Mô phỏng và phân tích ứng xử của tường vây, đất nền hố đào sâu trên cơ sở so sánh với thí nghiệm quay ly tâm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

BÙI XN VINH

MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA
TƯỜNG VÂY, ĐẤT NỀN HỐ ĐÀO SÂU TRÊN CƠ SỞ
SO SÁNH VỚI THÍ NGHIỆM QUAY LY TÂM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM
Mã số: 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

BÙI XN VINH

MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA
TƯỜNG VÂY, ĐẤT NỀN HỐ ĐÀO SÂU TRÊN CƠ SỞ
SO SÁNH VỚI THÍ NGHIỆM QUAY LY TÂM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM
Mã số: 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN TUẤN ANH

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LÊ TRỌNG NGHĨA

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. PHAN TÁ LỆ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 22 tháng 07 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: PGS.TS. CHÂU NGỌC ẨN
2. Thư ký hội đồng: TS. NGUYỄN CẢNH TUẤN
3. Ủy viên Phản biện 1: TS. LÊ TRỌNG NGHĨA
4. Ủy viên Phản biện 2: TS. PHAN TÁ LỆ
5. Ủy viên hội đồng: GS.TSKH. NGUYỄN VĂN THƠ
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: BÙI XUÂN VINH

MSHV: 13090113

Ngày, tháng, năm sinh: 14/04/1989

Nơi sinh: Lâm Đồng

Chun ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Ngầm

Mã số: 60580204

I. TÊN ĐỀ TÀI:
MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG VÂY, ĐẤT NỀN
HỐ ĐÀO SÂU TRÊN CƠ SỞ SO SÁNH VỚI THÍ NGHIỆM QUAY LY TÂM.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về thí nghiệm quay ly tâm
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Cách thực hiện, kiểm tra và quan sát kết quả thí nghiệm quay ly tâm
Chương 4: Mơ phỏng sự làm việc của hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/08/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. TRẦN TUẤN ANH

Tp. HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. TRẦN TUẤN ANH

PGS.TS. LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


[i]

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin gửi lời biết ơn chân thành nhất tới PGS.TS. TRẦN TUẤN ANH đã
đề xuất hướng nghiên cứu, tận tình hướng dẫn và hỗ trợ rất nhiều tài liệu q báu để
tác giả có thể hồn thành Luận văn này.
Đồng cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật xây dựng trường Đại học Bách
Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn ba mẹ, anh chị em trong gia đình và tất cả bạn bè đã
động viên, hỗ trợ trong thời gian dài học tập và nghiên cứu vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn!

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

BÙI XUÂN VINH


[ii]
TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thí nghiệm quay ly tâm đã được ứng dụng và phổ biến tại nhiều quốc gia trên
thế giới bởi vì các kết quả đáng tin cậy của nó. Với mơ hình máy quay ly tâm của
hố đào sâu, đã có nhiều tác giả tìm cách mô phỏng sao cho giống với sự làm việc
thực tế ngoài hiện trường nhất như là các phương pháp của Lyndon và Schofield
(1970), Azevedo (1983), Powrie (1986) nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Kimura et al
(1993) và Loh et al (1998) đã phát triển tạo ra một cơ chế có thể đào đất trong lúc
đang thực hiện quay ly tâm. Do đó nó có thể mơ phỏng lại các q trình tiến hành
một hố đào tương tự như được thực hiện ở hiện trường. Như vậy các kết quả thu
được là tương đối chính xác.
Dựa trên các cơng thức nghiên cứu thực nghiệm đi trước kết hợp với mô phỏng
bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis. Luận văn này hướng
đến phân tích, so sánh các kết quả thu được từ thí nghiệm quay ly tâm hố đào sâu và
kết quả thu được từ mô phỏng bằng phần tử hữu hạn. Ba hố đào sâu điển hình đã
được mơ hình trong thí nghiệm quay ly tâm bao gồm Thí nghiệm SYL05 (hố đào
sâu trong lớp đất sét yếu dày khơng cố định chân tường), Thí nghiệm SYL06 (hố
đào sâu trong lớp đất sét yếu dày được cố định chân tường bằng vữa), Thí nghiệm
SYL07 (hố đào sâu trong lớp đất sét yếu nông, chân tường ngay trên lớp đất cát
chịu lực) được mô phỏng lại bằng phần mềm Plaxis. Nhận thấy trong cả 3 thí
nghiệm, chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền tương đồng nhau ở hai bước đào
đất đầu tiên, sự sai khác chỉ xảy ra khi bắt đầu tiến hành bước đào thứ 3. Sau bước
đào cuối cùng, Thí nghiệm SYL06 và SYL07 do chân tường gần như không dịch
chuyển, chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền gần như tương đương. Riêng thí

nghiệm SYL05 do chân tường được dịch chuyển tự do cho nên chuyển vị và biến
dạng lớn hơn so với SYL06 và SYL07, chuyển vị và biến dạng này ước tính khoảng
1.3 đến 1.4 lần.


[iii]
ABSTRACT

Centrifuge experiment has been applied and popular in many countries in the
world as a result of its reliability. In order to simulate a deep excavation in a
centrifuge experiment, there were many authors trying to make it match the actual
work site, such as the method of Lyndon and Schofiel (1970), Azavedo (1983),
Powrie (1986), though those still remained many limitations. Kimura et al (1993) và
Loh at el (1998) developed a mechanism to remove the soil in-flight in centrifuge.
Therefore it could simulate the process of excavation in the fields. Thus the results
were relatively accurate.
Based on empirical pre-research formula, incorporating with simulation by
finite element method using the Plaxis software, this thesis aims to analyze and
compare the results obtained from centrifuge experiments on deep excavation and
the results obtained from simulations using finite element. The three typical deep
excavations were simulated in a centrifuge experiment, the centrifuge testing
SYL05 (deep excavation in soft and thick clay layer, not fixed wall toe), the
centrifuge testing SYL06 (deep excavation in soft and thick clay layer, fixed wall
toe by grout), the centrifuge testing SYL07 (deep excavation in soft and shallow
clay layer, the wall right above the sand layer), which were simulated again by the
Plaxis software. Observed in all three experiments, wall deflection and ground
settlement were similar in the two first steps of excavation, differences only
occurred at the beginning of the 3 rd excavation step. After the last excavation
process, in the centrifuge testing SYL06 and SYL07, due to the fact that the wall
toe did almost not move, wall deflection and ground settlement were almost

equivalent. Especially, in the experiment SYL05, with free wall toe, wall deflection
and ground settlement were bigger than in the SYL06 and SYL07. This
displacement and deformation were estimated at 1.3-1.4 times.


[iv]
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là cơng trình nghiên cứu của tơi, được thực
hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. TRẦN TUẤN ANH. Các nội dung
nghiên cứu, số liệu phục vụ cho việc tính tốn và kết quả trong đề tài này là trung
thực. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội
đồng về kết quả luận văn của mình.
TP.HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016
HỌC VIÊN THỰC HIỆN

BÙI XUÂN VINH


[v]

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài: .......................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu: ................................................................................................1
3. Đối tượng nghiên cứu: ...............................................................................................1
4. Phương pháp nghiên c ứu: ..........................................................................................2
5. Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài: .....................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÍ NGHIỆM QUAY LY TÂM ............................. 3
1.1. Sơ lược về thí nghiệm quay ly tâm: ......................................................................3

1.2. Nguyên lý làm việc của thí nghiệm quay ly tâm:................................................4
1.3. Mơ hình máy ly tâm cho hố đào:...........................................................................7
1.4. Tóm tắt chương 1: ...................................................................................................9
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................10
2.1. Giới thiệu: ............................................................................................................. 10
2.2. Quan sát thực nghiệm: ......................................................................................... 10
2.2.1. Dự đoán biến dạng của đất nền và áp lực đất biểu kiến: ........................... 10
2.2.1.1. Phương pháp của Peck:............................................................................11
2.2.1.2. Phương pháp của Bowles: .......................................................................12
2.2.1.3. Phương pháp của Clough và O’Rourke:................................................13
2.2.1.4 Phương pháp của Ou và Hsieh: ...............................................................14
2.2.2. Các yếu tố khi thi công hố đào gây ra chuyển vị của tường vây: ............... 15
2.2.2.1. Chiều rộng hố đào: ...................................................................................15
2.2.2.2. Chiều sâu hố đào: .....................................................................................16
2.2.2.3. Chiều sâu cắm tường:...............................................................................17
2.2.2.4. Độ cứng của tường: ..................................................................................17
2.2.2.5. Độ cứng của hệ kết cấu chống đỡ và vị trí điểm chống: .....................17
2.3. Phân tích ứng suất và biến dạng bằng phương pháp phần tử hữu hạn đưới sự
hỗ trợ của phần mền Plaxis: ....................................................................................... 20
2.3.1. Cơ sở lý thuyết trong Plaxis: ......................................................................... 20
2.3.2. Các quan hệ ứng suất và biến dạng: ............................................................. 20


[vi]
2.3.3. Các phương pháp phân tích khơng thốt nước, thốt nước: ..................... 21
2.3.3.1. Phân tích khơng thốt nước (Undrained): .............................................21
2.3.3.2. Phân tích thốt nước (Drained) ...............................................................23
2.3.4. Mơ hình Hardening soil (gọi tắt là HS): ...................................................... 23
2.3.4.1. Mặt dẻo mũ trong mơ hình HS: ..............................................................24
2.3.4.2. Quan hệ Hyperbol giữa ứng suất và biến dạng trong mơ hình HS: ...26

2.3.4.3. Các thơng số trong mơ hình Hardening soil: ........................................27
2.4. Tóm tắt chương 2: ................................................................................................ 29
CHƯƠNG 3: CÁCH THỰC HIỆN, KIỂM TRA VÀ QUAN SÁT KẾT
QUẢ THÍ NGHIỆM QUAY LY TÂM ..........................................................................31
3.1. Cách thực hiện, kiểm tra của thí nghiệm quay ly tâm: .................................... 31
3.1.1. Giới thiệu cách thức thực hiện thí nghiệm: ................................................. 31
3.1.2. Cách thức tiến hành cơ chế vừa đào vừa quay ly tâm trong thí nghiệm: 33
3.1.3. Thiết lập thí nghiệm: ...................................................................................... 35
3.1.4. Hệ thống xi lanh truyền động và hệ thống tường đối xứng:: .................... 36
3.1.5. Chuẩn bị mơ hình đất: .................................................................................... 38
3.1.6. Tạo dựng mơ hình và thiết bị thực hiện:...................................................... 40
3.1.7. Cách tiến hành kiểm tra hố đào: ................................................................... 41
3.1.8. Những mơ hình thí nghiệm: .......................................................................... 43
3.2. Quan sát kết quả thí nghiệm quay ly tâm: ......................................................... 43
3.2.1. Giới thiệu:........................................................................................................ 43
3.2.2. Hồ sơ địa chất điển hình: ............................................................................... 44
3.2.3. Ứng xử của đất điển hình trước khi đào: ..................................................... 45
3.2.3.1. Những đặc trưng trước khi đào:..............................................................45
3.2.3.1.1. Đặc trưng áp lực nước lỗ rỗng: ....................................................... 45
3.2.3.1.2. Đặc trưng biến dạng của đất nền: ................................................... 47
3.2.3.1.3. Moment uốn trong tường vây: ........................................................ 48
3.2.4. Quan sát sự làm việc trong hố đào sâu: ....................................................... 49
3.2.4.1. Quá trình đào: ...........................................................................................49
3.2.4.2. Đặc trưng của hố đào: ..............................................................................50


[vii]
3.2.4.2.1. Đặc trưng áp lực nước lỗ rỗng: ....................................................... 50
3.2.4.2.2. Áp lực đất biểu kiến: ........................................................................ 53
3.2.4.2.3. Áp lực đất tổng: ................................................................................ 54

3.2.4.2.4. Moment uốn của tường chắn: ......................................................... 56
3.2.4.2.5. Biến dạng của đất nền và độ võng của tường vây:....................... 57
3.2.4.2.6. Ảnh hưởng của điều kiện cố định chân tường vây:...................... 60
3.2.4.2.7. Ảnh hưởng của chiều sâu lớp đất chịu lực bên dưới:................... 61
3.2.4. Tóm tắt chương 3: .......................................................................................... 64
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA HỐ ĐÀO SÂU BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ......................................................................65
4.1. Mơ hình mô phỏng:.............................................................................................. 65
4.2. Các thông số đầu vào: .......................................................................................... 66
4.2.1. Thông số vật liệu dùng để mô phỏng:.......................................................... 66
4.2.2. Thông số tường vây: ...................................................................................... 67
4.2.3. Thông số thanh chống:................................................................................... 67
4.3. Mơ hình mơ phỏng plaxis: .................................................................................. 68
4.3.1. Mơ hình thí nghiệm SYL05: ......................................................................... 68
4.3.2. Mơ hình thí nghiệm SYL06: ......................................................................... 69
4.3.3. Mơ hình thí nghiệm SYL07: ......................................................................... 70
4.4. Trình tự thực hiện tính tốn: ............................................................................... 71
4.5. Kết quả tính tốn mơ phỏng:............................................................................... 72
4.5.1. Kết quả mơ phỏng thí nghiệm SYL05: ........................................................ 72
4.5.2. Kết quả mơ phỏng thí nghiệm SYL06: ........................................................ 77
4.5.3. Kết quả mơ phỏng thí nghiệm SYL07: ........................................................ 82
4.5.4. So sánh kết quả thí nghiệm đã mơ phỏng:................................................... 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................89
1. Kết luận:.................................................................................................................... 89
2. Kiến nghị: ................................................................................................................. 89


[viii]

DANH SÁCH HÌNH ẢNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Hình 2.1

Tóm tắt biến dạng của nhiều loại đất nền xung quanh hố đào sâu tính
từ mép hố đào.

Hình 2.2

Vùng biến dạng của tường theo phương pháp của Bowles.

Hình 2.3

Phương pháp của Clough và O’Rourke (1990) ước tính sự biến dạng
của đất nền.

Hình 2.4

Vùng biến dạng của nền đất xung quanh hố đào theo phương pháp của
Ou và Hsieh.

Hình.2.5

Tương quan giữa độ uốn lớn nhất của tường, độ cứng của hệ kết cấu
chống đỡ và hệ số an toàn ngăn hiện tượng bùng nền (Clough và
O’Rourke,1990).

Hình 2.6

Hệ số khả năng chịu lực (Skempton, 1951).

Hình 2.7

Tương quan giữa độ uốn lớn nhất của tường và chiều sâu hố đào (Ou
và các cộng sự, 1993).

Hình 2.8

Quan hệ giữa độ sâu cắm tường và chuyển vị ngang của tường.

Hình 2.9

Quan hệ giữa hình dạng biến dạng của tường và độ cứng của hệ chống
(a) Bước đào thứ nhất (b) Bước đào thứ hai (c)Bước đào thứ ba

Hình 2.10 Dạng lún của mặt đất xung quanh tường.
Hình 2.11 Ước lượng được dạng lún của nền đất sau lưng tường theo Ou và
Hseih, (1998).
Hình 2.12 Điển hình quan hệ ứng suất và biến dạng trong đất.
Hình 2.13 Mặt dẻo trong mơ hình HS.
Hình2.14

Mặt dẻo của mơ hình HS trong mặt phẳng p – q.

Hình 2.15 Quan hệ Hyperbol giữa ứng suất và biến dạng theo thí nghiệm thốt
nước chuẩn ban đầu.
Hình 2.16 Xác định mơ đun tiếp tuyến đối với gia tải một trục ban đầu (Eoedref ).
Hình 2.17 Xác định hệ số m cho mơ hình Hardening Soil từ thí nghiệm nén ba trục.
Hình 3.1

Thiết bị máy móc thí nghiệm quay ly tâm.

Hình 3.2

Phác họa sơ đồ thí nghiệm với cơ chế đào trong lúc đang quay ly tâm.


[ix]
Hình 3.3

Sắp xếp các thiết bị máy móc chính.

Hình 3.4

Hệ thống thanh chống và cửa chắn đất trước (a) và sau khi đào đất đi (b)

Hình 3.5

Các trình tự đào của mơ hình thí nghiệm.

Hình 3.6.

Vị trí các thiết bị quan trắc: (a) trên thùng mơ hình, (b) trên tường vây
mơ hình.

Hình 3.7

Hình dáng của các camera PIV.

Hình 3.8

Các bước tiến hành khi thi cơng hố đào.

Hình 3.9

(a) Sơ đồ thiết lập thí nghiệm,(b) sức chống cắt khơng thốt nước và
thơng số độ q cố kết tại thời điểm 60g.

Hình 3.10 Sự phát triển của áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian.
Hình 3.11 Sự tiêu tán của áp lực nước lỗ rỗng.
Hình 3.12 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cố kết lại.
Hình 3.12 Sự biến dạng đo được từ SYL05 theo thời gian.
Hình 3.13 Sự biến dạng đo được từ LVDT2 cho tất cả các thí nghiệm theo thời
gian.
Hình 3.14 Những vector chuyển vị của đất nền trong quá trình cố kết.
Hình 3.15 Sự phát triển của moment uốn của thí nghiệm SYL05 trong quá trình cố
kết.
Hình 3.16 Các bước tiến hành khi thi cơng hố đào.
Hình 3.17

Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong q trình đào với tường và
thanh chống cứng (Thí nghiệm SYL04).

Hình 3.18 Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình đào với tường chắn và
thanh chống cứng (Thí nghiệm SYL04).
Hình 3.19 Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng tại vị trí bên dưới của hố đào (PPT9).
Hình 3.20 Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng ở giữa tường vây bên được chắn (PPT5).
Hình 3.21 Sự phát triển của áp lực đất biểu kiến với độ sâu hố đào.
Hình 3.22. Sự phát triển áp lực đất biểu kiến theo độ sâu.
Hình 3.23 Sự thay đổi áp lực đất tổng theo độ sâu hố đào với Thí nghiệm SYL05
và SYL04.

Hình 3.24 Sự thay đổi áp lực đất tổng theo độ sâu với thí nghiệm SYL05.


[x]
Hình 3.25 Sự thay đổi của moment uốn của hố đào sâu trong đất sét yếu với tường
chắn tự do (Thí nghiệm SYL05).
Hình 3.26 Sự thay đổi của moment uốn của hố đào sâu trong lớp sét nông với
tường chắn khơng ngàm (Thí nghiệm SYL07).
Hình 3.27 Sự thay đổi của moment uốn của hố đào sâu trong lớp sét sâu với tường
chắn ngàm (Thí nghiệm SYL04).
Hình 3.28 Sự biến dạng tường chắn và độ lún đất nền theo các bước đào (Thí
nghiệm SYL05 ở quy mơ ngun mẫu).
Hình 3.29 Sự gia tăng biến dạng ở H=0.96m với Thí nghiệm SYL05 ở quy mơ
ngun mẫu).
Hình 3.30 Sự gia tăng biến dạng ở H=5.4m với Thí nghiệm SYL05 ở quy mơ
ngun mẫu).
Hình 4.1

Mơ hình thí nghiệm quay ly tâm.

Hình 4.2

Mơ hình tính tốn bằng phần mềm Plaxis thí nghiệm SYL05.

Hình 4.3

Mơ hình tính tốn bằng phần mềm Plaxis thí nghiệm SYL06.

Hình 4.4

Mơ hình tính tốn bằng phần mềm Plaxis thí nghiệm SYL07.

Hình 4.5

Kết quả chuyển vị của tường vây hố đào sau khi lắp đặt thanh chống
1,2,3 của thí nghiệm SYL05.

Hình 4.6

Kết quả biến dạng đất nền bên hông hố đào sau khi lắp đặt thanh
chống 1,2,3 của thí nghiệm SYL05.

Hình 4.7

Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sau khi lắp đặt thanh chống 1 của thí nghiệm SYL05.

Hình 4.8

Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sâu sau khi lắp đặt thanh chống 2 của thí nghiệm SYL05.

Hình 4.9

Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sâu sau khi lắp đặt thanh chống 3 của thí nghiệm SYL05.

Hình 4.10 Kết quả chuyển vị của tường vây hố đào sau khi lắp đặt thanh chống
1,2,3 của thí nghiệm SYL06.
Hình 4.11 Kết quả biến dạng đất nền bên hông hố đào sau khi lắp đặt thanh

chống 1,2,3 của thí nghiệm SYL06.


[xi]
Hình 4.12 Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sâu sau khi lắp đặt thanh chống 1 của thí nghiệm SYL06.
Hình 4.13 Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sâu sau khi lắp đặt thanh chống 2 của thí nghiệm SYL06.
Hình 4.14 Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sâu sau khi lắp đặt thanh chống 3 của thí nghiệm SYL06.
Hình 4.15 Kết quả chuyển vị của tường vây hố đào sau các bước đào 1,2,3 của thí
nghiệm SYL07.
Hình 4.16 Kết quả biến dạng đất nền bên hông hố đào sau các bước đào 1,2,3 của
thí nghiệm SYL07.
Hình 4.17 Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sâu sau khi đào đất lớp thứ nhất cao độ -1.08m thí nghiệm SYL07.
Hình 4.18 Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sâu sau khi đào đất lớp thứ hai cao độ -3.24m thí nghiệm SYL07.
Hình 4.19 Chuyển vị của tường vây và biến dạng của đất nền bên ngoài hố đào
sâu sau khi đào đất lớp thứ ba cao độ -5.4m thí nghiệm SYL07.
Hình 4.20 (a) Chuyển vị của tường vây sau khi lắp đặt thanh chống 1
(b) Chuyển vị của tường vây sau khi lắp đặt thanh chống 2
(c) Chuyển vị của tường vây sau khi lắp đặt thanh chống 3
Hình 4.21 (a) Biến dạng của đất nền sau khi lắp đặt thanh chống 1
(b) Biến dạng của đất nền sau khi lắp đặt thanh chống 2
(c) Biến dạng của đất nền sau khi lắp đặt thanh chống 3


[xii]

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1.

Khả năng của thiết bị truyền động

Bảng 3.2.

Các tính chất của nền cát (Haigh và Madabhushi, 2002)

Bảng 3.3.

Thành phần khống và thuộc tính của sét Kaolin

Bảng 3.4

Tóm tắt các mơ hình thí nghiệm quay ly tâm được thực hiện

Bảng 4.1

Thông số địa chất

Bảng 4.2

Bảng tổng hợp thông số tường vây

Bảng 4.3

Bảng tổng hợp thông số thanh chống

Bảng 4.4

Trình tự thực hiện việc tính tốn

Bảng 4.5

Chuyển vị, biến dạng lớn nhất của tường vây và đất nền
xung quanh hố đào ở thí nghiệm SLY05

Bảng 4.6

Chuyển vị, biến dạng lớn nhất của tường vây và đất nền
xung quanh hố đào ở thí nghiệm SLY06

Bảng 4.7

Chuyển vị, biến dạng lớn nhất của tường vây và đất nền
xung quanh hố đào ở thí nghiệm SLY07


-1-

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Ngày nay các công trình cao tầng như chung cư cao cấp, cao ốc văn phòng,
trung tâm thương mại ngày càng mọc lên nhiều, việc sử dụng tầng hầm để tận
dụng diện tích cũng ngày càng tăng. Việc thi công các hố đào sâu là rất phức tạp,
rất khó khăn trong việc dự đốn chuyển vị của tường vây, biến dạng đất nền xung
quanh. Có khơng ít cơng trình hố đào sâu gặp sự cố nghiêm trọng trong q trình thi
cơng gây ảnh hưởng đến các cơng trình lân cận, do ảnh hưởng chủ yếu là
chuyển vị của đất nền xung quanh hố đào, phải tốn rất nhiều chi phí để khắc phục

các sự cố này.
Với mong muốn có được một phương pháp dự đoán được chuyển vị tường vây
và biến dạng của đất nền xung quanh cơng trình hố đào sâu với độ tin cậy cao, các
thí nghiệm bằng mơ hình máy ly tâm thu nhỏ đã được tạo ra để quan sát những cơ
chế làm việc phức tạp của nó.
Để hiểu rõ hơn về cơ chế làm việc của tường vây, đất nền hố đào sâu, đề tài:
“Mơ phỏng và phân tích ứng xử của tường vây, đất nền hố đào sâu trên cơ sở
so sánh với thí nghiệm quay ly tâm” được thực hiện bằng phương pháp Phần tử
hữu hạn và phân tích dựa trên các kết quả thu được từ thí nghiệm Quay ly tâm của
tác giả Sidney Sze Yue Lam.
2. Mục đích nghiên cứu:
Mục đích của luận văn này là tìm hiểu về hố đào sâu tác động thế nào lên tường
vây, đất nền xung quanh. Tìm hiểu những nguyên lý cơ bản của thí nghiệm quay ly
tâm ứng dụng cho hố đào sâu. Thêm hiểu biết về các thơng số của đất, vật liệu trong
q trình thi cơng hố đào. Qua đó làm tăng kiến thức trong việc làm thế nào sử dụng
những cơng cụ phân tích số như là phương pháp phần tử hữu hạn đối với q trình
đào tầng hầm.
3. Đối tượng nghiên cứu:
Mơ hình thí nghiệm quay ly tâm của hố đào sâu trong đất sét yếu được thực


-2hiện bởi tác giả Sidney Sze Yue Lam tại Đại học Cambridge. Dựa trên các thơng số
hố đào, trình tự thực hiện, quan trắc đo đạc thu nhận được từ thí nghiệm quay ly
tâm, đề tài mơ phỏng lại để hiểu rõ hơn về vấn đề này.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Phân tích, đánh giá các ứng xử của tường vây, đất nền hố đào bằng cách mơ
phỏng các mơ hình thí nghiệm quay ly tâm bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (mơ
hình Hardening-Soil sử dụng phần mềm PLAXIS-version 8.5) và so sánh với các kết
quả thí nghiệm thực hiện.
5. Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài:

Thí nghiệm quay ly tâm với ngành địa kỹ thuật đã được công nhận và áp dụng
rộng rãi ở rất nhiều nước phát triển trên thế giới vì độ tin cậy của nó. Đề tài “Mơ
phỏng và phân tích ứng xử của tường vây, đất nền hố đào sâu trên cơ sở so sánh với
thí nghiệm quay ly tâm” giúp đánh giá, phân tích chuyển vị của tường, biến dạng
đất nền hố đào sâu mang đến cho người thiết kế có thêm một cơ sở lý luận chính
xác hơn trong việc mơ phỏng tính tốn tường chắn cho các hầm nhà cao tầng.


-3-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÍ NGHIỆM QUAY LY TÂM
1.1. Sơ lược về thí nghiệm quay ly tâm:
Để có được những dữ liệu đáng tin cậy và có thể kiểm soát được là điều cần
thiết để hiểu rõ hơn về ứng xử của các loại đất trong quá trình đào, các mô phỏng
cần phải thực tế và phải lặp đi lặp lại được.
Mặc dù việc khảo sát quan trắc hố đào thực tế ngay tại hiện trường là phương
pháp đơn giản nhất và hiệu quả nhất, nhưng trở ngại lớn của việc sử dụng dữ liệu
hiện trường cho việc nghiên cứu là không thể lặp đi lặp lại với cùng một hố đào.
Mỗi vùng có một điều kiện đất nền riêng và có các cách thức thi cơng khác nhau.
Điều này gây khó khăn trong sự tương quan và so sánh giữa các số liệu đo được từ
hiện trường. Tuy nhiên, đo lường khảo sát thực tế tại hiện trường vẫn rất quan trọng
và nên được sử dụng như một phương tiện hiệu chuẩn và kiểm tra các kết quả có
được từ mơ hình vật lý và mơ hình số.
Các phương pháp thuận tiện nhất trong việc phân tích các vấn đề tương tác giữa
các cấu trúc đất là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Nó đã được chứng minh
là một công cụ rất tốt để mô phỏng các q trình thi cơng phức tạp và những chi tiết
của kết cấu cơng trình. Tuy nhiên, khả năng dự đốn biến dạng đất nền đáng tin cậy
thì có liên quan chặt chẽ với các thông số đầu vào, liên quan đến tính chất của các
loại đất khác nhau.
Một phương pháp đã được thực hiện để mô phỏng các ứng xử nguyên mẫu

(giống với thực tế) của một hố đào, đó chính là mơ hình thí nghiệm quay ly tâm thu
nhỏ. Một máy ly tâm được sử dụng để tạo ra một gia tốc nhân tạo để mô phỏng lực
hấp dẫn cần thiết (giống với ở hiện trường) trong một mơ hình thu nhỏ. Mơ hình
máy ly tâm thiết lập một mơ hình vật lý thu nhỏ một cách chính xác để cho phép mô
phỏng các ứng xử thực tế của hố đào, nó có thể được sử dụng một cách hiệu quả để
tìm hiểu rõ ràng các cơ chế biến dạng của đất trong quá trình đào. Cái hay của
phương pháp này là các thí nghiệm ln ln có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần và
các mô hình hố đào sâu có thể được thí nghiệm cho đến lúc phá hoại. Ngay cả các
chương trình phần tử hữu hạn hầu hết sẽ không được thực thi đến giai đoạn phá hoại


-4như vậy. Vì vậy, mơ hình vật lý thu nhỏ trong máy ly tâm đã được áp dụng rộng rãi
và được chấp nhận trên toàn thế giới.
1.2. Nguyên lý làm việc của thí nghiệm quay ly tâm:
Thí nghiệm mơ hình quay ly tâm có khả năng tái hiện cùng mức độ ứng suất ở
mơ hình tỷ lệ nhỏ giống như ở dạng ngun mẫu, là cơng cụ hữu ích để nghiên cứu
các vấn đề địa kỹ thuật. Những điều kiện lý tưởng có thể được tạo ra trong mơ hình
quay ly tâm để thuận lợi cho các lời giải giải tích hoặc lời giải số.
Xét cấu trúc khối đất có kích thước LBH như hình vẽ. Một máy quay ly tâm
giảm tỷ lệ mơ hình phải chịu một gia tốc hướng tâm để hiệu chỉnh ứng suất và biến
dạng trong mơ hình theo đúng tỷ lệ trong mẫu ngun dạng.
Với g là gia tốc trọng trường, N là tỷ lệ mơ hình.
1.g

Tỷ lệ ngun
dạng
N.g

Mơ hình
ly tâm

H
M
H/N

3

M/N

B
L
Luật tỷ lệ mơ hình, áp dụng cho:
- Ứng suất và biến dạng.
- Kích thước.
- Khối lượng.
- Gia tốc (liên quan đến gia tốc trọng trường).

B/N
L/N


-5Parameter

Mơ hình/Ngun dạng

Ứng suất

1

Biến dạng

1

Kích thước

1/N

Diện tích

1/N2

Thể tích

1/N3

Khối lượng

1/N3

Gia tốc

N

* Quy luật tỷ lệ cho lực:
Theo định luật 2 của Newton: Lực = khối lượng × gia tốc
Fprototype = M×1×a
Fmodel =

M
  N  a

N3

Fmod el
1
 2
Fprotoptype N

Giả sử nền đất đắp nặng 200T, mơ phỏng trong thí nghiệm ly tâm với tốc độ
quay tạo ra gia tốc hướng tâm là 100g thì trọng lượng mơ hình là:
Fmodel = 2.10 6 /100 2 = 200 N.
Vậy chỉ cần áp dụng lực 200N cho mơ hình.
* Luật tỷ lệ cho năng lượng:
Năng lượng = Cơng = Lực × Qng đường.
Eprototype = F × d
Emodel =

F  d  F d
  
N2  N 
N3

Emod el
1
 3
E prototype N

Giả sử một vụ nổ từ một thiết bị tạo được dự đoán đạt ngưỡng năng lượng là 1
Tera J = 10 12 J. Nếu mơ hình vụ nổ ở 100g trong thí nghiệm ly tâm thì năng lượng
cần cấp cho mơ hình:

-6Emodel = 10 12/10 3 = 1000 kJ.
Vậy chỉ cần tạo ra vụ nổ nhỏ hơn nhiều trong thí nghiệm ly tâm (chỉ bằng vài
gram TNT). Ảnh hưởng của nổ lên kết cấu có thể được nghiên cứu theo cách này.
* Luật tỷ lệ về cố kết:
Phương trình vi phân cố kết thấm 3 chiều:

  2 u  2u  2u 
u
 Cv  2  2  2 
t
z 
 x y
Hệ số cố kết Cv là một thơng số quan trọng.
Độ cố kết có liên hệ với hệ số cố kết, Cv, đường thoát nước, d, và thời gian cố
kết, t.
Nhân tố thời gian Tv chỉ ra độ cố kết và được liên hệ với những hệ số trên thơng
qua phương trình:
Tv = Cv .

t
d2

Chúng ta hy vọng đạt được cùng độ cố kết ở mơ hình ly tâm như ở điều kiện
thực. Tv nên là giống nhau ở mơ hình và ngun dạng
Ở ngun dạng:
(Tv)prototype =  Cv  prototype.

t prototype

d 
2

prototype

Ở mơ hình:
(Tv)model =  Cv mod el .

tmod el
d 2 

mod el

Chia hai phương trình cho nhau:

Tv mod el
Tv  prototype

1

 Cv mod el
.
 Cv  prototype

tmod el
t prototype

d 
d 
2

mod el

2

prototype

Do sử dụng cùng loại đất tại hiện trường trong mơ hình ly tâm, nên hệ số cố kết
Cv là bằng nhau ở mơ hình và ngun dạng.


-7(Cv)model/(Cv)prototype = 1
Do đó, thời gian cố kết của mơ hình và nguyên dạng như sau:

tmod el
t prototype

d 

d 
2

mod el

2

prototype



1
N2

Một lớp sét trâm tích biển ở Mumbai mất 10 năm để đạt độ cố kết là 95%. Ở thí
nghiệm quay ly tâm ở gia tốc 100g, thời gian cần để đạt cố kết 95% là:
tmodel = 10×365×24×60×60/100 2 = 31536 s = 8.8 h.
1.3. Mơ hình máy ly tâm cho hố đào:
Để thiết lập mơ hình hố đào sâu trong một máy quay ly tâm một cách gần nhất
với thực tế ở hiện trường, cần phải có một phương pháp có thể mơ phỏng được q
trình đào đất trong lúc đang thí nghiệm quay ly tâm. Hiện tại, bốn phương pháp sau
đây được sử dụng để mơ hình hố đào trong lúc đang quay với máy ly tâm:
1. Hố đào được đào sẵn, sau đó tăng tốc độ quay ly tâm cho đến lúc phá hoại
(Lyndon và Schofield, 1970).
2. Cho một chất lỏng có tỷ trọng nặng vào trong hố đào, sau đó cho thốt đi
theo từng giai đoạn đào (Powrie, 1986, Elshafie, 2008).
3. Cho các túi đất để sẵn theo trình tự đào, trong khi thí nghiệm thì lần lượt lấy
các túi đất ra khỏi hố đào (Azevedo, 1983).
4. Tạo ra một cơ chế có thể đào đất trong lúc đang quay ly tâm (Kimura et al,
1993;.. Loh et al, 1998)
Trong phương pháp đầu tiên, đất trong khu vực hố đào ban đầu được đào đi
trước khi tăng tốc máy ly tâm cho đến khi phá hoại. Mặc dù ứng suất tổng của mơ
hình đất có thể được tái hiện, nhưng đặc điểm của đất sẽ thay đổi trong lúc tăng tốc
máy quay ly tâm. Phương pháp này có thể phù hợp cho mơ hình hố đào trong cát
nhưng không phù hợp với đất sét. Đối với vật liệu cát, ứng suất hữu hiệu có thể tăng
gần như ngay lập tức với sự gia tăng tốc độ quay ly tâm, sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng
thặng dư xảy ra gần như ngay lập tức. Đối với đất sét với độ thốt nước thấp hơn
nhiều, q trình cố kết đòi hỏi thời gian dài hơn để tiêu tán áp lực lỗ rỗng thặng dư.
Phương pháp này sẽ không cung cấp cho chúng ta những cơ chế phá hoại đúng. Tuy

-8nhiên, phương pháp này là đơn giản nhất và nó chỉ có thể được sử dụng để cung cấp
một kết quả sơ bộ nhanh chóng về mơ hình phá hoại có thể xảy ra của một hố đào
ngay lập tức (nhanh) và khơng thốt nước.
Trong phương pháp thứ hai, đất đào đi được thay thế bằng một chất lỏng có tỉ
trọng nặng. Các trở ngại chính của phương pháp này là với một chất lỏng, hệ số áp
lực ngang luôn luôn là 1. Đối với một đất cố kết trước nặng, Ko cũng được dự kiến
sẽ tiếp cận 1 và do đó, phương pháp này được cân nhắc gần đúng phù hợp với hố
đào trong một lớp đất. Tuy nhiên, giá trị của Ko = 1 không phải là điển hình cho đất
sét cố kết thường, mà nằm trong khoảng 0,55-0,65 (Kimura et al., 1993).
Phương pháp thứ ba, túi đất được đặt trong vùng cần đào đi và sẽ được lấy ra
tương tự như trong quá trình đào. Phương pháp này có lợi thế hơn hai phương pháp
đầu tiên, ứng suất của các mơ hình đất là thực tế hơn. Đất được sử dụng trong các
túi tương tự như đất trong mơ hình, hệ số áp lực hơng là phù hợp. Tuy nhiên, ứng
xử tương tác giữa các bề mặt của các túi đất với tường chắn sẽ rất khó để có thể
định lượng được.
Vì vậy, trong ba phương pháp đầu tiên có thể khơng thích hợp cho một mơ hình
hố đào trong đất sét của thí nghiệm quay ly tâm. Do việc đào thực tế đã không được
thực hiện và q trình đào đất đi khơng được mơ phỏng đúng. Do đó một cơ chế
đào trong lúc đang quay ly tâm đã được phát triển để đào đất mô phỏng lại đúng với
thực tế các công tác được thực hiện tại hiện trường.
Một thiết bị truyền động mới được thiết kế trong hội thảo của Cục Kỹ thuật, Đại
học Cambridge. Theo cả hai hướng dọc và ngang, bộ truyền động có thể áp một tải
tối đa 10kN với tốc độ tối đa 5mm/s trong lúc máy ly tâm đang quay tăng tốc lên
đến 100g. Thiết bị có thể dịch chuyển theo phương đứng tối đa 300mm và theo
phương ngang là 500mm, và được tự động hóa hồn tồn. Thiết bị truyền động này
được sử dụng để tạo ra một hố đào và một hệ thống thanh chống có cơ chế làm việc
tương tự như các quá trình đào ở thực tế ở hiện trường.


-91.4. Tóm tắt chương 1:

Với mong muốn tái hiện sự làm việc của hố đào sâu sao cho giống với thực tế
nhất, do đó các mơ hình thí nghiệm quay ly tâm đã được thiết lập để đáp ứng các
yêu cầu này.
Một cơ chế truyền động mới đã được sử dụng cho phép mơ phỏng q trình đào
đất đúng với thực tế những trình tự thực hiện ngồi hiện trường. Phương pháp này
cho ta những điều kiện đất nền ban đầu thực tế hơn và do đó các ứng xử của tường
vây, đất nền hố đào sâu thu được cũng chính xác hơn.