Ứng dụng lý thuyết sức kháng huy động (MSD) tính toán chuyển vị tường vây dự án SC VIVO CITY

NG DỤNG LÝ THUYẾT S C KHÁNG HUY ĐỘNG (MSD)<br /> TÍNH TOÁN CHUYỂN V TƯỜNG VÂY DỰ ÁN SC VIVO CITY<br /> <br /> VÕ PHÁN*<br /> MAI THÁI PHONG**<br /> <br /> <br /> Application of mobilized strength design (MSD) to calculate<br /> displacement of retaining wall for the SC VIVO CITY project<br /> Abstract: The paper presents mobilized strength design (MSD) theories to<br /> calculate displacement of retaining wall and MSD application for the<br /> Saigon South commercial complex project in district 7, Ho Chi Minh City.<br /> Calculation procedure was carried out by Excel integrated with VBA. The<br /> results from MDS method will be compared with modeling in Plaxis 2D<br /> and field monitoring. The displacement diagram of retaining wall shows<br /> that the result from MSD method is quite homologous with the finite<br /> element method, field monitoring.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * pháp này có tên là ―Mobilized Strength<br /> Tính toán tƣờng chắn theo Eurocode 7 bao Design‖ hoặc ―MSD‖, tạm dịch là thiết kế<br /> gồm thoả mãn 2 trạng thái giới hạn là trạng thái theo sức kháng huy động, đƣợc Bolton và<br /> giới hạn về cƣờng độ (ULS) và trạng thái giới Osman đề xuất năm 2004 và hoàn thiện dần<br /> hạn về sử dụng (SLS). cho đến nay. Phƣơng pháp MSD có thể tính<br /> - Trạng thái giới hạn về cƣờng độ: áp lực đất toán đồng thời ứng suất - biến dạng trong<br /> đƣợc tính toán dựa trên thuyết Rankine, giả định cùng một thuật toán nhƣng thông số đầu vào<br /> sức kháng của vùng đất xung quanh đƣợc huy đơn giản, quan hệ ứng suất biến dạng là phi<br /> động hoàn toàn và chạm mặt trƣợt. Sau đó hệ số tuyến. Do đó MSD là phƣơng pháp tin cậy<br /> an toàn đƣợc đƣa vào để đảm bảo đất ở xa trạng hơn các phƣơng pháp giải tích hiện tại, đơn<br /> thái giới hạn. giản hơn khi sử dụng các mô hình cấp cao của<br /> - Trạng thái giới hạn về sử dụng hay biến phƣơng pháp số, trong khi mô hình Mohr-<br /> dạng dựa trên lý thuyết đàn hồi để tính biến Coulomb có nhiều hạn chế.<br /> dạng thông qua các công thức đƣợc xây dựng 2. TÓM TẮT LÝ THUYẾT SỨC KHÁNG<br /> trên quan hệ ứng suất - biến dạng là tuyến tính. HUY ĐỘNG<br /> Nhƣ vậy, sự tách biệt giữa trạng thái giới 2.1. Tƣờng console<br /> hạn về cƣờng độ - biến dạng khi tính theo giải Biểu đồ áp lực đất lên tƣờng console trong<br /> tích đã dẫn đến sự cần thiết của một hƣớng sét giai đoạn không thoát nƣớc và dạng phá hoại<br /> tiếp cận mới trong thực hành thiết kế. Phƣơng tƣơng ứng của nền nhƣ sau:<br /> Giải hệ phƣơng trình cân bằng giới hạn theo<br /> * Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM hình 1, thay vì tìm hệ số an toàn FS và tâm quay<br /> 268 ý Thường Kiệt, Q 10, TP Hồ Chí Minh z nhƣ thông thƣờng, thì phƣơng pháp MSD lại<br /> DĐ: 0913867008<br /> Email: vphan54@yahoo.com đặt t số Cmob = c/FS là ẩn số (Cmob là sức<br /> ** Công ty TNHH Kỹ thuật Gouvis kháng cắt huy động của sét trong trƣờng hợp<br /> 3C-4C Phan Đăng ưu, Bình Thạnh, TP Hồ Chí Minh<br /> DĐ: 0969396230 không thoát nƣớc). Sau khi tìm đƣợc mo và z,<br /> Email: thaiphong0106@gmail.com dựa vào đồ thị quan hệ ứng suất cắt- biến dạng<br /> <br /> 22 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br /> cắt τ-γ tìm biến dạng cắt huy động Cmob (ứng đỉnh tƣờng nhƣ hình 2 (lý tƣởng hoá mặt trƣợt<br /> với τ= C mob), suy ra góc xoay và chuyển vị với  ≈ 0 ).