Phân tích theo ứng suất hữu hiệu khơng thốt nước với các thơng số

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TỐN

2.2 Giới thiệu sơ bộ phần mềm Plaxis và cơ sở tính tốn trong Plaxis liên quan

2.2.4 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu khơng thốt nước với các thơng số

cứng hữu hiệu

Trong Plaxis, việc xác định ứng xử khơng thốt nước trong một phân tích ứng suất hữu hiệu bằng cách sử dụng các thông số hữu hiệu là có thể thực hiện được. Điều này đạt được bằng việc xem loại ứng xử vật liệu (Material type) của một lớp đất là khơng thốt nước (Undrained), theo đó, cho phép việc tính tốn khơng thốt nước với những thông số hữu hiệu thông qua sự phân biệt giữa ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng (thặng dư).

Một phân tích như trên địi hỏi những thơng số hữu hiệu của đất và vì thế sẽ có sự tiện lợi cao khi có đủ những thơng số này. Đối với những dự án có liên quan đến yếu tố đất yếu, số liệu chính xác của những thông số hữu hiệu không phải lúc nào cũng có đủ. Thay vào đó, các thử nghiệm hiện trường và trong phịng thí nghiệm có thể được thực hiện để xác định những thơng số khơng thốt nước của đất. Ví dụ cho trường hợp này là cơng thức E Eu

3 )' 1 ( 2

'  . Đối với các mơ hình nâng cao thì khơng có cơng thức biến đổi trực tiếp này. Khi đó sẽ khuyến khích việc ước tính thơng số E'(yêu cầu) từ thơng số Euđo được, sau đó có thể thực hiện một thí nghiệm khơng thốt nước đơn giản để kiểm tra Euđang dùng để tính tốn và điều chỉnh E'nếu cần.

2.2.5 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu không thốt nước với các thơng số chống cắt hữu hiệu

Đối với các loại đất nói chung, trạng thái ứng suất ở giai đoạn phá hoại đều có thể được mô tả với mức độ phù hợp rất cao bởi chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb theo các thông số hữu hiệu ’ và c’. Điều này cũng áp dụng được cho các điều kiện khơng thốt nước. Trong Plaxis, các thơng số hữu hiệu về cường độ có thể được sử dụng khi kết hợp với việc chọn Material type là Undrained, do Plaxis phân biệt

được giữa ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng. Sự tiện lợi của việc sử dụng các thông số hữu hiệu về cường độ trong điều kiện khơng thốt nước là việc gia tăng sức chống cắt sẽ được tính tự động tương ứng với quá trình tăng cố kết.

Tuy nhiên, đặc biệt đối với các loại đất yếu, các thông số hữu hiệu về cường độ khơng phải lúc nào cũng có đủ, và chúng ta phải vận dụng sức chống cắt khơng thốt nước (cu hoặc su) đo được từ các thí nghiệm khơng thốt nước. Mặc dù vậy, sức chống cắt khơng thốt nước khơng thể dễ dàng được sử dụng để xác định các thông số hữu hiệu về cường độ ’ và c’. Hơn nữa, ngay cả chúng ta đã có các thơng

số hữu hiệu thích hợp, sự cẩn trọng cần phải có như là để xem xét việc các thơng số hữu hiệu này có cung cấp được sức chống cắt khơng thoát nước phù hợp trong phân tích hay khơng. Lý do là lộ trình ứng suất hữu hiệu trong phân tích khơng thốt nước có thể là khơng giống như thực tế do các giới hạn của mơ hình được áp dụng.

