Phân tích ảnh hưởng của hố đào sâu trong đất yếu đến cọc bên trong hố đào

hơng đủ để chống chuyển vị của đất. - Lớp đất sét yếu quá dày. Ngồi ra, vị trí moment uốn lớn nhất trong cọc là tại mặt tiếp giáp giữa lớp đất yếu và đất tốt. 17 4. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Một số phương pháp được sử dụng giải quyết bài tốn địa kỹ thuật là: Phương pháp thực nghiệm, phương pháp cân bằng giới hạn và phương pháp số. Phương pháp số bao gồm các phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử biên và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Phương pháp phân tử hữu hạn là một cơng cụ hữu ích để giải quyết bài tốn về sự tương tác của cấu tạo đất như thiết kế hố đào và nền mĩng. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thích hợp hơn các phương pháp khác bởi vì:  Phương pháp PTHH cĩ khả năng phân tích bài tốn 2 chiều và 3 chiều.  Phương pháp PTHH cĩ thể kết hợp dễ dàng ứng xử phi tuyến của đất. Phương pháp phần tử hữu hạn cĩ nhiều ứng dụng, với nhiều gĩi phần mềm với cơng cụ phương pháp phần tử hữu hạn như: Abaqus, ACTRAN, ADNIA, FLAC và Plaxis… 2.1. Phân tích phần tử hữu hạn trong PLAXIS Sự phát triển của phần mềm phần tử hữu hạn cĩ tính thương mại trong phân tích địa kỹ thuật được bắt đầu vào cuối những năm 80, và ngày nay đã phổ biến rộng rãi. Cĩ nhiều cách khác nhau để ứng dụng phần tử hữu hạn vào các ngành kỹ thuật khác nhau, và vấn đề phân tích bài tốn địa kỹ thuật cũng cĩ những đặc trưng riêng và thường rất phức tạp (Potts, 2002). Trong chương này sẽ giới thiệu về phần mềm Plaxis 3D Foundation. Nĩ cũng bao gồm giới thiệu cách thức tạo mơ hình, sau đĩ sẽ đi tìm các đặc trưng trong Plaxis 3D foundation của vật liệu. 2.1.1. PLAXIS 3D Foundation 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 cĩ mơ hình 2D và khi đĩ PLAXIS 3D Tunnel đã được phát hành. Ba năm sau, PLAXIS 3D Foundation được tạo ra, nĩ được phát tiển nhằm phục vụ tính tốn nền mĩng cơng trình và dùng trong ngành địa kỹ thuật như tính tốn ổn định, độ lún và biến dạng. 18 Khi nĩi rằng chuyển từ phân tích 2D sang 3D rất khả thi nhưng đồng thời sự phức tạp cũng tăng lên. 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 cĩ thể mất hàng giờ. Mơ hình phân tích ảnh hưởng của các giai đoạn thi cơng hố đào đến cọc bên trong hố đào cũng là một trong các trường hợp đĩ. PLAXIS 3D Foundation gồm ba phần chính, đĩ là mơ hình (model), tính tốn (calculation) và xuất kết quả (Output). 2.1.2. Mơ hình 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 đĩ việc lựa chọn mơ hình đất là rất quan trọng, và sẽ được trình bày trong phần sau. 2.1.3. Tính tốn Trong chế độ tính tốn, một số bước tính tốn cĩ 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 cĩ thể thiết lập các điều kiện mực nước ngầm khác nhau, các bộ phận cơng trình cĩ 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 cĩ thể là tính dẻo (Plastic) hoặc cố kết (consolidation). Phân tích cố kết (consolidation) 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 yêu cầu tính tốn độ lún do từ biến. Tính tốn tích dẻo (Plastic) được dùng để phân tích biến dạng đàn – dẻo (elastic-plastic) theo lý thuyết biến dạng nhỏ (Brinkgreve, 2007). Ứng suất và biến dạng được tính tốn cho tất cả các nút cịn trong trạng thái giới hạn. 2.1.4. 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 xuất và áp lực nước lỗ rỗng sẽ được 19 thể hiện trong mỗi bước tính tốn, cịn đối với các cấu kiện cơng trình ta cĩ thể xem được moment uốn và lực cắt. 2.2. Tạo mơ hình Để phân tích phần tử hữu hạn trên phần mềm PLAXIS 3D Foundation 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. Mơ hình phải đủ lớn để biên bài tốn khơng ảnh hưởng đến kết quả phân tích.  Mặt phẳng làm việc (Work Planes): là các mặt phẳng nằm ngang theo trục x - z tương ứng với một cao độ y.  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 dầm mĩng…  Phần tử sàn (Floor): dùng mơ phỏng cho kết cấu cĩ chiều dày nhỏ theo phương ngang và chịu uốn như bản mĩng…  Phần tử tường (Wall): dùng mơ hình cho kết cấu cĩ chiều dày nhỏ theo phương đứng và chịu uốn như vách tầng hầm…  Phần tử cọc (Pile): dùng mơ hình cho các loại cọc.  Phần tử lị xo (Spring): dùng để gắn kết vào một mặt của kết cấu và khống chế mặt đĩ so với mặt khác. Phần tử này thường dùng mơ phỏng sự làm việc của cọc đơn.  Phần tử biên (Line Fixity): dùng để tạo biên khống chế cho bài tốn.  Phần tử hố khoan (Borehole): dùng khai báo các lớp địa chất cho bài tốn. 20 Hình 2.1 – Yêu cầu tối thiểu của mơ hình hố đào (Bakker, 2005)[5] 2.3. Chia lƣới phần tử Để thực hiện tính tốn phần tử hữu hạn,mơ hình hình học trong PLAXIS 3D Foundation 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 2D mỗi nút cĩ hai bậc tự do, tức là các nút cĩ thể di chuyển theo phương x và y, xem Hình 4.2 Hình 2.2 – Các phần tử và nút trong một mơ hình 2D. Mỗi nút cĩ hai bậc tự do, được mơ tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn, (Wiberg, 1974)[4] Khi mơ hình trong khơng gian ba chiều, mỗi nút cĩ ba bậc tự do, kết quả là sẽ cho một hệ thống phương trình lớn hơn vì thực tế rằng mỗi nút cũng cĩ thể di chuyển theo phương z. Phần tử Nút 21 Phân tích phần tử hữu hạn sẽ tiến hành theo ba bước, xem hình 2.3. 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 đĩ 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, (Wiberg, 1974). Hình 2.3 – Các bước phân tích phần tử hữu hạn (Wiberg, 1974)[4] Phân tích phần tử hữu hạn là một phương pháp tính gần đúng và nguồn lỗi nhiều và thường khơng thể tránh khỏi (Wiberg, 1974). Số lượng nút trong mơ hình cĩ 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 cĩ ít nút. Khi thiết kế các mơ hình phức tạp thì thích hợp cĩ 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 thơ (Coarse mesh). Chia lưới thế này cĩ 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 thơ (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. 