Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán neo đất
2.3 Ứng dụng phương pháp mô hình số trong tính toán neo kết hợp tường chắn trong ổn định hố đào sâu [17]
Ngày nay việc sử dụng các phần mềm phần tử hữu hạn trong giải quyết các tính toán phức tạp không còn là xa lạ với các kỹ sư thiết kế. Trong tính toán thiết kế neo đất ta có thể sử dụng nhiều các phần mềm chuyên dụng như Plaxis, Geo 5 và Geo slope... Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn xin được chỉ ra ở đây chi tiết phần mềm Plaxis ứng dụng trong thiết kế và tính toán neo đất kết hợp tường chắn.
Trong bài toán mô hình số, việc quan trọng bậc nhất đó là việc lựa chọn các thông số đầu vào hợp lý cũng như là lựa chọn các mô hình vật liệu phù hợp, các điều kiện biên cũng cần phải được xem xét cẩn trọng phù hợp với các giai đoạn thi công. Trong bài toán thi công hố đào, việc xem xét các thông số đầu vào của địa tầng khu vực với ảnh hưởng của mực nước dưới đất và các công trình lân cận là hết sức quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán. Vì vậy, ta cần chú ý và cẩn trọng đến việc khai báo tất cả các yếu tố chính ảnh hưởng tới kết quả tính toán này.
Theo phương pháp phần tử hữu hạn, một vật thể liên tục được chia thành một số lượng hữu hạn phần tử, mỗi phần tử bao gồm số nút. Mỗi nút sẽ có số bậc tự do tương ứng các giá trị riêng được xác định bởi điều kiện biên.
Các bước cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn như sau:
- Chia lưới phần tử hữu hạn;
- Chuyển vị tại các nút là các ẩn số;
- Chuyển vị bên trong phần tử được nội suy từ các giá trị của chuyển vị nút;
- Thiết lập mô hình vật liệu (quan hệ giữa ứng suất và biến dạng);
- Điều kiện biên về chuyển vị, lực;
- Giải hệ phương trình tổng thể cân bằng lực cho kết quả chuyển vị nút;
- Tính các đại lượng khác (biến dạng, ứng suất).
Chương trình Plaxis cho phép xác định trạng thái ứng suất trong khối đất và trong kết cấu tác động tương hỗ với khối đất ở giai đoạn bất kỳ.
Phương pháp phần tử hữu hạn theo phần mềm Plaxis được tiến hành theo các bước như sau:
(1) Rời rạc hóa kết cấu
(2) Hình thành ma trận độ cứng phần tử
(3) Gộp ma trận độ cứng của phần tử thành ma trận độ cứng tổng (4) Sử dụng các phương trình cân bằng để tìm ra chuyển vị nút Xây dựng mô hình tính toán trong Plaxis
Các bước mô hình hóa trong Plaxis:
- Bước 1: Lập mô hình hình học;
- Bước 2: Gán các điều kiện biên;
- Bước 3: Gán các đặc trưng vật liệu;
- Bước 4: Chia lưới phần tử;
- Bước 5: Xác định điều kiện ban đầu;
- Bước 6: Xác định các giai đoạn tính toán;
- Bước 7: Tính toán;
- Bước 8: Hiển thị kết quả phân tích.
Trong mỗi bài toán phân tích bằng Plaxis, điều quan trọng đầu tiên là phải xây dựng được mô hình hình học. Mô hình 2D là tiêu biểu cho vấn đề về ba chiều và bao gồm các điểm (points), đường (lines), miền (cluster). Một mô hình hình học bao 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 tới vấn đề nghiên cứu. Ba loại cấu kiện trong mô hình được miêu tả chi tiết dưới đây:
- Điểm (points): dùng mô tả tại các vị trí bắt đầu và kết thúc của đường (Lines). 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): dùng xác định ranh giới vật lý hình học, biên của mô hình và các gián đoạn trong mô hình như tường, vỏ, phân chia các lớp đất hoặc các giai đoạn thi công.
- Miền (cluster): là một diện tích bao bọc bởi các đường (miền đóng). Plaxis nhận biết miền dựa vào việc nhập vào các đường hình học. Với một miền đặc trưng đất là đồng nhất. Do đó có thể coi miền như lớp đất. Các tác động liên quan tới miền áp dụng cho toàn bộ phần tử miền.
Hình 2.23 Giao diện phần mềm Plaxis 8.5
Sau khi tạo xong mô hình học, mô hình phần tử hữu hạn tự động cập nhật lưới, dựa trên bố cục của các miền và các đường trong mô hình hình học. Trong lưới phần tử hữu hạn ba loại cấu kiện được nhận biết như mô tả dưới đây:
- Phần tử (Elements): Khi tạo lưới, các miền (cluster) được chia thành các phần tử tam giác. Có thể lựa chọn loại phần tử 15 nút hoặc loại phần tử 6 nút. Phần tử 15 nút hiệu quả với việc tính toán chính xác về ứng suất và tải trọng phá hoại.
Còn phần tử 6 nút thì có ưu điểm tính toán nhanh và tiện lợi trong các trường hợp.
Xem xét việc phân chia phần tử (ví dụ cho phát sinh lưới thô theo mặc định) người dùng nhận thấy lưới gồm các phần tử 15 nút thực tế mịn và thích ứng hơn nhiều so với lưới tạo bởi phần tử 6 điểm nút, nhưng việc tính toán tốn thời gian hơn. Hơn nữa phần tử tam giác thường dùng cho mô hình đất, các phần tử tấm tương thích, phần tử vải địa kỹ thuật và phần tử tiếp xúc có thể được sinh ra từ ứng xử kết cấu của mô hình và ảnh hưởng kết cấu và đất.
- Nút (Nodes): Phần tử 15 nút bao gồm 15 nút và phần tử 6 nút bao gồm 6 nút. Nút được lựa chọn trước để phát sinh đồ thị của chuyển vị và tải trọng.
Đường phân vùng vật liệu
Tấm Vải
ĐKT
Neo Xác định
lực và các điều kiện biên
Nhập và gán vật liệu
Tạo lưới phần tử
- 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 15 nút chứa 12 điểm ứng suất và phần tử 6 nút chứa 3 điểm ứng suất.
Hình 2.24 Chương trình tính Plaxis Calculation
Các dạng mô hình vật liệu
Khối đất hoặc đá đã cho có thể được mô phỏng bằng một mô hình vật liệu phù hợp nhất. Các mô hình trong chương trình như:
+ Mô hình đàn hồi tuyến tính : đây là loại mô hình đơn giản nhất dựa trên lý thuyết đàn hồi để giải bài toán, tuy nhiên như ta biết đất không hẳn là môi trường đàn hồi vì vậy các kết quả tính toán chỉ mang tính tham khảo có tính xác thực thấp
+ Mô hình Mohr-Coulomb: Đây là loại mô hình thường được sử dụng rộng rãi với các yêu cầu tối thiểu về các thông số nền đất, kết quả nhìn chung cho thiên về an toàn
+ Mô hình Hardening soil : Đây là mô hình tái bền có xét đến đường dở tải nên thường được ứng dụng nhiều hơn trong bài toán hố đào;
+ Mô hình Cam Clay và Cam Clay cải tiến phù hợp với các loại nền đất yếu.
Các giai đoạn tính toán
Đầu ra bài toán
Thiết lập sẵn mẫu hình dạng, phát sinh lưới tự động
Chương trình gồm có cả phần điều chỉnh tích hợp sẵn các mẫu hình dạng đầu vào. Tất cả các bề mặt vật liệu, các kết cấu công trình mới hoặc các giai đoạn thi công (hố đào đường hầm, hố đào móng ...) có thể được xác định độc lập với nhau. Trước khi tạo lưới, chương trình tự động đưa ra các giao diện của tất cả các đường đã được xác định và các khu vực lân cận, tạo ra một mẫu hình dạng thích hợp.
Phát sinh lưới
Chương trình có khả năng sinh lưới tự động, làm đơn giản hoá việc tạo lưới phần tử hữu hạn. Cả phần tử 3 nút và phần tử 6 nút đều được dựng sẵn. Mật độ của các lưới phần tử hữu hạn được giả thiết là không đổi cho tất cả các mô hình nhưng nó có thể dễ dàng tạo ra lưới mịn hơn trong các vùng cục bộ theo yêu cầu. Việc chuẩn bị một hệ lưới hiệu quả cho một kết cấu công trình phức tạp chỉ mất một vài phút thời gian của người sử dụng.