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Biểu đồ áp lực ròng của đất Hình 2. Cơ chế biến dạng dẻo của tường<br /> lên trường chắn trong sét không thoát nư c console trong điều kiện không thoát nước [4]<br /> <br /> 2.2. Tƣờng có tầng chống bổ sung vào hệ 4 vùng ứng suất- biến dạng nhƣ<br /> Theo O Rourke (1993), chuyển vị ngang của hình 4 (phân chia dựa theo phƣơng ứng suất<br /> tƣờng chắn nhiều tầng chống trong đất sét mềm chính σ1 và góc mặt trƣợt lên phân tố ) nhƣ sau:<br /> có quy luật hình sin từ nơi có tầng chống thấp<br /> nhất đến chân tƣờng nhƣ hình 3:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Biến dạng u n bên dư i tầng ch ng<br /> thấp nhất theo O’Rourke [11] Hình 4. Cơ chế biến dạng của h đào rộng có<br /> tầng ch ng trong sét có xét đến ảnh hưởng của<br /> Cơ chế biến dạng hệ đất-tƣờng theo Osman biến dạng hình sin phần bụng tường [7], [10]<br /> và Bolton (2008) có kế thừa chuyển vị hình sin<br /> phần bụng tƣờng của O Rourke (1993), nhƣng Từ sơ đồ chuyển vị có dạng ―dòng chảy‖ do<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 23<br /> phá hoại bùng nền nhƣ hình 4, Osman và Bolton các điểm bất kỳ trong 4 vùng biến dạng ứng với<br /> đã lập công thức toán học để tìm chuyển vị tại chuyển vị wmax ở bụng tƣờng.<br /> Bảng 1: Phƣơng trình chuyển vị trong 4 vùng biến dạng [7]:<br /> ABCD CDE<br />  wmax   2 x 2  y 2     x <br />  wmax  2 x   wy  1  cos    2 <br />  wy        x  y 2 <br /> 1  cos(  ) <br /> 2    <br /> 2<br />  wx  0  wmax   2 x 2  y 2    y <br />  wx  1  cos    2 <br /> 2      x  y 2 <br />    <br /> EFH FHI<br /> <br />  wy <br />  wmax<br /> <br /> 1  cos  <br />  2 h  x 2  y 2<br />   <br />   x <br />  <br />     x 2  y 2     <br /> 2        2  h <br /> 2<br /> ( x  y )  <br />    2 wmax 1  cos   2  <br />  wy   wx <br />   <br />  <br /> <br />  <br />   2 h  x 2  y 2 4<br />   <br />  wmax  <br /> 1  cos   <br /> y<br />  wx      <br />     x 2  y 2 <br /> 2<br />     <br />  <br /> <br /> <br /> Biến dạng tính từ chuyển vị phân tố trong 4 Công nội lực sinh ra do ứng suất huy động<br /> vùng biến dạng theo hệ trục x-y: cmob khi phân tố chịu cắt (Lam, 2011) [10] :<br /> m<br />   ( x   y )2  4 x . y W     cu ,mob (m, i ). (m, i )dA<br /> (1)  <br /> i 1 (4)<br /> Phƣơng trình ứng suất - biến dạng trong hệ Công do tƣờng bị biến dạng (Lam,<br /> trục τ-γ (Bolton và Vardanega ,2011) [9]:<br /> b<br /> 2010) [10]:<br /> c   4 s<br />   mob  b f  mob <br /> cu   M 2   3 EI  ( wmax )2  s sin (  )<br /> (2) U  (  )<br /> 3  4 (5)<br /> β: hệ số huy động sức kháng cắt của đất,<br /> Phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng (Lam,<br /> 0< β < 1.<br /> 2010) [10]:<br /> Cmob: sức kháng cắt huy động của sét trong<br /> P  W  U (6)<br /> điều kiện không thoát nƣớc.<br /> 3. X Y DỰNG BẢNG TÍNH THEO<br /> Cmob: biến dạng cắt huy động của phân tố (là<br /> PHƢƠNG PHÁP MSD<br /> biến dạng tích luỹ tại một vòng lặp khi hệ chƣa<br /> Dựa vào quy trình tính toán của Bolton<br /> cân bằng)<br /> (2008-2011) [6], việc tính toán theo MSD gồm<br /> M = 2: biến dạng cắt trung bình, là biến dạng<br /> các bƣớc: Chia nhỏ từng vùng thành n phân tố<br /> tại 0.5cu .<br /> diện tích dA.<br /> b, bf: hệ số hình dạng phƣơng trình thay đổi<br /> Tính chuyển vị từng điểm nút dwx, dwy từ<br /> theo các loại đất khác nhau .<br /> chuyển vị giả định ban đầu w max .<br /> Công ngoại lực do chuyển vị đứng của khối<br /> Tính biến dạng của phân tố theo 2 phƣơng<br /> đất dwy gây ra bởi trọng lực (Bolton, 2011):<br /> m (δ x và δ y), từ đó tìm biến dạng cắt δ của<br /> Pm      sat (m, i).dwy (m, i).dA<br /> i 1<br />   phân tố.<br /> (3)<br /> m: phase tính toán thứ m Tính biến dạng cắt trung bình của<br /> i : lớp đất thứ i phân lớp.<br /> <br /> <br /> 24 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  Tính sức kháng cắt huy động C mob từng phân lớp 4. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN<br /> theo phƣơng trình ứng suất-biến dạng τ-γ đã lập. 4.1. Giới thiệu về công trình<br /> Tính các giá trị công ngoại năng ΔP do SC VivoCity là một trung tâm thƣơng mại<br /> chuyển vị khổi đất, công nội năng do biến dạng tọa lạc trên Đại lộ Nguyễn Văn Linh, quận 7,<br /> của đất ΔW và tƣờng ΔU . Tp.HCM. Công trình có 5 tầng nổi và 2 tầng<br /> - Xét điều kiện cân bằng năng lƣợng. hầm, khởi công ngày 16/3/2012 và dự kiến hoàn<br /> Nếu hệ đã cân bằng, chuyển vị d wx của các thành vào cuối năm 2014.<br /> nút tại x=0 chính là chuyển vị tƣờng.<br /> Việc tính toán theo phƣơng pháp MSD là bài<br /> toán lặp, đƣợc thực hiện bởi bảng tính excel tích<br /> hợp VBA, với sơ đồ 1 vòng lặp minh hoạ nhƣ<br /> hình sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Phối cảnh dự án SC ViVo City giai đoạn 1<br /> <br /> 3.2. Đặc điểm địa chất<br /> Căn cứ vào kết quả khảo sát ở các hố khoan,<br /> : địa chất tại vị trí xây dựng công trình có thể<br /> phân thành các lớp đất sau:<br /> Hình 5. Sơ đồ tính toán theo phương pháp MSD<br /> <br /> Bảng 2. Đặc trƣng cơ lý các lớp đất<br /> <br /> Ký<br /> Đặc trƣng cơ lý Đơn vị Lớp 1 2A 2B 3 4 5<br /> hiệu<br /> Độ ẩm tự nhiên W % 88.75 24.98 46.71 18.19 19.53 19.15<br /> Dung trọng tự nhiên γw kN/m3 14.7 19.6 15.6 20 20.2 20.1<br /> Dung trọng khô γd kN/m3 7.79 15.68 10.63 16.92 16.9 16.87<br /> Dung trọng đẩy nổi γsub kN/m3 4.82 9.91 6.72 10.58 10.69 10.55<br /> c 5.5 27.7 17.7 8.9 40.8 9<br /> Lực kết dính đơn vị cuu kPa 7.2 93.7 36.3 - 132.5 -<br /> c cu 11.2 26.2 - 2.8 16.8 -<br />  3035 13030 0<br /> 9 37 22031 15049 0<br /> 23 43<br /> Góc nội ma sát uu o<br /> 0025 0033 0041 - 1011 -<br />  cu 19054 26014 - 0<br /> 30 45 28001 -<br /> <br /> 4.2. Thông số đầu vào theo phƣơng pháp MSD<br /> Phƣơng trình quan hệ ứng suất – biến dạng tìm đƣợc từ thí nghiệm 3 trục:<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 25<br /> Hình 7. Đường cong quan hệ β-γ/γm tìm được sau Hình 8. Vectơ chuyển vị theo cơ chế bùng<br /> khi đã chuẩn hoá kết quả thí nghiệm 3 trục C-U nền giai đoạn đào có tầng ch ng theo mô<br /> phỏng trong Plaxis<br /> Hệ số bƣớc sóng biến dạng tƣờng <br /> Theo mô hình sơ bộ trong Plaxis, từ vectơ Chọn  = 30m , suy ra  = 2<br /> chuyển vị của nền, ta xác định đƣợc phễu trƣợt<br /> có dạng nhƣ hình 8:<br /> Bảng 3. Bảng tổng hợp thông số phục vụ tính toán theo phƣơng pháp MSD<br /> Các Phase đào Console Tầng chống 1<br /> Chiều sâu đào , H (m) 4,5 7,5<br /> Chiều sâu đào không chống , hu (m) 4,5 4<br /> Chiều dài tƣờng , D(m) 19,45 19,45<br /> Khoảng cách từ tầng chống thấp nhất đến đáy hố đào, h (m) - 3,5<br /> Khoảng cách từ tầng chống thấp nhất đến chân tƣờng, s (m) - 15,45<br /> Hệ số bƣớc sóng biến dạng tƣờng, α - 2<br /> Chiều dài đƣờng biến dạng, λ= αs (m) - 30<br /> Hệ số nhân, b 0,54<br /> Chuyển vị khi mẫu đạt 50 sức kháng cắt,<br /> 1,5<br /> γhal (%)<br /> Hệ số mũ, b 0,27<br /> <br /> <br /> 4.3. Kết quả tính toán chuyển vị<br /> 4.3 1 Giai đoạn console<br /> Giải hệ phƣơng trình cân bằng giới hạn tìm<br /> đƣợc vị trí tâm quay z= 0,51 m và sức kháng cắt<br /> huy động cmob= cu/FS = 17,82 kPa , suy ra<br /> γmob ≈ 1 (hình 9) . Kết quả chuyển vị đỉnh<br /> tƣờng theo quan hệ hình học ở hình 2 đƣợc trình<br /> bày trong bảng 4:<br /> Hình 9-Đồ thị - tìm từ thí nghiệm C-U<br /> <br /> 26 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  Bảng 4. Kết quả tính chuyển vị<br /> giai đoạn console<br /> <br /> <br /> Đơn<br /> Đại lƣợng Công thức<br /> vị<br /> <br /> Góc xoay υ= γmo/2 % 0.5<br /> của tƣờng Hình 10. Mô phỏng các vùng biến dạng giai<br /> đoạn đào có tầng ch ng trong excel<br /> Chuyển vị ∆= υ(%) mm 94<br /> đỉnh tƣờng (D-z)/100 Cho chuyển vị lớn nhất giả định wmax chạy từ<br /> 0,0001m đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng năng<br /> 4.3 2 Giai đoạn đào 1 tầng ch ng lƣợng với bƣớc chạy ∆w= 0,001m, ta có kết quả sau:<br /> Chia nhỏ mỗi vùng biến dạng thành n= 30 phân Hệ tƣờng - đất cân bằng khi wmax = 0,0391 m.<br /> tố và m= 10 lớp nhƣ hình 10: (ΔP > 0 khi phân tố đất chuyển vị xuống<br /> (cùng phƣơng trọng lực) và ngƣợc lại).<br /> Bảng 5. Biến dạng cắt γ, ∆W, ∆P, ∆U tƣơng ứng từng vùng khi cân bằng<br /> ABCD CDE FEH FHI SUM<br />  0,001486588 0,002373989 0,003038578 0,003677079<br /> ΔW (J) 1,500411444 21,95507548 21,31215484 10,43237875 55,2<br /> ΔP (J) 36,49316516 138,5314976 -36,05070933 -79,60989448 59,36<br /> ΔU (J) 4,301128967 OK<br /> <br /> Đồ thị chuyển vị - độ sâu tƣờng tổng hợp từ<br /> 2 giai đoạn đào:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 11. Tổng hợp chuyển vị theo<br /> phương pháp MSD<br /> <br /> 4.4. So sánh chuyển vị với mô phỏng và Hình 12. Đồ thị so sánh chuyển vị ngang giữa<br /> quan trắc các phương pháp MSD, Plaxis và quan trắc<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 27<br />  Bảng 6. Độ lệch giữa các phƣơng pháp TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> Chuyển vị MSD Quan trắc HSM [1] Osman, A.S., Bolton, M.D. ―A New<br /> Đỉnh tƣờng (cm) 5.6 4.1 2.8 Design Method For Retaining Walls In Clay,‖<br /> Bụng tƣờng (cm) 1.6 1.3 2.2 Canadian Geotechnical Journal, vol.41(3), pp.<br /> 451-466, 2004.<br /> 5. KẾT LUẬN [2] Osman, A.S., Bolton, M.D. ―A New Design<br /> Approach For Retaining Walls,‖ presented at<br /> MSD là phƣơng pháp giải tích duy nhất hiện<br /> International Conference on Structural and<br /> tại có thể tính đồng thời theo cƣờng độ và biến<br /> Foundation Failures , Singapore, 2004.