Phân tích ổn định tường vây cọc barrette khi đào sâu trong đất yếu

Bằng việc thực hiện đề tài “Phân tích ổn định tường vây cọc Barrete khi đào sâu trong đất yếu”, tác giả đã nghiên cứu một khía cạnh nhỏ trong quá trình thi công hố đào sâu nói chung.. -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MAI ANH TUẤN

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY CỌC BARRETTE

KHI ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT YẾU

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM

MÃ SỐ : 60 58 02 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2016

Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận Văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày …… tháng …… năm ………

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Chủ nhiệm Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-oOo -

Tp HCM, ngày tháng n ăm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh : 23/09/1989 Nơi sinh : Quảng Trị

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm MS : 60 58 02 04

Khóa (Năm trúng tuyển) : 2013

I - TÊN ĐỀ TÀI

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY CỌC BARRETTE KHI ĐÀO

SÂU TRONG ĐẤT YẾU

II - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Mở đầu: Giới thiệu nội dung nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về tường vây

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định tường vây bằng phần tử hữu hạn Chương 3: Phân tích ổn định tường vây cọc Barrette khi đào sâu trong đất yếu

của công trình thực tế ở Cần Thơ Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ………

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ………

V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

PGS TS CHÂU NGỌC ẨN PGS.TS LÊ BÁ VINH

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến tất cả các quý Thầy cô trong khoa Kỹ thuật Xây dựng nói chung và Bộ môn địa cơ nền móng nói riêng Các Thầy cô bằng lòng yêu nghề và sự nhiệt huyết của mình, đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hết sức quý báu trong thời gian học tập tại Trường

Tôi xin chân thành cám ơn Thầy PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN, Thầy đã hướng dẫn

tôi tận tình, truyền đạt cho tôi những kiến thức uyên thâm cũng như các vấn đề bổ ích trong cuộc sống, giúp tôi có hướng đi đúng đắn trong quá trình nghiên cứu của mình Một lần nữa tôi xin chân thành cám ơn các Thầy PGS.TS Võ Phán, PGS.TS Lê Bá Vinh, PGS.TS Nguyễn Minh Tâm, TS Bùi Trường Sơn, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Trần Tuấn Anh, TS Đỗ Thanh Hải và Cô Đặng Thị Ngọc đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập, nghiên cứu, tận tâm giảng dạy, cung cấp cho tôi nhiều tài liệu quý trong 2 học

Một lần nữa tôi xin gửi đến quý Thầy Cô và Gia đình lòng biết ơn sâu sắc

trình lân cận Bằng việc thực hiện đề tài “Phân tích ổn định tường vây cọc Barrete

khi đào sâu trong đất yếu”, tác giả đã nghiên cứu một khía cạnh nhỏ trong quá trình

thi công hố đào sâu nói chung Qua nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm,

so sánh với kết quả hiện trường, tác giả nhận thấy, việc thi công hố đào sâu mà cụ thể

là sử dụng tường vây Barrette làm tường chắn trong điều kiện địa chất yếu là vô cùng phức tạp Ứng xử của tường vây trong quá trình thi công trên nền đất yếu và không đồng nhất là không theo quy luật

Thông qua mô phỏng quá trình thi công hố đào của công trình “Trụ sở làm việc và văn phòng cho thuê công ty TNHH Nhà nước 1TV Xổ số Kiến thiết Cần Thơ” với chiều sâu đào lớn nhất là 9.7m, tường vây Barrette dày 600mm, dài 22.5m Kết quả phân tích cho thấy chuyển vị lớn nhất của tường vây là 37.63mm tại đỉnh tường vây và giảm dần theo độ sâu Độ lún mặt đất xung quanh hố đào lớn, phạm vi ảnh hưởng rộng

và có thể ảnh hưởng đến ổn định của các công trình lân cận Đồng thời tác giả cũng ghi nhận ảnh hưởng của các thông số của đất như , c, E đến sự chuyển vị của tường vây

và độ lún của đất xung quanh hố đào

itself and the other projects around it By implementing the project "Analysis Stability

of Barrette diaphragm wall while deep digging in soft soil", the author has studied a

small aspect of the construction process in general deep excavations With theoretical research, software simulation, and comparing with field results, the author has found that the construction of deep excavations, especifically using Barrette diaphragm wall

as retaining wall in soft geological conditions, is extremely complicated Reaction of diaphragm wall during construction process in soft and non-identical soil is not following the rule

