Phân tích phần tử hữu hạn cho phá hoại của hố đào sâu trong đất sét yếu

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