Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước
Việc khai thác đất trong lớp đất sét mềm có thể dẫn đến sự lệch tường và lún bề mặt đất nghiêm trọng Sự lún này không chỉ ảnh hưởng đến công trình mà còn gây hư hại cho các thuộc tính của khu vực lân cận Do đó, cần bảo vệ tuyệt đối sự biến dạng của tường và chuyển vị của đất xung quanh công trình Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về vấn đề này, như các công trình của Karlsrud (1981) và Mana cùng Clough (1981).
Ou et al (1993) Hơn nữa, Finno et al (1989) đã phát triển rộng rãi chương trình kiểm tra đào đường hầm ở Chicago với dự án HDR-4.
Sự quan trắc các yếu tố như bề mặt đất, chuyển vị ba chiều dưới đất, áp lực nước lỗ rỗng, biến dạng của cọc ván và tải trọng thanh chống là rất quan trọng Độ bền và trạng thái ứng suất biến dạng của đất tại công trường đã được nghiên cứu (Finno và Nerby 1989) Trong quá trình đóng cọc ván, áp lực nước lỗ rỗng được theo dõi liên tục, đồng thời thực hiện quan trắc thực tế về chuyển vị lớn của đất.
Trong các tài liệu nghiên cứu, phương pháp Bottom-up thường được áp dụng với công nghệ đào sâu, sử dụng thanh chống sắt tạm thời để đỡ tường hố đào trong thời gian ngắn từ một đến hai tuần, tùy thuộc vào kích thước hố Trong quá trình lắp đặt, chuyển vị của tường chống và đất nền có thể thay đổi do áp lực nước lỗ rỗng trong đất sét không tiêu tán nhanh Ngược lại, phương pháp Top-Down sử dụng bê tông bản sàn để hỗ trợ tường chắn và có thể kéo dài giữa hai giai đoạn thi công Một trong những mục tiêu chính của phương pháp này là xác định chuyển vị hố đào và dự đoán ảnh hưởng đến công trình lân cận, với việc tính toán phức tạp chủ yếu dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn.
Hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây hố đào đã được lắp đặt tại dự án đào tầng hầm Vietcombank Tower (VCB) và Fosco Center nhằm thu thập số liệu chuyển vị thực tế trong quá trình thi công Những dữ liệu này sẽ được sử dụng để so sánh với các phân tích mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm PTHH Plaxis 2D Foundation.
Tính cấp thiết
Nhu cầu sử dụng không gian ngầm ngày càng tăng, bao gồm tầng hầm kỹ thuật, bãi đậu xe ngầm và hệ thống giao thông Việc thi công hố đào sâu có thể gây ra chuyển vị ngang của tường chắn và độ lún đất nền vượt mức cho phép, ảnh hưởng đến an toàn của công trình lân cận Trong bối cảnh kinh tế phát triển, xây chen trong điều kiện mặt bằng chật hẹp trở thành một thách thức Do đó, người thiết kế cần phân tích kỹ lưỡng các phương án nhằm đảm bảo tính kinh tế, công năng kiến trúc và sự ổn định cho các công trình xung quanh Đặc biệt, cần áp dụng các biện pháp hạn chế chuyển vị ngang và độ lún của đất nền trong quá trình thi công.
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra hạn chế của mô hình Morh Coulomb trong phân tích hố đào sâu:
Các quan hệ phi tuyến của đất trước khi phá hoại không được mô hình.
Không thể tạo ra áp lực lỗ rỗng đáng tin cậy trong quá trình gia tải không thoát nước.
Dự báo chuyển vị bên của tường và độ lún mặt là không đáng tin cậy.
Để cải thiện những thiếu sót trong phân tích, cần áp dụng mô hình đàn hồi dẻo phi tuyến tính Hardering Soil, một mô hình đất nền được sử dụng trong nghiên cứu này, thay vì chỉ dựa vào module đàn hồi dở tải Eur.
Việc kiểm chứng tính chính xác và tính phù hợp của mô hình với kết quả thực tế vẫn còn thiếu sót Do đó, cần tiến hành nghiên cứu phân tích và so sánh các kết quả nghiên cứu với dữ liệu quan trắc chuyển vị hố đào để lựa chọn mô hình nền và phương pháp phân tích thích hợp.
Mục tiêu nghiên cứu
Lựa chọn mô hình đất nền phù hợp là yếu tố quan trọng trong việc phân tích chuyển vị hố đào sâu Để đảm bảo tính chính xác, cần xác định các hệ số hiệu chỉnh của module đàn hồi của đất thông qua việc so sánh kết quả phân tích với dữ liệu quan trắc thực tế.
Phương pháp nghiên cứu
Phân tích chuyển vị hố đào bằng phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình đất nền là Morh Coulomb và Hardering Soil
Dựa trên các tiếp cận và mục tiêu nghiên cứu, tác giả đề xuất phương pháp nghiên cứu thông qua mô phỏng phân tích ghi nhận kết quả, kết hợp so sánh giữa kết quả mô phỏng và quan trắc thực tế.
TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY TRONG
Đặc điểm hố đào sâu
Công tác đào sâu là một quy trình có chi phí cao và khối lượng công việc lớn, đòi hỏi kỹ thuật phức tạp Hoạt động này có ảnh hưởng đáng kể đến các công trình lân cận và thường xuyên xảy ra sự cố, vì vậy nó được coi là một thách thức kỹ thuật Đồng thời, công tác đào sâu cũng là yếu tố then chốt giúp giảm giá thành và đảm bảo chất lượng cho công trình.
Để đảm bảo ổn định cho hố đào sâu, kỹ sư thiết kế cần có kinh nghiệm trong việc phân tích và lựa chọn giải pháp tường chắn có độ cứng phù hợp, nhằm chống lại các vấn đề như phá hoại kết cấu, trượt, chuyển vị và đảm bảo sự ổn định tổng thể.
Kết cấu hố đào sâu thường được thi công trong khu vực dân cư, nơi có mật độ xây dựng lớn và không gian hạn chế Việc cải tạo các thành phố cũ và xây dựng công trình cao tầng gặp nhiều khó khăn do sự hiện diện của các công trình vĩnh cửu và di sản lịch sử Để đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận, chuyển vị đất nền phải được kiểm soát chặt chẽ, với giới hạn cho phép thấp hơn mức an toàn Chuyển vị của tường là yếu tố khó dự đoán, phụ thuộc vào tính chất địa chất, độ cứng của tường và hệ thống thanh chống, cùng với trình tự thi công Đào hố móng cho công trình tầng hầm trong điều kiện đất yếu và mực nước ngầm cao có thể dẫn đến mất ổn định, chuyển dịch vị trí cọc, phình trồi đáy hố đào và hư hại kết cấu chắn giữ, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình xây dựng và hệ thống ngầm xung quanh.