By simulating the construction process of deep excavation of the project “Working offices and offices for rent of Can Tho Lottery one member of state Co,.ltd”, with the 9.7-meter deepest depth, 600-millimeter thick and 22.5-meter length of Barrette diaphragm wall The analytic result shows that the highest displacement of diaphragm wall is at the top 37.63 millimeters of the wall and it will decrease with depth The subsidence of ground around the large deep excavation and the wide range of influence can affect the stability of the neighboring buildings Besides, the author also noted the influence of soil parameters as , c, E to the displacement of diaphragm wall and the subsidence of ground around the deep excavation

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Châu Ngọc Ẩn Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là hoàn toàn trung thực Các số liệu, trích dẫn được tham khảo từ nguồn rõ ràng

và được ghi chú trong tài liệu tham khảo

Nếu có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Hội đồng

TP Hồ Chí Minh, Ngày 17 tháng 06 năm 2016

Học Viên thực hiện

Mai Anh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

SUMMARY OF THESIS iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 1

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 2

5 Hạn chế của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG VÂY 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG VÂY 3

1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN VỊ CỦA TƯỜNG VÂY 6

1.2.1 Tải trọng lân cận 6

1.2.2 Tính chất đất nền và áp lực đất tác dụng lên tường 8

1.2.2.1 Lý thuyết Mohr-Rankine 8

1.2.2.2 Lý thuyết Coulomb 10

1.2.2.3 Lý thuyết cân bằng giới hạn điểm (Lời giải sokolovski) 11

1.2.2.4 Mối quan hệ giữa áp lực đất và chuyển vị của tường 13

1.2.3 Độ cứng của tường và thanh chống 14

1.2.4 Kích thước hố đào và độ sâu của tường vây 14

1.2.5 Độ sâu hạ mực nước ngầm 15

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 16

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 16

2.1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1.1.1 Lý thuyết biến dạng 16

2.1.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 17

2.1.1.3 Phương pháp tính lặp toàn bộ 18

2.2 MÔ HÌNH HARDENING SOIL 19

2.3 CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA MÔ HÌNH HARDENING SOIL 21

2.3.1 Module E 21

2.3.2 Lực dính c và góc ma sát  25

2.3.3 Hệ số thấm k 25

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 25

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY CỌC BARRETTE KHI ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT YẾU CỦA CÔNG TRÌNH THỰC TẾ Ở CẦN THƠ 26

3.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU 26

3.1.1 Giới thiệu về công trình 26

3.1.2 Đặc điểm địa chất công trình 28

3.2 TRÌNH TỰ THI CÔNG HỐ ĐÀO CÔNG TRÌNH 30

3.3 KẾT QUẢ QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ CỦA TƯỜNG VÂY 32

3.4 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA TƯỜNG VÂY BẰNG MÔ HÌNH PLAXIS 2D 33

3.4.1 Đặc trưng địa chất và vật liệu 33

3.4.1.1 Thông số đặc trưng của nền đất 33

3.4.1.2 Thông số tường vây 34

3.4.1.3 Thông số thanh chống 35

3.4.1.4 Phụ tải mặt đất và công trình lân cận 35

3.4.1.5 Mực nước ngầm 36

3.4.2 Trình tự các bước tính toán 36

3.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 48

3.6 PHÂN TÍCH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ E, c ĐẾN CHUYỂN VỊ CỦA TƯỜNG VÂY 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng tra module biến dạng và hệ số Poisson theo Braja M Das 23

Bảng 2.2 Bảng tra hệ số hiệu chỉnh mk 24

Bảng 2.3 Bảng tra hệ số hiệu chỉnh mk 24

Bảng 2.4 Hệ số thấm của một số loại đất 25

Bảng 3.1 Thông số đặc trưng của nền đất 33

Bảng 3.2 Thông số đặc trưng của tường vây Barrette D600 34

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Toàn bộ quá trình thi công tường vây Barrette 4

Hình 1.2 Thi công tường dẫn hướng 4

Hình 1.3 Lấy đất sâu xuống theo tường dẫn hướng 5

Hình 1.4 Đặt cốt thép tường vây 5

Hình 1.5 Tường vây sau khi hoàn thành 6

Hình 1.6 Phân bố áp lực đất dưới tác dụng của tải trọng tập trung Qp 7

Hình 1.7 Phân bố áp lực đất dưới tác dụng của tải trọng phân bố Qs 8

Hình 1.8 Lý thuyết về áp lực đất của Rankine 9

Hình 1.9 Áp lực đất chủ động theo Coulomb 11

Hình 1.10 Áp lực đất bị động theo Coulomb 11

Hình 1.11 Ảnh hưởng của sự dịch chuyển tường chắn đến áp lực đất 13

Hình 1.12 Độ lớn của góc xoay tường để đạt đến trạng thái phá hoại 13

Hình 1.13 Mối liên hệ giữa chuyển vị lớn nhất của tường, độ cứng và hệ số an toàn (Theo Clough và O’Rourke, 1990) 14

Hình 1.14 Mối quan hệ giữa độ dịch chuyển ngang lớn nhất của tường với độ sâu hố đào 15

Hình 2.1 Các mặt dẻo trong mặt phẳng p – q~ của mô hình Hardening Soil 20

Hình 2.2 Mặt dẻo trong không gian ứng suất chính của mô hình Hardening Soil 20

Hình 2.3 Quan hệ ứng suất – biến dạng trong thí nghiệm ba trục thoát nước tiêu chuẩn 22

Hình 2.4 Xác địnhE oedref từ thí nghiệm nén cố kết một trục không nở hông 22

Hình 3.1 Phối cảnh công trình 26

Hình 3.2 Hình ảnh thi công tầng hầm 27

Hình 3.3 Mặt bằng bố trí hố khoan địa chất 28

Hình 3.4 Mặt cắt địa chất công trình 30

Hình 3.5 Trình tự thi công hố đào 31

Hình 3.6 Mặt bằng bố trí ống Inclinometer 32

Hình 3.7 Phase 1 37

Hình 3.8 Phase 3 37

Hình 3.9 Phase 4 38

Hình 3.10 Phase 5 38

Hình 3.11 Phase 6 39

Hình 3.12 Phase 7 39

Hình 3.13 Phase 8 40

Hình 3.14 Phase 9 40

Hình 3.15 Phase 10 41

Hình 3.16 Phase 11 41

Hình 3.17 Phase 12 42

Hình 3.18 Phase 13 42

Hình 3.19 Phase 14 43

Hình 3.20 Phase 15 43

Hình 3.21 Kết qủa chuyển vị ngang lớn nhất là 63.70mm 44

Hình 3.22 Kết quả chuyển vị đứng lớn nhất là 288.82mm 44

Hình 3.23 Biến dạng lớn nhất là 6.82% tại vị trí đỉnh tường vây 45

Hình 3.24 Kết qủa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây 46

Hình 3.25 Kết qủa độ lún lớn nhất của đất xung quanh hố đào 46

Hình 3.26 Kết qủa nội lực lón nhất trong tường vây 47

Hình 3.27 Kết qủa phình trồi hố đào khi đào đến độ sâu -9.7m 47

Hình 3.28 Kết qủa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây giữa kết quả quan trắc và mô hình Plaxis 48

Hình 3.29 Kết qủa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây khi thay đổi thông số E của lớp đất 1 và lớp đất 2 50

Hình 3.30 So sánh độ lún mặt đất khi thay đổi thông số E của lớp đất 1 và lớp đất 2 50 Hình 3.31 Kết qủa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây khi thay đổi thông số c, của lớp đất 1 51

Hình 3.32 So sánh độ lún mặt đất khi thay đổi thông số c,  của lớp đất 1 52

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Ngày nay, với tốc độ phát triển nhanh chóng, các công trình cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều Đi kèm với đó là số lượng các công trình có nhiều tầng hầm, các công trình ngầm sâu trong đất là rất nhiều Vì vậy, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật cao để

có thể thi công đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình Đặc biệt, tại TP Cần Thơ nói riêng và khu vực miền Tây Nam Bộ nói chung là khu vực có điều kiện địa chất thủy văn khá phức tạp thì việc tính toán đưa ra giải pháp giữ ổn định cho các công trình ngầm là vấn đề có ý nghĩa rất quan trọng

- Bằng việc nghiên cứu đề tài “Phân tích ổn định tường vây cọc Barrete khi đào sâu

trong đất yếu” mà ứng dụng là công trình Trụ sở làm việc và văn phòng cho thuê công

ty TNHH Nhà nước 1TV Xổ số Kiến thiết Cần Thơ xây dựng tại Số 29 đường Cách Mạng Tháng Tám – P.Thới Bình – Q.Ninh Kiều – TP.Cần Thơ Tác giả mong muốn được hiểu thêm và tìm ra cơ sở tính toán phù hợp để áp dụng cho các công trình với qui

mô và điều kiện địa chất tương đương

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Mục đích của luận văn này tập trung vào các nội dung chủ yếu sau:

