Phân tích ổn định mái dốc trong không gian ba chiều dựa trên phần mềm ansys_unprotected

Khi tính ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn truyền thống, do không kể đến quan hệ ứng suất biến dạng trong nội bộ của khối đất đá vì vậy hệ số an toàn chỉ là độ an toàn t

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Vũ Hoàng Hưng và TS Nguyễn Thái Hoàng Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dungluận văncủa mình

Tác giả luận văn

Lê Chí Vinh

Trang 2

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Vũ Hoàng Hưng và TS Nguyễn Thái Hoàng đã hướng dẫn tôi thực hiện luận văn của mình

Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo, người đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô cùng có ích trong những năm học vừa qua

Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, Ban lãnh đạo đơn vị công tác, các đồng nghiệp, bạn bè, tập thể lớp Cao học 23C11 những người đã luôn bên cạnh, sát cánh, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện luận văn của mình./

Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2016

Tác giả luận văn

Lê Chí Vinh

Trang 3

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Khái niệm chung về mái dốc 4

1.2 Phân loại mái dốc 4

1.3 Hình thức phá hoại mái dốc và nguyên nhân phát sinh mất ổn định 5

1.3.1 Cơ chế phá hoại của mái đất và nền dốc 5

1.3.2 Hình dạng mặt trượt 6

1.3.3 Kết luận về mặt trượt phá hoại khối đất 7

1.4 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc 7

1.4.1 Các quan điểm về hệ số an toàn thường dùng hiện nay 7

1.4.2 Quan điểm thứ nhất về hệ số an toàn chung 8

1.4.3 Quan điểm thứ hai về hệ số an toàn tổng hợp 14

1.4.4 Quan điểm thứ 3 dùng hệ số huy động cường độ chống cắt của đất làm hệ số an toàn 15

1.4.5 Kết luận về hệ số an toàn ổn định 18

1.5 Những vấn đề cần nghiên cứu 18

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 20

2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán phá hoại dẻo của đất 20

2.2 Phương pháp huy động cường độ chống cắt và phương pháp gia tăng dung trọng 21

2.3 Tính toán ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS 22

2.3.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS [9] 22

2.3.1.1 Khái quát chung về phần mềm ANSYS 22

2.3.1.2 Mô tả phần mềm ANSY S 23

2.3.1.3 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng phần mềm ANSYS 25

2.3.2 Tính toán 26

2.3.2.1 Sơ đồ khối tính toán ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS 26

2.3.2.2 Trình tự phân tích ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS [9] 27

2.3.2.3 Ví dụ phân tích ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS 31

2.3.2.4 Chương trình tính toán ổn định mái dốc theo bài toán phẳng 32

2.3.2.5 Chương trình tính toán ổn định mái dốc theo bài toán không gian 44

Trang 4

2.4 Kết luận chương 2 52

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VAI TRÁI ĐẬP CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN BẮC HÀ – LÀO CAI 55

3.1 Giới thiệu công trình 55

3.1.1 Thông tin chung về công trình 55

3.1.2 Giới thiệu công trình 56

3.2 Kết cấu mái dốc 60

3.3 Tính toán ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS 61

3.4 Kết luận Chương 3 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 77

1 Chi tiết tính toán ổn định mái dốc trên bài toán phẳng: 77

2 Chi tiết tính toán ổn định mái dốc trên bài toán không gian 81

3 Chi tiết tính toán ổn định mái dốc trên bài toán không gian của vai trái đập thủy điện Bắc Hà – Lào Cai 87

Trang 5

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các bộ phận của mái đất 4

Hình 1.2 Hình dạng mặt trượt mái dốc 7

Hình 1.3 Ứng suất pháp σ và cường độ chống cắt của đất τ0 trên đơn vị diện tích mặt trượt 9

Hình 1.4 Xác định hệ số an toàn theo phương pháp phân thỏi Fellenius 10

Hình 1.5 Mái đất được xử lý bằng phương pháp phản áp 12

Hình 1.6: Sơ đồ xác định góc ma sát huy động và lực dính huy động 16

Hình 2.1 Kết cấu chương trình ANSYS 23

Hình 2.2 Trình tự giải bằng ANSYS 23

Hình 2.3 Mô hình mặt mái dốc 33

Hình 2.4 Mô hình phân chia mạng lưới phần tử mái dốc 34

Hình 2.5 Mô hình mái dốc sau khi gán ràng buộc chuyển vị và gia tốc trọng trường 35 Hình 2.6 Biến hình mái dốc khi F=1,2 36

Hình 2.7 Phổ chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=1,2 36

Hình 2.8 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=1,2 37

Hình 2.9 Biến hình mái dốc khi F=1,4 37

Hình 2.18 Qúa trình tính toán không hội tụ tại F=1,82 40

Hình 2.22 Tính toán ổn định mái dốc bằng Geo – Slope 44

Hình 2.23 Mô hình phân chia lưới phần tử mái dốc 44

Hình 2.24 Mô hình mái dốc sau khi gán ràng buộc chuyển vị và gia tốc trọng trường 45

Trang 6

Hình 2.41 Qúa trình tính toán không hội tụ tại F=1,85 50

Hình 3.1 Công trình thủy điện Bắc Hà – Lào Cai 55

Hình 3.2 Vai trái đập thủy điện Bắc Hà – Lào Cai 60

Hình 3.3 Mặt cắt địa chất vai trái đập thủy điện Bắc Hà – Lào Cai 61

Hình 3.4 Mô hình đường mái dốc vai trái Công trình thủy điện Bắc Hà 62

Hình 3.5 Mô hình mặt mái dốc 62

Hình 3.6 Mô hình mái dốc trên không gian ba chiều 62

Hình 3.7 Mô hình mái dốc sau khi gán ràng buộc chuyển vị và gia tốc trọng trường 63 Hình 3.8 Phổ chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=1,2 63

Hình 3.9 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=1,2 63

Trang 7

Hình 3.30 Qúa trình thay thế F=3,15 tính toán không hội tụ 70

Trang 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong QCVN 04:05:2012 13

Bảng 1.2 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong QP của Canada 13

