Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng củayếu tố góc đến chuyển vị tường vây bằng việc sử dụng phần mềm Plaxis 3D mô phỏng công trình cao ốc “Limtower” ở Thành phố Hồ Chí Minh.Kết quả ch
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ CỦA TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO BẰNG PHƯƠNG PHÁP FEM
- Một số phương pháp được sử dụng giải quyết bài toán địa kỹ thuật là:
Phương pháp thực nghiệm, phương pháp cân bằng giới hạn và phương pháp số.
Trong các phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là công cụ hiệu quả để tính toán các tương tác cấu tạo đất như thiết kế hố đào và nền móng So với các phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử biên, PTHH được ưu tiên sử dụng vì khả năng giải quyết các bài toán liên quan đến tương tác đất hiệu quả hơn.
Phương pháp PTHH có khả năng phân tích bài toán 2 chiều và 3 chiều.
Phương pháp PTHH có thể kết hợp dễ dàng ứng xử phi tuyến của đất.
- Phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều ứng dụng, với nhiều gói phần mềm với công cụ phương pháp phần tử hữu hạn như: Abaqus, ACTRAN, ADNIA, FLAC và Plaxis…
Phân tích phần tử hữu hạn trong PLAXIS 2.1
- 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 Năm 2001 mới có mô hình 2D và khi đó PLAXIS 3D Tunnel đã được phát hành
PLAXIS 3D Foundation được ra mắt vào năm 2004, là phần mềm chuyên về tính toán nền móng công trình Phần mềm này được sử dụng rộng rãi trong ngành địa kỹ thuật để tính toán độ ổn định, độ lún và biến dạng của nền móng.
- Quá trình chuyển từ phân tích 2D sang 3D là 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 chuyển vị tường chắn theo các giai đoạn thi công 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).
- Mô hình 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.
- Tính toánTrong 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 toán cho tất cả các nút còn trong trạng thái giới hạn.
- 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 mômen uốn và lực cắt.
- Để phân tích phần tử hữu hạn trên phần mềm PLAXIS 3D Foundation thì điều quan trọng đầu tiên là phải tạo mô hình hình học cho bài toán Mô hình này mô tả cấu trúc của công trình trong không gian 3 chiều được chương trình định nghĩa thông qua các mặt phẳng làm việc và các hình trụ hố khoan địa chất Mô hình bao gồm các lớp địa tầng, kết cấu của công trình và các loại tải trọng Mô hình phải đủ lớn để biên bài toán không ảnh hưởng đến kết quả phân tích.
- Mặt phẳng làm việc (Work Planes): là các mặt phẳng nằm ngang theo trục x - z tương ứng với một cao độ y.
- Điểm và đường thẳng (Geometry line): dùng để tạo mô hình hình học cho bài toán.
- Phần tử dầm (Beam): dùng để mô hình cho kết cấu thanh mảnh chịu uốn và lực dọc trục như dầm móng…
- Phần tử sàn (Floor): dùng mô phỏng cho kết cấu có chiều dày nhỏ theo phương ngang và chịu uốn như bản móng…
- Phần tử tường (Wall): dùng mô hình cho kết cấu có chiều dày nhỏ theo phương đứng và chịu uốn như vách tầng hầm…
- Phần tử cọc (Pile): dùng mô hình cho các loại cọc.
- Phần tử lò xo (Spring): dùng để gắn kết vào một mặt của kết cấu và khống chế mặt đó so với mặt khác Phần tử này thường dùng mô phỏng sự làm việc của cọc đơn.
- Phần tử biên (Line Fixity): dùng để tạo biên khống chế cho bài toán.
Để thực hiện tính toán phần tử hữu hạn trong PLAXIS 3D Foundation, mô hình hình học cần được chia lưới thành các phần tử hữu hạn nhỏ hơn Mỗi phần tử bao gồm các nút hình thành hệ thống phương trình tính toán Số lượng nút càng nhiều, hệ thống phương trình càng lớn, đòi hỏi máy tính phải giải quyết một hệ thống lớn hơn Trong trường hợp 2D, mỗi nút có hai bậc tự do tương ứng với hướng chuyển động theo phương x và y.