 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị và ổn định của hệ tường vây khi thi công hố đào sâu trong đất yếu

 Tìm hiểu cơ sở tính toán thiết kế tường vây từ kết quả phân tích từ mô hình và thực tế nhằm áp dụng cho các công trình có tính chất tương đương

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu các cơ sở lý thuyết, các đề tài có liên quan để tìm ra

cơ sở tính toán phù hợp với phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu thực nghiệm: Tìm hiểu các thông số quan trắc, đánh giá số liệu

- Nghiên cứu mô phỏng: Mô phỏng bài toán trên phần mềm Plaxis 2D, từ đó phân tích kết quả từ lý thuyết và thực tế

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

- Đề tài có ý nghĩa làm rõ và kiểm chứng các lý thuyết tính toán ổn định của tường vây, đồng thời xác định các bộ thông số mô hình để mô phỏng bài toán tường vây hố đào sâu một cách chính xác nhất

- Ngày nay việc thi công các công trình tầng hầm trong điều kiện địa chất yếu ngày càng phổ biến, Đề tài có tác dụng cung cấp một quy trình tính toán thi công hố đào có tường vây, xác định các bộ thông số tính toán để vân dụng tính toán cho các bài toán thực tế đó

5 Hạn chế của đề tài

- Đề tài chỉ dừng lại ở việc tập trung nghiên cứu ổn định của tường mà chưa xét đến các vấn đề như biến dạng trên mặt hố đào, ổn định bên dưới hố đào…vì vậy chưa phản ánh hết các vấn đề có thể xảy ra trong quá trình thi công hố đào sâu

- Số liệu thực nghiệm hạn chế nên chưa mang tính tổng quát cao

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG VÂY

1.1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG VÂY

- Tại Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và ở Việt Nam nói chung, số lượng các công trình có tầng hầm ngày càng trở nên phổ biến, có những công trình có đến 6 tầng hầm

và thậm chí còn nhiều hơn nữa Điều đó đòi hỏi phải có những giải pháp thích hợp để

có thể thi công thuận lợi, đặc biệt là trong các khu vực được xếp vào loại địa chất yếu

- Khi thi công tầng hầm cho các công trình nhà cao tầng, một vấn đề phức tạp đặt ra là giải pháp thi công hố đào sâu trong khu đất chật hẹp liên quan đến các yếu tố kỹ thuật

và môi trường Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào và có thể làm thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịch chuyển và có thể lún gây hư hỏng công trình lân cận nếu không có giải pháp thích hợp

- Các giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là: tường cừ thép, tường

cừ cọc xi măng đất, tường cừ barrette Yêu cầu chung của tường cừ là phải đảm bảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tải trọng do được cắm sâu vào đất, neo trong đất hoặc được chống đỡ từ trong lòng hố đào theo nhiều cấp khác nhau

- Tường vây Barrette là một hệ thống các đoạn tường có tiết diện hình chữ nhật ghép lại với nhau, được thi công trước quá trình đào đất, có tác dụng vừa là tường chắn giữ

hố đào vừa là tường tầng hầm sau khi công trình hoàn thiện Kích thước và chiều dài của tường vây Barrette phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện địa chất thủy văn, quy mô kết cấu công trình bên trên, biện pháp thi công tầng hầm…Tuy nhiên, độ dày

tiêu chuẩn của tường vây Barrette thông thường là: 600mm, 800mm, 1000mm…

- Quy trình thi công Tường vây Barrette được tóm tắt theo các bước sau: [1]

Hình 1.1 Toàn bộ quá trình thi công tường vây Barrette

 Bước 1: Thi công tường dẫn hướng

Hình 1.2 Thi công tường dẫn hướng

 Bước 2: Bơm dung dịch Bentonite và dùng gàu đào chuyên dụng đào từng khối đất theo kích thước từng đoạn tường đã thiết kế

