Mô phỏng đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả thí nghiệm nén lún mẫu đất rời bằng phương pháp phần tử rời rạc

Phương pháp phần tử rời rạc (DEM) thường được sử dụng để mô phỏng ứng xử của mẫu đất thí nghiệm và nền đất trong phạm vi nhỏ theo sơ đồ bài toán phẳng. Việc mô phỏng thí nghiệm mẫu đất rời trong bài báo được thực hiện nhằm phân tích ứng xử của mẫu đất trong quá trình nén như quan hệ ứng suất biến dạng, ma sát giữa đất và hộp nén, sự suy giảm ứng suất do ma sát với thành dao vòng, hệ số áp lực hông.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả thí nghiệm nén lún mẫu đất rời bằng phương pháp phần tử rời rạc TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN LÚN MẪU ĐẤT RỜI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC SIMULATION AND EVALUATING FACTORS EFFECTING ON COMPRESSION TEST OF COHENSIONLESS SAMPLE USING DISCRETE ELEMENT METHOD PGS. TS. Bùi Trường Sơn, KS. Nguyễn Trung Nam Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM TÓM TẮT Phương pháp phần tử rời rạc (DEM) thường được sử dụng để mô phỏng ứng xử của mẫu đất thí nghiệm và nền đất trong phạm vi nhỏ theo sơ đồ bài toán phẳng. Việc mô phỏng thí nghiệm mẫu đất rời trong bài báo được thực hiện nhằm phân tích ứng xử của mẫu đất trong quá trình nén như quan hệ ứng suất biến dạng, ma sát giữa đất và hộp nén, sự suy giảm ứng suất do ma sát với thành dao vòng, hệ số áp lực hông. Ngoài ra, việc phân tích còn tập trung đánh giá ảnh hưởng của kích cỡ mẫu lên kết quả thí nghiệm. Kết quả phân tích cho phép rút ra các nhận định về độ tin cậy của thí nghiệm nén. ABSTRACT Discrete Element Method (DEM) is usually used to simulate behavior of testing sample or ground in small scope in plane problem. Simulation of testing cohensionless sample in the paper is carried out to analyze behavior of soil sample in compression progress such as: stress-strain behavior, friction of soil and compression box, stress reduction due to friction against wall, lateral pressure ratio. Besides, the analysis concentrates on evaluation of sample size on testing results. The analysis results allow draw out assumptions about reliability of compression test. 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC Việc mô phỏng thí nghiệm đất, là loại vật liệu rời, bằng phương pháp phần tử rời rạc (DEM - Discrete Element Method) phổ biến khá rộng rãi trong những năm gần đây như: mô phỏng thí nghiệm nén mẫu có chứa hạt hòa tan (Cha M. & Santamarina, 2014; Truong Q. H el al., 2012), thí nghiệm cắt trực tiếp (S.H. Liu, 2006; J.W. Park & J.J. Song, 2009), thí nghiệm nén dọc trục (S.J. Lee et al., 2012; C. Thorn & L. Zhang, 2003). Ưu điểm của phương pháp này là có thể mô phỏng nhanh và cho phép quan sát, đánh giá ứng xử của vật liệu ở cấp độ vi hạt như tương tác giữa các hạt hay việc tính toán đánh giá nội lực tại vị trí bất kỳ [1], [2], [3], [4], [5]. Kết cấu ban đầu của đất đóng vai trò quan trọng trong ứng xử khi chịu tải. Kết cấu của đất thể hiện độ cứng, khả năng chịu nén, sức chống cắt và đặc trưng cơ lý của mẫu đất nói chung. Những nghiên cứu thí nghiệm và mô phỏng bằng phương pháp phần tử VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 329 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 rời rạc cũng cho thấy sức chống cắt khác nhau đáng kể ứng với các dạng kết cấu khác nhau trên cùng loại đất có dung trọng như nhau (O'Sullivan et al., 2004; Oda, 1972; Yimsiri và Soga, 2010) [6], [7]. Ngoài ra, sử dụng DEM còn cho phép phân tích ứng xử của nền đất rời dưới tác dụng của tải trọng hình băng như đánh giá khả năng chịu tải cũng như ứng xử của đất tại các vị trí khác nhau [8]. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước mẫu đến kết quả thí nghiệm như thí nghiệm cắt trực tiếp (Z.M. & Amir A., 2011; R. Dadkhah, 2010), nén ba trục (Tarek O., 2013) cũng đã được thực hiện. Các nghiên cứu này chỉ ra rằng kích thước mẫu có thể ảnh hưởng một phần đến kết quả thu được như giá trị góc ma sát trong và sức chống cắt của mẫu nói chung. Mẫu càng bé thì ảnh hưởng càng lớn và kích thước mẫu tăng đến giá trị đủ lớn thì ảnh hưởng kích thước không còn rõ rệt nữa. Như vậy, phương pháp phần tử rời rạc hầu hết được sử dụng để mô phỏng thí nghiệm mẫu hay nền đất dưới tác dụng tải trọng trong phạm vi hẹp theo sơ đồ phẳng. 2. CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC Phương pháp phần tử rời rạc được sử dụng để mô phỏng sự dịch chuyển và tương tác của các hạt tròn trong hỗn hợp dưới tác dụng của ngoại lực. Phương pháp phần tử rời rạc được giới thiệu bởi Cundall (1971) và được sử dụng để phân tích những vấn đề trong Cơ học đá. Sau này, Cundall và Strack (1979) áp dụng cho các loại đất. Phương pháp này được trình bày chi tiết trong bài báo của Cundall (1988) và Hart cùng cộng sự (1988), phần hướng dẫn của hãng Itasca, 2014 [9]. Phần mềm PFC2D được xây dựng dựa trên cơ sở của Cundall và Hart (1992) cho phép giới hạn chuyển vị và xoay cho các hạt độc lập cũng như tự động xác định những liên kết mới trong quá trình tính toán. PFC2D được xem như là một phần của phương pháp DEM do giới hạn ở việc mô phỏng các hạt rắn hình tròn. Về tổng thể, phương pháp DEM có thể mô phỏng được những hạt có dạng hình đa giác. Trong DEM, tương tác giữa các hạt được xem là tương tác động, đạt trạng thái cân bằng khi nội lực bên trong cân bằng. Các lực tương tác và chuyển vị của một mẫu nén trước được xác định thông qua sự dịch chuyển của từng hạt riêng lẻ. Sự dịch chuyển là kết quả của sự xáo trộn của hệ các hạt được gây ra bởi vị trí tường và chuyển động của hạt hoặc lực bản thân. Đây là quá trình động mà trong đó tốc độ truyền lực phụ thuộc vào đặc trưng vật lý của hệ thống các hạt rời rạc. Ứng xử động được hiển thị bằng số thông qua thuật toán bước thời gian. DEM dựa trên ý tưởng chọn bước thời gian bé để trong một bước thời gian sự xáo trộn chỉ ảnh hưởng đến các hạt lân cận mà không lan truyền sang các hạt xa hơn. Khi đó, ở mọi thời điểm, lực tác động lên hạt bất kỳ đều được xác định riêng bởi sự tương tác của hạt đó với các hạt khác trong mối liên kết của nó. Lực liên kết tác động lên hai hạt trong mối liên kết chuyển vị tương đối giữa các hạt. Đối với các liên kết giữa hạt – ...