Nghiên cứu các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sự làm việc của tường cọc bản bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: TRẦN VĂN THU PHÁI : NAM NGÀY THÁNG NĂM SINH: 16-08-1977 NƠI SINH: NAM ĐỊNH CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 60.58.60 I/-TÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc

………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: TRẦN VĂN THU PHÁI : NAM

NGÀY THÁNG NĂM SINH: 16-08-1977 NƠI SINH: NAM ĐỊNH

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 60.58.60

I/-TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA TƯỜNG CỌC BẢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN - FEM

II/-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan về hệ tường cọc bản

PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU PHÁT TRIỂN

Chương 3: Các cơ sở lý thuyết tính toán hệ tường cọc bản trong chương trình Plaxis

Chương 4: Nghiên cứu một số giải pháp giảm tải trong ngang lên tường cọc bản

PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 5: Kết luậân và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ./ /2003

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ./ /2003

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS NGÔ TRẦN CÔNG LUẬN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS NGÔ TRẦN CÔNG LUẬN GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG TH.S VÕ PHÁN

Nội dung và đề cương Luận Văn Thạc Sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 2003

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

( CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 08/2003

PHẦN II:

NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ

PHÁT TRIỂN

PHẦN III:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

PHAÀN I:

TOÅNG QUAN

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt hai năm học qua

Xin chân thành cảm ơn thầy Tiến sĩ Châu Ngọc Ẩn và thầy Giáo sư

Tiến sĩ khoa học Lê Bá Lương đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình lựa

chọn đề tài và phương hướng nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn thầy Tiến sĩ Phạm Văn Long đã tận tình giúp

đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin cảm ơn thầy Tiến sĩ Ngô Trần Công Luận đã hướng dẫn em hoàn

thành luận văn này một cách tốt đẹp

Xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp, các thầy cô trong Khoa Công Trình – Trường Đại học Giao Thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh

đặc biệt là Thầy Phan Dũng, cô Lê Ngọc Diệp, thầy Lê Quang Thông và thầy Lê Anh Thắng đã tạo điều kiện, hỗ trợ tinh thần, vật chất giúp em thực

hiện luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 08 năm 2003

Trần Văn Thu

Tên đề tài:

“ Nghiên cứu các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sự làm việc của tường cọc bản bằøng

phương pháp phần tử hữu hạn – FEM”

Tóm tắt:

Hiện nay, việc giải bài toán hệ tường cọc bản bằng các phương pháp truyền thống đòi hỏi nhiều công phu do phải tính đúng dần, phải tính toán nhiều trường hợp với các phương án cấu tạo khác nhau để tìm phương án khả thi Để giúp giảm bớt công sức cho những người thiết kế rất cần những lời khuyên về các giải pháp cấu tạo hợp lý

Đã có khá nhiều phần mềm địa cơ, nền móng mạnh, như: Plaxis, Geo-Slope, Sage Crisp v.v Hầu hết các phần mềm này được viết trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Việc sử dụng một phần mềm địa cơ để nghiên cứu các bài toán địa cơ học nói chung và bài toán hệ tường cọc bản nói riêng, mở ra triển vọng lớn do ứng dụng được công nghệ tin học, giảm bớt được nhiều thời gian và công sức trong quá trình tính toán, thiết kế Để ứng dụng được phần mềm, thì người sử dụng cần phải nắm rõ lý thuyết ứng dụng trong phần mềm, biết cách sử dụng và kiểm soát kết quả

do phần mềm xuất ra Tuy vậy, chỉ có một số người có điều kiện ứng dụng các phần mềm này do giá thành của phần mềm cao hoặc chưa đủ khả năng sử dụng.v.v )

Để hệ tường cọc bản có thể chịu được các tải trọng lớn, đã có nhiều giải pháp khác nhau được đề nghị, như: tường cọc bản kép, tường cọc bản có bản giảm tải và tường cọc bản hỗn hợp Hiệu quả, giảm tải của mỗi phương án này như thế nào? Tác giả sẽ nghiên cứu vấn đề này với sự trợ giúp của chương trình Plaxis, từ đó rút ra một số nhận xét có ý nghĩa thiết thực trong công tác thiết kế, thi công

Ở luận văn này, tác giả đã thực hiện được một số kết quả sau:

- Hệ thống lại các phương pháp tính toán hệ TCB theo tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam, Anh Quốc và Nhật Bản;

- Tóm tắt các cơ sở lý thuyết tính toán hệ tường cọc bản trong phần mềm địa cơ Plaxis 7.1;

- Đề nghị một số giải pháp cấu tạo hợp lý cho các phương án như: tường cọc bản một neo, tường cọc bản kép, tường cọc bản có bản giảm tải và tường cọc bản hỗn hợp Đồng thời, so sánh hiệu quả giảm tải của các phương án trên

2.2.4 Một số nhận

2.4.1 Nhận xét về khả năng áp dụng phương pháp cổ điển và phương pháp

PTHH để giải quyết bài toán hệ tường cọc

3.2 Lý thuyết dòng thấm

xúc 39

3.3 Lý thuyết cố

kết 40 3.3.1 Phương trình cố kết cơ

bản 40

3.3.2 Rời rạc hóa bằng

PTHH 41 3.3.3 Cố kết đàn hồi

dẻo 43 3.4 Một số vấn đề khi tính toán hệ tường cọc bản theo chương trình Plaxis 43

3.4.1 Các loại phần tử được sử

Chương 4 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM TẢI TRỌNG

NGANG LÊN TƯỜNG CỌC BẢN 64

4.1 Một số giải pháp giảm tải trọng ngang lên

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1 Kết quả thực hiện được và nhận

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Tường cọc bản (Sheet pile wall), hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng chủ yếu để chịu tải trọng ngang Tường cọc bản có thể sử dụng để xây dựng công trình bến cảng, xây dựng kè bờø, đê chắn sóng, Ụ tàu, tường vây thi công trụ cầu, tường chắn đất v.v Đã có nhiều đề tài khoa học nghiên cứu về vấn đề này, quy phạm cũng đã đưa ra nhiều phương pháp tính toán Hiện nay, cũng có khá nhiều phần mềm địa cơ mạnh, như: Plaxis, Geo-Slope, Sage Crisp v.v Hầu hết các phần mềm này được viết trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Tuy nhiên, do tính phức tạp của lĩnh vực nghiên cứu nên còn tồn tại một số vấn đề cần làm sáng tỏ:

- Việc tính toán hệ tường cọc bản theo một số tiêu chuẩn hiện hành (như Tiêu chuẩn Anh BS 8002 và BS 6349, tiêu chuẩn Nhật Bản, tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN207-92), có những ưu, nhược điểm cơ bản gì ?

- Cơ sở lý thuyết của phần mềm địa cơ Plaxis 7.1 và khả năng ứng dụng? -Hiệu quả của các giải pháp giảm tải lên tường cọc bản trong các hệ như tường cọc bản kép, tường cọc bản có bản giảm tải và tường cọc bản hỗn hợp (sử dụng vải địa kĩ thuật và cừ tràm), thực sự như thế nào? Khi sử dụng các phương án giảm tải trên, để đảm bảo hiệu quả cần lưu ý các vấn đề gì về mặt cấu tạo?

1.2 Mục tiêu và phạm vi của đề tài

Thông qua việc nghiên cứu các tiêu chuẩn hiện hành (như Tiêu chuẩn Anh BS

8002 và BS6349, tiêu chuẩn Công trình và thiết bị cảng Nhật Bản, tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN207-92), sẽ rút ra những nhận xét sơ bộ về việc áp dụng các tiêu chuẩn này để tính toán hệ tường cọc bản (TCB) Tiếp theo sẽ hệ thống lại những cơ sở lý thuyết quan trọng nhất được ứng dụng trong phần mềm Plaxis Trên cơ sở đó, sẽ ứng dụng phần mềm này để khảo sát hiệu quả của một số hệ TCB thông dụng hiện nay, như tường cọc bản một neo, tường cọc bản kép, tường cọc bản có bản giảm tải Đồng thời, cũng đề xuất phương án tường cọc bản hỗn hợp (sử dụng vải địa kĩ thuật và cừ tràm) - là phương án theo tác giả, sẽ phù hợp với điều kiện đất yếu của khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, và tiến hành khảo sát hiệu quả của phương án này Trong quá trình tính toán, sẽ làm rõ các vấn đề sau:

- Đối với TCB một neo, sẽ làm rõ ảnh hưởng của vị trí đặt neo, đến nội lực, chuyển vị của TCB, từ đó đề nghị vị trí đặt neo hợp lý Đồng thời, đây cũng là phương án so sánh để nhận biết hiệu quả của các phương án giảm tải sau;

- Đối với phương án TCB kép, sẽ làm rõ ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai TCB, đến nội lực, chuyển vị của TCB vã xem xét hiệu quả giảm tải trọng ngang lên TCB;

- Đối với hệ TCB có bản giảm tải (BGT), sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng chống uốn và chiều dài của BGT đến nội lực, chuyển vị của TCB Đồng thời, xem xét khả năng giảm tải trọng ngang của BGT;

- Phương án hỗn hợp, sẽ tìm hiểu ảnh hưởng của phạm vi gia cố cừ tràm, ảnh hưởng của lớp vải địa kĩ thuật đến nội lực, chuyển vị của TCB và khả năng giảm tải trọng ngang lên TCB

Sau khi tiến hành khảo sát hiệu quả của các phương án này, sẽ đề nghị những giải pháp cấu tạo hợp lý đối với từng phương án

Hy vọng các kết luận rút ra được, sẽ là những lưu ý nho nhỏ, cho các kỹ sư áp dụng quy phạm để thiết kế tường cọc bản một cách hợp lý Đồng thời, cũng nêu vấn đề để các nhà lý thuyết nghiên cứu, hoàn thiện

Giới hạn của đề tài:

Đề tài chỉ nghiên cứu các vấn đề trên dựa theo điều kiện làm việc thực tế đối với hệ tường cọc bản ứng dụng làm công trình bến (3.000T) và công trình tường buồng Ụ 10.000T, trên cơ sở địa chất tại Công ty Công nghiệp Tàu thuỷ Sài Gòn Để có những kết luận mang tính tổng quát cần phải tiến hành nghiên cứu với nhiều số liệu địa chất khác nhau và nhiều trường hợp làm việc khác của hệ TCB Hơn nữa, các kết quả tìm được còn phụ thuộc vào chương trình ứng dụng có sẵn, do vậy chưa giải quyết vấn đề một cách triệt để

1.3 Tóm tắt kết quả của luận văn

- Hệ thống lại các phương pháp tính toán hệ TCB theo Tiêu chuẩn Anh BS

8002 và BS6349, tiêu chuẩn Công trình và thiết bị cảng Nhật Bản, tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN207-92);

- Tóm tắt các cơ sở lý thuyết tính toán hệ tường cọc bản trong chương trình Plaxis;

- Tường cọc bản một neo không sử dụng biện pháp giảm tải: độ sâu đặt neo hợp lý thường nằm trong khoảng (0,20 – 0,45)H;

- TCB kép: khoảng cách hợp lý giữa hai tường cọc bản thường thoả mãn điều kiện: L  0,8 H;

Hiệu quả giảm tải của phương án này cũng không cao lắm, nhất là khi sử dụng trong điều kiện đất tương đối yếu;

- TCB có bản giảm tải: Phương án sử dụng BGT đạt hiệu quả cao, góp phần giảm đáng kể nội lực và chuyển vị của TCB Chiều dài BGT có ảnh hưởng lớn đến

1.4 Cấu trúc của luận văn

Chương 1 - giới thiệu mục tiêu và phạm vi của đề tài, tóm tắt kết qủa của luận văn Chương 2 - sau khi tổng kết một số ứng dụng của hệ TCB, sẽ giới thiệu một số tiêu chuẩn tính toán TCB hiện hành và khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn(PTHH ) trong địa cơ học Đồng thời, giới thiệu một số phần mềm địa cơ thông dụng hiện nay

Chương 3 – Chương này sẽ trình bày các cơ sở lý thuyết tính toán hệ tường cọc bản trong chương trình Plaxis, như : lý thuyết biến dạng, lý thuyết dòng thấm, lý thuyết cố kết.v.v Tiếp đó, sẽ giới thiệu một số mô hình đất nền đang được áp dụng rộng rãi hiện nay

Chương 4 – Giới thiệu một số giải pháp giảm tải trọng ngang lên TCB Sau đó, lần lượt nghiên cứu 04 phương án : TCB một neo; TCB kép; TCB có bản giảm tải và TCB hỗn hợp Cuối cùng, tiến hành so sánh hiệu quả giảm tải của từng phương án và đề nghị các giải pháp cấu tạo hợp lý

Chương 5 – Trình bày một số kết luận và kiến nghị

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ TƯỜNG CỌC BẢN

2.1 Một số công trình ứng dụng hệ tường cọc bản ( TCB)

2.1.1 Phân loại tường cọc bản

2.1.1.1 Theo vật liệu chế tạo tường cọc bản

Theo vật liệu chế tạo tường cọc bản, người ta chia thành các loại sau:

a) Tường cọc bản gỗ ( Wooden sheet piles );

b) Tường cọc bản thép ( Steel sheet piles );

c) Tường cọc bản BTCT ( Precast concrete sheet piles )

2.1.1.2 Theo đặc điểm kết cấu

Theo đặc điểm kết cấu, có các loại:

a) Tường cọc bản tự do;

b) Tường cọc bản không neo;

c) Tường cọc bản có neo

Tường cọc bản có neo có thể có một hay nhiều neo Ngoài ra, còn có các hệ

TCB kết hợp với các giải pháp giảm tải, như: TCB kép, TCB có bản giảm tải.v.v

2.1.2 Ưùng dụng của hệ tường cọc bản vào một số công trình thực tế

2.1.2.1 Giới thiệu chung

Tường cọc bản được sử dụng để chống lại áp lực ngang do đất, nước, các tải trọng khác phía trên gây ra Yếu tố giữ ổn định cho tường cọc bản gồm áp lực bị động của đất phía trước tường và hệ thống neo (đối với tường cọc bản có neo) Tùy theo đặc điểm của từng loại công trình mà cấu tạo hệ tường cọc bản cho phù hợp

2.1.2.2 Một số loại công trình ứng dụng hệ tường cọc bản

a) Công trình bến tường cừ

Đây là loại công trình bến được sử dụng để neo, cập tàu để bốc xếp hàng hóa trong cảng Độ sâu trước bến thường khá lớn (có khi đến hàng chục mét), tải trọng trên mặt bến có thể đạt 2T/m2; 4T/m2; 6T/m2 tùy thuộc vào cấp công trình và loại hàng hóa chất trên bến Đồng thời, người ta cũng thường bố trí cần trục trước bến để bốc xếp hàng hóa, chính chân cần trục này có thể gây thêm một áp lực ngang khá lớn trên tường cọc bản trước bến Do vậy, người ta thường sử dụng hệ tường cọc bản một neo (xem hình 2.1), hay hệ TCB kết hợp các biện pháp giảm tải cho loại công trình này

Hình 2.1 – Tường cọc bản dùng trong các công trình bến cảng

b) Công trình bảo vệ bờ

Trong nhiều trường hợp người ta có thể sử dụng tường cọc bản để làm kè bờ (xem hình 2.2)

Hình 2.2 – Tường cọc bản dùng trong các công trình bờ kè vừa và nhỏ

c) Công trình tường vây phục vụ thi công

Hình 2.3 – Tường cọc bản sử dụng làm tường vây thi công

d) Một số công trình khác ứng dụng hệ tường cọc bản

- Công trình đê chắn sóng: trong khu vực biển hở, sóng gió lớn, để tạo ra khu bể cảng tương đối yên tĩnh phục vụ công tác neo đậu tàu, bốc xếp hàng hóa, người

ta tiến hành xây dựng hệ thống đê chắn sóng Trong một số trường hợp giải pháp kết cấu đê sử dụng hệ tường cọc bản có thể là phương án khả thi, đảm bảo điều kiện kinh tế kĩ thuật

- Công trình Ụ tàu: hệ tường cọc bản cũng có thể được sử dụng để làm tường buồng Ụ trong các nhà máy đóng mới, sửa chữa tàu thuỷ Tường buồng Ụ thường cao hàng chục mét, tải trọng hai bên tường Ụ khá lớn (khoảng 2-4T/m2) do vậy thường sử dụng hệ tường cọc bản có neo hoặc TCB kết hợp các giải pháp giảm tải

- Một số công trình tầng hầm, đường hầm v.v

2.2 Một số tiêu chuẩn thiết kế hiện hành

2.2.1.Tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 207-92

Theo tiêu chuẩn này, đối với các công trình tường cọc bản có neo, người ta chia thành hai loại tường cọc bản :

2.2.1.1 Tường mềm

Bao gồm tất cả các cọc ván thép và cọc bản BTCT có tỷ số c/t  0,06

Trong đó:

t - độ chôn sâu của tường được tính toán với giả thiết tường ngàm hoàn toàn

c - chiều cao cấu kiện tường đã tính đổi ra mặt cắt chữ nhật

Với: J - mômen quán tính của cấu kiện tường BTCT

b - kích thước cấu kiện tính theo mép tuyến bến hoặc kè

 - khoảng hở thiết kế giữa các cấu kiện BTCT trong tường mặt

nE - hệ số lấy bằng tỉ số giữa mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông cấu kiện

Đối với loại này, khi tính toán người ta xem như tường ngàm hoàn toàn hoặc là ngàm một phần( xem hình 2.4)

Hình 2.4 – Tường cọc bản ngàm hoàn toàn

Việc tính toán tĩnh học theo nhóm trạng thái giới hạn I và II, thực hiện theo phương pháp đồ giải, ứng với tải trọng trên 1m dài tường thông qua việc dựng đa giác lực và

đa giác dây Bằng tính toán này sẽ xác định được độ sâu hạ cừ và các nội lực tác động trên 1m dài tường (gồm mô men uốn M, lực cắt Q và phản lực thanh neo Ra )

2.2.1.2 Tường cừ có độ cứng cao

Bao gồm các cọc bản BTCT có tỷ số c/t > 0,06

Khi tính toán người ta sẽ tính toán theo sơ đồ chân tường dịch chuyển tự do (xem hình 2.5)

Hình 2.5 – Tường cọc bản tựa tự do

Việc tính toán có thể sử dụng phương pháp giải tích (cho trường hợp đất đồng nhất), hoặc phương pháp đồ giải (cho mọi loại đất nền)

2.2.1.3 Tính toán tĩnh học cho tường cừ mềm ngàm hoàn toàn

Phương pháp đồ giải: các nội dung cần thực hiện gồâm:

1) Giả thiết độ sâu chôn cừ t

2) Dựng biểu đồ áp lực tổng của áp lực chủ động và bị động của đất có xét đến hoạt tải

Chú ý: Tiêu chuẩn quy định khi tính toán áp lực đất theo lý thuyết cổ điển, góc ma

sát của vật liệu đất đắp  lấy như sau:

- Áp lực chủ động:  = 0,5 ( đối với tường mặt, tường neo và bản neo )

Đường khép kín của đa giác dây được vẽ qua giao điểm của trục thanh neo với tia thứ nhất theo điều kiện đảm bảo giá trị bằng nhau của mômen uốn ở nhịp và ở ngàm

( Mn = Mz )

2.2.1.4.Tính toán tĩnh học cho tường cừ có độ cứng cao theo phương pháp giải tích

Việc tính toán theo phương pháp này trong trường hợp giả thiết chân tường dịch chuyển tự do cần thực hiện các nội dung chủ yếu sau:

1) Vẽ biểu đồ áp lực đất, áp lực nước dư ứng với độ sâu chôn cọc bản lý thuyết t0 (thỏa mãn giả thiết chân tường dịch chuyển tự do)

2) Lấy tổng mômen đối với điểm neo, cho bằng 0 sẽ được phương trình bậc

ba ( trường hợp đất dính là phương trình bậc hai) đối với t0 Giải phương trình này sẽ tìm được độ sâu chôn cừ lý thuyết t0 Từ đó tìm được độ sâu chôn cừ thực tế : t = (1,21,4) t0

3) Tìm mômen lớn nhất trong cọc bản bằng cách tính mômen tại vị trí bất kì trên tường: M(x) = f(x)

Giải phương trình: ( )  0

dx

x dM

sẽ tìm được giá trị xmax ứng với vị trí đạt mômen lớn nhất

4) Tìm lực căng dây neo Ra bằng cách cân bằng lực theo phương ngang

2.2.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật công trình và thiết bị cảng Nhật Bản

2.2.2.1 Tính toán tường cọc bản một neo

a) Nguyên tắc thiết kế

Tiêu chuẩn Nhật Bản chia tường cọc ván thông thường có neo thành hai trường hợp để tiến hành nghiên cứu tính toán:

 Trường hợp 1: áp dụng cho tường cọc ván thép đóng vào đất cát hoặc đất

dính cứng

 Trường hợp 2: áp dụng cho việc thiết kế tường cọc ván đóng vào đất yếu

* Việc thiết kế tường cọc ván có thể theo trình tự sau:

Xác định các điều kiện thiết kế

Tính phản lực và mômen uốn của cọc ván

Xác định cao độ đặt thanh neo

Tính áp lực đất, áp lực nước dư và

các ngoại lực tác động lên cọc ván

Kiểm toán trượt cung tròn

Xác định chiều dài chôn cọc ván

Xác định tiết diện cọc ván

Xác định khoảng cách thanh neo

Xác định tiết diện thanh neo

Thiết kế thanh phân phối

Xác định kiểu kết cấu neo

Giả định tiết diện neo

Tính ngoại lực tác động lên neo

Kiểm toán ổn định của neo

Kiểm toán ứng suất tác động lên neo

Xác định tiết diện neo

Thiết kế chi tiết

Thiết kế công trình gia cố đất

b) Ngoại lực tác dụng lên tường cọc bản

Các ngoại lực có thể có:

1) Áp lực đất

a) Áp lực chủ động sau tường cọc ván

b) Áp lực đất bị động ở phía trước phần chôn dưới đất của cọc ván 2) Áp lực nước tồn dư

3) Lực neo tàu

4) Lực va cập tàu

Nói chung lực cập tàu chỉ phải xét khi thiết kế dầm mũ

Áp lực đất và áp lực nước dư:

1) Áp lực đất và áp lực nước dư dùng để tính toán ổn định của tường cọc ván phải giả định tác động như trên hình 2.6 (Tính toán theo phương pháp cổ điển của Coulomb hoặc Rankine )

Hình 2.6 – Áp lực đất và áp lực nước tồn dư

2) Trong trương hợp tường cọc ván thép, mực nước tồn dư lấy bằng 2/3 phạm

vi thủy triều trên mực nước L.W.L.( các loại tường khác lấy mực nước này bằng 1/3 đến 2/3)

3) Khi có thiết bị bốc xếp như cần cẩu đặt sau tường, phải xét đến áp lực đất

do trọng lượng bản thân và gia tải của thiết bị bốc xếp hàng

4) Góc ma sát của tường dùng để tính áp lực đất tác dụng lên tường cọc ván thường là +150 đối với áp lực đất chủ động và -150 đối với áp lực đất bị động

c) Thiết kế tường cọc bản ( trường hợp 1)

1) Độ sâu chôn cọc TCB

Chiều dài chôn cọc bản phải tính để thỏa mãn công thức (B.1) dựa trên sự cân bằng của mômen đối với điểm đặt thanh neo do áp lực đất và áp lực nước tồn dư gây ra

Trong đó:

Mp - mômen của áp lực đất bị động đối với điểm đặt của thanh neo (Tm/m)

Ma - mômen của áp lực đất chủ động và áp lực nước dư đối với điểm đặt của thanh neo (Tm/m)

F - hệ số an toàn

Hệ số an toàn phải là 1,5 trở lên trong điều kiện đặc biệt đối với trường hợp cọc bản đóng trong đất cát, và là 1,2 trở lên đối với các điều kiện bình thường và đặc biệt trong trường hợp đất dính

2) Mô men uốn của cọc bản

Mô men uốn lớn nhất tác động lên một cọc bản tính được bằng cách giả định một dầm đơn giản ảo trên đó tác động các tải trọng là áp lực đất chủ động và áp lực nước tồn dư (xem hình 2.7)

Hình 2.7 – Dầm ảo để tính mô men uốn d) Thiết kế tường cọc bản trên đất yếu (trường hợp 2)

Đất yếu ở đây được hiểu trong trường hợp đất đáy biển (hoặc sông) là yếu Khi đó, chiều dài chôn của cọc bản có thể thiết kế bằng phương pháp đường cong đàn hồi dùng cho cọc bản chôn sâu hoặc tính toán như trường hợp 1

Đối với tường cọc bản trên đất yếu, phải kiểm tra ổn định trượt cung tròn dưới chân cọc bản

2.2.2.2 Tính toán tường cọc bản có bản giảm tải

Việc thiết kế bến cừ có bản giảm tải cần chú ý các vấn đề sau:

- Chiều cao và chiều rộng của bản giảm tải phải xác định bằng cách nghiên cứu các điều kiện thiết kế, giá thành xây dựng và khó khăn liên quan đến việc thi công Chiều rộng của bản giảm tải phải đủ rộng để bố trí các cọc chống lại ngoại lực tác động lên bản giảm tải

- Áp lực đất và áp lực nước tồn dư tác động lên cọc bản

+ Áp lực đất chủ đôïng tác dụng lên cọc bản phải tính với giả định là đáy của bản là mặt đất ảo (như hình 2.8) khi mặt phá hoại của cọc bản từ giao điểm giữa đáy biển

và cọc bản giao cắt bản giảm tải

Hình 2.8 – Áp lực đất và áp lực nước dư tác động lên TCB cóù bản giảm tải

+ Áp lực nước dư tác động lên cọc bản phải là áp lực nước tương ứng với đoạn ở dưới đáy bản giảm tải

+ Áp lực đất bị động trước cọc bản được tính toán tương tự như trên

- Thiết kế cọc bản: Chiều sâu chôn cọc bản và tiết diện cọc bản được xác định như

trên

- Thiết kế bản giảm tải

Ngoại lực tác dụng lên bản giảm tải bao gồm: lực nằm ngang từ cọc bản truyền vào; áp lực đất và áp lực nước dư tác động lên phía sau bản giảm tải; trọng lượng bản thân của bản giảm tải, trọng lượng của đất trên BGT và gia tải;

Lực nằm ngang do cọc bản truyền vào phải bằng với phản lực tại điểm đặt của thanh neo, với cao độ đáy của bản giảm tải được coi là điểm đặt của thanh neo

Áp lực đất tác dụng lên phía sau của bản neo giảm tải được giả định là tác động lên mặt phẳng thẳng đứng qua đầu phía sau của BGT

Đoạn thẳng đứng của BGT được thiết kế như một dầm công xôn ngàm vào bản đáy, có áp lực đất và áp lực nước dư tác động lên

Bản đáy của BGT được thiết kế như một dầm liên tục đỡ bởi các đầu cọc, có tải trọng là trọng lượng bản thân của BGT, trọng lượng của đất trên BGT và gia tải, có xét đến mô men uốn do đoạn thẳng đứng và lực ngang do cọc bản truyền vào

- Thiết kế cọc

+ Cọc đỡ BGT được thiết kế như một móng cọc, chịu các tải trọng nêu trên

+ Khi tính khả năng chịu lực dọc trục của cọc, ma sát của đất trên mặt phá hoại chủ động từ giao điểm của đáy biển và cọc bản không được xét đến

- Việc kiểm tra ổn định của tường bến cọc bản có bản giảm tải được tiến hành với một tường trọng lực ảo, với diện tích giới hạn bởi mặt phẳng thẳng đứng chạy qua đầu phía sau của BGT và mặt phẳng nằm ngang chạy qua chân của các cọc xiên ra ngoài (như hình vẽ 2.8)

- Kiểm tra ổn định trượt cung tròn: khi tường bến cọc bản có BGT ở trên đất mềm, phải kiểm tra ổn định chống trượt cung tròn chạy qua đoạn bên dưới chân cọc bản

2.2.3 Tính toán theo tiêu chuẩn Anh (BS 8002 và BS 6349)

2.2.3.1 Tính toán tường cọc bản một neo

Tiêu chuẩn Anh đăïc biệt quan tâm đến ảnh hưởng của kết cấu tường cọc bản có nạng chông hoặc có neo đơn đến áp lực và sức kháng đất (xem hình 2.9 a,b,c)

Hình 2.9 – Ảnh hưởng của độ mềm kết cấu tường cọc bản có neo đơn đến áp lực và

sức kháng của đất

Phân bố áp lực cho trong hình 2.9a thể hiện trường hợp chân tường tựa tự do trong đất ( tường cứng có neo, biến dạng tịnh tiến về phía trước)

Hình 2.9b thể hiện ảnh hưởng của độ mềm trong việc tạo hiệu ứng vòm của đất

Hình 2.9c diễn tả trường hợp khi các cọc thép được đóng sâu, ngàm sẽ xảy ra

ở phần thấp hơn của cọc gây ra đổi chiều cong trong tường cọc

Nói chung, điều kiện ngàm trong đất sẽ đưa đến một thiết kế kinh tế hơn cho tường mềm so với điều kiện chân tường tựa tự do, do mômen uốn trong tường và các lực neo sẽ có xu hướng thấp hơn

Tường sâu hơn được yêu cầu để đạt độ ngàm chặt ở điều kiện ngàm trong đất, nhưng ở điều kiện chân tường tựa tự do độ chôn sâu nông hơn vì chỉ cần tăng độ ổn định để tạo đủ sức chống đỡ đối với sự dịch chuyển về phía trước Đối với kết cấu vĩnh cửu thường không khuyến nghị giả thiết điều kiện ngàm trong đất cho tường trong đất dính, do đất có các thay đổi lâu dài về các đặc trưng

Nên kể đến điều kiện vòm trong quan hệ đối với trình tự thi công của tường chắn cọc cừ có neo Khi đất đắp sau đã hoàn thành trước khi đất phía trước tường đã được nạo vét đi, chuyển dịch của tường do áp lực của chiều cao đất bị chắn nhỏ có thể đủ để phát triển các điều kiện áp lực chủ động Khi nạo vét xong, tường sẽ biến dạng và phân bố áp lực sẽ thay đổi từ điều kiện vòm tại cao trình phía trên đến điều kiện chủ động được giả thiết tuyến tính sau cùng Các điều kiện đầu tiên và sau cùng cho trong hình 2.10

Hình 2.10 – Phân bố áp lực chủ động trên kết cấu tường có neo đơn

khi đất được đắp trước khi nạo vét a) Phân bố áp lực ban đầu trước khi nạo vét

b) Phân bố áp lực sau cùng sau khi hoàn thành nạo vét Tuy nhiên, nếu đất được nạo vét xong trước khi đắp, sau tường phân bố áp lực chủ động tuyến tính sẽ phát triển trên cả độ sâu trong phạm vi đất hiện có sau khi hoàn thành nạo vét Khi đổ đất đắp phía sau và phần bên trên mực nước được đầm chặt, biến dạng bổ sung của tường và kết cấu neo có thể không đủ để phát triển áp lực chủ động từ đất đắp phía trên Trong trường hợp đó nên quy định cho áp lực ngang phần trên của đất đắp tại trạng thái trung gian giữa điều kiện chủ động và điều kiện nghỉ, tùy theo chuyển dịch về phía trước dự kiến của tường khi đổ đất đắp (xem hình 2.11)

Hình 2.11 – Phân bố áp lực chủ động trên kết cấu tường có neo đơn

trường hợp đất được đắp sau khi nạo vét

Nhằm mục đích tính toán áp lực đất tổng cộng trên chiều dài tường đơn vị, PA

nên giả thiết sự phân bố tuyến tính của áp lực đất chủ động theo ứng suất có hiệu như hình 2.9a

Tuy nhiên, nhằm mục đích xác định ổn định của tường chống lật, để tính toán lực neo và các mô men uốn trong cừ, nên kể đến ảnh hưởng của độ mềm kết cấu Với tường mềm, lực neo cao hơn, mômen uốn giữa kết cấu neo và đáy biển là thấp hơn so với tính toán khi giả thiết phân bố ứng suất tuyến tính Độ mềm tường giảm khi tường được xây trong một dầm mũ bê tông cứng Ảnh hưởng của độ mềm, mà sẽ làm tăng các lực neo và tăng cao độ của hợp lực sức kháng bị động, nên được xét đến như cho trong các hình 2.9b và 2.9c Các phương pháp tính toán lực neo, mômen uốn, lực cắt và chuyển vị trong kết cấu, có kể đến độ mềm trong BS 8002 cho cả hai phương pháp chân tường dịch chuyển tự do và ngàm trong đất

+ Phương pháp giảm mômen của Rowe chỉ dùng cho tường cọc ván thép mềm Phương pháp này bao gồm việc phân tích tường khi giả thiết chân tường dịch chuyển tự do, áp dụng các hệ số giảm mômen uốn để kể đến độ mềm của tường liên quan đến độ chôn sâu trong đất Phương pháp này cho thiết kế kinh tế hơn phương pháp dầm tương đương điều chỉnh của Blum và thích hợp sử dụng cho hầu hết các loại đất trừ đất sét quá cố kết và tường có đắp sau, khi áp lực đất đã có hệ số không nên sử dụng vì xảy ra ứng suất theo phương ngang cao Tuy nhiên, nên kiểm tra cẩn thận để độ võng nhận được theo phương pháp này nằm trong giới hạn cho phép

+ Phương pháp tải trọng giới hạn thực nghiệm của Brinch Hansen

Đây là phương pháp tải trọng giới hạn thực nghiệm, nó giả thiết sự hình thành các khớp dẻo khi phá hoại

Hình 2.12 – Sự phân bố áp lực đất chủ động và bị động trên kết cấu cọc cừ kép

c) Ổn định cục bộ của kết cấu nên được kiểm tra khi giả thiết mặt phẳng phá hoại thấp hơn bên trong đất đắp, tương tự như cho tường cừ đơn có neo công xôn

d) Sức chịu tải của đất bên dưới các kết cấu tường kép nên đủ để chống đỡ trọng lượng kết cấu và vật liệu đắp, mọi tải trọng đặt vào trên tường và các lực thẳng đứng truyền đến tường phía đất do ma sát và các lực va của tàu cập

e) Phân tích các bộ phận kết cấu: các mô men uốn, lực cắt trong tường cừ và các lực trong thanh neo liên kết, tính toán theo cùng một cách đối với tường cừ đơn có neo

2.2.4 Một số nhận xét

2.2.4.1 Tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 207-92

Ưu điểm:

- Quy định chi tiết mặt phẳng tính toán tiếp nhận áp lực chủ động của các loại tường cọc bản khác nhau do vậy đã xét đến ảnh hưởng của hình dạng tường mặt đến giá trị áp lực đất lên tường

- Cho phép xác định áp lực đất theo nhiều lý thuyết khác nhau như lý thuyết cổ điển (Coulomb hay Rankine) hoặc theo phương pháp lý thuyết cân bằng giới hạn của Xôcôlovski và Goluskevich (lý thuyết cân bằng giới hạn của đất có xét đến đặc điểm trượt theo mặt cong của lăng thể phá hoại) Sau đóù đề nghị biện pháp hiệu chỉnh thông qua góc ma sát giữa vật liệu và đất nền, các hệ số điều chỉnh giá trị mômen lớn nhất và lực căng dây neo Điều này cho phép so sánh, áp dụng một cách linh hoạt các lý thuyết áp lực đất, hạn chế sai lầm trong tính toán

- Phân biệt một cách rõ ràng, định lượng khái niệm tường cứng (tường có độ cứng chống uốn cao) và tường mềm (tường có độ cứng chống uốn thấp), từ đó đưa ra sơ đồ và phương pháp tính toán cụ thể cho mỗi loại

Nhược điểm:

- Không phản ánh được sự làm việc đồng thời giữa tường và đất

- Các hệ số điều chỉnh được đề nghị không thể áp dụng cho mọi trường hợp Việc lựa chọn kết quả thiên về an toàn có thể gây lãng phí

- Phương pháp đồ giải được khuyến cáo sử dụng trong tiêu chuẩn mặc dù khá đơn giản, song lại có thể mắc sai số khá lớn khi tính tay hoặc khi gặp nền đất biến đổi phức tạp Trong trường hợp công trình có nhiều neo, phương pháp này cũng trở nên phức tạp, phải tính lặp nhiều và đặc biệt khó đảm bảo độ chính xác khi tính tay

- Chưa kể đến ảnh hưởng của phương pháp thi công và trình tự thi công đến sự làm việc của tường cọc bản

2.2.4.2 Tiêu chuẩn Nhật Bản

Ưu điểm:

Một trong những ưu điểm nổi bật của tiêu chuẩn Nhật Bản là đơn giản, rõ ràng Tiêu chuẩn cũng đưa ra quy trình tính toán cụ thể, logic

Nhược điểm:

- Không phản ánh được sự làm việc đồng thời giữa tường và đất

- Việc phân loại tường cọc bản dựa theo điều kiện đất nền trong phạm vi chiều sâu chôn cừ, không phản ánh được một cách đầy đủ, trực tiếp điều kiện làm việc của tường cọc bản

- Việc tính toán độ sâu chôn tường theo công thức: Mp = F Ma ( với F=1,2 - 1,5) không thống nhất với giả thiết chân tường dịch chuyển tự do, khi đó:Mp =

- Cho phép áp dụng nhiều phương pháp như phương pháp của Rowe, phương

pháp của Brinch Hansen

Nhược điểm:

- Không phản ánh được đầy đủ sự làm việc đồng thời giữa tường và đất

- Biểu đồ áp lực đất trong một số trường hợp vẫn phải lấy gần đúng và mang tính quy ước

- Vấn đề áp lực tồn dư của nước sau tường chưa được giải quyết rõ ràng, chính xác mà vẫn thiên về tính gần đúng và thiên về an toàn

Nhận xét chung:

Việc tính toán tường cọc bản hiện nay theo các tiêu chuẩn vẫn chủ yếu dựa vào các cơ sở lý thuyết truyền thống, chưa giải quyết được vấn đề tường và đất đồng thời làm việc ( mặc dù có tiêu chuẩn đã kể đến ảnh hưởng của độ mềm tường đến giá trị áp lực đất ) Hơn nữa khi gặp các điều kiện biên phức tạp thì sẽ

gặp nhiều khó khăn khi giải hoặc phải chấp nhận một số giả thiết, quy ước gần đúng

Để khắc phục các nhược điểm trên, hiện nay người ta sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.5 Tính toán ổn định tổng thể của hệ tường cọc bản

Hiện nay, có nhiều phương pháp để kiểm tra ổn định của hệ tường cọc bản Trong đó phương pháp thường dùng nhất là kiểm tra sự ổn định dựa trên điều kiện

cân bằng dẻo giới hạn Điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch

chuyển cắt bắt đầu và biến dạng trượt cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi Khối đất mất ổn định và trượt theo mặt trượt nhất định như là vật thể tự do ở điều kiện cân bằng Cần đánh giá các lực hay moment tác dụng lên vật thể tự do này và tiến hành

so sánh các lực cắt tác dụng dọc theo mặt trượt với sức chống cắt có khả năng tạo

ra Tuỳ theo giả thiết hình dáng mặt trượt (phẳng, hỗn hợp hay cung tròn.v.v ) và các lực tác dụng mà các tác giả phát triển thành các phương pháp khác nhau

Đối với bài toán kiểm tra ổn định tổng thể của tường cọc bản, phần mái dốc của đất được tường cọc bản bảo vệ và do cọc đóng sâu vào trong đất nền nên khả năng ổn định tổng thể của cả hệ thường đảm bảo Do tường cọc bản được thiết kế đảm bảo khả năng chịu lực uốn và cắt do tác dụng của áp lực đất tác dụng lên tường nên khả năng mặt trượt cắt qua thân cọc xem như ít khi xảy ra Vì vậy, thường xem xét khả năng xảy ra trượt sâu và mặt trượt xem như đi qua chân cọc bản

Ở luận văn này chỉ trình bày phương pháp kiểm tra ổn định trượt trụ tròn Phương pháp này được sử dụng rất phổ biến vì hình dáng mặt trượt khá phù hợp với thực tế, và cho kết quả thỏa mãn độ chính xác cần thiết, hơn nữa việc tính toán lại khá đơn giản

2.2.5.1 Phương pháp phân mảnh

Giả sử mặt trượt trụ tròn xảy ra với tâm trượt O, bán kính r (Xem hình 2.13 )

Chia cung trượt AB thành n mảnh có bề rộng mỗi mảnh là bi ( thường chọn bề rộng các mảnh thường là bằng nhau để thuận lợi cho tính toán)

Hình 2.13 – Phương pháp phân mảnh

a) Phân mảnh khối trượt b) Các lực tác dụng lên một phân tố Xét phân tố thứ i, các lực tác dụng như sau :

 Trọng lượng của phân tố Wi : Wi = *bi*hi

 Phản lực pháp tuyến hiệu quả tác dụng lên đáy phân tố :Ni

 Lực cắt tạo ra dọc theo đáy phân tố : Ti

 Lực pháp tuyến giữa các phân tố : Ei và Ei+1

 Lực tiếp tuyến giữa các phân tố : Xi và Xi+1.

 Lực chống cắt dọc theo đáy phân tố : Si

 Ngoài ra nếu có các tải trọng phụ bất kỳ ở trên mặt đất cũng phải đưa vào tính toán

Tại điểm cân bằng giới hạn, tổng mômen gây trượt Mgt sẽ cân bằng với tổng mômen của lực chống trượt Mct dọc theo AB

 Mômen gây trượt là : Mgt =  Mi

gt = Ti*r (2.3)

 Mômen chống trượt là : Mct =  Mi

ct = Si*r (2.4) Hệ số ổn định trượt F được xác định như sau :

n i

i

i ct

M

M F

1

và đánh giá sự ổn định như sau :

 Nếu F <1 : hệ mất ổn định

 Nếu F =1 : hệ ở trạng thái cân bằng giới hạn

 Nếu F > 1 : hệ ở trạng thái ổn định

Tùy theo giả thiết khác nhau về các thành phần lực bên hông mảnh, các tác giả đề nghị phương pháp tính toán khác nhau :

 Phương pháp Fellenius (kỹ sư người Thụy Điển) : giả thiết bỏ qua lực phân mảnh

 Phương pháp Bishop : giả thiết lực phân mảnh chỉ có phương ngang

 Phương pháp Spencer : giả thiết phương lực phân mảnh không đổi

 Phương pháp Janbu : giả thiết điểm đặt lực phân mảnh có thể thay đổi…

Luận văn này sẽ đề cập đến các phương pháp tính toán của hai tác giả Fellenius và Bishop là các phương pháp được sử dụng tương đối phổ biến và khá đơn giản

a Phương pháp Fellenius

Theo Fellenius, các lực giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều do đó triệt tiêu lẫn nhau, tức là : Ei = Ei+1 và Xi = Xi+1

Khi đó :

Trong đó :

li : Chiều dài cung đáy mảnh

u : Áp lực nước lổ rổng ở đáy phân mảnh

Hệ số ổn định F được xác định như sau :

Phương pháp này đơn giản nhưng trong trường hợp áp lực đẩy nổi lớn, cung trượt nằm sâu hoặc có bán kính nhỏ sẽ có sai số lớn Theo R.Whitlow trong trường hợp đó giá trị F thường có giá trị thấp hơn đến 50%

b Phương pháp Bishop

Bishop giả thiết rằng các lực tác động tiếp tuyến với mặt hông của mảnh bằng

nhau X i = X i+1 và lực pháp tuyến khác nhau E i ≠ E i+1

Khi đó :

F

l c tg N W

T

b u W

U W

N

i i

i i i

i

i i i i i i i i

sin

cos cos

i i

i

F

l c U W F

tg tg N

i

i i

b u l u U

b l

.sin

.cos

coscos

i d d i i i i d d i i

i i i

i i i i i i i

i i i

l c tg U W

l c tg N S

W T

l u W

U W

N

W N

i i i i i i i n

i

i i i

n i

i i ct

W r

tg U W

l c r W

r

S r Mgt

M F

1 1

(2.7)

 tg tg F

tg F b c b u W N

i i

i i

i i i i

/ ' 1

cos

/ '

i i

i i i i i

i

W

tg F tg tg

F tg b c u W b

c F

1

1

sin

'/

'1

cos

/'

cos'

Cách tính toán trên sẽ mất rất nhiều thời gian và công sức Trước đây để hạn chế khối lượng tính toán và nhanh chóng xác định được tâm trượt và bán kính cung trượt người ta thường làm theo kinh nghiệm Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính người ta đã xây dựng rất nhiều phần mềm khác nhau để tính toán kiểm tra khối lượng rất lớn tâm trượt với bán kính cung trượt khác nhau và nhanh chóng tìm ra tâm trượt và cung trượt nguy hiểm nhất.

2.2.5.2 Phương pháp ứng suất phần tử hữu hạn

Từ lưới phần tử nền đất được xây dựng cho bài toán phân tích ứng suất bằng phần tử hữu hạn, giả sử mặt trượt trụ tròn xảy ra với tâm trượt O, bán kính r Chia cung

trượt AB thành n mảnh có bề rộng mỗi mảnh là bi (thường chọn bằng nhau để thuận

lợi cho tính toán) (Xem hình 2.14) Hệ số ổn định trượt sâu F xác định theo phương

pháp này bằng tỷ số giữa tổng các sức chống cắt (Si) với tổng các lực cắt dọc theo mặt trượt đó (Ti) Phương trình có dạng :

f = c’ + (n – u)tg’ (tiêu chuẩn Morh – Coulomb cho đất bão hoà)

n : ứng suất pháp tiếp tại điểm giữa đáy mảnh

u : áp lực nước lỗ rỗng tại điểm giữa đáy mảnh

 Lực cắt tại đáy mỗi phân mảnh Ti được tính bằng việc nhân ứng suất cắt i tại điểm giữa đáy mảnh với chiều dài đáy mảnh li

 Ứng suất pháp tuyến n và ứng suất cắt tại điểm giữa đáy phân mảnh được suy ra từ các thành phần ứng suất x, y, và xy của các điểm ứng suất của phần tử đất nền nào đó chứa điểm giữa đáy phân mảnh (nhờ ma trận các hàm nội suy) Chú ý rằng mặt phá hoại là mặt trượt có F < 1

Hình 2.14 – Ví dụ về giải bài toán ổn định bằng phương pháp ứng suất

phần tử hữu hạn

2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) trong địa cơ học

2.3.1 Giới thiệu khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn trong địa cơ học

Phương pháp PTHH là sản phẩm đồng thời là công cụ chủ lực mạnh của tiến bộ khoa học kĩ thuật hiện nay Khả năng to lớn của phương pháp PTHH thể hiện đặc biệt trong cơ học đất và đá - là các vật liệu đa dạng về tính chất cơ học và điều kiện gia tải Những ưu điểm bảo đảm tính phổ cập của phương pháp PTHH là: + Dễ dàng nhận được lời giải cụ thể theo chương trình sẵn có

+ Có thể hiện cô đặc mạng lưới các phần tử tại những nơi tùy ý có gradient thông số nghiên cứu cao

+ Có thể giải các bài toán có điều kiện biên bất kì với độ chính xác cao.v.v

Quan niệm cơ bản của phương pháp PTHH là trị số liên tục cần tìm - dù là cột áp của dòng thấm hay chuyển vị của các điểm trong vật thể biến dạng - được tính

gần đúng bởi một bộ phận đoạn các hàm đơn giản nhất, cho trên các miền con (các phần tử) hữu hạn bị chặn Nhờ thủ tục này mà phép lấy tích phân các phương trình

vi phân được quy về giải hệ thống các phương trình tuyến tính Các giá trị định lượng của đại lượng chưa biết sẽ tìm thấy trong số lượng hạn chế các điểm ( các nút) bị chặn của miền; còn trong phạm vi các phần tử các giá trị của hàm chưa biết và giá trị các đạo hàm của nó được xác định bằng các hàm xấp xỉ và các đạo hàm của chúng

Do những đặc điểm nêu trên, phương pháp PTHH đã được áp dụng vào lĩnh vực địa cơ học Nó đã tỏ rõ ưu thế không chỉ vì đã 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 - thường là môi trường hai hoặc ba hướng Mặt khác, trong địa cơ học các bài toán thường có điều kiện biên phức tạp và do môi trường không đồng nhất nên hầu như không thể có được lời giải giải tích chính xác Ngày nay, với tình hình phát triển mạnh mẽ của các phần mềm máy tính về phần tử hữu hạn trong các lĩnh vực nối chung và trong lĩnh vực địa cơ học nói riêng ( như phần mềm Plaxis; Geo-slope; Sage crisp .) và phần cứng của máy tính có tốc độ cao, người ta dễ dàng thu được các giải pháp khác nhau

2.3.2 Một số phần mềm địa cơ thông dụng

2.3.2.1.Phần mềm Sage Crisp (Đại học Cambrige - Anh Quốc)

SAGE CRISP là một gói chương trình được viết để phân tích các bài toán địa kỹ

thuật bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng lý thuyết của cơ học đất ở trạng thái tới hạn và vận hành trong môi trường WINDOWS Gói phần mềm này

bao gồm chương trình tiền xử lý (Pre - processor), hậu xử lý (Post - processor) với giao diện người sử dụng dạng đồ họa (GUIs), chương trình phân tích tính toán PTHH và tiện ích bảng tính dành cho các dữ liệu cần đưa ra máy in

SAGE CRISP tổng hợp những khả năng phân tích tính toán đầy ấn tượng với giao diện đồ hoạ thuận tiện cho người sử dụng Chương trình tiền xử lý đưa ra một môi trường tương tác trực giác, trong đó việc xử lý sẽ được tiến hành một cách nhanh chóng, dễ dàng Chương trình hậu xử lý cũng vận hành trong môi trường tương tự, tổng hợp các dữ liệu có được và đưa ra bằng công cụ trực quan

SAGE CRISP đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới ở cả 2 lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất để giải quyết các bài toán địa kỹ thuật bao gồm các kết cấu tường chắn, đê đập, tunnel và nền móng,… Nó cũng được sử dụng trong việc tính toán móng độc

lập, móng cọc, gia cố bằng vải địa kỹ thuật, ghim đất, hiệu ứng không đẳng hướng, ổn định mái dốc, ổn định thành hố khoan và các nghiên cứu về quá trình thi công

 Các dạng bài toán :

 Bài toán biến dạng phẳng

 Bài toán đối xứng trục

 Bài toán ba chiều (chưa có giao diện đồ họa)

 Kiểu phân tích :

Kiểu phân tích PTHH là ứng suất chính hữu hiệu :

 Phân tích thoát nước;

 Phân tích không thoát nước;

 Phân tích cố kết thứ cấp

 Các mô hình đất :

Đàn hồi tuyến tính :

 Đồng nhất, không đẳng hướng;

 Không đồng nhất, không đẳng hướng

Đàn hồi – dẻo thuần túy :

 Morh Coulomb ;

 Cam clay;

 Cam clay cải tiến;

 Mô hình Schofield

 Các dạng phần tử :

 Phần tử kết cấu (bài toán biến dạng phẳng) : thanh, dầm;

 Phần tử 2D (bài toán biến dạng phẳng và đối xứng trục): tam giác, tứ giác;

 Phần tử tiếp xúc (tương tác kết cấu và đất)

 Cấu trúc chương trình : (Xem hình 2.15)

SAGE CRISP

PRE – PROCCESOR

(TIỀN XỬ LÝ)

- Tạo lưới PTHH;

- Tự sinh lưới phần tử;

- Điều kiện biên về chuyển vị;

- Điều kiện biên về áp lực nước lỗ rỗng;

- Các dạng tải trọng;

- Phân tích các thông số đầu vào (vật liệu,

tải trọng, điều kiện thoát nước, quá trình thi

công, gia số thời gian,…)

- Mô đun đồ họa;

- Vẽ các chuyển vị;

- Vẽ các đường đồng mức;

- Vẽ các mômen uốn;

- Vẽ các trạng thái (ứng suất, biến dạng);

- In ấn;

- Tự sinh báo cáo

POST-PROCCESOR (HẬU XỬ LÝ)