Phân tích, lựa chọn mô hình đàn hồi dẻo thích hợp cho bài toán đào sâu

Trong suốt quá trình thi công với mong muốn kết hợp chặt chẽ giá trị quan trắc hiện trường từ những giai đoạn đầu tiên vào mô phỏng phương pháp số để dự đoán chính xác hơn biến dạng của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: 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

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2012

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 09-02-1987 Nơi sinh: Tây Ninh

1- TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN MÔ HÌNH ĐÀN HỒI DẺO THÍCH HỢP CHO BÀI TOÁN ĐÀO SÂU

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU

Chương 2: MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẤT TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG BÀI

TOÁN ĐÀO SÂU

Chương 3: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA MẪU ĐẤT TỪ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG

Chương 4: NGHIÊN CỨU TRƯỜNG HỢP THỰC TẾ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2011

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

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN PGS.TS VÕ PHÁN

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Địa cơ nền móng đã nhiệt tình giảng dạy tất cả chúng em trong suốt thời gian 3 học kỳ vừa qua

Em xin chân thành cám ơn Thầy PGS TS CHÂU NGỌC ẨN, Thầy đã tận

tình hướng dẫn bằng cả lòng yêu nghề và yêu học trò, đã giúp em đưa ra hướng dẫn nghiên cứu cụ thể, đã chỉ dẫn và sửa chữa giúp em nhiều lỗi trong bài, đã dạy dỗ và cung cấp nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu

Em xin chân thành cám ơn các Thầy PGS TS Võ Phán, TS Bùi Trường Sơn, TS Trần Xuân Thọ, TS Trần Tuấn Anh, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ Thanh Hải, Ths Hoàng Thế Thao với đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, tạo điều

kiện tốt nhất cho em học tập và nghiên cứu khoa học, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho em nhiều tư liệu cần thiết

Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên trong khóa 2010 và các anh khóa trên đã tận tình giúp đỡ cho em có thể vượt qua những khó khăn trong thời gian học vừa rồi

Và cuối cùng con xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Gia Đình đã là nguồn động viên, chỗ dựa cho con vượt qua những giai đoạn khó khăn trong cuộc sống

TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 12 năm 2011

Học viên thực hiện

NGUYỄN THÀNH TRUNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Việc mô phnỏng bằng phương pháp số từng giai đoạn thi công hố đào sâu

là công việc thông thường được dùng để đánh giá đất quanh tường gây ra và các công trình lận cận xung quanh tường Trong suốt quá trình thi công với mong muốn kết hợp chặt chẽ giá trị quan trắc hiện trường từ những giai đoạn đầu tiên vào mô phỏng phương pháp số để dự đoán chính xác hơn biến dạng của nền đất trong các giai đoạn thi công đào đất sâu hơn

Để nâng cao việc phân tích và thiết kế của tác động qua lại của đất – tường với công tác đào đất của hố đào sâu trong những loại đất Mục đích chính của luận văn này là nghiên cứu so sánh mô hình đàn hồi dẻo của các mô hình có trong phần mềm Plaxis như : Mohr Coulomb (MC), Hardening – Soil (HS), Soft soil (SS) bằng hai công tác chính Công tác thứ nhất là chọn ra bộ thông số tốt nhất gần sát với kết quả thí nghiệm trong phòng Công tác thứ hai là mô phỏng từng giai đoạn thi công và đánh giá những mô hình này dựa vào những biến dạng tường

Hai công tác này là dựa trên phương pháp phân tích ngược được trình bày:

- Sự quan trọng của đánh giá biết dạng từ đặc tính đất

- So sánh và lựa chọn mô hình đàn hồi dẻo tốt nhất

Công việc phân tích là so sánh với kết quả quan trắc được thu thập hiện trường công trình Vincom Eden – Khu A, nằm ở trung tâm thành phố Hồ Chí Minh – Việt Nam Kết quả thể hiện được tính ưu điểm của mô hình Hardening – Soil với lý thuyết đàn hồi dẻo phi tuyến

ABSTRACT

Numerical simulation of staged construction of urban deep excavations is commonly used to estimate induced ground deformation in the support wall and at adjacent existing structures During construction it is desirable to incorporate field observations from the early construction stages into the numerical simulation to obtain a more accurate estimate of anticipated ground deformations in later

construction stages where the excavation level is deeper

For improving design and analysis of soil – structure interaction associated with deep excavations in these soil, the main purpose of this thesis is the

comparison of these model that available models in Plaxis software such as: Mohr Coulomb (MC), Hardening – Soil (HS), Soft soil (SS) with two mission The first mission is to choose these best parameters that is the closest with the parameter from laboratory test data The second misson is to simulate stages construction and evaluate these model base on wall deformations

Two missions is based on back analysis method to present regarding:

- It is so important to evaluate deformation by soil characteristics

- Comparison and choice the best elasto - plasticity soil modelling The analysis was compared with the in – situ observation based on the datas recored in the site of the Vincom Eden – A area, in the center of Ho Chi Minh city – Vietnam The result show the advantage of Hardening – soil model with

nonlinear elasto – plastic theory

PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN MÔ HÌNH ĐÀN HỒI DẺO

THÍCH HỢP CHO BÀI TOÁN ĐÀO SÂU

Chương 0

MỞ ĐẦU

1 Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình hiện đại hóa các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố (Tp)

Hồ Chí Minh cần thiết phải triển khai các dự án để khai thác không gian ngầm nhằm tăng hệ số sử dụng đất tại các khu trung tâm Riêng tại Tp Hồ Chí Minh nhiều dự án nhà cao tầng với độ sâu tầng hầm ngày càng tăng như: The Vincom với 6 tầng hầm, SaiGon MC với 5 tầng hầm… dự án bãi đỗ xe ngầm dưới công viên Lê Văn Tám dự định là 8 tầng hầm đang được triển khai, hay hàng loạt dự