Bảng 1.3 Hệ số huy động cường độ chống cắt cho phép 17

Bảng 2.1 Tham số vật liệu mô hình khối trượt 32

Bảng 2.2 Lực dính và góc ma sát trong ứng với các hệ số triết giảm cường độ 32

Bảng 2.3 Bảng tổng hợp kết quả tính toán bài toán phẳng 41

Bảng 2.4 Bảng tổng hợp kết quả tính toán bài toán không gian 51

Bảng 3.1 Cấp công trình và tần suất thiết kế 56

Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật đập dâng 56

Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật tràn xả lũ 57

B ảng 3.4 Các thông số kỹ thuật cửa lấy nước 58

Bảng 3.5 Các thông số kỹ thuật nhà máy thủy điện và nhà trạm phân phối 59

Bảng 3.6 Tham số vật liệu mô hình khối trượt 60

Bảng 3.7 Lực dính và góc ma sát trong ứng với các hệ số huy động 61

cường độ chống cắt 61

Trang 9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

LVThS Luận văn Thạc sĩ

PPPTGH Phương pháp phần tử giới hạn

PPVPTP Phương pháp vi phân toàn phần

Trang 11

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Mái dốc là một công trình thường gặp trong thực tế xây dựng Vấn đề quan trọng và hay gặp phải đối với mái dốc là tính ổn định của mái Ổn định mái dốc có quan hệ trực tiếp đến an toàn thi công công trình, tiến độ thi công và dự toán kinh phí…, do đó cần

phải tiến hành phân tích tổng hợp định tính định lượng đối với tính ổn định mái dốc Phân tích trường ứng suất và biến dạng đối với mái dốc là cơ sở để đánh giá tính ổn định của mái dốc, đánh giá chuẩn xác và dự đoán tình trạng ổn định của mái dốc và xu hướng phát triển làm căn cứ để xử lý tại vị trí mái dốc

Nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng đến ổn định mái dốc:

Nguyên nhân địa chất: bao gồm nguồn gốc của đất đá, cấu tạo địa chất và tính chất cơ

học…Địa chất công trình của mái dốc càng tốt, tính ổn định của mái dốc càng cao và ngược lại Đối với cấu tạo địa chất, cần đặc biệt chú ý đó là quan hệ giữa mặt kết cấu địa tầng với mặt mái dốc Khi mặt kết cấu địa tầng song song với mặt mái dốc hoặc gần song song thì dễ phát sinh mất ổn định, khi mặt tầng đất đá và mặt biên mái dốc gần như vuông góc thì thông thường mái dốc ở trạng thái ổn định

Nguyên nhân thủy văn: Ổn định của mái dốc và nước có quan hệ mật thiết với nhau vì

môđun đàn hồi E, lực dính C , góc ma sát trong ϕ chịu ảnh hưởng của lượng ngậm nước Lượng ngậm nước càng lớn thì E, C, ϕ càng giảm nhưng dung trọng càng tăng điều này làm tăng khả năng mất ổn định của mái dốc

Hoạt động của con người:

– Đào rãnh đường sâu vào chân núi làm giảm nhỏ lực chống trượt của mái dốc, đây là một trong những nguyên nhân phát sinh mất ổn định của mái dốc, trường hợp này thường gặp trong thi công đường giao thông

– Gia tăng tải trọng ở đỉnh dốc làm gia tăng lực gây trượt, làm cho mái dốc dễ phát sinh trượt

Trang 12

– Đào ngầm ví dụ như đào đường hầm, làm thay đổi trường ứng suất mái dốc dẫn đến ứng suất tập trung ở đỉnh dốc và chân dốc, dễ phát sinh phá hoại kéo ở đỉnh dốc và phá hoại cắt ở chân dốc, dẫn tới mất ổn định của mái dốc

Trước đây, phương pháp và lý thuyết phân tích ổn định mái dốc chủ yếu có 3 loại: lý thuyết cân bằng giới hạn, nghiên cứu mô hình trong phòng và lý thuyết phân tích số Khi tính ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn truyền thống, do không

kể đến quan hệ ứng suất biến dạng trong nội bộ của khối đất đá vì vậy hệ số an toàn chỉ là độ an toàn trung bình của mặt trượt giải định Gần đây sự phát triển của kỹ thuật máy tính điện tử đã hoàn thiện lý thuyết phân tích số, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán ổn định mái dốc càng ngày càng nhiều Ưu điểm của việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn chủ yếu bao gồm:

– Vị trí và hình thức của mặt phá hoại không đòi hỏi phải giả định trước, mà sẽ phát sinh phá hoại tại các vị trí có ứng suất kéo vượt quá giá trị ứng suất kháng kéo cho phép

– Giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn cung cấp toàn bộ thông tin về ứng suất biến dạng

Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn vẫn có khả năng xét đến tính không liên tục của khối đá, đặc tính phi tuyến trong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của khối đá

và tính không đẳng hướng trên phương diện tính chất lực học; đủ khả năng tính toán trạng thái biến dạng đàn hồi của khối đá, cũng đủ khả năng tính toán trạng thái phá hoại của khối đá; cũng có thể xét đến một vài điều kiện tác dụng đặc biệt như vấn đề lưu động của nước ngầm, vấn đề động đất…

Vì vậy đề tài chọn phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ổn định mái dốc trong công trình thủy lợi thủy điện dựa trên phần mềm ANSYS có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

II Mục đích của đề tài:

Tính toán hệ số ổn định mái dốc bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm

ANSYS

Trang 13

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về ổn định mái dốc và kết hợp sử dụng phần mềm ANSYS tính toán hệ số ổn định mái dốc theo phương pháp huy động cường độ chống cắt, kháng cắt của đất

IV Kết quả dự kiến đạt được:

- Nắm được lý thuyết về ổn định mái dốc và phương pháp phần tử hữu hạn

- Sử dụng tốt phần mềm ANSYS phân tích tích trạng thái ứng suất biến dạng của mái dốc

- Tính toán hệ số an toàn ổn định mái dốc theo phương pháp huy động cường độ kháng cắt của đất

- Áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể

Luận văn gồm 3 chương chính: Chương 1, Chương 2, Chương 3

Chương 1 là phần tổng quan, trình bày những khái niệm chung về mái dốc, phân loại

mái dốc Nêu ra các vấn đề cơ bản liên quan trực tiếp đến nội dung luận văn như hình thức phá hoại mái dốc và nguyên nhân phát sinh mất ổn định mái dốc, phương pháp tính toán ổn định mái dốc

Chương 2 và Chương 3 là nội dung chính của luận văn Chương 2 nêu lên cơ sở

tính toán ổn định mái dốc theo phương pháp phần tử hữu hạn Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán ổn định mái dốc với mô hình 2D, 3D và đưa ra kết luận Chương

3 áp dụng những nội dung đã được nêu ra tại chương 1,2 để tính toán cụ thể với mái dốc vai trái đập công trình thủy điện Bắc Hà – Lào Cai

Phần cuối cùng là Phần Kết luận và Kiến nghị Phần này trình bày những ưu điểm, các điểm còn tồn tại và phương hướng phát triển phương pháp

Các tài liệu tham khảo được liệt kê theo thứ tự sử dụng trong luận văn thành bản riêng

