Phân tích ứng xử giữa đất và tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

NGƠ ĐỨC TRUNG

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ GIỮA ĐẤT
VÀ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành:
Mã số ngành :

Địa kỹ thuật Xây dựng
60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LÊ BÁ VINH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. TRẦN XUÂN THỌ

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 14 tháng 01 năm 2011.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
--------------------Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGÔ ĐỨC TRUNG

Phái

: Nam

Ngày sinh

: 20/08/1977

Nơi sinh

: Quảng Nam

Chuyên ngành

: Địa Kỹ thuật Xây dựng (60.58.60)

MSHV

: 09090315

1- TÊN ĐỀ TÀI
Phân tích ứng xử giữa đất và tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp Phần tử
hữu hạn.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hố đào sâu ổn định bằng tường chắn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tường chắn ổn định hố đào sâu và phương pháp
phần tử hữu hạn
Chương 3: Phân tích ứng xử giữa đất và tường cơng trình Trạm bơm ngầm kênh Nhiêu
Lộc – Thị Nghè trong q trình thi cơng đào đất
Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của mơ hình đất nền đến dự báo chuyển vị và biến
dạng tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp Phần tử hữu hạn
Kết luận, kiến nghị
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. VÕ PHÁN
Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành
thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. VÕ PHÁN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. VÕ PHÁN


i

LỜI CẢM ƠN

Chân thành cảm ơn PGS.TS. Võ Phán đã hướng dẫn tác giả hoàn thành
luận văn này.
Cảm ơn những lời khuyên, gợi ý quý giá của PGS.TS. Châu Ngọc Ẩn,
TS. Trần Xuân Thọ, TS. Trần Tuấn Anh, TS. Bùi Trường Sơn.
Cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Địa cơ Nền móng đã giảng dạy và chỉ
bảo tận tình trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin tri ân ba mẹ, vợ và hai con trai – nguồn động lực lớn nhất để con
hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn bạn bè trong Lớp Cao học Địa kỹ thuật Xây dựng 2009, cảm ơn
các đồng nghiệp đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong thời gian qua.


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này tập trung vào việc ứng dụng mơ hình đàn hồi dẻo
Harderning Soil trong PLAXIS để phân tích ứng xử giữa đất và tường chắn
trong q trình thi cơng hố đào sâu cho một cơng trình ở khu vực thành phố Hồ
Chí Minh. Tiến hành so sánh mơ hình Mohr - Coulomb và mơ hình Hardening
Soil với các dữ liệu quan trắc thực tế để xác định liệu phân tích phần tử hữu
hạn tuyến tính đơn giản là đủ cho thiết kế an toàn hay phân tích số phi tuyến
phức tạp cung cấp một giải pháp mang lại nhiều hiệu quả hơn.
Nghiên cứu thông số được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của độ cứng
của đất nền trong điều kiện gia tải và dỡ tải ( Eurref ) trong mơ hình Hardening
Soil đến chuyển vị ngang của tường dựa trên so sánh kết quả tính tốn lý thuyết
với số liệu quan trắc thực tế.
Ảnh hưởng của mơ hình nền đến chuyển vị ngang của tường, nội lực
trong thanh chống và biến dạng của đất nền được nghiên cứu trên cơ sở so sánh
hai mô hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với số liệu quan trắc. Kết quả
cho thấy chuyển vị thực của tường và biến dạng của đất nền có thể dự báo
tương đối chính xác khi sử dụng mơ hình Hardening Soil. Tuy nhiên, phần dự
báo nội lực thanh chống có sự khơng thuận lợi trong việc sử dụng mơ hình đàn
hồi phi tuyến so với mơ hình đàn hồi dẻo lý tưởng.


iii

ABSTRACT

The purpose of this study is to analyse the behavior between soil and
diaphragm wall deep excavation in Ho Chi Minh City using finite element
analyses, comprising of elastic-plastic Hardening Soil (HS) model and
elasticperfectly plastic Mohr-Coulomb (MC) model implemented in finite
element program PLAXIS. Parametric studies have been carried out to

investigate the effect of soil stiffness parameters ( Eurref ) of HS model on the
lateral wall deflection, based on the results of parametric studies and
comparison with measured field data.
The effects of soil constitutive model on the predictions of excavation
induced ground movements, lateral wall deflections and strut forces were
performed using Hardening Soil and Mohr – Coulomb models based on the
above proposed comprising. The results demonstrate that more realistic
predictions of wall deflections and ground deformations can be obtained by
Hardening Soil

model. However, in term of strut forces prediction, there

appears to be no advantage in using non-linear model over a simple elasticperfectly plastic model.


iv

MỤC LỤC

Trang
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN..........................................................................................ii
ABSTRACT............................................................................................................iii
MỤC LỤC ..............................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ... ........................................................ ..viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ... ....................................................................xiii
KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT... ................................................................................. ...xv

MỞ ĐẦU ................................................................................................................ .1

1.

Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài... ........................................... ..1

2.

Mục tiêu nghiên cứu... ................................................................................. .2

3.

Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 3

4.

Ý nghĩa khoa học và giá trị thức tiễn của đề tài ........................................... 3

5.

Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài ... ............................................. .4

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU ĐƯỢC ỔN ĐỊNH
BẰNG TƯỜNG CHẮN LIÊN TỤC .......................................... ...6

1.1.

Đặc điểm của cơng trình hố đào sâu... ........................................................ .6

1.2.

Khảo sát một số cơng trình sử dụng hố đào sâu trên thế giới và ở
nước ta .......................................................................................................... 7

1.3.

Các nghiên cứu trước đây về tường chắn ổn định hố đào sâu theo
hướng nghiên cứu của đề tài ...................................................................... 11

1.3.1. Các phương pháp truyền thống ........................................................... 11
1.3.2. Các nghiên cứu thực nghiệm ............................................................... 12


v

1.3.2.1Các nghiên cứu của Peck (1969) ......................................................... 12
1.3.2.2Các nghiên cứu của O’Rourke (1981) ................................................. 13
1.3.2.3Các nghiên cứu của Clough và O’Rourke (1990) ................................ 13
1.3.2.4Các nghiên cứu khác ........................................................................... 15
1.3.3. Các nghiên cứu về phương pháp tính tốn tường chắn bằng
phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................... 18
1.4.

Những vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trước đây cần tập
trung giải quyết ........................................................................................... 20

Chương 2

2.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH
TỐN TƯỜNG CHẮN ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU VÀ
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ................................ .21

Lý thuyết tính toán áp lực ngang của đất tác dụng lên tường... ............... ..21

2.1.1. Lý thuyết áp lực đất của Rankine ............................................................... 22
2.1.2. Lý thuyết Coulom và tường nhám .............................................................. 26
2.1.3. Lý thuyết cân bằng giới hạn điểm – Theo lời giải của Sokoloski .............. 31
2.1.4. Áp lực đất lên cơng trình thực .................................................................... 34
2.2.

Phương pháp phần tử hữu hạn... ............................................................. ...35

2.2.1. Cơ sở lý thuyết của phần mềm Plaxis ........................................................ 37
2.2.2. Các mơ hinh đất nền................................................................................... 37
2.2.2.1Mơ hình Mohr –Coulomb (1776) ......................................................... 37
2.2.2.2Mơ hình Hardening Soil ...................................................................... 42
2.3.

Nhận xét chương 2 .............................................................................. 56

Chương 3

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ GIỮA ĐẤT VÀ TƯỜNG CHẮN
HỐ ĐÀO SÂU TRẠM BƠM NGẦM KÊNH NHIÊU


vi

LỘC THỊ NGHÈ .......................................................................... 58

3.1.

Mơ tả cơng trình .................................................................................. 59

3.2.

Điều kiện địa chất... ................................................................................ ...62

3.3.

Thiết bị quan trắc hiện trường... .............................................................. .65

3.3.1. Quan trắc chuyển vị ngang của tường ....................................................... 65
3.3.2. Nội lực trong thanh chống ......................................................................... 66
3.3.3. Đo lún mặt đất nền ..................................................................................... 67
3.3.4. Đo cao trình mức nước ngầm .................................................................... 67
3.4.

Trình tự thi cơng... .................................................................................. ...67

3.5.

Mơ phỏng q trình thi cơng bằng FEM ................................................. .70

3.5.1 Mơ hình phần tử hữu hạn .................................................................... 70
3.5.2 Mơ hình đất nền .................................................................................. 73
3.5.3. Mơ phỏng ứng suất ban đầu ................................................................ 77
3.6.

Phân tích ứng xử giữa đất và tường trong quá trình thi cơng đào
đất ....................................................................................................... 77

3.6.1 Phân tích kết quả chuyển vị ngang của tường...................................... 77
3.6.2. Phân tích nội lực trong thanh chống ................................................... 89
3.6.3. Phân tích độ lún bề mặt của đất nền.................................................... 93
3.7.

Kết luận chương 3 ............................................................................... 95

Chương 4

4.1

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƠ HÌNH NỀN
ĐẾN CHUYỂN VỊ VÀ BIẾN DẠNG CỦA TƯỜNG
CHẮN HỐ ĐÀO SÂU BẰNG FEM ........................................... 97

Phân tích ảnh hưởng của độ cứng gia tải và dỡ tải ............................... 97


vii

4.2

So sánh mơ hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil ........................ 107

4.2.1 Chuyển vị ngang của tường ............................................................... 107
4.2.2 Biến dạng của đất nền ....................................................................... 120

4.2.2.1Độ lún bề mặt .................................................................................... 120
4.2.2.2Độ trồi đáy hố móng.......................................................................... 122
4.2.3 Nội lực trong thanh chống ................................................................. 124
4.3.

Nhận xét chương 4 ............................................................................ 128

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ................................................................ ...130

1.

Kết luận ................................................................................................. ...130

2.

Kiến nghị ... ............................................................................................ ..131

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. ..132


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang
Hình 1-1:

Tồn cảnh trạm bơm Bangkok bị sập khi đào đất........................ 8

Hình 1-2:

Trạm bơm Bangkok sau khi bị sập ............................................. 8

Hình 1-3:

Sự cố sụp tường vây một cơng trình hố đào sâu .......................... 9

Hình 1-4:

Thi cơng tường vây cơng trình Cao ốc Pacific .......................... 10

Hình 1-5:

Hệ chống tường vây tầng hầm cao ốc Pacific............................ 10

Hình 1-6:

Các vết nứt cơng trình lân cận do thi cơng tầng hầm cao
ốc Sài Gịn M&C ..................................................................... 12

Hình 1-7:

Đường cong thiết kế cho chuyển dịch tường lớn nhất
(Clough và O’Rourke, 1990) .................................................... 14

Hình 1-8:

Hình dạng lún được đề nghị để đánh giá phân bố lún sát hố
đào cho các loại đất khác nhau (Clough và O'Rourke 1990). .... 15

Hình 1-9:

Dạng thức lún Spandrel (Hsieh và Ou 1998)............................. 16

Hình 1-10: Dạng thức lún lõm lòng chão (Hsieh và Ou 1998) .................... 16
Hình 2-1:

Sự thay đổi áp lực ngang của đất theo độ dịch chuyển của
vật rắn ...................................................................................... 22

Hình 2-2:

Vịng trịn ứng suất ở điều kiện cân bằng giới hạn .................... 23

Hình 2-3:

Vịng trịn Mohr do áp lực chủ động trong đất dính .................. 25

Hình 2-4:

Tính áp lực đất chủ động theo Coulomb (trường hợp đất rời) ... 27

Hình 2-5:

Tính áp lực đất bị động theo Coulomb ...................................... 29

Hình 2-6:

Phân tố đất sau tường .............................................................. 32

Hình 2-7:

Chuyển vị vị trí tường cần để đất đạt trạng thái cân bằng
dẻo ........................................................................................... 35

Hình 2-8:

Vòng tròn Mohr tại ngưỡng dẻo, một tiếp tuyến đường
bao của Coulomb (Brinkgreve R.B. J. & Broere W, 2004) ....... 38

Hình 2-9:

Các mặt bao phá hoại theo tiêu chuẩn Mohr – Couulomb ......... 39

Hình 2-10: Quan hệ ứng suất – biến dạng theo mơ hình đàn hồi –
dẻo lý tưởng ........................................................................... 40


ix

Hình 2-11: Xác định E0 và E50 từ thí nghiệm nén ba trục ............................ 41
Hình 2-12: Mặt ngưỡng của mơ hình tái bền (HS) trong khơng
gian ứng suất chính khi cu=0 ..................................................... 42
Hình 2-13: Quan hệ ứng suất biến dạng Hyperbol cho mẫu chịu nén
ban đầu trong thí nghiệm nén ba trục thốt nước tiêu chuẩn ..... 46
ref
Hình 2-14: Định nghĩa E oed
trong kết quả thí nghiệm nén một trục. ........... 48

Hình 2-15: Mặt chảy dẻo ứng với giá trị khơng đổi của thơng số

tăng bền γp ................................................................................ 51
Hình 2-16: Đường cong biến dạng cho thí nghiệm nén 3 trục thốt nước
chuẩn khi kể đến ngưỡng giãn nở ............................................. 53
Hình 2-17:

Mặt chảy dẻo của mơ hình HS trong mặt phẳng p - q............... 54

Hình 2-18: Mặt biên chảy dẻo của mơ hình HS trong khơng gian ứng
suất chính đối với đất khơng dính ............................................. 55
Hình 3-1:

Vị trí cơng trình. ....................................................................... 59

Hình 3-2:

Vị trí hố đào trên tồn tuyến .................................................... 60

Hình 3-3:

Mặt bằng bố trí thanh chống ..................................................... 61

Hình 3-4:

Mặt cắt hố đào sâu .................................................................... 62

Hình 3-5:

Hệ tường chắn, thanh chống và các kích điều chỉnh chuyển
vị của tường.............................................................................. 62

Hình 3-6:

Mặt cắt địa chất cơng trình ....................................................... 63

Hình 3-7:

Mặt cắt các lớp đất ................................................................... 63

Hình 3-8:

Sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc ở cơng trường ............................ 65

Hình 3-9:

Thiết bị đo chuyển vị ngang được sử dụng để quan trắc
chuyển vị ngang của tường chắn ............................................... 66

Hình 3-10: Sơ đồ bố trí thiết bị đo nội lực trong thanh chống, có 6
vị trí đặt cảm biến đo nội lực tại những vị trí nguy hiểm
nhất của hệ kết cấu ................................................................... 66
Hình 3-11: Các giai đoạn thi cơng đào đất .................................................. 69
Hình 3-12: Lưới phần tử và điều kiện biên ................................................. 70
Hình 3-13: Bố trí thanh chống trong các giai đoạn thi cơng ........................ 71
Hình 3-14: Xác định Eur và E50 từ thí nghiệm nén ba trục ........................... 74


x

ref
Hình 3-15: Xác định E oed

từ kết quả thí nghiệm nén một trục..................... 74

Hình 3-16: Chuyển vị ngang của tường ở GĐ1 – đào đến cao độ +1m ....... 77
Hình 3-17: Chuyển vị ngang của tường ở GĐ2 – đào đến cao độ -1m ........ 78
Hình 3-18: Chuyển vị ngang của tường ở GĐ3 – đào đến cao độ 3.85m ....................................................................................... 79
Hình 3-19: Chuyển vị ngang của tường ở GĐ4 – đào đến cao độ 7.0m ......................................................................................... 81
Hình 3-20: Chuyển vị ngang của tường ở GĐ5 – đào đến cao độ 9.35m ....................................................................................... 82
Hình 3-21: Chuyển vị ngang của tường ở GĐ6 – đào đến cao độ 11.5m ....................................................................................... 83
Hình 3-22: Chuyển vị ngang của tường ở GĐ7 – đào đến cao độ 14.5m ....................................................................................... 84
Hình 3-23: Chuyển vị ngang của tường ở GĐ8 – đào đến cao độ 17.3m ....................................................................................... 85
Hình 3-24: Chuyển vị ngang của tường các giai đoạn GĐ8, GĐ9,
GĐ10, GĐ11 ............................................................................. 87
Hình 3-25: Nội lực trong các lớp thanh chống qua các giai đoạn thi
công ......................................................................................... 89
Hình 3-26: Chuyển vị ngang của tường qua các giai đoạn thi cơng ............. 90
Hình 3-27: Độ lún bề mặt của đất nền qua các giai đoạn thi công ............... 93
Hình 3-28: Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường
theo độ sâu ............................................................................... 94
Hình 4-1:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc thực tế ở giai đoạn thi công thứ nhất (GĐ1) ........ 99

Hình 4-2:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc thực tế ở giai đoạn thi cơng thứ hai (GĐ2) ........ 100

Hình 4-3:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc thực tế ở giai đoạn thi công thứ ba (GĐ3) ......... 101

Hình 4-4:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc thực tế ở giai đoạn thi cơng thứ tư (GĐ4).......... 102

Hình 4-5:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng


xi

hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc thực tế ở giai đoạn thi công thứ năm (GĐ5) ...... 103
Hình 4-6:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc thực tế ở giai đoạn thi cơng thứ sáu (GĐ6)........ 104

Hình 4-7:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng

hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc thực tế ở giai đoạn thi cơng thứ bảy (GĐ7) ....... 105

Hình 4-8:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc thực tế ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8) ....... 106

Hình 4-9:

Kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng mơ
hình Mohr – Coulomb qua các giai đoạn thi cơng đào đất....... 107

Hình 4-10: Kết quả tính chuyển vị ngang của tường bằng mơ hình
Hardening Soil qua các giai đoạn thi cơng đào đất. ................. 108
Hình 4-11: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả
quan trắc ở giai đoạn thi công thứ nhất (GĐ1). ....................... 112
Hình 4-12: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả
quan trắc ở giai đoạn thi cơng thứ hai (GĐ2). ......................... 113
Hình 4-13: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả
quan trắc ở giai đoạn thi cơng thứ ba (GĐ3). .......................... 114
Hình 4-14: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả
quan trắc ở giai đoạn thi công thứ tư (GĐ4)............................ 115
Hình 4-15: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả

quan trắc ở giai đoạn thi cơng thứ năm (GĐ5). ....................... 116
Hình 4-16: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả
quan trắc ở giai đoạn thi công thứ nhất (GĐ1). ....................... 117
Hình 4-17: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả
quan trắc ở giai đoạn thi công thứ bảy (GĐ7). ........................ 118
Hình 4-18: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang của tường bằng
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả


xii

quan trắc ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8). ........................ 119
Hình 4-19: So sánh kết quả tính tốn độ lún bề mặt của đất nền bằng
hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết
quả quan trắc ở giai đoạn thi cơng thứ tám (GĐ8). ................. 121
Hình 4-20: So sánh kết quả tính tốn độ trồi hố móng bằng mơ hình
Mohr – Coulomb và Hardening Soil ở giai đoạn đào đất
cuối cùng (GĐ8) ..................................................................... 123
Hình 4-21:

So sánh kết quả tính tốn nội lực trong hệ chống thứ 1
bằng 2 mơ hình Hardening Soil, Mohr – Coulomb,
với kết quả quan trắc. ............................................................. 124

Hình 4-22: So sánh kết quả tính tốn nội lực trong hệ chống thứ 2
bằng 2 mơ hình Hardening Soil, Mohr – Coulomb, với kết
quả quan trắc. ......................................................................... 125
Hình 4-23: So sánh kết quả tính tốn nội lực trong hệ chống thứ 3

bằng 2 mơ hình Hardening Soil, Mohr – Coulomb, với kết
quả quan trắc. ......................................................................... 125
Hình 4-24: So sánh kết quả tính tốn nội lực trong hệ chống thứ 4
bằng 2 mơ hình Hardening Soil, Mohr – Coulomb, với kết
quả quan trắc. ......................................................................... 126
Hình 4-25: So sánh kết quả tính tốn nội lực trong hệ chống thứ 5
bằng 2 mơ hình Hardening Soil, Mohr – Coulomb, với kết
quả quan trắc. ......................................................................... 126
Hình 4-26:

So sánh kết quả tính tốn nội lực trong hệ chống thứ 6
bằng 2 mơ hình Hardening Soil, Mohr – Coulomb, với kết
quả quan trắc. ......................................................................... 127

Hình 4-27: So sánh kết quả tính tốn nội lực trong hệ chống thứ 7
bằng 2 mơ hình Hardening Soil, Mohr – Coulomb, với kết
quả quan trắc. ......................................................................... 127


xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 1-1:

Một vài giá trị điển hình theo quan điểm chuyển dịch gây
ra do sự quay của tường chắn quanh tâm quay .......................... 17

Bảng 1-2:

Sơ lược một số kết quả nghiên cứu
trước đây về cơng trình hố đào sâu dùng FEM .......................... 18

Bảng 2-1:

Xác định giá trị k và k’ ............................................................. 31

Bảng 2-2:

Các thông số cho mơ hình Mohr – Coulomb trong Plaxis ......... 40

Bảng 3-1:

Các chỉ tiêu cơ lý của đất .......................................................... 64

Bảng 3-2:

Các giai đoạn thi cơng cơng trình. ............................................ 67

Bảng 3-3:

Các thơng số về thanh chống .................................................... 72

Bảng 3-4:

Các thông số cho tường chắn .................................................... 72

Bảng 3-5:

Các thông số đất nền cho mô hình Mohr – Coulomb ................ 75

Bảng 3-6:

Các thơng số đất nền cho mơ hình Hardening Soil .................... 76

Bảng 3-8:

Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường
theo độ sâu ............................................................................... 86

Bảng 3-9:

Tải trước trong thanh chống...................................................... 92

Bảng 3-10: Mối quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường
theo độ sâu ............................................................................... 95
Bảng 4-1: So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang lớn nhất của
tường với chuyển vị ngang lớn nhất khi quan trắc thực tế
với các cấp độ Eurref ................................................................... 98
Bảng 4-2:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang lớn nhất từ 2
mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil ......................... 110

Bảng 4-3:

So sánh kết quả tính tốn chuyển vị ngang lớn nhất từ mơ
hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil với kết quả quan
trắc. ........................................................................................ 111

Bảng 4-4:

So sánh kết quả tính tốn độ lún bề mặt lớn nhất của đất
nền bằng hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening
Soil ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8). ............................... 121

Bảng 4-5:

So sánh kết quả tính tốn độ trồi hố móng lớn nhất của đất
nền bằng hai mơ hình Mohr – Coulomb và Hardening
Soil ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8). ................................ 123


xiv

Bảng 4-6:

So sánh kết quả tính tốn nội lực trong thanh chống bằng
2 mơ hình Hardening Soil và Mohr – Coulomb vối kết quả
quan trắc lớp thứ 3 ở các giai đoạn thi công thứ năm, sáu
và bảy. .................................................................................... 128


xv

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
BTCT

Bê tơng cốt thép

et al.

và các cộng sự

c'

Lực dính hữu hiệu (kN/m²)
mơ đun cát tuyến trong thí nghiệm nén ba trục thốt nước nước

E

ref
50

chuẩn (kN/m²)
ref
E oed

mơ đun tiếp tuyến đối với gia tải một trục ban đầu (kN/m²)

Eurref

mô đun độ cứng khi kể đến gia tải và dỡ tải (kN/m2)

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

GĐ

Giai đoạn thi cơng

HS

Mơ hình Hardening Soil

K onc

LEM

giá trị Ko trong điềukiện cố kết thường (mặc định K onc =1-sinφ)
Phương pháp cân bằng giới hạn khối trượt rắn

m

Độ cứng phụ thuộc cấp ứng suất theo quy luật lũy thừa

MC

Mô hình Mohr – Coulomb

Rf

tỉ số phá hoại qf/qa (mặc định Rf=0.9)

Pa

Áp suất khí quyển (được sử dụng làm thơng số chuẩn hóa)

pref
1- 3

ứng suất tham chiếu cho độ cứng (mặc định pref=100) (kN/m²)
Độ lệch ứng suất

(1- 3)u

Độ lệch ứng suất tại trạng thái tới hạn khi biến dạng lớn

(1- 3)f

Độ lệch ứng suất tại trạng thái phá hoại

σtension
1

độ bền chịu kéo (mặc định σtension=0) (kN/m²)
Ứng suất chính lớn nhất

3

Ứng suất chính nhỏ nhất

φ

góc nội ma sát hữu hiệu (º)

ψ

góc giãn nỡ (º)



Hệ số Poisson

νur

hệ số Poisson dỡ nén – nén lại (mặc định νur=0.2)



Biến dạng tương đối dọc trục


1

MỞ ĐẦU
1.

Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, nhu cầu về việc sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ

thuật hoặc dịch vụ dưới các nhà cao tầng, bãi đậu xe ngầm, hệ thống giao thông
ngầm, hệ thống xử lý nước thải…, ngày càng gia tăng trong các khu đô thị. Hố
đào sâu thường được sử dụng để thi cơng các cơng trình giải quyết các vấn đề
trên. Thông thường, hố đào sâu được thi công ở những khu vực gần với các cao
ốc, cơng trình hạ tầng hay dịch vụ cơng cộng đã có sẵn, do vậy, việc giới hạn
chuyển vị của tường chắn và độ lún bề mặt là rất quan trọng để đảm bảo các
cơng trình xung quanh khơng bị ảnh hưởng hoặc ảnh hượng với mức độ cho

phép. Chính vì lý do đó, việc nghiên cứu ứng xử giữa đất và tường trong cơng
trình hố đào sâu là nhu cầu cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Để giới hạn biến dạng của đất nền, các đại lượng sau đây ln phải được
kiểm sốt trong cơng trình hố đào sâu:


Chuyển vị của tường khi làm việc như một kết cấu chắn giữ.



Nội lực phát sinh trong hệ thanh chống.



Biến dạng của đất nền.
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) được

biết đến như là một phương pháp số được sử dụng để dự báo ổn định và biến
dạng của đất nền. Ưu điểm của phương pháp này là ứng xử của đất có thể được
mơ phỏng tương đối chính xác và hợp lý trong q trình thi công đào đất. Tuy
nhiên, bên cạnh một số ưu điểm vẫn cịn một số khó khăn nhất định trong cách
tiếp cận do mức độ phức tạp của nó. Do đó, mơ hình đàn hồi - dẻo lý tưởng
Mohr - Coulomb thường được sử dụng vì tính đơn giản của nó và các thơng số
đất có thể dễ đàng thu được từ phịng thí nghiệm và một số thơng số có thể
được suy ra từ các quan hệ tương quan. Tuy nhiên, vẫn có một số hạn chế
trong mơ hình Mohr - Coulomb. Thứ nhất, các quan hệ phi tuyến của đất
trước khi phá hoại khơng được mơ hình. Thứ hai, nó khơng thể tạo ra áp


2

lực lỗ rỗng đáng tin cậy trong quá trình gia tải khơng thốt nước. Thứ ba,
dự báo chuyển vị bên của tường và độ lún mặt là không đáng tin cậy. Để
khắc phục những thiếu sót trên, cần sử dụng một mơ hình đàn hồi dẻo phi
tuyến tính.Việc sử dụng mơ hình đất thích hợp là đặc biệt quan trọng trong tính
tốn hố đào sâu ổn định bằng tường chắn, bởi vì ứng xử thơng thường của
đất là phi tuyến, không hồi phục và ảnh hưởng bởi thời gian.
Do thiếu các dữ liệu thí nghiệm trong phịng, các kỹ sư thường tương
quan các thông số thiết kế từ các thông số có sẵn và thường giới hạn cho đất
mơ hình đơn giản trong thiết kế hố đào sâu. Nếu tương quan khơng thích hợp,
người kỹ sư thường phải đối mặt với vấn đề về số liệu xác định chuyển vị của
tường chắn và độ lún bề mặt thực tế sẽ khác biệt với giá trị dự đoán ban đầu.
Hơn nữa, chúng ta biết rằng mơ hình Mohr – Coulomb khơng mô phỏng được
quan hệ phi tuyến của đất trước ngưỡng dẻo, do vậy kết quả dự báo chuyển vị
của tường chắn và độ lún bề mặt thường khơng chính xác. Liên quan đến vấn
đề này, một mơ hình đàn hồi dẻo của đất, mơ hình mà có thể mơ phỏng được
quan hệ phi tuyến của đất sẽ phù hợp hơn so với mơ hình Mohr – Coulomb.
Khi sử dụng mơ hình này, chuyển vị của tường chắn và độ lún mặt có thể được
dự đốn chính xác hơn và đương nhiên sẽ dẫn đến an toàn và tiết kiệm hơn
trong thiết kế hố đào sâu.
2.

Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn này tập trung vào việc ứng dụng mơ hình đàn hồi dẻo

Harderning Soil trong PLAXIS để phân tích ứng xử của đất và tường chắn
trong q trình thi cơng hố đào sâu cho một cơng trình ở khu vực thành phố Hồ
Chí Minh. Tiến hành so sánh mơ hình Mohr - Coulomb và mơ hình Hardening
Soil với các dữ liệu quan trắc được thực tế để xác định liệu phân tích phần tử
hữu hạn tuyến tính đơn giản là đủ cho thiết kế an tồn hay phân tích số phi

tuyến phức tạp cung cấp một giải pháp mang lại nhiều hiệu quả hơn. Qua đó,


3

phân tích ảnh hưởng của mơ hình nền đến ứng xử giữa đất và tường cơng trình
hố đào sâu.
Để làm sáng tỏ mục tiêu, các vấn đề sau được nghiên cứu trong luận văn:
i)

Mơ phỏng q trình thi cơng đào đất bằng FEM với mơ hình Hardening
Soil, phân tích kết quả tính tốn và đối chiếu với số liệu quan trắc thực tế.

ii)

Phân tích ảnh hưởng của độ cứng đất nền trong điều kiện gia tải và dỡ tải
( Eurref ) đến chuyển vị ngang của tường và biến dạng của đất nền với mơ

hình Hardening Soil.
iii)

So sánh chuyển vị của tường chắn từ số liệu quan trắc với kết quả dự
đoán chuyển vị của tường chắn thu được từ phương pháp phần tử hữu
hạn sử dụng 2 mơ hình Hardening Soil và mơ hình Mohr – Coulomb.

iv)

So sánh nội lực trong thanh chống giữa số liệu quan trắc và kết quả thu
được từ việc sử dụng mơ hình Hardening Soil, mơ hình Mohr –
Coulomb.

v)

So sánh kết quả quan hệ biến dạng của đất nền từ việc sử dụng 2 mơ
hình Hardening Soil và mơ hình Mohr - Coulomb với số liệu quan trắc
thực tế.

3.

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu cở sở lý thuyết các mơ hình đất nền áp dụng cho cơng trình

hố đào sâu.
Sử dụng phần mềm từ phương pháp Phần tử hữu hạn để tính tốn kết
hợp so sánh với số liệu quan trắc thực tế ở hiện trường.
4.

Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài
Việc phân tích ứng xử của tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp

phần tử hữu hạn thực hiện trên cơ sở so sánh ảnh hưởng của các mô hình Mohr
– Coulomb và Hardening Soil đến chuyển vị ngang của tường, nội lực phát


4

sinh trong các hệ thanh chống và biến dạng bề mặt đất nền. Các thơng số để
tính tốn xác định một cách trung thực từ hồ sơ địa chất. Kết quả tính tốn bằng
FEM được kiểm chứng với số liệu quan trắc hiện trường ở một cơng trình thực
tế, do vậy kết quả thu được mang tính khoa học và thực tiễn cao.

Nghiên cứu này sẽ rất hữu ích cho các kỹ sư địa kỹ thuật được sử dụng
như tài liệu tham khảo để phân tích khả năng làm việc của hệ tường chắn chống
lại chuyển vị ngang và biến dạng của đất nền trong q trình thi cơng đào đất.
Từ đó lựa chọn phương pháp tính tốn và mơ hình phù hợp cho các cơng trình
có tính chất tương tự.
5.

Phạm vi và giới hạn của đề tài
Trong luận văn này, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của hố

đào sâu và mơ hình số được nghiên cứu trên cơ sở áp dụng phương pháp phần
tử hữu hạn trong việc thiết kế hố đào sâu.
Cơng trình tiếp cận hướng nghiên cứu trong đề tài luận văn là Trạm
bơm lưu vực Nhiều Lộc Thị Nghè, Thành phố Hồ Chí Minh.. Phạm vi
nghiên cứu, nhận xét và thảo luận giới hạn trong việc xác định chuyển vị của
tường chắn, biến dạng bề mặt của đất nền và nội lực của hệ thanh chống trong
q trình thi cơng đào đất.
Các phân tích được thực hiện bằng phần mềm PLAXIS phiên bản 8.5
với phần tử 2-D. Mơ hình đất sử dụng trong luận văn này giới hạn trong 2 mơ
hình là Hardening Soil và Mohr – Coulomb.
Trong luận văn này chưa xem xét đến ảnh hưởng của q trình thi cơng
tường chắn, sự giảm ứng suất do q trình thi cơng tường chắn không được
quan trắc do thiếu thiết bị đo.


5

Cũng trong luận văn này, ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và ngàm cứng
đến nội lực trong thanh chống khơng được thể hiện trong mơ hình. Thanh
chống được giả định ngàm cứng vào tường trong mơ hình số.

Để đơn giản, trong suốt luận văn này việc phân tích dữ liệu dựa trên cơ
sở là biến dạng phẳng. Ảnh hưởng của yếu tố hình học của hố đào chưa xem
xét.


6

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU
ĐƯỢC ỔN ĐỊNH BẰNG TƯỜNG CHẮN LIÊN TỤC
Chương này bày một số đặc điểm của hố đào sâu, tình hình sử dụng ở
Việt Nam và trên thế giới; phân tích, đánh giá một số nghiên cứu đã có trước
đây về tính tốn hố đào sâu ổn định bằng tường chắn. Từ đó nêu những vấn đề
còn tồn tại để tập trung nghiên cứu, giải quyết.
1.1.

Đặc điểm của cơng trình hố đào sâu
Cơng trình hố đào sâu là một loại công việc tạm thời, sự dự trữ về an

tồn có thể là tương đối nhỏ nhưng lại có liên quan với tính địa phương, điều
kiện địa chất của mỗi vùng khác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau.
Hồ đào sâu là loại cơng trình có giá thành cao, khối lượng công việc lớn,
kỹ thuật phức tạp, phạm vi ảnh hưởng rộng, sự cố hay xảy ra, là một khâu khó
về mặt kỹ thuật, đồng thời cũng là trọng điểm để hạ thấp giá thành và bảo đảm
chất lượng cơng trình.
Cơng trình hố đào sâu đang phát triển theo xu hướng độ sâu lớn, diện
tích rộng, quy mơ cơng trình cũng ngày càng tăng lên.
Theo đà phát triển cải tạo các thành phố cũ, các công trình cao tầng,
thường tập trung ở những khu đất nhỏ hẹp, mật độ xây dựng lớn, điều kiện thi
công công trình hố móng đều rất kém. Lân cận cơng trình thường có các cơng

trình xây dựng vĩnh cửu, các cơng trình lịch sử, nghệ thuật bắt buộc phải được
an tồn, khơng thể đào có mái dốc, u cầu đối với việc ổn định và khống chế
chuyển dịch rất là nghiêm ngặt.
Đào hố móng trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều
kiện hiện trường phức tạp khác rất dễ sinh ra trượt lở khối đất, mất ổn định hố


7

móng, thân cọc bị chuyển dịch vị trí, đáy hố trồi lên, kết cấu chắn giữ bị hư hại
nghiêm trọng hoặc bị chảy đất… làm hư hại hố móng, uy hiếp nghiêm trọng
các cơng trình xây dựng, các cơng trình ngầm và đường ống xung quanh.
Cơng trình hố đào sâu bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau
như chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước, đào đất… trong đó, một
khâu nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả cơng trình bị đỗ vỡ.
Việc thi cơng hố móng ở các hiện trường lân cận như đóng cọc, hạ nước
ngầm, đào đất,… đều có thể sinh ra những ảnh hưởng hoặc khống chế lẫn nhau,
tăng thêm các nhân tố để có thể gây ra sự cố.
Cơng trình hố móng có giá thành khá cao, nhưng lại chỉ là có tính tạm
thời nên thường là khơng muốn đầu tư chi phí nhiều. Nhưng nếu để xảy ra sự
cố thì xử lý sẽ vơ cùng khó khăn, gây ra tổn thất lớn về kinh tế và ảnh hưởng
nghiêm trọng về mặt xã hội.
1.2.

Khảo sát một số cơng trình hố đào sâu trên thế giới và ở nước ta
Việc sử dụng hố đào sâu đã được sử dụng ngày càng nhiều và với quy

mô ngày càng lớn. Tuy nhiên vẫn có một số sự cố đáng tiếc xảy ra, gây khơng
ít thiệt hại về người và của như: bị sạt lở hố đào, gây sụt lún, nứt nẻ, thậm chí
sụp đổ các cơng trình lân cận, các sự cố này chủ yếu do việc thiết kế thi cơng

các cơng trình hố đào có tường chắn ít được quan tâm đúng mức.
Trạm bơm nước thải Bangkok – Thái Lan có kích thước 20.3m đường
kính, sâu 20.2m, bị sập ngày 17 – 8 –1997 khi vừa hồn tất cơng tác đào và lắp
đặt hệ thanh chống. Kết cấu của cơng trình gồm hệ tường vây liên kết
(diaphragm wall) giữ vai trò như tường chắn khi thi công đào sâu và giữ vai trị
tường hầm sau khi đúc bê tơng các bản sàn hầm. Đặc biệt là cơng trình này có
kích thước hồn tồn giống một cơng trình tương tự đã thi cơng thành công ở
Frankfurt - Đức.