án tuyến tàu điện ngầm Metro đang và sẽ sớm được triển khai, trong đó với tuyến tàu số 1 Bến Thành – Suối Tiên, độ sâu của nhà ga sát cạnh nhà hát thành phố ( OPERA HOUSE STATION ) với độ sâu 4 tầng ( -30m )… Qua đó cho ta thấy, các công trình đi kèm với thiết kế hố đào sâu ngày càng trở nên phổ biến trong các thành phố lớn và qua đó cho ta thấy được tầm quan trọng trong việc tính toán thiết kế cũng như thi công hố đào sâu cạnh các công trình hiện hữu

Trong nội thành, thông thường, hố đào sâu được thi công ở những khu vực gần với các cao ốc, công trình hạ tầng hay dịch vụ công cộng đã có sẵn, do vậy, việc giới hạn chuyển vị của tường chắn và độ lún bề mặt là rất quan trọng để đảm bảo các công trình xung quanh không bị ảnh hưởng hoặc ảnh hượng với mức độ cho phép Chính vì lý do đó, việc nghiên cứu ứng xử của đất và tường

trong công trình hố đào sâu là nhu cầu cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn

Để giới hạn biến dạng của đất nền trong quá trình đào để thi công các hầm, các đại lượng sau đây luôn phải được kiểm soát trong công trình hố đào sâu:

 Chuyển vị của tường vây

 Nội lực phát sinh trong hệ thanh chống ( nếu có sử dụng hệ thanh chống )

hay là sự an toàn chịu lực của hệ thanh chống

 Biến dạng của đất trước và sau tường vây

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) được biết đến là một dạng của phương pháp số được sử dụng để tính toán ứng suất và biến dạng của đất nền theo các mô hình từ đàn hồi tuyến tính đến đàn hồi - dẻo Ưu điểm của phương pháp này là ứng xử của đất có thể mô phỏng tương đối khá chính xác và hợp lý, đặc biệt là trong quá trình thi công đào đất Việc sử dụng các dạng mô hình đất trong phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng gần đúng nhất đặc tính của từng loại đất cũng như ứng xử của chúng với các dạng

công trình khác nhau đó là việc làm không dễ dàng Với mô hình Mohr – Coulomb là dạng mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng, mô hình Hardening soil là

mô hình đàn hồi dẻo phi tuyến hay mô hình Camclay gốc (hoặc Camclay cải tiến) dựa trên cơ sở lý thuyết trạng thái tới hạn của đất gần gũi với đàn hồi – dẻo

tái bền Các dạng mô hình trên được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết dẻo khá phức tạp để nhầm mục đích mô phỏng cho sự làm việc của một phân tố đất càng gần với sự làm việc thực tế của nó Từ đó sẽ rút ra được sự phù hợp của từng dạng mô hình cho ứng xử của từng phân tố đất trong từng dạng hố đào sâu trong thực tế Từ đó giúp cho việc mô phỏng trở nên chính xác hơn và phù hợp hơn với kết quả quan trắc hiện trường

Do thiếu các dữ liệu thí nghiệm trong phòng, các kỹ sư thường tương quan các thông số thiết kế từ các thông số có sẵn và thường giới hạn cho đất mô hình thiết kế đơn giản trong thiết kế hố đào sâu Nếu tương quan không thích hợp, người kỹ sư thường phải đối mặt với vấn đề về số liệu xác định chuyển vị của tường chắn và độ lún bề mặt thực tế sẽ khác biệt với giá trị dự đoán ban đầu Việc hiểu rõ hơn lý thuyết dẻo của từng mô hình, cơ sở hình thành nên mô hình

đó, sự phù hơp của từng mô hình cho từng loại đất khác nhau cùng với đó là việc đòi hỏi một kiến thức cơ học đất tương đối vững sẽ giúp cho các kỹ sư sử dụng

phần mềm tự tin hơn và kết quả sẽ tin cậy hơn, kết quả sẽ có độ tin cậy cao dẫn đến tiết kiệm cho giá thành công trình Cùng với đó việc phân tích cơ sở lý thuyết dẻo của từng mô hình sẽ giúp cho những người có mong muốn đi sâu hơn

về cách viết chương trình bằng phương pháp số sau này

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn này là đi sâu và phân tích cơ sở lý

thuyết hình thành 3 dạng mô hình thông dụng trong Plaxis là: mô hình Mohr – Coulomb là dạng mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng (MC model ), mô hình

Hardening soil là mô hình đàn hồi dẻo phi tuyến (HSM model ) hay mô hình Camclay gốc hay Camclay cải tiến ( SSM model hay Modified CamClay Model ) là mô hình đàn hồi – dẻo trên cơ sở lý thuyết trạng thái tới hạn

Mỗi mô hình đều có từng ưu – nhược điểm riêng, đi từ việc phân tích cơ

sở lý thuyết hình thành của từng loại mô hình, vai trò của từng thông số trong từng loại mô hình: thế nào là dẻo kết hợp và không kết hợp, nó được ứng dụng trong từng loại mô hình nào? Hay vai trò của góc giãn nở ψ trong ứng xử của đất cũng như qua mô phỏng của phần tử hữu hạn… Qua đó chọn lựa dạng mô hình đàn hồi dẻo thích hợp cho từng loại đất, từng dạng công trình hay trong luận văn này là cho bài toán hố đào sâu