Công trình hố đào sâu bao gồm nhiều bước liên quan chặt chẽ như chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước ngầm và đào đất Nếu một trong các bước này gặp sự cố, toàn bộ công trình có thể bị đổ vỡ.
Công trình hố móng có chi phí đầu tư cao nhưng thường chỉ mang tính tạm thời, dẫn đến xu hướng tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, nếu xảy ra sự cố, việc khắc phục sẽ rất khó khăn, gây thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng đến xã hội.
Khảo sát một số công trình hố đào sâu trên thế giới và ở nước ta
Việc sử dụng hố đào sâu ngày càng phổ biến và quy mô lớn, nhưng cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro như sạt lở, sụt lún, nứt nẻ, và thậm chí là sụp đổ các công trình lân cận Những sự cố này chủ yếu xuất phát từ việc thiết kế và thi công hố đào có tường chắn chưa được chú trọng đúng mức, dẫn đến thiệt hại về người và tài sản.
Cao ốc Pacific, tọa lạc tại số 43-45-47 Nguyễn Thị Minh Khai, Q.1, có quy mô 20 tầng và 3 tầng hầm Vào tháng 10-2007, trong quá trình thi công đào hầm, đã xảy ra sự cố sập tòa nhà trụ sở Viện Khoa học xã hội vùng Nam bộ, đồng thời ảnh hưởng đến trụ sở Sở Ngoại vụ gần đó Nguyên nhân chính dẫn đến sự cố này là do chất lượng thi công tường tầng hầm kém, với lỗ thủng lớn ở tường có thể là kết quả của việc đổ bê tông không đúng quy trình và sử dụng Bentonite không đạt yêu cầu, gây ra sạt lở đất tại hố đào Sự kết hợp giữa đất cát sạt lở và Bentonite đã làm cho bê tông trở nên rời xốp, tạo ra lỗ thủng nghiêm trọng.
Hình 1 Thi công tường vây công trình Cao ốc Pacific.
Hệ chống tường vây của tầng hầm cao ốc Pacific phụ thuộc vào hai yếu tố chính: chất lượng thi công tường và bố trí hệ thanh chống tạm trong quá trình đào Việc đảm bảo chuyển vị của tường nằm trong giới hạn cho phép là rất quan trọng để duy trì sự ổn định của hệ thống.
Các nhân tố ảnh hưởng đến ổn định chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu
Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu được chia ra làm ba nhóm chính (Kung 2009) [1]:
- Nhóm các nhân tố cố hữu:
Tính chất cơ lý của đất nền, bao gồm khả năng chịu lực và biến dạng, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ ổn định của công trình Lịch sử chịu lực của đất nền cũng cần được xem xét, cùng với mực nước ngầm, để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các dự án xây dựng.
Các yếu tố xung quanh như các công trình cao tầng, hố đào sâu, hệ thống giao thông và mật độ giao thông xung quanh đều ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu quả của công trình.
Nhóm các nhân tố quan trọng trong thiết kế hệ thống chống đỡ bao gồm độ cứng của tường vây, độ cứng của hệ thống thanh chống và chiều dài của tường vây Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ổn định và an toàn của công trình.
Hình dạng của hố đào: chiều rộng, chiều sâu, dạng hình học của hố đào.
Sự tạo ứng suất trước trong hệ thống thanh chống.
Cải thiện đất nền công trình thông qua các phương pháp như phụt vữa và trộn vữa xi măng giúp nâng cao khả năng chịu lực và giảm thiểu sự biến dạng của đất nền.
- Nhóm các nhân tố liên quan đến vấn đề thi công:
Các phương pháp thi công khác nhau như: Top-down, Semi Top-down, Bottom-Up.
Việc đào quá sâu để thi công hệ thống thanh chống cũng ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây.
Các giai đoạn thi công trước đó như ảnh hưởng của việc đào hố móng thi công tường vây cũng ảnh hưởng đến chuyển vị tường.
Thời gian thi công có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu, đặc biệt là trong nền đất sét Điều này liên quan mật thiết đến quá trình cố kết và hiện tượng từ biến của đất.
Tay nghề của đội công nhân thi công công trình.
Theo Chang-Yu Ou (2006, pp.182-183), có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu, bao gồm sự mất cân bằng lực, độ cứng của tường vây, hệ thống hỗ trợ và hệ số an toàn Trong đó, sự mất cân bằng lực được xác định bởi các yếu tố như chiều sâu và chiều rộng của hố đào, cũng như lực nén trước trong các thanh chống.
Hệ số an toàn, theo nghiên cứu của Clough và O’Rourke (1990), ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu Cụ thể, trong hố đào sâu điển hình, chuyển vị ngang của tường tỷ lệ thuận với chiều rộng của hố Điều này có nghĩa là khi chiều rộng hố đào tăng, sự mất cân bằng lực cũng gia tăng, dẫn đến chuyển vị ngang lớn hơn Đặc biệt, trong điều kiện đất sét yếu, sự gia tăng chiều rộng hố đào còn làm giảm hệ số an toàn chống trồi đáy, từ đó khiến chuyển vị ngang trở nên lớn hơn.
Nghiên cứu của Ou và các đồng sự (1993) đã chỉ ra mối liên hệ giữa chiều sâu hố đào và chuyển vị ngang của tường vây trong các công trình hố đào sâu tại Đài Bắc Kết quả cho thấy rằng chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây hố đào sâu dao động khoảng từ 0.2% đến 0.5% so với chiều sâu hố đào.
Hình 3 Mối tương quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây với chiều sâu của hố đào (Ou và các đồng sự, 1993)
Theo Chang Yu Ou (2006, pp184-185), mối liên hệ giữa chiều sâu ngàm chân tường vây H_p và chuyển vị ngang của tường vây đã được phân tích thông qua phương pháp phần tử hữu hạn trong một hố đào sâu 20m Kết quả cho thấy khi sức kháng thông thường của đất nền là / , = 0.36, chiều sâu ngàm chân tường H_p m và 15m thì chuyển vị ngang của tường tương tự nhau Việc giảm chiều sâu H_p m dẫn đến một sự thay đổi nhỏ trong chuyển vị ngang nhưng tường vẫn duy trì ổn định Tuy nhiên, khi H_p = 4m, tường gặp hiện tượng đá chân, khiến chuyển vị ngang tăng nhanh chóng Trong trường hợp sức kháng / , = 0.28 với chiều sâu ngàm H_p = 15m, chuyển vị ngang lớn hơn nhưng không đáng kể so với H_p m, và tường cũng bị phá hoại khi H_p m, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng của chuyển vị ngang Tóm lại, khi tường đã ổn định, chiều sâu ngàm chân tường ảnh hưởng không đáng kể đến chuyển vị ngang của tường.
