Phân tích ứng xử hố đào sâu trong nền sét bão hõa nước bằng phương pháp FEM

 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 4 
PHÂN TÍCH ỨNG XỬ HỐ ĐÀO SÂU TRONG NỀN SÉT 
BÃO HÕA NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP FEM 
LẠI VĂN QUÍ*, HUỲNH QUỐC THIỆN** 
TRÀ HỮU THỜI**, TRẦN DUY TÂN*** 
Finite Element Method (FEM) for Analing behavior of a deep 
excavation in soft clay 
Abstract: The paper uses Plaxis 2D with some soils modelling (Mohr-
Coulomb, Hardening Soil) for predicting behavior of deep excavation in 
saturead soft clays. The prediction data are compared with mesuring in 
field and find out that hardening soil modell seems the most fitting. 
1. GIỚI THIỆU * 
Chuyển vị của tƣờng chắn đất trong bài 
toán hố đào sâu là một trong những vấn đề 
quan trọng vì nó ảnh hƣởng đến ổn định hố 
đào sâu, c ng nhƣ các công trình lân cận 
Chuyển vị ngang tƣờng chắn và ổn định hố 
đào sâu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau 
nhƣ địa chất, độ cứng của tƣờng chắn và hệ 
thanh chống, c ng nhƣ ảnh hƣởng của tải 
trọng và các yếu tố khác 
Hiện tại việc d đoán chuyển vị của tƣờng 
chắn trong thi công hố đào sâu cho những d án 
th c tế, c ng nhƣ các nghiên cứu thƣờng đƣợc 
sử dụng bằng phần mềm phần tử hữu hạn, 
Plaxis 1-11 Trong đó, các mô hình đất thƣờng 
đƣợc áp dụng nhất: Mô hình Mohr Coulomb 
(MC), mô hình Hardening Soil (HS) Kèm theo 
đó là các phƣơng pháp phân tích ứng xử của đất 
không thoát nƣớc theo phƣơng pháp ứng suất 
hữu hiệu gọi là Undrained , Undrained B và 
phân tích theo ứng suất tổng gọi là Undrained C 
Tuy nhiên trong các nghiên cứu gần đây ở Việt 
Nam 12-14 , v n chƣa có nghiên cứu, đánh giá 
* Kh Th y D g T g i học Bách 
Khoa - i học Q c Gi Th h ph Hồ Chí Mi h 
** T g i học D y T - Nẵ g 
*** T g i học Gi Thô g V tải Th h ph 
Hồ Chí Mi h 
ƣu nhƣợc điểm của các mô hình đất khác nhau, 
c ng nhƣ l a chọn loại phân tích phù hợp cho 
ứng xử của đất bùn sét yếu 
Do đó, trong bài báo này tập trung nghiên 
cứu, đánh giá các mô hình đất và phân tích ứng 
xử của đất sét bão hòa nƣớc để có thể d đoán 
chính xác chuyển vị ngang của tƣờng chắn hố 
đào sâu trong đất yếu khu v c thành phố H Chí 
Minh Từ đó, l a chọn mô hình tính toán và 
phƣơng pháp phân tích phù hợp nhất với mục 
tiêu d đoán chính xác chuyển vị ngang của 
tƣờng chắn trong đất yếu 
2. CÁC MÔ HÌNH VẬT LIỆU 
2.1. Mô hình Mohr-Coulomb 
Mô hình Mohr-Coulomb là mô hình đất cơ 
bản và phổ biến với ứng xử đàn h i - d o lý 
tƣởng và sử dụng tiêu chuẩn phá hoại của Mohr-
Coulomb Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng 
của mô hình Mohr-Coulomb đƣợc thể hiện 
Hình 1 Các thông số của mô hình bao g m: 
Thô g hồi: 
E: Mô đun đàn h i Young (kN m2) 
 : Hệ số poison 
Thô g há h i d : 
c': L c dính hữu hiệu (kN m2) 
 ': Góc ma sát trong hữu hiệu (độ) 
 : Góc giãn nở (độ) 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 5 
Hình 1. Q hệ giữ ứ g ấ v biế d g 
trong mô hình Mohr-Coulomb 
2.2. Mô hình Hardening Soil 
Mô hình tăng bền đ ng hƣớng Hardening Soil 
(HS) là mô hình đất nâng cao dùng để mô phỏng 
ứng xử của nhiều loại đất khác nhau, dành cho cả 
đất mềm và đất cứng Tăng bền cắt dùng để mô 
phỏng các biến dạng không h i phục của đất nền 
khi chịu ứng suất lệch (ứng suất cắt) ban đầu 
Tăng bền nén dùng để mô phỏng các biến dạng 
không h i phục của đất nền khi chịu tải nén 1 
trục ban đầu (nén cố kết hay nén đ ng hƣớng) 
Các thông số mô hình bao g m: 
c': L c dính hữu hiệu (kN m2) 
 ': Góc ma sát trong hữu hiệu (độ) 
E50: Mô đun cát tuyến từ thí nghiệm nén 3 
trục cố kết thoát nƣớc (kN m2) 
Eoed: Mô đun tiếp tuyến từ thí nghiệm nén cố 
kết (kN m2) 
Eur: Độ cứng gia và dở tải (kN m
2
) 
m: Hệ số m 
 ur: Hệ số poisson gia và dở tải 
pref: Áp l c tham chiếu (kN m
2
) 
Hình 2. M d g hô g gi ứ g ấ 
chí h c ô h h H de i g S i 
2.3. P t t át ớ với ứ 
suất ữu iệu (U drai ed-Couple Analysis) 
Phân tích Undrained đƣợc sử dụng nhằm 
mục đích xem xét ứng xử của đất nền theo ứng 
suất hữu hiệu, có kể đến quá trình phát triển áp 
l c nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ trong đất theo lý 
thuyết cố kết của Terzaghi: σ=σ’+σw 
P á ( t t e ứ suất 
 ữu iệu) U drai ed 
Ứng xử vật liệu: Undrained 
Thông số sức chống cắt hữu hiệu: c’, ’, ’ 
Thông số độ cứng hữu hiệu: E50’, ’ 
P á ( t t e ứ suất 
 ữu iệu) U drai ed 
Ứng xử vật liệu: Undrained 
Thông số sức chống cắt không thoát nƣớc 
c=cu, =0, =0 
Thông số độ cứng hữu hiệu: E50’, ’ 
P á C ( t t e ứ suất 
tổ ) U drai ed C 
Thông số sức chống cắt không thoát nƣớc 
(ứng suất tổng) c=cu, =0, =0 
Thông số độ cứng không thoát nƣớc: 
Eu, u =0.495 
Nếu không muốn sử dụng tu chọn 
Undrained trong Plaxis để phân tích ứng xử 
không thoát nƣớc, chỉ có thể mô phỏng ứng xử 
không thoát nƣớc bằng cách chọn kiểu vật liệu 
Non-porous và nhập tr c tiếp thông số đàn h i 
không thoát nƣớc và thông số sức chống cắt 
không thoát nƣớc 
2.4. P t t át ớ với ứ suất ữu 
 iệu (Drai ed-Uncouple Analysis) 
Phân tích Drained đƣợc sử dụng nhằm mục 
đích không phát sinh áp l c nƣớc lỗ rỗng thặng 
dƣ trong đất nền Đất và nƣớc đƣợc xem nhƣ 1 
vật liệu duy nhất đang chịu tải (không liên quan 
gì đến thoát nƣớc) Phân tích Drained chủ yếu 
áp dụng cho các loại đất rời (thoát nƣớc nhanh) 
và ứng xử lâu dài của đất sét 
3. TỔN QU N DỰ N 
Vị trí d án căn hộ The Golden Star nằm 
giữa trung tâm phát triển năng động và hiện đại 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 6 
D án tọa lạc tại vị trí vàng quận 7 mặt tiền số 
72 đƣờng Nguyễn Thị Thập Phối cảnh và vị trí 
d án đƣợc thể hiện ở Hình 3. 
Hình 3. Vị í d á 72 Ng yễ Thị Th 
q 7 
Hình 4. ích h ớc h h học c cô g h 
Hình 5. M b g hiệ g x g q h d á 
D án căn hộ The Golden Star với quy mô 2 
tầng hầm có diện tích hầm hơn 4500m2. Móng 
đại trà có cao độ trung bình là -6,65m, hố pít là -
9,65m. Kích thƣớc hình học chính của công 
trình có thể đƣợc thể hiện ở Hình 5 và Hình 6, 
thể hiện mặt bằng hiện trạng và mặt cắt ngang 
sẽ phân tích trong bài báo này 
Hình 6. M c h h học g h h hiệ 
 c g 
Trình t thi công mô phỏng trong Plaxis bao 
g m các bƣớc nhƣ sau: 
Bƣớc 1: Kích hoạt tải bề mặt 
Bƣớc 2: Thi công ép cừ 
Bƣớc 3: Đào đất đến cao độ -1,3mGL 
Bƣớc 4: Lắp hệ giằng H350 cao độ -0,8mGL 
Bƣớc 5: Đào đất đến cao độ -4,05mGL 
Bƣớc 6: Lắp hệ giằng H400 cao độ -3,5mGL 
Bƣớc 7: Đào đất đến cao độ đáy móng đại trà 
-6.65mGL 
Bƣớc 8: Thi công ép cừ 9m khu v c hố pít 
Bƣớc 9: Thi công sàn và móng đại trà xung 
quanh hố pít, lắp hệ giằng H350 
Bƣớc 10: Đào đất khu v c hố pít đến cao 
trình -9.65mGL 
Bƣớc 11: Thi công móng l i thang khu v c 
hố pít và thi công full sàn B2 
D a và mặt bằng d án, trình t thi công, tải 
bề mặt, các lớp đất và d a vào cách xác định 
điều kiện biên bên trên để th c hiện mô hình mô 
phỏng nhƣ Hình 7. 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 7 
Hình 7. M t c t mô phỏng 
4. BÀI TOÁN PHÂN TÍCH 
Trong mô hình Plaxis có các phƣơng pháp 
phân tích undrained khác nhau. Bài toán phân 
tích sử dụng mô hình Hardening Soil theo 
phƣơng pháp phân tích undrained và phƣơng 
pháp undrained B phục vụ cho việc tính toán 
biện pháp thi công hố đào sâu đƣợc sử dụng cho 
d án này nhằm mục đích so sánh kết quả phân 
tích thu đƣợc với kết quả quan trắc th c tế tại 
hiện trƣờng Ngoài ra tác giả còn sử dụng 
phƣơng pháp undrained C để làm bài toán phân 
tích ngƣợc để chọn ra thông số tối ƣu cho địa 
chất khu v c c ng nhƣ so sánh đánh giá kết quả 
tính toán với các phƣơng pháp khác nhau 
4.1. P t u ể vị a t ờ ắ 
 ằ Harde i S i t e 
 á t U drai ed 
 ả 1. ả tổ ợ á t số địa 
t e á U drai ed 
Thông số địa chất sử dụng trong phần mềm 
Plaxis theo phƣơng pháp Undrained cho lớp 
bùn sét yếu (lớp 1 bùn sét d o chảy) là thông số 
hữu hiệu đƣợc xác định từ thí nghiệm 3 trục 
CU. Bảng 1 tổng hợp các thông số địa chất theo 
phƣơng pháp phân tích Undrained 
4.2. P t u ể vị a t ờ ắ 
 ằ Harde i S i t e 
 á t U drai ed 
 ả 2. ả tổ ợ á t số 
t t á t e á 
Thông số địa chất của lớp bùn sét yếu theo 
phƣơng pháp phân tích Undrained B đƣợc xác 
định từ thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng Sức 
chống cắt không thoát Su lấy từ kết quả thí 
nghiệm cắt cánh Giá trị độ cứng của đất đƣợc 
lấy theo tƣơng quan E=(100-300)Su tăng theo 
độ sâu Lớp bùn sét yếu dày 20m đƣợc chia là 3 
lớp nhỏ mỗi lớp dày 7m từ lớp 1,1 đến lớp 1,3. 
Mục đích chia nhỏ để đƣa thông số sức chống 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 8 
cắt không thoát nƣớc Su vào một cách sát với 
th c tế vì có s thay đổi giá trị Su theo độ sâu 
lớn Bảng 2 thể hiện các thông số nhập vào mô 
hình phân tích theo phƣơng pháp Undrained B 
cho lớp bùn sét yếu và các lớp còn lại tƣơng t 
nhƣ Bảng 1 
C ng tƣơng t nhƣ phƣơng pháp Undrained 
B, thông số địa chất cho phƣơng pháp 
Undrained C c ng đƣợc xác định từ thí nghiệm 
cắt cánh hiện trƣờng và công thức độ cứng theo 
tƣơng quan E=(100-300)Su Lớp đất bùn sét yếu 
đƣợc chia làm 4 lớp Giá trị Su và E đƣợc biểu 
diễn tăng theo độ sâu nhờ sử dụng những thông 
số nâng cao trong mô hình Morh-Coulomb. 
Bảng 3 thể hiện thông số đất cho phƣơng pháp 
Undrained C. 
 ả 3. ả tổ ợ á t số 
 t t á t e á C 
5. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 
Kết quả chuyển vị ngang của cừ giai đoạn 
đào đất đến -9,65m theo phƣơng pháp phân tích 
Undrained và Undrained B lần lƣợt đƣợc thể 
hiện ở Hình 8 và Hình 9. 
Hình 8. Chuy n vị ngang cừ Ux=15,1cm 
(HS Undrained A) 
Hình 9. Chuy n vị ngang cừ Ux=19,2cm 
 (HS Undrained B) 
Kết quả d đoán ứng xử của hố đào sâu bằng 
mô hình HS theo 2 phƣơng pháp phân tích 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 9 
Undrained và B đƣợc tổng hợp và so sánh với 
kết quả quan trắc th c tế thể hiện ở Bảng 4, bao 
g m chuyển vị ngang của cừ, nội l c hệ giằng 1 
và hệ giằng 2, lún nền và hệ số ổn định tổng thể 
 ả 4. S sá t t t á iữa á 
 á và qua trắ t ự t 
Kết quả so sánh Bảng 4 cho thấy phƣơng 
pháp Undrained sử dụng thông số hữu hiệu 
từ thí nghiệm CU cho kết quả chuyển vị và độ 
lún d đoán nhỏ hơn kết quả quan trắc th c tế, 
chuyển vị cừ tính toán theo phƣơng pháp là 
15,1cm trong khi quan trắc là 18,9cm, điều này 
thiên về nguy hiểm, nội l c hệ giằng theo 
phƣơng pháp phân tích này sẽ lớn hơn th c tế 
do cừ chuyển vị lớn hơn d đoán Phƣơng pháp 
phân tích Undrained B cho kết quả chuyển vị 
cừ và lún nền gần sát quan trắc hơn, sai số là 
nhỏ hơn 5% 
Căn cứ vào sức chống cắt không thoát nƣớc 
Su từ 2 thí nghiệm CU và cắt cánh VST ở 
Hình 10 Sức chống cắt không thoát nƣớc từ 
thí nghiệm trong phòng đang lớn hơn sức 
chống cắt từ thí nghiệm hiện trƣờng Điều đó 
d n tới kết quả d đoán theo phƣơng pháp 
Undrained nhỏ hơn giá trị quan trắc đƣợc 
Vì vậy việc tính toán theo thí nghiệm trong 
phòng ở d án này chƣa đảm bảo Ngoài ra, 
kết hợp với hệ số quá cố kết OCR theo độ sâu 
Hình 11, nhận thấy lớp mặt từ 0-8m là đất quá 
cố kết với hệ số (OCR>1), tuy nhiên từ độ sâu 
8m đến độ sâu 21m là đất chƣa cố kết bởi 
trọng lƣợng bản thân (OCR<1) nên việc tính 
toán theo phƣơng pháp đang thiếu an toàn 
vì chƣa xét đến hệ số cố kết OCR Phƣơng 
pháp B sức chống cắt không thoát nƣớc Su 
đƣợc đƣa tr c tiếp vào mô hình nên không bị 
ảnh hƣởng bởi hệ số OCR Do đó tính toán 
theo phƣơng pháp phân tích Undrained B đảm 
bảo đƣợc giá trị Su đúng với th c tế của đất, 
không phụ thuộc vào điều kiện cố kết 
Phƣơng pháp phân tích Undrained tính 
toán sức chống cắt Su và độ cứng phụ thuộc vào 
trạng thái ứng suất ban đầu với hệ số OCR luôn 
lớn hơn 1 Điều kiện của phƣơng pháp phân tích 
Undrained đƣợc xem nhƣ là đất cố kết 
thƣờng, đối với trƣờng hợp đất chƣa cố kết nhƣ 
đã phân tích trong trƣờng hợp này là không phù 
hợp và thiên về trạng thái không an toàn Đối 
với trƣờng hợp đất yếu có hệ số OCR < 1 tính 
toán theo phƣơng pháp chƣa đủ độ tin cậy, 
nhiều trƣờng hợp đất yếu chƣa cố kết bởi trọng 
lƣợng bản thân thì dễ gây ra nhầm l n trong việc 
ƣớc lƣợng giá trị Su ban đầu của đất d n đến kết 
quả d đoán nhỏ hơn th c tế quan trắc đƣợc 
Việc l a chọn phƣơng pháp thiết kế cho 
công trình này cần d a trên các yếu tố nhƣ sức 
chống cắt không thoát nƣớc Su, hệ số quá cố 
kết OCR để đánh giá mức độ an toàn của 2 
phƣơng pháp trên, từ đó l a chọn phƣơng 
pháp thích hợp 
Hình 10. Giá ị ức ch g c hô g h á 
 ớc he 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 10 
Hình 11. Hệ OCR he 
Kết quả phân tích tính toán ứng với từng giai 
đoạn theo cả 3 Phƣơng pháp: Phƣơng pháp , 
Phƣơng pháp B, Phƣơng pháp C và kết quả 
quan trắc th c tế đƣợc so sánh trên cùng một 
biểu đ Hình 12 và Hình 13. 
Hình 12. S á h ế q ả 3 h ơ g há 
 Gi i -6,65mGL) 
Hình 13. S á h ế q ả 3 h ơ g há 
 Gi i -9,65mGL) 
Kết quả so sánh ở Hình 12 và Hình 13 cho 
thấy rằng cả 2 phƣơng pháp phân tích 
Undrained B bằng mô hình HS và Undrained C 
bằng mô hình MC cho kết quả tƣơng đ ng với 
nhau và tƣơng đ ng với kết quả quan trắc th c 
tế Đặc điểm chung khi sử dụng 2 phƣơng pháp 
này là giá trị sức chống cắt không thoát nƣớc Su 
của đất bùn sét bão hòa nƣớc đƣợc đƣa tr c tiếp 
vào mô hình từ kết quả thí nghiệm xác định sức 
kháng cắt tại hiện trƣờng Độ cứng đất bùn sét 
yếu E=(100-300)Su, giá trị E tăng theo độ sâu 
6. KẾT LUẬN 
Phƣơng pháp phân tích Undrained với mô 
hình Hardening Soil không phù hợp sử dụng để 
phân tích ứng xử của đất bùn sét yếu có hệ số cố 
kết OCR < 1 
Phƣơng pháp phân tích Undrained B với mô 
hình Hardening Soil và Undrained C với mô hình 
Morh Coulomb phù hợp để phân tích ứng xử của 
đất bùn trong mọi trƣờng hợp của hệ số OCR 
Kết quả phân tích d án Golden Star cho kết quả 
d đoán chuyển vị cừ sát với th c tế quan trắc 
đƣợc Phân tích thiên về an toàn và là cơ sở tốt 
để áp dụng phƣơng pháp phân tích ngƣợc 
Quan trắc 
Quan trắc 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2021 11 
Đối với đất bùn sét yếu việc xác định sức 
kháng cắt không thoát nƣớc Su từ thí nghiệm cắt 
cánh hiện trƣờng là quan trọng khi hệ số 
OCR<1 Tƣơng quan giữa Mô đun đàn h i E và 
sức chống cắt không thoát nƣớc Su có thể chọn 
E= (100-300) Su. Trong tính toán nên phân chia 
lớp bùn sét dày thành các lớp bùn sét nhỏ khác 
nhau và lấy độ cứng E tăng theo độ sâu tƣơng 
ứng với 100Su, 200Su, 300Su 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Burland, J B (1965) The yieding and 
dilation of clay correspondence, 
Geotechnique, 15(1), 211-214. 
2. Banerjee, P. K., & Butterfield, R. (Eds.). 
(1991) dvanced Geotechnical nalyses 
Developments in Soil Mechanics and 
Foundation Engineering-4. CRC Press. 
3. Chang-Yo Ou (2006), Deep Excavation - 
Theory and Practice, Taylor & Francis Group 
London. 
4. Zhang, W., Li, Y., Goh, A. and Zhang, R. 
2020. "Numerical study of the performance of 
jet grout piles for braced excavations in soft 
clay." Computers and Geotechnics 124: 103631. 
5. Hung, N. K. and Phienwej, N. 2016. 
"Practice and experience in deep excavations in 
soft soil of Ho Chi Minh City, Vietnam." KSCE 
Journal of Civil Engineering 20(6): 2221-2234. 
6. Huynh, Q. T., Tran, V. T. and Nguyen, M. 
T. 2020. Analyzing the settlement of adjacent 
buildings with shallow foundation based on the 
horizontal displacement of retaining wall. 
Geotechnics for Sustainable Infrastructure 
Development, Springer: 313-320. 
7. Hòa Bình Group (2017), Hƣng Phát 3 
construction method statement, Ho Chi 
Minh City. 
8. Hu nh Quốc Thiện, Nguyễn Minh Tâm , 
Lê Trọng Nghĩa 2018 Phân tích chuyển vị giới 
hạn tƣờng vây theo mức độ ảnh hƣởng đến công 
trình lân cận, Tạp chí Xây D ng. 
9. Hu nh Quốc Thiện, Nguyễn Minh Tâm. 
2018 Ƣớc lƣợng module cát tuyến E50 của 
tầng cát dày khu v c quận 1, Tp. H Chí Minh 
bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí 
xây d ng. 
10. Lại Văn Quí, Hu nh Quốc Thiện, Đỗ 
Thanh Hải. 2020. Phân tích hiệu quả làm việc 
của hệ tƣờng chắn kết hợp- tƣờng vây và tƣờng 
cọc cắt- trong việc tăng chiều sâu tầng hầm. Tạp 
chí xây d ng. 
Ng i hả biệ : PGS, TS. NGUYỄN VĂN DŨNG