Peck R. B. (1969) [50] cũng đã tổng kết giới hạn chuyển vị cho phép tối
đa Umax (mm) của tường so với độ sâu hố đào H (m) để khơng ảnh hưởng đến
các cơng trình lân cận như sau:
Umax = [H/400 ÷ H/200] (1.7)
Hsieh P.G. và Ou C.Y. (1998) [36] xây dựng một phương pháp thực nghiệm từ các phương pháp Peck (1969), Bowles (1988) và Clough và O'Rourke's (1990) để ước lượng chính xác hơn độ lún bề mặt nếu xác định được
chuyển vị ngang tường về phía bên trong hố đào. Thơng qua phân tích ngược các nghiên cứu điển hình, Hsieh P.G. và Ou C.Y. xác định phương pháp của họ là chính xác cho cả đất sét mềm và cứng. Hsieh P.G. và Ou C.Y. cho rằng độ lún mặt tối đa dao động từ 50% đến 75% so với chuyển vị tường lớn nhất, ngoại trừ
Kết quả phương pháp của Hsieh P.G. và Ou C.Y đối với các dạng lún là chính
xác hơn các phương pháp thực nghiệm của Clough và O’Rourke và Bowles.
Clough và O'Rourke (1990) [26] nghiên cứu chuyển vị của tường chắn
HĐS bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên đất sét mềm và cứng kết luận rằng
chuyển vị ngang của tường chắn trong sét mềm khoảng 0.2% và sét cứng khoảng
0.15% độ sâu đào tổng cộng và phần chuyển dịch lớn hơn xảy ra bên dưới đáy
hố đào trong sét mềm tương ứng là do sự mất ổn định của nền.
Nhóm biên dịch tiêu chuẩn chuyên nghiệp (PSCG) (2000) [53]: Đặc điểm kỹ thuật cho hố đào xây dựng tàu điện ngầm tại Thượng Hải, Trung Quốc đã đưa ra một số khuyến nghị giới hạn chuyển vị và biến dạng như Bảng 1.1:
Bảng 1.1 Giới hạn chuyển vị và biến dạng tường chắn hố đào tại Thượng Hải,
Trung Quốc (PSCG 2000)
Mức độ giới hạn
Giới hạn chuyển vị ngang và độ lún bề mặt cho phép
Các cơng trình cần thỗ mãn
I
1. Chuyển vị ngang lớn nhất ≤ 0.14%H Các tuyến tàu điện ngầm và các cơng trình quan trọng như đường ống dẫn khí và cống thốt nước tồn tại trong khoảng cách 0,7H từ vách hố đào; an toàn phải được đảm bảo.
2. Độ lún bề mặt lớn nhất ≤ 0.1%H 3. FS (Hệ số an toàn) ≥ 2.2
II
1. Chuyển vị ngang lớn nhất ≤ 0.3%H Các cơ sở hạ tầng quan trọng hoặc các cơng trình như đường ống dẫn khí và cống thốt nước tồn tại trong khoảng cách (1-2)H từ hố đào đào.
2. Độ lún bề mặt lớn nhất ≤ 0.2%H 3. FS (Hệ số an toàn) ≥ 2.0
III
1. Chuyển vị ngang lớn nhất ≤ 0.7%H Khơng có cơ sở hạ tầng quan trọng nào hoặc cơ sở hạ tầng tồn tại trong khoảng cách 2H từ hố đào.
2. Độ lún bề mặt lớn nhất ≤ 0.5%H
3. FS (Hệ số an toàn) ≥ 1.5
Ghi chú: H = độ sâu hố đào; FS = Hệ số an toàn
Osman A. và Bolton M. (2006) [47] đã phát triển một phương pháp bán thực nghiệm mới được gọi là thiết kế sức kháng huy động (MSD) để dự đoán
các chuyển dịch của đất sét mềm xung quanh hố đào bằng cách sử dụng dữ liệu
ứng suất - biến dạng thực tế và hồ sơ sức kháng cắt khơng thốt nước trong đất. Ứng dụng của phương pháp MSD được thể hiện qua việc phân tích một trường
hợp thực tế liên quan đến việc đào đất sét mềm ở Singapore. Phương pháp MSD là thiết thực cho các kỹ sư thực hành vì nó cho phép sử dụng đường cong ứng suất và các phép tính đơn giản giải quyết cho cả sự ổn định và chuyển vị tường mà không cần FEM.
