Đang tải... (xem toàn văn)
Chương trình SLOPEW được xây dựng dựa trên một số lý thuyết tính ổn định mái dốc như: Phương pháp Ordinary (hay còn gọi là phương pháp Fellenius), phương pháp Bishop đơn giản hoá, phương pháp Janbu đơn giản hoá, phương pháp Spencer, phương pháp Morgenprice, phương pháp cân bằng tổng quát Gle, phương pháp ứng suất phần tử hữu hạn.
Journal of Science and Technology 1(10) (2014) 1–14 So sánh phương pháp phân tích ổn định đường đắp Việt Nam Comparison of embankment stability analysis methods in Viet Nam Trương Hồng Minh Khoa Xây dựng, Trường Đại học Duy Tân, Việt Nam Facualty of Contruction, Duy Tan University, Vietnam Tóm tắt Hiện phân tích ổn định đường sử dụng hai phương pháp tính tốn khác nhau: phương pháp thứ dựa theo học đất cổ điển giả định trước mặt trượt (thường cung tròn hình trụ) tìm mặt trượt cho hệ số ổn định nhỏ nhất; phương pháp thứ hai dựa việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn địa kỹ thuật, để phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng mơi trường đất, từ tìm hệ số ổn định Bài báo tập trung nghiên cứu so sánh việc tính tốn theo hai phương pháp nêu đề xuất số kiến nghị áp dụng cho trường hợp Từ khóa: Ổn định đường, phân tích ổn định mái dốc, hình dạng mặt trượt, phương pháp phần tử hữu hạn địa kỹ thuật, Phần mềm Geo slope, Phần mềm Plaxis Abstract Recently, in the analaysic of stability of embankment, we can use one of two different calculation methods: the first method based on classical soil mechanics, that is assumed slip surface (usually cylindrical arcs) then determine the slip surface for smallest stability coefficient; the second method is based on the application of finite element method in geotechnical engineering, to analyze the stress - strain state of the soil environment, which found stability coefficient This paper focuses on comparison of two calculation methods outlined and proposed a number of recommendations applicable to each case Keywords: Embankment stability, slope stability analysic, slip surface shape, the finite element method in geotechnical engineering, Geo slope software, Plaxis software c 2014 Bản quyền thuộc Đại học Duy Tân Giới thiệu định lâu dài đường sau Khi xây dựng đường, đặc biệt đoạn đường qua khu vực có đia chất phức tạp việc tính tốn ổn định đường tốn vơ quan trọng Tính xác kết tính tốn ảnh hưởng lớn đến độ bền, độ ổn Hiện nay, phân tích ổn định đường kỹ sư thường dùng hai phương pháp: Phương pháp thứ giả định trước mặt trượt xét trạng thái cân giới hạn điểm nằm cung trượt (thường Email: minhth533@yahoo.com (Trương Hồng Minh) Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 gọi phương pháp giả định mặt trượt) Phương pháp thứ hai xem đất môi trường đàn hồi - dẻo ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất - biến dạng điểm đất Từ thực tế làm nảy sinh câu hỏi như: nên lựa chọn phương pháp để phân tích? Kết phân tích hai phương pháp có khác khơng? vv Để có sở khoa học cho câu hỏi trên, tác giả báo tiến hành nghiên cứu, xác định hệ số ổn định đường nhiều trường hợp khác theo hai phương pháp nêu Trong trình phân tích có ứng dụng chương trình GEO - SLOPE cho phương pháp thứ (công thức Bishop đơn giản) chương trình PLAXIS cho phương pháp thứ hai Sau xin trình bày số kết ban đầu vấn đề • Chọn Create a SLOPE/W analysic (hình 1) Bước 2: Thiết lập thơng số ban đầu • Thiết lập vùng làm việc • Thiết lập tỉ lệ • Thiết lập hệ lưới vẽ • Định dạng trục kích thước trục Bước 3: Vẽ phác thảo tốn (Hình 2) • Sử dụng lệnh Lines menu "Sketch" • Di chuyển trỏ để bắt dính vào điểm lưới vẽ Phân tích ổn định đường theo phương pháp chương trình máy tính 2.1 Trình tự giải tốn ổn định đường chương trình GEO SLOPE Phần mềm GEOSTUDIO2004 V6.2, mơđun SLOPE/W (Hình 1) sử dụng để phân tích ổn định mái taluy đường đắp Hình Phác thảo tốn Bước 4: Khai báo thơng số địa chất • Chọn Material Properties từ menu "KeyIn" Hộp "KeyIn Soil Properties" xuất • Khai báo thơng số đất vào hộp thoại KeyIn Material Properties (Hình 3) Hình Giao diện GEOSTUDIO V6.2 Trình tự bước thực sau: Bước 1: Khởi động chương trình • Programs\GEO – SLOPE\ GEOSTUDIO 2004 Hình Hộp thoại KeyIn Material Properties Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 Bước 5: Gán lớp đất cho tốn • Chọn Regions menu lệnh Draw • Lần lượt chọn điểm để khép kín chu vi lớp đất chọn lớp đất tương ứng Kết Hình • Nhập khoảng cách lưới tâm trượt vào hộp thoại "Draw Slip Surface Grid" Kết Hình • Sử dụng lệnh "Slip Surface \ Radius" menu "Draw" để giới hạn bán kính cung trượt • Số gia bán kính cung trượt khai báo vào " # of Radius Increments" • Các bước thực kết Hình Hình Kết sau gán lớp đất Hình Kết bước Bước 6: Khai báo mực nước ngầm • Chọn "Pore Water Pressure" menu "Draw" để mở hộp thoại "Draw Piezometric" • Chọn lớp đất mà mực nước ngầm qua • Sử dụng công cụ "Draw" để vẽ đường đo áp Kết Hình Bước 8: Lựa chọn phương pháp phân tích • Chọn "Analysis Setting" menu lệnh "KeyIn", hộp thoại Hình • Chọn OK Hình Kết thể mực nước ngầm • Sử dụng lệnh "Slip Surface \ Grid" menu "Draw" Con trỏ chuyển từ mũi tên sang dạng chữ thập Hình Lựa chọn phương pháp phân tích Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 Bước 9: Kiểm tra tốn • Chọn "Verify" menu "Tools" * Trường hợp có hoạt tải phía qui đổi hoạt tải thành lớp đất tương đương Hình 10 (lớp đất số 3) • Chọn "Verify" để kiểm tra, có lỗi chương trình thơng báo (Hình 8) Hình Kết kiểm tra Hình 10 Khai báo hoạt tải lớp đất tương đương Bước 10: Chạy chương trình xem kết • Chọn "SOLVE" menu "Tools" • Chọn "CONTOUR" menu "Window" để hiển thị tâm trượt, hệ số ổn định mặt trượt (Hình 9) Lưu ý chọn phương pháp tính theo Bishop 2.2 Trình tự giải tốn ổn định đường chương trình PLAXIS Phần mềm PLAXIS V8.2 sử dụng để phân tích ổn định mái taluy đường đắp Trình tự bước thực sau: Bước 1: Khởi động chương trình • Programs\Plaxis 8.x\ Plaxis Input Bước 2: Thiết lập kiện cho tốn Hình Kết phân tích ổn định đường • Trong hộp thoại "General setting" khai báo thơng tin tốn: thẻ "Project", thẻ "Dimensions" Hình 11a,b Hình 11 Thiết lập kiện ban đầu toán a) Thẻ "Project" b) Thẻ "Dimensions" Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 Bước 3: Xây dựng mơ hình hình học • Chọn "Geometry line" từ menu "Geometry" • Gán biên cho tốn cơng cụ • Mơ hình tạo xong Hình 12 Hình 12 Mơ hình hình học sau tạo Bước 4: Khai báo gán số liệu địa chất • Chọn "Soil&Interface " từ menu "Materials" • Từ hộp thoại "Materials", chọn New khai báo lớp đất • Hộp thoại "Mohr – Coulomb" để khai báo thông số lớp đất (xem Hình 13a,b) • Gán lớp đất vào mơ hình hình học Kết Hình 14 Hình 13 Khai báo thông số đất a) Thẻ "General" b) Thẻ "Parameter Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 Hình 14 Kết sau gán lớp đất Bước 5: Phát sinh lưới phần tử • Chọn "Intial condition" từ menu "Intial" • Chọn "Gobal coarseness " từ menu "Mesh" • Chọn biểu tượng để tiến hành chia lưới phần tử để xác nhận Kết hình 15 Bước 6: Xác định điều kiện tính tốn ban đầu từ thành cơng cụ, vẽ • Chọn biểu tượng đường mực nước (hình 15a) để tính tốn áp lực • Chọn biểu tượng nước ban đầu Chọn biểu tượng update ( ) để xác nhận (Hình 15b) Hình 15 Thiết lập điều kiện mực nước ngầm a) Đường mực nước ngầm b) Áp lực nước lỗ rỗng • Chọn biểu tượng để xác nhận (Hình 16) để tính tốn ứng suất ban đầu chọn biểu tượng update ( Hình 16 Kết tính ứng suất ban đầu ) Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 Bước 7: Tiến hành tính tốn • Chọn biểu tượng từ cơng cụ • Chọn điểm phân tích ứng suất biến dạng • Thiết lập giai đoạn phân tích (Hình 17) Hình 17 Thiết lập giai đoạn phân tích • Chọn biểu tượng b để bắt đầu tính tốn Q trình tính tốn kết Hình 18a, Hình 18 Q trình kết tính tốn a) Q trình tính tốn b) Thơng báo kết Bước 8: Xuất kết tính tốn • Chọn từ cơng cụ để xem mơ hình biến dạng (Hình 19) Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 Hình 19 Biến dạng đường • Chọn "Calculation infor " từ menu "View" để xem hệ số ổn định (Hình 20) Hình 21 Hình dạng mặt trượt * Trường hợp có hoạt tải phía chọn biểu tượng Hình 20 Kết tính tốn hệ số ổn định - Xem hình dạng mặt trượt (Hình 21) từ thành cơng cụ để khai báo Kết tính hệ số ổn định đường số trường hợp 3.1 Bài tốn Nền đường có chiều cao H = 6m; mặt đường rộng B = 12m; độ dốc mái taluy 1/1,5; khơng có mực nước ngầm (MNN) (Hình 22) Các số liệu địa chất đất đắp đất tự nhiên bên cho Bảng Hình 22 Sơ đồ tốn Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 Thay đổi giá trị góc nội ma sát (ϕ) lực dính kết đơn vị (c) đất đắp đường Tính tốn ổn định phần mềm GEO - SLOPE PLAXIS Kết tính tốn cho Bảng Bảng Số liệu địa chất Bảng So sánh kết tính tốn ổn định (hệ số ổn định theo GEO - SLOPE / PLAXIS) * Nhận xét: - Từ kết bảng số nhận thấy thay đổi thông số sức chống cắt đất đắp (đất tự nhiên khơng đổi) hệ số ổn định tính GEO - SLOPE PLAXIS lệch ≤ 10% (chủ yếu lệch ≤ 5%; trường hợpϕ = 300 , c = 5kN/m2 cho kết lệch 7,7%) - Đa số trường hợp hệ số ổn định tính PLAXIS nhỏ so với tính GEO - SLOPE Những trường hợp ngược lại kết lệch nhỏ (gần nhau: trường hợp ϕ = 300 ,c = 5kN/m2 ϕ = 100 c = 10kN/m2 ) 10 Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 3.2 Bài tốn Sơ đồ hình học tốn giống hình 22 Các số liệu địa chất cho Bảng Thay đổi giá trị góc nội ma sát (ϕ) lực dính kết đơn vị (c) đất tự nhiên Tính tốn ổn định phần mềm GEO - SLOPE PLAXIS Kết tính tốn cho Bảng Bảng Số liệu địa chất Bảng So sánh kết tính tốn ổn định (hệ số ổn định theo GEO - SLOPE / PLAXIS) * Nhận xét: - Từ kết bảng số nhận thấy thay đổi thơng số sức chống cắt đất tự nhiên (đất đắp khơng đổi) hệ số ổn định tính GEO - SLOPE PLAXIS lệch ≤ 10% (chủ yếu lệch ≤ 5% - Đa số trường hợp hệ số ổn định tính PLAXIS nhỏ so với tính GEO - SLOPE Những trường hợp ngược lại kết lệch nhỏ (≤ 5%, trường hợp ϕ = 250 ,c = 25 ÷ 30kN/m2 Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 3.3 Bài toán Nền đường có chiều cao H = ÷ 6m ; mặt đường rộng B = 12m; độ dốc mái taluy 1/1,5; khơng có mực nước ngầm (Hình 23); 11 tải trọng xe chạy: q = 120kN/m2 Các số liệu địa chất đất đắp đất tự nhiên bên cho Bảng Hình 23 Sơ đồ tốn Thay đổi giá trị góc nội ma sát (ϕ) lực dính kết đơn vị (c) đất đắp Tính tốn ổn định phần mềm GEO - SLOPE PLAXIS Kết tính toán cho Bảng Bảng Số liệu địa chất * Nhận xét: - Từ kết bảng số nhận thấy trường hợp có xét hoạt tải phía trên, với nhiều chiều cao đắp khác thay đổi thông số sức chống cắt đất đắp (đất tự nhiên khơng đổi) hệ số ổn định tính GEO - SLOPE PLAXIS lệch nhỏ (≤ 5%) - Hệ số ổn định tính PLAXIS lớn nhỏ so với tính GEO SLOPE 12 Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 Bảng So sánh kết tính tốn ổn định (hệ số ổn định theo GEO - SLOPE / PLAXIS) 3.4 Bài toán Nền đường cao H = 6m; mặt đường rộng B = 12m; độ dốc mái taluy 1/1,5; có mực nước ngầm (với chiều cao mực nước tim đường H d = 1,0m; chiều cao mực nước mép Hh = 0,5m); Băng-ket có chiều cao Hb = 2,0m chiều rộng L = 6m (Hình 24) Tải trọng đơn vị: q = 20kN/m2 Các số liệu địa chất đất đắp khơ phía trên, đắt đắp ngập nước đất bên cho Bảng Hình 24 Sơ đồ toán Thay đổi giá trị góc nội ma sát (ϕ) lực dính kết đơn vị (c) đất đắp Tính tốn ổn định phần mềm GEO - SLOPE PLAXIS Kết tính tốn cho Bảng Bảng Số liệu địa chất Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 (*) Đất nằm mực nước ngầm lực dính kết đơn vị góc nội ma sát tạm tính giảm 5kN/m2 ; 50 so với đất đắp khơ; dung trọng bão hòa γbh = 21(kN/m3 ); dung trọng đẩy 13 γdn¯ = 11(kN/m3 ) (**) Đất tự nhiên nằm mực nước ngầm có dung trọng bão hòa γbh = 19kN/m3 ); dung trọng đẩy γdn¯ = 9(kN/m3 ) Bảng So sánh kết tính tốn ổn định (hệ số ổn định theo GEO - SLOPE / PLAXIS) * Nhận xét: - Từ kết bảng số nhận thấy trường hợp đường có Băng-ket, có xét hoạt tải phía ảnh hưởng mực nuớc ngầm thay đổi thơng số sức chống cắt đất đắp (đất tự nhiên khơng đổi) hệ số ổn định tính GEO - SLOPE PLAXIS lệch ≤ 10% (đa phần trường hợp lệch ≤ 5%) - Hệ số ổn định tính PLAXIS nhỏ so với tính GEO - SLOPE - Các kết lệch > 5% đa số rơi vào trường hợp đất đắp có lực dính kết lớn (như ϕ = 300 ,c = 25 ÷ 30kN/m2 tính tốn để tính tốn hệ số ổn định đường đắp nhiều trường hợp khác từ đơn giản đến phức tạp, tác giả rút số kết luận kiến nghị sau: Kết luận Mặc dù xây dựng hai lý thuyết tính toán khác nhau, lịch sử đời khác Nhưng kết tính ổn định phương pháp giả định mặt trượt (mặt trượt hình trụ tròn, phân tích ổn định công thức Bishop đơn giản, sử dụng chương trình GEO - SLOPE mơ đun SLOPE/W) phương pháp phân tích ứng suất - biến dạng mơi trường đàn hồi – dẻo (ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng chương trình PLAXIS V8.2 trường hợp nghiên cứu (kết lệch ≤ 10% chấp nhận được) Thông qua việc nghiên cứu lý thuyết tính tốn, kết hợp với việc ứng dụng chương trình Qua kết nghiên cứu thấy phần lớn trường hợp tính chương trình 14 Nguyễn Hồng Minh / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân 1(10) (2014) 1–14 PLAXIS cho hệ số ổn định nhỏ so với tính GEO - SLOPE (các trường hợp ngược lại kết lệch khơng đáng kể) Do sử dụng PLAXIS để tính tốn đánh giá ổn định theo hệ số ổn định yêu cầu qui định cho công thức Bishop Kyˆeu cˆau = 1, 4; theo1 thiên an tồn Nhìn chung lực dính kết đơn vị đất lớn kết tính tốn theo hai phương lệch lớn so với lực dính kết đơn vị đất nhỏ Điều lần khẳng định tính chất phức tạp đất dính mà tài liệu học đất nêu Từ kết luận trên, phạm vi nghiên cứu, tác giả kiến nghị: - Khi phân tích ổn định mái dốc nói chung đường nói riêng sử dụng hai phương pháp tính tốn nêu mà đảm bảo xác (điều giúp đơn vị thẩm tra, chủ đầu tư có sở xét duyệt phương án tính tốn đơn vị tư vấn thiết kế) - Tuy nhiên phân tích, trường hợp đất đắp có lực dính kết đơn vị lớn để đảm bảo an tồn nên phân tích ổn định nhiều phương pháp khác để so sánh, đánh giá, nhằm đảm bảo an tồn cho cơng trình - Cần phải đưa phương pháp phân tích ứng suất - biến dạng vào qui trình tính tốn ổn định mái dốc nói chung đường nói riêng Bên cạnh cần bổ sung việc qui định hệ số ổn định yêu cầu Kyˆeu cˆau 1,4 (như qui định cho công thức Bishop) vào tài liệu [1] Tài liệu tham khảo [1] Bộ Giao thơng Vận tải (2000), Quy trình khảo sát thiết kế đường ôtô đắp đất yếu 22TCN – 262 2000, Hà Nội [2] Đỗ Văn Đệ (2002), Các tốn mẫu tính phần mềm SLOPE/W, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [3] PGS.TS Trần Tuấn Hiệp (2001), Thiết kế tối ưu đường đắp, Bài giảng cao học, Hà Nội [4] Trương Hồng Minh (2012), Nghiên cứu úng dụng phần mềm GEO - SLOPE, PLAXIS, GEO vào tính tốn thiết kế đường, Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật, Đại học Giao Thông Vận Tải, Hà Nội [5] Nguyễn Sỹ Ngọc (2009), Địa kỹ thuật cơng trình, Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà Nội [6] Vũ Công Ngữ - Phạm Huy Đông, Ổn định mái dốc theo phương pháp giả định mặt trượt phương pháp phân tích đàn hồi – dẻo, Bài viết GS Vũ Công Ngữ gửi tặng CETEC [7] R.B.J Brinkgreve, 2D Version 8, Plaxis manuals, Netherlands [8] John Krahn (2004), Stability Modeling with SLOPE/W, Frist Edition, Revision