Bài giảng Ðịa kĩ công trình và phương pháp nghiên cứu - Nguyễn Công Mẫn

1PLAXIS FINITE ELEMENT CODES Lớp bồi d−ỡng ngắn hạn Tháng 01 - 2007 Khái quát về Plaxis 2Nguyễn Công Mẫn G.S. Cơ học đất – Nền móng Nguyên Chủ nhiệm BM Cơ học đất – Nền móng ðHTL Nguyên Tr−ởng ban Th− ký CHð - NM Bộ ðại học và THCN (1978 - 1983) Lĩnh vực quan tâm: áp lực đất - đá, đất Latêrit, Tính nền theo TTGH, GEO- SLOPE OFFICE, Cơ học đất không bão hoà, sử dụng các phần mềm ðKT: GeoStudio, Plaxis ðịa chỉ: Email. ncman@fpt.vn. Tel. 04 852 8512 Hoàng Việt Hùng Th.sỹ Công trinh Thuỷ lợi - ðại học Thuỷ lợi - 2003 Th.sỹ Công trinh biển – Hà Lan - 2004 Giang viên BM Cơ học đất – Nền móng ðHTL Lĩnh vực quan tâm: Sử lý nền công trinh Thuỷ lợi, Cơ học đất không bão hoà PM GeoSlope Office và Plaxis Dịa chỉ: Email. Hoangviethung@wru.edu Tel. 04 563 6067 TS. Nguyễn Hồng Nam Kỹ s− Thuỷ công, ðH Thuỷ lợi Hà Nội, 1993 Thạc sỹ ðịa kỹ thuật, ðH Tổng hợp Tokyo, 2001 Tiến sỹ ðịa kỹ thuật, ðH Tổng hợp Tokyo, 2004 Lĩnh vực quan tâm: các đặc tính biến dạng tr−ớc phá hoại của đất đá, ổn định mái dốc, mô phỏng số địa kỹ thuật, sử dụng các PM GeoStudio, Plaxis ðịa chỉ: Email: hongnam@wru.edu.vn Tel: 08046427 GIẢNG VIấN 3ðịa kỹ thuật công trènh và Ph−ơng pháp Nghiên cứu GS. Nguyễn Công Mẫn PLAXIS FINITE ELEMENT CODES Lớp bồi d−ỡng ngắn hạn 4đặc điểm của đất - đá trong xây dựng Vk Vn Vh Đất Vr n V V r% = ì100% Đá: n ≤ 1% ữvài chục %; Đất: n = 50% ữ60% và hơn nữa Vr Vh V Đá Vr – thể tích rỗng Vn – thể tích n−ớc Vk - thể tích khí V – tổng thể tích Phân biệt đất và đá Môi tr−ờng phong hoá Môi tr−ờng thuỷ nhiệt tạo đá Môi tr−ờng nhiệt thiêu biến chất Môi tr−ờng trầm tích Chôn vùi và Nung nóng Xói mòn Vận chuyển Trầm tích N â n g c a o v à x ó i m ò n C h ô n v ù i s â u h o ặ c m a c m a x â m n h ậ p • Vỏ trái đất dày: 30 – 40km tại lục địa, gấp 6-8 lần chiều dày vỏ đáy đại d−ơng. • Hoạt động của ng−ời đạt tới 2km: 75% đá thứ sinh, 25% macma. Từ 2-15km: 95% macma, 5% đá thứ sinh • Đất đ−ợc tạo nên trong khoảng vài trăm met sâu, nhiều TH khó phân biệt giữa đá mềm và đất cứng • Trong xây dựng, phân biệt giữa đá và đất: quy −ớc Tam giác địa cơ học Burland 5• đất đá luôn biến đổi theo môi tr−ờng xung quanh, khó định ranh giới ⇒ sản vật tự nhiên - lịch sử⇒ Tiếp cận theo PP Tam giác địa cơ học Burland; • Theo quy −ớc chia ra đất và đá ⇒ mô hinh hóa bằng tính đặc chắc ( n %, γ, ...), độ cứng (E, G....), để dễ phân biệt; • Khi đánh giá sự làm việc của một công trinh xây dựng, cần xét t−ơng tác giữa kết cấu công trỡnh và môi tr−ờng (đất - đá) vỡ chúng là hai loại vật liệu khác nhau sẽ có anh h−ởng lẫn nhau ⇒ tính toán nền và công trinh theo TTGH; • Theo sự phát triển nhận thức của con ng−ời và các tiến bộ về KH-CN, các ph−ơng pháp nghiên cứu về đất- đá ngày càng tiếp cận với thực tế. đặc điểm của đất - đá trong xây dựng 6Xu thế liên ngành Địa kỹ thuật - Địa kỹ thuật Công trình - Địa kỹ thuật Môi tr−ờng (Geoenviro. Engineering)- Địa cơ học - Địa Cơ học ứng dụng - Đá Công trình (Rock Engineering) -Thuỷ Địa cơ học - Địa chất Môi tr−ờng ( Environ. Geology )... Địa chất học Khí quyển Nguồn gốc Thuỷ quyển Lịch sử phát triển Thạch quyển Cấu trúc Nội quyển Quá trình Địa chất Các KH trái đất - Xu thế phân ngành Khoáng vật học - Thạch học - Thổ nh−ỡng - Địa mạo - Kiến tạo - Khí t−ợng Địa vật lý - Địa chấn - Thuỷ văn - Địa chất TV - ĐC công trình (1929) - Cơ học Đất (1925) - Cơ học Đá (1957) ... Khái quát về sự phát triển của các khoa học trái đất 7Từ đơn ngành đến liên ngành • Gđ phát triển đơn ngành: Tim hiểu ban chất của vật chất vỏ trái đất. Cơ học đất (1925) và Cơ học đá (1957) đ−ợc hinh thành riêng biệt, theo cấu trúc nội dung không đồng bộ, nhằm đáp ứng yêu cầu thiết kế và xây dựng công trinh trong giai đoạn đầu của sự phát triển. • GĐ phát triển đa ngành: Đánh giá tổng thể t−ơng tác giữa công trình và môi tr−ờng đất - đá, bảo đảm công trình xây dựng làm việc bình th−ờng trong một môi tr−ờng phát triển bền vững, do đó cần gộp một số nội dung của một số môn học có liên quan trong một liên ngành (Interdiscipline). • Địa kỹ thuật công trình (Geotechnical Engineering). Quan trọng trong xây dựng công trình: ≥ 50% sự cố công trình xảy ra có nguồn gốc từ sai sót về mặt ĐKT. ⇒ Cần có PP tiếp cận hợp lý các bài toán ĐKT 8Skills needed for Geotechnical Engineering Anon, 1999 - Ground Engineering, Nov. 1999, British Geo. Assoc. Public Policy Codes of practice Standards Law Contract Law Specifications Bill of quantities Construction Practices Experiences Mechanical Engineering Instrumentation, Drilling system, Excavation Technics, Support Soil Mechanics Description, Effective Stress, Deformation, Failure Seepage, Earth Pressure Site Exploration Reconnaissances Drilling Testing Parameter selection Reporting Rock Mechanics Description Deformation Failure Materials Types Properties Computer Science Compatibility Equilibrium Rheological Models Applied Mechanics Compatibility Equilibrium Rheological Models Structural Mechanics Elasticity Plasticity Failure Mechanisma Geotechnical Engineering Foundation Design Bearing capacity Setlement types Soil/Rock Mass Engineered fills Retaining Structure Slope Flood Control Landfill Barriers Dam Engineering Irrigation Ground Improvement Mechanical, Chemical, Drainage,Reinforcement Geochemistry Solid Waste Leachate Hydrology Fluid type Fluid Flow Geology Mineralogy Geological Processes Groundwater Ground Movement Geophysics Vibrations Earthquakes 9Skills needed for Geotechnical Engineering Norbert R. Morgenstern, Nov. 2000 – GeoEng2000 Chuyên ngành ĐKT Đào tạo cao học Geotechnical Engineering Fluid Control Systems e.g. dams Underground Geo-structures e.g., tunnels Surface Geo- structures e.g., embankments, landfills Ground Improvement e.g. densification, remediation Structural Support Systems e.g., foundations Numerical Analysis finite elements, finite differences Continuum Mechanics elasticity, plasticity idealisation Structural Mechanics deformation, failure, member design Materials types, properties, geosynthetics Soil Mechanics deformation, failure, seepage application Rock Mechanics deformation, failure, seepage application Hydrology surface fluid flow Geology Composition genesis processes hydrology Site Exploration reconnaissance, drilling, in-situ testing, geophysics Geochemistry waste leachates durability Ground Movements Earthquakes Public Policy Codes, standards, law + compliance Contract Law specifications Construction practice, experience Mechanical Engineering drilling, instruments excavation Risk Management observational method, risk assessment, instrumentation ĐKTCT là một liên môn học, áp dụng những nguyên lý cơ bản của Cơ học đất, Cơ học đá, Kỹ thuật xây dựng nền móng và công trình.., để giải quyết các vấn đề thiết kế, thi công, sử lý - cải tạo các loại công trình xây dựng, khai thác tài nguyên thiên nhiên, đặt trên, trong, t−ơng tác với môi tr−iờng đất đá ( Nguyễn Công Mẫn, 1997) 10 Sơ đồ trực quan biểu thị một ph−ơng pháp luận logic, biện chứng, định h−ớng cho việc học tập nghiên cứu và giảng dạy Địa Kỹ thuật. mà đối t−ợng nghiên cứu có thể là cả Đất và Đá Kinh nghiệm có tr−ớc đã đ−ợc sàng lọc IV Mặt cắt khối đất I Khảo sát hiện tr−ờng, mô tả đất I Bản chất đất II Thí nghiệm, đo đạc trong phòng và hiện tr−ờng, quan sát II Muốn trở thành một chuyên gia ĐKT giỏi, cần đ−ợc đào tạo chuyên ngành ĐKT và nhiều năm tích luỹ kinh nghiệm Nash Lecture. The teaching of Soil Mechanics – A personal view (1987, 1996); Annon. Definition of Geotechnical Engineering 1999 -Morgenstern, N.R, 2000 Tam giác địa cơ học Burland Mô hình húa III Mô hình hoá phân tích - III MH hóa: Khái niệm, vật lý,giai tích 11 Bản chất đất II CN ủo ủiện tử, Thiết bị cải tiến Biểu thức bỏn kinh nghiệm Phần mềm chuyờn dựng.... Mô hình húa III Phần mềm chuyờn dụng, Mụ hỡnh số Nhận xét:1. Mô hinh hóa ban chất vật liệu và quá trinh vật lý ngày càng tiếp cận thực tế; 2.Tại VN, Mô hinh vật liệu Cam Clay (M, Γ, k, λ, v ) và các đặc tr−ng của đất không bão hòa (đcđt n−ớc đất, φb...) chưa quen dùng; 3. Plaxis dùng biểu thức "Hydraulic Function" Van Genuchten cho đất KBH. SEEP/W có thư viện hàm thấm ủể tiện dùng. 4. Burland, 1996 có binh luận vấn đề này trong phiên bế mạc trong "Conference on Unsaturated Soils/Unsat’95/Paris" Mặt cắt khối đất I ðịa vật lý, Khoan ủào, 3D Televier logging Kim, Hyoung-Soo, 2005 Tr−ớc khi khoan phụt Sau khi khoan phụt 0 5 10 15 20 25 30 35 40 (m)14.0m 14.0m 14.0m 14.0m Mật độ mở rộng vết nứt 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 (m) Tam giác địa cơ học Burland 12 Tam giác đch Burland & công nghệ hiện đại thúc đẩy phát triển đKT PPL Burland . Cấu tạo địa tầng; . Đặc tr−ng ĐKT của đất - đá; . Mô hình thích hợp (Cơ học ứng dụng – PTHH) . Kinh nghiệm tích luỹ đ−ợc sàng lọc Công nghệ hiện đại trong tiếp cậnĐKT + sự phát triển của Tin học - máy tính cá nhân ⇒Vai trò các phần mềmĐKT Đẩy mạnh sự phát triển ĐKT: Mở rộng khả năng tiếp cận các bài toán đkt Hiệu quả cao trong NC, PVSX, giảng dạy 13 Lập mô hình vật lý - TT Lập mô hình toán Ph−ơng pháp tính & MT Định tính các QT vật lý & t−ơng tác Lập hệ ph−ơng trình định l−ợng Mô phỏng lý thuyết các QT vật lý &TT 1. Ph−ơng pháp tính và máy tính thúc đẩy sự phát triển ĐKT: Phát triển liên môn → mở rộng phạm vi NC về không gian và đối t−ợng 2. CN hiện đại dùng cho thiết kế mới, thiết kế sửa chữa/quản lý an toàn các CT hiện có và nghiên cứu theo mô hình số. PHƯƠNG PHÁP LUẬN TIẾP CẬN ðỊA KỸ THUẬT So sánh - Hiệu chỉnh 14 Definition of Modelling: (WHAT) Physical System hysical Syste Mathematical System athe atical Syste Numerical Modelu erical odel Reading Workshop - May 2003 Introduction to “Modelling” Lee Barbour and John Krahn tham khao 15 Steps in Model Development
Examination of physical problem
Replacement of physical problem with mathematical description
Solution of mathematical problem
Evaluation of the mathematical solution in terms of the physical reality Lee Barbour and John Krahn July 2003 - England tham khao 16 Lee Barbour and John Krahn July 2003 - England Modeling Illustration Observe (Conceptual Model) Measure (Theoretical Model) tham khao 17 Lee Barbour and John Krahn July 2003 - England Modeling Illustration Verify (Interpretative Model) Explain (Numerical Model) tham khao 18 • Thiết kế CT theo TTGH: 1.Ultimate State 2.Serviceability State TCXD Nga ( Từ 1962) E.C 7 - CĐCÂ ( từ 1997 ); •Tiếp cận hợp lý các bài toán ĐKT - Tam giác địa cơ học Burland • Hợp tác liên ngành và phát triển công nghệ: Phần mềm chuyên dùng J. van der Weide, 1988 Môi tr−ờng & hoạt động của ng−ời Structure Systems Response Water Soil Rock Đập NềnN−ớc hồ Sowas và tính nền - công trinh theo TTGH Hợp tác liên ngành •Tổ chức thẩm định CT Sơn La của NIPPON KOEI 19 ví dụ Tính toán theo TTGH Đào tunen sau khi đã có CT TT GH thứ hai M ặ t t r − ợ t Kiểm tra mất ổn định tổng thể của t−ờng chắn đặt trên mái đất TT GH thứ nhất Có thể dùng Phần mềm PLAXIS hoặc Phần mềm SIGMA/W để giai quyết 20 1. TG ðCH Burland - PPL hiện ủại định h−ớng cho việc tiếp cận các bài toán đKT nên cần đ−ợc quán triệt trong sản xuất và nghiên cứu phát triển (Thực tế: 70% CT h− hỏng do sai sót về ðKT); 2. Các phần mềm ðKT nên dùng nh− một mô hinh số: linh hoạt và hiệu quả hơn các MH vật lý, có thể mô phỏng các quá trinh vật lý xảy ra trong tự nhiên một cách chính xác, thay thế cho MH vật lý trong một số TH. Nh−ng hạn chế của MH số (mô phỏng các quá trinh hóa lý, biến ủổi nhiệt...) cần ủược tiếp tục NC phát triển; nhận xét và kết luận 21 4. Nên tận dụng các phần mềm ðKT như một công cụ MH số ủể dự tính các khả năng có thể xảy ra cho các dự án trong NCKH, hoặc lựa chọn giải pháp hợp lý trong thiết kế sản xuất. Nó cũng cần ủ−ợc khai thác trong quản lý sửa chữa các CT hiện có. ðây cũng là một su thế hợp lý ủể tiết kiệm thời gian, kinh phí trong công tác NCKH 3. Việc khai thác các MH số có hiệu quả hay không là tùy thuộc ở ng−ời sử dụng. Nếu khai thác tốt, ng−ời sử dụng có thể hiểu sâu sắc hơn các quá trỡnh vật lý ch−a biết, làm sâu sắc hơn kiến thức tích lũy cho bản thân: đó là các kinh nghiệm có chọn lọc trong nhân của TG ðCH Burland. Do vậy quá trinh khai thác sử dụng các phần mềm ðKT cũng chính là quá trinh tự ủào tạo, nên cần cải tiến giảng dạy ðKT, tạo ủiều kiện cho SV tiếp cận và khai thác chúng trong ủào tạo tại các tr−ờng ðại học. nhận xét và kết luận