GEO5 trong phân tích các Bài toán Địa kỹ thuật công trình và áp dụng vào tính toán Tường Chắn rọ đá

Tính toán tường chắn rọ đá bằng phần mềm Geo5

GEO5 trong phân tích các Bài toán Địa kỹ thuật công trình

và áp dụng vào tính toán Tường Chắn rọ đá

KS Đào Văn Cương

Phần 1 Giới thiệu tổng quát về Bộ phần mềm GEO5

Hình 1: Tổng quan về phần mềm GEO5

Bộ phần mềm GEO5 của hãng Fine.Ltd – Cộng hòa Séc bao gồm hơn 20 cácchương trình con, riêng biệt song có liên hệ chặt chẽ với nhau, được thiết kế để giảiquyết một loạt các bài toán về địa kỹ thuật phổ biến như ổn định mái dốc, mố cầu, rọ

đá, tường chắn đất dạng bản, móng nông, móng cọc, độ lún v.v Ngoài ra, Bộ phầnmềm này cũng có thể dùng cho các ứng dụng có mức độ phức tạp cao như phântích đường hầm, đánh giá mức độ nguy hiểm của công trình do thi công đường hầm,

ổn định của mái dốc đá v.v.

Một trong những lợi thế của GEO5 chính là mức độ tích hợp Đó là một

hệ thống chặt chẽ dựa trên cả hai Phương pháp giải tích và Phương pháp PTHH.

(Một số PM tương tự như Plaxis (Hà Lan), Sigmaz của Geo-Slope (Canada) chỉ sử dụng Phương pháp PTHH để phân tích

Phương pháp tính toán giải tích (ví dụ như tường chắn, phân tích ổn định máidốc) cho phép Người dùng thiết kế và kiểm tra kết cấu một cách nhanh chóng vàhiệu quả Các kết cấu đã được thiết kế, nếu cần, có thể được chuyển vào chươngtrình PTHH(FEM) để phân tích lại Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian cho cácNhà thiết kế mà còn có thể so sánh hai giải pháp một cách độc lập, do đó mức độ an

toàn trong thiết kế tăng lên.

Bộ phần mềm GEO5 cho phép người sử dụng dễ dàng tạo ra kết quả dưới dạng đồ họa rõ ràng và dưới dạng văn bản Các báo cáo phân tích kết cấu là các tài liệu đầu vào và đầu ra cơ bản Một danh mục cây được tạo ra cho phép chèn đồ họavào các văn bản Trong mỗi chế độ đầu vào hoặc mô hình phân tích, có thể thêm một hoặc nhiều hình ảnh minh hoạ vào danh sách các hình ảnh Bất kỳ hình ảnh nào

đó đều có thể hiệu chỉnh, mở rộng hoặc pha màu Các hình ảnh được tự động chèn vào các báo cáo phân tích kết cấu và được cập nhật nếu có bất kỳ sự thay đổi các

dữ liệu đầu vào Kết quả rất dễ hiểu và tài liệu đưa ra luôn luôn được cập nhật

Một tính năng quan trọng nữa của Bộ phần mềm GEO5 là nó có khả năng phù hợp với các tiêu chuẩn và thực hành ở nhiều quốc gia Chúng dựa trên những lý thuyếtchung và phổ biến; chỉ có hình thức kiểm tra cuối cùng phụ thuộc vào các tiêu chuẩn riêng của từng quốc gia Tất cả các ứng dụng của GEO5 cho phép Người dùng kiểm tra các kết cấu theo lý thuyết về trạng thái giới hạn và cũng như phương pháp hệ số antoàn Bất kỳ hệ số giảm tải, hệ số phân tích v.v có thể được thiết lập bởi Người sử dụng Bằng cách đó, họ có thể thiết kế một kết cấu theo Tiêu chuẩn Eurocodes , Anh, Hoa Kỳ, Úc, Ấn Độ và các tiêu chuẩn quốc gia khác trong một Mô-

đun Thiết kế kết cấu Bê tông cốt thép được thực hiện theo các tiêu chuẩn xây dựngchâu Âu (EC2), PN, Anh (BS), Ấn Độ (IS), Hoa Kỳ (ACI) và vv

