c .Kiểm tra ổn định ụ bộ
2.4. Giới thiệu phần mềm Plaxis 3D phiên bản 2013
2.4.2. Plaxis 3D phiên bản 2013
Plaxis được nghiên cứu tại Đại học Delft vào năm 1987, là phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích khu vực ven sơng ở Hà Lan. Mãi đến năm 2001 mới có mơ hình 2D và khi đó PLAXIS 3D Tunnel đã được phát hành. Ba năm sau, PLAXIS 3D Foundation được tạo ra, nó được phát triển nhằm phục vụ tính tốn nền móng cơng trình và dùng trong ngành địa kỹ thuật như tính tốn ổn định, độ lún và biến dạng. Ngày nay, qua một thời gian dài nghiên cứu và phát triển Plaxis 3D đã trải qua nhiều phiên bản với nhiều điểm tối ưu. Trong giới hạn luận văn này, tác giả sử dụng phiên bản Plaxis 3D phiên bản 2013 để tính tốn các giải pháp thi cơng tầng hầm cho cơng trình Soleil Ánh Dương Đà Nẵng.
Khi nói rằng chuyển từ phân tích 2D sang 3D rất khả thi nhưng đồng thời sự phức tạp cũng tăng lên rất nhiều. Điều này cũng chính là tăng khối lượng tính tốn. Nếu một tính tốn chi tiết chỉ mất vài phút để thực hiện trong phân tích 2D, nhưng tính tốn tương tự trong phân tích 3D có thể mất hàng chục giờ. Mơ hình phân tích ảnh hưởng của các giai đoạn thi công hố đào đến cọc bên trong hố đào cũng là một trong các trường hợp đó. PLAXIS 3D gồm ba phần chính, đó là mơ hình (model), tính tốn (calculation) và xuất kết quả (output).
Kết quả tính tốn từ phần mềm Plaxis 3D cho giá trị chính xác và khách quan, đánh giá được sự tương hỗ trong mơ hình hố đào và sát với thực tế thi công trên công trường.
Trong chế độ mơ hình thì hình dạng của mơ hình được xây dựng. Biên của các lớp đất và đặc trưng vật liệu được thiết lập. Xây dựng các phần tử như tường và dầm tại các vị trí trong mơ hình và đặc trưng tiếp xúc được định nghĩa. Cuối cùng lưới được tạo ra và đạt một độ mịn thích hợp. Trong đó việc lựa chọn mơ hình để khai báo các lớp đất là rất quan trọng, và sẽ được trình bày chi tiết trong phần 2.4.3.
b. Tính tốn
Trong chế độ tính tốn, một số bước tính tốn có thể được tạo ra. Khác nhau trường hợp tải và hình dạng được thiết lập để mơ phỏng trình tự xây dựng cơng trình thực tế. Đối với mỗi bước có thể thiết lập các điều kiện mực nước ngầm khác nhau, các bộ phận cơng trình có thể được kích hoạt. Hố đào được mơ phỏng bằng cách chấm dứt hoạt động của các tập hợp. Các loại tính tốn phải được định nghĩa có thể là tính dẻo (plastic) hoặc cố kết (consolidation). Phân tích cố kết được sử dụng khi mơ hình các ứng xử phụ thuộc vào thời gian như sự phát triển và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng hay khi u cầu tính tốn độ lún do từ biến. Tính tốn tính dẻo được dùng để phân tích biến dạng đàn-dẻo (elastic-plastic) theo lý thuyết biến dạng nhỏ. Ứng suất và biến dạng được tính tốn cho tất cả các nút cịn trong trạng thái giới hạn.
c. Xuất kết quả
Trong phần chính thứ ba của Plaxis là chế độ xuất kết quả tính tốn và được dùng xử lý kết quả tính tốn. Biến dạng, ứng suất, nội lực kết cấu và áp lực nước lỗ rỗng sẽ được thể hiện trong mỗi bước tính tốn.
d. Tạo mơ hình
Để phân tích phần tử hữu hạn trên phần mềm PLAXIS 3D thì điều quan trọng đầu tiên là phải tạo mơ hình hình học cho bài tốn. Mơ hình này mơ tả cấu trúc của cơng trình trong khơng gian 3 chiều, được chương trình định nghĩa thơng qua các mặt phẳng làm việc và các hình trụ hố khoan địa chất. Mơ hình bao gồm các lớp địa tầng, kết cấu của cơng trình và các loại tải trọng.
Mặt phẳng làm việc (Work Planes): Là các mặt phẳng nằm ngang theo trục x - y tương ứng với một cao độ z.
Điểm và đường thẳng (Geometry line): Dùng để tạo mơ hình hình học cho bài tốn.
Phần tử dầm (Beam): Dùng để mơ hình cho kết cấu thanh mảnh chịu uốn và lực dọc trục như hệ Shoring, dầm móng…
Phần tử sàn (Floor): Dùng mơ phỏng cho kết cấu có chiều dày nhỏ theo phương đứng và chịu uốn như sàn, bản móng…
31
Phần tử lò xo (Spring): Dùng để gắn kết vào một mặt của kết cấu và khống chế mặt đó so với mặt khác. Phần tử biên (Line Fixity): Dùng để tạo biên cứng.
Phần tử hố khoan (Borehole): Dùng khai báo các lớp địa chất cho bài toán. Phần tử thanh chống, neo được chia làm 2 loại:
- Phần tử node-to-node anchors được dùng để khai báo cho các kết cấu neo, cột, thanh chống. Nó kết nối hai điểm trong mơ hình hình học, ngồi ra có thể khai báo một ứng lực trước theo giai đoạn thi công.
- Phần tử fixed-end anchors được dùng để khai báo kết cấu thanh chống, neo, các kết cấu chịu nén thuần túy (struts). Đặc điểm của phần tử fixed-end anchors là một đầu kết nối vào mắt lưới hình học của mơ hình, một đầu khơng chuyển vị. Vị trí của fixed- end anchors được thay đổi dựa vào thơng số góc xoay nhập vào. Ngồi ra, có thể khai báo một ứng lực trước theo các giai đoạn thi công.
e. Chia lưới phần tử
Để thực hiện tính tốn phần tử hữu hạn, mơ hình hình học trong PLAXIS 3D phải được chia thành các phần tử nhỏ hơn, được gọi là chia lưới phần tử hữu hạn. Mỗi phần tử bao gồm một số lượng nhất định các nút hình thành hệ thống phương trình cho việc tính tốn. Số lượng các nút nhiều sẽ kéo theo hệ thống phương trình lớn hơn để máy tính giải quyết. Trong mơ hình 2D mỗi nút có hai bậc tự do, tức là các nút có thể di chuyển theo phương x và y.
Khi mơ hình trong khơng gian ba chiều, mỗi nút có ba bậc tự do, kết quả là sẽ cho một hệ thống phương trình lớn hơn vì thực tế rằng mỗi nút cũng có thể di chuyển theo phương z.
Phân tích phần tử hữu hạn sẽ tiến hành theo ba bước. Bước đầu tiên là phân chia mơ hình thành các phần nhỏ hơn bằng cách tạo ra các phần tử (Generate elements) vào mơ hình, trong đó mỗi phần tử tương đối dễ để giải từng cái một. Bước tiếp theo là phân tích các phần tử (Element analysis). Bước cuối cùng là phân tích hệ thống (System analysis) nơi mà tất cả các phần tử được kết nối với một hệ thống bằng các điều kiện biên.
Hình 2.1. Các phần tử và nút trong một mơ hình 2D. Mỗi nút có hai bậc tự do, được mơ tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn
Hình 2.2. Các bước phân tích phần tử hữu hạn
Phân tích phần tử hữu hạn là một phương pháp tính gần đúng, nguồn lỗi nhiều và thường khơng thể tránh khỏi. Số lượng nút trong mơ hình có tác động đáng kể đến kết quả tính tốn. Số lượng phần tử lớn hơn tạo ra một số lượng lớn các nút cho kết quả chính xác hơn mơ hình có ít nút. Khi thiết kế các mơ hình phức tạp thì thích hợp có số nút cao hơn so với trường hợp đơn giản hơn.
Các thiết lập mặc định cho kích thước cluster trong PLAXIS 3D Foundation là lưới thô (Coarse mesh). Chia lưới thế này có thể đủ kích thước khi mơ hình các trường hợp đơn giản và tính chính xác của tính tốn khơng cần cao. Hệ thống phương trình dễ dàng hơn cho máy tính để giải quyết và thời gian tính tốn tương đối ngắn.
Nếu cần độ chính xác cao hơn thì cần sự làm mịn các cluster. Nếu tồn bộ mơ hình cần được làm mịn, thì sử dụng chức năng Global coarseness để thay đổi kích thước phần tử cả phương đứng và ngang với khoảng từ rất thô (Very coarse) đến rất mịn (Very fine). Lưu ý rằng nếu chúng ta chia lưới 2D quá mịn sẽ làm tăng phần tử khi tiến hành chia lưới 3D và đồng nghĩa là thời gian tính tốn sẽ tăng lên gấp nhiều lần.
33
- Mơ hình Mohr – Coulomb. - Mơ hình Hardening Soil. - Mơ hình Soft Soil Creep. - Mơ hình Linear Elastic.
Dưới đây giới thiệu một số đặc trưng cơ bản của mơ hình Mohr-Coulomb và mơ hình Hardening Soil (HS) là 2 mơ hình được sử dụng phổ biến trong Plaxis 3D để so sánh các chỉ tiêu cơ lý.
Mơ hình Mohr-Coulomb
Mơ hình Mohr-Coulomb trong Plaxis được dựa trên ý tưởng của quy luật cơ bản đàn - dẻo với mặt ngưỡng cố định không bị tác động bởi biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất của một điểm nằm trong mặt ngưỡng là đàn hồi thuần túy. Khơng có quy luật tái bền hay hóa mềm yêu cầu đối với mơ hình Mohr-Coulomb vì nó được giả định là dẻo thuần túy. Mơ hình Mohr – Coulomb yêu cầu 5 thông số cơ bản.
Bảng 2.1. Đặc trưng vật liệu trong mơ hình Mohr-Coulomb
Thơng số Đơn vị Định nghĩa
E kN/m2 Mô đun đàn hồi của đất
ν - Hệ số poisson
φ Độ (o) Góc nội ma sát của đất
c kN/m2 Lực dính của các phần tử hạt đất
ψ Độ (o) Góc giãn nở, sự thay đổi thể tích của đất trong quá trình cắt
Mơ hình Hardening Soil (HS)
Mơ hình Hardening Soil đáp ứng đất khi chịu tải trọng là khơng tuyến tính, khơng đàn hồi và rất là phụ thuộc vào cường độ của ứng suất. Mơ hình đàn hồi khơng tuyến tính có thể được trơng đợi để mang lại dự đốn có thể chấp nhận của ứng xử đất tại một mức độ ứng suất cắt tương đối nhỏ. Mơ hình Hardening-Soil là một mơ hình nâng cao có thể được sử dụng để mơ phỏng ứng xử ứng suất - biến dạng của cả đất mềm và đất cứng. Mơ hình Hardening-Soil u cầu 5 thơng số cơ bản.
Bảng 2.2. Đặc trưng vật liệu trong mơ hình Hardening-Soil
50
ref
E kN/m2 Độ cứng cát tuyến trong thí nghiệm nén 3 trục chuẩn
ref oed
E kN/m2 Độ cứng tiếp xúc với tải nén cố kết chính
ur
ref
E kN/m2 Độ cứng dỡ tải/ gia tải lại ( urref
E = 3E50ref )
m Năng lượng phụ thuộc vào mức độ ứng suất của độ cứng Độ (o) Góc nội ma sát của đất
c kN/m2 Lực dính của các phần tử hạt đất
ψ Độ (o) Góc giãn nở, sự thay đổi thể tích của đất trong q trình cắt
2.4.4. Thơng số vật liệu chính đưa vào mơ hình tính tốn
a. Đặc trưng vật liệu tường vây (Wall)
Tường vây được mơ hình hóa là đàn hồi tuyến tính. Để mơ phỏng cấu trúc chắn giữ, PLAXIS 3D đã sử dụng phần tử tường (Wall). Để mô phỏng ứng xử thực tế của tường trong khơng gian 3 chiều thì phải xem xét ứng xử theo từng phương khác nhau. Trong PLAXIS 3D, các bức tường chỉ có thể mơ phỏng đẳng hướng, có nghĩa là độ cứng uốn là giống nhau trong tất cả các hướng.
Hình 2.3. Hệ trục địa phương của phần tử tường
35
d m Chiều dày tường vây
E1 kN/m2 Mô đun đàn hồi theo trục 1 E2 kN/m2 Mô đun đàn hồi theo trục 2 G12 kN/m2 Mô đun cắt trong mặt phẳng
G13 kN/m2 Mô đun cắt không trong mặt phẳng liên quan đến biến dạng cắt qua trục 1
G23 kN/m2 Mô đun cắt không trong mặt phẳng liên quan đến biến dạng cắt qua trục 2
E1 = E2 =Ebt (2-25)
Khi kể đển tải trọng tác dụng dài hạn của bê tơng (tính từ biến của bê tơng) thì mơ đung đàn hồi được tính:
, , 1 b b r b cr E E = + (2-26) G12 =G13=G23=0.4Ebr (2-27) Đối với vách tường vây Barrette thi cơng trong điều kiện Bentonite nên giá trị Rb tính tốn là: R = Rb×0,85 (Tại điều 7.1.9 TCVN 10304:2014 [3]).
b. Đặc trưng vật liệu phần tử dầm (Beam)
Hình 2.4. Hệ trục địa phương của phần tử dầm
2.5. Kết luận chương 2
Trên cơ sở lý thuyết biến dạng kết hợp mô phỏng ứng xử của đất nền thơng qua đặc tính cơ lý của đất nền, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng trong cơng tác tính tốn thiết kế và thi cơng hố đào sâu. Áp dụng các TCVN về kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép để kiểm tra kết cấu chống tạm.
Với mục đích thiết kế và đưa ra được những biện pháp thi công tầng hầm đảm bảo an tồn, địi hỏi các chi tiêu cơ lý của địa chất thủy văn khu vực thi cơng phải được xác định một cách chính xác. Người đề ra nhiệm vụ khảo sát phải có kinh nghiệm và chun mơn tốt, đáp ứng được các thơng số tính tốn chính xác để đưa vào mơ hình.
Tác giả lựa chọn mơ hình Mohr-Coulomb với các thơng số phù hợp với báo cáo khảo địa chất của cơng trình, làm cơ sở để mơ phỏng và tính tốn các giai đoạn thi cơng trên phần mềm Plaxis 3D, sẽ được trình bày cụ thể ở chương III.
Bên cạnh đó, đánh giá và so sánh những ưu nhược điểm của 2 phương pháp thi công này về mặt kỹ thuật, tiến độ, dự tốn và kiểm sốt rủi ro trong q trình thi cơng.
37
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CƠNG TẦNG HẦM
Để có cơ sở lựa chọn và đánh giá được khả năng làm việc của từng phương pháp thi cơng tầng hầm của cơng trình Soleil Ánh Dương, tác giả sẽ tiến hành tính tốn và thiết kế chi tiết cho từng phương pháp dựa trên việc mơ phỏng q trình thi cơng bằng phần mềm Plaxis 3D. Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu cơng trình, kết cấu chống đỡ tạm.
Phân tích từng biện pháp thi cơng tầng hầm dựa trên các yếu tố kỹ thuật, tiến độ thực hiện, chi phí thi cơng, kiểm sốt rủi ro, mất an tồn lao động trong q trình thi cơng. Từ đó, làm rõ được ưu điểm, nhược điểm của từng biện pháp, làm cơ sở cho việc lựa chọn biện pháp thi công tầng hầm cho các cơng trình có hố đào sâu và diện tích tầng hầm lớn trên địa bàn thành phố Đà Nẵng.
3.1. Biện pháp kỹ thuật thi cơng tầng hầm cơng trình
Như đã trình bày trong phần kết luận chương 1, trong chương này, 2 phương pháp thi cơng phần ngầm cơng trình Soleil Ánh Dương sẽ được lựa chọn để phân tích, đánh giá:
- Thi công tầng hầm từ dưới lên (Bottom-up), sử dụng hệ shoring-kingpost bằng thép hình để chống đỡ tường vây;
- Thi công tầng hầm theo phương pháp hỗn hợp (kết hợp phương án thi công từ dưới lên – Bottom-up và thi công từ trên xuống – Top-down).
3.1.1. Lựa chọn biện pháp chống tạm
Cơng trình có diện tích tầng hầm rộng 22.000m2 chiều sâu hố đào thay đổi từ 8,3m đến 11,3m, sử dụng tường Barrette dày 600mm sâu 18m làm tường vây xung quanh hố đào.
- Với chiều sâu hố đào như vậy, để chống đỡ tường vây khi áp dụng biện pháp thi công tầng hầm từ dưới lên (Bottom-up) có thể sử dụng các lớp chống đỡ tạm bằng thép hình hay cịn gọi là hệ shoring-kingpost, các thơng số kích thước tiết diện thép hình là H400×400×13×21.
- Trường hợp áp dụng cơng nghệ thi cơng hỗn hợp Bottom-up và Top-down, sử dụng chính kết cấu dầm sàn tầng hầm của cơng trình kết hợp với hệ văng chống tạm bằng thép hình để chống đỡ tường vây.
- Do diện tích tầng hầm quá rộng lớn nên để giảm tối đa chi phí thi cơng hệ chống tạm bằng thép hình (nếu áp dụng thi công tầng hầm từ dưới lên) cũng như giảm số lượng cột tạm và thuận tiện cho thi công (nếu áp dụng thi công tầng hầm theo phương pháp hỗn hợp) nên chỉ bố trí hệ chống tạm hoặc thi công Top-down ở một số bước, nhịp theo biên xung quanh tầng hầm của cơng trình.
Tùy thuộc vào việc lựa chọn biện pháp thi công tầng hầm làm ảnh hưởng đến nội lực trong hệ tường vây, vì trong quá trình thi cơng đào đất sẽ làm thay đổi sơ đồ làm