Phân tích hiệu quả của giải pháp gia cố cọc xi măng đất trong việc chống chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu ở khu vực cần thơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc --- ---oOo--- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN ÁI HỮU Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 01/01/1981 Nơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN ÁI HỮU

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ỔN ĐỊNH KHI GIA CỐ CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG VIỆC CHỐNG CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO SÂU Ở KHU VỰC

CẦN THƠ

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013

gia Thành phố Hồ Chí Minh

Cán bộ hướng dẫn : TS LÊ TRỌNG NGHĨA

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, ngày……tháng……năm 2013 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 Trưởng Khoa 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 -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN ÁI HỮU Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 01/01/1981 Nơi sinh : Kiên Giang

I- TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ỔN ĐỊNH KHI GIA CỐ CỌC XI MĂNG ĐẤT

TRONG VIỆC CHỐNG CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO

SÂU Ở KHU VỰC CẦN THƠ II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Nhiệm vụ: Phân tích hiệu quả ổn định khi gia cố cọc xi măng đất để chống

chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu cho một công trình cụ thể ở khu vực Cần Thơ

Nội dung:

Mở đầu

Chương 1 : Tổng quan

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong việc

phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu

Chương 3 : Ứng dụng phân tích hiệu quả của cọc xi măng đất trong việc chống

chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu trên nền đất yếu ở khu vực Cần Thơ

Kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……/ … / 2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ……/ … / 2013

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS LÊ TRỌNG NGHĨA

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Có sự

hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là TS Lê Trọng Nghĩa Các nội dung nghiên cứu

và kết quả trong đề tài này là trung thực, khách quan và chưa có ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào trước đây

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình

LỜI CÁM ƠN

Trước tiên, xin gởi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô Khoa xây dựng, Bộ môn Địa cơ nền móng, trường Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí Minh, những người đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu Tôi xin được cảm ơn các Thầy, Cô Khoa sau đại học Trường Đại học Cần Thơ, Lãnh đạo cơ quan Sở Tài chính Cần Thơ đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lê Trọng Nghĩa, người đã

tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, xin được cảm ơn gia đình và những người bạn đã động viên, giúp đỡ, quan tâm tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

Tp HCM, ngày 21 tháng 6 năm 2013 Học viên thực hiện

Nguyễn Ái Hữu

Vấn đề chuyển vị của tường chắn hố đào sâu công trình ngầm luôn là vấn đề lớn và cần nhiều thời gian, công sức nghiên cứu Trong đề tài này, tác giả nghiên cứu chuyển vị của tường vây D600 (Diaphragm Wall), sâu 28m so với mặt đất hiện hữu cho công trình có mặt bằng hố hình ngũ giác dài 36,094m, rộng 27,2m, có 02 tầng hầm, 01 tầng hầm lững với độ sâu hố đào lớn nhất là 10,5m, thi công bằng phương pháp Bottum - Up, trong khu vực địa chất quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ Bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 1.6 với mô hình Morh Coulomb, tác giả mô phỏng bài toán để phân tích chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu trong điều kiện công trình được xây dựng trên nền đất yếu dày bằng phương pháp gia cố cọc xi măng đất Tác giả phân tích và so sánh hiệu quả hạn chế chuyển vị của tường vây thông qua các kiểu bố trí cọc xi măng đất (tức là thay đổi mật độ cọc xi măng đất trong cách bố trí)

Từ đó, đưa ra lựa chọn kiểu bố trí gia cố cọc xi măng đất thích hợp vừa đảm bảo tính

kỹ thuật vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế Kết quả phân tích và lựa chọn có thể được tham khảo trong việc lựa chọn giải pháp thiết kế trong các trường hợp khác ở cùng khu vực

ABSTRACT

Displacement of diaphragm wall is always a complicated problem, that needs

more time and effort to research. In this theme, the author studied deep diaphragm 

wall  displacement  for  D600,  depth  28m  above  ground  existing  for  the  presence  of pentagon hole long 36,094m, 27,2 wide, with 2 basements, 1 basement hole with the largest  excavation  depth  is  10.5m,  construction  Bottum  ‐  up  method,  the  regional geologic Ninh Kieu District in Can Tho City. 

By PLAXIS 3D Foundation 1.6 program with Morh Coulomb model, authors simulated to analyze the problem of horizontal displacement diaphragm wall in deep pits work conditions are built on weak soil by means of thick reinforced concrete piles land

Authors analyzed and compared the effects of limited transposition through walls layout soil cement pile (pile density changes in the piling layout) Since then, choose layouts reinforced cement soil pile just to ensure proper technique while ensuring economic efficiency Results and analysis will be selected in the selection of reference design solutions in other cases in the same area

Hình 0.1: Gia cường bằng lớp đất trộn xi măng dưới đáy hố đào 2

Hình 1.1: Các chuyển vị của tường trong quá trình thi công 4

Hình 1.2: Chuyển vị của tường và đất ở sau tường các loại đất khác nhau 4

Hình 1.3: Quan hệ giữa chiều sâu hố đào và chuyển vị tường 5

Hình 1.4: Hình dạng hố đào và thông số cường độ đất cho hệ số an toàn 6

Hình 1.5: Ảnh hưởng của lớp vữa trong hố đào sâu, Wong (1998) 8

Hình 1.6: Ổn định đáy hố đào bằng phương pháp top-down trong đất sét Singapore 9

Hình 1.7: Thiết kế sàn bằng xi măng đất cho hố đà sâu (Shirlaw 2000) 9

Hình 2.1: Ý tưởng cơ bản của mô hình đàn dẻo lý tưởng 17

Hình 2.2: Xác định Eref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước 18

Hình 2.3: Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết 19

Hình 2.4: Mối quan hệ Hyperpolic giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục trong thí nghiệm 3 trục thoát nước 22

Hình 2.5: Vùng đàn hồi của mô hình Hardening soil trong không gian ứng suất chính 23

Hình 2.6: Xác định E50ref từ thí nghiệm 3 trục thoát nước 24

Hình 2.7: Xác định ref oed E  từ thí nghiệm nén cố kết 25

Hình 2.8: Xác định hệ số mũ (m) từ thí nghiệm 3 trục thoát nước 26

Hình 2.9: Các kiểu bố trí cọc xi măng đất 32

Hình 2.10: Trộn ướt CDMLand4, Nhật Bản 32

Hình 2.11 Trộn ướt Trevimex, Ý 1980 33

Hinh 2.13: Trộn khô dưới sâu 34

Hình 2.14: Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng - đất và cường độ của xi măng đất (Lin 2000) 35

Hình 3.1: Mặt cắt địa chất công trình 40

Hình 3.2: Qui cách bố trí cọc xi măng đất 43

Hình 3.3: Phương án bố trí cọc xi măng đất (Sơ đồ 5) 43

Hình 3.4: Phương án bố trí cọc xi măng đất (Sơ đồ 4) 44

Hình 3.5: Phương án bố trí cọc xi măng đất (Sơ đồ 3) 44

Hình 3.6: Phương án bố trí cọc xi măng đất (Sơ đồ 2) 45

Hình 3.7: Giai đoạn thi công thực tế của công trình 51

Hình 3.8: Mô hình 3D của tường vây và hệ shoring 52

Hình 3.9: Mô hình thi công tường vây (cao độ -28m so với MĐTN) 52

Hình 3.10: Mô hình đào đất lớp 1 (cao độ -1,0m so với MĐTN) 53

Hình 3.11: Mô hình thi công hệ shoring 1 (cao độ -0,5m so với MĐTN) 53

Hình 3.12: Mô hình đào đất lớp 2 (cao độ -3,5m so với MĐTN) 54

Hình 3.13: Mô hình thi công hệ shoring 2 (cao độ -3,0m so với MĐTN) 54

Hình 3.14: Mô hình đào đất lớp 3  (cao độ -6,5m so với MĐTN) 55

Hình 3.15: Mô hình thi công hệ shoring 3 (cao độ -6,0m so với MĐTN) 55

Hình 3.16: Mô hình bố trí cọc xi măng đất nguyên khối (cao độ -10,5m) 56

Hình 3.17: Mô hình bố trí cọc xi măng đất theo dãy (cao độ -10,5m) 56

Hình 3.18: Mô hình bố trí cọc xi măng đất theo lưới rỗng (cao độ -10,5m) 57

Hình 3.19: Mô hình bố trí cọc xi măng đất theo lưới ô vuông (-10,5m) 57

Hình 3.21: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -1,0m 59

Hình 3.22: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -3,0m 60

Hình 3.23: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -3,5m 61

Hình 3.24: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -6,0m 62

Hình 3.25: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -6,5m 63

Hình 3.26: Kết quả chuyển vị ở độ sâu -10,5m 64

Hình 3.27: Chuyển vị tổng của tường vây khi không có gia cố cọc xi măng đất 65

Hình 3.28: Chuyển vị tổng của tường vây khi gia cố cọc xi măng đất cọc XMĐ theo lưới ô vuông 65

Hình 3.29: Chuyển vị tổng của tường vây khi gia cố cọc xi măng đất cọc XMĐ theo lưới rỗng 66

Hình 3.30: Chuyển vị tổng của tường vây khi gia cố cọc xi măng đất cọc XMĐ theo dãy 66

Hình 3.31: Chuyển vị tổng của tường vây khi gia cố cọc xi măng đất cọc XMĐ nguyên khối 67

Hình 0.2: Biểu đồ so sánh hiệu quả chuyển vị theo kiểu bố trí cọc xi măng đất 69

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh ảnh hưởng của lớp vữa trong hố đào sâu, Wong (1998) 8

Bảng 2.1: Kết quả thí nghiệm trong phòng xác định cường độ kháng nén của hỗn hợp vật liệu xi măng đất 35

Bảng 2.2: Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau (Mitchell and Freitag, 1959) 38

Bảng 2.3: Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) 38

Bảng 3.1: Bảng số liệu địa chất của công trình 42

Bảng 3.2: Bảng thông số đất nền của công trình 46

Bảng 3.3: Bảng thông số cọc xi măng đất 47

Bảng 3.4: Bảng thông số hệ thanh chống ngang 48

Bảng 3.5: Bảng thông số hệ thanh chống đứng 48

Bảng 0.1: Bảng so sánh hiệu quả chống chuyển vị của việc gia cố cọc xi măng đất 68

Bảng 0.2: Phân tích hiệu quả chống chuyển vị của cọc xi măng đất theo sơ đồ bố trí 68

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU - 1 -

1 Tính cấp thiết của đề tài - 1 -

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài - 2 -

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài - 2 -

4 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài - 3 -

5 Nội dung nghiên cứu - 3 -

6 Hạn chế của đề tài - 3 -

CHƯƠNG 1 - 4 -

TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CỦA TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU CÓ GIA CƯỜNG BẰNG ĐẤT TRỘN XI MĂNG - 4 -

1.1 Những kết quả nghiên cứu và đo đạc về chuyển vị của tường - 4 -

1.2 Đất trộn xi măng - 7 -

1.2.1 Sơ lược về đất trộn xi măng - 7 -

1.2.2 Những kết quả nghiên cứu - 7 -

CHƯƠNG 2 - 11 -

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG VIỆC PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY TRONG HỐ ĐÀO SÂU - 11 -

2.1 Các thông số cơ bản trong mô hình Plaxis - 11 -

2.1.1 Loại vật liệu đất nền “Drained, Undrained, Non-porous” - 11 -

2.1.2 Dung trọng không bão hoà và dung trọng bão hoà - 12 -

2.1.3 Hệ số thấm - 13 -

2.1.4 Thông số độ cứng của đất nền - 13 -

2.1.5 Thông số sức kháng cắt của đất nền - 15 -

2.2 Các mô hình đất nền trong Plaxis - 16 -

2.2.1 Mô hình Morh-Coulomb - 16 -

2.2.2 Mô hình Hardening Soil - 20 -

2.3 Các phương pháp phân tích không thoát nước, thoát nước và phân tích kép (Không thoát nước kết hợp với cố kết) và ứng dụng các phương pháp này trong việc phân tích bằng Plaxis - 26 -

