NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ HÌNH NỀN ĐẾN DỰ BÁO
CHUYỂN VỊ VÀ BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH HỐ ĐÀO SÂU ỔN
ĐỊNH BẰNG TƯỜNG CHẮN
STUDY ON THE EFFECTS OF SOIL CONSTITUTIVE MODEL ON THE PREDICTIONS OF
EXCAVATION INDUCED GROUND MOVEMENTS AND LATERAL WALL DEFLECTIONS
ThS. Ngô Đức Trung, PGS.TS. Võ Phán
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
TÓM TẮT
Bài báo này phân tích ảnh hưởng của mô hình nền đến dự báo chuyển vị của tường và biến
dạng của đất nền một công trình hố đào sâu ở Thành phố Hồ Chí Minh thông qua việc so
sánh kết quả dự báo từ mô hình Mohr – Coulomb (MC) và mô hình Hardening Soi (HS) với
các dữ liệu quan trắc để xác định liệu phân tích phần tữ hữu hạn tuyến tính đơn giản là đủ
cho thiết kế an toàn hay phân tích số phi tuyến phức tạp cung cấp một giải pháp mang lại
ref
nhiều hiệu quả hơn. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun dỡ tải và gia tải ( Eur ) trong mô
hình HS đến chuyển vị của tường được thực hiện dựa trên kết quả phân tích tham số và so
sánh với số liệu quan trắc.
ABSTRACT
The purpose of this study is to analyse the effects of soil constitutive model on the predictions
of excavation. Parametric studies have been carried out to investigate the effect of soil
ref
stiffness parameters ( Eur ) of HS model on the lateral wall deflection, based on the results of
parametric studies and comparison with measured field data.The effects of soil constitutive
model on the predictions of excavation induced ground movements, lateral wall deflections
and strut forces were performed using Hardening Soil and Mohr – Coulomb models based
on the above proposed comprising. The results demonstrate that more realistic predictions of
wall deflections and ground deformations can be obtained by Hardening Soil model.
However, in term of strut forces prediction, there appears to be no advantage in using nonlinear model over a simple elastic-perfectly plastic model.
Đặt vấn đề
Ngày nay, nhu cầu về việc sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật hoặc dịch vụ
dưới các nhà cao tầng, bãi đậu xe ngầm, hệ thống giao thông ngầm, hệ thống xử lý nước thải…,


Sử dụng phần mềm từ phương pháp Phần tử hữu hạn với hai mô hình HS và MC để tính toán,
kết hợp so sánh với số liệu quan trắc thực tế ở hiện trường [4], [5].
Xác định các thông số đầu vào cho mô hình
❖ Với cả 2 mô hình, các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của đất (c’, φ’, γwet, γdry , kx, ky) lấy từ Hồ sơ khảo
sát địa chất [3].
❖ Xác định các module biến dạng:
ref
▪ Eoed
, Eurref : tính từ kết quả thí ngiệm nén cố kết.
▪

ref
: tính từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục với sơ đồ CD. Trong nghiên cứu này, do chỉ có
E50

' ref
kết quả thí nghiệm với sơ đồ CU, do đó module biến dạng Young E50
được tính chuyển từ

ref
module biến dạng Young không thoát nước E50
NH như sau:

E50' ref =
▪

2(1 +  ') ref
E50 NH
3

2


Hình 3: Mặt cắt địa chất công trình
Các giai đoạn thi công tóm tắt như Bảng 1.
Bảng 1: Các giai đoạn thi công công trình.
Giai
đoạn

