Bài viết Mô phỏng các thí nghiệm đất rời bằng phương pháp phần tử rời rạc giới thiệu các mô hình thí nghiệm cơ học đối với đất rời bằng PP PTRR do tác giả lập thông qua sử dụng phần mềm PFC3D cùng một số kết quả bước đầu của mô hình.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 MƠ PHỎNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐẤT RỜI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC Nguyễn Quang Tuấn Trường Đại học Thủy lợi, email: nqtuan@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Phương pháp phần tử rời rạc (PTRR) Cundall đề xuất [1] giới thiệu phương pháp số có nhiều triển vọng áp dụng tốn địa kỹ thuật [2] Đã có nhiều áp dụng PP PTRR để mô ứng xử đất rời Việc mô bao gồm mô thí nghiệm, mơ khối vật liệu rời dịng chuyển động vật liệu rời Việc mơ thí nghiệm giúp hiệu chỉnh, xác định thơng số mơ hình tiếp xúc cách khớp kết mơ với kết thí nghiệm thực (do thơng số mơ hình PFC khơng xác định trực tiếp từ thí nghiệm) Các thơng số sau sử dụng để mơ tính toán toán địa kỹ thuật thực tế Bên cạnh đó, mơ thí nghiệm cịn giúp nghiên cứu chế xây dựng tiêu chuẩn phá hoại vật liệu Thí nghiệm mơ hình PTRR cịn giúp giảm chi phí thí nghiệm thực, đặc biệt có ích cho việc nghiên cứu thí nghiệm đòi hỏi thiết bị cỡ lớn, thông tin khó đo thí nghiệm Ứng xử học đất rời chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố: độ chặt, cấp phối hạt, đặc điểm hình dạng hạt thân tính chất hạt Bài báo giới thiệu mơ hình thí nghiệm học đất rời PP PTRR tác giả lập thông qua sử dụng phần mềm PFC3D số kết bước đầu mô hình ITASCA PFC3D sử dụng phương pháp hạt, dạng đặc biệt phương pháp phần tử rời rạc Trong PFC3D sử dụng phần tử cứng hình cầu phần tử vách để tạo mơ hình cần nghiên cứu [3] Thông thường vật liệu đất rời mô tập hợp hạt cầu cụm hạt hay khối hạt Các phần tử vách thường sử dụng để tạo điều kiện biên gia tải Các hạt mơ hình PFC3D riêng rẽ chuyển động độc lập so với hạt khác Các hạt tương tác với tương tác với vách điểm tiếp xúc Do phần tử PFC3D hình cầu, nên khả mơ tả chuyển động hạt vật liệu có hình dạng bị hạn chế Để khắc phục nhược điểm này, sử dụng hạt ghép (clump) tạo hạt tròn kết khối xếp chờm lên để tạo phần tử có hình dạng mong muốn Ví dụ số dạng clump tạo thành từ ghép hạt cầu với hình Bên cạnh việc sử dụng cụm hạt khối hạt, mơ hình kháng lăn điểm tiếp xúc sử dụng Tổng quan mơ hình kháng lăn trình bày Ai, Chen [4] Việc sử dụng mơ hình kháng lăn có ưu điểm so với việc sử dụng hạt ghép chỗ hạn chế số lượng phần tử Tuy nhiên, việc tạo mơ hình kháng lăn địi hỏi phải viết mơ hình riêng thơng số mơ hình phức tạp GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PFC3D Phần mềm PFC3D phần mềm phương pháp phần tử rời rạc cơng ty phần mềm 97 Hình 1.Clump mơ hình dạng hạt [5] Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 Trong báo này, tác giả tập trung Thông qua mô với hệ số ma sát vào giới thiệu mô hình thí nghiệm, khơng tiếp xúc khác nhau, tìm tương quan trình bày chi tiết mơ hình tiếp xúc hay góc nghỉ với hệ số ma sát tiếp xúc hình dạng phần tử hạt (Hình 3) Góc nghỉ [độ] CÁC MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM CƠ BẢN ĐỐI VỚI ĐẤT RỜI Trong nghiên cứu tính chất đất xây dựng, thí nghiệm học đất kể đến là: - Thí nghiệm góc nghỉ tự nhiên - Thí nghiệm nén trục - Thí nghiệm cắt phẳng Ngoài ra, để nghiên cứu sâu ứng xử vật liệu rời, bên cạnh thí nghiệm cịn có thí nghiệm tiên tiến thí nghiệm Hệ số ma sát tiếp xúc [-] nén ba trục, thí nghiệm cắt vịng, thí nghiệm mẫu trụ rỗng,v.v Trong báo này, tác giả Hình Quan hệ góc nghỉ trình bày việc thiết lập mơ hình PTRR hệ số ma sát tiếp xúc sử dụng hạt mơ thí nghiệm đơn giản Tác ghép phần tử (triad) giả làm thí nghiệm mẫu chuẩn để có kết đối chứng với mơ hình số Chi tiết 3.2 Thí nghiệm nén trục khơng nở thí nghiệm tác giả trình bày hơng [5] Trong mơ hình PFC3D , hộp nén tạo 3.1 Thí nghiệm góc nghỉ tự nhiên phần tử vách, dao nén tạo Trong mơ hình PFC3D, phễu chứa vật vách hình trụ Đất khởi tạo tập liệu mô vách trụ, đặt hợp vật liệu hộp nén Một thuật toán vách phẳng nằm ngang Các hạt được sử dụng để tạo tập hợp hộp nén khởi tạo với thông số khối lượng với cấp phối hạt độ lỗ rỗng cho trước Mô riêng hạt Gia tốc trọng trường thiết lập hình chạy tới đạt điều kiện ổn định Các bước tiến hành thí nghiệm tn theo cho mơ hình để hạt lắng xuống Trước thí nghiệm, hệ số ma sát tiếp xúc quy trình thí nghiệm thực tế Áp lực gán cho hạt Thí nghiệm tiến thẳng đứng tạo cách cho hành việc cho phễu chứa vật liệu dịch vách phía hộp cắt di chuyển xuống chuyển lên trên, hạt vật liệu đổ xuống (xem Hình 4) Áp lực tác dụng lên vách gia mặt phẳng ngang trọng lực Kết tải tính tổng lực tiếp xúc tạo đống vật liệu hình chóp nón (Hình 2) hạt với vách theo phương thẳng đứng Góc nghỉ xác định đơn giản việc chia cho diện tích ngang mẫu đo góc nghiêng mặt chóp Hình Mơ hình q trình thí nghiệm góc nghỉ Hình Mơ hình thí nghệm nén trục khơng nở hông PFC3D 98 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 Kết thí nghiệm cho thấy thay đổi KẾT LUẬN biến dạng mẫu theo độ cứng tiếp xúc Bài báo trình bầy tóm tắt vận dụng hạt mơ hình (hình 5) PP PTRR để mơ thí nghiệm học đất đất rời Các mơ hình sử dụng để hiệu chỉnh thông số tiếp xúc việc so sánh khớp kết thí nghiệm mơ hình kết thí nghiệm thực để xác định thơng số mơ hình Các mơ hình sử dụng để mô tả chế ứng xử đất, nghiên cứu sâu chất chế ứng xử, phù hợp cho nghiên cứu chuyên sâu học đất Hình Kết thí nghiệm mơ hình học vật liệu rời với độ cứng tiếp xúc khác 3.3 Thí nghiệm cắt phẳng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tương tự với mẫu đất cho thí nghiệm nén [1] Cundall, P.A (1971) A computer model for simulating progressive largescale trục Mẫu đất khởi tạo tập hợp movements in blocky rock sys tems, in vật liệu hộp cắt Áp lực thẳng đứng Proceedings of the Symposium of the tạo cách cho vách phía International Society of Rock Mechanics hộp cắt di chuyển xuống Một thuật toán Nancy, France sử dụng để điều khiển chuyển động [2] Tuấn, N.Q and Thảo N.B (2016) Phương vách cho trì áp lực nén pháp phần tử rời rạc địa kỹ thuật Hội không đổi cắt Nửa hộp cắt nghị khoa học thường niên trường Đại học dịch chuyển để để cắt mẫu đất (Hình 6) Thủy lợi Hanoi, Vietnam [3] ITASCA Consulting Group (2008) PFC3D Version 4.0 - Theory and Background, Minneapolis, MN [4] Ai, J., et al (2011), Assessment of rolling resistance models in discrete element simulations Powder Technology 206(3): p 269-282 [5] Tuấn, N.Q (2016) Shafts backfilled with ballast: stability and settlement predictions via DEM simulations, in Geosciences, Geoengineering and Mining, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany Ứng suất cắt[kPa] Biến dạng đứng [mm] Hình Mơ hình thí nghiệm cắt phẳng Biến dạng cắt [mm] Hình So sánh kết thí nghiệm với kết thí nghiệm thực = 0,3 Kết thí nghiệm cho thấy, sức kháng cắt mẫu đất phụ thuộc vào hệ số ma sát tiếp xúc hạt () Hình ví dụ so sánh kết thí nghiệm cắt mơ hình thí nghiệm cắt thực tế 99 ... nghỉ [độ] CÁC MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM CƠ BẢN ĐỐI VỚI ĐẤT RỜI Trong nghiên cứu tính chất đất xây dựng, thí nghiệm học đất kể đến là: - Thí nghiệm góc nghỉ tự nhiên - Thí nghiệm nén trục - Thí nghiệm cắt... nghiên cứu sâu ứng xử vật liệu rời, bên cạnh thí nghiệm cịn có thí nghiệm tiên tiến thí nghiệm Hệ số ma sát tiếp xúc [-] nén ba trục, thí nghiệm cắt vịng, thí nghiệm mẫu trụ rỗng,v.v Trong báo... xúc sử dụng hạt mơ thí nghiệm đơn giản Tác ghép phần tử (triad) giả làm thí nghiệm mẫu chuẩn để có kết đối chứng với mơ hình số Chi tiết 3.2 Thí nghiệm nén trục khơng nở thí nghiệm tác giả trình