ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ĐỊA KỸ THUẬT GEOSTUDIO 2007
VÀ PLAXIS 2012 TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
CÔNG TRÌNH ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
Đặng Quốc Đại & Nguyễn Văn Thái
Trung tâm TVGĐ&ATĐ
1.
MỞ ĐẦU
Các công trình xây dựng khi xây dựng đều ưu tiên xây dựng trên nền đất tốt chính vì
sự lựa chọn ưu tiên này mà càng về sau thì các công trình xây dựng lựa chọn được vị
trí có điều kiện địa chất nền tốt sẽ ít và chúng ta phải chấp nhận một thực tế rằng
không còn nhiều vị trí địa chất tốt phù hợp để xây dựng công trình nữa mà phải đặt
công trình ở trên nền địa chất vừa và yếu.
Có thể thấy rằng các công trình lấn biển hầu hết gặp phải nền địa chất yếu; công trình
đê, kè và kênh do có tuyến dài nên có nhiều đoạn phải xây dựng trên nền địa chất yếu
là không thể tránh được; một số công trình đập dâng tạo hồ chứa hiện nay cũng phải
chấp nhận xây dựng trên nền địa chất vừa và yếu. Như vậy người thiết kế công trình
buộc phải nghĩ đến giải pháp công trình thích ứng với nền yếu cũng như giải pháp xử
lý cải thiện nền để đáp ứng được yêu cầu của công trình.
Để thiết kế công trình trên nền đất yếu đảm bảo an toàn và ổn định chúng ta phải thực
hiện bài toán địa kỹ thuật phân tích khả năng ổn định và lún của công trình. Hiện nay
trên thế giới có rất nhiều phần mềm trợ giúp tính toán các bài toán địa kỹ thuật này
như: PLAXIS (Hà Lan), GEOSTUDIO (Canada), PHASE (Canada), GEO5 (Sec),
FLAC (Pháp) vv... Trong đó đặc biệt nổi bật lên có phần mềm Plaxis và GeoStudio
rất phổ biến bởi nó có nhiều tính năng phân tích mạnh mẽ, chính xác và dễ sử dụng.
HEC là đơn vị đã thiết kế nhiều công trình trên nền đất yếu như: Kè lấn biển Cao
Xanh Hà Khánh – Quảng Ninh, Kênh chính Đức Hòa thuộc dự án thủy lợi Phước
Hòa – Long An, Đập đất hồ chứa Khe Ngang – Quảng Ngãi, Kênh tưới dự án thủy
lợi Ngàn Trươi vv... Chính vì vậy chúng tôi muốn giới thiệu sơ bộ về việc ứng dụng
phần mềm Geostudio 2007 và Plaxis 2012 mà HEC đã sử dụng trong tính toán thiết
kế và kết quả tính toán thu được từ 2 phần mềm này.
2.
TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
2.1 Hệ số an toàn nhỏ nhất cho phép
Công trình đắp ngoại trừ đê, đập thì chủ yếu là các công trình mái dốc nhân tạo như
là mái kênh, mái đường, các công trình san nền vv... Khi thiết kế đều được tuân thủ
theo QCVN 04-05/BNNPTNT/2012.
Các công trình này thường có cấp từ IV-II, Hệ số an toàn nhỏ nhất cho phép trong
các trường hợp như sau.
Trường hợp
Cơ Bản
Đặc biệt
Thi công và sửa chữa
[K] = nc.kn/m
1.15
1.04
1.09
1
- Để công trình vận hành ổn định và lâu dài ta phải xác định giải pháp và kết cấu công
trình đảm bảo ổn định trong trường hợp vận hành bình thường, hệ số ổn định phải
đạt được K ≥ 1.5 và;
- Để xây dựng được công trình xác định được ở như trên thì trong các giai đoạn thi
công công trình phải đảm bảo hệ số ổn định K ≥ 1.09, nếu thiết kế bỏ qua bước này
sẽ dẫn đến công trình bị mất ổn định hay bị lún và gây nứt phải sửa chữa và khắc
phục làm chậm tiến độ và tốn kém.
2.2 Độ lún cho phép của công trình
Độ lún cho phép của công trình là độ lún giới hạn mà công trình có thể vận hành bình
thường (Biến dạng không gây cản trở việc sử dụng bình thường của công trình).
Theo tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình TCVN 9362:2012 thì biến dạng cho
phép của công trình tùy thuộc vào quy mô, loại kết cấu và mục đích sử dụng của công
trình. Với công trình đắp chúng ta phải xem xét các yếu tố đó để đề xuất lựa chọn giá
trị độ lún cho phép Sgh, thông thường độ lún cho phép trong khoảng 15÷30cm.
Công trình đắp trên nền đất yếu thường có độ lún rất lớn do vậy cần phải kiểm soát
tốt độ lún này để đề ra các biện pháp ứng xử thích hợp.
3.
TÀI LIỆU CƠ BẢN
3.1 Lựa chọn mặt cắt tính toán
Mặt cắt cần phải tính toán kiểm tra đó là mặt cắt có điều kiện địa chất nền bất lợi
nhất, tuy nhiên cần phải phân đoạn ra theo từng loại nền điển hình để có giải pháp xử
lý phù hợp cho từng đoạn đảm bảo điều kiện an toàn và kinh tế.
Dưới đây là hình minh họa cho một đoạn kênh đắp trên nền đất yếu sẽ được sử dụng
làm mô hình phân tích trong báo cáo này.
§Êt ®¾p
líp c¸t ®Öm
líp 2a
Xö lý tiªu n-íc ®øng b»ng bÊc thÊm
líp 4
líp phong hãa
Mặt cắt kênh đắp (1/2) điển hình cho một đoạn trên nền đất yếu
3.2 Chỉ tiêu địa chất nền công trình và vật liệu đắp
Công trình đắp trên nền địa chất có chỉ tiêu cơ lý như sau.
2
Chỉ tiêu cơ lý đất nền và đất đắp tuyến kênh
Tên lớp
4
2a
CW
Đất đắp
+ Dung trọng ướt w (T/m3)
1.67
1.84
1.82
19.0
+ Độ lỗ rỗng
n (%)
57.8
49.5
47.0
+ Tỷ lệ lỗ rỗng tự nhiên o
1.368
0.981
0.885
0.75
+ Lực dính C (KG/cm2)
0.10
0.16
0.16
20.0
6°
11°
11°
16.0
Cuu (KG/cm2)
0.10
0.173
uu
1o08
1o10
0.10
0.22
5o54
10o55
+ Hệ số ép lún a 1- 2 (cm2/KG)
0.220
0.072
0.080
+ Hệ số thấm cố kết K (cm/s)
4.4x10-8
1.7x10-8
7x10-6
+ Hệ số cố kết Cv (cm2/s)
8.2x10-4
4.2x10-4
Chi tiêu
+ Góc ma sát trong
Cắt nén 3 trục (UU)
Lực dính
Góc ma sát trong
Cắt nén 3 trục (Cu)
Lực dính
Cu (KG/cm2)
Góc ma sát trong
4.
cu
CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN
- Kiểm tra hệ số ổn định của công trình khi vận hành, từ đó xác định được yêu cầu kết
cấu nền đắp như: Hệ số mái đắp, bố trí các cơ, bệ phản áp, biện pháp gia cường (cốt
đất, neo, cọc vv...).
- Kiểm tra hệ số ổn định của công trình trong giai đoạn thi công, từ đó xác định được
yêu cầu về tiến độ thi công cho phép (các thời đoạn thi công phù hợp để nền cố kết
đảm bảo yêu cầu) hoặc biện pháp tăng cường hệ số ổn định.
- Tính toán độ lún và diễn biến lún của công trình để có biện pháp ứng xử thích hợp,
bao gồm: 1) Xác định khối lượng đắp bù lún là độ lún của nền đắp trong giai đoạn thi
công đến khi hoàn thiện công trình; 2) Chiều cao dự phòng lún là độ lún còn lại sau
khi công trình được đưa vào sử dụng; 3) Kiểm tra độ chênh lệch lún giữa các khu vực
và xem xét sự ảnh ảnh hưởng của nó đến kết cấu công trình (chênh lệch lún lớn làm
công trình bị kéo nứt vv...).