2.3.1 Phân tích không thoát nước - 27 -

2.3.2 Phân tích thoát nướcmuon - 29 -

2.3.3 Phân tích kép (Couple Analysis) - 29 -

2.3.4 Nhận xét - 30 -

2.4 Cột đất trộn xi măng - 30 -

2.4.1 Các đặc tính của cọc đất trộn xi măng - 30 -

2.4.2 Các kiểu bố trí của cọc xi măng đất - 31 -

2.4.3 Công nghệ thi công - 32 -

2.4.4 Tính toán tỷ lệ xi măng với đất - 34 -

2.4.5 Kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất - 37 -

2.4.6 Nhận xét - 39 -

CHƯƠNG 3 - 40 -

ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA CỌC XI MĂNG ĐẤT CHỐNG CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO SÂU TRONG NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC CẦN THƠ - 40 -

3.1 Tổng quan về công trình - 40 -

3.2 Số liệu địa chất công trình - 40 -

3.3 Mô hình bài toán và các thông số đầu vào - 42 -

3.3.1 Phương pháp tính - 45 -

3.3.2 Thông số đất nền và kết cấu thi công - 45 -

3.3.6 Mô hình tính toán trong Plaxis - 52 -

3.3.7 Kết quả tính toán - 58 -

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 68 -

1 Kết luận - 68 -

2 Kiến nghị - 70 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 71 -

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của đất nước, nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và xây dựng hệ thống đường giao thông tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng ngày càng cấp thiết Đặc biệt, phải kể đến thành phố Cần Thơ, nơi được xem là phát triển nổi bậc nhất trong lĩnh vực xây dựng

Một số dự án có qui mô lớn được triển khai xây dựng trên nền đất yếu ở khu vực trung tâm thành phố Cần Thơ đã đạt được nhiều lợi ích cho công cuộc xây dựng

và phát triển kinh tế xã hội tại địa phương Tuy nhiên, việc xây dựng công trình có tải trọng lớn trên nền đất yếu rất dầy (có nơi dày hơn 40m) gặp không ít khó khăn trong công tác xử lý nền, trong khi đó một số biện pháp xử lý nền đất yếu truyền thống chưa mang lại hiệu quả như mong muốn

Hiện nay, phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất đang được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống và đáy cống, gia cố đất xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc xi măng đất có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được

cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý nền khác

Trong nhiều tài liệu nghiên cứu trước đây đã nói lên tính hiệu quả của cọc xi măng đất trong việc gia cố nền, chống trượt đất cho mái dốc, … Với đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích hiệu quả ổn định khi gia cố cọc xi măng đất trong việc chống chuyển vị ngang tường vây hố đào sâu của một công trình cụ thể, dựa trên

số liệu địa chất sẵn có, nhằm mục đích đưa ra đề xuất lựa chọn phương án bố trí cọc

xi măng đất mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Phân tích ứng xử chuyển vị, nội lực của tường vây và chuyển vị của đất xung quanh tường trong đất, được gia cố bằng đất trộn xi măng để gia cường chống chuyển

vị của tường dưới đáy hố đào

- Ứng dụng vào việc tính toán thiết kế ổn định chuyển vị của tường và đất xung quanh hố đào cho công trình có hai tầng hầm, một tầng lững hầm, chiều sâu hố đào khoảng 10m, với điều kiện địa chất có lớp đất yếu dày nên tường có chiều dài lớn để cắm vào lớp đất tốt, trong đó nền đất dưới đáy hố đào được gia cố bằng đất trộn xi măng để hạn chế chuyển vị của tường dưới đáy hố đào

Hình 0.1 Gia cường bằng lớp đất trộn xi măng dưới đáy hố đào

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về chuyển vị của tường vây và chuyển vị của đất xung quanh tường

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hàm lượng, modun đàn hồi và chiều dày hợp lý của lớp đất trộn xi măng để hạn chế chuyển vị của tường vây

- Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D foundation để phân tích chuyển vị của tường, phình trồi của đất ở đáy hố đào và tỉ lệ giữa chuyển vị của tường và chiều sâu của hố đào trong đất yếu

Phương pháp xử lý nền đất dưới đáy hố đào bằng đất trộn xi măng được sử dụng như thanh chống ngang nhằm hạn chế chuyển vị của tường dưới đáy hố đào để tường làm việc ổn định không gây hư hại cho công trình

4 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài

Đóng góp những hiểu biết về chuyển vị của tường và chuyển vị của đất xung quanh tường, từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của tường đến đất nền xung quanh Phân tích được ứng dụng của lớp đất trộn xi măng trong việc gia cố để chống chuyển

vị ngang của tường vây dưới đáy hố đào sâu, từ đó có thể đánh giá và đưa ra ý kiến về kiểu bố trí cũng như mật độ cọc xi măng đất cần sử dụng để hạn chế chuyển vị tường, tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo tường làm việc trong giới hạn an toàn

5 Nội dung nghiên cứu

Tính toán chuyển vị ngang của tường vây tầng hầm qua mô phỏng mô hình bằng phần mềm plaxis 3D, với điều kiện tường cắm vào lớp đất yếu rất dày, chuyển vị lớn nhất của tường ở tại đáy hố đào Phân tích hiệu quả của việc gia cố cọc xi măng đất tại đáy hố đào để chống chuyển vị ngang của tường trong điều kiện nêu trên

6 Hạn chế của đề tài

Đề tài nghiên cứu mang tính chất tổng hợp các lý thuyết đã học và tham khảo các tài liệu có liên quan, áp dụng tính toán trên một công trình cụ thể, chưa tìm tòi được cái mới Đề tài chỉ được phân tích dựa trên mô hình phần tư hữu hạn nên cần được kiểm chứng qua các phương pháp phân tích khác nhau để kết quả đạt mức độ khái quát cao hơn

Kết quả phân tích của đề tài chủ yếu mang ý nghĩa tham khảo trong việc chọn giải pháp thiết trong trường hợp cụ thể

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU CỦA TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU

CÓ GIA CƯỜNG BẰNG ĐẤT TRỘN XI MĂNG

1.1 Những kết quả nghiên cứu và đo đạc về chuyển vị của tường

Dưới đây là chuyển vị của tường giai đoạn

Nếu As>1,6Ac thì chuyển vị của đất sau tường có dạng lõm

Hình 1.1 Các chuyển vị của tường trong quá trình thi công

- Theo dữ liệu của Moormann (2004), thực hiện trên 530 công trình trong sét mềm (cu<75 KPa) Chuyển vị ngang lớn nhất của tường thì khoảng giữa 0,5%H và 1%H (với H là chiều sâu hố đào), vị trí chuyển vị ngang lớn nhất thì khoảng 0,5H tới 1H bên dưới mặt đất

Hình 1.2 Chuyển vị của tường và đất ở sau tường

Khoảng cách thanh chống

Hình 1.3 Quan hệ giữa chiều sâu hố đào và chuyển vị tường

Chuyển vị của tường phần lớn phụ thuộc vào hệ thống thanh giằng

- Theo Ou, C.Y(1993) đã thực hiện trên 10 trường hợp lịch sử cho hố đào sâu ở Tapei cho rằng mối quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất mặt đất vào khoảng 50% tới 70%

độ võng tường lớn nhất và độ võng tường lớn nhất thì khoảng 0,2% tới 0,5% chiều sâu hố đào

- Theo Winter, E (1992) đã thực hiện trên hố đào 10m dùng tường slurry có nhà thờ bên cạnh cho rằng chuyển vị lớn nhất của tường theo phương ngang vào khoảng 0,15% chiều sâu hố đào

- Phương pháp Clough (1989) đề xuất trên bán thực nghiệm về chuyển vị trên lớp đất sét là chuyển vị lớn nhất của tường (δhm) được đánh giá từ mối quan hệ giữa

hệ số an toàn (FS) và hệ thống độ cứng

H [m]: Chiều sâu hố đào

t [m]: Chiều dài tường dưới đáy hố đào

N : Số lớp thanh chống

umaxh [m]: Chuyển vị đất max tường phương ngang

umaxv [m]: Chuyển vị đất max phương đứng

Sét mềm 5KPa

Chiều sâu hố đào Chuyển vị ngang tường vây

suu là sức chống cắt không thoát nước của đất phía trên đáy hố đào

sub là sức chống cắt không thoát nước của đất phía dưới đáy hố đào

NC là hệ số khả năng chịu lực [Theo Terzaghi (1943) NC=5,7]

- Theo Clough và O'Rourke (1990) chuyển vị tường lớn nhất vào khoảng 0,2% chiều sâu hố đào

- Theo Hashash (1992) nếu hệ thống thanh chống tốt thì tỷ số giữa chuyển vị tường lớn nhất và chiều sâu hố đào ≥ 0 , 5 %

Hình 1.4 Hình dạng hố đào và thông số cường độ đất cho hệ số an toàn

sẽ chuyển vị như một dầm hẫng (cantilever type), khi đã lấp thanh chống, độ cứng của thanh chóng đủ lớn thì tường sẽ chuyển vị dạng xoay quanh điểm tiếp giáp giữa tường

và thanh chống và chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ gần đáy hố đào Nếu lớp đất tại vị trí đáy hố đào là đất yếu thì chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ nằm dưới đáy hố đào ngược lại khi lớp đất ngay tại đáy hố đào là lớp đất tốt thì chuyển vị ngang lớn nhất của tường sẽ nằm trên đáy hố đào

1.2 Đất trộn xi măng

1.2.1 Sơ lược về đất trộn xi măng

Xi măng đất là hỗn hợp giữ đất nguyên trạng nơi cần gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

Nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 bê tông đất Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự

án ngoài biển và trong đất liền Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử

lý bằng cọc xi măng đất ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3 Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan từ năm 1967

Tại Việt Nam, từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng hỗn hợp xi măng đất vào việc xây dựng các công trình trên nền đất yếu Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet-grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội)

1.2.2 Những kết quả nghiên cứu

- Gaba (1990) đã báo cáo khi dùng xi măng đất dưới dạng bè chiều dày 3,5m dưới đáy hố đào, kéo dài giữa những tường chắn đào sâu 15m theo phương pháp top-down trong lớp sét biển ở Singapore Ở tầng hình thành này, có sự hiện diện của tầng sét biển mềm để rồi sau đó được cải tạo thành lớp cứng hơn.Tác giả trình bày số liệu

của thiết bị đo tường để chỉ ra những thuận lợi của lớp đất được cải tạo trong việc giảm chuyển vị của tường

- Wong (1998) đã thực hiện phân tích phần tử hữu hạn của hình dạng lớp vữa

để chống chuyển vị của tường vây hố đào sâu trong lớp sét mềm Một loạt mô phỏng

đã được thực hiện với những lớp vữa khác nhau ở đó chuyển vị của tường và mô men uốn đã được so sánh Hố đào sâu rộng 52m và sâu 13m với 3 lớp thanh chống, tường dài 42,5m dày 0,6m được cắm vào tầng đất cứng Lớp vữa dày 1,5m được sử dụng bên dưới hố đào, sự hiện diện của lớp vữa dày 1,5m làm giảm 20-30% lực thanh chống, momen uốn, chuyển vị tường và chuyển vị mặt đất

Hình 1.5 Ảnh hưởng của lớp vữa trong hố đào sâu, Wong (1998) Bảng 1.1 So sánh ảnh hưởng của lớp vữa trong hố đào sâu, Wong (1998)

Lực của thanh chống

(KN)

1 lớp chống

2 lớp chống

3 lớp chống

Moment uốn lớn nhất của tường (KNm/m

Chuyển

vị lớn nhất của tường (mm)

1 Không có lớp vữa 262 835 893 1300 197

2 Lớp vữa gia cố dày 1.5m 187 585 696 1020 139

Độ sâu (m)

Cát Sét biển lớp trên

Bùn sét cứng Sét biển lớp dưới Sét pha cát

Lớp vữa dày 1,5m

Tường vây dày 600mm

Cát pha sét cứng

Thanh chống

Hình 1.6 Ổn định đáy hố đào bằng phương pháp top-down trong đất sét Singapore

Hình 1.7 Thiết kế sàn bằng xi măng đất cho hố đào sâu (Shirlaw 2000)

- Công ty thiết kế và tư vấn xây dựng công trình hàng không ADCC đã cùng với Công ty FUDO là một trong những công ty hàng đầu của Nhật Bản trong công tác

xử lý nền đất yếu, đã hợp tác tiến hành công tác thi công thử nghiệm Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng - phương pháp trộn ướt - Công nghệ Nhật Bản tại Khu vực đồng bằng sông Cửu Long Kết quả đạt được cho thấy phương pháp có tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện nền đất yếu ở Việt Nam đặc biệt là Khu vực đồng bằng sông Cửu Long

Trung tâm Công nghệ Máy xây dựng và Cơ khí thực nghiệm thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị

Tường không cắm vào nền đất cứng Tường cắm vào nền đất cứng

Tầng đất cứng Mặt đất tự nhiên

điều khiển và định lượng xi măng để thi công cọc đất gia cố Qua đó, Trung tâm đã làm chủ được việc chế tạo hệ điều khiển, hệ định lượng và phun xi măng; tổ hợp thiết

bị thi công cọc gia cố đã được ứng dụng thành công và cho hiệu quả cao tại công trường

So với sản phẩm cùng loại của CHLB Đức, thiết bị do Trung tâm chế tạo có tính năng kỹ thuật tương đương nhưng giá thành chỉ bằng 30% So với thiết bị của Trung Quốc, thiết bị có nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn: Do sử dựng máy cơ sở là loại búa đóng cọc di chuyển bằng bánh xích, nên tính cơ động cao, tốc độ làm việc của thiết bị khoan lớn, năng suất gấp 1,5-2 lần Đặc biệt, tổ hợp thiết bị được trang bị

hệ thống điều khiển hiện đại, toàn bộ các thao tác thi công cọc gia cố được tự động hóa theo các chương trình, các số liệu về lượng xi măng sử dụng trên từng mét cọc được hiển thị, lưu giữ và in thành bảng kết quả thi công cho từng cọc Đây chính là những chỉ tiêu rất quan trọng đánh giá chất lượng của thiết bị cũng như chất lượng của cọc gia cố được thi công

Đây là lần đầu tiên ở trong nước chế tạo được tổ hợp thiết bị thi công cọc gia

cố Thiết bị có giá thành thấp, phù hợp với khả năng tài chính của các đơn vị thi công Thiết bị cũng được các nhà thầu sử dụng để thi công tại sân bay Trà Nóc

Tóm lại, qua các nghiên cứu trên ta thấy rằng có rất nhiều tác giả đã nghiên cứu xét đến ứng dụng của đất trộn xi măng trong việc gia cố dưới đáy hố đào để hạn chế chuyển vị của tường và xử lý gia cố nền đất yếu dưới chân tường (khi dưới chân tường là lớp đất yếu có bề dày rất lớn) Ở nước ta, một số dự án lớn đã ứng dụng công nghệ đất trộn xi măng (bằng phương pháp trộn sâu) để cải tạo nền đất yếu dưới nền đường vào cầu; làm chặt lại nền đất yếu phục vụ các công trình giao thông, các bãi container; gia cố mái taluy công trình; làm móng vững chắc cho công trình nhà cao tầng, công trình công nghiệp, làm tường chắn đất, làm bờ kè; gia cố thành hố đào, đặc biệt là hố đào sâu, yêu cầu chống thấm cao; chống chuyển vị của tường trong hố đào

sâu

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG VIỆC PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY

TRONG HỐ ĐÀO SÂU

2.1 Các thông số cơ bản trong mô hình Plaxis

2.1.1 Loại 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 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 thoát nước 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

Đối với thuộc tính non-porous thì cả áp lực nước ban đầu và áp lực nước lỗ rỗng đều không được tạo ra trong vật liệu này Thuộc tính này thường kết hợp với kiểu mô

hình đàn hồi dùng để mô phỏng các loại vật liệu bê tông, xi măng đất … Đối với loại vật liệu này không có sự phân biệt giữa dung trọng tự nhiên và dung trọng bão hoà Việc lựa chọn loại vật liệu trong quá trình phân tích một bài toán là rất quan trọng vì nó quyết định ứng xử của đất nền và phương pháp phân tích Do đó việc lựa chọn loại vật liệu theo những kinh nghiệm và cảm nhận chủ quan của người phân tích dựa trên hệ số thấm, loại đất có thể đưa đến những kết quả phân tích không tin cậy Vermeer & Meier (1998) đã đưa ra một công thức giúp xác định loại vật liệu trong qúa trình phân tích hố đào sâu

t D

E k T

2.1.2 Dung trọng không bão hoà và dung trọng bão hoà

Dung trọng không bão hoà (γunsat) và dung trọng bão hoà (γsat ) 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 hoà đại diện cho dung trọng đơn vị của lớp đất nằm trên mực nước ngầm và dung trọng bão hoà 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 hoà là dung trọng khô của đất

mà nên chọn là dung trọng tự nhiên của đất Dung trọng bão hoà được tính toán thông qua một công thức tương quan với các thông số khác

* )

Trong đó:

- γw: dung trọng nước

Plaxis cũng cung cấp thêm tính năng thay đổi hệ số thấm thông qua sự thay đổi

Độ cứng của đất nền bao gồm các thông số là mô-đun E, mô-đun biến dạng cắt

G, mô-đun biến dạng thể tích K và hệ số Poisson ν Theo lý thuyết đàn hồi các thông

số này có mối liên hệ với nhau thông qua biểu thức sau:

) 1 (

) 2 1 (

tuyến trong các đường cong ứng suất biến dạng, ứng với các mức độ biến dạng ta lại

có các giá trị mô-dun E của đất nền khác nhau, nếu xét đến biến dạng tổng và biến dạng đàn hồi thì mô-đun E lại phân thành mô-đun biến dạng và mô-đun đàn hồi Đất nền là vật liệu không đẳng hướng nên ứng với các phương khác nhau giá trị mô-đun lại khác nhau.Ứng với các lộ trình ứng suất ta lại có các mô-đun E dỡ tải, nén lại và mô-đun E nén chính

Mô-đun E oedonmeter là mô-đun của đất nền được xác định từ thí nghiệm nén

cố kết Theo lý thuyết đàn hồi, mô-đun oedonmeter và mô-đun đàn hồi liên hệ với nhau theo công thức:

) 1 )(

2 1 (

) 1 (

νν

' '

) 1 (

u u

E K

3 (2.7) Trong điều kiện không thoát nước thì Δεvol = 0 nên νu = 0,5 vì vậy

) ' 1 ( 2

đất trong phòng không phải lúc nào cũng đáp ứng đầy đủ các thông số cần thiết cho người phân tích, vì vậy người phân tích cần phải có kinh nghiệm và sự hiểu biết để tìm ra những thông số độ cứng đó thông qua các mối tương quan với các thông số khác (thông thường là chỉ số SPT-N hay sức kháng cắt không thoát nước Su)

2.1.5 Thông số sức kháng cắt của đất nền

Nếu như thông số độ cứng quyết định biến dạng của đất nền thì thông số sức kháng cắt, chủ yếu là c và φ, quyết định cường độ của đất nền và mặt chảy dẻo trong các mô hình nền Trong Plaxis, tuỳ theo phương pháp và mục đích phân tích mà thông

số sức chống cắt có thể thoát nước (c’, φ’) hay không thoát nước (cu, φu = 0)

Thông số sức chống cắt thoát nước có thể sử dụng cả trong trường hợp loại đất nền được thiết lập là thoát nước (Drained) và không thoát nước (Undrained) Tuy nhiên việc sử dụng sức chống cắt thoát nước trong trường hợp đất nền được thiết lập

là không thoát nước có thể dẫn đến sự sai lệch giữa thông số sức chống cắt không thoát nước trong mô hình và trong thực tế vì sự khác biệt về lộ trình ứng suất giữa mô hình và thực tế Đặc biệt trong mô hình Morh-Coulomb, sự kết hợp này dẫn đến việc sức chống cắt không thoát nước trong mô hình lớn hơn thực tế Trong các mô hình tiên tiến hơn (Hardening Soil Model, Soft Soil Creep…) thì mô phỏng tốt hơn mô hình Morh-Coulomb nhưng trong mọi trường hợp cần có sự so sánh giữa việc tính toán từ mô hình với sức chống cắt không thoát nước thực tế (|-σ3|≤ 2cu) Ở một khía cạnh khác, sự kết hợp này giúp người phân tích thấy được sự thay đổi sức chống cắt theo quá trình cố kết Plaxis cũng có thể phân tích khi thông số sức chống cắt thoát nước c’=0, tuy nhiên trong một số trường hợp thì không nên vì sẽ gây những phức tạp trong ma trận tính toán Do đó, đối với những người chưa có kinh nghiệm nên nhập giá trị c’ nhỏ nhất là 0,2 KPa

Sức chống cắt không thoát nước sử dụng được trong trường hợp đất nền được thiết lập là không thoát nước trong các mô hình nền là Morh-Coulomb và Hardening Soil Khi đất nền được thiết lập là thoát nước kết hợp với thông số sức chống cắt không thoát nước thì đây là trường hợp phân tích ứng suất tổng chỉ ứng dụng được cho mô hình Morh-Coulomb Trong các trường hợp này, thì sức chống cắt của đất nền không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất và lộ trình ứng suất

Một thông số cũng liên quan đến sức chống cắt là góc giãn nở ở ψ (psi) Góc giãn nở ở ψ chỉ được chú ý đến đối với những loại đất sét cố kết nặng và đất cát chặt Khi góc ma sát nhỏ hơn 30 độ thì góc giãn nở bằng 0 Trong trường hợp đất cát từ khoáng thạch anh thì góc giãn nở có thể tính gần đúng ψ=φ-30 Khi đất nền thiết lập

là không thoát nước thì việc sử dụng góc giãn nở nên cẩn thận vì sẽ đưa đến trường hợp không xác định được cường độ của đất nền

2.2 Các mô hình đất nền trong Plaxis

Có rất nhiều mô hình nền trong Plaxis, tuy nhiên trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu và phân tích trên hai mô hình nền: Morh-Coulomb Model và Hardening Soil Model

2.2.1 Mô hình Morh-Coulomb

* Tổng quát về mô hình

Mô hình Morh-Coulomb là mô hình đàn dẻo lý tưởng Mô hình này thích hợp cho mọi loại đất Vì tính đơn giản và dễ sử dụng mà mô hình này thường được sử dụng trong giai đoạn đầu của quá trình tính toán Trong các trường hợp trạng thái ứng suất, thì quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mô hình là tuyến tính trong miền đàn hồi được mô tả thông qua 2 thông số độ cứng mô-đun Young E và hệ số Poisson

ν Trong khi đó tiêu chuẩn về phá hoại của của đất nền được qui định bởi hai thông số sức chống cắt c, φ

Trong mô hình Plaxis biến dạng được định nghĩa gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi ε’e và biến dạng dẻo ε’p

p

e ' '

ε = + (2.10) Theo lý thuyết đàn hồi:

) ' ( ' D eε'e D e ε ε'p

σ = = − (2.11)

De là ma trận độ cứng trong lý thuyết đàn hồi phụ thuộc vào mô-dun E và ν

Biến dạng dẻo ε’p được tính toán thông qua công thức:

'

'

σλε

ψ σ

σ σ

2

1 ' ' 2

1

3 2 3

2

g

ψ σ

σ σ

2

1 ' ' 2

1

1 3 1

3

ψ σ

σ σ

2

1 ' ' 2

1

2 1 2

1

g

(ψ là góc giãn nở của đất)

λ là hệ số dẻo (plastic multiplier) Khi đàn hồi hoàn toàn thì λ=0, khi dẻo thì λ>0

Hình 2.1 Ý tưởng cơ bản của mô hình đàn dẻo lý tưởng

Theo Smith & Griffith, 1982; Vermeer & de Borst, 1984 đã đưa ra phương trình thể hiện mối liên hệ giữa ứng suất hữu hiệu và biến dạng trong mô hình đàn dẻo

εσσ

α

' '

1

3 2 3

2

1 = σ − σ + σ + σ ϕ −c ϕ ≤

f

0 cos sin ).

' ' ( 2

1 ' ' 2

1

1 3 1

3

2 = σ − σ + σ + σ ϕ −c ϕ ≤

0 cos sin ).

' ' ( 2

1 ' ' 2

1

2 1 2

1

3 = σ − σ + σ + σ ϕ −c ϕ ≤

f

Hệ số α =0 trong trường hợp p đàn hồi và α=1 (đơn vị) trong trường hợp dẻo

* Xác định thông số cho mô hình

Ngoài những thông số cơ bản của đất nền như dung trọng, hệ số thấm theo các phương thì thông số quan trọng nhất trong mô hình Morh-Coulomb là thông số độ cứng E, ν và thông số sức chống cắt c, φ, ψ

Thông số độ cứng

Thông số mô-đun E của đất nền thay đổi theo trạng thái và lộ trình ứng suất, mô–đun E trong giai đoạn dỡ tải và nén lại thì lớn hơn trong giai đoạn nén chính Phương pháp phân tích thì quyết định thông số độ cứng là thoát nước hay không thoát nước Tuy nhiên trong mô hình Morh – Coulomb thì chỉ có một giá trị E do đó tuỳ theo dạng công trình và mục đích phân tích mà chọn giá trị E cho hợp lý

Plaxis đưa ra hai lựa chọn để nhập thông số độ cứng: Eref kết hợp với ν và Eoedkết hợp với mô-đun chống cắt G

+ Eref là mô-đun đàn hồi cát tuyến được xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước với cấp chọn áp lực buồng σ3 phù hợp với trạng thái thực tế của lớp đất

Hình 2.2 Xác định E ref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước

+ Hệ số Poisson ν sẽ được xác định thông qua mối liên hệ với hệ số áp lực ngang tỉnh K0

ν

νσ

σ

ν = K0 =1 −

Theo Jaky hệ số K0= 1-sinφ

Trong các trường hợp thông thường ν trong khoảng 0,3 đến 0,4, trong trường hợp dỡ tải thì trong khoảng 0,15 đến 0,25 và trong trường hợp không thoát nước thì ν

Eactual = Eref + (yref – y)Eincrement y<yref (2.18)

Thông số sức chống cắt không thoát nước không kể đến góc ma sát trong của đất nền φu=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 …

Đối với những lớp cát chặt hay sét qua cố kết thì có tồn tại góc giãn nở ở ψ Thông thường ta chọn giá trị ψ=φ-30 Còn trong các trường hợp khác góc giãn nở bằng 0

Plaxis cũng cấp thêm tính năng gia tăng lực dính của đất theo độ sâu trong phần nâng cao của mô hình

Cactual = Cref + (yref – y)Cincrement y<yref (2.19)

2.2.2 Mô hình Hardening Soil

* Tổng quát về mô hình

Mô hình Hardening Soil là mô hình tiên tiến được sử dụng để mô phỏng ứng xử của cả đất cứng lẫn đất mềm So với mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng (Morh-Coulomb Model) thì mặt dẻo của mô hình này không cố định trong không gian ứng suất chính

mà mở rộng ra theo giá trị biến dạng dẻo Sự tái bền của đất nền trong mô hình được thể hiện và phân loại thành hai dạng: sự tái bền chống cắt (Shear hardening) và sự tái bền chống nén (Compression hardening) Sự tái bền chống cắt là kết quả của việc biến dạng dẻo của đất nền dưới tác dụng của ứng suất lệch trong khi đó sự tái bền chống nén là kết quả của việc biến dạng không phục hồi do nén chính

Đối với mô hình Hardening Soil có sự phân biệt mô-đun của đất theo trạng thái ứng suất và lộ trình ứng suất: E50 qui định biến dạng dẻo do ứng suất lệch, Eoed qui định biến dạng dẻo do ứng suất nén chính, Eur qui định biến dạng đàn hồi trong quá trình dở tải và nén lại Các giá trị E không phải là một hằng số đối với một loại đất mà thay đổi phụ thuộc vào ứng suất Sự thay đổi độ cứng của đất nền được thể hiện bằng một hàm mũ (m) với biến là ứng suất tại vị trí đang xét

m p ref

p ref

g c p

g c E

+ +

= (2.20)

m p ref

p ref

oed oed

g c p

g c E

+

+

m p ref

p ref

ur ur

g c p

g c E

Ý tưởng cơ bản cho các phương trình của mô hình Hardening Soil đó là mối liên

hệ hyperpolic giữa ứng suất lệch và biến dạng thẳng đứng trong thí nghiệm nén ba trục Khi áp ứng suất lệch, độ cứng của đất sẽ giảm và biến dạng dẻo sẽ phát triển Đặc biệt trong thí nghiệm 3 trục thoát nước mối quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng thẳng đứng theo hàm Hyperpolic thể hiện một cách rõ ràng nhất

) (

) (

3 1 50

σσε

Trong đó:

f

f a

sin 3

sin 6

p p

−

E50 là mô-đun được xác định theo biểu đồ biểu diễn sau:

a

a

E q

E

q

σσ

σσ

) (

2

3 1 3

1

3 1 50

p ur

a

a

E q

E

q

σσ

) (

2

2 1 2

1

2 1 50

γp là biến dạng cắt dẻo: p p

v p p p p

1 1

2 2

ε − − = − ≈ (2.28) Trong thực tế εv pkhông thật sự bằng 0 nhưng rất nhỏ so với p

~

a p a p M

q

f c = + + − c + (2.29)

Pc áp lực tiền cố kết

Hình 2.4 Mối quan hệ Hyperpolic giữa ứng suất lệch và biến

dạng dọc trục trong thí nghiệm 3 trục thoát nước

M là hệ số phụ thuộc vào áp lực đất ngang tỉnh K0

3 2

sin 3

sin 3

−

+

Vùng không gian đàn hồi của mô hình Hardening Soil không cố định mà có thể

mở rộng ra đến mặt phá hoại Morh-Coulomb Kích thước mặt dẻo của không gian đàn hồi phụ thuộc vào biến dạng cắt dẻo mà đất nền đã từng chịu trong quá khứ Kích thước mặt nón dẻo thì phụ thuộc vào áp lực tiền cố kết Đây chính là sự mô phỏng của

mô hình liên quan đến hiện tượng tái bền của đất nền trong thực tế

* Xác định thông số cho mô hình

Ngoài những thông số cơ bản của đất nền như dung trọng, hệ số thấm, những thông số quan trọng cần phải xác định trong mô hình Hardening Soil là thông số độ cứng và thông số sức chống cắt Tương tự như mô hình Morh-Coulomb, thông số sức chống cắt của mô hình Hardening Soil cũng được phân thành thoát nước hay không thoát nước và việc chọn lựa những thông số này cũng phụ thuộc vào phương pháp và

Mặt dẻo (Yield surface)

Mặt nón dẻo (Cap yield surface)

Hình 2.5 Vùng đàn hồi của mô hình Hardening soil trong

không gian ứng suất chính

mục đích phân tích Vấn đề đáng quan tâm trong việc lựa chọn thông số cho mô hình Hardening Soil chính là lựa chọn thông số độ cứng

Như đã trình bày trong 2.2.1 thì mô đun đất nền trong mô hình Hardening soil phân thành 3 dạng (E50ref, ref

oed

E chính là mô-đun tiếp tuyến tương ứng với với giá trị σ1=pref

qf

q

p ref

g c p

g c E

) cot

*

cot

* ln(

) ln(

)

p ref

p ref

g c p

g c m

E E

ϕ

ϕσ

+

+ +

Tương ứng với một áp lực buồng σ3 ta xác định được một giá trị E50 Tiến hành với 3 cấp áp lực buồng khác nhau ta vẽ mối liên hệ giữa E50 và σ3 theo hệ trục toạ độ logarit cơ số e, hệ số góc của đường thẳng xấp xỉ chính là hệ số mũ (m)

) cot

p

g c p

g c

ϕ

ϕσ

+ +

Hình 2.8 Xác định hệ số mũ (m) từ thí nghiệm 3 trục thoát nước

Trong thực tế thì thường ta không có đủ số liệu để xác định hệ số mũ (m), theo những nghiên cứu trước đây thì trong điều kiện thoát nước hệ số mũ m≤1 và dao động quanh 0,5 Theo như hướng dẫn của Plaxis, đối với đất yếu ta chọn m=1 và đối với đất tốt ta chọn m=0,5

2.3 Các phương pháp phân tích không thoát nước, thoát nước và phân tích kép (Không thoát nước kết hợp với cố kết) và ứng dụng các phương pháp này trong việc phân tích bằng Plaxis

Trong phân tích địa kỹ thuật nói chung và hố đào sâu nói riêng, thì vấn đề phân tích thoát nước, không thoát nước hay không thoát nước một phần cần được xem xét thận trọng Với cùng một bài toán, khi tiến hành phân tích bằng hai phương pháp cho kết quả rất khác biệt Điều này được lý giải là do sự ảnh hưởng to lớn của nước trong đất đến các thông số của đất gây nên ứng xử khác nhau của đất nền Việc đánh giá xem phương pháp nào chính xác và an toàn hơn cần phải được xem xét với từng loại công trình, từng loại đất nền và từng giai đoạn của công trình

Tanα=m ln(E50)

2.3.1 Phân tích không thoát nước

Phân tích không thoát nước là phân tích kể đến sự xuất hiện của áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền, ứng suất trong nền phân ra làm ứng suất hữu hiệu, ứng suất tổng

và áp lực nước lỗ rỗng Phân tích này thích hợp khi hệ số thấm của đất nền thấp, tải ngoài lớn nên áp lực nước lỗ rỗng chưa kịp tiêu tán hay trong trường hợp phân tích ứng xử tức thời của đất nền Trong Plaxis, phân tích không thoát nước được chia ra thành các phương pháp: phân tích không thoát nước với các thông số hữu hiệu, phân tích không thoát nước với thông số độ cứng hữu hiệu kết hợp với thông số sức chống cắt không thoát nước, phân tích không thoát nước với các thông số không thoát nước

+ Phân tích không thoát nước với các thông số hữu hiệu

Phân tích này được thực hiện khi loại vật liệu (Material Type) của lớp đất là không thoát nước (Undrained) và các thông số của mô hình là các thông số hữu hiệu E’, ν’, c’, φ’ Khi thiết lập vật liệu là không thoát nước thì Plaxis ngầm hiểu mô-đun khối của mô hình là mô-đun tổng Ku đại diện cho sự kết hợp của mô-đun kết cấu khung hạt đất và mô-đun nước và phân biệt ứng suất trong đất thành ứng suất tổng, ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng

+

= 1

K′ + w (2.40)