2.2.6 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu không thốt nước với các thơng số chống cắt khơng thốt nước

Sử dụng sức chống cắt khơng thốt nước để xác định các thơng số hữu hiệu về cường độ (’ và c’ ) là việc khó khăn. Như là một phép biến đổi cho các phân

tích khơng thốt nước với các thông số hữu hiệu về cường độ, Plaxis cho phép một cách phân tích ứng suất hữu hiệu khơng thốt nước (Material type = Undrained) với việc nhập trực tiếp các thông số đầu vào của sức chống cắt khơng thốt nước, nghĩa là  u 0 và ccu. Cách này chỉ áp dụng đối với mơ hình Mohr-Coulomb, mơ hình HS và HSsmall; nhưng khơng áp dụng cho các mơ hình SS, SSC và MCC. Khi

các thơng số về độ cứng (là E’ và ’ trong mơ hình Mohr-Coulomb hoặc những

thông số độ cứng tương ứng trong các mơ hình nâng cao).

2.2.7 Phân tích theo ứng suất tổng khơng thốt nước với các thơng số khơng thốt nước

Nếu, vì một lý do nào đó, việc khơng mong muốn sử dụng lựa chọn

Undrained trong Plaxis để thực hiện một phân tích khơng thốt nước là có thật,

chúng ta có thể mơ phỏng ứng xử khơng thốt nước bằng việc sử dụng cách phân tích ứng suất tổng với các thơng số khơng thốt nước. Khi đó, độ cứng được mơ hình bằng cách sử dụng Euvà u; cường độ chịu lực được mơ hình bằng cách sử dụng sức chống cắt khơng thốt nước cu(su) và  u 0. Trong trường hợp này, khuyến nghị u= 0,495 thay cho giá trị chính xác là 0,5 (vì u= 0,5 sẽ tạo ra điểm kỳ dị của ma trận độ cứng). Trong Plaxis chỉ có thể thực hiện một phân tích ứng suất tổng với các thơng số khơng thốt nước nếu mơ hình Mohr-Coulomb được sử dụng. Trong trường hợp này, Material type nên được gán là Drained (không phải Undrained).

2.2.8 Phân tích Phi-c reduction (Safety analysis)

Phân tích Phi-c reduction là một lựa chọn trong Plaxis để tính tốn các hệ số an tồn, tương tự PP tính tốn các hệ số ổn định (cổ điển) trong các phân tích theo mặt trượt cung tròn (cổ điển). Bằng cách phân tích Phi-c reduction, các thơng số tan và c của đất được giảm dần (reduced) theo từng cấp cho đến khi sự phá hoại

của kết cấu xảy ra. Sức chống cắt của những bề mặt tiếp xúc, nếu được sử dụng, cũng sẽ được giảm dần tương ứng. Cường độ của những vật thể kết cấu như các phần tử tấm và neo không bị ảnh hưởng bởi Phi-c reduction.

Sự giảm dần (theo từng cấp) của tan và c được kiểm soát bởi hệ số tổng

(total multiplier) là reduced input reduced input c c Msf  

 tantan . Hệ số Msf được tăng dần cho đến khi hình thành cơ cấu phá hoại của nền đất. Theo đó, hệ số an toàn (safety factor) được định nghĩa là giá trị của Msf ở trạng thái phá hoại.

Chuyển vị bổ sung được phát sinh trong mỗi bước tính tốn Phi-c reduction. Chuyển vị tổng thì khơng có ý nghĩa vật lý, nhưng độ gia tăng chuyển vị tổng (total increments) trong bước tính tốn sau cùng (khi cơ cấu phá hoại được hình thành) sẽ đưa ra một sự thể hiện gần như là của cơ cấu phá hoại (Hình 2.1 là một điển hình).

Hình 2.1. Màu biểu thị độ lớn số gia chuyển vị tổng ở trạng thái phá hoại

2.2.9 Áp dụng Plaxis cho các bài toán của Luận văn

Nguyên lý cơ bản của Plaxis dựa trên các thông số hữu hiệu; tuy nhiên, do có nhiều sự hạn chế (về quy mơ, đặc điểm cơng trình) nên hầu hết các thơng số cơ lý quan trọng (như , c,...) trong các tài liệu khảo sát địa chất tương ứng với các bài toán của Luận văn đều không phải là các thông số hữu hiệu, đồng thời, việc thí nghiệm nén 3 trục cho đất để xác định các thông số cơ lý đầu vào cho Plaxis đã không được thực hiện. Cụ thể về một số thông số cơ lý cần thiết được xác định từ các tài liệu địa chất được sử dụng cho Luận văn như sau:

 Xác định thông số cơ lý về biến dạng được thực hiện thơng qua PP thí nghiệm nén khơng nở hơng (Oedometer Test) cho ra thông số Eoed  Tham khảo Mục 3.10 (Vấn đề lún của móng) sách Cơ học đất (Châu Ngọc Ẩn 2010 – Nhà xuất bản Đại học QG Tp.HCM) [13] để xác định Eref (nhập vào Plaxis).

 Xác định thông số cơ lý về sức chống cắt (của sét yếu) được thực hiện thơng qua PP thí nghiệm cắt nhanh (tạm chấp nhận là khơng thốt nước)  cho ra

u và cu đối với các mẫu đất bão hòa (nằm dưới mực nước ngầm).

Qua đó, việc vận dụng Plaxis cho Luận văn có thể được thực hiện như sau:

xác định các thông số hữu hiệu về sức chống cắt của đất (như ’, c’ ) thì hệ số an

toàn ở giai đoạn ban đầu (như đề cập ở trên) được tính tốn trong Plaxis [tham khảo Mục 2.2.5] theo ứng xử vật liệu (Material Type) là khơng thốt nước (Undrained) với mơ hình Mohr-Coulomb. Đây là cách tính tốn đạt độ chính xác phù hợp nhất. Tuy nhiên, như đề cập ở phần trên, do một số hạn chế của các tài liệu địa chất được sử dụng cho Luận văn nên việc xác định hệ số an toàn ở giai đoạn ban đầu sẽ được thực hiện trong Plaxis thông qua cách nhập với một số nội dung chính như trình bày dưới đây:

 Giả thiết các lớp đất nền đều nằm dưới mức nước ngầm. (Đây là giả thiết phù hợp thực tế với địa hình trũng sâu và ngập lũ thường niên của các vùng đất trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp).

 Sử dụng cách tính theo Ứng suất tổng khơng thốt nước với các thông số khơng thốt nước (mục 2.2.7) theo mơ hình Mohr-Coulomb. Theo đó, chọn

Material Type (của sét yếu) là Drained (thốt nước) nhưng các thơng số đầu vào là

các thơng số khơng thốt nước (Undrained), trong đó bao gồm u và cu

 Nhập Eu và  =u =0,495 (thay vì 0,5), với Eu được tính theo cơng

thức E Eu 3 )' 1 ( 2

'  . Trong đó: E’ (hoặc Eref ) được xác định từ tài liệu địa chất; hệ số ’ được giả định trên cơ sở tài liệu tham khảo [20].

 Sử dụng w (dung trọng tự nhiên) cho các lớp đất nằm trên mực nước

ngầm (MNN); sat (dung trọng bão hòa) cho các lớp đất nằm dưới MNN.

 Về tính tốn độ lún của nền cơng trình đắp cao:

 Sử dụng Mơ hình đàn hồi (Linear Elastic model - LE).

 Chọn Material Type (loại ứng xử vật liệu) là Drained (thoát nước).

 Hệ số ’ được giả định trên cơ sở tài liệu tham khảo [20].

 Nhập Eref (xác định từ tài liệu địa chất).

 Sử dụng w (dung trọng tự nhiên) cho các lớp đất nằm trên mực nước

 Về tính tốn thời gian kết thúc cố kết của nền dưới khối đắp cao:

Việc nhập các thông số đầu vào về cơ bản giống như cách nhập cho phần tính tốn độ lún (vừa nêu ở trên); tuy nhiên, trong trường hợp này, loại ứng xử vật liệu (Material Type) được chọn là Undrained. Ngồi ra, có một vài thơng số đầu

vào (liên quan đến tính tốn cố kết) được bổ sung như sau:

 Nhập hệ số thấm kx (theo phương ngang) và ky (theo phương đứng),

được giả định trên cơ sở tài liệu tham khảo [20].

 Thời gian kết thúc quá trình cố kết tương ứng với thời điểm áp lực nước lỗ rỗng (thặng dư) nhỏ hơn 1,0 kN/m2 (Minimum pore pressure).

2.3 Cơ sở tính tốn độ lún cố kết (theo giải tích)

Theo [14], độ lún cố kết Sc của nền đất cố kết thường được dự tính theo PP

phân tầng lấy tổng với công thức sau:

           n i ci i v i c i c i i c C e H S 1 0 lg 1    (2.1) Chiều sâu vùng đất yếu bị lún dưới tác dụng của tải trọng đắp hay phạm vi chịu ảnh hưởng của tải trọng đắp Za được xác định theo điều kiện:

za c

za 0,15 .

  (2.2)

Hình 2.2. Minh họa mặt cắt các lớp đất liên quan các cơng thức tính lún Trong đó: Trong đó:

i

e0 – Hệ số rỗng của lớp đất i ở trạng thái tự nhiên ban đầu;

i c

C – Chỉ số nén lún của lớp đất thứ i;

i c

 – Áp lực hữu hiệu ban đầu do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên điểm tính lún (chính giữa) của lớp i;

i v



 – Áp lực tăng thêm do tải trọng đắp gây ra tại điểm tính lún (chính giữa) của lớp i;

za

 là ứng suất do tải trọng đắp gây ra ở độ sâu Za ;

za c.

 là ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân các lớp phía trên gây ra ở

độ sâu Za

Riêng chỉ số nén lún Cc được thí nghiệm thơng qua thí nghiệm nén lún khơng nở

hơng đối với các mẫu nguyên dạng đại diện cho lớp đất yếu i hoặc tham khảo [15] theo Bảng 2.1. Trong q trình tính lún, tùy theo từng loại đất giá trị Cc sẽ được tính theo một hàm phù hợp được chọn (trong Bảng 2.1) theo hướng chọn theo giá trị lớn nhất của Cc (thiên về an toàn).

Bảng 2.1. Đề xuất hàm (hồi quy) dự báo chỉ số nén lún (Cc)

STT Các chỉ tiêu vật lý liên quan Phương trình dự báo Tương quan R2 1 LL Cc = 0,017 LL – 0,321 60,20% 2 e0 Cc = 0,4579 e0 – 0,2117 86,54% 3 w0 Cc = 0,0115 w0 – 0,1558 86,30% 4 LL, w Cc = 0,0105 w0 + 0,0022 LL – 0,2 86,66% 5 LL, e0 Cc = 0,003 LL + 0,406 e0 – 0,274 87,25% 6 e0, w Cc = 0,272 e0 + 0,0047 w0 – 0,195 86,76% 7 LL, e0, w Cc = 0,0021 w0 + 0,0027 LL + 0,328 e0 – 0,195 87,00%

2.4 Cơ sở tính tốn phân tích ảnh hưởng ma sát âm (MSA) lên cọc 2.4.1 Khái niệm MSA 2.4.1 Khái niệm MSA

Móng cọc trong nền đất yếu đang cố kết thường chịu một áp lực có thể rất lớn do MSA gây ra. MSA xuất hiện khi độ lún của đất xung quanh cọc lớn hơn độ

lún của bản thân cọc. Theo đó, tại vị trí mà chuyển vị (lún) tương đối của đất và cọc bằng 0 gọi là điểm trung hòa và mặt phẳng (nằm ngang) đi qua điểm trung hòa được gọi là mặt phẳng trung hịa (MPTH) [Hình 2.3]. Theo đó, ở dưới MPTH cọc chịu ma sát dương; ở trên MPTH cọc chịu MSA.

