Bài giảng Nền móng công trình xây dựng - Chương 3: Mô hình hóa môi trường đất

Bài giảng Nền móng công trình xây dựng - Chương 3: Mô hình hóa môi trường đất. Chương này cung cấp cho học viên những nội dung về: mô hình hóa môi trường đất (modeling soil media); mô hình hệ số nền (discrete soil model); mô hình cơ học vật liệu nền (soil constitutive model);... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Nền móng công trình xây dựng - Chương 3: Mô hình hóa môi trường đất MODELING SOIL MEDIA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG ĐẤT VIỆN KỸ THUẬT Instructor: Nguyễn Tương Lai CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT Course: Nền móng CTXD 2.1. Modeling Soil Media/Mô hình hóa MT đất  Trong bài toán phân tích tương tác của kết cấu với nền đất cần mô hình hóa môi trường nền bằng các mô hình đơn giản nhưng sát thực về mặt vật lý và toán học:   Mô hình hệ số nền (mô hình rời rạc);   Mô hình vật liệu nền (mô hình liên tục).  Mô hình hóa môi trường nền cần đảm bảo mô tả sự phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc của kết cấu với nền tiệm cận với thực tế.  Sự thay đổi của áp lực tương tác trên bề mặt tiếp xúc của kết cấu với nền nói chung phụ thuộc vào:  Độ cứng của kết cấu (kết cấu cứng hay mềm, phẳng hay không gian,…);  Bản chất của nền (đất dính, đất rời,… tuyến tính, phi tuyến,…);  Đặc trưng tác dụng của tải trọng (tĩnh, động; tác dụng lên KC hay MT). 2.1. Modeling Soil Media/Mô hình hóa MT đất  Từ quan điểm mô hình hóa môi trường nền cho thấy cả hai phương pháp (mô hình rời rạc hay mô hình liên tục) đều có những hạn chế nhất định. Tuy nhiên ứng xử cơ học của môi trường nền là phức tạp nên khó có thể xây dựng một mô hình toán học tổng quát phù hợp với ứng xử thực tế của mọi loại nền.  Trên quan điểm kỹ thuật thì việc đơn giản hóa các mô hình của nền đất trở thành vấn đề chính cần xem xét để có thể nhận được các kết quả hợp lý cho từng dạng bài toán.  Đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện trong những năm gần đây nhằm cải thiện các phương pháp mô hình hóa môi trường nền thông qua các mô hình toán học và thí nghiệm nhằm mô phỏng gần hơn với bản chất vật lý của nền đất, từ đó giúp giải quyết bài toán tương tác chính xác hơn và hiệu quả hơn. 2.2. Discrete Soil Model/Mô hình hệ số nền 2.2.1. Winkler Model / Mô hình nền Winkler  N. Phuss (1801) và K.Winkler (1867) đề xuất: thay thế liên kết kết cấu với nền bằng hệ các lò xo đàn hồi độc lập với nhau theo phương vuông góc với bề mặt nền, biến dạng của nền chỉ xảy ra ở phạm vi kết cấu tiếp xúc với nền (Hình vẽ). Lực tác dụng lên bề mặt của nền và chuyển vị của điểm tương ứng theo phương của lực tác dụng là tỷ lệ tuyến tính với nhau:r0 ( x, y ) = c1W0 ( x, y ) 2.2.1. Winkler Model / Mô hình nền Winkler  Ý nghĩa vật lý của mô hình một hệ số nền là khi ép xuống nền một lực phân bố có độ lớn p (N/cm2, KN/m2) làm cho mặt nền bị lún xuống một đơn vị chiều dài (cm, m), khi đó hệ số nền đất có giá trị bằng p, đơn vị của hệ số nền là N/cm3, daN/cm3, kN/m3) 2.2.1. Winkler Model / Mô hình nền Winkler  Hạn chế của mô hình nền Winkler:  Biến dạng của nền do tải trọng từ kết cấu gây ra chỉ xảy ra trong phạm vi đặt tải Tính liên tục của nền không đảm bảo;  Chỉ xét đến độ cứng của nền nên khi áp dụng cho bài toán tương tác động lực học của kết cấu với nền thường cho kết quả không chính xác;  Không phù hợp cho bài toán tương tác khi tải trọng tác động lên nền thay vì lên kết cấu;  Giá trị của hệ số nền không chỉ phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của nền mà còn phụ thuộc  Quan hệ giữa tải trọng và độ lún của vào kích thước của diện đặt tải; nền thường là phi tuyến, để áp dụng mô hình Winkler phải tuyến tính hóa. 2.2.1. Winkler Model / Mô hình nền Winkler  Hạn chế của mô hình nền Winkler:  Thực tế chứng tỏ các cột đất (các lò so) không làm việc độc lập với nhau. Áp lực từ kết cấu vào nền sẽ ảnh hưởng đến chuyển vị của lò so tại vị trí đặt lực cũng như các lò so lân cận do nền đất có áp lực ngang và luôn tồn tại ma sát giữa các phân tố đất nền;  Không thể có một giá trị hệ số nền thực sự đại diện đầy đủ cho yếu tố tương tác giữa kết cấu với nền; đặc biệt khi nền đất là môi trường rời, phân lớp, không chịu kéo (làm việc một chiều);  Sự làm việc độc lập của các lò so là nhược điểm lớn nhất của mô hình nền Winkler. 2.2.1. Winkler Model / Mô hình nền Winkler  Xác định hệ số nền Winkler: Theo định nghĩa, hệ số nền Winkler (Modulus of subgrade reaction or the coefficient of subgrade reaction) k là tỉ số giữa áp lực p lên mặt nền và chuyển vị của mặt nền theo phương tác dụng của áp lực gây ra bởi áp lực p: k=p s  Do độ cứng của nền là tham số duy nhất đặc trưng cho ứng xử về mặt cơ học của nền nên cần chú ý khi xác định trị số của hệ số nền để áp dụng vào các bài toán tương tác trong thực tiễn.  Hiện nay tồn tại một số phương pháp khác nhau để xác định trị số của hệ số nền (lý thuyết, thực nghiệm, thực hành); các trị số của hệ số nền nhận được khác nhau nên người dùng phải phân tích, so sánh để quyết định sử dụng cho phù hợp. 2.2.1. Winkler Model / Mô hình nền Winkler Phương pháp xác định hệ số nền Winkler bằng thực nghiệm  Thí nghiệm bàn nén tại hiện trường để xác định hệ số nền Winkler (hình vẽ): k =q S với: k là hệ số nền; q là áp lực của bàn nén truyền q Load xuống nền; S S là độ lún của bàn nén dưới áp 1 k lực q (chỉ xét trong giai đoạn đàn hồi) Settlement 2.2.1. Winkler Model / Mô hình nền Winkler Xác định hệ số nền Winkler bằng các công thức thực nghiệm  Tính hệ số nền theo công thức thực nghiệm của Vesic: 0.65 E 0 B4 E 0 k= .12 B E p I p (1-μ 2 ) với: k - hệ số nền; B - Bề rộng m ...