Bài giảng địa kỹ thuật công trình và phương pháp luận thiết kế

Khái niệm về đặc điểm của ủất - ủá trong xây dựng Sơ đồ quá trỡnh biến đổi của ủất - ủá Môi trường phong hoá Môi trường thuỷ nhiệt tạo đá Môi trường nhiệt thiêu biến chất Môi trường trầm

đỡa kủ thuẺt cềng trÌnh vộ

Ph−ểng phịp luẺn thiạt kạ

GS NguyÔn Cềng MÉn

PLAXIS FINITE ELEMENT CODES

Tr−êng ệỰi hảc thuũ lĩi

Mền hảc tù chản

3 Ph−ểng phịp luẺn tiạp cẺn thiạt kạ đKT

-Tam giịc địa cể hảc Burland

4 Vai trư cựa mịy tÝnh vộ cịc phẵn mÒm

chuyến dỉng (MH sè ) trong ệộo tỰo, sản xuÊt

vộ phịt triÓn đKT

đỡa kủ thuẺt cềng trình vộ ph−ểng phịp luẺn thiạt kế địa kỹ thuật

Tác nhân gây tác động ĐC ngoại động lực

Khái niệm về đặc điểm của ủất - ủá trong xây dựng

Sơ đồ quá trỡnh biến đổi của ủất - ủá

Môi trường phong hoá

Môi trường thuỷ nhiệt

tạo đá

Môi trường nhiệt thiêu

biến chất Môi trường trầm tích

Chôn vùi và Nung nóng

Xói mòn Vận chuyển Trầm tích

• Trong xây dựng, phân biệt giữa đá và đất: quy ước

Hydrothermal deposit A mineral deposit formed by precipitation of ore and gangue minerals in fractures, faults, breccia openings, or other spaces, by replacement or open-space filling, from watery fluids ranging in

temperature from 50 0 to 700 0 C but generally below 400 0 C, and ranging in pressure from 1 to 3 kilobars

The fluids are of diverse origin Alteration of host rocks is common ( 1bar = 10- 4 kG/cm 2 )

đÊt - đị: vẺt liỷu tù nhiến - lỡch sỏ.

Ớ đÊt - ệị luền biạn ệữi theo mềi tr−êng xung quanh, khã

ệỡnh ra ranh giắi thẺt râ rộng giữa chóng bỪng mét tiếu chuÈn ệển giản Theo quy −ắc chia ra ựÊt vộ ựị → TÝnh

ệẳc chớc ( n %) vộ c−êng ệé cịc liến kạt giữa cịc hỰt

khoịng vẺt ( ệé cụng ) lộ cịc ệẳc tr−ng ệÓ phẹn biỷt

Ớ Trong quị trình sỏ dông, ệÊt ệị vÉn tiạp tôc biạn ệữi theo

mềi tr−êng xung quanh vộ tịc ệéng cựa con ng−êi

Ớ đÊt - đị tuy cã khịc nhau, nh−ng khi nghiến cụu chóng,

vÉn dỉng PP t−ểng tù nhau (Tam giịc Cể hảc ệÊt

Burland )

Ớ Sù t−ểng tịc giữa mềi tr−êng ựÊt - ựị vắi cềng trình xẹy

dùng, tuú thuéc sù khịc nhau vÒ tÝnh chÊt giữa vẺt liỷu cềng trình vộ ựÊt - ựị cẵn ệ−ĩc xem xĐt nghiếm tóc.

khoa học trái đất

Xu thế liên ngành

Địa kỹ thuật - Địa kỹ thuật Công trình - Địa kỹ thuật Môi trường (Geoenviro Engineering)- Địa cơ học - Địa Cơ học ứng dụng - Đá Công trình (Rock Engineering) -Thuỷ Địa cơ học - Địa chất Môi trường ( Environ Geology )

Khoáng vật học - Thạch học - Thổ nhưỡng - Địa mạo - Kiến tạo - Khí tượng

Địa vật lý Địa chấn Thuỷ văn Địa chất TV ĐC công trình (1929)

-Cơ học Đất (1925) - -Cơ học Đá (1957)

Từ đơn ngành đến liên ngành

• Gð phát triển đơn ngành: Tỡm hiểu bản chất của vật

chất vỏ trái đất Cơ học đất (1925) và Cơ học ủá (1957)

được hỡnh thành riêng biệt, theo cấu trúc nội dung không

giống nhau, nhằm đáp ứng yêu cầu thiết kế và xây dựng

công trỡnh trong giai đoạn đầu của sự phát triển.

