View Categories

7. Phân tích sai phân hữu hạn ba chiều

Một chương trình phân tích ba chiều FLAC3D được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của lưới địa kỹ thuật hai phương so với một phương đến ứng xử của deep patch và nhu cầu neo giữ hai đầu của gia cường.

Các phần tử vật liệu và đặc tính mô hình được sử dụng cho địa tổng hợp, cấu hình các mái dốc ba chiều được xem xét, và phần tóm tắt các phân tích này được trình bày chi tiết trong chương này.

7.1 PHẦN TỬ VÀ ĐẶC TÍNH ĐỊA TỔNG HỢP

FLAC3D sử dụng các phần tử kết cấu “lưới địa kỹ thuật” để mô hình hóa địa tổng hợp. Các phần tử này là phần tử màng 3 nút, phát triển sức kháng kéo nhưng không có sức kháng uốn. Các mô hình vật liệu có sẵn cho các phần tử này là các mô hình đàn hồi tuyến tính đẳng hướng hoặc trực hướng, không có giới hạn phá hoại.

Các mặt tiếp xúc được sử dụng để mô hình hóa sức kháng cắt phát triển giữa địa tổng hợp và đất xung quanh khi xảy ra chuyển động tương đối giữa chúng.

Địa tổng hợp hai phương và một phương lần lượt được mô hình hóa bằng đặc tính đàn hồi tuyến tính đẳng hướng và trực hướng. Việc sử dụng đặc tính đẳng hướng tạo ra cùng mô đun đàn hồi theo hai phương chính của địa tổng hợp. FLAC3D yêu cầu khai báo mô đun đàn hồi và hệ số Poisson khi chọn mô hình vật liệu đàn hồi đẳng hướng.

Việc sử dụng đặc tính đàn hồi trực hướng cho phép khai báo các mô đun đàn hồi khác nhau theo hai phương vật liệu. Cụ thể, FLAC3D yêu cầu khai báo bốn hằng số đàn hồi khi sử dụng đàn hồi trực hướng, được cho bởi các Phương trình 4 đến 7.

\[
c’_{11}=\frac{E’_{x’}}{1-\nu_{x’}\nu_{y’}} \tag{Phương trình 4}
\]

\[
c’_{22}=\frac{E’_{y’}}{1-\nu_{x’}\nu_{y’}} \tag{Phương trình 5}
\]

\[
c’_{33}=G \tag{Phương trình 6}
\]

\[
c’_{12}=\frac{E’_{x’}\nu_{y’}}{1-\nu_{x’}\nu_{y’}}
=\frac{E’_{y’}\nu_{x’}}{1-\nu_{x’}\nu_{y’}} \tag{Phương trình 7}
\]

Trong đó:

\(E’_{x’}\) và \(E’_{y’}\) là mô đun đàn hồi theo hai phương vật liệu chính; \(G\) là mô đun cắt trong mặt phẳng; và \(\nu_{x’}\), \(\nu_{y’}\) là các hệ số Poisson trong mặt phẳng.

Để biểu diễn vật liệu một phương, mô đun cắt trong mặt phẳng và các hệ số Poisson trong mặt phẳng được đặt bằng 0. Mô đun đàn hồi theo phương \(x’\), \(E’_{x’}\), được gán một giá trị thực tế, trong khi giá trị theo phương \(y’\) được gán một giá trị nhỏ, \(E’_{y’} = 1\); giá trị bằng 0 là không được phép.

Việc sử dụng các giá trị này làm cho địa tổng hợp chỉ chịu tải theo phương vuông góc với mặt mái dốc. Với các giá trị này, các Phương trình 4 đến 7 rút gọn thành:

\(\qquad \qquad c’_{11} = E’_{x’}\)

\(\qquad \qquad c’_{22} = E’_{y’}\)

\(\qquad \qquad c’_{33} = G = 0\)

\(\qquad \qquad c’_{12} = 0\)

Đối với các mái dốc được mô hình hóa trong nghiên cứu này, các đặc tính đẳng hướng và trực hướng được gán các giá trị nêu trong Bảng 29. Việc sử dụng \(\nu = 0\) cho địa tổng hợp đẳng hướng bỏ qua mọi hiệu ứng Poisson trong trạng thái chịu tải hai phương; điều này được xem là thiên về an toàn và cần thiết vì một số địa tổng hợp có biểu hiện đặc tính này.

Tổ hợp mô đun đàn hồi và chiều dày được sử dụng tạo ra cường độ kéo 4,125 lb/ft tại biến dạng 5%, nằm trong phạm vi của các loại vải địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật gia cường thường có trên thị trường.

Bảng 29: Đặc tính đẳng hướng và trực hướng cho địa tổng hợp hai phương và một phương

Loại địa tổng hợp Đặc tính
Đẳng hướng E (psf) = 25 × 106
ν = 0
chiều dày (ft) = 0.0033
Trực hướng E′x′ (psf) = 25 × 106
E′y′ = 1
G = 0
νx′ = νy′ = 0
chiều dày (ft) = 0.0033

\(\\\)

Mô hình mặt tiếp xúc chịu cắt được sử dụng được thể hiện trong Hình 82 và bao gồm độ cứng cắt (k), cùng với sức kháng cắt cực hạn được xác định theo (c) và (\phi).

Các tham số này được gán các giá trị sau, với giá trị được đặt cao nhằm ngăn ngừa phá hoại kéo tuột:

\(\qquad \qquad k = 15{,}000 \text{lb/ft}^2/\text{ft}\)

\(\qquad \qquad c = 500 \text{psf}\)

\(\qquad \qquad \phi = 45^\circ\)

Hình 82: Ứng xử cắt của mặt tiếp xúc giữa địa tổng hợp và đất (FLAC, 2011).

7.2 CẤU HÌNH MÁI DỐC

Một hình học mái dốc duy nhất đã được phân tích, tương ứng với Run 9, Trường hợp 8 cho phá hoại xoay hoặc Run 9 cho phá hoại dạng nêm của các mái dốc 2D đã được phân tích trước đó trong Mục 6.1.

Mái dốc này có các đặc tính hình học sau:

\(\qquad \qquad H = \) 35 ft

\(\qquad \qquad \beta = 34^\circ\)

\(\qquad \qquad \alpha = 27.5^\circ\)

\(\qquad \qquad X = \) 15.34 ft

Một mô hình 3D của mặt cắt này được gán các đầu phẳng, tạo thành cấu hình thể hiện trong Hình 83. Phương \(z\) của mô hình là phương đứng, phương \(y\) dọc theo mặt mái dốc, và phương \(x\) vuông góc với mặt phẳng \(y\)-\(z\).

Đáy mô hình được cố định theo các phương \(x\), \(y\), và \(z\). Hai đầu của mô hình được cố định theo phương \(y\), và mặt sau của mô hình được cố định theo phương \(x\).

Hình chiếu mặt cắt của mô hình cho mái dốc không gia cường với đơn vị đất yếu màu xanh và đơn vị đất bền màu xám được trình bày trong Hình 84. Cấu hình này tương ứng với mô hình được sử dụng để phân tích phá hoại xoay tổng quát trong đất đắp.

Một mô hình được sử dụng để phân tích phá hoại dạng nêm, trong đó thêm một loại đất thứ ba cho mặt trượt, màu hồng, được trình bày trong Hình 85.

Hình 83: Cấu hình tổng quát của các mô hình mái dốc 3D.
Hình 84: Mặt cắt của mô hình 3D không gia cường cho phá hoại xoay.
Hình 85: Mặt cắt của mô hình 3D không gia cường cho phá hoại dạng nêm.

Để mô hình hóa các hiệu ứng ba chiều, hai đầu của mô hình theo phương \(y\) được bố trí các vùng kéo dài của đất nền bền. Hình chiếu 3D của mô hình không gia cường với đất nền bền ở hai đầu được trình bày trong Hình 86.

Bảy lần lặp của mô hình trong Hình 86 đã được phân tích, tương ứng với chiều dài theo phương \(y\) của khối đất yếu lần lượt là 10, 20, 30, 60, 120, 200 và 400 ft.

Chiều dài vùng kéo dài của đất nền bền ở mỗi đầu theo phương \(y\) là 15 ft đối với cả bảy mô hình. Mô hình trong Hình 86 tương ứng với chiều dài đất yếu là 60 ft.

Hình 86: Hình chiếu 3D của mô hình không gia cường (chiều dài đất yếu = 60 ft).

Các mô hình gia cường được tạo với 5 ft đất gia cường và 5 lớp địa tổng hợp. Mặt cắt của một mô hình gia cường được trình bày trong Hình 87.

Chiều dài của gia cường theo phương \(y\) kéo dài toàn bộ chiều dài của mô hình và do đó được neo vào các đầu của vùng đất nền bền kéo dài.

Danh sách các đặc tính đất được sử dụng cho các lớp đất liên quan đến mô hình hóa này được trình bày trong Bảng 30. Các đặc tính \(K\) và \(G\) lần lượt là mô đun nén thể tích đàn hồi và mô đun cắt đàn hồi (elastic bulk modulus and shear modulus).

Hình 87: Mặt cắt của mô hình 3D gia cường cho phá hoại xoay.

Bảng 30: Đặc tính đất cho các mô hình 3D

>
Lớp đất \(\phi\) (độ) c (psf) \(\gamma\) (pcf) K (ksf) G (ksf)
Cứng/Đất tự nhiên500125840388
Khối gia cường450125840388
Yếu (phá hoại xoay)24.555125420194
Yếu (phá hoại dạng nêm)32200125420194
Mặt trượt (phá hoại dạng nêm)0204125420194

7.3 KẾT QUẢ MÔ HÌNH 3D

Các mô hình cho trường hợp không gia cường và có gia cường đã được phân tích cho cả phá hoại xoay và phá hoại dạng nêm. Các mô hình gia cường được phân tích bằng đặc tính đẳng hướng và trực hướng, tương ứng với gia cường lưới địa kỹ thuật hai phương và một phương. Mỗi loại mô hình được phân tích cho bảy trường hợp chiều dài đất yếu khác nhau. Kết quả là có 42 mô hình được phân tích bằng FLAC3D.

Kết quả từ từng mô hình được tóm tắt theo hệ số an toàn và các biểu đồ đường đẳng trị của gia số biến dạng cắt lớn nhất và độ lớn chuyển vị. FLAC3D cung cấp số lượng biến kết quả để xem nhiều hơn so với FLAC/Slope. Các đường đẳng trị độ lớn chuyển vị tại thời điểm phá hoại được nhận thấy là tốt hơn các vectơ vận tốc từng dùng trong FLAC/Slope để biểu diễn trực quan chuyển động của vật liệu trong mái dốc tại thời điểm phá hoại.

Hệ số an toàn đối với phá hoại xoay và phá hoại dạng nêm theo chiều dài đất yếu cho 14 trường hợp được phân tích được trình bày trong Hình 88 cho mái dốc không gia cường. Có thể thấy rằng hệ số an toàn giảm khi chiều dài đất yếu tăng. Điều này là do sức kháng phát triển giữa hai đầu của vùng đất yếu và nền tự nhiên cứng.

Đối với chiều dài ngắn của vùng đất yếu, hiệu ứng vòm đất cũng có khả năng đáng kể nhất và dẫn đến hệ số an toàn cao hơn. Sức kháng bổ sung ở hai đầu trở nên không đáng kể khi chiều dài đất yếu lớn hơn khoảng 150 ft.

Các biểu đồ đường đẳng trị cho thấy mặt phá hoại và chuyển động của đất yếu kéo dài lên tới roadway bench đối với tất cả các mái dốc không gia cường này, như minh họa trong Hình 89 cho phá hoại xoay với chiều dài đất yếu 60 ft. Mặt cắt cho hình này nằm tại giữa chiều dài đất yếu, tương tự như tất cả các hình còn lại thể hiện thông tin này.

Hình 88: Hệ số an toàn của các mái dốc FLAC3D không gia cường theo chiều dài đất yếu.
Hình 89: Các biểu đồ đường đẳng trị của mái dốc 3D không gia cường, phá hoại xoay, chiều dài đất yếu 60 ft:
a) gia số biến dạng cắt lớn nhất; b) độ lớn chuyển vị.

Các biểu đồ cho mái dốc có chiều dài đất yếu 60 ft, được gia cường bằng gia cường hai phương và một phương, lần lượt được trình bày trong Hình 90Hình 91, dựa trên phá hoại xoay.

Cả hai trường hợp đều cho thấy sự cải thiện về mặt giảm lượng chuyển động trên hoặc bên dưới roadway bench. Trường hợp gia cường hai phương cho mức độ làm việc tốt hơn nhiều so với trường hợp vật liệu một phương; trong đó mức độ làm việc của trường hợp một phương là không chấp nhận được, do quan sát thấy chuyển động trên road bench.

Một bộ kết quả cho phá hoại dạng nêm với chiều dài đất yếu 60 ft, gồm mái dốc không gia cường, mái dốc gia cường hai phương và mái dốc gia cường một phương, được trình bày từ Hình 92 đến Hình 94, và cho thấy các kết luận trên còn rõ ràng hơn.

Hình 90: Các biểu đồ đường đẳng trị của mái dốc 3D gia cường hai phương, phá hoại xoay, chiều dài đất yếu 60 ft:
a) gia số biến dạng cắt lớn nhất; b) độ lớn chuyển vị.
Hình 91: Các biểu đồ đường đẳng trị của mái dốc 3D gia cường một phương, phá hoại xoay, chiều dài đất yếu 60 ft:
a) gia số biến dạng cắt lớn nhất; b) độ lớn chuyển vị.
Hình 92: Các biểu đồ đường đẳng trị của mái dốc 3D không gia cường, phá hoại dạng nêm, chiều dài đất yếu 60 ft:
a) gia số biến dạng cắt lớn nhất; b) độ lớn chuyển vị.
Hình 93: Các biểu đồ đường đẳng trị của mái dốc 3D gia cường hai phương, phá hoại dạng nêm, chiều dài đất yếu 60 ft:
a) gia số biến dạng cắt lớn nhất; b) độ lớn chuyển vị.
Hình 94: Các biểu đồ đường đẳng trị của mái dốc 3D gia cường một phương, phá hoại dạng nêm, chiều dài đất yếu 60 ft:
a) gia số biến dạng cắt lớn nhất; b) độ lớn chuyển vị.

Việc xem xét các bộ hình tương tự từ Hình 89 đến Hình 91 cho thấy xu hướng cải thiện tương tự khi có gia cường, và mức độ làm việc tốt hơn đáng kể khi sử dụng gia cường hai phương. Tất cả các biểu đồ đường đẳng trị cho các phân tích 3D được trình bày trong Phụ lục C.

Sự khác biệt về mức độ làm việc theo chiều dài đất yếu khó phân biệt rõ. Nhìn chung, các nhận xét trên dường như đúng với mọi chiều dài đất yếu và có thể rõ rệt hơn đối với các chiều dài đất yếu lớn hơn.

Để xác định rõ hơn, phần tóm tắt hệ số an toàn thu được từ từng lần chạy mô hình được trình bày trong Bảng 31Bảng 32, lần lượt cho phá hoại nêm và phá hoại xoay. Phần trăm cải thiện hệ số an toàn của các mô hình gia cường bằng địa tổng hợp hai phương và một phương so với trường hợp không gia cường tương ứng, theo chiều dài đất yếu của mô hình, được trình bày trong Hình 95 và Hình 96, lần lượt cho phá hoại nêm và phá hoại xoay.

Khi xem các kết quả này, cần lưu ý rằng hệ số an toàn của các mô hình gia cường tương đối thấp vì chúng tương ứng với các mặt phá hoại tới hạn phát triển bên dưới khối gia cường trong đất yếu và có xu hướng khởi phát dọc theo mặt mái dốc. Như đã minh họa trước đó bằng ReSSA, các mặt phá hoại khởi phát dọc theo bề mặt đường có hệ số an toàn cao hơn.

Bảng 31: Hệ số an toàn đối với phá hoại dạng nêm

Cấu hình Chiều dài đất yếu (ft) Hệ số an toàn
Không gia cường Gia cường hai phương Gia cường một phương
1101.311.381.36
2201.141.301.24
3301.071.251.17
4601.001.201.10
51200.961.171.06
62000.931.151.04
74000.931.141.03

\(\\\)

Bảng 32: Hệ số an toàn đối với phá hoại xoay

Cấu hình Chiều dài đất yếu (ft) Hệ số an toàn
Không gia cường Gia cường hai phương Gia cường một phương
1101.231.251.25
2201.081.121.11
3301.031.071.07
4600.981.041.02
51200.961.011.00
62000.951.011.00
74000.941.000.99

\(\\\)

Hình 95: Phần trăm cải thiện hệ số an toàn của địa tổng hợp hai phương và một phương đối với phá hoại dạng nêm.
Hình 96: Phần trăm cải thiện hệ số an toàn của địa tổng hợp hai phương và một phương đối với phá hoại xoay.

Các kết quả này cho thấy cả địa tổng hợp một phương và hai phương đều cải thiện hệ số an toàn. Địa tổng hợp hai phương tạo ra mức cải thiện lớn hơn đáng kể đối với phá hoại dạng nêm so với địa tổng hợp một phương, và tạo ra mức cải thiện lớn hơn một chút đối với phá hoại xoay. Mức cải thiện hệ số an toàn có xu hướng tăng khi chiều dài đất yếu tăng đến khoảng 150–200 ft, sau đó gần như không đổi. Xu hướng này nhiều khả năng là do hệ số an toàn của các mái dốc không gia cường có chiều dài đất yếu nhỏ vốn đã tương đối cao, nên việc bổ sung gia cường không tạo ra ảnh hưởng lớn đến ổn định mái dốc. Dữ liệu này hỗ trợ các xu hướng đã thấy trong các biểu đồ đường đẳng trị đã thảo luận ở trên. Đối với tất cả các trường hợp được xem xét, tải trọng lớn nhất trong địa tổng hợp xấp xỉ 1,600 lb/ft.

Mái dốc có chiều dài đất yếu 60 ft được phân tích với 3, 2 và 1 lớp gia cường có khoảng cách đều trong chiều sâu 5 ft của đất gia cường, cho cả phá hoại xoay và phá hoại dạng nêm. Trong tất cả các trường hợp, việc giảm số lớp gia cường từ 5 lớp dẫn đến mức độ làm việc kém hơn. Mức độ làm việc của tất cả các trường hợp được xem là không chấp nhận được và điều này hỗ trợ các kết quả trong Chương 5 và Chương 6, cho thấy ảnh hưởng của khoảng cách gia cường đến mức độ làm việc.

7.4 TÓM TẮT

Chương trình phân tích ba chiều FLAC3D được sử dụng để xem xét sự khác biệt về mức độ làm việc của mái dốc khi sử dụng gia cường hai phương và một phương. Các kết quả của nghiên cứu cũng được sử dụng để đánh giá tầm quan trọng của việc neo giữ ở hai đầu của patch.

Các mô hình 3D được thiết lập cho một hình học mái dốc duy nhất với 7 chiều dài đất yếu khác nhau. Hai nhóm mô hình cho phép phân tích cả phá hoại xoay và phá hoại dạng nêm.

Vật liệu hai phương được mô hình hóa bằng đặc tính vật liệu đẳng hướng. Vật liệu một phương được mô hình hóa bằng đặc tính vật liệu trực hướng, với mô đun đàn hồi không đáng kể theo phương song song với mặt mái dốc, tức theo phương chiều dài đất yếu.

Các mái dốc gia cường gồm 5 lớp gia cường với khoảng cách 1 ft. Một số mô hình bổ sung được xem xét với 3, 2 và 1 lớp gia cường, bố trí cách đều trong chiều sâu sửa chữa 5 ft.

Các kết quả được biểu diễn theo hệ số an toàn và các biểu đồ đường đẳng trị của biến dạng cắt lớn nhất và độ lớn chuyển vị. Các mái dốc không gia cường đều cho hệ số an toàn gần 1.0 và dạng phá hoại kéo dài lên tới roadway bench.

Với khoảng cách gia cường 1 ft, gia cường hai phương tạo ra sự cải thiện đáng kể và ngăn chuyển động của vật liệu dọc theo và bên dưới roadway bench trong tất cả các trường hợp được xem xét. Gia cường một phương tạo ra sự cải thiện, nhưng vẫn gây ra chuyển động không chấp nhận được dọc theo roadway bench. Không ghi nhận sự khác biệt rõ ràng về mức độ làm việc theo chiều dài đất yếu.

Các kết quả này cho thấy lợi ích của vật liệu gia cường hai phương so với một phương đối với sửa chữa deep patch. Các kết quả thu được trong nghiên cứu tham số ở Chương 6 giả định vật liệu gia cường đẳng hướng cho phân tích 2D, do đó có thể áp dụng cho gia cường hai phương.

Do mức độ làm việc giảm đáng kể khi sử dụng vật liệu một phương trong các trường hợp được xem xét trong nghiên cứu 3D này, khuyến nghị sử dụng vật liệu hai phương kết hợp với các kết quả từ Chương 6, và cường độ yêu cầu nên được lấy theo phương yếu nhất của vật liệu hai phương.

Do cường độ theo phương song song với mái dốc là quan trọng, nên tầm quan trọng của việc neo gia cường vào nền tự nhiên bền ở hai đầu của deep patch là rõ ràng, nhằm phát triển sức kháng kéo theo phương này.

Nếu vật liệu một phương được chỉ định cho deep patch, cần có nghiên cứu bổ sung để đưa ra khuyến nghị về yêu cầu gia cường bổ sung ngoài các nội dung đã thảo luận trong Chương 6. Các yêu cầu bổ sung này có thể bao gồm chiều sâu gia cường lớn hơn, khoảng cách gia cường nhỏ hơn và/hoặc cường độ cao hơn. Cần thêm các phân tích 3D cho nhiều trường hợp, có hỗ trợ bằng thí nghiệm hiện trường, để xác định các yêu cầu bổ sung này.