Do tính phổ biến của các công trình dân dụng có tầng hầm hiện nay, việc sử dụng phần mềm cho bài toán địa kỹ thuật tường chắn hố đào đã không còn xa lạ. Người thiết kế sau một hai công trình có thể nhận thấy yếu tố quyết định để đưa ra kết quả của bài toán (chuyển vị tường chắn, nội lực trong tường chắn) phản ánh gần với sự làm việc thực tế của kết cấu chắn giữ hố đào (thu được từ kết quả quan trắc chuyển vị, ứng suất trong kết cấu chắn giữ) là lựa chọn loại mô hình nền đất và các chỉ tiêu cơ lý đưa vào tính toán. Do đó chủ đề ở đây không đề cập đến các vấn đề liên quan đến kỹ thuật thao tác phần mềm hay cơ sở lý thuyết mà các phần mềm này dùng để mô hình nền đất và sự làm việc của nền đất tương tác với kết cấu chống giữ như thế nào. Ở đây chỉ xin trình bày cách lựa chọn giá trị tính toán của các chỉ tiêu cơ lý đất nền làm đầu vào cho mô hình nền đất một cách thuyết phục, có căn cứ theo Tiêu chuẩn Việt Nam và phản ánh gần đúng nhất sự làm việc của đất nền thực tế.
1. Khối lượng riêng của đất Gồm có dung trọng tự nhiên γunsat và dung trọng bão hoà γsat. Nhập trị tính toán của các thông số này theo quy trình tính toán của TCVN 9362:2012 như đã trình bày trong chủ đề xác định chỉ tiêu cơ lý đất nền.
2. Hệ số poisson ν Loại đất Cát
ν 0,2 ÷ 0,28
Cát pha Sét pha
0,25 ÷ 0,31 0,2 ÷ 0,37
Sét Trong đó số nhỏ ứng với cát chặt, sét cứng.
0,1 ÷ 0,41
Từ đó suy ra hệ số:
β=1−2ν21−ν
3. Góc ma sát trong φ và lực dính đơn vị c Do các hạn chế của phương pháp thí nghiệm cắt nhanh trong việc phản ánh đúng đắn sự làm việc của đất nền trong thực tế như đã trình bày trong chủ đề xác định chỉ tiêu cơ lý đất nền, các bài toán về hố đào cần được tính toán với các giá trị hữu hiệu của c và φ rút ra từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục thoát nước (CD).
4. Góc Dilatancy angle ψ Chỉ tiêu này không có trong hệ thống cơ học đất của Việt Nam nên cũng không biết chọn từ chuyên ngành tiếng Việt nào cho phù hợp. Có tạm gọi là góc biến dạng thể tích, đặc trưng cho phá hoại dẻo của phần tử đất. Mô hình Mohr-Coloumb và HS model đều cần thông số này. Định nghĩa trong Plaxis cho ta cách xác định thông số này như sau:
Định nghĩa góc ψ trong Plaxis
Bi ểu đồ kết quả thí nghiệm nén 3 trục thể hiện quan hệ biến dạng thể tích εv và biến dạng dọc trục theo phương nén ε1 Từ biểu đồ kết quả thí nghiệm nén 3 trục như trên (với đất cát phải nén theo sơ đồ cố kết thoát nước – CD), xác định Dilatancy angle theo công thức định nghĩa như sau:
sinψ=Δεv−2Δε1+Δεv Với εv=ε1+ε2+ε3 theo lý thuyết cơ học đất. Như minh hoạ trên biểu đồ, lấy các giá trị như sau:
Δεv=0.048−0.004=0.044 và Δε1=−0.09−(−0.03)=−0.06
Chú ý khi lựa chọn giá trị tính toán cho ψ: Theo manual của Plaxis, trừ với đất quá cố kết, đất loại sét thường có góc
ψ≈0.
Với đất cát, tốt nhất là yêu cầu đơn vị thí nghiệm cung cấp biểu đồ
ε1−εv từ thí
nghiệm nén 3 trục thoát nước (CD) để xác định ψ theo công thức nêu trên. Với đất cát từ khoáng thạch anh, có thể dùng tương quan gần đúng có góc ma sát trong
ψ≈φ−30o. Với đất cát
φ<30o, góc ψ gần như bằng 0.
5. Hệ số bề mặt tiếp xúc Rinter Tại mặt tiếp xúc nền đất – kết cấu (tường chắn đất, móng…), các phần tử đất sự làm việc khác so với nền đất bên ngoài. Phần mềm Plaxis kể đến hiện tượng này bằng cách kể đến hệ số nhân R inter vào các chỉ tiêu cơ lý so với phần tử đất bình thường bên ngoài. Plaxis gợi ý một số giá trị tuỳ theo các loại bề mặt tiếp xúc nền đất / kết cấu như sau:
Bề mặt tiếp xúc đất cát / thép
Rinter≈0
Bề mặt tiếp xúc đất sét / thép
Rinter≈0
Bề mặt tiếp xúc đất cát / bêtông
Rinter≈1
Bề mặt tiếp xúc đất sét / bêtông
Rinter≈1
Bề mặt tiếp xúc đất / lưới địa kỹ thuật (phun vữa thành)
Rinter≈1
Bề mặt tiếp xúc đất / vải địa kỹ thuật
Rinter≈0
6. Hệ số thấm Hệ số thấm quan trọng cho các bài toán xuất hiện dòng thấm, tiêu biểu là các hố đào nằm trong phạm vi của chiều sâu mực nước ngầm, cần kể đến ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm khi đào đất đến trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền trong quá trình thi công hố đào. Trong Plaxis, hệ số thấm được nhập vào theo phương ngang (k x) và theo phương đứng (ky). Tốt nhất là yêu cầu đơn vị khảo sát cung cấp các số liệu này qua kết quả của thí nghiệm nén cố kết hay thí nghiệm thấm hiện trường. Có thể tham khảo một số giá trị theo đề nghị của Plaxis trong tài liệu “Advanced course on Computational Geotechnics Singapore” – National University of Singapore – 23-25 November 2011, như sau: Loại đất Cuội sỏi
k (cm/s) >1
Cát thô Cát thô vừa
1 – 10-2 10-2 – 5.10-3
Cát hạt nhỏ Cát bụi
5.10-2 – 10-3 2.10-3 – 10-4
Bùn Sét
5.10-3 – 10-5 ≤ 10-6
Hệ số thấm theo hệ số rỗng của đất Plaxis cho phép dùng tương quan sau giữa hệ số thấm k và hệ số rỗng e:
log[kko]=Δeck với ck=1015 Có thể tham khảo tài liệu “Cơ học đất (Basic Soil Mechanics)” của R.Whitlow với công thức thực nghiệm cho cát lọc do Hazen đề nghị:
k=CkD210(mm/s) với
D10 là đường kính hiệu quả (mm)
Ck là hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vào bản chất của đất Ck (s/mm) Loại đất
Phạm vi
8 – 12 5–8
0,06 – 3,0 0,003 – 0,6
Cát đồng nhất (Uc < 5) Cát cấp phối tốt và cát bụi (Uc ≥ 5)
Chú ý khi nhập số liệu đầu vào cho hệ số thấm:
Giá trị nhỏ nhất và lớn nhất hệ số thấm các lớp đất trong mô hình không
105.
chênh lệnh nhau quá
Để mô phỏng lớp vật liệu hầu như không thấm nước (ví dụ bêtông), nhập giá trị hệ số thấm bằng 1000 là đủ.
7. Module biến dạng Đây là thông số quan trọng, ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả của bài toán: chuyển vị và ứng suất trong nền đất. Do đó cần đặc biệt lưu ý đề lựa chọn giá trị tính toán của chỉ tiêu này. Ngoài các lưu ý quan trọng làm căn cứ hiệu chỉnh kết quả module biến dạng thu được từ thí nghiệm trong phòng cho gần với sự làm việc thực tế của đất nền như trình bày trong chủ đề xác định chỉ tiêu cơ lý đất nền, cần lưu ý định nghĩa của các thông số module biến dạng làm đầu vào cho các phần mềm Geo5, Plaxis. Theo định nghĩa của phần mềm, module biến dạng không nở hông (oedometer):
Eoed=σ2−σ1ε2−ε1 Trong đó εi là các biến dạng đơn vị từ quan hệ ứng suất – biến dạng của phần tử đất. TCVN thường xác định module biến dạng theo hệ số rỗng e khi tiến hành thí nghiệm nén không nở hông nên cần tìm cách quy đổi từ ε sang e. Theo định nghĩa của hệ số rỗng có thể rút ra được quan hệ như sau:
ε2−ε1=e2−e11+e1 Theo định nghĩa module biến dạng của TCVN:
E=1+e1aβ
a=e2−e1σ2−σ1
Suy ra:
Eoed=1+e1a=Eβ;Edef=E (def: deformation – biến dạng)
8. Các thông số của mô hình Hardening Soil
D10 (m
Việc mô hình nền đất trong bài toán hố đào bằng phần mềm Plaxis cần được thực hiện với mô hình Hardening Soil (HS model). Lý do là trong quá trình đào đất, đất làm việc theo sơ đồ dỡ tải – gia tải lại (unloading – reloading). Dỡ tải khi đất ở trong hố đào được lấy ra và gia tải lại khi thi công hệ văng chống vách hố đào. Trong giai đoạn làm việc này, module biến dạng của đất cao hơn rất nhiều so với trường hợp gia tải thông thường (thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 3 đến 5 lần module biến dạng bình thường). Do đó nếu sử dụng mô hình Mohr-Coulomb sẽ cho kết quả chuyển vị, biến dạng của nền đất cao hơn thực tế quan trắc rất nhiều do không thể hiện được quá trình làm việc dỡ tải – gia tải lại của nền trong quá trình thi công đào đất. Việc sử dụng mô hình HS model cho phép khắc phục được hạn chế này và cho kết quả gần với quan trắc thực tế hơn. So với mô hình Mohr-Coulomb, số lượng các chỉ tiêu cơ lý đất nền làm đầu vào cho mô hình HS model nhiều hơn và được diễn giải như sau:
Module cát tuyến (secant stiffness) xác định từ thí nghiệm nén 3 trục với áp lực buồng pref Eref50 50% cường độ phá hoại Erefoe Module tiếp tuyến (tangent stiffness) xác định từ thí nghiệm nén 1 trục (không nở hông – o áp lực bằng pref d Erefur Module ở đường dỡ tải – gia tải lại (unloading-reloading) m Hệ số mũ chỉ sự phụ thuộc của Module biến dạng vào trạng thái ứng suất của phần tử đất pref Áp lực buồng (σ3) khi thí nghiệm nén 3 trục mẫu đất, Plaxis lấy mặc định pref=100KPa
KNCo Tỷ lệ ứng suất σ′xx/σ′yy νur
Hệ số Poisson giai đoạn làm việc dỡ tải – gia tải lại, Plaxis lấy mặc định
νur=0,2
Thí nghiệm nén 3 trục phải được thực hiện theo sơ đồ cố kết thoát nước (CD).
Phân biệt module cát tuyết (Secant) và tiếp tuyến (Tangent)
Xác định Eref50 và Erefur từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục với cấp áp lực buồng σ3=pref. Xác định Erefoed từ thí nghiệm nén cố kết không nở hông tại cấp áp lực pref. Thông thường kết quả thí nghiệm cho thấy đoạn dỡ tải – gia tải lại là tuyến tính như thể hiện trên biểu đồ thí nghiệm 3 trục ở trên.
