Luận văn Phân tích ổn định hệ tường vây trong quá trình thi công hố đào sâu bằng mô hình PLAXIS 3D

avation – Theory and Practice” của Chang-Yu Ou: Dưới tác dụng của áp lực đất, tường vây bị uốn cong và biến dạng, khi đó sẽ có sự dịch chuyển tương đối giữa đất và tường. Đất không có tác dụng gia tăng moment kháng uốn cho tường mà nó làm gia tăng ứng suất tác dụng lên tường. Khi đó, nếu tường được gia cố bằng các sườn, thì hệ sườn này có tác dụng tuyệt vời trong việc gia tăng khả năng kháng uốn cho tường. Vị trí của sườn có thể thay đổi cả ở bên trong hay ngoài tường. Khi đặt bên trong, nó sẽ là phần tử chịu kéo. Về mặt lý thuyết, sườn nên đặt theo trường hợp này. Tuy nhiên, trong thực tế khi sử dụng cho ta thấy rằng tác dụng tốt nhất của nó là gia tăng moment kháng uốn cho tường. Khi đặt ở vị trí này thì bắt buộc ta phải phá bỏ nó trong quá trình thi công hố đào. Hình 1.19: Các dạng chuyển vị của tường - trường hợp độ cứng thanh chống không đủ lớn (a) Giai đoạn đào chưa có thanh chống, (b) giai đoạn có thanh chống, (c) giai đoạn lấp nhiều tầng thanh chống, Chang Yu Ou (2006) 1.7 Phân tích chuyển vị ngang của tƣờng vây trong hố đào sâu bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (a) (b) Struts Excavation surface Retaining wall (c) - 20 - Phần mềm Plaxis 3D Foundation là một trong những phần mềm mạnh, được nhiều nước trên thế giới sử dụng để giải quyết các bài toán về móng, phần ngầm các công trình xây dựng và các công trình ngầm tương tác với đất. Phần mềm Plaxis 3D Foundation tỏ rõ thế mạnh trong tính toán ứng suất- biến dạng, chuyển vị- lún, nội lực trong kết cấu và ổn định trượt sâu tương tác giữa công trình với nền đất. Chương trình sử dụng giao diện thuận tiện cho người dùng, giúp cho người dùng nhanh chóng tạo ra một lưới phần tử hữu hạn ba chiều dựa trên sự liên kết các mặt cắt ngang tại các cao trình khác nhau. Các bước tính toán cho bài toán tương tác giữa công trình với nền đất bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation gồm 11 bước sau: Bƣớc 1: Thiết lập tổng thể bài toán Bƣớc 2: Thiết lập mặt bằng làm việc Bƣớc 3: Thiết lập đường bao hình dạng, kết cấu. Bƣớc 4: Khai báo tải trọng Bƣớc 5: Khai báo lỗ khoan và các tính chất vật liệu. Bƣớc 6: Chia lưới phần tử Bƣớc 7: Thiết lập giai đoạn tính toán. Bƣớc 8: Chọn điểm. Bƣớc 9: Tính toán Bƣớc 10: Xem và xuất kết quả nội lực, biến dạng , ứng suất kết cấu. Bƣớc 11: Xem và xuất kết quả biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị kết cấu. Sử dụng chương trình Plaxis giúp chúng ta phân tích được sự làm việc của kết cấu trong từng giai đoạn thi công đào đất, sự làm việc của kết cấu chắn giữ gần với thực tế nhất. Hình 1.20: Giới hạn vùng mô hình khi phân tích hố đào sâu bằng Plaxis, K.J Bakker d min(3-5)d min(2-3)h h m in h - 21 - 1.8 Một số kết luận rút ra từ chƣơng 1 Có nhiều dạng tường vây khác nhau được sử dụng hiện nay nhằm giữ ổn định thành hố đào. Mỗi loại tường vây có những ưu khuyết điểm và phạm vi sử dụng khác nhau, cần lựa chọn sử dụng phù hợp. Thanh chống làm giảm đáng kể chuyển vị của tường vây. Kết quả chuyển vị này phụ thuộc chủ yếu vào khả năng chịu lực của thanh chống và chất lượng các khớp nối giữa thanh chống và tường vây. Sức kháng của sườn cơ bản xuất phát từ sức chống cắt hoặc sức kháng ma sát bên giữa sườn và đất. Nó cũng có ảnh hưởng đáng kể trong việc làm giảm chuyển vị của tường vây và ổn định đáy hố đào. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng này lại phụ thuộc vào chuyển vị của tường vây, nếu chuyển vị của tường vây lớn thì mức độ ảnh hưởng lớn hơn. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường vây trong đó ảnh hưởng của hiệu ứng góc có tác động nhiều, đặc biệt là hình dạng hố đào xây dựng không được vuông cạnh. Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn plaxis 2D phân tích chuyển vị tường vây hố đào ta không thấy được sự ảnh hưởng và mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng góc đến chuyển vị tường vây. Với sự hỗ trợ tính toán hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng mô hình 3D có nhiều ưu điểm để mô phỏng, phân tích đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng góc đến chuyển vị tường. - 22 - CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƢỜNG VÂY BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Cơ sở lý thuyết trong Plaxis Những công bố gần đây trên hố đào sâu có liên quan đến phân tích phần tử hữu hạn. Việc sử dụng phân tích phần tử hữu hạn là một trong những thay đổi lớn trong việc phân tích hố đào sâu. Sự thay đổi đáng kể khác liên quan đến là chuyển vị xung quanh hố đào trong khu vực nội thành làm cho việc thiết kế có tính chính xác cao. Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định. Phương pháp này rất thích hợp để tìm nghiệm gần đúng cho các bài toán vật lý, kỹ thuật khi mà hàm cần tìm được xác định trên các miền phức tạp là những vùng nhỏ có đặc trưng hình học, vật lý khác nhau có các điều kiện biên khác nhau. Trong giới hạn đề tài, dùng phần mềm Plaxis 3D để mô phỏng công trình. Từ đó dự đoán được chuyển vị tường vây trong từng giai đoạn khi thi công hố đào tầng hầm. 2.1.1. Mô hình vật liệu a) Mô hình Mohr - Coulomb Ñaøn hoài Deûo Ñieåm deûo 1 E ÖÙng suaát,' Hình 2.1: Quan hệ ứng suất và biến dạng trong mô hình đàn dẻo Mô hình Mohr – Coulomb là mô hình đất cơ bản và phổ biến nhất với ứng xử đàn hồi – dẻo lý tưởng của đất nền, áp dụng tiêu chuẩn phá hoại của Mohr – Coulomb. - 23 - Nguyên lý chủ yếu mô hình Mohr – Coulomb là biến dạng của đất nền sẽ bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Biến dạng dẻo là biến dạng không hồi phục. Để đánh giá biến dạng dẻo có xảy ra trong tính toán hay không, một hàm dẻo f được định nghĩa. Hàm dẻo f là hàm của ứng suất và biến dạng, được thể hiện như một mặt trong không gian ứng suất chính. Một mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng là một mô hình cấu thành với một mặt dẻo cố định, mặt dẻo này hoàn toàn được xác định thông qua các thông số đất nền và không chịu ảnh hưởng bởi biến dạng dẻo. Đối với các trạng thái ứng suất đặc trưng bởi các điểm bên trong mặt dẻo, ứng xử hoàn toàn đàn hồi và tất cả biến dạng là hồi phục. Mô hình Mohr – Coulomb không xét đến tính tăng bền hay suy bền của vật liệu trong quá trình biến dạng mà chỉ đưa ra một ứng suất cắt giới hạn để tách biệt ứng xử đàn hồi và ứng xử dẻo. Hàm dẻo Mohr – Coulomb như sau:       0cos.sin 2 1 2 1 0cos.sin 2 1 2 1 0cos.sin 2 1 2 1 ' 2 ' 1 ' 2 ' 13 ' 3 ' 1 ' 3 ' 12 ' 3 ' 2 ' 3 ' 21       cf cf cf Ngoài ra, để tính toán sự suy giảm thể tích do biến dạng dẻo của loại đất cát chặt hoặc sét cứng, khi chịu ứng suất cắt thì hàm thế năng dẻo của đất cũng được thêm vào:          sin 2 1 2 1 sin 2 1 2 1 sin 2 1 2 1 ' 2 ' 1 ' 2 ' 13 ' 3 ' 1 ' 3 ' 12 ' 1 ' 3 ' 3 ' 21    g g g Mô hình Mohr – Coulomb gồm có 5 thông số tính toán như sau: - Thông số đàn hồi: E: Mô đun đàn hồi Young (kN/m2)  : Hệ số poison - Thông số phá hoại (chảy dẻo): c : Lực dính hữu hiệu (kN/m2) - 24 - ' : Góc ma sát trong hữu hiệu (độ)  : Góc giãn nở (độ) Mô hình Mohr – Coulomb là mô hình phân tích đơn giản, quá trình tính toán nhanh chóng, và là mô hình phân tích ứng xử của đất phổ biến nhất, với các thông số đầu vào đơn giản, rõ ràng. Mô hình này thường dùng để tính toán gần đúng các ứng xử của đất ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu. b) Mô hình tăng bền đẳng hƣớng Hardening Soil Mô hình tăng bền đẳng hướng Hardening Soil là mô hình đất nâng cao dùng để mô phỏng ứng xử của nhiều loại đất khác nhau, dành cho cả đất mềm và đất cứng (Schanz, 1998). Khác với mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr – Coulomb, mặt ngưỡng dẻo của mô hình Hardening Soil không cố định trong thời gian ứng suất chính mà có thể mở rộng ra tùy thuộc vào mức độ biến dạng dẻo của đất. Mô hình Hardening Soil tích hợp cả 2 loại ứng xử tăng bền của đất nền, đó là tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén. Tăng bền chống cắt dùng để mô phỏng các biến dạng không hồi phục của đất nền khi chịu ứng suất lệch (ứng suất cắt) ban đầu. Tăng bền chống nén dùng để mô phỏng các biến dạng không hồi phục của đất nền khi chịu tải nén 1 trục ban đầu (nén cố kết hay nén đẳng hướng). Trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước, mối quan hệ giữa biến dạng dọc trục và ứng suất lệch có dạng hyperbolic (Kondner, 1963) và về sau đã được ứng dụng trong mô hình hyperbolic nổi tiếng của Duncan và Chang (1970). Tuy nhiên mô hình Hardening Soil đã vượt xa mô hình hyperbolic vì mô hình này xây dựng trên cơ sở lý thuyết dẻo thay vì lý thuyết đàn hồi và thêm nữa mô hình Hardening Soil có xét đến góc giãn nở của đất và đưa ra mặt dẻo hình chỏm. Trong mô hình Hardening Soil, độ cứng của đất nền được mô tả chính xác hơn mô hình Mohr – Coulomb vì sử dụng 3 loại độ cứng khác nhau cho đất nền, bao gồm: - Độ cứng khi chất tải trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước: E50 ref - Độ cứng khi gia tải hoặc dở tải: Eur ref - Độ cứng trong thí nghiệm nén cố kết: Eoed ref - 25 - Hình 2.2: Xác định Eref từ thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước Ý tưởng cơ bản của việc thành lập mô hình Hardening Soil là mối quan hệ dạng hyperbolic giữa biến dạng trục 1 và ứng suất lệch q trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước. Các đường cong dẻo trong thí nghiệm 3 trục thoát nước được biểu diễn như sau: aq q q E   1 2 1 50 1 với q <qf Trong đó qa là giá trị tiệm cận của sức chống cắt. Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 2.3. Hình 2.3: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng theo hàm Hyperbolic trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước - 26 - Giá trị E50 là mô đun độ cứng phụ thuộc vào ứng suất nén trong lần chất tải đầu tiên và được xác định bởi phương trình sau: m ref ref pc c EE            sincos. sincos. '3 5050 Trong đó E50 ref là mô đun biến dạng tham chiếu trong thí nghiệm nén 3 trục ứng với áp lực nén tham chiếu là pref, số mũ m thể hiện sự thay đổi phi tuyến của mô đun biến dạng E50 theo E50 ref (với 15,0  m 0 tùy theo loại đất nền). Ứng suất lệch tới hạn qf và giá trị qa được xác định như sau:      sin1 sin2 cot. '3   cq f f f a R q q  Khi q = qf, trạng thái phá hoại sẽ xảy ra và đạt tới ngưỡng dẻo. Đối với lộ trình ứng suất lúc dở tải và gia tải, một mô đun độ cứng khác phụ thuộc vào ứng suất được sử dụng: m ref ref urur pc c EE            sincos. sincos. '3 Trong đó Eur ref là mô đun Young tham chiếu trong trường hợp dở tải và gia tải của thí nghiệm nén 3 trục ứng với áp lực nén tham chiếu là pref. Dạng hàm dẻo ứng với mô hình Hardening Soil: p tbff  Trong đó ftb là hàm của ứng suất và p là hàm của biến dạng dẻo.             ppp ur a E q q q q E f  1 50 2 2 1 2 1 Đối với đất cứng, pp p 120   - 27 - Với thông số tăng bền p là hằng số, điều kiện chảy dẻo 0f sẽ thông qua các đường cong dẻo trong mặt phẳng (p – q). Và các đường cong dẻo này phụ thuộc vào E50 và Eur, do đó hình dạng đường cong dẻo sẽ phụ thuộc vào số mũ m. Khi m = 1 (đất yếu), các đường cong dẻo trở thành đường thẳng Khi m < 1 thì đường chảy dẻo hơi cong. Mô đun biến dạng Eref50 và E ref ur chủ yếu kiểm soát độ lớn của biến dạng dẻo ứng với mặt dẻo khi chịu cắt, trong khi chịu cắt, trong khi mô đun E ref oed được sử dụng để kiểm soát độ lớn của biến dạng dẻo xuất phát từ chỏm dẻo. m ref ref oedoed pc c EE            sincos. sincos. '3 Mặt dẻo hình chỏm có phương trình như sau : 22 2 2 p c pp q f   Hình 2.4: Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết cf :độ lớn của chỏm dẻo phụ thuộc vào áp lức tiền cố kết pp . Quy luật tăng bền diễn tả mối quan hệ giữa áp lực tiền cố kết pp và biến dạng thể tích trên chỏm mũ pc v như sau: - 28 - m ref ppc v p p m            1 1   Với:       ref oed NC E K   0 mặc định       refref oed NC EE K 50 0 sin1  Mặt dẻo khi chịu cắt cũng như mặt dẻo khi chịu nén đều có dạng lục giác của tiêu chuẩn phá hoại Mohr - Coulomb và mặt dẻo khi chịu cắt có thể giãn nở để trở thành mặt phá hoại theo tiêu chuẩn Mohr - Coulomb, còn mặt dẻo hình chỏm có thể dãn ra theo ứng suất tiền cố kết pp. Sau khi giãn nở, vật liệu sẽ tiến tới trạng thái độ chặt tới hạn và sự giãn nở chấm dứt. Các thông số cơ bản của mô hình Hardening Soil: - Các thông số cường độ như mô hình Mohr – Coulomb: c : Lực dính hữu hiệu (kN/m2) ' : Góc ma sát trong hữu hiệu (độ)  : Góc giãn nở (độ) - Các thông số độ cứng đất nền : E50 ref : Mô đun cát tuyến trong thí nghiệm nén 3 trục thoát nước (kN/m2) Eoed ref : Mô đun tiếp tuyến trong thí nghiệm nén cố kết (kN/m2) m : Số mũ của ứng suất phụ thuộc độ cứng - Các thông số nâng cao (nên được sử dụng ở dạng mặc định) : Eur ref : Độ cứng khi dở tải và gia tải (mặc định Eur ref = 3E50 ref ) ur : Hệ số poison khi dở tải và gia tải (mặc định ur = 0,2) refp : Ứng suất tham chiếu của độ cứng (mặc định refp = 100 kN/m2) NCK0 : Giá trị Ko ở điều kiện cố kết thường (mặc định sin10  NCK ) Rf : Tỷ số phá hoại qf/qa(mặc định Rf = 0,9) 2.1.2. Phân tích không thoát nƣớc Phân tích “Undrained” được sử dụng nhằm mục đích xem xét ứng xử của đất nền theo ứng suất hữu hiệu, có kể đến quá trình phát triển áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất theo lý thuyết cố kết của Terzaghi: - 29 - w  ' Phân tích “Undrained” trong Plaxis cho phép xác định khả năng chịu tải của đất nền dựa vào 2 thành phần vật liệu là khung hạt đất và nước lỗ rỗng trong đất. Trong quá trình chịu tải, Plaxis sẽ tự động đưa ra thông số mô đun đàn hồi thể tích tổng Ku (cho khung hạt đất + nước lỗ rỗng trong đất): n K KK wu  với: n là độ rỗng của đất. Dựa vào hệ số Skempton B, quá trình phân tích khả năng chịu tải của đất và nước sẽ được tính toán như sau: Ứng suất tổng: ovu aKp  Ứng suất hữu hiệu: ovaKpBp  ')1(' Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư: ov w w a n K pBp  Với thông số Skempton: wK nK B ' 1 1   Và mô đun khối hữu hiệu:  '213 ' '   E K Bộ thông số hữu hiệu cần được nhập vào cho quá trình tính toán là 'E , ' , 'c , '  '12 '   E G 495.0u – khi chọn chế độ tính toán “Standard” hoặc    '213 '21'3       B B u – khi chọn chế độ tính toán “Manual” Mô đun độ lớn của nước lỗ rộng sẽ được tính toán như sau:      ' '1 '495.0 300 '121 '3 ' , KKK n K u u u refw           Để kết quả tính toán gần chính xác thì mô đun độ lớn của nước phải lớn hơn mô đun khối của khung hạt đất gấp nhiều lần, ( 'nKKw  ). Để điều kiện này được thỏa mãn thì hệ số poison 35.0' , khi đó: '30nKKw  - 30 - Thông thường, kết quả tính toán Kw,ref /n vẫn còn nhỏ hơn độ cứng thực sự của