Một số vấn đề về kết quả tính toán biến dạng lún cuối cùng trong thiết kế nền móng

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 9 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG LÚN CUỐI CÙNG TRONG THIẾT KẾ NỀN MÓNG TRẦN THƯƠNG BÌNH* Some problems on calculation results of final settlement in the foundation design Abstract: The paper analyzes the error factors in the prediction method of final settlement, clarifies the practical meaning of the calculation results ĐẶT VẤN ĐỀ * Biến dạng lún của nền là sự phản ánh kết quả tương tác giữa đất nền với tải trọng công trình. Trong khi đó, đất nền có vô vàn các thuộc tính và tải trọng thì đa dạng, nên từ các bài toán liên quan đến tính toán biến dạng lún đã có các cách mô phỏng khác nhau về các đặc điểm đất nền và tải trọng. Theo đó, biến dạng lún đã có nhiều phương pháp khác nhau với kết quả tính không giống nhau. Ngoài ra, nếu phân biệt các phương pháp bởi bản chất thông tin của các số liệu đất nền, thì trong cùng một diện tích lãnh thổ, các phương pháp khác nhau luôn cho kết quả tính khác nhau. Sự khác nhau đó chính là sự khác nhau về giá trị sai số của kết quả tính mà phương pháp nào cũng có. Do đó, để đánh giá sự khác nhau về giá trị kết quả tính trong cùng một xác suất tin cậy của lý thuyết xác suất thống kê, để khẳng định phương pháp nào chính xác hơn là không đủ cơ sở, nếu không có một giá trị lún thực tế. Trong khi đó, giá trị lún cuối cùng của đất nền dưới một tải trọng không đổi là kết quả của một quá trình diễn biến theo thời gian, có khi hàng chục năm. Ngoài sự khác nhau về mức * Đại học Kiến trúc Hà Nội ĐC: Km 10, đường Nguyễn Trãi, quận Thanh Xuân, TP. Hà Nội ĐT: 0913537260 độ sai số, các phương pháp còn có những ưu nhược điểm khác nhau về tính thực dụng. Đó là các lý do mà trong tiêu chuẩn tính toán nền móng đã hướng dẫn nhiều phương pháp tính mà không quy định một phương pháp cụ thể cho mọi trường hợp. Do đó, lựa chọn phương pháp tính hợp lý trên cơ sở xem xét bản chất của các yếu tố sai số trong mỗi phương pháp là một vấn đề rất đáng bàn luận. 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ BIẾN DẠNG LÚN CHO CÔNG TRÌNH Các phương pháp đánh giá biến dạng lún của nền, nếu phân biệt với nhau theo bản chất của thông tin sử dụng trong đánh giá thì có thể chia thành các nhóm: + Quan trắc lún Các thông tin trong quan trắc là các giá trị lún thực tế đo được của một công trình với tải trọng xác định trên vị trí nền xác định. Như thế, kết quả quan trắc cho biết giá trị lún chính xác ứng với các điều kiện rất cụ thể của tải trọng tại chính đất nền đó. Mọi ứng xử của đất nền sẽ thể hiện khách quan và trực tiếp tổng hợp vào các phép đo chuyển vị lún hay nghiêng. Do đó, về nguyên tắc sử dụng thí nghiệm quan trắc để đánh giá cho công trình khác tương tự, đặt trên đất nền tương tự sẽ cho các ứng xử tương tự. Tuy nhiên, thực tế một nền đất tương tự là một khái niệm liên quan đến mức độ khác nhau của ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 10 các loại nền thông qua việc đánh giá các đặc điểm ứng xử của nền. Do đó, kết quả quan trắc là giá trị lún thực tế, nhưng luôn có tính bất định về không gian, tức là kết quả không đúng cho công trình có tải trọng như thế, nhưng đặt ở không gian khác. + Tính toán theo kết quả thí nghiệm hiện trường Điểm chung của các thí nghiệm hiện trường có khả năng xác định biến dạng lún của nền là tạo ra biến dạng cho nền bằng một tác dụng của tải trọng tại hiện trường nơi đã, đang hoặc sẽ xảy ra các ứng xử với tải trọng công trình. Giá trị của kết quả thí nghiệm hiện trường là sự phản ánh khách quan các đặc điểm đất nền trong một phạm vi nào đó được nhận biết thông qua sự biến đổi trạng thái ứng suất nền bởi một tác động bên ngoài gây ra biến dạng cho nền. Cho nên, giá trị sử dụng của thông tin về đất nền mà thí nghiệm hiện trường mang lại, phụ thuộc vào phương thức gây ra dạng phản ứng của nền và cách thức thu nhận thông tin từ các phản ứng đó. Do đó, ý nghĩa của kết quả thí nghiệm hiện trường phụ thuộc vào việc khai thác và sử dụng nó. Hiện nay, kết quả thí nghiệm hiện trường trong tính toán biến dạng lún thường sử dụng hệ số nền của thí nghiệm nén tĩnh nền, giá trị kháng xuyên của thí nghiệm CPT. - Phương pháp nén tĩnh nền Cơ sở của phương pháp là đề xuất của Sleikhe-Polshin trong trường hợp nền đất một lớp đất với chiều dày vô hạn, thì biến dạng lún của nền dưới đế móng được xác định bởi C PbS  S- độ lún trung bình của toàn bộ diện chịu tải b- chiều rộng hình chữ nhật hay bán kính hình tròn  hệ số tra bảng phụ thuộc vào hình dạng kích thước độ cứng của móng P- cường độ tải trọng phân bố đều C- hệ số nền , 21   EC trong đó E modul đàn hồi. Thí nghiệm nén tĩnh nền khi gia tải các cấp khác nhau, cùng với việc sử dụng diện tích bàn nén khác nhau sẽ cho giá trị của kết quả với các ý nghĩa phản ánh ứng xử của nền khác nhau. Bởi vì, nếu diện tích hoặc tải trọng càng lớn thì chiều sâu vùng ảnh hưởng càng lớn, theo đó hệ số nền phản ánh ứng xử nén của nền đến chiều sâu lớn hơn. Do đó, để xác định độ cứng của nền chỉ nên áp dụng cho trường hợp nền đất đồng nhất hoặc nền có chiều dầy lớp đất chịu nén nằm trên đá gốc không lớn, trong trường hợp nền phân lớp thì sử dụng diện tích bàn nén và tải trọng nén bằng với diện tích đế móng và tải trọng công trình. Như thế, khi nén trên nền phân lớp, tải trọng thí nghiệm sẽ rất lớn nếu công trình có tải trọng lớn, đó là hạn chế phương pháp này khi triển khai vào thực tế. - Phương pháp dựa vào kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT Năm 1957, De Beer và Martens được bổ xung bởi Bogdanovich, Milovich 1963, phương pháp đánh giá biến dạng lún theo giá trị xuyên CPT như sau: 2 ln 3 t m i i i i zi i t i i i z zS h C z         Trong đó, izi - ứng suất bản thân ở độ sâu zi t- chiều sâu đáy móng m- chiều sâu giới hạn là chiều sâu có ứng suất bản thân bt = gl, zi - ứng suất hiệu quả do tải trong công trình gây ra (ứng suất gây lún) Ci - sức kháng xuyên mũi, tính trung bình cho lớp. So sánh sự hình thành phản lực nền lên đáy móng trong quá trình ứng xử,với phản lực nền lên mũi xuyên có sự khác nhau về phương của ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 11 phản lực nền và không giống nhau về chế độ chất tải. Ngoài ra, sự biến đổi mối quan hệ ứng suất biến dạng trong ứng xử của đất dưới đế móng với đất xung quanh mũi xuyên có những điểm khác biệt đã hạn chế ý nghĩa sử dụng kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh trong tính toán biến dạng. Nhưng, với ưu điểm tiến hành đơn giản cho phép thu thập thông tin đất nền ở nhiều điểm và ở các độ sâu khác nhau, kết quả xuyên tĩnh có nhiều điều kiện để kết hợp với các thông tin khác trong đánh giá biến dạng lún. Tính toán biến dạng lún bằng thí nghiệm xuyên tĩnh còn được tiến hành thông qua các quan hệ tương quan giữa qc với E thể hiện dưới dạng bảng tra hoặc các hàm tương quan. Tuy nhiên, các hàm tương quan được xây dựng trên các số liệu của một khu vực giữa các cặp số liệu, nên chỉ có ý nghĩa khu vực với một sự chính xác nhất định. Ưu việt lớn nhất của phương pháp tính biến dạng lún bằng xuyên tĩnh là kết quả tính là không phụ thuộc vào việc phân chia chủ quan các lớp đất dưới nền. - Tính toán theo kết quả thí nghiệm trong phòng Các phương pháp tính toán này xem xét quy luật phân bố ứng suất gây lún giảm dần theo độ sâu, trên cơ sở sử dụng kết quả thí nghiệm nén không nở hông và tính toán độ lún của nền dưới tâm diện chịu tải. Theo mức độ xem xét khác nhau về quy luật phân bố ứng suất và vùng chịu nén, có các phương pháp sau Phương pháp sử dụng đường cong e-p. Đặc điểm của phương pháp xem xét biến dạng lún thông qua biến thiên từ lúc chưa chất tải đến khi kết thúc lún của quá trình chất tải của độ rỗng đất ở các độ sâu khác nhau, theo đó độ lún của nền sẽ là bt i z i S i T i n i i ee mS       1 Trong đó, ei T ,eis- hệ số rỗng của phân tố thứ i trước và sau khi gia tải i z, ứng suất gây lún ở phân tố thứ i i bt ứng suất bản thân ở phân tố thứ i m- chiều dày phân tố i- hệ số nở hông của phân tố thứ i Phương pháp dựa vào đường e-logp Đặc điểm của phương pháp là dựa vào đường cong bán loga để tìm ra giới hạn phân chia 2 trạng thái của đát có bản chất cố kết khác nhau: - Với đất quá cố kết (c> vo) đất đã trải qua quá trình nén chặt ' ' 1 0 lg. 1 pi voi i n i ci c qh e CS      - Với đất thiếu cố kết )lglg( 1 ' ' 1 0 pi voi voi pi si n i i c qC e hS         trong đó, hi , Cci Csi, e0i- chiều cao, chỉ số nén, chỉ số nở và hệ số rỗng ban đầu của lớp đất thứ i voi áp lực thẳng đứng ban đầu của lớp đất thứ i bằng trọng lượng lớp nằm trên đến giữa lớp tính toán q = I.H.- tải trọng gây lún lên lớp thứ i, trong đó I hệ số ảnh hưởng xác định theo toán đồ Oserberg Phương pháp lớp tương đương: Đặc điểm của phương pháp là tuyến tính hóa đường phân bố ứng suất bằng việc quy đổi vùng chịu nén theo chiều dày lớp tương đương như sau: hs chiều dày lớp tương đương hs=Ab với Alà hệ số tra bảng dựa vào kích thước độ cứng ở tâm hoặc góc móng và hệ số biến dạng ngang  a0 – hệ số nén lún rút đổi bình quân; 0 0 1 e aa   với eo hệ số rỗng của đất và a hệ số nén lún của đất. h- độ sâu vùng chịu nén được xác định theo biểu thức: p P h Pj jhh ct s s               2 12 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 12 Trong đó, Pct độ bền cấu trúc của đất; j- Grandien thủy lực. xem độ lún của nền dưới một diện chịu tải, được xác định bởi biểu thức sPhaS 0 + Phương pháp phân tầng lấy tổng Đặc điểm của phương pháp là chia nền đất ra nhiều phân tố để xác lập trạng thái ứng suất cho các phân tố, trong đó độ lún của nền là tổng biến dạng của các phân tố theo công thức: ii i i n i n i i mE SS    11 trong đó, Si - giá trị lún của một lớp phân tố trong vùng chịu nén mi – chiều dầy phân tố thứ i Ei – modul tổng biến dạng của phân tố thứ i nhận được từ tính toán kết quả thí nghiệm trong phòng i - hệ số nở hông của phân tố thứ i nhận được từ bảng tra hoặc tính theo công thức n - số phân tố trong vùng chịu nén z. Z là chiều sâu tính từ đáy diện chịu tải đến độ sâu có ứng suất gây lún z nhỏ hơn 5 lần ứng suất bản thân bt Các phương pháp liên quan đến kết quả thí nghiệm trong phòng chứa đựng nhiều yếu tồ sai số, bao gồm: - Kết quả thí nghiệm trong phòng là sản phẩm của nhiều công đoạn lấy mẫu, vận chuyển, bảo quan, gia công và kết quả thí nghiệm phụ thuộc vào kỹ năng thao tác, sự chính xác của thiết bị. - Các mô phỏng về trạng thái của mẫu đất trong phòng thí nghiệm không thể đúng với trạng thái tồn tại của nó và điều kiện để nó ứng xử đúng với thực tế. Trong khi, một sai số nhỏ của thí nghiệm thông qua các phép cộng sẽ trở thành lớn của kết quả tính. - Tính lún bằng kết quả thí nghiệm trong phòng còn phụ thuộc vào sự xác lập chiều dày các lớp đất. Nhưng các phương pháp tính lún bằng kết quả thí nghiệm trong phòng đều tính ở tâm diện chịu tải, nơi phân bố ứng suất theo chiều sâu là lớn nhất, cùng với sự chỉnh lý thống kê kết quả thí nghiệm và các phép tuyến tính trong bài toán. Do đó, thay vì các sai số của kết quả tính dao động xung quanh giá trị thực đã được dồn về một phía để đảm bảo kết quả tính toán là giá trị có độ tin cậy cao nhất cho ổn định công trình. Chính vì thế, cùng với các ưu điểm khác, phương pháp tính toán dựa vào kết thi nghiệm trong phòng đã trở thành truyền thống và phổ biến trong thiết kế tiền định. Tóm lại mỗi phương pháp đêu có những ưu và nhược điểm khác nhau, không phương pháp nào ưu việt trong mọi hoàn cảnh. Do đó, kết hợp giữa các phương pháp thí nghiệm hiện trường và quan tắc với tính toán bằng thí nghiệm trọng phòng sẽ cho giá trị sát thực nhất, vấn đề là kết hợp như thế nào để có kết quả đánh giá hợp lý nhất. 2. Mục đích của tính toán biến dạng và ý nghĩa cúa các kết quả Ngoài các sai số kết quả của các phương pháp tính, thì kết quả tính còn phụ thuộc vào việc xác định tải trọng, trong khi tải trọng công trình là kết quả của tổ hợp theo các kịch bản. Như vậy, tải trọng tác dụng xuống nền đất thông qua móng không phải là giá trị thực, nên kết quả tính toán biến dạng lún cho một công trình cụ thể cũng là không thực, cho dù kết quả từ các phương pháp tính là chính xác. Hơn thế, biến dạng lún của đất nền luôn kèm theo sự biến đổi cấu trúc của đất để hình thành một cấu trúc khác. Khi biến dạng còn nằm trong giới hạn phát triển của biến dạng trượt thì sự biến đổi cấu trúc có xu hướng làm tăng bền và giảm khả năng biến dạng. Như thế, biến dạng lún của công trình còn phụ thuộc vào phương thức chất tải nhanh hay chậm, trong khi các phương pháp tính chưa tường minh sự ảnh hưởng này. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 13 Tóm lại có rất nhiều vấn đề chỉ ra rằng, kểt quả tính toán lún cuối cùng của đất nền dưới tải trọng công trình là giá trị không thực. Vậy, chúng có ý nghĩa gì trong thiết kế nền móng, khi mà theo thời gian chịu tải trọng công trình, đất nền chỉ biến đổi theo chiều hướng tăng bền, giảm tốc độ lún và tắt dần đã được khẳng định chăc chắn bằng sự thỏa mãn điều kiện chịu tải của đất nền. Để tường minh về ý nghĩa thực tiễn của kết quả tính toán, trước hết phải tường minh về bản chất biến dạng lún của công trình. Biến dạng lún của công trình là sự chuyển vị thẳng đứng lũy tiến theo thời gian của công trình đó. Nếu xét chuyển vị bằng sự biến đổi theo thời gian khối tâm của công trình thì sẽ có sự phân biệt biến dạng lún giữa công trình có khối tâm không đổi là công trình có kết cấu cứng hoặc đặt trên diện chịu tải cứng với công trình kết cấu mềm như nền đường, nền đê v.v... Giữa chúng luôn có yêu cầu khác nhau về sử dụng kết quả tính biến dạng lún - Đối với công trình kết cấu cứng, khi chuyển vị thẳng đứng, mọi điểm trên công trình đều dịch chuyển theo quỹ đạo thẳng đứng và khi chuyển vị xoay, mọi điểm đều dịch chuyển theo quỹ đạo tròn, chung một trục nhưng khác bán kính, sự phân bố tải trọng công trình xuống đất nền là không giống nhau giữa các điểm, nên biến dạng lún ở một điểm trong nền không phải biến dạng lún cho công trình, nhưng sẽ làm thay đổi nội lực của kết cấu. Vì thế với công trình kết cấu cứng, mục đích tính biến dạng là xác định sự lún lệch với quan niệm rằng, sai số xảy ra thì cùng sai số như nhau, chênh lún giữa các điểm không bị ảnh hưởng. Trong thiết kế tiền định, tính toán biến dạng nhằm khẳng định giải pháp móng được lựa chọn thỏa mãn về điều kiện biến dạng, với yêu cầu kết quả tính nhỏ hơn trị giới hạn cho phép về biến dạng tuyệt đối và độ lún lệch, còn nhỏ hơn bao nhiêu không cần xem xét. Trong TCVN 9362 và TCVN 10304 quy định: nhà khung bê tông cốt thép không có tường chèn, giá trị lún tuyệt đối giới hạn Sgh=8cm và độ lún lệch giữa hai móng liền kề S/L= 0.002 là thỏa mãn, không cần xem xét đến sai số của kết quả tính. Việc không xét đến sai số của kết quả tính, đã dẫn đến những sai lầm tiềm ẩn nguy cơ hoặc thể hiện ra bên ngoài bằng sự phá hủy kết cấu. Ví dụ, lún của đài A là S= 5cm và đài B có S=4,2 cm khoảng cách 2 đài L=5 mét, khi đó độ lún lệch giữa hai đài là 0.0016<0.002 và được đánh giá là thỏa mãn cả hai giới hạn. Nhưng, nếu xem xét sai số của kết quả tính với giá trị thực vẫn có thể xảy ra khả năng: tại A độ lún S= 4mm, tại B độ lún S= 2,5mm, khi đó độ lún lệch S/L=0.003, tức là không thỏa mãn giá trị cho phép. Ngược lại sẽ có trường hợp kết quả tính không thỏa mãn, nhưng vì sai số nên giá trị thực vẫn thỏa mãn. - Đối với công trình có kết cấu mềm từ thân đến móng, những vấn đề chuyển vị và phân bố tải trọng công trình xuống nền khác với kết cấu cứng. Trong đó, với công trình kết cấu mềm, tải trọng công trình truyền xuống các điểm dưới nền là như nhau. Vì thế, lún lệch không phải là vấn đề chính yếu mà giá trị độ lún tuyệt đối mới cần có sự yêu cầu chính xác. Trong tính toán nền đường đắp trên đất yếu thì độ lún rất lớn, vì vậy sai số sẽ rất lớn, nếu bỏ qua sai số, tính toán chỉ xét theo độ tin cậy sẽ làm tăng khối lượng so với thực tế vốn có. Đặc biệt với nền đất yếu, lún là quá trình lâu dài phụ thuộc vào điều kiện cố kết. Vì thế, thời gian lún hay thời gian cố kết mới là điều quan tâm. Như vậy, muốn có một giá trị lún thực tế thì mọi phương pháp tính toán đều không đáp ứng được, ngoài phương pháp quan trắc. Nhưng, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 14 phương pháp quan trắc lại có tính bất định không gian. Do đó, kết hợp chúng lại là nguyên tắc cơ bản trong thiết kế nền móng để lựa chọn hợp lý kết quả tính. Nguyên tắc đó là: căn cứ vào độ lệch của các kết quả tính so với kết quả quan trắc để làm cơ sở lựa chọn. Tuy nhiên, thực hiện theo nguyên tắc đó đòi hòi một quy trình phức tạp, nhất là với nhà cao tầng giải pháp móng sâu. Đối với công trình nhà kết cấu cứng, luôn có yêu cầu về độ tin cậy của lún lệch, nhất là trường hợp dưới móng công trình có nhiều thành tạo cùng ở một độ sâu nhưng có tốc độ lún khác nhau sẽ xảy ra sự chênh lún tức thời, trước khi đạt giá trị cuối cùng. Cho nên, để đảm bảo sai số nhỏ hơn của giá thực so với kết quả tính sẽ có cách giải quyết đơn giản như sau: Giá trị giới hạn về điều kiện lún cho một loại công trình, bao gồm: Giá trị lún tuyệt đối xem như điều kiện cần là S <Scgh, giá trị độ lún lệch là điều kiện đủ, xác định theo đẳng thức Sgh = L. sgh, khi đó điều kiện cần và đủ sẽ là: S <Scgh = L. sgh Trong đó, Scgh - độ lún tuyệt đối giới hạn phụ thuộc vào loại công trình L - khoảng cách giữa 2 điểm của móng gần nhất được tính toán lún sgh - độ lún lệch giới hạn quy định theo kết cấu loại công trình, Ví dụ, nhà khung bê tông cốt thép không có tường chèn quy định S< Scgh=8cm đồng thời s< sgh= 0.002 thì đề xuất điều kiện cần S < 8cm điều kiện đủ S< Sgh = 0.002L Theo đề xuất này, kết quả kiểm tra điều kiện biến dạng lún sẽ loại bỏ tất cả các khả năng lún lệch giữa các móng vượt quá giới hạn cho phép. So với với cách kiểm tra điều kiện biến dạng của giải pháp móng truyền thống S< Scgh và s< sgh, phương pháp đề xuất áp dụng cho giải pháp móng sâu không ảnh hưởng nhiều, vì độ lún tuyệt đối của móng sâu rất nhỏ, nhưng áp dụng với móng nông trong nhiều trường hợp sẽ phải thay đổi đáng kể kích thước móng để có được sự thỏa mãn. Trong những trường hợp với móng nông, nên sử dụng kết quả nén tĩnh nền, hoặc sử dụng hệ số an toàn do đề xuất Statements (1967). Kết luận: Lựa chọn hợp lý kết quả tính toán biến dạng trong thiết kế nền móng công trình có vai trò quyết định đến lựa chọn giải pháp móng hợp lý, nếu lựa chọn kết quả không hợp lý sẽ có giải pháp móng không hợp lý .Để lựa chọn hợp lý kết quả tính toán lún đòi hỏi phải tường minh tổ hợp tải trọng, kết cấu công trình, đặc biệt là quá trình xác lập các thông số đất nền xây dựng các phương án làm cơ sở lựa chọn. Ngoài những vấn đề được trình bày xung quanh kết quả tính toán và lựa chọn hợp lý kết quả tính, để sáng tỏ vấn đề biến dạng lún của đất nền còn nhiều vấn đề khác phải xem xét, trong đó vấn đề sử dụng lý thuyết xác suất thống kế làm công cụ để giải quyết các biến dạng của nền không đồng nhất về thành phần và bất đẳng hướng về cấu tạo và tính chất. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. E.D Sukina (1985), “Cơ lý hoá hệ phân tán tự nhiên”, NXB Matxcova, 2. N.A Xưtovich.(1983), “Cơ học đất”, bản dịch tiếng Nga Nhà xuất bản Nông nghiệp 3.Shamsher Prakash- Hary D.Sharma (1999),“Móng cọc trong thực tế xây dựng“ ,NXB XD – HN 4. R. Whitlow (1997), “Cơ học đất”, NXB Giáo dục. 5.K.Széchy, L. Varga (1978), “ Foundation engineering”, Akadémiai Kiadó Budapest, Người phản biện: PGS.TS ĐOÀN THẾ TƯỜNG