Bộ phần mềm gồm có các Mô đun (chương trình con) sau đây:

1 Phân tích Địa kỹ thuật bằng phương pháp PTHH (FEM)

· FEM: Mô hình hoá các bài toán địa kỹ thuật đa dạng bằng Phương pháp

PTHH (FEM)

· Tunnel: Phân tích đường hầm bằng phương pháp Phần tử hữu hạn

(FEM)

2 Thiết kế móng

· Beam: Dầm trên nền đàn hồi

· Micropile: Kiểm tra cọc tiết diện nhỏ

· Pile CPT: Kiểm tra cọc dựa trên thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT)

· Piles: Kiểm tra cọc đơn

· Plate: Phân tích móng và Bản vòm bằng Phương pháp PTHH (FEM)

· Spread Footing: Thiết kế và kiểm tra móng nông

3 Thiết kế Tường vây, cọc cừ (dạng tường tấm)

· Sheeting design: Thiết kế kết cấu tường dạng tấm

· Sheeting check: Phân tích kiểm tra tường cừ, tường vây

4 Thiết kế tường chắn đất (dạng Tường trọng lực)

· Abutment: Kiểm tra các mố trụ cầu

· Cantilever wall: Thiết kế và kiểm tra Tường chắn có đầu Conson

· Earth pressures: Tính toán áp lực đất lên tường chắn

· Gabion: Kiểm tra Tường chắn rọ đá

· Gravity Wall: Thiết kế và kiểm tra tường chắn trọng lực

· Masonry Wall: Kiểm tra Tường chắn xây có gia cố

· Nailed slopes: Kiểm tra kết cấu Neo

· Prefab Wall: Thiết kế và kiểm tra Tường chắn lắp ghép

· Redi rock wall: Thiết kế Tường chắn đá giật cấp

6 Phân tích ổn định của mái đất, đá

· Rock Stability: Phân tích ổn định mái dốc đá

· Slope Stability: Phân tích ổn định mái dốc

7 Các kết cấu công trình ngầm

· Ground Loss: Đánh giá mức độ nguy hiểm của việc phá hoại công trình do

thi công đường hầm

· Tunnel: Phân tích đường hầm bằng phương pháp Phần tử hữu hạn

(FEM)

· Settlement: Phân tích độ lún của nền đất

Digital Model of Terrain (DTM)

 Terrain: Mô hình số của bề mặt địa hình

Phần 2 Sử dụng GEO 5 trong Thiết kế, kiểm tra Tường chắn rọ đá

Tường chắn rọ đá hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các Côngtrình kè đường , mố cầu hay kề kê chắn sông Đây là một giải pháp thi công nhanhchống ,và tận dụng được vật liệu địa phương

Mặc dù về cơ bản tường chắn rọ đá cũng gần giống như tường chắn trọng lựclên các vấn đề kiểm toán cơ bản chúng ta có thể sử dụng các phần mềm tính toántường chắn như PTHH như Plaxis, Sigmaz Từ năm 2005 các kỹ sư địa kỹ thuật cóthêm một công cụ nữa để lựa chọn đó là phần mềm GEO5, phần mềm này có thểtính toán theo cả hai phương pháp Giả tích và PTHH

Để sử dụng GEO5 trong tính toán Tường chắn rọ đá ta cần làm theo các bước sau:

Bước 1: Trình đơn Project (dự án) :

- Nhập các dữ liệu về công trình như thông tin dự án, ngày tháng thiết

kế, thông tin về tác giả, chủ đầu tư

- Nhập đơn vị chung cho bài toán

Bước 2: Trình đơn Analysis methods (phương pháp phân tích tường):

- Lựa chọn phương pháp tính toán áp lực đất ( theo tiêu chuẩn, lý thuyếtCoulomb, lý thuyết Caqouot ), bao gồm áp lực chủ động và áp lực bị động của đất

- Lựa chọn phương pháp tính toán ảnh hưởng của động đất (lý thuyếtMononobe – Okabe, lý thuyết Arango)

Bước 3: Trình đơn Profile:

- Nhập cao độ mặt đất (Terrain elevation)

- Nhập thông số về các lớp đất (độ sâu của các lớp đất)

Bước 4: Trình đơn Material( Vật liệu ) :

_ Nhập các thông số về rọ sắt và vật liệu làm kết cấu tường

Bước 5: Trình đơn Soils:

- Lựa chọn mẫu mặt cắt cho lớp đất

- Nhập các thông số cần thiết cho các lớp đất

Bước 6: Trình đơn Geometry:

- Nhập các thông số hình học cho tường

Bước 7: Trình đơn Assign:

- Gán các lớp đất

Bước 8: Trình đơn Terrain:

- Khai báo mô hình đất đắp sau lưng tường

Bước 9: Trình đơn Water:

- Khai báo các thông số về mực nước ngầm

Bước 10: Trình đơn Surcharge:

- Nhập hoạt tải trên mặt đất

Bước 11: Trình đơn Font face resistance

- Nhập kích thước hình học phía trước tường

Bước 12: Trình đơn Applied force

- Khai báo các lực tác dụng vào tường ( lực ngang or momen)

Bước 13: Trình đơn Earthquake

_Khai báo các hệ số về động đất

Bước 14: Trình đơn Setting

_ Thiết lập tiêu chuẩn

Bước 15: Trình đơn Verification

_ Hiện kết quả kiểm tra chung

Bước 16: Trình đơn Bearing cap

_ Kiểm tra sức chịu tải đáy móng

Bước 17 : Trình đơn Demensioning

_ Kiểm tra liên kết giữa các khối tường với nhau về : ổn định lật , trượt, liên

kiết giữa các khối

Phần 3 Hướng dẫn cụ thể bài toán tường chắn rọ đá

1 Số liệu đầu vào

_ Material of block - filling : Vật liệu chứa trong rọ đá ,thường là đá hoặcsỏi to

_ Material of block – mesh : Vật liệu làm rọ

Strength overh : Cường độ chịu kéo Spacing of vert meshes : khoảng cách lưới chắnBear.cap of font joint : khả năng liên kết

_ Geometry of structure : kích thước hình học của cấu trúc

_ Từ 1->6 là chiều rộng và dài của các khối từ dưới lên trên

_ số liệu lớp 1 (soil No.1) và lớp 2 (soil No.2)

_ Unit Weight : Khối lượng riêng

_ Angle of internal friction: góc ma sát trong

_ Cohesion of soil : lực dính của đất

_ Angle of friction struc- soil : góc ma sát giữa tường và đất_ Saturated unit weight : khối lượng riêng bão hòa

2 Kiếm tra khả năng làm việc của tường

Sử dụng phần mềm GEO5 tiến hành kiểm tra khả năng làm việc của tường

Bước 1: Trình đơn Project (dự án) :

- Nhập các dữ liệu về công trình như thông tin dự án, ngày tháng thiết kế,thông tin về tác giả, chủ đầu tư

- Nhập đơn vị chung cho bài toán

Hình 1 Trình đơn Project

Bước 2: Trình đơn Analysis methods (phương pháp phân tích tường):

- Lựa chọn phương pháp tính toán áp lực: Czech Republic ( tiêu chuẩn củacộng hòa séc)

- Lựa chọn phương pháp tính toán ảnh hưởng của động đất: lý thuyếtMononobe – Okabe

Hình 2 Trình đơn Analysis method

Bước 3: Trình đơn Material( Vật liệu ) :

_ Nhập các thông số về rọ sắt và vật liệu trong rọ ( thường là đá và sỏi lớn)_ Nhập thông số về vật liệu trong rọ sắt :

+) Unit weight : khối lượng riêng+ ) Angle of internal friction : góc nội ma sát+ ) Cohesion : lực dính

Bước 4: Trình đơn Geometry: Nhập thông số hình học

Hình 4 Số liệu kích thước hình học các khối

_ Nhấn nút Add để thêm khối mới vào cấu trúc tường ta sẽ được khung nhập kích thước như hình dưới:

Hình 5 Số liệu kích thước hình học các khối_ With: chiều rộng , Height : chiều cao , Offset : khoảng lùi so với khối trướcSau khi chọn xong ta nhân ok thì 1 khối sẽ được nhập vào như hình 5

_ Có thể sửa ( Edit) , xóa ( delete) ,chèn ( insert) các khối

Hình 6

_ Các khối được đánh số thứ tự từ dưới lên trên

Bước 5: Trình đơn Soils : nhập tham số của các lớp đất

Hình 7 _ Nhấn nút Add để thêm lớp đất mới và sẽ xuất hiện hộp thoại như hình dưới:

Hình 8 nhập lớp đất_ đơn vị đã giải thích ở phần số liệu

_ Sau khi điền hết số liệu ta nhấn vào nút “ Pattern and colour ” để chọn loại đất

Hình 9 các loại đất _ Silt : đất bùn , Sandy silt : đất bùn pha cát, Gravally silt : đất sỏi pha bùn, Clay : đất sét, Sandy clay : đất sét pha cát…

_ Sau khi chọn xong ta nhấn “ok” và “ Add”

Bước 6 Trình đơn terrain: Địa hình sau tường

Hình 10_ Chọn loại hình sau tường bằng cách nhấn vào các nút có hình và sẽ hiện ra các thông số về khoảng cách và độ dốc như dưới:

Hình 11

Bước 7 Trình đơn Surcharge: Tải sau lưng tường

_ Hộp Name : nhập tên của tải 1 là Surcharge No1

_ Hộp type : chọn loại hình dạng tải là Trapezoidal ( tải hình thang )

_ Hộp Location : Chon On terrain : trên mặt địa hình

_ Hộp Starting Point : điểm bắt đầu

_ Hộp Leght : độ dài phân bố của tải

_ Magnitude q1 : giá trị của lực phân bố tại điểm đầu

_ Magnitude q2 : giá trị của lực phân bố tại điểm cuối

Hình 12_ Sau khi đầy đủ các thông tin ta nhân Add thì được hình như dưới

Hình 13

Bước 8: Trình đơn Font Face Resistance:Đất mặt trước tường chắn

Hình 14_ Chọn vào nút địa hình mong muốn

_ Hộp Resistance : chọn như trong hình

_ Soil : chọn loại đất SoilNo2 ( cái mà ta đã khai báo hệ số ở trình đơn Soil)_ Angle of fiction ( struct-soil) : góc ma sát tường và đất ( bỏ qua )

_ Thichness: chiều dày lớp tính từ chân tường h = 0.7

_ terrain surcharge : tải ( trong bài này không có )

_ β : độ dốc của địa hình mặt trước tường : -5 độ

Bước 9 Trình đơn Assign: Gán các lớp đất đã khai báo vào sau tường

Hình 15_ Các lớp đất được đại diện bởi các nút từ trái sang phải : khi muốn chọn lớp SoilNo1 để gán vào sau tường thì ta chọn nút đầu tiên từ trái sang phải như trên hình, rồi nhấp chuột vào hình ở sau tường thì ta được như hình vẽ

Hình 16_ Nếu sau tường có nhiều lớp đất thì ta dùng trình đơn Profile để phân chia các lớp đất rồi lại dùng trình đơn Assign để gán các loại đất như hình dưới

Hình 17

Bước 10 Trình đơn Setting : Thiết lập các tiêu chuẩn tính toán

Hinh 18_ Hộp calculation setting : ta có thể chọ các tiêu chuẩn của Châu âu, công hòa sec hoặc có thể tiêu chuẩn do người dùng tự đặt

Ví dụ với tiêu chuẩn USA ta chó

+)Safety factor for slip : hệ số an toàn trượt =1,5+)Safety factor for overturning : hệ số an toàn lật = 1,5+)Safety factor for bearing cap : hệ số an toàn áp lực đáy móng : 2+) Safety factor for net stress : hệ số an toàn lưới

( trong bài toán này tôi chọn tiêu chuẩn của Cộng hòa Séc)

_Sau khi hoàn thành bạn có thể chọn thử các tiêu chuẩn khác thì bạn sẽ thấy kết quả sẽ khác nhau và sẽ có cái không thỏa mãn

Bước 11 Trình đơn Verification : hiển thị kết quả kiểm tra toàn bộ tường

_ Sau đó bạn nhấn vào nút In detail để hiển thị kết quả như bên dưới

Verification of complete wall : “ kiểm tra toàn bộ tường “

Check for overturning stability : Kiểm tra ổn định lật

Resisting moment

( momen kháng lật)

Mres = 754.73 kNm/

m Overturning

moment ( momen

gây lật )

Movr = 260.17 kNm/

m

Safety factor = 2.90 > 1.50 ( hệ số an toàn theo tiêu chuẩn USA)

Wall for overturning is SATISFACTORY ( thỏa mãn )

Check for slip ( kiểm tra ổn định gây trượt)

Resisting horizontal force

( lực ngang kháng lật)

Hres

= 244.21 kN/

m Active horizontal force

( Lực ngang chủ động ) Htac = 111.87 kN/m

Safety factor = 2.18 > 1.50

Wall for slip is SATISFACTORY

Forces acting at the centre of footing bottom ( Lực tại tâm đế chân tường )

Overall

Normal force N = 401.65 kN/m

Shear force Q = 111.87 kN/m

Overall check - WALL is SATISFACTORY

Bước 12 Trình đơn Bearing cap:

Bearing capacity of foundation soil check : kiểm tra khả năng chịu lực của móng

Eccentricity verification : ( kiểm tra độ lệch tâm)

Max eccentricity of normal force

( độ lêch tâm tính toán) e = 622.8 mm

Maximum allowable eccentricity

( độ lệch tâm cho phép )

ealw = 1155.0 m

m

Eccentricity of the normal force is SATISFACTORY

Footing bottom bearing capacity verification ( kiểm tra sức chịu tải của đáy móng )

Max stress at footing bottom ( áp

lực dưới đáy móng tính toán)

 = 181.24 kPa Bearing capacity of foundation soi

( Sức chịu tải của móng ) Rd = 230.00 kPa

Bearing capacity of foundation soil is SATISFACTORY

Overall verification - bearing capacity of found soil is SATISFACTORY

Bước 13 Trình đơn Dimensioning : kiểm tra ổn định của tường khối

_ Để chọn kiểm tra ổn định giữa các khối với nhau ta nhấn vào “ Joint above the bock No”

Ví dụ : ổn định giữa khối 1 và 2

Verification of construction joint above the block No.: 1 ( kiểm tra ổn định của liên kết giữa khối 1 và khối 2)

Check for overturning stability: ( kiểm tra ổn định )

Resisting moment Mres = 628.53 kNm/

m Overturning

moment

Movr = 155.34 kNm/

m Safety factor = 4.05 > 1.50

Joint for overturning stability is SATISFACTORY

Check for slip: ( kiểm tra trượt )

Resisting horizontal force Hre

s

= 193.86 kN/

m Active horizontal force Hac

t

= 91.92 kN/

m

Safety factor = 2.11 > 1.50

Joint for slip is SATISFACTORY

Forces acting on the bottom block:

m Normal

Shear force Q = 91.92 kN/m

Maximum pressure on the bottom

Red.Coeff by offset of top block = 1.00

Average value of pressure on face = 53.18 kPa

Shear force trasmitted by friction = 127.95 kN/

Transverse pressure check is SATISFACTORY

Joint btw blocks check: ( kiểm tra liên kết giữa các khối )

Mesh material bear.capacity = 40.00 kN/

m Computed stress-state = 26.59 kN/

m Safety factor = 1.50 > 1.50

Joint between blocks is SATISFACTORY

Bước 14 Trình đơn Stability : ổn định trượt toàn khối cả đất và tường

_ Đây là một dạng bài toán của ổn định tường chắn nói chung Nó thuộc modun tính toán ổn định trượt mái dốc, tôi sẽ trình bày về bài này trong phần sau