Xem mẫu

  1. PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO PHÁ HOẠI CỦA HỐ ĐÀO SÂU TRONG ĐẤT SÉT YẾU ĐỖ TUẤN NGHĨA* Finite element analysis of failure of deep excavations in soft clay Abstract: Two failure deep excavations in soft clay were investigated in this study using the finite element method (FEM) with reduced shear strength. A comprehensive model of support system was built as regard the existence of wall, struts, and center posts. In order to determine the causes of collapse of the excavations, both elastic and elastoplastic behaviors of support system were analyzed. Result shows that failure of the excavations starts from large soil heave at the final excavation grade as considering an elastic behavior of support system and from yielding of support system if its behavior is elastoplastic. A failure mechanism is proposed for deep excavations in soft clay. Due to an upward movement of center posts, secondary bending moment on struts will reduce their capacity, originally designed for bearing axial load. Yielding of struts is followed by yielding of wall and then failure of excavation. Factors of safety estimated by FEM with modeling elastoplastic support system are also in good agreement with stability of the excavations observed in the field. Keywords: excavation, stability analysis, finite element method. 1. GIỚI THIỆU CHUNG * tính toán Trong khi đó phƣơng pháp phần tử Mặc dù các phƣơng pháp tính tay thông hữu hạn (PTHH) với biện pháp suy giảm dụng nhƣ phƣơng pháp Terzaghi phƣơng pháp cƣờng độ có thể mô phỏng đƣợc cả hệ kết cấu Bjerrum & Eide phƣơng pháp cung trƣợt và đàn dẻo và tự động xác định mặt phá hoại của phƣơng pháp áp lực tổng trong phá hoại đẩy đất Bởi vậy phƣơng pháp này đƣợc sử dụng vào (push-in) có thể ƣớc lƣợng khá chính xác ngày càng nhiều trong phân tích ổn định hố đào ổn định của hố đào việc sử dụng các phƣơng của các nhà nghiên cứu Tuy nhiên để đơn pháp này không giúp các kĩ sƣ thực hành hiểu giản ứng xử đàn hồi của hệ kết cấu thƣờng đƣợc đầy đủ cơ chế phá hoại của hố đào do ứng đƣợc mô phỏng Mặc dù kết quả thu đƣợc vẫn xử đàn dẻo của hệ kết cấu chắn giữ không đƣợc thỏa đáng nhƣng cơ chế phá hoại của hố đào xét tới và mặt phá hoại cần đƣợc giả sử trong không khớp với thực tế Trong nghiên cứu này phƣơng pháp PTHH với biện pháp suy giảm cƣờng độ sử dụng hệ kết cấu đàn dẻo đƣợc sử * Khoa Công trình-Đại học Thủy lợi dụng để phân tích hai trƣờng hợp phá hoại của 175 Tây Sơn-Đống Đa-Hà Nội hố đào sâu tại Đài Bắc Cơ chế phá hoại của hố DĐ: 0943312614 đào trong sét yếu cũng đƣợc đề xuất Email: dotuannghia@tlu.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 43
  2. 2. CÁC TRƢỜNG HỢP THỰC TẾ đào đƣợc tiến hành theo 5 bƣớc tới độ sâu 13 45 2.1. Trƣờng hợp Đài Bắc 1 m Hố đào bị sụp đổ sau khi hoàn thành bƣớc Trình tự đào và trụ địa chất của trƣờng hợp đào cuối (bƣớc số 5) gây ra 1 vùng sụt lún tới Đài Bắc 1 đƣợc thể hiện trong hình 1 Công tác 132x40 m. Hình 1. Trình tự thi công và điều kiện địa chất của trường hợp Đài Bắc 1 Trong phân tích này phần mềm PLAXIS có kích thƣớc là 140x44 7 m đƣợc sử dụng để mô hình hố đào Mối quan hệ Quá trình làm giảm cƣờng độ kháng cắt của ứng suất và biến dạng của đất đƣợc giả sử là đàn đất trong phân tích ổn định đƣợc tiến hành cho hồi tuyến tính và dẻo hoàn toàn theo mô hình giai đoạn đào cuối Trong đó các thông số MohrCoulomb Đất sét và cát lần lƣợt đƣợc mô cƣờng độ c và tg của đất đƣợc giảm đi bởi việc phỏng sử dụng các vật liệu thoát nƣớc và không chia cho hệ số triết giảm SR Hệ số SR đƣợc thoát nƣớc Các thông số đầu vào của đất có thể tăng liên tục tới khi nghiệm số không hội tụ và tham khảo Do et al (2013) giá trị SRmax đƣợc coi là hệ số an toàn của hố Thanh chống trụ chống trung tâm và tƣờng đào Với trƣờng hợp Đài Bắc 1 giá trị SR max đƣợc mô phỏng sử dụng phần tử tấm đàn dẻo là 1,00 Điều này cho thấy ngay sau giai đoạn Với tƣờng bê tông cốt thép các thông số độ đào cuối toàn bộ hố đào đang ở trạng thái cân cứng đƣợc xác định dựa theo mô đun đàn hồi E bằng giới hạn Để khảo sát ứng xử của đất và hệ = 2 1x107 kN/m2 trong khi các thông số độ kết cấu chắn giữ ngay trƣớc khi hố đào đạt trạng cứng (Mp và Np) đƣợc tính toán theo phần mềm thái cân bằng giới hạn trên 2 phân tích đƣợc kết cấu XTRACT Với các thanh chống và trụ tiến hành thêm tƣơng ứng với Mstage = 0,98 chống thép các thông số đầu vào đƣợc xác định và 0 99 Trong đó Mstage là tỉ số giữa tải theo E = 2 04x108 kN/m2 và ứng suất chảy y trọng tính toán thành công trong PLAXIS và tải = 250 MPa Mối nối giữa các phần tử tấm đƣợc trọng yêu cầu Giả sử khối lƣợng đất đƣợc loại giả thiết là khớp Mô hình cho hố đào Đài Bắc 1 bỏ trong giai đoạn cuối là 100 T và PLAXIS chỉ 44 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017
  3. phân tích thành công đƣợc với tải trọng 99 T Hình 2 là chuyển vị tƣờng và đẩy trồi của đất khi đó ta có Mstage = 0,99. Khi PLAXIS phân ở tại giai đoạn đào cuối tƣơng ứng với Mstage tích thành công giai đoạn đào cuối Mstage = = 0,98; 0,99; và 1,00 (Mstage = 1,00 tƣơng 1 00 và tƣơng ứng với SR = 1 00 Lƣu rằng đƣơng 3 với SR = 1 00) Ta có thể thấy rằng các giá trị SR < 1 00 cũng không thể áp dụng chuyển vị tƣờng và đẩy trồi của đất ở đáy hố đào thay cho Mstage trong quá trình khảo sát Về tăng dần theo Mstage Các chuyển vị này gia nguyên tắc việc tăng SR làm giảm sức kháng tăng một cách đột ngột tới 0 5 m khi giá trị cắt của đất và gây ra biến dạng của đất và các Mstage đạt 1 00 Mặc dù độ lớn của các chuyển phần tử kết cấu dƣới tác dụng của tải bản thân vị tƣơng ứng với Mstage = 1 00 không nhất của đất Khi SR < 1 sức kháng cắt của đất tăng thiết phản ánh đúng giá trị thực tế đo đƣợc nhƣng đất và hệ kết cấu không có thêm chuyển vị dƣới có thể cho thấy sự hội tụ của các nghiệm số đã tác dụng của tải bản thân của đất do đó tổng tiến sát tới mức độ giới hạn Quan sát này cũng chuyển vị của chúng vẫn giống với khi SR = 1 nhất quán với giá trị SRmax = 1 00 đề cập ở trên Hình 2. Chuyển vị tường và đẩy trồi tại giai đoạn đào cuối của trường hợp Đài Bắc 1 với hệ kết cấu đàn dẻo Hình 3. Chuyển vị tường và đẩy trồi tại giai đoạn đào cuối của trường hợp Đài Bắc 1 với hệ kết cấu đàn dẻo ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 45
