PHÂN TÍCH ÁP LỰC ĐỘNG TÁC ĐỘNG VÀO TƯỜNG CHẮN ĐẤT BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS KS NGUYỄN THÀNH TRUNG Bộ môn CTGTTP CTT Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày phân tích phản ứng động tường chắn tác dụng lực động phần mềm chuyên dụng Plaxis Kết phân tích so sánh với kết tính toán phương pháp Mononobe-Okabe Từ đánh giá phương pháp Mononobe-Okabe tính toán áp lực đất động tác động lên tường chắn Summary: This article presents a dynamic response analyses of cantilever retaining walls by Plaxis software The research results are compared with the results emplyoing Mononobe – Okabe method From then, the appropriateness of the Mononobe – Okabe method in determining the dynamic lateral earth pressures on the stem of the walls is assessed I GIỚI THIỆU CHUNG CT Kết cấu tường chắn đất ứng dụng phổ biến công trình có tầm quan trọng quy mô lớn công trình cảng, công trình cầu công trình bảo vệ bờ… Do công tác tính toán thiết kế công trình phải tính đến tải trọng động Tải trọng động tải trọng đặc biệt có tính chu kỳ như động đất, sóng, máy móc thiết bị… Phần lớn tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế công trình giới sử dụng phương pháp Mononobe-Okabe (năm 1924-1929) tính toán áp lực đất động Vì vậy, việc đánh giá phương pháp cần thiết Đã có số phân tích phản ứng động tường chắn đất nghiên cứu để đánh giá phương pháp Mononobe – Okabe tính toán áp lực đất tác động tường chắn Điển hình nghiên cứu giáo sư Russell A.Green cộng sự, trường đại học Michigan nước Mỹ vấn đề Các nghiên cứu cho thấy, tác động động có gia tốc giá trị nhỏ áp lực đất tính toán sát với giá trị áp lực đất tính toán theo phương pháp Mononobe-Okabe Tuy nhiên, gia tốc lực động tăng dần, áp lực đất phân tích dần lớn áp lực đất động tính toán theo phương pháp Mononobe-Okabe Sự khác biệt tương tác tường chắn với lăng thể đất trượt sau tường chắn tác động không liên tục toàn khối II TÍNH ÁP LỰC ĐẤT ĐỘNG THEO PHƯƠNG PHÁP MONONOBE-OKABE Công thức xác định áp lực động chủ động bị động theo phương pháp Mononobe-Okabe dựa trạng thái cân giới hạn mở rộng lý thuyết Coulomb tính toán áp lực đất tĩnh Phương pháp thừa nhận ba giả thiết sau: Sự dịch chuyển tường thoả mãn điều kiện xảy áp lực động bị động; Lăng thể trượt phía sau tường chắn có dạng hình nêm trượt phẳng (hình vẽ 1) Ứng suất cắt lớn nằm dọc theo mặt phẳng trượt này; Khối lăng thể trượt kết cấu tường chắn làm việc liền khối Từ giả thiết kết hợp với lý thuyết Coulomb có tính đến lực quán tính kh.g kv.g xây dựng công thức xác định áp lực động bị động chủ động Góc quay k tường chắn, tính theo hệ số lực quán tính kh kv: ψ = tan −1 ( h ) (hình vẽ 2) 1− kv Hình Kết cấu tường chắn đất phía sau Áp lực động chủ động đất tác dụng lên tường theo công thức phương pháp Mononobe-Okabe: PAE = KAE = 1 γ td H d2 KA(βd, θd) = γ t H (1 - kv).KAE 2 cos (φ − θ − ψ) ⎡ sin(φ + δ) sin(φ − β − ψ) ⎤ cos ψ cos θ cos(δ + θ + ψ).⎢1 + ⎥ cos(δ + θ + ψ ) cos(β − θ) ⎦⎥ ⎣⎢ 2 TCT1 Hình Áp lực đất chủ động, a) Trường hợp tĩnh b) Trường hợp động Áp lực động bị động đất tác dụng lên tường theo công thức Mononobe-Okabe: PPE = KPE = 1 γ td H d2 KP(βd, θd) = γ t H (1 - kv).KPE 2 cos (φ + θ − ψ) ⎡ sin(φ + δ) sin(φ + β − ψ) ⎤ cos ψ cos θ cos(δ − θ + ψ).⎢1 − ⎥ cos(δ − θ + ψ ) cos(β − θ) ⎦⎥ ⎣⎢ 2 CT Hình Áp lực đất bị động, a) Trường hợp tĩnh b) Trường hợp động Trong hình 2, 3, phụ thuộc vào hướng tác dụng lực động, tường chắn nghiêng sang phía bên trái sang bên phải Theo đó, thông số hình học kết cấu tường chắn lăng thể đất phía sau thay đổi Dựa vào trạng thái cân giới hạn lực tác động, ta xác định áp lực động chủ động bị động theo công thức Ta thấy rằng, hệ số kh không, hệ số áp lực bị động chủ động KAE KPE với hệ số KA KP lý thuyết Coulomb Khi kh tăng, hệ số KAE lớn hệ số KA KPE nhỏ so với KP III PHÂN TÍCH ÁP LỰC ĐỘNG TÁC ĐỘNG VÀO TƯỜNG CHẮN BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS Phần mềm Plaxis phần mềm sử dụng cho việc tính toán, phân tích toán học đất móng Một tính quan