Các điều kiện biên
Chương trình có chức năng tạo các điều kiện biên tự động, vì thế trong phần lớn các ứng dụng, Người sử dụng không cần phải quan tâm về công việc này. Nếu cần, các điều kiện biên bổ sung (gối cố định, khớp, lò xo, chuyển vị lực) có thể được tạo ở bất kỳ đâu trong nền đất.
Hệ kết cấu dạng dầm
Trong các phân tích, phần tử dầm (Beam) dùng để mô tả các kết cấu dạng dầm, vỏ đường hầm hoặc kết cấu tường chắn. Kết quả của quá trình phân tích là chương trình đưa ra sự phân bố nội lực (Mômen uốn, lực cắt và lực dọc) của dầm.
Các phần tử dầm được chỉ định theo đường dọc trục đã tồn tại sẵn trong mô hình.
Tuy nhiên, các phần tử dầm có thể được điều chỉnh trong từng giai đoạn riêng biệt
(ví dụ bề dày của dầm được tăng lên dần dần) hoặc có thể loại bỏ dầm hoàn toàn trong một bước.
Thanh neo, vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật
Mô phỏng bất kỳ số lượng thanh neo trong quá trình phân tích. Mỗi thanh neo hoàn toàn được xác định bởi điểm đầu, điểm cuối và độ cứng của nó. Các điểm cuối cùng của thanh neo sẽ được tự động gắn vào lưới phần tử hữu hạn hiện thời, để một thanh neo có thể được đặt ở bất kỳ nơi nào trong nền đất. Để đơn giản hóa hơn trong việc nhập số liệu đầu vào thì điểm bắt đầu của thanh neo có thể được đặt trên địa hình, hoặc trên bề mặt ranh giới riêng biệt.
Tải trọng
Cho phép vào một số dạng tải trọng phụ thêm (dạng băng, hình thang, đường thẳng). Những tải trọng phụ thêm có thể được đặt trên một mặt phân giới xác định hoặc một vị trí bất kỳ trong nền đất hoặc nền đá. Trong các giai đoạn tiếp theo, tải trọng hiện thời có thể được chỉnh sửa bằng cách thay đổi độ lớn hoặc loại bỏ hoàn toàn.
Mực nước
Mực nước có thể được mô phỏng trong quá trình phân tích theo những cách dưới đây:
+ Mực nước ngầm được nhập vào như một đường phân giới liên tục ở trên hoặc dưới bề mặt địa hình.
+ Các giá trị áp lực nước lỗ rỗng (hoặc giá trị của hệ số Ru) được cung cấp bởi các đường tiêu chuẩn áp lực lỗ rỗng. Đường tiêu chuẩn đầu tiên luôn luôn trùng với bề mặt địa hình, các đường khác có thể được đặt ở bất kỳ nơi nào trong nền đất.
Các giá trị giữa các đường tiêu chuẩn riêng biệt được xác định thông qua nội suy tuyến tính.
Trình bày của các kết quả
Chương trình cho phép quan sát các kết quả sau:
+ Các biến vô hướng của bề mặt chuẩn hoặc đường chuẩn (ví dụ: Các thành phần của trường ứng suất và biến dạng, và các giá trị bất biến của chúng, các chuyển vị);
+ Kết cấu biến dạng hoặc không biến dạng;
+ Sự phân bố nội lực dọc theo các dầm;
+ Các Vector biến dạng;
+ Lực trong thanh neo.
Tổng các giá trị của các thay đổi riêng lẻ hoặc các thay đổi từ giai đoạn này đến giai đoạn khác đều được tính toán và hiển thị theo yêu cầu.
Phân tích ổn định
Chương trình có thể phân tích ổn định mái dốc tại mỗi giai đoạn thi công xây dựng. Trong quá trình phân tích, chương trình từng bước giảm các thông số cường độ cơ bản của đất cho tới khi bị phá hoại. Kết quả là nó cung cấp một hệ số an toàn phù hợp thu được so với việc phân tích cổ điển.