  4. Hình 3 là biểu đồ nội lực (momen M và lực bằng việc ngoại suy các giá trị ở các điểm dọc N) của các phần tử kết cấu (thanh chống ứng suất bên trong nên gây ra sai số nhỏ và tƣờng) tƣơng ứng với các giai đoạn phân Nhƣ thể hiện trong hình 3 khi quá trình đào tích khác nhau Các cặp nội lực của từng phần sâu đƣợc tiến hành hệ thanh chống ngang bắt tử kết cấu đƣợc bao bởi từng đƣờng biên riêng đầu chảy dẻo ở bƣớc đào 4 tại tầng chống 1 rẽ tạo Những đƣờng biên này tạo thành các và 2 còn tƣờng chắn vẫn làm việc đàn hồi hình thoi mà bốn đỉnh tƣơng ứng với các giá Tới khi hoàn thành bƣớc đào cuối (bƣớc số 5 trị lớn nhất của momen (Mp) và lực dọc (Np) SR = 1,00 và Mstage = 1 00) tất cả 4 tầng Các phần tử kết cấu sẽ thể hiện ứng xử đàn chống và tƣờng cùng chảy dẻo Hiện tƣợng hồi nếu cặp nội lực của chúng nằm trong này tƣơng ứng với sự gia tăng đột ngột của phạm vi hình thoi và ứng xử đàn dẻo nếu cặp chuyển vị tƣờng và đẩy trồi của đất ở đáy hố nội lực nằm trên đƣờng biên tƣơng ứng Có 1 đào trong hình 2 Do đó sự chảy dẻo của các vài điểm trên hình 3 nằm hơi vƣợt ra ngoài phần tử kết cấu đã kéo theo chuyển vị rất lớn đƣờng biên của chúng Lí do là vì các giá trị của đất và tƣờng hƣớng vào khu vực đào và M và N tại từng nút phần tử đƣợc xác định làm sụp đổ hố đào Hình 4. Chuyển vị tường và đẩy trồi tại giai đoạn đào cuối của trường hợp Đài Bắc 1 với hệ kết cấu đàn hồi Nhƣ mô tả trong hình 4 khi các phần tử kết tăng đột ngột của các chuyển vị này không xảy ra cấu đàn hồi đƣợc sử dụng mặc dù chuyển vị khi SR đạt giá trị lớn nhất là 1 84937 Chú rằng tƣờng và đẩy trồi của đất rất lớn tới vài m sự gia giá trị SR đƣợc áp dụng với độ chính xác 5 số 46 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017
  5. sau dấu phẩy để khảo sát chính xác hơn thời 2.2. Trƣờng hợp Đài Bắc 2 điểm nghiệm số không hội tụ Do các phần tử Trình tự đào và trụ địa chất của trƣờng hợp tƣờng và thanh chống luôn thể hiện ứng xử đàn này đƣợc minh họa trong hình 5 Hố đào dự hồi và không bị chảy dẻo trong khi đẩy trồi của kiến sâu 9 3 m gồm 4 bƣớc đào Phá hoại xảy đất là rất lớn tới 7 m sụp đổ của hố đào trong ra ngay sau khi hoàn thành bƣớc đào cuối (bƣớc trƣờng hợp này do phá hoại đẩy trồi gây ra số 4) Hình 5. Trình tự thi công và điều kiện địa chất của trường hợp Đài Bắc 2 Quy trình mô phỏng đƣợc tiến hành các giá trị Mstage đƣợc vẽ trong hình 6 tƣơng tự với trƣờng hợp Đài Bắc 1 Khi sử Khi Mstage tăng các chuyển vị này đều dụng hệ kết cấu đàn dẻo bƣớc đào cuối tăng theo Sự gia tăng đột biến của các của công trình đã không đƣợc tính toán chuyển vị tới 2 4 m có thể quan sát đƣợc thành công Chỉ số Mstage lớn nhất tại khi Mstage đạt 0 6734 Bởi vậy hố đào bƣớc thi công này là 0 6734 Chuyển vị tiến rất sát tới trạng thái phá hoại tƣơng tƣờng và đẩy trồi của đất tƣơng ứng với ứng với giá trị Mstage này. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 47
  6. Hình 6. Chuyển vị tường và đẩy trồi tại giai đoạn đào cuối của trường hợp Đài Bắc 2 với hệ kết cấu đàn dẻo Hình 7 là biểu đồ nội lực của tƣờng và thanh lớn nhất là 0 6734 tƣờng và toàn bộ hệ thanh chống chống tƣơng ứng với các giai đoạn phân tích khác đều chảy dẻo Các nghiệm số không còn hội tụ chỉ nhau Khi quá trinh đào sâu tiến tới bƣớc 3 toàn bộ với sự gia tăng rất nhỏ của Mstage (chẳng hạn hệ thanh chống đã chảy dẻo nhƣng tƣờng chắn vẫn Mstage = 0 6735) Do đó sự chảy dẻo của toàn bộ làm việc trong giai đoạn đàn hồi Tại giá trị Mstage hệ kết cấu là nguyên nhân phá hoại của hố đào Hình 7. Chuyển vị tường và đẩy trồi tại giai đoạn đào cuối của trường hợp Đài Bắc 2 với hệ kết cấu đàn dẻo 48 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017
  7. Hình 8. Chuyển vị tường và đẩy trồi tại giai đoạn đào cuối của trường hợp Đài Bắc 2 với hệ kết cấu đàn hồi Khi sử dụng hệ kết cấu đàn hồi toàn bộ bƣớc lớn ở đáy hố móng (basal heave) Trên thực tế đào đều đƣợc phân tích thành công Giá trị SR hệ kết cấu chắn giữ hố móng thƣờng có ứng xử lớn nhất tại bƣớc đào cuối (bƣớc số 4) là đàn dẻo thay vì đàn hồi nên phân tích ổn định 1 54807 Chuyển vị tƣờng và đầy trồi của đất hố đào sử dụng hệ kết cấu đàn dẻo là hợp l trong quá trình phân tích ổn định đƣợc trình bày hơn Căn cứ theo kết quả phân tích này một cơ trong hình 8 Tại giá trị SR lớn nhất chỉ có sự chế phá hoại của hố đào trong sét yếu đƣợc đề gia tăng đột ngột của đầy trồi đất đƣợc quan sát xuất nhƣ trình bày trong hình 9 Phá hoại của với độ lớn 5 m Do hệ kết cấu chỉ có ứng xử đàn hố đào xuất hiện do các trụ chống trung tâm bị hồi trong trƣờng hợp này nguyên nhân chính đẩy lên từ đẩy trồi của đất tại đáy hố Chuyển dẫn tới phá hoại của hố đào là phá hoại đầy trồi vị này làm xuất hiện momen thứ cấp trên thanh ở đáy hố móng chống ngang vốn đƣợc thiết kế chủ yếu chịu 3. THẢO LUẬN lực dọc và làm giảm khả năng chống giữ của Dựa trên kết quả phân tích ổn định của 2 hố các thanh chống này Một khi các thanh chống đào thực tế ta có thể thấy rằng khi hệ kết cấu bị chảy tƣờng chắn cũng chảy dẻo theo và taọ đàn dẻo đƣợc sử dụng các thanh chống ngang ra một chuyển vị lớn của đất xung quanh bị chảy dẻo trƣớc tƣờng chắn và phá hoại của hƣớng vào khu vực hố đào Sau đó hố đào bị hố đào xảy ra ngay sau khi cả thanh chống và sụp đổ Lƣu rằng cơ chế phá hoại trên đƣợc tƣờng chảy dẻo Mặt khác khi sử dụng hệ kết giới hạn cho các hố đào sâu trong tầng sét yếu cấu đàn hồi do tƣờng và thanh chống không bị dày và hệ kết cấu chắn giữ đƣợc thiết kế trong chảy dẻo nên phá hoại của hố đào là do đẩy trồi điều kiện thông thƣờng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 49
  8. Hình 9. Cơ chế phá hoại của hố đào có chống trong đất sét yếu Tổng hợp các hệ số an toàn cho 2 hố đào dần Vì kết quả của các phƣơng pháp tính tay Đài Bắc ƣớc lƣợng bởi phƣơng pháp PTHH nhìn chung xấp xỉ 1 00 nên các phƣơng pháp và các phƣơng pháp tính tay bao gồm: này cho ra các ƣớc lƣợng khá thận trọng về phƣơng pháp Terzaghi phƣơng pháp Bjerrum ổn định của 2 trƣờng hợp hố đào trên & Eide phƣơng pháp cung trƣợt và phƣơng 4. KẾT LUẬN pháp áp lực tổng trong phá hoại đẩy vào Dựa trên nghiên cứu đã trình bày một vài (push-in) có thể thấy rằng kết quả của kết luận có thể rút ra nhƣ sau: phƣơng pháp PTHH với hệ kết cấu đàn dẻo (1) Khi hệ kết cấu chắn giữ đàn dẻo khá sát giá trị 1 00 và do đó nhất quán với sự (thanh chống trụ chống và tƣờng) đƣợc sử xuất hiện của phá hoại trong thực tế tại 2 hố dụng kết quả phân tích ổn định cho thấy phá đào Với hệ kết cấu đàn hồi các hệ số an toàn hoại của 2 hố đào thực tế là do sự chảy dẻo lần lƣợt là 1 84937 cho trƣờng hợp Đài Bắc 1 của hệ kết cấu Trong khi đó nếu hệ kết cấu và 1 54807 cho trƣờng hợp Đài Bắc 2 Các đàn hồi đƣợc mô phỏng phá hoại của hố đào giá trị này quá lớn để có thể dự đoán đƣợc xảy ra do đẩy trồi (soil heave) rất lớn ở đáy phá hoại xảy ra trên thực tế Trong khi đó hố đào các hệ số an toàn xác định bởi phƣơng pháp (2) Một cơ chế phá hoại của hố đào trong Terzaghi phƣơng pháp Bjerrum & Eide đất sét yếu đƣợc đề xuất Theo đó chuyển vị phƣơng pháp cung trƣợt và phƣơng pháp áp đẩy lên của trụ chống trung tâm làm xuất lực tổng trong phá hoại đẩy vào lần lƣợt giảm hiện momen thứ cấp trên các thanh chống và 50 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017
  9. giảm khả năng chống của chúng Một khi hệ TÀI LIỆU THAM KHẢO thanh chống chảy dẻo tƣờng chắn cũng bị chảy kéo theo chuyển vị lớn của đất xung 1. Bjerrum, L. và Eide, O., 1956; Stability of quanh hƣớng vào khu vực đào và gây sụp đổ strutted excavations in clay; Geotechnique, 6(1), hố đào 32-47. (3) Các hệ số an toàn xác định bởi 2. Do, T. N., Ou, C. Y., và Lim, A., 2013; phƣơng pháp PTHH với hệ kết cấu đàn dẻo Evaluation of factors of safety against basal rất khớp với phá hoại thực tế xảy ra ở 2 heave for deep excavations in soft clay using the trƣờng hợp Đài Bắc Bởi vậy phƣơng pháp finite element method; J. Geotech. Geoenviron. này có thể đƣợc sử dụng để xác định hệ số Eng., 139(12), 2125-213. an toàn cho các hố đào có chống trong đất 3. Ou, C. Y., 2006; Deep excavation: theory sét yếu Mặt khác khi sử dụng hệ kết cấu and practice; Taylor & Francis, Singapore. đàn hồi phƣơng pháp này đánh giá quá cao 4. Terzaghi, K., 1943; Theoretical soil ổn định của các hố đào sâu mechanics, John Wiley & Sons, New York. Người phản biện: GS NGUYỄN CÔNG MẪN ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 51
nguon tai.lieu . vn