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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ THỊ HOÀI 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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ THỊ HOÀI

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ THỊ HOÀI

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

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ KHÁNH TOÀN

Đà Nẵng – Năm 2019

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

Học viên: Võ Thị Hoài Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Mã số: 6058.02.08 Khóa K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Công trình ngầm đang trở thành một xu hướng tất yếu trong xây dựng các đô

thị hiện đại Thi công công trình ngầm thường dùng tường chắn đất cùng với hệ chống đỡ Mô hình chính xác ứng xử của tường chắn đất và hệ kết cấu chống đỡ là yếu tố tiên quyết trong việc tính toán, dự báo quá trình thi công phần ngầm

Nội dung luận văn này chủ yếu phân tích hai yếu tố là dạng hình học của mặt bằng hố đào

và phụ tải ảnh hưởng đến nội lực, chuyển vị ngang của tường chắn đất và hệ kết cấu chống đỡ Phương pháp thực hiện sử dụng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation mô phỏng công trình

hố đào gồm tường chắn đất và hệ văng chống trong cùng một điều kiện địa chất giả định giống nhau, chiều sâu hố đào giống nhau, thay đổi mặt bằng công trình và phụ tải Kết quả phân tích rút ra một số vấn đề về nội lực, chuyển vị ngang của tường chắn đất, hệ văng chống theo dạng hình học của hố đào, phụ tải khi sử dụng phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation

Luận văn này sẽ giúp cho người kỹ sư thiết kế có thêm cơ sở lý luận trong việc lựa chọn phần mềm Plaxis 2D hay Plaxis 3D Foundation phù hợp khi tính toán tường chắn đất cũng như kết cấu chống đỡ trong giai đoạn thi công phần ngầm của công trình

Từ khóa - Tường chắn đất; hệ văng chống; công trình ngầm; Plaxis 2D; Plaxis 3D

BEHAVIOURAL ANALYSIS OF DIAPHRAM WALL AND SHORING SYSTEM DURING UNDERGROUND CONSTRUCTION PHASES BY PLAXIS

2D AND 3D FOUNDATION SOFTWARE

Abstract - Underground construction is becoming an indispensable trend in modern

urban constructions in which using of diaphram wall and shoring system is fundamental The exact model of diaphram wall and shoring system behavior is obviousy prerequisite for the calculation and forecasting of the underground construction

The thesis content is mainly focus on analysing two factors, which are geometrical surface of the excavation pits and surcharge load affecting the internal force, horizontal displacement of the diaphram wall and shoring system The method of analysing is using the Plaxis 2D and 3D Foundation software to simulate excavation works including diaphram walls and shoring system in the same geological conditions, excavation depths, variaties of geometrical surfaces and surcharge loads By using software Plaxis 2D and 3D Foundation, the results of the analysis has lead to essential conclusions about internal forces, horizontal displacements of the diaphram wall, shoring system associating with the geometrical surfaces

of the excavation, surcharge loads

This thesis is expected to contribute considerable factors of theoretical backgrounds for design engineers in choosing the appropriate Plaxis 2D or Plaxis 3D Foundation software in order to properly design the diaphram wall and shoring system of the construction during the underground phases

Keywords – Diaphram wall; shoring – kingpost; underground construction;

Plaxis 2D; Plaxis 3D.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Nội dung nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG TỪ DƯỚI LÊN TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM 3

1.1 Tổng quan về tường trong đất bê tông cốt thép 3

1.1.1 Giới thiệu tường trong đất bê tông cốt thép 3

1.1.2 Nguyên tắc thiết kế, lựa chọn kết cấu tường Barrette 3

1.1.3 Công nghệ thi công tường trong đất (tường Barrette) 4

1.2 Tổng quan về phương pháp thi công Bottum – up 7

1.2.1 Chống đỡ tường vây bằng hệ văng chống (shoring – kingpost) 8

1.2.2 Chống đỡ tường vây bằng hệ neo ứng suất trước trong đất 10

1.3 Nhận xét chương 1 14

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ HỆ VĂNG CHỐNG BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 15

2.1 Tổng quan về Plaxis trong phân tích địa kỹ thuật 15

2.2 Cơ sở lý thuyết trong Plaxis 15

2.2.1 Các phương trình biến dạng cơ bản trong môi trường liên tục 15

2.2.2 Rời rạc hóa theo lưới phần tử hữu hạn 16

2.2.3 Phương pháp tính lặp 17

2.2.4 Mô hình ứng xử của đất 18

2.3 Các thông số cơ bản khi mô hình ứng xử của công trình trong Plaxis19 2.3.1 Thông số đất nền 19

2.3.2 Mô hình các phần tử công trình trong Plaxis 23

2.3.3 Một số điểm khác giữa Plaxis 2D và 3D foundation 24

2.4 Nhận xét chương 2 23

Chương 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG TRONG ĐẤT VÀ HỆ KẾT CẤU ĐỠ TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU BẰNG PLAXIS 2D

VÀ 3D FOUNDATION 26

3.1 Xác lập mô hình tính toán 26

3.2 Công trình thi công có mặt bằng tầng hầm đối xứng, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây đối xứng 29

3.2.1 Trường hợp 1 (TH1): Chiều rộng (W), chiều dài (L) hố đào (12x15)m 31

3.2.2 Trường hợp 2 (TH2): W x L = 12 x 18m 33

3.2.3 Trường hợp 3 (TH3): W x L = 12 x 21m 34

3.2.4 Trường hợp 4 (TH4): W x L = 12 x 24m 35

3.3 Công trình thi công có mặt bằng tầng hầm đối xứng, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây không đối xứng 38

3.3.1 Trường hợp 5 (TH5): W x L = 12 x 15m 39

3.3.2 Trường hợp 6 (TH6): W x L = 12 x 18m 40

3.3.3 Trường hợp 7 (TH7): W x L = 12 x 21m 40

3.3.4 Trường hợp 8 (TH8): W x L = 12 x 24m 41

3.4 Công trình thi công có mặt bằng tầng hầm không đối xứng, tải trọng tác dụng xung quanh thành hố đào bên ngoài tường vây không đồng đều 44

3.4.1 Trường hợp 9 (TH9): Hình chữ nhật có phần lồi lõm 44

3.4.2 Trường hợp 10 (TH10): Hình bình hành 46

3.4.3 Trường hợp 11 (TH11): Hình tam giác 47

3.5 Nhận xét chương 3 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

1 Kết luận 51

2 Kiến nghị 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN

2.5 Góc ma sát trong của cát theo chỉ số NSPT 22 2.6 Các giá trị điển hình của ' , c' và cu 23 2.7 Các đặc trưng cơ học của vật liệu tường vây được mô hình

2.8 Các đặc trưng cơ học của vật liệu thanh chống mô hình hóa

3.2 Đặc trưng vật liệu và mặt cắt ngang của tường Barrette 28 3.3 Đặc trưng vật liệu và mặt cắt ngang hệ chống 28 3.4 Tổng hợp kết quả nội lực và chuyển vị bằng Plaxis 2D và 3D

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Thứ tự đào đất đốt tường có kích thước lớn hơn 2 lần chiều dài

Các bước thi công đào đất cho công trình 3 tầng hầm, sử dụng

hệ shoring – kingpost chống đỡ tường vây – Thi công các kết cấu phần ngầm từ dưới lên

1.7 Neo ứng suất trước trong đất – nguyên lý cấu tạo 11

1.9

Các bước thi công đào đất cho công trình 3 tầng hầm, sử dụng neo ứng suất trước trong đất chống đỡ tường vây – Thi công các kết cấu phần ngầm từ dưới lên

12

1.10

Một số hình ảnh thực tế thi công tầng hầm công trình từ dưới lên sử dụng neo ứng suất trước trong đất để giữ ổn định và đảm bảo khả năng chịu lực của tường vây 13

3.2 Khai báo tường Barrette trong Plaxis 2D và 3D 28

3.4 Mặt cắt thể hiện quá trình thi công đào đất được mô

3.12 Mô men và chuyển vị tường vây TH2 (Plaxis 3D) – WxL =

đều) 3.39 Mômen và chuyển vị tường vây TH11 (Plaxis 3D) 48 3.40 Biểu đồ so sánh Momen max tường vây (TH9-TH11) 48 3.41 Biểu đồ so sánh chuyển vị max của tường vây (TH9-TH11) 49 3.42 Biểu đồ so sánh lực dọc hệ văng 1 (TH9-TH11) 49 3.43 Biểu đồ so sánh lực dọc hệ văng 2 (TH9-TH11) 49

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 tƣợng 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 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở tính toán, sự làm việc của tường chắn đất

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng của phần mềm Plaxis 2D và 3D Foundation khi phân tích ứng xử của tường chắn đất và hệ chống đỡ trong giai đoạn thi công thông qua các bài toán phân tích ứng xử trên công trình cụ thể

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG

TỪ DƯỚI LÊN TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM

Trong thi công công trình ngầm, tường chắn đất đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo ổn định thành hố đào Có nhiều loại tường chắn khác nhau như tường chắn bằng cọc đất trộn xi măng, tường chắn cọc khoan nhồi, tường chắn bằng bản thép hình, tường chắn Barrette… với các phương pháp thi công khác nhau tùy thuộc vào địa chất, chiều sâu hố đào, mặt bằng thi công công trình Trong nội dung chương này chỉ đề cập đến tường chắn Barrette và phương pháp thi công phần ngầm công trình từ dưới lên (Bottum – up)

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 bê tông cốt thép

Tường trong đất là một bộ phận kết cấu công trình bằng bê tông cốt thép, được đúc tại chỗ hoặc lắp ghép nằm trong đất, gọi là tường Barrette Tường Barrette được tạo nên bởi các tấm panel nối liền với nhau qua các liên kết mềm hoặc liên kết cứng theo chu vi nhà tạo nên một hệ thống tường bao trong đất

1.1.1.2 Vật liệu chủ yếu làm tường Barrette

- Bê tông dùng cho tường chắn đất là bê tông có cấp độ bền lớn hơn B22,5 Dùng không ít hơn 400 kg xi măng PC30 cho 1m3

bê tông

- Cốt thép:

+ Thép chủ thường dùng có đường kính (16÷32) mm loại AII÷AIII

+ Thép đai thường dùng có đường kính (12÷16) mm loại AI hoặc AII

1.1.1.3 Kích thước hình học của Barrette

Các panel thường có tiết diện hình chữ nhật với chiều rộng từ 0,4 m đến 1,8 m; chiều dài từ 2,4 m đến 6,7 m; chiều sâu thông thường từ 12 m đến 30 m, cá biệt có những công trình sâu đến 100 m

1.1.2 Nguy n tắ thiết kế, lựa họn kết ấu tường Barrette

Khi lựa chọn kích thước tường chắn đất thường căn cứ vào các yếu tố:

- Chân tường phải cắm vào hoặc xuyên qua tầng đất sét, sét pha thì mới đảm bảo được nước dưới đất bên ngoài tường chắn đất không thấm hoặc thấm chậm vào hố đào

- Chiều sâu của tường chôn trong đất: chiều sâu tường càng lớn thì áp lực đất tác

dụng lên tường càng tăng, nên chiều dày của tường phải đảm bảo về khả năng chịu lực

và biến dạng

- Biện pháp thi công: biện pháp thi công tầng hầm ảnh hưởng đến chiều dày của tường, vì trong quá trình thi công đào đất sẽ làm thay đổi sơ đồ làm việc tường, khi đó tường làm việc theo nhiều dạng kết cấu khác nhau như: công xôn, dầm liên tục, dầm liên tục có đầu công xôn

1.1.3 C ng nghệ thi ng tường t ong đất tường a tt

1.1.3.1 Tóm tắt biện pháp thi công tường Barrette

Sử dụng thiết bị thi công chuyên dụng với các gầu đào phù hợp với tiết diện tường Barrette để đào hố sâu Đồng thời sử dụng dung dịch Bentonite hoặc dung dịch SuperMud để giữ cho thành hố đào không bị sạt lở Đặt lồng thép vào hố đào, tiến hành đổ bê tông theo phương pháp vữa dâng, dung dịch Bentonite trào lên do bê tông chiếm chỗ được gom vào bể thu hồi để xử lý và sử dụng lại Các panel Barrette (các đốt) được nối với nhau qua các liên kết chống thấm để tạo thành tường Barrette

1.1.3.2 Quy trình thi công tường Barrette

Tường Barrette hay tường trong đất thực chất là các cọc Barrette nối lại với nhau nhờ các liên kết và joăng chống thấm Do vậy thi công tường trong đất về cơ bản giống thi công cọc Barrette Mỗi một đốt tường Barrette, tương ứng như một cọc Barrette, có kích thước từ 2,4 – 6,7 m, chiều dày bằng chiều dày của tường Barrette theo thiết kế sẽ được thi công theo trình tự nhất định, đảm bảo chất lượng mỗi đốt tường, liên kết giữa các đốt Người ta chia các đốt tường thành các loại như Hình 1.1

Hình 1.1 Các loại đốt tường Barrette

- Đốt tường góc, tại đây đốt tường này có thể hình chữ nhật, hình chữ L có góc vuông đều hoặc không đều cạnh, hình chữ L góc tù (tùy theo cấu tạo của tường vây

2

1 - Đốt góc 2- Đốt trung gian 3- Đốt cuối cùng

công trình)

- Đốt tường cơ sở: là đốt tường được thi công đầu tiên, ở hai bên đốt này là đất

- Đốt tường trung gian: là đốt tường được thi công liền kề với đốt tường đã thi công trước đó hoặc đốt tường cơ sở Đối với đốt này, ở một bê vẫn là phần đất, bên kia

đã có đốt tường thi công trước

- Đốt tường cuối cùng (đốt tường đóng): là đốt tường được thi công mà cả hai bên của đốt tường này đã có các đốt tường khác đã thi công

- Thi ng đ t đầu ti n: quy trình thi công tương tự như thi công cọc Barrette Ở

đây, khi thi công tường dẫn thì thi công luôn cho suốt chiều dài tường (không thi công từng đốt) Thường người ta thi công tường dẫn bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc lắp ghép Việc thi công toàn bộ tường dẫn hay từng đoạn nhất định tùy thuộc vào biện pháp thi công của nhà thầu

Sau khi đào đất tới độ sâu thiết kế, lắp đặt lồng thép tiến hành lắp đặt vách chắn đầu có gioăng chống thấm (thường gọi là stop-end) ở cả hai phía cạnh ngắn của đốt đầu tiên Các bước xử lí, kiểm tra tương tự như thi công cọc Barrette Sau đó tiến hành

đổ bê tông đốt đầu tiên

Đối với các đốt có kích thước lớn hơn kích thước chiều dài của gàu đào thì trình

tự đào đất và thi công đổ bê tông như sau:

+ Đối với đốt có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 2 lần chiều dài gàu đào thì đào từng nửa một;

+ Đối với đốt có kích thước lớn hơn 2 lần chiều dài gàu đào thì đào theo thứ tự như Hình 1.2

Hình 1.2 Thứ tự đào đất đốt tường có kích thước lớn hơn 2 lần chiều dài gàu đào

Trước tiên đào một phần hố đến chiều sâu thiết kế Chú ý đào đến đâu, phải cung cấp kịp thời dung dịch bentonite đến đó, cho đầy hố đào, để giữ cho thành hố đào khỏi bị sụt lở Tiếp theo đào phần hố bên cạnh, cách phần hố đầu tiên một giải đất Làm như vậy để khi cung cấp dung dịch bentonite vào hố sẽ không làm lở thành hố cũ Cuối cùng đào nốt phần đất còn lại (đào trong dung dịch bentonite )

để hoàn thành một hố cho panel đầu tiên theo thiết kế

+ Tiếp theo, đặt gioăng chống thấm CWS vào hố đã đào sẵn (có thể sử dụng dụng cụ được thiết kế phù hợp) trong dung dịch Bentonite, sau đó hạ lồng thép vào hố móng Tiến hành đổ bê tông theo phương pháp vữa dâng sau khi đã xử lí cặn lắng Hoàn thành đổ bê tông cho toàn bộ panel thứ nhất Đào hố cho panel tiếp theo và tháo

bộ giá lắp gioăng chống thấm

Hình 1.3 Các giai đoạn tiếp theo sau khi hoàn thành đào đất panel đầu tiên

- Thi ng đ t t ung gian: chỉ được thi công đốt bên cạnh khi bê tông của đốt đã

thi công đạt cường độ quy định để đảm bảo rung động của quá trình đào đất và thi công đổ bê tông đốt trung gian không ảnh hưởng đến quá trình phát triển cường độ của

bê tông đốt đổ trước

Đối với đốt có kích thước lớn hơn chiều dài của gàu đào thì tiến hành đào một phần đốt tới độ sâu thiết kế ở vị trí cách đốt đã đổ bê tông một dải đất Tiếp theo đào phần đất còn lại tới độ sâu thiết kế Gỡ vách chắn đầu khỏi cạnh đốt đã đổ bê tông, gioăng chống thấm nằm lại trong bê tông Lắp vách chắn đầu mới có gioăng chống thấm vào cạnh ngắn còn lại của đốt đang thi công sau khi đã lắp lồng thép Thực hiện các kỹ thuật như đốt đầu tiên sau đó tiến hành đổ bê tông toàn bộ đốt trung gian

- Thi ng đ t tường u i đ t đóng

Tiến hành đào đất đốt cuối cùng khi hai bên đã thi công đổ bê tông các đốt khác Tùy thuộc vào chiều dài đốt cuối để thực hiện thứ tự đào cho phù hợp như đã nêu ở

trên Sau khi đào đất đến độ sâu thiết kế, tiến hành dỡ vách chắn đầu ở hai đốt hai bên, thực hiện các công tác khác và tiến hành đổ bê tông đốt cuối cùng

Hình 1.4 Thi công các đốt trung gian và đốt tường cuối

Như vậy, sau khi thi công xong đốt cuối cùng, toàn bộ tường Barrette của công trình đã được thi công xong Thông thường tường Barrette được thi công tới cao độ mặt đất Khi thi công sàn mặt đất, người ta tiến hành đập bỏ phần bê tông chất lượng thấp ở đỉnh tường vây, lắp cốt thép và đổ bê tông dầm mũ đỉnh tường cũng như sàn tầng mặt đất Trường hợp đòi hỏi tường vây cao hơn so với mặt đất tự nhiên, người ta cũng tiến hành đập bỏ phần bê tông chất lượng thấp ở đỉnh tường vây, lắp cốt thép, ván khuôn và đổ bê tông bù tường vây cho tới cao độ thiết kế

1.2 Tổng quan về phương pháp thi công Bottum – up

Tầng hầm được vây xung quanh bằng tường vây bê tông cốt thép (tường Barrette) thi công bằng công nghệ tường trong đất Thi công đào đất theo từng tầng, ứng với mỗi đợt đào người ta sẽ thi công hệ kết cấu chống đỡ (có thể là hệ neo ứng suất trước trong đất) hoặc hệ chống bao gồm hệ thanh ngang (Bracing system) và hệ chống tạm (King-post) Hệ chống tạm được thi công cắm vào trong cọc nhồi tại thời

điểm thi công cọc nhồi Đối với các công trình có số tầng hầm ít, hệ chống tạm có thể được thiết kế cắm trực tiếp trong nền đất hoặc cắm vào cọc nhồi biện pháp do đơn vị thi công thiết kế cụ thể mà không cần cắm vào cọc nhồi Quá trình thi công lặp lại cho tới khi đào đất đến độ sâu thiết kế (độ sâu đặt móng) Sau khi đào xong, người ta cho tiến hành thi công các kết cấu tầng hầm theo thứ tự bình thường từ dưới lên trên

Hệ thống chống sẽ được dỡ bỏ sau khi các sàn tầng hầm đủ khả năng chịu lại các

áp lực tác dụng lên tường tầng hầm Hệ cột đỡ tạm (king-post) sẽ được thu hồi nếu các cột không trùng với vị trí cột tầng hầm công trình Trường hợp các king-post trùng với

cột của công trình sẽ được để lại trong các cột bê tông của tầng hầm

Việc thi công hố đào về nguyên tắc cần đảm bảo an toàn cho cả các hạng mục bên trong hố đào lẫn các công trình lân cận hố đào Cần đào đất theo từng đợt, chiều sâu mỗi đợt phải được tính toán kỹ, đảm bảo thuận tiện thi công cũng như đảm bảo khả năng chịu lực cho hệ chống và tường vây công trình Bắt đầu đào từ phía cạnh ngắn của hố móng và từ khu vực giữa hố rồi tiến dần ra xung quanh

Việc đào đất có thể thực hiện bằng thủ công hay bằng các loại máy móc hiện đại khác nhau tùy thuộc vào kích thước hố đào và điều kiện thi công tại hiện trường Việc đào và vận chuyển đất giống như ở trên mặt đất bình thường do mặt bằng thi công rộng, dùng các loại cần trục để lấy đất ở dưới các tầng sâu Trong quá trình thi công đào đất phải tuân theo các quy tắc về ổn định hố đào Chọn chiều sâu các lớp đào hợp lí, sơ đồ di chuyển của máy đào phải phù hợp với hình dạng và kích thước hố đào nhằm đạt hiệu quả cao nhất

Đào đất đến những cao độ thiết kế nhất định thì thi công hệ giằng giữ tường chắn đến đó Công việc này là cốt yếu, rất quan trọng khi thi công đào đất tầng hầm, giữ cho đất, nước ngầm không thâm nhập vào công trường đang thi công, đảm bảo cho các quá trình thi công được diễn ra bình thường Việc đào đất được kết thúc khi đạt chiều sâu thiết kế, tạo mặt bằng cho việc thi công đài móng và sàn tầng hầm

Đối với hố đào sâu, áp lực lên tường chắn lớn, nên để đảm bảo an toàn tường vây, cần phải dùng các biện pháp chống đỡ tường bao Thông thường có hai phương pháp chống đỡ: chống đỡ bằng hệ dầm ngang và cột chống tạm hoặc hệ neo trong đất Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm, tuy nhiên tùy theo điều kiện mặt bằng và điều kiện địa chất để lựa chọn phương pháp chống đỡ tường bao phù hợp

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

Dùng hệ dầm và cột chống văng giữa các tường đối diện Hệ dầm và cột này thường được gia công từ thép Các xà ngang, được đỡ bởi hệ cột tạm, sẽ chống vào các mặt tường vây thông qua hệ dầm biên, được điều chỉnh b ng hệ kích thủy lực điều khiển bằng hệ bơm dầu trung tâm Hình 1.5 trình bày các bước thi công cơ bản khi sử dụng hệ

văng chống (hệ shoring - Kingpost) để chống đỡ tường vây cho công trình có 3 tầng hầm

Hình 1.5 Các bước thi công đào đất cho công trình 3 tầng hầm, sử dụng hệ shoring - kingpost chống đỡ tường vây - Thi công các kết cấu phần ngầm t dưới lên

Tường vây, cọc khoan nhồi, kingpost đã được thi công xong, các bước thi công

cơ bản được miêu tả như sau:

- Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 1, thi công hệ văng ngang thứ nhất tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 1 một khoảng từ 0,5 m đến 1,0 m Chú ý các biện pháp thiêu thoát nước trước khi đào đất Trình tự đào như đã trình bày phía trên

- Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 2, thi công hệ văng ngang thứ hai tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 2 một khoảng từ 0,5 m đến 1,0 m

- Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 3, thi công hệ văng ngang thứ ba tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 3 một khoảng từ 0,5 m đến 1,0 m

- Đào đất đến cao độ đáy móng hoặc đáy các bể kỹ thuật (nếu bố trí các bể kỹ thuật dưới cao trình nền tầng hầm dưới cùng), thi công các bể kỹ thuật (nếu có), đài móng, hệ thống dầm - giằng móng và nền tầng hầm thứ 3 (tầng hầm dưới cùng) Chú ý các biện pháp chống thấm cho tầng hầm dưới cùng

- Thu hồi hệ văng chống thứ ba, thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 3

- Thu hồi hệ văng chống thứ hai, thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 2

- Thu hồi hệ văng chống thứ nhất, thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 1

Sau khi thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 1 xong, xem như kết thúc thi công các kết cấu phần ngầm từ dưới lên Việc thi công các tầng phía trên diễn ra như bình

Cao o t t 2 Cao o t t 1

thường Hình 1.6 giới thiệu một số hình ảnh thi công thực tế tầng hầm công trình từ dưới lên sử dụng hệ văng chống bằng thép hình

Hình 1.6 Một số hình ảnh thực tế thi công tầng hầm công trình t dưới lên sử dụng hệ

văng chống bằng thép hình để chống đỡ tường vây

Phương pháp chống giữ bằng hệ văng chống có ưu điểm là: hệ văng chống có trọng lượng nhỏ, lắp dựng và tháo dỡ thuận tiện, có thể sử dụng nhiều lần Căn cứ vào tiến độ đào đất có thể vừa đào, vừa chống Có thể làm cho hệ chống ngang chủ động chống đỡ bằng cách sử dụng hệ thống kích, tăng đơ rất có lợi cho việc hạn chế chuyển dịch ngang của tường Dễ dàng giải quyết các vấn đề về thông gió, chiếu sáng trong thi công hố đào sâu

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm: độ cứng tổng thể của

hệ văng chống nhỏ đòi hỏi tính toán kỹ, các mắt nối ghép nhiều Nếu cấu tạo nối ghép không hợp lý, biện pháp thi công không thoả đáng và không phù hợp với yêu cầu của thiết kế, dễ gây ra chuyển dịch ngang và mất ổn định của tường vây hố đào do độ cứng tổng thể của hệ văng chống không bảo đảm, do các chi tiết nối ghép biến dạng Ngoài

ra, hệ văng chống cản trở và hạn chế cơ giới hóa quá trình thi công đào đất cũng như thi công các kết cấu, khó có khả năng thu hồi 100 hệ văng chống do phụ thuộc nhiều vào thiết kế và bố trí hệ kingpost Thời gian thi công kéo dài, chi phí thi công cao

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

Chống đỡ tường vây bằng hệ văng chống cản trở và hạn chế cơ giới hóa quá trình thi công đào đất cũng như thi công các kết cấu Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp trên người ta dùng neo ứng suất trước trong đất

Neo ứng suất trước trong đất có nhiều loại, tuy nhiên dùng phổ biến trong xây dựng tầng hầm nhà cao tầng là neo phụt, Hình 1.7 Phương pháp này được áp dụng khi ta cần không gian để thi công trong lòng hố đào Việc đặt neo tuỳ thuộc vào lực căng mà có thể neo trên mặt đất hay neo ngầm vào trong đất Trường hợp neo ngầm, khi đào đến đâu người ta khoan xuyên qua tường bao để chôn neo và cố định neo vào tường Với phương pháp này tường được giữ với ứng lực trước nên hầu như

là ổn định hoàn toàn Khi tầng hầm đã được xây dựng xong, tường được giữ bởi hệ kết cấu tầng hầm, lúc này neo sẽ được dỡ đi hoặc để lại tùy theo sự thoả thuận của chủ đầu tư với các công trình bên cạnh, cũng như công nghệ sử dụng có cho phép thu hồi neo hay không Nếu tường bao hở (không liên kết với kết cấu tầng hầm) thì các neo sẽ vẫn được giữ nguyên và làm việc lâu dài, lúc này nó cần được bảo vệ cẩn thận

Hình 1.7 Neo ứng suất trước trong đất - nguyên l cấu tạo

Để tạo ra bầu neo có nhiều cách khác nhau, ứng với mỗi cách khác nhau sẽ cho những đặc điểm làm việc khác nhau Hình 1.8 giới thiệu một số loại neo và bầu neo

oại A: Bơm vữa xi măng trong ống vách  Dùng cho nền đá, đất đắp, dính oại B: Phun vữa áp lực thấp (1000 kN m2

)  dùng trong nền đá yếu, nứt n , trong các lớp hạt thô hoặc mịn

oại C: Phun vữa áp lực cao ( 2000 kN/m2

)  Dùng cho nền đất rời hạt mịn, lực căng trong neo lớn

oại D: Dùng thiết bị chuyên dùng để khoan tạo bầu  dùng cho đất dính chặt,

cứng, lực căng lớn

i ng xung quanh công nh

n do

Hình 1.8 Một số loại neo và bầu neo

Hình 1.9 trình bày các bước thi công cơ bản khi sử dụng neo ứng suất trước trong đất để giữ ổn định và đảm bảo khả năng chịu lực của tường vây cho công trình có 3 tầng hầm

Hình 1.9 Các bước thi công đào đất cho công trình 3 tầng hầm, sử dụng neo ứng suất trước trong đất chống đỡ tường vây - Thi công các kết cấu phần ngầm t dưới lên

Tường vây, cọc khoan nhồi đã được thi công xong, các bước thi công cơ bản, sử dụng neo ứng suất trước được miêu tả như sau:

- Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 1, thi công lớp neo ứng suất trước thứ nhất tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 1 một khoảng từ 0,8 m đến 1,0 m Chú ý các biện

Cao o t t 2 Cao o t t 1

cao thi công ng neo 3

pháp tiêu thoát nước trước khi đào đất Trình tự đào như đã trình bày phía trên

- Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 2, thi công lớp neo ứng suất trước thứ hai tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 2 một khoảng từ 0,8 m đến 1,0 m

- Đào đất đến cao độ sàn tầng hầm 3, thi công lớp neo ứng suất trước thứ ba tại cao độ cách cao độ sàn tầng hầm 1 một khoảng từ 0,8 m đến 1,0 m

- Đào đất đến cao độ đáy móng hoặc đáy các bể kỹ thuật (nếu bố trí các bể kỹ thuật dưới cao trình nền tầng hầm dưới cùng), thi công các bể kỹ thuật (nếu có), đài móng, hệ thống dầm - giằng móng và nền tầng hầm thứ 3 (tầng hầm dưới cùng) Chú ý các biện pháp chống thấm cho tầng hầm dưới cùng

- Thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 3, thu hồi lớp neo thứ ba (nếu thiết kế và sử dụng loại neo có thể thu hồi)

- Thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 2, thu hồi lớp neo thứ hai (nếu thiết kế và sử dụng loại neo có thể thu hồi)

- Thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 1, thu hồi lớp neo thứ nhất (nếu thiết kế và

sử dụng loại neo có thể thu hồi)

Sau khi thi công hệ cột, dầm sàn tầng hầm 1 xong, xem như kết thúc thi công các kết cấu phần ngầm từ dưới lên Việc thi công các tầng phía trên diễn ra như bình thường Hình 1.10 giới thiệu một số hình ảnh thi công thực tế tầng hầm công trình từ dưới lên sử dụng neo ứng suất trước trong đất để giữ ổn định và đảm bảo khả năng chịu lực của tường vây

Hình 1.10 Một số hình ảnh thực tế thi công tầng hầm công trình t dưới lên sử dụng neo ứng suất trước trong đất để giữ n định và đảm bảo khả năng chịu lực của

tường vây

Sử dụng neo ứng suất trước trong đất để chống đỡ tường vây có ưu điểm là thi công hố đào gọn gàng, có thể áp dụng cho thi công những hố đào rất sâu; mặt bằng thi công thông thoáng, thuận tiện cho thi công; khả năng chịu lực tốt; dễ dàng kiểm soát chuyển vị ngang của tường vây Tuy nhiên, công nghệ thi công phức tạp, ít phổ biến;

bị ảnh hưởng bởi các công trình lân cận; không thi công được trong nền đất yếu; giá thành thi công cao

1.3 Nhận xét 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 Tường chắn đất có vai trò giữ ổn định thành

hố đào Hệ văng chống hoặc neo ứng suất trước trong đất có vai trò làm giảm đáng kể chuyển vị của tường chắn đất, đảm bảo cho tường chắn đất làm việc an toàn trong giai đoạn thi công 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 phỏng 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 ph ng đều làm việc giống nhau, bỏ qua sự làm việc không gian, nghĩa là chỉ xét 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 ph ng 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 phép 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 ph ng 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 xét 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

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN ĐẤT VÀ HỆ VĂNG

CHỐNG BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS

2.1 Tổng quan về Plaxis trong phân tích địa kỹ thuật

Plaxis là một phần mềm tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn, có thể mô phỏng kết cấu dưới dạng 2D hoặc 3D Đây là phần mềm phân tích địa kỹ thuật, nó cho phép phân tích biến dạng và sự ổn định của đất đối với các bài toán khác nhau trong địa kỹ thuật Phần mềm cũng cho phép mô phỏng ứng xử của kết cấu, thực hiện đồng thời các bài toán phân tích địa kỹ thuật khác nhau Chương trình, sử dụng một giao diện đồ hoạ, cho phép dễ dàng xây dựng một mô hình địa kỹ thuật và phát sinh nhanh chóng một lưới các phần tử hữu hạn trên mặt cắt nghiên cứu của công trình Kết quả

mô phỏng với nhiều thông số đầu ra khác nhau như: Ứng suất, biến dạng hay nội lực trong các phần tử của kết cấu công trình… Plaxis cho phép mô phỏng ứng xử của đất bằng nhiều mô hình khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm, cấu tạo, tính chất của đất Các

mô hình ứng xử cụ thể của đất sẽ được trình bày cụ thể trong các nội dung tiếp theo

2.2 Cơ sở lý thuyết trong Plaxis

Theo tác giả Đỗ Văn Đệ [1] cơ sở lý thuyết trong Plaxis được sử dụng nền tảng

lý thuyết biến dạng của đất nền trên cơ sở lý thuyết cơ học môi trường liên tục được trình bày dưới dạng phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1 Cá phương t ình iến dạng ơ ản t ong m i t ường li n tụ

Phương trình cơ bản của phân tích biến dạng liên tục ở trạng thái tĩnh:

LT ϭ + p = 0 (2-1) Các phương trình quan hệ của 6 thành phần ứng suất trong không gian gắn với vectơ ϭ, 3 thành phần lực khối, gắn với vectơ p LT

là ma trận chuyển vị của toán tử vi phân, được định nghĩa như sau:

vị, gắn với véc tơ u, được sử dụng để định nghĩa toán tử vi phân L Mối quan hệ giữa

đ ng thức (2-1) và (2-2) được tạo thành từ mối quan hệ cân bằng, thể hiện sự làm việc của vật liệu Có thể biểu thị tổng quát thông qua hệ thức sau:

̇ = M ̇ (2-3) Kết hợp 3 phương trình (2-1), (2-2) và (2-3) ta sẽ đưa ra một phương trình như sau:

∫ T dV = ∫ T dV + ∫ T dS Với t là véc tơ phản lực tại các biên

Sự phát triển của trạng thái ứng suất được xác định:

i = i-1 +

(2-4) ∫ dt

Trong đó:

i

– trạng thái ứng suất thực chưa biết;

i-1

– trạng thái ứng suất ban đầu đã biết;

– số gia ứng suất (biến thiên ứng suất trong một đơn vị thời gian)

Nếu phương trình (2-4) xác định i ở bước tính toán thứ i, i-1

được xác định theo phương trình:

∫ T dV = ∫ T dV + ∫ T i dS - ∫ T i-1

dV (2-5) Các đại lượng xuất hiện trong phương trình (2-5) được đặc trưng bởi các vị trí trong không gian 3 chiều

2.2.2 Rời ạ hóa th o lưới phần tử hữu hạn

Theo phương pháp phần tử hữu hạn, một vật thể liên tục có thể được rời rạc thành các phần tử nhỏ hơn Mỗi phần tử bao gồm một số nút, mỗi nút có số bậc tự do xác định, thông qua số bậc tự do của nút, xác định các điều kiện biên và có thể giải bài toán Theo lý thuyết về biến dạng, số bậc tự do tương ứng với các thành phần chuyển

vị Trường chuyển vị của một phần tử u nhận được từ các giá trị riêng biệt trong véc tơ

Ʋ sử dụng hàm nội suy thể hiện trong ma trận N, khi đó:

u = N Ʋ (2-6) Hàm nội suy trong ma trận N giống như một hàm hình dạng Sự thay thế của phương trình (2-5) trong mối quan hệ động lực đưa ra:

= L N Ʋ = B Ʋ (2-7) Với B là ma trận nội suy của biến dạng, bao gồm các thành phần không gian của

hàm nội suy Phương trình (2-5) được biến đổi thành phương trình sau:

được phương trình:

∫ T dV = ∫ T i dV + ∫ T i dS - ∫ T i-1

dV (2-9) Phương trình trên chi tiết hóa điều kiện cân bằng trong các mẫu rời rạc

Mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng thường là mối quan hệ phi tuyến Biến dạng thường không tính toán trực tiếp được Tuy nhiên, phương pháp lặp có thể giải quyết được bài toán trên dựa vào phương trình cân bằng (2-9) cho mọi chất điểm

Ma trận độ cứng K được sử dụng trong phương trình thể hiện một cách gần đúng tính chất của vật liệu Để chính xác hơn ma trận độ cứng, một vài bước lặp đòi hỏi đạt được trạng thái cân bằng trong phạm vi dung sai cho phép

Dạng đơn giản nhất của K trong trường hợp đáp ứng điều kiện của vật liệu đàn hồi tuyến tính Trong trường hợp đó, ma trận độ cứng có thể được tính như sau:

K = ∫ T

De B dV

Trong đó:

De – ma trận của vật liệu đàn hồi tuân thủ theo Định luật Hooke;

B – ma trận nội suy của biến dạng

Sử dụng ma trận độ cứng của vật liệu đàn hồi nhằm vòng lặp đủ dài trong khi độ cứng của vật liệu không tăng, thậm chí khi sử dụng cả mô hình không liên kết d o Đối với các vật liệu đàn hồi tuyến tính, như mô hình Mohr-Coulomb, việc sử dụng ma trận

độ cứng đặc biệt thuận tiện, tuy nhiên cần phải được phân tích trước bước tính toán đầu tiên

2.2.4 Mô hình ng ử a đất

2.2.4.1 Mô hình Mohr – Coulomb

Mô hình ứng xử Mohr-Coulomb là mô hình đàn d o lý tưởng được sử dụng rất phổ biến hiện nay vì nó cho kết quả mô phỏng sát với thực tế 5 thông số cơ học của

mô hình ứng xử Mohr-Coulomb gồm:

- E: Mô đun đàn hồi của đất (Young s modulus)

- ν: Hệ số Poisson

- c: Lực dính (Cohesion)

- φ: Góc nội ma sát (Frictional internal angle)

- ψ: Góc giãn nở (Dilatancy angle)

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 d o

Biến dạng d o là biến dạng không hồi phục Để đánh giá biến dạng d o có xảy ra trong tính toán hay không, một hàm d o f được định nghĩa Hàm d o f là hàm của ứng suất và biến dạng, được thể hiện như một mặt trong không gian ứng suất chính Một

mô hình đàn hồi - d o lý tưởng là một mô hình cấu thành với một mặt d o cố định, mặt

d o này hoàn toàn được xác định thông qua các thông số đất nền và không chịu ảnh hưởng bởi biến dạng d o Đối với các trạng thái ứng suất đặc trưng bởi các điểm bên trong mặt d o, ứng xử hoàn toàn đàn hồi và tất cả biến dạng là hồi phục

Mô hình Mohr – Coulomb không xét đến tính tăng bền hay suy bền của vật liệu trong quá trình biến dạng mà chỉ đưa ra một ứng suất cắt giới hạn để tách biệt ứng xử đàn hồi và ứng xử d o

Mô hình Mohr – Coulomb là mô hình phân tích đơn giản, quá trình tính toán nhanh chóng, và là mô hình phân tích ứng xử của đất phổ biến nhất, với các thông số đầu vào đơn giản, rõ ràng Mô hình này thường dùng để tính toán gần đúng các ứng xử

của đất ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu

2.2.4.2 Mô hình tăng bền đẳng hướng Hardening Soil

Mô hình tăng bền đ ng hướng Hardening Soil là mô hình đất nâng cao dùng để

mô phỏng ứng xử của nhiều loại đất khác nhau, dành cho cả đất mềm và đất cứng (Schanz, 1998)

Khác với mô hình đàn d o lý tưởng Mohr – Coulomb, mặt ngưỡng d o của mô hình Hardening Soil không cố định trong thời gian ứng suất chính mà có thể mở rộng

ra tùy thuộc vào mức độ biến dạng d o của đất Mô hình Hardening Soil tích hợp cả 2 loại ứng xử tăng bền của đất nền, đó là tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén Tăng bền chống cắt dùng để mô phỏng các biến dạng không hồi phục của đất nền khi chịu ứng suất lệch (ứng suất cắt) ban đầu Tăng bền chống nén dùng để mô phỏng các biến dạng không hồi phục của đất nền khi chịu tải nén 1 trục ban đầu (nén cố kết hay nén đ ng hướng)

Trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước, mối quan hệ giữa biến dạng dọc trục và ứng suất lệch có dạng hyperbolic (Kondner, 1963) và về sau đã được ứng dụng trong

mô hình hyperbolic nổi tiếng của Duncan và Chang (1970) Tuy nhiên mô hình Hardening Soil đã vượt xa mô hình hyperbolic vì mô hình này xây dựng trên cơ sở lý thuyết d o thay vì lý thuyết đàn hồi và thêm nữa mô hình Hardening Soil có xét đến góc giãn nở của đất và đưa ra mặt d o hình chỏm

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

2.3.1 Th ng đất nền

2.3.1.1 oại vật liệu đất nền (Drained, Undrained, Non-porous)

Một trong những tính chất khác biệt giữa đất và các vật liệu khác là trong đất tồn tại các dạng vật chất ở ba thể khác nhau: thể rắn (hạt đất), thể lỏng (nước), thể khí (không khí) Đặc biệt là nước gây nên áp lực nước lỗ rỗng làm ảnh hưởng to lớn đến ứng xử của đất nền Do đó, để mô phỏng ứng xử của đất nền trong sự tương tác giữa kết cấu hạt đất với nước trong đất việc phân loại đất nền thành ba loại: thoát nước (Drained), không thoát nước (Undrained), và không thấm (Non-porous) là cần thiết Khi lớp đất nền được chọn là loại vật liệu thoát nước áp lực nước lỗ rỗng sẽ không được tạo ra trong đất, các tải ngoài sẽ chuyển toàn bộ vào ứng suất hữu hiệu của đất nền Loại vật liệu này được sử dụng cho những lớp đất nền khô ráo (bên trên mực nước ngầm), các loại đất nền có hệ số thấm cao, hay trong các phân tích công trình ở trạng thái lâu dài mà không cần kể đến tính thấm kém của đất nền và thời gian cố kết Ngược lại với vật liệu thoát nước, khi đất nền được thiết lập là vật liệu không thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng sẽ được tạo ra trong đất nền Dòng thấm trong đất nền

có thể được bỏ qua do tính thấm kém của vật liệu, hệ số tải ngoài cao hay tiến hành

phân tích trong trường hợp tức thời Khi các lớp đất nền được chọn thuộc tính không thoát nước thì chúng ứng xử không thoát nước hoàn toàn mặc dù lớp đất đó nằm trên mực nước ngầm Tuy nhiên các thông số nhập vào trong lớp đất nền lại là các thông số thoát nước vì mặc định Plaxis sẽ sử dụng những công thức tương quan để chuyển những thông số này về thông số không thoát nước

Vermeer & Meier (1998) đã đưa ra một công thức giúp xác định loại vật liệu trong quá trình phân tích hố đào sâu:

T kE oed t

w D

Trong đó:

E oed - Modun Oedonmeter; D - đường thấm; t - thời gian thi công

Khi T < 0,1 đất nền ứng xử không thoát nước và khi T > 0,4 đất nền ứng

xử thoát nước

2.3.1.2 Dung trọng bão hòa và dung trọng khô

Dung trọng không bão hòa (unsat) và dung trọng bão hòa (sat ) là dung trọng đơn

vị của đất nền bao gồm cả nước trong các lỗ rỗng của kết cấu khung hạt đất Dung trọng không bão hòa đại diện cho dung trọng đơn vị của lớp đất nằm trên mực nước ngầm và dung trọng bão hòa là cho lớp đất nằm dưới mực nước ngầm Trong thực tế thì lớp đất nằm trên mực nước ngầm không hoàn toàn khô ráo do hiện tượng mao dẫn

do đó không nên gán thông số dung trọng không bão hòa là dung trọng khô của đất mà nên chọn là dung trọng tự nhiên của đất

2.3.1.3 Hệ số thấm

Hệ số thấm có ý nghĩa to lớn trong phân tích cố kết và phân tích dòng thấm Plaxis phân biệt giữa hệ số thấm ngang kx và hệ số thấm đứng ky Trong thực tế phân tích thì ta thường không phân biệt giữa thấm đứng và thấm ngang để đơn giản tính

toán Các loại đất khác nhau thì hệ số thấm thay đổi rất lớn từ khoảng 10-1 m/s (sỏi, sạn) đến 10-10

m/s (sét chặt) Giá trị hệ số thấm của các loại đất tra theo Bảng 2.1

Trong phần mềm Plaxis, thông số ref

50

E của mô hình Hardening Soil sẽ được lấy trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước Tuy nhiên trong thực tế nhiều công trình lại không tiến hành thí nghiệm này Vì vậy, đối với hầu hết các loại nền đất, nhiều tác giả dựa vào các thí nghiệm SPT, thí nghiệm CPT hoặc thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước để ước lượng mô đun biến dạng của đất nền theo các công thức tương quan Theo kết quả thực nghiệm của Michell, Gardner và Schurtmann (1970):

Skempton đề nghị công thức thực nghiệm tính lực dính không thoát nước theo chỉ

số d o Ip và ứng suất hữu hiệu th ng đứng do trọng lượng bản thân  z

Theo kết quả nghiên cứu của J.E.Bowles và cộng sự [2] cũng đã lập ra được bảng giá trị tương quan giữa mô đun E và các loại đất khác nhau

Bảng 2.2: Miền giá trị của mô đun E ứng với các loại đất khác nhau (Bowles, 1988)

Bảng 2.3: Các giá trị điển hình của mô đun E

Bảng 2.4: Các giá trị điển hình của hệ số Poisson

Thông số sức chống cắt không thoát nước không kể đến góc ma sát trong của đất nền u  0, mà chỉ kể đến lực dính của đất Cu Giá trị Cu được lấy thông qua các thí nghiệm ba trục không thoát nước, thí nghiệm cắt cánh ngoài hiện trường hay trong phòng, thí nghiệm nén 1 trục nở hông

Peck, Hansen và Thornburn đưa ra bảng xác định góc ma sát trong của cát căn cứ

vào số búa N của thí nghiệm SPT như trong Bảng 2.5

Bảng 2.5: Góc ma sát trong của cát theo chỉ số N SPT

Theo Terzaghi và đồng nghiệp, công thức xác định góc  như trong Bảng 2.6

Bảng 2.6: Các giá trị điển hình của ' , c' và c u

Bảng 2.7 Các đặc trưng cơ học của vật liệu tường vây được mô hình hóa trong Plaxis

tử dầm (beams) Các đặc trưng vật liệu của phần tử này được thể hiện trong bảng 2.8

Bảng 2.8 Các đặc trưng cơ học của vật liệu thanh chống mô hình hóa trong Plaxis

Loại ứng xử Thanh chống Đàn hồi tuyến tính -

Mô đun đàn hồi E 220*106 kN/m2 (kPa)

3.3 t đi m khá giữa Plaxis v 3

Nhìn chung, phần tử hữu hạn theo Plaxis 2D phân tích độ ổn định, chuyển vị và nội lực theo 2 phương, còn Plaxis 3D phân tích theo 3 phương

Đối với phân tích trong Plaxis 2D, mô hình được coi là biến dạng ph ng Hố đào

có dạng hình chữ nhật, được giả định bằng mô hình có một mặt cắt đồng nhất, biến dạng tiết diện mặt ph ng 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 ph ng Với Plaxis 3D foundation, việc khai báo phức tạp hơn (làm việc với đối tượng mặt ph ng, 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

- Thời gian phân tích bài toán trên Plaxis 3D foundation lâu hơn so với Plaxis 2D (6-7) lần

Module output:

Với Plaxis 3D foundation, lựa chọn điểm nút cần lấy giá trị tính toán khá dễ dàng được định nghĩa và có thể sửa dưới dạng tọa độ, cho phép nhiều người dùng có thể so sánh kết quả một các chính xác

2.4 Nhận xét 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 - d o với ngưỡng cố định không bị tác động bởi biến dạng d o 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 KẾT CẤU

ĐỠ TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU BẰNG PLAXIS 2D

VÀ 3D FOUNDATION

Nội lực tường trong đất và hệ văng chống phụ thuộc nhiều yếu tố như hệ thống kết cấu chống đỡ, tải trọng tác dụng, kích thước hình dạng hố đào, điều kiện địa chất, biện pháp thi công Khi mô hình tính toán bằng Plaxis, các điều kiện trên được gán thông qua các thông số đầu vào phần mềm Việc nhập liệu này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính toán hay nói cách khác là sự tương quan giữa thực tế làm việc và lý thuyết tính toán bằng phần mềm

Đối với Plaxis 2D, việc lựa chọn vị trí mặt cắt tính toán trên mặt bằng và xử lý các thông số đầu vào để nhập liệu phụ thuộc kinh nghiệm cũng như kiến thức của người sử dụng (phần mềm) Đối với Plaxis 3D Foudation, người sử dụng sẽ mô hình đầy

đủ các thông số đầu vào

Trong chương này sẽ thực hiện các bài toán số dựa trên một công trình ngầm giả định, sử dụng điều kiện địa chất tại thành phố Đà Nẵng Phân tích xét các trường hợp:

- Công trình có mặt bằng đối xứng chịu tải trọng xung quanh đối xứng;

- Công trình có mặt bằng đối xứng chịu tải trọng xung quanh không đối xứng;

- Công trình có mặt bằng không đối xứng chịu tải trọng xung quanh không đều Trong cả 3 trường hợp đều xét đến ảnh hưởng của tỉ lệ cạnh dài và ngắn của tầng hầm công trình đến ứng xử của tường chắn và hệ văng chống

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 mép ngoài tường vây một khoảng 1,0 m và phân bố đều trong khoảng chiều dài là 10 m

Bảng 3.1 Chỉ tiêu cơ l của các lớp đất

TT Chỉ 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 sét, trạng thái

d o mềm đến cứng