5.2.6 Mơ phỏng cơng trình bằng FEM
Hố đào được mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D-2016 với 1789 phần tử (element) có kích thước trung bình là 2.24 m và 14871 nút (nodes) như Hình 5.9.
5.2.7 Phân tích và đánh giá kết quả
5.2.7.1 Chuyển vị ngang của tường
Biến dạng của hồ đào sau khi hồn thành giai đoạn đào đất như Hình 5.10.
Biến dạng gồm chuyển vị ngang, bùng hố móng, lún bề mặt. Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả phân tích và đánh giá chuyển vị ngang lớn nhất và lún bề mặt tại giai đoạn đào đất cuối cùng. Chuyển vị ngang tương ứng với giai đoạn đào tầng hầm cuối cùng được thể hiện ở Hình 5.11.
Hình 5.10 Biến dạng của hố đào ở giai đoạn thi cơng cuối cùng (GĐ6)
Hình dạng chuyển vị ngang tính tốn từ các mơ hình phù hợp với kết quả quan trắc và giá trị của chuyển vị ngang tại các vị trí dọc theo tường chắn lớn
hơn kết quả quan trắc với các cấp độ khác nhau theo từng mơ hình nền (Hình
5.13). Có sự chênh lệch này là do các thơng số cho mơ hình lấy từ kết quả thí nghiệm trong phịng khơng phản ánh chính xác nền đất thực tế. Mẫu đất thí
nghiệm trong phịng ngay sau khi lấy mẫu đã khơng cịn ngun dạng.
Hình 5.12 So sánh chuyển vị tường ở giai đoạn thi công cuối cùng (GĐ6)
Mơ hình MC là mơ hình đàn hồi, trượt thuần túy, có lộ trình ứng suất dạng thẳng đứng khi gia tải trong mơ phỏng thí nghiệm ba trục khơng thốt nước CU nên dự đoán sức kháng cắt quá lớn so với kết quả thí nghiệm. Mặc khác trong mô phỏng sử dụng một mô đun đàn hồi ban đầu nên cho kết quả tính tốn rất lớn so với quan trắc, trong trường hợp này lớn hơn đến 49.02% (Bảng 5.8). Kết quả Hình 5.12 cho thấy mơ hình MC chỉ gần đúng ở ứng xử ban đầu, khi mức độ
biến dạng tăng lên, tính chính xác của mơ hình MC càng giảm đi. Điều này cho thấy giá trị mô đun độ cứng của nền đất đóng vai trị quan trọng trong phân tích
ứng xử của hố đào. -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 C hiều s âu ch ôn tườn g [m ] Chuyển vị ngang [mm] Giai đoạn thi công 6
QT
HS
HSM
Chuyển vị ngang lớn nhất xuất hiện tại khu vực bên dưới đáy hố đào (-
16m), tại đây các kết quả tính tốn tương ứng với các mơ hình MC, HS, HSM và QT lần lượt là 100.18mm > 63.35mm > 57.44mm > 51.08mm. Kết quả tính tốn từ mơ hình HSM tỏ ra chính xác và hợp lý hơn các mơ hình khác, tuy nhiên vẫn lớn hơn kết quả quan trắc khoảng 11.08%.
Mơ hình HS với bộ tham số hiệu chỉnh (HSM) khắc phục được hạn chế của mô hình MC cho kết quả chuyển vị chính xác hơn so với các thông số mặc
định khoảng 8.30% và nhỏ hơn mơ hình MC khoảng 37.94%.
Bảng 5.10 So sánh kết quả chuyển vị ngang từ các mơ hình MC, HS, HSM và
dữ liệu quan trắc (QT)
Chuyển vị ngang MC HS HSM QT
Tại đỉnh tường [mm] 33.25 9.52 11.09 7.65 Chuyển vị ngang lớn nhất (Ux, max) 100.18 63.35 57.44 51.08 Chênh lệch Ux, max so với Quan trắc (%) 49.02 19.37 11.08 -
Như vậy, với bài tốn HĐS trong q trình dỡ tải, các thơng số sức kháng
cắt giảm đi, tuy nhiên mô đun biến dạng tăng lên rất nhanh và do đó kết quả chuyển vị tường chắn giảm đi. Điều này thể hiện mức độ ảnh hưởng của tham
số mô đun biến dạng là rất lớn trong ứng xử của HĐS.
5.2.7.2 Độ lún bề mặt
Kết quả tính tốn độ lún nền từ các mơ hình ở giai đoạn đào đất cuối cùng
được thể hiện ở Hình 5.13. Biểu đồ độ lún của ba mơ hình là giống nhau và phù
hợp với kết quả quan trắc. Độ lún lớn nhất đều nhỏ hơn so với quan trắc và điều này phù hợp với kết quả phân tích chuyển vị ngang ở phần trên.
Với mơ hình HS và HSM, độ lún lớn nhất nằm tại vị trí cách tường chắn khoảng 2m, riêng với MC thì độ lún lớn nhất nằm tại vị trí sát tường.
Hình 5.13 Độ lún nền ở giai đoạn cuối cùng (Uy = -80.65mm)
Độ lún cho phép trong hồ sơ thiết kế là Uy < 8mm, với mơ hình HSM, độ
lún lớn nhất tính tốn được là 80.65 mm lớn hơn kết quả quan trắc 5.01% và
chính xác hơn với mơ hình HS khoảng 2.44%, nằm tại vị trí cách tường chắn
khoảng 2m và giảm dần về phía xa tường chắn. Tại khu vực cách tường 30m là khu vực chịu tải thi công nên độ lún lớn và phù hợp với kết quả quan trắc.
Hình 5.14 So sánh độ lún nền ở giai đoạn cuối từ các mơ hình và quan trắc
Tường chắn -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Độ lún ( mm ) Khoảng cách từ tường (m) So sánh độ lún nền ở GĐ6 HSM HS MC
Bảng 5.11 So sánh lún bề mặt từ các mơ hình MC, HS, HSM và quan trắc (QT)
Giai đoạn QT HSM HS MC
Độ lún lớn nhất [mm] -76.80 -80.65 -82.52 -94.73
Chênh lệch [%] 5.01 7.45 23.35
Bảng 5.11 thể hiện độ lún nền tính tốn từ mơ hình HSM với các thơng số hiệu chỉnh qua các giai đoạn thi công. Độ lún tăng dần trong quá trình đào đất và nằm gần với độ lún cho phép của thiết kế Uy 8mm, (Hình 5.14).
Bảng 5.12 So sánh độ lún bề mặt từ các mơ hình MC, HS, HSM và quan trắc
Giai đoạn Trình tự thi cơng Độ lún [mm]
GĐ1 Đào đất xuống B1 ( -3.8mSL/-3.1mGL) -27.91 GĐ2 Đào đất xuống B2 (-6.8mSL/-6.1mGL) -66.18 GĐ3 Đào đất xuống B3 (-9.8mSL/-9.1mGL) -71.82 GĐ4 Đào đất xuống đáy hệ giằng (-13.1mSL/-12.4mGL) -73.42 GĐ5 Đào đất xuống đáy móng (-16.1mSL/-15.4mGL) -76.08 GĐ6 Thi cơng móng, tháo hệ giằng -80.65
Hình 5.15 Độ lún nền qua các giai đoạn thi cơng tính từ mơ hình HSM
Từ kết quả phân tích, tác giả nhận thấy việc sử dụng mơ hình HSM với các thơng số hiệu chỉnh từ mơ hình HS cho kết quả an toàn và kinh tế.
-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Độ lún ( mm ) Khoảng cách từ tường (m) Độ lún nền tính tốn với HSM GĐ5 GĐ1 GĐ2 GĐ3 GĐ4 GĐ6 Tường chắn
5.3 Dự án Trạm bơm Lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè
Trạm bơm Lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè tọa lạc tại đường Nguyễn Hữu Cảnh thuộc Quận Bình Thạnh, Thành phố Hồ Chí Minh.
Hình 5.16 Mặt bằng bố trí thanh chống
Hình 5.17 Mặt cắt dọc hố đào
Cơng trình trạm bơm nước sinh hoạt thuộc hệ thống xử lý nước Nhiêu
Lộc–Thị Nghè có kích thước rộng 24 m, dài 57.3 m, sâu 20 m. Giải pháp kết cấu chọn là bản đáy bê tông cốt thép và các sàn liên kết vào hệ tường vây dày 1.2m, sâu 40m, chiều dài từng modul là 6m đã được đúc trước với công nghệ đào rãnh nhồi bê tông tại chổ. Giải pháp thi cơng gồm có 7 tầng thanh chống cho đến độ
sâu đủ để thi công bản đáy trạm bơm.
5.3.1 Điều kiện địa chất
Điều kiện địa chất ở cơng trình [5] có 7 lớp đất chính và 1 lớp đất đắp thể
hiện rõ trên các hình trụ hố khoan, bao gồm xen kẽ cát sét và cát mịn. Lớp 1 dày trung bình 2.5m là lớp bùn sét lẫn mùn hữu cơ rất mềm – yếu, độ ẩm tương đối
cao, đến 74%. Lớp 2 và lớp 3 mỗi lớp dày trung bình 7m là lớp bụi sét lẫn cát
mịn, trạng thái kém chặt đến chặc vừa nằm kẹp Lớp 1 dày trung bình 8m. Lớp 3 là lớp cát sét hạt mịn dày trung bình 6.5 m trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng. Ba lớp đất yếu này ảnh hưởng chủ yếu lên ứng xử của hố đào trong cơng trình này. Lớp 5 và 6 dày 9m tương ứng lớp cát sét lẫn bụi trạng thái nữa cứng đến cứng. Lớp 7 dày hơn 20m là lớp cát hạt mịn trung lẫn bụi, rất chặc. Hình dạng của hố
đào thể hiện trên mặt cắt hình trụ hố khoan như Hình 5.19.
Hình 5.19 Mặt cắt địa chất cơng trình [5]
24 m
20 m
40
5.3.2 Xác định thông số đất nền
Bảng 5.13 Các thông số đất nền cho mơ hình MC
Bảng 5.14 Các thơng số đất nền cho mơ hình HS
Để xác định bộ tham số cho mơ hình HSM, lấy các thơng số khác như mơ
hình HS, riêng các thơng số hiệu chỉnh gồm φ’, c’, E50ref,Eoedref,Eurref , m lấy theo kết quả nghiên cứu ở Chương 3 và Chương 4 như Bảng 5.3.
Bảng 5.15 Các thông số đất nền cho mơ hình HSM
Thơng số Cát lấp Lớp 1a Lớp 2 Lớp 1b Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Lớp 6 Bùn sét Sét yếu Bùn sét Eref [kPa] 20000 3296 4567 3955 27500 37500 51200 78800 ' [độ] 41 21 23 22 35 34 24 37 c’[kPa] 2 5.09 2.11 5 2 2 34 2 [độ] 11 - - - 5 4 - 7 γunsat [kN/m3] 19.5 15.0 16.27 15.0 16.46 16.48 16.29 16.51 γsat [kN/m3] 20.2 15.3 19.43 15.3 19.54 19.48 19.69 19.54
kx [m/ngày] 2.0 1.22e-5 2.32e-5 1.25e-5 0.11 1.5 0.02 0.5
ky [m/ngày] 1.0 0.61e-5 1.16e-5 0.63e-5 0.055 0.75 0.01 0.25
0.25 0.35 0.25 0.35 0.3 0.25 0.35 0.25 Thông số Cát lấp Lớp 1a Lớp 2 Lớp 1b Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Lớp 6 Bùn sét Sét yếu Bùn sét 50 ref E [kPa] 20000 3296 4567 3955 27500 37500 51200 78800 ref oed E [kPa] 20000 3296 4567 3955 27500 37500 51200 78800 ref ur E [kPa] 60000 9888 17301 11865 82500 113000 154000 236000 c’[kPa] 2 5.09 2.11 5 2 2 34 2 ' [độ] 41 21 23 22 35 34 24 37 11 - - - 5 4 - 7 m 0.5 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5 Thông số Lớp 1a Lớp 2 Lớp 1b Bùn sét Sét yếu Bùn sét 50, ref RTC E [kPa] 5273.6 7307.2 3628 , ref oed RTC E [kPa] 2953.22 5115 2031.68 , ref ur RTC E [kPa] 23731.20 36536 16326 'RTC c [kPa] 4.17 1.73 4.10 ' RTC[độ] 17.22 19.78 18.04 m 0.86 0.80 0.86
5.3.3 Kết cấu hệ thanh chống Bảng 5.16 Các thông số về thanh chống Bảng 5.16 Các thông số về thanh chống Các thơng số Tính chất vật liệu Độ cứng dọc trục Sức chịu nén lớn nhất Khoảng cách
Ký hiệu Material Type EA Fmax, com Ls
Đơn vị - kN kN m
2H300x300x10x15 Elasto Plastic 4.914x106 1700 1 2H350x350x12x19 Elasto Plastic 6.99x106 3200 1 2H400x400x13x21 Elasto Plastic 8.8032x106 4800 1 Dầm giằng BTCT Linear Elastic 244x106 - -
5.3.3.1 Xác định các thông số của tường chắn
Tường chắn BTCT dày 1200 mm. Bê tông mác 400, E=3.25x107 kN/m2
Diện tích mặt cắt ngang tính trên 1 m dài tường: A=1.2 m2
EA=3.9x107 kN/m
Moment quán tính trên 1 m dài tường: I=0.144 m4
EI=4.68x106 kNm2/m
Bảng 5.17 Các thông số cho tường chắn
EA [kN/m] EI [kNm2/m] D [m] ν [-]
3.9x107 4.68x106 1.2 0.15
5.3.3.2 Xác định các thông số của thanh chống
Loại chống: H300x300x10x15, E=2.1x108 kN/m2
Diện tích tiết diện: A=117 cm2 = 117x10-4 m2
EA=2.457x106 kN
2H300x300x10x15 có EA=4.914 x106 kN
Loại chống: H350x350x12x19, E=2.1x108 kN/m2
Diện tích tiết diện: A=166.6 cm2 = 166.6x10-4 m2
EA=3.4986x106 kN
2H350x350x12x19 có EA=6.99x106 kN
Diện tích tiết diện: A=209.6 cm2 = 209.6x10-4 m2
EA=4.4016x106 kN
2 H400x400x13x21 có EA=8.8032x106 kN
5.3.4 Trình tự thi cơng
Bảng 5.18 thống kê trình tự thi cơng hố đào. Để giám sát tải trọng lên hệ thanh chống, bộ cảm biến được gắn liền trên hai mặt của hệ chống sắt. Tải trọng trong thanh chống sau đó sẽ được tính tốn dựa trên biến dạng đo được.
Bảng 5.18 Các giai đoạn thi cơng cơng trình
Giai đoạn
thi cơng Hoạt động xây dựng
Xây dựng tường chắn 1
Đào đến cao độ +1.0 m
Lắp thép hình 2H300×300×10×15 đầu tiên ở chân chống (cao độ +1.5m) với tải trước 50 kN/m
2
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -1.0m
Lắp thép hình 2H350×350×10×15 ở cao độ -0.5m với tải trước 200 kN/m
3
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -3.85 m
Lắp thép hình 2H400×400×10×15 ở cao độ -3.35m) với tải trước 200 kN/m
4
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -7.0 m
Lắp thép hình 2H350×350×10×15 ở cao độ -6.5m) với tải trước 50 kN/m
5
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -9.35 m
Lắp thép hình 2H400×400×10×15 ở cao độ -8.75m với tải trước 300 kN/m
6
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -11.5 m
Lắp thép hình 2H350×350×10×15 ở cao độ -11.0 m) với tải trước 200 kN/m
7
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -14.5 m
Lắp thép hình 2H350×350×10×15 ở cao độ -14.0 m) với tải trước 200 kN/m
8 Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -17.3 m Đổ bê tông bản đáy tại cao trình -17.3m
5.3.5 Quan trắc chuyển vị
Tường chắn gồm 24 cọc barret liền nhau như Hình 5.21. Các ống nghiêng INC-1, INC-2, INC-3, INC-4, INC-5, INC-6, INC-7 đã được lắp đặt trong tường,
để đo chuyển vị ngang của tường (Hình 5.20). Những điểm đo chuyển vị ngang đặt cách nhau 0.5m từ đỉnh đến đáy tường để có thể xác định hình dạng chuyển
vị của tường một cách liên tục.
Hình 5.20 Sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc ở cơng trường [6]
5.3.6 Mơ phỏng q trình thi cơng
Lưới phần tử và điều kiện biên sử dụng trong phân tích như Hình 5.21.
Tác giả phân tích bài tốn trên mặt cắt A-A, mặt cắt này tương đối thõa mãn điều kiện không gian biến dạng 2 chiều (2D). Giới hạn vùng đất để phân tích với lưới phần tử là rộng 140m và sâu 67m. Nó chứa 1623 phần tử tam giác 15 nút, kích
thước lưới phần tử trung bình là 2.42m. Hệ thanh chống thép được mơ hình trong
Plaxis với phần tử “anchor” bố trí tại các cao độ theo các giai đoạn thi cơng như Hình 5.21.
Hình 5.21 Mơ hình HĐS trong phần mềm Plaxis
5.3.7 Phân tích và đánh giá kết quả
Hình 5.22 thể hiện kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường chắn với mơ hình HSM khi so sánh với kết quả từ mơ hình HS, mơ hình MC và số liệu quan trắc.
Hình 5.22 Chuyển vị và biến dạng của hố đào ở giai đoạn thi cơng cuối cùng
Hình dạng của biểu đồ chuyển vị ngang đồng dạng với kết quả quan trắc, tuy nhiên có sự khác biệt lớn trong tính tốn bằng các mơ hình nền khác nhau. Tại chân tường chắn hầu như chuyển vị không đáng kể (trừ mơ hình MC),
chuyển vị lớn nhất xuất hiện tại đáy hố đào khi đào đến giai đoạn cuối cùng. Tại
đỉnh tường chuyển vị là nhỏ nhất.
Với mơ hình MC, kết quả dự báo chuyển vị lớn hơn quan trắc thực tế rất nhiều, đặc biệt chuyển vị lớn nhất lớn hơn quan trắc trong cơng trình này đến 47.50% (Bảng 5.18). Tại đỉnh tường và chân tường đều có chuyển vị lớn, đặc biệt là tại chân tường chắn. Có sự chênh lệch này là do các thơng số cho mơ hình lấy từ số liệu thí nghiệm trong phịng khơng phản ánh chính xác nền đất thực tế. Mẫu đất thí nghiệm trong phòng ngay sau khi lấy mẫu đã khơng cịn ngun dạng. Mặt khác mơ hình MC chỉ xét đến mô đun đàn hồi ban đầu E0 nên khi tính tốn thiên về an tồn do đó kém về mặt kinh tế.
Bảng 5.19 So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang từ các mơ hình MC, HS,
HSM và Quan trắc
Chuyển vị ngang MC HS HSM Quan trắc
Tại đỉnh tường [mm] 16.95 7.69 7.29 7.69 Chuyển vị ngang lớn nhất [mm] 51.07 33.54 30.32 26.81 Chênh lệch so với quan trắc [%] 47.50 20.07 11.59 - Kết quả dự báo từ mơ hình HSM phù hợp với chuyển vị thực tế của tường