Phân tích ổn định hệ tường vây trong quá trình thi công hố đào sâu bằng mô hình plaxis 3d

Phân tích một số yếu tố hình học của hố đào ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu.. Trong nội dung luận văn này chủ yếu là phân tích một số yếu tố dạng hình học củ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG QUANG THÀNH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM

ngày 24 tháng 10 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày…… tháng…… năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 12/12/1986 Nơi sinh: Ninh Thuận

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD và CN MSHV: 1341870041

2 Tổng quan về phân tích ổn định tường vây trong thi công hố đào sâu

3 Cơ sở lý thuyết phân tích ổn định tường vây bằng phần tử hữu hạn

4 Phân tích một số yếu tố hình học của hố đào ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu

5 So sánh chuyển vị ngang giữa mô phỏng Plaxis 3D và quan trắc của công trình tường vây thực tế

III Ngày giao nhiệm vụ :17/03/2015

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ :17/09/2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích ổn định hệ tường vây trong quá trình thi

công hố đào sâu bằng mô hình Plaxis 3D” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và

thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trương Quang Thành Các số liệu trong đề tài này được thu thập và sử dụng một cách trung thực Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này không sao chép của bất cứ luận văn nào

và cũng chưa được trình bày hay công bố ở bất cứ công trình nghiên cứu nào khác trước đây

Tp HCM, ngày 02 tháng 9 năm 2015

Học viên thực hiện Luận văn

Vũ Tâm Lộc

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ với đề tài: “Phân tích ổn định hệ tường vây

trong quá trình thi công hố đào sâu bằng mô hình Plaxis 3D”, tôi xin được chân thành

gửi lời cảm ơn đến:

TS Trương Quang Thành, người đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình

để tôi có thể hiểu rõ phương pháp khoa học và nội dung đề tài, từ đó hoàn chỉnh luận văn này

Quý thầy cô trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chi Minh, đặc biệt là các thầy cô Khoa Xây dựng đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu làm nền tảng vững chắc để hoàn thành luận văn cũng như phục vụ cho công việc sau này Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ

về mặt tinh thần, tạo điều kiện, tạo động lực và hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình học tập

TÓM TẮT

Tại TP Hồ Chí Minh ngày càng nhiều công trình cao tầng được xây dựng Thi công tầng hầm thường dùng tường vây barrette Dự báo đúng chuyển vị tường vây là môt yếu tố quan trọng trong công tác thi công hố đào sâu

Trong nội dung luận văn này chủ yếu là phân tích một số yếu tố dạng hình học của mặt bằng hố đào đến chuyển vị ngang của tường vây Tổng hợp các kết quả nghiên cứu

và cơ sở lý thuyết về chuyển vị ngang của tường vây trên thế giới cũng như ở Việt Nam Bằng cách sử dụng phần mềm Plaxis 3D mô phỏng công trình hố đào gồm tường vây barrette, hệ kingpost và hệ dầm ngang trong cùng một điều kiện địa chất giả định giống nhau, tương ứng với một số dạng mặt bằng hố đào sâu khác nhau Từ kết quả phân tích rút ra một số vấn đề về chuyển vị ngang của tường vây barrette theo dạng hình học của

hố đào có xét đến hiệu ứng không gian

Lựa chọn một công trình cụ thể có ứng dụng tường vây barrette tại TP Hồ Chí Minh để so sánh chuyển vị của tường ứng với hai trường hợp: quan trắc và mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D

Luận văn này sẽ giúp cho người kỹ sư thiết kế có thêm cơ sở lý luận trong việc lựa chọn giải pháp tường vây barrette cho công trình cao tầng có nhiều tầng hầm hiện nay

ABSTRACT

At Ho Chi Minh City, people could see more and more high-rise buildings are going under construction And these constructions are usually using barrette technique Therefore, the correct estimation deformation of retaining wall is an important element in the construction of the deep excavation

The aim of this thesis is to analyze some elements of geometry deep excavation to deformation of retaining wall Also, thesis provides the summary of research results and basis theory of deformation of retaining wall in the world as well as in Vietnam The main method is using Plaxis 3D software to simulate of the deep excavation, Kingpost and collar beam in given the same geological conditions assumption, corresponding to several different grounds of deep excavation Then, by applying collected result, thesis leads to some conclusions about deformation of excavation based on the geometry of parameters with considering the effect of space

In case study, thesis chooses a specific project which applies barrette at HCM city and compares wall of deformation in two methods: observation and simulation by Plaxis 3D software

This thesis will provide designer construction more rationale in choosing barrette for high-rise or skyscraper buildings with multiple basements today

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY TRONG

THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU 3

1.1 Đặc điểm của hố đào sâu 3

1.2 Phân loại hố đào 3

1.2.1 Theo phương thức đào 3

1.2.2 Phân loại theo đặc điểm chịu lực của kết cấu chắn giữ 4

1.2.3 Phân loại theo chức năng chắn giữ hố đào 4

1.3 Các loại tường vây hố đào thường sử dụng 5

1.3.1 Tường chắn bằng cọc đất trộn xi măng 5

1.3.2 Tường chắn bằng cọc khoan nhồi 5

1.3.3 Tường chắn bằng cọc thép hình 6

1.3.4 Tường chắn dạng hàng cọc bản thép 6

1.3.5 Tường chắn cọc bản bê tông cốt thép 6

1.3.6 Tường vây barrette 6

1.4 Các phương pháp ổn định tường vây barrette 7

1.5 Khảo sát một số công trình hố đào sâu trên thế giới và Việt Nam 7

1.5.1 Một số công trình trên thế giới 7

1.5.2 Một số công trình có thi công hố đào sâu ở Việt Nam 8

1.6 Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu 8

1.6.1 Nguồn biến dạng trong 9

1.6.2 Nguồn biến dạng ngoài 15

1.7 Phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu bằng phương pháp

phần tử hữu hạn 19

1.8 Một số kết luận rút ra từ chương 1 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 22

2.1 Cơ sở lý thuyết trong Plaxis 22

2.1.1 Mô hình vật liệu 22

2.1.2 Phân tích không thoát nước 28

2.1.3 Phân tích thoát nước 30

2.1.4 Phân tích kép 31

2.2 Các thông số cơ bản trong mô hình Plaxis 31

2.2.1 Loại vật liệu đất nền (Drained, Undrained, Non-porous) 31

2.2.2 Dung trọng bão hòa và dung trọng khô 32

2.2.3 Hệ số thấm 32

2.2.4 Thông số độ cứng của đất nền 33

2.2.5 Thông số sức kháng cắt của đất nền 35

2.3 Một số kết luận rút ra từ chương 2 36

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ HÌNH HỌC CỦA HỐ ĐÀO ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY TRONG HỐ ĐÀO SÂU 37