Thời gian
(ngày)
56
Xây dựng tường chắn
23

1
1
2
3
4
5
6

19
1
18
1
13
1
14

với tải trước 50 kN/m
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -1.0m
Lắp thép hình 2H350×350×10×15 ở cao độ -0.5m với tải trước 200 kN/m
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -3.85 m
Lắp thép hình 2H400×400×10×15 ở cao độ -3.35m) với tải trước 200
kN/m
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -7.0 m
Lắp thép hình 2H350×350×10×15 ở cao độ -6.5m) với tải trước 50 kN/m
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -9.35 m
Lắp thép hình 2H400×400×10×15 ở cao độ -8.75m với tải trước 300 kN/m
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -11.5 m
Lắp thép hình 2H350×350×10×15 ở cao độ -11.0 m) với tải trước 200
kN/m
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -14.5 m
Lắp thép hình 2H350×350×10×15 ở cao độ -14.0 m) với tải trước 200
kN/m
Hạ mực nước ngầm và đào đến cao độ -17.3 m
Đổ bê tông bản đáy tại cao trình -17.3m
Giải phóng lực kích tại thanh chống lớp 1 và 2
Tháo thanh chống tại cao trình -14m
Tháo thanh chống tại cao trình -10m và -8.75m
Thi công hệ giằng bê tông cốt thép 1 cao trình – 9.5m
Tháo thanh chống tại cao trình -6.5m
Thi công hệ giằng bê tông cốt thép 2 cao trình – 4.35m
Tháo thanh chống tại cao trình -3.35m và -0.5m
Thi công hệ giằng bê tông cốt thép trên cùng
Tháo thanh chống tại cao trình +1.25m

3


P17

6000

P18

6000

IN-03

3000

P19

6000

3000

P20

P21
6000

3000

PZ-01

PZ-01

3000


PZ-03
5000

3000

P9

MW-02

6000

3000

P11

3000

IN-01

P23

PZ-05

IN-04

3000

P10



Lớp 4

Lớp 5

Lớp 6

Lớp 7

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

MC

Drained

Undraine
d


16.46

16.48

16.29

16.51

γsat

kN/m3

20.2

15.3

19.43

19.99

19.54

19.48

19.69

19.54

kx


0.2

1

0.02

0.8

c’

kN/m2

2

5.09

2.11

5

2

2

34

2

'


5

4

-

7



-

0.25

0.35

0.25

0.35

0.3

0.25

0.35

0.25

kPa


Đơn vị

Lớp
cát
lấp

Lớp 1

Lớp 2

Lớp 3

Lớp 4

Lớp 5

Lớp 6

Lớp 7

-

HS

HS

HS

HS


15.0

16.27

16.67

16.46

16.48

16.29

16.51

4


γsat

kN/m3

20.2

15.3

19.43

19.99

19.54


2.5

0.02

1

0.02

0.2

1

0.02

0.8

c’

kN/m2

2

5.09

2.11

5

2


11

-

1

-

5

4

-

7



-

0.25

0.35

0.25

0.35

0.3


kPa

2x104

3296

6567

1.25x104

2.75x104

3.75x104

5.12x104

7.88x104

Eurref

kPa

6x104

9888

1.97x104

3.15x104

Lưới phần tử và điều kiện biên sử dụng trong phân tích như Hình 5. Theo Hình 5 chỉ phân
tích trên mặt cắt A-A, mặt cắt này tương đối thõa mãn điều kiện không gian biến dạng 2 chiều (2D).
Giới hạn vùng đất để phân tích PTHH với lưới phần tử là rộng 140m và sâu 67m. Nó chứa 1623
phần tử tam giác 16 nút, kích thước lưới phần tử trung bình là 2.42m.
4.
4.1.

Phân tích kết quả
Phân tích ảnh hưởng của độ cứng gia tải và dỡ tải của đất nền
Việc nghiên cứu thông số được thực hiện bằng cách lặp lại các phân tích phần tử hữu hạn với
các giá trị khác nhau của các thông số cần nghiên cứu trong khi vẫn không thay đổi giá trị của các
thông số khác. Ảnh hưởng của thông số được xác định bằng cách so sánh với sự thay đổi biến dạng
của tường và đất nền tại mỗi giai đoạn thi công đào đất, khi cho các thông số tăng hay giảm theo một
mức độ cho trước.
Các Hình từ 6 đến 11 cho thấy mô đun độ cứng gia tải và dỡ tải Eurref có ảnh hưởng không
đáng kể đến chuyển vị ngang của tường. Theo đó, giá trị Eurref = 3E50ref được áp dụng để tính toán trong
công trình này. Giá trị này là giá trị mặc định trong PLAXIS.
Nhìn chung, khi tăng độ lớn của mô đun dỡ tải và gia tải Eurref chuyển vị ngang của tường từ
cao độ đào đất ở giai đoạn thứ 3 trở xuống giảm, nhưng nó không ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị
ngang của tường từ cao độ đào đất ở giai đoạn thi công thứ 3 trở lên.

5


Hình 6: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của Hình 7: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của
tường ở giai đoạn thi công thứ nhất
tường ở giai đoạn thi công thứ hai

Hình 8: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của Hình 9: Kết quả dự báo chuyển vị ngang của ở
tường ở giai đoạn thi công thứ ba


13.74

13.09

12.71

11.85

GĐ2

15.31

14.83

14.28

12.57

GĐ3

25.53

24.81

24.76

22.4

GĐ4


31.96

31.32

30.64

27.11

GĐ8

32.96

32.60

32.43

28.47

4.2. So sánh mô hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil
4.2.1. Chuyển vị ngang của tường
Với mô hình MC, kết quả dự báo chuyển vị lớn hơn quan trắc thực tế từ 15.97 ÷ 31.98%. Có
sự chênh lệch này là do các thông số cho mô hình lấy từ số liệu thí nghiệm trong phòng không phản
ánh chính xác nền đất thực tế. Mẫu đất thí nghiệm trong phòng ngay sau khi lấy mẫu đã không còn
nguyên dạng.
Với mô hình HS, kết quả dự báo chuyển vị ngang của tường từ GĐ2 có sự khác biệt so với
mô hình MC. Từ cao độ đáy hố đào ở từng giai đoạn đào đất trở lên, kết quả dự báo chuyển vị ngang
của tường lớn hơn quan trắc thực tế từ 8.07 ÷17.90%, điều này được lý giải như với mô hình MC bên
trên. Ngược lại từ cao độ đáy hố đào trở xuống kết quả dự báo chuyển vị ngang của tường nhỏ hơn
kết quả quan trắc. Điều này được giải thích như sau: khi mô phỏng bài toán với mô hình HS, các giá

Chênh lệch
Mohr –
Hardening
Quan trắc
giữa HS và MC
Coulomb
Soil
(mm)
(mm)
(mm)
mm
%

GĐ1

15.52

13.74

11.85

1.78

11.47

GĐ2

18.48

15.31


GĐ5

32.30

29.11

26.76

3.19

9.88

GĐ6

33.06

30.49

26.81

2.57

7.77

GĐ7

34.55

31.96

Bảng 5: So sánh kết quả tính toán chuyển vị ngang lớn nhất từ 2 mô hình Mohr – Coulomb và
Hardening Soil với kết quả quan trắc.
Mohr –

Hardening

Coulomb

Soil

(mm)

(mm)