Hình 1.3 Lấy đất sâu xuống theo tường dẫn hướng

 Bước 3: Đặt lồng thép đã gia công sẵn vào các khoang đào định sẵn

 Bước 4: Đổ bê tông vào lồng thép bằng bê tông thương phẩm

Hình 1.4 Đặt cốt thép và đổ bê tông tường vây

Hình 1.5 Tường vây sau khi hoàn thành

 Bước 5: Lặp lại các quá trình trên cho đến khi thi công hoàn tất tường vây

1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN VỊ CỦA TƯỜNG VÂY

1.2.1 Tải trọng lân cận [2]

Tải trọng lân cận gây ra một áp lực đáng kể lên tường vây Theo Gerber (1929) và Spangler (1938), sự phân phối của áp lực đất theo phương ngang (h) tác dụng lên tường bởi một lực tập trung Qp có thể được thể hiện qua đại lượng m, n như sau:

0.41.77

p h

p h

Trong đó:

Qp : là tải trọng tập trung đặt tại một điểm cách mép tường một đoạn bằng x

H: là chiều sâu hố đào

m, n: là các đại lượng quy ước

h : là áp lực đất theo phương ngang tác dụng lên tường

Trường hợp tải trọng lân cận là lực phân bố thì sự phân phối của áp lực đất theo phương ngang (h) do tải trọng phân bố gây ra như sau:

( sin cos 2 )

s h

Q H

Hình 1.7 Phân bố áp lực đất dưới tác dụng của tải trọng phân bố Q s

1.2.2 Tính chất đất nền và áp lực đất tác dụng lên tường

Trong quá trình thi công hố đào sẽ phát sinh áp lực chủ động và bị động lên tường

vây, ảnh hưởng lớn đến chuyển vị của tường

Áp lực ngang của đất có khuynh hướng đẩy trượt tường chắn và khi tường chắn trượt ra khỏi hay lấn vào đất, đất đạt trạng thái cân bằng dẻo giới hạn và áp lực ngang tương ứng của đất đạt cực trị gọi là áp lực ngang của đất ở trạng thái cân bằng phá hoại dẻo Và đó là áp lực chủ động và bị động vừa đề cập ở trên

Hình 1.8 Lý thuyết về áp lực đất của Rankine

Theo lý thuyết Mohr – Rankine, quan hệ giữa ứng suất hữu hiệu theo phương đứng

’v và theo phương ngang ’h là:

’h = Ko’v = Ko’z (1.3) Theo đó, áp lực đất ở trạng thái cân bằng chủ động được tính theo công thức:

Áp lực chủ động có dạng tăng tuyến tính theo chiều sâu Áp lực chủ động có thể tính

theo công thức tích phân, tuy nhiên thông thường được tính toán theo biểu đồ áp lực ngang ở trạng thái tĩnh

1.2.2.2 Lý thuyết Coulomb [2], [3]

Năm 1773, Coulomb đã đề ra phương pháp xác định áp lực chủ động và bị động lên lưng tường ở trạng thái cân bằng giới hạn dẻo Theo đó, áp lực chủ động và bị động được xác định như sau:

Áp lực chủ động:

Từ điều kiện cân bằng giới hạn của Mohr-Rankine, trạng thái ứng suất và dạng

đường trượt đất sau lưng tường sẽ được xác định qua hệ phương trình:

0

zx z

1.2.2.4 Mối quan hệ giữa áp lực đất và chuyển vị của tường [2]

Theo nghiên cứu của NAVFAC DM7.2 (1982) áp lực đất ảnh hưởng đáng kể đến

chuyển vị của tường chắn

Hình 1.11 Ảnh hưởng của sự dịch chuyển tường chắn đến áp lực đất

Hình 1.12 Độ lớn của góc xoay tường để đạt đến trạng thái phá hoại

Hình 1.13 Mối liên hệ giữa chuyển vị lớn nhất của tường, độ cứng và hệ số an toàn

(Theo Clough và O’Rourke, 1990)

1.2.4 Kích thước hố đào và độ sâu của tường vây [2]

Clough và O’Rourke (1990) đã chỉ ra rằng, hố đào càng rộng thì sự dịch chuyển của

tường chắn càng lớn, hơn nữa trong đất yếu khi chiều rộng hố đào càng lớn thì hệ số an toàn chống trồi đáy càng giảm vì vậy chuyển vị ngang càng lớn

Theo Ou et al., 1993 biến dạng của tường trong sét mềm nhìn chung lớn hơn trong cát và biến dạng lớn nhất hm có thể ước lượng theo công thức:

Trong đó: He là độ sâu hố đào

Hình 1.14 Mối quan hệ giữa độ dịch chuyển ngang lớn nhất của tường với độ sâu

hố đào

1.2.5 Độ sâu hạ mực nước ngầm

Việc hạ mực nước ngầm trong từng giai đoạn thi công ảnh hưởng đến độ lún của đất

xung quanh hố đào và áp lực tác dụng lên tường vây Hạ mực nước ngầm làm giảm áp lực nước lỗ rống và tăng ứng suất hữu hiệu trong đất xung quanh hố đào Hạ mực nước ngầm dẫn đến sự chênh lệch áp lực nước trong và ngoài hố đào làm tăng áp lực lên

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH

Công thức này liên quan tới đạo hàm không gian của 6 thành phần ứng suất, thể hiện

bở véc tơ , với 3 thành phần lực của vật thể, thể hiện bởi véc tơ p.LT được chuyển thành các toán tử vi phân, định nghĩa như sau:

Với là véc tơ 6 thành phần biến dạng, u là véc tơ chuyển vị theo 3 phương

Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng:

M

Kết hợp công thức (2.1), (2.3) và (2.4) dẫn đến công thức vi phân riêng bộ thứ hai về chuyển vị u

Để kết hợp trực tiếp, công thức cân bằng biểu diễn theo Galerkin (1967), phương trình liên tục ở trạng thái cân bằng tĩnh:

Nếu công thức (2.6) xem xét trạng thái ứng suất hiện thời i, ứng suất chưa xác định

Trong mối liên quan này ma trận B là ma trận nội suy biến dạng, mà bao gồm tích phân từng phần của hàm nội suy Công thức (2.8) có thể được viết lại dưới dạng:

Mối liên hệ giữa số gia ứng suất và biến dạng là phi tuyến Kết quả là, số gia biến

dạng thường không được tính toán trực tiếp, và phương pháp lặp toàn bộ thích hợp cho giải phương trình cân bằng (2.13) cho tất cả các điểm vật liệu

và mối liên quan liên tực Chương trình lặp được viết:

Khi n là số lần lặp của i Ma trận độ cứng K dùng trong (2.15) thể hiện ứng xử của vật liệu theo cách xấp xỉ tức là với một sai số nhất định Trong trường hợp đơn giản nhất K cho ứng xử đàn hồi tuyến tính, nó có dạng:

B T D BdVe

K  (Ma trận độ cứng đàn hồi) (2.17) Trong đó De là ma trận vật liệu đàn hồi theo định luật Hook và B là ma trận nội suy biến dạng Mô hình vật liệu với ứng xử tuyến tính trong phạm vi đàn hồi như mô hình Morh-Coulomb, dung ma trận độ cứng đàn hồi thường thích hợp vì chỉ ma trận độ cứng được hình thành và phân tích trước bước tính toán đầu tiên

2.2 MÔ HÌNH HARDENING SOIL

Mô hình Hardening hay còn gọi là mô hình tăng bền được đề xuất bởi Schans, Vermeer và Bonnie (1999) Khác với mô hình Morh Couloum, sau giai đoạn đàn hồi tuyệt đối thì vật liệu không phải là dẻo tuyệt đối, vật liệu ứng xử không phục hồi và có hiện tượng chảy dẻo và giãn nở khi chịu trượt Độ cứng của vật liệu có sự phụ thuộc vào điều kiện ứng suất

Hardening Soil là mô hình đa mặt dẻo, gồm hai mặt dẻo kết hợp, mặt dẻo trượt (shear yield surface) và mặt dẻo hình chóp mũ (cap yield surface) Sự tăng bền phụ thuộc vào cả biến dạng dẻo và biến dạng thể tích Khác với mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng, mặt chảy dẻo của mô hình Hardening Soil không cố định trong không gian ứng suất chính mà nó dãn ra do biến dạng dẻo

Trong Hardening soil , có hai loại tăng bền là tăng bền trượt (shear hardening) và tăng bền nén (compression hardening) Tăng bền trượt được dùng để mô phỏng biến dạng không phục hồi do ứng suất lệch gây ra được đặc trưng bởi module biến dạng trong thí nghiệm ba trục và được mô tả bằng mặt dẻo trượt Trong khi đó tăng bền nén được dùng để mô phỏng bến dạng không hồi phục do ứng suất nén đẳng hướng gây ra được đặc trưng bởi module biến trạng trong thí nghiệm nénn Oedometer và được mô tả bằng mặt dẻo hình chóp mũ Mặt dẻo trượt được sử dụng quy luật chảy dẻo không tích

hợp (non-associated flow rule) và mặt dẻo chop mũ sử dụng quy luật chảy dẻo tích hợp (associated flow rule)

