BÀI TẠP TRÍ NÓI VỀ PHẦN MỀN PLAXIS 2D

Mô hình hóa Khai quật trong Plaxis 2D 2.1 Độ căng mặt phẳng so với Mô hình đối xứng trục Mặc dù nó là một khái niệm tương đối đơn giản, nhiều kỹ sư thực hành không hiểu được ý nghĩa của

CommonMistakes về việc áp dụng Plaxis 2D trong phân tích các vấn đề khai quật

Bài báo · Tháng 1 năm 2014

Một số tác giả của ấn phẩm này cũng đang thực hiện các dự án liên quan này:

Dự án bảo vệ bờ Xem Kế hoạch

Tất cả nội dung theo sau trang này đã được tải lên bởi Tjie-Liong Gouw vào ngày 20 tháng 10 năm 2015.

Người dùng đã yêu cầu nâng cao tệp đã tải xuống.

India Publications

http://www.ripublication.com

Những sai lầm phổ biến khi áp dụng Plaxis 2D trong

Phân tích vấn đề khai quật

GOUW Tjie-Liong

Khoa Kỹ thuật Xây dựng,

Đại học Bina Nusantara, 11480 Jakarta, Indonesia

dụng phần mềm ĐCCT đã mắc nhiều sai sót Bài báo này, với ứng dụng Plaxis làm ví dụ, cố gắng giải thích các lỗi thường gặp khi áp dụng phần mềm địa kỹ thuật FEM trong việc xử lý các vấn đề khai quật

Từ khóa: Phương pháp phần tử hữu hạn, Plaxis, Khai quật sâu

1 Giới thiệu

Ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) không phải là mới, nó đã được sử dụng trong nhiều thực tế kỹ thuật trong hơn bốn mươi năm Trong suốt những năm 70 đến giữa những năm 90, phương pháp này chỉ có thể được áp dụng bởi các trường đại học lớn có đủ khả năng để có được cái gọi là máy tính khung chính Đến cuối năm

chạy phần mềm FEM tinh vi, và do đó, phương pháp này bắt đầu được các kỹ sư quan tâm Theo hiểu biết của tác giả, phần mềm FEM được xây dựng đặc biệt cho các ứng dụng địa kỹ thuật bắt đầu xuất hiện trên thị trường vào đầu những năm 1990 với sự xuất hiện của Feadam, Sage-Crisp, Plaxis, và những phần mềm khác Khi bộ xử lý máy tính trở nên nhanh hơn và

nhanh hơn, nhiều phần mềm FEM địa kỹ thuật thương mại đang trở nên khả dụng, ví dụ: Plaxis, Phase2, Geo5fem, Gfas, Sigma / w, Midas, Geofea, v.v.

Tác giả bắt đầu làm quen với phần mềm FEM địa kỹ thuật vào đầu những năm 1990 Bắt đầu với Feadam vào năm 1990, Sage-Crisp vào năm 1997, Plaxis từ 1995, và gần đây cũng thử Phase2, Gfas và Geo5fem Cùng với những năm tháng, trong quá trình học tập, giảng dạy và ứng dụng PTHH cho các công trình địa kỹ thuật, qua những sai lầm của người khác và của bản thân, anh đã rút ra được một số kinh nghiệm khiến anh viết bài này chia sẻ những bài học kinh nghiệm Phần viết trong bài báo này dựa trên phần mềm Plaxis 2D

2 Mô hình hóa Khai quật trong Plaxis 2D

2.1 Độ căng mặt phẳng so với Mô hình đối xứng trục

Mặc dù nó là một khái niệm tương đối đơn giản, nhiều kỹ sư thực hành không hiểu được ý nghĩa của biến dạng mặt phẳng và sự không đối xứng trục Ví dụ, phần bóng mờ trong Hình 1 sẽ dẫn đến việc đào lâu ra khỏi mặt phẳng nếu áp dụng mô hình biến dạng mặt phẳng Mặt khác, nó sẽ dẫn đến việc khai quật hình tròn nếu áp dụng mô hình đối xứng trục

YXZ

Hình 1 Độ căng mặt phẳng so với mô hình trục đối xứng

Mô hình biến dạng mặt phẳng có nghĩa là các biến dạng chỉ có thể diễn ra trong mặt phẳng xy.

