Chương 3: Phân tích mức độ ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào sâu đến chuyển vị ngang của tường vây công trình tiêu biểu Cao Ốc Văn Phòng Lim Tower.. TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày
Phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined Chương 1TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨUError! Bookmark not defined 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị của tường vây trong hố đào sâu Error!
Chuyển vị của tường vây trong mô hình hố đào sâu chịu ảnh hưởng khi có khai báo cọc và không khai báo cọc Error! Bookmark not defined Chương 2CƠ SỞ LÝ THUYẾT Error! Bookmark not defined 2.1 Giới thiệu
- Như đã phân tích trong hố đào sâu thì sự chuyển dịch của tường chắn và đất nền phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, ngoài ra việc thiết kế mô hình hố đào sâu còn phụ thuộc vào việc lựa chọn mô hình, khai báo các thông số đất nền đầu vào, các giai đoạn thi công hay biện pháp thi công, cách khai báo các phần tử làm việc trong mô hình (tường chắn, cọc, cây chống),…
- Một số các nghiên cứu trong nước cho thấy có sự ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến chuyển vị của tường vây khi thiết lập mô hình hố đào sâu:
Bài báo nghiên cứu của tác giả Ngô Đức Trung, (2011): phân tích ảnh hưởng của mô hình nền đến dự báo chuyển vị của tường và biến dạng của đất nền công trình hố đào sâu Trạm bơm lưu vực Nhiêu Lộc Thị Nghè, Thành phố Hồ Chí Minh (kích thước hố đào: 25x54m, tường vây barret dày 1,2m; sâu 40m) thông qua việc so sánh kết quả dự báo từ mô hình Mohr – Coulomb và mô hình Hardening Soil với các dữ liệu quan trắc cho thấy sự khác biệt về các kết quả tính toán chuyển vị ngang khi dùng mô hình tính toán khác nhau
- Tác giả đã lần lượt mô phỏng 2 mô hình MC và HS bằng phần mềm Plaxis, kết quả thu được như sau:
Bảng 1.2 - Bảng so sánh kết quả chuyển vị ngang của tường vây từ hai mô hình MC,
Khi so sánh chuyển vị ngang tính toán bằng mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil với quan trắc thực tế, chuyển vị ngang lớn nhất do mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil tính toán cao hơn 15,97% ÷31,98% và 8,07% ÷ 17,9% Trong khi đó, chuyển vị ngang lớn nhất của tường tính toán bằng mô hình Mohr-Coulomb cũng lớn hơn mô hình Hardening Soil từ 6,5% ÷ 17,15% Điều này cho thấy mô hình Hardening Soil cho kết quả chuyển vị ngang của tường sát với thực tế hơn so với mô hình Mohr-Coulomb Sự chênh lệch giữa hai mô hình cũng được thể hiện ở các kết quả tính toán khác như độ lún bề mặt đất nền, độ trồi hố móng bên trong hố đào, nội lực thanh chống.
Điều này cho thấy việc sử dụng mô hình phù hợp trong tính toán dự báo chuyển vị của tường chắn hố đào sâu sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao và đảm bảo ổn định cho công trình
Bài báo nghiên cứu của tác giả Trần Ngọc Hòa, (2011): phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu khi thi công theo phương pháp top-down và bottom-up (Tạp chí Địa Kỹ Thuật, Số 3-2011, trang 32-38)
- Công trình được nghiên cứu là cao ốc Fideco Tower gồm 20 tầng, có 2 tầng hầm, chiều sâu hố móng là 11m, sử dụng tường barret làm hệ tường vây Tác giả tiến hành hai bài toán mô phỏng: bài toán 1: mô phỏng quá trình thi công đào đất khi thi công bằng phương pháp Bottom-Up (phương pháp đã chọn để thi công công trình), bài toán 2: mô phỏng quá trình thi công đào đất khi thi công bằng phương pháp Top-Down Kết quả phân tích chuyển vị ngang của tường theo độ sâu ứng với các giai đoạn thi công đào đất được biểu diễn theo hình sau:
Hình 1.6 - Chuyển vị ngang của tường khi đào đất đến đáy hố móng ở cao độ -11.0m
Chuyeồn vũ ngang Ux(mm)
Qùan traoc thử ùc teỏ Top-Down
- Dựa vào biểu đồ trên ta nhận thấy chuyển vị ngang của tường vây trong đào hố đào sâu khi mô phỏng theo phương pháp Bottom-Up hay khi mô phỏng theo phương pháp Top-Down có sự chênh lệch nhau lớn về giá trị và cũng chênh lệch khá nhiều so với kết quả quan trắc ở từng giai đoạn thi công Như vậy, kết quả phân tích cho thấy việc lựa chọn biện pháp thi công thích hợp khi thiết lập mô hình tính toán cũng gây ảnh hưởng rất lớn đến chuyển vị ngang của tường chắn đất trong hố đào sâu,…
Ngoài ra bài báo nghiên cứu của tác giả Nguyễn Văn Hải, (2011) thực hiện với công trình chung cư cao cấp BMC-Quận 7-TP.HCM có 25 tầng, kích thước hố móng rộng 51x119, sâu 6m, sử dụng tường chắn bằng cọc đất xi măng (DCM) cho hố đào sâu;
- Bằng phương pháp phân tích ngược, dựa trên số liệu quan trắc và đặc trưng địa chất ở khu vực hố đào, tác giả đã phân tích ngược bài toán bằng chương trình Plaxis với mô hình đất Mohr-Coulomb ứng xử không thoát nước và thoát nước Các đặc trưng cu, φu, Eu và c’, φ’, E’ tương ứng với mô hình đất MC thoát nước và không thoát nước sẽ được thay đổi để tìm mô hình đất và bộ thông số phù hợp ứng với chuyển vị của tường DCM trong mô phỏng Plaxis và quan trắc thực tế tương thích nhau Từ đó, các thông số của mô hình này sẽ được dùng cho bài toán khác để tìm ra một giải pháp tường chắn (ở đây là tường DCM) thích hợp Kết quả phân tích cho thấy:
Hình 1.7 - Biểu đồ chuyển vị ngang của tường DCM ứng với các giá trị thay đổi của φ’
Hình 1.8 - Biểu đồ chuyển vị ngang của tường DCM ứng với các giá trị thay đổi của c u
- Qua các kết quả phân tích, các thông số không thoát nước (undrained) cu, φu, Eu cho kết quả không phù hợp với thực tế Các thông số thoát nước (drained) c’, φ’, E’ cho kết quả phù hợp với thực tế hơn cả
Điều này cho thấy việc lựa chọn các thông số đất nền đầu vào khi thiết lập mô hình tính toán nhằm tìm ra chuyển vị ngang của tường chắn đất (ở đây là tường DCM) là rất quan trọng và cần thiết, vì khi lựa chọn các thông số đất nền phù hợp thì sẽ cho kết quả dự đoán chuyển vị tường chắn chính xác gần với kết quả quan trắc nhất, từ đó có thể áp dụng vào thực tiễn thi công hợp lý nhất
Thông qua các bài báo nghiên cứu thực tiễn trong nước cho thấy các yếu tố như: việc lựa chọn thông số đất nền đầu vào, lựa chọn biện pháp thi công, cây chống, loại tường chắn hay cách thức khai báo mô hình ảnh hưởng ít nhiều trong quá trình mô phỏng các hố đào sâu nhằm mục đích tìm ra chuyển vị của tường chắn trong hố đào một cách chính xác nhất; ở đây nảy sinh vấn đề ta cần quan tâm và làm rõ là trong quá trình mô phỏng mô hình hố đào sâu dùng hệ tường vây chắn đất có nên khai báo hay không khai báo yếu tố cọc vào trong mô hình, điều này sẽ ảnh hưởng thế nào đến hệ tường vây: nội lực, chuyển vị đứng hay chuyển vị ngang của tường, đây cũng là vấn đề chính cần nghiên cứu của đề tài
Hiện nay trên thế giới các nghiên cứu về vấn đề ảnh hưởng của việc khai báo hay không khai báo cọc trong mô hình hố đào sâu đến chuyển vị của tường vây đã được tiến hành và thu được các kết quả khả quan Theo tác giả Wong Kai Sin (2005) nghiên cứu về vấn đề mô hình hóa của cọc trong hố đào sâu như sau:
- Đặt vấn đề nghiên cứu: Có nên khai báo yếu tố cọc vào mô hình hay không?
Hình 1.9 - Mô hình hố đào tường vây có khai báo cọc (sâu 42m)
- Wong Kai Sin (2005) đã thiết lập thử nghiệm mô hình hố đào sâu bằng phần mềm Plaxis với các thông số như sau: thông số đất nền như hình, tường chắn đất dùng loại sheetpile dài 23m cắm sâu vào trong đất 15m, chiều sâu hố đào 8m, mô hình khai báo cọc cắm vào trong đất sâu 42m, khoảng cách mỗi cọc cách nhau 3m
Hình 1.10 - Thông số các trường hợp khai báo cọc trong mô hình hố đào sâu
- Tiến hành khai báo mô hình hố đào sâu với 4 trường hợp như sau:
+ Phương án 1(PA1): Không khai báo cọc trong mô hình EA = 0, EI = 0; (với EA: độ cứng dọc trục)
+ Phương án 2(PA2): Khai báo cọc vào mô hình EA = full, EI = full; (với EI: độ cứng chống uốn)
+ Phương án 3(PA3): Khai báo cọc vào mô hình với EA = full, EI = 0; + Phương án 4(PA4): Khai báo cọc vào mô hình với EA = 0, EI = full
Hình 1.11 - Biểu đồ chuyển vị ngang của tường theo độ sâu tương ứng với
Phân tích phần tử hữu hạn trong PLAXIS
Nội dung tính bao gồm: cân bằng moment; cân bằng lực ngang; cân bằng lực đứng của cả hệ thống và không có hiện tượng vượt ứng suất cục bộ Ổn định được tính với đặc trưng chống cắt – biến dạng của đất nền: tức thời (short term) c u 0; u = 0;
Eu và lâu dài (long term) c’ = 0; ’ 0; E’
2.2 Phân tích phần tử hữu hạn trong phần mềm PLAXIS:
- Sự phát triển của phần mềm phần tử hữu hạn có tính thương mại trong phân tích địa kỹ thuật được bắt đầu vào cuối những năm 80, và ngày nay đã phổ biến rộng rãi Có nhiều cách khác nhau để ứng dụng phần tử hữu hạn vào các ngành kỹ thuật khác nhau, và vấn đề phân tích bài toán địa kỹ thuật cũng có những đặc trưng riêng và thường rất phức tạp (Potts, 2002)
- Trong chương này sẽ giới thiệu về phần mềm Plaxis 3D Foundation Nó cũng bao gồm giới thiệu cách thức tạo mô hình, sau đó sẽ đi tìm các đặc trưng trong Plaxis 3D Foundation của vật liệu
- Plaxis được nghiên cứu tại Đại học Delft vào năm 1987, là phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích khu vực ven sông ở Hà Lan Mãi đến năm
2001 mới có mô hình 2D và khi đó PLAXIS 3D Tunnel đã được phát hành Ba năm sau, PLAXIS 3D Foundation được tạo ra, nó được phát tiển nhằm phục vụ tính toán nền móng công trình và dùng trong ngành địa kỹ thuật như tính toán ổn định, độ lún và biến dạng Khi nói rằng chuyển từ phân tích 2D sang 3D rất khả thi nhưng đồng thời sự phức tạp cũng tăng lên Điều này cũng chính là tăng khối lượng tính toán Nếu một tính toán chi tiết chỉ mất vài phút để thực hiện trong phân tích 2D, nhưng tính toán tương tự trong phân tích 3D có thể mất hàng giờ Mô hình phân tích ảnh hưởng của các giai đoạn thi công hố đào đến cọc bên trong hố đào cũng là một trong các trường hợp đó PLAXIS 3D Foundation gồm ba phần chính, đó là mô hình (model), tính toán (calculation) và xuất kết quả (Output)
- Trong chế độ mô hình thì hình dạng của mô hình được xây dựng Biên của các lớp đất và đặc trưng vật liệu được thiết lập Xây dựng các phần tử như tường và dầm tại các vị trí trong mô hình và đặc trưng tiếp xúc được định nghĩa Cuối cùng lưới được tạo ra và đạt một độ mịn thích hợp Trong đó việc lựa chọn mô hình đất là rất quan trọng, và sẽ được trình bày trong phần sau
- Trong chế độ tính toán, một số bước tính toán có thể được tạo ra Khác nhau trường hợp tải và hình dạng được thiết lập để mô phỏng trình tự xây dựng công trình thực tế Đối với mỗi bước có thể thiết lập các điều kiện mực nước ngầm khác nhau, các bộ phận công trình có thể được kích hoạt Hố đào được mô phỏng bằng cách chấm dứt hoạt động của các tập hợp Các loại tính toán phải được định nghĩa có thể là tính dẻo (Plastic) hoặc cố kết (consolidation) Phân tích cố kết (consolidation) được sử dụng khi mô hình các ứng xử phụ thuộc vào thời gian như sự phát triển và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng hay khi yêu cầu tính toán độ lún do từ biến Tính toán tích dẻo (Plastic) được dùng để phân tích biến dạng đàn – dẻo (elastic-plastic) theo lý thuyết biến dạng nhỏ (Brinkgreve, 2007) Ứng suất và biến dạng được tính cho tất cả các nút còn trong trạng thái giới hạn 2.2.4 Xuất kết quả:
- Trong phần chính thứ ba của Plaxis là chế độ xuất kết quả tính toán và được dùng xử lý kết quả tính toán Biến dạng, ứng xuất và áp lực nước lỗ rỗng sẽ được thể hiện trong mỗi bước tính toán, còn đối với các cấu kiện công trình ta có thể xem được chuyển vị đứng, chuyển vị ngang, mômen uốn và lực cắt…
Mô hình ứng xử của đất
2.3.1 Mô hình Mohr – Coulomb (MC):
- Mô hình Mohr - Coulomb trong Plaxis được dựa trên ý tưởng của quy luật cơ bản đàn - dẻo với mặt ngưỡng cố định không bị tác động bởi biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất của một điểm nằm trong mặt ngưỡng là đàn hồi thuần túy
Hình 2.1 - Xác định E o và E 50 qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước
Mẫu Mohr-Coulomb không tuân theo luật tái bền hay hóa mềm vì nó được coi là hoàn toàn dẻo Ngưỡng dẻo, f, được đưa ra như một hàm ứng suất và biến dạng, biểu diễn như một mặt trong không gian ứng suất chính Mẫu Mohr-Coulomb cần 5 thông số cơ bản, bao gồm: c (ứng suất cắt), φ (góc ma sát), E (mô đun đàn hồi), v (hệ số Poisson) và f (ngưỡng dẻo).
Bảng 2.1 - Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Mohr – Coulomb
Thông số Đơn vị Định nghĩa
E, Mô đun Young kN/m 2 Mô đun đàn hồi của đất
, Hệ số Poisson - Sự thay đổi ứng suất vuông góc với hướng tải tác dụng
, Góc ma sát ° Góc nội ma sát của đất c, Lực dính kN/m 2 Sức hút của các phân tử đất hạt mịn
, Góc giãn nở ° Sự thay đổi thể tích của đất trong suốt quá trình cắt
2.3.2 Mô hình Hardening Soil (HS):
- Mô hình Hardening Soil là một mô hình nâng cao có thể được sử dụng để mô phỏng ứng xử ứng suất - biến dạng của cả đất mềm và đất cứng (Schanz, 1998) Đối với trường hợp thí nghiệm ba trục thoát nước, mô hình HS xấp xỉ đường cong ứng suất lệch và biến dạng dọc trục bằng cách sử dụng đường hyperbol Đường cong hyperbol như thế có thể mô phỏng sử dụng mô hình đàn hồi không tuyến tính Duncan and Chang được nhiều người biết đến (Duncan and Chang, 1970); tuy nhiên, mô hình HS loại bỏ đáng kể mô hình Duncan and Chang Mô hình Hardening Soil sử dụng lý thuyết dẻo hơn là lý thuyết đàn hồi sử dụng trong mô hình Duncan and Chang; vì thế, mô hình Hardening Soil có khả năng mô phỏng ứng ứng suất - biến dạng không hồi phục Thêm vào đó, mô hình
HS có khả năng mô phỏng ứng xử biến dạng thể tích tái bền, mà nó không thể sử dụng trong mô hình Duncan and Chang
- Tương tự như mô hình Mohr - Coulomb, giới hạn trạng thái ứng suất trong mô hình HS được miêu tả theo thông số ứng suất có hiệu Tuy nhiên, độ cứng đất được miêu tả rất chính xác trong mô hình HS bằng cách sử dụng ba giá trị độ cứng đầu vào khác nhau - độ cứng gia tải ba trục, , độ cứng dỡ/nén lại ba trục, , và độ cứng gia tải nén cố kết, Không giống như mô hình Mohr - Coulomb, mô hình HS cũng kể đến sự độc lập ứng suất của độ cứng đất, tức là độ giá trị độ cứng đàn hồi tăng với ứng suất buồng trong mô hình HS
- Mô hình HS cho phép thay đổi biến dạng thể tích dẻo cũng như biến dạng cắt dẻo do ứng suất lệch So với mô hình Mohr - Coulomb, ứng xử dỡ tải của đất được kể đến tốt hơn trong mô hình Hardening Soil Mô hình HS cũng có thể được sử dụng để tính toán tin cậy sự phân bố áp lực dưới móng bè và bên cạnh kết cấu tường chắn (Brinkgreve, 2007) Mô hình HS yêu cầu 5 thông số cơ bản, xem bảng dưới đây:
Bảng 2.2 - Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Hardening Soil
Thông số Đơn vị Định nghĩa kN/m 2 Độ cứng đường cát tuyến trong thí nghiệm nén 3 trục chuẩn kN/m 2 Độ cứng tiếp xúc với tải nén cố kết chính kN/m 2 Độ cứng dỡ tải/gia tải lại
≈ 3 m - Năng lượng phụ thuộc vào mức độ ứng suất của độ cứng
, Góc ma sát ° Góc nội ma sát của đất c, Lực dính kN/m 2 Sức hút của các phân tử đất hạt mịn
, Góc giãn nở ° Sự thay đổi thể tích của đất trong suốt quá trình cắt
Hình 2.2 - Xác định E 50 ref qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước Đường tiệm cận Đường phá hoại
So sánh giữa mô hình Mohr - Coulomb và mô hình Hardening Soil:
Mô hình Mohr - Coulomb (MC)
Mô hình MC không xét đến:
+ Sự tăng bền thể tích của đất nền
+ Sự tăng bền chống cắt của đất nền
+ Đặc trưng khác nhau khi chất tải ban đầu và khi dở tải hoặc gia tải
+ Ảnh hưởng của yếu tố thời gian (từ biến)
→ Mô hình MC thường dùng để tính toán sơ bộ các ứng xử của đất nền ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu (do chỉ có 5 thông số đầu vào được yêu cầu)
Mô hình Hardening Soil (HS)
Mô hình HS xét đến:
+ Ứng suất phụ thuộc độ cứng (quy luật lũy thừa thông qua số mũ m)
+ Biến dạng dẻo do cắt (E 50 ref )
+ Biến dạng dẻo do nén chặt (Eoed ref
) + Sự gia tải hoặc dở tải đàn hồi (Eur ref, νur) + Sự phá hoại do cắt theo Mohr - Coulomb
→ Mô hình HS là mô hình phù hợp nhất để phân tích một cách chính xác các ứng xử của đất nền trong giai đoạn thiết kế của bài toán hố đào sâu
Hình 2.3 - Xác định E oed ref qua thí nghiệm nén cố kết (Oedometer)
Hình 2.4 - Hệ trục địa phương của phần tử tường và các đại lượng khác
* Đặc trưng vật liệu của tường vây:
- Tường vây được mô hình hóa là tuyến tính đẳng hướng Để mô phỏng cấu trúc tường chắn giữ, PLAXIS 3D Foundation đã sử dụng phần tử tường (wall) Để mô phỏng ứng xử thực tế của tường trong không gian 3 chiều thì phải xem xét ứng xử theo tường phương khác nhau Hệ trục địa phương và đặc trưng của tất cả các hướng và các thông số tường trong PLAXIS 3D Foundation trình bày dưới đây:
Bảng 2.3 - Đặc trưng vật liệu của tường vây trong mô hình Hardening Soil
Thông số Đơn vị Định nghĩa
E 1 kPa Mô đun đàn hồi theo trục 1
E 2 kPa Mô đun đàn hồi theo trục 2
G 12 kPa Mô đun cắt trong mặt phẳng
G 13 kPa Mô đun cắt không trong mặt phẳng liên quan đến biến dạng cắt qua trục 1
* Đặc trưng vật liệu của phần tử dầm (wailing beam):
- Dầm (wailing beam) dùng để phân bố tải gây ra bởi đất xung quanh hố đào Đối với dầm không đẳng hướng, như H300 thì sẽ có đặc trưng khác nhau ở hướng khác nhau, đặc trưng này thường được cung cấp bởi nhà sản xuất thép Đặc trưng vật liệu dầm (wailing beam) và đặc trưng độ cứng, độ cong của dầm được mô tả trong bảng sau:
Bảng 2.4 - Đặc trưng vật liệu của dầm (beam) trong mô hình Hardening Soil
Thông số Đơn vị Định nghĩa
A m 2 Diện tích mặt cắt ngang dầm
E kN/m 2 Mô đun đàn hồi dọc trục
I 2 m 4 Mômen quán tính chống uốn quanh trục 2
I 3 m 4 Mômen quán tính chống uốn quanh trục 3
I 23 m 4 Mômen quán tính chống uốn xiên
(bằng 0 cho mặt cắt dầm đối xứng)
Hình 2.5 - Hệ trục địa phương của phần tử dầm
* Đặc trưng vật liệu của phần tử cọc (Pile):
- Cọc là đối tượng dùng để thay thế những kết cấu dạng khối, với mặt cắt ngang có dạng vuông, tròn hoặc theo yêu cầu của người thiết kế Trước khi tạo cọc cần thiết lập mặt phẳng làm việc tương ứng với đầu trên và đầu dưới của cọc
Bảng 2.5 - Đặc trưng vật liệu của cọc trong mô hình Hardening Soil
Thông số Đơn vị Định nghĩa d m Đường kính hay bề rộng cọc
E kN/m 2 Môđun đàn hồi của vật liệu làm cọc
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc áp dụng các phương pháp phần tử hữu hạn vào trong tính toán các bài toán địa kỹ thuật ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới, cũng như ở Việt Nam Vì vậy, trong luận văn này tác giả chọn phương pháp phần tử hữu hạn – phần mềm PLAXIS 3D Foundation để phân tích các vấn đề nêu trên Ta có thể thiết lập quy trình như sau:
Hình 2.6 - Quy trình phân tích mô hình Plaxis 3D Foundation
Thể hiện trong hình 2.6, PLAXIS có ba phần chính: đầu vào, tính toán và đầu ra Đầu vào bao gồm 5 giai đoạn: tạo mô hình, vật liệu đầu vào, điều kiện biên, chia lưới phần tử 2D và 3D và sự tạo ra ứng suất ban đầu Tạo mô hình hình học yêu cầu kích thước của hố đào, hệ chống đỡ, khoảng cách giữa hố đào và cọc Số liệu đầu vào cần phải biết về thông số của đất, tường chắn đất, hệ thống chống đỡ và cọc Tính toán là một quá trình gồm: xác định các bước thi công như kích hoạt cọc và tường vây, tiến hành đào và lắp đặt thanh chống Phần xuất kết quả là quá trình sau cùng nó sẽ cho chúng ta những kết quả ứng xử của mô hình Trong nghiên cứu này chúng ta cần biết về độ lún bền mặt của đất, chuyển vị ngang của tường, mômen trong tường, chuyển vị ngang của cọc và mômen trong cọc, chúng được coi là các đặc trưng quan trọng được quan tâm trong thiết kế
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CỦA CỌC BÊN TRONG HỐ ĐÀO SÂU ĐẾN CHUYỂN VỊ NGANG CỦA TƯỜNG VÂY CÔNG TRÌNH TIÊU BIỂU CAO ỐC VĂN PHÒNG LIM TOWER
Hình 3.1 – Công trình CAO ỐC VĂN PHÒNG LIM TOWER
Tòa nhà Lim Tower gồm 2 tầng hầm, 34 tầng lầu, 1 tầng kỹ thuật và mái, cao 123m so với mặt đất, tổng diện tích 1660,9m2 Tòa nhà có 1 khối nhà, 2 tầng hầm (kỹ thuật và để xe), diện tích sàn điển hình là 900m2 Lim Tower được xây dựng trên nền móng tường vây, cọc nhồi, kết cấu chịu lực chính là khung lõi bê tông cốt thép kết hợp, tổng diện tích sàn xây dựng là 34300m2.
Mô phỏng bài toán Error! Bookmark not defined 1 Thông số đầu vào của bài toán Error! Bookmark not defined 1.1.Thông số tường vây……………………………… ……… ……Error!
- Bài toán mô phỏng ứng xử của tường vây thông qua các giá trị chuyển vị ngang của tường trong quá trình đào đất thi công tầng hầm công trình Lim Tower Việc mô phỏng được thực hiện trên chương trình Plaxis 3D Foundation phiên bản 1.6; mô hình nền được sử dụng trong bài toán là mô hình Hardening Soil (HS – mô hình tăng bền)
- Sử dụng phương pháp phân tích ngược (back analysis) nhằm xác định tầm quan trọng của các yếu tố liên quan chuyển vị ngang tường vây, khi tiến hành thiết lập một cách chính xác mô hình mô phỏng tường chắn đất trong hố đào sâu sao cho phù hợp nhất với kết quả quan trắc; từ đó cho thấy mức độ ảnh hưởng của việc khai báo yếu tố cọc trong đất vào mô hình hố đào sâu đến chuyển vị ngang của tường vây
3.2.1.Thông số đầu vào của bài toán:
- Tường vây có chiều dầy 800mm, chiều dài 39m (tính từ mặt đất tự nhiên), bê tông dùng thi công tường vây cấp độ bền B22.5 tương đương M300 Trong mô hình tường vây được mô phỏng bằng phần tử wall
Bảng 3.2 – Thông số đầu vào của tường vây D800
Tên cấu kiện Đặc trưng vật liệu Mô hình vật liệu
DW 800 25 2.7E6 0.2 Tuyến tính đẳng hướng Trong đó:
: dung trọng riêng của bê tông tường vây
E: mô đun đàn hồi của bê tông
3.2.1.2 Thông số hệ thanh chống:
Tường vây trong hố đào được lắp đặt bởi 2 tầng thanh chống bằng thép hình chữ H:
Xung quanh tường vây tại cao độ các tầng thanh chống, sử dụng hệ giằng ngang bằng thép hình H400x400x13x21(tại cao độ -3.5m) và 2xH400x400x13x21(tại cao độ -9.0m), thanh chống xiên dùng thép hình H350x350x12x19 Các tầng thanh chống và hệ giằng ngang, chống xiên được mô phỏng bằng phần tử beam trong mô hình
Bảng 3.3 – Thông số đầu vào của hệ thanh chống tường vây
Tiết diện Đặc trưng vật liệu
2 2H400 0.044 78.5 2.10E8 1.332E-3 4.48E-4 0 0.3 Tuyến tính Chống xiên H350 0.017 78.5 2.06E8 4.03E-4 1.36E-4 0 0.3 Tuyến tính
A: diện tích tiết diện ngang của thanh chống
: dung trọng riêng của thép
E: mô đun đàn hồi của thép
I3: mô men quán tính xung quanh trục 3
I2: mô men quán tính xung quanh trục 2
I 23 : mô men quán tính xoắn
3.2.1.3 Thông số cọc sử dụng trong mô hình:
- Công trình sử dụng cọc khoan nhồi được đúc bằng bê tông cấp độ bền B22.5(M300), có đường kính cọc D = 1200mm, chiều dài L = 54m tính từ đáy hố đào ở độ sâu -13.5m đến độ sâu -67.5m
Bảng 3.4 – Đặc trưng vật liệu của cọc sử dụng trong mô hình
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Loại cọc - Massive circular pile - Đường kính cọc D 1.2 m
Mô đun đàn hồi E 2.7E7 kN/m 2
- Xung quanh công trình là các nhà dân có chiều cao 1-4 tầng, với giả thiết móng của các công trình xung quanh này được xây dựng trên nền đất gia cố bằng cừ tràm, có mũi cừ cách mặt đất -5m và áp lực dưới mũi cừ này được quy thành tải phân bố đều có độ lớn 20kN/m 2 , phân bố trong phạm vi 10m và cách mép ngoài tường vây barrette là 11.0m Ngoài tải trọng của công trình hiện hữu xung quanh, trong quá trình thi công còn có tải của máy thi công, nên hoạt tải xung quanh hố đào được lấy bằng 10kN/m 2 , phân bố trong phạm vi 10m và cách mép ngoài tường vây là 1.0m, đặt ở mặt đất tự nhiên
3.2.1.5 Điều kiện mực nước ngầm:
- Trong cả 3 hố khoan, mực nước ngầm xuất hiện ổn định ở độ sâu -3.0m so với cao độ mặt đất tự nhiên
- Trong quá trình thi công hố đào sâu, mực nước ngầm được hạ xuống cao trình đáy hố đào (-4.5m, -7.0m, -10.0m và -13.5m) trước khi tiến hành đào đất
3.2.1.6 Thông số đất nền công trình:
- Việc xác định các thông số đất nền đầu vào cho mô hình áp dụng theo các công thức tương quan và nghiên cứu thực nghiệm như sau:
+ Mô đun đàn hồi cát tuyến E ref được xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước với cấp áp lực buồng phù hợp với trạng thái thực tế của lớp đất (xem chương 2) + Trong các trường hợp thông thường trong khoảng 0.3-0.4, trường hợp dỡ tải thì trong khoảng 0.15-0.25 và trong trường hợp không thoát nước thì bằng 0.5
+ Các thông số sức chống cắt thoát nước (c, φ) được lấy từ kết quả thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước hay lấy các giá trị sức chống cắt hữu hiệu trong thí nghiệm ba trục cố kết không thoát nước
+ Góc giãn nở, thông thường theo hướng dẫn của Plaxis, đối với những lớp cát chặt hay sét quá cố kết thì có tồn tại góc giãn nở = φ - 30 0 , còn các loại đất khác có góc giãn nở bằng 0
+ Ngoài ra mô đun biến dạng E được sử dụng trong mô hình có thể lấy theo các kết quả thực nghiệm của Michell, Gardner và Schurtmann (1970):
- Đối với đất sét cố kết thường:
E = E50 ref => Eoed ref = E50 ref , Eur ref = 3E50 ref
N: chỉ số thí nghiệm SPT cu: lực dính của thí nghiệm nén ba trục không thoát nước…
(2) Lớp 1: Sét dẻo chảy lẫn cát
(3b) Lớp 2: Cát mịn chặt vừa lẫn sét
(3) Lớp 3: Cát mịn chặt vừa
(4) Lớp 4: Cát mịn chặt vừa lẫn sét
(5) Lớp 5: Sét dẻo cứng lẫn cát
(6) Lớp 6: Sét rất dẻo cứng
(7) Lớp 7: Sét dẻo cứng lẫn cát
(8) Lớp 8: Cát mịn chặt lẫn sét
K 0 nc [-] 1 – sinφ’ 1 – sinφ’ 1 – sinφ’ 1 – sinφ’ 1 – sinφ’ 1 – sinφ’ 1 – sinφ’ 1 – sinφ’ 1 – sinφ’ k [m/ngày] 8.64E-4 0.086 0.086 0.086 8.64E-5 8.64E-5 8.64E-5 0.086 0.086 Ứng xử - Undrianed Drianed Drianed Drianed Undrianed Undrianed Undrianed Drianed Drianed
Bảng 3.6 – Tóm tắt kết quả thí nghiệm trong phòng của các lớp đất (tt)
3.2.1.7 Các giai đoạn thi công hố đào sâu:
Trong nội dung luận văn tác giả chỉ tiến hành phân tích sự ảnh hưởng của việc mô phỏng mô hình khi có khai báo yếu tố cọc trong hố đào sâu gây ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây hố đào nên các bước thi công được lược giản gồm các giai đoạn như sau:
Bảng 3.7 – Trình tự các bước thi công tầng hầm
Giai đoạn Công tác thực hiện
1 Thi công tường vây, cọc và đặt phụ tải xung quanh công trình
2 Đào đất đến cao độ -4m
3 Lắp đặt hệ chống H400x400x21x13 tại cao độ -3.5m
4 Đào đất đến cao độ -6.5m
5 Đào đất đến cao độ -9.5m
6 Lắp đặt hệ chống 2xH400x400x21x13 tại cao độ -9.0m
7 Đào đất đến cao độ đáy móng -13.5m
3.2.2 Mô hình phân tích trong Plaxis 3D Foundation:
3.2.2.1 Mô hình hố đào sâu không khai báo cọc:
Hình 3.9 – Mặt bằng mô hình trong phân tích phần tử hữu hạn ở cao độ mặt đất
Hình 3.10 – Mặt bằng mô hình trong phân tích phần tử hữu hạn ở cao độ -5m
Hình 3.11 – Mặt bằng mô hình ở cao độ -9m (có lắp dựng thanh chống)
- Từ bản vẽ mặt bằng định vị tường vây (hình ?), ta thiết lập mô hình đất có chiều dài 91m, bề rộng 11m, hố đào sâu có kích thước dài 29m, tải công trình xung quanh là tải phân bố đều có độ lớn 20kN/m 2 , cách mặt đất -5m, phân bố trong phạm vi 10m và cách mép ngoài tường vây barrette là 11.0m Ngoài tải trọng của công trình hiện hữu xung quanh, trong quá trình thi công còn có tải của máy thi công, nên hoạt tải xung quanh hố đào được lấy bằng 10kN/m 2 , phân bố trong phạm vi 10m và cách mép ngoài tường vây là 1.0m, đặt ở mặt đất tự nhiên
Hình 3.14 – Mô hình tường vây và cây chống
Hình 3.15 – Hố khoan địa chất trong mô hình Plaxis 3D
Hình 3.16 – Đào đất đến cao độ -6.5m
Hình 3.17 – Đào đất đến cao độ đáy móng -13.5m
* Kết quả chuyển vị tường vây sau khi tính toán:
Hình 3.18 – So sánh kết quả chuyển vị ngang của tường giữa mô hình với quan trắc
Kết quả quan trắc từ ống đo IN02 cho thấy chuyển vị ngang đỉnh tường vây là 38,15mm, gần với mô phỏng (33,512mm) Tuy nhiên, chuyển vị cực đại theo quan trắc tại độ sâu -10m là 63,463mm, chênh lệch đáng kể so với mô phỏng (84,549mm tại độ sâu -13,5m), khoảng 33,22%.
Chuyển vị ngang Ux (mm)
Mô phỏng Quan trắc trắc, ngoài ra hình dạng đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu đất nền chưa phù hợp với đường cong thực tế quan trắc, vị trí chuyển vị cực đại trong mô hình mô phỏng nằm tại đáy hố đào, không cùng vị trí với kết quả quan trắc, dẫn đến sai lệch trong quá trình tính toán và thi công
Như vậy kết quả thu được từ mô phỏng mô hình tường vây hố đào bằng Plaxis 3D Foundation chưa sát với đo đạc thực tế, chuyển vị tường càng xuống sâu càng có độ sai lệch lớn so quan trắc, điều này cho thấy việc tồn tại các yếu tố khác ảnh hưởng đến kết quả tính toán chuyển vị của tường vây, nhất là giá trị chuyển vị cực đại, từ đó ta tiến hành mô phỏng lại bài toán hố đào sâu nhằm tìm chính xác giá trị chuyển vị ngang của tường
3.2.2.1 Mô hình hố đào sâu có khai báo yếu tố cọc vào mô hình:
- Tiến hành thiết lập mô hình hố đào sâu với kích thước, tải trọng, các thông số đất nền, cách bố trí các tầng thanh chống trên mặt bằng và các giai đoạn thi công vẫn giữ nguyên như ban đầu, sau đó ta lần lượt khai báo thêm yếu tố cọc vào trong mô hình Cọc dùng trong mô hình là cọc khoan nhồi đường kính lớn d = 1200mm, khoảng cách giữa các cọc là 3d = 3600mm, vị trí các cọc tương tự trong bản vẽ mặt bằng bố trí cọc (hình 3.?), cọc có chiều dài 54m, bắt đầu từ cao độ -13.5m đến -67.5m
A Mô hình chỉ khai báo 1 dãy cọc:
Hình 3.19 – Mặt bằng mô hình ở cao độ mặt đất (chỉ khai báo 1 dãy cọc)
Hình 3.20 – Mặt bằng mô hình ở cao độ -9m (có thanh chống) (chỉ khai báo 1 dãy cọc)
Hình 3.21 – Mặt bằng mô hình ở cao độ -13.5m (chỉ khai báo 1 dãy cọc)
Hình 3.22 – Chia lưới 2D (chỉ khai báo 1 dãy cọc)
Hình 3.23 – Chia lưới 3D(chỉ khai báo 1 dãy cọc)
Hình 3.24 – Mô hình tường vây, 1 dãy cọc và cây chống
Hình 3.25 – Đào đất đến cao độ đáy móng -13.5m (chỉ khai báo 1 dãy cọc)
B Mô hình chỉ khai báo 2 dãy cọc:
Hình 3.26 – Mặt bằng mô hình ở cao độ mặt đất (chỉ khai báo 2 dãy cọc)
Hình 3.27 – Mặt bằng mô hình ở cao độ -9m (chỉ khai báo 2 dãy cọc)
Hình 3.28 – Mặt bằng mô hình ở cao độ -13.5m (chỉ khai báo 2 dãy cọc)
Hình 3.29 – Chia lưới 2D (chỉ khai báo 2 dãy cọc)
Hình 3.30 – Chia lưới 3D (chỉ khai báo 2 dãy cọc)
Hình 3.31 – Mô hình tường vây, 2 dãy cọc và cây chống
Hình 3.32 – Đào đất đến cao độ đáy móng -13.5m (chỉ khai báo 2 dãy cọc)
C Mô hình khai báo giống thực tế: (có 3 dãy cọc)
Hình 3.33 – Mặt bằng mô hình ở cao độ mặt đất (khai báo 3 dãy cọc)
Hình 3.34 – Mặt bằng mô hình ở cao độ -9m (khai báo 3 dãy cọc)
Hình 3.35 – Mặt bằng mô hình ở cao độ -13.5m (khai báo 3 dãy cọc)
Hình 3.36 – Chia lưới 2D (khai báo 3 dãy cọc)
Hình 3.37 – Chia lưới 3D (khai báo 3 dãy cọc)
Hình 3.38 – Mô hình tường vây, 3 dãy cọc và cây chống
Hình 3.39 – Đào đất đến cao độ đáy móng -13.5m (khai báo 3 dãy cọc)
Hình 3.40 – Biến dạng hố đào khi đào đất đến cao độ -13.5m (khai báo 3 dãy cọc)
Hình 3.41 – Chuyển vị ngang tường vây (khai báo 3 dãy cọc)
Hình 3.42 – So sánh kết quả chuyển vị ngang của tường theo độ sâu giữa các mô hình mô phỏng với quan trắc
Chuyển vị ngang Ux (mm)
Bảng 3.8 – So sánh giữa mô hình mô phỏng và quan trắc kết quả chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây
Mô hình Chuyển vị ngang cực đại của tường vây(mm) Độ sâu(m)