Tính móng băng cho nhà dân dụng như dầm trên nền đất yếu theo mô hình phi tuyến bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Khi phân tích ứng suất và biến dạng trong nền thì xem ứng xử dưới nền vẫn hoàn toàn nằm trong giai đoạn đàn hồi và áp dụng định luật Hooke để tính toán.. Phương pháp phần tử hữu hạn là m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH -  -

HỨA VĂN ĐÔNG

TÍNH MÓNG BĂNG CHO NHÀ DÂN DỤNG NHƯ DẦM TRÊN NỀN ĐẤT YẾU THEO MÔ HÌNH PHI TUYẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU

Mã số: 31.10.02



LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tháng 12 / 2002

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS CHÂU NGỌC ẨN

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1: GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2: TS CAO VĂN TRIỆU

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH, ngày 04 tháng 01 năm 2002

Có thể tìm hiệu luận văn này tại Thư Viện Trường Đại Học Bách Khoa

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

TOÅNG QUAN



NGHIÊN CỨU ĐI SÂU

PHÁT TRIỂN



NHẬN XÉT, KẾT LUẬN

VÀ KIẾN NGHỊ



ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên ngành : CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU Mã số : 31.10.02

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tính móng băng cho nhà dân dụng như dầm trên nền đất yếu theo mô hình phi tuyến bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Nhiệm vụ:

2

PHẦN I: TỔNG QUAN

Nội dung:

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước theo hướng nghiên cứu

của đề tài

PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU PHÁT TRIỂN

Chương 2: Nghiên cứu tổng quan về đất yếu và cách xác định các chỉ tiêu cơ lý dùng làm

thông số cho bài toán

Chương 3: Cơ sở lý thuyết dùng để giải bài toán móng băng trên mô hình nền đàn hồi dẻo

phi tuyến

Chương 4: Phương pháp phần tử hữu hạn

Chương 5: Nội dung tự động hóa

Chương 6: So sánh kết quả chương trình strip với một số phương pháp tính toán thông

thường trong địa cơ nền móng và một số phần mềm khác

Chương 7: Nhận xét, kết luận và hướng nghiên cứu tiếp của đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/05/2002

V

20/12/2002 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1: TS CHÂU NGỌC ẨN

VII

GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2:

Cán bộ hướng dẫn Cán bộ phản biện 1 Cán bộ phản biện 2

TS CAO VĂN TRIỆU

TS CHÂU NGỌC ẨN GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ TS CAO VĂN TRIỆU

Nội dung và đề cương luận văn cao học đã được thông qua Hội đồng chuyên ngành

Ngày 18 tháng 12 năm 2002

GS TS LÊ BÁ LƯƠNG

Để có được trưởng thành về kiến thức như ngày hôm nay, em không thể nào quên công lao

to lớn của tất cả Giáo sư, Tiến sĩ trong ban giảng dạy chương trình cao học, các Thầy đã truyền đạt cho em những kiến thức không thể thiếu, để em hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến Thầy Tiến Sĩ – Châu Ngọc Ẩn đã hướng dẫn

tận tình cho em trong suốt thời gian em thực hiện luận văn này Cũng như trong quá trình giảng dạy, với một nhiệt huyết mong muốn ngành địa cơ nền móng Việt Nam theo kịp và hòa nhập với thế giới, Thầy đã đưa vào giáo trình, bài giảng của mình những điều mới lạ, lý thú giúp chúng em có những tiết học và những buổi nói chuyện thật sự bổ ích, sinh động Thầy đã giúp chúng em có cái nhìn mới và thấy rõ trách nhiệm của những người đi theo nghiên cứu về ngành địa cơ nền móng

Em xin chân thành biết ơn Thầy Giáo Sư Tiến Sĩ Khoa Học – Lê Bá Lương đã luôn động

viên, cổ vũ trong suốt quá trình chúng em học tập và làm luận văn Thầy đã bỏ rất nhiều tâm huyết trong việc truyền đạt cho chúng em những kiến thức quí báu qua nhiều môn học Tuy Thầy đã cao tuổi nhưng những công nghệ mới trong kỹ thuật xây dựng công trình trên nền đất yếu được Thầy cập nhật liên tục qua các bài giảng Thầy thường xuyên đưa chúng em đi xuống thực địa để có những cái nhìn thực tế về công trình trên đất yếu mỗi khi có công trình nào bị sự cố

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Giáo Sư Tiến Sĩ Khoa Học – Hoàng Văn Tân đã tận tụy

với chúng em qua các bài giảng phong phú của Thầy Nay Thầy tuổi đã cao và sức khỏe không cho phép Thầy tiếp tục giảng dạy, nhưng em mong Thầy luôn được mạnh khỏe và tiếp tục có những đóng góp qua các giáo trình bổ ích như Thầy hằng mong ước Thầy là một trong những nhà giáo để lại ấn tượng sâu sắc cho chúng em

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Giáo Sư Tiến Sĩ Khoa Học – Nguyễn Văn Thơ đã tận

tâm giảng dạy và cung cấp cho chúng em nhiều giáo trình cũng như những tài liệu giá trị của các công trình nghiên cứu về đất Thầy đã cho em những lời khuyên bổ ích từ những thời gian đầu em làm luận văn

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Tiến Sĩ – Cao Văn Triệu đã rất nhiệt tình và bỏ nhiều

thời gian quý báu để cho chúng em những lời khuyên bổ ích trong công việc làm luận văn của

em Sự nhiệt tình của Thầy để lại ấn tượng sâu sắc trong em

Một lần nữa em xin trân trọng biết ơn tất cả Thầy Cô đã dành nhiều tâm huyết truyền đạt kiến thức cho chúng em Em xin kính chúc tất cả Thầy Cô được nhiều sức khỏe để tiếp tục cống hiến cho bộ môn địa cơ nền móng nói riêng và khoa học nói chung

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các anh chị đồng nghiệp, đặc biệt là Ông Hoàng Quốc

Toàn, Phó Tổng Giám Đốc công ty STRUCTURES VIETNAM, đã giúp đỡ và tạo điều kiện

thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Bố Mẹ và sự biết ơn chân thành đến những người thân trong gia đình cũng như các bằng hữu xa gần đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học cũng như thời kỳ thực hiện luận văn này

Tên đề tài:

Tính móng băng cho nhà dân dụng như dầm trên nền đất yếu theo mô hình phi tuyến bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Tóm tắt:

Hiện nay các bài toán đàn hồi và ổn định trong địa cơ học phải nghiên cứu riêng rẽ và theo các phương pháp không liên quan gì đến nhau Khi phân tích ứng suất và biến dạng trong nền thì xem ứng xử dưới nền vẫn hoàn toàn nằm trong giai đoạn đàn hồi và áp dụng định luật Hooke để tính toán Còn khi xác định sức chịu tải của nền thì lại cho phép trong nền có xuất hiện vùng biến dạng dẻo và dựa vào lí thuyết dẻo để tính toán

Biện pháp chia địa cơ học thành hai nhóm bài toán như vậy rõ ràng là bất đắc dĩ Nó không phản ánh được bước chuyển có tính chất dòng dẻo của đất từ trạng thái đàn hồi tuyến tính ban đầu sang trạng thái cuối cùng

Trong thực tế, khi đất nền làm việc dưới tác động của tải trọng ngoài, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là phi tuyến Do tính chất phức tạp khi phân tích phi tuyến nên hầu như không có lời giải giải tích chính xác, mà phải sử dụng phương pháp số để tính gần đúng

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số, nó tỏ rõ ưu thế không chỉ vì giải quyết thành công rất nhiều bài toán thực tế của địa cơ học mà còn bởi tính đơn giản và thích dụng đối với việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của khối đất do bởi đất là một môi trường rời rất phức tạp, thường có nhiều thông số ảnh hưởng đến tính chất cơ lý

Trong luận văn này, tác giả đã giải quyết bài toán đơn giản và phổ thông nhất trong lĩnh vực của địa cơ học Đó là bài toán móng băng trên mô hình nền phi tuyến Trong đó có xét đến sự làm việc đồng thời của móng Việc này có ý nghĩa quan trọng do ứng suất và biến dạng dưới nền cũng chịu sự ảnh không nhỏ khi móng có độ cứng khác nhau Và để kể đến sự làm việc đồng thời của móng, tác giả phải xét thêm ảnh hưởng của sự tiếp xúc giữa nền và móng do chúng có độ cứng rất khác nhau bằng cách thêm các phần tử tiếp xúc giữa chúng

Với chương trình STRIP do tác giả lập trình dùng để giải quyết bài toán móng băng trên nền phi tuyến, người sử dụng có thể dễ dàng đưa vào các thông số ban đầu tùy chọn và nhanh chóng thu được kết quả của bài toán Các kết quả này đều có thể xem dưới dạng hình ảnh giúp có cái nhìn trực quan hơn về các trường ứng suất, biến dạng, chuyển vị cũng như xem các vùng dẻo Ngoài ra STRIP có thể giải quyết bài toán trong trường hợp nền nhiều lớp

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn

Tóm tắt luận án Mục lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC THEO HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Lịch sử phát triển của lý thuyết đàn hồi và lý thuyết dẻo 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của lý thuyết đàn hồi 3

1.1.2 Lịch sử phát triển của lý thuyết dẻo 3

1.2 Các mô hình nền và lời giải của nó theo phương pháp giải tích 4

1.2.1 Mô hình nền Winkler (1867) 4

1.2.2 Mô hình nền bán không gian đàn hồi (1885) 4

1.2.3 Mô hình nền màng (M M Filouenko – Borodils) 8

1.2.4 Mô hình nền tấm (V G Vlaxov) 8

1.2.5 Mô hình nền đàn hồi với hai hệ số nền (P L Pasternak) 9

1.3 Các mô hình nền và lời giải theo phương pháp phần tử hữu hạn 9

1.3.1 Mô hình đàn hồi tuyến tính cho nền đồng nhất đẳng hướng 9

1.3.2 Mô hình nền đàn hồi tuyến tính cho nền đẳng hướng không đồng nhất 10

1.3.3 Mô hình đàn hồi dị hướng 11

1.3.4 Mô hình đàn hồi phi tuyến 12

1.3.5 Mô hình đàn dẻo lý tưởng 12

1.3.6 Mô hình nền giảm bền biến dạng 14

1.3.7 Mô hình Cam–Clay 16

1.3.8 Mô hình Cam–Clay cải biên 20

1.4 Một vài phần mềm địa cơ nền móng 21

1.4.1 Khái quát các phần mềm phổ biến hiện nay 21

1.4.2 Phần mềm Sage-Crisp 23

1.4.3 Phần mềm Plaxis 24

1.4.4 Phần mềm Geo-Slope 25

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH CÁC

CHỈ TIÊU CƠ LÝ DÙNG LÀM THÔNG SỐ CHO BÀI TOÁN

2.1 Nghiên cứu tổng quan về đất sét yếu 27

2.1.1 Khái niệm về đất yếu 27

2.1.2 Bản chất và cấu trúc của khoáng vật sét 27

2.1.3 Đặc điểm chung của đất yếu 31

2.1.4 Đặc điểm biến dạng của đất sét yếu 33

2.2 Các thiết bị và biện pháp xác định sức chống cắt và góc nội ma sát của nền đất

trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường 34

2.2.1 Các thiết bị thí nghiệm xác định chỉ tiêu chống cắt 34

2.2.2 Các phương pháp thí nghiệm xác định chỉ tiêu chống cắt 36

2.3 Xác định mô đun biến dạng e và hệ số Poisson của nền đất với các phương pháp thí nghiệm khác nhau 40

2.3.1 Cơ sở xác định 40

2.3.2 Xác định mô đun biến dạng đàn hồi E bằng thiết bị nén ba trục 40

2.3.3 Xác định E bằng thí nghiệm nén đơn 43

2.3.4 Xác định E bằng thiết bị bàn nén hiện trường 44

2.3.5 Xác định E bằng thiết bị nén cố kết 44

2.3.6 Xác định E dựa vào các số liệu thực nghiệm của một số tác giả 45

2.3.7 Xác định hệ số Poisson µ 47

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÙNG ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN MÓNG BĂNG TRÊN MÔ HÌNH NỀN ĐÀN HỒI DẺO PHI TUYẾN 3.1 Những nguyên lý của cơ học vật rắn biến dạng 49

3.1.1 Ứng suất 49

3.1.2 Biến dạng 54

3.1.3 Tính đàn hồi và định luật Hooke 57

3.2 Những nguyên lý của vật thể đàn dẻo phi tuyến 59

3.2.1 Mặt giới hạn của vật liệu đẳng hướng 59

3.2.2 Mặt dẻo 63

3.2.3 Công và biến dạng tăng bền 65

3.2.4 Tiền đề của lý thuyết đàn hồi phi tuyến Giả thuyết cơ bản trong lý thuyết dẻo 66

3.2.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng theo mô hình đàn dẻo 68

3.3 Phát triển thành công thức áp dụng trong phương pháp phần tử hữu hạn 71

3.3.1 Tính mô đun đàn dẻo Dep 71

3.3.2 Tiêu chuẩn dẻo biểu diễn dưới dạng phương pháp số 72

3.3.3 Aùp dụng cho bài toán phẳng 74

3.3.4 Điểm kỳ dị trên mặt dẻo 75

3.3.5 Ứng suất hiệu quả và ngưỡng ứng suất dẻo nén đơn 75

3.3.6 Tính lực nút tương đương 76

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 4.1 Phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích tuyến tính 80

4.1.1 Các phương trình cơ bản 80

4.1.2 Phần tử tứ giác 82

4.1.3 Phần tử dầm 86

4.1.4 Phần tử tiếp xúc 88

4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích phi tuyến 91

4.2.1 Thủ tục cơ bản để giải bài toán phi tuyến 91

4.2.2 Phương pháp lặp với ma trận tiếp tuyến 91

4.2.3 Kiểm tra hội tụ 92

CHƯƠNG 5 NỘI DUNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.1 Phương hướng chung để lập trình 94