GĐ1

15.52

13.74

GĐ2

18.48

GĐ3

Giai đoạn thi
công

Chênh lệch


17.98

12.26

GĐ4

30.50

28.28

25.63

15.97

9.37

GĐ5

32.30

29.11

26.76

17.15

8.07

GĐ6


22.78

13.62

4.2.2. Biến dạng của đất nền
Hình 16 chỉ rõ kết quả tính toán độ lún bề mặt của đất nền với hai mô hình MC và HS ở giai
đoạn đào đất cuối cùng (GĐ8). Theo đó, kết quả tính toán độ lún của đất nền với mô hình MC nhỏ
hơn so với khi tính toán bằng mô hình HS, và số liệu quan trắc lún tại vị trí cách tường 5m là
6.42cm, hầu như trùng với kết quả tính toán với mô hình HS. Tuy nhiên, vùng ảnh hưởng độ lún bề
mặt khi tính toán bằng mô hình MC lại lớn hơn so với khi tính toán bằng mô hình HS. Kết quả dự
báo độ lún bề mặt với mô hình MC cho thấy vùng ảnh hưởng lún rất lớn, và như vậy cần hết sức chú
ý và có biện pháp xử lý đối với các công trình nằm trên vùng này ở xung quanh hố đào.
Với mô hình HS, khi tăng mô đun biến dạng trong điều kiện dỡ tải và gia tải Eurref , ta thấy rõ
không có ảnh hưởng đáng kể đối với độ lún bề mặt của đất nền.
Cả 2 mô hình MC và HS đều cho kết quả tính toán độ lún lớn nhất tại vị trí cách tường
2.5m. Kết quả so sánh độ lún bề mặt lớn nhất khi tính toán từ 2 mô hình MC và HS được trình bày
tóm tắt trong Bảng 6.

Hình 16: So sánh kết quả tính toán độ lún bề mặt của đất nền bằng hai mô hình Mohr – Coulomb và
Hardening Soil với kết quả quan trắc ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8).
Bảng 6: So sánh kết quả tính toán độ lún bề mặt lớn nhất của đất nền bằng hai mô hình Mohr –
Coulomb và Hardening Soil ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8).

9


Độ lún bề mặt lớn nhất, Sv (mm)
Giai đoạn
thi công

Như vậy, với Eurref = 3E50ref khi tính toán trong mô hình Hardening Soil, độ lún bề mặt lớn nhất
sẽ lớn hơn khi tính toán trong mô hình mohr – coulomb khoảng 14.57%.
Hình 17 thể hiện kết quả tính toán độ trồi hố móng tại giai đoạn đào đất cuối cùng (GĐ8).
Kết quả tính toán với mô hình MC cho thấy độ trồi hố móng lớn hơn so với khi tính toán bằng mô
hình HS. Với mô hình hardening soil, khi mô đun biến dạng trong điều kiện gia tải và dỡ tải
Eurref tăng, sẽ cho kết quả là độ trồi hố móng giảm. Như vậy, qua kết quả phân tích, ta thấy mô đun
biến dạng gia tải và dỡ tải Eurref có ảnh hưởng đáng kể đến hiện tượng trồi hố móng ở đáy hố đào hơn
là ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường chắn.
Khi thi công đào đất trước tường chắn dẫn đến sự giảm ứng suất phía sau lưng tường và làm
mất ứng suất theo phương đứng của lớp đất bên dưới đáy hố đào. Theo đó, sẽ phù hợp hơn khi sử
dụng mô đun biến dạng gia tải, dỡ tải trong việc phân tích ứng xử biến dạng bề mặt trong công trình
hố đào sâu. Mô hình MC chỉ sử dụng 1 thông số mô đun biến dạng sẽ không thể mô hình đầy đủ ứng
xử đàn hồi dẻo của quá trình dỡ tải. Trong trường hợp này, những mô hình đất nền có bao gồm cả
thông số mô đun biến dạng trong điều kiện gia tải và dỡ tải Eurref như mô hình HS sẽ ưu việt hơn mô
hình MC trong mô phỏng công trình hố đào sâu.
Kết quả tính toán độ trồi hố móng tại đáy hố đào ở giai đoạn đào đất cuối cùng với cả hai mô
hình MC và HS được tóm tắt ở Bảng 7. Độ trồi đáy hố móng khi tính toán bằng mô hình hardening
soil với Eurref = 3E50ref sẽ cho kết quả nhỏ hơn khoảng 38.53%, một giá trị tương đối chênh lệch.
Kết quả thể hiện rõ khi phân tích biến dạng bề mặt của đất nền, việc sử dụng mô hình đàn hồi
dẻo lý tưởng MC sẽ cho kết quả không thật sự chính xác.
Bảng 7: So sánh kết quả tính toán độ trồi hố móng lớn nhất của đất nền bằng hai mô hình Mohr –
Coulomb và Hardening Soil ở giai đoạn thi công thứ tám (GĐ8).
Độ trồi hố móng lớn nhất, Hv (mm)
Giai đoạn thi
công

GĐ8

Mô hình


50

)

ref
( Eurref = 5E50
)

20.66

46.71

10


Hình 17: So sánh kết quả tính toán độ trồi hố móng bằng mô hình
Mohr – Coulomb và Hardening Soil ở giai đoạn đào đất cuối cùng (GĐ8)
4.2.3. Nội lực trong thanh chống
Các hình từ 18 đến 22 thể hiện kết quả so sánh nội lực trong các hệ thanh chống từ thứ ba đến
thứ bảy ở các giai đoạn thi công thứ năm, sáu và bảy của công trình.
Kết quả cho ta thấy rõ nội lực trong thanh chống khi tính toán bằng FEM lớn hơn nhiều so
với nội lực trong thanh chống khi quan trắc. Đặc biệt, khi tính toán với mô hình HS cho kết quả lớn
so với mô hình MC. Quá trình phân tích cho thấy nội lực nguy hiểm nhất ở hệ thanh chống thứ ba,
tại đây nội lực trong thanh chống đạt giá trị cực đại. Khi tính toán nội lực bằng mô hình HS cho kết
quả lớn hơn từ 194.84% đến 204.32% so với khi quan trắc (Bảng 8). Trong khi đó, kết quả nội lực
khi tính toán với mô hình MC sẽ lớn hơn 163.95% đến 169.11% với nội lực khi quan trắc.

Hình 18: So sánh kết quả tính toán nội
lực trong hệ chống thứ 3 bằng 2 mô hình
Hardening Soil, Mohr – Coulomb, với

Mô hình HS

Mô hình MC

Kết quả quan
trắc thực tế
(kN)

Tính toán

Chênh lệch
với quan trắc

Tính
toán

Chênh lệch với
quan trắc

GĐ5

506.58

194.84%

426.28

163.95%

260


Ảnh hưởng của độ cứng gia tải và dỡ tải của đất nền tác động đáng kể đến độ lớn và phân bố
độ trồi hố móng hơn là đến chuyển vị ngang của tường và độ lún bề mặt của đất nền. Cả hai
giá trị độ lớn và phân bố của chuyển vị ngang và độ lún bề mặt không nhạy với độ cứng gia
tải và dỡ tải của đất nền.

(2)

Chuyển vị ngang lớn nhất khi tính toán bằng mô hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil
lớn hơn quan trắc thực tế lần lượt là 15.97% ÷31.98% và 9.37% ÷ 17.9% . Chuyển vị ngang
lớn nhất của tường khi tính toán với mô hình Mohr – Coulomb lớn hơn mô hình Hardening
Soil 6.5% ÷ 17.15%. Như vậy, sử dụng FEM với mô hình Hardening Soil cho kết quả chuyển
vị ngang của tường phù hợp với thực tế làm việc của tường hơn mô hình Mohr – Coulomb.

(3)

Độ lún bề mặt của đất nền khi tính toán với mô hình Hardening Soil cho kết quả phù hợp với
thực tế hơn khi tính toán với mô hình Mohr – Coulomb. Theo đó, độ lún lớn nhất khi tính
toán bằng mô hình Hardening Soil lớn hơn khi tính toán bằng mô hình Mohr – Coulomb

12


khoảng 14.57%. Như vậy, sẽ thích hợp hơn khi sử dụng mô hình có xét đến độ cứng gia tải
và dỡ tải để phân tích độ lún bề mặt công trình hố đào sâu.
(4)

(5)

Độ trồi hố móng bên trong hố đào khi tính toán với mô hình Mohr – Coulomb cho kết quả

13