Cách xác định trị số Eref50 từ biểu đồ kết quả thí nghiệm nén 3 trục
Cách xác định cường độ phá hoại quy ước của từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục trên mẫu đất
Định nghĩa một cách khác để xác định Erefoed từ biểu đồ kết quả thí nghiệm nén cố kết không nở hông (nén 1 trục) Công thức theo định nghĩa cho mô hình HS model:
Eoed=Erefoed(σypref)m Lưu ý bất biến ứng suất theo lý thuyết cơ học đất như sau:
σ′1−σ′3=σ1−σ3
Khi lựa chọn thông số tính toán, cần lưu ý các tương quan theo thực nghiệm sau:
Với đất sét cố kết bình thường:
m=1 Erefoed≈12Eref50 Erefoed≈50000kPaIp
tại áp lực buồng
Erefoed≈500kPawL−0,1
theo Vermeer
Với đất cát:
m≈0,5 Erefoed≈Eref50
Với mọi loại đất:
Erefur=(3∼5)Eref50 KNCo=Δσ′xΔσ′y=Δσ′3Δσ′1≈1−sinφ
pref=100kPa
Quy đổi kết quả thí nghiệm CU về CD: Trong trường hợp đơn vị khảo sát địa chất không có điều kiện làm thí nghiệm nén 3 trục thoát nước (CD) mà chỉ có thể làm thí nghiệm cố kết không thoát nước (CU), ta có thể quy đổi giá trị thu được từ kết quả thí nghiệm cố kết không thoát nước (Eu) về giá trị theo sơ đồ thoát nước (E) theo tương quan cơ học đất như sau:
Eu=E′1+νu1+ν′=E1,4951+ν
Xác định module từ biểu đồ logp−ε: Thực tế ở Việt Nam chưa có điều kiện để làm thí nghiệm 3 trục với cả đoạn dỡ tải, gia tải lại theo sơ đồ CD mà phổ biến hơn sử dụng thí nghiệm nén cố kết không nở hông (oedometer) có dỡ tải. Đối với đất sét, thường kết quả thí nghiệm oedometer cho dưới dạng biểu đồ bán loga
logp−ε như sau:
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén cố kết không nở hông dưới dạng logp−ε với đoạn gia tải và dỡ tải Độ dốc biểu đồ trong đoạn gia tải:
εy=Aεlog(σy);Aε=ε2−ε1log(p2)−log(p1) εy=Aεln(σy)ln10⟶dεydσy=Aε1ln101σy⟶Eoed=dσydεy=ln10Aεσy=ln10A εpref(σypref)
Mô hình Hardening Soil định nghĩa như sau:
Eoed=Erefoed(σypref)m
Suy ra m=1 và
Erefoed=ln10Aεpref
Trong trường hợp đơn vị khảo sát cung cấp kết quả dưới dạng biểu đồ
logp−e ta
dùng chuyển đồi từ ε sang e như sau:
Ae=e2−e1log(p2)−log(p1);ε2−ε1=e2−e11+eo⟶Aε=Ae1+eo⟶Erefoed=ln1 0Aεpref(1+eo) Làm tương tự với đoạn dỡ tải trên biểu đồ để tìm được
Erefur.
Lưu ý tất cả các giá trị module E thu được từ các tính toán trên đều dựa trên kết quả của các thí nghiệm trong phòng, cần nhân thêm với hệ số điều chỉnh để thu được giá trị gần với sự làm việc thực tế của đất nền như đã trình bày ở trên. Có thể so sánh với các giá trị tiêu chuẩn từ TCVN 9362:2012 cho giá trị module biến dạng
E=Edef=βEoed.
Xác định hệ số mũ m Hệ số mũ m của mô hình Hardening-Soil thể hiện sự phụ thuộc của Module biến dạng vào trạng thái ứng suất của đất, đây là điểm khác biệt lớn của mô hình HS so với Mohr-Coulomb. Với đất cát, có thể xác định m từ kết quả thí nghiệm nén cố kết không nở hông như sau:
Eoed tại 2 cấp áp lực σ′y=pref=100kPa và σ′y=200kPa bằng cách vẽ các đường tiếp tuyến với biểu đồ tại 2 hoành độ (định nghĩa của Eoed là module Tìm giá trị
tiếp tuyến) ta có:
Eσ′y=100kPaoed=320−01.4%−0.33%=29900kPa Eσ′y=200kPaoed=400−01.4%−0.47%=43000kPa Từ công thức định nghĩa: Với đất cát, c = 0
Eoed=Erefoed(ccosφ−σ′ysinφccosφ+prefsinφ)m
⟶Eoed=Erefoed(−σ′ypref)m
Thay số ta được Eσ′y=200kPaoedErefoed=(σ′ypref)m⟶4300030000=(200100)m⟶m=0,5
9. Yêu cầu thí nghiệm cung cấp số liệu cho HS model Do mô hình HS đòi hỏi nhiều thông số đầu vào và các thông số này đều tương đối phức tạp để xác định nên khối lượng khảo sát cho các công trình hố đào tầng hầm yêu cầu phải thực hiện nhiều và đắt tiền hơn so với bài toán nền móng thông
thường. Người thiết kế cần nhận thức được điều này để đưa ra Yêu cầu khảo sát địa chất ngay từ trước giai đoạn thiết kế để thu được số liệu cho bài toán hố đào cho kết quả chính xác gần nhất với thực tế quan trắc sau này. Điều này không chỉ là quy định trong nhận thức của người thiết kế mà còn là quy định bắt buộc trong Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 9363:2012 “Khảo sát cho xây dựng – Khảo sát địa kỹ thuật cho nhà cao tầng” (xem các phần 5.3.3 và 5.3.7.6), đặc biệt cho giai đoạn TKKT và TKBVTC. Do tính chất phức tạp của các thí nghiệm nén 3 trục và thí nghiệm nén cố kết không nở hông nên người thiết kế cần hướng dẫn rõ quy cách thí nghiệm, trình bày kết quả thí nghiệm trong Yêu cầu khảo sát địa chất.
Thí nghiệm nén 3 trục: Cần tham khảo thêm TCVN 8868:2012: “Thí nghiệm xác định sức kháng cắt không cố kết – không thoát nước và cố kết – thoát nước của đất dính trên thiết bị nén ba trục”.
Sơ đồ thí nghiệm nén 3 trục
Các chỉ tiêu cơ lý có thể xác định từ thí nghiệm nén 3 trục: Module biến dạng E, cường độ (c,φ), dilatancy angle (ψ) Người thiết kế cần chỉ định rõ trong yêu cầu Khảo sát địa chất cho đơn vị khảo sát tiến hành các thí nghiệm nén 3 trục tại cấp áp lực buồng bằng
pref=100kPa để
thuận tiện cho việc kiểm soát kết quả với cấp áp lực buồng mặc định của phần mềm Plaxis. Thí nghiệm nén 3 trục tiến hành theo sơ đồ cố kết thoát nước (CD) với áp lực buồng
pref=σ′3=100kPa có dỡ tải và gia tải lại, kết quả cho dưới dạng đồ thị quan
hệ ε1–q=σ′1−σ′3 có dạng như sau:
Từ biểu đồ này cho phép xác định được các thông số
φ′, (c’=0), Eref50,Erefur.
Bên cạnh đó, đối với đất cát, yêu cầu đơn vị khảo sát cấp kết quả biểu đồ thí nghiệm nén 3 trục dưới dạng đồ thị
ε1–εv để xác định góc dilatancy angle /psi:
Thí nghiệm nén cố kết không nở hông: Đây không phải là thí nghiệm nén nhanh không nở hông như trong kết quả báo cáo khảo sát địa chất vẫn thường làm để xác định giá trị module biến dạng E. Bản chất đây là thí nghiệm nén chậm, trong trường hợp đơn vị khảo sát không đủ điều kiện tiến hành thí nghiệm dỡ tải – gia tải lại thì cần yêu cầu họ tiến hành dỡ tải – gia tải lại cho thí nghiệm nén không nở hông này.
Sơ đồ thí nghiệm nén không nở hông
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén không nở hông cho đất cát thể hiện quan hệ σ′yy−εyyở các cấp gia tải và dỡ tải
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén không nở hông cho đất sét thể hiện quan hệ logσ′yy−εyy ở các cấp gia tải và dỡ tải. Ở Việt Nam dùng phổ biến hơn biểu đồ logp−e Các của
biểu
đồ
kết
quả
thí
nghiệm
Erefoed,Erefur như đã trình bày ở trên.
trên
cho
phép
xác
định
giá
trị