Với mô hình Mohr – Coulomb là mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng, là dạng

của dẻo không kết hợp tức mặt ngưỡng dẻo ( F ) và mặt thế năng dẻo ( G ) không trùng nhau, trong đó hàm ngưỡng dẻo ( F ) được xác định bởi góc ma sát trong φ’ và hàm thế năng dẻo được xác định bởi góc giãn nở ψ Đây chính là ưu điểm

của mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr – Coulomb so với những mô hình

khác do nó phù hợp với ứng xử không kết hợp trong thực tế của đất Trong khi

đó mô hình Soft Soil Model ( SSM model ) được xây dựng hoàn toàn trên thí

nghiệm nén 3 trục cổ điển, độc lập hoàn toàn với σ2 ( mô hình này σ2 = σ3 ), ưu điểm của mô hình này là tính dẻo tái bền, thông qua quy luật vận động của các

thông số tái bền , dựa trên sự thay đổi ngưỡng dẻo trong quá trình tăng – giảm tải Tuy nhiên nhược điểm của loại mô hình này là chảy dẻo kết hợp trong khi

ứng xử của đất thực tế là chảy dẻo không kết hợp Thứ ba là mô hình Hardening soil, đây là dạng mô hình đàn hồi - dẻo tăng bền nhưng lại được xây dựng hoàn

toàn trên lý thuyết đàn hối phi tuyến

Thông qua phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Plaxis, tác giả sử dụng bài toán hố đào sâu, để phân tích mối quan hệ ứng suất biến dạng, chuyển vị của

hệ tường hay nội lực trong hệ thanh chống… so với kết quả quan trắc chuyển vị của hệ tường vây trong hố đào sâu, tác giả sẽ phân tích, đánh giá ưu – nhược điểm của từng loại mô hình, ảnh hưởng của từng thông số trong từng mô hình,

để có thể tìm ra được dạng mô hình phù hợp cho việc phân tích trong bài toán hố đào sâu

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cở sở lý thuyết các mô hình đất, sau đó áp dụng cho công trình hố đào sâu

Sử dụng phần mềm tính toán theo phương pháp Phần tử hữu hạn rồi so sánh với số liệu quan trắc thực tế ở hiện trường

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

Việc phân tích ứng xử của tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp phần

tử hữu hạn thực hiện trên cơ sở so sánh ảnh hưởng của các mô hình Mohr – Coulomb, Hardening Soil và Soft soil model đến chuyển vị ngang của tường, nội lực phát sinh trong các hệ thanh chống và biến dạng bề mặt đất nền Các thông số

để tính toán xác định một cách trung thực từ hồ sơ địa chất có sẵn Kết quả tính toán bằng FEM được kiểm chứng với số liệu quan trắc hiện trường ở một công trình thực tế, do vậy kết quả thu được mang tính khoa học và thực tiễn cao, giúp ích cho công tác thi công đào sâu tránh sụp đổ vì có thể can thiệp ngay khi các số liệu đo đạc tiệm cận dần giới hạn cho phép

Nghiên cứu này sẽ rất hữu ích cho các kỹ sư địa kỹ thuật được sử dụng như tài liệu tham khảo để phân tích khả năng làm việc của hệ tường chắn chống lại chuyển vị ngang và biến dạng của đất nền trong quá trình thi công đào đất Từ

đó lựa chọn phương pháp tính toán hợp lý và mô hình phù hợp cho các công trình có tính chất tương tự

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU

Chương này bày một số đặc điểm của hố đào sâu, tình hình sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới; phân tích, đánh giá một số nghiên cứu đã có trước đây

về tính toán hố đào sâu ổn định bằng tường chắn Sơ lược một số phương pháp phân tích trong công tác thiết kế tường chắn hố đào sâu, qua đó nêu những vấn

đề còn tồn tại để tập trung nghiên cứu, giải quyết

1.1 Đặc điểm của hố đào sâu

Công tác đào sâu là loại công trình có giá thành cao, khối lượng công việc lớn, kỹ thuật phức tạp, vi ảnh hưởng lớn đến công trình xung quanh, sự cố hay xảy ra, là một khâu khó về mặt kỹ thuật, đồng thời cũng là trọng điểm để hạ thấp giá thành và bảo đảm chất lượng công trình

Công trình hố đào sâu đang phát triển theo xu hướng độ sâu lớn, diện tích rộng, quy mô công trình cũng ngày càng tăng lên

Theo đà phát triển cải tạo các thành phố cũ, các công trình cao tầng, thường tập trung ở những khu đất nhỏ hẹp, mật độ xây dựng lớn, điều kiện thi công công trình ngầm đều rất khó khăn Lân cận công trình thường có các công trình xây dựng vĩnh cửu, các công trình lịch sử, nghệ thuật bắt buộc phải được an toàn, yêu cầu đối với việc ổn định và khống chế chuyển dịch rất là nghiêm ngặt

Đào hố móng cho các tầng hầm trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp khác rất dễ sinh ra, mất ổn định hố móng, thân cọc bị chuyển dịch vị trí, đáy hố trồi lên, kết cấu chắn giữ bị hư hại nghiêm trọng … làm hư hại hố móng, uy hiếp nghiêm trọng các công trình xây dựng, các công trình ngầm và đường ống xung quanh

Công trình hố đào sâu bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước, đào đất… trong đó, một khâu nào đó gặp sự cố có thể sẽ dẫn đến cả công trình bị đỗ vỡ

Việc thi công hố móng ở các hiện trường lân cận như đóng cọc, hạ nước ngầm, đào đất… đều có thể sinh ra những ảnh hưởng hoặc khống chế lẫn nhau, tăng thêm các nhân tố để có thể gây ra sự cố

Công trình hố móng có giá thành khá cao, nhưng lại chỉ là có tính tạm thời nên có khuynh hướng không muốn đầu tư chi phí nhiều Nhưng nếu để xảy ra sự

cố thì xử lý sẽ vô cùng khó khăn, gây ra tổn thất lớn về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng về mặt xã hội

1.2 Phân loại hố đào

Việc phân loại hố đào nông và sâu chỉ mang tính tương đối Tezhaghi và Peck (1969) [24] cho rằng hố đào lớn hơn 6 mét thì được gọi là hố đào sâu Tuy nhiên trong một vài trường hợp đặc biệt, khi độ sâu hố đào bé hơn 6 mét nhưng

do được thi công trong điều kiện địa chất công trình và điều kiện thủy văn phức tạp thì cũng được phân tích như ứng xử của hố đào sâu

Nếu phân biệt hố đào sâu theo phương thức đào, người ta phân biệt hố đào sâu thành hai nhóm chuyên biệt sau:

i) Đào không có chắn giữ: được sử dụng cho các nhu cầu hạ mược nước

ngầm, đào đất, gia cố nền và giữ mái dốc;

ii) Đào có chắn giữ: được sử dụng cho các kết cấu quay giữ, hệ thống chắn

giữ, gia cố nền, quan trắc…

Khi phân loại hố đào theo đặc điểm chịu lực của kết cấu, người ta chia hố đào thành hai nhóm sau:

i) Kết cấu chắn giữ áp lực chủ động: có vai trò chịu tác dụng của phần áp

lực chủ động tác động lên kết cấu thành hố đào, bao gồm các kết cấu phun neo để chắn giữ, tường bằng đinh đất để chắn giữ;

ii) Kết cấu chắn giữ áp lực bị động: có vai trò chịu tác dụng của phần áp lực

bị động tác động lên kết cấu thành hố đào, bao gồm các kết cấu như cọc, bản, ống, tường và chống, hoặc sử dụng ngay bản thân kết cấu sàn tầng hầm tự chống đỡ ( top – down)

Khi phân biệt hố đào theo chức năng kết cấu, có thể phân chia kết cấu chắn giữ thành hai bộ phận sau đây:

Bộ phận chắn đất, bao gồm:

 Hệ tường thép, thấm nước có cọc thép chữ H, I có bản cài; hệ tường cọc nhồi liền kề nhưng không thật sự sát nhau, hệ cừ Larsen, cọc hai hành chắn đất, cọc nhồi kiều liên vòm, chắn giữ bằng đinh đất…

 Hệ tường bê tông cốt thép, ngăn nước có tường liên tục trong đất, cọc, tường trộn xi măng dưới tầng đất sâu, giữa cọc đặt dày và bố trí thêm cột

xi măng cao áp, tường vòm cuốn khép kín…

Bộ phận chắn đất kiểu kéo giữ gồm kiểu tự đứng, thanh neo vào tầng đất, ống thép, thép hình chống đỡ, chống chéo, hệ dầm vòng chống đỡ…

1.3 Phân loại tường chắn giữ hố đào sâu

Tường chắn giữ có các loại chủ yếu sau đây:

i) Tường chắn bằng xi măng đất trộn ở tầng sâu: dùng để đào loại hố móng

có độ sâu 3 đến 6 m;

ii) Cọc bản thép: dùng cho loại hố móng có độ sâu từ 3 đến 10 m;

iii) Tường cọc bản bê tông cốt thép: dùng cho loại hố móng có độ sâu 3 – 6

m;

iv) Tường chắn bằng cọc khoan nhồi: đường kính 600 – 1000 mm, cọc dài 15

– 30 m, làm thành tường chắn theo kiểu hang cọc, trên đỉnh cung đổ dầm vòng bê tông cốt thép, dùng cho loại hố móng có độ sâu 6 – 13 m;

v) Tường vây bê tông thép : sau khi đào thành hào móng thì đổ bê tông, làm

thành tường chắn đất bằng bê tông cốt thép có cường độ tương đối cao, dùng cho hố móng có độ sâu từ 10 m trở lên hoặc trong điều kiện thi công tương đối khó khăn;

vi) Giếng chìm và giếng chìm hơi ép: dùng trong đất yếu có mực nước ngầm

cao dòng chảy mạnh, độ sâu hố đào có thể từ 25 đến 30m

1.4 Giới thiệu và trình tự thiết kế một hố đào sâu

Việc sử dụng phương pháp số vào việc mô phỏng ứng xử của cấu trúc đất

đã được đi được một bước tiến dài đáng ghi nhận trong vòng 40 năm qua Kỹ sư ngày nay đã có thể mô phỏng một cách chi tiết của quá trình xây dựng cho nhiều dạng công trình xây dựng thực tế như việc xây dựng đê đập, xây dựng hố đào sâu, đường hầm hay nhiều dạng công trình mà bài toán biên dạng tĩnh hay dạng động ….Kỹ sư có thể sử dụng một cách đa dạng công cụ phương pháp số này bao gồm như phần tử hữu hạn hay những dạng khác không phải là phần tử hữu hạn như là phần tử rời rạc…nhầm giải quyết bài toán cân bằng với điều kiện biên Có nhiều chương trình phân tích rất mạnh như ABAQUS, FLAC, PLAXIS được dùng để nghiên cứu và thực hành trong lĩnh vực địa kỹ thuật Kỹ sư có thể lựa chọn nhựng dạng mô hình đất phù hợp để mô phỏng phù hợp với từng dạng ứng xử của đất hay đá

Rõ ràng là thường thì kết quả xuất ra từ việc mô phỏng của phương pháp

số khác với kết quả quan trắc ngoài hiện trường và trong từng giai đoạn Do vậy cần có sự điều chỉnh đặc tính mô hình một cách phù hợp để đi việc gần với ứng

xử thực tế của đất Do đó công việc cụ thể đòi hỏi người kỹ sư phải luôn học hỏi trong từng trường hợp thực tế cùng với kết quả quan trắc hiện trường cùng một việc điều chỉnh mang tính hệ thống để có thể đạt được một hiệu quả cao hơn trong việc sử dụng các phần mềm từ mô phỏng bằng phương pháp số

Vai trò của việc mô phỏng phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán phân tích bài toán hố đào sâu và đạt được kết quả gần với kết quả quan trắc ngoài hiện trường

Ngày nay trong khi mô hình mô phỏng đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong việc tính toán các bài toán địa kỹ thuật, nhìn tổng thể thì quá trình mô phỏng tương đối cứng nhắc và không đạt được sự gần đúng so với kết quả quan trắc ngoài hiện trường Vì nhiều nguyên nhân: tính không đồng nhất của đất, tại từng điểm trong nền đất có lộ trình ứng suất không giống nhau dẫn đến sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng phức tạp (hệ số A của Skempton) Vì thế để đạt được kết quả mô phỏng gần với kết quả thực tế cần một bài toán tính toán lặp và cập nhật liên tục, nó được trình bày đơn giản dưới biểu đồ sau :

1 Xác định bài toán cần phân tích và đánh giá vai trò của việc mô hình

Việc bài toán được xác định và vai trò của mô hình vào bài toán này được

cho là phù hợp Chẳng hạn như bài toán đào sâu, việc mô phỏng bằng mô hình

được dùng để đánh giá trước chuyển vị của nền đất

1 Xác định bài toán cần phân tích

và đánh giá vai trò của việc mô hình

2 Xác định đặc tính đất từ thí nghiệm hiện trường và trong phòng

3 Lựa chọn mô hình ứng xử và đặc tính của vật liệu

4 Giải quyết bài toán với điều biên bằng phương pháp phần tử hữu hạn

5 So sánh với kết quả quan trắc hiện trường, chấp nhận hay không?

6 Áp dụng cho các bài toán tương

tự trong tương lai

YES

NO

Không chấp nhận, chọn lại mô hình và đặc tính

vật liệu

2 Xác định đặc tính đất từ thí nghiệm hiện trường và trong phòng

Thông qua thí nghiệm hiện trường hay thi nghiệm trong phòng từ mẫu đất lấ về từ hiện trường để xác định đặc tính của đất và kiểm tra đặc tính chống cắt và biến dạng của đất

3 Lựa chọn mô hình ứng xử và đặc tính của vật liệu

Một dạng mô hình vật liệu đất được lựa chọn đễ đại diện cho đặc tính ứng suất biến dạng và sức chịu tải của lớp đất đó

4 Giải quyết bài toán với điều biên bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Sử dụng các chương trình phần tử hữu hạn để liên kết việc lựa chọn mô hình đất để mô phỏng dự kiến trong từng giai đoạn thi công Từ phân tích của chương trình tính ra chuyển vị ngang và chuyển vị bề mặt…

5 So sánh với kết quả quan trắc hiện trường :

Kết quả tính toán từ máy tính và quan trắc hiện trường cần phải được so

sánh trong suốt quá trình thi công Giá trị quan trắc thông thường nhất là chuyển vị ngang và chuyển vị đứng của nền đất Nếu phát hiện sự khác biệt lớn giữa kết quả xuất ra từ máy tính và kết quả quan trắc hiện trường ngay lúc

đó , thì khi đó sẽ thực hiện phân tích lại từ bước 3 và tiếp tục so sánh với kết quả quan trắc

6 Phân tích cho những công trình tương tự trong tương lai

Mô hình mô phỏng được dùng trong mô phỏng từ máy tính những kết quả biến dạng để sử dụng cho những công trình tương tự với những nền đất tương

tự gần khu vực đó trong tương lai

Cách thức này được áp dụng rộng rãi việc phân tích hố đào sâu trong phần trình bày của Mana and Clough ,Whittle và các đồng nghiệp, Hight và

Higgins Trong vài trường hợp thì cách tiếp cận này không tổng quát Việc mô phỏng có thể được điều chỉnh gần đúng với kết quả đo trong những giai đoạn đào đất nhưng đôi khi cũng có thể cung cấp kết quả sai lệch lớn so với quan trắc Việc mô phỏng một công trình có thể được điều chỉnh cho sát với kết quả quan trắc, có thể không cung cấp được một sự đánh giá tốt cho ứng xử của một công trình khác với hệ thanh chống khác nhau

Hashash and Whittle trong một bài báo được công bố rộng rãi ứng xử hệ thanh chống trong hố đào rằng chuyển vị ngang của tường và chuyển vị đất bề mặt bị ảnh hưởng rất nhiều từ việc chọn mô hình ứng xử của đất Và cũng trong bài báo này trình bày lộ trình ứng suất của đất xung quanh hố đào sâu ứng xử phức tạp

Tóm lại :

Đây thật sự là một quá trình tính toán lặp và tự tích luỹ kinh nghiệm trong quá trình làm việc để có thể nâng cao được độ tin cậy của phần mềm tính toán phù hợp cho từng loại đất mà yếu tố này chỉ mang yếu tố địa phương do đất mõi vùng co một đặc điểm đất khác nhau Đây là công việc mà người làm địa kỹ thuật phải hướng tới để nâng cao tay nghề và hiểu hơn công cụ tính toán

1.5 Khảo sát một số công trình hố đào sâu trên thế giới và ở nước ta

Việc sử dụng hố đào sâu đã được sử dụng ngày càng nhiều và với quy mô ngày càng lớn Tuy nhiên vẫn có một số sự cố đáng tiếc xảy ra, gây không ít thiệt hại về người và của như: bị sạt lở hố đào, gây sụt lún, nứt nẻ, thậm chí sụp đổ các công trình lân cận, các sự cố này chủ yếu do việc thiết kế thi công các công trình

hố đào có tường chắn ít được quan tâm đúng mức

Trạm bơm nước thải Bangkok – Thái Lan có kích thước 20.3m đường

kính (phần sập không tròn), sâu 20.2m, bị sập ngày 17 – 8 –1997 khi vừa hoàn tất công tác đào và lắp đặt hệ thanh chống Kết cấu của công trình gồm hệ tường vây liên kết (diaphragm wall) giữ vai trò như tường chắn khi thi công đào sâu và

giữ vai trò tường hầm sau khi đúc bê tông các bản sàn hầm Đặc biệt là công trình này có kích thước hoàn toàn giống một công trình tương tự đã thi công thành công ở Frankfurt - Đức

Hình 1-1: Toàn cảnh trạm bơm Bangkok bị sập khi đào đất

Hình 1-2: Trạm bơm Bangkok sau khi bị sập

Hình 1-3: Sự cố sụp tường vây một công trình hố đào sâu

Ở nước ta, tại các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh cũng đã có nhiều công trình sử dụng hố đào sâu để thi công các tầng hầm, trạm bơm, tuy quy mô chưa lớn nhưng vẫn xảy ra nhiều sự cố

Cao ốc Pacific (số 43-45-47 Nguyễn Thị Minh Khai, Q.1), do Công ty

TNHH xây dựng Thái Bình Dương làm chủ đầu tư, được cấp phép xây dựng năm

2005 với quy mô 20 tầng và 3 tầng hầm Tháng 10-2007, trong khi thi công đào hầm công trình cao ốc này đã làm sập tòa nhà trụ sở Viện Khoa học xã hội vùng Nam bộ và ảnh hưởng đến trụ sở của Sở Ngoại vụ gần đó

Hình 1-4: Thi công tường vây công trình Cao ốc Pacific

Hình 1-5: Hệ chống tường vây tầng hầm cao ốc Pacific

Cao ốc Sài Gòn M&C tại số 34 Tôn Đức Thắng, quận 1, Tp HCM được

xây với năm tầng hầm, tường vây dày 1 m, sâu hơn 40 m Đêm 31/1/2010, trong quá trình thi công tường vây tầng hầm đã xảy ra sự cố làm ảnh hưởng đến 10 căn nhà lân cận Nguyên nhân là do lỗi kỹ thuật của nhà thầu trong quá trình thi công tường vây các tầng hầm của công trình, do bê tông tại một vị trí của tường vây thi công không đạt cường độ nên làm thủng tường vây

Hình 1-6: Dự án cao ốc Sài Gòn M&C

Hình 1-7: Các vết nứt công trình lân cận gây nên do thi công tầng hầm Cao ốc Lim tower: tại số 09-11 đường Tôn Đức Thắng – Quận 1-

TP.HCM , đây là công trình gần đây nhất xuất hiện sự cố gây lún hoàn toàn một căn nhà sát bên cạnh và gây ảnh hưởng di dời 15 nhà dân xung quanh Nguyên

nhân cũng tương tự như sự cố của công trình Cao ốc Sài Gòn M&C

Hình 1-8: Dự án cao ốc Lim Tower

1.6 Các phương pháp tính toán tường chắn để ổn định hố đào đã được nghiên cứu trước đây

Phương pháp hệ số áp lực đất của Rankine (1857), lời giải của sokolovskii

(1960, 1965) và phương pháp xác định hệ số khả năng chịu tải của đất thuộc nhóm phương pháp trường ứng suất

1.6.2 Các nghiên cứu thực nghiệm

Việc quan trắc và đúc kết kinh nghiệm về chuyển vị của công trình chịu lực ngang là hết sức cần thiết để dự đoán khả năng biến dạng các công trình chịu lực ngang Sau đây là một số nghiên cứu thực nghiệm:

Các nghiên cứu của Raj (1999) liên quan đến chuyển dịch tịnh tiến của đỉnh

tường do đặc trưng quay của tâm quay do ảnh hưởng của sự gia tăng áp lực đất Như vậy, có thể thấy rằng lực xô ngang liên quan đến áp lực chủ động của đất Một vài giá trị điển hình theo quan điểm chuyển dịch gây ra do sự quay của tường chắn quanh tâm quay như sau:

Bảng 1-1: Một vài giá trị điển hình theo quan điểm chuyển dịch gây ra do sự

quay của tường chắn quanh tâm quay (Raj, 1999)

Loại đất, trạng thái đất Độ dịch chuyển của tường

Đất rời, trạng thái chặc (0,001 ÷ 0,002)H

Đất rời, trạng thái rời (0,002 ÷ 0,004)H Đất dính, trạng thái chặc (0,01 ÷ 0,02)H

Đất dính, trạng thái mềm (0,02 ÷ 0,05)H

*Trong đó, H là chiều cao của tường chắn (m)

Clough và O’Rourke(1990) đã dựa vào một số quan trắc về biến dạng của một

số hố đào đã lập thành bảng so sánh với độ cứng của tường chắn và tương quan giữa hệ số an toàn với sự trồi nền Đối với hố đào trong đất sét mềm tới cứng vừa, O’Rourke đã so sánh chuyển vị ngang lớn nhất và chuẩn hóa (umax/z) với độ cứng của tường (EI/γh4)

Hình 1-9: Đường cong thiết kế cho chuyển dịch tường lớn nhất

Trong đó: E mô đun đàn hồi của tường

I mô ment chống uốn

H khoảng cách trung bình giữa các thanh chống Các đường cong thể hiện quan hệ giữa các hệ số an toàn FS khác nhau với

độ trồi nền

c u

N s FS

Clough và O'Rourke (1990) trình bày hình dạng lún không thứ nguyên

như minh hoạ trên Hình 1-10 đối với đất cát, sét cứng đến rất cứng, và sét mềm

Gia tăng độ cứng

đến vừa Tuy nhiên, độ lún khác cùng với hoạt động như, thoát nước, tháo dỡ hay xây dựng móng sâu, và thi công tường thực tế xây dựng tường tấm phẳng hiện nay không xét đến và nên được dùng như phương pháp dự đoán lún an toàn

Hình 1-10: Hình dạng lún được đề nghị để đánh giá phân bố lún sát hố đào cho

các loại đất khác nhau (Clough và O'Rourke 1990)

Hsieh và Ou (1998) theo dõi được có 2 dạng lún do đào đất: (i) dạng

spandrel, như minh hoạ trong Hình 1-11, trong đó lún lớn nhất xảy ra sát với tường, và (ii) dạng lõm, như minh hoạ trong Hình 1-12, trong đó độ lún nhất xảy

ra cách tường chắn một đoạn

c) Cát

b) Sét cứng đến rất cứng

a) Sét mềm đến mềm vừa

Số liệu chuẩn hoá được trình bày,  / v  vm, trong đó  vm là lún bề mặt lớn nhất, đối chiếu với căn bậc hai khoảng cách đến cạnh hố đào chia cho chiều sâu đào (d/He) Hsieh và Ou (1998) kết luận rằng khoảng cách từ tường đến điểm có lún bề mặt lớn nhất xảy ra xấp xỉ bằng một nửa chiều sâu đào trong dạng lún lõm Hsieh và Ou (1998), dựa trên quan trắc, đề nghị  vm có thể ước tính bằng cách dùng quan hệ  vm  hm:

Brian Brenner, David L Druss và Beatrice J Nessen nghiên cứu về sự

chuyển dịch đất và ảnh hưởng của nó cới công trình lần cận trong thi công đào đất với hố móng sâu đã đưa ra: tổng chuyển vị của đất nền t ≤ t0 = 0.2 inch (khoảng 5.08 mm) thì việc đào đất xem như không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh

Trong quá trình quan trắc tường, các thiết bị thường tập trung xác định

chuyển vị của tường Brahana và cộng sự (2007) cho rằng chuyển vị ngang

trong tường chắn có neo đao động từ 0.1% đến 0.5% chiều cao tường Kết quả nghiên cứu của họ mô tả rằng từ số liệu quan trắc, đề nghị rằng sự thay đổi như trên không làm ảnh hưởng đến áp lực đất Ở nước ta, nhiều tác giả như Phan Tường Phiệt, Cao Văn Chí, Nguyễn Bá Kế, Phạm Tường Hội đã nghiên cứu về

lý thuyết, thực nghiệm tính toán áp lực đất, xây dựng công thức tính toán áp lực đất để tính toán bài toán tường chắn nói chung

Đối với nền nhiều lớp phức tạp phương pháp đồ giải cũng tỏ ra tiện dụng như tác giả Blum-Lohmyer đề xuất

1.6.3 Các nghiên cứu về tính toán tường chắn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chuyển vị ngang và đứng của hệ chống trong sét cứng khoảng 0.2% và 0.15% độ sâu đào tổng cộng và phần chuyển dịch lớn hơn xảy ra bên dưới đáy hố đào trong sét mềm tương ứng là do sự mất ổn định của nền

A.J.Whittle và

Y.M.A

Hashash

(1994)

Mô tả kết quả phân tích phần

tử hữu hạn của hố đào sâu cho công trình Central Artery highway ở Boston bằng các

mô hình Modified Cam Clay và MIT-E3

Kết luận sự quan trọng của tính chất độ cứng biến dạng nhỏ và ứng xử ứng suất - biến dạng bất đẳng hướng trên cường độ, sự phân bố và phát triển của biến dạng của đất nền với chiều sâu hố đào

Đề xuất một phương pháp đơn giản để dự báo chuyển

vị ngang của tường chắn

Đề xuất một phương pháp thiết kế huy động cường độ (MSD) để ước tính chuyển vị của tường chắn

Potts, D.M (2003) đã thực hiện một số ví dụ phân tích trong thực hành

thiết kế địa kỹ thuật, so sánh lời giải của phương pháp số đối với phương pháp truyền thống và kết quả quan trắc thực tiễn Từ đó, một số kết luận về tính ưu việt của phương pháp số (cụ thể là FEM) được đưa ra:

 Có khả năng thực hiện được tất cả các phân tích theo phương pháp truyền thống

 Tiếp cận được với hành vi ứng xử thực tế của đất

 Kể đến được sự cố kết

 Cung cấp thông tin về cơ chế phá hoại

 Thực hiện được các bài toán có địa tầng phức tạp

 Kể đến được sự tương tác giữa đất và kết cấu

 Thực hiện được các bài toán hình học 3 chiều

Chi tiết về các ví dụ và thảo luận trên được trình bày trong Potts, D.M (2003)

Việc sử dụng FEM trong công tác thiết kế tường chắn đã được nhiều tác

giả nghiên cứu Robert M Ebeling (1990) đã tổng kết các nghiên cứu này, bao gồm: Clough và Duncan (1969 và 1971); Kulhawy (1974); Roth, Lee và Crandall (1979); Bhatua và Bakeer (1989); Ebeling và các cộng sự (1988); Ebeling, Duncan, và Clough (1989)

Trong các nghiên cứu trên, vấn đề quan trắc đo đạc trên mô hình vật lý và công trình thực được chú trọng đặc biệt Những phân tích, thảo luận trong bản báo cáo nêu lên tầm quan trọng của sự mô phỏng quá trình thi công thực tế trong việc phân tích bằng FEM Ngoài ra, việc phân tích phải kể đến ứng xử phi tuyến trong mối quan hệ ứng suất biến dạng của đất

Các nghiên cứu cho thấy, FEM với các mô hình cơ bản phù hợp là một

phương pháp phân tích gần đúng với độ chính xác chấp nhận được

1.7 Những vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trước đây cần tập trung giải quyết

Tính toán hố móng sâu ổn định bằng tường chắn bằng phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) nhưng đối với trường hợp nền nhiều lớp việc sử dụng bằng phương pháp đồ giải là phương pháp gần đúng, chiếm nhiều thời gian và công sức trong việc tính toán, cần thiết nghiên cứu phương pháp tính toán để có thể tính toán nhanh chóng hơn và có thể kiểm tra cho nhiều phương án và trường hợp khác nhau

Việc ứng dụng phương pháp xét sự làm việc đồng thời giữa đất nền và tường chắn (SSI) như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng nhiều trong vài chục năm gần đây Hiện tại đã có nhiều thành tựu về mô hình ứng xử của đất nền và phương pháp tính nhưng kết quả tính giữa lý thuyết và trong thực

tế vẫn còn nhiều khác biệt Do đó việc ứng dụng FEM với mô hình phù hợp

trong phân tích ứng xử giữa tường và đất trong công trình hố đào sâu là vấn

đề cần tập trung nghiên cứu

Chương 2 MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẤT TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG

BÀI TOÁN ĐÀO SÂU Một số mô hình đất

Mô hình đất nền là sự miêu tả toán học quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng Một mô hình tốt phải đại diện được cho tấtcả các khía cạnh ứng xử thực của đất bởi số lượng hợp lý các thông số đầu vào và nó phải có khả năng phân biệt giữa biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

Nhiều mô hình nền đã được xây dựng cho đất cát, đất sét và đá trong suốt bốn thập kỷ qua Những mô hình này đã mô tả được ứng xử cơ học của đất và được

sử dụng thành công trong lĩnh vực địa kỹ thuật Việc lựa chọn một mô hình nền phù

hợp rất quan trọng trong phân tích kết cấu địa kỹ thuật, bởi vì ứng xử thông thường

của đất nền là phi tuyến, không hồi phục và phụ thuộc vào thời gian Trong phần

sau đây, tác giả tập trung phân tích 3 mô hình cơ bản trong phân tính ứng xử giữa đất và tường công trình hố đào sâu là mô hình Mohr – Coulomb, mô hình Hardening Soil và mô hình Soft soil

2.1 Mô hình Mohr –Coulomb (1776)

Mô hình mô tả môi trường có biến dạng đàn hồi cho đến lúc đạt trạng thái giới hạn và sau đó sức kháng không đổi khi biến dạng tiếp tục Việc lý giải các kết quả thí nghiệm, trên cơ sở thừa nhận định luật ma sát của Coulomb, với các thông số chống trượt (góc nội ma sát , và lực dính đơn vị C) có trị số không đổi, đã cho một dạng đường quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tiêu biểu cho loại mô hình này : đó

là một đường cong có độ gia tăng ứng suất giảm dần đến giá trị rất nhỏ, khi độ gia tăng biến dạng tương ứng không đổi Đường cong không có đỉnh với tỷ số giữa ứng suất tiếp lớn nhất và ứng suất pháp là hệ số nội ma sát có giá trị ổn định, không phụ thuộc vào độ chặt ban đầu của đất và quĩ đạo tăng tải, chúng chỉ phụ thuộc vào thành phần vật chất của đất

Hình 2-1 – Quan hệ ứng suất và biến dạng trong mô hình nền

đàn hồi - dẻo thuần túy

Đặc tính cơ bản của mô hình đàn hồi dẻo này là biến dạng và tốc độ biến dạng được chia thành hai phần riêng biệt (đàn hồi và dẻo):

T e

Thiết lập mô hình Mohr – Coulomb

Điều kiện ngượng Mohr – Coulomb là sự mở rộng của định luật ma sát Coulomb đối với những trạng thái ứng suất chung.Thực tế , điều kiện này đảm bảo rằng định luật ma sát Coulomb được tuân theo trong bất kì mặt phẳng nào trong phần tử vật liệu

Điều kiện ngưỡng Mohr – Coulomb đầy đủ bao gồm 6 hàm ngưỡng khi thiết lập theo ứng suất chính (Smith & Griffith, 1982)

Hình 2-2: Các mặt bao phá hoại theo tiêu chuẩn

Mohr – Couulomb (Brinkgreve R.B J & Broere W, 2004)

Thêm vào 6 hàm ngưỡng này, 6 hàm thế năng dẻo được định nghĩa cho mô hình Mohr- Coumb:

Đối với trường hợp c > 0, tiêu chuẩn Mohr-Coulomb cho phép đất chịu kéo

Khi đó ta có thêm ba hàm ứng suất cắt:

f 0không xác định

f 0 miền dẻo

f 0miền đàn hồi

Trong đó: st là ứng suất cắt cho phép

Những thông số cơ bản của mô hình Mohr – Coulomb :

Mô hình Mohr-Coulomb đòi hỏi xác định tất cả năm thông số, được liệt kê dưới bảng sau:

Bảng 2-1: Các thông số cho mô hình Mohr – Coulomb trong Plaxis

(Brinkgreve R.B J & Broere W, 2004)

Young's modulus (E)

Mô đun Young có ba dạng:

+ Mô đun tiếp tuyến, E0 (thường sử dụng với vật liệu đàn hồi);

+ Mô đun pháp tuyến, E50 (thường được sử dụng để nghiên cứu áp lực đất); + Mô đun dỡ tải, Eur (dùng trong trường hợp thiết kế đường hầm hay hố đào) Đối với đất, cả mô đun E0 và Eur đều có xu hướng tăng theo áp lực Do vậy giá trị của các mô đun này ở lớp đất sâu hơn sẽ lớn hơn

Những thông số nâng cao trong mô hình Morh – Coulomb:

Bảng 2-2: Các thông số nâng cao trong mô hình Mohr – Coulomb

Thông số và giá trị mặc định Thứ nguyên

Tension cut-off Ứng suất tham chiếu cho độ cứng

(mặc định pref =100 stress unit)

kPa