Mô phỏng 3D thí nghiệm nén ba trục đối với hỗn hợp cát trộn sợi địa kỹ thuật bằng phương pháp phần tử rời rạc

Gia cố đất bằng việc trộn sợi địa kỹ thuật (tự nhiên hoặc nhân tạo) là một phương pháp đã được áp dụng trong xây dựng. Đất và sợi địa kỹ thuật được trộn đều để tạo ra hỗn hợp đất-sợi sắp xếp không định hướng. Mục đích của việc gia cố theo cách này là tăng sức chống cắt mà không làm mất khả năng thoát nước của đất được gia cố. Việc nghiên cứu tác dụng của sợi địa kỹ thuật đối với đất rời đã được nhiều nhà khoa học thực hiện.

MƠ PHỎNG 3D THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC ĐỐI VỚI HỖN HỢP CÁT TRỘN SỢI ĐỊA KỸ THUẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC NGUYỄN QUANG TUẤN *,** Three-dimension simulations of triaxial test on fibred-sand mixture using dem Abstract: Soil reinforcement with fibres is one of the effective techniques in geotechnical engineering This paper reports the initial results of study on the shear behaviour of sand reinforced with randomly distributed fibres by the use of numerical discrete element method (DEM) A three dimensional DEM model of trial compression test was developed to analyse the influence of random distributed fibres and identify the mechanism by which the fibres influence the mixed sand at micro scale Sand particles are modelled by simple particles and fibres are modelled by clusters of bonded particles Interactions at contacts between particles are described by simple contact model and bonds in fibre clusters are characterized by shear and tensile strengths Comparing with laboratory tests, the simulation results show that the DEM model can be a promising approach to investigate the behaviour of fibre-reinforced soils The insight of interaction mechanism between fibers and sand matrix can be illustrated Some advantages and limitations of the numerical model in three dimensions model are also discussed Keywords: fibre, sand, DEM, triaxial test, modelling GIỚI THIỆU * Gia cố đất việc trộn sợi địa kỹ thuật (tự nhiên nhân tạo) phương pháp áp dụng xây dựng Đất sợi địa kỹ thuật trộn để tạo hỗn hợp đất-sợi xếp khơng định hướng Mục đích việc gia cố theo cách tăng sức chống cắt mà không làm khả thoát nước đất gia cố Việc nghiên cứu tác dụng sợi địa kỹ thuật đất rời nhiều nhà khoa học thực Tính chất hỗn hợp đất trộn sợi phụ thuộc vào * ** 58 Trường Đại học Thủy lợi E-mail: nqtuan@tlu.edu.vn Viện Địa kỹ thuật, Đại học kỹ thuật Freiberg (TUBAF), CHLB Đức tính chất đất sợi địa kỹ thuật: tính chất vật liệu sợi, loại sợi sử dụng, kích thước hàm lượng trộn Để áp dụng phương pháp cách hiệu quả, đòi hỏi phải có nghiên cứu tác dụng sợi tới khối đất trộn Một số phương pháp giải tích đưa để đánh giá mức độ ảnh hưởng Ví dụ, Michalowski and Zhao [1] giới thiệu tiêu chuẩn phá hoại dựa việc coi đất trộn sợi loại đất đồng để đánh giá định tính tác dụng việc trộn sợi địa kỹ thuật tới sức kháng cắt cát Nghiên cứu phương pháp số thực số tác giả Sivakumar sử dụng phương pháp số liên tục, dùng phần tử cáp (cable element) để mô sợi địa kỹ thuật ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 phần tử tiếp xúc (interface) để mô tương tác sợi địa kỹ thuật cát [2] Yamaguchi, Ibraim đồng sử dụng phương pháp phần tử rời rạc cho mơ hình hai chiều (2D) đất trộn sợi [3, 4] Trong mơ hình phần tử rời rạc 2D, cát mơ hạt tròn sợi địa kỹ thuật mơ chuỗi hạt tròn gắn kết với Các mơ hình mơ tả gia tăng cường độ kháng cắt có mặt sợi địa kỹ thuật Tuy nhiên, mơ hình 2D có hạn chế mơ tiếp xúc truyền ứng suất hạt cát sợi địa kỹ thuật mơ hình 2D hồn tồn chia cách, thực tế khơng gian chiều (3D) tồn tiếp xúc hạt cát xung quanh sợi địa kỹ thuật Trong báo này, tác giả đề xuất thiết lập mơ hình phần tử rời rạc chiều mơ thí nghiệm nén ba trục hỗn hợp đất trộn sợi địa kỹ thuật Mơ hình xây dựng thông qua việc sử dụng phần mềm phương pháp dòng hạt (particle flow codes PFC3D) Itasca [5] Các kết mơ trình bày sở so sánh với kết thí nghiệm phòng Mơ hình 3D bước đầu cho thấy khả thể tốt chế làm việc sợi địa địa kỹ thuật hỗn hợp đất-sợi so với mô hình 2D Bên cạnh đó, mơ hình có khả nghiên cứu ảnh hưởng đặc điểm sợi địa kỹ thuật tới hỗn hợp đất VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu cát Vật liệu cát sử dụng cho nghiên cứu loại cát có nguồn gốc băng tích, lấy Steinbruch Kưplitz, phía Tây Nam thành phố Leipzig, CHLB Đức Thành phần hạt mịn 0,063mm loại bỏ rây ướt Thành phần hạt thô có kích thước 2mm loại bỏ phương pháp rây khô Các tiêu lý đất cát nghiên cứu trình bày bảng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 Bảng Một số tiêu lý vật liệu cát nghiên cứu Chỉ tiêu Hệ số đồng Cu Hệ số cấp phối hạt Cc Khối lượng riêng hạt s (g/cm3) Độ lỗ rỗng nhỏ nmin Độ lỗ rỗng lớn nmax Giá trị 2,81 1,09 2,65 0,28 0,41 2.2 Vật liệu sợi địa kỹ thuật Vật liệu sợi sử dụng địa kỹ thuật làm từ vật liệu nhựa tổng hợp (Polypropylene) Chiều dài sợi từ nhà cung cấp 60mm Tuy nhiên, để phù hợp với việc trộn cho mẫu thí nghiệm ba trục phòng có kích thước nhỏ, sợi cắt nhỏ tới 20mm để trộn với cát (Hình 5) Các thơng số vật lý kỹ thuật vật liệu sợi trình bày Bảng Hình Sợi địa kỹ thuật dạng sản phẩm từ nhà cung cấp dạng cắt ngắn cho thí nghiệm trộn với cát [6] Bảng Các thông số vật lý kỹ thuật sợi địa kỹ thuật Chỉ tiêu Vật liệu Màu Đường kính (mm) Chiều dài (mm) Khối lượng riêng (g/cm3) Độ bền kháng kéo (N/mm2) Giá trị Polypropylene Xám 0,15 – 0,30 20 0,91 570-660 59 THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC Thí nghiệm nén ba trục thực mẫu cát mẫu cát trộn sợi địa kỹ thuật với hàm lượng khác Các thí nghiệm tiến hành điều kiện thoát nước Đối với cát trộn sợi địa kỹ thuật, cát trộn tay bát để tạo hỗn hợp cát – sợi phân bố khơng quy luật (Hình 2) Các mẫu cát trộn với tỷ lệ sợi theo phần trăm khối lượng khác nhau: 0,06%, 0,1%, 0,25%, 0,5% and 1,0 % để nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng sợi tới cát gia cố Kết trộn cho