ở cuối luận văn

Trang 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm chung về mái dốc

Một khối đất có mặt ngoài là mặt phẳng ngang vô hạn được quy ước gọi là nền đất ngang gọi tắt là nền đất Một khối đất có mặt ngoài nghiêng một góc nghiêng nào đó

so với mặt ngang được quy ước gọi là mái đất Mái dốc đứng được gọi là vách; chiều cao của vách đá rất lớn nhưng vách đất thường không quá vài mét và không ổn định lâu dài Mái đất có công trình xây dựng trên nó được quy ước gọi là nền dốc

Nguyên nhân hình thành mái đất hoặc do thiên nhiên (vận động của vỏ quả đất, bào mòn, tích tụ …) hoặc do nhân tạo (đập, đê, mái kênh, mái hố đào v.v…)

Mái đập đất thuộc loại mái đất nhân tạo, các tính chất địa kỹ thuật là đã biết rõ ràng và kích thước có thể chọn sơ bộ hoặc theo kinh nghiệm hoặc theo các phương pháp đơn giản nhất

Để tiện phân tích, một mái đất (hoặc mái dốc) được phân làm mấy bộ phận: Đỉnh mái, chân mái, mái dốc, cơ mái, góc dốc, độ cao của mái, nền mái đất nền mái dốc là bộ phận đất đá nằm dưới mặt phẳng ngang đi qua chân mái dốc

Hình 1.1 Các bộ phận của mái đất

1.2 Phân loại mái dốc

Độ dốc mái được thể hiện qua hệ số mái dốc m = cotgα, với α là góc giữa mái dốc và mặt phẳng nằm ngang Độ dốc mái được xác định thông qua tính toán ổn định chống trượt, có xét đến đặc điểm cấu tạo địa chất nền mái đất, chiều cao mái đất, hình dạng

và kết cấu mặt cắt ngang mái đất, tính chất cơ lý của từng loại vật liệu đất, các lực tác động lên mái đất (như trọng lượng bản thân, áp lực nước, lực thấm, lực mao dẫn, lực động đất, lực thủy động ), biện pháp gia cố bảo vệ mái đất

Nền mái đất Lớp đất trong nền mái đất

Đỉnh mái

Chân mái Mái dốc

Chiều cao mái đất

Trang 15

Tương ứng với hệ số độ dốc của mái được lựa chọn, khi tính toán hệ số an toàn ổn định chống trượt phải có kết quả phù hợp với quy định Trong điều kiện bình thường, khi thiết kế có thể sơ bộ chọn hệ số độ dốc mái theo độ dốc mái của các công trình tương tự đã xây dựng trong khu vực, sau đó kiểm tra bằng tính toán

Mái đất có chiều cao trên 15 m phải làm cơ Chênh lệch độ cao giữa hai cơ liên tiếp trên cùng một mái không quá 15 m Chiều rộng của cơ không nhỏ hơn 3,0 m Nếu cơ

có kết hợp làm đường giao thông thì bề rộng và kết cấu của cơ cũng như các hạng mục công trình đảm bảo an toàn giao thông thực hiện theo quy định của đường giao thông (theo TCVN 4054 : 2012)

1.3 Hình thức phá hoại mái dốc và nguyên nhân phát sinh mất ổn định

1.3.1 Cơ chế phá hoại của mái đất và nền dốc

Sự phá hỏng mái đất có thể xảy ra từ từ khó nhận biết trong một thời gian dài, phải quan trắc lâu dài hoặc quan sát độ cong thân cây mọc trên sườn dốc hoặc xảy ra đột ngột không lường trước được theo một mặt trượt có hình học rõ rệt

Nguyên nhân chính của sự phá hỏng mái đất là sự chênh lệch áp lực do trọng lượng bản thân của mái đất theo phương của trọng lực Khi ứng suất cắt phát sinh do sự chênh lệch áp lực ấy lớn lên và phát triển trong khối đất đến một trị số nào đó hoặc trong một miền nào đó trong khối đất mà cường độ chống cắt của bản thân đất không chịu nổi thì sự phá hỏng sẽ xảy ra

Khi mái đất bị phá hỏng, mặt trượt hình thành và phân mái đất làm chia phần, phần đất đứng yên ở dưới mặt trượt và phần đất trượt trên mặt trượt lớp đất mỏng dọc theo mặt trượt bị xáo động mạnh do ứng suất cắt phát sinh vượt quá cường độ chống cắt của đất Đối với nền dốc, tải trọng ngang tác dụng vào công trình xây dựng hoặc ở đỉnh mái, hoặc ở sườn mái, hoặc ở cơ mái và lực thấm tác dụng trong mái đất cũng làm tăng thêm ứng suất cắt trong khối đất, do đó làm tăng nguy cơ phá hoại mái đất và nền đất

Có thể phân các dạng phá hoại mái đất như sau:

- Sạt lở: Xảy ra ở sườn dốc và ở vách đá; có thể làm thay đổi đỉnh dốc nhưng nền mái dốc không bị ảnh hưởng

- Trượt:

Trang 16

+ Trượt nông: Xảy ra trong phạm vi mái dốc nhưng không ảnh hưởng đến nền mái dốc

+ Trượt sâu còn gọi là trượt trồi: Xảy ra không những trong phạm vi mái dốc mà cả trong nền mái dốc Trượt sâu xảy ra trong điều kiện xấu của nền mái dốc Khối đất đá trượt (nông, sâu) có thể vừa có chuyển động tịnh tiến vừa có chuyển động xoay

+ Chảy: Đất đá mái dốc dịch chuyển một phần hay toàn bộ thành dòng như một chất lỏng Dòng chảy này thường hình thành trong các loại đất mềm yếu bão hòa nước khi

áp lực nước lỗ rỗng phát huy tác dụng làm cho đất mất hết khả năng chống cắt

1.3.2 Hình dạng mặt trượt

Dù phá hoại ở dạng nào thì sự phá hoại khối đất là một hiện tượng cơ học dẫn khối đất trượt ở vị thế ổn định hơn trên mặt trượt đã hình thành Do vậy, mọi tác nhân thiên nhiên hoặc nhân tạo gây ảnh hưởng đến sự chênh áp suất trong khối đất đều được coi

là những yếu tố gây nên sự hình thành mặt trượt trong khối đất Sự thay đổi các điều kiện khí hậu thủy văn như mưa nhiều sau thời kỳ nắng hạn; sự thay đổi về điều kiện thoát nước, cấp nước đều là những động lực thúc đẩy sự hình thành mặt trượt phá hoại khối đất Các thay đổi nêu trên có thể tác động ngay hoặc kéo dài trong một thời gian dài rồi đột biến gây sự cố: khối đất trượt trên mặt trượt đến vị trí cân bằng hơn