Hình 2.3. Mặt phẳng trung hịa và biểu đồ lún của cọc – đất xung quanh Trị số MSA có liên quan với sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất hữu Trị số MSA có liên quan với sự cố kết của đất, phụ thuộc trực tiếp vào ứng suất hữu hiệu của đất xung quanh cọc. Như vậy MSA phát triển theo thời gian và có trị số lớn nhất trong q trình khai thác [16]. Cũng theo [16], các PP tính MSA hiện nay chưa trình bày rõ sự chuyển vị tương đối giữa cọc và đất; mà chỉ giả thiết rằng chuyển vị này đủ để gây ra MSA đơn vị lớn nhất fn

2.4.2 PP tính tốn phân tích MSA

Có nhiều PP tính tốn xác định ảnh hưởng của MSA lên sức chịu tải (Ptk ) của cọc. Các cơng thức trình bày sau đây được áp dụng chính thức trong Quy phạm Hãng cầu đường Pháp FOND-72 [17].

a) Ngun lý tính tốn:

 Phần lớn hiện tượng MSA được tạo ra do hiện tượng cố kết của đất sét chịu nén. Do vậy, đặc trưng cơ học được lựa chọn trong tính tốn là ở trạng thái ứng suất hữu hiệu ', 'c .

 Dưới mặt phẳng trung hịa, MSA khơng tồn tại.

 Trường hợp cọc xuyên qua đất đắp nằm trên đất yếu thì MSA sẽ hoạt động dọc theo cọc cả ở đất đắp và đất yếu, đến mặt phẳng trung hòa.

b) MSA đơn vị:

Gọi 'v là ứng suất hữu hiệu thẳng đứng ở độ sâu nào đó, bao gồm gia tải



 và áp lực cột đất hữu hiệu, ta có thể viết: 'h K0'v (trong đó: K0 là áp lực đất nghỉ). Với các giả thiết rằng, thi công cọc khơng làm xáo trộn đất xung quanh và lực dính kết hữu hiệu c’ =0, thì trong điều kiện đó ta có biểu thức:

fn K'vtan' (2.3) Trong đó: fn–MSA đơn vị; '–Góc ma sát hữu hiệu cọc–đất; K– Hệ số đất nghỉ.

c) Giá trị Ktan': Theo quy phạm Quốc gia Pháp (1991) [17], giá trị '

tan

K được lấy theo Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Các giá trị Ktan' Cọc khoan Loại đất – trạng thái

Chống ống Khơng chống Cọc đóng Than bùn Đất hữu cơ 0,10 0,15 0,20

Đất yếu 0,10 0,15 0,20 Đất loại sét Dẻo cứng – Cứng 0,15 0,20 0,30 Rất xốp 0,35 Xốp 0,45 Cát & sạn sỏi Chặt vừa – Chặt 1,00

d) Xác định chiều dày (H’) chịu MSA:

Xác định chiều dày (H’ ) mà cọc xuyên qua chịu MSA tham khảo Bảng 2.3.

e) Tính tốn lực ma sát âm Fn :

Gọi Fn là lực MSA tác dụng lên thân cọc, được xác định trong phạm vi

chiều sâu tồn tại MSA (đến điểm mặt phẳng trung hòa), thể hiện qua biểu thức



N n

n p f dz

Q

0

 Trường hợp cọc xuyên qua lớp đất yếu:

Đất yếu được xem như ngập nước, và khi đó ta có:

MSA đơn vị: fn(max) Ktan' 'H' (2.4)

Lực MSA: Qn  pH ['0,5'H]'Ktan' (2.5) Trong đó:  –Gia tải tạo nên độ lún đất yếu xung quanh cọc; '– Dung trọng đẩy

nổi đất yếu; H’–Độ sâu đất yếu đến mặt phẳng trung hòa; p – Chu vi tiết diện cọc.

 Trường hợp cọc xuyên qua đất đắp và đất yếu:

Đặc trưng đất đắp: H0, '0, (Ktan')0 ; đặc trưng đất yếu: 'H , 's,