Mô hình Hardening Soil phù hợp cho bài toán hố đào vì 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 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 Hardening Soil cho phép khắc phục được hạn chế này và cho kết quả gần với quan trắc thực tế hơn

2.3 CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA MÔ HÌNH HARDENING SOIL

2.3.1 Module E

Trong mô hình Hardening Soil , mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là một

dạng đường cong Hyperbolic, trong đó có 3 module đặc trưng cho module độ cứng của đất Các module này được tính theo quy luật hàm mũ như sau:

m

m oed oed ref

ref ur

E là module Young tham chiếu trong trường hợp dở tải và gia tải của thí nghiệm nén 3 trục ứng với áp lực nén tham chiếu là pref

Hình 2.3 Quan hệ ứng suất – biến dạng trong thí nghiệm ba trục thoát nước tiêu

chuẩn

oed

Mô đun E50ref trong mô hình Hardening soil được xác định từ thí nghiệm nén ba trục thoát nước CD Tuy nhiên thực tế, hầu hết các báo cáo khảo sát địa chất đều không có

bộ thông số này vì nhiều lí do khác nhau Vì vậy, giá trị E sẽ được xác định qua các thí nghiệm khác như SPT, thí nghiệm CU, UU hoặc thí nghiệm cắt cánh hiện trường

a) Theo tương quan thực nghiệm của Mitchell và Gardner

Theo kết quả thực nghiệm của Michell và Gardner (1975), giá trị module biến dạng

không thoát nước có thể được xác định theo một số công thức sau:

E = 766N (KPa)

N – Chỉ số của thí nghiệm SPT

E = 2qc

qc: là sức kháng mũi của thí nghiệm CPT

Với đất sét cố kết thường, module biến dạng có thể suy từ lực dính của thí nghiệm nén ba trục không thoát nước theo công thức:

E = 250cu đến 500cu

Với đất sét cố kết trước là:

E = 750cu đến 1000cu

Trong đó: cu – lực dính không thoát nước trong thí nghiệm ba trục

b) Theo bảng tra của Braja M Das

Giáo sư Braja M Das (1984) đã đưa ra các giá trị đặc trưng về module biến dạng và

hệ số poisson của một số loại đất thông dụng và được thể hiện như sau:

Bảng 2.1 Bảng tra module biến dạng và hệ số Poisson theo Braja M Das

Sét dẻo trung bình 5.18÷10.35 0.20÷0.50

c) Theo qui phạm xây dựng TCVN 9362-2012

Trong quy phạm xây dựng Việt Nam TCVN 9362-2012 hướng dẫn sử dụng module biến dạng suy từ module Ek của thí nghiệm nén cố kết không nở hông trong phòng ứng với cấp tải từ 100kPa đến 200kPa được xác định theo biểu thức:

E = Ek × mkTrong đó mk là hệ số hiệu chỉnh được lấy trong bảng 3.2

d) Theo sức chống cắt không thoát nước của đất

Bowles (1996) đã đề nghị mối quan hệ của module biến dạng và sức chống cắt không thoát nước cu tùy thuộc mức độ cố kết của đất như sau:

Đất sét cố kết thường: Eu = (200-500)cu

Đất sét cố kết trước nhẹ: Eu = (750-1200)cu

Đất sét cố kết trước nặng: Eu = (1500-2000)cu

2.3.2 Lực dính c và góc ma sát 

Lực dính c và góc ma sát sử dụng trong mô hình Hardening Soil là lực dính hữu hiệu

và góc ma sát hữu hiệu được xác định từ thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước, tuy nhiên do điều kiện báo cáo khảo sát địa chất thường không có thông số này nên được lấy từ kết quả thí nghiệm ba trục cố kết không thoát nước hoặc thí nghiệm cắt trực tiếp sau đó điều chỉnh lại cho phù hợp

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Phương pháp phần tử hữu hạn được hình thành trên cơ sở lý thuyết biến dạng Mô

hình Haderning Soil là một mô hình được sử dụng để tính toán bằng phần tử hữu hạn dựa trên một bộ thông số khá hoàn chỉnh Ngoài các thông số cơ bản của mô hình Morh Coulomb thì mô hình Hardening Soil còn bổ sung thêm các thông số như