thấy, tỉ lệ sợi 1.0% mẫu xảy tượng phân tầng trình tạo mẫu Kết chi tiết thí nghiệm trình bày nghiên cứu Biele [6] Kết thí nghiệm cho thấy cường độ kháng cắt đất cát cải thiện trộn với sợi địa kỹ thuật Sức chống cắt cực đại sức chống dư tăng, nhiên sức kháng cắt cực đại tăng khơng đáng kể Thậm chí, góc ma sát giảm nhẹ hàm lượng sợi địa kỹ thuật tăng Việc trộn sợi địa kỹ thuật tạo lực dính ảo hỗn hợp cát-sợi Thành phần lực dính tăng theo hàm lượng sợi trộn Tuy nhiên, hàm lượng sợi 0,5%, thành phần lực dính ảo giảm Kết thí nghiệm cho thấy phù hợp với quy luật tìm từ số nghiên cứu trước [7, 8], khác chỗ ngưỡng hàm lượng sợi địa kỹ thuật hiệu 0,75% Kết thí nghiệm cho thấy việc trộn sợi địa kỹ thuật có phần làm giảm độ cứng ban đầu cát Trong điều kiện ứng suất, chuyển vị cắt phá hoại mẫu cát trộn sợi lớn so với mẫu cát không trộn Đặc biệt, trộn với hàm lượng sợi khác nhau, thể tích mẫu tăng đáng kể theo hàm lượng sợi khối lượng mẫu thay đổi 60 Hình Cát trộn sợi địa kỹ thuật trước chế bị mẫu thí nghiệm nén ba trục [6] Hình So sánh đường ứng suất – biến dạng mẫu cát mẫu cát trộn 0,5% sợi [6] MƠ PHỎNG THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC 4.1 Mơ hình mẫu đất Mẫu thí nghiệm mơ hình số PFC 3D xây dựng theo kích thước thực mẫu cát thí nghiệm phòng: mẫu hình trụ có chiều cao 80mm đường kính 40mm Biên quanh mẫu vách hình trụ, phần tử wall sử dụng để tạo áp lực hông lên mẫu Điều kiện áp lực hông tạo lên mẫu cách thay đổi đường kính vách trụ Hai vách phẳng hai đầu mẫu dùng để tạo áp lực nén Quá trình gia tải thực chế điều khiển tự động thông qua thuật tốn mơ hình ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 4.2 Mô vật liệu cát sợi địa kỹ thuật Trong nghiên cứu này, cát mô hạt hình cầu Các sợi địa kỹ thuật mơ hình coi có hình dạng trụ dài mảnh mô chuỗi hạt cầu liên tục gắn kết với Tương tác hạt vị trí tiếp xúc đặc trưng mơ hình tiếp xúc tuyến tính Gắn kết hạt sợi đặc trưng gắn kết (bond) vị trí tiếp xúc hạt Với hạt cầu mô cát gán them mơ hình kháng lăn đơn giản để chuyển động xoay hạt tương đương với hạt có hình dạng Trong nghiên cứu này, vận tốc chuyển động xoay cho Các thông số micro mô hình phần tử rời rạc tiếp xúc gồm mô đun đàn hồi tiếp xúc E c , tỷ số độ cứng (giữa độ cứng theo phương pháp độ cứng theo phương tiếp tuyến) tiếp xúc v c , hệ số ma sát hạt tiếp xúc µ Mơ hình PFC 3D thí nghiệm nén ba trục đối vối mẫu cát thực để xác định thông số cho cát mơ hình Mẫu cát mơ theo thành phần hạt thực tế Tuy nhiên, để giảm số lượng hạt mơ hình, giai đoạn nghiên cứu mẫu tạo có thành phần hạt theo phân phối chuẩn với phạm vi đường kính từ 1,0 mm đến 2,5 mm Các thông số micro gán cho mơ hình trước nén Các thơng số ảnh hưởng kết hợp lẫn tới ứng xử học mẫu Để hiệu chỉnh mơ hình, thông số micro lựa chọn dựa vào việc so sánh kết thí nghiệm mơ hình với kết thí nghiệm phòng Việc hiệu chỉnh mơ hình phần tử rời rạc thường đòi hỏi nhiều thời gian, cơng sức cơng việc khó khăn đối nghiên cứu Sau hiệu chỉnh, thơng số chọn cho mơ hình hạt cát tiếp xúc Bảng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 Bảng Các thông số cát mơ hình sử dụng mơ hình tiếp xúc tuyến tính Thơng số Mơ đun đàn hồi tiếp xúc, Ec [Pa] Tỷ số độ cứng, vc [ - ] Độ lỗ rỗng mẫu cát, n Hệ số ma sát hạt cầu, µ Hệ số ma sát vách, µw Khối lượng riêng hạt p [T/m3] Giá trị 2,0x108 1,0 0,41 0,28 0,0 2650 Gắn kết hạt sợi địa kỹ thuật mô loại gắn kết có PFC3D: Gắn kết đơn (single bond) gắn kết song song (parallel bond), sơ họa Hình trình bày chi tiết tài liệu hướng dẫn PFC3D [5] Gắn kết đơn sử dụng cho mơ hình 2D nghiên cứu khác [4] Gắn kết đơn mô dính kết hạt điểm tiếp xúc, đặc trưng độ bền kháng cắt độ bền kháng kéo, nhiên loại gắn kết khơng có khả kháng uốn, hạt xoay tương đối so với quanh điểm gắn kết Gắn kết đơn sử dụng để mơ sợi mềm Gắn kết song song mơ dính kết hạt thơng qua lớp có bề dày hữu hạn vị trí tiếp xúc, đặc trưng độ cứng, cường độ kích thước diện gắn kết Gắn kết song song có khả kháng uốn, sử dụng để mơ sợi cứng Mơ hình sợi địa kỹ thuật gắn kết đơn gắn kết song song mô Hình Trong nghiên cứu này, sợi địa kỹ thuật coi không bị đứt, gẫy trình làm việc Do đó, thơng số cho gắn kết sợi nhập giá trị cao Bảng Để mô đất cát trộn sợi, chuỗi hạt mô tả sợi địa kỹ thuật đặt vào vị trí ngẫu nhiên khơng định hướng khơng gian mẫu mơ hình Hỗn hợp hạt mô tả cát chuỗi hạt mô tả sợi trộn trình khởi tạo mẫu Mẫu thí nghiệm cho 61 trường hợp có cát cát trộn sợi mơ hình số trình bày Hình (a) (b) (c) Hình Mẫu thí nghiệm mơ hình PFC3D (a) cát; (b) cát trộn sợi địa kỹ thuật sử dụng gắn kết đơn cho mơ hình sợi; (c) cát trộn sợi địa kỹ thuật sử dụng gắn kết song song cho mơ hình sợi Hình Sơ họa gắn kết vị trí tiếp xúc hạt Hình Mơ hình sợi địa kỹ thuật dùng gắn kết đơn dùng gắn kết song song Bảng Các thông số micro sợi địa kỹ thuật mơ hình số Thơng số Chiều dài sợi [mm] Đường kính/chiều rộng sợi [mm] Giá trị 20 0,75 KẾT QUẢ MÔ HÌNH SỐ Khi sử dụng thơng số micro hiệu chỉnh, kết mô cho thấy mô hình phần tử rời rạc có khả mơ ứng xử vật liệu cát cát trộn sợi địa kỹ thuật Hình kết thí nghiệm nén trục mơ hình số cát điều kiện áp lực hông 100kPa 200kPa Mô hình số có khả mơ sát với ứng xử cát (cả độ cứng ban đầu cường độ đỉnh) theo thí nghiệm phòng Mơ hình số có khả mơ mẫu cắt biến dạng lớn Hình quan hệ ứng suất biến dạng theo kết mô sử dụng thông số micro hiệu chỉnh cát trộn 0.5% sợi địa kỹ thuật điều kiện 3=100kPa 200kPa Hạt cầu 700 Độ cứng tiếp tuyến, ks [Pa] 5x107 Hệ số ma sát 0,28 Khối lượng riêng [kg/m3] 910 600 500 3 = 200kPa 400 5x10 [kPa] Deviator ( - Stress ) [kPa] Độ cứng pháp tuyến, kn [Pa] 300 3 = 100kPa 200 phòng Lab.TN Result TNResult DEM DEM 100 Gắn kết 0 10 Độ cứng pháp tuyến [N/m] 1,0x10 Độ cứng tiếp tuyến [N/m] 1,0x1010 Độ bền theo phương pháp tuyến [Pa] 1,0x1012 Độ bền theo phương tiếp tuyến [Pa] 1,0x1012 Hệ số nhân bán kính gắn kết song song 1,0 62 10  [%] 15 20 25 [%] Axial Strain Hình 10 Đường quan hệ ứng suất biến dạng theo kết thí nghiệm phòng mơ hình điều kiện 3=100kPa 3=200kPa cát không trộn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 700 (1-3) [kPa] Deviator Stress [kPa] 600 3 = 200kPa 500 400 300 200 TN Result phòng Lab TN DEM DEM Result 100 3 = 100kPa 0 10 1 Strain [%][%] Axial 15 20 25 ' Hình 11 Đường quan hệ ứng suất biến dạng theo kết thí nghiệm phòng mơ hình điều kiện 3=100kPa 3=200kPa với hàm lượng trộn sợi địa kỹ thuật 0.5% 700 Deviator Stress [kPa] ( 1-3) [kPa] 600 500 400 300 Lab sand phòng TNpure cát Lab TNfibre-mixed cát trộn sợisand ĐKT DEM fibre using bond TN DEM dùngcontact gắn kết đơn TN DEM dùngparallel gắn kếtbond song song DEM fibre using 200 100 0 10 15  [%] 20 25 Strain [%] Axial Hình 12 Kết thí nghiệm nén trục điều kiện 3=200kPa sử dụng mơ hình gắn kết khác cho sợi địa kỹ thuật (1-3) [kPa] Deviator Stress [kPa] 400 300 200 DEM fibre 20mm TN DEM vớilength sợi dàiof20mm DEM fibre 10mm TN DEM vớilength sợi dàiof10mm 100 0 10 15 1Axial [%]Strain [%] 20 25 Hình 13 đường quan hệ ứng suất biến dạng điều kiện 3=100kPa với chiều dài sợi địa kỹ thuật khác So sánh việc sử dụng loại gắn kết mô hình sợi địa kỹ thuật cho thấy loại sợi sử dụng nghiên cứu này, khả mô gắn kết song song tốt so với gắn kết đơn (Hình 12) Quan hệ ứng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 suất – biến dạng sau phá hoại có phần lệch so với kết thí nghiệm, ngun nhân kích thước sợi địa kỹ thuật mơ hình chưa phù hợp Mơ hình số khẳng định thêm ảnh hưởng chiều dài sợi địa kỹ thuật tới hỗn hợp cát trộn sợi địa kỹ thuật Như Hình 13, trộn sợi dài hỗn hợp cát tạo có sức kháng cắt dư cao độ cứng ban đầu đất trộn có phần nhỏ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Bài báo giới thiệu việc lập mơ hình phần tử rời rạc 3D cho thí nghiệm nén ba trục vật liệu cát trộn sợi địa kỹ thuật Kết ban đầu cho thấy mơ hình phương pháp phần tử rời rạc phù hợp cho việc mô đặc điểm hỗn hợp cát trộn sợi địa kỹ thuật Mơ hình phần tử rời rạc cơng cụ hữu hiệu cho nghiên cứu ảnh hưởng sợi trộn tới hỗn hợp cát-sợi địa kỹ thuật Mơ hình có khả xem xét yếu tố kích thước, độ cứng hàm lượng trộn sợi địa kỹ thuật Từ kết thí nghiệm phòng thí nghiệm mơ hình cho thấy việc trộn sợi địa kỹ thuật vào đất cát có ảnh hưởng tới đặc tính học đất trộn Tuy nhiên, nghiên cứu ảnh hưởng việc trộn sợi với loại cát nghiên cứu không đáng kể Cát trộn sợi địa kỹ thuật có cường độ kháng cắt cường độ kháng cắt dư cao so với cát không trộn Độ cứng ban đầu hỗn hợp cát trộn sợi thấp so với cát không trộn Loại gắn kết sử dụng cho mơ hình sợi địa kỹ thuật có vai trò quan trọng tới kết mơ Loại gắn kết ảnh hưởng độ chặt đặc điểm nén lún mẫu mơ hình số Trong nghiên cứu này, gắn kết song song làm cho sợi cứng hơn, gắn kết song song cho kết mơ tốt hơn, đặc biệt q trình tạo mẫu Kết mơ xác thơng số micro cho sợi mơ hình hiệu 63 chỉnh dựa thí nghiệm học thực tế sợi địa kỹ thuật Do hạn chế số lượng hạt sử dụng mơ hình nên phải dùng hạt lớn so với thực tế Do đó, dạng cấp phối hệ số tỉ lệ cấp phối hạt mơ hình cấp phối hạt thực tế cần xem xét thận trọng Mơ hình phần tử rời rạc phát triển tiếp để nghiên cứu tính chất học đất cát trộn sợi có xét ảnh hưởng việc trộn sợi địa kỹ thuật điều kiện đầm chặt khác nhau, cho cấp phối hạt khác Tiếp theo, mơ hình hỗ trợ nghiên cứu để giảm bớt cơng tác thí nghiệm phòng, dùng kết mô để xây dựng đường bao phá hoại cho vật liệu hỗn hợp cát trộn sợi địa kỹ thuật LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu thực thời gian tác giả học tập làm việc Viện Địa kỹ thuật - Đại học kỹ thuật Freiberg (Institut für Geotechnik - TUBAF) Tác giả cảm ơn TS Ernst-Dieter Hornig đóng góp thơng tin số liệu thí nghiệm phòng, cảm ơn TS Martin Herbst giúp đỡ việc lập trình xây dựng mơ hình số Tác giả cảm ơn GS TS Heinz Konietzky góp ý cho nội dung báo TÀI LIỆU THAM KHẢO Michalowski, R and A Zhao, Failure of Fiber-Reinforced Granular Soils Journal of Geotechnical Engineering, 1996 122(3): p 226-234 Sivakumar Babu, G.L., A.K Vasudevan, and S Haldar, Numerical simulation of fiberreinforced sand behavior Geotextiles and Geomembranes, 2008 26(2): p 181-188 Yamaguchi, T., et al., 2D DEM analysis on reinforcement effect in granular material using fibre Journal of Applied Mechanics,JSCE, 2009 12: p 497-506 Ibraim, E., et al., Fibre-reinforced granular soils behaviour: numerical approach, in International Symposium on Geomechanics and Geotechnics of Particulate Media, Hyodo, H Murata, and Y Nakata, Editors 2006, Taylor & Francis Group: Ube, Yamaguchi, Japan p 443 - 448 Itasca, PFC3D Version 4.0 - Theory and Background2008, Minneapolis, Minnesota: Itasca Consulting Group, Inc Biele, J., Untersuchung der Sherfestigkeit von Boden im Labor unter Zugabe von Kunsttstofffasern, in Geowissenschaften, Geotechnik und Bergbau2014, TU Freiberg: Freiberg Prabakar, J and R.S Sridhar, Effect of random inclusion of sisal fibre on strength behaviour of soil Construction and Building Materials, 2002 16(2): p 123-131 Krishna Rao, S.V and A.M.A Nasr, Laboratory Study on the Relative Performance of Silty-Sand Soils Reinforced with Linen Fiber Geotechnical and Geological Engineering, 2012 30(1): p 63-74 Người phản biện: PGS.TS ĐOÀN THẾ TƯỜNG 64 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 ... 59 THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC Thí nghiệm nén ba trục thực mẫu cát mẫu cát trộn sợi địa kỹ thuật với hàm lượng khác Các thí nghiệm tiến hành điều kiện thoát nước Đối với cát trộn sợi địa kỹ thuật, cát. .. trục vật liệu cát trộn sợi địa kỹ thuật Kết ban đầu cho thấy mơ hình phương pháp phần tử rời rạc phù hợp cho việc mô đặc điểm hỗn hợp cát trộn sợi địa kỹ thuật Mô hình phần tử rời rạc cơng cụ hữu... sợi trộn tới hỗn hợp cát- sợi địa kỹ thuật Mơ hình có khả xem xét yếu tố kích thước, độ cứng hàm lượng trộn sợi địa kỹ thuật Từ kết thí nghiệm phòng thí nghiệm mơ hình cho thấy việc trộn sợi địa