Hình 4 Tương quan giữa chiều sâu ngàm tường và chuyển vị ngang của tường
Khi tăng độ cứng của tường, chuyển vị ngang của tường sẽ giảm, nhưng mối liên hệ này không tuyến tính và chỉ hiệu quả trong một khoảng nhất định (Hsieh, 1999) Trước khi lắp đặt thanh chống, tường chuyển vị như một dầm hẫng; khi có thanh chống và độ cứng đủ lớn, tường sẽ chuyển vị xoay quanh điểm tiếp giáp với thanh chống, với chuyển vị lớn nhất gần đáy hố đào Nếu lớp đất dưới đáy hố đào yếu, chuyển vị lớn nhất sẽ nằm dưới đáy hố, ngược lại, nếu lớp đất tốt, chuyển vị lớn nhất sẽ nằm trên đáy hố Khi độ cứng của hệ thống thanh chống không đủ, chuyển vị ngang của tường có dạng dầm hẫng và chuyển vị lớn nhất xảy ra tại đỉnh tường (Chang Yu Ou, 2006, pp 185-186).
Hình 5 Dạng chuyển vị của tường trong trường hợp độ cứng thanh chống 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)
Hình 6 Dạng chuyển vị của tường trong 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)
Phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn đang ngày càng được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật và địa kỹ thuật, nhờ vào khả năng hỗ trợ phần mềm máy tính giúp giảm thiểu tính toán phức tạp cho kỹ sư Phương pháp này cho phép mô phỏng nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả bài toán Tuy nhiên, việc hiểu và sử dụng chính xác phương pháp này để phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu không phải là điều dễ dàng Bài viết sẽ trình bày một số nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Aswin Lim và các đồng sự (2010) đã phân tích ứng xử của hố đào sâu 19.8m với tường vây dài 35m thi công bằng phương pháp Top-Down kết hợp với hệ thanh chống, sử dụng phần mềm Plaxis với năm mô hình nền khác nhau Các mô hình bao gồm Modified Cam Clay Model, Hardening Soil Model, Hardening Soil with Small Train Model, Mohr Coulomb với φ=0 và mô hình sét yếu không thoát nước Qua việc so sánh kết quả phân tích từ các mô hình nền khác nhau với kết quả quan trắc, nhóm nghiên cứu đã đưa ra những kết luận quan trọng.
Khi áp dụng mô hình Modified Cam Clay để phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu, các thông số từ kết quả thí nghiệm cho thấy chuyển vị ngang phân tích luôn nhỏ hơn so với kết quả quan trắc Tuy nhiên, nếu điều chỉnh tỷ số k / λ để đảm bảo kết quả phân tích khớp với quan trắc ở giai đoạn cuối, thì các giai đoạn trước đó lại cho kết quả phân tích lớn hơn so với quan trắc.
Khi áp dụng mô hình Hardening Soil và Hardening Soil with Small Train, kết quả phân tích chuyển vị ngang của tường ở giai đoạn cuối phù hợp với dữ liệu quan trắc Tuy nhiên, ở các giai đoạn trước, kết quả phân tích lại cho giá trị lớn hơn so với quan trắc thực tế.
Mô hình Morh Coulomb với φ=0 cho thấy tỷ số Eu / Su cần được điều chỉnh để đạt được sự khớp nhau giữa kết quả phân tích chuyển vị ngang của tường và kết quả quan trắc ở giai đoạn cuối Tuy nhiên, ở các giai đoạn đầu, dạng đường chuyển vị phân tích lại rất khác biệt so với kết quả quan trắc, điều này chỉ ra rằng mô hình này không đủ khả năng phân tích chính xác chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu.
Với mô hình sét yếu không thoát nước kết quả phân tích chuyển vị ngang của tường khá tốt so với kết quả quan trắc.
Ngô Đức Trung và Võ Phán (2011) đã tiến hành phân tích ảnh hưởng của các mô hình nền đến kết quả phân tích chuyển vị ngang của tường vây tại Trạm bơm lưu vực Nhiêu Lộc Thị Nghè, TP Hồ Chí Minh, bằng phần mềm Plaxis 2D Nghiên cứu so sánh hai mô hình nền Morh Coulomb và Hardening Soil, cho thấy mô hình Morh Coulomb cho kết quả chuyển vị ngang lớn hơn so với mô hình Hardening Soil Kết quả cho thấy rằng phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình Hardening Soil mang lại kết quả thực tế hơn so với mô hình Morh Coulomb.
Nghiên cứu của Clough và O’Rourke (1990) về chuyển vị của tường vây trong hố đào sâu chỉ ra rằng có ba loại chuyển vị: chuyển vị dạng console, chuyển vị hướng vào trong ở vị trí sâu và tổng hợp của hai loại chuyển vị này Chuyển vị dạng console thường xảy ra ở giai đoạn đầu khi tường chưa được hỗ trợ, trong khi chuyển vị hướng vào trong xuất hiện ở giai đoạn sau khi đã có kết cấu chống đỡ.
Ou và cộng sự (1993) đã nghiên cứu hàng loạt hố đào sâu tại thủ đô của Đài
Trong quá trình thi công, cần lưu ý rằng chuyển vị ngang của tường vây hố đào thường dao động từ 0.2-0.5% Đặc biệt, chuyển vị ngang của tường trong đất sét yếu sẽ lớn hơn so với trong đất cát, do đó giới hạn chuyển vị ngang trong sét cũng cao hơn so với trong cát.
Giới hạn vùng mô hình
Để đảm bảo mô hình có khả năng đưa ra biến dạng và phân bố ứng suất đáng tin cậy, giới hạn vùng mô hình cần phải hợp lý, tức là phải đủ lớn để bao quát các tác động tương hỗ giữa hố đào sâu và đất nền xung quanh K.J Bakker (2005) đã đề xuất giới hạn vùng mô hình trong phân tích hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis, cho rằng nó phụ thuộc vào chiều rộng, chiều sâu của hố đào và chiều dài tường vây Nghiên cứu của Helmut F Schweiger (2002) về ảnh hưởng của giới hạn vùng mô hình đến kết quả phân tích chuyển vị ngang của tường vây cho thấy, khi giới hạn vùng mô hình đạt kích thước hợp lý, việc mở rộng thêm không có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả phân tích chuyển vị ngang.