5.
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THU ĐƯỢC TỪ 2 PHẦN MỀM
Kết quả tính toán hệ số ổn định được thể hiện ở các hình minh họa và tóm tắt như
trình bày dưới đây.
3
Bước 1: Kiểm tra ổn định của công trình khi vận hành
Biện pháp kết cấu công trình
Hệ số ổn định theo
Ghi chú
GeoSudio
Plaxis
Công trình đắp chưa xử lý
1.078
1.006
Không đảm bảo
Công trình đắp được gia cường 2 lớp
vải ĐKT, loại 200 KN
1.187
1.187
Đảm bảo
Ở bước 1 tính toán ổn định công trình trong trường hợp vận hành bình thường cho
thấy với mặt cắt đắp đã thiết kế là chưa đảm bảo yêu cầu K>1.15, cần có giải pháp
tăng cường, do điều kiện giải phóng mặt bằng nên không thể mở rộng mặt cắt đắp
được do vậy chọn giải pháp gia cường 02 lớp vải ĐKT là đảm bảo yêu cầu.
1.078
Name: Dat dap
Uni t Weight: 19 kN/m³
Cohesion: 20 kPa
Phi : 16 °
Name: Lop 2a
Uni t Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Lop 2a Plan
Uni t Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Lop 4
Uni t Weight: 16.8 kN/m³
Cohesion: 10 kPa
Phi : 6 °
Name: Lop 4 Plan
Uni t Weight: 16.8 kN/m³
Cohesion: 10 kPa
Phi : 6 °
Name: Lop phong hoa
Uni t Weight: 19.1 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Hình 1. ổn định nền đắp chưa xử lý – TH vận hành bình thường
1.187
Name: Dat dap
Unit Weight: 19 kN/m³
Cohesion: 20 kPa
Phi: 16 °
Name: Lop 2a
Unit Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi: 11 °
Name: Lop 2a Plan
Unit Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi: 11 °
Name: Lop 4
Unit Weight: 16.8 kN/m³
Cohesion: 10 kPa
Phi: 6 °
Name: Lop 4 Plan
Unit Weight: 16.8 kN/m³
Cohesion: 10 kPa
Phi: 6 °
Name: Lop phong hoa
Unit Weight: 19.1 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi: 11 °
Hình 2. ổn định nền đắp gia cường 2 lớp vải ĐKT – TH vận hành bình thường
Bước 2: Kiểm tra ổn định của công trình trong giai đoạn thi công
Phương án kỹ thuật
Hệ số ổn định theo
GeoSudio
Plaxis
Ghi chú
Đắp lên đều cứ 15 ngày cho 1m – Không gia cường 02 lớp vải ĐKT
4
- Đắp đến cao độ +10.0m
1.019
-
Không đảm bảo
- Nghỉ 6 tháng rồi đắp hoàn thiện
0.867
-
Không đảm bảo
Đắp lên đều cứ 15 ngày cho 1m – Có gia cường 02 lớp vải ĐKT
- Đắp đến cao độ +10.0m
1.049
-
Không đảm bảo
- Nghỉ 6 tháng rồi đắp hoàn thiện
0.946
-
Không đảm bảo
- Sau 1 năm thi công xong
1.093
-
Đảm bảo
Đắp lên đều cứ 15 ngày cho 1m + Có gia cường 02 lớp vải ĐKT + Cắm bấc
thấm để tiêu nước đứng
- Đắp đến cao độ +10.0m
1.133
1.220
Đảm bảo
- Nghỉ 6 tháng rồi đắp hoàn thiện
1.104
1.119
Đảm bảo
- Sau 1 năm thi công xong
1.232
1.233
Cố kết đạt 96%
- Khi nền cố kết hoàn toàn
1.261
1.279
Cố kết 100%
1.133
Name: Dat dap
Uni t Weight: 19 kN/m³
Cohesion: 20 kPa
Phi : 16 °
Name: Lop 2a
Uni t Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Lop 2a Plan
Uni t Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Lop 4
Uni t Weight:
Name: Lop 4 Plan
Uni t Weight: 16.8 kN/m³
Cohesion: 10 kPa
Phi : 6 °
16.8 kN/m³
Cohesion: 10 kPa
Phi : 6 °
Name: Lop phong hoa
Uni t Weight: 19.1 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Hình 3. ổn định nền đắp (xử lý bấc thấm) cuối giai đoạn thi công đợt 1 (+10.0m)
1.104
Name: Dat dap
Uni t Weight: 19 kN/m³
Cohesion: 20 kPa
Phi : 16 °
Name: Lop 2a
Uni t Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Lop 2a Plan
Uni t Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Lop 4
Uni t Weight: 16.8 kN/m³
Cohesion: 10 kPa
Phi : 6 °
Name: Lop 4 Plan
Uni t Weight: 16.8 kN/m³
Cohesion: 10 kPa
Phi : 6 °
Name: Lop phong hoa
Uni t Weight: 19.1 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Hình 4. ổn định nền đắp (xử lý bấc thấm) khi kết thúc thi công
5
1.232
Name: Dat dap
Uni t Weight: 19 kN/m³
Cohesion: 20 kPa
Phi : 16 °
Name: Lop 2a Plan
Uni t Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Lop 2a
Uni t Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Dat dap
Uni t Weight: 19 kN/m³
Cohesion: 20 kPa
Phi : 16 °
Name: Lop phong hoa
Uni t Weight: 19.1 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Name: Lop phong hoa
Uni t Weight: 19.1 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi : 11 °
Hình 5. ổn định nền đắp (xử lý bấc thấm) thi công xong sau 1 năm
1.261
Name: Dat dap
Unit Weight: 19 kN/m³
Cohesion: 20 kPa
Phi: 16 °
Name: Lop 2a
Unit Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi: 11 °
Name: Lop 2a Plan
Unit Weight: 18.7 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi: 11 °
Name: Dat dap
Unit Weight: 19 kN/m³
Cohesion: 20 kPa
Phi: 16 °
Name: Lop phong hoa
Unit Weight: 19.1 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi: 11 °
Name: Lop phong hoa
Unit Weight: 19.1 kN/m³
Cohesion: 16 kPa
Phi: 11 °
20
20
Hình 6. ổn định nền đắp (xử lý bấc thấm) thi công xong khi nền cố kết hoàn toàn
20
60
40
80
120
100
140
160
180
Hình 7. Áp lực lỗ rỗng ban đầu trong nền (trước khi đắp)
160
120
20
40
60
140
80
160
100
0
16
120
140
160
180
200
Hình 8. Áp lực lỗ rỗng trong nền (xử lý bấc thấm) giai đoạn thi công đợt 1
6
60
45
15
30
30
15
90
75
45
45
150
75
15
15
90
15
105
15
60
-30
-30
Hình 9. Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (xử lý bấc thấm) cuối giai đoạn thi công đợt 1
-30
-10
70
10
50
50
70
90
0
90
10
70
90
10
10
70
30
70
10
30
50
30
30
60
120
120
15
45
75
105
Hình 10. Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (không xử lý) khi kết thúc thi công
15
15
30
30
15
Hình 11. Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (xử lý bấc thấm) khi kết thúc thi công
40
20
30
50
10
60
Hình 12. Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (không xử lý) thi công xong sau 1 năm
7
15
10
20
20
20
20
0
10
5
10
10
5
5
Hình 13. Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (xử lý bấc thấm) thi công xong sau 1 năm
Bước 3: Tính toán độ lún của nền và công trình
Kết quả phân tích ở 2 bước trên ta xác định được phương án xử lý đó là Gia cường
02 lớp vải ĐKT + Cắm bấc thấm tiêu nước đứng, với phương án này ta tính toán được
đường quá trình lún theo thời gian, từ đó đề xuất thời gian chờ lún của công trình và
thời điểm hoàn thiện công trình đưa công trình vào sử dụng sao cho độ lún còn lại
của công trình phải nhỏ hơn độ lún cho phép nêu ở mục 2.2 (tham khảo thêm bài viết
về thiết kế kênh chính Đức Hòa).
Theo tiêu chuẩn TCVN 9355:2012, nền yếu cần được xử lý đảm bảo độ cố kết U>90%
tương đương với độ lún trong thời gian thi công Stc > Scc độ lún cuối cùng khi nền cố
kết hoàn toàn và tốc độ lún còn lại phải dưới 2cm/năm trước hoàn thiện công trình
(kết cấu trên nền đắp) để đưa vào sử dụng.
1.9
0.15
-0.85
-0.6
-0.35
-0.1
Hình 14. Độ lún nền đắp khi kết thúc đắp đợt 1, Skt = 0.94m (xử lý bấc thấm)
-0.6
-1.1
-1.3
5
0.1
5
1.9
-0.1
-0.35
Hình 14. Độ lún nền đắp khi kết thúc đắp, Skt = 1.54m (xử lý bấc thấm)
8
-0.85
-1.6
-1.6
-1.1
0.1
5
1.9
-0.35
-0.1
Hình 14. Độ lún cuối cùng của nền đắp, Scc = 1.75m (xử lý bấc thấm)
6.
KẾT LUẬN
Nền đắp được xử lý tiêu nước đứng (cắm bấc thấm) thì áp lực nước lỗ rỗng gia tăng
nhỏ hơn rất nhiều so với nền không được xử lý: tại thời điểm thi công xong áp lực
nước lỗ rỗng gia tăng trung bình khoảng 30Kpa so với 60Kpa (xem hình 10 và 11);
ở thời điểm sau một năm khi thi công xong, áp lực nước lỗ rỗng gia tăng lớn nhất chỉ
còn khoảng 10KPa so với 60KPa (xem hình 12 và 13).
Các tính toán ở bước 2 cho ta thấy sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng ban đầu và sau khi
đắp của nền là khác nhau rất lớn, nguyên nhân gây ra sự khác nhau này là do tải trọng
đắp tác dụng lên nền gây ứng suất gia tăng trong nền đã làm cho áp lực nước lỗ rỗng
gia tăng theo (xem hình 7 và 8) và áp lực nước lỗ rỗng chưa kịp tiêu tán vì nền bùn
sét yếu có hệ số thấm rất bé. Áp lực lỗ rỗng gia tăng làm giảm sức kháng cắt của đất
nền, lúc đó công trình có hệ số an toàn thấp và dễ mất ổn định khi đạt giá trị tới hạn.
Nhằm tăng cường chất lượng hồ sơ thiết kế công trình và hơn nữa là kiểm soát độ an
toàn khi thiết kế công trình, HEC không ngừng đầu tư trang thiết bị và ứng dụng khoa
học công nghệ mới vào đồ án thiết kế và đặc biệt quan tâm đầu tư mua bản quyền sử
dụng các phần mềm chuyên dụng và tiên tiến như: Kết cấu SAP 2000, Địa kỹ thuật
Plaxis 2012 và Geo Studio 2007. Các công trình đắp thiết kế của HEC luôn được tính
toán kiểm tra, kiểm soát bởi các phần mềm này và còn được tính toán đối chiếu giữa
2 phần mềm nhằm loại bỏ những sai sót có thể gặp phải trong một số bài toán địa kỹ
thuật có tính phức tạp.
Kết quả phân tích ở trên cũng cho thấy rằng kỹ sư của HEC hoàn toàn có thể sử dụng
1 trong 2 phần mềm GeoStudio 2007 và Plaxis 2012 có bản quyền nêu trên để giải
quyết các bài toán địa kỹ thuật từ đơn giản đến phức tạp đều cho kết quả tương tự
nhau, đảm bảo độ chính xác và mức độ tin cậy cao.
9