Nội dung

Một số suy nghĩ về tiếp cận các bài toán Địa kỹ thuật theo phương pháp và công nghệ hiện đại và hệ quả của nó Nguyễn Công Mẫn* About modern methodology for solving geotechnical npoblenis and its consequence Abstract: The paper introduces and analyses, in detail, a modern methodology for solving geotechnical problems using the Burland triangle. By analysing some of the outputs obtained from Geotechnical Numerical Model Softwares to solve geotechnical problems in the last seven years, the paper provides information on the as well as shortcomings of the numerical model tools and suggesting that the models have mostly shown its preeminence in addressing the problems. The paper also provides recommendations on how to actively and rationally make use of the geotechnical softwares to solve the geotechnical problems and projects for not only effectively contributing to scientific researches and in practices but also for discovering previously unknown physical processes so that to deepen knowledges of the users, aiming at accumulating more well-winnoved experiences suggested in the core of the Burland triangle. Finally, the paper recommends that it would be helpful to facilitate students to access to the geotechnical softwares, a numerical model tool, in order to exercise thinking and skill of research in the process of trainning himself. 1. Mở đầu Trong các bài báo công bố năm 1996[1], 1997[2], 1998[3], 1999[4] và 2000[5] tác giả đã tổng quan những phát triển trong lĩnh vực Địa kỹ thuật về mặt nghiên cứu khoa học – phục vụ sản xuất và đào tạo, đồng thời có nêu một số ý kiến về cải tiến giảng dạy - đào tạo về địa kỹ thuật tại Việt Nam. Bên cạnh đó, tác giả đã tận dụng quan hệ quốc tế tiếp nhận được một số phần mềm thương mại và đào tạo về Địa kỹ thuật để phổ biến ở Việt Nam, như SAGE CRISP (Anh, 11997) GEO-SLOPE OFFICE nay gọi là GEOSTUDIO 2004 (Canada, 12-1997 ) , PLAXIS (Hà Lan – 10 - 2001), TALREN (Pháp) và một số phần mềm Địa kỹ thuật phục vụ đào tạo như Trường Đại học Thủy lợi 177 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội. Tel/Fax: 8528512/8522201 CATIGE for Windows (Australia), bộ phần mềm của GS. A. Verruijt (IHE - Delfft) GeotechniCAL. do một nhóm 23 trường ĐH Anh lập. Tác giả cũng đã cộng tác với một số đồng nghiệp trong nước mở các lớp chuyên đề (23 lớp) để giới thiệu về Cơ học đất không bão hoà và cơ sở lý luận - sử dụng bộ phần mềm GEOSTUDIO 2004 cho các học viên cao học, các cán bộ kỹ thuật xây dựng tại các Viện nghiên cứu, Công ty Tư vấn xây dựng, đồng thời hướng dẫn một số học viên cao học làm luận án TS, ThS có khai thác các phần mềm GEOSTUDIO 2004, PLAXIS như những mô hình số để tiếp cận các vấn đề nghiên cứu của luận án. Ngoài ra, tác giả cũng được mời thẩm định – phản biện các đồ án thiết kế, luận án tiến sỹ, Thạc sỹ trong đó có sử dụng các phần mềm địa kỹ thuật nêu trên. Qua các hoạt động đó, tác giả đã có một số nhận thức thực tế về hiệu quả của việc áp dụng tiến bộ khoa học công nghệ Địa kỹ thuật trong thời gian vừa qua và rút ra được một số bài học thực tế. Trong bài báo này, tác giả muốn nêu một số ý kiến về những kết quả đó. 2. Tam giác Địa cơ học Burland và công nghệ hiện đại tiếp cận các bài toán ĐKT 2.1.Tam giác Địa cơ học Burland Năm 1987, Burland đã đọc Bài giảng Nash: “Giảng dạy Cơ học Đất – một quan điểm riêng” [6][7], trong đó đã nêu khái niệm về “Tam giác Cơ học Đất” và sau này đã được cải tiến thêm[8][9] (Hình1) nhằm làm sáng tỏ bốn nội dung khác nhau sau đây khi tiếp cận các bài toán về Cơ học Đất: e) Mặt cắt khối đất; f) Bản chất của đất; g) Mô hình hóa và phân tích; h) Kinh nghiệm tích lũy. Theo Burland, những khó khăn khi sinh viên và kỹ sư tiếp cận các bài toán Cơ học đất sẽ giảm đi khi bốn mặt nêu trên được nhận biết và làm rõ. Bốn nội dung này cần được tiếp cận riêng rẽ hợp lý, song chúng lại có liên quan chặt chẽ với nhau, do vậy nếu bảo đảm các mặt trên của “tam giác Cơ học Đất” được được đồng bộ - “cân bằng” (in balance) thì bất kỳ bài toán Cơ học Đất nào cũng sẽ được giải quyết thành công. Đất đá đều là các sản vật tự nhiên lịch sử, có các đặc điểm và phương pháp luận nghiên cứu tương tự nhau, do vậy theo tác giả bài báo này, có thể mở rộng khái niệm trên thành “Tam giác Địa cơ học ” Burland, dùng chung cho việc nghiên cứu – tiếp cận các bài toán trong cả hai môi trường đất và đá. Hình 1. Tam giác cơ học đất Burland (Tam giác Địa cơ học Burland - Theo đề nghị của tác giả bài báo) Mặt cắt đất đá - đỉnh 1 của tam giác. Khi tiếp cận bất kỳ bài toán địa cơ học nào, việc đầu tiên cần biết là mặt cắt địa chất. Quy phạm cũng đã quy định rõ ràng vần đề này. Để có được mặt cắt địa chất chuẩn xác, thường dùng các công cụ truyền thống như khoan đào, địa vật lý,.... Nếu có được 100% nõn khoan hay mẫu đất trong một hố khoan, và có được các trụ hình các hố khoan nêu trên với vị trí và khoảng cách bố trí hợp lý trong khu vực công trình, thì chắc chắn sẽ có được mặt cắt đất đá yêu cầu đủ tin cậy. Gần đây, phương pháp “3D Televiewer logging”[10] có thể cho thấy trạng thái của khối đất theo ba chiều nên rất thuận lợi cho việc lập trụ lỗ khoan (Hình 2). Song trên thực tế, do nhiều lý do khác nhau, nên đỉnh thứ nhất của tam giác trong một số trường hợp không được coi trọng, do vậy đã gây nhiều khó khăn và lãng phí trong xây dựng. Tính chất đất đá - đỉnh 2 của tam giác. Bao gồm các đặc trưng vật lý và cơ học của đất đá, thường được xác định trong phòng thí nghiệm, ở hiện trường hoặc suy từ thí nghiệm hiện trường qua các biểu thức bán kinh nghiệm. Hiện nay công nghệ đo điện tử, siêu âm và các phần mềm chuyên dùng cho thí nghiệm trong phòng và hiện trường đã giúp có được các số liệu đầu vào về tính chất cơ lý đáng tin cậy. Tuy nhiên đối với một số thông số cơ học theo mô hình Cam - Clay trong Cơ học Đất trạng thái tới hạn như M, (, k, (, v[11] hoặc theo mô hình đất không bão hòa như hàm thấm, (b, độ hút dính,... thì hiện nay ở trong nước chưa có điều kiện thực hiện. Trong phần mềm SEEP/W, hàm thấm đã được lập sẵn cho một số loại đất thường gặp[12], cán bộ địa kỹ thuật nhiều kinh nghiệm và thông thạo sử dụng phần mềm này có thể lựa chọn hợp lý cho bài toán của mình. Mô hình hóa - đỉnh 3 của tam giác. Mô hình hóa ở đây có thể là mô hình khái niệm, mô hình vật lý rút gọn hoặc ở tỷ lệ 1/1 hay giải tích. Hiện nay do sự phát triển mạnh của máy tính và các phần mềm chuyên dùng, nên vai trò của mô hình toán - giải tích đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp cận các bài toán Địa kỹ thuật. Cần chú ý rằng mô hình bao giờ cũng mang tính đơn giản hóa điều kiện thực tế, song lại phải mô phỏng sát đúng bản chất vật lý tới mức cần thiết, để có thể phản ảnh được những cơ chế cơ bản của thực tế. Nếu làm được vậy, mô hình số không chỉ giúp ta dự tính định lượng mà còn cho biết đầy đủ hơn quá trình và bản chất vật lý xảy ra trong tương tác giữa kết cấu và môi trường đất đá. Ttrước khi khoan phụt 0 5 10 Mật độ mở rộng vết nứt 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 15 20 25 30 35 40 (m) Hình 2. Khối đất trước và sau khoan phụt quan sát bằng Televiewer 3D. Kinh nghiệm tích lũy có chọn lọc - nhân của tam giác. Quan điểm Burland yêu cầu phải phân tích đánh giá tổng thể độ tin cậy ba thành phần trên trên cơ sở kinh nghiệm tích lũy có chọn lọc, đã tiếp nhận được trong thực tế nghề nghiệp của mình. Qua thử nghiệm trong thực tế, hiện nay tam giác Địa cơ học Burland đã được giới Địa kỹ thuật Quốc tế thừa nhận và hiện đang tiếp tục được bổ sung hoàn chỉnh cùng với sự phát triển của ngành học này[8][9]. 2.2.Phương pháp luận hiện đại nghiên cứu địa kỹ thuật Từ tam giác Địa cơ học Burland, có thể nêu sơ đồ tiếp cận các bài toán Địa kỹ thuật theo sơ đồ sau (Hình 2) 14.0m 14.0m Hình 3. Sơ đồ tiếp cận các bài toán Ssau khi khoan phụt 0 5 10 Mật độ Địa kỹ thuật Hình 4 nêu một ví dụ tiếp cận một bài toán phân tích thấm theo trình tự sơ đồ trên[12]. Để có được sự trùng khớp giữa kết quả phân tích và quan trắc nêu trên, cần xác định được đúng mặt cắt địa chất (đỉnh 1), hệ số thấm (đỉnh 2), chia lưới phần tử hợp lý và đặc biệt điều kiện biên như đã nêu (đỉnh 3), hay nói cách khác cần phải biết trừu tượng hóa để làm đơn giản hóa thực tế phức tạp. Trong ví dụ trên, mô hình số còn có thể phát triển tìm hệ các đường thấm, lưu lượng thấm qua một mặt cắt bất kỳ và họ các đường đẳng građien tùy theo yêu cầu của bài toán đặt ra. Hình 4. Sơ đồ giải bài toán thấm (John Krahn, 2003) 3. phân tích một số bài toán Địa kỹ thuật trong thực tế 3.1.Dùng phần mềm SEEP/W V.5 kiểm tra bài toán thấm qua tường cừ Qua thí nghiệm mô hình tường cừ, Craig (1995)[14] đã cho biết, khối đất ABCD kề bên tường cừ phía hạ lưu, có bề rộng d/2 dễ bị mất ổn định về thấm và không chống đỡ nổi tường do gradien cột nước thẳng đứng JV hướng lên gây ra (Hình 5 ). I Mặt cắt d/2 h=0 A E G F B d D C D C JV J II Hệ số Hình 5 Tường cừ d = 4m 5 m 10m 0,7 m D K = 6,5x10-5 m/sec Tầng không D thể thấy rằng, bằng mô hình toán có thể lập được các trường đặc trưng dòng thấm một cách chính xác và đầy đủ, nhờ đó có thể gọi ra giá trị các yếu tố dòng thấm tại bất cứ điểm nào trong trường thấm đang xét. Việc dùng thí nghiệm mô hình vật lý ở đây, có thể là không cần thiết nữa. XY-Gradient vs. Distance 0.4 XY-Gradient 0.3 0.2 0.1 Điều này có thể được kiểm nghiệm bằng phần mềm SEEP/W theo sơ đồ tính toán nêu trên hình 6. Hình 7 cho hệ các đường thấm – vectơ thấm và đường đẳng thế, hình 8 cho biến thiên građien thấm dọc theo mặt đáy hố đào và đặc biệt hình 9 cho đường phân bố gradien thấm thẳng đứng dọc theo mặt ngang D-D đầu dưới bản cừ phía hạ lưu. 0.0 0 5 Hình 8. Đường phân bố gradien thấm dọc theo mặt đáy hố đào Elevation 12 9 11 13 13.5 14 14 .5 12 12.5 5 11. 3 JV 0 0 5 10 15 20 25 30 Distance Hình 7. Hệ đường thấm và đường đẳng áp Kết quả xác định ở đây phù hợp với thí nghiệm do Craig đã thực hiện, nhưng cho kết quả chi tiết và tổng quát hơn. Do vậy có 15 Distance 15 6 10 d/2 = 2m Hình 9. Đường phân bố gradien thấm thẳng đứng hướng lên dọc theo mặt ngang D-D đầu dưới tường cừ hạ lưu 3.2. Dùng phần mềm SIGMA/W V.5 kiểm tra ứng suất – biến dạng nền tháp đá Thiên Trù (Chùa Hương). Đề. Sau khi viên tịch, kim quan của Thượng toạ Thích Viên Thành đã được quản tại Thiên Trù - Hương Tích (Hình 10). Để tưởng nhớ công ơn của Người, Nhà Chùa dự định xây tháp đá "chân tịnh" lên trên với các câu hỏi và yêu cầu đặt ra là: - Địa chất nền có bảo đảm cho sự làm việc bình thường và bền vững - vĩnh cửu cho tháp không? -Trong quá trình thi công, hạn chế tới mức tối đa ảnh hưởng tới kim quan đã đặt trước, mặt khác đánh giá xem sau khi xây tháp, có bảo đảm sự yên tĩnh cho Hòa Thượng? - Không dùng cốt thép để xây móng tháp. Tiếp cận. Tập hợp một số chuyên gia tự nguyện làm việc này như một công tác từ thiện. . Hình 10. Sơ đồ mặt bằng móng vị trí đặt kim quan của Thượng toạ Thích Viên Thành Thiên Trù - Chùa Hương Bước 1. KS Hoàng Khắc Bá và KS. Vũ Minh Sơn dùng PP Địa vật lý – Khúc xạ, địa chấn, kết hợp hố đào - đo vẽ hiện trường để lập mặt cắt địa chất, cung cấp các đặc trưng cơ lý cần thiết (Hình 11), Bảng 1. Một số đặc trưng cơ lý cần thiết của các mẫu đất đá được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật thuộc CT Tư vấn XD TL 1. Bước 2. Lập mô hình số theo PTHH và phân tích (Hình 12, 13). Kết quả phân tích được nêu trên các hình 14 và 15. Kết luận. 1. Trong phạm vi đặt kim quan, chuyển vị đứng trung bình dự tính lớn nhất chỉ bằng khoảng 3mm (Hình 14a) và áp suất đặt lên nền kim quan gần như bằng 0 (Hình 14b). 2. Sau khi xây xong tháp, dự tính độ nghiêng trục tháp so với đường thẳng đứng chưa đầy 1 độ, và đỉnh tháp chuyển vị ngang về phía Suối Yến khoảng 1/2 cm. Từ các phân tích trên thấy rằng kim quan bảo đảm yên tĩnh và công trình tháp bảo đảm ổn định lâu dài. Hình 16 cho ảnh chụp tháp sau khi đã hoàn thành và nhóm chuyên gia chính thực hiện 3.3. Dùng SIGMA/W V.5 phân tích bài toán nền hai lớp cho giảng dạy. Trong đầu và giữa – cuối thế kỷ trước, nhiều cố gắng tập trung lập các bảng – biểu để tra các hệ số tính ứng suất và chuyển vị dưới nền công trình. Tuy nhiên trong trường hợp nền gồm nhiều lớp đất đá khác nhau, việc làm này rất bị hạn chế. Ngày nay với các phần mềm chuyên dùng, việc xác định ứng suất – chuyển vị trong trường hợp nền thành trở nên vô cùng dễ dàng và nhanh chóng. Hình 11. Khảo sát phản xạ địa chấn và đo vẽ hiện trường Bảng 1. Các đặc trưng cơ lý tính toán của đất đá [1kG/cm2 = 100 kPa] Tên lớp đất đá 1. Lớp phủ hỗn hợp sét lẫn sạn sỏi (1) 2. Lớp đất đá hỗn hợp (2) 4. Lớp đá vôi phong hoá nứt nẻ nhẹ (4) 5. Đá vôi nguyên khối rắn chắc (5) Tốc độ truyền sóng Vp (m/sec) Trọng Mô đun Góc Lực dính lượng đơn E Hệ số nở ma sát đơn vị c vị ( (kPa) hông ( trong ( (kPa)x10 (kN/m3)x1 x102 (độ) 2 0 1,2x102 2,8 x102 0.35 0,34 1,82 2,1 2700 – 3000 11,5 x102 0,331 2,33 5600 6,11x103 0,317 2,76/2,74* 1200 - 1400 15 22 0,18 0,40 Hình 12. Mô hình hóa - lưới PTHH nền đặt kim quan Hình 13. Phân tích trên MTĐT Y-Total Stress vs. Distance Y-Displacement vs. Distance 150 -0.001 - 2mm 120kPa A -0.002 Phạm vi đặt kim quan 110kP a Y-Total Stress Y-Displacement 100 -0.003 A -0.004 B 50 - 4mm 0 Phạm vi đặt kim quan -0.005 - 5mm -0.006 0 1 2 3 4 5 B ( 0kPa -50 0 Distance 1 2 3 4 5 Distance a. Quan hệ chuyển vị đứng – khoảng cách b. Quan hệ ứng suất – khoảng cách Hình 14. Kết quả phân tích chuyển vị - ứng suất dọc theo mặt đáy AB kim quan Y-Displacement vs. Distance -0.003 A (S = 0,60 – 0,31 = 0,29cm tan( = 0,29/500 = 5,80x10-4 ( ( = 0,03323 độ. Vậy tháp cao 850 cm thì đỉnh tháp chỉ có chuyển vị ngang về phía suối Yến khoảng 0,57cm. Y-Displacement -0.004 -0.005 -0.006 B Hình 15. Chênh lệch lún giữa A và B -0.007 0 1 2 Distance 3 4 5 Hình 16. Tháp đá Chân Tịnh - Thiên Trù sau khi hoàn thành và nhóm chuyên gia 1. Trường hợp nền có lớp cứng nằm dưới (Hình 17) Hình 18 biểu thị các kết quả xác định trường ứng suất và chuyển vị theo SIGMA/W V.5. Trong trường hợp này có sự tập trung ứng suất tại đỉnh lớp cứng như các sách giáo khoa về Cơ học đất thường nêu nhưng với các bảng biểu tra cứu rất hạn chế. D = 10m p = 100kPa H = 5m A Tầng đất 1 Tầng đá cứng E1 = 3 x103 kPa (1 = 0,42 B E2= 4 x107 kPa (2 = 0,30 Cho sơ đồ tính toán nêu trên hình 17. Phân tích ứng suất – biến dạng đứng trong trường hợp nền hai lớp: lớp trên mềm, lớp dưới cứng Nền hai lớp – Lớp dưới cứng 10 100 0 10 100 1 8 80 80  4 2 2 20 2 20 40 6 40 60 4 E=3000 kPa Elevation 100 6 0 60 8 Elevation Nền đồng chất 0 200 0 0 5 10 15 255 10 30 3515 Distanc Distance a. Đường đẳng ứng suất và vectơ chuyển vị Y-Total Stress vs. Distance 10 8 8 Distance Distance Y-Total Stress vs. Distance 10 6 6 4 4 2 2 0 0 40 60 80 100 40 120 60 80 100 120 Y-Total Stress Y-Total Stress b. Phân bố ứng suất dọc theo đường thẳng đứng qua tâm móng Nền hai lớp – Lớp dưới cứng Nền đồng chất Y-Total Stress vs. Distance Y-Total Stress vs. Distance 100 80 80 Y-Total Stress Y-Total Stress 60 60 40 40 20 20 0 0 0 2 4 6 Distance 8 10 0 4020 2 4 Distance c. Phân bố ứng suất dọc theo mặt lớp cứng A-B 6 8 10