(Luận Văn Thạc Sĩ) Phân Tích Ổn Định Mái Dốc Trong Không Gian Ba Chiều Dựa Trên Phần Mềm Ansys.pdf

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Vũ Hoàng Hưng và TS Nguyễn Thái Hoàng Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này[.]

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Vũ Hoàng Hưng và TS Nguyễn Thái Hoàng Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nảo trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phân tài liệu tham khảo Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tô chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

vê nội dung luận văn của mình

Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2016 Tác giả luận văn

Lê Chí Vinh

LOI CAM ON

Trong suốt những năm học tập và rèn luyện dưới mái trường Đại học Thủy Lợi dưới tư

cách là sinh viên và giờ đáy là một học viên cao học tôi đã nhận được nhiễu kiến thức

bồ ích, bồ trợ cho bản thân trong không những công việc mà còn cả trong cuộc sống

Luận văn này được thực hiện dưới sự cỗ gang, nỗ lực của bản thân Đề hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiễu sự động viên, giúp đỡ cua nhiều cá

nhân và tập thể

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến 1S.Vũ Hoàng Hưng và TS Nguyễn

Thái Hoàng đã hướng dẫn tôi thực hiện luận văn của mình

Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo, người đã đem lại cho tôi những kiến thức bô trợ, vô cùng có ích trong những năm học vừa qua

Ciing xin gui loi cam ơn chán thành tới Ban Giam hiéu, Phong Dao tao dai hoc va sau dai hoc, Truong Dai hoc Thuy Loi đã tạo diéu kién cho toi trong quá trình học tập

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, Ban lãnh đạo đơn vị công tác, các đồng nghiệp, bạn bè, tập thể lớp Cao học 23C11 những người đã luôn bên cạnh, sát cánh, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện luận văn của mình./

Hà Nội, ngày — tháng 8 năm 2016 Tác giả luận văn

Lê Chí Vinh

MỤC LỤC

l@z:/01901€/870019)1€ã1900/.0 088A 4

1.1 Khái niệm chung về mái đỐc . - - + SE EkSESESESE‡EEEEEEESESESEEEkEkrkrkrerered 4 1/808 ố 4

1.3 Hình thức phá hoại mái dốc và nguyên nhân phát sinh mất ôn định 5

1.3.1 Cơ chế phá hoại của mái đất và nền dỐc ¿+ 2 +s+k+E+E+EeEsEeEEererereeered 5 1.3.2 Hình dạng mặt fFƯỢT - 1010101101 111388311111 1899311 1111111 ng ng và 6 1.3.3 Kết luận về mặt trượt phá hoại khối đất . ¿+ + s+s+E+EsEsEeEeEererereeeeed 7 1.4 Phương pháp tính toán ốn định mái đỐc + + 6 E+E+E£E+ESESEeEEererereeeeed 7 1.4.1 Các quan điểm về hệ số an toàn thường dùng hiện nay . 5-5 55552 7 1.4.2 Quan điểm thứ nhất về hệ số an toàn chung - - - 5 +s+E+E+EEEzezxzezeeed 8 1.4.3 Quan diém thir hai vé hé $6 an toan tong hop w ecccecccccesssssseesesestsestssesenees 14 1.4.4 Quan điểm thứ 3 dùng hệ số huy động cường độ chống cắt của đất làm hệ số 208190000010 dddddtdtdvầầ+dỐỔ 15

1.4.5 Kết luận về hệ số an toàn ỗn định ¿se sct+eE‡ESESEEEEtESEESEEESEEeErsrererrres 18 1.5 Những vấn để cần nghiên CỨU . + + s22 EEEEEEEEEEEEEkrkrkrkrkekred 18 CHUONG 2 : CO'SO TINH TOAN ON DINH MAI DOC THEO PHUONG PHAP PHAN TU HUU HAN iscccscsccssssssssssssssescessssssssssessesssssessecsesssssssssssscsesssssessessesssssssssessensens 20 2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán phá hoại dẻo của đất -. - 20

2.2 Phương pháp huy động cường độ chống cắt và phương pháp gia tăng dung trọng T110110 111101111 1E 111 1E 1 1 011 111 1 111 1 1 111 1111111180111 g0 21 2.3 Tính toán ôn định mái dốc bằng phân mềm ANSYS wu eeeeeseseseseescscnenees 22 2.3.1 Giới thiệu phần mềm AINSYYS [0] - ¿2 k+k+k+E+E£E£E#ESESESEEEEEkrkrkrkrereeed 22 2.3.1.1 Khái quát chung về phần mềm ANSYS . - - +E+EsESEeErkrerxreeeeed 22 2.3.1.2 Mô tả phần mềm ANSY S + s11 1111811152511 ekrkd 23 2.3.1.3 Trình tự giải bài toán kết cầu băng phan mém ANSYS -5-5-5¿ 25 “6Ý bá 26

2.3.2.1 Sơ đồ khối tính toán ôn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS 26

2.3.2.2 Trình tự phân tích ôn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS [9] 27

2.3.2.3 Ví dụ phân tích ôn định mái dốc băng phần mềm ANSYS 31

2.3.2.4 Chương trình tính toán Ôn định mái dốc theo bài toán phăng 32

2.3.2.5 Chương trình tính toán ốn định mái dốc theo bài toán không gian 44

2.4 Kết luận chương 2 . ¿- - -kk113S SE E311 E1 1111111E1 1111111111111 gerrke 52

CHUONG 3: TÍNH TOÁN ÔN ĐỊNH MAI DÔC VAI TRÁI ĐẬP CÔNG TRÌNH THỦY

DIEN BAC HA — LAO CAI -5-55+25+SE+‡EE2ESEE2 2 E121 xe 55 3.1 Giới thiệu công trÌnh + 2 2212311131111 11 1113111111118 11 1111 ng v2 55 3.1.1 Thông tin chung về công trình ¿-¿- 6s k+k*E£E#E+ESESEEEEEEEEEEErkekrkekrererree 55 3.1.2 Giới thiệu công trình - 111011101 1011111111111 188023111111 ng vờ 56

3.2 Kết cầu mái đỐc c:5:2+t2 t2 2212211211111 11 60

3.3 Tính toán ôn định mái dốc bang phần mềm ANSYS 2-5 +s+s+e+escse 61

3.4 Kết luận Chương 3 -G- - ksE SE ST S111 111111111 1111111111111 nerrkg 73 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊỊ - -55+25+ ExS 2 SEt2 2 E2 E1 74 TAI LIEU THAM KHAO Wsecssessesssessessssssesvesssessecssessessecssessecsecenessecsessnessecseesseeneeseeeneenees 76

1 Chi tiết tính toán Ôn định mái dốc trên bài toán phăng: - 2 << se: 77 2 Chi tiét tinh toan 6n định mái dốc trên bài toán không gian . - - +: 81 3 Chi tiét tinh toan 6n dinh mai déc trén bai toan khong gian của vai trái đập thủy

dién Bac Ha — La Cale ecccccccccccsssccccccecesssecccccecesecccccseeecescccseeeeeeesscsseeeneeesesees 87

Hinh 2.1 Két cau chuong trinh ANSYS w cccecscsescsseesescscecsesesscstesstsesscavevenssseaeens 23 Hình 2.2 Trình tự giải bằng AINSYS s21 1E 51111111111 1111111 111111 23 Hình 2.3 Mô hình mặt mái dỐc - + 2+ k+E+E#EEE+E£E#EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrsee 33 Hình 2.4 Mô hình phân chia mạng lưới phần tử mái dỐc ¿+2 ss+s+s+£sc+z 34

Hình 2.5 Mô hình mái dốc sau khi gán ràng buộc chuyền vị và gia tốc trọng trường 35

Hình 2.6 Biến hình mái dốc khi E=1,2 -¿- 5 + 2 +E+k+E+E#EEEE+EEEEEEEEEEEEEESEeEerkrkrsee 36 Hình 2.7 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=l,2 - 5-5-5 s+s+s+sscse 36 Hình 2.8 Phố biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=.2 . 5-5- s52: 37 Hình 2.9 Biến hình mái dốc khi E=1.4 ¿- - - + 2 +E+k+E+E#EEEE+EEE+EEEEEEEEEEEEererkrkrsee 37 Hình 2.10 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=l,4 - 5-5 s+s+s+<scse 37 Hình 2.11 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=1,4 5- 5-52: 38 Hình 2.12 Biến hình mái dốc khi F],6 - + 2® k+S+E#E£EE+E+E+EEEEEEEEEESEeEerkrkrsee 38 Hình 2.13 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=],6 - 5 ss+s+s+sscse 38 Hình 2.14 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,6 . 5-52: 39 Hình 2.15 Biến hình mái dốc khi El, . - + 2 ++k+S+EEEEE+E+E+ESEEEEEEEESEererkrkrsee 39 Hình 2.16 Phố chuyền vị mái dốc theo phương X khi F=I,8 5-5-5 +s+s+<scse 39 Hình 2.17 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,8 . 5-5- +: 40 Hình 2.18 Qúa trình tính toán không hội tụ tại F—Ï,Š2 -cSs<sss++++sssssss 40 Hình 2.19 Biến hình mái dốc khi F=l,Ñ/2 + 22k E+EESEE+E+E+ESEEEE+EeEeEeEererkrsee 40 Hình 2.20 Phố chuyền vị mái dốc theo phương X khi F=1,82 - 5-5 +s+s+<scsz 41 Hình 2.21 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,82 5- +: 41

Hình 2.22 Tính toán ốn định mái dốc băng Geo — Slope - 2-2 +cscs+e+x+sez 44

Hình 2.23 Mô hình phân chia lưới phần tử mái dỐc 2- + 2 2 +s+x+s+£+£+ezEz s2 44

Hình 2.24 Mô hình mái dốc sau khi gán ràng buộc chuyền vị và gia tốc trọng trường

Hình 2.25 Biến hình mái dốc khi E=],2 ¿- - + + +E+k+E+E#EEEE+E+ESESEEEErErkersrerered 45 Hình 2.26 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=l,2 - 5s s sec: 45 Hình 2.27 Phố biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,2 2 55552 46 Hình 2.28 Biến hình mái dốc khi E=1.4 ¿- - + SE +E+E+E+E#EEEE+E+ESESEEEErkrkersrererkd 46 Hình 2.29 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=l,4 - - scsccscee: 46 Hình 2.31 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,4 - 2 55552 47 Hình 2.32 Biến hình mái dốc khi F1,6 ¿2-5 + 2 +E+E+E+E£EEEE+E+EEESEEEErkrkererererkd 47

Hình 2.33 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=l,6 . - - sex: 47

Hình 2.34 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,6 . - 5552 48 Hình 2.35 Biến hình mái dốc khi FI,8 5 S2 +E+k+E‡E#ESEEEE+EEESEEEErkrkersrererkd 48

Hình 2.36 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=I,8 2s <<: 48

Hình 2.37 Phố biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l.8 . 5-5-5¿ 49 Hình 2.38 Biến hình mái dốc khi F1,82 - + + 2 +E+E+E+ESESEE+EEESESEEEErErkererererkd 49 Hình 2.39 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=l,82 - - s se: 49 Hình 2.40 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=I.82 . 5-5-5¿ 50 Hinh 2.41 Qua trình tính toán không hội tụ tại F—ÏI,8§Š << << sssssssesss 50 Hình 2.42 Biến hình mái dốc khi F=1,Ñ5 + + 2 +E+E+E+ESESEE+EEESESEEEErErkererererkd 50 Hình 2.43 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=l,Ñ5 .- - - <<: 51 Hình 2.44 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,8 . 5-5-5¿ 51 Hình 3.1 Công trình thủy điện Bắc Hà — Lào Cai . + 22 +s+£+E£E+E+EzEzEerezxd 55 Hình 3.2 Vai trái đập thủy điện Bắc Hà — Lào Cai . 2-2 s+E+E£E+E+eeEsrerered 60 Hình 3.3 Mặt cắt địa chất vai trái đập thủy điện Bắc Hà — Lào Cai .-. - 61 Hình 3.4 Mô hình đường mái dốc vai trái Công trình thủy điện Bắc Hà 62 Hình 3.5 Mô hình mặt mái dỐc . - + 2 2E k + E#EEEE+E#E#ESEEEEEEEEEESEEEErErkrrerererkd 62

Hình 3.6 Mô hình mái dốc trên không gian ba chiễu ¿2-26 +s+E+E+EsEeEeEezeei 62 Hình 3.7 Mô hình mái dốc sau khi gán ràng buộc chuyền vị và gia tốc trọng trường 63

Hình 3.8 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=I,2 .- - 5c sccscxe: 63 Hình 3.9 Phố biến dạng tính dẻo mô hình khi F=1.2 - ¿2 s2 +£z+E+E+s+£s£erezxd 63 Hình 3.10 Phố chuyền vị mái dốc theo phương X khi F=I.,4 . - << sec: 64 Hình 3.11 Phố biến dạng tính dẻo mô hình khi E=1,4 - 2-5-5 2 2+s+s+s+£s£erezx2 64 Hình 3.12 Phố chuyền vị mái dốc theo phương X khi F=l,6 . - - - << sec: 64 Hình 3.13 Phố biến dạng tính dẻo mô hình khi E=],,6 2-5-5 2 2+s+s+s+£z£erezx2 65 Hình 3.14 Phố chuyền vị mái dốc theo phương X khi F=I,8 . - << se: 65

Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Hình 3.28 Hình 3.29 Hình 3.30 Hình 3.3 l Hình 3.32

Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=I.8 . 2 22 +s+£s£s+s+xzss2 65 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=2,Ô - + sec: 66 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=2.0 2 2s+s+s+£+£e+E+xsez 66 Phố chuyển vị mái dốc theo phuong X khi F=2,2 cccccceeeeseeeeseseeeee 66 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=2.2 . 2 2s+s+s+£+£e+x+xzse2 67 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=2,4 5 cscs£erecxei 67 Pho bién dang tinh déo m6 hinh khi F=2,4 wees ee eseseeeeeseseeeeeees 67 Phố chuyển vị mái dốc theo phuong X khi F=2,6 cccccceeeeeeeeeseeeseeees 68 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=2.6 . + 22 s+s+£+£e+x+xse2 68 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=2,8 - + sec: 68 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=2.8 . 2 22 +s+£+£z+E+xzssz 69 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=3,0 - - scsccecee: 69 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=3.0 2 2ss+s+£+£e+x+xse2 69 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=3,12 - << sex: 70 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=3, 12 . 2 22 +s+£+£s+x+xz s2 70 Qúa trình thay thế F=3,15 tính toán không hội tụ . - 5 +<+<sss¿ 70 Phố chuyển vị mái dốc theo phương X khi F=3,I5 - - 2 s sex: 71 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình khi F=3, l5 . 2 2-2 +s+£s£s+x+xss2 71

DANH MỤC BẢNG BIÊU

Bảng 1.1 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong QCVN 04:05:2012 « 13 Bảng 1.2 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong ỌP của Candqdia ss 13 Bang 1.3 Hệ số huy động cường độ chống cắt cho pHÉp -c-cScSccecetetsEsrsrererees 17

Bang 2.1 Tham số vật liệu mô hình khối tr UO cecccccccccccsccscsccscsccscscsscscsscsesscscsecscsecsessees 32

Bảng 2.2 Lực dính và góc ma sát trong ứng với các hệ số triết giảm cường độ 32 Bảng 2.3 Bảng tổng hợp kết quả tính toán bài toản phống - - -c+cscsesrsrereei 4] Bang 2.4 Bảng tổng hợp kết quả tính toán bài toán không giam se c«c: 51 Bảng 3.1 Cấp công trình và tân suất thiẾt kẾ + cskkkkEEEk+kSEEEEEEEEEEEsrsrerrrrees 56 Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật đập dâng - - + + cttEEEEEEEEkSSkSkEE E1 rrrrrkeo 56 Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật trần xỏ Ïũ «cty 57 Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật Cửa 1AY 1006 Corcccccccccscscscssssescsescsvsvevetesssssevevevsesesesee 56 Bảng 3.5 Các thông số kỹ thuật nhà máy thủy điện và nhà trạm phân phối 59

Bang 3.6 Tham số vật liệu mô hình khối tr UO ccccccccccccccccscsccscsccscscsscsssscscsscsesecsesecsesseees 60

Bảng 3.7 Lực dính và góc ma sát trong ứng với các hệ số huy động .-. - 61 CUON AO CHONG Ct ceeccrcccccccccssesescevevcversrssssssssvscsvscsvsvsvesescssasasavsvavsvsvsvstsesterssessasasavavavens 61

DANH MUC CAC TU VIET TAT VA GIAI THICH THUAT NGU

LVThS Luan van Thac si

PPPTGH Phương pháp phân tử giới hạn PPVPTP Phương pháp vi phân toàn phần

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Mái dốc là một công trình thường gặp trong thực tế xây dựng Vấn dé quan trọng và hay gặp phải đối với mái dốc là tính ôn định của mái Ôn định mái dốc có quan hệ trực tiếp đến an toàn thi công công trình, tiễn độ thi công và dự toán kinh phí , do đó cần

phải tiễn hành phân tích tông hợp định tính định lượng đối với tính ốn định mái dốc

Phân tích trường ứng suất và biến dạng đối với mái dốc là cơ sở để đánh giá tính ôn

định của mái dốc, đánh giá chuẩn xác và dự đoán tình trạng ôn định của mái dốc và xu

hướng phát triên lam can cu dé xử ly tai vi tri mai doc Nguyên nhân chủ yêu ảnh hưởng đền ôn định mái doc:

Nguyên nhân địa chất: bao gồm nguồn gốc của đất đá, cầu tạo địa chất và tính chất cơ học Địa chất công trình của mái dốc cảng tốt, tính ôn định của mái dốc càng cao và

ngược lại Đối với cầu tạo địa chất, cần đặc biệt chú ý đó là quan hệ giữa mặt kết cầu địa tang với mặt mái dốc Khi mặt kết cấu địa tang song song voi mat mai dốc hoặc

gan song song thi dé phat sinh mất ồn định, khi mặt tầng đất đá và mặt biên mái dốc gân như vuông góc thì thông thường mái dốc ở trạng thái ôn định

Nguyên nhân thủy văn: Ôn định của mái dốc và nước có quan hệ mật thiết với nhau vì môđun đản hồi E, lực dính C„ góc ma sát trong @ chịu ảnh hưởng của lượng ngậm nước Lượng ngậm nước cảng lớn thì E, C, ( càng giảm nhưng dung trọng càng tăng điêu này làm tăng khả năng mật ôn định của mái dôc

Hoạt động của con người:

— Đào rãnh đường sâu vào chân núi làm giảm nhỏ lực chồng trượt của mái dôc, đây là một trong những nguyên nhân phát sinh mât ôn định của mái dôc, trường hợp nay thường gặp trong thi công đường giao thông

- Gia tăng tải trọng ở đỉnh dốc làm gia tăng lực gây trượt, làm cho mái dốc dễ phát

sinh trượt.

- Đảo ngâm ví dụ như đào đường hầm, làm thay đôi trường ứng suất mái dốc dẫn đến ứng suất tập trung ở đỉnh dốc và chân dốc, dễ phát sinh phá hoại kéo ở đỉnh dốc và phá

hoại cắt ở chân dốc, dẫn tới mất ôn định của mái dốc

Trước đây, phương pháp và lý thuyết phân tích ôn định mái dốc chủ yếu có 3 loại: lý thuyết cân bằng giới hạn, nghiên cứu mô hình trong phòng và lý thuyết phân tích số Khi tính ôn định mái dốc theo phương pháp cân băng giới hạn truyền thống, do không

kế đến quan hệ ứng suất biễn dạng trong nội bộ của khối đất đá vì vậy hệ số an toàn chỉ là độ an toàn trung bình của mặt trượt giải định Gần đây sự phát triển của kỹ thuật

máy tính điện tử đã hoàn thiện lý thuyết phân tích số, ứng dụng phương pháp phân tử hữu hạn trong tính toán ôn định mái dốc càng ngày càng nhiều Ưu điểm của việc ứng dụng phương pháp phân tử hữu hạn chủ yếu bao gồm:

— VỊ trí và hình thức của mặt phá hoại không đòi hỏi phải giả định trước, mà sẽ phát sinh phá hoại tại các vị trí có ứng suất kéo vượt quá giá trị ứng suất kháng kéo cho phép

- Giải băng phương pháp phần tử hữu hạn cung cấp toàn bộ thông tin về ứng suất biến dạng

Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn vẫn có khả năng xét đến tính không liên tục của khối đá, đặc tính phi tuyến trong quan hệ giữa ứng suất và biễn dạng của khối đá và tính không đăng hướng trên phương diện tính chất lực học; đủ khả năng tính toán trạng thái biễn dạng đàn hồi của khối đá, cũng đủ khả năng tính toán trạng thái phá

hoại của khối đá; cũng có thể xét đến một vài điều kiện tác dụng đặc biệt như vẫn đề

lưu động của nước ngâm, vân đề động đât

Vi vay dé tai chon phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ồn định mái dốc trong công trình thủy lợi thủy điện dựa trên phần mềm ANSYS có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

H Mục đích của đề tài:

Tính toán hệ số ốn định mái dốc băng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm ANSYS.

IH Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về ôn định mái dốc và kết hợp sử dụng phần mềm ANSYS tính

toán hệ số ôn định mái dốc theo phương pháp huy động cường độ chống cắt, kháng cắt

cua dat

IV Kết quả dự kiến đạt được:

- Năm được lý thuyết về ôn định mái dốc và phương pháp phần tử hữu hạn

- Sử dụng tốt phân mềm ANSYS phân tích tích trạng thái ứng suất biến dạng của mái

doc

- Tính toán hệ số an toàn ôn định mái dốc theo phương pháp huy động cường độ kháng cắt của đất

- Áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể

Luận văn gồm 3 chương chính: Chương 1, Chương 2, Chương 3

Chương I1 là phần tông quan, trình bày những khái niệm chung về mái dốc, phân loại

mái dốc Nêu ra các vẫn đề cơ bản liên quan trực tiếp đến nội dung luận văn như hình

thức phá hoại mái dốc và nguyên nhân phát sinh mất ôn định mái dốc, phương pháp

tính toán ôn định mái dốc

Chương 2 và Chương 3 là nội dung chính của luận văn Chương 2 nêu lên cơ sở tính toán ốn định mái dốc theo phương pháp phần tử hữu hạn Ứng dụng phần mềm

ANSYS để tính toán ôn định mái dốc với mô hình 2D, 3D và đưa ra kết luận Chương

3 áp dụng những nội dung đã được nêu ra tại chương 1,2 để tính toán cụ thể với mái dốc vai trái đập công trình thủy điện Bắc Hà — Lào Cai

Phần cuối cùng là Phần Kết luận và Kiến nghị Phần này trình bày những ưu điểm, các điểm còn tôn tại và phương hướng phát triển phương pháp

Các tài liệu tham khảo được liệt kê theo thứ tự sử dụng trong luận văn thành bản riêng ở cuôi luận văn.

CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN 1.1 Khái niệm chung về mái dốc

Một khối đất có mặt ngoài là mặt phăng ngang vô hạn được quy ước gọi là nền đất ngang gọi tắt là nền đất Một khối đất có mặt ngoài nghiêng một góc nghiêng nào đó so với mặt ngang được quy ước gọi là mái đất Mái dốc đứng được gọi là vách; chiều cao của vách đá rất lớn nhưng vách đất thường không quá vài mét và không ổn định lâu dài Mái đất có công trình xây dựng trên nó được quy ước gọi là nền dốc

Nguyên nhân hình thành mái đất hoặc do thiên nhiên (vận động của vỏ quả đất, bào mòn, tích tụ .) hoặc do nhân tạo (đập, đê, mái kênh, mái hồ đào v.v .)

Mai đập đất thuộc loại mái đất nhân tạo, các tính chất địa kỹ thuật là đã biết rõ ràng và

kích thước có thể chọn sơ bộ hoặc theo kinh nghiệm hoặc theo các phương pháp đơn giản nhất

Đê tiện phân tích, một mái đât (hoặc mái dôc) được phân làm mây bộ phận: Đỉnh mái, chân mái, mái dôc, cơ mái, góc dôc, độ cao của mái, nên mái đât nên mái dôc là bộ

phận đất đá năm dưới mặt phăng ngang đi qua chân mái dốc

Độ dốc mái được thể hiện qua hệ số mái dốc m = cotgơ, với ơ là góc giữa mái dốc và mặt phăng nằm ngang Độ dốc mái được xác định thông qua tính toán ôn định chống

trượt, có xét đến đặc điểm cẫu tạo địa chất nền mái đất, chiều cao mái đất, hình dạng và kết câu mặt cắt ngang mái đất, tính chất cơ lý của từng loại vật liệu đất, các lực tác động lên mái đất (như trọng lượng bản thân, áp lực nước, lực thấm, luc mao dẫn, lực

động đất, lực thủy động ), biện pháp gia cố bảo vệ mái đất

Tương ứng với hệ số độ dốc của mái được lựa chọn, khi tính toán hệ số an toàn ổn định chống trượt phải có kết quả phù hợp với quy định Trong điều kiện bình thường, khi thiết kế có thể sơ bộ chọn hệ số độ dốc mái theo độ dốc mái của các công trình

tương tự đã xây dựng trong khu vực, sau đó kiểm tra bằng tính toán

Mái đất có chiều cao trên 15 m phải làm cơ Chênh lệch độ cao giữa hai cơ liên tiếp trên cùng một mái không quá 15 m Chiều rộng của cơ không nhỏ hon 3,0 m Nếu cơ có kết hợp làm đường giao thông thì bề rộng và kết cầu của cơ cũng như các hạng mục công trình đảm bảo an toàn giao thông thực hiện theo quy định của đường giao thông (theo TCVN 4054: 2012)

1.3 Hình thức phá hoại mái dốc và nguyên nhân phat sinh mat ốn định 1.3.1 Cơ chế phá hoại của mái đất và nên dốc

Sự phá hỏng mái đất có thể xảy ra từ từ khó nhận biết trong một thời gian dài, phải

quan trắc lâu dài hoặc quan sát độ cong thân cây mọc trên sườn dốc hoặc xảy ra đột

ngột không lường trước được theo một mặt trượt có hình học rõ rệt

Nguyên nhân chính của sự phá hỏng mái đất là sự chênh lệch áp lực do trọng lượng bản thân của mái đất theo phương của trọng lực Khi ứng suất cắt phát sinh do sự

chênh lệch áp lực ay lớn lên và phat triển trong khối đất đến một trị số nào đó hoặc

trong một miền nào đó trong khối đất mà cường độ chống cắt của bản thân đất không chịu nôi thì sự phá hỏng sẽ xảy ra

Khi mái đất bị phá hỏng, mặt trượt hình thành và phân mái dat lam chia phan, phần đất đứng yên ở dưới mặt trượt vả phần đất trượt trên mặt trượt lớp đất mỏng dọc theo mặt

trượt bị xáo động mạnh do ứng suất cắt phát sinh vượt quá cường độ chống cắt của đất Đối với nền dốc, tải trọng ngang tác dụng vào công trình xây dựng hoặc ở đỉnh mái,

hoặc ở sườn mái, hoặc ở cơ mái và lực thẫm tác dụng trong mái đất cũng làm tăng

thêm ứng suất cắt trong khối đất, do đó làm tăng nguy cơ phá hoại mái đất và nền đất Có thể phân các dạng phá hoại mái đất như sau:

- Sạt lở: Xảy ra ở sườn dôc và ở vách đá; có thê làm thay đôi đỉnh dôc nhưng nên mái

dốc không bị ảnh hưởng - lrượt:

+ Trượt nông: Xảy ra trong phạm vi mái dốc nhưng không ảnh hưởng đến nên mái

doc

+ Trượt sâu còn gọi là trượt trôi: Xảy ra không những trong phạm vi mái dôc mà cả trong nên mái dôc Trượt sâu xảy ra trong điêu kiện xâu của nên mái dôc Khôi đât đá trượt (nông sâu) có thê vừa có chuyên động tịnh tiên vừa có chuyên động xoay

+ Chảy: Đất đá mái dốc dịch chuyển một phần hay toàn bộ thành dòng như một chất lỏng Dòng chảy này thường hình thành trong các loại đất mềm yếu bão hòa nước khi áp lực nước lỗ rỗng phát huy tác dụng làm cho đất mất hết khả năng chống cắt

1.3.2 Hình dạng mặt trượt

Dù phá hoại ở dạng nào thì sự phá hoại khối đất là một hiện tượng cơ học dẫn khối đất trượt ở vị thế ổn định hơn trên mặt trượt đã hình thành Do vậy, mọi tác nhân thiên

nhiên hoặc nhân tạo gây ảnh hưởng đến sự chênh áp suất trong khối đất đều được coi

là những yếu tố gây nên sự hình thành mặt trượt trong khối đất Sự thay đổi các điều kiện khí hậu thủy văn như mưa nhiều sau thời kỳ nắng hạn; sự thay đổi về điều kiện

thoát nước, cấp nước đều là những động lực thúc đây sự hình thành mặt trượt phá hoại khối đất Các thay đối nêu trên có thể tác động ngay hoặc kéo dài trong một thời gian

dài rồi đột biễn gây sự cố: khối đất trượt trên mặt trượt đến vị trí cân bang hon

Sự trượt có thể xảy ra cục bộ hoặc pho biến trên một chiều dài nhất định; mặt trượt có dạng của đường cong hai chiều hoặc mặt trụ (hình 1.2) Dé don giản tính toán mà thiên về an toàn, sự phân tích ồn định của khối đất thường được xét như bài toán phang VỚI mặt trượt dạng trụ tròn

Trong đất rời, mặt trượt có dạng mặt phang tạo với mặt ngang một góc dốc nhất định

Một khối cát âm đỗ đồng có mặt ngoài bất kỳ, sau khi khô rời, mặt trượt hình thành và

tạo nên mái cát phăng Tuy nhiên, mặt trượt trong khối đất cát dùng làm nền công trình

có thể có những hình dạng phức tạp như trong khối đất dính

Mặt trượt nông nói chung là mặt ngang hoặc nghiêng tùy thuộc móng có chân khay

thượng hạ lưu căm sâu vào nền Mặt trượt sâu có dạng cong rõ rệt Thực tế quan trắc các vụ trượt sâu vả thí nghiệm mô hình cho biết mặt trượt sâu có dang cong logarit.

Tuy nhiên trong tính toán thiết kế, nhiều trường hợp phức tạp về đất nền nên phải giả

thiết mặt trượt là mặt trụ tròn để tính toán

1.3.3 Kết luận về mặt trượt phá hoại khối đất

Từ những điều trình bày trên, có những điều quan tâm khi phân tích ốn định mái đất

như sau:

Sự phá hoại mái đất là sự phá hoại cắt trượt theo một mặt trượt nhất định-mặt trượt

nguy hiểm nhất

Đối với nên đồng chất, mặt trượt tính toán lẫy gần dạng mặt logarit, đối với nền không

đồng chất, mặt trượt tính toán là mặt trụ tròn hoặc phức hợp

Khi phân tích ôn định khối đất, giả thiết mọi điểm thuộc mặt trượt đều ở trạng thái cân băng giới hạn giả định là chấp nhận được

Đất ở khói đất trượt hầu như không bị xáo động do trượt Do đó khi phân tích ôn định mái đất, giả thiết khối đất trượt ứng xử như vật thể rắn là chấp nhận được

1.4 Phương pháp tính toán On định mái dóc

1.4.1 Các quan điểm về hệ số an toàn thường dùng hiện nay

Mức độ ổn định của mái đất và công trình trên nên đất được đánh giá định lượng bằng hệ số an toàn ồn định, gol tắt là hệ số an toàn Phân biệt hai khái niệm về hệ số an

toàn: hệ số an toàn tính toán, ký hiệu là K hay F và hệ số an toàn cho phép, ký hiệu là

[KT hay [F] Hệ số an toàn tính toán được xác định cho một công trình cụ thể với một

phương pháp tính toán nhất định Hệ số an toàn cho phép là hệ số an toàn của công

trình do quy phạm nhà nước quyết định, nó là giá trị nhỏ nhất mà hệ số an toàn tính toán cần phải đạt được để công trình làm việc an toàn đồng thời đảm bảo hiệu quả về mặt kinh tế Việc đề ra một định nghĩa về hệ số an toàn ôn định của mái đất, nền đất và

xét đến các nhân tô ảnh hưởng đến mức độ an toàn của công trình là một trong những vấn để quan trọng trong Địa kỹ thuật Hiện nay, thường dùng 3 quan điểm về hệ số an toàn ồn định như sau: hệ số an toàn chung, hệ số an toàn tông hợp và hệ số huy động cường độ chông cắt của đât đóng vai trò hệ sô an toàn

1.4.2 Quan điêm thứ nhất vê hệ sô an toàn chung

Quan điểm này được Fellenius (1927) ứng dụng đầu tiên vào phương pháp tính toán ồn định mái dốc Theo quan điểm này, hệ số an toàn ổn định K được định nghĩa như tỷ số giữa tổng momen chồng trượt của đất dọc theo mặt trượt với tông momen gây trượi do tai trọng ngoài và trọng lượng đất của khối đất trượt gây nên [ 1]

Khi xác định tong momen chéng trượt, coi đất dọc theo mặt trượt ở trang thai can bang

giới hạn, tức giữa cường độ chống cắt của đất tạ và ứng suất vuông góc với mặt trượt

ơ thỏa mãn biểu thức Coulomb:

Trong đó:

ø-ứng suất tổng vuông góc với mặt trượt (hình 1.3)

u-áp lực nước lỗ rỗng tại điểm mặt trượt đi qua

0”, cˆ-góc ma sát và lực dính đơn vị ứng với thí nghiệm cắt thoát nước

t la ung suất cắt dọc mặt trượt

Hệ số an toàn được xác định theo biều thức 1.1, sau khi rút gọn R sẽ có:

\ \

N O \

N \ O O \ \ 7

\ WwW

N Jt \ eo

Exper

A <— Ø'_—— > cZ

_—> = \ ——> “to \

Hình I.4 Xác định hệ số an toàn theo phương pháp phân thỏi Fellenius

Trọng lượng W của thỏi đất và tải trọng đứng P tác dụng vảo thỏi đất đang xét được phân thành 2 thành phân:

Thành phần vuông góc với mặt trượt, ký hiệu làN:

Thành phần tiếp tuyến với mặt trượt, ký hiệu là T:

Đối với một thỏi, lực gây trượt theo mặt đáy thỏi là T, lực gây trượt là Tọ Vậy có biểu

thức tính tổng momen gây trượt và tông momen chống trượt ứng với mặt trượt đang xét như sau:

Tổng momen gây trượt tính như sau:

L

Tổng momen chồng trượt tính như sau:

Trước hết tính lực chống trượt của đất ở day thoi To:

Ty = Tol =[(o-u)tgo'tc']l = (N — ul)tge't+cl=[(W + P)cosa-ul]tgo't+c'l

Biết Tọ xác định được tong momen chống trượt như sau:

M,, = RỈ tụdl =R”T, = R3”[(W + P)cosơ-ul]tgp+e1 (1.9)

L

Cuôi cùng biêu thức tính hệ sô an toàn ôn định có dạng: K = » [(W + P)cosơ-ul]tgp+cT

Theo dinh nghia về hệ số an toàn của Fellenius, biểu thức tính hệ số an toàn theo (1.5)

và (1.10) có hai điểm sau đây cần phân tích vì mâu thuẫn với các phương pháp luận:

Một là: Khôi đất nền hoặc mái đất đang xét được thiết kế sơ bộ ở trạng thái cân bang bền tức K>l, và bài toán Dia kỹ thuật đặt ra là xác định mức độ bên, tức trị số của hệ số an toàn K lớn hơn I là bao nhiêu Do vậy xác định Tọ theo biêu thức Coulomb (biểu thức1.2) ứng với điều kiện đất bi cat là không chặt chẽ về lý thuyết

Hai là: Trọng lượng đất bên trái đường thăng đứng qua tâm gây lực T ngược hướng với Tọ tức gây trượt, nhưng trọng lượng đất bên phải thì gây lực T cùng hướng với Tụ tức tham gia với lực chống trượt (hình 1.4) Điều này chứng tỏ rằng đất bên phải ứng xử như khối đất phản áp chống trượt và do đó có tác giả để nghị cải biên công thức định nghĩa về hệ số an toàn K (biểu thức 1.2) theo hướng sau:

W là trọng lượng thỏi đất nói chung, ở cả bên trái và bên phải thì công thức 1.10 về hệ

số an toàn cần được sửa như sau:

- » [((W + P)cosa-ul)tg@'+cl] + » Wy sin œ K

Công thức 1.11 có ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật quan trọng khi tính toán kiểm tra khối đất dap như đê đập có khối đất phản áp và nền đất khi có tải trọng bên Tính hệ số an toàn

theo biểu thức 1.10 là quá an toàn, tính với biểu thức 1.11 là hợp lý hơn Quả vật, khi

mái dốc ở trạng thái nguy hiểm trên mặt trượt nguy hiểm tâm O* bán kính R” (hình

1.4) thì phương pháp xử lý băng phản áp là rất hiệu quả với điều kiện khối đất phản áp

phải nằm hoàn toàn bên phải trục đứng O”Z Hệ số an toàn của mái dốc sau khi xử lý băng phương pháp phản áp tính theo công thức (1.11) mới hợp lý

œe

Khối đất phản áp

Hình I.5 Mái đất được xử lý bằng phương pháp phản áp

Đối với đất nền đồng chất, có thê tính được trị số tải trọng giới hạn (Pon) Cua nén dat (mục 1.3) theo công thức tông quát [2]:

Trong đó:

N,, Ng, Ne la cac hé số tính tải trọng giới hạn, phụ thuộc góc ma sát trong ( của đất và góc lệch ð của tải trọng tác dụng lên mặt nên, xác định theo bảng lập sẵn là các

đại lượng không thứ nguyên

c: lực dính đơn vị của đất (kN/m7 hay kPa)

x: trọng lượng đơn vị của đất dưới cao trình đặt móng (kN/mF hay kPa)

q: tải trọng bên là trọng lượng cột đất tính từ mặt đất đến độ sâu đặt móng (kN/m* hay kPa)

Với chiều rộng móng B, công trình tác dụng lên mặt nên áp lực P, theo định nghĩa về

hệ số an toàn chung K được xác định theo công thức: Fon _ PenB _ Pon

Trong do:

p = là áp suất đáy móng (kN/mỂ hay kPa)

Theo biểu thức (1.13) trong đại lượng Dzn có chứa tải trọng bên q=yhm

Với y là trọng lượng đơn vị của đất từ cao trình đặt móng đến mặt đất, h„„ là độ

sâu chôn móng nên trị số K tính theo công thức (1.13) phụ thuộc q

Nói cách khác nếu độ sâu chôn móng càng lớn và hệ số an toàn càng lớn, tải trọng bên q càng lớn, p;ạ càng lớn và hệ số an toàn càng lớn Do đó, ở các nước phương Tây thường dùng khái niệm về tdi trọng giới hạn thực của nên đất, kỷ hiệu Pehnet như sau

Trong đó hệ số an toàn K tính theo công thức (1.13) trị số hệ số an toàn quy

định [K] do Tiêu chuẩn quốc gia quy định Ví dụ theo QCVN 04:05:2012/BNNPTNT

về nên Công trình thủy lợi, dùng hệ số an toàn tổng hợp quy dinh 6 Bang 1.1 Bảng 1.1 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong QCVN 04:05:2012

Hệ số an toàn [K] Hệ số an toàn [K] Cấp công trình với mái dốc nhân tạo với mái dốc tự nhiên, mái

bằng đất đắp nhân tạo băng đá đắp

Theo số tay thiết kế dùng trong các nước phương Tây, với hệ số an toàn tính theo công

thức (1.13), ví dụ của Canada [4] trị số [K]| được quy định ở Bảng 1.2

Bảng 1.2 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong QP của Canada

Loại công trình Hệ số an toàn quy định

Céng trinh chan dat va hé dao 1,522

Theo số tay Nền móng của Mỹ [3] với hệ số an toàn tính theo công thức (1.15) thì hệ số an toàn quy định tối thiểu bằng 3 (chủ yếu với công trình nhạy lún như nhà cao tầng và công trình dân dụng)

1.4.3 Quan điểm thứ hai về hệ số an toàn tổng hop

Kinh nghiệm xây dựng trên thế giới đã chứng tỏ rằng có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến

sự an toàn của công trình Ngoài trình độ thiết kế và thi công, còn phải kế đến các nhân tố thường gặp như: điều kiện làm việc chung giữa kết cấu công trình và nên đất,

mức độ tin cậy về dữ liệu đất nền, tầm quan trọng của công trình, mức độ tin cậy về tải

Hệ số điều kiện làm việc: yc

Hệ số tin cậy đối với đất: yg

Hệ số tin cậy về tầm quan trọng của công trình: yn Hệ số tổ hợp tải trọng: ylc

Hệ số điều kiện làm việc của khối đất ứng xử nhu phan ap: y’c

Theo tiêu chuẩn thiết kế Nền các công trình thủy công TCVN 4253-2012 khi tính nền

theo sức chịu tải (tính theo TTGH về phá hoại) cũng quy định dùng nhiều hệ số để xét đến nhiều nhân tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn của công trình xây dựng trên nền đất

như sau:

m hệ sô điêu kiện làm việc phụ thuộc loại công trình và loại nên

Tiêu chuẩn TCVN 4253-2012 hướng dẫn cách chọn trị số các hệ số này Phương pháp tính này còn gọi là phương pháp dùng nhiễu hệ số và các hệ số đóng vai trò của hệ số

an toàn

Điều kiện ổn định (1.17) có thể viết dưới dạng thông thường với một hệ số an toàn

tong hop trong dé da tong hop day đủ các hệ số tin cậy của các đại lượng hoặc yếu tô ảnh hưởng đên mức độ an toàn:

Quan điểm thứ 3 đưa ra khái niệm về mức độ huy động khả năng chống cắt của đất

[5] [6] xét một đơn vị diện tích trong khối đất nghiêng góc ơ ở trạng thái cân bằng

bên, chịu tác dụng của lực cắt t(kN/mF hay kPa), lực nén vuông góc o(kNÑ/mˆ hay kPa)

và áp lực lỗ rỗng là u (kN/m hay kPa) (hình 1.6) Có thể tính được cường độ chống cắt trên diện tích đơn vị ấy theo chỉ tiêu chống cắt của đất theo định luật Coulomb

T, =[(o-u)tg@'+c)] (1.21) Đối với một loại đất, đường Coulomb không đổi do các trị số @°„ e' không đổi

Hình 1.6: Sơ đồ xác định góc ma sát huy động và lực dính huy động

Vì khối đất được thiết kế ở trạng thái cân băng bên nên trên một đơn vị điện tích có bất

Hai là: giữ nguyên trạng thái ứng suất và giảm trị số của các chỉ tiêu cường độ chống

cắt của đất, ví dụ giảm trỊ SỐ Tọ xuống tri SO Tom, ttre giam do dốc của duong coulomb

Như vậy sẽ có công thức tính lực chống cắt huy động của đất:

Trong do:

F là trị số lớn hơn hoặc bằng 1, được gọi là hệ số huy động cường độ chống cắt

của đât, trị sô của F xác định theo:

16

Ton Zoi la phân cường độ chống cắt của đất đã được huy động đủ đảm bảo sự cân bằng giới hạn, gọi là cưởng độ chống cắt huy động và F là hệ số huy động cường

độ chống cắt của đất, gọi là hệ số an toàn ồn định về trượt tại nơi đang xét

Theo định luật Coulomb, cường độ chống cắt của đất trên diện tích đơn vị tính theo

công thức (1.21):

Tạ =[(ø-u)tgo +c ]

Theo quan điểm này, trị số rọ tính theo công thức này được coi là cường độ chống cắt

von co cua dat Co thé viet:

Néu F>1 thì diện tích đơn vị đang xét còn ở trạng thái cân bang bên với hệ số an toàn

F tính theo công thức:

+ om

t, o la hai thanh phan tng suat trén dién tich don vi noi dang xét

Trên mặt trượt giả thiết cường độ chống cắt của đất được huy động ở các mức độ khác nhau và thường được xác định trị số trung bình của các mức độ huy động (F) tại nơi

trên mặt trượt giả định để làm hệ số an toàn 6n định của mái đát ứng với mặt trượt

đang xét

Đối với mái dốc, hệ số huy động cho phép [F] được lấy như sau [5]: Bảng 1.3 Hệ số huy động cường độ chống cắt cho phép

Đối với nền đất hệ số huy động được lay nhu sau: [F]=1,4 dén 1,6

Theo Braja voi F=1,4+1,6 thì hệ số Dgh(Om Cm) tính với tgm=tg@/F và cạ=c/F sẽ có

trị số nhỏ hơn trị s6 p(q, e) tính với trị số và c của đất từ 3 đến 4 lần

Do đó hệ số an toàn quy định theo hệ số huy động [F] khác với hệ số an toàn chung quy định [K] theo Braja, quy định [F]E1.4+1.6 là tương đương với [K]E3+4 Điều này nhắc nhở người thiết kế phải biết phương pháp tính hệ số an toàn được xây dựng theo quan điểm nào

1.4.5 Kết luận về hệ số an toàn Ổn định

Trên đây đã nêu va phân tích các quan điểm vẻ hệ số an toàn thường dùng Từ các phân tích trên nhận thấy quan điểm dùng hệ số huy động cường độ chống cắt của đất làm hệ số an toàn là có tính logie hơn cả Hiện nay quan điểm nay đã được dùng phổ biến khi phân tích ốn định của mái đất Ví dụ các phương pháp trong phần mém tinh toán mái đất thường dùng của GEOSLOPE, của AIT đều dùng quan điểm này về hệ số

dốc là tốt nhất Nhưng trong phần mềm ANSYS quy tắc nhằm vào giới hạn dẻo của khối đất nên chỉ dùng quy tắc Druek-Prager, vì vậy không phù hợp đối với tính toán mái dốc Trong luận văn sẽ thông qua mô hình đàn hồi để xác định trường ứng suất và biến dạng của khối trượt, sau đó thông qua hình thức định nghĩa phần tử sẽ dẫn dắt cho phù hợp Mohn-Column, đồng thời mỗi một trạng thái giới hạn của phần tử tiễn hành đánh giá, từ đó đạt được đầy đủ vùng phân bố tính dẻo của mái dốc theo quy tac Mohn-Column Ngoài ra cũng xem xét đến tính không gian của mái dốc

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ TÍNH TOÁN ÔN ĐỊNH MÁI DÓC THEO PHƯƠNG PHÁP PHẢN TỬ HỮU HẠN

2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán phá hoại dẻo của đất

Phương pháp phân tử hữu hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và

điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải

hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân băng của phân tử Tập tất cả các phần tử có chú ý

đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các

phân tử Kết quả dẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ân số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút Giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn

được xác định trên môi một phân tử

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vẫn đề về trạng thái ốn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, vân vân

PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó mà chỉ trong những miễn con (phân tử) thuộc miền xác định của hàm.Trong PPPTHH miền V

được chia thành một số hữu hạn các miễn con, gọi là phần tử Các miền này liên kết

với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi là nút Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút

trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem 1a An sô cân tìm của bài toán

Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ốn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên vô nghĩa Có rất nhiều

cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm PPPTHH là sự lựa

chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn miễn

2.2 Phương pháp huy động cường độ chống cắt và phương pháp gia tăng dung

trọng

Trong chương trình ANSYS đại đa số loại phân tử khi tiễn hành phân tích đều yêu cầu

chỉ định đặc tính vật liệu Vì phân tích ô định mái dốc sử dụng mô hình tính đàn dẻo lý

tưởng do đó phân tích ôn định mái dốc yêu cầu định nghĩa thuộc tính vật liệu các khối

đất trong mái dốc như: dung trọng, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, lực đính và goc ma

sát trong Khi tính toán phân tích 6n dinh mai déc, str dung phuong phap huy động

cường độ chống cắt để tính toán, đầu tiên lựa chọn hệ số suy giảm ban dau F, sau dé đối với hệ số cường độ vật liệu khối đất mái dốc ta tiến hành suy giảm Ta suy giảm

lực dính và góc ma sát trong, được cho bởi công thức:

Trong đó:

C và ở là lực dính và góc ma sát trong ban đầu của khối đất mái dốc

Tính toán mô hình mái dốc khi tiễn hành suy giảm đốc với C và 6, nếu hội tụ khi đó mái dôc là ôn định

Liên tục tăng lớn hệ số suy giảm F đến khi đúng lúc không hội tụ khi đó hệ số suy giảm là hệ sô ôn định hoặc an toàn

2.3 Tính toán ốn định mái dốc bằng phần mềm ANSYS

2.3.1 Giới thiệu phân mêm ANSYS [9]

2.3.1.1 Khái quát chung về phân mêm ANSYS

Trong khoảng 40 năm gần đây, công cụ máy tính đã phát triển mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, cùng với phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng hoàn thiện đã xuất hiện nhiều phần mềm tính toán kết cầu chuyên ngành được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật Phần mềm ANSYS được xem là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thông dụng, có khả năng đủ tiễn hành nghiên cứu khoa học

về kết cấu, nhiệt, chất lỏng, điện tử , ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học

các nghành công nghiệp phố biến như công trình xây dựng, địa chất khoáng sản, thủy lợi, đường sắt Phần mềm ANSYS là phần mềm thiết kế phần tử hữu hạn đầu tiên

thông qua chứng nhận chất lượng ISO 9001, là phần mềm phân tích tiêu chuẩn nhận

chứng nhận của Hiệp hội kỹ sư cơ giới của Mỹ, Cục an toàn hạt nhân Mỹ và gần 20

Hiệp hội kỹ thuật chuyên nghành Trên thế giới phần mềm ANSYS đã trở thành một

phan mềm thương mại chủ yếu và đã được ứng dụng rộng rãi để phân tích mô phỏng trong ngành xây dựng như: kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng, cầu dầm, đập lớn, đường hầm và các công trình ngầm Thông qua đó có thể phân tích toàn

diện khả năng chịu lực, biến dạng, tính ôn định, dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và

động với các điêu kiện biên phức tạp

Từ khi ra đời năm 1970, phần mềm ANSYS không ngừng được cải tiến nâng cao, công năng và phạm vi sử dụng ngày càng lớn mạnh, hiện nay đã phát triển đến phiên

bản 13.0 Phần mềm ANSYS được phổ biến ở Việt Nam khoảng hơn 10 năm trở lại

đây nhưng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, trong phân tích tính toán công

trình xây dựng chưa được sử dụng nhiều Đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng công trình

thủy lợi, thủy điện thì vẫn chưa được ứng dụng trong phân tích tính toán Với thế

mạnh có thể phân tích được tất cả các loại kết cầu giản, dầm và khung, kết cấu vỏ

mỏng kết câu khối và kết cầu hỗn hop; Phần mềm ANSYS tỏ ra rất có hiệu quả trong

phân tích đập bê tông trọng lực và đập vòm phân tích đập chịu tác động của động dat,

phân tích ứng suất nhiệt trong đập bê tông, phân tích kết cầu đường hầm, công ngầm, phân tích ốn định mái dốc, phân tích thấm 6n định đập đất, phân tích ứng suất biến

dạng cửa van, phân tích ứng suât và biên dạng câu máng vỏ mỏng xI măng lưới thép, hay các vẫn đề về bê tông cốt thép

Xử lý sô liệu theo thời gian

Két câu khôi của ANSYSI Khối xử lý kết quả

Quy hoạch mô hình Lựa chọn phương án phân chia mạng lưới

Mô hình PTHH Lựa chọn trường hợp tải trọng

Sử dụng hệ tọa độ và đơn vi hop lý

{

| Kiêm tra tính chính xác của mô hình |

Vv

IXác định loại hình phân tích với lý luận thiết kế _ |

| Sứ dụng bộ phận giải theo lý thuyết toán học logic

Kiểm tra kết quả

_ Thiết lập hạng mục lựa chọn giải hợp lý

Hình 2.2 Trình tự giải băng ANSYS

2.3.1.2 Mô tả phần mêm ANSY S

a Vi tri phan mềm ANSYS trong thị trường CAE

Hiện nay có hơn 70% các trường đại học và các Viện nghiên cứu trên thế giới sử dụng phần mềm ANSYS trong giảng dạy và nghiên cứu Trong lĩnh vực kỹ thuật với sự trợ giúp của máy tính (CAE), ANSYS có ưu thế rõ rệt ở các mặt sau:

- Phần mềm phân tích thiết kế công trình với sự trợ giúp của máy tính đạt chứng nhận đảm bảo chất lượng ISO 9001 khá sớm so với các phần mềm tương tự

- Phần mềm có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất thế giới

- Phần mềm khoa học kỹ thuật được cấp giấy chứng nhận của gần 20 hiệp hội kỹ thuật

chuyên ngành

b Môi trường làm việc của ANSYS

Chương trình ANSYS là một gói phần mềm có công năng lớn, phân tích thiết kế với tối ưu hóa, và linh hoạt Phần mềm này có thể làm việc trên nhiễu môi trường khác

nhau như máy PC, NT, UNIX

ANSYS có thể trao đổi số liệu với rất nhiều phần mềm CAD, có thể nhận số liệu hình học từ một phần mềm khác như: Pro Engineer, SolidWork, NASTRAN, Alogor, I-

DEAS AutoCad nên có thể tiết kiệm được rất nhiều thời gian trong quá trình xây dựng mô hình và nâng cao hiệu quả làm việc

Với các phần mềm CAD có thể tạo các file có cách thức: Pro/E, Unigraphics, CADDS,

IGES, SAT và Parasolid, phần mềm ANSYS đều có khả năng tiếp nhận c San phẩm của ANSYS

Bao gồm các bộ mô đun vận hành độc lập:

ANSYS/ Multiphysics ANSYS/ Mechanical ANSYS/ Structural ANSYS/ Linear plus ANSYS/ Thermal ANSYS Preppost ANSYS/ Flotran

ANSYS/ Emag ANSYS/ LS-Dyna

2.3.1.3 Trình tự giải bài toản kết cấu bằng phân mêm ANSYS a Phương thức giải của ANSYS

b Có 3 phương thức chính giải bài toán kết câu bằng ANSYS đó là:

-Phương thức giao diện đồ họa-người dùng (GUI-Graphical User Interface) -Phương thức dùng lệnh (Command)

-Phương thức ngôn ngữ lập trình tham số (APDL-ANSYS Parametric Design Language)

Người sử dụng có thể dùng phối hợp cả 3 phương thức này, ngoài ra có thể dựa trên APDL xây dựng chương trình phân tích chuyên dụng dước dạng file macro

b Trình tự giải bài toán cua ANSYS

Trình tự giải bài toán kết cầu công trình bằng phần mềm ANSYS nói chung bao gồm

15 bước cơ bản được phân thành 3 nhóm là: xử lý số liệu, tính toán và xử lý kết quả tính toán như sau:

Lựa chọn mô hình tính toán

Thiết lập các yêu cầu tính toán

Tính toán các vấn đề có liên quan Xử lý kết quả tính toán:

Đọc lẫy dữ liệu từ trong kết quả tính toán

Hiển thị các loại biểu đỗ, bảng biểu đối với kết quả tính toán

Phân tích kết quả 2.3.2 Tính toán

2.3.2.1 Sơ đô khối tính toán ôn định mái dốc bang phan mém ANSYS

SƠ ĐỎ KHÔI TÍNH TOÁN ÔN ĐỊNH MÁI DÓC BẰNG PHAN MEM ANSYS

Chuan bi dau vao

Ỷ

Gan diéu kién ban dau chong cat cua vat ligu mai doc c,

2.3.2.2 Trình tự phân tích ồn định mái dốc bằng phân mém ANSYS [9]

Phan tich 6n dinh mai dốc bằng phần mẻm ANSYS thông thường phân thành các bước

Sau:

- Thiết lập môi trường vật lý;

- Thiết lập mô hình, phân chia mạng lưới, gán đặc tính cho các vùng của mô hình

không đồng nhất:

- Gán điều kiện biên và tải trọng: - Tính toán;

- Xử lý kết quả (kiểm tra kết quả tính toán)

a, Thiết lập môi trường vật lý - Chon loc Menu GUI:

Nếu thông qua con đường GUI để van hanh ANSYS, sau khi phan mềm ANSYS duoc

mở việc đầu tiên nên lam 1a tir “Main Menu -> Preferences” lua chon “Structural” dé tiện khi tiến hành phân tích ôn định mái dốc, lọc một vài menu không cần thiết và trên

màn hình đỗ họa tương ứng

- Định nghĩa tiêu đề phân tích:

Trước khi tiễn hành phân tích có thể định nghĩa tiêu đề biểu thị nội dung phân tích như “ Phan tich on dinh mai doc”, để từ tiêu đề này dễ phân biệt mô hình hình học vật lý tương tự khác Dùng phương pháp dưới đây để định nghĩa tiêu để phân tích

Phương thức mệnh lệnh: /TITLE

Phương thức GUI: Utility Menu -> File -> Change Title

- Giải thích loại hình phần tử và lựa chọn hạng mục của nó (KEYOPT)

Với các phân tích khác của ANSYS có tổng cộng trên 100 loại hình phần tử, có thể sử dụng mô phỏng vật liệu và các loại kết cầu trong công trình, tổ hợp cùng lúc các loại

phần tử không giống nhau tạo nên mô hình trừu tượng của van đề vật lý cụ thể Ví dụ

mái dốc thuộc tính vật liệu không đồng đều dùng phần tử PLANE 82 để mô phỏng

Đại đa số loại hình phần tử đều có lựa chọn hạng mục đặc trưng (KEYOPTS), hạng mục lựa chọn này dùng để cải chính đặc tính phần tử Ví dụ phân tử PLANE 82 có

KEYOPTS dưới đây:

KEYOPT (2) thiết lập bao hàm hoặc khống chế biến dạng lớn

KEYOPT (3) thiết lập ứng suất phăng, đối xứng trục, biến dạng phăng hoặc xét đến ứng suất phăng của độ dày

KEYOPT (9) thiết lập ứng suất ban đầu trình tự con của người sử dụng

Phương thức thiết lập phần tử và lựa chọn hạng mục đặc trưng như ở dưới đây: Phương thức mệnh lệnh: ET; KEYOPT

Phương thức GUI: Main Menu -> Preprocessor -> Element Type -> Add/Edi/Delete

- Định nghĩa đơn vị

Phân tích kết cầu chỉ có 3 đơn vị cơ bản là đơn vị đo thời gian, đơn vị độ dài và đơn vị khối lượng, phương thức biểu đạt tất cả số liệu đầu vào đều câu thành từ ba đơn vị này Như đơn vị tiêu chuẩn quốc tế, thời gian là giây (s), độ dài là mét (m), khối lượng là

kilogram (kg), dẫn tới lực đơn vị là kg.m/s“ (tương đương đơn vị Niuton N), đơn vị mô đun đàn hồi của vật liệu kg/m s” (tương đương đơn vị Pascal Pa)

lưu và tham sô tính năng điện từ

Chương trình ANSYS có thể định nghĩa đặc tính vật liệu theo 3 loại dưới đây:

+ Tuyến tính hoặc phi tuyến tính;

+ Tính đăng hướng, dị hướng hoặc phi đàn hồi;

+ Nhiệt độ thay đối thuận hoặc nhiệt độ thay đối không thuận

Vì phân tích mô hình mái dốc sử dụng mô hình tính đàn dẻo lý tưởng ( mô hình D-P),

do đó phân tích ôn định mái dốc yêu cầu định nghĩa thuộc tính vật liệu các khối đất trong mái dốc: dung trọng, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, lực dính và goc ma sat trong

Phương thức mệnh lệnh MP

Phương thức GUI: Main Menu -> Preprocessor -> Material Props -> Material Models hoac Main Menu -> Solution -> Load Step Opts -> Othe -> Change Mat Props -> Material Models

Khi tiến hành tính toán ôn định mái dốc, sử dụng phương pháp suy giảm cường độ để

thực hiện

- Thiết lập mô hình và phân chia mạng lưới phân tử

Sau khi thiết lập môi trường vật lý có thể thiết lập mô hình Khi tiến hành phân tích tinh 6n định mái dốc yêu cầu thiết lập mô phỏng khối đất mái dốc bằng phan tử

PLANE82 Sau khi thiết lập xong chỉ định đặc tính trong mỗi vùng mô hình (loại hình

phần tử, hạng mục lựa chọn, hằng số thực và tính chất vật liệu ) có thể phân chia

mạng lưới phần tử hữu hạn

Thông qua GUI dé gan dac tinh mỗi vùng trong mô hình:

+ Main Menu -> Preprocessor -> Meshing -> Mesh Attributes -> Picked Areas;

+ Nhẫn vào vùng mô hình muốn lựa chọn;

+ Khai báo các thuộc tính cho vùng mô hình lựa chọn như mã số vật liệu, mã hăng số thực, mã loại hình phần tử và mã hệ tọa độ phân tử

Thông qua mệnh lệnh để giao phó đặc tính mỗi vùng trong mô hình: + ASEL (lựa chọn vùng mô hình)

+ MATT (nói rõ mã số vật liệu)

+ REAL (nói rõ mã số hăng số thực)

+ TYPE (chỉ định mã số loại hình phần tử) + ESYS (nói rõ mã số hệ tọa độ phần tử)

- Gan rang buộc và tải trọng

Khi gan diéu kién bién va tai trong, co thé gan diéu kién bién va tai trọng lên mô hình thực thể ( điểm đặc trưng, đường, mặt) hoặc có thể gán lên mô hình phần tử hữu hạn

(điểm nút hoặc phần tử) Khi tính toán, chương trình ANSYS sẽ tự động chuyền điều

kiện biên và tải trọng trên mô hình thực thể đến mô hình phần tử hữu hạn

Trong phân tích ốn định mái dốc, chủ yếu là gán ràng buộc độ tự do ở dưới đáy và hai biên cạnh mái dốc

Sau khi làm xong các bước trên có thể tiến hành tính toán, chương trình ANSYS căn

cứ vào thiết lập lựa chọn hạng mục hiện có từ kho số liệu tiễn hành tính toán, số liệu

kết quả tính toán sẽ được viết vào trong file kết quả và kho số liệu

thông suốt, tính toán không hội tụ khi đó mái dốc phát sinh phá hoại Thông qua

nghiên cứu chuyền vị ứng suất và phạm vi tính dẻo, để đánh giá tổng thể tính ồn định

cua mai doc

Phuong thuc ménh lénh: /POST1

Phương thức GUI: Main Menu -> General Post - Giải thích bố sung:

Định nghĩa phá hoại mất ốn định của mái dốc có rất nhiều loại, đối với mái dốc có sử

dụng mô hình tính toán đàn dẻo, yêu cầu xét tổng hợp các nhân tô dưới đây:

+ Hội tụ hay không khi tính toán phân tử hữu hạn coi như là một tiêu chí đánh giá chủ

yếu, tính toán hội tụ mái dốc ở trạng thái ốn định, khi mái dốc phá hoại tính toán không hội tụ

+ Đồng thời mất ốn định mái dốc vẫn biểu hiện chuyền vị gia tăng nhanh chóng

+ Mất ồn định mái dốc chung quy là gia tăng rõ ràng biến hình tính dẻo đi đôi với phát triển vùng tính dẻo, tình trạng phát triển vùng tính dẻo phản ánh trạng thái ôn định hay không ôn định của mái dôc

Ngoài ra sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính dẻo tiễn hành tính toán có ưu thế riêng biệt:

+ Phân tích tính đàn dẻo giải định khối đất là vật liệu tính đàn dẻo, khối đất thời kỳ đầu chịu lực ở vào trạng thái đàn hồi, sau khi đạt tới tiêu chuẩn giới hạn nhất định ở

vào trạng thái tính dẻo

+ Khi khối đất chịu tải trọng vượt quá cường độ vật liệu có thể xuất hiện rõ ràng mặt

phá hoại trượt Lúc này tính toán tính đàn dẻo không phải giải định hình dạng và vị trí

mặt phá hoại, dựa vào lý luận cường độ ứng suất cắt tự động hình thành mặt phá hoại

Khi toàn bộ mái dốc phá hoại có thể xuất hiện vùng tính dẻo rõ ràng

+ Có khả năng suy xét tổng hợp phá hoại mái dốc do mất ồn định cục bộ và mất ôn định tổng thể

2.3.2.3 Ví dụ phân tích ôn định mái dốc bằng phần mêm ANSYS

Có một khối trượt nằm trên nên đá, tiếp xúc với nên đá không theo nguyên tắc vòng

cung trượt Thăm dò địa chất cho thấy tình hình địa chất bên dưới bình thường, nên về cơ bản khối trượt ôn định nhưng chịu ảnh hưởng rất lớn từ nước mưa, tùy thuộc vào sự gia tăng độ bão hòa của khối trượt, dung trọng của khối trượt có thể tăng lên, lực dính

và góc ma sát trong của khôi trượt sẽ giảm xuông, như vậy có khả năng khôi trượt ở