• GĐ phát triển đa ngành: Đánh giá tổng thể tương tác giữa công trình và môi trường đất - đá, bảo đảm công trình xây

dựng làm việc bình thường trong một môi trường phát triển bền vững, do đó cần gộp một số nội dung của một số môn

học có liên quan trong một liên môn (Interdiscipline).

• Địa kỹ thuật công trình (Geotechnical Engineering)

Quan trọng trong xây dựng công trình: ≥ 30% sự cố công

trình xảy ra có nguồn gốc từ sai sót về mặt ĐKT

Các môn học liên ngành thuộc KH trái đất

• Geotechnics The application of Scientific methods & engineering principles to the acquisition, interpretation & use of knowledge of materials of the Earth’ s Crust ( Soil - Rock ) for the solution of

engineering problems: the applied science of making the Earth

more habitable It embraces the fields of S.M and R.M, & many of the engineering aspects of Geology, Geophysics, Hydrology and related sciences; (Glossary of Geology - Robert L Bates & Julia A Jackson -1987).

• ðKTCT là một liên môn học, áp dụng những nguyên lý cơ bản của Cơ học đất, Cơ học đá, Kỹ thuật xây dựng nền móng và công

trỡnh , để giải quyết các vấn đề thiết kế, thi công, sử lý - cải tạo các loại công trỡnh xây dựng, khai thác tài nguyên thiên nhiên, đặt trên, trong, tương tác với môi trường đất đá ( Nguyễn Công Mẫn, 1997)

• Geotechnical Engineering is the application of the sciences of Soil Mechanics and Rock Mechanics, Engineering Geology and

other related disciplines to Civil engineering construction, the

attractive industries and the preservation and enhancement of the environment (Ground Engineering, Nov 1999–British Geot Assoc)

• Geomechanics ( Geo – Mechanics) - Science du composant

mecanique de l’ ecorce terrestre et des processus de son

developpement causes par differentes sollicitations physiques

naturelles - temperature: refroidissement et chauffage,

mécanique: attraction de la Terre et des Corps celestes, forces centrifuges causees par le tournement de la Terre ( Grande

Encyclopedie Sovietique – 1971).

• Applied Geomechanics - Matiere interdisciplinaire, qui peut

remplacer la M des Sols et M des Roches pour etudier

quantitativement des processus mecaniques et physico-chimique ( contrainte, deformation, rupture, ) dans les couches

superficielles de l’ecorce terrestre, provenant essentiellement des facteurs anthropiques et naturels afin de servir la construction de Genie Civil et de l’extraction miniere (N.C.Man - 1986 - Cours de Geomecanique appliquee - Universite d’ Agostinho Neto- Angola)

Các môn học liên ngành thuộc KH trái đất

of geologic principle & knowledge to problems created

by Man’ occupancy & exploitation of the physical

environment It invoves studies of hydrology,topography, engineering geology, and economic geology, and is

concerned with Earth processes, Earth resources and

engineering properties of Earth materials It involves

problems concerned with construction of buildings &

transportation facilities, safe disposal of solid & liquid

wastes, management of water resouces, evaluation &

mapping of rock & mineral resources & long-range

physical planning & development of the most efficient & beneficial use of the land ( Glossary of Geology -1987 )

Các môn học liên ngành thuộc KH trái đất

Lý thuyết CHð không bão hoà (Unsat.SM) D.G.Fredlund & H Rahardjo (1993) ⇒ Phát triển lý thuyết ứng suất có hiệu quả Terzaghi ⇒ đ−a vào khái niệm “Matric Suction”

ứng dụng LT thống kê xác suất trong CHð

Một số đặc điểm phát triển CHð thế kỷ 20

2 Phịt triÓn cềng nghỷ - vộo những năm giữa vộ cuèi TK 20

Ớ Khảo sịt & thÝ nghiỷm: Môc ệÝch ệỰt ệ−ĩc cịc sè liỷu tin cẺy

khịch quan (ệỡa tẵng, cịc ệẳc tr−ng cể lý), lộm ệẵu vộo cho cịctÝnh toịn ⇒ cềng nghỷ ệo ệiỷn tỏ, siếu ẹm;

Ớ Thiạt kạ - tÝnh toịn:

- Nghiến cụu vi mề trong đỡa kủ thuẺt;

T¹i phßng lµm viÖc cña

GS A.N schofieldnguyªn GS ð¹i häc

Cambridge

GS D.G fredlund

Skills needed for Geotechnical Engineering

Anon, 1999 - Ground Engineering, Nov 1999, British Geo Assoc

Public Policy Codes of practice Standards Law

Contract Law Specifications Bill of quantities

Construction Practices Experiences

Mechanical Engineering Instrumentation, Drilling system, Excavation Technics, Support

Soil Mechanics Description, Effective Stress, Deformation, Failure Seepage, Earth Pressure

Site Exploration Reconnaissances Drilling Testing Parameter selection Reporting

Rock Mechanics Description Deformation Failure

Materials Types Properties

Computer Science

Compatibility

Equilibrium Rheological Models

Applied Mechanics Compatibility

Equilibrium Rheological Models

Structural Mechanics Elasticity Plasticity Failure Mechanisma

Postgraduate

Training

Geotechnical Engineering

Foundation Design Bearing capacity Setlement types

Soil/Rock Mass Engineered fills Retaining Structure Slope

Flood Control Landfill Barriers Dam Engineering Irrigation

Ground Improvement Mechanical, Chemical, Drainage,Reinforcement

Geochemistry Solid Waste Leachate

Hydrology Fluid type Fluid Flow

Geology Mineralogy Geological Processes Groundwater

Ground Movement Geophysics Vibrations Earthquakes

Skills needed for Geotechnical Engineering

Norbert R Morgenstern, Nov 2000 – GeoEng2000 Chuyên ngành ĐKT

Đào tạo cao học

Geotechnical Engineering

Fluid Control Systems e.g dams

Underground Geo-structures e.g., tunnels

Surface structures e.g., embankments, landfills

Geo-Ground Improvement e.g densification, remediation

Structural Support Systems e.g., foundations

Numerical Analysis finite elements, finite differences

Soil Mechanics deformation, failure, seepage application

Rock Mechanics deformation, failure, seepage application Hydrology

surface fluid flow

Geology Composition genesis processes hydrology

Site Exploration reconnaissance, drilling, in-situ testing, geophysics

Geochemistry waste leachates durability

Ground Movements Earthquakes

Public Policy Codes, standards, law + compliance

Contract Law specifications

Construction practice, experience

Mechanical Engineering drilling, instruments excavation

Risk Management observational method, risk assessment, instrumentation

ĐKTCT là một liên môn học, áp dụng những nguyên lý cơ bản của Cơ học đất, Cơ học đá, Kỹ thuật xây dựng nền móng và công trình , để giải quyết các vấn đề thiết kế, thi công, sử lý - cải tạo các loại công trình xây dựng, khai thác tài nguyên thiên nhiên, đặt trên, trong, tương tác với môi trưiờng đất đá ( Nguyễn Công Mẫn, 1997)

Mặt cắt khối đất I

Khảo sát hiện trường, mô tả đất I

Bản chất

đất II

Thí nghiệm, đo

đạc trong phòng

và hiện trường, quan sát II

Mô hình hoá

phân tích - III

MH hóa: Khái niệm, vật lý,giai tích

3 Plaxis dùng biểu thức "Hydraulic Function" Van Genuchten cho

đất KBH SEEP/W có thư viện hàm thấm ủể tiện dùng.

4 Burland, 1996 có binh luận vấn đề này trong phiên bế mạc trong

"Conference on Unsaturated Soils/Unsat’95/Paris"

20 25 30 35 40 (m)

14.0m 14.0m 14.0m 14.0m

Mật độ mở rộng vết nứt 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

0 5 10 15

20 25 30 35 40 (m)

Tam giác địa cơ học Burland

Tam giác ðCH Burland & công nghệ

hiện đại thúc đẩy phát triển ðKT

Đẩy mạnh sự phát triển ĐKT:

mở rộng phạm vi NC và tính hiệu quả trong NC và giảng dạy

Công nghệ hiện đại NC - HT ðKT nhờ

tác động của MT

Lập mô hình vật lý - TT

định lượng

Mô phỏng lý thuyết các QT vật lý &TT

So sánh - Hiệu chỉnh

1 Phương pháp tính và máy tính đã thúc đẩy sự phát triển của ĐKT:

Phát triển liên ngành → mở rộng phạm vi NC về không gian và đối tượng

( Địa kỹ thuật môi trường, các loại Đất đặc biệt, MT 3, 4 pha.)

2 CN hiện đại không chỉ dùng cho thiết kế mới mà còn là công cụ có hiệu quả để thiết kế sửa chữa/quản lý an toàn các CT hiện có và nghiêncứu khoa học theo mô hình số

Presenters

• Dr John Krahn

– President & CEO

– With GEO-SLOPE since 1987

– Earlier:

• Professor – University of Saskatchewan

• Consultant – EBA Engineering – Long term interest in numerical

modelling for engineering practice

• Greg Newman

– M.Sc., Geotechnical Engineering – Expert in evaporative flux,

– and geothermal analyses – VADOSE/W & TEMP/W

GEO-SLOPE WorkshopIntroduction, Scope &

Overview

• Melbourne, Australia

• July 8 - 10, 2003

Steps in Model Development:

• Examination of physical problem

• Replacement of physical problem with

mathematical description

• Solution of mathematical problem

• Evaluation of the mathematical solution

in terms of the physical reality

Modeling Illustration

National Research Council (1990)

National Research Council (1990)

Môi trường & hoạt

động của người

Structure

Systems Response

Water SoilRock

Đập

Nền Nước hồ

ví dụ Tính toán theo TTGH

Đào tunen sau khi đã có CT

TT GH thứ hai

trượt

Kiểm tra mất ổn định tổng thể

của tường chắn đặt trên mái đất

TT GH thứ nhất

Có thể dùng Phần mềm PLAXIS hoặc Phần mềm SIGMA/W để giải quyết

ví dụ Tính toán theo PLAXIS

Nhỡn từng bộ phận lưới biến dạng tại cuối pha đoạn 15

(biến dạng phóng đại 50 lần)

VÝ dô l−íi biÕn d¹ng cuèi pha 14

Phæ tæng chuyÓn vÞ t¹i cuèi pha 15 (biÕn d¹ng)

vÝ dô TÝnh to¸n theo PLAXIS

Các phần mềm thương phẩm hiện có

học đất trạng thái tới hạn - tiếp nhận năm 1997

Phần mềm ĐKT GEOSTUDIO 2004 Canada ⇒ CHĐ bão hòa/không bão hòa

-Tiếp nhận cuối 1997

Phần mềm ĐKT– Hà Lan Tiếp nhận năm 2002

TALREN 97

TERRASOL

Phần mềm ĐKT – V.2 – 2003 – Pháp Tính ổn định các loại mái dốc

June 2001

Phần mềm thương phẩm

Hai bộ phần mềm ĐKT tốt

V 3 - 91 - 95: 4 phần mềm; V.4 - 96 - 5 PM; V.5 - 92 - 6 PM; GeoStudio - 2004 - 7 PM -GeoStudio - 2007 - 8 PM - CANADA

Plaxis – V.8 (tĩnh - động); 3D Tunnel;

PlaxFlow; 3D Foundation 2 - hà lan

PLAXIS FINITE ELEMENT CODES

Hội đồng Anh tài trợ

sage crisp Ltd Tháng 1-1997

sage crisp Ltd Th¸ng 1-1997

Chôp Ảnh sau khi kÕt thóc líp häc

Gs A.n schofield, M.J gun, r chandler

Hội đồng Anh tài trợ

sage crisp Ltd Tháng 1-1997

sage crisp Ltd Th¸ng 1-1997

sage crisp Ltd Th¸ng 1-1997

sage crisp Ltd Th¸ng 1-1997

sage crisp Ltd Th¸ng 1-1997

Chôp Ảnh sau khi kÕt thóc líp häc

Gs A.n schofield, M.J gun, r chandler

Chôp Ảnh sau khi kÕt thóc líp häc

Gs A.n schofield, M.J gun, r chandler

BÌa tuyÓn tËp

44

Ăn tr−a víi gs schofield t¹i cĂng tin

ðH cambridge

T¹i phßng thÝ nghiÖm víi gs M.J gun

Tham quan c«ng ty sage engineering t¹i sø bath

Tham quan c«ng ty sage engineering t¹i sø bath

Lớp ngắn hạn đầu tiênchuyển giao công nghệGEO-SLOPE OFFICE và Cơ học đất không bão hoà

15 – 18/12/97

Ngày 18/01/1997

Th− đầu tiên gửi sứ

quán Canada tại VN

CIDA Canada tài trợ

Chñ tÞch ®oµn héi nghÞ MLWR - phiªn toµn thÓ

Chủ tịch đoàn hội nghị MLWR - phiên chuyên đề

B¸o c¸o khoa häc t¹i ®h saskatchewan - canada

Nãi chuyÖn víi «ng john krahn chñ tÞch geoslope office t¹i Calgari Canada

Tham quan c«ng ty geoslope office t¹i

Calgari Canada

Tham quan c«ng ty geoslope office t¹i

Calgari Canada

¶nh ®¨ng trong Plaxis Bulletin

N0 12 – June 2002

Plaxis short course - Opening ceremony

Plaxis short course - Opening ceremony

Plaxis short course – running course

Plaxis short course – running course

Plaxis short course - closing ceremony

Plaxis short course – memory photographs

(Computer Based Instruction: Trỡnh diễn động, ủối thoại trực tiếp người – máy, Sử lý số liệu vào nhanh, Kết nối

các bước trong quá trỡnh học tập

Phần mềm phục vụ đào tạo

• GeotechniCAL Một nhóm 23 trường ðH Anh đã có Dự án xây dựng

bộ GeotechniCAL dùng cho giảng dạy: 1 ConFound (Thiết kế móng),

2 Reference (case studies & glossary), 3 Tutorial (Hypertext

Tutorials), 4 LabSim (Mô phỏng TN nén ba trục), 5 Site Investigation

6 Spires (2D Seepage Flow), 7 SSI (Soil-Structure Interaction – Finite Element Analysis).

• CATIGE for Window ( M.B.Jaksa – úc): 14 bài 1 Class4W,

2 Consol4W, 3.Dams4W, 4 DSand4W, 5 Effect4W, 6 Expansix,

7 FallingW,8 GeoUnits, 9.Heave, 10 Mohr4W, 11 ProctorW,

12 Retain4W,13 Triax4W, 14.Phase

• IHE Delft GS A.VERRUIJT: Text: 7 nhóm: SolMex1 - Porosity

& Volume Weight; SolMex2 Effective Stress; SolMex3

-Underground Flow; SolMex4 -Consolidation; SolMex5 - Stress & Shear Strengh; SolMex6 - Ground Stress and SolMex7 - Limit

Analyis

Bài tập: STABIL99 - SPW99 - Alp99 & Llp99;

1 ConFound (Thiết kế sơ bộ móng) Toll and Barr (1996, 1998

“A knowledge-based system” (KBS) được phát triển để TK (khái niệm) sơ bộ móng

⇒ công cụ CAL.

GeotechniCAL

2 GeotechniCAL Reference (Hypertext Manual): “Reference” cung cấp những NC hiện trường (cừ thép) và từ điển thuật ngữ: Davison and Poritt (1999)

3 GeotechniCAL Tutorial (Hypertext Tutorials): Davison and Poritt (1999)

Gồm chương trình máy tính “GeoTutor” và sách bài tập giới thiệu những nguyên lý của ĐKT công trình Với mỗi bài tập trong sách có một phần “GeoTutor” tương ứng.

4 LabSim (Mô phỏng TN nén ba trục trong phòng): - Davison (1996).

Mục đích chủ yếu của LabSim là giúp SV tiến hành TN nén ba trục trên màn hình Giúp sinh viên hiểu rõ bản chất của đất và thứ đến là giúp làm quen với các bước TN nén ba trục

5 Site Investigation (Site Investigation Game/Simulation): Moran et al (1997).

“Gói tài liệu” gồm một “Site Investigation game”, được hỗ trợ bởi một số môđun

hướng dẫn học tập Các môđun này được thiết kế để giúp SV biết các thành phần cơ bản của công tác KS hiện trường, các loại thông tin cần thu thập và cách dùng

chúng Qua các ảnh, hoạt ảnh, video và âm thanh, “game” giúp SV tiếp cận với tình hình thực tế của khảo sát hiện trường