Hình 7 Giới hạn vùng mô hình khi phân tích hố đào sâu bằng Plaxis, K.J Bakker
Thông số của mô hình nền
Mỗi mô hình nền yêu cầu người sử dụng xác định một bộ thông số để phục vụ cho việc phân tích Mô hình phức tạp thường mang lại độ chính xác cao hơn, nhưng cũng đòi hỏi nhiều thông số hơn Việc xác định chính xác tất cả các thông số cho mô hình là một thách thức lớn Do đó, cần xác định các thông số nào có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả phân tích tùy thuộc vào mục đích cụ thể Trong nghiên cứu chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu, nhiều tác giả đã thực hiện phân tích độ nhạy của các thông số mô hình đối với kết quả phân tích.
Ngô Đức Trung và Võ Phán (2011) đã phân tích độ nhạy của mô đun dỡ tải và nén lại trong mô hình Hardening Soil đối với chuyển vị ngang của tường vây Họ đã thay đổi giá trị mô đun thành 3 50, 4 50 và 5 50 để khảo sát chuyển vị ngang của tường vây trong các giai đoạn đào đất Kết quả cho thấy sự biến động giá trị này có ảnh hưởng không đáng kể đến chuyển vị ngang của tường vây.
Các thông số độ cứng đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích chuyển vị ngang của tường vây tầng hầm Tuy nhiên, việc xác định các thông số cho mô hình nền theo lý thuyết gặp khó khăn do dữ liệu địa chất và kết quả thí nghiệm không luôn đầy đủ và chính xác Do đó, việc xác định khoảng biến động cho các thông số này theo từng loại đất và mối tương quan với các chỉ tiêu cơ lý khác là cần thiết Khoảng biến động và các mối tương quan này được nghiên cứu thông qua phân tích ngược các công trình hố đào sâu và so sánh kết quả quan trắc từ nhiều tác giả trong và ngoài nước.
Tại Việt Nam, Châu Ngọc Ẩn và Lê Văn Pha (2007) đã phân tích mối tương quan giữa chỉ số SPT-N và thông số E trong mô hình Morh Coulomb, nhằm đánh giá sự tương tác giữa đất nền và kết cấu tường vây của trạm bơm nước trong hệ thống xử lý nước thải Nhiêu Lộc-Thị Nghè, Tp.HCM.
Lê Trọng Nghĩa (2007) đã thực hiện phân tích một hố đào sâu tường chắn bằng cọc xi măng đất, đồng thời đưa ra khoảng biến động mô đun E trong mô hình Morh Coulomb cho lớp đất yếu tại khu vực Q.7, Tp.HCM.
Mô đun đàn hồi E có mối tương quan đáng kể với sức chống cắt không thoát nước Su, theo nghiên cứu của Teparaksa W và các đồng sự (1999) về các công trình hố đào sâu trên nền sét tại Bangkok, Thái Lan Nghiên cứu này chỉ ra rằng việc hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số này là quan trọng trong lĩnh vực địa kỹ thuật.
Vấn đề chuyển vị trong tường vây của hố đào sâu đã được nhiều tác giả nghiên cứu, nhưng ứng với các điều kiện địa chất, biện pháp thi công và cấu tạo tường khác nhau, ứng xử của tường cần được xem xét kỹ lưỡng.
Nhiều tác giả đã nghiên cứu và so sánh các phương pháp phân tích ứng xử của tường, trong đó nổi bật nhất là phương pháp ứng suất phụ thuộc và phương pháp phần tử hữu hạn Tuy nhiên, một số nghiên cứu trước đó đã chỉ ra những hạn chế của phương pháp ứng suất phụ thuộc, đặc biệt trong việc phân tích ứng xử của nền đất phía sau tường chắn.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật tiềm năng trong việc phân tích hành vi của hố đào sâu Phần mềm Plaxis được coi là công cụ hiệu quả cho việc thực hiện các phân tích số trong lĩnh vực này.
Plaxis 2D là phần mềm địa kỹ thuật sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích biến dạng và ổn định nền đất trong mô hình 2 chiều Phần mềm này hỗ trợ thiết kế tường vây một cách hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống Tuy nhiên, độ chính xác của kết quả phân tích phụ thuộc vào kiến thức và kinh nghiệm của người mô hình Vì vậy, việc nghiên cứu và xây dựng một mô hình phù hợp với điều kiện thực tế là rất quan trọng.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết trong Plaxis
Plaxis là một công cụ mô phỏng địa kỹ thuật dựa trên lý thuyết biến dạng, cố kết, và dòng chảy ngầm, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các bài toán địa kỹ thuật Mặc dù các mô phỏng này mang tính xấp xỉ và độ chính xác phụ thuộc vào kỹ thuật số học cũng như lỗi mô hình hóa, nhưng độ chính xác thực tế lại phụ thuộc vào chuyên môn và sự hiểu biết của người dùng về các mô hình nền như Mohr Coulomb, Cam Clay, và Cam Clay modify Việc lựa chọn các thông số đầu vào và khả năng đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán là rất quan trọng.
Mô hình vật liệu được xây dựng từ các công thức toán học nhằm mô tả mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, trong đó chỉ rõ sự tăng vi phân của ứng suất (tỉ lệ ứng suất) liên quan đến sự tăng vi phân của biến dạng (tỉ lệ biến dạng) Tất cả các mô hình vật liệu trong PLAXIS dựa vào mối quan hệ giữa tỉ lệ ứng suất hữu hiệu σ’ và tỉ lệ biến dạng ε Mô hình này sử dụng mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất để thiết lập công thức áp lực nước lỗ rỗng, nhằm mô tả vật liệu không thoát nước.
2.1.2 Phân tích không thoát nước
Trong phân tích địa kỹ thuật, việc xem xét thoát nước, không thoát nước hoặc không thoát nước một phần là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng lớn đến các thông số của đất và ứng xử của đất nền Khi áp dụng hai phương pháp phân tích cho cùng một bài toán, kết quả có thể khác biệt đáng kể Để xác định phương pháp nào chính xác và an toàn hơn, cần phải đánh giá theo từng loại công trình, loại đất nền và giai đoạn thi công Phân tích không thoát nước xem xét áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền, phân chia ứng suất thành ứng suất hữu hiệu, ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng Phân tích này phù hợp khi hệ số thấm của đất nền thấp và tải trọng lớn, dẫn đến áp lực nước lỗ rỗng chưa kịp tiêu tán hoặc trong trường hợp cần phân tích ứng xử tức thời của đất nền Trong phần mềm Plaxis, phân tích không thoát nước được chia thành nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phân tích với các thông số hữu hiệu và các thông số không thoát nước.