5.1.1 Một số nét chính trong chương trình 94

5.1.2 Ngôn ngữ lập trình: Matlab 94

5.2 Lưu đồ chính của chương trình STRIP và một số Source code 95

5.2.1 Lưu đồ chính của chương trình STRIP 97

5.2.2 Một số source code của chương trình 105

5.3 Giới thiệu giao diện của chương trình STRIP 105

5.3.1 Giao diện chính của chương trình STRIP 105

5.3.2 File menu 106

5.3.3 Tool menu 108

5.3.4 Define menu 108

5.3.6 Analysis menu 114

5.3.7 Deformation menu 115

5.3.8 Stress menu 118

5.3.9 Window menu 120

5.3.10 Help menu 120

CHƯƠNG 6 SO SÁNH KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH STRIP VỚI MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THÔNG THƯỜNG TRONG ĐỊA CƠ NỀN MÓNG VÀ MỘT SỐ PHẦN MỀM KHÁC 6.1 So sánh mức độ phát triển của vùng biến dạng dẻo giữa chương trình STRIP và phương pháp tính toán theo lý luận bán không gian biến dạng tuyến tính 121

6.1.1/ Theo phương pháp tính toán dựa trên lý luận bán không gian biến dạng tuyến tính 121

6.1.2/ Kết quả của vùng biến dạng dẻo khi giải bằng STRIP 123

6.2 So sánh với bài toán mẫu trong phần mềm Plaxis 127

6.3 So sánh tính toán lún với một công trình cụ thể 129

CHƯƠNG 7 NHẬN XÉT, KẾT LUẬN VỀ KẾT QUẢ ĐÃ NGHIÊN CỨU VÀ

KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 7.1 Một số nhận xét và kết luận về hướng nghiên cứu của đề tài 130

7.2 Hạn chế của đề tài và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp 131

Tài liệu tham khảo Lý lịch học viên

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1 Cơ học đất (tập 1 & 2) – R Whitlow

2 Cơ học đất – Vũ Công Ngữ

3 Công trình trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam – Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lực

4 Công trình trên đất yếu – Hoàng Văn Tân

5 Thiết kế và tính toán móng nông – Vũ Công Ngữ

6 Những biện pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây dựng – D.T.Bergado, J.C.Chai, M.C.Alfaro, A.S.Balasubramaniam

7 Foundation analysis and design – Joseph E Bowles

8 Cơ sở lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết từ biến (tập 1 & 2) –

N I BÊDUKHỐP

9 An Introduction to the Machanics of Soil and Foundation – John Atkinson

10 Limit analysis in soil machanics – W F Chen

11 Critical State Soil Mechanics Via Finite Elements – David Muir Wood

12 Finite elements in plasticity – D R J Owen, E Hinton

13 Finite element analysis in geotechnical engineering – David M Potts, Lidija Zdravkovic

14 Numerical methods in geotechnical engineering – George M Filz and D V Griffiths

15 The Finite Element Method using Matlab – Young W Hwon, Hyochoong Bang

16 Phương pháp phần tử hữu hạn – Chu Quốc Thắng

17 Phương pháp phần tử hữu hạn trong địa cơ học – A.B.Fadeev

18 The Student Edition of Matlab – Hướng dẫn sử dụng cho Matlab

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Do đất là một môi trường rời gồm hai đến ba pha, có cấu tạo rất phức tạp Để đơn giản hóa trong tính toán nền móng, người ta phải đưa nhiều giả thiết ban đầu và bỏ bớt đi một số thông số đặc trưng cho tính chất cơ lý của đất nền Điều đó dẫn đến kết quả tính toán có sai số rất lớn Thí dụ như khi tính lún dưới công trình, người ta phải giả thiết xem nền như một bán không gian vô hạn đàn hồi tuyến tính Trong khi đo,ù khi tính khả năng chịu tải của đất nền lại cho phép xuất hiện vùng biến dạng dẻo trong nền với một phạm vi cho phép nào đó Điều đó

ít nhiều dẫn đến sự sai số khi tính lún, đặc biệt khi đất yếu chịu tải trọng dài hạn

Hơn nữa, tải trọng do công trình gây ra thường không tác dụng một lúc ngay lập tức mà nó còn phụ thuộc vào thời gian thi công của công trình Do đó dưới tác dụng một cấp tải ban đầu nào đó, nền đất ít nhiều bị thay đổi các đặc trưng cơ lý, nói nôm na là nó có độ cứng thay đổi Và với cấp tải tiếp theo thì đất nền đã là một loại đất mới

Như vậy muốn phân tích sự làm việc của đất nền sát với thực tế, cần phải phân ra các cấp tải trọng phù hợp với các giai đoạn thi công và sau từng cấp tải đó cần xét lại độ cứng mới của đất nền Đó là thuật toán phân tích phi tuyến Điều này chỉ có thể giải quyết nhanh chóng bằng cách dựa trên thực tế hoặc thực nghiệm để xây dựng cơ sở lý thuyết và sau đó lập trình sẵn nhờ máy tính giải quyết

Với mục đích đó, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng đất nền như những phần tử phẳng và sử dụng một vài mô hình nền để lập trình

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong một thời gian dài, việc giải quyết bài toán trong địa cơ học vẫn dựa trên định luật đàn hồi tuyến tính của Hooke khi phân tích ứng suất trong bài toán đàn hồi và dựa vào định luật phá hoại Coulomb để phân tích khối đất ở các điều kiện làm việc phá hoại cuối cùng Sở dĩ nó được chia ra hai bài toán như vậy là do tính đơn giản và dễ áp dụng của nó khi phân tích riêng rẽ Ngày nay dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của máy tính, việc phân tích các giai đoạn làm việc của đất nền trở nên dễ dàng hơn rất nhiều Điều quan trọng là phải lập chương trình tính toán và sử dụng các mô hình đất nền thích hợp cho từng loại đất thực tế

3 TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Dưới sự tác dụng của tải trọng ngoài do công trình gây ra, quan hệ ứng suất và biến dạng trong nền đất là quan hệ phi tuyến Bởi vậy việc xét đến sự làm việc phi tuyến của nền đất sẽ thu được kết quả sát với thực tế hơn Và việc xét sự làm việc đồng thời giữa nền và móng giúp mô hình của bài toán nền móng tiến gần đến sự làm việc trong thực tế của công trình

4 TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Mặc dù ở một số nước đã có sẵn những phần mềm cùng nhiều loại mô hình phong phú Nhưng việc sử dụng các chương trình này sẽ có một số hạn chế Một phần để sở hữu và sử

dụng một cách trọn vẹn các phần mềm này phải cần đầu tư một khoản không nhỏ Nhưng chính yếu, để hiểu và áp dụng thực tế cho các loại đất cũng như để phù hợp với tiêu chuẩn xây dựng của Việt Nam, cần phải lập một chương trình riêng cho chính mình Với luận án này tác giả mới chỉ giải quyết cho bài toán móng băng, là loại bài toán đơn giản nhất nhưng cũng rất phổ thông, với mong muốn sau này sẽ được kế thừa để xây dựng những chương trình mạnh hơn, phát triển hơn về mọi mặt như khả năng giải quyết các loại bài toán phức tạp hơn và có nhiều mô hình hơn để phù hợp sự làm việc của các loại đất ở Việt Nam

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ

NGOÀI NƯỚC THEO HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI VÀ LÝ THUYẾT DẺO

- Năm 1768: Qui luật cơ bản của vật thể đàn hồi với dạng đơn giản tuyến tính do Hooke

thiết lập Nhưng lúc bấy giờ bản chất bản chất vật lý của hiện tượng đàn hồi chưa được giải thích

1.1.1/ Lịch sử phát triển của lý thuyết đàn hồi

- Năm 1822: Cauchy đã đưa vào lý thuyết đàn hồi khái niệm hiện đại về ứng suất và biến

dạng tại một điểm

- Năm 1885: Lời giải cho bài toán phân bố ứng suất cho vật thể đàn hồi được thiết lập do

Boussinesq Lời giải này hiện nay vẫn được dùng trong tính toán ứng suất phân bố trong nền bán không gian vô hạn đàn hồi cho bài toán địa cơ học

- Năm 1956: Phương pháp phần tử hữu hạn được phát minh và sử dụng để giải quyết các

bài toán kỹ thuật nói chung và kỹ thuật xây dựng nói riêng, trong đó có lĩnh vực địa cơ học Nó có thể giải quyết được nhiều bài toán phức tạp và mô phỏng sự làm việc thực tế của công trình với nhiều thông số đầu vào

Thành tựu đáng kể của lý thuyết đàn hồi là lý thuyết đàn hồi phi tuyến

- Năm 1773: Coulomb nhận ra được hai thành phần ảnh hưởng đến độ bền của đất Đó là

lực dính C và góc nội ma sát ϕ

1.1.2/ Lịch sử phát triển của lý thuyết dẻo

- Năm 1864: Tresca đưa ra tiêu chuẩn giới hạn ứng suất trong vùng ứng xử đàn hồi của vật

liệu kim loại, có thể vận dụng vào cơ đất ứng với giai đoạn không thoát nước

- Năm 1913: Để khắc phục những khó khăn trong phép tính toán học cho tiêu chuẩn

Tresca, Von Mises đã đưa ra tiêu chuẩn mới về giới hạn ứng xử đàn hồi Thực chất đây là việc làm “tròn hóa” mặt giới hạn của tiêu chuẩn Tresca

- Trong những năm thập kỷ 40 của thế kỷ XX một ngành mới của cơ học khá phát triển, đó

là lý thuyết dẻo Trong thời gian này có ba phát biểu quan trọng để có thể mô tả đầy đủ về quan hệ ứng suất – biến dạng trong bài toán dẻo, gồm: a/ Tiêu chuẩn phá hoại dẻo,

b/ Qui luật chảy dẻo (ghi nhận qui luật phát triển biến dạng dẻo), c/ Quy luật tăng bền

- Năm 1950: Cuốn sách “Lý thuyết toán cho bài toán dẻo” do R Hill viết được xuất bản

r y

k

r Mô hình nền Winkler

Biến dạng thực tế của đất nền

Đất nền chịu tải trọng phân bố đều

P k

P Mô hình nền Winkler

Biến dạng thực tế của đất nền

Đất nền chịu tải trọng tập trung

Hình 1.1: Mô hình nền Winkler

Thiếu sót chủ yếu của mô hình này là chưa xét đến tính phân phối của đất nền Vì đất có tính dính và có ma sát trong nên khi chịu tải trọng cục bộ, nó có khả năng lôi kéo (huy động) cả vùng đất xung quanh (ngoài phạm vi đặt tải) vào cùng làm việc với bộ phận ở ngay dưới tải trọng Đặc tính ấy của đất gọi là tính phân phối Do đó mô hình nền Winkler còn được gọi là mô hình nền biến dạng cục bộ

Thiếu sót nữa của nó là xem hệ số nền như hằng số nhưng thực tế nó phụ thuộc vào loại và cường độ tải trọng cũng như thay đổi theo chiều sâu Và khi xem nền là một hệ lò xo thì có khả năng lò xo bị kéo nhưng trong thực tế đất lại không chịu kéo

Boussinesq đề nghị xem nền như bán không gian vô hạn đàn hồi tuyến tính và đưa ra cách xác định ứng suất phân bố trong nền dưới các loại tải trọng tác dụng

1.2.2/ Mô hình nền bán không gian đàn hồi (1885)

Theo lời giải của Boussinesq, phương trình đường lún do lực tập trung gây ra là:

y =

d E

Hình 1.2: Mô hình bán không gian vô hạn đàn hồi

Mô hình này đã xét đến tính phân phối của đất nhưng lại đánh giá quá cao về nó Theo mô hình này những điểm xa đến vô cùng mới tắt lún Vì đánh giá quá cao tính phân phối của đất nền nên trị số nội lực trong kết cấu tính theo mô hình này sẽ rất lớn Tuy nhiên đến ngày nay, người ta vẫn chấp nhận và sử dụng nó để tính toán ứng suất phân bố trong nền

Sau đây là cách xác định ứng suất phân bố trong nền do một vài dạng tải trọng có liên quan đến đề tài nghiên cứu

Các tải trọng của đường ray xe lửa và tải trọng từ những bức tường dài có thể được xem là những lực tác dụng theo đường thẳng, chúng có chiều dài dọc theo một đường đã cho còn chiều rộng không có (về mặt lý thuyết) Trường hợp này tương ứng với “lực tập trung” trong bài toán phẳng

a/ Ứng suất do tải trọng phân bố đều theo đường thẳng

Theo Boussinesq, ứng suất của một điểm bất kỳ theo tọa độ cầu trong nền dưới tác dụng của tải trọng đường được xác định theo công thức sau:

Tại điểm A (r,z) như hình 1.3 sẽ có các ứng suất:

z r

π

Hình 1.3: Các ứng suất dưới nền do tải trọng đường gây ra

Phương pháp giải tích trong trường hợp này trước hết là tìm các ứng suất chính (σ

b/ Ứng suất do tải trọng băng phân bố đều

1, σ3

Các ứng suất chính:

) ở điểm đang xét Sau đó dùng vòng Mohr xác định các ứng suất theo các phương trực giao dựa vào các góc α và β như trên hình 1.4

)sin(

π

)sin(

Hình 1.4: Các ứng suất dưới nền do tải trọng băng phân bố đều gây ra

Quy luật phân bố tải trọng dạng tam giác khá phổ biến, như là tải trọng do mái dốc taluy của nền đường hay tải trọng do gia tải đắp đê đập Ở đây áp suất tiếp xúc được coi là thay đổi tuyến tính theo chiều rộng (theo trục x) Các ứng suất theo các phương trực giao tại điểm A đã cho như hình 1.5 là:

c/ Tải trọng băng dạng tam giác

2 2

z c x

z x c

z c

x

c

αβ

Hình 1.5: Các ứng suất do tải trọng băng phân bố tam giác

Rất đáng tiếc là lời giải giải tích đối với ứng suất tại một điểm bất kỳ trong nền chịu tải trọng phân bố đều trên diện tích tròn còn chưa tìm được Hiện tại mới chỉ xác định ứng suất thẳng đứng dưới tâm móng:

c/ Ứng suất do tải trọng phân bố trên diện tích tròn

Hình 1.6: Ứng suất thẳng đứng dưới tâm móng do tải trọng phân bố trên diện tích tròn

1

11

z a q

(.)(

dx

x y d h x y c x

trong đó:

c: hệ số đàn hồi của nền dưới màng

h: lực căng của màng

Hình 1.7: Mô hình nền màng của Filouenko – Borodils

Dạng lún của nền là đường cong hệ số mũ

Nền được thay bằng tấm đàn hồi có chiều dày H đặt trên nền cứng Dùng phương pháp biến phân, Vlaxov tìm được liên hệ giữa tải trọng r và độ lún của nền:

1.2.4/ Mô hình nền tấm (V G Vlaxov):

)(.)(.2)

2

x y c dx

x y d t x

trong đó:

c: hệ số đặc trưng cho làm việc chịu nén của nền đàn hồi

t: hệ số đặc trưng cho làm việc chịu cắt của nền

Hình 1.8: Mô hình nền tấm của V G Vlaxov

Như vậy mô hình nền tấm của V G Vlaxov khác với mô hình nền của Winkler ở chỗ có kể đến ứng suất tiếp

Theo Pasternak thì biến dạng của nền phải được thể hiện qua hai thông số nền

1.2.5/ Mô hình nền đàn hồi với hai hệ số nền (P L Pasternak) :

Hệ số nền chịu nén c1

Giải bài toán này tác giả cho ta liên hệ giữa độ lún và tải trọng P:

)( 2)(

2

x K c

P x

π

với: Ko(x) là hàm số Bessel loại 2 cấp 0

Hình 1.9: Mô hình nền đàn hồi hai thông số nền của Pasternak

Dạng mặt lún ở đây giống như dạng mặt lún của nền bán không gian đàn hồi tính theo Boussinesq nhưng độ lún tắt nhanh hơn

Ngoài ra còn nhiều mô hình đất nền khác nữa cho lời giải cổ điển này

1.3 CÁC MÔ HÌNH NỀN VÀ LỜI GIẢI THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Đây là mô hình đất nền đơn giản nhất Ta có thể tính trực tiếp ứng suất từ biến dạng qua ma trận hệ số độ cứng theo biểu thức sau:

1.3.1/ Mô hình đàn hồi tuyến tính cho nền đồng nhất đẳng hướng

=

νν

ν

νν

νν

ν

νν

10

02

2100

01

01

)21)(

1(

E

Các thông số cho mô hình nền này chỉ có:

E: môđun đàn hồi

ν: hệ số Poisson

Hình 1.10: Quan hệ ứng suất – biến dạng trong mô hình đàn hồi tuyến tính

Lưu ý rằng khi γ tiến tới 0,5 thì số hạng (1 2− v /) 2 trong ma trận D sẽ tiến tới 0, còn

(1− v)sẽ tiến tới ν Khi đó ứng suất tỷ lệ với biến dạng thông qua một hằng số, điều này có nghĩa chỉ xuất hiện biến dạng thể tích thuần túy

Hơn thế nữa, khi đó số hạng E/ 1[ ( +v)(1 2− v) ] tiến tới vô cực, theo ý nghĩa vật lý, lúc đó không xảy ra biến dạng thể tích (tương ứng với nước)

Mô hình nền này tương tự như mô hình đàn hồi tuyến tính đẳng hướng đồng nhất, chỉ khác là môđun đàn hồi E gia tăng tuyến tính theo chiều sâu, được tính theo công thức sau:

1.3.2/ Mô hình nền đàn hồi tuyến tính cho nền đẳng hướng không đồng nhất :

E = Eo + m(y – yo

Trong đó E

o, yo, m được thể hiện trong hình 1.11

Hình 1.11: Môđun đàn hồi thay đổi theo chiều sâu

Hệ số Poisson vẫn giữ nguyên, cho nên môđun trượt G được suy ra từ E qua một hằng số theo công thức sau:

G =

)1(

2 +γ

Mô hình này được Gibson công bố năm 1947 nên còn được gọi là nền Gibson

Cấu tạo của đất nền tự nhiên thường phân tầng và khả năng chịu nén theo hai phương khác nhau Do đó để mô tả đúng ứng xử của nó cần có môđun độ cứng thay đổi theo 2 phương

1.3.3/ Mô hình đàn hồi dị hướng

Hình 1.12 thể hiện các thông số vật liệu của mô hình

Hình 1.12: Mô hình nền đàn hồi dị hướng

Các thông số của vật liệu đàn hồi dị hướng gồm :

Ta có phương trình liên hệ như sau:

: Môđun trượt trong mặt phẳng v-h

z h

hh y v

vh x h x

E E

z h

hv y v x h

hv y

E E

ν

z h y v

vh x h

hh z

E E

ν

xy hv xy

trong đó:

v vh

h

hv

E E

νν

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng thực chất là phi tuyến, đặc biệt khi xuất hiện dẻo Mô hình này nhằm mục đích làm thay đổi môđun độ cứng trong đất tùy theo trạng thái ứng suất của nó

1.3.4/ Mô hình đàn hồi phi tuyến

Hình 1.13: Mô hình nền đàn hồi phi tuyến

Quan hệ ứng suất – biến dạng có dạng tổng quát theo công thức sau:

σ = Am ε1/n

trong đó:

Am = Ao zm

m, n : thông số phi tuyến

: nền không đồng nhất biến dạng đàn hồi tuyến tính

m ε1/n: nền không đồng nhất biến dạng đàn hồi phi tuyến

Quan hệ ứng suất biến dạng của mô hình này thể hiện trong hình (1.14) cho ta thấy ứng suất tỷ lệ tuyến tính với biến dạng cho đến ngưỡng dẻo Sau ngưỡng dẻo, đường quan hệ ứng suất biến dạng hoàn toàn nằm ngang

1.3.5/ Mô hình đàn dẻo lý tưởng

Hình 1.14: Mô hình nền đàn dẻo lý tưởng

Công thức tính ma trận đàn dẻo Dep

Lý thuyết dẻo trong cơ học đất được phát triển dựa trên lý thuyết lượng gia tăng dẻo (Hill, 1950) Khi vật liệu xuất hiện dẻo ta có thể chia lượng gia tăng biến dạng thành hai thành phần gồm lượng gia tăng biến dạng đàn hồi và lượng gia tăng biến dạng dẻo

cho mô hình đàn dẻo lý tưởng

{ } ( ) F( x y xy z)

F

Lấy vi phân phương trình trên ta được:

σσ

σ

∂σ

∂τ

∂τ

∂σ

∂σ

∂σ

∂σ

∂

d

F d

F d

F d

F d

F dF

T

z z xy xy y y x

++

trong đó:

Q : hàm thế dẻo

dλ : hệ số tỉ lệ của thành phần dẻo

Thế lượng tăng biến dạng dẻo từ phương trình (1.38) vào phương trình tính lượng tăng ứng suất (1.34) ta được:

∂

∂εσ

∂

d D

F d

D

F dF

T T

(1.40)



[ ] [ ]

εσ

∂

∂σ

D F

Từ phương trình (1.39) và (1.41), ta có sự liên hệ giữa lượng tăng ứng suất và lượng tăng biến dạng như sau:

∂

∂

Q D F

D F Q D D

T

Như vậy ma trận hệ số độ cứng đàn dẻo Dep phụ thuộc vào hàm dẻo F và hàm thế dẻo Q

Hình 1.15 thể hiện đường quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của mô hình này Nó gồm

ba đoạn thẳng tương ứng với ba giai đoạn làm của vật liệu Đầu tiên là đoạn đàn hồi, kết thúc khi lực cắt đạt đến giá trị giới hạn C

1.3.6/ Mô hình nền giảm bền biến dạng

u Sau đó đến giai đoạn giảm bền, sức chống cắt giảm xuống mức sức chống cắt dư Cr Và cuối cùng là đoạn nằm ngang ứng với biến dạng tiếp tục tăng khi sức chống cắt không đổi

Hình 1.15: Mô hình nền giảm bền biến dạng

Sức chống cắt Cu phụ thuộc vào biến dạng dẻo hiệu quả, được tính như sau:

pr p p

u

p u

u

C

R C

hi C

C

εε

εεε

ε

>

khi

0khi

0k

Biến dạng dẻo hiệu quả ε được tính bằng tổng biến dạng dẻo của tenxơ biến dạng lệch:p

[ ' ' 2 ' ' 2 ' ' 2] ( )' 2

3

49

2

xy x

z z

y y

x p

p p

d d

d d

d d

d d

d

εε

εε

εε

εε

εε

+

−+

−+

Công thức tính ma trận đàn dẻo Dep

Hàm dẻo trong mô hình này phụ thuộc vào trạng thái ứng suất và biến dạng dẻo hiệu quả tại điểm đang xét, nên ta có:

cho mô hình nền giảm bền biến dạng:

{ }

Và như trên ta thấy rằng biến dạng dẻo hiệu quả và sức chống cắt có liên hệ với nhau Do đó

vi phân của hàm dẻo sẽ là:

u

T

d c c

F d

εε

u

T T

d c c

F Q

d D

F d

∂

∂λσ

∂

∂εσ

2 2

3

49

z z

y y

x p

q q

q q

q q

q d

Từ phương trình (1.53) và (1.55), ta tính được hệ số tỉ lệ của thành phần dẻo:

[ ] [ ]

εε

∂

∂

∂

∂σ

∂

∂σ

F F

D F

D F d

p u

u T

F F D F

D F Q D D

D

p u

u T

∂

∂σ

1.3.7/ Mô hình Cam – Clay

Hình 1.16: Đường chất tải trong trường hợp có thoát nước CD và không thoát nước CU

Hình 1.17 thể hiện dưới dạng biểu đồ của sự thay đổi thể tích do áp lực trong đất của đường cố kết thường NCL và đường quá cố kết URL Xét một điểm có trạng thái ứng suất nằm trên đường URL, khi ta gia tải thì trạng thái ứng suất sẽ di chuyển trên đường URL (đoạn A  B), cho đến khi gặp điểm giao giữa hai hai đường NCL và URL Nếu tiếp tục gia tải, thì trạng thái ứng suất sẽ di chuyển trên đường NCL (đoạn B  C)

Nếu thể hiện trên mặt phẳng ứng suất – biến dạng thì đường quá cố kết và cố kết thường sẽ tương ứng với đường quan hệ ứng suất – biến dạng trong mô hình đàn dẻo tăng bền như hình 1.18 Đường quá cố kết URL tương ứng với giai đoạn đàn hồi (đoạn A  B) và đường cố kết thường NCL là giai đoạn dẻo tăng bền (đoạn B  C)

Quan hệ giữa biến dạng thể tích với áp lực Quan hệ ứng suất với biến dạng

Mô hình này sử dụng thông số ứng suất hiệu quả, nên trong phần này ứng suất hiệu quả sẽ được ký hiệu dấu (‘) Hình 1.19 thể hiện các thông số cần thiết của mô hình Cam-Clay

Các thông số cho mô hình Cam-Clay

Hình 1.19: Các thông số nền cho mô hình Cam – Clay

M : Góc dốc của đường trạng thái giới hạn trong mặt phẳng p’- q

Phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất:

'sin3

'sin6ϕ

ϕ

−

=

Γ : Thể tích riêng tại trạng thái tới hạn khi p’ = 1.0 hoặc ln (p’) = 0

κ : Góc dốc của đường quá cố kết

λ : Góc dốc của đường cố kết thường

v : thể tích riêng được tính thông qua hệ số rỗng

3J = σx −σy + σy −σz + σz −σx +τxy : độ lệch ứng suất (1.63)

p’x: ứng suất pháp trung bình tại đường trạng thái tới hạn, được tính ứng với áp lực của cố kết trước p’c

71828.21

ln

Hình 1.20: Đường cong giới hạn dẻo của mô hình Cam-Clay

Có thể dùng phương trình đường quá cố kết và đường cố kết thường để tính giá trị ứng suất tối hậu p’x

Theo hình 1.21, thể tích riêng tại trạng thái tới hạn v

Từ phương trình (1.65) và (1.66) ta có:

=

′

κλ

Hình 1.21: Xác định đặc trưng của đất cho mô hình Cam-Clay

Công thức tính ma trận đàn dẻo Dep

Hàm dẻo trong mô hình này phụ thuộc vào trạng thái ứng suất và ứng suất trung bình tối hậu p’

cho mô hình Cam-Clay:

p p '

dε : lượng tăng thành phần dẻo của thể tích riêng v

Do chỉ có biến dạng đàn hồi mới thay đổi ứng suất nên ta có:

εε

Thế lượng tăng ứng suất vào phương trình (1.69)ta có:

v'

'

p p '

F Q d D

F d

D

x

T T

∂

∂

∂

∂σ

∂

∂λσ

∂

∂εσ

∂

Lượng tăng thành phần dẻo trong lượng tăng thể tích riêng dvp

p v

dε

, có thể được tính từ thể tích riêng ban đầu và lượng tăng biến dạng dẻo thể tích riêng , theo công thức sau:

)(

z y x o

p v o p

d

Q d

Q d

Q d v d v dv

σ

∂σ

∂σ

∂λε

∂

∂σ

p

F F

D F

D F d

p x

x T

T

o '

v'

z y x m

d

F d

F d

F d

Q d

Q d

Q F

σ

∂σ

∂σ

∂σ

∂σ

∂σ

p

F F

D F

D F F D D

D

p x

x T

T

ep

o

vv

'''

'

''

∂

∂

∂

∂σ

∂

∂σ

Dep là ma trận hệ số độ cứng đàn dẻo

Mô hình Cam–Clay cải biên giống tương tự mô hình Cam–Clay ngoại trừ hàm dẻo có dạng hình ellipse thay vì hình giọt lệ như mô hình cũ

1.3.8/ Mô hình Cam–Clay cải biên

Hàm dẻo mô hình Cam–Clay cải biên được đề nghị bởi Britto và Gunn (1987):

Như vậy hàm dẻo cho mô hình Cam–Clay cải biên sẽ là:

x

p M p M p

q

'

2 2

2

−+

Hình 1.22: Đường cong giới hạn dẻo của mô hình Cam-Clay cải biên

Ngoài ra còn một số mô hình đất nền khác nữa

1.4 MỘT VÀI PHẦN MỀM ĐỊA CƠ NỀN MÓNG

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin và ứng dụng của nó trong các ngành kỹ thuật, đã có rất nhiều tổ chức như công ty và các trường đại học viết phần mềm giải quyết bài toán địa cơ học bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của máy

tính Các phần mềm mạnh và phổ biến hiện nay có Sage Crisp, Geo-Slope và Plaxis Sau

đây giới thiệu một số đặc trưng chung của các phần mềm này:

1.4.1/ Khái quát các phần mềm phổ biến hiện nay

- Bài toán biến dạng phẳng

a/ Các dạng bài toán

- Bài toán đối xứng trục

- Bài toán không gian 3D (chỉ có ở phần mềm Sage Crisp nhưng hiện chưa có giao diện)

- Phân tích bài toán có thoát nước

b/ Kiểu phân tích

- Phân tích bài toán không thoát nước

- Phân tích bài toán cố kết

Nói chung các phần mềm này có giao diện hỗ trợ rất mạnh cho người sử dụng (GUIs: Graphical User Interfaces) Chúng giúp người sử dụng dễ dàng nhập các dữ liệu đầu vào cũng như xuất kết quả dưới dạng hình ảnh như biểu đồ biến dạng, biểu đồ ứng suất, các vùng biến dạng dẻo v.v…

c/ Các tiện ích và hỗ trợ về giao diện

Người sử dụng hoàn toàn có thể tự tạo các phần tử bằng cách dùng con chuột trên màn hình Nhưng các phần mềm này đều có môđun hỗ trợ tạo lưới để giúp người sử dụng tiết kiệm thời gian và có được những phần tử hợp lý về mặt toán học Đặc biệt phần mềm Plaxis có khả d/ Tạo lưới

năng tự động tạo lưới những phần tử tam giác tối ưu về dạng hình học và kết cấu, giúp chương trình tiết kiệm thời gian khi chạy và đưa lời giải chính xác

Người sử dụng có thể mô phỏng quá trình đào hay đắp của các pha thi công bằng cách kích hoạt hay không các phần tử tương ứng Khả năng này giúp mô phỏng sát thực tế các bài toán tường cọc bản có hố đào hay đất đắp, bài toán đất đắp của đê đập, bài toán đào các đường hầm, ống ngầm v.v…

e/ Pha thi công

Các phần mềm này có khả năng phân tích ứng suất và biến dạng cho hầu hết các bài toán của địa cơ học như: bài toáùn cố kết thấm, móng băng, tường cọc bản có neo và không neo, cọc chịu lực đứng và ngang, đê đập bằng đất đắp, ống ngầm v.v…

f/ Các dạng công trình được mô phỏng

Các phần mềm này sử dụng nhiều loại phần tử để mô phỏng sát thực tế nhất sự làm việc của các loại kết cấu có thể có trong công trình Bảng 1.1 liệt kê các loại phần tử và dạng kết cấu mà nó mô phỏng

g/ Các loại phần tử

Bảng 1.1: Bảng liệt các loại phần tử được sử dụng

Mô phỏng sự làm

Đất nền

Cấu kiện móng,

tường cọc bản

Phần tử tiếp xúc

Phần tử tiếp xúc 4 nút Tuyến tính  Phần tử tiếp xúc 6 nút Tuyến tính   

Vật liệu địa kỹ thuật

Rất nhiều mô hình đất nền được sử dụng để mô phỏng sự làm việc của đất nền Có nhiều loại mô hình xét đến sự làm việc phi tuyến của đất nền Bảng 1.2 liệt kê các loại mô hình nền h/ Các mô hình đất nền

Bảng 1.2: Bảng liệt các mô hình được sử dụng

Mô hình nền không đồng nhất, đàn hồi tuyến tính (nền

Mô hình đàn dẻo lý tưởng theo tiêu chuẩn dẻo Tresca 

Mô hình đàn dẻo lý tưởng theo tiêu chuẩn dẻo Von Mises 

Mô hình đàn dẻo lý tưởng theo tiêu chuẩn dẻo Druger-Praker 

Mô hình đàn dẻo lý tưởng theo tiêu chuẩn dẻo Morh-Coulomb   

1.4.2/ Phần mềm Sage-Crisp

CRISP (CRItical State soil mechanics Program: chương trình tính toán địa cơ theo trạng

thái tới hạn) là chương trình giải quyết các bài toán địa kỹ thuật sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp chặt chẽ với lý thuyết trạng thái tới hạn

a/ Lịch sử phát triển

Nó được phát triển từ năm 1975 bởi nhóm nghiên cứu của khoa công trình thuộc đại học Cambridge, vương quốc Anh Đến năm 1982, phiên bản đầu tiên được giới thiệu Lúc ấy chương trình chủ yếu được sử dụng trong học viện và được chạy trên máy mainframe Đến năm 1990, phiên bản CRISP 90 ra đời dành cho máy tính cá nhân (PC) được sử dụng trên môi trường MS DOS Phiên bản này đã có đủ các chức năng bao gồm khả năng mô hình hóa gia tải theo thời gian và giải quyết bài toán cố kết

Sau đó, khi công ty SAGE engineering Ltd bổ sung thêm giao diện cho người sử dụng trong

môi trường Window và các kỹ thuật nâng cao thì phần mềm được đặt tên là SAGE CRISP

Chương trình phân tích địa cơ này vẫn đang liên tục phát triển qua các nghiên cứu của đội ngũ giáo sư trên toàn thế giới CRISP thường xuyên kiểm tra chương trình với công trình thực tế và cập nhật, phát triển các mô hình đất nền mới

Hiện nay phần mềm Sage Crisp được sử dụng trong nhiều công ty xây dựng trên thế giới

Sage Crisp được xây dựng qua các mô đun chính sau:

b/ Cấu trúc chương trình

+ Pre-Proccesor (tiền xử lý): khai báo và phân tích các dữ liệu đầu vào

+ Analysis Doker: phân tích bài toán

+ Post-Proccesor (hậu xử lý): công cụ hỗ trợ xuất kết quả dưới dạng trực quan

+ Result Convertor: chuyển đổi dạng dữ liệu của kết quả

+ Report Generator: báo cáo kết quả

Ví dụ minh họa của Sage Crisp khi giải bài toán đập đất:

Hình 1.23: Một vài kết quả xuất dưới dạng hình ảnh của Sage Crisp

- Để có thêm thông tin chi tiết, có thể tham khảo tại Web Site:

c/ Thông tin tham khảo

http://www.crispconsortium.com

- Có thể download hoặc đăng ký xin CD của phiên bản dành cho học tập và nghiên cứu (Educational Version) hoàn toàn miễn phí tại Web Site trên

- Giá của phiên bản hoàn chỉnh:

+ Chỉ giải bài toán 2D: 5.000 USD

+ Bao gồm cả bài toán 3D: 9.000 USD

1.4.3/ Phần mềm Plaxis

Phần mềm PLAXIS bắt đầu từ phát triển từ năm 1987 tại khoa công trình công ích và

quản lý tài nguyên nước thuộc trường đại học kỹ thuật Delft, Hà Lan Phiên bản đơn giản ban đầu được viết để giải quyết bài toán phân tích đê, đập ngăn sông trên nền đất yếu thuộc những vùng đất trũng ở Hà Lan

a/ Lịch sử phát triển

Những năm sau, Plaxis tiếp tục phát triển để phân tích những loại bài toán địa cơ nền móng khác Sau quá trình nghiên cứu và phát triển không ngừng, đến năm 1993 công ty PLAXIS BV được thành lập

Plaxis phát triển nhờ những kết quả nghiên cứu của các trường đại học trên thế giới Hơn nữa có hơn 30 công ty xây dựng ở châu Âu đóng góp cung cấp tài chánh giúp Plaxis cập nhật liên tục các phiên bản mới và thông qua những công ty này, Plaxis kiểm tra so sánh sự làm việc của công trình thực với kết quả mô phỏng của Plaxis

Plaxis được xây dựng qua các mô đun chính sau:

b/ Cấu trúc chương trình

+ Plaxis Input: mô đun nhập dữ liệu, bao gồm công cụ giúp đỡ tạo lưới tự động

+ Plaxis Calculation: mô đun phân tích giải bài toán

+ Plaxis Output: mô đun hỗ trợ xuất kết quả dưới dạng trực quan

+ Plaxis Curve: mô đun vẽ biểu đồ từ kết quả thu được

- Để có thêm thông tin chi tiết, có thể tham khảo tại Web Site:

c/ Thông tin tham khảo

http://www.plaxis.nl

- Có thể download hoặc đăng ký xin CD của phiên bản chạy thử (Demo Version) hoàn toàn miễn phí tại Web Site trên

1.4.4/ Phần mềm Geo-Slope

Phần mềm GEO-SLOPE là sản phẩm của công ty Geo-Slope International Ltd, trụ sở

chính ở Canada

a/ Giới thiệu sơ lược

Bộ chương trình Geo-Slope gồm 5 chương trình con có khả năng mô phỏng các bài toán trong địa kỹ thuật và địa môi trường, bao gồm:

SLOPE/W: Phân tích ổn định mái dốc

SEEP/W: Phân tích dòng nước thấm trong đất

SIGMA/W: Phân tích ứng suất và biến dạng trong nền đất

QUAKE/W: Phân tích động trong bài toán động đất

CTRAIN/W: Phân tích vận chuyển chất gây ô nhiễm

TEMP/W: Phân tích địa nhiệt kỹ thuật

VADOSE/W: Phân tích nước ngầm có kể đến tác động của khí hậu, môi trường SEEP3D/W: Phân tích thấm 3 chiều trong đất bão hòa hoặc không bão hòa nước

Ở đây ta chỉ quan tâm chương trình SIGMA/W

Đây là chương trình phần tử hữu hạn phân tích ứng suất và biến dạng trong các công trình đất SIGMA/W có khả năng phân tích những bài toán đơn giản hay phức tạp trong quan hệ ứng suất và biến dạng Thí dụ như có thể xem quan hệ giữa ứng suất – biến dạng đơn giản là tuyến tính hoặc phức tạp hơn là những mô hình phi tuyến SIGMA/W có thể kể ảnh hưởng của sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng nhờ kết hợp với SEEP/W

a/ Chương trình SIGMA/W

- Để có thêm thông tin chi tiết, có thể tham khảo tại Web Site:

c/ Thông tin tham khảo

- Có thể download hoặc đăng ký xin CD của phiên bản chạy thử (Demo Version) hoàn toàn miễn phí tại Web Site trên

- Giá hiện tại của chương trình SIGMA/W hoàn chỉnh: 3.995 USD

(giảm 30% cho các trường đại học sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu)

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ DÙNG LÀM THÔNG SỐ CHO BÀI TOÁN

2.1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐẤT SÉT YẾU

Khái niệm về đất yếu phụ thuộc vào trạng thái vật lý của đất cũng như tương quan giữa khả năng chịu lực của đất đối với tải trọng mà móng công trình truyền lên Khái niệm “đất yếu” cho đến nay cũng chưa thật rõ ràng, tuy nhiên đa số các nhà nghiên cứu có các quan niệm như sau:

2.1.1 Khái niệm về đất yếu

- Đất yếu là đất có khả năng chịu lực vào khoảng 0,5-1 kG/cm2, ít khi lớn hơn, có tính nén lún mạnh và nếu không áp dụng các biện pháp xử lý thì việc xây dựng các công trình trên đất đó khó khăn hoặc không thực hiện được

- Đất yếu hầu như hoàn toàn bảo hòa nước Sr ≥ 0.8, có hệ số rỗng lớn (thường ε >1,0), hệ số nén lún lớn, mô đun tổng biến dạng bé (Eo ≤ 50kG/cm2), lực dính không đáng kể (C ≤ 0.1 KG/cm2), và góc ma sát trong nhỏ (ϕ ≤ 10o

Đất yếu gồm các loại:

- Các loại trầm tích bị mùn hóa

- Than bùn hoá…

Chúng rất đa dạng về thành phần hóa khoáng, nhưng thường giống nhau về tính chất cơ lý và chất lượng xây dựng

Trong thực tế xây dựng thường gặp các loại đất sét yếu bão hòa nước Chúng có những tính chất đặc biệt, đồng thời cũng có một số tính chất tiêu biểu cho đất yếu nói chung Vì vậy sau đây chúng ta nghiên cứu kỹ các tính chất của đất sét yếu

Trong đất sét có hai thành phần: phần phân tán thô và phần phân tán mịn Ở phần phân tán thô chủ yếu có các hạt nhỏ nguồn gốc lục địa (kích thước > 0.002mm) như thạch anh, fenspat.v.v… phần phân tán mịn gồm những hạt rất bé (kích thước 2-0.1µ) và keo (0.1-0.001µ), chúng là các aluminu-silicat phức tạp chứa các ion Mg, Al, K, Ca, Na và Fe… được gọi là khoáng vật sét có cấu trúc dạng lưới-lớp Có 2 loại đơn vị cơ sở của cấu trúc dạng lưới-lớp là:

2.1.2 Bản chất và cấu trúc của khoáng vật sét

+ Đơn vị khối bốn mặt gồm: một ion dương silic ở tâm với bốn ion âm oxy bao quanh (hình 2.1a)

+ Đơn vị khối tám mặt gồm: một ion dương ở tâm là nhôm hay magiê, bao quanh là sáu ion âm hidroxin (hình 2.1b)