3.1 Giới thiệu 37

3.2 Phân tích chuyển vị ngang của tường vây theo yếu tố hình học của hố đào 37

3.3 Đặt bài toán phân tích nghiên cứu 37

3.4 Các dạng mặt bằng hình học hố đào trong phân tích 42

3.5 Kết quả phân tích các bài toán 44

3.5.1 Bài toán 1 44

3.5.2 Bài toán 2 48

3.5.3 Bài toán 3 52

3.5.4 Bài toán 4 56

3.6 Một số kết luận rút ra từ chương 3 60

CHƯƠNG 4: SO SÁNH CHUYỂN VỊ NGANG GIỮA MÔ PHỎNG PLAXIS 3D VÀ QUAN TRẮC CỦA CÔNG TRÌNH TƯỜNG VÂY THỰC TẾ 61

4.1 Giới thiệu công trình 61

4.1.1 Tổng quan về công trình 62

4.1.2 Kết quả khảo sát địa chất công trình 63

4.2 Trình tự thi công và một số hình ảnh trong quá trình thi công 69

4.3 Mô phỏng bài toán 74

4.4 Kết quả phân tích bài toán 75

4.5 Một số kết luận rút ra từ chương 4 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 : Hệ số thấm k của một số loại đất 33

Bảng 2.2 : Miền giá trị của mô đun E ứng với các loại đất khác nhau (Bowles, 1988) 34 Bảng 2.3 : Các giá trị điển hình của mô đun E 34

Bảng 2.4 : Các giá trị điển hình của hệ số Poisson 35

Bảng 2.5 : Góc ma sát trong của cát theo chỉ số NSPT 35

Bảng 2.6 : Các giá trị điển hình của ', c' và cu 36

Bảng 3.1 : Thông số tường vây 38

Bảng 3.2 : Thông số đầu vào đất trong mô hình phân tích 39

Bảng 3.3 : Thông số đầu vào của kingpost 40

Bảng 3.4 : Thông số đầu vào của dầm mũ tường vây 40

Bảng 3.5 : Thông số đầu vào của hệ thanh chống 41

Bảng 3.6 : Kết quả chuyển vị của tường vây - bài toán 1 46

Bảng 3.7 : Kết quả chuyển vị của tường vây - bài toán 2 50

Bảng 3.8 : Kết quả chuyển vị của tường vây - bài toán 3 54

Bảng 3.9 : Kết quả chuyển vị của tường vây - bài toán 4 58

Bảng 4.1 : Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 66

Bảng 4.2 : Trình tự thi công 69

Bảng 4.3 : Thông số vật liệu tường barrete 69

Bảng 4.4 : Thông số vật liệu hệ giằng chống 72

Bảng 4.5 : Kết quả chuyển vị tường vây 77

Bảng 4.5 : Kết quả chuyển vị tường vây (tt) 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1a : Đào thẳng đứng 3

Hình 1.1b : Đào có dốc 3

Hình 1.2 : Tường bằng cọc xi măng trộn đất 5

Hình 1.3 : Tường bằng cọc khoan nhồi 5

Hình 1.4 : Tường bằng cọc thép hình 6

Hình 1.5 : Thi công Top – Down 7

Hình 1.6 : Đường cong thiết kế cho chuyển dịch tường lớn nhất Clough và O’Rourk,1990 9

Hình 1.7 : Ảnh hưởng độ cứng của tường đến chuyển vị của tường 10

Hình 1.8 : Ảnh hưởng của chiều dài tường trên chuyển vị ngang 11

Hình 1.9 : Sự khác nhau giữa chuyển vị lớn nhất của tường trong các trường hợp chiều dài tường phụ khác nhau 11

Hình 1.10 : Phương án đào có mặt bằng là hình chữ nhật 12

Hình 1.11 : Các vùng ứng xử biến dạng phẳng và biến dạng không gian trong hố đào12 Hình 1.12 : Sự thay đổi của tỷ số biến dạng phẳng cho chuyển vị lớn nhất khoảng cách từ góc tới phần ước lượng hố đào với chiều dài tường chính là hằng số và sự thay đổi chiều dài của tường phụ 13

Hình 1.13 : Quan hệ giữa B/L và khoảng cách tính từ góc cho tỷ số biến dạng khác nhau13 Hình 1.14 : Mặt bằng tòa nhà Hai-Hua với bố trí ống Inclinometer 14

Hình 1.15 : Mặt cắt mesh lưới cho công trình 14

Hình 1.16: Chuyển vị theo độ sâu tại các ống I1, I2, I3 [5] 15

Hình 1.17: Phân bổ áp lực đất lại dưới tác dụng tải trọng Qp 16

Hình 1.18: Phân bổ áp lực đất lại dưới tác dụng tải trọng Qs 17

Hình 1.19: Các dạng chuyển vị của tường - trường hợp độ cứng thanh chống không đủ lớn 19

Hình 1.20: Giới hạn vùng mô hình khi phân tích hố đào sâu bằng Plaxis, K.J Bakker 20

Hình 2.1 : Quan hệ ứng suất và biến dạng trong mô hình đàn dẻo 22

Hình 2.2 : Xác định Eref từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước 25

Hình 2.3 : Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng theo hàm Hyperbolic trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước 25

Hình 2.4 : Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết 27

Hình 3.1 : Mặt cắt địa chất của bài toán phân tích 40

Hình 3.2 : Mô hình Plaxis 3D mô phỏng bài toán 44

Hình 3.3 : Kết cấu tường vây và hệ thanh chống qua mô phỏng Plaxis 44

Hình 3.4a : Kết quả chuyển vị tường vây mô hình 3D 45

Hình 3.4b : Kết quả chuyển vị tường vây trên mặt bằng hố đào 45

Hình 3.5 : Biểu đồ chuyển vị của tường vây theo độ sâu ứng với hai thời điểm của quá trình thi công tường vây – Bài toán 1 47

Hình 3.6 : Mô hình Plaxis 3D mô phỏng bài toán 2 48

Hình 3.7 : Kết cấu tường vây và hệ thanh chống qua mô phỏng Plaxis 48

Hình 3.8a: Kết quả chuyển vị tường vây mô hình 3D 49

Hình 3.8b : Kết quả chuyển vị tường vây trên mặt bằng hố đào 49

Hình 3.9 : Biểu đồ chuyển vị của tường vây theo độ sâu ứng với hai thời điểm của quá trình thi công tường vây – Bài toán 2 51

Hình 3.10 : Mô hình Plaxis 3D mô phỏng bài toán 52

Hình 3.11 : Kết cấu tường vây và hệ thanh chống qua mô phỏng Plaxis 52

Hình 3.12a: Kết quả chuyển vị tường vây mô hình 3D 53

Hình 3.12b: Kết quả chuyển vị tường vây trên mặt bằng hố đào 53

Hình 3.13 : Biểu đồ chuyển vị của tường vây theo độ sâu ứng với hai thời điểm của quá trình thi công tường vây – Bài toán 3 55

Hình 3.14 : Mô hình Plaxis 3D mô phỏng bài toán 56

Hình 3.15 : Kết cấu tường vây và hệ thanh chống qua mô phỏng Plaxis 56

Hình 3.16a: Kết quả chuyển vị tường vây mô hình 3D 57

Hình 3.16b: Kết quả chuyển vị tường vây trên mặt bằng hố đào 57

Hình 3.17 : Biểu đồ chuyển vị của tường vây theo độ sâu ứng với hai thời điểm của quá trình thi công tường vây – Bài toán 4 59

Hình 4.1 : Phối cảnh công trình Tòa nhà trụ sở công ty Xổ số kiến thiết TP HCM 61

Hình 4.2 : Sơ đồ chỉ dẫn Tòa nhà trụ sở công ty Xổ số kiến thiết TP HCM 62

Hình 4.3 : Sơ đồ vị trí hố khoan 63

Hình 4.4 : Mặt cắt địa chất 67

Hình 4.5 : Mặt cắt địa chất 68

Hình 4.6 : Mặt bằng bố trí hệ kingpost 70

Hình 4.7 : Mặt bằng bố trí hệ giằng chống 71

Hình 4.8 : Thi công xong tầng giằng đầu tiên, đào đất thi công tầng giằng thứ 2 72

Hình 4.9 : Thi công tầng giằng thứ 2 73

Hình 4.10 : Thi công tầng giằng thứ 2 73

Hình 4.11 : Đào, vận chuyển đất thi công tầng giằng thứ 2 73

Hình 4.12 : Giằng tại vị trí góc 74

Hình 4.13 : Đào đất lớp giằng thứ 3 74

Hình 4.14 : Mô hình Plaxis 3D mô phỏng bài toán 74

Hình 4.15 : Kết cấu tường vây và hệ thanh chống qua mô phỏng Plaxis 75

Hình 4.16a: Kết quả chuyển vị tường vây mô hình 3D 75

Hình 4.16b: Kết quả chuyển vị tường vây mô hình 3D 76

Hình 4.17 : Vị trí quan trắc thực tế 76

Hình 4.18 : Biểu đồ chuyển vị tường vây trong giai đoạn lắp hệ giằng thứ 3 79

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, tại các thành phố lớn ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều công trình cao tầng Để tăng cường tính ổn định cho công trình cao tầng thì cần thiết phải thiết kế tầng hầm chôn sâu công trình hơn vào trong đất, đồng thời tầng hầm cũng đáp ứng nhiều mục đích khác cho người sử dụng

Việc thi công tầng hầm các công trình yêu cầu phải đảm bảo nhiều về vấn đề kỹ thuật như: biện pháp chắn giữ để bảo vệ thành vách hố đào không bị sập khi thi công

hố đào tầng hầm và đồng thời không làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận

Việc ứng dụng tường barrette trong hố đào sâu nhà cao tầng là biện pháp hiệu quả để xây dựng các công trình có tầng hầm Tường barrette đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng từ những năm 1970 Tại Việt Nam cũng đã bắt đầu sử dụng trong những năm gần đây tại các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh thấy rằng có hiệu quả Việc nghiên cứu ứng dụng tường barrette rộng rãi cho nhà cao tầng

có tầng hầm là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài ở đây là phân tích chuyển vị ngang của hệ tường vây barrette trong quá trình thi công đào hầm bằng phần mềm Plaxis 3D, sử dụng mô hình nền Mohr - Coulomb Qua đó rút ra một số nhận xét về một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường barrete chắn giữ hố đào sâu Kết quả phân tích

hy vọng có thể ứng dụng cho bài toán thiết kế biện pháp thi công tầng hầm cho các công trình khác tương tự Yếu tố được xem xét khi phân tích trong luận văn đó là dạng hình học của hố đào và điều kiện địa chất

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến đề tài Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã

có Đặt các trường hợp các bài toán cụ thể rồi sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation mô phỏng các trường hợp bài toán đặt ra để tìm kết quả chuyển vị và phân tích Nghiên cứu ứng dụng cho một công trình cụ thể tại thành phố Hồ Chí Minh, nhận xét các kết quả phân tích có so sánh với kết quả quan trắc thực tế tại công trình

4 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài

Đề tài: “Phân tích ổn định hệ tường vây trong quá trình thi công hố đào sâu bằng mô hình Plaxis 3D” giúp cho người kỹ sư thiết kế nền móng có thêm một

cơ sở lý luận dự báo chuyển vị hố đào sâu, ảnh hưởng của dạng hình học của mặt bằng

hố đào sâu đến mức độ chuyển vị ngang của tường vây

Việc ứng dụng tính toán chuyển vị ngang của tường barrette cho một công trình

cụ thể tại thành phố Hồ Chí Minh và có so sánh với kết quả quan trắc chuyển vị ngang thức tế làm tài liệu tham khảo thêm cho những người quan tâm đến vấn đề nghiên cứu trong luận văn

5 Giới hạn của đề tài

Phạm vi nghiên cứu cho công trình thực tế có tính cục bộ chưa có điều kiện nhân rộng phân tích nhiều khu vực địa chất khác nhau Kết quả nghiên cứu phần lớn dựa vào kết quả phân tích khi mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D bằng mô hình Mohr

- Coulomb Chưa phân tích đầy đủ hết các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY

TRONG THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU

1.1 Đặc điểm của hố đào sâu

Đặc điểm của hố đào sâu liên quan tới yếu tố địa phương, tức là tùy vào điều kiện điạ chất của mỗi vùng khác nhau mà nó có đặc điểm khác nhau Công trình hố đào sâu phụ thuộc nhiều vào đặc tính của đất nền tại nơi thi công, các giải pháp kết cấu và kỹ thuật thi công hố đào

Công trình thi công hố đào sâu bao gồm nhiều các khâu: chắn đất, đào đất, chống giữ, hạ mực nước ngầm Vì tính chất quan trọng và yêu cầu độ an toàn cao nên thường chi phí thi công hố đào sâu là rất lớn, thời gian thi công kéo dài

Công trình hố đào sâu trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao, các điều kiện hiện trường phức tạp thì thường xảy ra các sự cố: trượt lở, mất ổn định, kết cấu chắn giữ bị hư hại, ảnh hưởng đến công trình đang xây dựng và các công trình xung quanh

1.2 Phân loại hố đào

Có nhiều cách phân loại khác nhau Tuy nhiên có thể chia thành ba dạng để xem xét như: Phương thức đào, đặc điểm chịu lực và chức năng kết cấu

1.2.1 Theo phương thức đào

(a) Đào không có chắn giữ thi công bằng cách hạ mực nước ngầm, đào taluy, gia

cố nền và ổn định mái dốc:

Hình 1.1a: Đào thẳng đứng Hình 1.1b: Đào có dốc

(b) Đào có chắn giữ thi công bằng cách sử dụng các kết cấu quây giữ, hệ thống chắn giữ Vật liệu kết cấu chắn giữ là thép, bê tông, xi măng trộn đất

1.2.2 Phân loại theo đặc điểm chịu lực của kết cấu chắn giữ

Kết cấu chắn giữ chịu lực bị động: Kết cấu chắn giữ hố đào có vai trò chịu áp lực đất chủ động bao gồm các kết cấu như phun neo, tường bằng đinh đất

Kết cấu chắn giữ chịu áp lực chủ động: Kết cấu chắn giữ hố đào có vai trò chịu áp lực đất bị động bao gồm các kết cấu như cọc, bản, ống, tường và chống

1.2.3 Phân loại theo chức năng chắn giữ hố đào

1.2.3.1 Bộ phận chắn đất a) Kết cấu chắn đất, thấm nước + Cọc thép hình có bản cài + Cọc nhồi đặt thưa trát mặt xi măng lưới thép

Cọc đặt dày (cọc nhồi, cọc đúc sẵn)

b) Kết cấu chắn đất, ngăn nước + Tường liên tục trong đất + Cọc, tường trộn xi măng đất dưới tầng sâu + Giữa cọc đạt dày thêm cọc phun xi măng cao áp + Cọc bản thép

1.2.3.2 Bộ phận chắn giữ kiểu kéo giữ + Kiểu tự đứng (cọc consol, tường) + Thanh neo vào tầng đất

+ Ống thép, thép hình chống đỡ (chống ngang) + Chống chéo

+ Hệ dầm vòng chống đỡ

+ Thi công top-down

1.3 Các loại tường vây hố đào thường sử dụng

Hình 1.3: Tường bằng cọc khoan nhồi

1.3.3 Tường chắn bằng cọc thép hình

Các cọc thép hình thường là I hay H được hạ vào trong đất liền sát nhau bằng búa đóng hay rung tạo thành tường chắn kiểu hàng cọc, trên đỉnh được giằng bằng thép hình Dùng cho hố đào có độ sâu 6 -13 m

Hình 1.4: Tường bằng cọc thép hình

1.3.4 Tường chắn dạng hàng cọc bản thép

Dùng thép máng sấp ngửa móc vào nhau hoặc cọc bản thép khóa miệng bằng thép hình với mặt cắt chữ U và chữ Z Dùng phương pháp đóng hoặc rung để hạ chúng vào trong đất, sau khi hoàn thành nhiệm vụ chắn giữ, có thể thu hồi sử dụng lại Dùng cho loại hố móng có độ sâu từ 3 – 10 m

1.3.5 Tường chắn cọc bản bê tông cốt thép

Cọc bản bê tông cốt thép có chiều dài cọc từ 6 – 12 m, sau khi hạ cọc xuống đất, người ta tiến hành cố định đầu cọc bằng dầm vòng bê tông cốt thép hay thanh neo Dùng cho loại hố đào có độ sâu từ 3 – 6 m

1.3.6 Tường vây barrette

Tường vây barrette là tường bê tông đổ tại chỗ, chiều dày từ 600 – 800

mm để chắn giữ ổn định hố đào sâu trong quá trình thi công Tường có thể được làm từ các đoạn cọc barrette, tiết diện chữ nhật với chiều rộng thay đổi

từ 2,2 – 3,6 m Các đoạn tường barrette được liên kết chống thấm bằng goăng cao su Trong trường hợp 2 tầng hầm, tường barrette thường được thiết kế có chiều sâu >10 m tùy thuộc vào địa chất công trình và phương pháp thi công

1.4 Các phương pháp ổn định tường vây barrette

Tường vây barrette được giữ ổn định khi thi công bằng các giải pháp sau:

- Giữ ổn định bằng hệ dàn thép hình, số lượng tầng thanh chống chống có thể là 1, 2 tầng chống hoặc nhiều hơn tùy theo địa chất công trình, chiều sâu hố đào

- Giữ ổn định bằng phương pháp neo trong đất: thanh neo trong đất được

sử dụng là neo dự ứng lực Neo trong đất có nhiều loại, tuy nhiên dùng phổ biến trong xây dựng hầm là neo phụt

- Giữ ổn định bằng phương pháp thi công Top – Down: phương pháp thi công này thường được sử dụng phổ biến hiện nay Để chống đỡ sàn tầng hầm trong quá trình thi công, người ta thường sử dụng Kingpost bằng thép hình Trình tự thi công này có thể thay đổi để phù hợp với đặc điểm của từng loại công trình

Hình 1.5: Thi công Top – Down Giữ ổn định bằng hệ dàn thép hình kết hợp với sườn gia cường: phương pháp này

đã được ứng dụng phổ biến ở Đài Bắc, Trung Quốc nhưng ở Việt Nam vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi

1.5 Khảo sát một số công trình hố đào sâu trên thế giới và Việt Nam

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công trình có thi công hố đào sâu

1.5.1 Một số công trình trên thế giới:

Tòa nhà Chung – Wei Đài Loan : 20 tầng, 3 tầng hầm;

Tháp đôi Luala Lumpur city Center Malaysia;

Tòa nhà Commerce Bank: 56 tầng; 3 tầng hầm;

Tòa nhà Cental Plaza HongKong : 75 tầng, 3 tầng hầm;

Tòa thư viện Anh: 7 tầng, 4 tầng hầm;

Tòa nhà Chung- Hava Đài Loan : 16 tầng, 3 thầng hầm

1.5.2 Một số công trình có thi công hố đào sâu ở Việt Nam

Cục tần số vô tuyến điện, Trần Duy Hưng, Hà Nội; tường barrette dày 80cm, 27 tầng có 3 thầng hầm;

Chung cư Nguyễn Thái Học, phường Yết Kiêu: có 2 tầng hầm;

Vietcombank Tower, 98 Trần Quang Khải, Hà nội: 2 tầng hầm;

Hacinco Tower : tường barrette: 2 tầng hầm;

Kho bạc nhà nước Hà Nội: 2 tầng hầm;

Tòa nhà văn hóa đa năng, Pasteur, quận 1, Hồ Chí Minh: 3 tầng hầm;

Tòa nhà Vincom Tower, Lê Thánh Tôn, Quận 1, Hồ Chí Minh: có 6 tầng hầm;

Bitexco tower, Hồ Chí Minh: 2 tầng hầm;

Lottery Tower, Lê Thánh Tôn, Hồ Chí Minh: 3 tầng hầm

1.6 Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu

Các nguyên nhân gây chuyển dịch đất ngoài phạm vi hố đào có thể phân làm hai loại chung:

- Biến dạng của các thành phần của hệ chống vách

- Biến dạng của đất do tương tác của khối đất xung quanh và nước ngầm đối với các hoạt động đào

Để đơn giản, hai loại này sẽ được gọi tương ứng là biến dạng trong và biến dạng ngoài

- Nguồn biến dạng bên trong chủ yếu liên quan đến sự làm việc của hệ tường chắn Trong quá trình đào, tường bị biến dạng uốn giữa các điểm gối và như một consol ở phía trên điểm gối trên cùng Các thanh giằng chịu kéo, hoặc các thanh chống chịu nén

- Nguyên nhân biến dạng ngoài liên quan tới sự làm việc của toàn bộ khối đất

Clough và O’Rourke (1990) 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 ( 4

/ h

EI  ) Trong đó: E: mô đun đàn hồi của tường ; I: mô ment chống uốn

h: khoảng cách trung bình giữa các thanh chống

Hình 1.6: Đường cong thiết kế cho chuyển dịch tường lớn nhất Clough và O’Rourk,

1990

- L Sebastian Bryson và David G Zapata-Medina (2012) đã mô phỏng 3D để nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của các loại tường đến chuyển vị của tường tương ứng với các loại đất

Hình 1.7: Ảnh hưởng độ cứng của tường đến chuyển vị của tường

- Long (2001) đã nghiên cứu và phân tích 296 trường hợp Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào kết quả xác nhận của Clough và O’Rourke (1990) cho các vùng đất cứng với hm/H  0 , 05  0 , 25 % và vm /H  0  0 , 2 %.Với đất sét mềm với

hệ số an toàn thấp, sự chuyển dịch của tường có thể lên tới hm /H  3 , 2 % Ông kết luận biến dạng của hố đào sâu trong đất dính cũng như trong đất sét cứng không phụ thuộc nhiều vào độ cứng của bức tường và hệ chống đỡ Độ cứng ảnh hưởng đến biến dạng đáng kể khi đào sâu trong đất sét mềm với hệ số an toàn thấp Ông tìm ra một hệ số linh hoạt Addenbrooke’s để xác định được độ cứng tường và hệ chống đỡ

- Phân tích theo mô hình ứng suất hữu hiệu, MIT-E3 (Whittle và Kavvadas, 1994) có xét đến ảnh hưởng của chiều dài tường đến độ lún nền và chuyển vị ngang của tường ứng với các chiều sâu tường là L = 40 m và 20 m Khi đào đến các cấp đào H = 2,5 m; 5,0 m; 15,0 m; 22,5 m cho đất OCR=1 Khi chiều sâu tường tăng dẫn đến chuyển vị ngang của tường giảm, được thể hiện qua hình

Hình 1.8: Ảnh hưởng của chiều dài tường trên chuyển vị ngang

- Tác giả Chang – Yu Ou trong quá trình nghiên cứu thành lập một quy trình phân tích 3D phát triển trên chương trình máy tính khi phân tích bài toán đào sâu và thực hiện trên công trình cụ thể đã cho thấy ảnh hưởng của kích thước hố móng

Hình 1.9: Sự khác nhau giữa chuyển vị lớn nhất của tường trong các trường hợp

chiều dài tường phụ khác nhau

- Với chiều dài tường phụ (B>20), khi giảm chiều dài của tường chính thì độ lệch của tường sẽ giảm

1.6.1.3 Hiệu ứng góc

Với những phương án hố đào sâu có mặt bằng đảo là hình chữ nhật hoặc hình vuông thì chuyển vị tại góc là nhỏ nhất

Hình 1.10: Phương án đào có mặt bằng là hình chữ nhật

Hình 1.11: Các vùng ứng xử biến dạng phẳng và biến dạng không gian trong hố đào

- Trong hình, ở hố đào hình chữ nhật biến dạng ở trung tâm cạnh dài (mặt cắt 1) được xem là biến dạng phẳng

1 Ở vùng trung tâm cạnh ngắn (mặt cắt 21 2), do bị ảnh hưởng của vùng góc nên chuyển vị tường vây nhỏ hơn so với mặt cắt 1-1

- Các ứng xử tại các góc (A, B) cũng có ứng xử không gian nên chuyển vị nhỏ hơn trung tâm của tường, nhưng góc E có chuyển vị lớn hơn góc B

Các nghiên cứu về 3D liên quan đến hố đào, ảnh hưởng của góc

- Cùng với việc nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hố móng, Chang – Yu Ou nghiên cứu và nhận thấy khi tăng chiều dài tường chính hay tường phụ, thì sự ảnh hưởng của góc là không thể kể đến

- Với độ cứng theo phương ngang lớn, tường vây có ứng xử không gian Trong khi các phuơng án tường chắn khác như soldier piles, cừ Larsen, cọc vây do độ cứng theo phương ngang bé nên không xét đến hiệu ứng góc

- Chính vì vậy nên đối với tường vây, để thu được kết quả chính xác, việc phân tích bài toàn không gian để xét đến hiệu ứng góc của tường vây cần được thực hiện Vấn đề này chỉ có thể thực hiện được bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Hình 1.12: Sự thay đổi của tỷ số biến dạng phẳng cho chuyển vị lớn nhất khoảng cách

từ góc tới phần ước lượng hố đào với chiều dài tường chính là hằng số và sự thay đổi

chiều dài của tường phụ Trong điều kiện biến dạng phẳng, phần ứng xử của tường trung tâm có tường phụ dài còn ảnh hưởng bởi sự tồn tại của phần góc

Hình 1.13: Quan hệ giữa B/L và khoảng cách tính từ góc cho tỷ số biến dạng khác nhau

Chang Yu Pu, Dar-Chang Chiou và Tzong-Shiannn Wu (1996) đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng góc đến hố đào sâu tại tòa nhà Hai-Hua tọa lạc tại giao

lộ Chung-Hsiao và Chin-San ở thành phố Đài Bắc

Hình 1.14: Mặt bằng tòa nhà Hai-Hua với bố trí ống Inclinometer

Hình 1.15: Mặt cắt mesh lưới cho công trình Một tường vây dày 110 cm, dài 42 m và sâu 20,3 m Phương pháp thi công top-down đã được sử dụng Đó là bảy giai đoạn đào cho phần góc, nó sẽ được hoàn thành theo những trình tự sau:

+ Đào xuống 1,6 m dưới mặt đất

+ Thi công sàn bê tông tại bề mặt và đào sâu tới 5,4 m

+ Thi công sàn 2 tại -3,8 m và đào sâu tới 8,55 m

+ Thi công sàn 3 tại - 6,95 m và đào sâu tới 11,7 m

+ Thi công sàn 4 tại - 10,10 m và đào sâu tới 14,6 m

+ Thi công sàn 5 tại - 13,25 m và đào sâu tới 17,9 m

+ Thi công sàn 6 tại - 16,4 m và đào sâu tới 20,3 m

Và kết quả

Hình 1.16: Chuyển vị theo độ sâu tại các ống I1, I2, I3 [5]

Bảng1.1: Các thông số đất của tòa nhà Hai-Hua

Soil Layer

(1)

Depth (m) (2)

t

(kN/m3) (3)

C (kPa) (4)

(*) (5)

n (6)

Rf (7)

1

(8)

Vt (9)

K (10)

Kuf(11)

Silty-clay 4,2 19,4 50,0 0 0,0 0,7 0,49 0,49 225 225 Silty-sand 10,5 20,1 6,0 35,8 0,5 0,9 0,30 0,49 650 650 Silty-clay 15,0 19,4 49,7 0 0,0 0,7 0,49 0,49 610 610 Silty-clay 24,0 19,4 72,0 0 0,0 0,7 0,49 0,49 560 560 Silty-sand 30,2 20,0 25,0 20,8 0,5 0,9 0,30 0,49 600 600 Silty-slay 37,8 19,8 121 0 0,0 0,7 0,49 0,49 680 680 Silty-silt 50,0 20,2 20,0 31.2 0,5 0,8 0,30 0,49 950 950

- Theo Gerber (1929) và Spangler (1938) nghiên cứu áp lực đất theo phương ngang được phân bổ lại dưới tác động của tải trọng phân bổ bên trên được hiệu chỉnh bởi các hệ số m, n

- Với tải trọng tập trung

 23

2 2

16.0

28.04

n

n H

Q

m

P h

77.04

n m

n m H

Q

m

P h

Hình 1.18: Phân bổ áp lực đất lại dưới tác dụng tải trọng Qs

và Rankine

Độ lớn áp lực đất tỷ lệ lớn với mức độ đàn hồi của hệ tường chống Khi hệ chống bị biến dạng đàn hồi, hệ số áp lực đất tiến tới trị số âm, hay là điều kiện Ka

Lịch sử hình thành ứng suất của khối đất cũng ảnh hưởng đến độ lớn của các

hệ số áp lực đất ngang, đặc biệt là đối với đất sét

Áp lực ngang tác dụng lên hệ chống sẽ gây biến dạng đàn hồi cho các bộ phận của hệ Tường dịch vào trong, gây ra một phạm vi chuyển dịch ngang và đứng của khối đất ngoài hố đào Giai đoạn đầu của hầu hết các hố đào kiểu đào-và-lấp đều làm cho tường bị hẫng consol Tình trạng này tồn tại cả trước và sau khi lắp đặt

hệ giằng đầu tiên Ở trạng thái ban đầu, các lớp đất trung gian đóng vai trò là điểm ngàm consol Chiều dài có hiệu của consol vượt quá chiều sâu đào vì điểm cố định không thể xảy ra tại bề mặt đã đào Chiều sâu ngàm được quy định bởi cường độ đất và độ cứng của tường Sau khi lắp liên kết giằng đầu tiên, chiều dài hẫng giảm

đi nhiều Nhưng độ lún bên ngoài hố đào xảy ra ở giai đoạn trước đó không thể hồi phục được Nghĩa là, trong khi đào theo giai đoạn, độ lún của đất được dần dần tích lũy

1.6.2.3 Cố kết do thấm và bơm nước

Việc thoát nước cho tầng ngậm nước nông nằm trên lớp đất chịu nén, hoặc

sự hạ áp của tầng thấm được nằm bên dưới lớp đất chịu nén, đều có khả năng gây ra lún

