Vận dụng phương pháp (PP) phân tích ứng suất tổng dựa trên mô hình Mohr-Coulomb (MC) với công cụ hỗ trợ tính toán là phần mềm Plaxis để tính hệ số an toàn ban đầu (về cường độ) của nền sét yếu chịu tải từ khối đắp cao bên trên.
Vận dụng mô hình Đàn hồi (Linear Elastic model - LE) trong Plaxis để thực hiện các tính toán liên quan đến độ lún nền công trình đắp cao cũng như tính toán thời điểm kết thúc quá trình cố kết, đồng thời, so sánh với kết quả tính toán dựa trên các công thức giải tích của PP tính lún được sử dụng trong Luận văn.
Sử dụng PP tính toán phù hợp để xem xét ảnh hưởng MSA đến sức chịu tải của cọc và tính toán khảo sát thời gian (dự báo) kết thúc ảnh hưởng của MSA.
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn áp dụng
Đặc điểm địa chất sơ bộ trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp sẽ được khái quát hóa, có thể làm cơ sở kham khảo cho các nghiên cứu khác.
Các PP tính toán theo giải tích cũng như cách vận dụng Plaxis cho các bài toán của Luận văn cũng là một cơ sở mang tính thực hành cao, phù hợp với những đặc điểm chung của các tài liệu địa chất được sử dụng cho giai đoạn thiết kế của các công trình xây dựng tại địa phương.
Kết quả Luận văn là một trong những tài liệu tham khảo cần thiết cho một số công tác xây dựng công trình có liên quan đến yếu tố nền móng trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp, đặc biệt là công trình đắp cao.
1.6 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu Luận văn là phân tích, đánh giá để làm rõ hơn các nguyên nhân sự cố; có những đề xuất về việc chọn PP tính toán và biện pháp xử lý phù hợp, có thể làm cơ sở cho việc định hướng khắc phục, phòng ngừa. Các bước tiến hành gồm:
Thu thập tài liệu địa chất của nhiều vùng trong tỉnh Đồng Tháp và tổng hợp khái quát các đặc điểm địa chất điển hình cho từng vùng.
Ghi nhận các số liệu hiện trường của sự cố và các kết luận trong các báo cáo kiểm định về nguyên nhân sự cố có yếu tố nền móng.
Lựa chọn PP phù hợp trong các phân tích ứng xử nền móng đối với các công trình khảo sát.
Tính toán kiểm chứng trên cơ sở các kết luận về nguyên nhân sự cố trong các báo cáo kiểm định được sử dụng làm tài liệu tham khảo của Luận văn.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở cho việc tiếp tục khai thác những khu vực có địa chất yếu và địa hình phức tạp trong việc xây dựng các công trình trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp.
1.7 Giới hạn và giả thiết
Các tài liệu địa chất (ở Đồng Tháp) thường không thực hiện đủ các thí nghiệm xác định các thông số hữu hiệu của đất (đặc biệt là ’ và c’ ) dẫn đến không
ít khó khăn khi sử dụng các phần mềm địa kỹ thuật (như Plaxis, Geo-slope,...) trong phân tích các ứng xử của nền đất.
Với một vài thông số địa chất cần thiết cho các bài toán phân tích (mà Luận văn sử dụng) còn thiếu trong các tài liệu địa chất đi kèm (ví dụ: hệ số thấm, hệ số Poisson,...) thì sẽ được giả thiết trên cơ sở các tài liệu tham khảo phù hợp.
Do không có bản Thuyết minh tính toán đầy đủ đi kèm, các báo cáo kiểm định (làm tài liệu tham khảo của Luận văn) thường không thể hiện đủ các số liệu địa hình đầu vào cho các bài toán kiểm tra. Trong trường hợp này, số liệu địa hình đầu vào nào bị thiếu sẽ được giả thiết trên cơ sở phù hợp với hình dạng địa hình được thể hiện trong các báo cáo kiểm định tham khảo.
1.8 Cấu trúc Luận văn
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở tính toán.
Chương 3: Tính toán kiểm chứng.
Chương 4: Kết luận & Kiến nghị.
Tài liệu tham khảo: Liệt kê các tài liệu tham khảo sử dụng cho Luận văn.
CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ TÍNH TOÁN 2.1 Tổng quan
Hầu hết sự cố của các công trình khảo sát đều do một hoặc nhiều trong các nguyên nhân chủ yếu sau đây:
Hệ số an toàn (về cường độ) của nền đất yếu dưới khối đắp cao là không đạt (thấp hơn so với quy định).
Độ lún nền (đất yếu) vượt mức cho phép.
Ma sát âm (MSA) ảnh hưởng lên sức chịu tải cho phép của cọc.
Do đó, phần cơ sở tính toán sẽ tập trung trình bày các nội dung liên quan đến các nguyên nhân trên. Trong đó, các phần tính toán được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis (gọi tắt là Plaxis) và với sự hỗ trợ từ các bản tính được lập sẵn bằng Excel (lập theo các công thức giải tích được sử dụng). Cụ thể như sau:
Về tính toán hệ số an toàn: Hệ số an toàn được tính toán theo giai đoạn ban đầu (khi nền đắp cao vừa mới hoàn thành) – việc tính toán được hỗ trợ bởi Plaxis (với mô hình Mohr-Coulomb).
Về tính toán độ lún nền: Độ lún nền được tính toán theo giai đoạn dài hạn khi nền sét yếu kết thúc quá trình cố kết – việc tính toán được hỗ trợ bởi Plaxis (với mô hình Linear Elastic) và so sánh với bản tính Excel (lập sẵn theo giải tích).
Về tính toán phân tích ảnh hưởng của MSA lên sức chịu tải của cọc, việc tính toán sẽ được thực hiện theo 2 nội dung: (1) Tính toán lực MSA lớn nhất (Qn) ảnh hưởng lên sức chịu tải cho phép của cọc (thông qua bản tính Excel lập sẵn theo giải tích), với giả thiết bỏ qua một số ảnh hưởng làm giảm MSA; (2) Tính toán thời gian kết thúc ảnh hưởng của MSA (khi kết thúc quá trình cố kết của đất gây ra MSA lên cọc) – việc tính toán được hỗ trợ bởi Plaxis (với các hệ số thấm được giả định, kết hợp với mô hình Linear Elastic).
2.2 Giới thiệu sơ bộ phần mềm Plaxis và cơ sở tính toán trong Plaxis liên quan đến các Bài toán của Luận văn quan đến các Bài toán của Luận văn
2.2.1 Giới thiệu
Phần mềm Plaxis được phát triển từ năm 1987 tại Đại học công nghệ Delft (Hà Lan), phần mềm này được xây dựng theo PP phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề về địa kỹ thuật [10, 11]. Phần mềm Plaxis và GeoStudio là hai bộ phần mềm hiện nay có thể được xem như bao gồm đầy đủ nhất những bài toán Địa kỹ thuật thường gặp trong thực tế, thân thiện người dùng. Bài toán theo PP phần tử hữu hạn được tính toán với các bước sau [11]:
Chia lưới phần tử hữu hạn;
Chuyển vị tại các nút là các ẩn số;
Chuyển vị bên trong các phần tử được nội suy từ các chuyển vị nút;
Thiết lập mô hình vật liệu (quan hệ ứng suất và biến dạng);
Thiết lập các điều kiện biên về chuyển vị và lực;
Giải hệ phương trình tổng thể cân bằng lực, cho kết quả chuyển vị nút;
Tính toán các đại lượng khác như ứng suất, biến dạng.
Trong Plaxis, các mô hình đất được chấp nhận là mô hình đàn hồi (Linear Elastic model – LE), mô hình Mohr–Coulomb (MC), mô hình Hardening Soil – HS, mô hình đất yếu (Soft Soil model – SS), mô hình từ biến cho đất yếu (Soft Soil Creep model – SSC) và mô hình do người dùng thành lập (User Defined model – UD).
Tiếp theo, mục 2.2.2 đến 2.2.9, sẽ trình bày những cơ sở về tính toán trong quá trình sử dụng Plaxis cho các bài toán của Luận văn trên cơ sở các tài liệu tham khảo: Plaxis Version 8–Material Models Manual [18]; Plaxis Version 8–Reference Manual [19].
2.2.2 Mô hình đàn hồi (Linear Elastic model - LE)
Mô hình Đàn hồi (LE) dựa trên định luật Hooke cho vật liệu đàn hồi tuyến tính đẳng hướng, liên quan chủ yếu đến 2 thông số độ cứng là E và . Mô hình này
2.2.3 Mô hình Mohr-Coulomb (MC)
Mô hình Mohr-Coulomb đàn hồi tuyến tính – thuần dẻo liên quan chủ yếu đến 5 thông số đầu vào: E và đại diện cho tính đàn hồi của đất; và c đại diện cho tính dẻo và góc (dilantancy angle). Riêng thông số (đơn vị: độ) là không có
trong hệ thống cơ học đất của Việt Nam – có thể tạm gọi là góc biến dạng thể tích, đặc trưng cho phá hoại dẻo của phần tử đất [12]. Hầu hết các loại đất sét đều có rất nhỏ ( 0) ngoại trừ các loại đất sét quá cố kết nặng. Góc của cát phụ thuộc vào cả độ chặt và góc ma sát (). Đối với cát thạch anh: ( - 30o); tuy nhiên, đối với các giá trị nhỏ hơn 30o thì hầu hết đều bằng 0. Một giá trị âm (dù nhỏ)
của chỉ phù hợp thực tế đối với các loại cát rất rời (extremely loose).
2.2.4 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu không thoát nước với các thông số độ cứng hữu hiệu cứng hữu hiệu
Trong Plaxis, việc xác định ứng xử không thoát 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 không thoát nước (Undrained), theo đó, cho phép việc tính toán không thoát 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 đòi hỏi những thông số hữu hiệu của đất và vì thế sẽ có sự tiện lợi cao khi có đủ những thông 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 phòng thí nghiệm có thể được thực hiện để xác định những thông số không thoát nước của đất. Ví dụ cho trường hợp này là công thức E Eu
3 )' 1 ( 2
' . Đối với các mô hình nâng cao thì không có công thức biến đổi trực tiếp này. Khi đó sẽ khuyến khích việc ước tính thông số E'(yêu cầu) từ thông số Euđo được, sau đó có thể thực hiện một thí nghiệm không thoát nước đơn giản để kiểm tra Euđang dùng để tính toán và điều chỉnh E'nếu cần.
2.2.5 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu không thoát nước với các thông số chống cắt hữu hiệu 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 không thoát nước. Trong Plaxis, các thông 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 không thoát 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 không phải lúc nào cũng có đủ, và chúng ta phải vận dụng sức chống cắt không thoát nước (cu hoặc su) đo được từ các thí nghiệm không thoát nước. Mặc dù vậy, sức chống cắt không thoát nước không 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 thông
số hữu hiệu thích hợp, sự cẩn trọng cần phải có như là để xem xét việc các thông số hữu hiệu này có cung cấp được sức chống cắt không thoát nước phù hợp trong phân tích hay không. Lý do là lộ trình ứng suất hữu hiệu trong phân tích không thoát nước có thể là không giống như thực tế do các giới hạn của mô hình được áp dụng.
2.2.6 Phân tích theo ứng suất hữu hiệu không thoát nước với các thông số chống cắt không thoát nước chống cắt không thoát nước
Sử dụng sức chống cắt không thoát nước để xác định các thông số hữu hiệu về cường độ (’ và c’ ) là việc khó khăn. Như là một phép biến đổi cho các phân
tích không thoát nước với các thông số hữu hiệu về cường độ, Plaxis cho phép một cách phân tích ứng suất hữu hiệu không thoát nước (Material type = Undrained) với việc nhập trực tiếp các thông số đầu vào của sức chống cắt không thoát nước, nghĩa là u 0 và ccu. Cách này chỉ áp dụng đối với mô hình Mohr-Coulomb, mô hình HS và HSsmall; nhưng không áp dụng cho các mô hình SS, SSC và MCC. Khi
các thông số về độ cứng (là E’ và ’ trong mô hình Mohr-Coulomb hoặc những
thông số độ cứng tương ứng trong các mô hình nâng cao).
2.2.7 Phân tích theo ứng suất tổng không thoát nước với các thông số không thoát nước thoát nước
Nếu, vì một lý do nào đó, việc không mong muốn sử dụng lựa chọn
Undrained trong Plaxis để thực hiện một phân tích không thoát nước là có thật,
chúng ta có thể mô phỏng ứng xử không thoát nước bằng việc sử dụng cách phân tích ứng suất tổng với các thông số không thoát nước. Khi đó, độ cứng được mô hình bằng cách sử dụng Euvà u; cường độ chịu lực được mô hình bằng cách sử dụng sức chống cắt không thoát 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 thông số không thoát nước nếu mô 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 toán các hệ số an toàn, tương tự PP tính toán 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 thông 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 toán Phi-c reduction. Chuyển vị tổng thì không có ý nghĩa vật lý, nhưng độ gia tăng chuyển vị tổng (total increments) trong bước tính toán 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 mô, đặc điểm công trình) nên hầu hết các thông 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 thông qua PP thí nghiệm nén không nở hông (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