- 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. - 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. - 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 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. - 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. - Cắt nén 3 trục (UU) Lực dính Cuu (KG/cm Góc ma sát trong uu 1o08 1o10 Cắt nén 3 trục (Cu) Lực dính Cu (KG/cm Góc ma sát trong cu 5o54 10o55 + Hệ số ép lún a 1- 2 (cm2/KG 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 4. - 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. - 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 Hệ số ổn định theo Biện pháp kết cấu công trình Ghi chú GeoSudio Plaxis Công trình đắp chưa xử lý Không đảm bảo Công trình đắp được gia cường 2 lớp Đảm bảo vải ĐKT, loại 200 KN 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 Plan Name: Lop 2a Uni t Weight: 18.7 kN/m³ Uni t Weight: 18.7 kN/m³ Cohesion: 16 kPa Cohesion: 16 kPa Phi : 11 ° Phi : 11 ° Name: Lop 4 Name: Lop 4 Plan Uni t Weight: 16.8 kN/m³ Uni t Weight: 16.8 kN/m³ Cohesion: 10 kPa Cohesion: 10 kPa Phi : 6 ° 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 Plan Name: Lop 2a Unit Weight: 18.7 kN/m³ Unit Weight: 18.7 kN/m³ Cohesion: 16 kPa Cohesion: 16 kPa Phi: 11 ° Phi: 11 ° Name: Lop 4 Name: Lop 4 Plan Unit Weight: 16.8 kN/m³ Unit Weight: 16.8 kN/m³ Cohesion: 10 kPa Cohesion: 10 kPa Phi: 6 ° 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 Hệ số ổn định theo Phương án kỹ thuật Ghi chú GeoSudio Plaxis 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 Đảm bảo - Nghỉ 6 tháng rồi đắp hoàn thiện Đảm bảo - Sau 1 năm thi công xong Cố kết đạt 96. - Khi nền cố kết hoàn toàn Cố kết Name: Dat dap Uni t Weight: 19 kN/m³ Cohesion: 20 kPa Phi : 16 ° Name: Lop 2a Plan Name: Lop 2a Uni t Weight: 18.7 kN/m³ Uni t Weight: 18.7 kN/m³ Cohesion: 16 kPa Cohesion: 16 kPa Phi : 11 ° Phi : 11 ° Name: Lop 4 Name: Lop 4 Plan Uni t Weight: 16.8 kN/m³ Uni t Weight: 16.8 kN/m³ Cohesion: 10 kPa Cohesion: 10 kPa Phi : 6 ° 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 Plan Name: Lop 2a Uni t Weight: 18.7 kN/m³ Uni t Weight: 18.7 kN/m³ Cohesion: 16 kPa Cohesion: 16 kPa Phi : 11 ° Phi : 11 ° Name: Lop 4 Plan Name: Lop 4 Uni t Weight: 16.8 kN/m³ Uni t Weight: 16.8 kN/m³ Cohesion: 10 kPa Cohesion: 10 kPa Phi : 6 ° 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 Name: Lop 2a Uni t Weight: 18.7 kN/m³ Uni t Weight: 18.7 kN/m³ Cohesion: 16 kPa Cohesion: 16 kPa Phi : 11 ° Phi : 11 ° Name: Dat dap Uni t Weight: 19 kN/m³ Name: Lop phong hoa Cohesion: 20 kPa Uni t Weight: 19.1 kN/m³ Phi : 16 ° 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 Plan Name: Lop 2a Unit Weight: 18.7 kN/m³ Unit Weight: 18.7 kN/m³ Cohesion: 16 kPa Cohesion: 16 kPa Phi: 11 ° Phi: 11 ° Name: Dat dap Unit Weight: 19 kN/m³ Name: Lop phong hoa Cohesion: 20 kPa Unit Weight: 19.1 kN/m³ Phi: 16 ° Cohesion: 16 kPa Phi: 11 ° Name: Lop phong hoa Unit Weight: 19.1 kN/m³ Cohesion: 16 kPa Phi: 11 ° Hình 6. - ổn định nền đắp (xử lý bấc thấm) thi công xong khi nền cố kết hoàn toàn Hình 7. - Áp lực lỗ rỗng trong nền (xử lý bấc thấm) giai đoạn thi công đợt Hình 9. - Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (xử lý bấc thấm) cuối giai đoạn thi công đợt Hình 10. - Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (không xử lý) khi kết thúc thi công Hình 11. - Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (xử lý bấc thấm) khi kết thúc thi công Hình 12. - Áp lực lỗ rỗng gia tăng trong nền đắp (không xử lý) thi công xong sau 1 năm 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 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. - Độ lún nền đắp khi kết thúc đắp đợt 1, Skt = 0.94m (xử lý bấc thấm Hình 14. - Độ lún nền đắp khi kết thúc đắp, Skt = 1.54m (xử lý bấc thấm Hình 14. - Độ lún cuối cùng của nền đắp, Scc = 1.75m (xử lý bấc thấm) 6. - 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