Xác định hệ số nền theo phương ngang để tính toán tường vây hố đào sâu

Tổng quan

Trong quá trình đào đất, việc loại bỏ một lượng đất bên trong hố sẽ tạo ra áp lực đất không cân bằng lên tường, dẫn đến biến dạng của tường và bề mặt đất Các yếu tố như nền đất, mực nước ngầm, hình dạng hố đào, quy trình và phương pháp thi công, cũng như loại tường chắn giữ đều ảnh hưởng đến chuyển vị của tường và lún bề mặt Để đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận và hố đào, cần thực hiện phân tích ứng suất và biến dạng trước khi tiến hành đào đất, sử dụng các phương pháp số.

Hai phương pháp số phổ biến trong mô phỏng ứng suất – biến dạng của đất là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp dầm trên nền đàn hồi (BEF) FEM cho phép xác định các thông số đất nhưng yêu cầu phân tích dữ liệu đầu vào và tính toán phức tạp, tốn nhiều thời gian Ngược lại, BEF là lựa chọn đơn giản hơn, với yêu cầu dữ liệu đầu vào ít phức tạp, thời gian tính toán nhanh và khối lượng dữ liệu nhỏ hơn.

Phương pháp BEF, mặc dù đơn giản, yêu cầu phân tích cẩn thận khi giải quyết các bài toán hố đào phức tạp để tránh sai số Độ tin cậy của các giả thuyết trong phương pháp này, như ứng xử đàn hồi tuyến tính của đất và sự cân bằng độ cứng cho điều kiện gia tải và dỡ tải, vẫn còn gây tranh cãi Hệ số nền không chỉ phụ thuộc vào độ cứng của đất mà còn vào nhiều yếu tố khác như hình dạng và độ cứng của tường, thanh chống, và chiều sâu hố đào Nghiên cứu này phát triển từ các nghiên cứu về phương pháp BEF thông qua chương trình VEX, và việc nghiên cứu hệ số nền theo phương ngang dựa trên phương trình của Ou (1997) là cần thiết để so sánh với các phương pháp khác như phần tử hữu hạn Plaxis Để đảm bảo an toàn trong thực hành các bài toán địa kỹ thuật, các công cụ này cần được kiểm chứng với kết quả quan trắc hiện trường, nhằm đảm bảo tính chính xác và giá trị của kết quả tính toán Một số mô hình đơn giản sẽ được phân tích để hiểu rõ hơn về phương trình của Ou.

Mục đích

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp dầm trên nền đàn hồi (BEF) dựa trên công thức xác định hệ số nền theo phương ngang của Ou (1997) kết hợp với chương trình VEX Mục tiêu chính là tìm ra các điều kiện chính xác nhất cho hệ số nền theo phương ngang.

Nội dung đề tài

Chương 1 của đề tài này cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ số nền và sự phát triển của phương pháp dầm trên nền đàn hồi (BEF).

Chương 2 đưa ra phương pháp xác định hệ số nền ngang được chọn trong chương trình VEX

Chương 3 tiến hành phân tích hành vi của tường vây trong hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis và VEX, đồng thời trình bày các thông số kỹ thuật được áp dụng trong nghiên cứu này.

Cuối cùng, tóm tắt các kết quả chính của đề tài nghiên cứu và đưa ra kiến nghị cho việc nghiên cứu sau này.

Phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, hai công cụ chính được sử dụng là chương trình Plaxis và VEX Để đảm bảo độ chính xác của công cụ phần tử hữu hạn Plaxis, chúng tôi đã tiến hành phân tích ứng xử của tường vây tại dự án Hud Tower ở Hà Nội.

Kết quả phân tích từ Plaxis có thể được sử dụng làm tiêu chuẩn để so sánh với kết quả VEX Những hiểu biết sâu sắc về BEF được thực hiện thông qua việc xem xét hệ số nền theo phương ngang của nền đất, từ đó cung cấp công cụ phân tích hữu ích hỗ trợ cho việc đánh giá bài toán.

Hạn chế

Đề tài nghiên cứu tập trung vào phân tích hố đào trong nền sét của dự án, sử dụng phần mềm VEX để thu nhận dữ liệu BEF cho các trường hợp đơn giản như nền đất với một hoặc hai lớp sét đồng nhất Phân tích cho thấy lớp đất sét có tỷ số (s u /σ v ' = const) phù hợp với ứng dụng của VEX Tuy nhiên, kết quả phân tích cũng chỉ ra rằng chương trình VEX vẫn còn tồn tại một số thiếu sót trong việc đánh giá ứng xử của tường.

Sự phát triển của phương pháp dầm trên nền đàn hồi

Ngày nay, tường vây nhiều tầng chống được sử dụng rộng rãi trong các hố đào sâu, thường kết hợp với phương pháp thi công Top-Down nhằm hạn chế biến dạng ngang của đất xung quanh Thiết kế tường chắn giữ với nhiều hệ chống xem xét sự tương tác giữa kết cấu và đất nền, cho phép mô phỏng quy trình thi công Sự tương tác này có vai trò quan trọng trong thiết kế nền móng, thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và kỹ sư Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phân tích tương tác giữa kết cấu móng và đất nền, bao gồm mô hình hệ nền, phân tích giải tích và phân tích số gần đúng.

Vào năm 1867, Winkler lần đầu tiên giới thiệu khái niệm lò xo không đổi, mô hình hóa móng chịu uốn như móng bè, được hỗ trợ bởi các lò xo độc lập Terzaghi đã phát triển mô hình này để tạo ra một phương pháp đơn giản cho việc phân tích móng bè, giúp đơn giản hóa công thức toán học trong việc mô phỏng hệ số nền Độ lớn của các lò xo không đổi được Terzaghi đề xuất vào năm 1955, và mô hình của ông, được gọi là mô hình phản lực nền, đã trở thành công cụ phổ biến trong thiết kế móng bè.

Các chuyên gia địa kỹ thuật đã phát triển những hiểu biết sâu sắc về ứng xử của nền đất qua thời gian, với nhiều mô hình đất được xây dựng Nhiều mô hình này sử dụng các phương trình toán học phức tạp, rất cần thiết cho sự tiến bộ của kỹ thuật máy tính, đặc biệt là trong việc giải quyết thông qua chương trình phần tử hữu hạn Mô hình lò xo là một trong những công cụ hiệu quả cho các kỹ sư trong lĩnh vực này.

Mô hình Winkler mô tả móng như một kết cấu có độ cứng uốn (EI) trên nền đất đàn hồi, với tương tác giữa chúng được mô phỏng như hệ thống các lò xo độc lập Hệ số ứng suất chia cho chuyển vị, được biểu diễn bằng công thức: s = k * p, cho thấy lò xo không đổi trong mô hình này.

Lò xo khổng đổi ks, hay còn gọi là hệ số nền, được ký hiệu là FL -3 Mô hình Winkler giả định rằng các phần tử tác dụng độc lập, không ảnh hưởng lẫn nhau.

Mô hình đất nền đàn hồi Winkler sử dụng công thức toán học đơn giản nhưng không đề cập đến sự phân bố ứng suất hay phản lực nền theo độ sâu và hình thành bầu áp lực Độ lún của nền đất dưới móng được cộng dồn từ tương tác giữa ứng suất trong nền và thông số đàn hồi của đất trong vùng áp lực Mặc dù lý thuyết Winkler có những hạn chế, nhưng nó lại dễ sử dụng, giúp thực hiện các phân tích mà không cần lý tưởng hóa quá mức cấu trúc.

Nhiều nhà nghiên cứu khác đã nghiên cứu về hằng số lò xo liên quan tới mô hình Winkler như sau:

1 Haliburton (1968) đã giới thiệu mô hình đất phi tuyến có kể đến ngưỡng ban đầu của mặt trượt chủ động và bị động Mô hình đề nghị có thể lý tưởng với sự chống đỡ đàn hồi hay độ võng bắt buộc Haliburton đã chứng tỏ ứng dụng tiềm năng mới của phương pháp hệ số nền để thiết kế tường chắn giữ Cụ thể là phương pháp này có sự khác biệt so với phương pháp cổ điển là đã đề cập tới điều kiện biên và vị trí chống đỡ tại các cấp độ khác nhau Hơn thế nữa, mô hình có thể phân tích sự phân bố ứng suất đạt được cho các hành dạng của kết cấu, cho phép kỹ sư làm thí nghiệm với các độ sâu cắm tường khác nhau và vị trí chống đỡ khác nhau Phương nháp chuẩn trong kỹ thuật kết cấu chắn giữ Tính khả thi của phương pháp phản lực nền vẫn hiện rõ trong công trình của Haliburton (1968), đã được đưa ra để sử dụng cho thiết kế kết cấu thực

Vì thế từ thập niên 1970, Boudier và các cộng sự (1970), Eages và Bouyat (1971a;

1971b), Rossignol và Genin (1973) đã phát triển chương trình phần mềm cho việc thiết kế tường chắn giữ bằng việc sử dụng phương pháp hệ số nền

2 Nalamura và Nakazawa (1972) [12] đã nghiên cứu về phương pháp lò xo trên đất sét nềm Khi phản lực tác dụng của các lò xo đất nền còn nhỏ hơn áp lực đất bị động, thì được gọi là trạng thái đàn hồi Khi mà lò xo đất nền tiến tới điều kiện bị động, thì phản lực lò xo bên phái bị động là tăng lên và đạt tới áp lực đất bị động Điều này được gọi là trạng thái dẻo (Hình 1.2)

Hình 1.2 Phương pháp lò xo đất (Nakamura, 1972)

3 Miyoshi (1977), dựa theo quan niệm bầu áp lực Boussinesq, đã đề cập rằng việc dỡ tải trọng do lấy đi khối đất có ảnh hưởng lên mặt đứng của tường tới độ sâu băng với bề rộng hố đào Vì thế, độ sâu của điểm hội tụ được giả định đạt được dưới bề rộng hố đào mà không cần phải xuyên tới lớp đất cứng

4 Pearlman và Wolosick (1990) giải thích rằng có nhiều qui trình thiết kế khác nhau cho neo đất, và phụ thuộc vào kinh nghiệm người thiết kế Ông luôn đề cập rằng việc chọn các thông số địa kỹ thuật có ảnh hưởng lớn nhất trong thiết kế Một nghiên cứu địa kỹ thuật được chỉ dẫn tới việc phát họa điều kiện tự nhiên và cường độ của vật liệu Biểu đồ áp lực đất gần đúng được chọn để tính toán phản lực ngang tại các vị trí neo và điểm cắm sâu Moment và lực cắt trong phần tử tường được xác định với việc dùng phương pháp dầm liên tục để tính toán Cuối cùng, là kiểm tra ổn định tổng thể, điều chỉnh hệ thống được phân tích để đạt được điều mong muốn

5 Ou (1997) đã tham khảo Randolph và Worth (1978) thu được hệ số nền theo phương ngang thực hiện trong phân tích hố đào Dựa trên lý thuyết BEF, mô hình giả định rằng đất phía sau tường là bao gồm các dải đất ngang, giữa mỗi dải đất được mô phỏng như là một số vô hạn các lò xo nền

6 Ou (2000) [16] chấp nhận phương pháp lò xo một phía của Miyoshi (1977) để phát triển chương trình phân tích hố đào (VEX) Chương trình tính toán có thể xác định biến dạng của tường chắn giữ cho từng giai đoạn đào đất, gồm cả độ lún của đố đào, moment uốn trong tường, áp lực ngang, và hệ số an toàn cho việc phân tích ổn định trong phân tích hố đào Chương trình VEX thuận tiện để sử dụng do mô hình phân tích đơn giản, thông số đầu vào cũng như thời gian tính toán được thực hiện một cách nhanh chóng

7 Tsai (2002) [19] phân tích hố đào – gồm cả biến dạng của tường chắn giữ sử dụng mô hình lò xo nền đơn giản – một bên và hai bên của phương pháp dầm trên nền đàn hồi Phân tích bằng việc sử dụng chương trình VEX, chỉ xây dựng với mô hình lò xo đơn giản – một bên ngay từ đầu nên không có thí điểm đầy đủ cho việc nghiên cứu các trường hợp Vì thế, Tsai

Năm 2002, mô hình lò xo nền hai bên được phát triển và thí nghiệm trên một số công trình thực tế Hệ số nền trong phương pháp dầm trên nền đàn hồi được xác định dựa trên phương trình của Ou (1997) cùng với các công thức thực nghiệm thu được từ quá trình phân tích ngược.

Phần mềm VEX hiện vẫn cho ra kết quả hệ số nền chưa hoàn thiện, do đó, nghiên cứu này nhằm xác định các nguyên nhân ảnh hưởng đến vấn đề này Một số mô hình đơn giản đã được mô phỏng để so sánh, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về các đặc điểm trong lý thuyết Ou.

Xác định hệ số phản lực nền

Theo Terzaghi (1955) [17], hệ số nền phụ thuộc vào các yếu tố sau:

3 Độ sâu của móng Điều này nói lên rằng hệ số nền không chỉ phụ thuộc vào đặc tính cơ bản của đất mà còn phụ thuộc vào hệ móng nữa

Vesic đã mở rộng mô hình Winkler sang mô hình đàn hồi, giả thuyết rằng đất trong bầu ứng suất huy động là đồng nhất Phương trình của Vesic cho thấy hệ số nền không chỉ phụ thuộc vào bề rộng móng (B) mà còn vào các thông số đàn hồi của đất (Es và s) cùng với các thông số của dầm (Eb và I).

E I  Vì thế, cho mục đích thực hành, thì phương trình trên xấp xỉ như sau:

Việc thay đổi bề rộng, B, của hố đào vào phương trình Vesic không phù hợp với hệ số nền Nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của kết cấu cắm sâu vào đất (Rifaat, 1935; Loos và Breth, 1949) và lý thuyết hóa kết cấu địa kỹ thuật cần được bổ sung bằng lý thuyết chính xác về hệ số nền Terzaghi (1955) đã đề xuất hệ số nền cho tường cừ bản có neo dựa trên độ cắm sâu, được xem như diện chịu tải Nếu độ cắm sâu nông và đáy tường cừ không được ngàm chặt, tường chắn sẽ bị đẩy vào như đất Trong đất cát và sét cứng, hệ số nền được ước lượng tương ứng như sau: Đất cát: h h p k l z.

Trong bài viết này, lh là hằng số liên quan đến độ chặt tương đối của đất xung quanh tường cừ z đại diện cho độ sâu dưới đáy hố đào phía bị động, trong khi kh1 là hệ số nền theo phương ngang khi độ cắm sâu của tường đạt 1 feet.

H p = độ sâu ngàm chặt của tường cừ

Có ba điểm được nêu ra trên khía cạnh của phương trình 1.4 và 1.5

1 k h liên quan tới độ sâu ngàm chặt hoặc diện chịu tải, modul đàn hồi, và hệ số Poisson

2 Đối với đất cát, sự giảm áp lực hữu hiệu đè nén do quá trình đào đất sẽ làm giảm giá trị kh Trong khi đó, kh sẽ tăng do giảm độ sâu ngàm chặt của cừ

3 Đối với đất sét, sự giảm áp lực hữu hiệu đè nén do quá trình đào đất sẽ không làm thay đổi giá trị kh Điều này được lý giải là do đất sét ứng xử dưới điều kiện không thoát nước Tính toán bằng thủ công, kh sẽ tăng do giảm độ sâu ngàm chặt của tường

Theo Terzaghi (1955) đã đề xuất nhiều phương pháp ước lượng hệ số nền cho tường chắn giữ, bao gồm các nghiên cứu của Menard và cộng sự (1964), Balay (1984), Simon (1955), Becci và Nove (1987), Schmitt (1995), cùng với Monaco và Marchetti (2004), và Monnet (1994).

Phương pháp của Menard và cộng sự (1964) cung cấp công thức tính giá trị kh cho tường cừ dạng console cắm sâu vào đất từ modul pressuremeter, EM.

Thông số kích thước a (m) trong công thức liên quan đến hình học tường, trong khi hệ số α phản ánh loại đất Menard và cộng sự (1964) đã giả thuyết rằng a bằng 2/3 chiều dài cắm sâu của tường Trong thực tế, a được xác định là chiều cao vùng đất chịu tải bởi áp lực đất bị động, tương tự như chĩ dẫn của Terzaghi (1955) Modul pressuremeter, EM, có mối quan hệ với modul oedometer và áp lực, được tính qua hệ số E oed = E / α M Đối với đất cố kết thường, hệ số α thay đổi từ 1/3 cho cát đến 2/3 cho sét (Menard và Roussean, 1962).

Schmitt (1995) đã áp dụng công thức Menard để xác định một phương pháp mới cho việc biến dạng của tường cứng và tường mềm Ông xem xét độ cứng quán tính của tường EI với giả định a ≈ 3 (EI/Eoed) và Eoed ≈ E/αM, từ đó thu được các kết quả quan trọng trong nghiên cứu này.

2.1 EI k h  (1.9) Để có cái nhìn thấu đáo đối với phương trình trên, cho một modul nền đất, tường cứng sẽ cho giá trị kh nhỏ hơn so với tường mềm Trong các nghiên cứu trước đó, Vesic

(1961) đã chỉ ra sự ảnh hưởng ít của kết cấu lên giá trị kh Giá trị kh là ngịch đảo tỉ lệ

Monaco và Marchetti (2004) nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng tường và đất, độ sâu hố đào, cùng với các điều kiện khoảng cách thanh giằng trong thiết kế tường vây nhiều tầng, nhằm tối ưu hóa giá trị mô đun.

M, từ thí nghiệm DMT Khi bề rộng của vùng đất liên quan bởi dịch chuyển của tường, B, thì giá trị kh được xác định như sau:

Lựa chọn của Chadeisson (Monnet, 1994) bao gồm việc thiết lập hệ số nền liên quan đến cường độ chống cắt của đất, lực dích và góc nội ma sát Đề xuất này đã được lập thành biểu đồ và có nhiều minh chứng từ Monnet (1994), người đã khuyến nghị triển khai phương pháp Londez và cộng sự (1997) đã cung cấp ví dụ về việc áp dụng biểu đồ thiết kế Chadeisson vào các kết cấu thực tế.

Các hạn chế của phương pháp hệ số nền đã thúc đẩy các tác giả áp dụng phương pháp kết hợp, trong đó phản lực của nền tác động lên tường chắn được tính toán theo quy trình thi công, đồng thời xem xét sự dịch chuyển của khối đất trong miền đàn hồi.

Các công thức thực nghiệm để ước lượng giá trị kh được xây dựng dựa trên các phân tích ngược từ các hố đào do Lee (2000) và Ou (2002) thực hiện Cụ thể, đối với sét, giá trị kh được ước lượng trong khoảng k h = (40 ÷ 50) s u, và đối với cát, giá trị kh trong khoảng k h = (700 ÷ 1000) N.

Trong đó kh = hệ số nền theo phương ngang (kN/m 3 ) su = cường độ chống cắt không thoát nước của đất (kN/m 2 ), N = giá trị SPT

Cơ sở lý thuyết

2.2.1 Các giả thuyết Điều kiện biến dạng phẳng cũng như các yếu tố của bề rộng hố đào được đưa ra xem xét Giả định rằng biến dạng hố đào là biến dạng phẳng, xem tường là dài vô hạn, ứng xử của tường chắn giữ được mô tả bằng tiết diện ngang hoặc chiều dài đơn vị của tường, như biểu diễn trong Hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình của Ou

Tường được giả định có một đầu tự do chống đỡ đất biến dạng, với phần cắm sâu của tường dịch chuyển đồng đều Đối với tiết diện ngang hoặc chiều dài đơn vị của tường, đất bên trong hố đào được xem như được tạo thành từ từng dải đất Hệ số nền theo phương ngang được định nghĩa là hệ số của áp lực ngang đối với dịch chuyển sang phải của dải đất, như minh họa trong Hình 2.2 Các giả định này tạo cơ sở cho việc phân tích ứng xử của tường trong điều kiện cụ thể.

(a) Mô hình Winler (1967) được áp dụng

(b) Cả đất và tường đều biến dạng phẳng

(c) Phần cắm sâu của tường là dịch chuyển đồng đều

(d) Hố đào là đối xứng với tâm hố đào

(e) Đất bên trong hố đào được phân thành nhiều dải đất

(f) Đất nền là đẳng hướng và đồng nhất

Áp lực đè nén tác động lên bề mặt của dải đất, một giả định quan trọng trong nhiều phương pháp phân tích hố đào và tường chắn giữ.

2.2.2 Ứng xử ứng suất – biến dạng của đất trước tường

Dựa trên các giả định đã nêu, chúng ta xem xét các dải đất có bề dày dz, như được minh họa trong Hình 2.3 Một phần tử đất có chiều dài dx được cắt ra từ dải đất, như thể hiện trong Hình 2.4 Ứng suất dọc trục phân bố đồng đều trên mặt bên phải của tiết diện phần tử là P(x)/dz, trong khi đó, phân bố trên mặt bên trái cũng được xác định.

 P x   P /  x dx  / dz Ứng suất thẳng đứng lên phần tử là  z z

Hình 2.2 Dải đất ngang và chuyển vị của tường

Hình 2.3 Ứng suất tác dụng lên phần tử trong dải đất ngang Biến dạng ngang tại một điểm trong tiết diện, cách một khoảng x là

Giả định phần tử là dưới điều kiện biến dạng phẳng, vì thế

Từ phương trình (3.1) và (3.2), thì biến dạng ngang tại khoảng cách x, từ tường

Ứng suất pháp tác dụng lên tiết diện phần tử dưới đáy hố đào được biểu diễn trong Hình 2.4 là P(x)/dz Phương trình (2.3) có thể được viết lại để thể hiện rõ hơn mối quan hệ này.

Trong đó, u(x) đại diện cho chuyển vị ngang của tiết diện tại khoảng cách x so với tường Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm modul đàn hồi của đất (Es), hệ số Poisson của đất (νs) và dung trọng riêng của đất (γ).

Dựa vào sự cân bằng lực theo phương ngang của phần tử (Hình 2.5), ta được

Trong đó    x là ứng suất cắt tác dụng lên bề mặt của phần tử Lấy đạo hàm riêng phương trình (2.4) theo biến x, ta được

Thay phương trình (2.5) vào phương trình (2.6), ta được

Bằng cách lấy tích phân 2 vế phương trình (2.7) theo độ cắm sâu của tường, ta được:

2.2.3 Ứng xử ứng suất – biến dạng của đất dưới đáy tường

Chuyển dịch ngang của tường sẽ làm gia tăng ứng suất cắt trên đất dưới đáy tường, như minh họa trong Hình 2.4 về điều kiện ứng suất của phần tử Do đó, cần xem xét sự cân bằng lực theo phương ngang cho phần tử.

Theo phương trình Boussinesq, ứng suất cắt tại đất dưới đáy tường giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ tâm của phần cắm sâu Kết quả này cho thấy ứng suất cắt dưới đáy tường có thể được diễn đạt một cách cụ thể.

Biến dạng cắt bằng với zx zx s u w

Trong nghiên cứu về hố đào, u đại diện cho chuyển vị ngang, trong khi w liên quan đến lực đẩy trồi tại đáy hố Tổng lượng đẩy trồi được xác định bằng cách cộng dồn chuyển vị đứng của từng phần tử đất dưới đáy tường Đặc biệt, độ lớn của chuyển vị đứng luôn nhỏ hơn chuyển vị ngang đối với các phần tử đất này.

Hình 2.5 Ứng suất tác dụng lên phần tử đất lân cận

Lý do là, thành phần thứ hai   w /  x  trong phương trình (2.13) có thể được bỏ qua Thay phương trình (2.11) vào phương trình (2.13) và sắp xếp lại ta được

Trong nghiên cứu này, us(x) đại diện cho chuyển vị ngang của một điểm cách x từ phía bên phải, tại cùng một cao trình của đáy tường U là khoảng cách ảnh hưởng, và nếu giả định rằng đất bị đào tương tự như một móng đơn, độ sâu ảnh hưởng và khoảng cách này có thể ước lượng bằng cách lấy nhỏ hơn 10B, tương đương khoảng 5 lần bề rộng hố đào, hoặc đến độ sâu lớp đất cứng.

Theo như điều kiện chuyển vị tương thích, chuyển vị của đất phía trước phần cắm sâu cân bằng với đất lân cận, nên u(x) = us(x)

Thay phương trình (2.13) vào (2.9), ta được

Giả định đất là đồng nhất và đẳng hướng, nên

Thay phương trình (2.15) vào phương trình (2.14), ta được:

2.2.4 Điều kiện biên và giải bài toán Điều kiện biên

Tại tâm hố đào, chuyển vị ngang của một điểm là bằng không, cụ thể là u(B) = 0 Ở vị trí cuối cùng bên trái, tại x = B, đất chịu lực Pb, với P(B) = Pb.

Giải phương trình (2.18) cho ra được trường u(x) và P(x)

2.2.5 Xác định hệ số nền theo phương ngang

Mối quan hệ của ứng suất pháp theo phương x tại điểm cuối (x=0) của phần cắm sâu và chuyển vị ngang là

Trong đó    0 ứng suất pháp theo phương x tại tường cừ

  0 u chuyển vị ngang tại tường cừ

P lực ngang tại tường cừ

Hệ số nền theo phương ngang là tỉ số ứng suất với chuyển vị

Nếu B3 tanhB1, Phương trình (2.22) trở thành

Nếu B0 tanhB0, Phương trình (2.22) trở thành

Chiều dài phần cắm sâu của tường được ký hiệu là l, trong khi hệ số nền theo phương ngang cho một độ sâu của tường ngàm vào lớp sét với chiều sâu l (m) được ký hiệu là k h,l Hệ số nền theo phương ngang k h là yếu tố quan trọng trong việc xác định khả năng chịu lực của tường.

Hp = độ sâu ngàm chặt của tường

Modul đàn hồi của sét có thể thu nhận được từ biểu thức gần đúng:

Phương pháp Miyoshi và phương pháp lò xo hai bên

Trong chương trình VEX, có hai phương pháp BEF khác nhau được áp dụng dựa trên giả định về phân bố áp lực đất ngang, bao gồm phương pháp lò xo hai bên và phương pháp Miyoshi (1977) Cả hai phương pháp này đều sử dụng mô hình lò xo để mô phỏng ứng xử ứng suất – biến dạng của đất.

Phương pháp lò xo hai bên mô phỏng đất bên trong và bên ngoài hố đào như các lò xo

Hình 2.6 Lò xo đặt ở hai bên của dầm liên tục (double side springs)

Hình 2.7 minh họa lò xo đặt ở một bên dầm liên tục (Miyoshi, 1977) Đất được giả định ở trạng thái K0 trước khi đào, và sau khi quá trình đào diễn ra, lực không cân bằng xuất hiện do sự chênh lệch áp lực đất ngang tĩnh giữa hai bên tường cừ Phân tích chuyển vị của tường được thực hiện bằng phương pháp BEF, trong khi áp lực đất ngang tĩnh bên trong hố đào, bao gồm cả dịch chuyển của tường, sẽ gia tăng.

Trong phương pháp tính toán áp lực đất cho hố đào, hệ số nền theo phương ngang kh và trạng thái bị động dẫn đến áp lực giới hạn P + kδ Bên ngoài hố đào, áp lực đất ngang tĩnh giảm xuống P0 - khδ, chuyển sang trạng thái chủ động Tuy nhiên, phương pháp này không tính đến bề rộng của hố đào Phương pháp Miyoshi mô phỏng đất bên trong hố đào như các lò xo, trong khi áp lực đất ngang tác dụng lên tường cừ bên ngoài được giả định ở trạng thái chủ động Hình 2.7 minh họa phân bố áp lực chủ động với hình dạng tam giác trên mặt hố đào và hình thang dưới mặt hố đào, cắt nhau tại độ sâu H + H’, với H’ là bề rộng hố đào hoặc độ sâu lớp đất cứng Điều này dẫn đến lực dỡ tải do hố đào tác dụng lên mặt hố đào, với giả định cơ bản cho bài toán Boussineq là lực giảm tải phân bố đều trên bề mặt hố đào Bề rộng hố đào được tích hợp trong phân tích, nhưng điều kiện áp lực dỡ bỏ có thể khiến phương pháp Miyoshi không phù hợp cho hố đào sâu.

Đặt vấn đề

Chương này tập trung vào việc khảo sát phương trình hệ số nền theo phương ngang trong phân tích chuyển vị ngang của thân tường vây tại dự án Hud Tower, Quận Thanh Xuân, Hà Nội Nghiên cứu sẽ xem xét các thông số liên quan đến cường độ đất và một số thông số cơ bản khác để phân tích ứng xử của tường vây trong hố đào sâu.

Giới thiệu về công trình Hud Tower

Tính toán phần tử hữu hạn Plaxis được thực hiện để kiểm tra ứng dụng chương trình VEX cho dự án Hud Tower, với quy trình thi công được ghi lại đầy đủ và có số liệu quan trắc hiện trường Công trình gồm 3 tầng hầm, áp dụng phương pháp thi công Top–Down qua 4 giai đoạn đào đất Hố đào rộng 40m và sâu nhất 12m, được chắn giữ bằng tường vây dày 800mm, sâu 25m Thanh giằng H300x300x10x15 được bố trí cách nhau 5m, kết hợp với sàn tầng hầm để gia cố cho quá trình thi công đào đất.

Sau khi hoàn thành thi công tường vây DW800, cọc khoan nhồi và kingpost, công đoạn tiếp theo là tiến hành đào đất tầng hầm Quá trình thi công này được thực hiện một cách bài bản và có kế hoạch rõ ràng.

Giai đoạn 1: Đào đất lần 1 xuống cao độ -3.000m

Giai đoạn 2: Lắp giằng chống H300x300x10x15 tại cao độ -2.000m

Giai đoạn 4: Thi công sàn hầm B1 tại cao độ -3.500m

Giai đoạn 5: Tháo chống H300x300x10x15 và thi công sàn trệt dày 200mm

Giai đoạn 6: Đào đất lần 3 xuống cao độ -9.000m,

Giai đoạn 8: Đào đất lần 4 xuống cao độ -12.000m, rồi thi công các đài móng bè

Điều kiện địa chất công trình

HK3 k Lớp k: Đất đá san lắp

1 Lớp 1: sét pha,màu xám trắng,trạng

3 thái dẻo mềm,dẻo cứng

Lớp 2: sét ,màu nâu đỏ -nâu vàng trạng thái cứng

Lớp 3: Cát pha,màu nâu vàng-xám trắng, kết cấu chặt k k

Hình 3.1 Mặt cắt địa chất công trình

Hình 3.1 mô tả địa chất của công trình Địa chất công trình gồm 3 lớp và các lớp đất có các chỉ tiêu cơ lý như sau:

Lớp 1: Sét pha, màu xám trắng, trạng thái dẻo mềm - dẻo cứng

- Dung trọng tự nhiên (kN/m 3 ) : 19.8

- Sức kháng cắt không thoát nước su (kN/m 2 ) : 50

Lớp 2: Sét màu nâu vàng, trạng thái cứng

- Sức kháng cắt không thoát nước su (kN/m 2 ) : 180

Lớp 3: Lớp cát pha, màu nâu vàng, trạng thái chặt

Phân tích các thông số sử dụng trong mô phỏng

3.4.1 Thông số kết cấu a Thông số tường vây Độ cứng tường vây áp dụng trong đề tài này sử dụng phương trình 3.1 Trong khi đó, modul Đàn hồi của bê tông sử dụng phương trình 3.2 và moment quán tính của tường của sử dụng phương trình 3.3 c

K= độ cứng của tường (kN/m 2 )

Cường độ nén của bê tông cấp độ bền B25 được xác định với f c ' = 35MPa, với bề rộng b = 1m và chiều dài cắt dải 1m Độ dày của tường được ký hiệu là h, trong khi độ cứng dọc trục của sàn được ký hiệu là c.

K= độ cứng của sàn (kN/m)

Ec = modul Đàn hồi của bê tông, E c 5000 f c ' (kN/m 2 )

' f c cường độ nén của bê tông cấp độ bền B25, lấy f c ' 35MPa

A = diện tích mặt cắt ngang của sàn hầm

L= chiều dài của sàn hầm (thường lấy bằng ẵ bề rộng hố đào =B/2) c Thông số thanh chống Độ cứng dọc trục của thanh chống thép s

K= độ cứng của thanh chống (kN/m/m)

E s = modul đàn hồi của thép, E s 2.1 10x 8 (kN/m 2 )

A = diện tích mặt cắt ngang của thanh chống

L= chiều dài của thanh chống (thường lấy bằng ẵ bề rộng hố đào =B/2)

S= khoảng cách theo phương ngang giữa 2 thanh chống (m)

3.4.2 Thông số đầu vào của đất nền a Độ cứng của đất nền

Modul Đàn hồi của sét có thể thu nhận được từ biểu thức gần đúng

Trong đó, s u là cường độ kháng cắt không thoát nước của sét (kN/m 2 ) b Phát sinh K 0

Hệ số áp lực ngang tĩnh cho đất sét cố kết thường (NC) hay đất rời có thể ước lượng bằng phương trình Jaky (1944)

' : góc ma sát hữu hiệu của đất ( o ) Đối với đất quá cố kết (OC), theo Schmidt (1967) và Alpan (1967) có thể biễu diễn theo công thức sau:

K0,OC = hệ số áp lực đất tĩnh cho đất quá cố kết với chỉ số quá cố kết OCR

K 0,NC = hệ số áp lực đất tĩnh cho đất cố kết thường α = hệ số thực nghiệm, α = sin’ c Sự phân bố áp lực đất ngang

Xem xét hầu hết áp lực đất thực, lý thuyết áp lực đất chủ động và bị động Caquot

Kerisel là một phương pháp phổ biến trong phân tích và thiết kế các bài toán hố đào sâu Áp lực đất Caquot – Kerisel và áp lực đất Coulomb đều liên quan đến ma sát giữa đất và tường Trong khi đó, lý thuyết áp lực đất Rankine không tính đến lực dính và ma sát giữa đất và tường.

Padfield Mair (1984) đề nghị kết hợp lý thuyết Rankine và Caquot – Kerisel trong tính toán áp lực đất Đối với đất sét hoàn toàn bão hòa    0  và c =s u , K a = K p = 1, vì thế:

 a áp lực đất chủ động (phương ngang) tác dụng lên tường

 p áp lực đất bị động (phương ngang) tác dụng lên tường s u  lực dính không thoát nước c w  lực dính giữa đất và tường

Ka = hệ số áp lực đất chủ động

Kp = hệ số áp lực đất bị động

Do áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán nhanh trong đất rời (0), Padfield và Mair (1984) đã đề xuất phương pháp ứng suất hữu hiệu để tính toán áp lực đất.

 a áp lực đất chủ động hữu hiệu (phương ngang) tác dụng lên tường

 p áp lực đất bị động hữu hiệu (phương ngang) tác dụng lên tường c ' lực dính hữu hiệu c w  lực dính giữa đất và tường

K a = hệ số áp lực đất chủ động Caquot - Kerisel

Kp = hệ số áp lực đất bị động Caquot - Kerisel

Đối với đất rời, trọng lượng đất bão hòa (s) và độ sâu đất (h) cùng với áp lực nước (u) có ảnh hưởng lớn đến áp lực đất chủ động và bị động, và mối quan hệ này liên quan mật thiết đến góc ma sát.

Góc ma sát giữa đất và tường chắn được giả định là  = '/3, trong đó ' là góc ma sát của đất Đối với đất dính, áp lực đất chủ động và bị động liên quan đến lực dích (c w) giữa đất và tường chắn Lực dích giữa đất và tường được tính theo công thức c w = 2s u / 3.

Kết quả phân tích các thông số

3.5.1 Thông số cho phương pháp dầm trên nền đàn hồi (chương trình VEX) a Thông số tường vây DW800

Tường vây (diaphragm wall) có chiều sâu từ mặt đất tự nhiên thay đổi từ L%m và độ dày là 800mm Vật liệu bê tông sử dụng cho thi công là bê tông mác M350 (B25) với mô đun đàn hồi Eb = 3.0x10^7 kN/m².

Tên cấu kiện Đặc trưng chịu lực Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Tính chất vật liệu Độ cứng chống nén Độ cứng chống uốn

- kN/m kN/m 2 /m b Thông số sàn trệt và hầm B1, B2

Sàn trệt, hầm 1 (B1) và sàn hầm 2 (B2) có cao độ lần lượt là ±0.000; -3.500 và -7.000 sàn dày 200mm, bê tông mác M350 (B25) có modul đàn hồi là Eb = 3.0x10 7 kN

Cấu kiện Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Tính chất vật liệu Material type Elastic - Độ cứng dọc trục EA/ L s 6.0x10 6 kN

Bước neo Ls 1.0 m c Thông số thanh chống H300x300x10x15

Hệ thanh chống thép hình H300x300x10x1521 tại cao độ -2.000, sử dụng thép có mác SS400 hay (CT34) có modul đàn hồi E = 2.1x10 8 kN/m 2

Bước neo Ls 5.0 m d Thống số đất nền

3.5.2 Thông số cho phương pháp phần tử hữu hạn (chương trình Plaxis) a Thông số tường vây DW800

Tường vây (diaphragm wall) có chiều sâu từ mặt đất tự nhiên thay đổi từ 25m với độ dày 800mm Vật liệu bê tông sử dụng trong thi công là bê tông mác M350 (B25) với mô đun đàn hồi đạt Eb = 3.0x10^7 kN/m².

Tên cấu kiện Đặc trưng chịu lực Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Tính chất vật liệu Độ cứng chống nén Độ cứng chống uốn

- kN/m kN/m 2 /m b Thông số sàn hầm B1, B2

Sàn trệt, hầm 1 (B1) và sàn hầm 2 (B2) có cao độ lận lượt là ±0.000; -3.500 và - 7.100 sàn dày 200mm, bê tông mác M350 (B25) có modul đàn hồi là Eb = 3.0x10 7 kN

Bước neo Ls 1.0 m c Thông số thanh chống H300x300x10x15

Tính chất vật liệu Material type Elastic - Độ cứng dọc trục EA/ Ls 2.457x10 6 kN

Bước neo L s 5.0 m d Thông số đất nền

Thông số Ký hiệu Lớp 1

Sét pha, trạng thái dẻo mềm, dẻo cứng

Lớp 2 Sét nâu đỏ trạng thái cứng

Lớp 3 Cát pha, trạng thái chặt Đơn vị

Mô hình vật liệu Ứng xử vật liệu

+ Đối với đất sét: Eref = 2800N

+ Đối với đất cát: Eref = 2500N

Quan trắc hiện trường

Quan trắc chuyển vị ngang của tường vây theo từng giai đoạn đào đất và thi công tầng hầm

Hình 3.2 Mặt bằng bố trí hệ thống quan trắc

Hình 3.2 Mặt cặt ngang hố đào

3.6.2 Thiết bị và phương pháp quan trắc chuyển vị ngang

Trước khi đổ bê tông tường, các ống thép để đo chuyển vị ngang của tường theo chu vi tường vây- thiết bị Inclinometer a Cấu tạo máy đo nghiêng:

Hình 3.3 Cấu tạo ống đo nghiêng Inclinometer

Máy đo nghiêng được cấu tạo với hai đôi bánh xe lăn ở trên và dưới, với khoảng cách giữa chúng là 500mm Nguyên lý làm việc của máy đo nghiêng (Inclinometer) dựa trên sự thay đổi góc nghiêng để xác định độ dốc của bề mặt.

Máy đo nghiêng sử dụng nguyên tắc con lắc để duy trì tính thẳng đứng của dây dọi, từ đó đo góc kẹp giữa trục máy và dây dọi Khi máy nghiêng, trọng lực tác động lên con lắc giữ dây dọi thẳng đứng, làm cong lá đồng nhíp ở đầu trên Sự biến dạng này được ghi nhận qua phiến biến dạng điện trở gắn trên lá đồng, tạo ra tín hiệu điện Máy thu nhận tín hiệu này để tính toán độ cong của lá đồng, từ đó xác định được góc nghiêng  và chuyển vị của đối tượng đo, cụ thể là  L.sin 500.sin (mm).

Máy đo nghiêng dùng để đo chuyển vị ngang của thân tường

Kết quả quan trắc chuyển vị ngang của tường tải ống I-2 cho kết quả như sau:

Hình 3.4 Kết quả quan trắc qua của 4 giai đoạn đào đất

Kết quả phân tích bằng chương trình VEX

Hình 3.5 Mô hình phân tích hố đào bằng chương trình VEX

Trong giai đoạn đào đất lần 1 xuống độ sâu -3.000m, tường có xu hướng dịch chuyển vào bên trong hố đào, với chuyển vị ngang lớn nhất đạt 20.76mm ở đỉnh tường.

Hình 3.7 Chuyển vị ngang của tường giai đoạn đào đất lần 2 xuống -5.000m

Trong giai đoạn đào đất lần 2, việc lắp đặt thanh chống H300x300x10x15 đã giúp giảm chuyển vị của đỉnh tường Cụ thể, chuyển vị ngang lớn nhất của tường đạt 24.30mm tại độ sâu 6.0m so với mặt đất tự nhiên, trong khi chuyển vị tại chân tường là 4.87mm.

Trong giai đoạn đào đất lần thứ 4, tường chuyển vị vào bên trong hố đào nhiều nhất với xu hướng uốn bụng Chuyển vị ngang của đỉnh tường đạt 19.80mm, trong khi chuyển vị lớn nhất (u max) là 41.17mm ở độ sâu 10m so với mặt đất tự nhiên Tại chân tường, chuyển vị ghi nhận là 11.70mm.

3.7.1 Chuyển vị ngang của tường vây

Hình 3.10 Kết quả chuyển vị ngang của tường qua các giai đoạn đào đất (bằng VEX)

Kết quả phân tích bằng chương trình Plaxis

Hình 3.11 Mô hình phân tích hố đào trong Plaxis

Mô hình là đối xứng trục, nên chỉ mô phỏng một nửa hố đào Quá trình mô phỏng theo các giai đoạn thi công tầng hầm

Giai đoạn 1: Thi công tường vây dày 800, sâu 25m

Giai đoạn 3: Lắp giằng chống H300x300x10x15 tại cao độ -2.000m

Giai đoạn 6: Tháo chống H300x300x10x15 và thi công sàn trệt dày 200mm

Giai đoạn 9: Đào đất lần 4 xuống cao độ -12.000m, rồi thi công các đài móng bè

3.8.1 Chuyển vị ngang của tường vây

Giai đoạn đào đất lần 1 cao độ -3.000

Giai đoạn đào đất lần 4 cao độ -9.000 e

Hình 3.12 Kết quả chuyển vị ngang tính toàn bằng Plaxis

Đánh giá kết quả phân tích với kết quả quan trắc hiện trường

Trong quá trình thi công, tường vây chịu hai xu hướng chuyển vị chính, tạo ra dịch chuyển ngang lớn nhất cho tường Xu hướng đầu tiên là dịch chuyển ngang vào trong hố đào của toàn bộ tường, trong khi xu hướng thứ hai là uốn cong phần bụng của tường Trong giai đoạn đào đất ban đầu, xu hướng 1 chiếm ưu thế, nhưng sau khi lắp đặt hệ chống H300x300x10x15 và thi công các sàn trệt, sàn hầm 1, sàn hầm 2, xu hướng 2 trở nên rõ rệt và chiếm ưu thế hơn.

Vị trí tường đạt giá trị cực đại, nơi tường bị uốn bụng nhiều nhất, có xu hướng dịch chuyển sâu hơn theo quá trình đào đất, từ khoảng 8m ở giai đoạn đào đất lần 3 đến 10m so với đỉnh tường ở giai đoạn đào đất lần 4 Đồng thời, chuyển vị ngang của tường cũng tăng dần qua các giai đoạn đào đất.

Theo tiêu chuẩn thiết kế ASTM, chuyển vị ngang của tường được phép tối đa là 1.5 inches (3.81cm) Trong khi đó, chuyển vị ngang cực đại thực tế của tường vây là 1.8cm, cho thấy tường vây hố đào vẫn đảm bảo điều kiện ổn định.

Hình 3.13 (a) (b) (c) (d) mô tả biến dạng của tường vây trong dự án nghiên cứu dựa trên kết quả từ chương trình VEX, Plaxis và quan trắc hiện trường Kết quả tính toán biến dạng của tường vây bằng Plaxis gần giống với dữ liệu quan trắc thực tế, với độ sai khác khoảng 8% Tuy nhiên, chuyển vị thu được từ chương trình VEX lại cao hơn đáng kể so với Plaxis, với tỷ lệ chênh lệch từ 1.88 đến 2.47 lần.

Hình 3.13 (a) Đào đất lần 1 xuống -3.000m

Hình 3.13 (b) Đào đất lần 2 xuống -5.000m

Hình 3.13 (c) Đào đất lần 3 xuống -9.000m

Hình 3.13 (d) Đào đất lần 2 xuống -12.000m Hình 3.13 Chuyển vị của tường bằng quan trắc và tính toán bằng Plaxis, VEX

Nghiên cứu độ nhạy của phương trình Ou

Hệ số lò xo theo phương ngang không chỉ phụ thuộc vào đặc tính nền đất mà còn vào sự phân bố tải trọng và hình dạng của hố móng Dưới điều kiện đất nền đồng nhất, mối quan hệ giữa giá trị kh và các yếu tố như hệ số Poisson của đất (vs), modul đàn hồi (Es), bề rộng hố đào (B) và độ ngàm của tường (Hp) được thể hiện rõ ràng.

E s = , v s = 0.49, H p m Nhìn chung, kh có xu hướng giảm khi ảnh hưởng của chiều sâu tăng lên Theo ước lượng của Ou (1997), biên hội tụ của ảnh hưởng giữa độ sâu và bề rộng, U, có thể hợp lý trong vùng nhỏ hơn 5B hoặc khi cắm sâu tới lớp đất cứng Nghiên cứu chỉ ra rằng giá trị kh dao động từ 2000 đến 3500 kN/m² và độ sâu hội tụ đạt 80m.