Sự trượt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định; mặt trượt có dạng của đường cong hai chiều hoặc mặt trụ (hình 1.2) Để đơn giản tính toán mà thiên

về an toàn, sự phân tích ổn định của khối đất thường được xét như bài toán phẳng với mặt trượt dạng trụ tròn

Trong đất rời, mặt trượt có dạng mặt phẳng tạo với mặt ngang một góc dốc nhất định Một khối cát ẩm đổ đống có mặt ngoài bất kỳ, sau khi khô rời, mặt trượt hình thành và tạo nên mái cát phẳng Tuy nhiên, mặt trượt trong khối đất cát dùng làm nền công trình

có thể có những hình dạng phức tạp như trong khối đất dính

Mặt trượt nông nói chung là mặt ngang hoặc nghiêng tùy thuộc móng có chân khay thượng hạ lưu cắm sâu vào nền Mặt trượt sâu có dạng cong rõ rệt Thực tế quan trắc các vụ trượt sâu và thí nghiệm mô hình cho biết mặt trượt sâu có dạng cong logarit

Trang 17

Tuy nhiên trong tính toán thiết kế, nhiều trường hợp phức tạp về đất nền nên phải giả thiết mặt trượt là mặt trụ tròn để tính toán

Hình 1.2 Hình dạng mặt trượt mái dốc

1.3.3 Kết luận về mặt trượt phá hoại khối đất

Từ những điều trình bày trên, có những điều quan tâm khi phân tích ổn định mái đất như sau:

Sự phá hoại mái đất là sự phá hoại cắt trượt theo một mặt trượt nhất định-mặt trượt nguy hiểm nhất

Đối với nền đồng chất, mặt trượt tính toán lấy gần dạng mặt logarit, đối với nền không đồng chất, mặt trượt tính toán là mặt trụ tròn hoặc phức hợp

Khi phân tích ổn định khối đất, giả thiết mọi điểm thuộc mặt trượt đều ở trạng thái cân bằng giới hạn giả định là chấp nhận được

Đất ở khối đất trượt hầu như không bị xáo động do trượt Do đó khi phân tích ổn định mái đất, giả thiết khối đất trượt ứng xử như vật thể rắn là chấp nhận được

1.4 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc

1.4.1 Các quan điểm về hệ số an toàn thường dùng hiện nay

Mức độ ổn định của mái đất và công trình trên nền đất được đánh giá định lượng bằng

hệ số an toàn ổn định, gọi tắt là hệ số an toàn Phân biệt hai khái niệm về hệ số an toàn: hệ số an toàn tính toán, ký hiệu là K hay F và hệ số an toàn cho phép, ký hiệu là [K] hay [F] Hệ số an toàn tính toán được xác định cho một công trình cụ thể với một

Trang 18

phương pháp tính toán nhất định Hệ số an toàn cho phép là hệ số an toàn của công trình do quy phạm nhà nước quyết định, nó là giá trị nhỏ nhất mà hệ số an toàn tính toán cần phải đạt được để công trình làm việc an toàn đồng thời đảm bảo hiệu quả về

mặt kinh tế Việc đề ra một định nghĩa về hệ số an toàn ổn định của mái đất, nền đất và xét đến các nhân tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn của công trình là một trong những

vấn đề quan trọng trong Địa kỹ thuật Hiện nay, thường dùng 3 quan điểm về hệ số an toàn ổn định như sau: hệ số an toàn chung, hệ số an toàn tổng hợp và hệ số huy động cường độ chống cắt của đất đóng vai trò hệ số an toàn

1.4.2 Quan điểm thứ nhất về hệ số an toàn chung

Quan điểm này được Fellenius (1927) ứng dụng đầu tiên vào phương pháp tính toán

ổn định mái dốc Theo quan điểm này, hệ số an toàn ổn định K được định nghĩa như tỷ

số giữa tổng momen chống trượt của đất dọc theo mặt trượt với tổng momen gây trượt

do tải trọng ngoài và trọng lượng đất của khối đất trượt gây nên [1]

ct gt

σ-ứng suất tổng vuông góc với mặt trượt (hình 1.3)

u-áp lực nước lỗ rỗng tại điểm mặt trượt đi qua

ϕ’, c’-góc ma sát và lực dính đơn vị ứng với thí nghiệm cắt thoát nước

Trang 19

u

Hình 1.3 Ứng suất pháp σ và cường độ chống cắt của đất τ0 trên đơn vị diện tích mặt

trượt Với mặt trượt trụ tròn, tâm O bán kính R, trị số Mct (chống trượt) được xác định như sau:

0 ct

Để xét đến tính không đồng nhất về chỉ tiêu cường độ chống cắt của đất ϕ, c và áp lực

lỗ rỗng u, Fellenius đề xuất phương pháp phân thỏi Nội dung của phương pháp phân thỏi Fellenius được thể hiện như hình 1.4

Trang 20

Ο

Ο Ο

Α

W 1

τ 0

σ

Hình 1.4 Xác định hệ số an toàn theo phương pháp phân thỏi Fellenius

Trọng lượng W của thỏi đất và tải trọng đứng P tác dụng vào thỏi đất đang xét được phân thành 2 thành phần:

Thành phần vuông góc với mặt trượt, ký hiệu là N:

Tổng momen gây trượt tính như sau:

gt

L

Tổng momen chống trượt tính như sau:

Trước hết tính lực chống trượt của đất ở đáy thỏi T0:

0

T = τ = σl [( -u)tg '+c']lϕ =(Nưul)tg '+c'l=[(Wϕ +P)cos -ul]tg '+c'lα ϕ

Biết T0 xác định được tổng momen chống trượt như sau:

L 0

Trang 21

Cuối cùng biểu thức tính hệ số an toàn ổn định có dạng:

[(W P)cos -ul]tg '+c'lK

Theo định nghĩa về hệ số an toàn của Fellenius, biểu thức tính hệ số an toàn theo (1.5)

và (1.10) có hai điểm sau đây cần phân tích vì mâu thuẫn với các phương pháp luận:

Một là: Khối đất nền hoặc mái đất đang xét được thiết kế sơ bộ ở trạng thái cân bằng

bền tức K>1, và bài toán Địa kỹ thuật đặt ra là xác định mức độ bền, tức trị số của hệ

số an toàn K lớn hơn 1 là bao nhiêu Do vậy xác định T0 theo biểu thức Coulomb (biểu thức1.2) ứng với điều kiện đất bị cắt là không chặt chẽ về lý thuyết

Hai là: Trọng lượng đất bên trái đường thẳng đứng qua tâm gây lực T ngược hướng với T0, tức gây trượt, nhưng trọng lượng đất bên phải thì gây lực T cùng hướng với T0

tức tham gia với lực chống trượt (hình 1.4) Điều này chứng tỏ rằng đất bên phải ứng

xử như khối đất phản áp chống trượt và do đó có tác giả đề nghị cải biên công thức định nghĩa về hệ số an toàn K (biểu thức 1.2) theo hướng sau:

W là trọng lượng thỏi đất nói chung, ở cả bên trái và bên phải thì công thức 1.10 về hệ

số an toàn cần được sửa như sau:

(hình 1.4) thì phương pháp xử lý bằng phản áp là rất hiệu quả với điều kiện khối đất phản áp

Trang 22

phải nằm hoàn toàn bên phải trục đứng O*Z Hệ số an toàn của mái dốc sau khi xử lý bằng phương pháp phản áp tính theo công thức (1.11) mới hợp lý

Hình 1.5 Mái đất được xử lý bằng phương pháp phản áp Đối với đất nền đồng chất, có thể tính được trị số tải trọng giới hạn (pgh) của nền đất (mục 1.3) theo công thức tổng quát [2]:

Trong đó:

Nγ, Nq, Nc là các hệ số tính tải trọng giới hạn, phụ thuộc góc ma sát trong ϕ của đất và góc lệch δ của tải trọng tác dụng lên mặt nền, xác định theo bảng lập sẵn, là các đại lượng không thứ nguyên

c: lực dính đơn vị của đất (kN/m2 hay kPa)

γ: trọng lượng đơn vị của đất dưới cao trình đặt móng (kN/m2 hay kPa)

q: tải trọng bên là trọng lượng cột đất tính từ mặt đất đến độ sâu đặt móng (kN/m2 hay kPa)

Với chiều rộng móng B, công trình tác dụng lên mặt nền áp lực P, theo định nghĩa về

hệ số an toàn chung K được xác định theo công thức:

= là áp suất đáy móng (kN/m2 hay kPa)

Theo biểu thức (1.13) trong đại lượng pgh có chứa tải trọng bên q=γhm

Trang 23

Với γ là trọng lượng đơn vị của đất từ cao trình đặt móng đến mặt đất, hm là độ sâu chôn móng nên trị số K tính theo công thức (1.13) phụ thuộc q

Nói cách khác nếu độ sâu chôn móng càng lớn và hệ số an toàn càng lớn, tải trọng bên

q càng lớn, pgh càng lớn và hệ số an toàn càng lớn Do đó, ở các nước phương Tây

thường dùng khái niệm về tải trọng giới hạn thực của nền đất, ký hiệu p gh,net như sau

về nền Công trình thủy lợi, dùng hệ số an toàn tổng hợp quy định ở Bảng 1.1

Bảng 1.1 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong QCVN 04:05:2012

1,25 1,2 1,15 1,15

Theo sổ tay thiết kế dùng trong các nước phương Tây, với hệ số an toàn tính theo công thức (1.13), ví dụ của Canada [4], trị số [K] được quy định ở Bảng 1.2

Bảng 1.2 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong QP của Canada

Loại công trình Hệ số an toàn quy định

Công trình bằng đất Công trình chắn đất và hố đào

Nền công trình

1,3÷1,5 1,5÷2 2÷3

Trang 24

Theo sổ tay Nền móng của Mỹ [3], với hệ số an toàn tính theo công thức (1.15) thì hệ

số an toàn quy định tối thiểu bằng 3 (chủ yếu với công trình nhạy lún như nhà cao tầng

và công trình dân dụng)

1.4.3 Quan điểm thứ hai về hệ số an toàn tổng hợp

Kinh nghiệm xây dựng trên thế giới đã chứng tỏ rằng có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến

sự an toàn của công trình Ngoài trình độ thiết kế và thi công, còn phải kể đến các nhân tố thường gặp như: điều kiện làm việc chung giữa kết cấu công trình và nền đất, mức độ tin cậy về dữ liệu đất nền, tầm quan trọng của công trình, mức độ tin cậy về tải trọng và tổ hợp tải trọng…

Khi tính toán thiết kế theo quan điểm thứ nhất vừa nêu ở mục trên thì mức độ tin cậy của các loại dữ liệu tính toán được xét gộp chung lại trong một hệ số an toàn, gọi là hệ

số an toàn chung Như vậy là không hợp lý vì các nhân tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn của công trình là khác nhau

Quan điểm thứ hai được hình thành nhằm bổ khuyết cho quan điểm thứ nhất bằng cách xét riêng từng nhân tố ảnh hưởng thông qua các hệ số tin cậy của từng dữ liệu Ví dụ như TCVN-4253-2012 Công trình thủy lợi – nền các công trình thủy công – yêu cầu thiết kế đã quy định dùng các hệ số như sau:

Hệ số điều kiện làm việc: γc

Hệ số tin cậy đối với đất: γg

Hệ số tin cậy về tầm quan trọng của công trình: γn

Hệ số tổ hợp tải trọng: γlc

Hệ số điều kiện làm việc của khối đất ứng xử như phản áp: γ’c

Theo tiêu chuẩn thiết kế Nền các công trình thủy công TCVN 4253-2012 khi tính nền theo sức chịu tải (tính theo TTGH về phá hoại) cũng quy định dùng nhiều hệ số để xét đến nhiều nhân tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn của công trình xây dựng trên nền đất như sau:

Trang 25

m hệ số điều kiện làm việc phụ thuộc loại công trình và loại nền

Tiêu chuẩn TCVN 4253-2012 hướng dẫn cách chọn trị số các hệ số này Phương pháp

tính này còn gọi là phương pháp dùng nhiều hệ số và các hệ số đóng vai trò của hệ số

an toàn

Điều kiện ổn định (1.17) có thể viết dưới dạng thông thường với một hệ số an toàn tổng hợp trong đó đã tổng hợp đầy đủ các hệ số tin cậy của các đại lượng hoặc yếu tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn:

[ ]

tt

R N

và áp lực lỗ rỗng là u (kN/m2 hay kPa) (hình 1.6) Có thể tính được cường độ chống cắt trên diện tích đơn vị ấy theo chỉ tiêu chống cắt của đất theo định luật Coulomb

Trang 26

Hình 1.6: Sơ đồ xác định góc ma sát huy động và lực dính huy động

Vì khối đất được thiết kế ở trạng thái cân bằng bền nên trên một đơn vị diện tích có bất đẳng thức:

Điều kiện để diện tích đơn vị đang xét là một mảnh của mặt trượt thực thì phải thực hiện một trong hai cách sau đây[7]:

Một là: giữ nguyên đường Coulomb, tăng trị số cường độ ứng suất cắt τ, tức làm tăng

đường kính vòng Mohr ứng suất

Hai là: giữ nguyên trạng thái ứng suất và giảm trị số của các chỉ tiêu cường độ chống cắt của đất, ví dụ giảm trị số τ0 xuống trị số τom, tức giảm độ dốc của đường coulomb Như vậy sẽ có công thức tính lực chống cắt huy động của đất:

0 om

Trang 27

τ gọi là phần cường độ chống cắt của đất đã được huy động đủ đảm bảo sự

cân bằng giới hạn, gọi là cường độ chống cắt huy động và F là hệ số huy động cường

độ chống cắt của đất, gọi là hệ số an toàn ổn định về trượt tại nơi đang xét

Theo định luật Coulomb, cường độ chống cắt của đất trên diện tích đơn vị tính theo công thức (1.21):

ϕ = = là trị số giảm nhỏ của hệ số ma sát và lực dính của đất

Như vậy khi F=1 thì đất tại nơi đang xét thực sự ở trạng thái cân bằng giới hạn, diện tích đơn vị nơi đang xét thuộc về mặt trượt thực

Nếu F>1 thì diện tích đơn vị đang xét còn ở trạng thái cân bằng bền với hệ số an toàn

τ, σ là hai thành phần ứng suất trên diện tích đơn vị nơi đang xét

Trên mặt trượt giả thiết cường độ chống cắt của đất được huy động ở các mức độ khác nhau và thường được xác định trị số trung bình của các mức độ huy động (F) tại nơi trên mặt trượt giả định để làm hệ số an toàn ổn định của mái đát ứng với mặt trượt đang xét

Đối với mái dốc, hệ số huy động cho phép [F] được lấy như sau [5]:

Bảng 1.3 Hệ số huy động cường độ chống cắt cho phép

Trang 28

Đối với nền đất hệ số huy động được lấy như sau: [F]=1,4 đến 1,6

Theo Braja với F=1,4÷1,6 thì hệ số pgh(ϕm, cm) tính với tgϕm=tgϕ/F và cm=c/F sẽ có trị số nhỏ hơn trị số p(ϕ, c) tính với trị số ϕ và c của đất từ 3 đến 4 lần

1.4.5 Kết luận về hệ số an toàn ổn định

Trên đây đã nêu và phân tích các quan điểm về hệ số an toàn thường dùng Từ các phân tích trên nhận thấy quan điểm dùng hệ số huy động cường độ chống cắt của đất làm hệ số an toàn là có tính logic hơn cả Hiện nay quan điểm này đã được dùng phổ biến khi phân tích ổn định của mái đất Ví dụ các phương pháp trong phần mềm tính toán mái đất thường dùng của GEOSLOPE, của AIT đều dùng quan điểm này về hệ số

Như trên đã trình bày quan điểm dùng hệ số huy động cường độ chống cắt của đất làm

hệ số an toàn là có tính logic hơn cả Hiện nay quan điểm này đã được dùng phổ biến khi phân tích ổn định của mái dốc Đối với vấn đề mái dốc, giới hạn chủ yếu của khối đất là do nhân tố lực cắt tạo thành, vì thế dùng quy tắc Mohr-Column để tính toán mái

Trang 29

dốc là tốt nhất Nhưng trong phần mềm ANSYS quy tắc nhằm vào giới hạn dẻo của khối đất nên chỉ dùng quy tắc Druck-Prager, vì vậy không phù hợp đối với tính toán mái dốc Trong luận văn sẽ thông qua mô hình đàn hồi để xác định trường ứng suất và biến dạng của khối trượt, sau đó thông qua hình thức định nghĩa phần tử sẽ dẫn dắt cho phù hợp Mohn-Column, đồng thời mỗi một trạng thái giới hạn của phần tử tiến hành đánh giá, từ đó đạt được đầy đủ vùng phân bố tính dẻo của mái dốc theo quy tắc Mohn-Column Ngoài ra cũng xem xét đến tính không gian của mái dốc

Trang 30

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC THEO PHƯƠNG

PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán phá hoại dẻo của đất

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được

mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử) Các phần tử này được liên kết với nhau tại các điểm nút chung Trong phạm vi của mỗi phần tử nghiệm được chọn là một hàm số nào

đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân bằng của phần tử Tập tất cả các phần tử có chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các phần tử Kết quả dẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút Giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác định trên mỗi một phần tử

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân, ví

dụ như phương trình truyền nhiệt Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, vân vân

PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó mà chỉ trong những miền con (phần tử) thuộc miền xác định của hàm.Trong PPPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi là nút Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn

số cần tìm của bài toán

Trang 31

Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên vô nghĩa Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm PPPTHH là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu về

độ chính xác thay đổi trong toàn miền

2.2 Phương pháp huy động cường độ chống cắt và phương pháp gia tăng dung trọng

Trong chương trình ANSYS đại đa số loại phần tử khi tiến hành phân tích đều yêu cầu chỉ định đặc tính vật liệu Vì phân tích ổ định mái dốc sử dụng mô hình tính đàn dẻo lý tưởng do đó phân tích ổn định mái dốc yêu cầu định nghĩa thuộc tính vật liệu các khối đất trong mái dốc như: dung trọng, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, lực dính và góc ma sát trong Khi tính toán phân tích ổn định mái dốc, sử dụng phương pháp huy động cường độ chống cắt để tính toán, đầu tiên lựa chọn hệ số suy giảm ban đầu F, sau đó đối với hệ số cường độ vật liệu khối đất mái dốc ta tiến hành suy giảm Ta suy giảm lực dính và góc ma sát trong, được cho bởi công thức:

C và ϕ là lực dính và góc ma sát trong ban đầu của khối đất mái dốc

Tính toán mô hình mái dốc khi tiến hành suy giảm đốc với C và ϕ, nếu hội tụ khi đó mái dốc là ổn định

Liên tục tăng lớn hệ số suy giảm F đến khi đúng lúc không hội tụ khi đó hệ số suy giảm là hệ số ổn định hoặc an toàn

Trang 32

2.3 Tính toán ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS

2.3.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS [9]

2.3.1.1 Khái quát chung về phần mềm ANSYS

Trong khoảng 40 năm gần đây, công cụ máy tính đã phát triển mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, cùng với phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng hoàn thiện đã xuất hiện nhiều phần mềm tính toán kết cấu chuyên ngành được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật Phần mềm ANSYS được xem là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thông dụng, có khả năng đủ tiến hành nghiên cứu khoa học

về kết cấu, nhiệt, chất lỏng, điện tử…., ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học các nghành công nghiệp phổ biến như công trình xây dựng, địa chất khoáng sản, thủy lợi, đường sắt….Phần mềm ANSYS là phần mềm thiết kế phần tử hữu hạn đầu tiên thông qua chứng nhận chất lượng ISO 9001, là phần mềm phân tích tiêu chuẩn nhận chứng nhận của Hiệp hội kỹ sư cơ giới của Mỹ, Cục an toàn hạt nhân Mỹ và gần 20 Hiệp hội kỹ thuật chuyên nghành Trên thế giới phần mềm ANSYS đã trở thành một phần mềm thương mại chủ yếu và đã được ứng dụng rộng rãi để phân tích mô phỏng trong ngành xây dựng như: kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng, cầu dầm, đập lớn, đường hầm và các công trình ngầm Thông qua đó có thể phân tích toàn diện khả năng chịu lực, biến dạng, tính ổn định, dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và động với các điều kiện biên phức tạp

Từ khi ra đời năm 1970, phần mềm ANSYS không ngừng được cải tiến nâng cao, công năng và phạm vi sử dụng ngày càng lớn mạnh, hiện nay đã phát triển đến phiên bản 13.0 Phần mềm ANSYS được phổ biến ở Việt Nam khoảng hơn 10 năm trở lại đây nhưng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, trong phân tích tính toán công trình xây dựng chưa được sử dụng nhiều Đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện thì vẫn chưa được ứng dụng trong phân tích tính toán Với thế mạnh có thể phân tích được tất cả các loại kết cấu giàn, dầm và khung, kết cấu vỏ mỏng, kết cấu khối và kết cấu hỗn hợp; Phần mềm ANSYS tỏ ra rất có hiệu quả trong phân tích đập bê tông trọng lực và đập vòm, phân tích đập chịu tác động của động đất, phân tích ứng suất nhiệt trong đập bê tông, phân tích kết cấu đường hầm, cống ngầm, phân tích ổn định mái dốc, phân tích thấm ổn định đập đất, phân tích ứng suất biến

Trang 33

dạng cửa van, phân tích ứng suất và biến dạng cầu máng vỏ mỏng xi măng lưới thép, hay các vấn đề về bê tông cốt thép

Khối xử lý số liệu (PREP7) Khối giải (SOLUTION) Xử lý số liệu thông thường

(POST1) Kết cấu khối của ANSYS Khối xử lý kết quả

Khối thiết kế tối ưu (OPT) Xử lý số liệu theo thời gian

(POST26) Các khối khác (Other)

Hình 2.1 Kết cấu chương trình ANSYS

` Xác định nhiệm vụ phân tích và mục tiêu phân tích

Công trình thực tế Xác định loại hình phân tích

Xác định phạm vi mô hình Phương án phân tích bằng

ANSYS

Quy hoạch mô hình Lựa chọn phương án phân chia mạng lưới

Mô hình PTHH Lựa chọn trường hợp tải trọng

Sử dụng hệ tọa độ và đơn vị hợp lý

Kiểm tra tính chính xác của mô hình

Tiến hành quá trình giải Xác định loại hình phân tích với lý luận thiết kế

Sử dụng bộ phận giải theo lý thuyết toán học logic Kiểm tra kết quả

Thiết lập hạng mục lựa chọn giải hợp lý Hình 2.2 Trình tự giải bằng ANSYS

2.3.1.2 Mô tả phần mềm ANSY S

a Vị trí phần mềm ANSYS trong thị trường CAE

Trang 34

Hiện nay có hơn 70% các trường đại học và các Viện nghiên cứu trên thế giới sử dụng phần mềm ANSYS trong giảng dạy và nghiên cứu Trong lĩnh vực kỹ thuật với sự trợ giúp của máy tính (CAE), ANSYS có ưu thế rõ rệt ở các mặt sau:

- Phần mềm phân tích thiết kế công trình với sự trợ giúp của máy tính đạt chứng nhận đảm bảo chất lượng ISO 9001 khá sớm so với các phần mềm tương tự

- Phần mềm có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất thế giới

- Phần mềm khoa học kỹ thuật được cấp giấy chứng nhận của gần 20 hiệp hội kỹ thuật chuyên ngành

b Môi trường làm việc của ANSYS

Chương trình ANSYS là một gói phần mềm có công năng lớn, phân tích thiết kế với tối ưu hóa, và linh hoạt Phần mềm này có thể làm việc trên nhiều môi trường khác nhau như máy PC, NT, UNIX

ANSYS có thể trao đổi số liệu với rất nhiều phần mềm CAD, có thể nhận số liệu hình học từ một phần mềm khác như: Pro Engineer, SolidWork, NASTRAN, Alogor, I- DEAS, AutoCad nên có thể tiết kiệm được rất nhiều thời gian trong quá trình xây dựng mô hình và nâng cao hiệu quả làm việc

Với các phần mềm CAD có thể tạo các file có cách thức: Pro/E, Unigraphics, CADDS,

IGES, SAT và Parasolid, phần mềm ANSYS đều có khả năng tiếp nhận

Trang 35

ANSYS/ Emag

ANSYS/ LS-Dyna

2.3.1.3 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng phần mềm ANSYS

a Phương thức giải của ANSYS

b Có 3 phương thức chính giải bài toán kết cấu bằng ANSYS đó là:

-Phương thức giao diện đồ họa–người dùng (GUI-Graphical User Interface)

b Trình tự giải bài toán của ANSYS

Trình tự giải bài toán kết cấu công trình bằng phần mềm ANSYS nói chung bao gồm

15 bước cơ bản được phân thành 3 nhóm là: xử lý số liệu, tính toán và xử lý kết quả tính toán, như sau:

Lựa chọn mô hình tính toán

Thiết lập các yêu cầu tính toán

Trang 36

Tính toán các vấn đề có liên quan

Xử lý kết quả tính toán:

Đọc lấy dữ liệu từ trong kết quả tính toán

Hiển thị các loại biểu đồ, bảng biểu đối với kết quả tính toán

Phân tích kết quả

2.3.2 Tính toán

2.3.2.1 Sơ đồ khối tính toán ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS

SƠ ĐỒ KHỐI TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG

Kiểm tra vùng biến dạng dẻo

và chuyển vị mái dốc

Thỏa mãn yêu cầu Huy động cường độ chống cắt C’ = C/F Tanϕ’ = Tanϕ / F bằng cách tăng dần F

hội tụ Không hội

tụ (mái dốc bị phá hoại)

Xuất F với F là hệ số

ổn định mái dốc

Trang 37

2.3.2.2 Trình tự phân tích ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS [9]

Phân tích ổn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS thông thường phân thành các bước sau:

- Thiết lập môi trường vật lý;

- Thiết lập mô hình, phân chia mạng lưới, gán đặc tính cho các vùng của mô hình

không đồng nhất;

- Gán điều kiện biên và tải trọng;

- Tính toán;

- Xử lý kết quả (kiểm tra kết quả tính toán)

a, Thiết lập môi trường vật lý

- Chọn lọc Menu GUI:

Nếu thông qua con đường GUI để vận hành ANSYS, sau khi phần mềm ANSYS được

mở việc đầu tiên nên làm là từ “Main Menu -> Preferences” lựa chọn “Structural” để tiện khi tiến hành phân tích ổn định mái dốc, lọc một vài menu không cần thiết và trên màn hình đồ họa tương ứng

- Định nghĩa tiêu đề phân tích:

Trước khi tiến hành phân tích có thể định nghĩa tiêu đề biểu thị nội dung phân tích như

“ Phan tich on dinh mai doc”, để từ tiêu đề này dễ phân biệt mô hình hình học vật lý tương tự khác Dùng phương pháp dưới đây để định nghĩa tiêu đề phân tích

Phương thức mệnh lệnh: /TITLE

Phương thức GUI: Utility Menu -> File -> Change Title

- Giải thích loại hình phần tử và lựa chọn hạng mục của nó (KEYOPT)

Với các phân tích khác của ANSYS có tổng cộng trên 100 loại hình phần tử, có thể sử dụng mô phỏng vật liệu và các loại kết cấu trong công trình, tổ hợp cùng lúc các loại

Trang 38

phần tử không giống nhau tạo nên mô hình trừu tượng của vấn đề vật lý cụ thể Ví dụ mái dốc thuộc tính vật liệu không đồng đều dùng phần tử PLANE 82 để mô phỏng Đại đa số loại hình phần tử đều có lựa chọn hạng mục đặc trưng (KEYOPTS), hạng mục lựa chọn này dùng để cải chính đặc tính phần tử Ví dụ phần tử PLANE 82 có KEYOPTS dưới đây:

KEYOPT (2) thiết lập bao hàm hoặc khống chế biến dạng lớn

KEYOPT (3) thiết lập ứng suất phẳng, đối xứng trục, biến dạng phẳng hoặc xét đến ứng suất phẳng của độ dày

KEYOPT (9) thiết lập ứng suất ban đầu trình tự con của người sử dụng

Phương thức thiết lập phần tử và lựa chọn hạng mục đặc trưng như ở dưới đây:

Phương thức mệnh lệnh: ET; KEYOPT

Phương thức GUI: Main Menu -> Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete

- Định nghĩa đơn vị

Phân tích kết cấu chỉ có 3 đơn vị cơ bản là đơn vị đo thời gian, đơn vị độ dài và đơn vị khối lượng, phương thức biểu đạt tất cả số liệu đầu vào đều cấu thành từ ba đơn vị này Như đơn vị tiêu chuẩn quốc tế, thời gian là giây (s), độ dài là mét (m), khối lượng là kilogram (kg), dẫn tới lực đơn vị là kg.m/s2 (tương đương đơn vị Niuton N), đơn vị mô đun đàn hồi của vật liệu kg/m s2(tương đương đơn vị Pascal Pa)

Chương trình ANSYS có thể định nghĩa đặc tính vật liệu theo 3 loại dưới đây:

+ Tuyến tính hoặc phi tuyến tính;

+ Tính đẳng hướng, dị hướng hoặc phi đàn hồi;

Trang 39

+ Nhiệt độ thay đổi thuận hoặc nhiệt độ thay đổi không thuận

Vì phân tích mô hình mái dốc sử dụng mô hình tính đàn dẻo lý tưởng ( mô hình D-P),

do đó phân tích ổn định mái dốc yêu cầu định nghĩa thuộc tính vật liệu các khối đất trong mái dốc: dung trọng, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, lực dính và góc ma sát trong

Phương thức mệnh lệnh MP

Phương thức GUI: Main Menu -> Preprocessor -> Material Props -> Material Models hoặc Main Menu -> Solution -> Load Step Opts -> Othẻ -> Change Mat Props -> Material Models

Khi tiến hành tính toán ổn định mái dốc, sử dụng phương pháp suy giảm cường độ để thực hiện

- Thiết lập mô hình và phân chia mạng lưới phần tử

Sau khi thiết lập môi trường vật lý có thể thiết lập mô hình Khi tiến hành phân tích tính ổn định mái dốc yêu cầu thiết lập mô phỏng khối đất mái dốc bằng phần tử PLANE82 Sau khi thiết lập xong chỉ định đặc tính trong mỗi vùng mô hình (loại hình phần tử, hạng mục lựa chọn, hằng số thực và tính chất vật liệu…) có thể phân chia mạng lưới phần tử hữu hạn

Thông qua GUI để gán đặc tính mỗi vùng trong mô hình:

+ Main Menu -> Preprocessor -> Meshing -> Mesh Attributes -> Picked Areas;

+ Nhấn vào vùng mô hình muốn lựa chọn;

+ Khai báo các thuộc tính cho vùng mô hình lựa chọn như mã số vật liệu, mã hằng số thực, mã loại hình phần tử và mã hệ tọa độ phần tử

Thông qua mệnh lệnh để giao phó đặc tính mỗi vùng trong mô hình:

+ ASEL (lựa chọn vùng mô hình)

+ MAT (nói rõ mã số vật liệu)

+ REAL (nói rõ mã số hằng số thực)

+ TYPE (chỉ định mã số loại hình phần tử)

+ ESYS (nói rõ mã số hệ tọa độ phần tử)

Trang 40

- Gán ràng buộc và tải trọng

Khi gán điều kiện biên và tải trọng, có thể gán điều kiện biên và tải trọng lên mô hình thực thể ( điểm đặc trưng, đường, mặt) hoặc có thể gán lên mô hình phần tử hữu hạn (điểm nút hoặc phần tử) Khi tính toán, chương trình ANSYS sẽ tự động chuyển điều kiện biên và tải trọng trên mô hình thực thể đến mô hình phần tử hữu hạn

Trong phân tích ổn định mái dốc, chủ yếu là gán ràng buộc độ tự do ở dưới đáy và hai biên cạnh mái dốc

Sau khi làm xong các bước trên có thể tiến hành tính toán, chương trình ANSYS căn

cứ vào thiết lập lựa chọn hạng mục hiện có từ kho số liệu tiến hành tính toán, số liệu kết quả tính toán sẽ được viết vào trong file kết quả và kho số liệu

Phương thức mệnh lệnh: /POST1

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	2,39 MB