Dọc theo trục dọc (ngoài hướng mặt phẳng) biến dạng được giả định bằng 0, • z

= 0 Do đó, chiều dài của quá trình đào phải lớn hơn đáng kể so với

chiều rộng của hố đào

Mô hình đối xứng trục có nghĩa là các dạng bên, hay chính xác hơn, các dạng xuyên tâm của

các mô hình đều bằng nhau theo mọi hướng, • x = • z Như tên của nó, các cấu trúc trong mô hình đối xứng dọc theo trục Y thẳng đứng và mô hình được quay theo trục Y,

do đó mô hình trong Hình 1 dẫn đến một cuộc khai quật hình tròn Lưu ý: trong Plaxis trục quay luôn ở biên trái

Tất nhiên, thất bại trong việc chọn đúng mô hình biến dạng phẳng hoặc không đối xứng trục sẽ dẫn đến kết quả đầu ra không chính xác.

số R liên, và phần tử kết cấu và khối đất có thể trượt giữa nhau

Sai lầm phổ biến là áp dụng phần tử giao diện trong mô hình hóa các neo đất bằng vữa có áp lực như thể hiện trong Hình 2

Chiều dài tự do của neo trên mặt đất được mô hình hóa bởi nút này đến nút neo Như tên của nó, trong neo nút đến nút, neo được kết nối ở cả hai đầu với các nút trong phần tử kết cấu, như thể không

có tiếp xúc dọc theo thân neo với đất xung quanh Do đó, không được sử dụng để áp dụng phần tử giao diện dọc theo phần thân của nút để neo nút

Chiều dài liên kết của neo trên mặt đất được mô hình hóa bằng phần tử lưới địa lý (độ bền kéo) Trong thực tế, chiều dài liên kết thường được bơm vữa áp lực sao cho đất xung quanh thân vữa tiếp xúc hoàn toàn với thân vữa

Hình 2 Sai lầm khi lập mô hình neo trên mặt đất

Do đó, bề mặt hư hỏng không diễn ra giữa phần thân vữa và đất, mà nằm trong các đường nối đất dính vào phần thân vữa và đất xung quanh nó Nó có nghĩa là toàn bộ lực ma sát của đất có thể được phát triển; do đó, không có phần tử giao diện

nên được giới thiệu Áp dụng phần tử giao diện và đưa ra R liên ít hơn 1 là một sai lầm

2.3 Mô hình vật liệu

Có nhiều tùy chọn để mô phỏng hành vi của đất, ví dụ như: Mô hình Mohr-Coulomb (MC), Mô hình đất mềm, Mô hình đất cứng, Lớp đất mềm, Đất cứng lại với sức căng nhỏ, Đất sét cam biến tính, v.v Mỗi mô hình đều có mỗi chuyên gia riêng và khuyết điểm Hai trong số các mô hình đất thường được sử dụng để mô hình hóa các vấn đề đào sâu, sẽ được thảo luận dưới đây,

2.3.1 Mô hìnhMohr-Coulomb (Mc)

Là công cụ đơn giản nhất và là phương pháp mà các kỹ sư được đào tạo trong quá trình học đại học của họ, Mohr-Coulomb được các kỹ sư thực hành áp dụng rộng rãi, thường không nhận ra hạn chế Mohr-Coulomb đã lập mô hình ứng xử phi tuyến tính của đất thành hai đường song tuyến, như được trình bày trong Hình 3.

Vốn có trong chất dẻo đàn hồi kép Mohr-Coulomb này đã tiếp cận, đất

hỏng) Trong thực tế, đất hoạt động không theo tuyến tính có nghĩa là

độ cứng của đất không bao giờ không đổi, thay vào đó nó thay đổi theo mức ứng suất trong khối đất Do đó,

ở mức ứng suất nhỏ hơn 50% cường độ cuối cùng, mô hình MC sẽ dự đoán quá mức chuyển động của mặt đất, trong khi ở mức ứng suất cao hơn 50% (nghĩa là hệ số an toàn nhỏ hơn 2), nó có thể nguy hiểm khi dự đoán chuyển động của mặt đất

Hình 3 Mô hình Mohr Coulomb

Một nhược điểm nghiêm trọng khác trong mô hình MC là: nó giả định là không tải

đất-tải lại mô đun độ cứng, E bạn, bằng độ cứng tải của đất, E 50, tức là E ur = E 50 như được trình bày trong Hình 3b Trong thực tế, trong điều kiện dỡ tải-tải lại đất nói chung

có môđun cứng hơn nhiều so với điều kiện có tải (xem Hình 4) Các

Độ cứng dỡ tải-tải lại có thể dễ dàng cao hơn theo hệ số từ 2 đến 5 so với

MC nói chung sẽ dự đoán quá mức về sự phập phồng của đất trong

cách không thực tế Vì lý do này, trong bài toán đào, khi áp dụng mô hình MC, nên nhập độ cứng của đất bằng E ur giá trị hơn là E 50.

E ur> E 50

1

e z

Hình 4 Đất thực có mô-đun dỡ tải-nạp lại cao hơn

Ngoài nhược điểm về giả định mô đun độ cứng, dẫn đến sự chuyển động dự báo của đất không chính xác, mô hình MC cũng có hạn chế trong việc phân tích vấn đề không thoát nước Điều này sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo

2.3.2 Mô hình luyện tập

Ứng suất biến dạng thực của đất cho thấy rằng khi chịu tải, đất sẽ hoạt động không theo tuyến tính Khi tải trọng càng cao, môđun độ cứng của đất càng ngày càng thấp (xem Hình 5)

Hình 5 Đường cong ứng suất phi tuyến tính và độ cứng của đất không đổi

Ứng suất biến dạng phi tuyến tính này có thể được tính gần đúng bằng mô hình hypebol được phát triển bởi Duncan & Chang, 1970 Ở Plaxis, mô hình hypebol này được gọi là mô hình đất cứng (mô hình HS), và thường được áp dụng để đánh giá tình trạng đất yếu hoặc đất cứng Công thức của mô hình được thể hiện trong Hình 6 bên dưới,

E tôi = độ cứng ban đầu (Young's Modulus)

Hình 6 Xây dựng mô hình đất cứng

Đối với =

(2)(3)

Ở đâu:

• 3 '= giới hạn áp suất

năng lượng m nói chung bằng 0,5 đối với cát, và 1,0 đối với đất sét và phù sa.

c 'và • 'là các thông số sức mạnh hiệu quả

E ur là mô-đun dỡ tải-tải lại E ref là mô-đun dỡ tải-nạp lại tham chiếu ở áp suất giới hạn tham chiếu,

p ref, trên 100kPa

Ngoài độ cứng tải, E 50, và mô-đun dỡ tải-nạp lại, E bạn,

mô hình đất cứng cũng được tính đến mô đun đo oedometer, E oed, như được trình bày trong phương trình sau:

Ở đâu:

oedometer)

2.3.3 Hành vi vật chất trong vấn đề khai quật

Hình 7 cho thấy một vấn đề đào điển hình với các đường dẫn ứng suất do khối đất dưới mức đào

và phía sau tường chắn trải qua Chứng minh rõ ràng rằng đất tại điểm B (dưới mức đào) trải qua trường hợp dỡ tải ở tất cả các giai đoạn xây dựng, trong khi điểm A (sau tường chắn) trải qua một

số thay đổi, ở giai đoạn 1 nó trải qua quá trình dỡ tải, ở giai đoạn 2 (ứng suất trước ) nó trải qua quá trình nạp lại, và ở giai đoạn 3 lại trải qua quá trình dỡ hàng

• K nc

Các giai đoạn xây dựng:

1 Giai đoạn khai quật 1 2

3

Hình 7 Đường dẫn ứng suất trong một vấn đề đào điển hình

Hình 8 Hành vi vật liệu mong đợi trong vấn đề khai quật (Brinkgreeve,

RBJ, Shen, RF, 2011)

Các đường dẫn ứng suất minh họa rõ ràng sự cần thiết phải sử dụng các độ cứng khác nhau của đất trong việc đánh giá các vấn đề đào Hành vi vật chất dự kiến tại các khu vực khác nhau trong một vấn đề khai quật điển hình được mô tả trong Hình 8 (Brinkgreeve và Shen, 2011).

Vì mô hình Mohr Coulomb chỉ sử dụng một giá trị E duy nhất nên nó không thể đáp ứng cho các hành vi vật chất phức tạp tại các vùng khác nhau Nó tạo ra các biến dạng không thực tế, đánh giá quá cao phần nhô lên của đáy và đôi khi dự đoán phần đất phía sau không thực tế

bức tường Các loại đất bên dưới khai quật ứng xử với E bạn, ngay cả đất phía sau bức tường cũng hoạt động

giữa E ur và E 50 Sử dụng E 50 là quá bảo thủ

Độ cứng của đất đối với tải, cắt và dỡ tải đẳng hướng có thể là

tự động phục vụ trong mô hình Làm cứng đất mô hình Do đó, nó dự đoán các biến dạng của tường thực tế hơn, sự lồi lõm của đáy và rãnh lún phía sau tường

Một phiên bản cải tiến của mô hình HS, tức là Mô hình đất làm cứng biến dạng nhỏ (mô hình nhỏ HS), có thể xử lý hành vi biến dạng nhỏ ở trường xa Do đó, nó cho ra máng lún thậm chí tốt hơn và thực tế hơn phía sau tường chắn (hẹp hơn và sâu hơn)

2.4 Tham số không thoát nước

Nghiên cứu đại học về cơ học đất cho chúng tôi biết rằng phân tích hành vi không thoát nước

FEM, phân tích không thoát nước thường được tính bằng hiệu quả

cách tiếp cận căng thẳng Lý do đằng sau là một mối quan hệ toán học giữa các thông số độ bền cắt không thoát nước và thoát nước như được trình bày trong Công thức (8) thể hiện trong Hình 9.

Trong Plaxis, có ba kết hợp đầu vào trong mô hình hóa độ bền cắt không thoát nước, như được trình bày trong Bảng 1.

Plaxis tự động thêm độ cứng của nước khi loại vật liệu không thoát nước được chọn, do đó, nếu các thông số độ cứng tổng được áp dụng như đã dạy trong cơ học đất thông thường, thì độ cứng không thoát nước sẽ cao hơn rất nhiều so với bình thường Đổi lại, nó sẽ dẫn đến biến dạng dự đoán không chính xác

Hình 9 Công thức ứng suất hiệu quả của cường độ không thoát nước

Bảng 1 Mô hình hóa phân tích không thoát nước

KHÔNG HẤP DẪN A

Phân tích theo ứng suất hiệu quả Loại vật liệu:

không thoát nước

Các thông số cường độ hiệu dụng c´, ́ • ´, ́ • ´ ́

Thông số độ cứng hiệu dụng E 50 ´, ́ • ´ ́

UNDRAINED B

Phân tích theo ứng suất hiệu quả Loại vật liệu:

không thoát nước

Tổng thông số cường độ c = c u • = 0, • = 0 Thông số

độ cứng hiệu dụng E 50 ´, ́ • ´ ́ UNDRAINED C

Phân tích theo tổng ứng suất Loại vật liệu:

không xốp / thoát nước

Vì ứng suất của đất luôn bị chi phối bởi ứng suất hiệu quả, A không thoát nước là một phương pháp thích hợp hơn trong việc lập mô hình ứng suất không thoát nước của đất sét Nó có thể dự đoán áp suất nước lỗ rỗng dư thừa một cách tương đối chính xác và có thể tính toán được sự gia tăng sức chống cắt trong quá trình cố kết Tuy nhiên, phải cẩn thận nếu mô hình đất Mohr Coulomb được áp dụng vì A không thoát nước có thể dự đoán quá mức độ bền cắt không thoát nước (xem Hình 10).

Tuy nhiên, phải cẩn thận nếu mô hình đất Mohr Coulomb được áp dụng vì A không thoát nước có thể dự đoán quá mức độ bền cắt không thoát nước (xem Hình 10).

Không thoát nước A

Không thoát nước B

Hình 10 Mô hình Mohr Coulomb Dự đoán C u

Hình 11 Độ võng của tường được dự đoán bởi Undrained A và B (Richard Magus, et al 2005)

Thất bại trong quá trình đào sâu đường cao tốc Singapore Nicoll vào ngày 21 tháng 4 năm 2004 đã mang lại những bài học rất quý giá trong việc mô hình hóa hành vi không thoát nước của đất sét mềm Báo cáo điều tra cho thấy tầm quan trọng của việc phân tích cả hai phương pháp Không thoát nước A và Không thoát nước B (Magus và cộng sự, 2005) như được trình bày trong Hình 11 và 12 cho thấy sự so sánh giữa chuyển động của tường và mô men uốn của tường thu được từ Không thoát nước A và B Trong trường hợp đường cao tốc Nicoll này, đường B không thoát nước cho thấy kết quả quan trọng hơn Bài học rút ra là: mặc dù điều kiện thoát nước nói chung chi phối

sự an toàn của tường chắn đào sâu, nhưng khi đào ở đất sét rất mềm, điều rất quan trọng là phải kiểm tra đặc tính không thoát nước (ở cả A và B không thoát nước).

Hình 12 Khoảnh khắc uốn cong của tường được dự đoán bởi Undrained A và B (Richard Magus, et al 2005)

3 Tính toán quy trình

3.1 Điều kiện ban đầu

Ban đầu, khi tạo mô hình phần tử hữu hạn, mặc dù các thông số của đất đã được chỉ định và lưới phần

tử hữu hạn đã được tạo, nhưng trọng lượng bản thân của đất,

tức là các ứng suất ban đầu, đã không được tính cho Một quy trình đặc biệt là cần thiết để tạo ra hoặc tính toán các ứng suất ban đầu trong thân đất Như tên ngụ ý, ban đầu chỉ có phần thân đất nguyên thủy tồn tại, do đó, tất cả các yếu tố cấu trúc và hình học thay đổi, ví dụ: lấp đất, đào, tất

cả các yếu tố cấu trúc và thay đổi nước ngầm (ví dụ: khử nước, rút nước đột ngột) không được kích hoạt

o σ vo • Các lực lượng đang ở trạng thái cân bằng (ok!)

Hình 13 K o Quy trình cho Hình học Ngang

Các kỹ sư, rất thường, một lần nữa, nếu không hiểu kiến thức lý thuyết thích hợp, trực tiếp trải qua cái gọi là k o thủ tục, để tạo ra nước ban đầu

áp lực và các ứng suất tác dụng ban đầu của đất nền Cái k o quy trình, tính toán ứng suất trong thân đất bằng các phương trình đơn giản sau:

(9)

Ở đâu • ho 'là áp suất trái đất nằm ngang ở trạng thái nghỉ, k o là hệ số của trái đất

áp lực khi nghỉ ngơi, • vo 'là áp suất quá tải theo phương thẳng đứng hiệu quả Quy trình này chỉ đúng và chỉ khi tất cả các dạng hình học của bề mặt đất, các lớp đất,

và mực nước ngầm nằm ngang (Hình 13)

Khi bề mặt đất, lớp đất dưới đất hoặc mực nước ngầm không

nằm ngang, như trong Hình 14, k o quy trình sẽ dẫn đến sự tồn tại của các lực không cân bằng hoặc không cân bằng của các lực ban đầu trong thân đất, đó là

rõ ràng là không đúng Trong những trường hợp như vậy, để duy trì trạng thái cân bằng, cần có lực cắt

ứng suất phát triển trong cơ thể đất Do đó, các k o thủ tục không nên được sử dụng, thay vào đó là một quy trình tải trọng lực, nơi ứng suất cắt được tính toán

ho (A) • σ ho (B) • Các lực KHÔNG ở trạng thái cân bằng (không ổn!)

vo (B) • γ chưa ăn h 3 • γ Đã ngồi h 4 • γ w h 4 '

Tùy chọn tải trọng lực và k o thủ tục trong giai đoạn đầu chỉ có sẵn trong Plaxis 2D phiên bản

2011 trở lên Đối với Plaxis 2D phiên bản 9 trở xuống,

giai đoạn tải trọng lực cần được thực hiện bằng cách bỏ qua k o thủ tục Xong rồi

bằng cách thiết lập • Mweight = 0 trong k o thủ tục tức là trong giai đoạn ban đầu Bằng cách này, không có ứng suất ban đầu nào trong thân đất được phát triển Ứng suất ban đầu của thân đất sau đó là

được tính toán trong mô-đun tính toán của chương trình bằng cách chọn giai đoạn đầu tiên là nhựa 'Loại tính toán' và nếu bất kỳ lớp đất nào được mô hình hóa là không thoát nước, tùy chọn 'Bỏ qua hành vi không thoát nước' trong tab 'Thông số' phải được chọn ( điều này là do ban đầu, khi không có tải trọng bên ngoài và không thay đổi hình học, đất ở trong tình trạng thoát nước) Trong phần 'Đang tải đầu vào', tùy chọn 'Tổng hệ số' được chọn và trong tab 'Hệ số', nhập • Trọng lượng = 1 Sau đó, các giai đoạn xây dựng thực tế tiếp theo được mô hình hóa

Hình 16 cho thấy các quy trình lập mô hình Plaxis cho sự thấm dưới đáy của một bức tường không thấm Trong chế độ phân tích nước của giai đoạn tương ứng của giai đoạn tính toán, bước đầu tiên là kích hoạt giao diện dọc theo tường Việc kích hoạt giao diện trong chế độ đất và chế độ nước độc lập với nhau, giao diện tích cực trong chế độ đất không có nghĩa là nó phải hoạt động trong chế

độ nước, và ngược lại

Trong chế độ đất, giao diện tích cực có nghĩa là giảm ma sát tiếp xúc và cho phép trượt trong đất và tường, trong chế độ nước giao diện tích cực có nghĩa là tường không thấm và giao diện không hoạt động có nghĩa là nước có thể đi qua tường