Sự thoát nước gây ra mất mát sức đẩy nổi do vậy làm tăng áp lực thẳng đứng tác dụng lên lớp đất chịu nén Trường hợp hạ áp của tầng thấm tạo ra một gradient thấm hướng xuống dưới, do đó làm giảm áp lực lỗ rỗng trong lớp đất chịu nén ở trên

Độ lớn của lún cố kết thực ra là một hàm số của bề dày, tốc độ cố kết hoặc trương nở, và lịch sử hình thành ứng suất của lớp đất khả nén; mức độ và hướng của

sự tụt nước ngầm, và tính thấm của tầng ngậm nước đã được tháo nước

Trong trường hợp dùng tường chống không thấm, áp lực thủy tĩnh có thể lớn hơn áp lực đất Do đó, sự phân bố áp lực thủy tĩnh dọc theo chiều dài tường chắn có ảnh hưởng lớn đến toàn bộ hợp lực tác dụng lên tường chắn Dạng biểu đồ áp lực thủy tĩnh được quy định bởi khả năng thấm của tường chắn và các điều kiện thấm gây ra do sự bơm hút nước trong hố đào

Tổ hợp của một tường không thấm và giả thiết không có sự thấm nước vào

hố đào sẽ cho ta trường hợp áp lực thủy tĩnh lớn nhất tác dụng lên tường Áp lực sẽ tăng lên tỷ lệ với chiều sâu, từ mực nước ngầm thiết kế tới chân tường Khi giả thiết

là có thấm nước, độ lớn phân bố áp lực sẽ giảm đáng kể so với trường hợp có thấm nước, đặc biệt là khi đào càng sâu

Sự hạ thấp áp suất, một dạng thức tháo khô, được yêu cầu khi cần đề phòng sự nâng thủy tĩnh của cao độ lòng hố đào Một điều kiện như vậy có thể xảy ra khi một tầng đất tương đối chống thấm nằm trong giới hạn đào được đỡ bởi một tầng tương đối dễ thấm nằm bên dưới Nếu trọng lượng của lớp đất không thấm còn lại nhỏ hơn

áp lực thủy tĩnh tác dụng lên đáy lớp, thì sự nâng lên có thể xảy ra Để tránh điều này, phải làm một loạt giếng hạ áp xuyên qua lớp thấm nằm bên dưới để tạo ra sự

giảm áp Dù vậy, nếu các tường hố đào không xuyên sâu tới lớp không thấm nằm bên dưới lớp dễ thấm, việc hạ áp suất sẽ có tác dụng vượt ra khỏi phạm vi hố đào, như thế gây nên khả năng lún cố kết

Theo “Deep Excavation – Theory and Practice” của Chang-Yu Ou:

Dưới tác dụng của áp lực đất, tường vây bị uốn cong và biến dạng, khi đó sẽ có

sự dịch chuyển tương đối giữa đất và tường

Đất không có tác dụng gia tăng moment kháng uốn cho tường mà nó làm gia tăng ứng suất tác dụng lên tường Khi đó, nếu tường được gia cố bằng các sườn, thì hệ sườn này có tác dụng tuyệt vời trong việc gia tăng khả năng kháng uốn cho tường

Vị trí của sườn có thể thay đổi cả ở bên trong hay ngoài tường Khi đặt bên trong,

nó sẽ là phần tử chịu kéo Về mặt lý thuyết, sườn nên đặt theo trường hợp này Tuy nhiên, trong thực tế khi sử dụng cho ta thấy rằng tác dụng tốt nhất của nó là gia tăng moment kháng uốn cho tường Khi đặt ở vị trí này thì bắt buộc ta phải phá bỏ nó trong quá trình thi công hố đào

Hình 1.19: Các dạng chuyển vị của tường - trường hợp độ cứng thanh chống không đủ lớn (a) Giai đoạn đào chưa có thanh chống, (b) giai đoạn có thanh chống, (c) giai đoạn

lấp nhiều tầng thanh chống, Chang Yu Ou (2006)

1.7 Phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phần mềm Plaxis 3D Foundation là một trong những phần mềm mạnh, được nhiều nước trên thế giới sử dụng để giải quyết các bài toán về móng, phần ngầm các công trình xây dựng và các công trình ngầm tương tác với đất Phần mềm Plaxis 3D Foundation tỏ rõ thế mạnh trong tính toán ứng suất- biến dạng, chuyển vị- lún, nội lực trong kết cấu và ổn định trượt sâu tương tác giữa công trình với nền đất Chương trình

sử dụng giao diện thuận tiện cho người dùng, giúp cho người dùng nhanh chóng tạo ra một lưới phần tử hữu hạn ba chiều dựa trên sự liên kết các mặt cắt ngang tại các cao trình khác nhau Các bước tính toán cho bài toán tương tác giữa công trình với nền đất bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation gồm 11 bước sau:

Bước 1: Thiết lập tổng thể bài toán Bước 2: Thiết lập mặt bằng làm việc

Bước 3: Thiết lập đường bao hình dạng, kết cấu Bước 4: Khai báo tải trọng

Bước 5: Khai báo lỗ khoan và các tính chất vật liệu Bước 6: Chia lưới phần tử Bước 7: Thiết lập giai đoạn tính toán Bước 8: Chọn điểm Bước 9: Tính toán Bước 10: Xem và xuất kết quả nội lực, biến dạng , ứng suất kết cấu

Bước 11: Xem và xuất kết quả biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị kết cấu

Sử dụng chương trình Plaxis giúp chúng ta phân tích được sự làm việc của kết cấu trong từng giai đoạn thi công đào đất, sự làm việc của kết cấu chắn giữ gần với thực tế nhất

Hình 1.20: Giới hạn vùng mô hình khi phân tích hố đào sâu bằng Plaxis, K.J Bakker

1.8 Một số kết luận rút ra từ chương 1

Có nhiều dạng tường vây khác nhau được sử dụng hiện nay nhằm giữ ổn định thành hố đào Mỗi loại tường vây có những ưu khuyết điểm và phạm vi sử dụng khác nhau, cần lựa chọn sử dụng phù hợp

Thanh chống làm giảm đáng kể chuyển vị của tường vây Kết quả chuyển vị này phụ thuộc chủ yếu vào khả năng chịu lực của thanh chống và chất lượng các khớp nối giữa thanh chống và tường vây

Sức kháng của sườn cơ bản xuất phát từ sức chống cắt hoặc sức kháng ma sát bên giữa sườn và đất Nó cũng có ảnh hưởng đáng kể trong việc làm giảm chuyển vị của tường vây và ổn định đáy hố đào Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng này lại phụ thuộc vào chuyển vị của tường vây, nếu chuyển vị của tường vây lớn thì mức độ ảnh hưởng lớn hơn

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường vây trong đó ảnh hưởng của hiệu ứng góc có tác động nhiều, đặc biệt là hình dạng hố đào xây dựng không được vuông cạnh Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn plaxis 2D phân tích chuyển vị tường vây hố đào ta không thấy được sự ảnh hưởng và mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng góc đến chuyển vị tường vây Với sự hỗ trợ tính toán hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng mô hình 3D có nhiều ưu điểm để mô phỏng, phân tích đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng góc đến chuyển vị tường

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY

BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN

2.1 Cơ sở lý thuyết trong Plaxis

Những cơng bố gần đây trên hố đào sâu cĩ liên quan đến phân tích phần tử hữu hạn Việc sử dụng phân tích phần tử hữu hạn là một trong những thay đổi lớn trong việc phân tích hố đào sâu Sự thay đổi đáng kể khác liên quan đến là chuyển vị xung quanh hố đào trong khu vực nội thành làm cho việc thiết kế cĩ tính chính xác cao

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định Phương pháp này rất thích hợp để tìm nghiệm gần đúng cho các bài tốn vật lý, kỹ thuật khi mà hàm cần tìm được xác định trên các miền phức tạp là những vùng nhỏ cĩ đặc trưng hình học, vật lý khác nhau cĩ các điều kiện biên khác nhau

Trong giới hạn đề tài, dùng phần mềm Plaxis 3D để mơ phỏng cơng trình Từ

đĩ dự đốn được chuyển vị tường vây trong từng giai đoạn khi thi cơng hố đào tầng hầm

2.1.1 Mơ hình vật liệu

a) Mơ hình Mohr - Coulomb

Điểm dẻo 1

E Ứng suất,  '

Hình 2.1: Quan hệ ứng suất và biến dạng trong mơ hình đàn dẻo

Mơ hình Mohr – Coulomb là mơ hình đất cơ bản và phổ biến nhất với ứng xử đàn hồi – dẻo lý tưởng của đất nền, áp dụng tiêu chuẩn phá hoại của Mohr – Coulomb

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

Biến dạng dẻo là biến dạng không hồi phục Để đánh giá biến dạng dẻo có xảy

ra trong tính toán hay không, một hàm dẻo f được định nghĩa Hàm dẻo f là hàm của ứng suất và biến dạng, được thể hiện như một mặt trong không gian ứng suất chính Một mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng là một mô hình cấu thành với một mặt dẻo cố định, mặt dẻo này hoàn toàn được xác định thông qua các thông số đất nền và không chịu ảnh hưởng bởi biến dạng dẻo Đối với các trạng thái ứng suất đặc trưng bởi các điểm bên trong mặt dẻo, ứng xử hoàn toàn đàn hồi và tất cả biến dạng là hồi phục

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

Hàm dẻo Mohr – Coulomb như sau:

 sin cos 02

12

1

0cos.sin2

12

1

0cos.sin2

12

1

' 2

' 1

' 2

' 1 3

' 3

' 1

' 3

' 1 2

' 3

' 2

' 3

' 2 1

c f

c f

Ngoài ra, để tính toán sự suy giảm thể tích do biến dạng dẻo của loại đất cát chặt hoặc sét cứng, khi chịu ứng suất cắt thì hàm thế năng dẻo của đất cũng được thêm vào:

12

1

sin2

12

1

sin2

12

1

' 2

' 1

' 2

' 1 3

' 3

' 1

' 3

' 1 2

' 1

' 3

' 3

' 2 1

Mô hình Mohr – Coulomb gồm có 5 thông số tính toán như sau:

b) Mô hình tăng bền đẳng hướng Hardening Soil

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

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

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

ra tùy thuộc vào mức độ biến dạng dẻo của đất Mô hình Hardening Soil tích hợp cả 2 loại ứng xử tăng bền của đất nền, đó là tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén

Tăng bền chống cắt dùng để mô phỏng các biến dạng không hồi phục của đất nền khi chịu ứng suất lệch (ứng suất cắt) ban đầu Tăng bền chống nén dùng để mô phỏng các biến dạng không hồi phục của đất nền khi chịu tải nén 1 trục ban đầu (nén

Trong mô hình Hardening Soil, độ cứng của đất nền được mô tả chính xác hơn

mô hình Mohr – Coulomb vì sử dụng 3 loại độ cứng khác nhau cho đất nền, bao gồm:

- Độ cứng khi chất tải trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước: E50ref

- Độ cứng khi gia tải hoặc dở tải: Eurref

- Độ cứng trong thí nghiệm nén cố kết: Eoedref

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

Ý tưởng cơ bản của việc thành lập mô hình Hardening Soil là mối quan hệ dạng hyperbolic giữa biến dạng trục 1 và ứng suất lệch q trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước

Các đường cong dẻo trong thí nghiệm 3 trục thoát nước được biểu diễn như sau:

a

q q

1

50 1

Giá trị E50 là mô đun độ cứng phụ thuộc vào ứng suất nén trong lần chất tải đầu tiên và được xác định bởi phương trình sau:

m ref

ref

p c

c E

.

sin cos

50 50

Trong đó E50ref là mô đun biến dạng tham chiếu trong thí nghiệm nén 3 trục ứng với áp lực nén tham chiếu là pref, số mũ m thể hiện sự thay đổi phi tuyến của mô đun biến dạng E50 theo E50 ref (với 0 , 5 m 10 tùy theo loại đất nền)

Ứng suất lệch tới hạn qf và giá trị qa được xác định như sau:

    

sin1

sin2cot

R

q

q 

Khi q = qf, trạng thái phá hoại sẽ xảy ra và đạt tới ngưỡng dẻo

Đối với lộ trình ứng suất lúc dở tải và gia tải, một mô đun độ cứng khác phụ thuộc vào ứng suất được sử dụng:

m ref

ref ur ur

p c

c E

sincos

f

f  Trong đó ftb là hàm của ứng suất và p là hàm của biến dạng dẻo

ur a

E q

q q

q E f

2 1

2

   