Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

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 đấtν
Cát0,2 ÷ 0,28
Cát pha0,25 ÷ 0,31
Sét pha0,2 ÷ 0,37
Sét0,1 ÷ 0,41

Trong đó số nhỏ ứng với cát chặt, sét cứng.

Từ đó suy ra hệ số:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

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:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Định nghĩa góc ψψ trong Plaxis
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén 3 trục thể hiện quan hệ biến dạng thể tích εvεv và biến dạng dọc trục theo phương nén ε1ε1

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:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

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≈0ψ≈0.

Với đất cát, tốt nhất là yêu cầu đơn vị thí nghiệm cung cấp biểu đồ ε1−εvε1−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 ψ≈φ−30oψ≈φ−30o. Với đất cát có góc ma sát trong φ<30oφ<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 Rinter 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:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

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 (kx) 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:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Hệ số thấm theo hệ số rỗng của đất
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
CkCk (s/mm)Loại đấtPhạm vi D10D10 (mm)
8 – 12Cát đồng nhất (Uc < 5)0,06 – 3,0
5 – 8Cát cấp phối tốt và cát bụi (Uc ≥ 5)0,003 – 0,6

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):

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

Trong đó εiεi 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:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

8. Các thông số của mô hình Hardening Soil

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:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

Thí nghiệm nén 3 trục phải được thực hiện theo sơ đồ cố kết thoát nước (CD).

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Phân biệt module cát tuyết (Secant) và tiếp tuyến (Tangent)
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Xác định Eref50E50ref và ErefurEurref từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục với cấp áp lực buồng σ3=prefσ3=pref. Xác định ErefoedEoedref từ thí nghiệm nén cố kết không nở hông tại cấp áp lực prefpref.

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.

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Cách xác định trị số Eref50E50ref từ biểu đồ kết quả thí nghiệm nén 3 trục
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Cách xác định cường độ phá hoại quy ước của từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục trên mẫu đất
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Định nghĩa một cách khác để xác định ErefoedEoedref 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:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
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 (EuEu) về giá trị theo sơ đồ thoát nước (EE) theo tương quan cơ học đất như sau:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Xác định module từ biểu đồ logp−εlogp−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−εlogp−ε như sau:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén cố kết không nở hông dưới dạng logp−εlogp−ε với đoạn gia tải và dỡ tải
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
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:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

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”.

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Sơ đồ thí nghiệm nén 3 trục
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Các chỉ tiêu cơ lý có thể xác định từ thí nghiệm nén 3 trục: Module biến dạng E, cường độ (c,φc,φ), dilatancy angle (ψψ)

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=100kPapref=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=100kPapref=σ3′=100kPa có dỡ tải và gia tải lại, kết quả cho dưới dạng đồ thị quan hệ ε1–q=σ′1−σ′3ε1–q=σ1′−σ3′ có dạng như sau:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis

Từ biểu đồ này cho phép xác định được các thông số φ′φ′, (c’=0), Eref50,ErefurE50ref,Eurref.

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–εvε1–εv để xác định góc dilatancy angle /psi/psi:

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
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.

Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Sơ đồ thí nghiệm nén không nở hông
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén không nở hông cho đất cát thể hiện quan hệ σ′yy−εyyσyy′−εyy ở các cấp gia tải và dỡ tải
Hướng dẫn xác định thông số đầu vào khi tính toán bằng Plaxis
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén không nở hông cho đất sét thể hiện quan hệ logσ′yy−εyylog⁡σyy′−εyy ở các cấp gia tải và dỡ tải. Ở Việt Nam dùng phổ biến hơn biểu đồ logp−elog⁡p−e

Các biểu đồ kết quả thí nghiệm trên cho phép xác định giá trị của Erefoed,ErefurEoedref,Eurref như đã trình bày ở trên

Hãy bình luận đầu tiên

Để lại một phản hồi

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiện thị công khai.


*