Những sự cố cơng trình vừa nêu ở trên có một số đặc điểm chung là đắp cao trên nền đất yếu, chiều cao đắp vượt quá giới hạn cho phép mà khơng có giải pháp xử lý nền dẫn đến nền đất tự nhiên bị lún vượt giới hạn cho phép, bị lún trồi hoặc gây ra ma sát âm (MSA) ảnh hưởng lên cọc, làm giảm khả năng chịu tải của cọc (đối với móng cơng trình có giải pháp thiết kế là móng cọc) dẫn đến việc móng cơng trình bị chuyển vị (chủ yếu là lún hoặc lún lệch), gây ảnh hưởng lên kết cấu khung. Từ đó việc tìm ra ngun nhân cơ bản và rút ra những bài học kinh nghiệm để có giải pháp nhằm khắc phục hoặc hạn chế những sự cố cơng trình tương tự là những nội dung mà Luận văn muốn đề cập.
1.4 Tính cấp thiết của đề tài
Như trên vừa trình bày, Đồng Tháp được biết đến là một địa bàn với hầu hết các vùng đất là yếu; địa hình trũng thấp, nhiều kênh rạch ao hồ. Điều này thường dẫn đến những sự tốn kém vượt xa mức bình thường về kinh phí xây dựng cũng như
sự phức tạp về xử lý nền và móng, đặc biệt trong những trường hợp (vốn rất phổ biến) cần phải san lấp cao hoặc đắp cao trên những vùng đất yếu để tạo mặt bằng (với cao độ phù hợp) để xây dựng các hạng mục khác của cơng trình. Vấn đề này càng trở nên nan giải đối với các cơng trình có quy mơ đâu tư càng lớn. Với các yếu tố bất lợi như vừa nêu, đòi hỏi các ban ngành chức năng ở Đồng Tháp cần đặc biệt quan tâm đến công tác chuẩn bị đầu tư, trong đó phải kiểm sốt việc bố trí thời gian hợp lý cho công tác khảo sát, thiết kế đối với các hạng mục cơng trình mà nhất là các hạng mục tiềm ẩn nhiều sự rủi ro liên quan yếu tố nền móng. Tuy nhiên, việc xảy ra sự cố (có ngun nhân nền móng) ở một số cơng trình xây dựng trên địa bàn Đồng Tháp trong những thời gian vừa qua là không thể lường trước được; đồng thời, những sự cố tương tự trong những thời gian sắp tới cũng khó có thể được loại trừ. Chính vì những lý do trên, việc chọn đề tài “Phân tích sự cố nền móng cơng trình dựa vào đặc điểm địa chất trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp” là rất phù hợp trong điều kiện thực tế tại địa phương. Thông qua Luận văn, một số nguyên nhân sự cố có yếu tố nền móng thường gặp sẽ được phân tích rõ hơn, có thể làm cơ sở cho việc định hướng khắc phục, phịng ngừa để góp phần hạn chế đến mức thấp nhất các sự cố có yếu tố nền móng của các cơng trình xây dựng trong tương lai, nhất là các cơng trình có hạng mục đắp cao hoặc san lấp cao trên nền đất yếu, vốn rất phổ biến trên địa bàn Đồng Tháp.
1.5 Ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn áp dụng 1.5.1 Ý nghĩa lý thuyết 1.5.1 Ý nghĩa lý thuyết
Vận dụng phương pháp (PP) phân tích ứng suất tổng dựa trên mơ hình Mohr-Coulomb (MC) với cơng cụ hỗ trợ tính tốn là phần mềm Plaxis để tính hệ số an tồn ban đầu (về cường độ) của nền sét yếu chịu tải từ khối đắp cao bên trên.
Vận dụng mơ hình Đàn hồi (Linear Elastic model - LE) trong Plaxis để thực hiện các tính tốn liên quan đến độ lún nền cơng trình đắp cao cũng như tính tốn thời điểm kết thúc quá trình cố kết, đồng thời, so sánh với kết quả tính tốn dựa trên các cơng thức giải tích của PP tính lún được sử dụng trong Luận văn.
Sử dụng PP tính tốn phù hợp để xem xét ảnh hưởng MSA đến sức chịu tải của cọc và tính tốn 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 tốn 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 cơng trình xây dựng tại địa phương.
Kết quả Luận văn là một trong những tài liệu tham khảo cần thiết cho một số cơng tác xây dựng cơng trình có liên quan đến yếu tố nền móng trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp, đặc biệt là cơng 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 tốn 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 cơng trình khảo sát.
Tính tốn 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 cơng 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 thơng số hữu hiệu của đất (đặc biệt là ’ và c’ ) dẫn đến khơng
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 tốn 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 khơng có bản Thuyết minh tính tốn 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 tốn 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 tốn.
Chương 3: Tính tốn 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 TỐN 2.1 Tổng quan
Hầu hết sự cố của các cơng 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 tốn sẽ tập trung trình bày các nội dung liên quan đến các nguyên nhân trên. Trong đó, các phần tính tốn 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 cơng thức giải tích được sử dụng). Cụ thể như sau:
Về tính tốn hệ số an tồn: Hệ số an tồn được tính tốn theo giai đoạn ban đầu (khi nền đắp cao vừa mới hoàn thành) – việc tính tốn được hỗ trợ bởi Plaxis (với mơ hình Mohr-Coulomb).
Về tính tốn độ lún nền: Độ lún nền được tính tốn theo giai đoạn dài hạn khi nền sét yếu kết thúc q trình cố kết – việc tính tốn được hỗ trợ bởi Plaxis (với mơ hình Linear Elastic) và so sánh với bản tính Excel (lập sẵn theo giải tích).
Về tính tốn phân tích ảnh hưởng của MSA lên sức chịu tải của cọc, việc tính tốn sẽ được thực hiện theo 2 nội dung: (1) Tính tốn lực MSA lớn nhất (Qn ) ảnh hưởng lên sức chịu tải cho phép của cọc (thơng qua bản tính Excel lập sẵn theo giải tích), với giả thiết bỏ qua một số ảnh hưởng làm giảm MSA; (2) Tính tốn thời gian kết thúc ảnh hưởng của MSA (khi kết thúc quá trình cố kết của đất gây ra MSA lên cọc) – việc tính tốn được hỗ trợ bởi Plaxis (với các hệ số thấm được giả định, kết hợp với mơ hình Linear Elastic).
2.2 Giới thiệu sơ bộ phần mềm Plaxis và cơ sở tính tốn 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 tốn theo PP phần tử hữu hạn được tính tốn 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 mơ 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 tốn các đại lượng khác như ứng suất, biến dạng.
Trong Plaxis, các mơ hình đất được chấp nhận là 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) và mơ 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 tốn trong q trình sử dụng Plaxis cho các bài tốn 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 Mơ hình đàn hồi (Linear Elastic model - LE)
Mơ 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 . Mơ hình này
2.2.3 Mơ hình Mohr-Coulomb (MC)
Mơ 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 thơng số (đơn vị: độ) là khơng 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 khơng thốt nước với các thơng số độ cứng hữu hiệu 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 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 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 không 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 thơng 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 ccu. 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,