Phân tích không thoát nước với các thông số hữu hiệu
Phân tích được thực hiện với loại vật liệu không thoát nước (Undrained) và sử dụng các thông số hữu hiệu E’, ν’, c’, φ’ Khi thiết lập vật liệu không thoát nước, Plaxis hiểu mô-đun khối của mô hình là mô-đun tổng K u, phản ánh sự kết hợp giữa mô-đun kết cấu khung hạt đất và mô-đun nước Ứng suất trong đất được phân loại thành ứng suất tổng, ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng Ứng suất tổng được tính theo công thức Δ = Δ (2.1), ứng suất hữu hiệu được xác định bằng Δ ′ = (1 − )Δ = ′ Δ (2.2), và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư được tính bằng Δp w = BΔp = K n w Δ (2.3).
B là hệ số Skempton được tính toán từ mô-đun khối của khung hạt K’, mô-đun khối của nước K w và độ rỗng n:
Theo quan hệ giữa ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu: Δ = Δ
Phương pháp phân tích không thoát nước kết hợp với các thông số hữu hiệu là giải pháp linh hoạt cho mọi mô hình đất nền và có thể tích hợp với phân tích cố kết Sức chống cắt không thoát nước phụ thuộc vào từng mô hình nền, dẫn đến sự khác biệt trong giá trị của nó Do đó, độ chính xác của thông số sức chống cắt không thoát nước cần được xem xét kỹ lưỡng Đối với phân tích không thoát nước, hệ số Poisson ν nên được giữ nhỏ hơn 0.35 để đảm bảo tính chính xác của hệ số Skempton.
B có giá trị hợp lý.
Phân tích không thoát nước với các thông số độ cứng hữu hiệu và thông số sức chống cắt không thoát nước(S u và φ u =0)
Phân tích này áp dụng cho lớp đất không thoát nước (Undrained) với thông số độ cứng hữu hiệu E’, ν’ và sức chống cắt không thoát nước (S u và φ u =0) Mô đun khối của đất nền được hiểu là sự kết hợp giữa mô-đun của khung hạt và mô-đun của nước, dẫn đến ứng suất được phân thành ứng suất tổng, ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng Phương pháp này chỉ khả thi với các mô hình nền như Morh-Coulomb, Hardening Soil và Hardening Soil with Small strain Sức chống cắt không thoát nước của đất nền thu được từ phương pháp này là đáng tin cậy và không bị ảnh hưởng bởi các mô hình Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là không thể tính toán chính xác áp lực nước lỗ rỗng, khiến phân tích cố kết không thể thực hiện Thêm vào đó, do φ u =0, việc áp dụng phương pháp này với các mô hình Hardening Soil sẽ làm mất đi sự phụ thuộc của thông số độ cứng vào ứng suất và sự tài bền do nén đẳng hướng.
Phân tích không thoát nước với các thông số không thoát nước.
Phân tích này áp dụng cho loại vật liệu thoát nước (Drained) hoặc không thấm (non-porous) với các thông số không thoát nước E u, ν u, c u, φ u Được gọi là phương pháp phân tích ứng suất tổng, phương pháp này chỉ thích hợp với mô hình Morh-Coulomb khi ν u nằm trong khoảng 0.499 đến 0.495 và φ u bằng 0 Ngoài ra, phương pháp này không thể kết hợp với phân tích cố kết Kết quả ứng suất thu được chỉ là ứng suất tổng, không phân biệt giữa ứng suất hữu hiệu, ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng.
Phân tích thoát nước là quá trình xem xét tình trạng khi áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền đã được tiêu tán hoàn toàn Trong phân tích này, ứng suất trong nền được coi là một loại duy nhất, không phân biệt giữa ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu, phù hợp với các loại đất có hệ số thấm cao Điều này cho phép áp lực nước lỗ rỗng được tiêu tán nhanh chóng khi có gia tải, đặc biệt trong việc phân tích ứng xử của các công trình trên nền sét trong giai đoạn lâu dài Trong phần mềm Plaxis, phân tích thoát nước được thực hiện khi loại vật liệu cho đất nền được thiết lập là thoát nước (Drained) kết hợp với các thông số hữu hiệu.
2.1.4 Phân tích kép (Couple Analysis)
Ứng xử của đất nền thay đổi theo thời gian do sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng, vì vậy việc chỉ xem xét hai trạng thái thoát nước và không thoát nước là không đủ Trong giai đoạn chuyển tiếp giữa hai trạng thái này, ứng xử của đất nền không thể đơn giản phân loại thành không thoát nước hay thoát nước Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, cần thiết phải xem xét đến hiện tượng cố kết trong các phân tích Trong phần mềm Plaxis, phân tích kép kết hợp giữa phân tích không thoát nước và phân tích cố kết, với việc chỉ có phân tích không thoát nước sử dụng thông số hữu hiệu mới cho kết quả đáng tin cậy Khi xét đến cố kết, thông số của các mô hình nền cần xem xét hệ số thấm K và yếu tố thời gian Theo nghiên cứu của Chang Yu Ou (2006), phân tích kép với thời gian ngắn có thể coi như phân tích không thoát nước, trong khi khi thời gian đủ lâu để áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán hoàn toàn, thì có thể xem như phân tích thoát nước.
Các thông số cơ bản trong mô hình Plaxis
2.2.1 Loại vật liệu đất nền “Drained, Undrained, Non-porous”
Đất có tính chất đặc biệt khi chứa ba thể chất: thể rắn (hạt đất), thể lỏng (nước) và thể khí (không khí) Nước trong đất tạo ra áp lực nước lỗ rỗng, ảnh hưởng lớn đến hành vi của đất nền Do đó, việc phân loại đất nền thành ba loại: thoát nước (Drained), không thoát nước (Undrained) và không thấm (Non-porous) là cần thiết để mô phỏng sự tương tác giữa kết cấu hạt đất và nước trong đất.