Hệ số nền theo phương ngang có mối quan hệ chặt chẽ với hệ số Poisson của đất, như được thể hiện trong Hình 3.14.(a), với sự gia tăng của hệ số Poisson dẫn đến tăng hệ số nền Hình 3.14.(b) chỉ ra rằng hệ số nền cũng tăng khi modul đàn hồi của đất gia tăng Hình 3.14.(c) mô tả rằng hệ số nền theo phương ngang tăng khi cường độ kháng cắt không thoát nước tăng lên Hình 3.14.(d) minh họa rằng hệ số kh tăng khi bề rộng hố đào giảm, trong khi Hình 3.14.(e) cho thấy hệ số kh giảm khi độ ngàm chặt Hp tăng Cuối cùng, quá trình đào đất làm giảm diện chịu tải, ảnh hưởng đến tính chất của hệ số nền.

Chiều sâu ảnh hưởng U(m) H e ọ s o ỏ n e àn n g a n g - k h ( k N /m 3 )

(b) Hình 3.14 Hệ số kh với chiều sâu ảnh hưởng với sự thay đổi của: (a) Hệ số Poisson của đất (b) Modul Đàn hồi của đất

(d) Hình 3.14 Hệ số kh với chiều sâu ảnh hưởng với sự thay đổi của:

(c) Tỉ số s u / v ' (d) Bề rộng hố đào (B)

Hình 3.14 Quan hệ giữa hệ số kh với chiều sâu ảnh hưởng với sự thay đổi của:

(e) Chiều sâu ngàm của tường

Hệ số nền theo phương ngang tăng khi hệ số Poisson, modul đàn hồi và cường độ đất nền tăng Ngược lại, hệ số này sẽ giảm khi bề rộng hố đào và chiều sâu ngàm gia tăng.

Thiết lập áp lực đất ngang phía sau lưng tường

Áp lực đất ngang là kết quả tương tác giữa đất và tường chắn, phụ thuộc vào chiều cao tường, đặc điểm đất, độ cứng và chuyển vị của tường Áp lực đất chủ động (Pa) xuất hiện khi đất phía sau tường dịch chuyển vào trong khu vực hố đào do tải trọng, làm giảm áp lực đất ngang xuống mức tối thiểu Ngược lại, khi tường dịch chuyển ra ngoài hố đào, áp lực đất ngang tăng lên đến giá trị lớn nhất, được gọi là áp lực chủ động (Pp).

Theo Bolton và Powrie (1987), sự cân bằng của tường trong điều kiện không thoát nước phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng âm gần tường, gây ra ứng suất kéo trong đất tại mặt tiếp xúc với tường bên phía chủ động Khi xem xét tường console với hố đào phía trước, đất phía sau đỉnh tường có xu hướng đẩy tường vào trong hố đào, làm ảnh hưởng đến chuyển vị của tường và gây ra moment, lực cắt trong tường Độ sâu của hố đào càng lớn, chuyển vị xoay của tường càng tăng, và bề mặt tương tác tường-đất có thể không đủ khả năng truyền lực kéo, dẫn đến sự phát triển của vết nứt.

Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng áp lực đất ngang trong điều kiện cân bằng trước khi đào đất Khi tiến hành đào, việc dỡ tải sẽ gây ra sự mất cân bằng lực tác dụng lên tường và đẩy trồi đáy hố đào, dẫn đến biến dạng cho tường Theo lý thuyết dầm trên nền đàn hồi, áp lực đất ngang phía sau tường có thể phát triển áp lực đất âm tại vùng phá hoại kéo do quá trình đào Đối với hố đào sâu, việc tính toán áp lực ngang phân bố dọc theo vùng kéo trở nên không thực tế, do đó cần xác định sự phát sinh áp lực đất ngang ở phía sau tường theo chiều sâu của vùng phá hoại kéo, được định nghĩa là hai lần chiều sâu của phá hoại kéo (2zc).

Với z c : độ sâu của vùng phá hoại kéo (tension crack) c: lực dính của đất

 : Dung trọng riêng của đất K a : Hệ số áp lực đất chủ động

Kiểm chứng việc sử dụng các trường hợp lý thuyết giả định

3.12.1 Sức chống cắt tuyến tính theo độ sâu

Thông số đất nền được mô phỏng cho nền sét đồng nhất với sức kháng cắt không thoát nước tuyến tính theo độ sâu (s u /σ v ' = const) Quá trình mô phỏng chia nền đất thành nhiều lớp nhỏ, mỗi lớp dày 5m, với sức kháng cắt không thoát nước tăng dần theo độ sâu Giả định đất có dung trọng bão hòa.

  , s u / v ' 0.30, E s /s u 700, Hệ số Poisson v s 0.49, hệ số áp lực đất tĩnh K0 =0.5 để tính toán (Hình 3.15)

Chuyển vị tường được tính toán bằng Plaxis và VEX qua 4 giai đoạn đào đất Ở giai đoạn 1, đất được đào đến cao độ -3.0m, gây ra chuyển vị tường vào bên trong hố đào do áp lực đất chủ động lớn hơn áp lực đất bị động Thanh chống H300x300x10x15 được lắp dựng để tạo phản lực giữ tường ổn định Giai đoạn 2 tiếp tục đào đến cao độ -5.0m, áp lực đất bị động giảm khiến tường dịch chuyển, nhưng sàn hầm 1 (B1) được thi công để giữ tường ổn định Sau đó, thanh chống được tháo ra Giai đoạn 3 đào đến cao độ -9.0m và thi công sàn hầm 2 (B2) Cuối cùng, giai đoạn 4 hoàn thành đào đến cao độ -12.0m.

Plaxis VEX(Double side Springs) VEX(Miyoshi)

Plaxis Áp lực đất ngang (kN/m 2 )

Lyù thuyeát (Rankine) Độ sâu (m)

(a) Giai đoạn đào đất lần 1 Hình 3.16 Kết quả so sánh của mô hình s u / v ' const

(b) Giai đoạn đào đất lần 2 Hình 3.16 Kết quả so sánh của mô hình s u / v ' const

Chuyeồn vũ ngang (m) Độ sâu (m)

(c) Giai đoạn đào đất lần 3 Hình 3.16 Kết quả so sánh của mô hình s u / v ' const

(d) Giai đoạn đào đất lần 4 Hình 3.16 Kết quả so sánh của mô hình s u / v ' const

Sự khác biệt đáng chú ý giữa hai phương pháp (mô hình VEX) là giá trị tính toán cho thấy chuyển vị lớn hơn so với Plaxis Điều này cho thấy rằng kết quả từ Plaxis sẽ là giá trị chuẩn để so sánh với các phương pháp nghiên cứu khác.

Hình 3.16 minh họa sự phân bố áp lực đất tác động lên tường trong các giai đoạn đào đất Đề tài này áp dụng lý thuyết áp lực đất Rankine để tính toán áp lực đất chủ động và trạng thái chủ động, tuy nhiên có sự khác biệt đáng kể giữa chúng Ngoài ra, áp lực đất bị động thực tế thường lớn hơn so với áp lực đất bị động theo lý thuyết Rankine.

Vì lý do đó mà Rankine không xem xét lực dính giữa tường và đất

3.12.2 Sức kháng cắt không thoát nước là hằng số

3.12.2.1 Nền đất một lớp sét

Mô hình số nền đất một lớp sét đồng nhất (su = constant) được thiết lập nhằm kiểm chứng ứng xử của đất trong điều kiện đơn giản Phân tích mô hình nền đất, loại kết cấu, kích thước kết cấu và quy trình thi công đã được mô tả chi tiết.

Hình 3.17 Mô hình nền đất một lớp sét

Dự báo chuyển vị được xác định dựa trên các tiêu chí phân tích tương tác giữa nền đất và kết cấu Hình 3.18 minh họa chuyển vị dự báo của tường cùng với kết quả tính toán áp lực đất tác động lên tường trong suốt quá trình thi công hố đào Phần mềm Plaxis cung cấp kết quả về sự phân bố áp lực đất ngang tại các điểm gần tường vây, được tính toán từ các điểm ứng suất tương ứng với các phân tử đất tại bề mặt tiếp xúc.

Kết quả từ Plaxis và VEX cho thấy sự đồng nhất trong phân bố áp lực đất chủ động, như mô tả trong Hình 3.18 Không có sự khác biệt đáng kể giữa việc tính toán áp lực đất chủ động và áp lực đất chủ động theo lý thuyết Rankine Tuy nhiên, cần phải đối chiếu lý thuyết Rankine về áp lực đất bị động với các kết quả tính toán thực tế.

Hình 3.18 mô tả chuyển vị tường được tính toán bằng VEX (sử dụng phương pháp Miyoshi) và phương trình Ou là lớn hơn kết quả tính toán bằng Plaxis

Plaxis VEX (Double-Side Springs) VEX (Miyoshi)

VEX (Ou) ẹ o ọ s a õu ( m ) Áp lực đất ngang (kN/m 2 )

(a) Giai đoạn đào đất lần 1

Hình 3.18 Kết quả so sánh của mô hình một lớp đất sét

(b) Giai đoạn đào đất lần 2 Hình 3.18 Kết quả so sánh của mô hình một lớp đất sét

Hình 3.18 Kết quả so sánh của mô hình một lớp đất sét

VEX (Ou) Độ sâu (m) Áp lực đất ngang (kN/m 2 )

(d) Giai đoạn đào đất 4 Hình 3.18 Kết quả so sánh của mô hình nền đất một lớp sét

3.12.2.2 Nền đất hai lớp sét

Theo Hình 3.12, nền đất được mô phỏng với hai lớp sét, tương tự như phân tích nền đất với một lớp sét trước đó Sức kháng cắt không thoát nước được giữ hằng số cho cả hai lớp sét Mô hình nền đất, loại kết cấu, kích thước kết cấu và quy trình thi công đều được mô tả như đã nêu.

Hình 3.19 Mô hình nền đất hai lớp sét

Mô hình đất nền không tạo ra sự khác biệt trong kết quả thu được Dự báo chuyển vị của tường và tính toán áp lực đất tác dụng lên tường được thực hiện cho từng giai đoạn đào đất, cụ thể là bốn giai đoạn, như mô tả trong Hình 3.20.

Plaxis VEX (Double Side Springs) VEX(Miyoshi)

-800 -400 0 400 800 ẹ o ọ s a õu ( m ) Áp lực đất ngang (kN/m 2 )

(a) Giai đoạn đào đất lần 1 Hình 3.20 Kết quả so sánh của mô hình nền hai lớp sét

Plaxis Lyù thuyeát (Rankine) ẹ o ọ s a õu (m ) Áp lực đất ngang (kN/m 2 )

(b) Giai đoạn đào đất lần 2 Hình 3.20 Kết quả so sánh của mô hình nền hai lớp sét

Plaxis Lyù thuyeát (Rankine) ẹ o ọ s a õu ( m) Áp lực đất ngang (kN/m 2 )

(c) Giai đoạn đào đất lần 3 Hình 3.20 Kết quả so sánh của mô hình nền hai lớp sét

Plaxis Lyù thuyeát (Rankine) ẹ o ọ s a õu ( m) Áp lực đất ngang (kN/m 2 )

(d) Giai đoạn đào đất lần 4

Hình 3.20 Kết quả so sánh của mô hình nền hai lớp sét

Kết quả chuyển vị từ phương pháp Miyoshi cao hơn rõ rệt so với kết quả từ Plaxis Hệ số nền tính toán bằng phương pháp lò xo hai bên (double-side springs) tạo ra biến dạng tường với xu hướng chuyển vị tương tự như kết quả từ phương trình của Ou.

Mặc dù đã có ba mô phỏng được phân tích, vẫn chưa tìm ra giải pháp tốt nhất và nhất quán cho chương trình VEX trong việc mô phỏng bài toán hố đào Do đó, cần thực hiện thêm một số khảo sát để làm rõ vấn đề này trong tương lai.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Dựa trên các kết quả phân tích sơ bộ, hướng kết luận của đề tài như sau:

1 Ou (1997) tìm được công thức xác định hệ số nền theo phương ngang rồi sau đó kết hợp với chương trình VEX để chương trình tự tính toán, dựa trên lý thuyết dầm trên nền dàn hồi (BEF) để phân tích cho bài toán hố đào sâu

2 Mô tả chuyển vị ngang của tường vây từ kết quả của chương trình VEX, Plaxis và quan trắc hiện tường Trị số biến dạng tính toán của tường vây tính toán bằng Plaxis gần sát với số liệu quan trắc ngoài hiện trường với độ sai khác khoảng 8% về độ lớn Tuy nhiên, cũng dựa trên kết quả so sánh này, ta thấy chuyển vị nhận được từ chương trình VEX cho kết quả lớn hơn hẳn so với chương trình Plaxis khoảng từ 1.88 – 2.47 lần

3 Dù rằng phương trình của Ou vẫn còn cho ra kết quả không phù hợp với kết quả quan trắc trong dự án, nghiên cứu cặn kẽ các thông số cho lớp đất sét với điều kiện hình học Hud Tower được đảm bảo trước khi hiểu tới các yếu tố ảnh hưởng tới phương trình Hệ số nền theo phương ngang có khuynh hướng tăng theo hệ số Poisson, modul đàn hồi của đất và sự tăng lên cường độ đất nền Trong sự tương phản, hệ số nền theo phương ngang giảm xuống với sự tăng lên bề rộng hố đào và tăng lên chiều dài cắm sâu của tường

4 Để được hợp lý trong việc thực hiện tính toán áp lực ngang dọc theo chiều sâu vùng đất bị phá hoại kéo gồm cả biến dạng của tường và phù hợp với hố đào thực, sự hiểu chỉnh áp lực ngang phía sau lưng tường bằng hai lần chiều sâu mà vùng đất bị phá hoại kéo là được xác định rõ trong dầm trên nền đàn hồi

5 Thông qua việc phân tích phương pháp dầm trên nền đàn hồi thu được từ VEX cho các trường hợp đơn giản, như nền đất gồm một hoặc hai lớp sét đồng nhất, đẳng hướng có s u /  v ' const , chương trình VEX có vài nhược điểm trong việc phân tích ứng xử của tường Nhìn chung, kết quả chuyển vị tính toán bởi VEX (phương pháp Miyoshi) lớn hơn hẳn kết quả tính toán bằng Plaxis

6 Việc ứng dụng công thức của Ou để dự báo chuyển vị của tường về sau cần được nghiên cứu thêm để áp dụng trong trường hợp hố đào thực

7 Kết quả mô tả trong đề tài này thì giá trị kh có khuynh hưởng tăng tỉ lệ với độ cứng của đất và giảm khi tăng chiều dài ngàm của tường, nhưng sự ảnh hưởng của độ sâu hố đào lên kh là nhỏ hơn tại các vị trí độ sâu ngàm chặt lớn hơn

8 Mặc dù độ cứng của tường và độ cứng của nền đất ảnh hưởng lên sự phân bố áp lực đất ngang lên tường, nhưng chúng lại có ảnh hưởng nhỏ hơn lên kh.

Kiến nghị và hướng nghiên cứu

Một vài điều cần được xem xét thêm trong bài luận văn này

1 Nguyên cứu trong trường hợp nền đất là cát

2 Nghiên cứu tìm ra thông tin tin cậy liên quan tới dữ liệu đầu ra về sự phân bố áp lực đất bị động bằng phần mềm VEX

3 Dựa trên phương trình của Ou thay đổi các thông số để có kết quả tốt về biến dạng tường cừ cho các dự án hố đào sâu.

Tiêu đề	Xác Định Hệ Số Nền Theo Phương Ngang Để Tính Toán Tường Vây Hố Đào Sâu
Tác giả	Đoàn Văn Toàn
Người hướng dẫn	TS. Trần Xuân Thọ
Trường học	Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Tp.Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	2,24 MB