Zhang W. và cộng sự (2014) [63] gần đây đã phát triển một đa thức hồi quy mơ hình đơn giản dựa trên kích thước hình học hố đào, xây dựng tương quan độ cứng của đất và độ cứng của tường để tìm chuyển vị tối đa của tường khi đào đất. Zhang và cộng sự đã thử nghiệm mô hình bán thực nghiệm này đối với 21
nghiên cứu điển hình được chứng minh đầy đủ để xác minh tính chính xác của nó. Những thử nghiệm này cho thấy mơ hình của họ có thể dự đốn chuyển vị của tường khá tốt.
1.5.3 Các nghiên cứu trong tính tốn tường chắn bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Việc sử dụng FEM với các mơ hình nền khác nhau trong thiết kế tường chắn đã được nhiều tác giả nghiên cứu. Robert M. Ebeling (1990) [56] đã tổng kết các nghiên cứu này, bao gồm: Clough và Duncan (1969 và 1971); Kulhawy (1974); Roth, Lee và Crandall (1979); Ebeling và các cộng sự (1988); Ebeling, Duncan, và Clough (1989); Bhatua và Bakeer (1989); Fourie A. B. và Potts D. M. (1989) [30].
Hashash Y. và Whittle A. (1996) [35] đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ lún bề mặt do việc đào đất tại đáy tường chắn được cắm vào đất sét mềm. Phần mềm ABAQUS kết hợp với mơ hình nền MIT-E3 đã được sử dụng trong các thí nghiệm số dựa trên phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến tính để thu thập dữ liệu.
cùng đã cung cấp một biểu đồ thiết kế để dự đoán độ lún bề mặt liên quan đến
chiều sâu đào và điều kiện chống đỡ.
Potts D.M. (2003) [52] đã thực hiện một số ví dụ phân tích trong thực hành thiết kế địa kỹ thuật, so sánh lời giải của phương pháp số đối với phương pháp truyền thống và kết quả quan trắc thực tiễn. Từ đó, một số kết luận về tính
ưu việt của phương pháp số (cụ thể là FEM) được dưa ra:
- Có khả năng thực hiện được tất cả các phân tích theo phương pháp truyền thống.
- Tiếp cận được với hành vi ứng xử thực tế của đất. - Kể đến được sự cố kết.
- Cung cấp thông tin về cơ chế phá hoại.
- Kể đến được sự tương tác giữa đất và kết cấu. - Thực hiện được các bài tốn hình học 3 chiều.
Chi tiết các ví dụ và thảo luận trên được trình bày trong Potts D.M. (2003) [51].
Chang-Yu Ou (2018) [46] đã thực hiện một loạt các phân tích bằng phần mềm Plaxis để so sánh chuyển vị và biến dạng HĐS cơng trình Trung tâm Doanh nghiệp Quốc Gia Đài Bắc (Taipei National Enterprise Center – TNEC) ở Đài
Loan, kết quả thể hiện ở Hình 1.11 cho thấy sự phù hợp của mơ hình đàn dẻo phi tuyến tính HS so với các mơ hình Camclay cải tiến, mơ hình Hypebol và mơ hình MC khi phân tích chuyển vị và biến dạng.
Để mơ tả sự phụ thuộc ứng suất theo quy luật logarith của mơ đun biến
dạng trong mơ hình tái bền đẳng hướng cho đất sét Nauy, theo Janbu N. (1963) [36], giá trị m ở vào khoảng 0.5 cho cát và sét trong quan hệ
( / )m
ref ref
ur ur y
E =E p . Trong khi đó Von Soos (1980) [60] thì giá trị m vào
khoảng 0.5 < m < 1. Sau đó, Schanz T. và cộng sự (2000) [57] cũng có nhiều khảo sát trong đất yếu, chọn số mũ là m = 1. Usmani A. (2007) [59] đề xuất m = 0.67 trong phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng và thay đổi thể tích của đất cát pha sét Delhi.
Phương pháp phân tích số bằng FEM dựa vào trạng thái ứng suất biến
dạng của đất nền (các mơ hình nền) trong các điều kiện thi cơng khác nhau là
phù hợp với thực tiễn (Potts D. M.) [52]. Trong đó, việc ứng dụng các mơ hình nền là rất quan trọng, đòi hỏi phải nghiên cứu ứng xử của đất bằng thí nghiệm
ba trục (Parry R. H. G.) [48]. Trong các nghiên cứu trên, vấn đề xác định các
tham số đầu vào và quan trắc đo đạc trên mơ hình vật lý cũng như cơng trình
thực được chú trọng đặc biệt. Những phân tích, thảo luận trong bản báo cáo nêu lên tầm quan trọng của sự mơ phỏng q trình thi cơng thực tế trong việc phân tích bằng FEM.
Các nghiên cứu cho thấy, FEM với mơ hình nền phù hợp là một phương pháp phân tích gần đúng ngày càng được sử dụng nhiều trong thiết kế HĐS với
1.6 Nhận xét chương 1
Bản chất của việc thi công HĐS là quá trình dỡ tải, với vùng đất bên cạnh hố đào ứng suất ngang giảm dần cùng q trình đào, ứng suất đứng khơng thay đổi. Trong khi đó, với vùng đất dưới đáy hố đào thì ứng suất ngang không thay đổi, ứng suất đứng giảm dần khi đào đất. Việc xác định các tham số đầu vào để tính tốn chuyển vị của tường chắn HĐS cần thiết phải áp dụng lộ trình ứng suất phù hợp để kết quả tính tốn đảm bảo chỉ tiêu về kinh tế và vẫn an toàn.
Để phản ánh quá trình chịu tải đặc biệt của cơng trình HĐS, một số nghiên
cứu đã được thực hiện [4], [7]. Tuy nhiên, các nghiên cứu này thường đạt được
kết quả thơng qua thí nghiệm với lộ trình ứng suất thơng thường khơng diễn tả
hết q trình dỡ tải trong quá trình đào đất và vẫn cịn một số khó khăn trong phổ biến và áp dụng trong các dự án thực tế. Ngoài ra, việc xác định các tham số đầu vào cho đất yếu khu vực TP. HCM và lựa chọn mơ hình nền theo các lộ
trình ứng suất dỡ tải tính tốn cơng trình HĐS chưa được nghiên cứu nhiều.
Trong luận án này, tác giả mô phỏng trạng thái ứng suất dỡ tải của đất
xung quanh hố đào trong phịng thí nghiệm và bằng phương pháp phần tử hữu
hạn, tiến hành nghiên cứu các lộ trình ứng suất của đất nền trong cơng trình
HĐS. Từ đó, làm sáng tỏ sự thay đổi các đặc trưng cơ lý của đất yếu TP. HCM
theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mơ phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của
vùng đất xung quanh hố đào trong tính tốn chuyển vị và biến dạng cơng trình
HĐS. Xét rằng đất xung quanh hố đào là nhân tố chính của sự biến dạng bên
ngồi của hố móng, trên cơ sở đó thí nghiệm ba trục theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong điều kiện cố kết đẳng hướng được thực hiện. Đề xuất các thơng số
và mơ hình nền phù hợp để tính tốn HĐS bằng phương pháp phần tử hữu hạn
có xét đến q trình dỡ tải của đất nền trong q trình thi cơng đào đất.
Kết quả nghiên cứu sẽ được kiểm chứng bằng số liệu quan trắc thực tế các cơng trình đã xây dựng tại TP. HCM. Quy trình, kết quả thí nghiệm và nghiên cứu được trình bày ở Chương 3 và Chương 4.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ
TRONG TÍNH TỐN HỐ ĐÀO SÂU
Chương này khái quát cơ sở lý thuyết tính tốn hố đào sâu, các phương
pháp tính và các mơ hình đất nền thường sử dụng trong tính tốn hố đào sâu.
Các lộ trình ứng suất cũng được trình bày ở phần cuối chương cùng một số chỉ tiêu cơ lý của đất nền có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính tốn chuyển vị và biến dạng của hố đào sâu.
2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn hố đào sâu
Có nhiều lý thuyết về áp lực đất theo những quan điểm khác nhau. Tuỳ theo lý thuyết có xét đến độ cứng (biến dạng) của tường, có thể phân thành 2 loại: loại không xét đến độ cứng của tường và loại có xét đến độ cứng của tường.
Cơ sở lý thuyết tính tốn tường chắn hố đào sâu chủ yếu là các lý thuyết tính
tốn áp lực ngang của đất lên kết cấu chắn giữ và không xét đến độ cứng của
tường. Loại không xét đến biến dạng của tường giả thuyết tường tuyệt đối cứng
chỉ xét đến các trị số áp lực đất ở trạng thái giới hạn: áp lực đất bị động và áp
lực chủ động. Thuộc loại này chia làm 2 nhóm chính:
❖ Nhóm lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn
Các thuyết theo nhóm này đều giả thiết khối đất trượt sau tường chắn, giới hạn bởi mặt trượt có dạng định trước, như một khối rắn ở trạng thái cân bằng
giới hạn. Tuỳ theo hình dáng mặt trượt giả thiết, nhóm này hiện nay phát triển
theo hai xu hướng:
- Xu hướng giả thiết mặt trượt phẳng: đại diện có thuyết C. A. Coulomb
(1773) [1], sau đó được J.V. Poncelet (1867), K. Cullmann [14] phát triển
thêm;
- Xu hướng giả thiết mặt trượt cong: phương pháp phân mảnh của W.
❖ Nhóm theo thuyết cân bằng giới hạn điểm (phương pháp trường ứng suất)
Tính các trị số áp lực đất với giả thiết các điểm của môi trường đất đắp
đạt trạng thái cân bằng giới hạn cùng một lúc, đại diện cho thuyết này có W. J. M. Rankine (1857) [1] sau đó được một số nhà nghiên cứu phát triển thêm và được phát triển theo 2 xu hướng:
- Xu hướng giải tích: đại diện có lý thuyết của V.V. Sokolovskii (1960,
1965) [14];
- Xu hướng đồ giải: giải các bài toán lý thuyết cân bằng giới hạn theo phương pháp đồ giải bằng hệ vòng tròn đặc trưng.
2.1.1 Lý thuyết Coulomb (1776)
Đại diện cho nhóm phương pháp cân bằng giới hạn là phương pháp cân
bằng khối trượt rắn của C . A . Coulomb (1776) [1] với hệ số áp lực chủ động
và bị động quen thuộc trong lĩnh vực địa kỹ thuật. Coulomb lần đầu tiên nghiên cứu vấn đề áp lực đất bằng cách sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn để xem xét sự ổn định của một nêm đất giữa tường chắn và mặt phẳng phá hoại. Điểm đặt áp lực chủ động được giả định ở khoảng cách 1/3 chiều cao của tường từ chân đế và độc lập với các thơng số khác nhau như góc nội ma sát của đất, góc ma sát của tường, góc đất đắp và góc nghiêng tường.
Lý thuyết Coulomb đơn giản, giải được nhiều bài toán thực tế phức tạp và cho kết quả đủ chính xác trong trường hợp tính áp lực đất chủ động. Tuy nhiên,
lực dính thường khơng được xét đến khi tính tốn áp lực đất tác dụng lên tường
chắn do có một số quan niệm cho rằng: đối với đất đắp là loại đất cát thì lực dính khơng đáng kể so với lực ma sát trong, còn đối với đất sét thì lực dính bị giảm đi nhiều khi bị ẩm ướt và khi nhiệt độ thay đổi thường xuyên trong mơi trường khí hậu nóng ẩm.
2.1.2 Lý thuyết áp lực đất của Rankine (1857)
Phương pháp hệ số áp lực đất của W . J . M . Rankine (1857) [13] thuộc
nhóm phương pháp trường ứng suất. Rankine đã trình bày một giải pháp cho áp
lực ngang của đất lên tường chắn dựa trên trạng thái cân bằng dẻo. Ông giả định rằng khơng có ma sát giữa tường chắn và đất, đất nền là đẳng hướng và đồng nhất, lực ma sát là đồng nhất dọc theo bề mặt phá hoại, và cả mặt phá hoại lẫn bề mặt đất lấp là mặt phẳng.
Lý thuyết của Rankine cho lời giải đơn giản, nhưng nó có một số hạn chế và dẫn đến những sai số. Nó dựa trên giả thuyết là lưng tường nhẵn, thẳng đứng mà không xét đến độ nghiêng của lưng tường lẫn ma sát giữa lưng tường và đất. Với bài toán khi mặt đất nằm nghiêng hoặc bất thường và tải trọng phụ tác động lên mặt đất khơng theo quy luật hoặc phức tạp thì việc sử dụng lý thuyết này gặp nhiều khó khăn. Lý thuyết Rankine được xếp vào lý thuyết biên dưới và do vậy cho lời giải tương đối an tồn vì nó giả thuyết là sự chảy dẻo của tồn bộ cơng trình được ẩn trong sự chảy dẻo của một phần tử nhỏ.
Các phương pháp này mang những hạn chế là chúng đều phải giả thiết trước về cơ chế phá hoại hoặc khó khăn về lời giải tốn học. Các phương pháp
này chỉ có khả năng cung cấp thơng tin về sự ổn định. Vì vậy, lời giải của các phương pháp này chỉ được coi là “gần đúng”. Các phương pháp này đã được
trình bày trong nhiều tài liệu và do vậy, sẽ không lặp lại trong luận án.
2.2 Các phương pháp tính tốn hố đào sâu chắn giữ bằng tường liên tục
2.2.1 Phương pháp giải tích
Phương pháp giải tích [13] khơng xét đến sự làm việc của đất nền mà chỉ
xét đến sự làm việc của tường chắn đất và hệ kết cấu chống đỡ tường. Đất
nền xung quanh tường được quy về áp lực ngang của đất lên tường trong đó
giả thiết đất nền ở trạng thái giới hạn. Do vậy, áp lực đất lên tường là áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động tùy thuộc vào hướng chuyển vị của tường.
Một số phương pháp có kể đến q trình thi cơng đào đất như: