Vấn đề chọn biên trong tính toán nền móng công trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn

30/05/2015 21:58

Trên cơ sở phân tích lý thuyết của các phương pháp giải tích và các kết quả khảo sát thực nghiệm các công trình thực tế, đề nghị khoảng cách chọn biên trong tính toán nền móng công trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).

TS. NGUYỄN THỐNG NHẤT
Trường Đại học Tôn Đức Thắng

Người phản biện: PGS. TS. Lê Thị Bích Thủy

Trên cơ sở phân tích lý thuyết của các phương pháp giải tích và các kết quả khảo sát thực nghiệm các công trình thực tế, đề nghị khoảng cách chọn biên trong tính toán nền móng công trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).

Từ khóa: Nền móng, phần tử hữu hạn.

Abstract: Based on analysis of calculus method and result of practical experiments on real structures, suggest to choose bound distance in foundation calculation by finite element method.

Keywords: Foundation, finite element.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, với sự hỗ trợ đắc lực của các công cụ tính toán, các phương pháp số được ứng dụng rất rộng rãi trong tính toán công trình. Với rất nhiều vòng tính lặp, phương pháp số tiến dần tới lời giải chính xác mà các công thức giải tích quá phức tạp, không thể giải ra kết quả được.

Phương pháp PTHH là một trong các phương pháp số được sử dụng phổ biến trong tính toán nền móng bằng các phần mềm Plaxis. Với nhiều loại phần tử khác nhau, phương pháp PTHH có thể giải các bài toán nền móng trong không gian, theo các mô hình vật liệu đàn hồi – dẻo, đàn hồi – nhớt hay đàn hồi – dẻo – nhớt – từ biến… thể hiện sát hơn tính chất của nền đất. Hơn nữa, nó còn cho thấy hình ảnh của vectơ chuyển vị, biến dạng dẻo tại các điểm nút, hệ số an toàn ổn định cũng như biến dạng của nền móng cùng với kết cấu công trình.

Khi tính toán nền móng công trình bằng phương pháp PTHH, một vấn đề khá quan trọng là chọn biên của vùng khảo sát. Nếu chọn biên vùng khảo sát nhỏ thì không đảm bảo độ tin cậy của kết quả bài toán vì không thể hiện hết các mối quan hệ giữa các phần tử. Nếu chọn biên của vùng khảo sát lớn thì sẽ khó khăn nhiều trong việc nhập các số liệu đầu vào (khai báo các phần tử) và làm cho chương trình rất nặng (số lượng các phép tính trong các vòng lặp tăng lên rất nhiều lần).

Như vậy, cần chọn biên của vùng khảo sát sao cho hợp lý nhất.

2. Cơ sở lý thuyết đề nghị chọn biên cho vùng khảo sát

2.1. Theo sơ đồ phân bố ứng suất trong nền đất

Theo các lời giải của Flamăng, Mindin…, phát triển công thức phân bố ứng suất trong nền đàn hồi của Bútxinet, đưa ra hình ảnh của các đường đồng ứng suất σ_z; σ_x;T_zx trong nền đất chịu một tải trọng hình bằng cường độ q, có bề rộng b [1] như trong các Hình 2.1, 2.2 và 2.3 sau:

Hình 2.1: Đường đồng ứng suất σ_z

Hình 2.2: Đường đồng ứng suất σ_x

Hình 2.3: Đường đồng ứng suất σ_zx

Theo các biểu đồ nêu trên, đường đồng ứng suất có giá trị 0,1q ở chiều sâu tối đa 6b đối với σ_z và 2b đối với σ_x và T_zx.

Theo phương ngang, ở vị trí 2b, tính từ tim móng.

2.2. Theo mặt trượt có xét tới nêm nén chặt dưới móng

Theo sơ đồ các lưới đường trượt của Prandtn và Bêrêzansev [2], có xét tới nêm nén chặt dưới móng, bề rộng đường trượt xa nhất cách mép móng 1,5 – 2b.

Hình 2.4: Sơ đồ lưới đường trượt của Prandtl và Bêrêzansev

2.3. Theo tính toán ổn định mặt trượt trụ tròn

Bằng các phương pháp mặt trượt giả định hình trụ tròn theo Fellenius hay Bishop, theo kinh nghiệm, phạm vi của tâm cung trượt tròn nguy hiểm nhất ở nền đắp trên đất yếu của Lục Đình Trung – Trịnh Gia Câu [3], tính được: L = R_max= B, với B là bề rộng đáy nền đắp.

Hình 2.5: Phạm vi tâm cung trượt tròn nguy hiểm nhất

3. Cơ sở thực nghiệm đề nghị chọn biên cho vùng khảo sát

3.1. Khảo sát sơ đồ phân bố ứng suất dưới đáy móng bồn chứa dầu Nhà máy điện Hiệp Phước (huyện Nhà Bè, TP. Hồ Chí Minh)

Kết quả khảo sát và phân tích của GS. TSKH. Lê Bá Lương [4] cho thấy, theo chiều ngang và chiều sâu vùng ảnh hưởng ứng suất không vượt quá 4b (ở đây, b là ½ chiều rộng móng của bồn chứa 20.000 tấn dầu của Nhà máy điện Hiệp Phước ).

Hình 3.1: Sơ đồ vùng ảnh hưởng ứng suất dưới móng bồn chứa dầu

3.2. Khảo sát độ ẩm – độ chặt, dung trọng khô (xác định ảnh hưởng của nền đắp) tại đường ĐT 843, huyện Thanh Bình, tỉnh Đồng Tháp

Hình 3.2: Sơ đồ bố trí hố khoan và khảo sát dung trọng khô dưới nền đường đắp 3m

Qua khảo sát và so sánh giữa vùng chịu tải dưới nền đắp và bên ngoài, cách xa nền đắp tại đường ĐT 843, huyện Thanh Bình, tỉnh Đồng Tháp (xây dựng cách đây 20 năm) [5] cho thấy, vùng ảnh hưởng tối đa tới chiều sâu 9m (<2B, với B là bề rộng đáy nền đường).

3.3. Khảo sát độ ẩm – độ chặt, dung trọng khô (xác định ảnh hưởng của nền đắp) tại nền đê biển, huyện Gò Công, tỉnh Tiền Giang

Qua khảo sát và so sánh tại đê biển Gò Công, tỉnh Tiền Giang (cách nay 10 năm) [5] cho thấy, vùng ảnh hưởng tối đa đến chiều sâu 11m (< 2B, với B là bề rộng đáy thân đê).

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí hố khoan và khảo sát dung trọng khô dưới nền đê biển đắp 4m

4. Kết luận chọn biên và ví dụ tính toán bằng phương pháp PTHH

Qua cơ sở lý luận và thực nghiệm, đề nghị chọn biên trong tính toán nền móng bằng phương pháp PTHH như sau:

4.1. Chọn biên theo chiều ngang

Theo chiều ngang, biên của vùng khảo sát nên lấy mỗi bên kể từ mép móng ra một khoảng L = 2.B, với B là chiều rộng đáy móng.

4.2. Chọn biên theo chiều sâu

Theo chiều sâu, biên của vùng khảo sát nên lấy tối đa kể từ đáy móng xuống một khoảng z = 6.B, trong khoảng z = 2.B đến 6.B, chia phần tử nhỏ hơn (sít hơn), với B là chiều rộng đáy móng.

4.3. Ví dụ tính toán

Sử dụng phần tử tam giác 15 nút, chọn biên theo chiều ngang là L = 2.B kể từ mép nóng, biên theo chiều sâu là z = 6.B, kể từ đáy móng, có các kết quả sau:

Hình 4.1: Sơ đồ phần tử tam giác 15 nút

Hình 4.2: Kết quả tính các điểm chảy dẻo

Hình 4.3: Kết quả tính véc tơ chuyển vị nút

Tài liệu tham khảo

[1]. Viện Nghiên cứu nền và công trình ngầm, Viện Thiết kế móng Nga do Đinh Xuân Bảng, Vũ Công Ngữ, Lê Đức Thắng (dịch) (1995), Sổ tay thiết kế nền và móng, Tủ sách Đại học Kiến trúc, Hà Nội.

[2]. K Terzaghi, R.B Peck (1958), Soil mechanics in engineering practice, Stroiizdat.

[3]. Lục Đình Trung, Trình Gia Câu (1996), Công trình nền – mặt đường, NXB. GTVT.

[4]. Н.Н. Maслoв, Ле Ба Лыонг (1972), К вопросу о повыщении прочности и несущей способиости глиннисты грунтов под нагрузкой во времени, Основания, фунламенты и механики грунтов, N⁰ 1.

[5]. Nguyễn Thống Nhất (2008), Nghiên cứu tính toán ổn định công trình nền đường đắp cao trên đất yếu ở ven sông, có xét đến ảnh hưởng của áp lực thấm, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.