Lựa chọn mô hình đất nền để tính toán ổn định hố móng sâu bằng phần mềm Plaxis

Bài viết Lựa chọn mô hình đất nền để tính toán ổn định hố móng sâu bằng phần mềm Plaxis tập trung nghiên cứu tổng quan về một số phương pháp tính toán áp lực đất trên tương chắn từ các phương pháp giải tích đến phương pháp phần tử hữu hạn.

Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 50, 4/2015, tr.16-22 ĐỊA CHẤT – KHỐNG SẢN VÀ MƠI TRƯỜNG (trang 16÷90) LỰA CHỌN MƠ HÌNH ĐẤT NỀN ĐỂ TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH HỐ MÓNG SÂU BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS DƯƠNG VĂN BÌNH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Nội dung báo tập trung nghiên cứu tổng quan số phương pháp tính tốn áp lực đất tương chắn từ phương pháp giải tích đến phương pháp phần tử hữu hạn Trên kết phân tích cho cơng trình thực tế có kết quan trắc, tiến hành tính tốn với số mơ hình đất để so sánh kiến nghị sử dụng Q trình tính tốn thực phần mềm Plaxis 8.5 theo mơ hình đất MC HS cho thấy phù hợp mơ hình HS với quan trắc thực tế So sánh với phương pháp giải tích tính tốn áp lực đất cho thấy, phương pháp Stanislav cho kết gần sơ với tính tốn phần mềm kết quan trắc Mở đầu Trên giới, việc thiết kế thi công hố móng sâu trở nên phổ biến áp dụng nhiều quốc gia khác Nhiều cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm thực nhà khoa học, công ty, trường đại học nước khác (Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản, Nga, Trung Quốc, v.v ) Khi tiến hành thi cơng hố móng sâu vấn đề ổn định đặt lên hàng đầu Hố móng sâu bị ổn định áp lực đất tác dụng lên thành hố móng áp lực nước đáy hố móng Vì vậy, trước tiến hành thi cơng đòi hỏi phải thiết kế giải pháp hợp lý nhằm giữ ổn định cho hố móng Hiện nay, q trình tính tốn thiết kế hố móng sâu sử dụng phổ biến phần mềm địa kỹ thuật Khi thiết kế, tính tốn phần mềm địa kỹ thuật có ưu điểm nhanh, xác mơ hình hóa điều kiện đất nền, mơ q trình thi cơng, q trình làm việc hố móng kết cấu chắn giữ tác dụng áp lực đất, nước, đồng thời đưa nhiều phương án so sánh xác định yếu tố ảnh hưởng Kết q trình tính tốn phần mềm có xác hay không phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn mơ hình đất thơng số vật liệu đầu vào 16 Giới thiệu chung phần mềm Plaxis mơ hình làm việc đất 2.1 Giới thiệu chung phần mềm Plaxis Phần mềm Plaxis phát triển từ năm 1987 đại học công nghệ Delft-Hà Lan, phần mềm xây dựng theo phương pháp phần tử hữu hạn để giải vấn đề địa kỹ thuật [1, 6] Hiện nay, phần mềm Plaxis GeoStudio hai phần mềm xem gồm đầy đủ toán Địa kỹ thuật thường gặp thực tế, thân thiện người dùng nhiều nước giới ưa chuộng Bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn với bước sau: - Chia lưới phần tử hữu hạn; - Chuyển vị nút ẩn số; - Chuyển vị bên phần tử nội suy từ chuyển vị nút; - Thiết lập mơ hình vật liệu (quan hệ ứng suất biến dạng); - Thiết lập điều kiện biên chuyển vị lực; - Giải hệ phương trình tổng thể cân lực, cho kết chuyển vị nút; - Tính tốn đại lượng khác ứng suất, biến dạng 2.2 Các mơ hình đất Trong Plaxis, mơ hình đất chấp nhận mơ hình đàn hồi (Linear Elastic model - LE), mơ hình Mohr-Coulomb (MC), mơ hình Hardening Soil - HS, mơ hình đất yếu (Soft Soil model - SS), mơ hình từ biến cho đất yếu (Soft Soil Creep model - SSC) mơ hình người dùng thành lập (User Defined model - UD) Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hố móng sâu 3.1 Các giải pháp đảm bảo ổn định thi công hố móng sâu [2] Hiện giải pháp dùng để xử lý vấn đề nêu bao gồm: - Đào trần không chống giữ; - Chống giữ ván lát; - Chống giữ thép, cọc bê tông cốt thép; - Dùng tường chắn xi măng đất trộn sâu, tường chắn cọc khoan nhồi, tường Barret; - Xử lý đẩy bùng đáy móng nước chảy vào hố móng thường sử dụng phương án hạ thấp mực nước bơm hút, xử lý gia cố đáy móng cọc đất xi măng 3.2 Một số phương pháp giải tích tính tốn áp lực đất lên tường chắn 3.2.1 Phương pháp Bowles [3] Sơ đồ áp lực đất mơ tả hình 1: a = PA /m áp lực tam giác mức thay kết lực đẩy P = (1/2).KAγ.γ.h.(h+a) độ cao: b = (h + 2a)/3 Bằng cách xem xét lực cân moment loại bỏ kích thước c, phương trình bậc bốn cho độ sâu Y thu sau: 6P a  8P  Y    Y    Y   2mb  q  Y m m m (1) 6P   6bq  P   m 3.2.2 Phương pháp King (1995) [5] Phân tích dựa sơ đồ áp lực đất hình 2: Hình Sự phân bố áp lực đất theo King Hình Sự phân bố áp lực đất theo Bowles Áp lực đất mặt hố đào: PA = Kaγ γ.h Xác định tỉ lệ gia tăng áp lực đất: m = (Kpγ – Kaγ).γ Những áp lực đất giả định sau: q1 = m.Y q2 = q + m.Y với : m = (Kpγ – Kaγ).γ Độ sâu nơi áp lực đất 0: Điều tương tự giả định trước để đơn giản hóa phương pháp thiết kế tại, với áp lực đất chủ động đến mặt đáy hố đào, ta có: P = PA = KA.γ.h Áp dụng tính chất tam giác đồng dạng ta được: P1 = (y-x).p/x P2 = ε.P1/(d-ε-y) Cân theo phương ngang ta có: P.(h+x)/2 + P2.ε/2 = (d-ε-y).P1/2 Thay cho P1 P2 h’= h/d, y’= y/d, x’= x/d, ε’ = ε/d, ta phương trình tương đương: x’.(h’+x’).(1-ε’-y’)+ε’2.(y’-x’)-(1-ε’-x’).(1-ε’-y’).(y’-x’) = (2) Mơ men điểm có độ sâu y: h.P.(h/3+y)/2+x.p.(y-x/3)/2-(y-x)2.P1/6+ (d-ε-y)2.P1/6-ε.P2.(d-ε/3-y)/2=0 17 Khai triển ta được: h’x’.(1-ε’-y’)(h’+3y’)+x’2.(1-ε’-y’)(3y’-x’)+ (y’-x’)(1-ε’-y’)[(1-ε’-y’)2-(y’-x’)2]-ε’2 (y’-x’)(3-ε’-3y’) = (3) Từ phương trình (2) ta có: y ' 1  2 '  y ' 1   '   x' (4) h ' 1   ' y '  y '2  1  2 '  Từ phương trình (3), từ x’của (4) ta có phương trình sau [(1-ε’)h’+(1-2ε’)]y’2+[(1-ε’)h’2(1-3ε’)]y’-[(1-2ε’)h’2+(1-3ε’)h’] = (5) 3.2.3 Phương pháp Day (1999) [4] Day (1999) thấy phương pháp King cho kết bảo thủ, đặc biệt giá trị thấp tham số K (với K = Kpγ/Kaγ) Nếu K thấp 7,90, giải pháp khơng thực tế Do ơng đề nghị, sở kết phân tích tương tác sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), giới thiệu giá trị tham số ε (ε = ε’.d; ε’=0,047ln(K)+0,1) 3.2.4 Phương pháp tính theo Stanislav [7] Từ kết nghiên cứu thực nghiệm Fang cộng (1994), giả định tổng lực kháng bị động (p0) huy động mặt đáy hố đào, tăng lên đến độ sâu (d1), có dạng cơng thức sau: p(z) = p0 + C1(z/d1) + C2(z/d1)2 với: C1 = γ(Kpγ – Kaγ)d1; C2 = -p0 – γ(Kpγ – Kaγ)d1 p* ( z)   p( z ) z  p0*  2( K  1)d1*  yhKa d1  z  p0*  2( K  1)d1    d1   n Trong khoảng độ sâu d2 áp lực đất phân bố sau:  z  d1   p( z )  pb   d2  m Trong pb áp lực đất chân tường Giá trị áp lực đất khoảng d2 cho (22) khoảng cách lực ngang so với điểm cho (23)  d*  R2*  pb    m  1  m 1  Z R*2  d 2*   m 2 Tham số m dựa nội suy số sử dụng kết phân tích đàn hồi theo FEM thể sau: m = + ln(K)/4 Giá trị áp lực đất chân tường xác định sau: pb* = (1+ d* + c* )(lnK + 3,8ln2K) (6) Các mối quan hệ xác định độ dốc tiếp tuyến (đường 2-3, hình 3) áp lực đất phía trước kết cấu chắn giữ qua điểm Pb* d1*  2( K  1)d1* d 2* m n P0*  2( K  1)d1* d 2* (7) Độ sâu chôn kết cấu chắn giữ d1 d2* xác định từ việc cân momen xung quanh điểm điều kiện cân lực cắt: * n  n  E * (a*  d * )  p0 d1*2    n  2( n  2)   Hình Sự phân bố áp lực đất theo Stanislav Sự phân bố áp lực đất huy động toàn khu vực d1 theo hàm mũ đưa đây: 18 (8) *2  n  2(n  1)  * d2 ( K  1)d1*3    p  b m2   n  3(n  2)   n  E *  p0* d1*    n 1 (9) * *  n   pb d2 ( K  1)d1*2  0   n 1 m 1 Giải hệ phương trình (7), (8), (9) ta tìm d1* d2* 4 Lựa chọn mơ hình thơng số đất để tính tốn ổn định hố móng sâu Plaxis với cơng trình cụ thể 4.1 Giới thiệu cơng trình, đặc điểm địa chất cơng trình khu xây dựng Cơng trình Vietcombank Tower, Số 5, quảng trường Mê Linh, phường Bến Nghé, quận 1, Tp Hồ Chí Minh gồm 35 tầng, tầng hầm với khu tiện ích, khu phục vụ, khu bán lẻ, nhà hàng bãi đậu xe xây dựng diện tích khoảng 3.200 m2, tiếp giáp quảng trường Mê Linh, đường Tôn Đức Thắng, Hai Bà Trưng, Mạc Thị Bưởi Phan Văn Đạt Đặc điểm địa chất khu vực có cấu tạo địa tầng gồm lớp đất, mặt cắt ngang địa chất tường hình 4: Hình Mặt cắt ngang địa chất tường đất 4.2 Các giai đoạn thi cơng hố đào Tường chắn cơng trình bêtơng cốt thép dày 1m, bêtơng mác 300 Cơng trình có tầng hầm nên có sàn: B0, B1, B2, B3, B4, sàn dày 0,3m riêng sàn B4 dày 2,9m Kích thước trung bình hố đào: 50m x 50m, chiều sâu đào lớn (4 tầng hầm) 15,7m, mực nước ngầm -1m, biện pháp thi công Top – Down Trình tự bước thi cơng hố đào sâu sau: - Giai đoạn 1: thi công tường vây, hạ mực nước ngầm (MNN) xuống -4m, đào đất đến cao trình -3m - Giai đoạn 2: thi cơng sàn B0 0,0m; - Giai đoạn 3: hạ MNN xuống -8,1m, đào đất đến cao trình -7,1m; - Giai đoạn 4: thi công sàn B1 -5,1m; - Giai đoạn 5: hạ MNN xuống -13,1m, đào đất đến cao trình -12,9m; - Giai đoạn 6: thi công sàn B3 -10,9m; - Giai đoạn 7: hạ MNN xuống -17,1m, đào đất đến cao trình -16,7m; - Giai đoạn 8: thi cơng sàn B2 -8m, sàn B4 -13,8m 4.3 Thông số đất Tác giả sử dụng mô hình Mohr Coulomb (MC), Hardening-Soil (HS) để mơ đất Bảng Mơ hình Mohr – Coulomb thông số đầu vào Ký hiệu z γunsat Kx Ky C φ Ψ Eref ν Rinter Đơn vị Đất đắp Sét pha m kN/m3 m/day m/day kPa deg deg kPa - MC thoát nước 2,5 18,5 1,2 0,6 20 19000 0,28 0,9 MC khơng nước 2,5 11,1 7,456E-04 3,73E-04 7,5 2,82 5000 0,28 0,9 Cát pha, nâu đỏ MC thoát nước 18 3,04E-05 1,52E-05 18,9 20,83 11375 0,3 0,9 Cát pha, xám xanh MC thoát nước 16,7 5,14E-05 2,57E-05 17 22,51 9625 0,3 0,9 Cát pha Sét MC thoát nước 25,7 17,5 2,94E-04 1,47E-04 12,4 29,78 20000 0,28 0,9 MC không thoát nước 1,5 17 2,6E-06 1,3E-06 100 15,2 23779 0,35 0,9 19 Bảng Mơ hình Hardening Soil thông số đầu vào Ký Đơn Cát pha, Cát pha, Đất đắp Sét pha Cát pha Sét hiệu vị nâu đỏ xám xanh HS HS HS HS HS HS thoát nước thoát nước thoát nước thoát nước thoát nước khơng nước z m 2,5 2,5 25,7 1,5 γunsat kN/m 18,5 11,1 18 16,7 17,5 17 Kx m/day 1,2 7,456E-04 3,04E-05 5,14E-05 2,94E-04 2,6E-06 Ky m/day 0,6 3,73E-04 1,52E-05 2,57E-05 1,47E-04 1,3E-06 C kPa 7,5 18,9 17 12,4 100 φ deg 20 2,82 20,83 22,51 29,78 15,2 ref E50 kPa 19000 5000 11375 9625 20000 23779 Eoedref kPa 19000 5000 11375 9625 20000 23779 ref Eur kPa 57000 15000 34125 28875 60000 71337 ν 0,28 0,28 0,3 0,3 0,28 0,35 Rinter 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 4.4 Kiểm chứng thơng số mơ hình Mohr - Coulomb Hardening Soil Tại giai đoạn thi cơng hố đào sâu, ta có kết chuyển vị ngang tường vây giai đoạn thi công thể hình 5, hình 6, hình hình tương ứng sau: Hình CVN ứng với pha đào -3m Hình CVN ứng với pha đào -7,1m Hình CVN ứng với pha đào -12,9m 20 Hình CVN ứng với pha đào -16,7m Từ kết quan trắc chuyển vị kết từ mơ hình HS MC ta tổng hợp kết so sánh chuyển vị ngang thể bảng sau: Bảng Kết chuyển vị ngang lớn từ mơ hình MC HS kết quan trắc Chênh lệch MC HS Giai đoạn thi HS Quan trắc với thực tế (%) MC (mm) công (mm) (mm) MC HS Pha đào -3m 9,2 14,5 9,1 1,1 37,24 Pha đào -7,1m 24 16,7 13,91 42 16,7 Pha đào -12,9m 47 26,7 25,6 45,53 4,12 Pha đào -16,7m 60 39 34,66 42,23 11,12 Dựa kết thể ta nhận thấy kết dự báo chuyển vị từ mơ hình MC lớn quan trắc thực tế 40 – 45% Có chênh lệch thơng số mơ hình lấy từ số liệu thí nghiệm phòng khơng phản ánh xác đất thực tế hạn chế mơ hình MC ứng xử đàn hồi chưa đạt đến dẻo giá trị mô đun không thay đổi theo ứng suất hữu hiệu suốt trình chịu tải Tại giai đoạn đào -3m (hình 5), kết dự đoán chuyển vị ngang lớn tường ứng với mơ hình MC HS 9,2mm 14,5mm, mơ hình MC cho chuyển vị gần với thực tế chuyển vị ngang lớn nằm bụng tường, mơ hình HS cho chuyển vị ngang lớn đỉnh tường, giống chuyển vị thực tế tường Hình dạng chuyển vị ngang thực tế tường cho ta thấy tường làm việc console, điều tương đối phù hợp với mơ hình HS Hình Biểu đồ áp lực đất theo HS Tại giai đoạn thi cơng (hình 6, hình 7, hình 8), kết dự báo từ mơ hình HS tỏ phù hợp với chuyển vị thực tế tường kết dự báo từ mơ hình MC Chuyển vị ngang lớn tường tính tốn từ mơ hình MC lớn từ mơ hình HS từ 30% đến 43% Qua kết so sánh ta rút kết luận chuyển vị ngang đạt từ phân tích mơ hình HS phù hợp với kết quan trắc thực tế so với mơ hình MC 4.5 So sánh kết áp lực đất tác dụng lên tường xác định từ mơ hình HS khơng sàn hầm với kết từ phương pháp giải tích Để so sánh Plaxis với kết áp lực đất tính từ phương pháp giải tích, tiến hành mơ thêm mơ hình với trường hợp khơng xây sàn hầm Vì trường hợp đơn giản mà cơng thức giải tích tính tốn Kết áp lực đất trình bày hình hình 10: Hình 10 Biểu đồ áp lực đất theo độ sâu 21 Từ hình 10 ta thấy hình dạng áp lực đất khoảng từ -16m đến -32m có dạng hình parabol, điều phù hợp với hình dạng phân bố áp lực đất thực tế Kết hợp với kết áp lực đất ta tính từ phương pháp giải tích, ta vẽ biểu đồ thể hình 11 Biểu đồ phân bố áp lực đất phương pháp có dạng tương tự nhau, biểu đồ phân bố áp lực đất theo Stanislav có hình dạng giống với kết từ PTHH (Plaxis) nhất, dạng biểu đồ đồng dạng với biểu đồ phân bố áp lực đất thực tự nhiên Hình 11 So sánh dạng biểu đồ áp lực đất từ phương pháp giải tích FE Phần mặt hố đào có áp lực đất chủ động nên giá trị áp lực đất phía hố đào phương pháp giải tích tính theo công thức Mohr-Rankine giá trị gần giống với giá trị áp lực đất lấy từ kết mô phương pháp phần tử hữu hạn, thay đổi từ mặt đáy hố đào trở xuống Trong khoảng từ -15,7m đến -34m giá trị áp lực đất từ phương pháp Stanislav cho kết phù hợp chênh lệch so với kết Plaxis khoảng 15%-20%, kết từ phương pháp Bowles Day chênh lệch 22 tương ứng 50% 60%, phương pháp Mohr – Rankine cho kết chênh lệch nhiều - 100% Kết luận Nội dung nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu xác định mơ hình phù hợp Plaxis để sử dụng cho mô lớp đất, số phương pháp giải tích phần tử hữu hạn (Plaxis) xác định áp lực tác dụng lên tường chắn để tính tốn ổn định hố móng sâu Qua việc so sánh kết tính tốn phân tích Plaxis với kết quan trắc với kết tính tốn giải tích kết luận cụ thể sau rút sau: - Mô lớp đất mơ hình HS MC cho kết hình dạng biểu đồ chuyển vị với chiều sâu phù hợp so với kết quan trắc thực tế Tuy nhiên độ lớn chuyển vị ngang chênh lệch - Kết tính tốn chuyển vị ngang theo mơ hình Hardening Soil lớn 1,1 – 1,2 lần; tính tốn theo mơ hình Mohr - Coulomb gấp gần lần so với kết quan trắc Như thấy mơ hình HS cho kết gần với thực tế quan trắc hơn, điều thông số mơ hình MC lấy từ số liệu thí nghiệm phòng khơng phản ánh xác đất thực tế hạn chế mơ hình MC ứng xử đàn hồi chưa đạt đến dẻo giá trị mô đun không thay đổi theo ứng suất hữu hiệu suốt trình chịu tải Phương pháp tính tốn áp lực đất Stanislav có xét đến ảnh hưởng hoạt tải mặt đáy hố đào (p) q trình thi cơng gây cho kết xác phương pháp giải tích khác so sánh với kết tính tốn phương pháp Plaxis TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hướng dẫn sử dụng phần mềm Plaxis V.8.2 Phòng Tính tốn học – khoa Kỹ thuật xây dựng - Trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Bá Kế, 2002 Thiết kế thi cơng hố móng sâu NXB Xây dựng, Hà Nội [3] Bowles, J E., 1986 Mat Design JACI, vol 83, no.6, Now-Dec, pp 1010-1017 (xem tiếp trang 30) [4] Day, R A., 1999 Net pressure analysis of cantilever sheet pile walls Geotechnique, London, England, 49 (2), pp 231-245 [5] King, G J W., 1995 Analysis of cantilever sheet-pile walls in cohesionless soil J Geotech Engng Div., ASCE,121 (9), pp 629-635 [6] R.B.J Brinkgreve & W Broere, Mannual Plaxis 2D- Version Delft University of Technology & PLAXIS b.v., The Netherlands [7] Stanislav, 2006 Interactional appoach of cantilever pile walls analysis Faculty of Civil Engineering, Maribor, Slovennia, 49 (2), pp 231-245 SUMMARY Choose a suitable soil behavior model for deep excavation calculating Duong Van Binh, Hanoi University of Mining and Geology The content of this report focused on an overview of the soil behavior model in PLAXIS, method of calculating earth pressure on retaining walls by the analytical method and finite element method On the analytical results for the actual monitoring results, deep excavation is calculated with some of soil behavior model to compare and propose to use The computing was carried out on Plaxis 8.5 software with two model of soil MC and HS It have shown that HS model agreed with observation Compare with analytics methods to define soil pressure that have shown, Stanislav method’s result agree with the result from Plaxis software and observation 23 ... nghiên cứu xác định mơ hình phù hợp Plaxis để sử dụng cho mô lớp đất, số phương pháp giải tích phần tử hữu hạn (Plaxis) xác định áp lực tác dụng lên tường chắn để tính tốn ổn định hố móng sâu Qua việc... tính tốn thiết kế hố móng sâu 3.1 Các giải pháp đảm bảo ổn định thi công hố móng sâu [2] Hiện giải pháp dùng để xử lý vấn đề nêu bao gồm: - Đào trần không chống giữ; - Chống giữ ván lát; - Chống... n 1 m 1 Giải hệ phương trình (7), (8), (9) ta tìm d1* d2* 4 Lựa chọn mơ hình thơng số đất để tính tốn ổn định hố móng sâu Plaxis với cơng trình cụ thể 4.1 Giới thiệu cơng trình, đặc điểm