TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT BẰNG PHẦN MỀM GEO5

Vật liệu này được xác định bàng môđun phản lực của đất kh, với tính chất biến dạng trong vùng đàn hồi và thêm vào giá trị của biến dạng giới hạn.. Quá trình tính toán như sau: - Môđun ph

TRƯ ỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

V IỆ N C Ả N G - K Ỹ T H U Ậ T H A N G HẢI

PGS, TS Đỗ Văn Đệ (Chủ biên)

KS Vũ Minh Tuấn, KS Nguyễn Hải Nam, KS Đỗ T i ế n D ũ n g

TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TƯƠNG TÁC VỚI NỀN ĐẤT

Bằng phán mém

geotechnical software suite

NHÀ X U Ấ T BẢN XÂY DựNG

HÀ NỘI - 2011

LỜI NÓI ĐẦU

V ớ s ự p h á t tr iể n k h ô n g n g ừ n g c u a c ô n g n g h ệ th ô n g tin, n h iề u s à n p h ẩ m p h ầ n m ề m

Các môđun của Bộ chưong trình GEO 5, bao gồm:

1 Phân tích địa kỹ thuật bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

• -<E M a s o n r y w a ll: K iê m tra tư ờ n g c h ắ n x â y g ia c ố

• —L N a ile d slo p e s: K iế m tra kết c ấ u n e o

• -rễ" P r e fa b w a ll: K iê m tra v à tín h to á n tư ờ n g c h ắ n k h ố i x ế p

H iệ n n a y B ộ c h ư ơ n g trìn h G E O 5 c ũ n g đ ã k h ă n g đ ịn h đ ư ợ c vị thê và vai trò c ù a m ìn h

tr o n g , d ó : y - t r ọ n g l ư ợ n g r i ê n g c ủ a lớ p đ ấ t đ ầ u tiê n ;

p - g ó c d ố c đ ằ n g s a u c ô n u trìn h

( 1 - 5 )

/ / /

(1 -3 4 )

( 1 - 2 7 )

1.2.3.4 Áp lụ c đất bị động - Lý thuyết M tiller - Breslau

H ìn h 1.6: M ật trượt cùa áp lực đát bị động theo So lo ko vski

c a : b i e n p h ụ Ìpg, Ipp, ipC, ỈỈPP’ ê p o tpgi tpp> t p c c h o bơi!

ipi = (1- 0, 53Ô,,)0™ " , im = ( l - 0 3 3 S p r s+2J7v, i,x = i pp

Báng 1.3: Hệ số thiết kế theo EC7-1

T H T ả i tr ọ n g

t h ư ờ n g x u y ê n bất lọi

Tai trọng thư ờ ng x u y cn có lợi

Hĩnh 1.7: Sự xác định img suất pháp lương ủvg Hình 1.8: Xác định sự thay đỏ ì g ( ÓL nội

77777777777 7777777777777777 7fĩ77ĩ7ĩ77777777ĩ7777777Ti77?

Hình 9: Nguyên lý tính toán áp lực cua iiủt

írtỉig trưòvg hợp đáỉ gẩy khúc J3< ọ

Hình 1.10: Nguyên lý tinh toán áp lực cùa đất trong trường hợp đất gãy khúc /3 >ạ>

1.2/ Ảnh hưồìig của nước ngầm

77777777^7777777777

hi

_ i _ n

Tầng đất khcng thâm nước 77777777777777777777777777777777

C ó i a i l ớ p d ấ t t h ấ m ( c á t v à sỏi s ạ n ) với m ộ t ló p đ ấ t sét k h ô n g t h ấ m n ằ m k ẹ p g i ữ a , n ó

d ẫ n đin s ự p h â n c h i a c ủ a hai đ ư ờ n g p h â n t ầ n g t h u ý lự c, x e m t r o n g h ì n h 1 1 4 :

Ví ụ: Hai d ư ờ n g chia tầng của nước ngầm

Hình 1.14: Ví dụ về sự phân bỏ cùa úp lực nước ló rông

Phàn bố tuyến tính

Phàn bố theo đường Parabo!

H ìn h 1.15: Á p lực đ â y nôi tại đáy m ỏng

1.29 Phân bố áp lực đất hình nêm

ì 2.10.4 Anh hưởng cùa tủi trọng tập trung và giớ i hạn của tải trọn g phân bố trên

bề mặt tói áp lực cliủ dộng cùa đất

t í 1 h n h ư s a u :

F[l + 2(a + b ) ] ( a + b)

(1 -8 6 )

H ìn h 1.22: S ự hiến đôi cua lui trọ n g đè lính toán

Y h c o s ( - B + a ) + '•

Đ ố i v ớ i đ â t k h ô n g c ố k ế t v à g ó c d ố c c ủ a b ề m ặ t đ ấ t (5 n h ỏ h ơ n a ó e nội m a s á t c ủ a đ â t (p th ì g i á trị c u a £ đ ư ợ c x á c đ ị n h n h ư s a u :

7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 1 '

Hình 1.23: Biêu âỏ áp lực đát chu động lương úvg với lai trụng J hoạt động trên mặt đất

1.2.10.6 Anh hưởng của tái trọng bề mặt tron" đất klìông cố kết lên áp lực đất chủ dộng

- T í n h t o á n lại g ó c 9^ c h o lớp tiế p th e o v à lặ p lại c á c b ư ớ c t r ê n c h o t ớ i k h i đ á y c ủ a

c ô n g t r ì n h đ ạ t tớ i m ứ c c h o p h é p hoặc tài t r ọ n g h o à n t o à n triệt tiê u

1.2.10.7 Anh hưởng của tái trọng bề mặt tói áp lực tĩnh của đất

Hình 1.24: Đ ỏ thị s ự gia tă n g áp lực lĩnh cua đâl H ình 1.25: Sự gia lăng áp lực cua (1âl

1.2.10.9 Anh hưởng của tải trọng phân bu hình thang tới áp lực tĩnli của d(ỉt

g ó c d ố c c ủ a m ặ t đ ấ t (<p + [3) G i á trị đ ư ợ c t í n h v à s ử a đ ổ i c ù a g ó c \|/ c ó t h ể đ ư ợ c h i ể n thị

t r o n g đ ầ u ra:

34

1.2.12 Anh h u òìig của lực ma sát giữa đất và công trình

còng trình trong trường hợp ổ = II cthiỵ trình trong trường hợp ổ # 0

l ) ộ l ớ n c ú a ỗ b i ế n d ổ i t r o n g k h o a n u ổ < 1 /3cp h o ặ c 5 = 2 / 3 (p G i á trị c ủ a ô c ó t h ế tim th ấ v t r o n u b a n li g i á trị c u a ổ c h o c á c b ề m ặ t c h u y ê n t i ế p k h á c n h a u v à b a i m c á c

B;in« 1.6: Ban<i hệ số ma sát giói hạn cho các loại vật liệu khác nhau

tg(S)

GÓC ma sát 3<0>

35° 29° - 31°

B ê tỏng hoặc cọ c bê tò n g đặt trên các lo ạ i đất sau:

- Sòi sạch, cát sỏi trộn lẫn, đ á tốt lấp kín với đá vụn 0 ,4 0 + 0 ,5 0 22° + 2 6 °

Bảng 1.8: Các giá trị thông thường của độ bám dính của đất

sin cp0 = Rj) Rị

R d + R,

( 1 - 1 0 8 )

G ó c n ộ i m a s á t c ó t h ế đ ư ợ c ư ớ c l ư ợ n g b ằ n g c á c h đ o g ó c g i ữ a m ặ t t r ư ợ t t r ê n p h ầ n c ò n lại c ủ a m ẫ u k i ế m tra

Báng 1.10: ước lượng độ bên liên kết của neo trong đất hoặc đá

(n e u ồ n : Rl i as a J u ra n , 1991)

1.3.2 IIóc luọnịỉ độ bền liên kết

Loại vật liệu

ĩ Pluiưng pháp thi cỏnu

Đá phiên sét phong hoá

Đá phiến phong hoá

200 - 300 100- 150 100- 175

- H ệ s ố a n t o à n

T h ê m đ ó k h ả n ă n g c h ị u l ự c c ủ a đ ấ t nền đ ư ợ c k i ể m t r a c h o c ả h a i t r ư ờ n g h ợ p

C á c l ự c d ư ớ i đ â y đ ư ợ c s ử d ụ n g tr o n u q u á t r ì n h k i ể m tra:

- T r ọ n g l ư ợ n g c ủ a t ư ờ n g - p h ụ t h u ộ c vào hìmh d ạ n g v à t r ọ n g l ư ợ n g r i ê n g c ủ a t ư ờ n g( n h ậ p d ữ l i ệ u đ ầ u v à o t h ô n g q u a h ộ p thoại "M a P e r i a ỉÁ p l ự c đ ẩ y n ổ i đ ư ợ c s ử d ụ n g c h o

Bảng 1.11: Giá trị gần đúng của khả năng chịu lực

chống nổ của một số loại vật liệu

V ậ t liệu

L iê n kết giới hạn ( N / m m 2)

S a u khi t í n h t o á n lự c tác d ộ n g lên c ô n g t r ì n h , c h ư ơ n g t r ì n h s ẽ x á c đ ị n h lại lự c c h u n g

1.4.5 Kích thước của tường băng khôi xây

a n t o à n ) C u ô i c ù n g đ ư a r a m ô i q u a n hộ s a u :

t m m d ỏ : c a|w - d ộ l ệ c h t â m c h o p h é p

1.4.7 Tính toán kích thuóc của tưcVng

S a u k h i t ín h t o á n lự c tác d ộ n u lên c ô n g tr ìn h c h ư ơ n g t r ì n h sỗ x á c đ ị n h tâ t c ả c á c n ộ i lực t r o n g m ạ t c á t n u a i m l ư ơ n u írnụ ( lự c p h á p t u \ ’e n N l ự c c ắ t Q v à m ô m e n M ) v à s a u

( 1 - 1 3 5 )

<7 - ửim sunt pháp tác dụ nu lỏn khôi dáy.

('hiòu rộ nu lưới cua khỏi đáy trôn một dơn vị dài cua khỏi xêp:

V - khoanu cách uiữa các lưới theo phươim dửim;

h - chiêu cao khỏi dáy.

À

H ì n h ĩ 44: H ình dạng cua kh ô i xúp

1 4 8 1 O n (lịn lt c ụ c bộ c u a k li ố i x ê p - t n u iíỊ th á i iỊÌỚỈ h a n

H ệ s ỏ SUN’ liiã m c u a v ậ t li ệ u k h ỏ i x c p p h ụ t h u ộ c v à o c á c h ệ s ô d ư ợ c t h i c t lạ p t r o i m

hộp thoại ’*Sctiinv” , được SƯ dụim cho phân tích kièm tra.

T a = a K a - 2C j V K7

a) Kiêm tra ân định lật

tro nu dó: F S 0vr ■ hộ sô ar toàn chônii lật

b) Kiêm tru trượt

N.tgcp + c.Bọ

c) K i ê m tra k h á n ă n g c h ịu lự c tư ơ n g ứ n g v ớ i á p lự c bên

Đ ố i v ớ i d ầ m p h í a t r ê n , đ ầ u t i ê n là p h ả i x á c đ ị n h l ự c n e o F v à p h ả n l ự c R tạ i đ i ể m g i á trị 0 D ầ m d ư ớ i c ó c h i ề u d à i X đ ư ợ c x á c đ ị n h d ự a t r ê n p h ư ơ n g t r ì n h c â n b ằ n g m ô m e n tại

c h â n ( d ầ m c h ị u tải t r ọ n g c ủ a p h ả n lự c R v à á p l ự c c ủ a đ ấ t) D ự a v à o p h ư ơ n g t r ì n h c â n b à n g

lự c c ắ t đ ể t í n h t o á n đ ộ s â u c h ô n c ừ v ớ i g i á trị m ở r ộ n g A x đ ư ợ c t h ể h i ệ n t r ê n h ỉ n h 1.46

54

thúc của kết cấu tại vị trí cua điểm giá trị

khôim sau đó sẽ tìm điểm kết thúc cùa dầm

c h o m ộ t lự c c h u y ể n vị t á c đ ộ n g v à o c ô n g tr in h N e o đ ư ợ c m ô h ì n h t h à n h lự c v à đ ộ c ứ n g

cua lò xo là k.

1.5.3 Phân tích tu ò n g có neo tựa tại chân

Hình 1.48: Bàn được gia cố

V - nhịp neo theo phương ngang;

Aw - độ tăng biến dạng tại điểm đặt neo;

E - môđun biến dạng của neo;

A - diện tích mặt cắt ngang của neo;

/ - chiều dài thanh neo;

k - độ cứng của thanh neo;

a - độ nghiêng của thanh neo.

1.6.1 Phương pháp áp lực đất phụ thuộc

Các giả thiết c ơ bàn cùa phương pháp này là đất hoặc đá ở vùng lân cận của tường hoạt động g iốn g vật liệu đàn dẻo lý tưởng Winkler Vật liệu này được xác định bàng môđun phản lực của đất kh, với tính chất biến dạng trong vùng đàn hồi và thêm vào giá trị của biến dạng giới hạn Khi vượt quá g iớ i hạn biến dạng này vật liệu sẽ chuyển sang trạng thái dẻo lý tưởng.

Các giả thiết sau thường được sử dụng:

- Áp lực tác động lên tường có thể đạt được giá trị bất kỳ giữa áp lực chủ động và áp lực bị động - nhưng nó không thể vượt ra ngoài phạm vi giới hạn này.

- Áp lực tĩnh của đất hoạt động trên kết cấu không biến dạng (w = 0).

Áp lực tác động lên kết cấu không biến dạng được tính bời:

trong đó: ơ r - áp lực tĩnh;

kh - m ôđun phản lực của đất;

w - biến dạng của kết cấu;

ơ p - áp lực bị động của đất.

Quá trình tính toán như sau:

- Môđun phản lực của đất kh được gán ch o tất cả các phần từ và kết cấu chịu tác động của áp lực tĩnh (hình 1.49).

- Phân tích được tiến hành và điều kiện độ lớn cho phép của áp lực đất tác động lên tường được kiểm tra Tại vị trí mà điều kiện đó bị vi phạm chư ơng trinh sẽ gán kh = 0 và tường chịu tải trọng của áp lực đất chủ độn g hoặc bị động tương ứng với hình 1.50.

Quá trình lặp Irên tiếp tục tới khi tất cả các điều kiện đòi h ỏi được thoả mãn.

1.6.2 Môđun phản lực của đất nền

Các thuộc tính dưới đây trong chưcmg trình dùng để nhập m ôđun phản lực của đất:

- Dạng phân bố (giả thiết phân bố của môđun phản lực của đất phía trước và sau

c ô n g trình được nhập).

- Là một thông số của đất với giá trị tương ứng (cà tuyến tính và phi tuyến) phù hợp với Schmitt; C U R 166; Ménard; Chadeisson; phép lặp sử dụng các thuộc tính biến dạng cua đất.

M ôđun phản lực theo phương ngang cùa đất nền m ột cách tổng quát phù hợp với độ

cứ n g lò xo trong mẫu Winkler mô tả mối quan hệ giữa tải ư ọ n g tác dụng lên m ột bản đặc và biến dạng tổng của đất được tính như sau:

Hình LSI: Xác định m ôđun phán lực cùa đất

ỉ 6.2.2 M ôđun phản lực của đất tư ơng ứng với Schm ith

1.6.2.3 M ôđun phản lực của đất tương ứng với M énard

Dựa trên các kết quả của thí nghiệm của đất phản ứng với tải trọng gây ra bời bản cứng Ménard suy ra biêu thức sau:

58

Kh = - - ^ - (1-153)

a a + 0 1 3 3 ( 9 a ) “ trong đó: a - độ dài đặc trưng phụ thuộc vào độ sâu điểm ngàm cùa kết cấu;

+ A c

-p 0 0 1 5

(1-154)

trong đó: EI - độ cứng cùa cấu kiện;

y - khối lượng riêng cùa đất;

1.6.2.5 Môđun phản lực dược suy ra từ phương p h áp lặp

Chương trình cho phép tự động tính toán môđun phan lực từ đặc trưng biến dạng cua đất thông qua chu trình lặp Trình tự dựa trên già thiết ràng biến dạng của không gian đàn hồi được đặc trưng bới môđun biến dạng Edef [M Pa] khi thay đổi trạng thái ứng suất kết hợp với sự thay đổi áp lực đat giốn g như sự b iến dạng củ a phần tường năm trong đất.

Đe tìm sự thay đối ứng suất ơ r- ơ chương trình sẽ xác định tải trọng phân bố đều

ơ ol [MPa] của các đoạn kết cấu Sau đó sự tống biến đồi cùa ứng suất thông qua đoạn thứ i (ơ;.l )[MPa.m] được tính Sự thay đôi này nguyên nhân bởi tải trọng thêm vào của đất nền tương ứng với các đoạn từ 1 đến n ( ơ 0|| - ơ 0| n ) T ổng thay đổi của ứng suất

Aơ, được giảm đi bởi độ bền của kêt cấu m lơ t) rj [MPa] Giá trị mới cùa độ cứng lò xo sau đó được tính bới:

ơ o] i - tài trọng phân bố tác dụng lên các đoạn của công trình;

Ơ|| - thay đổi chung của ứng suất sau đoạn thứ i của cô n g trình

Thay đổi của ứng suất trong khối đất được xác định theo Boussinesque.

H ìn h 1.53: X ác định môđun phàn lực cùa đất nền trên đoạn thứ i

Thêm trực tiếp các giá trị m ới của k vào các tính toán tiếp theo là nguyên nhân v ò n g lặp không bền - do đó giá trị k được giới thiệu trong các phân tích sau của tường và sẽ được xác định từ các giá trị g ố c của kp của môđun phản lực của đất.

trong đó:

kp - giá trị gốc của môđun phản lực của đất;

kn - giá trị mới của m ôđun phản lực của đất.

Giá trị lớn nhất cùa nxôđun phản lực của đất của lớp đất thứ i được giới hạn bời:

Chu trinh lặp được sử đụng khi tính toán m ôđun phản lực của đất như sau:

1 - X ác định ma trận của giá trị ảnh hường cho thay đổi riêng của ứng suất theo độ sâu của đất nền thông qua đoạn thứ i của c ô n g trình tương ứng với tải trọng và là nguyên nhân của sự thay đổi ứng sưất trong đoạn khác.

2- Đ ưa ra giá trị gần đúng đầu tiên của môđun kh phía trước tường - già thiết phân bố thQ0 Ịùnh thang vậ giá trị tại chân tường là kh = M N /m 3.

3- Tiến hành phân tích.

4- Tính toán giá trị mới của kh và xác định giá trị mới cho phân tích tiếp theo.

5- Hộp thoại kiểm tra v ò n g lặp xuất hiện và chương trìnỉi tiếp tục tới các lệnh tiếp theo N eu chọn số v ò n g lặp là n, bước thứ 3 và thứ 4 sẽ được lặp lại n lần và quay trơ lại bước thứ 5 Phân tích sẽ kết thúc bởi lệnh Stop trong hộp thoại này.

Chu trình lặp được điều khiển bởi người sử dụng.

60

()n định cục bộ cua hệ thốnu neo cua cừ được xác định cho mồi lớp dất độc lập Chirơnu trinh sẽ tiến hành xác định lực neo, là thành phần cân bằng với hệ thống lực hoạt độnu tronu khối đất Khối dược phác hoạ uồm cừ mặt đất và đường thảng nổi chân cù' với ihanh neo và đưừim thănu theo phươne đúnu đi qua tâm của thanh neo và mặt dài Phân lích dược thực hiện trên mỗi mét của cừ.

1.6.3 Kiêm tra tính ôn định cục hộ cho kết cấu

Hình !.54: Pháií lích ân định cục bộ

Sư dồ kiêm tra lớp thứ i cua neo dược chi ra trên hình 1.54 Xác định cân bàng lực cho khôi A B C D Nhữim lực dưới dây dược nhập vào trong phân tích:

H j - tònLí áp lực dât chú dộng tác độ 11LỈ lên cừ (trên đoạn A D ).

E.„ - tòim áp lực dất chủ động phía trên thanh neo (trên đoạn BC).

G, - trọ nu lượn lí cua khối dắt ABCD; thêm vào dỏ íiiá trị thêm vào tái trọng p hoạt

dô nu trên bề mặt đất cung cấp cho mái dốc A B lớn hơn giá trị trung bình góc nội

ma sál trên bè mặt này; trong trường hợp íióc d ố c nho hơn của mặt trượt A B tái irọim bê mặt khòim dược xét tới

c , - tônu lực dính cua dâl trên mặt trượt AB.

F|, lực phát trièn trên các neo khác, chi một vài trong số chúng thêm vào phân lích cân hả 112 cua láp thứ i sẽ dược thcm vào cân baniì cùa khối thứ i được xác (.lịnh như sau: từ hái neo m 1 chọn cái nho hơn một mặt trượt phăng độ nuhiêng 45° - (pn 2 tù' đưừnu ihãniỉ đửn>> dược dặt vào khối như thê nó đi qua tâm neo dược chọn (đưừim A B và BC trcn hình 1.54), ọ n là trung bình cua tỉóc nội ma sát cua dàt phía trcn thanh neo thấp hơn - vị trí cua bệ neo tìm thấy ở phía trên mặt inrợt dược thêm vào, nếu bộ thú' i dược tìm thay phía trên cái thứ m và bệ thứ i