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 | ν |
| Cát | 0,2 ÷ 0,28 |
| Cát pha | 0,25 ÷ 0,31 |
| Sét pha | 0,2 ÷ 0,37 |
| Sét | 0,1 ÷ 0,41 |
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 các bài toán về hố đào, kỹ sư thiết kế cần 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 $\psi$ trong Plaxis
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén 3 trục thể hiện quan hệ biến dạng thể tích $\varepsilon_v$ và biến dạng dọc trục theo phương nén $\varepsilon_1$
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:
$$\sin\psi=\frac{\Delta\varepsilon_v}{-2\Delta\varepsilon_1+\Delta\varepsilon_v}$$
Với $\varepsilon_v=\varepsilon_1+\varepsilon_2+\varepsilon_3$ theo lý thuyết cơ học đất.
Như minh hoạ trên biểu đồ, lấy các giá trị như sau:
$\Delta\varepsilon_v=0.048-0.004=0.044$ và $\Delta\varepsilon_1=-0.09-(-0.03)=-0.06$
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 $\psi\approx0$.
Với đất cát, tư vấn thiết kế cần yêu cầu đơn vị thí nghiệm cung cấp biểu đồ $\varepsilon_1-\varepsilon_v$ 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 $\psi\approx{\varphi-30^o}$. Với đất cát có góc ma sát trong $\varphi<30^o$, góc ψ gần như bằng 0.
5. Hệ số bề mặt tiếp xúc $R_{inter}$
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 | $R_{inter}\approx{0,6}-0.7$ |
| Bề mặt tiếp xúc đất sét / thép | $R_{inter}\approx{0,5}$ |
| Bề mặt tiếp xúc đất cát / bêtông | $R_{inter}\approx{1,0}-0,8$ |
| Bề mặt tiếp xúc đất sét / bêtông | $R_{inter}\approx{1,0}-0,7$ |
| Bề mặt tiếp xúc đất / lưới địa kỹ thuật (phun vữa thành) | $R_{inter}\approx{1,0}$ |
| Bề mặt tiếp xúc đất / vải địa kỹ thuật | $R_{inter}\approx{0,9}-0,5$ |
6. Hệ số thấm
Hệ số thấm quan trọng cho các bài toán thiết kế xây dựng có 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 ($k_y$). Tốt nhất là tư vấn thiết kế 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 | k (cm/s) |
| Cuội sỏi | >1 |
| Cát thô | 1 - 10-2 |
| Cát thô vừa | 10-2 - 5.10-3 |
| Cát hạt nhỏ | 5.10-2 - 10-3 |
| Cát bụi | 2.10-3 - 10-4 |
| Bùn | 5.10-3 - 10-5 |
| Sét | ≤ 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:
$$\log\left[\frac{k}{k_o}\right]=\frac{\Delta e}{c_k}$$
với $c_k=10^{15}$
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: $$k=C_kD_{10}^2 (mm/s)$$
với $D_{10}$ là đường kính hiệu quả (mm)
$C_k$ là hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vào bản chất của đất
| $C_k$ (s/mm) | Loại đất | Phạm vi $D_{10}$ (mm) |
| 8 - 12 | Cát đồng nhất (Uc < 5) | 0,06 - 3,0 |
| 5 - 8 | Cát cấp phối tốt và cát bụi (Uc ≥ 5) | 0,003 - 0,6 |
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 chênh lệnh nhau quá $10^5$.
- 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 thiết kế xây dựng: chuyển vị và ứng suất trong nền đất. Do đó kỹ sư thiết kế 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):
$$E_{oed}=\frac{\sigma_2-\sigma_1}{\varepsilon_2-\varepsilon_1}$$
Trong đó $\varepsilon_i$ 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:
$$\varepsilon_2-\varepsilon_1=\frac{e_2-e_1}{1+e_1}$$
Theo định nghĩa module biến dạng của TCVN:
$E=\frac{1+e_1}{a}\beta$ $a=\frac{e_2-e_1}{\sigma_2-\sigma_1}$
Suy ra: $$E_{oed}=\frac{1+e_1}{a}=\frac{E}{\beta}; E_{def}=E$$
(def: deformation - biến dạng)
8. Các thông số của mô hình Hardening Soil
Sơ đồ tính toán thiết kế kết cấu 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 tư vấn thiết kế 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:
| $E_{50}^{ref}$ | Module cát tuyến (secant stiffness) xác định từ thí nghiệm nén 3 trục với áp lực buồng $p^{ref}$ ở cấp tải bằng 50% cường độ phá hoại |
| $E_{oed}^{ref}$ | Module tiếp tuyến (tangent stiffness) xác định từ thí nghiệm nén 1 trục (không nở hông - oedometer) tại mức áp lực bằng $p^{ref}$ |
| $E_{ur}^{ref}$ | 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 |
| $p^{ref}$ | Áp lực buồng ($\sigma_3$) khi thí nghiệm nén 3 trục mẫu đất, Plaxis lấy mặc định $p^{ref}$=100KPa |
| $K_o^{NC}$ | Tỷ lệ ứng suất $\sigma'_{xx}/\sigma'_{yy}$ |
| $\nu_{ur}$ | Hệ số Poisson giai đoạn làm việc dỡ tải - gia tải lại, Plaxis lấy mặc định $\nu_{ur}=0,2$ |
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 $E_{50}^{ref}$ và $E_{ur}^{ref}$ từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục với cấp áp lực buồng $\sigma_3=p^{ref}$. Xác định $E_{oed}^{ref}$ từ thí nghiệm nén cố kết không nở hông tại cấp áp lực $p^{ref}$
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 $E_{50}^{ref}$ 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 $E_{oed}^{ref}$ 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:
$$E_{oed}=E_{oed}^{ref}\left(\frac{\sigma_y}{p^{ref}}\right)^m$$
Lưu ý bất biến ứng suất theo lý thuyết cơ học đất như sau: $\sigma'_1-\sigma'_3=\sigma_1-\sigma_3$
Khi lựa chọn thông số tính toán thiết kế xây dựng, cần lưu ý các tương quan theo thực nghiệm như dưới đây.
Với đất sét cố kết bình thường:
$m=1$
$E_{oed}^{ref}\approx\frac{1}{2}E_{50}^{ref}$
$E_{oed}^{ref}\approx\frac{50000kPa}{I_p}$ tại áp lực buồng $p^{ref}=100kPa$
$E_{oed}^{ref}\approx\frac{500kPa}{w_L-0,1}$ theo Vermeer
Với đất cát:
$m\approx0,5$
$E_{oed}^{ref}\approx{E_{50}^{ref}}$
Với mọi loại đất:
$E_{ur}^{ref}=(3\sim5)E_{50}^{ref}$
$K_o^{NC}=\frac{\Delta\sigma'_x}{\Delta\sigma'_y}=\frac{\Delta\sigma'_3}{\Delta\sigma'_1}\approx1-sin\varphi$
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), kỹ sư thiết kế có thể quy đổi giá trị thu được từ kết quả thí nghiệm cố kết không thoát nước ($E_u$) về giá trị theo sơ đồ thoát nước ($E$) theo tương quan cơ học đất như sau:
$$E_u=E'\frac{1+\nu_u}{1+\nu'}=E\frac{1,495}{1+\nu}$$
Xác định module từ biểu đồ $logp-\varepsilon$:
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 $logp-\varepsilon$ như sau:
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén cố kết không nở hông dưới dạng $logp-\varepsilon$ với đoạn gia tải và dỡ tải
Độ dốc biểu đồ trong đoạn gia tải:
$$\varepsilon_y=A_{\varepsilon}log\left(\sigma_y\right); A_{\varepsilon}=\frac{\varepsilon_2-\varepsilon_1}{log\left(p_2\right)-log\left(p_1\right)}$$
$$\varepsilon_y=A_{\varepsilon}\frac{ln\left(\sigma_y\right)}{ln10}\longrightarrow\frac{d\varepsilon_y}{d\sigma_y}=A_{\varepsilon}\frac{1}{ln10}\frac{1}{\sigma_y}\longrightarrow{E_{oed}}=\frac{d\sigma_y}{d\varepsilon_y}=\frac{ln10}{A_{\varepsilon}}\sigma_y=\frac{ln10}{A_{\varepsilon}}p^{ref}\left(\frac{\sigma_y}{p^{ref}}\right)$$
Mô hình Hardening Soil định nghĩa như sau:
$$E_{oed}=E_{oed}^{ref}\left(\frac{\sigma_y}{p^{ref}}\right)^m$$
Suy ra m=1 và $E_{oed}^{ref}=\frac{ln10}{A_{\varepsilon}}p^{ref}$
Trong trường hợp đơn vị khảo sát cung cấp kết quả dưới dạng biểu đồ $logp-e$, kỹ sư thiết kế dùng chuyển đồi từ ε sang e như sau:
$$A_e=\frac{e_2-e_1}{log\left(p_2\right)-log\left(p_1\right)};\varepsilon_2-\varepsilon_1=\frac{e_2-e_1}{1+e_o}\longrightarrow{A_{\varepsilon}}=\frac{A_e}{1+e_o}\longrightarrow{E_{oed}^{ref}}=\frac{ln10}{A_{\varepsilon}}p^{ref}\left(1+e_o\right)$$
Làm tương tự với đoạn dỡ tải trên biểu đồ để tìm được $E_{ur}^{ref}$.
🔍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 $E=E_{def}={\beta}E_{oed}$.
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:
Tìm giá trị $E_{oed}$ tại 2 cấp áp lực $\sigma'_y=p^{ref}=100kPa$ và $\sigma'_y=200kPa$ bằng cách vẽ các đường tiếp tuyến với biểu đồ tại 2 hoành độ (định nghĩa của $E_{oed}$ là module tiếp tuyến) ta có:
$E_{oed}^{\sigma'_y=100kPa}=\frac{320-0}{1.4\%-0.33\%}=29 900kPa$
$E_{oed}^{\sigma'_y=200kPa}=\frac{400-0}{1.4\%-0.47\%}=43 000kPa$
Từ công thức định nghĩa: $E_{oed}=E_{oed}^{ref}\left(\frac{c\cos\varphi-\sigma'_y\sin\varphi}{c\cos\varphi+p^{ref}\sin\varphi}\right)^m$
Với đất cát, c = 0 $\longrightarrow{E_{oed}}=E_{oed}^{ref}\left(-\frac{\sigma'_y}{p^{ref}}\right)^m$
Thay số ta được
$\frac{E_{oed}^{\sigma'_y=200kPa}}{E_{oed}^{ref}}=\left(\frac{\sigma'_y}{p^{ref}}\right)^m\longrightarrow\frac{43000}{30000}=\left(\frac{200}{100}\right)^m\longrightarrow{m}=0,5$
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 xây dựng 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 kỹ sư 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 tư vấn 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 ($c,\varphi$), dilatancy angle ($\psi$)
Tư vấn 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 $p^{ref}=100kPa$, 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 $p^{ref}=\sigma'_3=100kPa$ có dỡ tải và gia tải lại, kết quả cho dưới dạng đồ thị quan hệ $\varepsilon_1 - q=\sigma'_1-\sigma'_3$ có dạng như sau:
Từ biểu đồ này cho phép xác định được các thông số $\varphi'$, (c'=0), $E_{50}^{ref},E_{ur}^{ref}$.
Bên cạnh đó, đối với đất cát, tư vấn thiết kế yêu cầu đơn vị khảo sát cấp kết quả biểu đồ thí nghiệm nén 3 trục dưới dạng đồ thị $\varepsilon_1 - \varepsilon_v$ 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. Trường hợp đơn vị khảo sát không đủ điều kiện tiến hành thí nghiệm dỡ tải - gia tải lại, tư vấn thiết kế 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 $\sigma'_{yy}-\varepsilon_{yy}$ ở các cấp gia tải và dỡ tải
Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén không nở hông cho đất sét thể hiện quan hệ $\log\sigma'_{yy}-\varepsilon_{yy}$ ở các cấp gia tải và dỡ tải. Ở Việt Nam dùng phổ biến hơn biểu đồ $\log p-e$
Các biểu đồ kết quả thí nghiệm trên cho phép xác định giá trị của $E_{oed}^{ref}, E_{ur}^{ref}$ như đã trình bày ở trên.
🎁bảng tính Excel tiện lợi cho thực hành của kỹ sư thiết kế tại đây
Tham khảo:
- PLAXIS Introductory Course - 10-12 July 2013 - Đà Nẵng, Việt Nam
- Manual của các phần mềm thiết kế xây dựng Geo5, Plaxis
- TCVN 9363:2012 "Khảo sát cho xây dựng - Khảo sát địa kỹ thuật cho nhà cao tầng"
Bài viết rất hữu ích
Trả lờiXóaCảm ơn các bạn 💖
Trả lờiXóa