CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC HỆ CỌC ĐẤT
2.1 Phương pháp phân tích số và mô hình vật liệu
2.1.2 Các mô hình tính toán trong nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật bằng phân tích số
Trong nghiên cứu cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT, các tác giả trên thế giới rất coi trọng việc sử dụng các mô hình tính toán trên phương pháp số [75]. Các mô hình rút gọn khác nhau thường được sử dụng để mô phỏng hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT bao gồm mô hình 2D biến dạng phẳng, mô hình đối xứng trục trên một vùng và mô hình 3D trên một vùng tiêu biểu như các nghiên cứu của Han và Gabr (2002) [43]; Han, Huang, và Porbaha (2005) [42]; Yapage và nnk (2014) [78]; Zhang và nnk (2011) [84]; Chai và nnk (2017) [33]... Phần lớn các nghiên cứu trên giả thiết cọc ĐXM được mô phỏng dựa trên mô hình Mohr - Coulomb với góc ma sát trong bằng không và lực dính đơn vị rất cao mà không xét đến biến dạng dẻo của cọc. Điều này đồng nghĩa với việc đơn giản hóa cọc ĐXM chỉ biến dạng đàn hồi trong suốt thời gian tuổi thọ của công trình. Tuy nhiên, các mô hình rút gọn chưa mô tả được sự làm việc thực tế của các cọc.
Sự làm việc của các cọc được mô tả tốt nhất trên mô hình 3D (three-dimension) được thể hiện trong các nghiên cứu của Huang và Han (2005) [42]; Zhuang và nnk (2014) [88]; Liu và Rowe (2015) [60]...Tuy nhiên, việc tính toán trên mô hình 3D với số lượng lớn phần tử và nút thường phải mất rất nhiều thời gian.
2.1.2.1 Mô hình 2D quy đổi diện tích cọc
Mô hình 2D là mô hình phổ biến được áp dụng trong tính toán hệ cọc kết hợp do những ưu điểm của nó. Trong mô hình này, các cọc ĐXM được quy đổi về dải tường dài liên tục với bề dày thành tường [84]:
teq =
trong đó: D - đường kính cọc ĐXM; s - khoảng cách giữa tim các cọc ĐXM.
Một nửa nền đường được mô hình 2D với trục đối xứng tại tim đường và điều kiện biên cách chân taluy một khoảng tối thiểu 2B (B - bề rộng nền đường) để chuyển vị ngang tại đó là xấp xỉ bằng 0.
Việc phân tích bài toán trên mô hình 2D đơn giản, dễ thực hiện, khối lượng phân tích nhanh. Mô hình phù hợp với các bài toán phân tích ứng suất tập trung, độ lún và chuyển vị đứng hệ cọc ĐXM [75]. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là không phản ánh được hiệu ứng vòm trong không gian, không xét đến lực kéo dọc tuyến và giả thiết bài toán về bài toán phẳng (quy đổi 1m dài) trong nhiều bài toán kết quả thiên về an toàn. Các nghiên cứu tiêu biểu bao gồm:
Han và nnk (2002) [43] sử dụng phần mềm FLAC 2D mô phỏng hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT mô phỏng công trình đường sau mố cầu tại sông Sippo (Phần Lan).
Kết quả tương đồng với kết quả đo lún lớn nhất và lực kéo lưới ĐKT thực tế và mô phỏng số. Kết quả đo lún nằm trong khoảng dự báo từ 4,3 - 20,5mm.
Theo Fang (2006) [35], tác giả đã sử dụng phần mềm ABAQUS 2D mô phỏng lại mô hình thực nghiệm thu nhỏ và mô hình thực nghiệm tỷ lệ thực tại hiện trường.
Yapage và nnk (2013) [79] đã sử dụng phần mềm ABAQUS 2D mô phỏng hệ cọc hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT mô phỏng công trình đường sau mố cầu (hình 2.1).
Thông qua mô hình Mohr- Coulomb, tác giả đã mô phỏng ứng xử có xét đến biến dạng dẻo của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT.
Hình 2.1 Phân tích 2D - EA hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật mô phỏng công trình đường sau mố cầu tại sông Sippo (Hertsby, Phần Lan) [43]
2.1.2.2 Mô hình 2D quy đổi nền tương đương
Trong mô hình này, bề dày của dải tường quy đổi bằng với đường kính cọc với các nghiên cứu tiêu biểu của Chai và nnk (2015) [33], Wijerathna và nnk (2016) [74]...
Tuy nhiên vật liệu của tường ĐXM được quy đổi tương đương dựa trên tỷ lệ diện tích thay thế (công thức 1.2, chương 1). Mô hình quy đổi nền tương đương phù hợp với bài toán chuyển vị ngang, ổn định tổng thể của hệ cọc ĐXM [75].
2.1.2.3 Mô hình đối xứng trục
Mô hình đối xứng trục mô phỏng hệ cọc ĐXM được sử dụng đầu tiên trong phân
44
tích của Han và Gabr (2002) [43], theo đó cọc đơn ĐXM được nằm trong trụ đất bao quanh với bán kính của trụ đất xung quanh R = 0,564s (với s là khoảng cách giữa các tim cọc ĐXM).
Mô hình đối xứng trục phù hợp với các bài toán mô phỏng cọc đơn, tiết diện tròn.
Hạn chế của mô hình này là chỉ mô phỏng được cọc đơn, không mô phỏng được hệ cọc.
Kết quả của bài toán phụ thuộc nhiều vào điều kiện biên bài toán.
Theo Zhang và Yan (2011) [84], sử dụng phần mềm FLAC 2D thành lập bài toán đối xứng trục để nghiên cứu xem xét ảnh hưởng của 5 yếu tố chính đến ứng xử hệ GRPS: độ cứng của cọc ĐXM (10, 20, 50, 100, 200 MPa), mô đun đàn hồi của đất nền (1, 2, 3, 4 MPa), mô đun dãn dài của lưới ĐKT (1000, 3000, 5000 và 10000 kN/m) và khoảng cách cọc (1 m, 1,5 m, 2 m và 2,5m) và số lớp lưới (1, 2, 3 lớp). Ngoài ra còn có các tác giả sử dụng mô hình đối xứng trục để giải quyết hệ nền cọc này như nghiên cứu của Han và Huang (2005) [42]; Wijerathna và Liyanapathirana (2018) [75]...
2.1.2.4 Mô hình 3D trên một vùng
Trong mô hình này, 1/4 khối đất xung quanh và cọc đơn ĐXM được mô phỏng bằng hình hộp (hình 2.2), trong đó bề rộng của cọc ĐXM được quy đổi bằng 0,868D (D
- đường kính cọc ĐXM).
Với phân tích mô hình 3D trên một vùng sẽ mất ít thời gian tính toán hơn so với mô hình 3D toàn phần do giảm được số lượng các điểm nút. Tuy nhiên, phân tích mô hình 3D trên một vùng không phản ánh chính xác được lực kéo dọc và ngang nền đường, cũng như hiệu ứng vòm trong khối đắp.
Hình 2.2 Mô hình đối xứng trục hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật [70]
2.1.2.5 Mô hình 3D
Mô hình 3D (hình 2.3) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong phân tích hệ cọc ĐXM do khắc phục được các nhược điểm của các mô hình tính toán khác. Nó mô phỏng được chính xác hệ cọc, phản ánh đầy đủ các hiệu ứng, lực kéo theo phương dọc tuyến. Tuy nhiên, việc phân tích số 3D với khối lượng phần tử lớn nên cần nhiều thời gian tính toán. Một số nghiên cứu tiêu biểu:
Huang và nnk (2018) [46] đã sử dụng phần mềm FLAC 3D mô phỏng hệ cọc kết hợp ba lớp lưới ĐKT tại nền đường đắp trên đất yếu thành phố Berlin (Đức), trong đó các vật liệu sử dụng mô hình Mohr- Coulomb.
Zhou và nnk (2016) [87] đã sử dụng mô hình phân tích số 3D (ABAQUS) để mô phỏng đường đắp trên đất yếu gia cố bởi hệ cọc kết hợp 1 lớp lưới ĐKT. Kết quả tương đồng với mô hình tỷ lệ thực tại hiện trường (dài x rộng x cao = 15m x 15m x 4m) tại đại học Chiết Giang (Trung Quốc).
Hình 2.3 Mô hình 3D hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật