CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯỜNG
4.2 Phân tích tường MSE bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Một loạt biến mô hình (bảng 4.1) được sử dụng để thay đổi kích thước hình học và thuộc tính vật liệu theo mục tiêu phân tích.
Điều kiện biên của mô hình bao gồm những chuyển vị cưỡng bức vuông góc với biên (hình 4.1). Những ảnh hưởng của biên lên ứng xử của mô hình được xem xét tương ứng với khoảng cách của tường đến biên phải của mô hình. Trong trường hợp cuối cùng, tổng bề rộng của đất đắp là 20m. Đối với tất cả các trường hợp, bề rộng đất đắp này đảm bảo vùng biến dạng sau tường không gần với biên của mô hình. Một loạt các trường hợp thay đổi bề rộng đất đắp từ 10m đến 20m. Điều này đã chứng minh rằng phạm vi của biên ảnh hưởng đáng kể đến quả khi vùng chủ động phát triển sau tường gần hay tiến gần đến biên phải của mô hình. Những ảnh hưởng của sự gần biên này làm gia tăng ổn định của tường bởi vì những chuyển vị ngang bị ràng buộc nằm dọc biên phải.
Bề mặt tường được cụ thể là những tấm bêtông với chiều cao thay đổi từ 0.9m đến 1.4m và chiều dày cố định là 0.2m. Mỗi khối mới được đặt chính xác trên khối trước đó. Khi việc xây dựng tiếp tục, tường nghiên về phía ngoài là kết quả của chuyển vị tích lũy. Tương quan khối – đất, đất - cốt được mô hình là những phần tử tieáp xuùc.
Trong suốt quá trình xây dựng, những lớp cốt được đặt theo sơ đồ được thiết lập bởi khoảng cách cụ thể (bảng 4.2). Mỗi lớp cốt được thiết kế với phần tử neo và vải địa kỹ thuật có sẵn trong Plaxis. Phần tử neo hay phần tử vải địa kỹ thuật là phần tử một chiều dọc trục. Phần tử dầm thể hiện những tấm tường bao.
Mỗi tường được mô hình để tiến đến sự phá hoại bằng việc gia tăng chiều cao tường, trong khi giữ chiều dài cốt là 4m. Trong quá trình giải, tường tiến đến biên phá hoại (trạng thái cực hạn), nhưng quá trình xây dựng tiếp tục cho đến khi sự phá hoại xảy ra. Trạng thái tương ứng với tường ở biên phá hoại được gọi là trạng thái cực hạn. Một trạng thái cực hạn được định nghĩa bằng việc phân tích những thông số vật lý và số học như sự phát triển của bề mặt trượt, số lượng bước tính toán để cân bằng hệ thống sau khi đặt mỗi lớp cốt, chuyển vị tích lũy lớn nhất của hệ thống trong suốt quá trình xây dựng. Trong nghiên cứu hiện tại, một trạng thái cực hạn được chỉ ra khi ít nhất ba sự kiện sau xảy ra đồng thời: (1) một mặt trượt được phát triển đầy đủ, (2) chuyển vị tích lũy lớn nhất gia tăng tuyến tính, (3) số lượng bước tính toán trên một lớp gia tăng nhanh chóng.
Chiều cao và tỷ số chiều dài/chiều cao ở trạng thái cực hạn được gọi là chiều cao cưc hạn (hcr) và tỷ số chiều dài/chiều cao cực hạn (l/hcr) tương ứng. Trạng thái mô hình tương ứng với tường cao hơn tường ở trạng thái cực hạn được gọi là trạng thái phá họai. Trạng thái ổn định tương ứng tường có chiều cao bằng với chiều cao cực hạn và tỷ số l/hcr lớn hơn tỷ số (l/hcr)cr. Định nghĩa phá họai, cực hạn và trạng thái ổn định của mô hình được minh họa trong hình 4.2.
Hình 4.2 Định nghĩa các trạng thái của mô hình
Trong quá trình giải, tường được xây dựng cho đến khi phá họai. Mô hình dừng trong hai trường hợp sau:
• Khi biến dạng quá mức trong một phần tử nào đó được tìm thấy.
• Khi mô hình tiến đến chiều cao cuối cùng nào đó của tường và trạng thái cân bằng đạt được.
4.2.2 Phương pháp mô hình
Mô hình PTHH được cập nhật liên tục bằng việc thêm tấm tường bao, lớp đất đắp và cốt cho đến khi phá hoại, nó tượng trưng cho trình tự xây dựng thực của tường. Ví dụ, thứ tự mô hình của một tường với khoảng cách cốt là 0.5m bao gồm những bước sau:
• Bước 1: Mô hình nền móng.
• Bước 2: Đặt tấm tường bao của lớp đất thứ 1.
• Bước 3: Đặt lớp đất gia cường và đất đắp, đồng thời đặt cốt của lớp đất thứ 1.
• Bước 4: Đặt tấm tường bao của lớp đất thứ 2.
• Bước 5: Đặt lớp đất gia cường và đất đắp, đồng thời đặt cốt của lớp đất thứ 1.
• Bước 6: Đặt tấm tường bao của lớp đất thứ 3.
• Bước 7: Đặt lớp đất gia cường và đất đắp, đồng thời đặt cốt của lớp đất thứ 1.
Hình 4.3 Mô tả quá trình xây dựng của tường Quá trình xây dựng tường tiếp tục như trên cho đến khi phá hoại.
Việc xây dựng tường sử dụng phương pháp PTHH tiếp tục cho đến khi chương trình dừng lại do những biến dạng quá lớn trong một phần tử nào đó. Ở giai đọan này, biến dạng trong hệ thống là lớn và tương ứng với tường bị phá hoại. Những thông số số học và vật lý như là sự phát triển của bề mặt trượt, chuyển vị lớn của hệ thống được tích lũy trong suốt quá trình xây dựng tường, số lượng bước tính toán cần thiết để cân bằng hệ thống sau khi đặt mỗi lớp cho phép định nghĩa chiều cao cực hạn của tường. Chiều cao này tương ứng với tường ở biên phá hoại. Tất cả những trạng thái tương ứng với một chiều cao hơn chiều cao cực hạn là trạng thái phá hoại. Để xem xét ảnh hưởng của chiều dài cốt lên ổn định của tường, chiều cao tường thử nghiệm bằng với chiều cao cực hạn, trong khi đó chiều dài cốt được gia tăng. Đối với những thử nghiệm này, trạng thái tương ứng với tường có tỷ số chiều dài trên chiều cao lớn hơn tỷ số cực hạn được xem xét như là trạng thái ổn định.
4.2.3 Thuộc tính vật liệu
Thuộc tính đất nền xét trong mô hình là: của công trình cầu Khánh An, Đường giao thông từ Thành phố Cà Mau đến cụm công nghiệp Khí – Điện - Đạm cho trường hợp đất nền yếu và của công trình cầu Hóa An – Tỉnh Đồng Nai cho trường hợp đất neàn toát.
Đất được mô hình là một vật liệu không dính sử dụng mô hình Mohr-Coulomb (MC) cuûa Plaxis.
Những thành phần chính của mô hình là đất nền, tấm tường bao, đất gia cường, đất đắp và những lớp cốt (hình 4.1).
Những tấm tường bao được mô hình bằng cách sử dụng mô hình đàn hồi tuyến tính (Elastic). Kích thước hình học, những thông số và thuộc tính của tường được giữ không đổi cho tất cả những trường hợp chạy và được cho ở bảng 4.2.
Những lớp cốt được mô hình bằng cách sử dụng phần tử dầm (beam) và phần tử neo (anchors) hay phần tử vải địa (geotextiles) có sẵn trong Plaxis. Thuộc tính của cốt và dầm được sử dụng trong những trường hợp giải khác nhau được tóm tắt trong bảng 4.2.
Tương quan tường - đất, đất - cốt được mô hình sử dụng phần tử tiếp xúc có sẵn trong Plaxis. Hai lọai mặt tiếp xúc được sử dụng trong mô hình: giữa một khối tường và đất và giữa đất đắp và cốt.
Bảng 4.1
THÔNG SỐ ĐẤT CỦA MÔ HÌNH Thông số Tên Đất nền
(nền tốt) Đất nền
(nền yếu) Đất đắp Đất gia
cường Đơn vị Mô tả đất -
Sét cát trạng thái
nửa cứng đến cứng
Buứn seựt laón hữu cơ trạng thái
raát meàm
Cát hạt trung trạng thái
chặt
Cát hạt trung trạng thái
chặt
- Moâ hình
vật liệu Mô
hình MC MC MC MC -
Loại ứng
xử Lọai drained Undrained drained drained -
Chieàu
dày lớp h 20 20 7 7 m
Dung trọng tự
nhieân trên mực
nước ngaàm
γdry 16.98 9.3 16 16 kN/m3
Dung trọng tự
nhieân trên dưới
nước ngaàm
γwet 20.00 15.6 20 20 kN/m3
Heọ soỏ thaám
ngang kx 1.00E-02 1.00E-05 1 1 m/day
Heọ soỏ thaám
đứng ky 1.00E-02 1.00E-05 1 1 m/day
Modul
Young Eref 4242 473 10000 10000 kN/m2
Heọ soỏ
Poisson ν 0.33 0.35 0.3 0.3 -
Lực dính c’ 20.4 11.61 1 1 kN/m2
Góc ma
sát ϕ' 19.62 25.23 30 33 °
Góc dãn
nở ψ 0 0 0 3 °
Heọ soỏ giảm bề mặt tieáp xuùc
Rinter 0.7 0.5 0.65 0.65
THÔNG SỐ TẤM TƯỜNG
Thông số Tên Giá trị Đơn vị Loại ứng
xử
Loại vật
liệu Đàn hồi - Độ cứng
dọc trục
EA 9.00E+06 kN/m
Độ cứng choáng
uoán
EI 2.00E+04 kNm2/m
Chieàu dày tương
ủửụng
d 4.71E-02 m
Trọng lượng
w 5 kN/m/m
Heọ soỏ
Possion n 0.15 -
THÔNG SỐ CỐT KHÔNG DÃN
Thông số Tên Giá trị Đơn vị
Loại ứng xử
Loại vật
liệu Đàn hồi - Độ cứng
dọc trục EA 8.25E+04 kN/m
Khoảng cách ngoài
mặt phaúng
Ls 1.5 m
Lực lớn nhaát
Fmax 82 kN
THÔNG SỐ CỐT DÃN
Thông số Tên Giá trị Đơn vị
Loại ứng xử
Loại vật
liệu Đàn hồi - Độ cứng
dọc trục EA 1.00E+02 kN/m
4.2.4 Phạm vi nghiên cứu
Những nghiên cứu thông số xem xét ứng xử của tường MSE với tấm tường lắp ghép và cốt gia cường sử dụng phương pháp PTHH, phương pháp này giả định quá trình xây dựng theo thứ tự lớp từng lớp cho đến khi phá họai. Một lọat các trường hợp giải của máy tính chỉ ra cơ chế phá họai của tường MSE như là một hàm của khoảng cách cốt, có xem xét ảnh hưởng của độ cứng của cốt và độ cứng của nền móng. Một lọat các trường hợp chạy của máy tính khác xem xét ảnh hưởng của chiều dài cốt lên ứng suất cốt và ổn định tường. Những dự đoán của chương trình Plaxis được so sánh với thiết kế hiện tại theo phương pháp cân bằng giới hạn [8].
Những trường hợp nghiên cứu được thể hiện trong bảng 4.2.
Bảng 4.2
NHỮNG TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU Trường
hợp
Khoảng cách coát (m)
Loại đất
nền Loại cốt Ghi chú
0.5
0.7 Xét ảnh hưởng của khoảng cách cốt
1 không dãn lên cơ chế phá hoại với
1
1.2
Loại
1 Lưới thép
đất nền tốt
0.5
0.7 Xét ảnh hưởng của khoảng cách cốt
1 không dãn lên cơ chế phá hoại với
2
1.2
Loại
2 Lưới thép
đất nền yếu
0.5
0.7 Xét ảnh hưởng của khoảng cách cốt
1 dãn lên cơ chế phá hoại với đất
3
1.2
Loại
1 Vải địa KT
đất nền tốt
0.5
0.7 Xét ảnh hưởng của khoảng cách cốt
1 dãn lên cơ chế phá hoại với
4
1.2
Loại
2 Vải địa KT
đất nền yếu
s1 = 0.5 Xét ảnh hưởng của chiều dài cốt s2 = 0.5 lên ứng suất cốt và ổn định tường 5
s3 = 0.5
Loại