Hướng dẫn sử dụng phần mềm SIGMAW

LỜI MỞ ĐẦUGeo-Slope Office version 6.02 là bộ chương trình tính toán trong địa kỹ thuật, bao gồm 6 modules: CTRAN/W: Chương trình tính khuyếch tán và lan truyền chất bẩn nước rác, thu

LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG TRONG PHẦN MỀM SIGMA/W 2

1.1.Khái niệm chung về thiết kế địa kỹ thuật 2

1.2 Cơ sở lý luận của phần mềm Sigma 2

1.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính 3

1.4 Lý thuyết sơ lược về độ lún 4

1.4.1 Khái niệm 4

1.4.2 Độ lún cố kết Sc: 4

1.4.3 Độ lún tức thời Stt: 5

1.4.4 Độ lún tổng cộng S: 5

PHẦN 2: ỨNG DỤNG SIGMA/W ĐỂ TÍNH LÚN CHO ĐÊ 6

2.1.Số liệu tính toán 6

2.1.1 Kích thước hình học 6

2.1.2 Các thông số phục vụ tính toán 6

2.1.3 Cách xác định các số liệu 7

2.2 Các bước thiết lập mô hình 8

2.2.1.Xác định phạm vi và tỷ lệ vùng làm việc 8

2.2.2.Lấy tọa độ điểm từ acad qua sigma: 9

2.2.3.Lưu chương trình:File/save 10

2.2.5.Tạo phần tử hữu hạn: 11

2.2.6 Thiết lập điều kiện biên 12

2.2.7.Khai báo trọng lượng đất đắp(fill): 13

2.2.8.Kiểm tra bài toán(Verify): 14

2.2.9.Các kết quả cần xuất 14

2.2.10.Viết text lên mô hình:Sketch/Text: 16

2.3.So sánh kết quả tính toán với điều kiện cho phép: 16

PHẦN 3: ỨNG DỤNG SIGMA/W ĐỂ TÍNH LÚN CHO ĐẬP 18

3.1.Số liệu tính toán: 18

3.1.2.Các thông số phục vụ tính toán: 18

3.2.Các bước thiết lập mô hình 18

3.3 So sánh kết quả tính toán với điều kiện cho phép: 27

PHẦN 4: ỨNG DỤNG SIGMA/W ĐỂ TÍNH ỨNG SUẤT & LÚN NỀN DƯỚI CỐNG .28 4.1.Số liệu tính toán: 28

4.1.1.Kích thước hình học: 28

4.1.2.Các thông số phục vụ tính toán: 28

4.2.Các bước thiết lập mô hình: 28

4.3.So sánh kết quả với điều kiện cho phép: 34

CÁC TIÊU CHUẨN, QUY PHẠM VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

LỜI MỞ ĐẦU

Geo-Slope Office version 6.02 là bộ chương trình tính toán trong địa kỹ thuật, bao gồm 6 modules:

CTRAN/W: Chương trình tính khuyếch tán và lan truyền chất bẩn (nước rác, thuốc trừ sâu, chất phóng xạ, …) trong đất (và khe nứt trong đá), dùng phương pháp phần tử hữu hạn, kết hợp với SEEP/W để tính lan truyền chất

QUAKE/W: Chương trình tính ứng suất, biến dạng, áp lực khe rỗng, … thay đổi trong đất do động đất gây ra, dùng phương pháp phần tử hữu hạn, kết hợp với SLOPE/W để tính ổn định khi có động đất

SEEP/W: Chương trình tính chuyển động dòng thấm trong đất (và khe nứt trong đá), dùng phương pháp phần tử hữu hạn

SIGMA/W: Chương trình tính ứng suất và biến dạng trong đất, đá, dùng phương pháp phần tử hữu hạn, kết hợp với SEEP/W để tính khuyếch tán áp lực khe rỗng

SLOPE/W: Chương trình tính ổn định mái dốc; dùng phương pháp cân bằng lực theo nhiều giả thiết khác nhau: Bishop, Fellenius, …

TEMP/W: Chương trình tính lan truyền nhiệt trong đất, đá do môi trường thay đổi hay do công trình (ống dẫn nước nóng, nhà máy nhiệt điện, …), dùng phương pháp phần tử hữu hạn

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT –

BIẾN DẠNG TRONG PHẦN MỀM SIGMA/W 1.1.Khái niệm chung về thiết kế địa kỹ thuật

Mục đích chung của thiết kế địa kỹ thuật (ĐKT) là đánh giá các ứng suất và ứng biến đặt lên khối đất trong kết cấu công trình ở các điều kiện tải trọng giới hạn (ultimate) và tải trọng làm việc bình thường (serviceable)

Theo phương pháp luận thiết kế ĐKT hiện nay, điều đó tương ứng với hai trạng thái giới hạn là:

+ Trạng thái giới hạn thứ nhất - Ultimate State

+ Trạng thái giới hạn thứ hai - Serviceable State

SIGMA/W có thể cho dự tính các trạng thái ứng suất và ứng biến trong khối đất dùng cho việc tính toán nền và công trình theo các trạng thái giới hạn đó

Phương trình ứng suất:

σσ

σ = o +∆

Trong đó:

σ - Ưng suất tổng

σo- Ưng suất bản thân

∆σ - Ưng suất tăng thêm

1.2 Cơ sở lý luận của phần mềm Sigma

Hệ phương trình cân bằng tĩnh:

000

=+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

=+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

=+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

z y

yz x

xz z

z

y z

yz x

xy y

y

x z

xz y

xy x

x

K K K

ττσ

ττσ

ττ

σ

Các điều kiện biên:

m l n Z

n l m Y

n m l X

yz xz z

yz xy y

xz xy x

ττσ

ττσ

ττσ

++

=

++

=

++

=

Quan hệ chuyển vị – Biến dạng

x xz

y

y

z

y y

z zy

x

x

x

y y

x xy

z

z

U U

y

U

U U x

U

U U z

U

212121

εε

εε

εε

G E

zy zy z

x y

y

xz xz x

y z

z

xy xy z

x x

x

τεσ

σµσ

ε

τεσ

σµσ

ε

τεσ

σµσ

ε

=+

+

=

=+

+

=

=+

1.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính

Mô hình này dùng cho các vật liệu có tính chất hoàn toàn đàn hồi hoặc khi vật liệu còn nằm trong giới hạn đàn hồi Trong một số trường hợp, đối với vật liệu khác để đơn giản

có thể làm việc theo mô hình đàn hồi tuyến tính Nếu vật liệu có kết cấu chặt và chỉ có biến dạng đàn hồi thể tích (không có biến dạng dài) thì xem vật liệu làm việc đàn hồi tuyến tính (như đất sét bão hòa nước trong điều kiện không thoát nước, hay các khối đất được đầm chặt)

Chú ý: Ngoài ra còn có rất nhiều mô hình khác ứng dụng trong sigma như: Mô hình

đàn hồi dị hướng; Mô hình đàn hồi phi tuyến; Mô hình đàn hồi - dẽo hoàn toàn; Mô hình biến dạng mền; Mô hình đàn hồi - dẽo cứng; ….Tuy nhiên để đơn giản hóa trong tính toán

sigma người viết chỉ giới thiệu sơ lược mô hình đàn hồi tuyến tính (Linear-Elastic).

1.4 Lý thuyết sơ lược về độ lún

1.4.1 Khái niệm

- Độ lún của nền đất gồm ba phần: đó là lún tức thời (Stt), lún cố kết thấm (Sc) và lún từ biến (St), nghĩa là: S = Stt+Sc+St

- Độ lún cố kết là do sự giảm thể tích lỗ rỗng khi nước thoát dần ra ngoài

- Độ lún từ biến là do biến dạng của bản thân hạt đất

- Việc phân biệt rõ ràng ba độ lún nêu trên là điều khó khăn, tùy theo loại đất và tính chất của nó mà người ta có thể phân biệt được như sau:

- Đối với đất sét: Ba độ lún nêu trên là rõ ràng và có thể tách biệt được

- Độ lún tức thời nhỏ, có khi không phải là quá nhỏ mà có thể bỏ qua Trong một số trường hợp chúng có thể chiếm tới 10% tổng độ lún

- Độ lún cố kết (thấm) là phần chủ yếu, thường chiếm trên 90% độ lún tổng

- Độ lún từ biến là không nhỏ, nhất là đối với đất sét yếu và rất yếu

+ Tính áp lực gây lún: pgl= p – γ’.Df

+ Xác định chiều dày vùng nén lún Ha:

σ’p ≤ 0.2 σ’bt – với đất có Module biến dạng E≥ 5MPa

σ’p ≤ 0.1 σ’bt – với đất có Module biến dạng E≤ 5MPa

+ Chia vùng nén lún thành các phân tố có chiều dày nhỏ hơn 0.25 bề rộng móng (coi

ƯS trong các phân tố thay đổi không đáng kể)

+ Nền nhiều lớp: Mặt phân chia các lớp đất trùng mặt chia các phân tố

+ Tính toán và vẽ biểu đồ ƯS hữu hiệu do trọng lượng bản thân và tải trọng gây lún gây ra tại giữa các lớp phân tố:

+ σ’bt(i)= Σγi.hi = p1i ( hệ số rỗng e1i của các phân tố đất ở trạng thái ban đầu, khi chưa gánh chịu công trình

+ σp(i)= k.(p – γ’.Df ) – ƯS do tải trọng ngoài gây ra

+ p2i = σ’bt + σp – ƯS trong đất sau khi gánh đỡ công trình ( hệ số rỗng e2i của các

PHẦN 2: ỨNG DỤNG SIGMA/W ĐỂ TÍNH LÚN CHO ĐÊ 2.1.Số liệu tính toán

2.1.1 Kích thước hình học

Chiều cao đắp đê h=3m, bề rộng mặt đê b=8m, mái đê m=2 Chiều sâu khảo sát 15m,

bề dày lớp 1(sâu 8m), bề dày lớp 2(sâu 7m) như hình vẽ sau:

Thông thường chia lớp đất dưới nền đê zi = 2m Để kết quả tính toán được chính xác hơn ta có thể chia zi =1m (hoặc có thể chia mịn hơn zi ≤ 1m)

Ở bài toán này ta chia lớp đất nền dưới đê có độ dày từng lớp z i =1m

Hình vẽ:

Lưu ý: Lớp đất đầu tiên tính từ cao trình đáy đê.

2.1.2 Các thông số phục vụ tính toán

+ Thông số đất đắp

+ Thông số đất nền

- Lớp 1: Sét dẽo nhão

2.1.3 Cách xác định các số liệu

a.Xác định môđun biến dạng Ei của lớp đất thứ i:(Theo phụ lục 7 –TCVN 2012):

β

ε εµβ

σ (P2i): Ứng suất do trọng lượng bản thân và công trình ở giữa lớp thứ i(kN/m²)

ε 1i: Hệ số rỗng do trọng lượng bản thân giữa lớp thứ i(kN/m²)

ε 2i : Hệ số rỗng do trọng lượng bản thân và công trình ở giữa lớp thứ i(kN/m²)

β : Hệ số nén hông của lớp đất thứ i

µ : Hệ số nở hông (hệ số poatxong) của lớp đất thứ i

mo: Hệ số, lấy bằng 1 đối với công trình có chiều rộng nhỏ hơn 20m, hoặc diện tích trong mặt bằng nhỏ hơn 500m², và bằng 1,5 đối với công trình có kích thước lớn hơn.

Ví Dụ: Cách xác định Ei của đất nền là á sét

Từ số liệu thí nghiệm nén nở hông của đất á sét như sau:

²)/

β

ε εµβ

667,0

²/100

635,0

²/150

1 1

2 2

i i

m kN

m kN

εσ

εσ

Thay vào công thức (2), ta được:

²/7,2604)

667,01(635,0667,0

100150

m kN

−

−

=Đất nền á sét : µ =0,40 => β =0,47

Giả sử công trình có chiều rộng nhỏ hơn 20m, hoặc diện tích trong mặt bằng nhỏ hơn 500m² => Chọn m0 = 1

2.2.2.Lấy tọa độ điểm từ acad qua sigma:

Có thể vẽ trực tiếp trên hình hoặc lấy tọa độ điểm từ acad sang sigma:

- Scale hình vẽ về tỉ lệ 1-1000

- Dùng lệnh polyline tô lại các điểm cần chuyển, tô các điểm này không được trùng lên nhau

- Chuyển về tọa độ gốc: Vào trình đơn Tool/New UCS/Origin => Kích tại vị trí cao

độ cần xác lập(thường là chọn 0(0;0) tại cao độ mặt đất tự nhiên)

- Dùng lệnh List(li) => Select object => Chọn đường polyline mới tô, copy các tọa

độ => mở notepad dán vào => trong notepad bấm Ctrl+H => Lặp bỏ chỉ để lại tọa độ điểm (X;Y)

- Mở chương trình sigma lên chọn trình đơn Keyin/Points => copy tọa độ từ notepad vào trình đơn này

2.2.3.Lưu chương trình:File/save

2.2.4 Khai báo thông số vật liệu

Chọn trình đơn KeyIn/Material properties:

Trong đó:

#: Số thứ tự lớp đất gán

Model : Có rất nhiều mô hình đất nền dùng trong tính toán Trong tính toán để đơn

giản thông thường chọn Linear-Elastic (Đàn hồi tuyến tính).

Parameter Type: Loại ứng suất nền dùng trong tính toán

P.W.P Coef Fns: Các hàm số của hệ số áp lực khe rỗng Trong tính toán để đơn giản

thông thường chọn B-Fn# = 0, A-Fn# = 0.

Nhập lần lượt các thông số địa chất thứ tự lớp đất, số 1 gán cho đất đắp, từ số 2 =>10 gán theo thông số nền là lớp 1, từ số 10 =>16 gán thông số nền là lớp 2 => copy => OK.

2.2.5.Tạo phần tử hữu hạn:

Chọn trình đơn Draw/Regions hoặc ký hiệu bên dưới => dùng chuột để vẽ phần tử

=>vùng phần tử phát sinh là cùng khép kín tối thiểu là 3 điểm

=>Phát sinh phần tử: Material Type: 1 (lớp đất đắp có số thứ tự 1) => tương tự tiếp tục lần lượt 2=>16 Có nhiều lưới phát sinh, ta chọn cái nào tiện và thích hợp thì lấy, máy tính sẽ tự xác lập ô lưới theo yêu cầu người sử dụng

Cứ làm tương tự => ta hoàn thành viêc phát sinh phần tử như hình sau:

2.2.6 Thiết lập điều kiện biên

Chọn trình đơn Draw/ node boundary conditions (hoặc biểu tượng trên thanh công cụ) ⇒ Hiện ra bảng chọn điều kiện biên để chọn:

Nếu có chuyển vị đứng, không có chuyển vị ngang (biên 2 bên của vùng tính toán):

X-Boundary: Chọn ‘Type: X-Disp’, ‘Action: 0.000’

Y-Boundary: Chọn ‘Type: None’

⇒ Click vào các biên tương ứng Nếu có chuyển vị đứng, có chuyển vị ngang (biên đáy của vùng tính toán):

X-Boundary: Chọn ‘Type: X-Disp’, ‘Action: 0.000’

Y-Boundary: Chọn ‘Type: Y-Disp’, ‘Action: 0.000’

⇒ Click vào các biên tương ứng

⇒ Click Done để kết thúc.

2.2.7.Khai báo trọng lượng đất đắp(fill):

Vào trình đơn KeyIn/Body load khai báo dung trọng đất đắp theo phương đứng Vertical=> Chọn tiếp trình đơn Draw/Fill/excavation elements => chọn fill (Element type: chọn fill, time stpe: chọn 1=> kích chuột chọn trên vùng đất đắp

2.2.8.Kiểm tra bài toán(Verify):

Vào Window/contours (hoặc biểu tượng ) =>Vào tiếp draw/contours (hoặc biểu tượng ) => Để xuất chuyển vị Y-Displacement

Vào draw/contours labels (hoặc biểu tượng ) => kích chọn vào đường đồng mức

=> cho ra giá trị chuyển vị

Vào View/Preferences Fonts => kích bỏ số nút, số phần tử

2.2.10.Viết text lên mô hình:Sketch/Text:

Vào Sketch/Axes(hoặc biểu tượng )=> vẽ thước so sánh

Vào Sketch/Text (hoặc biểu tượng )=> để ghi chú vật liệu, thông số tải trọng,…,

2.3.So sánh kết quả tính toán với điều kiện cho phép:

Chuyển vị theo phương đứng

Cách chọn độ lún ta lấy Y là trung bình của các đường đồng mức lún nằm trong phạm vi đáy móng VD: Ytb = (0.52 + 0.42 + 0.37+ 0.32 + 0.27 + 0.22)/6 = 0.35m =35cm

Để an toàn thì ta thường lấy độ lún lớn nhất Y= 52cm để so sánh

=>Kết luận : Y≤[Y] : Đạt =>OK

Y>[Y] : Không đạt => Hướng giải quyết: Đắp bù lún,

Lưu ý: Trường hợp đê kết hợp làm đường thi công thì việc tính lún có thể xác định theo toán đồ Otterberg Các thông số cần xác định theo 22TCN 262-2000

PHẦN 3: ỨNG DỤNG SIGMA/W ĐỂ TÍNH LÚN CHO ĐẬP 3.1.Số liệu tính toán:

3.1.1.Kích thước hình học

Đập đất đồng chất, đập có chiều cao Hđ = 30m ,mặt đập B=5m, đặt trên nền đất có chiều dày Hn = 40m, hệ số mái đập thượng lưu m=4, mái hạ lưu m=3,5 Cứ chiều cao 10m giật cơ 1 lần, bề rộng cơ b=2m Mực nước ngầm ở cao trình ngang mặt đất tự nhiên

Để mô phỏng gần đúng quá trình làm việc của đất nền, đập đất sẽ được đắp theo từng lớp với chiều dày mỗi lớp là 10m Mỗi lớp đất được giả thiết thi công liên tục trong thời gian 50 ngày

Lưu ý: Để tính lún chính xác hơn ta có thể chưa lớp đất dưới nền đập zi = 1m như bài toán tính lún đê Cách xác định Ei cũng tương tự như trên

3.2.Các bước thiết lập mô hình

Bước 1: Xác định phạm vi và tỷ lệ vùng làm việc: Làm tương tự bài toán 2

Bước 2: Lấy tọa độ điểm từ acad qua sigma: Làm tương tự bài toán 2

Bước 3: Lưu chương trình:File/save

Bước 4: Khai báo thông số vật liệu

Trong đó:

#: Số thứ tự lớp đất gán

Model : Có rất nhiều mô hình đất nền dùng trong tính toán Trong tính toán để đơn

giản thông thường chọn Linear-Elastic (Đàn hồi tuyến tính).

Parameter Type: Loại ứng suất nền dùng trong tính toán

P.W.P Coef Fns: Các hàm số của hệ số áp lực khe rỗng Trong tính toán để đơn

giản thông thường chọn B-Fn# = 0, A-Fn# = 0) Nhập lần lượt các thông số địa chất thứ tự

lớp đất, số 1=>3 gán cho đất đắp, số 4 gán theo thông số nền đập copy => OK

Bước 5: Tạo phần tử hữu hạn Chọn trình đơn Draw/Regions hoặc ký hiệu bên dưới

=> dùng chuột để vẽ phần tử =>vùng phần tử phát sinh là cùng khép kín tối thiểu là 3 điểm

Làm tương tự, ta được mô hình phát sinh hoàn thiện

Bước 6: Thiết lập điều kiện biên: Chọn trình đơn Draw/ node boundary conditions

(hoặc biểu tượng trên thanh công cụ)⇒ Hiện ra bảng chọn điều kiện biên để chọn:

- Nếu có chuyển vị đứng, không có chuyển vị ngang (biên 2 bên của vùng tính toán):

X-Boundary: Chọn ‘Type: X-Disp’, ‘Action: 0.000’

Y-Boundary: Chọn ‘Type: None’

⇒ Click vào các biên tương ứng

- Nếu có chuyển vị đứng, có chuyển vị ngang (biên đáy của vùng tính toán):

X-Boundary: Chọn ‘Type: X-Disp’, ‘Action: 0.000’

Y-Boundary: Chọn ‘Type: Y-Disp’, ‘Action: 0.000’

⇒ Click vào các biên tương ứng

⇒ Click Done để kết thúc.

Bước 7: Khai báo trọng lượng đất đắp(fill): Vào trình đơn KeyIn/Body load khai báo dung trọng đất đắp theo phương đứng Vertical

Chọn tiếp trình đơn Keyin/Analysis settting/time

Trong mục time steps gán thời đoạn đắp đất từng

Trong đó:

#: Số thứ tự lớp đất gán

Increment size : Thời đoạn đắp từng cấp

Elapsed time: thời đoạn cộng dồn

Save: Yes (lưu tiến trính)

Nhập lần lượt số 1=>3 gán cho đất đắp từng thời đoạn, copy => OK

Chọn tiếp trình đơn Draw/Fill/excavation elements hoặc => chọn fill (Element type: chọn fill

+Time stpe: chọn 1=> kích chuột chọn trên vùng đất đắp đợt 1

+Time stpe: chọn 2=> kích chuột chọn trên vùng đất đắp đợt 2.

+Time stpe: chọn 3=> kích chuột chọn trên vùng đất đắp đợt 3

Ta đựợc mô hình sau:

Bước 8.Kiểm tra bài toán(Verify): Chọn trình đơn verify

Chú ý : Mô hình tính toán được chuyển từ phần mền Seep/W sang

Bước 9 Các kết quả cần xuất(Y-Displacement):

Chuyển vị theo phương đứng: Vào trình đơn Tool/Slove (hoặc biểu tượng )

Vào Window/contours (hoặc biểu tượng ) => Vào tiếp draw/contours (hoặc biểu tượng ) => Để xuất chuyển vị Y-Displacement