5. Cấu trúc của luận văn
3.1.2. Yêu cầu thiết kế
Mục đích của việc tính toán nhằm xác định các thông số chủ yếu được nghiên cứu khi không xử lý, chiều cao đắp tối đa của nền đường có thể đạt được là bao nhiêu, độ lún và hệ số ổn định tương ứng lúc đó.
Dựa vào đề xuất các giải pháp xử lý đất yếu được nêu, tác giả tiến hành tính toán và so sánh cho nền đường đầu cầu với chiều cao đất đắp ≥ 3m độ dốc dọc khoảng 3%, mố cầu cao khoảng 5m, bề rộng nền đường ≥ 9m, đường cấp IV trở lên, chiều dày tại khu vực đất yếu khoảng 12m.
Tính toán lún và ổn định dựa trên phần mềm Plaxis v8.2 (Hệ số ổn định sau khi xử lý phải đạt Kmin ≥ 1,2 trong giai đoạn thi công và Kmin ≥ 1,4 khi công trình được đưa vào sử dụng). Độ lún dư cho nền đường đầu cầu là 100mm.
Vị trí tại đường đầu cầu: Bề rộng nền đường là 10m. H đắp thay đổi theo trắc dọc và cao độ đường đỏ, chiều sâu lớp đất yếu là Hbùn = 15m.
Giới thiệu phần mềm Plaxis 3.2.
Phần mềm Plaxis được phát triển từ năm 1987 tại Đại học Công nghệ Delff-Hà Lan, phần mềm này được xây dựng theo phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề về địa kỹ thuật. Hiện nay, phần mềm Plaxis và GeoStudio là hai bộ phần
Hình 3.3 Mặt cắt ngang nền đường đầu cầu Hình 3.3 Mặt cắt ngang nền đường đầu cầu Lớp 2 Lớp 2
Lớp 3 Lớp 3
mềm khá đầy đủ những bài toán Địa Kỹ thuật thường gặp trong thực tế, thân thiện người dùng và được nhiều nước trên thế giới ưa chuộng.
Bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn được tính toán với các bước:
Chia lưới phần tử hữu hạn.
Chuyển vị tại các nút là các ẩn số.
Chuyển vị bên trong các phần tử được nội suy từ các chuyển vị nút. Thiết lập mô hình vật liệu (quan hệ ứng suất và biến dạng).
Thiết lập các điều kiện biên về chuyển vị và lực.
Giải hệ phương trình tổng thể cân bằng lực, cho kết quả chuyển vị nút. Tính toán các đại lượng khác như ứng suất, biến dạng.
Phần mềm Plaxis sử dụng phương pháp PTHH để tính toán theo trình tự:
Xác định các mô hình hình học để mô hình hóa bài toán. Nhập và gán vật liệu.
Thiết lập điều kiện ban đầu. Tạo lưới phần tử hữu hạn.
Tính toán theo các giai đoạn: Phân tích dẻo. Phân tích cố kết, có thể tính toán theo các giai đoạn thi công đắp nền đường. Phân tích ổn định theo phương pháp giảm c-ϕ. Có thể cập nhập lưới tính toán và thay đổi các điều kiện mực nước.
Xuất kết quả: Các kết quả có thể biểu diễn dưới dạng đồ thị hoặc lập thành bảng với các giá trị chuyển vị, ứng suất, nội lực, hệ số ổn định… Có thể biểu diễn các kết quả tại một mặt cắt bất kỳ.
Phần mềm Plaxis có các menu chính:
Calc: Tính toán theo các giai đoạn
Output: Xuất các kết quả lưới chuyển vị, các giá trị ứng suất…
Curves: Xuất kết quả chuyển vị, áp lực nước lỗ rỗng, hệ số ổn định theo biểu đồ hoặc theo bảng.
Trong mỗi bài toán được phân tích bằng phần mềm Plaxis điều quan trọng là lập mô hình hình học. Mô hình hình học dạng 2D là tiêu biểu, bao gồm các điểm (points), các đường (lines), và các miền (cluster). Một mô hình hình học gồm: phân tầng lớp đất cho các lớp đất riêng rẽ, đối tượng kết cấu, các giai đoạn thi công và tải trọng. Mô hình phải đủ rộng để điều kiện biên không ảnh hưởng kết quả của vấn đề nghiên cứu. Ba loại cấu kiện trong mô hình hình học được miêu tả chi tiết dưới đây:
Điểm (Points): Điểm dùng mô tả tại các vị trí bắt đầu và kết thúc của đường.
Điểm còn sử dụng để định vị các điểm neo, khống chế điểm, các lực tập trung, làm mịn cục bộ lưới phần tử.
Đường (Lines): Đường dùng xác định ranh giới vật lý của hình học, biên của mô hình và các gián đoạn trong mô hình hình học như tường, vỏ, phân chia các lớp đất hoặc các giai đoạn thi công. Một đường có thể có nhiều chức năng.
Miền hay còn gọi là vùng (Cluster): Là một diện tích bao bọc bởi các đường (miền đóng). Phân mềm Plaxis nhận biết miền dựa vào việc nhập các đường hình học. Một miền đặc trưng đất là đồng nhất, có thể coi miền như lớp đất. Các tác động liên quan tới miền áp dụng cho toàn bộ các phần tử trong miền. Sau khi tạo mô hình hình học, dựa trên bố cục của các miền và các đường trong mô hình hình học, mô hình PTHH tự động cập nhật lưới. Trong lưới PTHH, có các yếu tố phần tử và điểm ứng suất.
Phần tử (Elements): Khi tạo lưới, các miền (cluster) được chia thành các phần tử tam giác. Có thể lựa chọn loại phần tử 6 nút hoặc loại 15 nút. Phần tử 6 nút có ưu điểm tính toán nhanh và tiện lợi trong các trường hợp. Phần tử 15 nút hiệu quả với
việc tính toán chính xác về ứng suất và tải trọng phá hoại… Việc xem xét chia phần tử cũng thực hiện như trên (như cho phát sinh lưới thô theo mặc định) người dùng nhận thấy lưới gồm các phần tử 15 nút chung, chuyển vị (ux và uy) được tính tại các nút. Nút được lựa chọn trước để phát sinh đồ thị của chuyển vị và tải trọng.
Nút (Nodes): Phần tử 15 nút bao gồm 15 nút và phần tử 6 nút bao gồm 6 nút. Phân chia các nút trên phần tử. Các phần tử liền kề được nối với nhau qua các nút chung, chuyển vị (ux và uy) được tính tại các nút. Nút được lựa chọn trước để phát sinh đồ thị của chuyển vị và tải trọng.
Điểm ứng suất (Stress points): Tương phản với chuyển vị, ứng suất và biến dạng được tính toán tại các điểm tích phân Gaussian (điểm ứng suất) khác với tại nút. Một phần tử tam giác 6 nút chứa 3 điểm ứng suất và phần tử 15 nút chứa 12 điểm ứng suất. Các điểm ứng suất được lựa chọn trước để tạo đường ứng suất hoặc biểu đồ ứng suất - chuyển vị.
Khi phân tích, tính toán các giải pháp nối tiếp kết cấu giữa cầu và đường nói riêng và bài toán địa kỹ thuật nói chung trên phần mềm Plaxis thì giai đoạn mô hình hoá bài toán có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Kết quả tính toán thu được có độ tin cậy cao hay không hoàn toàn phụ thuộc vào việc mô hình hóa. Mô hình hoá càng chính xác, phản ánh đúng sự làm việc thực tế của kết cấu và môi trường đất thì kết quả thu được có độ chính xác cao. Trong đó, mô hình phẳng được sử dụng phổ biến trong tính toán kết cấu công trình và môi trường đất. Việc lập mô hình tính phẳng tương đối đơn giản, kết quả xử lý nhanh. Đối với vùng nối tiếp giữa cầu và đường có đặc điểm về kết cấu và điều kiện địa chất không phức tạp thì mô hình tính phẳng cho kết quả đủ độ chính xác. Nếu sử dụng các giải pháp nối tiếp có tính chất kỹ thuật phức tạp nên sử dụng mô hình không gian để phân tích. Mô hình không gian cho phép mô phỏng một cách gần đúng nhất sự làm việc của kết cấu nối tiếp với môi trường đất đá xung quanh.
Mô hình hoá kết cấu nối tiếp trên phần mềm Plaxis cần quan tâm đến các nội dung về dạng phân tử, nguyên tắc chia lưới phần tử, phạm vi ảnh hưởng khi mô hình của bài toán, các mô hình đất nền. Tuỳ thuộc yêu cầu tính toán mà lựa chọn các thông số cho mô hình được thực hiện một cách hợp lý để mang lại kết quả có độ tin cậy cao.
Giải pháp nối tiếp kết cấu giữa cầu và đường được nghiên cứu là cọc xi măng đất có chiều dài thay đổi, vải địa kỹ thuật kết hợp với hệ cọc xi măng. Đối với các giải pháp này có 3 vấn đề cần quan tâm: Phần tử kết cấu (cọc xi măng đất, cọc đóng, vải địa kỹ thuật), phần tử đất, phần tử tiếp xúc giữa đất và kết cấu.
3.2.1. Phần tử kết cấu
Các phần tử kết cấu được mô tả tương tự như đối với bài toán kết cấu thông thường. Tuỳ theo mô hình tính toán của kết cấu mà các phần tử có thể được mô tả là phần tử thanh (bar), dầm (beam) đối với mô hình phẳng hoặc phần tử tấm vỏ (shell) đối với mô hình không gian.