Mô phỏng đánh giá sự thay đổi bộ rỗng và đặc điểm biến dạng của đất rời có chứa thành phần bị hòa tan

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo VÕ NGỌC PHÚ MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ RỖNG VÀ ĐẶC ĐIỂM BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT RỜI CĨ CHỨA THÀNH PHẦN BỊ HỊA TAN Chun ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số ngành : 60580211 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: CBHD1: PGS.TS Đùi Trường Sơn CBHD2: TS Trương Quang Hùng Cán chấm nhận xét 1: GS TS Trần Thị Thanh Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Việt Tuấn Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCMngày 05 tháng 01 năm 2017 Thành phần Hộỉ đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS VõPhán TS Nguyễn Mạnh Tuấn GS.TS Trần Thị Thanh TS Nguyễn Việt Tuấn TS Phạm Tường Hội CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Võ Phán TRƯỞNG KHOA PGS.TS Nguyễn Minh Tâm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc —oOo— NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ NGỌC PHÚ MSHV: 7140183 Ngày, tháng, năm sinh: 30-11-1983 Nơi sinh: LONG AN Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỤNG Mã ngành: 60580211 I TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ RỖNG VÀ ĐẶC ĐIỂM BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT RỜI CĨ CHỨA THÀNH PHẦN BỊ HỊA TAN II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Khảo sát ứng xử học mẫu đất rời chứa hạt hòa tan tác dụng tải nén không nở hông (ko loading) phần mềm PFC2D - Khảo sát thay đổi biến dạng đứng, độ rỗng, đường lực hệ số phối vị cấp tải trước sau trình hòa tan xãy - Khảo sát hệ số ko áp lực ngang koicủa mẫu sau hòa tan - Kết luận, kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04-07-2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04-12-2016 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CBHD1: PGS TS BÙI TRƯỜNG SON CBHD2: TS TRƯƠNG QUANG HÙNG Tp HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS Bùi Trường Sơn CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS Lê Bá Vinh TRƯỞNG KHOA PGS.TS Nguyễn Minh Tâm LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật thực nhằm tổng hợp thể khả phân tích sau q trình học tập trường Cùng với cố gắng thân giúp đỡ, động viên thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp gia đình suốt trình học tập thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Bùi Trường Sơn, thầy Trương Quang Hùng khơng nhiệt tình hướng dẫn kiến thức chuyên môn, động viên suốt trình thực luận văn mà chia học hay từ sống Xin gửi lời cảm ơn đến thầy mơn Địa Cơ Nền Móng, người cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập trường Xin gửi lời cảm ơn đến học viên chuyên ngành Địa Kỹ thuật Xây Dựng khóa 2014, người bạn sát cánh bên suốt hai năm học tập trường Xin gửi lời cảm ơn đến anh chị đồng nghiệp người tạo điều kiện giúp đỡ nhiều suốt trình học tập thực luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình động viên tạo điều kiện tốt cho vật chất tinh thần năm tháng học tập trường Trân trọng! Học viên Võ Ngọc Phú TĨM TẮT MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ RỖNG VÀ ĐẶC ĐIỂM BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT RỜI CĨ CHỨA THÀNH PHẦN BỊ HỊA TAN Luận văn nghiên cứu đặc trưng nén lún hỗn hợp có chứa hạt hòa tan trường hợp nén khơng nở hơng (ko loading) Thí nghiệm mơ phương pháp phần tử rời rạc (DEM- phần mềm PFC2D) mẫu nén trước chứa 10% hạt hòa tan xét tỉ lệ Rsait/Rgiass =0.5; Kết thí nghiệm cho thấy, biến dạng đứng gia tăng ứng với gia tăng cấp tải, hệ số rỗng mẫu giảm Khi hòa tan hạt muối cấp áp lực đứng 160kPa, thể tích mẫu giảm xuống, nhiên độ rỗng tăng lên Việc tăng tải trọng làm cho mẫu ổn định ứng với gia tăng số phối vị mẫu Sau hòa tan mẫu có nhiều vị trí có lỗ rỗng cục bộ, lực tiếp xúc hạt tăng lên, số đường lực giảm, số phối vị giảm, có chênh lệch số phối vị mẫu hòa tan khơng hòa tan gia tăng cấp tải sau q trình hòa tan kết thúc ABSTRACT SIMULATION VALUATION OF CHANGES IN POROSITY AND CHARACTERISTICS OF SOLUBLE MIXTURES The thesis investigates compressibility characteristics of soluble mixtures in ko conditions Simulation by Discrete Element Method (DEM - PFC2D) is carried out for stressed soluble mixtures of sand and salt (10%), with different ratios: Rsait/Rgiass =0.5; and The results show that, the vertical strain increases while the void ratio decrease with the increase of vertical stress After dissolving the soluble mixtures at the vertical stress 160kPa, the volume of the sample reduces, but the void ratio increases In addition, the sample becomes more stable when the loading increases That is revealed by the increase of coordination numbers After dissolving salt particles, local voids increase, contact forces between particles increase, number of loading paths reduces, coordination numbers reduces, and the differences of coordination number between samples non-dissolved and dissolved reduce with the increase of vertical stress MỤC LỤC Trang MỞĐẰU Mục đích nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học đề tài Chương 1- TỔNG QUAN MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI VÈ ÚNG XỬ CỦA HỖN HỢP ĐẤT RỜI CĨ CHỨA THÀNH PHẦN BỊ HỊA TAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Hiện tượng hòa tan đất rời 1.3 Hiện tượng xói ngầm đất 1.4 Một số nghiên cứu nước hỗn hợp đất có chứa thành phần bị hòa tan 1.5 Sự phát triển phương pháp số mơ thí nghiệm 10 Chương - CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC (DEM) 2.1 Các giả thiết 11 2.2 Nội dung phương pháp 11 2.3 Điều kiện biên 12 2.4 Thuật toán dòng hạt 14 2.5 Chu kỳ tính tốn 14 2.6 Định luật lực - chuyển vị ừong PFC2D 15 2.7 Định luật chuyển động 17 2.8 Cơ chế tạo hạt 19 Chương 3- ỨNG XỬ CỦA HỖN HỢP CÓ CHỨA HẠT HỊA TAN TRONG Q TRÌNH HỊA TAN 3.1 Q tành mô DEM 21 3.2 ứng xử vĩ mô mẫu thí nghiệm 23 3.2.1 Ảnh hưởng bán kính hạt hòa tan suốt q trình hòa tan diễn 23 3.2.2 Biến dạng đứng 27 3.2.3 Ảnh hưởng biến dạng đứng việc khống chế xoay hạt thay đổi độ rỗng 28 3.3 ứng xử vi mơ mẫu thí nghiệm 36 3.3.1 Hệ số phối vị 36 3.3.2 Các hệ số dị hướng 41 3.3.3 Cấu trúc đường lực 47 3.3.4 Hệ số áp lực ngang ko áp lực ngang ko! 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 Kết luận 74 Kiến nghị 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Bảng thông số đầu vào mơ thí nghiệm 22 Bảng 3.2 Bảng hệ số dị hướng ửong suốt q trình hòa tan ứng với HR=0% (a) Rs/Rgl =1, (b) Rs/Rgl=0.5 Rs/Rgl =2 42 Bảng 3.3 Bảng hệ số dị hướng suốt q trình hòa tan ứng với HR=50% ; (a) Rs/Rgl =0.5 Rs/Rgl=l, (b) Rs/Rgl =2 44 Bảng 3.4 Bảng hệ số dị hướng ửong suốt q trình hòa tan ứng với HR=100% (a) Rs/Rgl =2, (b) Rs/Rgl=0.5 Rs/Rgl =1 45 Bảng 3.5 Bảng giá trị số liên kết, lực kiên kết trung bình trước sau hòa tan mẫu ứng với tỉ lệ đường kính khác 48 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Hiện tượng xói ngầm, (a) Trước xói ngầm; (b) Sau xói ngầm .5 Hình 1.2 Q trình hòa tan (các hạt xoay tự HR=0%) (a) biến dạng thẳng đứng, (b) độ rỗng, theo tỉ lệ phần trăm hạt hòa tan khác Hình 2.1 Định nghĩa biên cứng 14 Hình 2.2 Chu kỳ tính toán PFC2D 15 Hình 2.3 (a) Qui ước liên kết hạt - hạt; (b) Qui ước liên kết hạt - tường 16 Hình 3.1 Kích thước mẫu khảo sát 21 Hình 3.2 Trình tự thực mơ thí ngiệm 22 Hình 3.3 Sự thay đổi kích thước hạt muối trình hòa tan tỉ lệ Rs/Rgl=0.5 24 Hình 3.4 Sự thay đổi kích thước hạt muối q trình hòa tan tỉ lệ Rs/Rgl=l 25 Hình 3.5 Sự thay đổi kích thước hạt muối q trình hòa tan tỉ lệ Rs/Rgl=2 26 Hình 3.6 Độ lún mẫu trước sau hòa tan Rs/Rgl=0.5 27 Hình 3.7 Độ lún mẫu trước sau hòa tan Rs/Rgl=l 28 Hình 3.8 Độ lún mẫu trước sau hòa tan Rs/Rgl=2 28 Hình 3.9 Biểu đồ ứng suất đứng - biến dạng đứng (a) Rs/Rgl=0.5,(b) Rs/Rgl=l, (c) Rs/Rgl =2 (HR=0%- cho hạt xoay tự do) 30 Hình 3.10 Biểu đồ ứng suất đứng - biến dạng đứng (a) Rs/Rgl =0.5,(b) Rs/Rgl=l, (c) Rs/Rgl =2 (HR=50%- không cho 50% hạt xoay) 31 Hình 3.11 Biểu đồ ứng suất đứng - biến dạng đứng (a) Rs/Rgl =0.5, (b) Rs/Rgl=l, (c) Rs/Rgl =2 (HR=100%- không cho 100% hạt xoay) 32 Hình 3.12 Biểu đồ hệ số rỗng 2D - ứng suất đứng (a) Rs/Rgl =0.5, (b) Rs/Rgl=l, (c) Rs/Rgl =2 (HR=0%- không cho 0% hạt xoay) 33 Hình 3.13 Biểu đồ hệ số rỗng 2D - ứng suất đứng (a) Rs/Rgl =0.5, (b) Rs/Rgl=l, (c) Rs/Rgl =2 (HR=50%- không cho 50% hạt xoay) 34 -57- Hình 3.30 cấu trúc đường lực tồn mẫu trước hòa tan Rs/Rgỉ=ỉ (HR=50%) Hình 3.31 Cấu trúc đường ỉực toàn mẫu sau khỉ hòa tan hồn tồn Rs/Rgỉ=l (HR=50%) -58- cycle 500 cycle 3000 Sau hòa tan Hình 3,32 Sự thay đổi đường lực trình hòa tan với tỉ lệ Rs/Rgỉ=ỉ (HR=50%) -59- Hình 3.33 cấu trúc đường lực tồn mẫu trước hòa tan Rs/Rgỉ=2 (HR=50%) Hình 3.34 cấu trúc đường ỉực tồn mẫu sau hòa tan hồn tồn Rs/Rgl=2 (HR=50%) -60- Trước khỉ hòa tan Đắt đầu hòa tan - cycle 100 cycle 500 _ _ cycle 1000 cycle 3000 Sau hòa tan Hình 3,35 Sự thay đỏi đường lực trình hòa tan với tỉ lệ Rs/Rgỉ=2 (HR=50%) -61- Hình 3.36 cấu trúc đường lực tồn mẫu trước hòa tan Rs/Rgl=0.5 (HR=100%) Hình 3.37 cấu trúc đường lực tồn mẫu sau khỉ hòa tan hồn tồn Rs/Rgỉ=0.5 (HR=100%) -62- - - Trước hòa tan Bắt-đầu hòa tan - cycle 100 cycle 500 _ _ cycle 1000 cycle 3000 Sau hòa tan Hình 3.38 Sự thay đới đường lực trình hòa tan với tỉ ỉệ Rs/Rgỉ=0.5 ' (HR=100%) -63- Hình 3.39 cấu trúc đường lực tồn mẫu trước hòa tan Rs/Rgl=l (HR=100%) Hình 3AO cấu trúc đường lực tồn mẫu sau hòa tan hoằn tồn Rs/Rgl=ỉ (HR=ỈOO%) -64- Bắt đầu hòa tan - cycle 100 - Trước hòa tan cycle 500 cycle 1000 cycle 3000 Sau hòa tan Hình AI Sự thay đổi đường Ịực trình hòa tan với tỉ ỉệ Rs/Rgl=l (HR=ỈOO%) -65- Hình 3.42 cấu trúc đường lực tồn mẫu trưởckhi hòa tan Rs/Rgl=2 (HR=ỈOO%) Hình 3.43 cấu trúc đường lực tồn mẫu sau khỉ hòa tan hồn tồn Rs/Rgỉ=2 (HR=100%) -66J dp Lrijtr ÍỊ ■ e „■ " ”4 ■ Sr ẾỈ Bắtđầu hòa tan - cycle 100 Sau hòa tan cycle 3000 Trước hòa tan - cycle 500 cycle 1000 Hình 3.44 Sự thay đổi đường ỉực trình hòa tan với tỉ ỉệ Rs/Rgỉ=2 (HR=100%) -673.3.4 Hệ số áp lực ngang ko áp lực ngang ko! Kết khảo sát cho thấy áp lực ngang ko! giảm giá trị áp lực chủ động ka suốt q trình hòa tan diễn (hình 3.49, hình 3.50, hình 3.51) có khả đạt giá trị ka q trình hòa tan tiếp tục Kết tương tự nghiên cứu thực nghiệm trước Ottawa hỗn hợp mẫu cát muối (hình 3.48) So sánh với biểu đồ thực nghiệm ta thấy kết mô tương đối xác Sự thay đổi hệ số ko thể hình 3.45, hình 3.46 hình 3.47 Kết cho thấy điều kiện khơng nở hơng, q trình hòa tan kèm theo biến dạng đứng gây áp lực lên thành hộp nén ngày gia tăng trường hợp hạt xoay hoàn tồn Trong trường hợp hạt khống chế khơng xoay, xuất lỗ rỗng lớn nên liên tục môi trường suy giảm làm cho hệ số ko suy giảm theo Điều lý thú ghi nhận trường hợp HR=50%, giai đoạn đầu giá trị ko giảm sau lại gia tăng -68- O'XI ow OTO 0w 040 30 1Ữ.0Ữ KKXhŨữ lOO.Otf U na sum đũfíìfl (KPa} (a) 0.9 0.75 0- p ■Ỉ ■> Ĩ ** Em * “* "® - - 05 - *- □ 45 0.3 10 100 1000 ưng SU01