Phân tích sự cùng làm việc của tường chắn chữ L với đất nền và đất đắp là cát theo mô hình vật liệu Hardening soil

Phân tích biến dạng tường chắn chữ L được thực hiện theo phương pháp phần tử hữu hạn với nhiều phương án khác nhau về kích thước tường, mô hình vật liệu đất, và tải trọng bề mặt tác dụng. Kết quả mô phỏng cho thấy khi chiều cao tường tăng, chuyển vị tổng cực đại tăng, hệ số ổn định tổng thể giảm. Tham khảo bài viết Phân tích sự cùng làm việc của tường chắn chữ L với đất nền và đất đắp là cát theo mô hình vật liệu Hardening soil để nắm bắt thông tin chi tiết.

PHÂN TÍCH SỰ CÙNG LÀM VIỆC CỦA TƯỜNG CHẮN CHỮ L VỚI ĐẤT NỀN VÀ ĐẤT ĐẮP LÀ CÁT THEO MƠ HÌNH VẬT LIỆU HARDENING SOIL TS Ngun Hång Nam Bộ môn Địa kỹ thuật, Trường Đại học Thuỷ lợi, Tóm tắt: Phân tích biến dạng tường chắn chữ L thực theo phương pháp phần tử hữu hạn với nhiều phương án khác kích thước tường, mơ hình vật liệu đất, tải trọng bề mặt tác dụng Kết mô cho thấy chiều cao tường tăng, chuyển vị tổng cực đại tăng, hệ số ổn định tổng thể giảm Trong phương án kích thước tường, mơ hình Hardening Soil cho giá trị lớn chuyển vị tổng cực đại, mơ hình đàn hồi tuyến tính Mohr-Coulomb cho giá trị nhỏ xấp xỉ Khi chiều cao tường tăng, tường có xu xoay phía lưng tường áp dụng mơ hình đàn hồi tuyến tính Mohr-Coulomb; nhiên, tường bị đổi chiều xoay từ phía lưng tường sang phía ngực tường H=9m áp dụng mơ hình Hardening Soil Sự khác nói chủ yếu phụ thuộc trạng thái ứng suất đặc tính biến dạng đất cát xem xét mô hình Hardening Soil I GIỚI THIỆU Đối với số khu vực biên giới, ven biển Quảng Ninh, Hải Phòng, Quảng Bình v.vv vật liệu đất đắp đất phần lớn đất cát, có nơi chiều dày phân bố hàng chục mét (Viện khoa học Thuỷ lợi, 2005; Trường Đại học Thuỷ lợi, 2006) Tại khu vực này, việc xây dựng cơng trình tường chắn cần thiết ngồi u cầu kỹ thuật, kinh tế, cơng trình phải đáp ứng yêu cầu quốc phòng, an ninh Những nghiên cứu gần giới cho thấy phụ thuộc trạng thái ứng suất rõ rệt đặc tính biến dạng đất cát mơ đun Young, mô đun kháng cắt, hệ số Poisson (Tatsuoka Kohata, 1995; HongNam Koseki, 2005) Các đặc tính biến dạng thông số đầu vào cần thiết để thiết kế cơng trình Trong thiết kế tường chắn, số quy phạm sử dụng rộng rãi Hướng dẫn thiết kế tường chắn cơng trình thuỷ lợi H.D.T.L-C-4-76 (Nguyễn Xuân Bảo Nguyễn Công Mẫn, 1977) Tuy nhiên, cần ý phụ thuộc trạng thái ứng suất đặc tính biến dạng đất chưa xem xét đầy đủ tiêu chuẩn thiết kế cơng trình thuỷ lợi Tường chắn dạng chữ L (Hình 1) sử dụng phổ biến giới, thích hợp trường hợp: vùng đất đắp phía sau tường chắn bị hạn chế và/hoặc cần phải sử dụng đất chỗ làm vật liệu đắp; vùng thị cần có yêu cầu mỹ quan ổn định lâu dài; tường thấp chiều dài không lớn (Bowles, 1997) Nghiên cứu nhằm mục đích phân tích biến dạng tường chắn chữ L, có xét phụ thuộc trạng thái ứng suất đặc tính biến dạng đất cát dùng làm vật liệu đắp (Nguyễn Hồng Nam nnk, 2008) 139 200mm (tối thiểu) 300mm (thông dụng) Độ dốc lớn H/12H/10 D O B=0.40.7H Hình Tường chắn chữ L (Bowles, 1997) II PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG TƯỜNG CHẮN CHỮ L 2.1 Mơ tốn Phân tích biến dạng tường chắn chữ L thực theo phương pháp phần tử hữu hạn Các phương án khác kích thước hình học, mơ hình vật liệu đất tải trọng bề mặt tác dụng phân tích chi tiết 2.1.1 Kích thước hình học Tám phương án khác kích thước tường, chiều cao tường H thay đổi từ 3m đến 10m xem xét (xem Bảng Hình 2) Các kích thước lựa chọn chủ yếu dựa kinh nghiệm thực tế tích lũy từ cơng trình tường chắn chữ L ổn định theo lời giải Rankine (Bowles, 1997) 2.1.2 Trường hợp tính tốn Trường hợp tính tốn xét trường hợp thi cơng Q trình thi cơng tường chia làm giai đoạn sau: - Giai đoạn 1: Đào hố móng thi cơng tường chắn; - Giai đoạn 2: Đắp đất đến cao trình đỉnh tường (khơng có tải trọng bề mặt); - Giai đoạn 3: Tường đắp xong, đỉnh tường có tải trọng bề mặt phân bố với cường độ q=25 kN/m2 Lưu ý phía sau lưng tường đắp đất hoàn toàn, phạm vi đắp đủ lớn Mực nước ngầm xem khơng thay đổi q trình thi cơng Cao trình mực nước ngầm giả thiết ngang cao trình đáy 140 móng ứng với phương án tường cao H=10m Như cao trình mực nước ngầm ln thấp cao trình đáy móng phương án lại với chiều cao tường 10m Chú ý, trường hợp vận hành khai thác, nhờ sử dụng thiết bị thoát nước chân tường nên giả thiết đất đắp sau tường ln khơ ráo, mực nước ngầm không dâng cao nên không gây ảnh hưởng bất lợi đến ổn định tường chắn 2.1.3 Mơ hình vật liệu a) Tường chắn Tường chắn làm bê tông cốt thép đổ chỗ, bê tơng mác 300 Vì vậy, tường chắn mơ theo mơ hình đàn hồi tuyến tính, khơng rỗng với tham số mơ hình thể Bảng b) Đất đất đắp Đất đất đắp tường chắn thuộc loại đất cát - Mẫu cát lấy Đồ Sơn, Hải Phòng (gọi tắt cát Hải Phòng) thuộc loại cát hạt mịn, màu xám đen, có lẫn vỏ sò (emax=1.147, emin= 0.773, eo= 0.835, Dro=83.4%, Gs=2.66) Đường cấp phối hạt cát Hải Phòng thể Hình - Mẫu cát đắp lấy Chí Linh, Hải Dương (gọi tắt cát Hải Dương) thuộc loại cát hạt trung, lẫn sạn, màu vàng (emax= 0.811, emin=0.627, eo= 0.69, Dro=65.8%, Gs=2.66) Đường cấp phối hạt cát Hải Dương thể Hình Đất đắp Mặt đất tự nhiên Mực nước ngầm Đất Hình Sơ đồ mơ tốn thiết kế tường chắn chữ L Bảng Các phương án kích thước tường chắn Thông PA PA PA PA PA PA PA PA 1.8 0.6 0.3 0.9 0.2 0.3 0.6 2.4 0.8 0.4 1.2 0.2 0.4 0.7 0.5 1.5 0.3 0.5 0.8 3.6 1.2 0.6 1.8 0.3 0.6 0.9 4.2 1.4 0.7 2.1 0.4 0.7 4.8 1.6 0.8 2.4 0.4 0.8 1.1 5.4 1.8 0.9 2.7 0.5 0.9 1.2 10 0.5 1.3 Bảng Tham số mơ hình đàn hồi tuyến tính tường chắn Tham số Trọng lượng riêng tự nhiên  Mô đun đàn hồi Young E Hệ số Poisson v Đơn vị kN/m kN/m - Giá trị 25 2.9x10 0.2 Các mẫu cát Hải Phòng chế bị với độ chặt tự nhiên Dro=83.4%, w =11.36%, w=1.615T/m3, k=1.45 T/m3, eo= 0.835 Các mẫu cát Hải Dương chế bị với w =2.8%, w=1.617 T/m3, k=0.95kmax=1.573 T/m3, eo=0.691 theo yêu cầu độ chặt thiết kế Để nghiên cứu ảnh hưởng mơ hình đất khác biến dạng tường chắn, ứng với phương án kích thước tường khác nhau, đất đất đắp loại mơ theo mơ hình đất khác mơ hình đàn hồi tuyến tính, Mohr-Coulomb Hardening Soil điều kiện nước (Hình 5) Các Bảng 3, thể tham số mơ hình đất nói Các tham số mơ hình lựa chọn dựa kết thí nghiệm phòng máy nén trục máy nén cố kết trục (Nguyễn Hồng Nam nnk, 2008) Chi tiết mơ hình đất đàn hồi tuyến tính, Mohr-Coulomb Hardening Soil, tham khảo Brinkgreve nnk (2006) Chú ý mơ hình nghiên cứu, có mơ hình Hardening Soil có xét phụ thuộc trạng thái ứng suất đặc tính biến dạng đất Tương tác tường đất mô phần tử tiếp xúc 2.1.4 Phần mềm tính tốn Phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 8.6 hãng Plaxis, Hà Lan (Brinkgreve nnk, 2006) sử dụng để mơ biến dạng cơng trình Miền tính tốn rời rạc hố phần tử tam giác biến dạng phẳng 15 điểm nút Số lượng phần tử thay đổi theo phương án kích thước khoảng từ 500 đến 900 phần tử (Hình 6) Tổng số trường hợp phân tích 48, phương án kích thước tường, phương án mơ hình vật liệu, phương án tải trọng bề mặt tác dụng 2.2 Kết mô thảo luận 2.2.1 Chuyển vị tổng cực đại Hình thể kết tính chuyển vị tổng cực đại cơng trình giai đoạn đắp đất đến cao trình đỉnh tường ứng với phương án kích thước tường mơ hình đất khác nói Có thể thấy chiều cao tường tăng, chuyển vị tổng cực đại tăng Trong phương án kích thước tường, mơ hình Hardening Soil cho giá trị lớn chuyển vị tổng cực đại; hai mơ hình đàn hồi tuyến tính Mohr-Coulomb cho giá trị nhỏ gần chuyển vị tổng cực đại Hình thể kết tính chuyển vị tổng cực đại cơng trình giai đoạn tường đắp xong, đỉnh tường có tải trọng phân bố q=25 kN/m2, ứng với phương án khác kích thước tường mơ hình đất nói 100 C¸t Hải Phòng 80 Lượng lọt sàng P (%) s H (m) B (m) B1 (m) B2 (m) B3 (m) C (m) D (m) E (m) 60 40 20 MÉu 1a 1E-3 0.01 0.1 10 100 Đường kính hạt D (mm) Hình Đường cấp phối hạt cát Hi Phũng 141 H s Poisson 100 Cát Hải Dương vur Hệ số thấm Kx=Ky - 0.2 0.2 m/day 1.0 1.0 Lượng lọt sàng P (%) 80 Bng Tham số mơ hình Hardening Soil đất đất đắp 60 Tham số 40 20 MÉu 2a 1E-3 0.01 0.1 10 100 Đường kính hạt D (mm) Hình Đường cấp phối hạt cát Hải Dương    Mohr-Coulomb Linear elastic Hardening soil  Hình Các mơ hình đất sử dụng mơ Bảng Tham số mơ hình đàn hồi tuyến tính đất đất đắp Tham số Đơn vị Đất Đất đắp Trọng lượng riêng tự nhiên  kN/m 15.63 16.53 Trọng lượng riêng bão hoà bh kN/m 19.9 21.6 kN/m 32000 35000 - 0.2 0.2 m/day 1.0 1.0 Mô đun đàn hồi Young Hệ số Poisson v Hệ số thấm Kx=Ky E Bảng Tham số mơ hình Mohr-Coulomb đất đất đắp Tham số Đơn vị Góc nở  142 đắp 15.63 16.53 19.9 21.6 32000 35000 7.3 7.85 o 37 38 o Trọng lượng riêng bão hoà bh kN/m Mô đun đàn hồi Young Eref kN/m kN/m  Đất Trọng lượng riêng tự nhiên  kN/m Lực dính c Góc ma sát Đất 2 đắp 15.63 16.53 Trọng lượng riêng bão hoà bh kN/m 19.9 21.6 (với p ref  100kPa ) kN/m 32000 35000 pref  100kPa ) kN/m 96000 105000 pref  100kPa ) kN/m 32000 35000 kN/m2 7.3 7.85 o 37 38 o - 0.2 0.2 - 0.5 0.5 0.398 0.384 E ref 50 E ref ur E ref oed (với (với Lực dính c Góc ma sát  Góc nở   Đất vur Hệ số mũ m  Đất Trọng lượng riêng tự nhiên  kN/m Hệ số Poisson Đơn vị Hệ số K nc Cường độ kéo kN/m 0.0 0.0 Tỷ số phá hoại - 0.9 0.9 Hệ số thấm Kx=Ky m/day 1.0 1.0 Chú thích: 1: Cát Hải Phòng 2: Cát Hải Dương Có thể nhận thấy kết chuyển vị giai đoạn tương tự kết chuyển vị giai đoạn Tuy nhiên, giai đoạn 3, giá trị chuyển vị tổng cực đại áp dụng mơ hình Hardening Soil lớn đáng kể giá trị chuyển vị tổng cực đại áp dụng mơ hình MohrCoulomb đàn hồi tuyến tính (Hình 8) Do ảnh hưởng tải trọng bề mặt, với phương án kích thước tường mơ hình đất, chuyển vị tổng cực đại giai đoạn có giá trị lớn giá trị chuyển vị tương ứng giai đoạn (khơng có tải trọng bề mặt) 2.2.2 Chuyển vị ngang lưng tường Quan hệ chuyển vị ngang, ux, mặt cắt lưng tường chắn A-A* (Hình 6) với chiều cao tường, H (tính từ chân tường) ứng với phương án khác kích thước tường mơ hình đất giai đoạn thi cơng thứ thể Hình đến 11 Kết tính tốn áp dụng mơ hình đất đàn hồi tuyến tính (Hình 9) Mohr-Coulomb (Hình 10) cho thấy chiều cao tường tăng, A B AA A* B* AA Hình Lưới phần tử hữu hạn mơ làm việc tường chắn chữ L 11 10 q=0 ChiÒu cao t­êng H (m) Linear-elastic Mohr-Coulomb Hardening Soil 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Chun vÞ tổng cực đại (mm) Hỡnh Chuyn v tng cc đại theo phương án chiều cao tường mô hình đất khác giai đoạn 11 10 q=25kN/m ngực tường H>4m, điểm đỉnh tường bị chuyển dịch phía đất đắp Nói cách khác, tường có xu bị xoay phía đất đắp chiều cao tường tăng Tuy nhiên, kết phân tích mơ hình Mohr-Coulomb (Hình 10) cho thấy điểm đỉnh tường tăng chuyển vị ngang phía đất đắp chiều cao tường tăng từ H = 3-8m, giảm chuyển vị ngang H=9-10m Hình 11 cho thấy chuyển vị ngang mặt cắt lưng tường áp dụng mơ hình đất Hardening Soil Các điểm chân tường bị đẩy dịch hoàn toàn phía ngực tường chiều cao tường tăng Các điểm đỉnh tường bị đẩy dịch phía ngực tường H>5m Cần đặc biệt ý có đổi chiều xoay tường từ trạng thái xoay phía lưng tường H9m (Hình 11) Để an toàn nên thiết kế tường với chiều cao 8m Khi thiết kế tường cao 9m, cần đặc biệt ý biện pháp gia cường nhằm tăng độ cứng tường Tại giai đoạn (có xét tải trọng bề mặt q=25 kN/m2), kết tương tự kết giai đoạn thể Hình 12 đến 14 Kết phân tích chuyển vị ngang giai đoạn với mơ hình đàn hồi tuyến tính (Hình 12) mơ hình Mohr-Coulomb (Hình 13) cho thấy tường có xu xoay phía lưng tường chiều cao tường tăng Tuy nhiên, ảnh hưởng tải trọng bề mặt, chuyển vị ngang đỉnh tường có giá trị lớn giá trị tương ứng giai đoạn (Hình 10) 10 q=0 Mô hình đất: Linear-Elastic 8 6 H (m) ChiÒu cao t­êng H (m) Linear-elastic Mohr-Coulomb Hardening soil 10 20 30 40 50 60 70 80 H=3m H=4m H=5m H=6m H=7m H=8m H=9m H=10m 90 Chun vÞ tỉng cùc ®¹i (mm) Hình Chuyển vị tổng cực đại theo phương án chiều cao tường mơ hình đất khác giai đoạn -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 ux(m) Hình Chuyển vị ngang lưng tường giai đoạn (mơ hình đất đàn hồi tuyến tính) Các điểm chân tường bị đẩy dịch v phớa 143 lý hn 10 Mô hình đất: Mohr-Coulomb H (m) q=0 m -0.006 -0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 ux(m) Hình 10 Chuyển vị ngang lưng tường giai đoạn (mô hỡnh t Mohr-Coulomb) 10 Mô hình đất: Hardening soil H3m H4m H5m H6m H7m H8m H9m H10m q=0 H (m) -0.012 -0.010 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004 ux(m) Hình 11 Chuyển vị ngang lưng tường giai đoạn (mơ hình đất Hardening Soil) Kết tính tốn chuyển vị ngang áp dụng mơ hình Hardening Soil giai đoạn (Hình 14) tương tự kết giai đoạn (Hình 11), nhiên, giá trị tuyệt đối chuyển vị ngang đỉnh đáy tường lớn Chú ý tường bị đổi chiều xoay từ phía lưng tường H9m Các kết phân tích biến dạng giai đoạn thi cơng số cho thấy mơ hình đất có ảnh hưởng quan trọng đến chuyển vị cơng trình Nhìn chung mơ hình đàn hồi tuyến tính mơ hình Mohr-Coulomb cho kết khơng phản ánh ứng xử thực đất phụ thuộc trạng thái ứng suất đặc tính biến dạng sử dụng số mô đun đàn hồi (Bảng 4) Trong đó, mơ hình Hardening Soil có xét phụ thuộc trạng thái ứng suất đặc tính biến dạng đất, tức độ cứng đất tăng theo chiều sâu theo công thức (1) (Brinkgreve nnk, 2006), nên cho kết hợp 144  c cos    3' sin    (1) E50  E  ref  c cos   p sin   Theo công thức (1), độ sâu tham chiếu, ’3 = Pref (=100 kPa) nên E50  E50ref Đối với mơ hình Hardening Soil, độ sâu tham chiếu, mô đun Young đất E50ref có giá trị giá trị (hằng số) tương ứng E mơ hình đàn hồi tuyến tính (Bảng 3) E ref mơ hình Mohr-Coulomb (Bảng 4); độ sâu nhỏ độ sâu tham chiếu nói trên, giá trị mơ đun Young đất nhỏ giá trị tương ứng hai mơ hình lại Vì phạm vi kích thước tốn nghiên cứu (H=3-10m), chuyển vị ngang tường tính theo mơ hình Hardening Soil có giá trị lớn chuyển vị ngang tường tính theo mơ hình đàn hồi tuyến tính Mohr-Coulomb Tatsuoka Kohata (1995) cho mơ đun đàn hồi đất theo phương tỷ lệ thuận với giá trị ứng suất pháp tác dụng theo phương Điều có nghĩa mơ đun đàn hồi đất tăng chiều cao tường tăng Vì vậy, khó khăn áp dụng mơ hình đàn hồi tuyến tính Mohr-Coulomb việc lựa chọn giá trị mơ đun đàn hồi thích hợp với mức ứng suất Việc áp dụng mơ hình Hardening Soil khắc phục khó khăn nói Tuy nhiên, để kiểm nghiệm kết mô tại, việc thu thập số liệu chuyển vị tường chắn trường mơ hình tỷ lệ thực cần thiết ref 50 H=3m H=4m H=5m H=6m H=7m H=8m H=9m H=10m 10 Mô hình đất: Linear-Elastic q=25 kN/m H (m4) H3m H4m H5m H6m H7m H8m H9m H10m -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 ux(m) Hình 12 Chuyển vị ngang lưng tường giai đoạn (mơ hình đất đàn hi tuyn tớnh) Mô hình đất: Mohr-Coulomb q=25 kN/m H3m H4m H5m H6m H7m H8m H9m H10m H (m) -0.006 -0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 ux(m) Hình 13 Chuyển vị ngang lưng tường giai đoạn (mơ hình đất Mohr-Coulomb) 10 Mô hình đất: Hardening soil q=25 kN/m H (m) H3m H4m H5m H6m H7m H8m H9m H10m -0.014 -0.012 -0.010 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004 u x(m) Hình 14 Chuyển vị ngang lưng tường giai đoạn (mơ hình đất Hardening Soil) 2.2.3 Áp lực đất tác dụng lên tường chắn Hình 15 16 so sánh giá trị ứng suất theo phương ngang ’x đất đắp tính, giai đoạn 2, theo mơ hình đất khác nói mặt cắt thẳng đứng BB* qua điểm gót móng tường (Hình 6) với giá trị áp lực đất chủ động ’a=Kaz áp lực đất tĩnh ’xo=Koz phương án tường thấp (H=3m) phương án tường cao (H=10m) Trong trình mơ phỏng, lực dính nhỏ nên bỏ qua Các hệ số áp lực đất chủ động áp lực đất tĩnh tính theo công thức Rankine Jaky sau: Ka=tg2(45o-/2) Ko=1-sin Trọng lượng riêng  góc ma sát  đất đắp lấy theo Bảng z độ sâu tính tốn kể từ đỉnh tường Nhìn chung giá trị ’x tính với mơ hình đàn hồi tuyến tính Mohr-Coulomb khơng hợp lý ’x q lớn (đối với mơ hình đàn hồi tuyến tính) điểm gần đỉnh tường (Hình 15, 16) ’x < ’a (đối với hai mơ hình) điểm gần chân tường (Hình 16) Ngược lại, mơ hình Hardening Soil cho giá trị ’x hợp lý hơn, nằm khoảng áp lực đất chủ động áp lực đất tĩnh: ’a < ’x