Trong nghiên cứu này phương pháp PTHH với biện pháp suy giảm cường độ sử dụng hệ kết cấu đàn dẻo được sử dụng để phân tích hai trường hợp phá hoại của hố đào sâu tại Đài Bắc Cơ chế phá hoại của hố đào trong sét yếu cũng được đề xuất.
PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO PHÁ HOẠI CỦA HỐ ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT SÉT YẾU ĐỖ TUẤN NGHĨA* Finite element analysis of failure of deep excavations in soft clay Abstract: Two failure deep excavations in soft clay were investigated in this study using the finite element method (FEM) with reduced shear strength A comprehensive model of support system was built as regard the existence of wall, struts, and center posts In order to determine the causes of collapse of the excavations, both elastic and elastoplastic behaviors of support system were analyzed Result shows that failure of the excavations starts from large soil heave at the final excavation grade as considering an elastic behavior of support system and from yielding of support system if its behavior is elastoplastic A failure mechanism is proposed for deep excavations in soft clay Due to an upward movement of center posts, secondary bending moment on struts will reduce their capacity, originally designed for bearing axial load Yielding of struts is followed by yielding of wall and then failure of excavation Factors of safety estimated by FEM with modeling elastoplastic support system are also in good agreement with stability of the excavations observed in the field Keywords: excavation, stability analysis, finite element method GIỚI THIỆU CHUNG * Mặc dù phƣơng pháp tính tay thông dụng nhƣ phƣơng pháp Terzaghi phƣơng pháp Bjerrum & Eide phƣơng pháp cung trƣợt phƣơng pháp áp lực tổng phá hoại đẩy vào (push-in) ƣớc lƣợng xác ổn định hố đào việc sử dụng phƣơng pháp không giúp kĩ sƣ thực hành hiểu đƣợc đầy đủ chế phá hoại hố đào ứng xử đàn dẻo hệ kết cấu chắn giữ không đƣợc xét tới mặt phá hoại cần đƣợc giả sử * Khoa Cơng trình-Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn-Đống Đa-Hà Nội DĐ: 0943312614 tính tốn Trong phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với biện pháp suy giảm cƣờng độ mơ đƣợc hệ kết cấu đàn dẻo tự động xác định mặt phá hoại đất Bởi phƣơng pháp đƣợc sử dụng ngày nhiều phân tích ổn định hố đào nhà nghiên cứu Tuy nhiên để đơn giản ứng xử đàn hồi hệ kết cấu thƣờng đƣợc mô Mặc dù kết thu đƣợc thỏa đáng nhƣng chế phá hoại hố đào không khớp với thực tế Trong nghiên cứu phƣơng pháp PTHH với biện pháp suy giảm cƣờng độ sử dụng hệ kết cấu đàn dẻo đƣợc sử dụng để phân tích hai trƣờng hợp phá hoại hố đào sâu Đài Bắc Cơ chế phá hoại hố đào sét yếu đƣợc đề xuất Email: dotuannghia@tlu.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 43 CÁC TRƢỜNG HỢP THỰC TẾ 2.1 Trƣờng hợp Đài Bắc Trình tự đào trụ địa chất trƣờng hợp Đài Bắc đƣợc thể hình Cơng tác đào đƣợc tiến hành theo bƣớc tới độ sâu 13 45 m Hố đào bị sụp đổ sau hoàn thành bƣớc đào cuối (bƣớc số 5) gây vùng sụt lún tới 132x40 m Hình Trình tự thi công điều kiện địa chất trường hợp Đài Bắc Trong phân tích phần mềm PLAXIS đƣợc sử dụng để mơ hình hố đào Mối quan hệ ứng suất biến dạng đất đƣợc giả sử đàn hồi tuyến tính dẻo hồn tồn theo mơ hình MohrCoulomb Đất sét cát lần lƣợt đƣợc mơ sử dụng vật liệu nƣớc khơng nƣớc Các thơng số đầu vào đất tham khảo Do et al (2013) Thanh chống trụ chống trung tâm tƣờng đƣợc mô sử dụng phần tử đàn dẻo Với tƣờng bê tông cốt thép thông số độ cứng đƣợc xác định dựa theo mô đun đàn hồi E = 1x107 kN/m2 thông số độ cứng (Mp Np) đƣợc tính tốn theo phần mềm kết cấu XTRACT Với chống trụ chống thép thông số đầu vào đƣợc xác định theo E = 04x108 kN/m2 ứng suất chảy y = 250 MPa Mối nối phần tử đƣợc giả thiết khớp Mơ hình cho hố đào Đài Bắc 44 có kích thƣớc 140x44 m Q trình làm giảm cƣờng độ kháng cắt đất phân tích ổn định đƣợc tiến hành cho giai đoạn đào cuối Trong thơng số cƣờng độ c tg đất đƣợc giảm việc chia cho hệ số triết giảm SR Hệ số SR đƣợc tăng liên tục tới nghiệm số không hội tụ giá trị SRmax đƣợc coi hệ số an toàn hố đào Với trƣờng hợp Đài Bắc giá trị SR max 1,00 Điều cho thấy sau giai đoạn đào cuối toàn hố đào trạng thái cân giới hạn Để khảo sát ứng xử đất hệ kết cấu chắn giữ trƣớc hố đào đạt trạng thái cân giới hạn phân tích đƣợc tiến hành thêm tƣơng ứng với Mstage = 0,98 99 Trong Mstage tỉ số tải trọng tính tốn thành cơng PLAXIS tải trọng u cầu Giả sử khối lƣợng đất đƣợc loại bỏ giai đoạn cuối 100 T PLAXIS ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 phân tích thành cơng đƣợc với tải trọng 99 T ta có Mstage = 0,99 Khi PLAXIS phân tích thành cơng giai đoạn đào cuối Mstage = 00 tƣơng ứng với SR = 00 Lƣu giá trị SR < 00 áp dụng thay cho Mstage trình khảo sát Về nguyên tắc việc tăng SR làm giảm sức kháng cắt đất gây biến dạng đất phần tử kết cấu dƣới tác dụng tải thân đất Khi SR < sức kháng cắt đất tăng đất hệ kết cấu khơng có thêm chuyển vị dƣới tác dụng tải thân đất tổng chuyển vị chúng giống với SR = Hình chuyển vị tƣờng đẩy trồi đất giai đoạn đào cuối tƣơng ứng với Mstage = 0,98; 0,99; 1,00 (Mstage = 1,00 tƣơng đƣơng với SR = 00) Ta thấy chuyển vị tƣờng đẩy trồi đất đáy hố đào tăng dần theo Mstage Các chuyển vị gia tăng cách đột ngột tới m giá trị Mstage đạt 00 Mặc dù độ lớn chuyển vị tƣơng ứng với Mstage = 00 không thiết phản ánh giá trị thực tế đo đƣợc nhƣng cho thấy hội tụ nghiệm số tiến sát tới mức độ giới hạn Quan sát quán với giá trị SRmax = 00 đề cập Hình Chuyển vị tường đẩy trồi giai đoạn đào cuối trường hợp Đài Bắc với hệ kết cấu đàn dẻo Hình Chuyển vị tường đẩy trồi giai đoạn đào cuối trường hợp Đài Bắc với hệ kết cấu đàn dẻo ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 45 Hình biểu đồ nội lực (momen M lực dọc N) phần tử kết cấu (thanh chống tƣờng) tƣơng ứng với giai đoạn phân tích khác Các cặp nội lực phần việc ngoại suy giá trị điểm ứng suất bên nên gây sai số nhỏ Nhƣ thể hình trình đào sâu đƣợc tiến hành hệ chống ngang bắt tử kết cấu đƣợc bao đƣờng biên riêng rẽ tạo Những đƣờng biên tạo thành hình thoi mà bốn đỉnh tƣơng ứng với giá trị lớn momen (Mp) lực dọc (Np) đầu chảy dẻo bƣớc đào tầng chống tƣờng chắn làm việc đàn hồi Tới hoàn thành bƣớc đào cuối (bƣớc số SR = 1,00 Mstage = 00) tất tầng Các phần tử kết cấu thể ứng xử đàn hồi cặp nội lực chúng nằm phạm vi hình thoi ứng xử đàn dẻo cặp nội lực nằm đƣờng biên tƣơng ứng Có vài điểm hình nằm vƣợt chống tƣờng chảy dẻo Hiện tƣợng tƣơng ứng với gia tăng đột ngột chuyển vị tƣờng đẩy trồi đất đáy hố đào hình Do chảy dẻo phần tử kết cấu kéo theo chuyển vị lớn đƣờng biên chúng Lí giá trị M N nút phần tử đƣợc xác định đất tƣờng hƣớng vào khu vực đào làm sụp đổ hố đào Hình Chuyển vị tường đẩy trồi giai đoạn đào cuối trường hợp Đài Bắc với hệ kết cấu đàn hồi Nhƣ mô tả hình phần tử kết tăng đột ngột chuyển vị không xảy cấu đàn hồi đƣợc sử dụng chuyển vị tƣờng đẩy trồi đất lớn tới vài m gia SR đạt giá trị lớn 84937 Chú giá trị SR đƣợc áp dụng với độ xác số 46 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 sau dấu phẩy để khảo sát xác thời điểm nghiệm số không hội tụ Do phần tử tƣờng chống thể ứng xử đàn hồi không bị chảy dẻo đẩy trồi 2.2 Trƣờng hợp Đài Bắc Trình tự đào trụ địa chất trƣờng hợp đƣợc minh họa hình Hố đào dự kiến sâu m gồm bƣớc đào Phá hoại xảy đất lớn tới m sụp đổ hố đào trƣờng hợp phá hoại đẩy trồi gây ra sau hoàn thành bƣớc đào cuối (bƣớc số 4) Hình Trình tự thi công điều kiện địa chất trường hợp Đài Bắc Quy trình mơ đƣợc tiến hành tƣơng tự với trƣờng hợp Đài Bắc Khi sử dụng hệ kết cấu đàn dẻo bƣớc đào cuối công trình khơng đƣợc tính tốn thành cơng Chỉ số Mstage lớn bƣớc thi công 6734 Chuyển vị tƣờng đẩy trồi đất tƣơng ứng với ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 giá trị Mstage đƣợc vẽ hình Khi Mstage tăng chuyển vị tăng theo Sự gia tăng đột biến chuyển vị tới m quan sát đƣợc Mstage đạt 6734 Bởi hố đào tiến sát tới trạng thái phá hoại tƣơng ứng với giá trị Mstage 47 Hình Chuyển vị tường đẩy trồi giai đoạn đào cuối trường hợp Đài Bắc với hệ kết cấu đàn dẻo Hình biểu đồ nội lực tƣờng chống tƣơng ứng với giai đoạn phân tích khác Khi trinh đào sâu tiến tới bƣớc toàn hệ chống chảy dẻo nhƣng tƣờng chắn làm việc giai đoạn đàn hồi Tại giá trị Mstage lớn 6734 tƣờng toàn hệ chống chảy dẻo Các nghiệm số khơng hội tụ với gia tăng nhỏ Mstage (chẳng hạn Mstage = 6735) Do chảy dẻo toàn hệ kết cấu nguyên nhân phá hoại hố đào Hình Chuyển vị tường đẩy trồi giai đoạn đào cuối trường hợp Đài Bắc với hệ kết cấu đàn dẻo 48 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 Hình Chuyển vị tường đẩy trồi giai đoạn đào cuối trường hợp Đài Bắc với hệ kết cấu đàn hồi Khi sử dụng hệ kết cấu đàn hồi toàn bƣớc đào đƣợc phân tích thành cơng Giá trị SR lớn bƣớc đào cuối (bƣớc số 4) 54807 Chuyển vị tƣờng đầy trồi đất q trình phân tích ổn định đƣợc trình bày hình Tại giá trị SR lớn có gia tăng đột ngột đầy trồi đất đƣợc quan sát với độ lớn m Do hệ kết cấu có ứng xử đàn hồi trƣờng hợp nguyên nhân dẫn tới phá hoại hố đào phá hoại đầy trồi đáy hố móng THẢO LUẬN Dựa kết phân tích ổn định hố đào thực tế ta thấy hệ kết cấu đàn dẻo đƣợc sử dụng chống ngang bị chảy dẻo trƣớc tƣờng chắn phá hoại hố đào xảy sau chống tƣờng chảy dẻo Mặt khác sử dụng hệ kết cấu đàn hồi tƣờng chống không bị chảy dẻo nên phá hoại hố đào đẩy trồi ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 lớn đáy hố móng (basal heave) Trên thực tế hệ kết cấu chắn giữ hố móng thƣờng có ứng xử đàn dẻo thay đàn hồi nên phân tích ổn định hố đào sử dụng hệ kết cấu đàn dẻo hợp l Căn theo kết phân tích chế phá hoại hố đào sét yếu đƣợc đề xuất nhƣ trình bày hình Phá hoại hố đào xuất trụ chống trung tâm bị đẩy lên từ đẩy trồi đất đáy hố Chuyển vị làm xuất momen thứ cấp chống ngang vốn đƣợc thiết kế chủ yếu chịu lực dọc làm giảm khả chống giữ chống Một chống bị chảy tƣờng chắn chảy dẻo theo taọ chuyển vị lớn đất xung quanh hƣớng vào khu vực hố đào Sau hố đào bị sụp đổ Lƣu chế phá hoại đƣợc giới hạn cho hố đào sâu tầng sét yếu dày hệ kết cấu chắn giữ đƣợc thiết kế điều kiện thơng thƣờng 49 Hình Cơ chế phá hoại hố đào có chống đất sét yếu Tổng hợp hệ số an toàn cho hố đào Đài Bắc ƣớc lƣợng phƣơng pháp PTHH phƣơng pháp tính tay bao gồm: phƣơng pháp Terzaghi phƣơng pháp Bjerrum dần Vì kết phƣơng pháp tính tay nhìn chung xấp xỉ 00 nên phƣơng pháp cho ƣớc lƣợng thận trọng ổn định trƣờng hợp hố đào & Eide phƣơng pháp cung trƣợt phƣơng pháp áp lực tổng phá hoại đẩy vào (push-in) thấy kết phƣơng pháp PTHH với hệ kết cấu đàn dẻo KẾT LUẬN Dựa nghiên cứu trình bày vài kết luận rút nhƣ sau: (1) Khi hệ kết cấu chắn giữ đàn dẻo sát giá trị 00 quán với xuất phá hoại thực tế hố đào Với hệ kết cấu đàn hồi hệ số an toàn lần lƣợt 84937 cho trƣờng hợp Đài Bắc 54807 cho trƣờng hợp Đài Bắc Các (thanh chống trụ chống tƣờng) đƣợc sử dụng kết phân tích ổn định cho thấy phá hoại hố đào thực tế chảy dẻo hệ kết cấu Trong hệ kết cấu đàn hồi đƣợc mơ phá hoại hố đào giá trị lớn để dự đốn đƣợc phá hoại xảy thực tế Trong hệ số an toàn xác định phƣơng pháp Terzaghi phƣơng pháp Bjerrum & Eide phƣơng pháp cung trƣợt phƣơng pháp áp xảy đẩy trồi (soil heave) lớn đáy hố đào (2) Một chế phá hoại hố đào đất sét yếu đƣợc đề xuất Theo chuyển vị đẩy lên trụ chống trung tâm làm xuất lực tổng phá hoại đẩy vào lần lƣợt giảm momen thứ cấp chống 50 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 giảm khả chống chúng Một hệ chống chảy dẻo tƣờng chắn bị chảy kéo theo chuyển vị lớn đất xung quanh hƣớng vào khu vực đào gây sụp đổ Bjerrum, L Eide, O., 1956; Stability of strutted excavations in clay; Geotechnique, 6(1), hố đào (3) Các hệ số an toàn xác định phƣơng pháp PTHH với hệ kết cấu đàn dẻo khớp với phá hoại thực tế xảy 32-47 Do, T N., Ou, C Y., Lim, A., 2013; Evaluation of factors of safety against basal heave for deep excavations in soft clay using the trƣờng hợp Đài Bắc Bởi phƣơng pháp đƣợc sử dụng để xác định hệ số an toàn cho hố đào có chống đất sét yếu Mặt khác sử dụng hệ kết cấu đàn hồi phƣơng pháp đánh giá cao finite element method; J Geotech Geoenviron Eng., 139(12), 2125-213 Ou, C Y., 2006; Deep excavation: theory and practice; Taylor & Francis, Singapore Terzaghi, K., 1943; Theoretical soil ổn định hố đào sâu mechanics, John Wiley & Sons, New York TÀI LIỆU THAM KHẢO Người phản biện: GS NGUYỄN CÔNG MẪN ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 51 ... phá hoại hố đào phá hoại đầy trồi đáy hố móng THẢO LUẬN Dựa kết phân tích ổn định hố đào thực tế ta thấy hệ kết cấu đàn dẻo đƣợc sử dụng chống ngang bị chảy dẻo trƣớc tƣờng chắn phá hoại hố đào. .. chống Một chống bị chảy tƣờng chắn chảy dẻo theo taọ chuyển vị lớn đất xung quanh hƣớng vào khu vực hố đào Sau hố đào bị sụp đổ Lƣu chế phá hoại đƣợc giới hạn cho hố đào sâu tầng sét yếu dày hệ... 49 Hình Cơ chế phá hoại hố đào có chống đất sét yếu Tổng hợp hệ số an toàn cho hố đào Đài Bắc ƣớc lƣợng phƣơng pháp PTHH phƣơng pháp tính tay bao gồm: phƣơng pháp Terzaghi phƣơng pháp Bjerrum dần