần mềm Plaxis 3D foundation với các dạng mặt bằng hố đào khác nhau, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây đối xứng, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây không đối xứng

- Đưa ra các so sánh kết quả ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu của công trình khi sử dụng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation Đề xuất các trường hợp sử dụng hợp lý phần mềm Plaxis 2D hay 3D Foundation

6 Bố cục đề tài

Mở đầu;

Chương 1: Tổng quan về tường chắn đất và phương pháp thi

công từ dưới lên trong xây dựng công trình ngầm;

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tường chắn đất và hệ

văng chống bằng phần mềm Plaxis;

Chương 3: Phân tích ứng xử của tường trong đất và hệ kết cấu

đỡ trong giai đoạn thi công hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis Kết luận và kiến nghị

Danh mục tài liệu tham khảo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG TỪ DƯ I L N TRONG XÂY DỰNG CÔNG

TRÌNH NGẦM 1.1 Tổng quan về tường trong đất

1.1.1 Giới thiệu về tường trong đất t ng t th p

1.1.1.1 Định nghĩa tường trong đất ê t ng cốt th p

1.1.1.2 Vật liệu chủ yếu làm tường Barrette

1.1.1.3 Kích thước hình học của Barrette

1.1.2 Nguy n tắ thiết kế, lựa họn kết ấu tường Barrette 1.1.3 C ng nghệ thi ng tường t ong đất tường a tt

1.1.3.1 Tóm tắt iện pháp thi c ng tường Barrette

1.1.3.2 Quy trình thi c ng tường Barrette

1.2 Tổng quan về phương pháp thi công Bottum – up

1.2.1 Ch ng đỡ tường v y bằng hệ v ng h ng ho ing - kingpost)

1.2.2 Ch ng đỡ tường v y bằng neo ng uất t ướ trong đất

1.3 Nhận t chương 1

Để thi công móng và các kết cấu phần ngầm công trình từ dưới lên, cần phải đào hố đào đến vị trí cốt đáy móng công trình Đối với các hố đào sâu, áp lực đất, nước tác dụng lên tường chắn là rất lớn, vì vậy cần mô phỏng chính xác ứng xử của tường chắn để làm cơ sở thiết kế hệ chống đỡ tường chắn Việc áp dụng phương pháp tính toán mô phỏng phù hợp với các giai đoạn thi công hố đào sâu theo hình dạng mặt bằng hố đào và chiều sâu hố đào công trình là vấn đề rất quan trọng để giải pháp thiết kế trong giai đoạn thi công hố đào

sâu đảm bảo an toàn trong thi công công trình

Đối với phương pháp sử dụng hệ văng chống (hệ shoring - kingpost) để chống đỡ tường vây, hiểu biết được các giai đoạn thi công như đã giới thiệu tổng quan là cơ sở quan trọng để mô hình hóa bài toán trong các phần mềm địa kỹ thuật, giúp mô phòng ứng xử của tường chắn và hệ chống đỡ một cách chính xác

Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán thiết kế hố đào sâu trong giai đoạn thi công Trong đó có phần mềm thương mại Plaxis 2D và 3D Foundation Đối với phần mềm Plaxis 2D, trong quá trình tính toán giả thiết tất cả các mặt phẳng đều làm việc giống nhau, bỏ qua sự làm việc không gian, nghĩa là ch x t sự làm việc của tường chắn và hệ chống đỡ theo một phương Do đó, dẫn đến kết quả tính toán trong một số trường hợp hoặc gây lãng phí không cần thiết, hoặc một số vị trí mặt phẳng tường chắn làm việc bất lợi nhưng kết quả tính toán bằng phần mềm Plaxis 2D không phân tích được sẽ không đảm bảo an toàn trong giai đoạn thi công hố đào sâu, có thể gây mất

an toàn, thậm chí gây sụp đổ thành hố Đối với mềm Plaxis 3D Foundation, cho ph p mô tả được sự làm việc không gian của tường chắn và hệ văng chống trong quá trình thi công hố đào sâu, cho kết quả tính toán nội lực, chuyển vị, biến dạng ở mọi mặt phẳng làm việc của tường chắn và hệ văng chống Tuy vậy, khi phân tích ứng xử của tường chắn và hệ văng chống trong các giai đoạn thi công bằng Plaxis 3D thường phức tạp hơn mà trong nhiều trường hợp việc sử dụng Plaxis 3D vẫn đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy Vì vậy cần phải xem x t trong các bài toán cụ thể để đề xuất các trường hợp sử dụng phù hợp đối với phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation Nội dung nghiên cứu này sẽ được thực hiện qua các bài toán cụ thể trong chương 3 của luận văn này

2.2.4.1 Mô hình Mohr – Coulomb

Nguyên lý chủ yếu mô hình Mohr – Coulomb là biến dạng của đất nền sẽ bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

