CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TÓAN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG ĐẤT-XIMĂNG CHO CÔNG TRÌNH CỤ THỂ Ở KHU VỰC QUẬN 2
5.3. Phân tích móng băng trên nền gia cố cọc đất-ximăng bằng phần meàm Plasix
5.3.1 Giới thiệu chương trình Plasix
5.3.1.1 Caỏu truực chửụng trỡnh
PLAXIS gồm những chương trình sau :
t X(m) R n Fn U
0.5 0.9 0.504 1.26 0.969 0.344
1 0.9 0.504 1.26 0.969 0.569
1.5 0.9 0.504 1.26 0.969 0.717
2 0.9 0.504 1.26 0.969 0.815
2.5 0.9 0.504 1.26 0.969 0.878
3 0.9 0.504 1.26 0.969 0.920
3.5 0.9 0.504 1.26 0.969 0.948
4 0.9 0.504 1.26 0.969 0.966
PLAXIS INPUT (NHẬT DỬ LIỆU)
PLAXIS CALCULATION
(TÍNH TOÁN)
PLAXIS OUTPUT
(XUẤT KẾT QUẢ) PLAXIS CURVES (VẼ BIỂU ĐỒ) PLASIX
* Chương trình nhập dữ liệu (Plaxis input program) :
Chương trình nhập dữ liệu chứa đựng tất cả các phương tiện thuận lợi để tạo hoặc chỉnh sửa một mô hình hình học, để phát sinh lưới phần tử phù hợp điều kiện ban đầu.
* Chương trình tính toán (Plaxis calculations program) :
Chương trình tính toán được thực thi sau khi xây dựng xong mô hình phần tử hữu hạn. Khi đó cần định nghĩa loại tính toán nào được dùng và loại tải trọng nào tác động trong suốt quá trình tính toán. PLAXIS cho phép tính toán nhiều loại phần tử hữu hạn. Một dự án xây dựng trong thực tế, chia làm nhiều giai đoạn, do vậy, quá trình tính toán cũng chia làm nhiều giai đoạn tính. Mỗi giai đoạn tính toán chia làm nhiều bước tính toán. Điều này là cần thiết, bởi vì ứng xử phi tuyến của đất đòi hỏi tải trọng được đặt lên từng phần nhỏ (bước tải) đủ để tiến đến lời giải cuối cùng.
* Chương trình xuất kết quả (Plaxis output program) :
Chương trình xuất kết quả về chuyển vị nút, ứng suất tại các điểm nút của mỗi phần tử đất và kết cấu. Chương trình có sự tiện lợi khi xem và liệt kê kết quả của việc tính toán phần tử hữu hạn. PLAXIS có thể trình bày tất cả các kết quả phân tích của một phần tử hữu hạn bất kỳ.
* Chương trình vẽ biểu đồ (Plaxis curves program) :
Chương trình vẽ biểu đồ có thể dùng để vẽ đường tải hay chuyển vị theo thời gian, vẽ biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng, vẽ đường ứng suất, đường biến dạng của những điểm được chọn trước. Biểu đồ chỉ ra sự phát triển của những thông số nào đó trong suốt quá trình tính toán nhiều giai đoạn khác nhau, cho một cái nhìn thấu đáo hơn về ứng xử tổng thể và cục bộ của đất.
5.3.1.2. Tính naêng cuûa Phaàn meàm Plaxis
Phân tích 1 vấn đề địa kỹ thuật có thể được thực hiện nhờ vào nhiều chương trình nguồn phần tử hữu hạn. Những kỹ sư giàu kinh nghiệm trong lĩnh vực này biết rằng thật khó đánh giá tầm quan trọng của những giả thuyết cho phép chuyển từ bài toán thực về mô hình. Bên cạnh đó việc rời rạc hoá thành các phần tử đôi khi gây
ra tâm lý chán ngán. Người ta mong muốn làm sao để không phải can thiệp vào việc đánh số các nút, các phần tử, việc đó nên để cho các phần mềm tự động hoá đánh số. Người ta chỉ thích cài đặt các chương trình nguồn lên máy tính để xử lý các vấn đề kỹ thuật thông thường cũng như để nghiên cứu các thông số của những vấn đề phức tạp mà không phải mất cả ngày với việc nhập tỉ mỉ các số liệu đầu vào.
Được thiết kế bởi nhóm các Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực địa kỹ thuật và phương pháp số, hiện tại phần mềm PTHH Plaxis thể hiện nhiều tính năng ưu việt trên cả hai mặt ứng dụng và nghiên cứu khoa học trong các bài toán tĩnh 2D. Về mặt chuyên môn mà nói, nó là 1 công cụ phân tích các loại ứng xử đàn dẻo phi tuyến không chuẩn (5 thông số), có kể đến áp lực nước lỗ rỗng (và ngay cả cố kết tuyến tính), được trang bị các phương pháp giải và các thuật toán mạnh thông qua qui trình tự động giúp cho người sử dụng không đối mặt với những chọn lựa khó.
5.3.1.3. Các lựa chọn mặc định, lời giải gần đúng
Hệ thống lựa chọn mặc định và lời giải gần đúng là 1 trong những công cụ mũi nhọn của chương trình đối với ngành địa kỹ thuật hướng đến việc tiết kiệm thời gian, tránh phải lo lắng chọn lựa nhằm mục đích cải thiện tính dễ sử dụng của chửụng trỡnh.
Các lựa chọn mặc định bắt đầu từ việc chia lưới: lưới chia phần tử được thiết lập 1 cách tối ưu theo quan điểm của phương pháp số, hoàn toàn được phát sinh bởi phầm mềm từ 1 số ít các nút cơ bản, với sự kiểm soát thường xuyên ở trên màn hình.
Cũng như vậy đối với điều kiện biên về chuyển vị: nếu chúng phức tạp, người kỹ sư phải chuyên biệt hoá các phần phụ 1 cách chính xác nhất, từ mặt này đến mặt khác. Ngược lại, nếu chúng có 1 tính chất chuẩn (vec tơ chuyển vị bằng không ở chân của miền ta nghiên cứu và vec tơ chuyển vị ngang bằng không trên mặt hông), việc áp dụng có thể được thực hiện 1 cách tự động (mặc định) với việc kiểm soát ngay lập tức kết quả trên màn hình.
Tác động của ứng suất ban đầu do trọng lượng bản thân của đất có thể được thực hiện chính xác bằng cách kích hoạt hệ số gia tải thông qua trọng lượng riêng.
Ngược lại, thường nếu trong địa kỹ thuật người ta biết cách đánh giá trạng thái K0
cho trước, nó có thể được chuyên biệt hoá 1 cách trực tiếp. Trong trường hợp này, khối đất thường hơi bị mất cân bằng (Sự không tương thích giữa K0 và các tính chất cơ học khác). Menu cho phép bởi 1sự gia tải tưởng tượng bằng 0, thiết lập lại sự cân bằng của khối đất, rồi thiết lập lại trường chuyển vị bằng 0 ban đầu bằng cách xem như trạng thái khởi đầu của vật liệu sau khi bị tác dụng lực trọng trường. Lựa chọn K0 thì đặc biệt thú vị và thực tế trong trường hợp 1 mô hình không đồng nhất
khi mặt thoáng gần như nằm ngang (tường trong đất yếu chẳng hạn Aùp lực nước lỗ rỗng là yếu tố được xem xét kỹ trong Plaxis: Đối với những ai mong muốn tính toán chính xác trường áp lực nước lỗ rỗng trong chế độ chảy tầng hoặc chảy rối, đó là điều có thể thực hiện được nhờ vào module dòng chảy trong môi trường xốp. Dĩ nhiên quá trình này đòi hỏi về thời gian. Nếu mặt nước ngầm gần như nằm ngang, ở trạng thái đầu tiên và cuối cùng, người ta thấy rằng áp lực này khác rất ít áp lực thuỷ tĩnh. Nếu chúng ta chấp nhận trường áp lực này 1 cách gần đúng, các tính toán trở nên đơn giản rất nhiều vì chỉ cần xác định sự thay đổi của lực đẩy Archimède, Plaxis cung cấp khả năng này và được đánh giá rất cao. Việc đưa vào các tính toán phi tuyến tạo ra sự mềm dẻo trong sử dụng mà chương trình mang lại: Người sử dụng có thể tự chọn độ lớn và số lượng các lần gia tải, độ cứng tiếp xúc, phương pháp giải… Nếu người ta không muốn can thiệp vào, chương trình sẽ tự quyết định lấy. Đối với các tính toán cố kết được thực hiện bằng sai phân hữu hạn tiến về thời gian, việc chọn lựa bước thời gian có thể do người sử dụng quyết định hoặc là dùng chọn lựa mặc định theo các tiêu chuẩn số được biết.
Hệ số an toàn là khái niệm ít mang tính trừu tượng trong địa kỹ thuật vì nó tóm lược thành 1 thông tin, 1 lượng đáng kể các dữ liệu. Phương pháp gần đúng cổ điển đánh giá hệ số này theo lý thuyết cân bằng giới hạn, với giả thiết giảm 1 cách tỷ lệ cường độ của vật liệu, điều này không thể hiện rõ trạng thái phá hoại thật. Đó cũng chính là phương pháp thích hợp với PTHH đàn dẻo, dùng để đánh giá hệ số an toàn trong Plaxis. Tiêu chuẩn phá hoại ở đây được đánh giá bởi người phân tích, nó được thiết lập dựa vào mức chuyển vị của 1 điểm trên công trình nghiên cứu. Dĩ nhiên trường chuyển vị có được hoàn toàn giả tưởng.
5.3.1.4. Các thông số và mô hình nền sử dụng trong Plaxis Giới thiệu
Ưùng xử cơ học của đất có thể được mô hình với nhiều mức độ chính xác khác nhau.
Chẳng hạn ứng xử đàn hồi tuyến tính đẳng hướng của Hooke có thể được xem như là quan hệ đơn giản nhất của ứng suất và biến dạng. Nó chỉ bao gồm 2 thông số:
module Young E và hệ số Poisson ν. Vì được mô hình quá thô thiển nên không thể hiện được những đặc trưng ứng xử của đất. Tuy nhiên đối với những phần tử kết cấu và những lớp đá gốc, ứng xử đàn hồi tuyến tính xem như thích hợp.
Phạm vi sử dụng của 3 mô hình khác nhau
Mô hình Morh – Coulomb (MC): Mô hình đàn dẻo MC bao gồm 5 thông số: E, ν cho tính đàn hồi của đất; ϕ, c cho tính dẻo của đất; và ψ là góc giãn nở. Mô hình này biểu thị sự xấp xỉ “bậc nhất” ứng xử của đất đá. Khuyến cáo sử dụng mô hình này cho sự phân tích đầu tiên của bài toán. Đối với mỗi lớp đất người ta ước lượng 1 độ cứng trung bình không đổi. Dựa vào độ cứng không đổi, sự tính toán có
khuynh hướng rất nhanh và thu được những kết quả đầu tiên của biến dạng. Ngoài 5 thông số được đề cập ở trên, điều kiện ban đầu của đất nền đóng vai trò thiết yếu trong hầu hết các vấn đề biến dạng của đất. Ưùng xử ban đầu trong đất theo phương ngang phải được phát sinh bởi lựa chọn thích hợp giá trị K0. Mô hình đất củng cố (Hardening – soil model): Mô hình đất củng cố thể hiện nhiều tiến bộ hơn so với mô hình MC. Chẳng hạn như đối với mô hình MC, những trạng thái giới hạn của ứng suất được diễn tả bằng góc ma sátϕ, lực dính c, góc giãn nởψ. Độ cứng của đất được diễn tả với độ chính xác nhiều hơn bởi việc sử dụng 3 dữ liệu độ cứng nhập vào khác nhau: Độ cứng gia tải 3 trục E50; độ cứng dỡ tải 3 trục Eur và độ cứng gia tải 1 trục Eoed. Theo những giá trị trung bình đối với nhiều loại đất khác nhau, chúng ta có Eur ≈ 3E50 và Eoed ≈E50, nhưng cả 2 loại đất rất yếu và rất cứng có xu hướng cho những tỉ số
E50
Eoed khác.
Ngược với mô hình MC, mô hình đất củng cố lý giải được sự phụ thuộc của module độ cứng vào ứng suất. Điều này có nghĩa rằng tất cả độ cứng tăng theo áp lực. Như vậy cả 3 dữ liệu độ cứng nhập vào liên hệ với ứng suất tham khảo, thường được chọn ở 100 kPa (1 bar).
Mô hình đất mềm yếu – từ biến (soft – soil – sreep Model): Mô hình Hardening – soil ở trên phù hợp cho tất cả các loại đất, nhưng nó không lý giải đến ảnh hưởng nhớt như từ biến, chùng ứng suất. Thật vậy tất cả các loại đất đều có tính từ biến, sự nén chặt lần thứ nhất luôn được theo sau bởi 1 lượng đáng kể của sự nén chặt lần thứ 2. Nếu thừa nhận rằng sự nén thứ cấp (xảy ra trong 10 hoặc 30 năm) là 1 phần của sự nén sơ cấp thì từ biến đóng vai trò quan trọng khi sự nén lún sơ cấp lớn. Chẳng hạn như đắp đập trên đất yếu, độ lún sơ cấp lớn được theo sau bởi độ lún từ biến đáng kể trong những năm sau đó.Trong những trường hợp này cần thiết phải tính đến từ biến.
Lưu ý khi phân tích với những mô hình khác nhau
Nên sử dụng mô hình MC cho sự phân tích đầu tiên để có được kết quả nhanh và đơn giản của vấn đề. Hoặc khi thiếu dữ liệu, không có lợi gì khi phân tích sâu hơn nữa.
Trong nhiều trường hợp khi có dữ liệu tốt của các lớp đất thì sử dụng mô hình Hardening – soil để phân tích sâu thêm. Thực tế hiếm khi có kết quả thí nghiệm từ cả thí nghiệm 3 trục và nén 1 trục không nở hông, nhưng dữ liệu đầy đủ có thể được suy từ những sự liên hệ hoặc thí nghiệm hiện trường.
Cuối cùng phân tích mô hình soft – soil – creep có thể được dùng để đánh giá quá trình từ biến của đất yếu. Những ý tưởng phân tích vấn đề địa kỹ thuật trên đây với những mô hình đất khác nhau dường như tốn kém nhưng nó có khuynh hướng mang
lại kết quả. Trước hết dựa vào cơ sở phân tích MC nhanh, đơn giản và sau đó là quá trình hạn chế lỗi.