Khi chọn lớp đất nền là vật liệu thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng không hình thành trong đất, giúp tải trọng bên ngoài chuyển hoàn toàn vào ứng suất hữu hiệu của đất nền Vật liệu này thích hợp cho các lớp đất nền khô ráo (trên mực nước ngầm), có hệ số thấm cao, và được sử dụng trong phân tích công trình ở trạng thái lâu dài mà không cần xem xét tính thấm kém và thời gian cố kết của đất nền.
Khi đất nền được xác định là vật liệu không thoát nước, áp lực nước lỗ rỗng sẽ hình thành trong đất Dòng thấm trong đất nền thường có thể bị bỏ qua do tính thấm kém hoặc hệ số tải ngoài cao Mặc dù các lớp đất nền không thoát nước nằm trên mực nước ngầm, nhưng thông số đầu vào cho lớp đất này thường là thông số thoát nước, vì Plaxis tự động chuyển đổi chúng Đối với vật liệu non-porous, cả áp lực nước ban đầu và áp lực nước lỗ rỗng không hình thành, thường được mô phỏng bằng mô hình đàn hồi cho các vật liệu như bê tông và xi măng đất Việc lựa chọn loại vật liệu trong phân tích là rất quan trọng, ảnh hưởng đến ứng xử của đất nền và phương pháp phân tích Sự lựa chọn dựa trên kinh nghiệm và cảm nhận chủ quan có thể dẫn đến kết quả không đáng tin cậy, vì vậy Vermeer & Meier (1998) đã đề xuất công thức xác định loại vật liệu trong phân tích hố đào sâu.
Khi T 0.4 đất nền ứng xử thoát nước
2.2.2 Dung trọng không bão hoà và dung trọng bão hoà
Dung trọng không bão hoà và dung trọng bão hoà là hai loại dung trọng đơn vị của đất nền, bao gồm cả nước trong các lỗ rỗng của cấu trúc hạt đất Dung trọng không bão hoà đại diện cho lớp đất trên mực nước ngầm, trong khi dung trọng bão hoà áp dụng cho lớp đất dưới mực nước ngầm Thực tế cho thấy lớp đất trên mực nước ngầm không hoàn toàn khô ráo do hiện tượng mao dẫn, vì vậy dung trọng không bão hoà nên được coi là dung trọng tự nhiên của đất thay vì dung trọng khô Dung trọng bão hoà được tính toán thông qua công thức liên quan đến các thông số khác.
Hệ số thấm đóng vai trò quan trọng trong phân tích cố kết và dòng thấm Plaxis phân biệt giữa hệ số thấm ngang (k x) và hệ số thấm đứng (k y), nhưng trong thực tế, thường không phân biệt để đơn giản hóa tính toán Hệ số thấm của các loại đất khác nhau có sự thay đổi lớn, từ khoảng 10^-1 m/s (sỏi sạn) đến 10^-10 m/s (sét chặt), tuy nhiên, Plaxis chỉ cho phép sự sai khác giữa các lớp đất trong khoảng 10^5 lần.
Plaxis cũng cung cấp thêm tính năng thay đổi hệ số thấm thông qua sự thay đổi hệ số rỗng e. log ( ) = Δ / (2.9)
Mặc định thì c k 15 , tuy nhiên chỉ nên thay đổi hệ số thấm khi kết hợp phân tích với mô hình Soft Soil Creep.
2.2.4 Thông số độ cứng của đất nền
Biến dạng đất nền là một vấn đề quan trọng trong địa kỹ thuật, đặc biệt vì đất có tính chất dẻo và nhớt, dẫn đến giới hạn biến dạng thường xảy ra trước hoặc đồng thời với giới hạn cường độ Điều này có thể gây mất ổn định cho công trình Do đó, độ cứng của đất nền, bao gồm mô-đun E và mô-đun biến dạng cắt, là thông số quan trọng trong các mô hình tính toán địa kỹ thuật.
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: cát 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 chỉ số quan trọng của đất nền, được xác định thông qua thí nghiệm nén cố kết Theo lý thuyết đàn hồi, mô-đun này có mối quan hệ mật thiết với mô-đun đàn hồi, được thể hiện qua một công thức cụ thể.
Ứng xử của đất nền chịu ảnh hưởng bởi nước trong đất, do đó, khi xem xét thuộc tính thoát nước và không thoát nước, chúng ta phân chia thành các thông số độ cứng hữu hiệu (E’, G, K’) và thông số độ cứng không thoát nước (E u, G, K u).
Trong điều kiện không thoát nước thì Δ = 0 nên = 0.5 vì vậy
Mỗi loại đất nền có nhiều thông số liên quan đến độ cứng, vì vậy người phân tích cần nắm rõ các mô hình đất nền để chọn được thông số phù hợp Kết quả khảo sát địa chất và thí nghiệm mẫu đất trong phòng thường không cung cấp đầy đủ thông số cần thiết, do đó, kinh nghiệm và hiểu biết của người phân tích là rất quan trọng để xác định các thông số độ cứng thông qua mối tương quan với các chỉ số khác, như SPT-N hoặc sức kháng cắt không thoát nước S u.
2.2.5 Thông số sức kháng cắt của đất nền
Thông số sức kháng cắt, bao gồm c và φ, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cường độ của đất nền và mặt chảy dẻo trong các mô hình nền, trong khi thông số độ cứng lại ảnh hưởng đến biến dạng của đất Trong phần mềm Plaxis, tùy thuộc vào phương pháp và mục đích phân tích, thông số sức chống cắt có thể được sử dụng dưới dạng thoát nước (c’, φ’) hoặc không thoát nước (c u , φ u =0).
Thông số sức chống cắt thoát nước có thể áp dụng cho cả đất nền thoát nước và không thoát nước, nhưng việc sử dụng trong trường hợp không thoát nước có thể gây sai lệch do sự khác biệt về lộ trình ứng suất Trong mô hình Morh-Coulomb, sức chống cắt không thoát nước thường lớn hơn thực tế Các mô hình tiên tiến như Hardening Soil Model hay Soft Soil Creep mô phỏng chính xác hơn, nhưng cần so sánh với sức chống cắt không thoát nước thực tế Sự kết hợp này giúp phân tích sự thay đổi sức chống cắt theo quá trình cố kết Plaxis có thể phân tích với c’=0, nhưng nên tránh để giảm phức tạp trong tính toán; người chưa có kinh nghiệm nên sử dụng giá trị c’ tối thiểu là 0.2 KPa.
Sức chống cắt không thoát nước được áp dụng trong các mô hình nền Morh-Coulomb và Hardening Soil khi đất nền không thoát nước Nếu đất nền thoát nước kết hợp với sức chống cắt không thoát nước, chỉ mô hình Morh-Coulomb mới có thể được sử dụng cho phân tích ứng suất tổng Trong những trường hợp này, sức chống cắt của đất nền không bị ảnh hưởng bởi trạng thái ứng suất và lộ trình ứng suất.
Góc giãn nở ψ (psi) là một thông số quan trọng liên quan đến sức chống cắt, đặc biệt đối với đất sét cố kết nặng và đất cát chặt Khi góc ma sát nhỏ hơn 30 độ, góc giãn nở sẽ bằng 0 Đối với đất cát từ khoáng thạch anh, góc giãn nở có thể được tính gần đúng bằng công thức ψ=φ-30 Tuy nhiên, khi đất nền không thoát nước, việc áp dụng góc giãn nở cần được thực hiện cẩn thận, vì điều này có thể dẫn đến việc không xác định được cường độ của đất nền.
Mô hình Morh-Coulomb
Có rất nhiều mô hình nền trong Plaxis, tuy nhiên trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu và phân tích trên mô hình nền: Morh-Coulomb Model.
2.3.1 Tổng quan về mô hình
Mô hình Mohr Coulomb là một mô hình đàn hồi dẻo với năm thông số chính: E và ν thể hiện tính đàn hồi, φ’ và c’ đại diện cho tính dẻo, và ψ là góc trương nở của đất Mô hình này phản ánh khá chính xác ứng xử của đất và đá, do đó, nó được khuyến nghị sử dụng cho các phân tích ban đầu của vấn đề Đối với từng lớp đất, độ cứng trung bình được ước lượng là không đổi.
Do độ cứng này không đổi, nên tính toán có xu hướng tương đối nhanh và có được một hình ảnh đầu tiên của biến dạng.
Tính dẻo là sự phát triển của biến dạng không hồi phục, được xác định thông qua hàm giới hạn dẻo f, liên kết ứng suất và biến dạng Hàm giới hạn dẻo thường được biểu diễn trên mặt phẳng trong không gian ứng suất chính Mô hình dẻo thuần túy được tạo thành bởi một mặt cong giới hạn cố định, xác định đầy đủ bởi các thông số của mô hình mà không bị ảnh hưởng bởi biến dạng dẻo Đối với các trạng thái ứng suất nằm trong mặt cong giới hạn, ứng xử của chúng là đàn hồi và tất cả biến dạng đều có thể phục hồi.
2.3.2 Ứng xử đàn hồi dẻo thuần túy
Nguyên lý cơ bản của đàn dẻo là biến dạng với tích thành 2 thành phần đàn hồi và dẻo:
Theo định luật Hooke ta có: σ ' = D e ε e = D e (ε e −ε p )
Theo lý thuyết cổ điển của Hill (1950), tốc độ biến dạng dẻo tương ứng với đạo hàm của ứng suất và được biểu diễn như một vector vuông góc với mặt cong giới hạn Thuyết này cũng áp dụng cho tính dẻo, trong khi Mohr Coulomb đã mô phỏng lại tốc độ biến dạng dẻo theo cách riêng của mình.
Hình 8 Quan hệ ứng suất biến dạng trong mô hình đàn dẻo ε p = λ
Trong đó λ là hệ số dẻo Và cho rằng đối với ứng xử đàn hồi hoàn toàn thì λ=0 trong trường hợp ứng xử dẻo thì λ = 0 khi f0, tiêu chuẩn Mohr-Coulomb cho phép đất có ứng xử kéo, và trong phân tích của Plaxis, có thêm 3 hàm giới hạn ứng suất cắt: f4 = (σ '1−σ 't) ≤ 0; f5 = (σ '2 −σ 't) ≤ 0; f6 = (σ '3 −σ 't) ≤ 0 Khi các hàm ứng suất cắt này được áp dụng, ứng suất cắt cho phép sẽ được xác định.
t được mặc định và thường là bằng “0” Đối với trạng thái ứng suất trong mặt phẳng thêm module đàn hồi Young E và hệ số Poisson ν.
2.3.4 Xác định thông số cho mô hình
Trong mô hình Morh-Coulomb, bên cạnh các thông số cơ bản của đất nền như dung trọng và hệ số thấm, thông số quan trọng nhất là độ cứng E, hệ số Poisson ν, cùng với sức chống cắt c, φ và ψ.
Thông số mô-đun E của đất nền thay đổi theo trạng thái và lộ trình ứng suất, với giá trị mô-đun E trong giai đoạn dỡ tải và nén lại lớn hơn trong giai đoạn nén chính Phương pháp phân tích xác định độ cứng phụ thuộc vào việc thoát nước hay không thoát nước Tuy nhiên, trong mô hình Morh – Coulomb, chỉ có một giá trị E, do đó cần lựa chọn giá trị E phù hợp dựa trên dạng công trình và mục đích phân tích.
Plaxis đưa ra hai lựa chọn để nhập thông số độ cứng: E ref kết hợp với ν và E oed kết hợp với mô-đun chống cắt G.
E ref là mô-đun đàn hồi cát tuyến được xác định thông qua thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước, với áp lực buồng σ 3 được lựa chọn phù hợp với trạng thái thực tế của lớp đất.
Hình 10 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 K 0
Theo Jaky hệ số K 0 = 1-sinφ.
Trong các trường hợp thông thường ν trong khoảng 0.3 đến 0.4, trong trường hợp dở tải thì trong khoảng 0.15 đến 0.25 và trong trường hợp không thoát nước thì ν là 0.5
+ E oed là mô-dun tiếp tuyến được xác định từ thí nghiệm nén cố kết ứng với áp lực σ 1 phù hợp với trạng thái thực tế của lớp đất. p
Mô-đun của đất nền thường thay đổi theo ứng suất, nhưng trong mô hình Morh-Coulomb chỉ sử dụng một giá trị E cố định Để khắc phục hạn chế này, phần nâng cao của mô hình Plaxis đã tích hợp tính năng điều chỉnh mô-đun E theo độ sâu, giúp cải thiện độ chính xác của mô hình trong các tình huống thực tế.
2.3.4.2 Thông số sức chống cắt
Thông số sức chống cắt trong mô hình cũng được phân chia thành 2 dạng thoát nước và không thoát nước tuỳ theo mục đích và phương pháp phân tích.
Các thông số sức chống cắt thoát nước thường được xác định thông qua thí nghiệm 3 trục cố kết và thoát nước, hoặc bằng cách sử dụng giá trị sức chống cắt hữu hiệu từ thí nghiệm 3 trục cố kết không thoát nước Nếu lớp đất không có thí nghiệm 3 trục CU, CD, có thể tham khảo từ thí nghiệm cắt trực tiếp, tuy nhiên độ tin cậy của kết quả này không cao.
Thông số sức chống cắt không thoát nước được xác định với lực dính của đất C_u, không tính đến góc ma sát trong φ_u = 0 Giá trị C_u có thể được lấy từ các thí nghiệm ba trục không thoát nước, thí nghiệm cắt cánh ngoài, hoặc thí nghiệm nén 1 trục nở hông Đối với lớp cát chặt hoặc sét qua cố kết, tồn tại góc giãn nở ψ, thường được chọn là ψ = φ - 30 Trong các trường hợp khác, góc giãn nở được coi là bằng 0.
Plaxis cũng cấp thêm tính năng gia tăng lực dính của đất theo độ sâu trong phần nâng cao của mô hình.
Mô hình Hardering Soil
Trong chương 2, chúng ta đã thảo luận về phương pháp tính lún của Janbu (1960), đây là cơ sở cho mô hình Hardering Soil Mô hình này thể hiện mối quan hệ ứng suất biến dạng, kết hợp giữa ứng xử tuyến tính và phi tuyến tính.
Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của đất được đề xuất dựa trên quan hệ phi tuyến, tuân theo quy luật của đường Hyperbol.
Hình 12 Quan hệ ứng suất biến dạng Hyperbol.
• q a = : giá trị tiệm cận của phương trình Hyperbol.
: tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb.
Giá trị biến dạng của khì quan hệ ứng suất biến dạng theo đường Hyperbol được Kondner đề xuất như sau :
−ε 1 = 2E 50 Đạo hàm phương trình 4.17 theo biến dạng thì ta xác định được độ cứng của vật liệu đất trong quá trình chịu tải theo phương trình dưới đây:
Module đàn hồi tiếp tuyến theo giả được viết lại như sau:
Module đàn hồi tiếp tuyến theo bài toán ứng xử 3 trục được theo Kondner (1963) và Ducan (1970):
Mặt chảy biến dạng trượt dịch chuyển trong không gian ứng suất cho đến khi ứng suất lệch đạt giá trị cực hạn phá hoại theo đường thẳng Mohr-Coulomb Hình vẽ 13 minh họa quá trình này với các thông số ứng suất, bao gồm ứng suất trung bình p và ứng suất lệch q.
Hình 13 Mặt chảy biến dạng trượt tiến về mặt Mohr-Coulomb.
Mặt chảy chi phối biến dạng thể tích :
p p α c.cotgϕ Hình 14 Mặt mũ chi phối biến dạng thể tích khi nén đẳng hướng.
q = σ 1 ' + (δ − 1)σ '2 −δσ '3 : Ứng suất lệch quy đổi
3 − sin ϕ ' : tỉ số phá hoại.
Áp lực tiền cố kết ảnh hưởng lớn đến độ lớn của mặt chảy biến dạng thể tích Theo định luật tăng bền, mối quan hệ này được thể hiện qua phương trình 4.24: ε v pc Biến dạng dẻo xảy ra khi mặt mũ dịch chuyển trong không gian ứng suất, được mô tả bởi công thức d ε pc = λ.
Hình ảnh mặt chảy trong không gian ứng suất chính có hình dạng lăng trụ sáu cạnh, tương tự như mặt phá hoại Mohr-Coulomb Qũy đạo chảy dẻo biến dạng trượt mở rộng cho đến khi đạt giới hạn phá hoại tại mặt Mohr-Coulomb, trong khi qũy đạo chảy dẻo biến dạng thể tích có thể dịch chuyển hoặc cố định, phụ thuộc vào lộ trình chịu tải của phân tố vật liệu đất.
Mặt chảy kế phaõn toỏ chửa tieáp khi bị phỏ hoa ùi σ'1 σ'3
Mặt chảy trong không gian ứng suất chính còn gọi là mũ
Mặt phá hoại Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính σ'2
Hình 15 Mặt giới hạn tổng quát của mô hình Hardening-soil.
2.4.1 Các thông số địa chất sử dụng. Đối với mô hình Hardening Soil, xác định các chỉ số c, ϕ, γ sat , γ unsat , k x , k y lấy từ số liệu thí nghiệm và hồ sơ khảo sát địa chất.
Xác định các module biến dạng:
E oed ref và E ur ref xác định từ thí nghiệm nén cố kết.
E 50 ref xác định từ thí nghiệm nén 3 trục mô hình CD, tuy nhiên chỉ có kết quả nén
3 trục với mô hình CU nên ta tính chuyển đổi theo công thức:
Theo giá trị trung bình của các loại đất khác nhau thì: E ur ref ~ 3 E 50 ref nên ta lấy E ur ref để tính toán cho mô hình Hardenning Soil.
Sử dụng các thông số tương quan từ thí nghiệm hiện trường
Để xác định các thông số chính xác cho mô hình Plaxis, cần thực hiện nhiều thí nghiệm hiện đại như thí nghiệm nén 3 trục CU và thí nghiệm nén cố kết Tuy nhiên, không phải công trình nào cũng thực hiện đầy đủ các thí nghiệm này, đặc biệt là các công trình có nhiều lớp đất cát Do đó, cần sử dụng các thông số tương quan từ các thí nghiệm hiện trường như SPT, CPT và cắt cánh để xác định các thông số của mô hình.
Hệ số nén quá cố kết (OCR) là một thông số quan trọng trong tính toán điều kiện ban đầu của mô hình, nhưng không được nhập trực tiếp Giá trị của OCR được xác định thông qua thí nghiệm nén cố kết theo một công thức cụ thể.
Áp lực tiền cố kết (p c) và áp lực thẳng đứng hữu hiệu (p) là hai yếu tố quan trọng trong nghiên cứu địa kỹ thuật Khi không tiến hành thí nghiệm nén cố kết, có thể áp dụng công thức tương quan với chỉ số SPT để xác định hệ số OCR.
Trong đó: σ'v0 (kg/cm 2 ) : ứng suất hữu hiệu thẳng đứng
N 60 = N ×C E : chỉ số SPT đã hiệu chỉnh
- Xác định môđun đàn hồi E’ oed từ thí nghiệm SPT (Bowles -1996):
- Đối với mô hình Morh Coulomb khi OCR>1.5 ta nên sử dụng thông số module đàn hồi dở tải để tính toán khi đó: E oedur =(3-5)*E eod