2.2.4.2 M hình tăng ền đẳng hướng Hardening Soil

2.3 Các thông số cơ bản khi mô hình ứng của công trình trong Plaxis

Hệ văng chống được mô hình hóa trong Plaxis 2D dưới hình thức phần tử neo (node-to-node anchors) Trong Plaxis 3D, hệ văng chống được mô hình như các phần tử dầm (beams)

3.3 t đi m khá giữa Plaxis v 3

Đối với phân tích trong Plaxis 2D, mô hình được coi là biến dạng phẳng Hố đào có dạng hình chữ nhật, được giả định bằng mô hình có một mặt cắt đồng nhất, biến dạng tiết diện mặt phẳng đồng đều, tải trọng đồng đều và biến dạng bằng 0 trong phương vuông góc với tiết diện Trong mô hình phân tích, thanh chống liên kết với tường vây bằng liên kết gối cố định (fixed end – anchor) hoặc liên kết gối tựa (node –to – node anchors)

Đối với phân tích trong Plaxis 3D Foundation, một mô hình bao gồm tất cả các tính chất đất, tải trọng, phụ tải theo thực tế xây dựng Trong mô hình phân tích, thanh chống liên kết với tường vây được mặc định bằng liên kết dầm (beams) Về khai báo, xuất kết quả trong Plaxis 2D và 3D foundation:

Module input:

- Các thủ tục khai báo của Plaxis 2D khá đơn giản, người dùng làm việc với đối tượng 1 mặt phẳng Với Plaxis 3D foundation, việc khai báo phức tạp hơn (làm việc với đối tượng mặt phẳng, khối)

- Mặt cắt địa chất của Plaxis 2D được khai báo địa chất (Materials set), có nghĩa các mặt cắt địa chất là lý tưởng, đồng đều theo từng lớp

- Plaxis 3D Foundation khai báo theo lỗ khoan (borehole), mặt bằng các lỗ khoan được bố trí theo thực tế khảo sát địa chất Vì vậy thể hiện được sự phức tạp của địa chất

Module calculation:

- Plaxis 2D tính toán điều kiện ban đầu (Initial condition) của

nước ngầm và initial stress của các lớp địa chất Plaxis 3D foundation

sẽ được tự động tính toán trong các giai đoạn (phase) thi công

2.4 Nhận t chương 2

Trên cơ sở lý thuyết biến dạng kết hợp mô phỏng ứng xử của đất nền thông qua đặc tính cơ lý của đất nền, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng trong công tác tính toán thiết kế và thi công hố đào sâu

Mô hình Mohr – Coulomb trong Plaxis được dựa trên ý tưởng của qui luật cân bằng đàn - dẻo với ngưỡng cố định không bị tác động bởi biến dạng dẻo và trong trạng thái ứng suất của một điểm nằm trong mặt ngưỡng đàn hồi thuần túy Mô hình này tương đối đơn giản dễ sử dụng, thường dùng để tính toán gần đúng các ứng xử ở giai đoạn đầu của đất Do đó trong Chương tính toán tiếp theo của luận văn sẽ sử dụng Mô hình Mohr – Coulomb

Việc phân tích các thông số cơ bản được sử dụng trong phần mềm Plaxis 2D và 3D là cơ sở để tác giả lựa chọn các mô hình đất nền, mô hình vật liệu và mô hình các phần tử của kết cấu tường chắn,

hệ văng chống trong mô phỏng khảo sát số từ các số liệu cơ bản của công trình thực trên địa bàn thành phố Đà Nẵng

Chương 3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG TRONG ĐẤT VÀ HỆ

K T CẤU ĐỠ TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU

Trong nghiên cứu này tạm lấy giá trị tải trọng này là q = 5 kN/m2, tải trọng này đặt xung quanh công trình, cách m p ngoài tường vây một khoảng 1,0 m và phân bố đều trong khoảng chiều dài là 10 m

Bảng Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất

TT Ch tiêu cơ lý Đơn

vị

Lớp 1 Cát hạt vừa đến nhỏ, trạng thái chặt vừa

Lớp 2

Cát hạt bụi, trạng thái chặt vừa

Lớp 3

Á s t, trạng thái dẻo mềm đến cứng

TT Ch tiêu cơ lý Đơn

vị

Lớp 1 Cát hạt vừa đến nhỏ, trạng thái chặt vừa

Lớp 2

Cát hạt bụi, trạng thái chặt vừa

Lớp 3

Á s t, trạng thái dẻo mềm đến cứng

Bảng 2 Đặc trưng vật liệu và mặt cắt ngang tường Barrette

Bảng Đặc trưng vật liệu và mặt cắt ngang hệ văng chống

Thông số Ký hiệu H350×350×12×19 mm Đơn vị

trên mặt đất quanh tường vây, phân bố trong khoảng 10 m, cách mép tường vây 1,0 m

- Giai đoạn 2: Thi công đào đất đợt 1 đến cốt đáy sàn tầng hầm

1 là -3.0 m so với cốt mặt đất tự nhiên (cốt 0.0 m) Hạ mực nước ngầm trong hố móng xuống thấp hơn đáy hố đào 2 m

- Giai đoạn 3: Thi công hệ văng chống thứ nhất tại cốt -2.5 m

- Giai đoạn 4: Thi công đào đất đợt 2 đến cốt đáy sàn tầng hầm

2 là -6.0 m Hạ mực nước ngầm trong hố móng xuống thấp hơn đáy

hố đào 2 m

- Giai đoạn 5: Thi công hệ văng chống thứ hai tại cốt -5.5 m

- Giai đoạn 6: Thi công đào đất đợt 3 đến cốt đáy móng là -8.0

m Hạ mực nước ngầm trong hố móng xuống thấp hơn đáy hố đào 1 m Hình 3.4 thể hiện mặt cắt các quá trình thi công đào đất

Hình 3.4 Mặt cắt thể hiện quá trình thi c ng đào đất được m ph ng

trong Plaxis

3.2 Công trình thi công có mặt bằng tầng hầm đối ứng, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây đối ứng

5 kN/m2

Xét mặt bằng tầng hầm với chiều rộng hố đào là 12 m, chiều dài hố đào thay đổi lần lượt như sau:

- Trường hợp 1 (TH1): Chiều dài (L) hố đào 15 m

- Trường hợp 2 (TH2): Chiều dài (L) hố đào 18 m

- Trường hợp 3 (TH3): Chiều dài (L) hố đào 21 m

- Trường hợp 4 (TH4): Chiều dài (L) hố đào 24 m

Hình 3.7 Mô hình trong Plaxis 3D (mặt bằng đối xứng, phụ tải đối

xứng)

3.2.1 ường hợp 1 (TH1): Chiều r ng (W), chiều dài (L) h

đ o (12 ×15) m

Hình 3.8 M men và chuyển vị của tường chắn (Plaxis 2D) - TH1 -

trường hợp ất lợi

Hình 3.9 Nội lực của hệ chống (Plaxis 2D) - TH1, W × L = 12×15 m

3.2.2 ường hợp 2 (TH2): W × L = 12 × 18 m

Trong trường hợp này ch x t với Plaxis 3D, do Plaxis 2D không thay đổi mặt cắt tính toán cũng như các tham số đầu vào Nội lực, chuyển vị tường vây (tại mặt cắt 9 m theo phương cạnh dài) và lực dọc trong hệ văng chống tính toán theo Plaxis 2D và 3D được tổng hợp trong Bảng 3.5

Bảng 5 Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị ằng Plaxis 2D và

3D cho TH2 W × L = 12×18 m

TH2 Nội lực Đơn vị Plaxis

2D

Plaxis 3D Mặt cắt (X = 9m) Max

Bảng 6 Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị ằng Plaxis 2D và

Max

Tường vây

Momen max

Kết quả xác định nội lực, chuyển vị tường vây (tại mặt cắt 12

m theo phương cạnh dài) và lực dọc trong hệ văng chống như trong Bảng 3.7

Bảng 7 Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị ằng Plaxis 2D và

3D cho TH4 W × L = 12×24 m

TH4 Nội lực,

chuyển vị Đơn vị Plaxis 2D

Plaxis 3D Mặt cắt (X = 12m)

Plaxis 2D và xem x t đến mô men cực đại trên vị trí bất k của tường vây khi phân tích bằng Plaxis 3D.

Momen ng vây (kN.m/m) Plaxis 3D ( t ơng ng i 2D):

Plaxis 2D: Momen max ng vây (kN.m/m)

Plaxis 3D: Momen max ng vây (kN.m/m)

Hình 3.18 Biểu đồ so sánh Momen max tường v y (TH -TH4)

Hình 3.19 so sánh kết quả phân tích chuyển vị trên tường vây bằng Plaxis 2D và 3D, trong đó x t giá trị chuyển vị trên tường vây với phân tích bởi Plaxis 3D ở vị trí tương ứng với vị trí phân tích bằng Plaxis 2D và xem x t đến chuyển vị cực đại trên vị trí bất k của tường vây khi phân tích bằng Plaxis 3D

Plaxis 2D: n max ng vây (mm) Plaxis 3D ( t ơng ng i 2D):

n ng vây (mm) Plaxis 3D: n max ng vây (mm)

Hình 3.19 Biểu đồ so sánh chuyển vị max của tường v y (TH -TH4)

Hình 3.20 và Hình 3.21 so sánh kết quả phân tích lực dọc trong các lớp văng chống khi phân tích ứng xử của hệ bằng Plaxis 2D và Plaxis 3D