22 Để xác định mơ hình gồm bao nhiêu nút là đủ, Hannes và Daniel (2010) đã thực hiện mơ phỏng với số lượng các nút là tăng dần dần trên cùng một mơ hình. Kết quả được so sánh với chuyển vị, xem hình 2.4. Hình 2.4 – Kết quả chuyển vị với số nút tăng dần trong mơ hình 3D, (Hannes và Daniel, 2010) [4] 2.4. Mơ hình ứng xử của đất 2.4.1. Mơ hình Mohr – Coulumb (MC) Mơ hình Mohr-Coulomb trong Plaxis được dựa trên ý tưởng của quy luật cơ bản đàn - dẻo với mặt ngưỡng cố định khơng 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 cĩ quy luật tái bền hay hĩa mềm yêu cầu đối với mơ hình Mohr- Coulomb vì nĩ được giả dịnh là dẻo thuần túy. Hàm ngưỡng dẻo, f , được giới thiệu như là một hàm ứng suất và biến dạng mà cĩ thể được trình bày như là một mặt trong khơng gian ứng suất chính. Mơ hình Mohr – Coulumb yêu cầu 5 thơng số cơ bản, xem Bảng 4.1. Số lượng nút và chuyển vị T ổ n g c h u y ển v ị (m m ) 23 Bảng 2.1 – Đặc trưng vật liệu đất trong mơ hình Mohr – Coulumb Thơng số Đơn vị Định nghĩa E, Mơ đun Young kN/m 2 Mơ đun đàn hồicủa đất , Hệ số poisson - Sự thay đổi ứng suất vuơng gĩc với hướng tải tác dụng , Gĩc ma sát ° Gĩc nội ma sát của đất c, Lực dính kN/m 2 Sức hút của các phân tử đất hạt mịn , Gĩc giãn nở ° Sự thay đổi thể tích của đất trong suốt quá trình cắt Hình 4.5 – Mơ hình dẻo lý tưởng Hình 2.6 – Xác định Eo và E50 qua thí nghiệm nén 3 trục thốt nước 2.4.2. Mơ hình Hardening Soil (HS) 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 cĩ thể được 24 trơng đợi để mang lại dự đốn cĩ 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 cĩ thể được sử dụng để mơ phỏng ứng xử ứng suất - biến dạng của cả đất mềm và đất cứng (Schanz, 1998). Đối với trường hợp thí nghiệm ba trục thốt nước, mơ hình HS xấp xỉ đường cong ứng suất lệch và biến dạng dọc trục bằng cách sử dụng đường hyperbol. Đường cong hyperbol như thế cĩ thể mơ phỏng sử dụng mơ hình đàn hồi khơng tuyến tính. Duncan and Chang được nhiều người biết đến (Duncan and Chang, 1970); tuy nhiên, mơ hình HS loại bỏ đáng kể mơ hình Duncan and Chang. Mơ hình Hardening-Soil sử dụng lý thuyết dẻo hơn là lý thuyết đàn hồi sử dụng trong mơ hình Duncan and Chang; vì thế, mơ hình Hardening-Soil cĩ khả năng mơ phỏng ứng ứng suất - biến dạng khơng hồi phục. Thêm vào đĩ, mơ hình HS cĩ khả năng mơ phỏng ứng xử biến dạng thể tích tái bền, mà nĩ khơng thể sử dụng trong mơ hình Duncan and Chang. Tương tự như mơ hình Mohr - Coulomb, giới hạn trạng thái ứng suất trong mơ hình HS được miêu tả theo thơng số ứng suất cĩ hiệu. Tuy nhiên, độ cứng đất được miêu tả rất chính xác trong mơ hình HS bằng cách sử dụng ba giá trị độ cứng đầu vào khác nhau - độ cứng gia tải ba trục, , độ cứng dở/nén lại ba trục, , và độ cứng gia tải nén cố kết, . Khơng giống như mơ hình Mohr - Coulomb, mơ hình HS cũng kể đến sự độc lập ứng suất của độ cứng đất, tức là độ giá trị độ cứng đàn hồi tăng với ứng suất buồng trong mơ hình HS. Mơ hình HS cho phép thay đổi biến dạng thể tích dẻo cũng như biến dạng cắt dẻo do ứng suất lệch. So với mơ hình Mohr - Coulomb, ứng xử dở tải của đất được kể đến tốt hơn trong mơ hình Hardening-Soil. Mơ hình HS cũng cĩ thể được sử dụng để tính tốn tin cậy sự phân bố áp lực dưới mĩng bè và bên cạnh kết cấu tường chắn (Brinkgreve, 2007). Mơ hình Mohr - Coulumb yêu cầu 5 thơng số cơ bản, xem bảng 2.2 25 Bảng 2.2 – Đặc trưng vật liệu đất trong mơ hình Hardening Soil Thơng số Đơn vị Định nghĩa kN/m 2 Độ cứng đường cát tuyến trong thí nghiệm nén 3 trục chuẩn kN/m 2 Độ cứng tiếp xúc với tải nén cố kết chính kN/m 2 Độ cứng dở tải/gia tải lại( ) m - Năng lượng phụ thuộc vào mức độ ứng suất của độ cứng , Gĩc ma sát ° Gĩc nội ma sát của đất c, Lực dính kN/m 2 Sức hút của các phân tử đất hạt mịn , Gĩc giãn nở ° Sự thay đổi thể tích của đất trong suốt quá trình cắt Hình 2.7 – Xác định E50 ref qua thí nghiệm nén 3 trục thốt nước Đường tiệm cận Đường phá hoại 26 Hình 2.8 – Xác định Eoed ref qua thí nghiệm nén cố kết (Oedometer) 2.5. Đặc trƣng vật liệu của tƣờng vây cừ Larsen (Sheet pile wall) Tường cừ Larsen được mơ hình hĩa là đàn hồi tuyến tính và do đĩ cĩ thể khơng bao giờ đi đến phá hoại. Để mơ phỏng cấu trúc chắn giữ, PLAXIS 3D Foundation đã sử dụng phần tử tường (wall). Để mơ phỏng ứng xử thực tế của tường trong khơng gian 3 chiều thì phải xem xét ứng xử theo tường phương khác nhau. Vì cừ Larsen khơng như các loại tường khác là đường thẳng mà là tấm tường lượn sĩng, vì thế khi mơ phỏng ta phải sử dụng mơ hình vật liệu khơng đẳng hướng. Từ đĩ, độ cứng chống uốn của tường sẽ khác nhau theo những hướng khác nhau. Trong PLAXIS 3D Tunnel, các bức tường chỉ cĩ thể mơ phỏng đẳng hướng, cĩ nghĩa là độ cứng uốn là giống nhau trong tất cả các hướng. Đây khơng phải là ứng xử thực tế của tường cừ Larsen.Trong PLAXIS 3D Foundation vấn đề này đã được giải quyết, và các bức tường cĩ thể cĩ đặc trưng khơng đẳng hướng. Bây giờ, vấn đề là tìm các đặc trưng dùng để mơ phỏng ứng xử thực tế của tường cừ Larsen. Hệ trục địa phương và đặc trưng của tất cả các hướng thể hiện trong hình 2.9. Các thơng số tường cừ Larsen trong PLAXIS 3D Foundation trình bày trong bảng 2.3 27 Hình 2.9 – Hệ trục địa phương của phần tử tường và các đại lượng khác Hình 2.10 – Các đại lượng chính của tường cừ Larsen Bảng 2.3 – Đặc trưng vật liệu của tường cừ Larsen với ứng xử đàn hồi tuyến tính. Thơng số Đơn vị Định nghĩa d m Chiều dày tương đương E1 kPa Mơ đun đàn hồi theo trục 1 E2 kPa Mơ đun đàn hồi theo trục 2 G12 kPa Mơ đun cắt trong mặt phẳng G13 kPa Mơ đun cắt khơng trong mặt phẳng liên quan đến biến dạng cắt qua trục 1 G23 kPa Mơ đun cắt khơng trong mặt phẳng liên quan đến biến dạng cắt qua trục 2 Khi cĩ các thơng số cơ bản của tường cừ Larsen như: t (chiều dày tường), h (tổng chiều cao), A (diện tích mặt cắt ngang trên 1m tường), I1(moment quán tính), 28 Esteel (mơ đun đàn hồi của thép), và steel (trọng lượng riêng của thép). Thì các thơng số để mơ hình hĩa cĩ thể được tính bằng những cơng thức sau theo hướng dẫn của PLAXIS 3D Foundation: d = h Hình 2.11 – Thơng số cơ bản của tường cừ Larsen ( ) ( ) ( ) Trong đĩ: I1– Moment quán tính chống uốn trên trục 1. I2– Momentquán tính chống uốn trên trục 2. I12– Moment quán tính chống xoắn. A13– diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu cho lực cắt Q13. A23– diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu cho lực cắt Q23. 29 2.6. Đặc trƣng vật liệu của phần tử dầm (wailing beam) Dầm (wailing beam) dùng để phân bố tải gây ra bởi đất xung quanh hố đào. Đối với dầm khơng đẳng hướng, như H300 thì sẽ cĩ đặc trưng khác nhau ở hướng khác nhau. Đặc trưng này thường được cung cấp bởi nhà sản xuất thép. Đặc trưng vật liệu dầm ứng xử đàn hồi được định nghĩa trong Bảng 2.4 Bảng 2.4 – đặc trưng vật liệu dầm ( wailing beam) Thơng số Đơn vị Định nghĩa A m 2 Diện tích mặt cắt ngang dầm  kN/m 3 Trọng lượng riêng E kN/m 2 Mơ đun đàn hồi dọc trục I2 m 4 Moment quán tính chống uốn quanh trục 2 I3 m 4 Moment quán tính chống uốn quanh trục 3 I23 m 4 Moment quán tính chống uốn xiên (bằng 0 cho mặt cắt dầm đối xứng) Hình 2.12 – Hệ trục địa phương của phần tử dầm 30 2.7. Đặc trƣng vật liệu của phần tử cọc (Pile) Cọc là đối tượng dùng để thay thế những kết cấu dạng khối, với mặt cắt ngang cĩ dạng vuơng, trịn hoặc theo yêu cầu của người thiết kế. Trước khi tạo cọc cần thiết lập mặt phẳng làm việc tương ứng với đầu trên và đầu dưới của cọc. Bảng 2.5 – Đặc trưng vật liệu của cọc Thơng số Đơn vị Định nghĩa d m Đường kính hay bề rộng cọc  kN/m 3 Trọng lượng riêng E kN/m 2 Mơ đun đàn hồi của vật liệu làm cọc  - Hệ số possion 2.8. Phần tử lị xo (Spring) Lị xo là một đối tượng dùng để liên kết vật thể với đất. Nĩ được dùng để thay thế cọc khi bỏ qua tương tác giữa cọc với đất. Ngồi ra nĩ cũng được dùng thay thế mỏ neo hay cừ để gia cố cho tường chắn. Lị xo luơn nằm trên mặt phẳng làm việc, do đĩ cần phải lựa chọn mặt phẳng phù hợp trước khi tạo lị xo. - 31 - Chƣơng 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT YẾU ĐẾN CỌC BÊN TRONG HỐ ĐÀO Trong quá trình thi cơng hố đào sâu, dưới tác dụng của áp lực đất xung quanh, tải trọng bề mặt và các yếu tố khác, tường chắn đất sẽ bị dịch chuyển đồng thời cũng gây dịch chuyển đất trong hố đào nhất là trong đất yếu. Điều này khơng những làm ảnh hưởng đến nội lực trong bản thân tường chắn, nội lực trong hệ thanh chống mà cịn cĩ thể gây ra chuyển vị và nội lực trong cọc. Nếu chuyển vị và nội lực trong cọc vượt quá giới hạn cho phép sẽ dẫn đến cọc bị phá hoại. Do đĩ, để cĩ thể dự tính được mức độ ảnh hưởng của hố đào sâu đến ổn định của cọc bên trong hố đào, ta cần phải dự tính được chuyển vị của tường chắn và sự dịch chuyển của đất nền xung quanh trong suốt quá trình thi cơng hố đào từ đĩ xác định được phạm vi, mức độ ảnh hưởng do chuyển vị đĩ gây ra. Vì vậy để giải quyết được các vấn đề này, tác giả sẽ phân tích các vấn đề sau: 1. Thiết lập biểu đồ chuyển vị ngang và moment uốn của cọc bên trong hố đào. Từ đĩ xác định mức độ ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc bên trong hố đào. 2. Thiết lập quan hệ giữa chiều sâu tường cắm vào đất với chuyển vị và moment uốn của cọc bên trong hố đào. Đưa ra giải pháp hạn chế ảnh hưởng do việc thi cơng hố đào sâu gây ra cho cọc bên trong hố đào. 3.1. Phƣơng pháp tính tốn Hiện nay, cĩ rất nhiều phương pháp để tính tốn ổn định và biến dạng của hố đào sâu, từ những phương pháp cổ điển đến những phương pháp hiện đại. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn và phương pháp giải tích áp dụng để tính tốn cho các cơng trình hố đào sâu ở Việt Nam vẫn chưa được thống nhất. Với sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ thơng tin, việc áp dụng các phương pháp phần tử hữu hạn vào trong tính tốn các bài tốn địa kỹ thuật ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Vì vậy, trong báo cáo này chúng ta chọn phương pháp phần tử hữu hạn – phần mềm PLAXIS 3D Foundation để phân tích các vấn đề nêu trên. - 32 - Kích thước - Hố đào - Hệ thanh chống - Khoảng cách cọc đến hố đào - Cọc Thơng số - Đất - Tường - Thanh chống - Cọc Tạo mơ hình hình học Vật liệu Điều kiện biên Chia lưới 2D và 3D Thiết lập ứng suất ban đầu Dữ liệu đầu vào Tính tốn Xuất kết quả Kích hoạt cọc Kích hoạt tường chắn Đào và kích hoạt thanh chống Đất Biến dạng đất nền Tường chắn - Chuyển vị ngang - Moment uốn Cọc - Chuyển vị ngang - Moment uốn Hình 3.1 – Quy trình phân tích Thể hiện trong hình 3.1, PLAXIS cĩ ba phần chính: đầu vào, tính tốn và đầu ra. Đầu vào nĩi chung bao gồm 5 giai đoạn: tạo mơ hình, vật liệu đầu vào, điều kiện biên, chia lưới phần tử 2D và 3D và sự tạo ra ứng suất ban đầu. Tạo mơ hình hình học yêu cầu kích thước của hố đào, hệ chống đỡ, khoảng cách giữa hố đào và cọc. Số liệu đầu vào cần phải biết về thơng số của đất, tường chắn đất, hệ thống chống đỡ và cọc. Tính tốn là một quá trình gồm: xác định các bước thi cơng như kích hoạt cọc và tường vây, tiến hành đào và lắp đặt thanh chống. Phần xuất kết quả là quá trình sau cùng nĩ sẽ cho chúng ta những kết quả ứng xử của mơ hình.Trong nghiên cứu này chúng ta cần biết về độ lún bền mặt của đất, chuyển vị ngang của tường, moment trong tường, chuyển vị ngang của cọc và moment trong cọc, chúng được coi là các đặc trưng quan trọng được quan tâm trong thiết kế. - 33 - 3.2. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào ứng với cơng trình thực tế 3.2.1. Các đặc điểm cơ bản của cơng trình Cơng trình Khu dân cư 15 tầng, Quận 8 – TP. Hồ Chí Minh cĩ quy mơ 15 tầng và 1 tầng hầm. Cơng trình sử dụng mĩng cọc ống bê tơng ly tâm ứng suất trước để chống đỡ kết cấu bên trên. Cừ Larsen loại IV dài 6,0m được dùng để chắn giữ hố đào trong quá trình thi cơng tầng hầm. Hố đào cĩ kích thước 52,4m×33,9m, thi cơng bằng biện pháp đào mở. Các bước thi cơng:  Bước 1:Thi cơng ép cọc ống bê tơng ly tâm ứng suất trước đường kính 600mm (gồm 3 đoạn, mỗi đoạn dài 12m).  Bước 2: Thi cơng tường cừ Larsen.  Bước 3: Đào đất đến cao độ -1,8m (so với mặt đất tự nhiên (MĐTN). Đào đến đâu tiến hành giằng đầu cừ đến đĩ. Vận chuyển đất đi qua lơ đất khác.  Bước 4: Đào đất đến cao độ đáy đài là -3,8m (so vớiMĐTN) để thi cơng đài mĩng. Tiến hành đồng thời đào rãnh và mương thốt nước. Đĩng cừ neo và thi cơng chống xiên. Hình 3.2 – Mặt bằng tổng thể thi cơng hố đào 34 Hình 3.3 – Mặt bằng thi cơng hố đào 35 36 Hình 3.4 – Chi tiết cáp neo đầu cừ Hình 3.5 – Mặt cắt sau khi thi cơng cọc và tường cừ Larsen Hình 3.6 – Mặt cắt sau khi thi cơng đào đến độ sâu -1,8m so với MĐTN 37 Hình 3.7 – Mặt cắt sau khi thi cơng đào đến độ sâu -3,8m so với MĐTN Hình 3.8 – Chi tiết chống xiên trong hầm và neo cáp ngồi hầm 3.2.2. Các thơng số và mơ hình vật liệu 3.2.2.1. Thơng số đất sử dụng trong mơ hình Dựa trên cơ sở hồ sơ khảo sát địa chất cơng trình tác giả tiến hành phân tích và lựa chọn các thơng số bền và biến dạng của nền đất để mơ phỏng bài tồn hố đào trong chương trình PLAXIS 3D Foundation. 3.2.2.2. Thơng số tường cừ Larsen Hệ tường cừ Larsen FSP – IV được thi cơng bằng búa rung được đĩng tới cao độ -5,35m (so với MĐTN). Dựa vào thơng số kỹ thuật từ nhà sản xuất của cừ 38 SPT N = 0 SPT N = 3 SPT N = 17 SPT N = 49 Đất đắp, dày 1m Bùn sét trạng thái chảy, dày 25m Cát mịn trạng thái chặt vừa, dày 13,9m Bùn sét xen lẫn thấu kính cát trạng thái dẻo, dày 8,5m Sét trạng thái cứng, dày >11,6m Larsen FSP – IV ta tiến hành tính tốn các thơng số của tường trong mơ phỏng bằng phần mềm PLAXIS 3D Foundation . 5. Hình 3.9 – Mơ hình 3D của các lớp địa chất Bảng 3.1 – Các thơng số của cừ Larsen từ nhà sản xuất FSP - IV Diện tích mặt cắt ngang cm 2 Khối lượng/m kg/m Moment quán tính cm 4 Mơ đun đàn hồi cm 3 Trên m tường 242,5 190 38600 2270 Hình 3.10 – Kích thước cừ Larsen loại IV Bảng 3.2 – Thơng số đất nền sử dụng mơ hình Mohr – Coulomb (MC) Thơng số Ký hiệu Đất đắp Lớp 1 Bùn sét – Trạng thái chảy Lớp 2 Bùn sét xen kẹp thấu kính cát – Trạng thái dẻo chảy Lớp 3 Cát – Trạng thái chặt vừa Lớp 4 Sét – Trạng thái cứng Đơn vị Chiều dày - 1,0 25 8,5 13,9 11,6 m Mơ hình vật liệu Model MC MC MC MC MC - Ứng xử của vật liệu Type Drained Undrained Undrained Drained Undrained - Dung trọng tự nhiên (unsat.) 18 14.5 16.6 19.5 20.5 kN/m 3 Dung trọng bão hịa (sat.) 18 14.5 16.6 19.5 20.5 kN/m 3 Hệ số thấm kx=ky=kz 8.64e-2 8.64e-6 8.64E-5 8.64E-3 8.64E-6 m/ngà y Mơđunđàn hồi Eref 10000 2500 6500 26000 74000 kN/m 2 Hệ số Poisson  ’ 0.25 0.33 0.3 0.25 0.25 - Lực dính c’/cu 0.1 9 11 3 52 kN/m 2 Gĩc nội ma sát /u 28 4 6 28 18 o Gĩc giãn nở  0 0 0 0 0 o Hệ số giảm ứng suất tiếp xúc Rinter 1 1 1 1 1 - 39 40 Tính tốn dựa vào các cơng thức trình bày ở mục 2.5. d = h = 170×2 = 340mm = 0,34m ( ) ( ) ( ) Bảng 3.3 – Thơng số cừ Larsen FSP – IV dùng trong mơ hình Thơng số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Bề rộng d 0,34 m Trọng lượng riêng  5,6 kN/m 3 Loại ứng xử - Linear, non-isotropic - Mơđun đàn hồi E1 24,749.10 6 kPa E2 1,237.10 6 kPa Mơđun cắt G12 1,237.10 6 kPa G13 2,496.10 6 kPa G23 7,489.10 5 kPa 41 3.2.2.3. Thơng số thanh chống xiên và giằng đầu cừ Larsen Thanh chống xiên tại gĩc hố đào và giằng đầu cừ Larsen sử dụng thép hình H300×300×10×15tại cao trình MĐTN, sử dụng thép mác SS400 (CCT42) cĩ mơ đun đàn hồi E = 2,1×10 8 kN/m 2 , cường độ tính tốn f = 2450 kG/cm 2 , fv = 1350 kG/cm 2 . Bảng 3.4 – Đặc trưng vật liệu của thanh chống xiên và gằng đầu cừ Thơng số Ký hiệu Thanh chống và giằng đầu cừ Đơn vị Diện tích mặt cắt ngang A 119,8.10 -4 m 2 Trọng lượng riêng  78,5 kN/m 3 Ứng xử của vật liệu - Linear - Mơđun đàn hồi E 2,1.10 8 kN/m 2 Moment quán tính I2 20,4.10 -6 m 4 I3 0,675.10 -6 m 4 3.2.3. Thơng số cọc sử dụng trong mơ hình Cơng trình sử dụng mĩng cọc ống bê tơng ly tâm ứng suất trước PHC đường kính 600mm, chiều dày thành ống 100mm. Cọc ống loại A, cĩ diện tích mặt cắt ngang 15.7080mm 2 , cường độ bê tơng cọc là 78,5N/mm 2 . Cọc sử dụng 6 cây thép đường kính 7,1mm. Sự phá hoại của cọc sẽ dựa vào moment gây nứt cọc là Mcr = 166,8kN.m. Mơ đun đàn hồi của bê tơng được dùng trong phân tích là 30.000Mpa. Hệ số possion 0,2. Trong phân tích nếu ta sử dụng mơ hình cọc ống thì sẽ tạo ra số phần tử lớn, điều này cần hạn chế trong mơ phỏng bằng phần PLAXIS 3D Foundation. Vì khi số phần tử tăng lên đồng nghĩa thời gian và khối lượng tính tốn sẽ tăng lên. Để đơn giản hĩa trong quá trình phân tích chúng ta đề xuất phương án sử dụng cọc đặc để mơ phỏng. Cọc đặc này sẽ cĩ đường kính 600mm bằng đường kính ngồi của cọc ống, mục đích đảm bảo mặt đĩn lực của 2 cọc là như nhau. Mơ đun đàn hồi của bê tơng cũng được quy đổi tương đương thơng qua cơng thức: 42 ( ) ( ) ( ) ( ) Trong đĩ: Ed – Mơ đun đàn hồi của bê tơng cọc đặc. Er – Mơ đun đàn hồi của bê tơng cọc ống. Jd – Moment quán tính cọc đặc. Jr – Moment quán tính cọc ống. Dn – Đường kính ngồi của cọc. Dt – Đường kính trong của cọc ống. Chúng ta tiến hành mơ phỏng trên PLAXIS 3D Foundation 2 trường hợp sử dụng cọc đặc và cọc ống, trong đĩ cọc đặc được quy đổi độ cứng tương đương với cọc ống. Biểu đồ chuyển vị của cọc trong 2 trường hợp theo giai đoạn đào, hình 3.12 a b Hình 3.11 – Chuyển vị tại các giai đoạn thi cơng đào của cọc rỗng và cọc đặc a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,2m b) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -2,4m 43 6. Hình 3.12 – Kết quả chuyển vị của cọc rỗng và cọc đặc cĩ độ cứng tương đương Nhận xét: Chuyển vị của cọc đặc cĩ độ cứng tương đương với cọc ống cho kết quả chuyển vị giống với chuyển vị của cọc ống. Kết luận: Vậy để đơn giản hĩa mơ phỏng cọc ống trong PLAXIS 3D Foundation ta cĩ thể quy đổi về cọc đặc với độ cứng tương đương, nhưng khơng thay đổi đường kính ngồi của cọc để đảm bảo điều kiện đĩn lực như nhau. Bảng 3.5 – Đặc trưng vật liệu của cọc sử dụng trong mơ hình Thơng số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Loại cọc - Massive circular pile Đường kính cọc d 0,6 M Trọng lượng riêng  14 kN/m 3 Mơ đun đàn hồi E 2,41.10 7 kN/m 2 Hệ số possion  0,2 - 44 3.2.4. Phụ tải mặt đất Xung quanh cơng trình cĩ 3 mặt tiếp giáp với đường, khoảng cách từ cơng trình đến các cơng trình dân dụng khá xa nên trong luận văn này bỏ qua tải này. Trong quá trình thi cơng cịn cĩ tải của máy thi cơng, nên phụ tải được lấy là 10 kN/m2 và cách mép ngồi tường cừ Larsen là 2,5m, đặt ở mặt đất tự nhiên (MĐTN). Ngồi ra, khi thi cơng đào, đất được chuyển và tập kết cách hố đào khoảng 11m trên diện tích 200m 2 và cao khoảng 4m nên chúng ta lấy bằng 70kN/m 2 . 3.2.5. Điều kiện mực nƣớc ngầm Mực nước ngầm xuất hiện cách MĐTN -1,5m. Tồn bộ hố đào được thực hiện trong lớp đất số bùn sét cĩ hệ số thấm rất bé nên sẽ khơng xuất hiện dịng thấm từ bên ngồi vào trong hố đào. Nước xuất hiện cục bộ trong hố đào sẽ dùng rãnh thu về các hố và bơm ra ngồi. Hình 3.13 – Mặt bằng vị trí khối đất. 45 3.2.6. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào ứng với trƣờng hợp thực tế. 3.2.6.1. Mơ hình trong PLAXIS 3D Foundation Hình 3.14 – Mặt bằng mơ hình trong phân tích phần tử hữu hạn a) b) Hình 3.15 – a) Chia lưới 2D; b) Chia lưới 3D 46 Hình 3.16 – Mơ hình cọc, tường và hệ neo a) b) Hình 3.17 – Các giai đoạn thi cơng đào a) Đào đến cao độ -1,8m b) Đào đến cao độ -3,8m 47 3.2.6.2. Kết quả tính tốn Hình 3.18 – Biến dạng của hố đào khi đào đến cao độ -3,8 so với MĐTN Hình 3.19 – Vùng biến biến dạng dẻo 48 a) b) Hình 3.20 – a) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; b) Chuyển vị của cọc khi đào đến cao độ -3,8m; a) b) Hình 3.21 – a) Moment của cọc khi đào đến cao độ -1,8m; b) Moment của cọc khi đào đến cao độ -3,8m; 49 3.2.6.3. Phân tích kết quả tính tốn 7. Hình 3.22 – Mặt bằng cọc được sử dụng trong phân tích so sánh Thực tế ngồi hiện trường vị trí cọc bị nghiêng lệch lớn nhất như trong hình 3.22. Nên trong nghiên cứu này chúng ta chỉ tập trung phân tích kết quả tính tốn khu vực trên. a) Phân tích chuyển vị của cọc Từ kết quả tính tốn của PLAXIS 3D Foundation ta vẽ biểu đồ chuyển vị lớn nhất của các cọc theo các giai đoạn thi cơng đào đất Giai đoạn 1: Đào đến cao độ -1,8m (so với MĐTN) Từ biểu đồ ta thấy, khi tiến hành đào giai đoạn 1 thì các cọc chuyển vị rất nhỏ dao động trong khoảng 7cm đến 8cm. Vị trí chuyển vị lớn nhất của cọc nằm ở cao độ -11m so với MĐTN. Giai đoạn 2: Đào đến cao độ -3,8m (so với MĐTN) Từ biểu đồ ta thấy, khi tiến hành đào giai đoạn 2, với tải khối đất lân cận lớn (70kN/m 2 ) gây ra chuyển vị rất lớn cho các nhĩm cọc gần tường, chuyển vị lớn nhất tại đỉnh cọc và giảm dần khi xuống sâu phía dưới. Chuyển vị lớn nhất là cọc số 121, 50 122, 123 và 150, cĩ giá trị lần lượt là 101,5cm; 100cm; 105cm và 93,6cm. Các cọc cịn lại thì dao động trong khoảng 48‚84cm. Hình 3.23 – Biểu đồ chuyển vị lớn nhất của các cọc theo các giai đoạn thi cơng đào đất b) Phân tích nội lực trong cọc Trong suốt quá trình đào ứng xử của cọc cịn được so sánh với moment kháng nứt của cọc Mcr = 166,8 kN.m. Như vậy, khi moment uốn trong cọc vượt quá giá trị này thì cọc đĩ xem như bị nứt. Nếu cọc đạt 80%Mcr thì giả định cọc đạt trạng thái giới hạn. Kết quả so sánh được tĩm tắt trong Bảng 3.6. Moment uốn của các cọc trong mơ phỏng bằng PLAXIS 3D Foundation cho kết quả lớn hơn 80%Mcr, điều này sẽ dẫn đến cọc bị nứt. Đồng thời cũng phù hợp với kết quả kiểm tra độ đồng nhất của cọc ngồi hiện trường bằng phương pháp biến dạng nhỏ (PIT). 51 Hình 3.24 – Biểu đồ Moment uốn lớn nhất trong các cọc theo giai đoạn thi cơng Bảng 3.6 – Moment uốn lớn nhất của cọc từ mơ hình phần tử hữu hạn 3D và kết quả kiểm tra độ đồng nhất của cọc bằng phương pháp biến dạng nhỏ(PIT) Số thứ tự cọc Điều kiện làm việc của cọc Kết quả tính tốn bằng PLAXIS 3D Foundation Kết quả thí nghiệm hiện trƣờng bằng Phƣơng pháp biến dạng nhỏ (PIT) 121 Cọc bị gãy Cọc cĩ khả năng bị nứt hay mối nối khơng tốt 122 Cọc bị gãy Cọc đồng nhất 123 Cọc bị gãy Cọc bị nứt 124 Cọc bị nứt Cọc đồng nhất 125 Cọc bị nứt Cọc đồng nhất 126 Cọc bị nứt Cọc đồng nhất 150 Cọc bị gãy Cọc bị nứt 151 Cọc bị gãy Cọc bị nứt 152 Cọc bị gãy Cọc bị nứt 153 Cọc bị nứt Cọc bị nứt 154 Cọc bị nứt Cọc bị nứt 52 C) Phân tích chuyển vị của cọc với quan trắc ngồi hiện trường Chọn nhĩm cọc như hình 3.25 (cĩ chuyển vị ngang lớn nhất) để phân tích. Từ bảng kết quả chuyển vị của cọc trong PLAXIS ta vẽ được biểu đồ chuyển vị ngang của hàng cọc (số 150, 151, 152) theo từng giai đoạn thi cơng hố đào. Hình 3.25 – Mặt bằng nhĩm cọc sử dụng phân tích Giai đoạn 1: Đào đất đến cao độ -1,8m (so với MĐTN): - Ta thấy rằng chuyển vị ngang lớn nhất của các cọc tương đối nhỏ, dao dộng từ 4,5cm đến 6,5cm và các cọc càng xa dần tường cừ Larsen thì giá trị chuyển vị càng giảm dần. Các cọc trên cĩ giá trị chuyển vị lớn nhất tại cao độ -11m so với MĐTN, nĩ gần như nằm ở giữa cao độ của lớp đất yếu. Trong giai đoạn này ta khơng xét đến quan trắc ngồi hiện trường. 53 Hình 3.26 – Kết quả chuyển vị ngang của cọc so với quan trắc hiện trường 54 Giai đoạn 2: Đào đất đến cao độ -3,8m (so với MĐTN): - Từ kết quả thấy rằng cọc cĩ chuyển vị ngang lớn nhất của tất cả các cọc đều nằm tại đỉnh cọc (cao độ 0,0m so với MĐTN). Giá trị chuyển vị ngang lớn nhất và giá trị quan trắc của từng cọc là: cọc 150 (chuyển vị 93,4cm - quan trắc 155,7cm); cọc 151 (chuyển vị 83,4cm - quan trắc 148,3cm); cọc 153 (chuyển vị 54,9cm - quan trắc 74,5cm); cọc 154 (chuyển vị 48,6cm - quan trắc 71,3 cm); cọc 155 (chuyển vị 30cm - quan trắc 26,5cm); cọc 156 (chuyển vị 28,7cm - quan trắc 19,4cm); cọc 158 (chuyển vị 21,3cm - quan trắc 13,7cm); cọc 159 (chuyển vị 20,7cm - quan trắc 18,5cm). Ta thấy nhĩm cọc 150, 151, 152, 154 cĩ giá trị quan trắc chuyển vị rất khác so với chuyển vị theo mơ phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation vì trong thực tế thì nhĩm cọc này đã bị gãy và bị đẩy ra xa, cịn theo phần mềm Plaxis thì mơ phỏng vật liệu của cọc là đàn hồi tuyến tính nên khơng bị phá hoại vẫn giữ nguyên hiện trạng của chuyển vị của cọc. Cịn nhĩm cọc 155, 156, 158, 159 cĩ giá trị chuyển vị xấp xỉ với giá trị quan trắc ngồi hiện trường. Hình 3.27 – Đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách từ cọc đến tường theo chiều sâu lớn nhất hố đào.  Sử dụng phần mềm excel và kết quả chuyển vị của cọc thì ta nhận thấy vùng ảnh hưởng chuyển vị của cọc bên trong hố đào khoảng 4,5H (H là chiều sâu hố đào). 55 Kết luận:  Khi sử dụng các thơng số đầu vào ở mục 4.2.2 để mơ phỏng bằng phần mềm PLAXIS 3D Foundation thì cho kết quả chuyển vị ngang và moment uốn của cọc xấp xỉ với giá trị quan trắc ngồi hiện trường. Như vậy, ta cĩ thể sử dụng bộ thơng số này để mở rộng phân tích cho những trường hợp khác.  Với lớp đất yếu dày (bùn sét – trạng thái chảy - 25m) cùng với sự tác động của phụ tải khối đất đắp lớn (70kN/m2) và gần hố đào nên dẫn đến chuyển vị và moment uốn trong cọc phát sinh lớn, cọc vượt quá moment kháng uốn của cọc. Giá trị chuyển vi cực đại tại đỉnh cọc và moment cực đại tại cao độ -16m so với MĐTN.  Vùng ảnh hưởng chuyển vị của cọc bên trong hố đào là khoảng 4,5H (H là chiều sâu của hố đào). =>Với sự ảnh hưởng như vậy thì chúng ta phải cĩ nhiều giải pháp khắc phục sự cố trên để đảm bảo cho cơng trình trong quá trình thi cơng. Do dĩ giải pháp trước tiên chúng ta xét đến sự dịch chuyển phụ tải khối đất đắp ra xa dần cơng trình. Phần này sẽ được trình bày trong mục sau. 56 3.2.7. Phân tích ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào trong trƣờng hợp dời dần khối đất đắp ra xa Như đã phân tích ở phần trên thì ta thấy sự ảnh hưởng của khối đất đắp đến các cọc bên trong hố đào là rất lớn, làm cho một số cọc bị phá hoại. Để khắc phục vấn đề đĩ, chúng ta dịch chuyển khối đất ra xa dần theo từng khoảng cách nhất định so với vị trí khối đất ban đầu để phân tích sự ảnh hưởng của khối đất đến các cọc trong hố đào và cùng với việc đĩ thì chúng ta so sánh TCVN 7888:2008 về moment kháng uốn của cọc trong cơng trình. Trong phần này chúng xét khoảng cách từ khối đất đắp đến tường cừ Larsen lần lượt là 3H, 5H, 7H, 9H, 11H, 13H, 15H (với H=4m là khoảng cách tương đương với chiều sâu lớn nhất của hố đào). 3.2.7.1. Mơ hình trong PLAXIS 3D Foundation Hình 3.28 – Các trường hợp chia lưới 2D; a) Bỏ tải khối đất đắp; e) Dời tải khối đất đắp9H; b)Dời tải khối đất đắp3H; f)Dời tải khối đất đắp11H; c)Dời tải khối đất đắp5H; g)Dời tải khối đất đắp13H; d)Dời tải khối đất đắp7H; h)Dời tải khối đất đắp15H; 57 8. Hình 3.29 – Các trường hợp chia lưới 3D; a) Bỏ tải khối đất đắp; e) Dời tải khối đất đắp 9H; b)Dời tải khối đất đắp 3H; f)Dời tải khối đất đắp 11H; c) Dời tải khối đất đắp 5H; g)Dời tải khối đất đắp 13H; d)Dời tải khối đất đắp 7H; h)Dời tải khối đất đắp 15H; 58 3.2.7.2. Kết quả tính tốn 9. Hình 3.30 – Các trường hợp chuyển vị; a) Bỏ tải khối đất đắp; e) Dời tải khối đất đắp9H; b) Dời tải khối đất đắp3H; f) Dời tải khối đất đắp11H; c) Dời tải khối đất đắp5H; g) Dời tải khối đất đắp13H; d) Dời tải khối đất đắp7H; h) Dời tải khối đất đắp15H; 59 10. Hình 3.31 – Các trường hợp moment uốn a) Bỏ tải khối đất đắp; e) Dời tải khối đất đắp9H; b) Dời tải khối đất đắp3H; f) Dời tải khối đất đắp11H; c) Dời tải khối đất đắp5H; g) Dời tải khối đất đắp13H; d) Dời tải khối đất đắp7H; h) Dời tải khối đất đắp15H; 60 3.2.7.3. Phân tích kết quả a) Phân tích chuyển vị của cọc Tương tự như phần phân tích của cơng trình thực tế, thì các trường hợp dịch chuyển khối đất đắp ra xa, ta cĩ biểu đồ chuyển vị của cọc ứng với các trường hợp như sau: Giai đoạn 1: Đào đất đến cao độ -1,8m (so với MĐTN): Hình 3.32a – Biểu đồ thể hiện hình dáng chuyển vị ngang của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa hố đào và trường hợp khơng khối đất đắp khi đào -1,8m. 61 Hình 3.32b – Biểu đồ so sánh kết quả so sánh chuyển vị ngang lớn nhất của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa hố đào và trường hợp khơng khối đất đắp khi đào -1,8m. 62 Trong giai đoạn này cọc cĩ xu thế bị uốn cong, vị trí bị uốn cong lớn nhất nằm tại cao độ -11m so với MĐTN và giá trị chuyển vị của trong các trường hợp cịn nhỏ.Càng dời khối đất đắp ra xa thì giá trị chuyển vị vẫn giảm xuống nhưng khơng đáng kể. Giai đoạn 2: Đào đất đến cao độ -3,8m (so với MĐTN): Hình 3.33a – Biểu đồ thể hiện hình dáng chuyển vị ngang của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa hố đào và trường hợp khơng khối đất đắp khi đào -3,8m. 63 Hình 3.33b – Biểu đồ so sánh kết quả so sánh chuyển vị ngang lớn nhất của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa hố đào và trường hợp khơng khối đất đắp khi đào -3,8m. 64 - Từ hình 3.33a ta thấy trường hợp thực tế thì cọc cĩ chuyển vị lớn nhất tại đỉnh cọc, càng dời khối đất đắp ra xa thì cọc cĩ xu thế bị uốn cong tại vị trí dưới chân tường chắn gần giống với trường hợp bố trí khối đất đắp xung quanh hố đào. -Từ hình 3.33b ta thấy trong giai đoạn đào này cọc chuyển vị rất lớn, chuyển vị lớn nhất của cọc trong trường hợp khối đất cách tường 3H (theo trường hợp thực tế, H≈4m là chiều sâu hố đào) của các cọc 150, cọc 151, coc 153 và cọc 154 lần lượt cĩ giá trị là 93,4cm;83,4cm; 54,9cm và 48,6cm. Trong lần xét khối đất tại vị trí cách xa tường chắn 5H thì chuyển vị giảm xuống rất nhiều, giá trị lớn nhất chỉ cịn 21,6cm nhưng giá trị này vẫn cịn cao. Chúng ta tiếp tục xét đến khối đất đắp tại các vị trí 7H, 9H, 11H, 13H thì giá trị chuyển vị của cọc tiếp tục giảm xuống và khi xét tại vị trí 15H thì giá trị chuyền vị xấp xỉ với trường hợp khơng xét đến khối đất đắp xung quanh hố đào. b) Phân tích moment trong cọc Giai đoạn 1: Đào đất đến cao độ -1,8m (so với MĐTN): 65 Hình 3.34 – Biểu đồ so sánh kết quả moment uốn của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa hố đào và moment kháng uốn của cọc Trong giai đoạn này ta thấy nội lực trong cọc phát sinh khơng lớn, moment uốn lớn nhất của cọc trong trường hợp khối đất cách tường 3H (theo trường hợp thực tế, H≈4m là chiều sâu hố đào) của các cọc 150, cọc 151, coc 153 và cọc 154 lần lượt cĩ giá trị là 38,1kN.m; 39,7kN.m; 40,2kN.m và 42,1 kN.m nên vẫn cịn nhỏ hơn moment kháng uốn của cọc (Mcr=166,8kN). Khi xét các trường hợp dời khối đất đắp ra xa dần hố đào 15H (tức là cách tường chắn 60m) thì moment của cọc giảm xuống khơng đáng kể và giá trị lúc này xấp xỉ bằng giá trị moment của cọc khi khơng xét tới khối đất đắp xung quanh hố đào. 66 Giai đoạn 2: Đào đất đến cao độ -3,8m (so với MĐTN): Hình 3.35 – Biểu đồ so sánh kết quả moment uốn của cọc trong các trường hợp dời khối đất đắp ra xa và moment kháng của cọc 67 Trong giai đoạn này ta thấy nội lực trong cọc phát sinh rất lớn, moment uốn lớn nhất của cọc trong trường hợp khối đất cách tường 3H (theo trường hợp thực tế, H≈4m là chiều sâu hố đào) của các cọc 150, cọc 151, coc 153 và cọc 154 lần lượt cĩ giá trị 489,9kN.m; 453,3kN.m; 147,9kN.m và 156,5 kN.m, giá trị này hầu như xấp xỉ và vượt qua moment kháng uốn của cọc 166,8kN.m (chiếm 294%) làm cho các cọc bị phá hoại. Nhưng khi trường hơp khối đất đặt cách tường chắn là 5H thì giá trị moment uốn trong cọc giảm xuống rất đột ngột chỉ cịn khoảng 41,5% moment kháng uốn của cọc. Khi xét các trường hợp dời khối đất đắp ra xa dần hố đào 15H (tức là cách tường chắn 60m) thì moment của cọc giảm xuống khơng đáng kể và giá trị lúc này xấp xỉ bằng giá trị moment của cọc khi khơng xét tới khối đất đắp xung quanh hố đào. Kết luận:  Việc di chuyển khối đất đắp ra xa hố đào sẽ làm giảm ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả chuyển vị và moment uốn của cọc bên trong hố đào: + Chuyển vị giảm xuống 4 lần khi dời khối đất từ 3H lên 5H. + Moment giảm xuống 7 lần khi dời khối đất từ 3H lên 5H. (H là chiều sâu lớn nhất của hố đào)  Phạm vi ảnh hưởng lớn nhất của khối đất đắp đến chuyển vị và moment uốn của cọc bên trong hố đào khoảng 5H và sự ảnh hưởng nhỏ thì kéo dài trong phạm vi rất lớn khoảng 15H.  Việc phân tích này sẽ giúp ích cho việc bố trí vật liệu, máy mĩc thiết bị…với một khoảng cách hợp lý nhất để giảm ảnh hưởng đến cơng trình. 3.3. Phân tích mở rộng xem xét ảnh hƣởng của cọc bên trong hố đào trong trƣờng hợp thay đổi chiều dài tƣờng ứng với cơng trình thực tế Trong phần này chúng ta tiến hành mơ phỏng các bài tốn ứng với chiều sâu tường cừ khác nhau (tức là thay đổi chiều dài ngàm tường X). Nhằm mục đích xem xét khả năng tăng chiều sâu ngàm tường để giảm chuyển vị và moment của cọc bên trong hố đào cĩ hiệu quả hay khơng. 68 Theo số liệu cơng trình thực tế thì tường cừ Larsen cĩ chiều dài là 6m. Ta tiến hành mơ phỏng thêm các trường hợp chiều dài tường cừ Larsen cĩ sự thay đổi thành 9m và 12m, từ đĩ xét chuyển vị và moment của cọc trong từng trường hợp. Hình 3.36 – Mặt cắt hố đào của cơng trình thực tế 3.3.1. Mơ hình trong PLAXIS 3D Foundation Hình 3.37 – Mơ hình cọc và tường cừ Larsen cĩ chiều sâu thay đổi a) Tường dài 6m; b) Tường dài 9m; c) Tường dài 12m; 69 3.3.2. Phân tích kết quả tính tốn Từ kết quả tính tốn của PLAXIS 3D Foundation ta vẽ được các biểu đồ chuyển vị ngang lớn nhất và moment uốn lớn nhất của cọc với khoảng cách cọc đến tường khác nhau khi thay đổi chiều sâu tường lần lượt là 6m; 9m và 12m. Tương tự chọn hàng cọc như Hình 3.25 để phân tích. Từ bảng kết quả chuyển vị của cọc trong PLAXIS ta vẽ được biểu đồ chuyển vị ngang và moment uốn của hàng cọc (số 150, 153, 155, 158) với khoảng cách từ tim cọc đến tường theo từng giai đoạn thi cơng. a) Phân tích chuyển vị của cọc Giai đoạn 1: Đào đất đến cao độ -1,8m (so với MĐTN): Hình 3.38 – Biểu đồ thể hiện hình dáng chuyển vị ngang của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn. 70 Hình 3.39 – Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang lớn nhất của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn. Từ Hình 3.38 khi ta tăng chiều sâu tường thì chuyển vị ngang của cọc giảm rất nhỏ các cọc cĩ xu thế bị uốn cong và dịch chuyển ngang. Giá trị của cọc càng giảm khi khoảng các từ cọc đến tường tăng. Khi tăng chiều sâu tường thì giá trị chuyển vị khơng giảm.. Giai đoạn 2: Đào đất đến cao độ -3,8m (so với MĐTN): Từ Hình 3.39 ta thấy khi tăng chiều dài ngàm tường từ 6m lên 9m thì chuyển vị ngang của cọc giảm xuống rất lớn (giảm xuống chỉ cịn 36,75% của giá trị chuyển vị của tường sâu 6m khi ta xét cọc gần tường 150) nhưng nếu chúng ta tiếp tục tăng lên 12m thì chuyển vị sẽ giảm thêm khơng đáng kể (giảm xuống cịn 36,4% của giá trị chuyển vị của tường sâu 6m khi ta xét cọc gần tường 150). Sự chênh lệch của giá trị chuyển vị giữa chiều sâu tường 9m và 12m thì rất nhỏ. Tương tự các cọc xa tường thì giá trị chuyển vị giữa chiều sâu tường 9m và 12m giảm nhiều hơn nhưng khơng đáng kể. Khi tường dài 6m thì các cọc cĩ chuyển vị lớn nhất tại đỉnh cọc, càng tăng chiều sâu tường thì các cọc xa tường (cọc 155, cọc 158) cĩ xu thế bị uốn cong chuyển vị lớn nhất của cọc di chuyển sâu xuống dưới so với cao độ MĐTN. 71 11. Hình 3.40 – Biểu đồ thể hiện hình dáng chuyển vị ngang của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn Hình 3.41 – Biểu đồ so sánh kết quả chuyển vị ngang lớn nhất của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn. 72 b) Phân tích moment của cọc Hình 3.42 – Biểu đồ moment uốn lớn nhất của cọc trong các trường hợp tăng chiều sâu tường chắn. Đối với moment uốn trong cọc gần tường chắn nhất là 4,5m (cọc 150) thì khi tăng chiều sâu tường là 9m thì moment uốn giảm xuống cịn 96% moment chống uốn của cọc (Mcr= 166,8kN.m). Khi tăng chiều sâu tường dài 12m thì moment uốn của cọc cịn 56%Mcr. Sự chênh lệch của giá trị moment uốn giữa chiều sâu tường 9m và 12m thì tương đối lớn. Điều này ta thấy việc tăng chiều sâu tường rất quan trọng trong trong việc làm giảm nội lực phát sinh trong cọc khi thi cơng hố đào sâu trong đất yếu. Đối với moment uốn trong cọc xa tường chắn nhất là 13,2m (cọc 158) thì khi tăng chiều sâu tường là 9m thì moment uốn giảm xuống cịn 56,8% moment chống uốn của cọc (Mcr= 166,8kN.m). Khi tăng chiều sâu tường dài 12m thì moment uốn của cọc vẫn cịn 52,2%Mcr. Sự chênh lệch của giá trị moment uốn giữa chiều sâu tường 9m và 12m thì rất nhỏ. 73 Hình 3.43 – Đồ thị biểu diễn đường cong quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của cọc và khoảng cách từ cọc đến tường theo chiều sâu lớn nhất hố đào.  Khi chiều sâu tường 6m thì vùng ảnh hưởng chuyển vị của cọc bên trong hố đào là khoảng 4,5H.  Khi chiều sâu tường 9m thì vùng ảnh hưởng chuyển vị của cọc bên trong hố đào là khoảng 5,4H.  Khi chiều sâu tường 12m thì vùng ảnh hưởng chuyển vị của cọc bên trong hố đào là khoảng 4,7H. 74 Kết luận:  Khi hố đào sâu 1,8m thì việc tăng chiều sâu ngàm tường chắn khơng ảnh hưởng nhiều đến kết quả chuyển vị của cọc trong hố đào.  Khi hố đào sâu 3,8m thì việc tăng chiều sâu ngàm tường chắn lên 9m cho kết quả khả quan nhất. Tăng 12m thì sẽ khơng kinh tế.  Khi tăng chiều sâu tường từ 6m đến 12m trong trường hợp cĩ xét khối đất lân cận thì vùng ảnh hưởng đến chuyển vị của cọc do thi cơng hố đào sẽ khoảng 4,5H đến 5,4H.  Việc phân tích trên sẽ giúp cho chúng ta tiết kiệm được khơng gian sử dụng để thi cơng cơng trình, chúng ta cĩ thể bố trí đất đào vật liệu, máy mĩc thiết bị...xung quanh hố đào mà khơng làm ảnh hưởng đến cơng trình. 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN 1. Khi sử dụng các thơng số đầu vào để mơ phỏng bằng phần mềm PLAXIS 3D Foundation thì cho kết quả chuyển vị ngang và moment uốn của cọc xấp xỉ với giá trị quan trắc ngồi hiện trường. Như vậy ta cĩ thể sử dụng bộ thơng số này để mở rộng phân tích cho những trường hợp khác. 2. Với lớp đất yếu dày (bùn sét – trạng thái chảy - 25m) cùng với sự tác động của phụ tải khối đất đắp lớn (70kN/m2) và gần hố đào nên dẫn đến chuyển vị và moment uốn trong cọc phát sinh lớn, cọc vượt quá moment kháng uốn của cọc. Giá trị chuyển vi cực đại tại đỉnh cọc và moment cực đại tại cao độ -16m so với MĐTN. 3. Vùng ảnh hưởng chuyển vị của cọc bên trong hố đào khi phân tích theo mơ hình thực tế là khoảng 4,5H (H là chiều sâu của hố đào). 4. Việc di chuyển khối đất đắp ra xa hố đào sẽ làm giảm ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả chuyển vị và moment uốn của cọc bên trong hố đào: + Chuyển vị giảm xuống 4 lần khi dời khối đất từ 3H lên 5H. + Moment giảm xuống 7 lần khi dời khối đất từ 3H lên 5H. (H là chiều sâu lớn nhất của hố đào) 5. Phạm vi ảnh hưởng lớn nhất của khối đất đắp đến chuyển vị và moment uốn của cọc bên trong hố đào khoảng 5H và sự ảnh hưởng nhỏ thì kéo dài trong phạm vi rất lớn khoảng 15H. 6. Khi hố đào sâu 1,8m thì việc tăng chiều sâu ngàm tường chắn khơng ảnh hưởng nhiều đến kết quả chuyển vị của cọc trong hố đào. 7. Khi hố đào sâu 3,8m thì việc tăng chiều sâu ngàm tường chắn lên 9m cho kết quả khả quan nhất. Tăng 12m thì sẽ khơng kinh tế. 8. Khi tăng chiều sâu tường từ 6m đến 12m trong trường hợp cĩ xét khối đất lân cận thì vùng ảnh hưởng đến chuyển vị của cọc do thi cơng hố đào sẽ khoảng 4,5H đến 5,4H. 76 KIẾN NGHỊ 1. Khi thi cơng hố đào sâu trong đất yếu cần xem xét ảnh hưởng của quá trình thi cơng đến cọc bên trong hố đào. 2. Hạn chế chất tải xung quanh hố đào cĩ lớp đất yếu dày. 3. Khuyến cáo khơng nên sử dụng cọc ống bê tơng ly tâm ứng suất trước khi cơng trình cĩ lớp đất yếu dày vì moment chống uốn của loại cọc này nhỏ. Nên sử dụng loại cọc cĩ moment chống uốn lớn. 4. Cĩ biện pháp hạn chế chuyển vị ngang của tường chắn như sử dụng biện pháp gia cố cọc xi măng đất ở đáy hố đào. 5. Sẽ tiến hành phân tích ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào khi thay đổi giá trị tải và khoảng cách tải đến tường. Các loại cọc cĩ đường kính, chiều dài thay đổi. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bùi Trường Sơn, 2009. Địa chất cơng trình. NXB Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. [2]. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, NXB Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2009. [3]. Finno, R.J., Samir, A.L., Nabil, F.A. and Indra, S.H., 1991. Analysis of performance of pile groups adjacent to deep excavations. Journal of Geotechnical Engineering Vol. 117, No.6, pp. 934-955. [4]. Hannes Persson & Daniel Sigstrưm, 2010. Staged excavation in soft clay supported by a cantilever sheet pile wall. Master’s Thesis. Chalmers University Of Technology, 2010. [5]. K.J. Bakker, 2005. A 3D FEM model for Excavation Analysis. Delft University of Technology & Plaxis BV, Delft, Netherlands. [6]. Leung, C.F., Chow, Y.K. and Shen R.F., 2000. Behaviour of pile subject to excavation-induced soil movement. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Vol. 126, No. 11, pp. 947-2000. [7]. Nguyễn Cơng Khanh, 2007. Nghiên cứu ảnh hƣởng của hố đào sâu đến ổn định cơng trình lân cận, Luận văn Thạc sĩ. Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh. [8]. Huỳnh Trung Nghĩa, 2009. Phân tích sự cố cọc bị nghiêng trong quá trình thi cơng và biện pháp xử lý khắc phục. Luận văn Thạc sĩ. Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh.