NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ ĐẤT SAU TỐN TƯỜNG CỌC BẢN ÁP DỤNG TÍNH TỐN CÁC CÔNG TRÌNH VEN SÔNG TRONG VÙNG ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH (FEM)

Luân văn thạc sĩ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
*******************
ĐINH VĨNH QUANG
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ ĐẤT SAU TỐN TƯỜNG CỌC BẢN
ÁP DỤNG TÍNH TỐN CÁC CÔNG TRÌNH VEN SÔNG
TRONG VÙNG ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH
(FEM)
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.CHÂU NGỌC ẨN
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU
MÃ NGÀNH: 13.10.02
MÃ SỐ HỌC VIÊN: 13.023
LUẬN VĂN THẠC SĨ

1
Luân văn thạc sĩ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ VIỆT-
NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập -Tự Do –Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUÂN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN :ĐINH VĨNH QUANG PHÁI: NAM
NGÀY THÁNG NĂM SINH:01/01/78 NƠI SINH:CÀ MAU
CHUYÊN NGÀNH :CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU MÃ NGÀNH:31.10.02
I/TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ ĐẤT SAU TƯỜNG CỌC BẢN ÁP DỤNG
TÍNH TỐN CÁC CÔNG TRÌNH VEN SÔNG TRONG VÙNG ĐẤT
YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH
II/ NHIÊM VỤ-NỘI DUNG

1/Nhiệm vụ
Nghiên cứu ứng xử đất sau tường cọc bản áp dụng tính tốn các công
trình ven sông trong vùng đất yếu bằng phương pháp PTHH (FEM)
2/Nội dung
PHẦN I:NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Chương 1:Tổng quan về tính tốn công trình tường cọc bản
PHẦN II:NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN
Chương 2: Đặc điểm cơ bản của đất yếu khu vực ĐBSCL và TP. HCM
Chương 3: Các dang cấu tạo của hệ tường cọc bản vật liệu làm cọc và biện
pháp thi công
Chương 4:Cơ sở lý thuyết lập trình tính tốn tường cọc bản theo mô hình
đàn hồi dẻo
Chương 5: Lập chương trình tính tốn tường cọc bản
Chương 6: Nghiên cứu áp dụng tính tốn bài tốn cụ thể
PHẦN III:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chương 7:Kết luận và kiến nghị
III/NGÀY GIAO NHIỆM VU 07/01/2004
IV/ NGÀY HỒN THÀNH: 30/11/2004
V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.CHÂU NGỌC ẨN
THẦY HƯỚNG DẪN1 THẦY HƯỚNG DẪN2 CHỦ NHIỆM NGHÀNH TRƯỞNG BỘ
MÔN
TS.CHÂU NGỌC ẨN GS.TSKH.LÊ BÁ LƯƠNG Th.s.VÕ PHÁN

2
Luân văn thạc sĩ
Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ thông qua Hội chuyên ngành
Ngày 30 tháng 11
năm 2004
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA KỶ THUẬT XD
PHẦN A

3
Luân văn thạc sĩ
MỞ ĐẦU
1/ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng châu thổ nằm cuối lưu vực sông
Mêkông , được giới hạn bởi phía Bắc là biên giới Việt Nam– Campuchia, Tây
Ninh và Thành phố Hồ Chí Minh, phía Nam và Đông là biển Đông, phía Tây là
vịnh Thái Lan. Đồng bằng sông Cửu Long có diện tích tự nhiên 3.900.000 ha,
bao gồm 12 tỉnh là Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Trà
Vinh, Cần Thơ, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiêng Giang, An Giang.
ĐBSCL là vựa lúa lớn nhất và là trọng điểm kinh tế về nông nghiệp của cả
nước. Tuy nhiên trong những năm gần đây, lũ lụt gây ra những thiệt hại nghiêm
trọng, ảnh hưởng đến sản xuất và cuộc sống đồng bào ở khu vực ĐBSCL vốn
đã gặp nhiều khó khăn. Cùng với hiện tượng sạt lở bờ sông liên tiếp xảy ra khi
lũ về, khiến cho người dân ở vùng ven sông luôn luôn lo sợ mối nguy hiểm đến
tính mạng và thiệt hại về tài sản và phải di dời đi nơi khác. Những tổn thất về
hiện tượng sạt lỡ bờ sông đã xảy ra trong những thập niên quả là nặng nề và
thực sự là lực cản lớn nhất đến quá trình công nghịệp hóa hiện đại hóa vùng
ĐBSCL.
Để chống xói lở bờ sông và bảo vệ công trình ven sông tại ĐBSCL, tuỳ theo địa
chất, địa hình , đặt điểm dòng chảy và tải trọng tác dụng mà sử dụng các công
trình ven sông như: tường cọc bản, tường chắn đất trọng lực thấp, tường bán
trọng lực, tường bản góc BTCT … bảo vệ các công trình ven sông như : đường,
đê đập, tuyến dân cư , nhà cửa……
Tường cọc bản, là một dạng đặt biệt của tường chắn đất với mục đích chung là
chịu tải trọng ngang gây ra bởi mặt đất tự nhiên, đất đắp, tải trọng bên trên. Hệ
thống kết cấu bao gồm tường và hệ kết cấu chống đở tường (thanh neo, thanh
chống, sàn đỡ …), ngồi ra tường còn ngàm vào trong đất bên dưới. Trong hầu
hết các trường hợp, đất vừa gây ra lực tác động lên tường đồng thời vừa là kết

cấu chống đỡ hay giữ tường, tạo ra sự dịch chuyển cơ học của hệ kết cấu trong
đất.

4
Luân văn thạc sĩ
Người thiết kế phải biết xác định nội lực và mức độ chuyển dịch của kết cấu.
Thông thường, chúng được xác định trong điều kiện làm việc cực hạn. Bên
cạnh đó, cũng cần xác định mức độ chuyển dịch tiềm tàng của đất có thể xảy ra
trong quá trình thi công kết cấu theo thời gian vì sự thốt nước bên trong xuất
hiện. Do đó, ảnh hưởng của ứng xử đất trong quá trình thi công đến sự làm việc
của cọc bản là rất lớn do đó cần phải xem xét.

Cho đến nay việc thiết kế tường chắn thường được tiến hành theo phương pháp
truyền thống đơn giản (cân bằng giới hạn) hay theo phương pháp kinh nghiệm.
Phương pháp đơn giản thường được áp dụng cho tường trọng lực, tường cosol
ngàm, tường ngàm với một thanh chống hay neo.
Thông thường thì những phương pháp đó cho ta những kết quả hạn chế về sự
chuyển dịch và không có kết quả về sự tương tác giữa tường và đất. Nên việc
nghiên cứu ứng dụng máy tính với một số phần mềm đã mang lại một số kết
quả đáng kể trong việc phân tích và thiết kế kết cấu tường chắn trong chục năm
qua.
2/ TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
Chúng ta đã đạt được những thành tựu đáng kể trong cơ học vật rắn biến dạng
và trong phương pháp PTHH. Dó đó việc nghiên cứu tính tốn sự làm việc đồng
thời của tường và đất là một trong những ứng dụng đó, cho ta cái nhìn khoa học
về quá trình hình thành và làm việc của kết cấu (Tường –Đất) từ lúc xây tường,
đến lúc hoạt động của hệ và đến lúc phá hoại.
Với việc mô phỏng gần sát với điều kiện làm việc của cọc ngồi thực tế sẽ cho
ta có thể kiểm sốt được trạng thái ứng xử của đất và các nguyên nhân tác động
lên chúng, bằng cách đưa vào các thông số phù hợp

3/ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Thực tế các công trình tường cọc bản đã được thi công khá nhiều ở Việt Nam
như : công trình cảng, công trình kè ven sông, ven biển, công trình tầng hầm
nhà cao tầng…
Việc tính tốn sự làm việc đồng thời của hệ tường và đất theo trình tự quá trình
thi côâng theo phương pháp truyền thống là hết sức khó khăn.
Cho nên với phần mềm ứng dụng tính tốn tường cọc bản bằng phương pháp
phần tử hữu hạn sẽ là một công cụ đắc lực giúp cho các kỹ sư thiết kế có thể
tìm ra lời giải chính xác hơn, tối ưu hơn ….. và có thể dự đốn các yếu tố phức

5
Luân văn thạc sĩ
tạp ảnh hưởng trong quá trình thi công nhằm giảm nguy cơ gây hại đến công
trình.

6
Luân văn thạc sĩ
PHẦN I
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN CÔNG TRÌNH TƯỜNG CỌC BẢN CHO
CÁC CÔNG TRÌNH VEN SÔNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU.
1-1 MỘT SỐ SỰ CỐ ĐIỂN HÌNH CÁC CÔNG TRÌNH VEN SÔNG

7
Luân văn thạc sĩ
-Đất ven sông bị sạt lở là do dòng chảy
Qua tài liệu nghiên cứu cho thấy điều kiện tự nhiên hình thành nên dòng sông,
nguyên nhân dòng chảy ở các sông của ĐBSCL về mùa lũ thường có vận tốc
lớn hơn 0.5m/s nên có khả năng gây ra xói lở bờ là rất lớn.

Hình 1.2

8
Hình 1.2
Luân văn thạc sĩ
Hình 1.3

9
Hình 1.3
Hình 1.4
Luân văn thạc sĩ
Công Tình cầu kênh ngang số 2- bến Bình Dông
1-2 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ SỬ DỤNG HỆ TƯỜNG CỌC
BẢN
1-2-1 Giới thiệu chung :
Tường cọc bản nói chung là dùng để chống lại áp lực ngang do đất, nước và các
tải trọng phía trên gây ra và đạt trạng thái ổn định nhờ sức chống ngang của đất
phía trước của đất phía trước tường khi tường cọc bản hạ sâu xuống đất và nhờ
các hệ thống neo phía sau tường.
Vật liệu chế tạo tường cọc bản thường là thép hay bê tông dự ứng lực trước.Các
tiết diện ngang của tường rất đa dạng nhằm cho tường có khả năng chịu uốn cao
vơi diện tích tiết diện ngang nhỏ.Tường cọc bản được ứng dụng khá phổ biến
trong các công trình cảng, bến tàu, tường chắn, đê chắn sóng, tầng hầm các nhà
cao tầng ….
1-2-2 Một số công trình sử dụng hệ tường cọc bản
-Công trình bến cảng cập tàu :
Xây dựng ở những bến cảng sâu, quy mô xây dựng lớn, sử dụng hệ tường cọc
bản thép (Iarsen) có hệ thống neo.

10

Hình 1.5
Luân văn thạc sĩ
- Công
trình bảo
vệ bờ sông kè Khai Lông– Cần thơ có chiều dài tuyến kè L=1.050 m.
+ Có vải địa kỹ thuật cách lưng tường bêtông cốt thép với khối đất đắp phía
sau.
+ Có bản giằng bêtông cốt thép tiết diện T.
+ Có dầm giằng bêtông cốt thép và cọc neo bêtông cốt thép.
+ Bên dưới tường chắn bêtông cốt thép có cọc bêtông cốt thép đóng bên dưới 2-
3m- Công trình xây dựng tường kè chống sạt lở bờ sông tại đường Nguyễn
Công Trứ– Thị xã Rạch Giá - Tỉnh Kiên Giang (2001).

11
Hình 1.6
Hình 1.7
Luân văn thạc sĩ
Hình 1.9
-Công trình Nhà Máy Nhiệt Điện Phú Mỹ I huyện Tân Thành Tỉnh Bà Rịa
Vũng Tàu (1999) với hạng mục kênh dẫn nước của nhà máy chiều dài trên
1.000 m, chiều rộng 45m chiều sâu 8.7m
-Công trình Phú Mỹ II (2000)

12
Hình 1.8
Luân văn thạc sĩ
Hình 1.10
1-3 TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH TỐN HỆ TƯỜNG CỌC
BẢN
1-3-1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 207-92

Theo tiêu chuẩn này, đối với các công trình tường cọc bản có neo, người ta chia
thành hai loại tường cọc bản :
1-3-1-1 Tường mềm
Bao gồm tất cả các cọc ván thép và cọc bản BTCT có tỷ số δ
c
/t ≤ 0,06.
Trong đó:
t - độ chôn sâu của tường được tính tốn với giả thiết tường ngàm hồn tồn.
δ
c
- chiều cao cấu kiện tường đã tính đổi ra mặt cắt chữ nhật.
3
12
∆+
=
b
Jn
E
c
δ
(1.1)
Với: J - mômen quán tính của cấu kiện tường BTCT.
b - kích thước cấu kiện tính theo mép tuyến bến hoặc kè.

13

Hình 11
Luân văn thạc sĩ
∆ - khoảng hở thiết kế giữa các cấu kiện BTCT trong tường mặt.
n

E
- hệ số lấy bằng tỉ số giữa mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông cấu kiện
Đối với loại này, khi tính tốn người ta xem như tường ngàm hồn tồn hoặc là
ngàm một phần( xem hình).
Việc tính tốn tĩnh học theo nhóm trạng thái giới hạn I và II, thực hiện theo
phương pháp đồ giải, ứng với tải trọng trên 1m bề rộng tường thông qua việc
dựng đa giác lực và đa giác dây. Bằng tính tốn này sẽ xác định được độ sâu hạ
cừ và các nội lực tác động trên 1m dài tường (gồm mô men uốn M, lực cắt Q và
phản lực thanh neo R
a
).
1-3-1-2 Tường cừ có độ cứng lớn
Bao gồm các cọc bản BTCT có tỷ số δ
c
/t > 0,06
Khi tính tốn người ta sẽ tính tốn theo sơ đồ chân tường dịch chuyển tự do
Hình 1.13 Tường cọc bản tựa tự do

14

Mặt nạo vét
Hình 1.12 – Tường cọc bản ngàm hoàn
toàn
Luân văn thạc sĩ
Việc tính tốn có thể sử dụng phương pháp giải tích (cho trường hợp đất đồng
nhất), hoặc phương pháp đồ giải (cho mọi loại đất nền).
a/. Tính tốn tĩnh học cho tường cừ mềm ngàm hồn tồn
Phương pháp đồ giải: các nội dung cần thực hiện gồâm:
1) Giả thiết độ sâu chôn cừ t.
2) Dựng biểu đồ áp lực tổng của áp lực chủ động và bị động của đất có xét đến

hoạt tải.
Chú ý: Tiêu chuẩn quy định khi tính tốn áp lực đất theo lý thuyết cổ điển, góc
ma sát của vật liệu đất đắp δ lấy như sau:
- Áp lực chủ động: δ = 0,5ϕ ( đối với tường mặt, tường neo và bản neo ).
- Áp lực bị động:
+ Tường mặt: δ = 0,75ϕ
+ Tường mặt: δ = 0,75ϕ
+ Bản neo: δ = 0
Tải trọng phân bố của biểu đồ tổng các áp lực chủ động và bị động được thay
thế bằng các lực tập trung P
i
.
3) Dựng biểu đồ đa giác lực và đa giác dây từ các nội lực P
i
nói trên.
Đường khép kín của đa giác dây được vẽ qua giao điểm của trục thanh neo với
tia thứ nhất theo điều kiện đảm bảo giá trị bằng nhau của mômen uốn ở nhịp và
ở ngàm
( M
n
= M
z
).
b/ Tính tốn tĩnh học cho tường cừ có độ cứng cao theo phương pháp giải
tích
Việc tính tốn theo phương pháp này trong trường hợp giả thiết chân tường dịch
chuyển tự do cần thực hiện các nội dung chủ yếu sau:
1) Vẽ biểu đồ áp lực đất, áp lực nước dư ứng với độ sâu chôn cọc bản
lý thuyết t
0

(thỏa mãn giả thiết chân tường dịch chuyển tự do).
2) Lấy tổng mômen đối với điểm neo, cho bằng 0 sẽ được phương trình
bậc ba ( trường hợp đất dính là phương trình bậc hai) đối với t
0
. Giải phương
trình này sẽ tìm được độ sâu chôn cừ lý thuyết t
0
. Từ đó tìm được độ sâu chôn
cừ thực tế : t = (1,2÷1,4) t
0
.
3) Tìm mômen lớn nhất trong cọc bản bằng cách tính mômen tại vị trí
bất kì trên tường: M(x) = f(x)
Giải phương trình:
0
)(
=
dx
xdM
sẽ tìm được giá trị x
max
ứng với vị trí đạt mômen lớn nhất.
M
max
= f(x
max
)

15
Luân văn thạc sĩ

4) Tìm lực căng dây neo R
a
bằng cách cân bằng lực theo phương ngang.
1-3-2 Theo tiêu chuẩn chuẩn Anh (BS 8002 và BS 6349)
1-3-2-1 . Tính tốn tường cọc bản một neo
Tiêu chuẩn Anh đăïc biệt quan tâm đến ảnh hưởng của kết cấu tường cọc bản
có nạng chống hoặc có neo đơn đến áp lực và sức kháng đất
⇒ Phân bố áp lực cho trong hình 1.14a thể hiện trường hợp chân tường tựa tự
do trong đất ( tường cứng có neo, biến dạng tịnh tiến về phía trước).
⇒
Hình 1.14b thể hiện ảnh hưởng của độ mềm trong việc tạo hiệu ứng vòm của
đất.
⇒
Hình 1.14c diễn tả trường hợp khi các cọc thép được đóng sâu, ngàm sẽ xảy ra ở
phần thấp hơn của cọc gây ra đổi chiều cong trong tường cọc.
Hình 1.14 Ảnh hưởng của độ mềm kết cấu tường cọc bản có neo đơn đến áp
lực và sức kháng của đất
Nói chung, điều kiện ngàm trong đất sẽ đưa đến một thiết kế kinh tế hơn cho
tường mềm so với điều kiện chân tường tựa tự do, do mômen uốn trong tường
và các lực neo sẽ có xu hướng thấp hơn.
Tường sâu hơn được yêu cầu để đạt độ ngàm chặt ở điều kiện ngàm
trong đất, nhưng ở điều kiện chân tường tựa tự do độ chôn sâu nông hơn vì chỉ
cần tăng độ ổn định để tạo đủ sức chống đỡ đối với sự dịch chuyển về phía
trước. Đối với kết cấu vĩnh cửu thường không khuyến nghị giả thiết điều kiện

16

a b c
Luân văn thạc sĩ
ngàm trong đất cho tường trong đất dính, do đất có các thay đổi lâu dài về các

đặc trưng.
Nên kể đến điều kiện vòm trong quan hệ đối với trình tự thi công của tường
tường đã được nạo vét đi, chuyển dịch của tường do áp lực của chiều cao đất bị
chắn nhỏ có thể đủ để phát triển các điều kiện áp lực chủ động. Khi nạo vét
xong, tường sẽ biến dạng và phân bố áp lực sẽ thay đổi từ điều kiện vòm tại cao
trình phía trên đến điều kiện chủ động được giả thiết tuyến tính sau cùng. Các
điều kiện đầu tiên và sau cùng cho trong hình 1.15
chắn cọc cừ có neo. Khi đất đắp sau đã hồn thành trước khi đất phía trước
Hình 1.15 – Phân bố áp lực chủ động trên kết cấu tường có neo đơn
khi đất được đắp trước khi nạo vét
a) Phân bố áp lực ban đầu trước khi nạo vét
b) Phân bố áp lực sau cùng sau khi hồn thành nạo vét
Tuy nhiên, nếu đất được nạo vét xong trước khi đắp, sau tường phân bố áp lực
chủ động tuyến tính sẽ phát triển trên cả độ sâu trong phạm vi đất hiện có sau
khi hồn thành nạo vét. Khi đổ đất đắp phía sau và phần bên trên mực nước được
đầm chặt, biến dạng bổ sung của tường và kết cấu neo có thể không đủ để phát
triển áp lực chủ động từ đất đắp phía trên. Trong trường hợp đó nên quy định
cho áp lực ngang phần trên của đất đắp tại trạng thái trung gian giữa điều kiện
chủ động và điều kiện nghỉ, tùy theo chuyển dịch về phía trước dự kiến của
tường khi đổ đất đắp (hình .16).

17
a b
Luân văn thạc sĩ
Hình 1.16 – Phân bố áp lực chủ động trên kết cấu tường có neo đơn
trường hợp đất được đắp sau khi nạo vét
Nhằm mục đích tính tốn áp lực đất tổng cộng trên chiều dài tường đơn vị, P
A
nên giả thiết sự phân bố tuyến tính của áp lực đất chủ động theo ứng suất có
hiệu như hình 1.14a.

Tuy nhiên, nhằm mục đích xác định ổn định của tường chống lật, để tính tốn
lực neo và các mô men uốn trong cừ, nên kể đến ảnh hưởng của độ mềm kết
cấu. Với tường mềm, lực neo cao hơn, mômen uốn giữa kết cấu neo và đáy biển
là thấp hơn so với tính tốn khi giả thiết phân bố ứng suất tuyến tính. Độ mềm
tường giảm khi tường được xây trong một dầm mũ bê tông cứng. Ảnh hưởng
của độ mềm, mà sẽ làm tăng các lực neo và tăng cao độ của hợp lực sức kháng
bị động, nên được xét đến như cho trong các hình 1.14b và 1.14c. Các phương
pháp tính tốn lực neo, mômen uốn, lực cắt và chuyển vị trong kết cấu, có kể đến
độ mềm trong BS 8002 cho cả hai phương pháp chân tường dịch chuyển tự do
và ngàm trong đất.
+ Phương pháp giảm mômen của Rowe chỉ dùng cho tường cọc ván thép mềm.
Phương pháp này bao gồm việc phân tích tường khi giả thiết chân tường dịch
chuyển tự do, áp dụng các hệ số giảm mômen uốn để kể đến độ mềm của tường
liên quan đến độ chôn sâu trong đất. Phương pháp này cho thiết kế kinh tế hơn
phương pháp dầm tương đương điều chỉnh của Blum và thích hợp sử dụng cho

18
Luân văn thạc sĩ
hầu hết các loại đất trừ đất sét quá cố kết và tường có đắp sau, khi áp lực đất đã
có hệ số không nên sử dụng vì xảy ra ứng suất theo phương ngang cao. Tuy
nhiên, nên kiểm tra cẩn thận để độ võng nhận được theo phương pháp này nằm
trong giới hạn cho phép.
+ Phương pháp tải trọng giới hạn thực nghiệm của Brinch Hansen
Đây là phương pháp tải trọng giới hạn thực nghiệm, nó giả thiết sự hình thành
các khớp dẻo khi phá hoại.
1-4 . TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA HỆ TƯỜNG CỌC BẢN
Hiện nay, có nhiều phương pháp để kiểm tra ổn định của hệ tường cọc bản.
Trong đó phương pháp thường dùng nhất là kiểm tra sự ổn định dựa trên điều
kiện cân bằng dẻo giới hạn. Điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời
điểm mà dịch chuyển cắt bắt đầu và biến dạng trượt cứ tiếp diễn mà ứng suất

không đổi. Khối đất mất ổn định và trượt theo mặt trượt nhất định như là vật
thể tự do ở điều kiện cân bằng. Cần đánh giá các lực hay moment tác dụng lên
vật thể tự do này và tiến hành so sánh các lực cắt tác dụng dọc theo mặt trượt
với sức chống cắt có khả năng tạo ra. Tuỳ theo giả thiết hình dáng mặt trượt
(phẳng, hỗn hợp hay cung tròn.v.v...) và các lực tác dụng mà các tác giả phát
triển thành các phương pháp khác nhau.
Đối với bài tốn kiểm tra ổn định tổng thể của tường cọc bản, phần mái dốc của
đất được tường cọc bản bảo vệ và do cọc đóng sâu vào trong đất nền nên khả
năng ổn định tổng thể của cả hệ thường đảm bảo. Do tường cọc bản được thiết
kế đảm bảo khả năng chịu lực uốn và cắt do tác dụng của áp lực đất tác dụng
lên tường nên khả năng mặt trượt cắt qua thân cọc xem như ít khi xảy ra. Vì
vậy, thường xem xét khả năng xảy ra trượt sâu và mặt trượt xem như đi qua
chân cọc bản.
Ở luận văn này chỉ trình bày phương pháp kiểm tra ổn định trượt trụ tròn.
Phương pháp này được sử dụng rất phổ biến vì hình dáng mặt trượt khá phù
hợp với thực tế, và cho kết quả thỏa mãn độ chính xác cần thiết, hơn nữa việc
tính tốn lại khá đơn giản.
1-4-1 Phương pháp phân mảnh
Giả sử mặt trượt trụ tròn xảy ra với tâm trượt O, bán kính r ( hình 1.16 ). Chia
cung trượt AB thành n mảnh có bề rộng mỗi mảnh là b
i
( thường chọn bề rộng
các mảnh thường là bằng nhau để thuận lợi cho tính tốn).

19
Luân văn thạc sĩ
a) phân mảnh khối trượt b) các lực tác dụng lên một phân tố
Xét phân tố thứ i, các lực tác dụng như sau :
− Trọng lượng của phân tố W
i

: W
i
= γ*b
i
*h
i

− Phản lực pháp tuyến hiệu quả tác dụng lên đáy phân tố :
i
N

− Lực cắt tạo ra dọc theo đáy phân tố : T
i

− Lực pháp tuyến giữa các phân tố : E
i
và E
i+1
.
− Lực tiếp tuyến giữa các phân tố : X
i
và X
i+1.

− Lực chống cắt dọc theo đáy phân tố : S
i

− Ngồi ra nếu có các tải trọng phụ bất kỳ ở trên mặt đất cũng phải đưa vào tính
tốn.
Tại điểm cân bằng giới hạn, tổng mômen gây trượt M

gt
sẽ cân bằng với tổng
mômen của lực chống trượt M
ct
dọc theo AB.
− Mômen gây trượt là : M
gt
= Σ M
i
gt
= ΣT
i
*r (1.2)
− Mômen chống trượt là : M
ct
= Σ M
i
ct
= ΣS
i
*r. (1.3)
Hệ số ổn định trượt F được xác định như sau :
∑
∑
=
=
=
=
=
ni

i
i
gt
ni
i
i
ct
M
M
F
1
1
(1.4)
và đánh giá sự ổn định như sau :
− Nếu F <1 : hệ mất ổn định.
− Nếu F =1 : hệ ở trạng thái cân bằng giới hạn.

20
Hình 1.17 Phương pháp phân mảnh
Luân văn thạc sĩ
− Nếu F > 1 : hệ ở trạng thái ổn định.
Tùy theo giả thiết khác nhau về các thành phần lực bên hông mảnh, các tác giả
đề nghị phương pháp tính tốn khác nhau :
− Phương pháp Fellenius (kỹ sư người Thụy Điển) : giả thiết bỏ qua lực phân
mảnh.
− Phương pháp Bishop : giả thiết lực phân mảnh chỉ có phương ngang.
− Phương pháp Spencer : giả thiết phương lực phân mảnh không đổi.
− Phương pháp Janbu : giả thiết điểm đặt lực phân mảnh có thể thay đổi…
Luận văn này sẽ đề cập đến các phương pháp tính tốn của hai tác giả Fellenius
và Bishop là các phương pháp được sử dụng tương đối phổ biến và khá đơn

giản.
a/Phương pháp Fellenius
Theo Fellenius, các lực giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều do đó triệt
tiêu lẫn nhau, tức là : E
i
= E
i+1
và X
i
= X
i+1
Khi đó :
Trong đó :
∆l
i
: Chiều dài cung đáy mảnh.
u : Áp lực nước lổ rổng ở đáy phân mảnh.
Hệ số ổn định F được xác định như sau :
Phương pháp này đơn giản nhưng trong trường hợp áp lực đẩy nổi lớn, cung
trượt nằm sâu hoặc có bán kính nhỏ sẽ có sai số lớn. Theo R.Whitlow trong
trường hợp đó giá trị F thường có giá trị thấp hơn đến 50%.
a. Phương pháp Bishop
Bishop giả thiết rằng các lực tác động tiếp tuyến với mặt hông của mảnh bằng
nhau X
i
= X
i+1
và lực pháp tuyến khác nhau E
i
≠ E

i+1.
Khi đó :

F
lctgN
WT
b
uWUWN
ii
iii
i
i
iiiiiii
∆+
==








−=−=
''
sin
cos
coscos
ϕ
α

α
αα

Lấy tổng hợp lực theo phương thẳng đứng :
( )
0sincos
=+−+
iiiiii
TWNU
αα
Thay giá trị T
i
từ biểu thức trên vào và chia cho
i
α
cos
:

21
( )
[ ]
∑
∑
∑
∑
=
=
=
=
=

=
=
=
−+∆
===
ni
i
ii
ni
i
iiiiii
ni
i
ii
ni
i
i
ct
Wr
tgUWlcr
Wr
Sr
Mgt
M
F
1
1
1
1
sin

cos
sin
α
ϕα
α
(1.5)
(1.6)
Luân văn thạc sĩ

i
i
i
i
ii
ii
tg
F
lc
U
W
F
tgtg
NN
α
α
ϕα
∆
−−=+
'
cos

'
Ta có :








=∆=
=∆
i
i
iiii
i
i
i
b
uluU
b
l
α
α
cos
cos

Thế giá trị
i
U

vào biểu thức tính
i
N
được :
( )
( )
Ftgtg
tgFbcbuW
N
ii
iiiii
i
/'1cos
/'
ϕαα
α
+
−−
=
Thế giá trị
iiii
UWN
−=
α
cos
vào và rút gọn được hệ số ổn định F :
( )
∑
∑
=

=
=
=











+
−−
+
=
ni
i
ii
ni
i
ii
iiii
i
i
W
tg
Ftgtg

FtgbcuWbc
F
1
1
sin
'
/'1cos
/'
cos
'
α
ϕ
ϕαα
α
α
Do hai vế công thức (1.6) đều có giá trị F nên để xác định được giá trị F dùng
phương pháp “thử và sai” để tính đúng dần giá trị F.
Việc tính tốn hệ số ổn định F trên ứng với từng tâm trượt và cung trượt nhất
định. Trong thực tế có vô số tâm trượt và cung trượt cần phải tính tốn. Sau khi
tính tốn, so sánh sẽø tìm ra cung trượt và tâm trượt nguy hiểm nhất ứng với giá
trị hệ số ổn định F
min
.
Cách tính tốn trên sẽ mất rất nhiều thời gian và công sức. Trước đây để hạn chế
khối lượng tính tốn và nhanh chóng xác định được tâm trượt và bán kính cung
trượt người ta thường làm theo kinh nghiệm. Ngày nay với sự hỗ trợ của máy
tính người ta đã xây dựng rất nhiều phần mềm khác nhau để tính tốn kiểm tra
khối lượng rất lớn tâm trượt với bán kính cung trượt khác nhau và nhanh chóng
tìm ra tâm trượt và cung trượt nguy hiểm nhất
.

1-5 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH) TRONG ĐỊA CƠ
1-5-1. Giới thiệu khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn trong địa cơ
học
Phương pháp PTHH là sản phẩm đồng thời là công cụ chủ lực mạnh của tiến bộ
khoa học kĩ thuật hiện nay. Khả năng to lớn của phương pháp PTHH thể hiện
đặc biệt trong cơ học đất và đá - là các vật liệu đa dạng về tính chất cơ học và
điều kiện gia tải. Những ưu điểm bảo đảm tính phổ cập của phương pháp
PTHH là:
+ Dễ dàng nhận được lời giải cụ thể theo chương trình sẵn có.

22
Luân văn thạc sĩ
+ Có thể hiện cô đặc mạng lưới các phần tử tại những nơi tùy ý có gradient
thông số nghiên cứu cao.
+ Có thể giải các bài tốn có điều kiện biên bất kì với độ chính xác cao.v.v..
Quan niệm cơ bản của phương pháp PTHH là trị số liên tục cần tìm - dù
là cột áp của dòng thấm hay chuyển vị của các điểm trong vật thể biến dạng -
được tính gần đúng bởi một bộ phận đoạn các hàm đơn giản nhất, cho trên các
miền con (các phần tử) hữu hạn bị chặn. Nhờ thủ tục này mà phép lấy tích phân
các phương trình vi phân được quy về giải hệ thống các phương trình tuyến
tính. Các giá trị định lượng của đại lượng chưa biết sẽ tìm thấy trong số lượng
hạn chế các điểm ( các nút) bị chặn của miền; còn trong phạm vi các phần tử
các giá trị của hàm chưa biết và giá trị các đạo hàm của nó được xác định bằng
các hàm xấp xỉ và các đạo hàm của chúng.
Do những đặc điểm nêu trên, phương pháp PTHH đã được áp dụng vào
lĩnh vực địa cơ học. Nó đã tỏ rõ ưu thế không chỉ vì đã giải quyết thành công
rất nhiều bài tốn thực tế của địa cơ học mà còn bởi tính đơn giản và thích dụng
đối với việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng của khối đất - thường là
môi trường hai hoặc ba hướng. Mặt khác, trong địa cơ học các bài tốn thường

có điều kiện biên phức tạp và do môi trường không đồng nhất nên hầu như
không thể có được lời giải giải tích chính xác. Ngày nay, với tình hình phát
triển mạnh mẽ của các phần mềm máy tính về phần tử hữu hạn trong các lĩnh
vực nối chung và trong lĩnh vực địa cơ học nói riêng ( như phần mềm Plaxis;
Geo-slope; Sage crisp ...) và phần cứng của máy tính có tốc độ cao, người ta dễ
dàng thu được các giải pháp khác nhau.
1-5-2 Một số phần mềm tính tốn địa cơ
SAGE CRISP là một gói chương trình được viết để phân tích các bài tốn địa kỹ
thuật bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng lý thuyết của cơ học
đất ở trạng thái tới hạn và vận hành trong môi trường WINDOWS. Gói phần
mềm này bao gồm chương trình tiền xử lý (Pre - processor), hậu xử lý (Post -
processor) với giao diện người sử dụng dạng đồ họa (GUIs), chương trình phân
tích tính tốn PTHH và tiện ích bảng tính dành cho các dữ liệu cần đưa ra máy
in.
SAGE CRISP tổng hợp những khả năng phân tích tính tốn đầy ấn tượng với
giao diện đồ hoạ thuận tiện cho người sử dụng. Chương trình tiền xử lý đưa ra
một môi trường tương tác trực giác, trong đó việc xử lý sẽ được tiến hành một
cách nhanh chóng, dễ dàng. Chương trình hậu xử lý cũng vận hành trong môi
trường tương tự, tổng hợp các dữ liệu có được và đưa ra bằng công cụ trực
quan.

23
Luân văn thạc sĩ
SAGE CRISP đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới ở cả 2 lĩnh vực nghiên cứu
và sản xuất để giải quyết các bài tốn địa kỹ thuật bao gồm các kết cấu tường
chắn, đê đập, tunnel và nền móng,… Nó cũng được sử dụng trong việc tính tốn
móng độc lập, móng cọc, ổn định mái dốc, ổn định thành hố khoan và các
nghiên cứu về quá trình thi công.
− Các dạng bài tốn :
 Bài tốn biến dạng phẳng

 Bài tốn đối xứng trục.
 Bài tốn ba chiều (chưa có giao diện đồ họa).
− Kiểu phân tích :
Kiểu phân tích PTHH là ứng suất chính hữu hiệu :
 Phân tích thốt nước;
 Phân tích không thốt nước;
 Phân tích cố kết thứ cấp .
− Các mô hình đất :
Đàn hồi tuyến tính :
 Đồng nhất, không đẳng hướng;
 Không đồng nhất, không đẳng hướng.
Đàn hồi – dẻo thuần túy :
 Morh Coulomb ;
 Cam Clay;
 Modified Cam Clay ;
 Mô hình Schofield...
− Các dạng phần tử :
 Phần tử kết cấu (bài tốn biến dạng phẳng) : thanh, dầm;
 Phần tử 2D (bài tốn biến dạng phẳng và đối xứng trục): tam giác,
tứ giác;
 Phần tử tiếp xúc (tương tác kết cấu và đất).
− Cấu trúc chương trình : (hình 1.18)

24
SAGE CRISP
PRE – PROCCESOR
(TIỀN XỬ LÝ)
- Tạo lưới PTHH;
- Tự sinh lưới phần tử;
- Điều kiện biên về chuyển vị;

- Điều kiện biên về áp lực nước lỗ rỗng;
- Các dạng tải trọng;
- Phân tích các thông số đầu vào (vật liệu, tải
trọng, điều kiện thốt nước, quá trình thi công,
gia số thời gian,…)
- Mô đun đồ họa;
- Vẽ các chuyển vị;
- Vẽ các đường đồng mức;
- Vẽ các mômen uốn;
- Vẽ các trạng thái (ứng suất, biến dạng);
- In ấn;
- Tự sinh báo cáo.
POST-PROCCESOR
(HẬU XỬ LÝ)
Hình 1.18 - Cấu trúc chương trình Sage Crisp
Luân văn thạc sĩ
− Giới hạn của chương trình :
CRISP là chương trình PTHH có khả năng thực hiện các bài tốn thốt nước,
không thốt nước và phân tích theo thời gian các bài tốn tĩnh (không phải là các
bài tốn động) dưới điều kiện chất và dỡ tải đều đặn. Nó không phù hợp với các
ứng suất có tính chu kỳ và không có khả năng phân tích trong điều kiện bão hòa
cục bộ. CRISP sử dụng phạm vi chuyển dịch và biến dạng nhỏ nên không phù
hợp cho việc phân tích các bài tốn biến dạng lớn mặc dù điều này vẫn thực hiện
được bằng cách kết hợp các nâng cấp bổ sung.
Việc phân tích bài tốn đối xứng trục cũng chỉ giới hạn ở tải trọng đối xứng nên
các tải trọng gây xoắn không thể mô hình hóa để sử dụng trong bài tốn này.
CRISP sử dụng số gia áp mà không điều chỉnh ứng suất khi mô hình ở trạng
thái tới hạn được sử dụng. Điều này có nghĩa là số lượng các số gia không đủ
để phản ánh quá trình tích tụ các gia số trong lời giải thực.
PLAXIS (Hà Lan – Pháp) gồm những chương trình sau :

25
PLAXIS
PLAXIS INPUT
(NHẬP DỮ LIỆU)
PLAXIS
CALCULATIONS
(TÍNH TOÁN)
PLAXIS OUTPUT
(XUẤT KẾT QUẢ)
Hình 1.19 - Cấu trúc chương trình của Plaxis
PLAXIS CURVES
(VẼ BIỂU ĐỒ)