Hình 2.1 Các phần tử và nút trong một mô hình 2D Mỗi nút có hai bậc tự do, được mô tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn, (Wiberg, 1974)
- Khi mô hình trong không gian ba chiều, mỗi nút có ba bậc tự do, kết quả là sẽ cho một hệ thống phương trình lớn hơn vì thực tế rằng mỗi nút cũng có thể di chuyển theo phương z.
Phân tích phần tử hữu hạn theo ba bước gồm: Phân chia mô hình thành phần tử (Generate elements), phân tích thành phần (Element analysis) và phân tích hệ thống (System analysis) Phân chia mô hình thành các phần tử nhỏ để giải từng phần dễ dàng hơn Phân tích từng thành phần để xác định hành vi của chúng Cuối cùng, kết nối các thành phần thành một hệ thống với các điều kiện biên để xác định hành vi tổng thể của hệ thống.
Hình 2.2 Các bước phân tích phần tử hữu hạn (Wiberg, 1974)
ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THỰC TẾ
- “Cao ốc văn phòng Lim Tower” là dự án xây dựng tại số 9 – 11 Tôn Đức Thắng, Quận 1 TP Hồ Chí Minh
- Tầng hầm được thiết kế thi công theo phương pháp Bottom – Up Cao độ đỉnh tường vây -0,0m của kiến trúc Hệ thống tường vây D = 0,8m đã được thi công để làm tường chắn trong quá trình đào đất, được cắm đến độ sâu -38,5m vào lớp đất số 5 có chỉ số NSPT = 21-42.Công trình có kích thước dài 60m, rộng 34m, gồm 2 tầng hầm với cao độ hố đào sâu nhất -13,35m (riêng khu vực pít thang máy đào đến -14,85m) Công trình sử dụng 3 tầng thanh chống chính để chống đỡ hố đào trong suốt quá trình đào đất và thi công tầng hầm.
3.2 Số liệu địa chất công trình
- Kết quả khoan khảo sát địa chất ở 3 hố khoan có độ sâu mỗi hố là 80 m có 9 lớp chính và lớp thấu kính sét.
Lớp Loại đất Độ sâu đáy lớp(m) Bề dày(m) N SPT
2 Sét rất dẻo lẫn hữu cơ, xám đen, cháy -5.3 3.6 1-2
Cát lẫn nhiều sét, xám xanh, xám vàng, chặt vừa -7.5 2.2 7-13
3 Cát mịn lẫn bột, xám nâu, chặc vừa -13.2 5.7 12-15
4 Cát mịn lẫn sét, bột, xám vàng, chặt vừa -35.3 22.1 9-25
5 Sét dẻo, xám vàng, xám xanh, nửa cứng-cứng -41.2 5.7 21-41
6 Sét rất dẻo, xám vàng, nâu đỏ, xám xanh, cứng -45 4 39-45
7 Sét dẻo, xám vàng, xám xanh, cứng -51.4 6.4 38-47
8 Cát mịn lẫn sét, bột, xám vàng, chặt -61.3 9.9 32-46
Mặt cắt địa chất công trìnhHình 3.1
3.3 Biểu đồ thể hiện quan trắc
Mặt bằng bố trí các ống Inclinometer Hình 3.2
Biểu đồ thu được khi quan trắc tại ống IN01 và IN02 Hình 3.3
Phase Nội dung 0 Trạng thái ban đầu của đất nền 1 Thi công tường vây + Tải trong phân bố trên bề mặt 2 Ép rung kingpost
3 Thi công dầm mũi tường vây 4 Đào đất đền cao độ -1.5m 5 Lắp đặt tầng thanh chống thứ 1 cao độ -1.0m 6 Đào đất và hạ mực nước ngầm đến cao độ -4.5m 7 Lắp đặt tầng thanh chống thứ 2 cao độ -4.0m 8 Đào đất và hạ mực nước ngầm đến cao độ -10.15m 9 Lắp đặt tầng thanh chống thứ 3 cao độ -9.5m 10 Đào đất và hạ mực nước ngầm đến cao độ -13.35m
- Bài toán sử dụng phần mềm Plaxis Foundation 1.6 với mô hình nền là Hanrdening soil (mô hình tăng bền) để mô phỏng ứng xử của tường vây trong quá trình thi công hố đào công trình Limtower.
- Bằng phương pháp phân tích ngược để xác định mối quan hệ chuyển vị tường vây và độ sâu phù hợp với kết quả quan trắc thực tế, từ đó phân tích chuyển vị tại góc và sự ảnh hưởng của nó đến chuyển vị tường vây.
- Tường vây là những bản bê tông cốt thép được thi công trong đất Mác bê tông được sử dụng là M350
Bảng 3.3 Thông số đầu vào của tường vây
Chiều dài (m) Đặc trưng vật liệu Mô hình vật liệu Mô phỏng d(mm) γ(kN/m 3 ) E(kN/m 2 ) ν
38.5 800 25 30×10 6 0.15 Tuyến tính đẳng hướng Wall Trong đó: d – Chiều dài của tường vây γ- Dung trọng riêng của bê tông tường vây ν- hệ số poison
E – Môdun đàn hồi của bê tông
- Công trình sử dụng 2 loại Kingpost
Bảng 3.4 Thông số đầu vào của kingpost
Loại Kingpost Đặc trưng vật liệu
- Dầm mũ tường vây dùng để liên kết các panel tường vây
Bảng 3.5 Thông số đầu vào của dầm mũ tường vây
Tiết diện Đặc trưng vật liệu
- Tường vây hố đào được lắp đặt ba tầng thanh chống thép hình
Tầng thanh chống 1: H300x300x10x15 Tầng thanh chống 2: H400x400x13x21 Tầng thanh chống 3: H400x400x13x21
Bảng 3.6 Thông số đầu vào của hệ thanh chống
Cao độ (m) Đặc trưng vật liệu
2 -4.0 0.021 78.5 2.1E8 6.5E-4 2.2E-4 0 0.3 Tuyến tính beam 3 wale -9.0 0.021 78.5 2.1E8 2.2E-4 6.5E-4 0 0.3 Tuyến tính beam Trong đó:
A – Diện tích tiết diện ngang của thanh chống γ- Dung trọng riêng của thép
E – Môdun đàn hồi của thép I3– Mômen quán tính xung quanh trục 3 I2– Mômen quán tính xung quanh trục 3
I23– Mômen quán tính xoắn ν- hệ số poison
- Các phụ tải trong quá trình thi công và các công trình liền kề được quy đổi thành tải phân bố đều với cường độ -10 kN/m 2 đặt cách mép ngoài tường vây 2m ở cao trình mặt đất tự nhiên.
- Trong các hố khoan mực nước ngầm xuất hiện ổn định ở cao độ -4m so với mặt đất tự nhiên.Trong quá trình thi công mực nước ngầm được hạ thấp xuống cao trình hố đào trước khi đào đất. Đất nền công trình 3.3.7
- Modul trong mô hình được lấy theo kết quả thực nghiệm của Michell(1970)
E = 766N (kPa) - Đối với đất sét cố kết thường :
E = E 50 ref E oed ref = E 50 ref , E ur ref = 3E 50 ref N: chỉ số SPT cu: lực dính của thí nghiệm nén ba trục không thoát nước
- Góc nội ma sát φ lấy theo công thức thực nghiệm của Terzaghi, Peck, Meyerhof, Duhem, Osaki
- Các giá trị c, φ lấy từ công thức thực nghiệm và tham khảo một số công trình thực tế, sau đó hiệu chỉnh để chuyển vị tường vây phù hợp với kết quả quan trắc thu được.
Bảng 3.7 Hệ số thấm k của một số loại đất [2]
Cuộisỏi >10 -1 Đất thô đến mịn 10 -1 –10 -3 Cát mịn,cá tbụi 10 -3 –10 -5 Bụi sét 10 -4 –10 -6
- Hệ số poison được xác định qua bảng sau:
Bảng 3.8 Giá trị điển hình của hệ số Poisson [3]
Bảng 3.9 Tính chất cơ lý chủ yếu của đất nền công trình
Tên chỉ tiêu Lớp 1 Lớp 3b Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Lớp 6 Lớp 7
Loại đất Sét Cát nhiều sét
Cát mịn Sét Sét Sét
Trạng thái Dẻo chảy Chặt vừa Chặt vừa
Nửa cứng- cứng Cứng Cứng
E ref ur 22875 25278 29874 39066 68940 91920 91920 c (kN/m 2 ) 5 7 1 1 41 47 47 ϕ(độ) 12 15 27 24 15 15 15 ψ(độ) 0 0 0 0 0 0 0 m 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
Mô hình vật liệu HS HS HS HS HS HS HS Ứng sử của vật liệu
Draine Dr Dr Dr UnDrained UnDr UnDr
Mô hình plaxis Foudation 3D mô phỏng bài toán Hình 3.4
Kết cấu tường vây và hệ thanh chống qua mô phỏng Plaxis 3DHình 3.5
3.5 Phân tích kết quả bài toán
Kết quả chuyển vị tường vâyHình 3.6
Chuyển vị tại D Chuyển vị tại B Độ sâu
Biểu đồ chuyển vị tường vây khi quan trắc và mô phỏng (phase 10) Hình 3.7
Mô hình (điểm D) Quan trắc INO1
Mô hình (điểm B) Quan trắc INO2
Vị trí các điểm phân tích Hình 3.8
Biểu đồ chuyển vị tại A và C Hình 3.9
Giá trị chuyển vị ngang lớn nhất theo mô hình Plaxis Foundation 3D thu được tại các ống IN01 và IN02 lần lượt là 41,16mm và 56,66mm Những giá trị này tương ứng với các giá trị chuyển vị quan trắc tại hai vị trí trên là 49,985mm và 58,94mm, chứng tỏ mô hình số mô phỏng khá chính xác thực tế.
55,88mm) Đồng thời đường cong chuyển vị tường vây rất giống với đường cong quan trắc thực tế.
- Ở vị trí 2 góc A, C chuyển vị tường vây có dạng công xôn Chuyển vị lớn nhất là ở miệng hố đào Lớn nhất 36,57mm (điểm A) và 32,67 (điểm C) Cần bố trí hệ thanh chống để giảm chuyển vị tại vị trí A và C.
Nghiên cứu của Lê Trọng Nghĩa và Huỳnh Thế Vỹ (ĐHBK, 2013) chỉ ra rằng việc bố trí hệ thanh chống tại góc A và C kết hợp với biện pháp thi công hợp lý có thể làm giảm đáng kể (30,2%) chuyển vị tường vây tại vị trí này.
Bảng 3.11 Bảng so sánh chuyển vị giữa điểm A và C
Phase 4 Phase 6 Phase 8 Phase 10 Độ sâu Điểm C Điểm A Điểm C Điểm A Điểm C Điểm A Điểm C Điểm A
Biểu đồ so sánh chuyển vị tại A, C ở các phase hố đào Hình 3.10
PHASE 4 PHASE 6 PHASE 8 PHASE 10 Độ sâu Điểm
Kết quả so sánh chuyển vị tại điểm A vàđiểm B Hình 3.11
Góc A và C có số đo góc tương đương và có độ dài 1 cạnh bằng nhau Ta thấy tại góc A có chuyển vị tường vây có xu hướng lớn hơn chuyển vị tại điểm C qua các giai đoạn thi công tường vây Điều này cho thấy ảnh hưởng của độ dài cạnh đến chuyển vị tường vây tại góc. Ở giai đoạn đào đất hố đào thì chuyển vị bên dưới đáy hố đào ( -18,5m đến 38,5m) chuyển vị tường vây tại góc luôn lớn hơn chuyển vị tại giữa tường Đặc biệt trong các giai đoạn đào đất đến -10,15m (phase 8) và đào đất đến -13,35m (phase 10) chuyển vị tường tại góc lớn hơn chuyển vị tại giữa tường rõ rệt ( từ 0 đến -4,25m) Nên trong giai đoạn thi công hố đào cần bố trí thêm hệ thanh chống tại vị trí góc để giảm chuyển vị.
3.6 Thiết lập mô hình 2D cho bài toán
- Mô hình 2D là mặt cắt ngang công trình khi đi qua ống IN02 (vị trí B).
- Bài toán dùng mô hình HS
- Thông số đầu vào lấy từ mô hình 3D ở trên.
- Ta lấy kết quả chuyển vị tường vây vị tríB để so sánh.
Thiết lập mô hình plaxis 2DHình 3.12
Bảng 3.13 Kết quả chuyển vị tường vây ở các phase đào đất khác nhau
Biểu đồ chuyển vị tường vây qua các phase đào đất qua mô phỏng 2D Hình 3.13
3.7 Thiết lập mô hình 2(không có phần góc A, C)
Vị trí các điểm phân tích tương đương trên mô hình 2 Hình 3.14
Mô hình plaxis 3D mô phỏng bài toán 2Hình 3.15
Kết quả chuyển vị tường vâyHình 3.16
Kết quả và so sánh
Bảng 3.14 Kết quả so sánh chuyển vị tại điểm B và điểm B’
Phase 4 Phase 6 Phase 8 Phase 10 Độ sâu B B' B B' B B' B B'
Biểu đồ so sánh chuyển vị các mô hình tại các phase 4,6 Hình 3.17
FEM 2D(4) Mô phỏng B (4) Mô phỏng B'(4)
FEM 2D(6) Mô phỏng B(6) Mô phỏng B'(6)
Biểu đồ so sánh chuyển vị các mô hình tại các phase 8,10 Hình 3.18
- Vì số liệu quan trắc không đầy đủ, chỉ có trong giai đoạn cuối của thi công nên đề tài chỉ so sánh với quan trắc ở phase thứ 10
FEM 2D(8) Mô phỏng B(8) Mô phỏng B'(8)
- Qua 2 mô hình plaxis 3D cho công trình thực tế và một mô hình mô phỏng công trình có hệ chống tương đương không có các góc lồi Qua bảng kết quả và các biểu đồ ta thấy chuyển vị ở vị trí B lớn hơn B’ 5-8 % (phase 4), 7-10% (phase 6) Ở những phase đào đất sau ở độ sâu (0 – 4,5m) chuyển vị tại B lớn hơn B’ 3-10%
(phase 8) Sự xuất hiện góc lồi A làm gia tăng chuyển vị tại B
- Chuyển vị tường vây ở những phase đào đất sâu tại vị trí B trong plaxis 2D (69,8mm) cho kết quả lớn hơn so với trong mô hình 3D (56,66mm), bài toán 3D cho kết quả hội tụ.
- Ở 2 phase đào đất cuối( đào đất đến -10,13m và -13,35m) 3D cho kết quả chuyển vị lớn hơn 2D ở độ sâu (0 đến 10m) có độ chênh max tại cao độ 0,0m là 23,4 mm Ở độ sâu dưới đáy hố đào thì kết quả 2D lớn hơn 3D là 11,7mm (phase 10 tại -22,5m) 19,8mm (phase 10 ở -20m).
- Qua biểu đồ trên (ở phase đào đất 13,35m) ta thấy là kết quả mô phỏng 3D cho giá trị gần với giá trị quan trắc Độ chênh lệch giữa 2D và quan trắc khá lớn đặc biệt là ở độ sâu -20m là 28,2mm.
Bảng 3.15 So sánh chuyển vị tại góc A và tại điểm A’
PHASE 4 PHASE 6 PHASE 8 PHASE 10 Độ sâu Điểm
A Điểm A' Điểm A Điểm A' Điểm A Điểm A' Điểm A Điểm A'
Biểu đồ so sánh chuyển vị tại góc A và tại điểm A’
So sánh chuyển vị tại góc C và C’
Bảng 3.16 So sánh chuyển vị tại góc C và tại điểm C’
PHASE 4 PHASE 6 PHASE 8 PHASE 10 Độ sâu Điểm
C Điểm C' Điểm C Điểm C' Điểm C Điểm C' Điểm
So sánh chuyển vị tại góc C và tại điểm C’