<br /> dạng trong cùng một thuật toán. [3] Osman, A.S., Bolton, M.D. ―Ground<br /> Về biến dạng Movement Predictions for Braced Excavations<br /> So với mô hình Mohr-Coulomb: cho kết quả in Undrained Clay,‖ Journal of Geotechnical<br /> chính xác hơn khi xét quan hệ ứng suất - biến and Geoenvironmental Engineer-ing, vol. 132,<br /> dạng là phi tuyến. no. 4, pp. 465-477, 2006.<br /> So với mô hình Hardening Soil (HSM): [4] Osman, A.S., Bolton, M.D. ―Design of<br /> Quan hệ ứng suất biến dạng trong phƣơng braced excavations to limit ground movements,‖<br /> pháp MSD và mô hình HSM đều là phi tuyến và Geotechnical Engineering, vol. 159, issue GE3,<br /> có dạng hyperbol. pp.167-175, 2006.<br /> Phƣơng pháp MSD có hạn chế so với mô hình [5] Osman, A.S., Bolton, M.D. ―Back Analysis<br /> of Three Case Histories of Braced Excavation in<br /> HSM là xem tất cả các điểm trong vùng biến dạng<br /> Boston Blue Clay Using MSD Method,‖ presented<br /> đều chịu lộ trình tăng tải. Tuy nhiên có thể chấp<br /> at 4th International Conference on Soft Soil<br /> nhận trong một số trƣờng hợp cụ thể sau: Engineering, Vancouver, 2007.<br /> Giai đoạn console: khắc phục bằng cách nhập [6] Lam, S.Y., Bolton,M.D. ―Supporting<br /> trực tiếp Eur. excavations in clay - from analysis to decision-<br /> Giai đoạn đào có tầng chống trong đất yếu: making,‖ Keynote Lecture – 6th International<br /> khi xét phá hoại bùng nền, các vùng gây biến Symposium on Geotechnical Aspects of Underground<br /> dạng tƣờng là ABCD và CDE thuộc vùng nén, Construction in Soft Ground, vol. 1, pp. 12-25, 2008.<br /> nên có thể dùng phƣơng trình ứng suất - biến [7] Lam, S.Y. , Bolton,M.D. ―Predicting And<br /> dạng lộ trình tăng tải để tìm chuyển vị tƣờng. Controlling Ground Movements Around Deep<br /> Về cƣờng độ: Excavation,‖ presented at Geotechnical Challenges<br /> in Urban Regeneration, London, 2010.<br /> Tiêu chuẩn phá hoại trong MSD giống với<br /> [8] Vardanega, P.J., Bolton,M.D. ―Strength<br /> tiêu chuẩn phá hoại Mohr Coulomb trong Plaxis<br /> Mobilization In Clays And Silts,‖ Canadian<br /> (cùng dựa trên trục ứng suất lệch q). Geotechnical Journal, vol. 48(10), pp. 1485-1503, 2011.<br /> Ngoài khả năng tính chuyển vị của tƣờng và [9] Lam, S.Y., Bolton,M.D. ―Energy<br /> đất xung quanh hố đào, phƣơng pháp này còn cho Conservation as a Principle Underlying<br /> ra mức độ huy động sức kháng mỗi lớp đất, giúp Mobilizable Strength Design for Deep<br /> ta biết đƣợc hệ số an toàn từng giai đoạn đào. Excavations,‖ Journal of Geotechnical and<br /> 6. KIẾN NGHỊ Geoenvironmental Engineering, vol. 137, no.<br /> Sau khi so sánh MSD với Plaxis và quan 11, pp.1062-1074, 2011.<br /> trắc, ta nhận thấy kết quả gây sai lệch chủ yếu ở [10] T.D.O'Rourke. Basestability And<br /> giai đoạn console nên cần xét đến ảnh hƣởng Groundmovement Prediction For Excavations<br /> In Soft Clay. USA : Cornell University, 1993.<br /> của độ cứng tƣờng giai đoạn này.<br /> <br /> Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG<br /> <br /> <br /> 28 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />