PHÂN TÍCH MÔ HÌNH 2D VÀ 3D CỦA TƯỜNG KÈ CỌC VÁN BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC
TRẦN HẢI YẾN* TRẦN HUỲNH ĐỨC NGUYỄN NHỰT NHỨT
Analysis of 2D and 3D modelling of pre-stressed concrete sheet pile walls Abstract: Pre-stressed concrete sheet pile walls are widely used for riverbank protection. The PLAXIS 2D Geotechnical Finite Element Software [1] is a preferred choice for simulation and analysis of deformation and structural force of sheet pile walls. In the two- dimensional (2D) model, three-dimensional (3D) plate elements of sheet pile walls are assumed to be plates with a rectangular cross-section. This has limitations in terms of considering high bearing capacity of the wave shape and modelling the sheet pile wall at or near the corner. In this paper, the 3D simulation was conducted to analyze the behavior of sheet pile walls with their actual wave shape and to fully understand the corner effects of retaining walls near the corner in terms of deformations as well as forces in structural elements. The analysis results show that the sheet pile walls which have a rectangular cross-section in the 2D model have much larger structural forces and 18% difference in displacement in comparison with modelling 3D plate elements. The study also reveals that the 2D model is just suitable for simulation of a straight layout of the sheet pile walls which is far from the corners 8m.
Keywords: Pre-stressed concrete sheet piles, numerical analysis, three dimensions, corner effects, PLAXIS 3D.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
Trong quá trình thiết kế và thi công kè bảo vệ bờ thì các vấn đề về chuyển vị của kết cấu, ổn định và biến dạng nền cần được quan tâm vì đó là những là yếu tố quan trọng quyết định nguy cơ tiềm ẩn rủi ro cho công trình chính và cả các công trình lân cận. Khi tính toán, thiết kế và mô phỏng công trình trước khi đưa vào thi công thực tế, các giá trị này cần phải nằm trong giới hạn cho phép. Việc tính toán và mô phỏng kè
* Bộ môn Kỹ thuật và Quản lý Tài nguyên nước, khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Email: haiyen.tran@hcmut.edu.vn
trước khi thi công là việc làm rất cần thiết và cần phải thận trọng. Việc mô hình sao cho đúng kết cấu của công trình sẽ quyết định đến việc ứng xử của kết cấu có đúng thực tế hay không.
Trong các giải pháp liên quan kè bảo vệ sông, với khả năng chịu lực tốt, dễ thi công và giá thành rẻ, kết cấu tường chắn bằng cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực (SW) [2] được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực và phù hợp cho nhiều loại công trình khác nhau như: bờ kè trục giao thông, đê, kè ven biển, kè ven sông,… Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) sở hữu những tính năng nổi bật như cường độ chịu lực cao nhờ tiết diện dạng sóng, đặc tính dự ứng lực làm cho độ cứng và
khả năng chịu lực của cọc ván tăng lên so với tường kè thông thường.
Bên cạnh đó, một câu hỏi đặt ra là đối với những tuyến kè không thẳng do điều kiện địa hình sông ảnh hưởng, chẳng hạn như những tuyến kè ở vị trí góc vuông, có thể xuất hiện ở những vị trí sông nhánh, ngã ba sông hay kênh rạch, thì ứng xử của kết cấu kè tại những vị trí này sẽ như thế nào. Do đó, nghiên cứu cũng sẽ tiến hành kiểm tra ứng xử của kết cấu trên các tuyến kè này, để xem xét hiệu ứng góc của kết cấu tại đây.
Hiện nay để tính toán hay dự đoán chuyển vị của cọc ván BTCT DƯL, phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS 2D là một lựa chọn ưu tiên với những thế mạnh về sự đơn giản trong mô phỏng, thời gian mô phỏng nhanh và kết quả trực quan [3,4,5,6,7] so với phương pháp giải tích [8]. Bên cạnh đó, trong đa phần các nghiên cứu trước đây, việc mô phỏng cọc ván thường quy về tiết diện đơn giản nên thường bỏ qua những ảnh hưởng đáng kể của tiết diện cọc ván đến các vấn đề như giảm chiều dài cọc, nội lực và chuyển vị. Điều này được cho là do việc mô phỏng đúng các kết cấu có hình dạng phức tạp đặc trưng, chẳng hạn như cọc ván BTCT DƯL, trong PLAXIS 2D là rất khó. Tuy nhiên, PLAXIS 3D [9] hoàn toàn có thể mô phỏng các kết cấu này, giúp cải thiện các hạn chế của PLAXIS 2D.
Trong nghiên cứu này, PLAXIS 3D được sử dụng để giúp mô phỏng gần giống nhất có thể hình dạng cọc ván BTCT DƯL. Từ đó xem xét cách ứng xử của cọc tại các vị trí tuyến kè khác nhau trong thực tế như tuyến kè thẳng, tuyến kè ở vị trí góc vuông.
Kết cấu tường chắn bằng cọc ván BTCT DƯL được mô phỏng trong nghiên cứu gồm:
Tuyến kè thẳng theo mô-đun 5m với tiết diện được quy đổi từ tiết diện cọc ván BTCT DƯL sang tiết diện dạng tấm (plate) tương đương theo các công thức đề nghị của [8];
Tuyến kè thẳng theo mô-đun 5m với tiết
diện cọc ván BTCT DƯL được mô phỏng giống như thực tế;
Tuyến kè ở vị trí góc vuông, có một cạnh dài 20m và cạnh còn lại dài 9m, được mô phỏng với tiết diện cọc ván BTCT DƯL giống như thực tế.
Từ đó, ứng xử của cọc ván được mô phỏng theo tiết diện quy đổi và của tiết diện cọc ván mô phỏng giống thực tế sẽ được so sánh. Ngoài ra, ứng xử của cọc ván BTCT DƯL khi bố trí tuyến kè ở vị trí góc vuông cũng được xem xét và đánh giá đúng khả năng chịu lực.
2. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Phân tích tham số mô hình
Mô hình sử dụng cọc ván SW600B - 1000 định hình (Hình 1), với các thông số như sau [2]:
+ Tiết diện : F = 2078 cm2
+ Mô men cho phép: M=590 kNm + Mác bê tông B25:
Rb = 14.5 MPa; Eb = 3e5 MPa.
+ Đặc trưng hình học tiết diện tính toán:
Itd = 797396 cm4.
Hình 1: Mặt cắt tiết diện cọc ván BTCT DƯL SW600
Mô hình được mô phỏng trên mặt cắt địa chất như Hình 2. Mặt cắt địa chất được xem như đại diện ở khu vực sông Sài Gòn. Cọc ván BTCT DƯL được thiết kế với chiều dài cọc là 23 m tựa trên nền đất sét pha (lớp đất 3) (Hình 2).
Hình 2: Mặt cắt địa chất của tuyến kè 2.2 Mô hình kết cấu kè trong PLAXIS 3D + Mô hình 1: Tuyến kè thẳng theo mô- đun 5m với tiết diện được quy đổi từ tiết diện cọc ván BTCT DƯL sang tiết diện dạng tấm (plate) 2D tương đương theo các công thức đề nghị của [1] (Hình 3). Đây cũng là phương pháp quy đổi được sử dụng trong hầu hết các mô phỏng cọc ván BT DƯL trong PLAXIS hay trong các mô hình địa kỹ thuật khác.
Cọc ván BTCT DƯL dạng sóng được quy đổi qua tiết diện tấm (plate) dựa vào momen quán tính tương ứng của cọc ván.
Momen quán tính này sẽ được quy đổ i tương đương với momen quán tính cho tiết diện hình chữ nhật với kích thước b x d theo công thức sau:
d =
trong đó, I là giá trị moment quán tính của cọc ván, b là bề rộng cọc ván cũng là bề rộng của tiết diện hình chữ nhật quy đổi, d là bề dày tiết diện này. Thông số khai báo tiết diện cọc quy đổi được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1: Thông số khai báo cọc ván
Thông số Tiết diện dạng sóng
Tiết diện quy đổi HCN Bề dày
d (m) 0,16 0,4576
Mô đun đàn hồi
E (kN/m2) 3e7 3e7
(kN/m3) 24,5 24,5
+ Mô hình 2: Tuyến kè thẳng theo mô-đun 5m với tiết diện cọc ván BTCT DƯL được mô hình dưới dạng sóng như thực tế (Hình 4).
Đây cũng chính là cách mô phỏng đề nghị trong nghiên cứu này để tăng tính chính xác của mô hình.
+ Mô hình 3: Kè cọc ván BTCT DƯ L được mô hình dưới dạng só ng như thực tế, dành cho tuyến kè ở vị trí góc vuô ng (Hình 5).
Hình 3: Mặt cắt và mô phỏng cọc ván của mô hình 1
Hình 4: Mặt cắt và mô phỏng cọc ván của mô hình 2
Hình 5: Mặt cắt và mô phỏng cọc ván của mô hình 3
Thông số khai báo cọc ván cho các mô hình trong PLAXIS 3D được trình bày ở Bảng 2.
Bảng 2: Thông số khai báo cọc ván của 3 mô hình
Thông số Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Mối nối trong mô hình 2 và 3
Loại cọc ván SW600 SW600 SW600 SW600
Chiều dài (m) 23 23 23 23
Masterial type Elastic Elastic Elastic Elastic
Bề dày d (m) 0,4576 0,16 0,16 0,16
(kN/m3) 24,5 24,5 24,5 24,5
Mô đun E1 3,00E+07 3,00E+07 3,00E+07 1,50E+07
Mô đun E2 3,00E+07 3,00E+07 3,00E+07 1,50E+07
Mô đun G13 1,50E+07 1,50E+07 1,50E+07 7,5E+06
Mô đun G23 1,50E+07 1,50E+07 1,50E+07 0
Hệ số Poisson ν12 0,2 0,2 0,2 0
2.3. Mô hình địa chất trong PLAXIS 3D
Thông số địa chất của các lớp đất khai báo trong PLAXIS 3D được trình bày ở Bảng 3.
Bảng 3: Các thông số địa chất được khai báo trong PLAXIS 3D
Lớp đất
Lớp 1: Cát hạt mịn,
rời
Lớp 2: Bùn hữu cơ
Lớp 3: Sét pha, dẻo
cứng
Lớp 4:
Cát hạt mịn, chặt vừa, chặt
Lớp 5: Sét lẫn bụi cát, dẻo mềm.
Lớp 6: Cát pha nhẹ hạt mịn, chặt – chặt
vừa
Mô hình HSM
Drained
HSM UnDrained
HSM UnDrained
HSM Drained
HSM UnDrained
HSM Drained
Bề dày (m) 4,00 5,00 14,00 2,00 7,00 12,00
unsat (kN/m3) 18,69 14,25 18,20 19,07 18,02 19,87
sat (kN/m3) 19,16 15,03 18,24 19,80 18,24 20,52 E50ref (kN/m2) 5368 19057 20979 21497 34972 56040 Eoedref
(kN/m2) 5368 19057 20979 51000 34972 66667 Eurref
(kN/m2) 16104 57171 62937 153000 104916 200000
Pref (kN/m2) 50 200 200 200 400 400
m 0,5 1 1 0,5 1 0,5
ur 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
c (kN/m2) 4,5 17,8 32,0 18,0 32,0 18,4
φ (độ) 26,60 18,45 23,50 31,73 23,50 33,10
Ψ (độ) 0,00 0,00 2,00 0,00 0,00 33,10
Rinter 0,9 0,85 0,85 0,75 0,9 0,75
kz (m/day) 6,84E-09 2,36E-08 6,87E-08 1,52E-07 6,87E-07 1,67E-07 kx = ky (m/day) 3,06E-05 4,72E-08 1,37E-07 3,04E-07 1,37E-06 3,34E-07
Hình 6a: Mô hình 1: tuyến kè thẳng theo mô-đun 5m với tiết diện được quy đổi trong
PLAXIS 3D Hình 6b: Mô hình 1 cận cảnh
Hình 7a: Mô hình 2: tuyến kè thẳng theo mô-đun 5m với tiết diện cọc ván BTCT DƯL
như thực tế trong PLAXIS 3D
Hình 7b: Mô hình 2 cận cảnh
Hình 8a: Mô hình 3: tuyến kè ngay vị trí góc vuông với tiết diện cọc ván BTCT DƯL như
thực tế trong PLAXIS 3D
Hình 8b: Mô hình 3 cận cảnh
Hình 6a và 6b thể hiện mô hình 1 được mô phỏng trong PLAXIS 3D. Hình 7a và 7b thể hiện mô hình 2. Hình 8a và 8b thể hiện mô hình 3.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mô hình 1 và mô hình 2
Kết quả phân tích chuyển vị của đất nền của mô hình 1 và mô hình 2 được thể hiện trên Hình 9 và Hình 10.
Hình 9: Chuyển vị đất nền của mô hình 1
Hình 10: Chuyển vị đất nền của mô hình 2
Hình 11 thể hiện so sánh chuyển vị ngang lớn nhất của mô hình 1 (u1 = 8.5mm) lớn hơn chuyển vị ngang của mô hình 2 (u2 = 7mm), mặc dù độ cứng quy đổi của tường kè trong mô hình 1 tương đương với độ cứng của tường kè thực trong mô hình 2 nhưng vẫn có sự sai khác (18%) về chuyển vị ngang của hai cách mô hình tường kè. Điều này cho thấy ứng xử của tường kè còn phù thuộc vào hình dạng tiết diện của tường kè. Đây cũng là minh chứng cho khả năng chịu lực của cọc ván với tiết diện dạng sóng tốt hơn so với tường kè thông thường.
Hình 11: Kết quả chuyển vị của kết cấu trong mô hình 1 và mô hình 2
Hình 12: Nội lực M22 của mô hình 1
Hình 13: Nội lực M22 của mô hình 2
Hình 14: Nội lực M22 tại mặt cắt ở vị trí ngay giữa của mô hình 1 và mô hình 2
Hình 15: Nội lực Q23 của mô hình 1
Hình 16: Nội lực Q23 của mô hình 2
Hình 12, 13 và 14 cho thấy giá trị mô men uốn của mô hình 1 (M1 = 467 kN.m/m) lớn hơn mô hình 2 (M2 = 4 kN.m/m), gấp 116 lần. Hình
15 và Hình 16 cho thấy giá trị lực cắt của tường kè trong mô hình 1 (Q1 = 147 kN/m) lớn gấp 4 lần trong mô hình 2 (Q2 = 38 kN/m). Các giá trị nội lực trong mô hình 1 (tường kè quy đổi) lớn hơn rất nhiều so với mô hình 2 (tường kè thực), điều này cho thấy giá trị nội lực của tường kè quy đổi sẽ sai khác rất nhiều so với tường kè ngoài thực tế, do tường kè quy đổi chưa xem xét đến ứng xử của tiết diện hình học tường kè ngoài thực tế với đất nền.
3.2. Mô hình 3
Hình 17 thể hiện chuyển vị đất nền của mô hình 3, mô hình kè ở vị trí góc vuông với tiết diện cọc ván BTCT DƯL như thực tế.
Từ kết quả phân tích chuyển vị ngang của tường kè trên Hình 18 và Hình 19 ta thấy rằng chuyển vị ngang lớn nhất ở phạm vị giữa tường và giá trị chuyển vị ngang giảm dần khi tiến vào góc tường kè. Điều này xảy ra là do hiệu ứng góc của tường kè, tại góc tường kè có sự tương tác của hai đoạn tường giao nhau giúp độ cứng tường kè lớn hơn và áp lực đất tác động lên góc tường kè bị phân tán theo hai chiều không gian. Do vậy, ta có thể giảm bớt chiều dài tường kè không cần thiết ở góc theo sơ đồ chuyển vị của tường kè trên Hình 19 để tiết kiệm và kinh tế hơn.
Hình 17: Chuyển vị của kè trong mô hình 3
Hình 18: Chuyển vị theo phương y của mô hình 3
Hình 19: Chuyển vị theo phương y của cạnh dài tường kè ở vị trí góc vuông trong mô hình 3
Hình 20: Chuyển vị Uy của cọc ván trên tuyến cạnh dài ở mặt cắt có cao độ -0.5m
Hình 21: Chuyển vị Ux của cọc ván trên tuyến cạnh ngắn ở mặt cắt có cao độ -0.5m
Khi khảo sát chuyển vị của tường kè theo phương ngang ở cao độ (-0.5m), là cao độ có biến dạng nhiều nhất như Hình 20 và Hình 21, chuyển vị của tường kè tương đương nhau ở phạm vi 8m đến 20m. Từ phạm vi 8m đến góc tường kè 0m thì giá trị chuyển vị ngang của tường kè giảm dần khi tiến sát vào góc tường kè. Như vậy, tường kè chỉ làm việc đúng theo mô hình 2D (1m/chiều dài tường) trên đoạn tường kè lớn hơn 8m tính từ góc và để phân tích được đoạn tường kè từ góc tường kè ra 8m, cần phải mô phỏng 3D mới thể hiện rõ sự thay đổi của chuyển vị tường kè ở góc.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Từ những phân tích ứng xử của tường kè cọc ván BTCT DƯL theo các mô hình 2D quy đổi tương đương và mô hình 3D hình dạng tường kè thực, tác giả có những kết luận và kiến nghị như sau:
- Mô hình tường kè quy đổi tương đương theo bài toán phẳng liên tục 2D cho kết quả nội lực lớn hơn rất nhiều so với mô hình tường kè thực. Do tường kè quy đổi chưa xem xét đến ứng xử của tiết diện hình học dạng sóng của tường kè cọc ván ngoài thực tế với đất nền.
- Chuyển vị ngang của tường kè quy đổi tương đương có sự sai khác với mô hình tường kè thực (18%). Điều này cho thấy ứng xử của
tường kè còn phù thuộc vào hình dạng tiết diện của tường kè (mặt tiếp xúc của tường kè thực với đất nền lớn hơn tường kè quy đổi).
Thực tế kết quả phân tích chuyển vị ngang tường kè theo cách quy đổi tương đương theo mô hình 2D luôn cho kết quả chuyển vị lớn và sai khác nhiều so với kết quả quan trắc ngoài hiện trường.
- Phân tích 2D đối với tường kè chỉ phù hợp cho đoạn tường liên tục cách góc tường kè một đoạn 8m. Trong đoạn góc của tường kè có xuất hiện hiệu ứng góc, do đó cần phân tích theo mô hình 3D mới đánh giá đúng ứng xử của tường kè. Đối với những tuyến kè tại các vị trí đặc biệt như tại khúc sông nhánh, ngã ba sông, kênh rạch, khi mô phỏng tuyến kè cần mô phỏng đúng tiết diện thực của cọc ván BTCT DƯL để có kết quả ứng xử cọc chính xác hơn và giá trị chuyển vị cũng như nội lực ít sai số hơn.
Đối với việc mô phỏng đúng tiết diện thực tế đem lại kết quả đáng tin cậy nhưng do tiết diện này được tạo bởi nhiều hệ tấm nên số lượng phần tử tính toán khá lớn, làm tăng thời gian xử lí bài toán. Bên cạnh đó, nghiên cứu vẫn còn thiếu số liệu thực tế để so sánh với kết quả mô phỏng. Do đó, hướng nghiên cứu tiếp theo có thể thực hiện đó là mô hình hóa kết hợp với đo đạc chuyển vị của tường chắn ngoài hiện trường để kiểm tra và hiệu chỉnh mô hình, đưa đến số liệu đáng tin cậy.
Lời cảm ơn
Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ thờ gian và phương tiện vật chất cho nghiên cứu này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Plaxis 2D Manual.
[2] Tiêu chuẩn JISA5373:2004.
[3] Nguyễn Thành Đạt, Nguyễn Hải Dương, Trần Giang Nam. “Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đất yếu tới chiều dài cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực cho công trình đường và kè ven sông qua việc tính tóan bằng phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 8.2”. Tạp chí khoa học công nghệ giao thông vận tải, số 19 - 05/2016.
[4] Trần Tuấn Anh, Lê Văn Nam, Võ Quyết.
“Nghiên cứu phương pháp thiết kế ổn định bờ kè sông, trong điều kiện thủy triều dâng hạ trong ngày”. Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 11 Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, ĐH Bách Khoa TPHCM. 21-23/10/2009.
[5] Nguyễn Bảo Việt. “Cọc ván cừ bê tông cốt thép dự ứng lực, khả năng ứng dụng vào công trình kè trên nền đất yếu”. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015.
[6] Lê Xuân Khâm. Nghiên cứu ứng dụng màn cừ bê tông cốt thép dự ứng lực để bảo vệ bờ sông trong các khu đô thị. Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường - số 43 (12/2013).
[7] Calejo, J. B. G. A. (2015). 3D modelling of sheet pile corner in difficult ground conditions.
[8] Đỗ Tấn Long. Nghiên cứu sử dụng hợp lý cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực (lưu vực đồng bằng sông Cửu Long). Luận văn. Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, ĐH Bách Khoa TPHCM.
[9] Plaxis 3D Manual.
Người phản biện: TS. NGUYỄN VIỆT TUẤN