trọng có khả tính toán tải trọng động tác động vào kết cấu Tải trọng động hàm biến đổi điều hoà hàm lịch sử thời gian trận động đất Tính toán toán tường chắn đất chịu tác dụng tải trọng đất công thức Mononobe-Okabe phần mềm Plaxis Đưa kết rằng, với hàm gia tốc - thời gian mức độ thấp kết nội lực tường chắn đất theo công thức MononobeOkabe gần sát Nhưng tăng dần mức hàm gia tốc - thời gian lên kết nội lực theo hai cách có khác biệt nhiều Nội lực tường chắn tính phần mềm Plaxis lớn so với kết nội lực tính theo công thức Mononobe-Okabe TCT1 Hình Sơ đồ kết cấu tường chắn đất Hình Biểu đồ momen (Plaxis) Hình Hàm lịch sử thời gian gia tốc trận động đất xảy 28/02/1990 Khi gia tốc cấp độ thấp, mômen chân tường chắn tính theo công thức M-O, MMO = 1380 KNm/m xấp xỉ giá trị momen tính phần mềm Plaxis MP = 1367 ÷ 1390 KNm/m Khi gia tốc cấp độ cao, giá trị momen tăng dần MP = 1660 ÷ 1689 KNm/m lớn so với MMO = 1380 KNm/m Tỷ số MP/MMO = 1,24 Nguyên nhân sai khác cách tính theo phần mềm Plaxis theo công thức Mononobe-Okabe hiểu kết cấu tường chắn đất phía sau chịu tác động tải trọng động đất, chúng phân làm hai khối: khối bao gồm kết cấu tường chắn khối đất nằm đáy khối hai lăng thể đất trượt phía sau khối (xem hình 8) Vì vậy, hệ số kh đạt giá trị lớn, hướng xa khối đất sau tường chắn khối tách khỏi khối Khi kh hướng phía đất sau tường chắn, khối đất bị chặn khối hai, không quay trở lại trạng thái ban đầu Tác động làm tăng nội lực tường chắn Khối 2: tường chắn + đất Khối 1: lăng thể trượt Hình Biểu đồ biến dạng phần tử đất mức độ thấp CT Hình Biểu đồ biến dạng phần tử đất mức độ cao Nhìn vào biểu đồ trên, chịu tác dụng tải trọng động đất với cấp độ cao Khối đất phía sau tường chắn phân tách làm hai khối riêng biệt phân tích Hai khối dao động độc lập nhau, tác động lên Tác động khối lăng thể trượt lên khối tường chắn đất phía trước nguyên nhân gây tăng nội lực tường chắn IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Theo phương pháp phân tích đánh giá theo phương pháp số phần mềm Plaxis, kết tính toán nội lực thân tường chắn không phù hợp với tính toán theo phương pháp Mononobe-Okabe Nguyên nhân sai khác không toàn khối lớp đất sau tường chắn chịu tác động lực động với cấp độ cao Kết luận không áp dụng cho dạng kết cấu tường chắn có hình học khác sử dụng vật liệu khác.Vì vậy, cần phải có nghiên cứu sâu để đưa giới hạn cấp độ lực động tác dụng vào tường chắn phù hợp với phương pháp Mononobe-Okabe đưa công thức xác định áp lực động tác dụng lên tường chắn Tài liệu tham khảo [1] Russell A.Green and Robert M Ebelling Seismic Analysis of Cantiliver Retaining Walls, Phase I, Earthquake Engineering Research Program, September 2002 [2] OCDI, The Overseas Coastal area Development Institute of Japhan, Technical standards and Commenrtaries for port and Harbour Facilities in Japan, 2002 [3] Mononobe, N and H Matsuo (1929) On the Determination of Earth Pressure During Earthquake, Proceedings: World Engineering Congress, Tokyo, Vol IX, Part 1, 177-185 [4] Okabe, S (1924) General Theory on Earth Pressure and Seismic Stability of Retaining Wall and Dam, Journal Japan Society of Civil Engineering, 10(6), 1277- 1323, plus figures [5] Seed, H.B and R.V Whitman (1970) Design of Earth Retaining Structures for Dynamic Loads, Lateral Stresses in the Ground and Design of Earth-Retaining Structures, ASCE, 103-147♦ TCT1 ... chủ động KAE KPE với hệ số KA KP lý thuyết Coulomb Khi kh tăng, hệ số KAE lớn hệ số KA KPE nhỏ so với KP III PHÂN TÍCH ÁP LỰC ĐỘNG TÁC ĐỘNG VÀO TƯỜNG CHẮN BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS Phần mềm Plaxis phần. .. tường chắn lăng thể đất phía sau thay đổi Dựa vào trạng thái cân giới hạn lực tác động, ta xác định áp lực động chủ động bị động theo công thức Ta thấy rằng, hệ số kh không, hệ số áp lực bị động. .. đồ trên, chịu tác dụng tải trọng động đất với cấp độ cao Khối đất phía sau tường chắn phân tách làm hai khối riêng biệt phân tích Hai khối dao động độc lập nhau, tác động lên Tác động khối lăng