Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Phân tích ổn định mái dốc trong không gian ba chiều dựa trên phần mềm ansys

Khi tính ồn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn truyền thống, do không kề đến quan hệ ứng suất biến dạng trong nội bộ của khối đất đá vì vậy hệ số an toàn chỉ là độ an toàn t

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 nào 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 phan 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 t6 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

về nội dung luận văn của mình.

Hà Nội,ngày tháng 8 năm 2016

Tác giả luận văn

Lê Chí Vinh

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt những năm học tập và rèn luyện dưới mái trường Đại học Thủy Lợi dưới tư cách là sinh viên và giờ đây là một học viên cao học tôi đã nhận được nhiều 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 cố gắng, nỗ lực của bản thân Đề hoàn thành

được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể.

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Vũ Hoàng Hung và TS Nguyễn Thái Hoàng đã hướng dan 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 bổ trợ, vô cùng có ích trong những năm học vừa qua.

Cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo đại học và sau

đại học, Trường Đại học Thuy Lợi đã tạo điều kiện cho tôi trong quả 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 thang 8 năm 2016

Tác giả luận văn

Lê Chí Vinh

il

MỤC LỤC

CHUONG 1: TONG QUAN vecsessessssssessessessessessssssessessssusssessessessssssessessesssessessessesssesseesess 4

1.2 Phân loại mái đỐC ¿- +: St S9EE+EESESEE+EEEESEEEESEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEESEEEESEEEkrrerrrrr 4

1.3 Hình thức phá hoại mái dốc và nguyên nhân phát sinh mất 6n định 5

1.3.1 Cơ chế phá hoại của mái đất và nền dỐc - 2-2 ¿+ 2+x+£x++E£+E++rxerxzes 5 IENgiu 0i áo i0 << 6

1.3.3 Kết luận về mặt trượt phá hoại khối đất - 2 2 2 z+s+xerxerxerssrxee 7 1.4 Phương pháp tính toán 6n định mái đốc - +: ¿5£ ©£+z+£E+£Ezz+£zvrxersez 7 1.4.1 Các quan điểm về hệ số an toàn thường dùng hiện nay -: 7

1.4.2 Quan điểm thứ nhất về hệ số an toàn chung -: -¿ 2 ©5+2cx++z++zs+zz+z 8 1.4.3 Quan điểm thứ hai về hệ số an toàn tong hop 2: 2 2 z+sz+sz+xee: 14 1.4.4 Quan điểm thứ 3 dùng hệ số huy động cường độ chống cắt của đất làm hệ số AN TOAD 088 15

1.4.5 Kết luận về hệ số an toàn 6n định ¿+ t+k+E+E£EE+E+EeEEEeEeEervzxerererxsrs 18 1.5 Những van dé cần nghiên cứu - 2 s ++SE+EE+E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEErkkrkrrkeei 18 CHUONG 2 : CƠ SỞ TÍNH TOÁN ON ĐỊNH MAI DOC THEO PHƯƠNG PHÁP PHAN TU HUU HAN008888 20

2.1 Phương pháp phan tử hữu hạn tinh toán phá hoại dẻo của đất 20

2.2 Phương pháp huy động cường độ chống cắt và phương pháp gia tăng dung trọng mạ 21

2.3 Tính toán ôn định mái đốc bằng phần mềm ANSYS 2-2 25c: 22 2.3.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS [9] -2¿- 5¿©5++2S+2EE2EEeEEEerkeerxrrrrerreee 22 2.3.1.1 Khái quát chung về phan mềm AINSYS -¿-5¿©5++cx+2cxcczxerseee 22 2.3.1.2 Mô tả phần mềm ANSY S -2-©52SE2EESEE2E12E1271711211211 712121 xe 23 2.3.1.3 Trinh tự giải bài toán kết cầu bang phần mềm ANSYS - 25

2.3.2 b0 4U 26

2.3.2.1 Sơ đồ khối tính toán ồn định mái đốc bằng phần mềm ANSYS 26

2.3.2.2 Trình tự phân tích 6n định mái dốc bằng phần mềm ANSYS [9] 27

2.3.2.3 Ví dụ phân tích 6n 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 ôn định mái đốc theo bài toán không gian 44

11

2.4 Kết luận chương 2 - 2-22 ©52©2+222+2EE22112211221221127112712111112111211 21 xe 52

CHUONG 3: TÍNH TOÁN ÔN ĐỊNH MAI DOC VAI TRÁI DAP CÔNG TRÌNH THUY 2/2)82-10./07.009.10000n0n8n8Ẻ88 55

3.1 Giới thiệu công trÌnh - - c 321132111511 3511111111111 11111 11T 1 HH ng rệt 55

3.1.2 Cái 20v ái na ẶẦẮOD 56

[cxzjn9/.182.0.4/2)8)16:/00n0nn8e® H Ô 74

#'18//20W/7/71-04 050n0n0nn88a - 76

/zri0000/001n 1® 77

2 Chi tiết tinh toán ôn định mái đốc trên bai toán không gian - 81

3 Chi tiết tính toán ôn định mái đốc trên bài toán không gian của vai trái đập thủy

điện Bac Hà — Lao Cal - c3 E02221111111122331 1111119031 111g 1 ng rec 87

IV

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.3 Ứng suất pháp o và cường độ chống cắt của đất t0 trên đơn vị diện tích mặt

Hình 1.4 Xác định hệ số an toàn theo phương pháp phân thỏi Fellenius 10

Hình 1.6: Sơ đồ xác định góc ma sát huy động và lực dính huy động - 16

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

Hình 2.8 Phổ biến dang tính dẻo mô hình mái đốc khi F=1,2 -: - 37

Hình 2.10 Phổ chuyên vị mái đốc theo phương X khi F=l,4 -: - 37 Hình 2.11 Phổ biến dang tính déo mô hình mái đốc khi F=l,4 - - 38

Hình 2.14 Phổ biến dang tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,6 - 39

Hình 2.17 Phổ biến dang tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,§ -: 40

Hình 2.18 Qua trình tính toán không hội tụ tại F=l,82 . -c sec s+csskeeeesees 40

Hình 2.20 Phổ chuyền vị mái dốc theo phương X khi F=1,82 . : 5¿-: 41

Hình 2.21 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=1,82 -.: 41

Hình 2.22 Tính toán ôn định mái dốc bang Geo — Slope scsccsccsssessessssssesseeseesseeseeseens 44

Hình 2.23 Mô hình phân chia lưới phần tử mái đỐc 2-2 2©52+s+£x+zs£+z2 44

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

Hình 2.25 Biến hình mái đốc khi F],2 ¿2 St +E+E+EtEE+E+EEEEEE+EEEEEE+EEEEEEzEererereee 45 Hình 2.26 Phổ chuyền vị mái đốc theo phương X khi F=1,2 2-52-5252 45 Hình 2.27 Phổ biến dang tính dẻo mô hình mái đốc khi F=1,2 -. -5- 46

Hình 2.29 Phổ chuyên vị mái đốc theo phương X khi F=1,4 -2 5- 46

Hình 2.31 Phổ biến dạng tính dẻo mô hình mái đốc khi F=1,4 :- 47

Hình 2.34 Phổ biến dang tính déo mô hình mái đốc khi F=l,6 - 48

Hình 2.36 Phổ chuyên vị mái đốc theo phương X khi F=1,8 - -5- 48

Hình 2.39 Phố chuyên vị mái dốc theo phương X khi F=l,82 -: 49 Hình 2.40 Phổ biến dang tính dẻo mô hình mái đốc khi F=1,82 - 50

Hình 2.41 Qua trình tính toán không hội tụ tại F=1,8Š -Ăc Series 50

Hình 2.43 Phổ chuyền vị mái đốc theo phương X khi F=1,85 -. - 51

Hình 2.44 Phố biến dạng tính dẻo mô hình mái dốc khi F=l,8 -. - 51

Hình 3.3 Mặt cắt địa chất vai trái đập thủy điện Bắc Hà — Lào Cai 61 Hình 3.4 Mô hình đường mái đốc vai trái Công trình thủy điện Bac Hà 62

Hình 3.7 Mô hình mái đốc sau khi gan ràng buộc chuyền vị và gia tốc trọng trường 63

Hình 3.11 Phổ biến dang tính đẻo mô hình khi F=1,4 .2- 5¿©5¿©525z2zxz2zs2 64 Hình 3.12 Phổ chuyền vị mái dốc theo phương X khi F=l,6 - 2-2-5252 64

Hình 3.14 Phổ chuyền vị mái dốc theo phương X khi F=l,8 2-2-5252 65

VI

Phổ chuyên vị mái dốc theo phương X khi F=2.4 - 2-52-5252 s2 67

Pho biến dang tính déo mô hình khi F=2,8 -2- ¿©2525 69

Pho biến dang tính dẻo mô hình khi F=3,0 2- ¿255225522 69

Phổ biến dang tính déo mô hình khi F=3,12 ¿- ¿222525522 70

Phổ biến dang tính déo mô hình khi F=3,15 v ceccecesesseeeesessessessesesteseeseees 71

vil

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 1.1 Hệ số an toàn tổng hợp quy định trong OCVN 04:05:2012 13 Bang 1.2 Hệ số an toàn tong hợp quy định trong OP của Canada . - 13 Bang 1.3 Hệ số huy động cường độ chống cắt cho phép ©5¿©csc©cs5ce+csescss 17 Bảng 2.1 Tham số vật liệu mô hình khối rut ccsecccccsescscssesescssesesvssesvsvssesvevesesveveseeveeees 32 Bang 2.2 Lực dính và góc ma sát trong ứng với các hệ số triết giảm cường độ 32 Bang 2.3 Bang tong hợp kết quả tính toán bài toán phẳng 5-©52©5scsc5e+ 41 Bang 2.4 Bang tong hop kết quả tinh toán bài toán không gian vesceceecescsecesvescesveseeseees JI Bảng 3.1 Cấp công trình và tân suất thiết Ké oecceccecccccssescessesesesessesessesseesessessessesessees 56 Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật đập dGNG ccecceccccscessessesseessessesseessessessessssssessessesssesseeses 56

Bang 3.4 Các thông số kỹ thuật cửa lấy nuOCocescccsecssesssesssesssessssssesssesssessssssesssesssessseees 58 Bang 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 rut csecccceseccecsseseecssescecsseseecssesveesesvevssesveseees 60

cường độ chống Cll cescecceccessessesssessecsesssessessessesssessessecsucsusssessecsusssessessessssssessessesssesseeseess ó1

vill

DANH MỤC CÁC TU VIET TAT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

LVThS Luận văn Thạc sĩ

PPPTGH Phương pháp phần tử giới hạn

PPVPTP Phương pháp vi phân toàn phần

1X

MO DAU

I Tính cấp thiết của đề tài

Mái dốc là một công trình thường gặp trong thực tế xây dựng Vấn đề quan trọng và hay gặp phải đối với mái đốc là tính ồn định của mái Ôn định mái đốc có quan hệ trực tiếp đến an toàn thi công công trình, tiến độ thi công và dự toán kinh phi , do đó cần phải tiến hành phân tích tổng hợp định tính định lượng đối với tính ổn định mái dốc Phân tích trường ứng suất và biến dạng đối với mái dốc là cơ sở dé đánh giá tính ổn định của mái đốc, đánh giá chuẩn xác và dự đoán tinh trạng 6n định của mái đốc va xu

hướng phát triên làm căn cứ đê xử lý tại vi trí mai doc.

Nguyên nhân chủ yêu ảnh hưởng đên ôn định mái dôc:

Nguyên nhân địa chất: bao gồm nguồn gốc của đất đá, cau tạo địa chất và tính chat cơ học Địa chất công trình của mái dốc càng tốt, tính ôn định của mái dốc càng cao va ngược lại Đối với cấu tạo địa chất, cần đặc biệt chú ý đó là quan hệ giữa mặt kết cầu địa tầng với mặt mái dốc Khi mặt kết cấu địa tầng Song song với mặt mái dốc hoặc gan song song thi dé phát sinh mất ổn định, khi mặt tang đất đá và mặt biên mái đốc gần như vuông góc thì thông thường mái đốc ở trang thái 6n định.

Nguyên nhân thủy văn: Ôn định của mái đốc và nước có quan hệ mật thiết với nhau vì môđun đàn hồi E, lực dính C , góc ma sát trong chịu ảnh hưởng của lượng ngậm

nước Lượng ngậm nước càng lớn thì E, C, càng giảm nhưng dung trọng cảng tăng điêu nay làm tăng khả năng mat ôn định của mai dôc.

Hoạt động của con người:

— Đào rãnh đường sâu vào chân núi làm giảm nhỏ lực chống trượt của mái dốc, đây là một trong những nguyên nhân phát sinh mất ổn định của mái dốc, trường hop này

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 dé phat

sinh trượt.

— Đào ngầm vi dụ như đào đường ham, làm thay đổi trường ứng suất mái dốc dẫn đến ứng suất tập trung ở đỉnh dốc và chân dốc, dé phát sinh phá hoại kéo ở đỉnh dốc và phá hoại cắt ở chân dốc, dẫn tới mất ổn định của mái dốc.

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

kề đến quan hệ ứng suất biến 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 phần tử

hữu han trong tính toán ôn định mái dốc càng ngày càng nhiều Ưu điểm của việc ứng

dụng phương pháp phần 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

lưu động của nước ngâm, vân dé động dat

Vì vậy đề tài chọn phương pháp phan tử hữu hạn dé phân tích ổn định mái đốc trong công trình thủy lợi thủy điện dựa trên phần mềm ANSYS có ý nghĩa khoa học và thực

tiễn.

II Mục đích của đề tài:

Tính toán hệ số ôn định mái dốc bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm

ANSYS.

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về 6n định mái dốc và kết hợp sử dụng phần mềm ANSYS tính toán hệ số 6n định mái đốc theo phương pháp huy động cường độ chống cắt, kháng cắt

của đât.

IV Kết quả dự kiến đạt được:

- Nam được lý thuyết về 6n định mái đốc và phương pháp phan tử hữu hạn.

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

dôc.

- Tính toán hệ số an toàn 6n định mái dốc theo phương pháp huy động cường độ kháng cắt của đất.

- Áp dụng tính toán cho một công trình cụ thê.

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

Chương 1 là phan tổng quan, trình bày những khái niệm chung về mái dốc, phân loại mái đốc Nêu ra các van dé 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 dôc.

Chương 2 và Chương 3 là nội dung chính của luận văn Chương 2 nêu lên cơ sở

tính toán ôn định mái dốc theo phương pháp phan tử hữu hạn Ứng dụng phần mềm ANSYS để tính toán ồn định mái dốc với mô hình 2D, 3D và đưa ra kết luận Chương

3 ap dụng những nội dung đã được nêu ra tại chương 1,2 dé tính toán cu thé với mái dốc vai trái đập công trình thủy điện Bắc Hà — Lào Cai.

Phan cuối cùng là Phần Kết luận và Kiến nghị Phan này trình bày những ưu điểm, các điểm còn tồn 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: TONG QUAN 1.1 Khai niệm chung về mái dốc

Một khối đất có mặt ngoài là mặt phẳng 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 dap đất thuộc loại mái đất nhân tao, các tinh chat địa kỹ thuật là đã biết rõ rang va kích thước có thé chọn sơ bộ hoặc theo kinh nghiệm hoặc theo các phương pháp don giản nhất.

Dé tiện phân tích, một mái dat (hoặc mái dốc) được phân làm may bộ phận: Dinh mái, chân mái, mái đốc, cơ mái, góc dốc, độ cao của mái, nền mái đất nền mái dốc là bộ phận đất đá nam dưới mặt phẳng ngang đi qua chân mái dốc.

Xu cao|mái dat

Nên mái đât

PRR Lop dat trong nén mai dat

Hình 1.1 Các bộ phận của mái dat

1.2 Phân loại mái dốc

Độ dốc mái được thé hiện qua hệ số mái dốc m = cotga, với a là góc giữa mái dốc và mặt phẳng nằm ngang Độ dốc mái được xác định thông qua tính toán ôn định chống trượt, có xét đến đặc điểm cấu tạo địa chất nền mái đất, chiều cao mái đất, hình dạng

và kết cau mặt cat ngang mái đắt, tính chất cơ lý của từng loại vật liệu dat, các lực tác

động lên mái đất (như trọng lượng bản thân, áp lực nước, lực thấm, lực mao dẫn, lực

động dat, lực thủy động ), biện pháp gia có bảo vệ mái dat.

4

Tương ứng với hệ số độ dốc của mái được lựa chọn, khi tính toán hệ số an toàn ôn 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 đốc 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 hơn 3,0 m Nếu cơ

có kết hợp làm đường giao thông thì bề rộng và kết cau 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 phát sinh mắt 6n định

1.3.1 Cơ chế phá hoại của mái đất và nền 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 ấy lớn lên và phát 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 nổi thì sự phá hỏng sẽ xảy ra.

Khi mái đất bị phá hỏng, mặt trượt hình thành và phân mái đất làm chia phần, phần đất

đứng yên ở dưới mặt trượt và 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 thấm tác dụng trong mái đất cũng làm tăng

thêm ứng suất cắt trong khối dat, do đó làm tăng nguy cơ phá hoại mái đất và nền đất.

Có thé phân các dang phá hoại mái đất như sau:

- Sat lở: Xay ra ở sườn dốc và ở vách đá; có thé làm thay đổi đỉnh đốc nhưng nền mái dốc không bị ảnh hưởng.

- Trượt:

+ Trượt nông: Xây ra trong phạm vi mái đốc nhưng không ảnh hưởng đến nén dốc.

+ Trượt sâu còn gọi là trượt trồi: Xây ra không những trong phạm vi mái dốc mà cả

trong nền mái dốc Trượt sâu xay ra trong diễu kiện xấu của nén mái dốc Khối đất đátrượt (nông, sâu) có thể vừa có chuyển động tịnh tiễn vừa có chuyển động xoay

+ Chiy: Đắt đã mái đốc địch chuyển một phần hay toin bộ thành dòng như một chất

lông Dong chay này thường hình thành trong các loại đắt mềm yếu bão hỏa nước khi

áp lực nước lỗ rỗng phat huy tác dung lâm cho đất mắt hết khả năng chống cắt

1.3.2 Hình dụng mặt trượt

Tủ phá hoại ở dạng nào thì sự phá hoại khối đt là một hiện tượng cơ học dẫn khtrượt ở vị thé dn định hơn trên mặt trượt đã hình thành Do vậy, mọi tác nhân thiênnhiên hoặc nhân tạo gây ảnh hưởng đến sự chênh áp suất trong khối dắt đều được coi

là những yêu tổ gây nên sự hình thành mặt trượt trong khối đắc Sự hay đổi các điều

kiện khí hậu thủy văn như mưa nhiều sau thời kỳ nắng bạn: sự thay đổi về điều kiệnthot nước, cắp nước đều à những động lực thúc dy sự hình thành mặt trượt phá hại

khối đất Các thay đổi nêu trên có thé tác động ngay hoặc kéo dai trong một thời gian

dài rồi đột biến gay sự cổ: khối đắt trượt trên mặt trượt dn vị trí cân bằng hơn

Sự trượt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều đài nhất định; mặt trượt códạng của đường cong ha chiều hoặc mặt trụ (hinh L2) ĐỂ đơn giản tính toán mà thiên

về an toàn, sự phân tich ôn định của khối đắt thường được xét như bai toán phẳng với

mặt trượt dang trụ tròn

“rong đắt rồi, mặt trượt có dang mặt phẳng tạo với mặt ngang một góc đốc nhất định,Một khối cát âm 46 đồng có mặt ngoài bat kỳ, sau khi khô rời, mặt trượt hình thành vàtạo nên mai cát phẳng Tuy nhiên, mặt trượt trong khối đt cất dùng làm sông trình

số thể có những bình dang 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 cắm sâu vio nền Mặt trượt sâu có dang cong rõ rật Thực tẾ quan trắc

các vụ trượt sâu và thí nghiệm mmô hình cho biết mat trượt sâu có dang cong logariL

“Tuy nhiên trong tính toán thiết kế, nhiều trưởng bop phúc tap vé đắt nỀn nên phải giá

thiết mặt trượt là mặt trụ tròn để tính toán.

Hình L2 Hình dang mặt rượt mái dốc1.3.3, Két luận về mặt trượt phá hoại kh

Từ những điều tình bày trên, có những điều quan tâm khi phân tích ổn định mái đất như sau

Sự phá hoại mái đắt là sự phá boại cắt trượt theo một mặt trượt nhất định-mặt trượtnguy hiém nhất

Đối với nÈn đồng chit, mặt trượt tinh toán lấy gần dạng mặt logari, đối với nền không

đồng chat, mặt trượt tinh toán là mặt try tròn hoặc phức hợp.

Khi phân ích dn định khối đt, ga tiết mọi điễm thuộc mặt trượt đều ở trạng thi cân

bằng giới hạn giả định là chấp nhận được.

Đất ở khối đắt trượt hầu như không bi xéo động do trượt Do đồ khi phân tích ổn định

mi đt, gi thết khối đắt trượt ứng xử như vật thé rắn là chấp nhân được

14, Phương pháp tính toán én định mái đốc

LAL Cúc quan diém về hệ số an toàn thường ding hiện nay

phương pháp tinh toán nhất định Hệ số an toàn cho pl hệ số an toàn của công

trình do quy phạm nhà nước quyết định, nó là giá tị nhỏ nhất mà hệ số an toàn tính

toán cin phải đạt được để công tình làm việc an toàn đồng hồi đảm bảo hiệu quả về

mặt kinh tế, Việc đề ra một định nghĩa vé hệsố an toàn ôn định của mái đắt nỀn đất và

xét đến các nhân tổ ảnh hưởng đến mức độ an toàn của công trình là một trong nhữngvin để quan trong trong Địa kỹ thuật, Hiện nay, thường đồng 3 quan điểm vé hệ số an

toàn én định như sau: bệ số an toàn chung, hệ số an toàn tổng hợp và hệ số huy động

cường độ ching cắt của đắt đông vai tro hệ số an toàn

1.4.2 Quan điểm thứ nhất về hệ số an toàn chung

Quan điểm này được Fellenius (1927) ứng dụng đầu tiên vio phương pháp tính toán

ôn định mái đốc Theo quan điểm này, hệ số an toàn dn định được định nghĩa như tỷ

số giữa ting momen chẳng trượt của đất dọc theo mat treet với ting momen gay trượt

dl ải trung ngoài và trong lượng đắt của khải đắt trượt gây nôn [1]

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

«wap lực nước lỗ rỗng tại điểm mặt trượt đ qua

-gúc ma sát và lực dính đơn vị ứng với thí nghiệm cắt thoát nước

Hình 1.4 Xác định hệ số an toàn theo phương pháp phân thỏi Eellen

Trọng lượng W của thoi đất và tai trong đứng P tic dung vio thỏi đất dang xét được

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

thúc tính tổng momen gây trượt và tổng momen chống trượt ứng với mặt trượt dang xét như sau:

“Tổng momen gây trượt ính như sau

Rfsal-RET-RDOWsP)sina (1s)

‘Téng momen chống trượt tinh như sau:

“Trước hết tinh lực chống trượt của đắt ở đáy thỏi Ty

T,=%J1=|(6-I)gell=(N (W + P}eosơ-ulltg'vel

Biết Tụ xác định được tổng momen chồng trượt như sau:

LÍ uái=R}T, RE [OW +PBeose-ullgo+e1 d9)

“Cuối cũng biểu thức tỉnh hệ số an toàn ôn định có dang

bin tức K>1, và bài toán Địa kỹ thuật đặt ra là xác định mức độ bền, tức tỉ số của hệ

số an toản K lớn hơn 1 là bao nhiêu Do vậy xác định Ty theo biểu thức Coulomb (biểuthúc] 2) ứng với điều kiện đắt bị cất là không chặt chế vé lý thuyết

hoặc mái đất đang xét được thiết kế sơ bộ ở trạng thái cân bằng

Hai là: Trọng lượng đắt bên trấi đường thẳng đứng qua tâm gây lực T ngược hướng

ối Tạ, te gây trượt, nhưng trọng lượng đt bên phải thi gây lực T cũng hướng với Ty

túc tham gia với lục chống trượt (hình 1.4) Điều nảy chứng tỏ rằng đắt bên phải ứng

xử như khối đất phản áp chống trượt và do đỏ có tác giả để nghị cải biên công thức

định nghĩa về hệ số an toàn K (biểu thức 1.2) theo hướng sau:

Wi trong lượng hôi đt nói chung, ở ed bên ti và bên phải thi công thức 1.10 về hệ

số an toàn cần được sửa như sau:

=< DiOW+ Prosacubego'setl+ SN, sine

SW, sina

'Công thức 1.11 có ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật quan trong khi tính toán kiểm tra khối đất

ay

dap như dé đập có khối đắt phan áp và nền đất khi có tải trọng bên Tinh hệ số an toàn.

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

mái đốc ở trạng thái nguy hiểm trên mặt trượt nguy hiểm tâm O* bán kính R” (hình.1.4) thì phương pháp xử lý bằng phan áp là rit hiệu quả với điều kiện khối đắt phản áp

phải nằm hoàn toàn bên phải trục đứng 0°Z Hệ số an toàn của mái dỗc sau khi xử l

bằng phương pháp phan áp tinh theo công thức (1.11) mới hợp lý.

Hình 1.5 Mai đắt được xử lý bằng phương pháp phân áp

Đối với đất nén đồng chất, có thé tinh được tr số tải trọng giới han (pa) của nén đất

(mục 1.3) theo công thức tổng quất 2]:

po=Ngy/B+N giN,C (13)

“Trong đó:

„ Nụ, Ne là các hệ số tính tải trong giới hạn, phụ thuộc góc ma sit trong của dit và góc lệch 8 của tải trong tác dụng lên mặt nỀn, xác định theo bảng lập sin, là các

dại lượng không thứ nguyên.

cc: lực dính đơn vị của đất (KN/m” hay kPa)

+ trọng lượng đơn vị của đất dưới cao trình đặt móng (kN/m” hay kPa

4: tải trọng bên là trong lượng cột đất tính từ mặt đất đến độ siu đặt móng

(kN/mẺ hay kPa)

Vai chiề rộng móng B, công tình tác dung lên mặt nn áp lực P, theo định nghĩa về

hệ số an toàn chung K được xác định theo công thức:

Poy Pan _ Pov

“Trong đỏ

là áp suất đáy móng (N/m? hay kPa)

“Theo biểu thức (1.13) trong đại lượng ps có chứa tả trọng bên q=yhụ,

vi là trong lượng đơn vi của dt từ cao tỉnh đặt móng đến mặt đắt, hạ là độ

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

Noi cách khác néu độ sâu chôn móng cảng lớn và hệ số an toàn cảng lớn, ti trong bên

q càng lớn, pa, cing lớn và hệ số an toàn cảng lớn Do đó, ở các nước phương Tây

thường dùng khái niệm về đái trong giới ham thực của nỗn dt, hiệu pans như sau

“rong dé 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

Công tình thủy li, dùng h

Bảng 1.1 Hệ số an toàn tổng hop quy định trong QCVN 0105:2012

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

thức (1,13), ví dy của Canada [4], trị số [K] được quy định ở Bảng 1.2

Bing L2 Hệ số an tin tổng hợp quy định trong QP của Canada

Toại công trình Hg sb an toàn quy định Công tình bằng đất lận

Cong tình chấn đất và hồ đào 152

Nén công trình >a

‘Theo số tay Nén móng của Mỹ [3], với hệ số an toàn tỉnh theo công thức (115) thi hệ

số an toàn quy định tối thiểu bằng 3 (chủ yéu với công trình nhạy lún như nhà cao ting

và công trình dan dụng).

1.4.3 Quan điễm thứ hai về hệ số an toàn tổng hợp

Kinh nghiệm xây dựng trên thé giới đã chứng tỏ rằng có nhiễu nhân tổ ảnh hưởng đến

sự an toàn của công trình Ngoài trình độ thiết kế va thi công, còn phải kế đến cácnhân tổ thường gặp như: điều kiện làm việc chung giữa kết cầu công tình và nên đất,

mức độ tin cậy về dữ liệu đắt nén, tâm quan trọng của công trình, mức độ tin cậy về tải

trọng và tổ hợp tải trọng.

Khi tinh toán thiết kế theo quan điểm thứ nhất vừa nêu ở mục trên thi mức độ tin cậycủa các loại dữ liệu tính toán được xét gộp chung lại trong một hệ số an toàn, gọi là hệ

số an toàn chung Như vậy là không hợp lý vi các nhân tổ ảnh hưởng đến mức độ an

toàn của công trình là khác nhau.

(Quan điểm thứ hai được hình thành nhằm bổ khuyết cho quan điểm thứ nhất bằng cáchxét riêng tùng nhân tổ ảnh hưởng thông qua các bệ số in cậy của từng di liệu, Vi dụ

như TCVN-4253-2012 Công trình thủy lợi ~ nền các công trình thủy công ~ yêu cầu

thiết kế đã quy định dùng các hệ số như sau:

Hệ số điều kiện kim việc: ye

Hệ số tin cậy đối với đất yg

Hệ số tin cậy về tim quan trong của công trình: yn

Hệ số tổ hợp tải trong: yle

Hệ số diễu kiện âm vige của khối đấ ứng xử như phần áp: °c

Theo tiêu chun thiết kế Nén cúc công trình thủy công TCVN 4253-2012 khi tinh nền

theo sức chịu tải (tinh theo TTGH về phá hoại) cũng quy định dùng nhiều hệ số để xét

hệ số iu kiện lâm việc phụ thuc loại công trình và loại nén

“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 j đồng vai tỏ của hệ số

Điều kiên ổn định (1.17) cổ thể viết đưới dạng thông thường với một hệ số an toàntổng hợp trong đó đã tổng hợp đầy đủ các hệ số ti cậy của các đại lượng hoặc yếu tổ

cảnh hưởng đến mức độ an toàn:

(18)

(19)

(120)

‘Tri số [K] tính theo công thúc (1.19) với các hệ số được quy định theo TCVN và quy

ước gọi là hệ số an toàn tổng hợp quy định

1.4.4 Quan diém thứ 3 diong hệ số huy động cường độ chồng cắt của đắt làm hệ số

an tần

Quan

[5] I6], xét một đơn vị

thứ 3 đưa ra Kl niệm về mức độ huy động khả năng chống cắt của dit

ện tích trong khối dat nghiêng góc ơ ở trạng thái cân bằng

bền, chịu tác dụng của lực cắt t(kNim? hay kPa), lực nén vuông góc o(kN/m? hay kPa)

và áp lực lỗ rỗng là u (kN/mẺ 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,

3 =|(G-A)gole] aan Đối với một loại đắt, đường Coulomb không đổi do các trị số ọ", khong đổi

¬

co

+ posse

T Vong Mohr tụng suat

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

Xi khối đắt được thiết kể ở trạng thái cân bằng bền nên trên một đơn vị diện tích cổ bắtđẳng thức:

T<t, (1.22) kiện để diện tích đơn vị dang xét là một mảnh của mặt trượt thực thi phải thực hiện một trong hai cách sau đây|7]}

AMột là: giã nguyên đường Coulomb, tăng tr số cường độ ứng suất et x, ức làm tăngđường kính vòng Mohr ứng suất

Hai lò: git nguyên trạng thái ứng suit và giảm tị số của các chỉ tiêu cường độ chống

cất của đất, ví dy giảm trị số xạ xuống trị số Tq, tức giảm độ dốc của đường coulomb Nhu vậy sẽ có công thức tinh lực chống cắt huy động của đất

(123)

“Trong đó:

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

của đất, trị số của F xác định theo:

d2

‘i gọi là phần cường độ chống cắt của đắt đã được huy động đủ đảm bảo sự

cân bằng giới hạn, gọi là cường độ chồng cắt huy ding và F là hệ số huy động cường

độ chống cắt của đất, gọi là hệ số an toàn ôn định về trượ ti nơi đang xét

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

là tị số giảm nhỏ của hệsố ma sit và Ie dnh của đất

Thư vậy khi E—I thì đất ti nơi đang xét thực sự ở trạng thai cân bằng giới hạn, diện

tích đơn vị nơi đang xét thuộc về mặt trượt thực.

[Néu F>1 thì điện tích đơn vị đang xét còn ở rạng thải cân bằng bin với hệ số an toàn

F tinh theo công thức:

(o-u)tg@ +e"

Với tr (126)

+ là ai thành phần ứng suất trên điện tích đơn vị nơi 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 dn định của mái dat ứng với mặt trượt

đang xét

Đối với mái dốc, hệ số huy động cho phép [F] được lay như sau [5]:

Bảng 1.3 Hệ số huy động cường độ chẳng cắt cho phép

130 Khối đất dip và mii dio Fi

“Cổ đồng thắm ôn định

"Mực nước trước mãi đốc hạ nhanh

"Trên mãi đốc có công trình

Đối với nền đất hệ số huy động được lấy như sau: [FJI.4 đến 1,6

Theo Braja với Felu4:1,6 thi hệ số pCO Cn) tinh với te@„=tB@fE và cạ„CÍE sẽ có

tr số nhỏ hơn trì số pp, ) tinh với tr số ạ vac của đất từ 3 đến 4 lần

(Punta) 5 sa Pa (2) (127)

Do đố hệ số an toàn quy định theo hg số huy động [F] khác với hệ số an toàn chung

quy định [KỊ, theo Braja, quy định [F]=1,41,6 là tương đương với [K]Ƒ3:4 Điều này

nhắc nhờ 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 én định

Trên đây đã nêu và phân tích các quan điểm về 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 dat

lâm hệ số an toàn là có tinh logic hơn cả Hiện nay quan điểm này đã được dùng phổ

biển khi phân tích én định của mái đất Ví dụ các phương pháp trong phần mềm tínhtoán mái dit thường ding của GEOSLOPE, của AIT đều đồng quan điểm này về hệ số

an toàn.

“Tir những phân tích nêu tn, phương php phân tích hệ thống tình by trung luận văn

này chọn hệ số huy động F làm hệ số an toàn.

Tuy nhiên đến nay vẫn dùng Fy = Fy = F do thuật toán tính với điều kiện Fa là

phức tạp và cần được nghiên cứu thêm.

1.5 Những vấn đề cần nghiên cứu

‘Nhu trên đã trình bay quan điểm dùng hệ số huy động cường độ chống cắt của đắt làm

hệ số an toàn là có tính logic hơn cả Hiện nay quan điểm này đã được ding phd biến

khi phân tích ổn định của mái đc Đối với vin đề mái đốc, giới hạn chủ yếu của khốiđất là do nhân tổ lực cắt tạo thành, vì thé dùng quy tắc Mohr-Column để tinh toán mái

Is

đốc là tốt nhất Nhưng trong phần mềm ANSYS quy tắc nhi

khối đất nên chỉ ding quy tắc Druck-Prager, vi vậy không phi hợp đổi với tính toán

mái đốc Trong luận văn sẽ thông qua mô hình đàn hồi để xác định trường ứng suất vàbiển dang của khối trượt, sau đổ thông qua hình thức định nghĩa phần từ sẽ dẫn dt cho

phù hợp Mohn-Column, đồng thời mỗi một trạng thái giới hạn của phần từ tiến nh

đảnh gid, từ đó đạt được diy đủ ving phân bổ tinh đèo của mái đốc theo quy ti

Mohn-Column Ngoài ra cũng xem xét đến tinh không gian của mái đốc,

CHUONG2 : CƠ SỞ TÍNH TOÁN ON ĐỊNH MAI DOC THEO PHƯƠNG

PHAP PHAN TỬ HỮU HAN

2.1 Phương pháp phần tir hữu hạn tính toán phá hoại déo cia đất

Phương pháp phin từ hữu hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được

mô tả bởi các phương trình vi phân đạo him riêng trên miễn xác định có hình dạng và

điều kiện biên bắt kỳ mà nghiệm chính xác không thé tim được bằng phương pháp giải

tích

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rae hóa miễn xác định của bài toán, bằng cáchchia nó thành nhiều miễn con (phần tử Các phan từ này được liên kết với nhau tạ các

điểm nút chung Trong phạm vi của mỗi phần tử nghiệm được chọn là một hàm số nào

đô được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xắp xỉ thoả mãn điề kiện cân bằng của phẫn ử Tập tit cả các phần từ có chủ ý

đến điều kiện liên tục của sự biển dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa cácphần tử Kết quả dẫn đến một hệ phương tình đại số tuyển tinh mã dn số chính là cácgiá tí của hàm sắp xi tại các điểm nút Giải hệ phương tỉnh này sẽ tim được các giá

tr của hàm xắp xí tạ các điểm nút của mỗi phần i, nhờ đồ him xắp xi hoàn toàn

được xác định trên mỗi một phần từ

'VỀ mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dung để giải gin đúng bai toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân, vi

dy như phương trình truyền nhiệt Lời giải gin đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏphương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trang thái ôn định), hoặc

chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được

giải bing cách sử dụng phương pháp ai phần hữu hạn, vẫn vẫn

PPPTHH không tim dạng xắp xi của him trên toàn miễn xác định V của nó ma chỉ

én xác định của hàm.Trong PPPTHH miễn Vđược chia thành một số hữu bạn các miỄn on, gọi là phần tứ Các miễn này liên kếttrong những miễn con (phi

với nhau tại các điểm định trước rên biên của phần tử được gọi là nút, Các hàm xắp xi

này được biểu diễn qua các giá tị của hầm (hoặc giá trị của đạo him) tai các điểm nút trên phần từ Các gi trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử va được xem là ẩn

số cần tìm của bài toán

20

“Trong việc gi phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương

trình xấp xi với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là én định số học

(numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu vả tính toán trung giankhông chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên v6 nghĩa Có rất nhiềucách để làm việc này tất cả đều có những wu điểm và nhược điểm PPPTHH là sự lựachon tốt cho việc giải phương tỉnh vi phân từng phần trên những miễn phúc tạp

(giống như những chiếc xe và những đường ông dẫn dẫu) hoặc khi những yêu cầu về

độ chính xác thay đổi trong toàn miễn

2.2 Phương pháp huy động cường độ chẳng cắt và phương pháp gia ting dung

trọng

“Trong chương trình ANSYS dại đa số loại phần từ khi tin hành phân tích đều yêu cầu

chi định đặc tinh vật liệu Vi phân tích 6 định mái dốc sử dụng mô hinh tính đản déo lýtưởng do dé phân tích én định mãi đốc yêu cầu định nghĩa thuộc tinh vật iệu các khối

đắt trong mái dốc như: dung trọng, mô dun dan hồi, hệ số Poisson, lự dinh và góc ma

ồn định mái dốc, sử dụng phương pháp huy động

sát trong Khi tính toán phân

cường độ chẳng cắt đ tính toán, đầu tiên lựa chọn hệ số suy giảm ban đầu E, sau đóđối với hệ số

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

cường độ vật liệu khối đắt mai đốc ta tiến hành suy giảm Ta suy giảm

c en

„— Tang

Tan 2-2ner @2)

Trong đó:

` và i lực dính và gốc ma sắt rong ban đầu của khối đắt mái dốc

Tĩnh toán mô hình mai đốc khi tiến hành suy giảm đốc với C và 4, nếu hội ụ khi đómái đốc 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 số ổn định hoặc an toàn

2.3 Tính toán 6n định mái đốc bằng phần mềm ANSVS

ANSYS [9]

23.1 Gi diệu phần

2.3.1.1, Khải quất chung về phn mễm ANSYS

Trong khoảng 40 năm gin diy, công cụ máy tinh đã phát triển mạnh mỹ và được sử

dụng rộng rai trên toàn thể giới, cũng với phương pháp phần tử hữu hạn ngay cảng

hoàn thiện đã xuất hiện nhiều phần mém tính toán kết cấu chuyên ngành được ứngdụng trong nhiề lĩnh vực ky thuật Phần mềm ANSYS được xem là một phần mềm:

phân sich phần tử hữu hạn thông dụng, có khả năng đủ tiến hành nghiên cứu khoa học

khoa học

nhiệt, chất Ting, dign tứ ứng dụng rộng ri rong nghiên c

sắc nghành công nghiệp phổ biển như công trinh xây dựng, địa chất khoáng sản, thủy

lợi, đường sắt Phẫn mềm ANSYS là phần mễm thiết kế phẫn tử hữu hạn đầu tiênthông qua chứng nhận chất lượng ISO 9001, là phin mém phân tích tiêu chuẩn nhận

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

Hiệp hội kỹ thuật chuyên nghành Trên thể giới phin mm ANSYS đã trở thành một

ft

trong ngành xây dựng như: kết

mềm thương mại chủ yếu và đã được ứng dụng rộng rãi dé phân tích mô phỏng

ấu thép, kết cầu mg cốt thép nhà cao ting, cầu

dầm, đập lớn, đường hầm và các công trình ngằm Thông qua đó có thể phân tích toàn

diện khả năng chịu lực, biển dang, tinh én định, dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và

động với các điều kiện biên phức tạp.

Từ khi ra đời năm 1970, phần mềm ANSYS không ngừng được cải tiến nâng cao,

công năng và phạm vỉ sử đụng ngày cảng 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 lạiđây 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 ong lĩnh vực xây dựng công trinh

thủy lợi, thủy điện thi vẫn chưa được ứng dụng trong phân tích tính toán Với thểmạnh có thể phân tích được tit cả các loại kết cấu giản, dim và khung, kết cấu vỏ

mỏng, kết cầu khối và kết cầu hỗn hợp: Phin mềm ANSYS tỏ ra rất có hiệu quả trong

ông trọng lực và đập vòm, phần ích đập chịu tác động của động đất

phân tích đập

phân tích ứng suất nhiệt trong đập bê tông, phân tích kết cầu đường hằm, c 1g ngằm,

phân tích én định mái đốc, phân tích thắm ôn định đập đất, phân tích ứng suất biến

2

đang cửa van, phân tích ứng suất và biến dạng cầu ming vỏ mỏng xi măng lưới thếp,

hay các vin dé về b tông cốt thép.

Khối xử lý số lệu PREP

Khỗi giá (SOLUTION) irl số liệu thông thường

(Post!)

[Kit cầu Bibi của ANSYS, Khối xử lý kết qua \

Khối thiết kế tôi ưu (OPT) Poste)

\ ác khối khác (Other)

Hình 2.1 Kết cấu chương tink ANSYS

| [Rie định nhiệm vụ phân tích và mục tiêu phân h

ẤKiễm ta tính chính xúc của mô hình

Tiến hành qué trình giải

|

[Xác inh loại hình phân tích với lý luận thiết kế

Sử dụng bộ phận giải theo lý thuyết toán học logi

Kiểm tra kết quả

Erp hạng mea chọn gi hp ]

Hình 2.2 Trình tự giải bằng ANSYS 2.3.1.2, Mé ta phần mềm ANSY §

mềm ANSYS trong thị trường CAE

[Xu lý số liệu theo thôi gian

nay có hơn 70% các trường đại học và các Viện nghiên cứu trên thể giới sử dụng, phẩn mém ANSYS trong giảng day và nghiên cứu Trong lĩnh vực kỹ thuật với sự tro

giúp của máy tinh (CAE), ANSYS có tru thể rỡ rột ở các mặt sau:

- Phin mém phân ích thiết kế công trình với sự trợ giúp của máy tinh đạt chứng nhận

đảm bao chat lượng ISO 9001 khá sớm so với các phần mềm tương tự

Phẫn mềm có tốc độ tăng trường nhanh nhất thể giới

~ Phần mm khoa học kỹ thuật được cấp giấy chứng nhận của gin 20 hiệp hội kỹ thuật

chuyên ngành,

b Môi trường lim việc của ANSYS

Chương trình ANSYS là một gói phần mềm có công năng lớn, phân tích thiết kế vớitối ưu hỏa, và linh hoạt Phin mém này có thể làm việc trên nhiều môi trường khác

nhau như máy PC, NT, UNIX.

ANSYS cổ thể trao d vi rt nhiều phin mềm CAD, cổ thể nhận sổ liệu hình

học từ một phần mm khác như: Pro Engineer, SolidWork, NASTRAN, Alogor,

I-DEAS, AutoCad ni ết kig

dựng mô hình và nâng cao hiệu qua làm việc,

được rất nhiều thời gian trong qué trình xây

'Với các phần mềm CAD có thé tạo các file có cách thức: Pro/E, Unigraphics, CADDS,IGES, SAT và Parasolid, phần mém ANSYS đều có khả năng tiếp nhận

ANSYS/ Emag

ANSYS/ L§-Dyna

2.3.1.3 Trình tự giải bài toán kết cầu bằng phần mềm ANSYS

a Phuong thie giải của ANSYS

b Có 3 phương thúc chỉnh giải bài toán kết ấu bằng ANSYS đó là:

~Phương thức giao diện đồ họa-người dùng (GUI-Graphical User Interface),

-Phương thức dùng lệnh (Command)

-Phương thức ngôn net lập tình tham số (APDL-ANSYS Parametric Design

Language)

[Nguoi sử dụng cô thé dùng phối hợp cả 3 phương thức này, ngoài ra có thể dựa trên

APDL xây đựng chương trình phân tích chuyên dụng dude dang file macro

Trinh tự giải bai toán của ANSYS

Trinh tự giải bai toán kết cấu công trình bằng phiin mềm ANSYS nói chung bao gồm

15 bước cơ bản được phân thành 3 nhóm la: xử lý ính toán và xử lý kết quả tinh toán, như sau:

Xứ lý số Hệ

at tên bài toán

Giới hạn phạm vi phân th

Định nghĩ loại hình phần từ va lựa chọn các thông số

inh nghĩa hing số thực

Dinh nghĩa thuộc tinh vật liệu

Xây dựng mô hình hình học

“Chia lưới phan tử.

Gin ải tong và điều kiện biên

“Tính toán

Lựa chọn mô hình tính toán

Thiết lập các yêu cầu tính toán

Tinh toán vấn dé có lên quan

Xử lý kết quả tinh toán

Doe lấy dữ iệ từ trong kết quả tính toán

Hiển thị các loại biểu đổ, bảng biểu đối với ết quả ính tán

Phân tích kết qua

2.3.2 Tỉnh tán

2.3.2.1, Sơ đồ khối tính toán dn định mãi đắc bằng phản mẫn ANSYS

SƠ DO KHÔI TÍNH TOÁN ÔN ĐỊNH MAI DOC BANG

PHAN MEM ANSYS

‘Chuan bị đầu vào.

iy dựng mô hình hình học và (nô hình phần tú hữu hạn

Huy dong cường độ chong cất © = OF.

‘Tang’ = Tang /F bằng cách tăng din F

hội tụ Không hội

tụ (mái dốc bị phá hoại)

Xuất F với F là

ổn định mái đốc,

26

2.3.22 Trinh ne phản tích dn dink mái đắc bằng phần mém ANSYS [9]

Phân n định mái đốc bằng phần mềm ANSYS thông thường phản thành các bước

~ Thiết lập mỗi trường vật lý:

- Thiết lập mô hình, phân chia mạng lưới, gin đặc tính cho các ving của mô hình không đồng nhất,

- Gần điều kiện biên và ti trọng;

~ Tính toần;

~ Xử lý kết qua (kiếm tra kết quả tính toán)

a, Thiết lập môi trường vật lý.

~ Chọn lọc Menu GUI:

Nếu thông qua con đường GUI để vận hành ANSYS, sau khi phần mém ANSYS được.

mỡ việc đầu tiên nên làm là từ “Main Menu -> Preferences” lựa chon “Structural” để

tê ki iến bình phân tích ổn định mái ốc, lọc một vải menu không cần hit và trên

inh dd họa tương ứng.

~ Định nghĩa tiêu dé phân tích:

“rước khi tiền hành phân tích có thể định nghĩa tiêu đề biễu thị nội dung phân tích như

đÈ này dễ phân biệt mô hình hình học vật lý

h

~ Phan tích on dịnh mai doc”, để từ t

tương tự khúc Dũng phương pháp đưới đây để định nghĩa tiêu đề phân

Phương thức mệnh lệnh: /TITLE

Phương thức GUI: Utility Menu > File > Change Tile

- Giải thích loại hinh phần từ và lựa chon hạng mục của nó (KEYOPT)

tổng cộng trên 100 loại hình phần tử, có thé sử

Với các phân tích khác của ANSYS

dụng mô phỏng vật liệu va các loại kết cấu trong công trình, tổ hợp cũng lúc các loại

từ không giống nhau tạo nên mô hình tri tượng của vin đề vật lý cụ thé Vi dụ

ANE 82 để mô phỏng,

fy

mãi dốc thuộc tinh vit liệu không đồng đều ding phần tử

Đại da số loại bình phẫn tử đều có lựa chọn hạng mục đặc trưng (KEYOPTS), hạngmục lựa chọn này dùng để cái chính đặc tinh phần tử Ví dụ phần tử PLANE 82 cói

KEYOPTS dưới đây:

KEYOPT (2) thiết lập bao him hoặc khống chế biển dang lớn

KEYOPT (3) thiết lập ứng suất phẳng, đổi xứng trục, biến dang phẳng hoặc xét đến

ứng suất phẳng của độ dày

KEYOPT (9) thiết kip img sut ban đầu tình ự con của người sử dụng

Phuong thức thiết lập phan 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/Ediv/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 tắt cả số liệu đầu vào đều cắu thành từ ba đơn vĩ này Như đơn vị tiêu chuẩn quốc tế, thôi gian là giãy (s) độ đả là mết (m), khối lượng là

kilogram (kg), dẫn tới lực đơn vj là kg.m/s” (tương đương đơn vị Niuton N), đơn vị mô.dun din hồi của vật liệu kim s` (ương đương đơn vị Pascal Pa)

Phương thức mệnh lệnh: /UNITS

"Mệnh lệnh này không thể thực hiện bằng phương pháp GUL - Định nghĩa thuộc tính

vật liệu

Đại đa số loại hình phần tử khi tiến hành phân tích đều yêu cầu chỉ định đặc tính vat

liệu, chương trình ANSYS có khả năng định nghĩa thuận tiện các loại đặc tính vật liệu

như tham số thuộc tinh vật liệu kết cấu, tham số tính năng nhiệt, tham số tính năng thể

lưu và tham số tính năng điện từ.

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

+ Tuyển tính hoặc phi tuyến tính;

-+ Tính đẳng hướng, di hướng hoặc phi din hồi;

28

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

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

do dé phân tích én định mái đốc yêu cầu định nghĩa thuộc tính vật liệu các khối đấttrong mái đốc: dung trọng, mô dun din hồi, hệ số Poisson, lực dinh và gốc ma sit

trong,

Phương thức mệnh lệnh MP

Phương thức GUI: Main Menu -> Preprocessor -> Material Props -> Material Models hoặc Main Menu -> Solution -> Load Step Opts -> Othé -> Change Mat Props -> Material Models.

Khi tiến hành tính toán én định mái sử dụng phương pháp suy giảm cường độ để thực hiện

~ Thiết lập mô bình va phân chia mạng lưới phn tử

Sau khi thiết lập môi trường vật lý có thể thiết lập mô hình Khi tiễn hành phân tích

tinh ổn định mái dốc yêu cầu thiết lập mô phỏng khối đất mái dốc bằng phần từ PLANES2, Sau khi th lập xong chỉ định đặc tính trong mỗi vùng mô hình (loại hình.phần tử, hạng mục lựa chọn, hing số thực và tinh chất vật liệu có thé phân chia

mạng lưới phần tử hữu hạn.

'Thông qua GUI để gan đặc tinh mỗi vùng trong mô hình:

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

++ Nhắn vào vũng mô hình muốn lựa chọn;

+ Khai báo các thuộc tinh cho ving mô hình lựa chọn như mã số vật liêu, mã hằng sthực, mã loại hình phần tử và mã hệ tọa độ phần tử

“Thông qua mệnh lệnh dé giao phó đặc tinh mỗi vùng trong mô hình:

+ ASEL (lựa chọn vùng mô hình)

4+ MAT (nối rõ mã số vật liệu)

+ REAL (nói rõ mã số hing số thực)

+ TYPE (chỉ định mã số loại hình phần tử)

+ ESYS (nồi 16 mã số hệ tọa độ phần từ)

- Gần rằng buộc và tải trọng,

Khi gần điều kiện biên và tải trọng, có thể gần điều kiện biên và tải tong lên mô hình

thực thể ( điểm đặc trưng, đường, mặt hoặc có thể gần lên mô hình phần từ hữu hạn(điểm nút hoặc phần từ), Khi tính toán, chương tỉnh ANSYS sẽ ty động chuyển điềukiện biên và tải trong trên mô hình thực thể đến mô hình phn tử hữu hạn

“Trong phân tích én định mái đốc, chủ yếu là gắn ring buộc độ tự do ở dưới day và hai

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

sứ vào thiết lập lựa chọn hang mục hiện có từ kho số iệu tiến hành tinh toán, s liệu

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

Phương thức mệnh lệnh: SOLVE

Phương thức GUI: Main Menu -> Solution > Solve -> Currents

- Xử lý kết quả

Kết quả tính toán được xuất ra dưới dạng hình vẽ và bảng biểu Đồi với phân tí én

định mái đốc, kiểm tr biển hình mái đốc với chuyển vỉ, ứng suất và biển dạng Tùythuộc tăng lớn của hệ số suy giảm cường độ, tăng lớn chuyển vị ngang của mái dốc,

phát triển nhanh biến dạng tính dẻo, phát triển vùng tính đẻo hình thành một phạm vi

thông suốt, tinh toán không hội tụ khi đỏ mái dốc phit sinh phi hoại Thông quanghiên cứu chuyển vị, ứng suất và phạm vi tính dẻo, để đánh giá tổng thé tinh én địnhcủa mái dốc

Phương thức mệnh lệnh: /POST1

30