Đặt vấn đề Trong những năm gần đây ở nước ta, cùng với sự phát triển kinh tế và quá trình đô thị hóa nhanh đã làm xuất hiện nhiều công trình cao tầng, vì thế nhu cầu sử dụng và khai thác không gian ngầm dưới mặt đất ngày càng nhiều. Những công trình ngầm, chẳng hạn như hệ thống tàu điện ngầm, các bãi đỗ xe ngầm,… hoặc một phần công trình nằm dưới mặt đất như tầng hầm của các công trình…, ngoài việc phải chịu những tác động giống như của các công trình trên mặt đất, nó còn chịu những tác động của môi trường xung quanh không chỉ ở giai đoạn sử dụng mà còn ở giai đoạn thi công. Việc xây dựng các công trình nói trên dẫn đến xuất hiện hàng loạt các hố đào sâu có kích thước lớn và nằm trong tầng đất có địa chất phức tạp. Do đó yêu cầu về khống chế chuyển vị của đất, của tường vây trong quá trình đào móng phải được đảm bảo nghiêm ngặt.
Về mặt thiết kế và thi công các công trình ngầm cần phải được phân tích và xem xét đặc biệt để đảm bảo công trình có thể làm việc được một cách bình thường và không ảnh hưởng hoặc làm hư hại các công trình lân cận trong quá trình thi công nó. Vì vậy, việc tính toán thiết kế tường vây cho các hố đào sâu sao cho đảm bảo an toàn và tiết kiệm là yêu cầu cấp bách cần được giải quyết. Theo các nghiên cứu trước đó của: Binbin XU (2017) [3], Nima Safari (2016) [16], P. Yadav (2018) [18], GOUW Tjie-Liong (2014) [23] , một số phương án đã và đang được sử dụng nhiều hiện nay để tính toán thiết kế tường vây là: - Phương án 1: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D.
Ưu điểm của phương án này là có thể mô tả được đất nền tốt, thời gian tính toán nhanh, đơn giản. Tuy nhiên, phương án này không mô tả được ứng xử của hệ tường vây, thanh chống theo giai đoạn thi công. Cũng như không biết chính xác sự phân bố nội lực trong các thanh chống cụ thể. Quan trọng, nếu thanh chống mất lực đột ngột khi đó hệ tường vây sẽ mất ổn định đột ngột, chuyển vị lớn vượt mức cho phép.
- Phương án 2: Sử dụng phần mềm Plaxis 3D. Ưu điểm của phương án này vừa có thể mô tả được ứng xử của đất, vừa có thể mô tả được hệ tường vây, hệ thanh chống trong cùng một điều kiện địa chất giả định giống nhau, tương ứng với một số dạng mặt bằng hố đào sâu khác nhau. Tuy nhiên, việc mô phỏng bài toán bằng phương án này thường phức tạp, -1- Luan van mất thời gian và việc kiểm soát kết quả thu được cũng như việc chỉnh sửa lỗi găp nhiều khó khăn. Hai phương án trên đều có ưu, nhược điểm riêng.
Việc tìm cách khắc phục nhược điểm của mỗi phương án sẽ giúp cho quá trình tính toán, thiết kế và thi công tường vây chính sát và đảm bảo an toàn hơn. Theo tìm hiểu của các tác giả, phần mềm SAP2000 có thể mô hình kết cấu một cách nhanh chóng, cho kết quả có độ tin cậy cao và có thể mô tả được các giai đoạn thi công. Tuy nhiên, nhược điểm của phần mềm SAP2000 không thể mô tả được ứng xử tương tác giữa đất nền và hệ kết cấu. Nhận thấy được ưu điểm của SAP2000 có thể bổ trợ các nhược điểm của phương án sử dụng phần mềm Plaxis 2D, từ đó việc kết hợp giữa 2 phần mềm Plaxis 2D và SAP2000 trong thiết kế, tính toán tường vây sẽ mang lại kết quả khả thi, khắc phục được những thiếu sót nêu trên.
Dựa trên những phân tích trên, đề tài “Phương pháp thiết kế tường vây kết hợp Plaxis 2D và SAP2000” đã được hình thành. Tổng quan tình hình nghiên cứu lĩnh vực đề tài Bài toán mô phỏng hố đào bằng phần mềm Plaxis đã được nghiên cứu rất nhiều. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ dừng lại việc mô phỏng hệ tường vây, phần hệ chống chủ yếu mô phỏng dưới dạng đơn giản. Chưa có nghiên cứu về cách thức thiết kế hệ thanh chống có kể đến ảnh hưởng của giai đoạn thi công.
Đề tài tập trung phân tích hệ thanh chống (kingpost - shoring) trên cơ sở kết hợp phần mềm Plaxis 2D và Sap2000, vì vậy nên liệt kê các nghiên cứu liên quan đến phân tích ứng xử hố đào bằng Plaxis 2D, Plaxis 3D; hay phân tích ứng xử hệ thanh chống bằng phần mềm Plaxis 3D,.Các nghiên cứu trước đó về mô phỏng hố đào bao gồm: [1] Phân tích độ tin cậy của tường chắn bằng xác xuất Imprecise (Reliability Analysis of Retaining Wall using Imprecise Probability) của tác giả Ashutosh Kumar, tháng 8 năm 2017. [9] Ảnh hưởng của hiệu ứng góc đến hố đào sâu (Corner effects in deep excavations － establishment of a forecast model for taipei basin T2 zone) của tác giả Chau-Hui Wu, Chang-Yu Ou, Ningchien Tung, năm 2010. -2- Luan van [23] Những sai sót thường gặp của mô hình Plaxis 2D trong vấn đề phân tích hố đào sâu (Common Mistakes on the Application of Plaxis 2D in Analyzing Excavation Problems) của tác giả Gouw Tjie-Liong, tháng 1 năm 2014. [26] Phân tích ổn định hệ tường vây trong quá trình thi công hố đào sâu bằng mô hình Plaxis 3D của tác giả Vũ Tâm Lộc, tháng 9 năm 2015.
[28] Phân tích ảnh hưởng của thanh neo đến ứng xử của tường vây bằng phần mềm Plaxis 3D (Analysis of the Effect of Anchor Rod on the Behavior of Diaphragm Wall Using Plaxis 3D) của tác giả Yajnheswaran, H. Ranjan, tháng 12 năm 2015. Mục tiêu đề tài Đưa ra cách thức mô phỏng và phân tích hệ tường vây bằng phần mềm Plaxis 2D kết hợp với mô phỏng hệ thanh chống có kể đến ảnh hưởng của giai đoạn thi công bằng phần mềm SAP2000. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: Thống kê các số liệu địa chất thu được.
- Phương pháp phân tích mô phỏng: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D, Plaxis 3D, SAP2000. Đối tượng nghiên cứu Phân tích ứng xử của hệ thanh chống trong hố đào sâu. Phạm vi giới hạn đề tài - Phương pháp thi công Bottom Up. - Hệ chống: Hệ thanh chống.
Cấu trúc đề tài nghiên cứu Phần mở đầu Phần nội dung: Chương 1. Cơ sở lý thuyết Chương 2. Xây dựng bài toán phân tích bằng phần mềm Plaxis 2D, Plaxis 3D và SAP2000 Chương 3. Đánh giá kết quả nghiên cứu Phần kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục -3- Luan van PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1.
Các mô hình nền và cách xác định các thông số đầu vào trong mô hình Plaxis 1. Các mô hình nền 1. Mô hình thuyết đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr - Coulomb Hình 1. 1: Quan hệ ứng suất và biến dạng trong mô hình đàn dèo Mô hình Mohr – Coulomb là mô hình đất cơ bản và phổ biến nhất với ứng xử đàn hồi – dẻo lý tưởng của đất nền, áp dụng tiêu chuẩn phá hoại của Mohr – Coulomb.
Nguyên lý chủ yếu mô hình Mohr – Coulomb là biến dạng của đất nền sẽ bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. * Vòng tròn morh đánh giá ứng suất tại một điểm: Xét 1 điểm M có ứng suất pháp σxx, σyy và ứng suất tiếp τ xy. Quay mặt phẳng chứa điểm đang xét 1 góc α sao cho ứng suất tiếp τ xy = 0. Lúc này, các ứng suất pháp sẽ được gọi là ứng suất chính σ1, σ3.
Ứng suất lớn nhất có tên là ứng suất chính đại ký hiệu là σ1. Ứng suất bé nhất có tên là ứng suất chính tiểu ký hiệu là σ3. Vòng tròn morh ứng suất là tập hợp các điểm, trên tất cả các mặt đi qua điểm tác động của ứng sất P và thẳng góc với một mặt tọa độ trục. -4- Luan van Hình 1.
2: Quan hệ giữa các ứng suất và ứng suất chính * Mặt dẻo: Dẻo là giới hạn trạng thái đàn hồi của vật liệu và nếu sau đó vật liệu chuyển sang ứng xử dẻo, dẻo trong đất là do các hạt đất bị gãy, bể vụn đồng thời tái cấu trúc hạt cùng xảy ra. Mặt dẻo của đất là mặt làm việc của đất ở trạng thái tới hạn hay trạng thái biến dạng dẻo. được mô tả bằng những đường bao sức chống cắt. * Mặt dẻo trong mô hình Morh-Coulomb: Hình 1.
3: Vòng Mohr ứng suất trên các mặt song song với trục z -5- Luan van Các thông số sức chống cắt thường được xác định từ thí nghiệm cắt trong phòng (casagrande, nén ba trục, nén đơn và cắt đơn) hay thí nghiệm hiện trường (SPT, CPT, cắt cánh) Các thông số chống cắt (c ') phụ thuộc vào trạng thái ứng suất ban đầu, độ ẩm của đất, điều kiện thoát nước, điều kiện thí nghiệm, và sức chống cắt phụ thuộc vào ứng suất pháp hữu hiệu của đất. theo công thức sau: * Phương trình mặt ngưỡng Morh-coulomb: Xác định từ đường bao các vòng tròn Morh ứng suất chính: Phương trình mặt dẻo tổng quát có dạng: 1 1 f1a = (σ '2 - σ3' ) + (σ '2 + σ 3' ). 4: Không gian ứng suất (mô tả đường bao ứng suất chính) -6- Luan van * Thế năng dẻo của đất: Vấn đề cốt lỏi của lý thuyết dẻo là làm sao tính toán được biến dạng dẻo khi mà trạng thái ứng suất đạt đến ngưỡng dẻo f(ij)?. Hầu hết các lý thuyết dẻo đang được sử dụng rộng rãi hiện nay dựa trên gia số biến dạng dẻo (Von Mises, 1928; Melan, 1938; Hill, 1950).
* Phương trình tổng quát hàm thế năng dẻo: 1 1 g1a = (σ '2 - σ 3' ) + (σ '2 + σ 3' ).sin ψ 2 2 * Các thông số mô hình Morh-Coulomb: Mô hình Morh-Coulomb là mô hình nổi tiếng thường dùng để tính toán gần đúng các ứng xử ở giai đoạn đầu của đất. Các thông số đầu vào của mô hình Morh-Coulomb như sau: + Thông số đàn hồi: E: Modun đàn hồi của vật liệu (kN/m2) : Hệ số poisson. + Thông số phá hoại dẻo: φ : Góc ma sát trong (độ) c: Cường độ kháng cắt của vật liệu (lực dính) (kN/m2) ψ : Góc giãn nở của vật liệu (độ) + Một số thông số khác: k: Hệ số thấm k (m/s) Rinter: Hệ số Rinter -7- Luan van 1. Mô hình tăng bền đẳng hướng Hardening Soil Mô hình tăng bền đẳng hướng Hardening Soil là mô hình đất nâng cao dùng để mô phỏng ứng xử của nhiều loại đất khác nhau, dành cho cả đất mềm và đất cứng (Schanz, 1998).
Khác với mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr – Coulomb, mặt ngưỡng dẻo của mô hình Hardening Soil không cố định trong thời gian ứng suất chính mà có thể mở rộng ra tùy thuộc vào mức độ biến dạng dẻo của đất.