TỔNG QUAN VẤN ĐỀ
Vào đầu thế kỉ XX, ngành địa kỹ thuật đã có nhiều đổi mới, đặc biệt trong việc xác định khối trượt tự nhiên thông qua phương pháp phân tích số học kết hợp với kỹ thuật cắt lát dọc Trong suốt một thế kỉ qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định mái dốc, bao gồm hiện tượng rút nước nhanh Đánh giá ổn định mái dốc liên quan đến việc xác định dòng thấm, áp lực kẽ rỗng trong thân đập, và các chỉ tiêu chống cắt của đất.
Năm 1916 đánh dấu sự khởi đầu của việc xây dựng các ý tưởng dẫn đến sự ra đời của nhiều lý thuyết quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật, như "Phương pháp lát cắt Thụy Điển" do Fellenius giới thiệu vào năm 1936 Giữa những năm 1950, các tiến bộ trong phương pháp này được phát triển bởi Janbu và Bishop Petterson (1955) đã thực hiện phân tích sự ổn định của Stigberg Quay tại Gothenberg, Thụy Điển, với các mặt trượt hình tròn và khối lượng được chia thành lát Sự xuất hiện của máy tính điện tử vào năm 1960 đã giúp đơn giản hóa quá trình tính toán, cho phép áp dụng các công thức toán học nghiêm ngặt hơn, như phát triển bởi Morgenstern và Price (1965) cùng với Spencer (1967) Đầu những năm 1980, máy tính cá nhân mạnh mẽ đã tạo điều kiện cho sự phát triển kinh tế và sự ra đời của phần mềm thương mại dựa trên các phương pháp kỹ thuật.
Ngày nay, phần mềm phân tích địa kỹ thuật như Slope/W và Sheep/W đã trở thành công cụ quan trọng trong việc xử lý các vấn đề phức tạp liên quan đến ổn định cân bằng Những phần mềm này cho phép phân tích các điều kiện địa tầng phức tạp, áp suất nước lỗ rỗng bất thường, và các mô hình sức kháng cắt phi tuyến Chúng hỗ trợ việc tính toán cho nhiều loại hình dạng bề mặt trơn trượt, tải trọng tập trung, và cấu trúc củng cố Các công thức cân bằng dựa trên phương pháp lát cắt đang ngày càng được áp dụng để phân tích sự ổn định của cấu trúc chịu tải ngang cao và tính toán hệ số ổn định cho mái dốc.
Trong thời đại công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ, công cụ Geo Studio đã trở thành một phần quan trọng trong việc phân tích và giải quyết các vấn đề địa kĩ thuật Khi kết hợp với các công cụ hỗ trợ tương tự, Geo Studio giúp làm rõ hơn những giới hạn của phương pháp cân bằng, đồng thời cung cấp khả năng xem đồ họa dựa trên dữ liệu tính toán, từ đó nâng cao tính bao quát về hệ số an toàn Những thông số kỹ thuật này giúp dữ liệu trở nên rõ ràng hơn thông qua phương pháp lát cắt giới hạn, mở rộng yêu cầu về địa kĩ thuật vượt xa mục đích ban đầu Nhiều tác giả trong nước, như PGS Nguyễn Quyền, đã tiến hành nghiên cứu hiện tượng này với các báo cáo có tính thực tế cao, như nghiên cứu về dòng thấm không ổn định và ổn định mái đê sông Hồng.
Dựa trên các nghiên cứu trước đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích mô phỏng sự ổn định của hiện tượng rút nước nhanh trên mái dốc của các công trình thủy lợi đập dâng, đặc biệt là những công trình có kết cấu đá đổ lõi giữa và được xây dựng bằng vật liệu địa phương Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ Công ty cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
TỔNG QUAN BỘ PHẦN MỀM GEO STUDIO (SLOPE/W,SEEP/W) 4 1 TỔNG QUAN
GEO-SEEP, SEEP/W là moudule của phần mền GEO-SLOPE Chương trình cho phép tính toán chuyên về dòng thấm ảnh hưởng trượt sâu của công trình
GEO-SLOPE, SLOPE/W là phần mềm chuyên dụng của công ty GEO-SLOPE International Ltd, Canada, được thiết kế để phân tích tính ổn định của mái dốc Phần mềm này cho phép người dùng thực hiện các tính toán cho mái dốc dưới nhiều điều kiện thực tế khác nhau, bao gồm áp lực nước lỗ rỗng, neo trong đất, vải địa kỹ thuật, tải trọng bên ngoài và tường chắn.
Chương trình SLOPE/W là một hệ CAD dễ sử dụng, cho phép người dùng nhập liệu trực tiếp trên bản vẽ Được áp dụng trong tính toán và thiết kế các công trình mỏ, xây dựng và địa kỹ thuật, SLOPE/W không giới hạn kích thước bài toán nhờ vào việc sử dụng phân phối bộ nhớ động Điều này có nghĩa là kích thước bài toán chỉ phụ thuộc vào dung lượng bộ nhớ của máy tính.
Chương trình SLOPE/W được phát triển dựa trên nhiều lý thuyết tính ổn định mái dốc, bao gồm các phương pháp như Ordinary (Fellenius), Bishop đơn giản hóa, Janbu đơn giản hóa, Spencer, Morgenstern-Price, Gle, và phương pháp ứng suất phần tử hữu hạn Sự khác biệt chính giữa các phương pháp này nằm ở giả thuyết về lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa các dải Ngoài ra, nhiều hàm số mô tả mối quan hệ giữa các lực tác động trên các cạnh của dải cũng được áp dụng, đặc biệt trong các phương pháp Gle và Morgenstern-Price, với tính chặt chẽ toán học cao SLOPE/W cung cấp nhiều phương pháp tính toán đa dạng, giúp người dùng lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho bài toán của mình.
Có nhiều phương pháp để phân tích độ ổn định của mái dốc, bao gồm: Phương pháp Ordinary, trong đó cả lực pháp tuyến và lực cắt của mảnh trượt đều bằng 0; Phương pháp Bishop, chỉ chú trọng vào lực pháp tuyến và yêu cầu thỏa mãn phương trình cân bằng mômen; Phương pháp Janbu, cũng chỉ sử dụng lực pháp tuyến và dựa trên điều kiện cân bằng lực; Phương pháp Spencer, xem xét cả cân bằng lực và cân bằng mômen, với giả định lực trượt là hằng số; và cuối cùng là Phương pháp Morgenstern-Price và Gle, sử dụng cả lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến, đồng thời yêu cầu thỏa mãn cả phương trình cân bằng lực và mômen.
Các phương pháp Morgenstern-Price, Spencer và Gle đều đáp ứng điều kiện cân bằng lực và mômen, nên cho kết quả chính xác cao Ngược lại, phương pháp Ordinary ít được sử dụng do không tính đến lực pháp tuyến và lực cắt, dẫn đến độ chính xác thấp Phương pháp Janbu, mặc dù đơn giản hóa, lại gây ra sai số lớn do ảnh hưởng của lực cắt giữa các thỏi đất Trong khi đó, phương pháp Bishop, cũng đơn giản hóa nhưng ít gây xoắn vặn, cho kết quả gần đúng với phương pháp Morgenstern-Price và Gle Vì vậy, phương pháp Bishop hiện nay thường được áp dụng trong tính toán ổn định nền đường theo quy định của quy trình 22TCN262.
Vào năm 2000, khi áp dụng phương pháp kinh nghiệm kiểm toán ổn định theo các cách phân mảnh cổ điển với mặt trượt tròn, hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin được xác định là 1.2 Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp Bishop để nghiệm toán ổn định, hệ số ổn định Kmin đạt giá trị cao hơn là 1.4 Từ những phân tích này, phương pháp Bishop hiện nay là phương pháp được ưa chuộng nhất trong việc kiểm toán ổn định nền đường và taluy, mang lại kết quả chính xác.
Biểu thức xác định hệ số an toàn ổn định :
-trọng lượng của phân tố khối trượt thứ i
, - lực dính đơn vị và góc ma sát trong của lớp đất ở đáy khối trượt thứ I
- chiều dài đoạn cung trượt ở đáy khối trượt i
- góc nghiêng giữa đường thẳng đứng với bán kính tâm trượt đi qua điểm cắt của trục dọc phân tố với mặt trượt
- hệ số áp lực nước lỗ rỗng
, - lực dính và góc nội ma sát của nền đất biến thiên theo cấp tải trọng ngoài tác dụng vào công trình
SỐ LIỆU TÍNH TOÁN
tn bh tn bh Ctn Cbh (Kg/cm 2 ) Đất đắp lõi đập 1.90 2.00 21 18 4.0 2.5 1x10 -7 180 0.41
Lớp chuyển tiếp 2.00 2.20 37 35 0.0 0.0 300 0.31 Đá đắp 2.00 2.20 38 36 0.0 0.0 500 0.3 Đá nền IIA 2.67 2.69 40 40 20.0 20.0
MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC ĐẬP YALI
Để thiết lập bài toán thấm và sạt trượt mái dốc, cần tạo mối liên kết giữa phần mềm Seep/W và Slope/W Việc này đòi hỏi khai báo ban đầu để đảm bảo sự kết nối hiệu quả giữa hai phần mềm.
1 Từ thực đơn KeyIn chọn Analyses Hộp thoại sau sẽ xuất hiện:
2 Nhấn vào nút Add có trong hộp thoại, chọn Slope/W Analysis chọn Limit Equilibrium
2.3.1 Tính toán, xác định đường bão hòa ở trạng thái tĩnh
- Bước 1: Lập phạm vi làm việc
Phạm vi làm việc được xác định là 297x210 mm, tương ứng với kích thước khổ giấy A4, nhằm phục vụ cho việc xác định bài toán trong nghiên cứu này.
1 Chọn page từ thực đơn Set Hợp thoại Set Page xuất hiện:
Hộp thoại Printer Page hiển thị tên máy in đã chọn và thông tin về khoảng in cho một trang, giúp người dùng xác định khoảng làm việc phù hợp cho việc in ấn.
2 Chọn (mm) trong hộp nhóm Page Units (đơn vị tinh toán)
3 Gõ số 297 trong hộp soạn thảo Working Area Width Nhấm phím TAB để chuyển sang hộp soạn thảo tiếp theo
4 Gõ số 210 trong hộp soạn thảo Height
Góc trái phía dưới bài toán sẽ được vẽ tại tọa độ (0.75, 0.75), với khoảng rộng cần lớn hơn kích thước của bài toán để tạo lề xung quanh hình vẽ Chúng tôi dự tính khoảng rộng theo phương X từ 9460 đến 9935 m và theo phương Y từ 330 đến 666 Khi khoảng rộng được thiết lập, DEFINE sẽ tính toán một tỷ lệ xấp xỉ, có thể điều chỉnh sau này đến giá trị chính xác Khoảng x, y cực đại sẽ tự động điều chỉnh để phản ánh tỷ lệ đã chọn.
1 Chọn Units and Scale từ thực đơn Set Hộp thoại sau sẽ xuất hiện
2 Gõ số 1600 vào hộp soạn thảo Horz.1, và gõ 1600 trong Vert.1
3 Nhập các giá trị sau trong các hộp soạn thảo Problem Extents
Trọng lượng đơn vị của nước được xác định là 9.807 kN/m³, tương ứng với hệ mét, là giá trị mặc định khi tính toán kích thước công trình bằng mét.
Để hỗ trợ việc vẽ bài toán, bước đầu tiên là lập khoảng ô lưới với các điểm được định vị chính xác Những điểm này giúp tạo ra các nút và phần tử có tọa độ chính xác cho bài toán Trong trường hợp này, khoảng cách mắt lưới được thiết lập là 1m Việc lập và hiển thị hệ lưới là cần thiết để thực hiện các bước tiếp theo trong quá trình giải quyết bài toán.
1 chọn Grid từ thực đơn Set Hộp thoại Grid sẽ xuất hiện:
2 Gõ 1 vào X của hộp soạn thảo Grid Spacing
3 Gõ 1 vào Y của hộp soạn thảo Grid Spacing
Khoảng lưới thực tế trên màn hình sẽ có khoảng cách giữa các điểm lưới là 2mm Giá trị này được hiển thị trong hộp nhóm Acutal Grid Spacing
4 Kiểm tra hộp Display Grid
5 Kiểm tra hộp Snap to Grid
Trong cửa sổ DEFINE, mắt lưới hiển thị cho phép người dùng dễ dàng theo dõi các tọa độ của điểm lưới gần nhất khi di chuyển con trỏ Các tọa độ này được hiển thị trên thanh công cụ và được tính theo đơn vị công trình.
Bước 4: Thiết lập hệ trục
Việc phác thảo một hệ trục trên bản vẽ là rất quan trọng, vì nó giúp việc xem xét và đọc thông tin bản vẽ trở nên dễ dàng hơn sau khi in Để thiết lập hệ trục hiệu quả, cần chú ý đến các yếu tố như tỷ lệ, kích thước và vị trí để đảm bảo tính chính xác và rõ ràng trong bản vẽ.
1 Chọn Axes từ thực đơn Set Hộp thoại sau xuất hiện:
2 Chọn Left Axis Bottom Axis và Axis Number trong nhóm Display Không chọn Top Axis và Right Axis
Việc chọn như thế tạo nên trục X nằm ngang bên dưới và trục Y nằm dọc bên trái vùng được chỉ ra
3 Chọn OK Hộp thoại Axis Size xuất hiện:
4 Nhập các thông số như trên
Bước 5: Lưu giữ bài toán
Để giải quyết bài toán, số liệu cần được lưu trữ trong một tệp, giúp các chức năng SOLVE và CONTOUR tiếp nhận và xử lý thông tin, từ đó đưa ra kết quả chính xác.
Số liệu có thể lưu giữa bất cứ lúc nào trong khi xác định bài toán
Bước 6: Phác thảo bài toán là giai đoạn quan trọng trong phát triển mạng phần tử hữu hạn (PTHH) Để thực hiện điều này, cần chuẩn bị một phác thảo chi tiết về kích thước bài toán Phác đồ này sẽ đóng vai trò là hướng dẫn hữu ích cho việc vẽ lưới PTHH và xác định các điều kiện biên cần thiết.
Để phác họa bài toán:
1 Trong thanh công cụ Zoom, nhấn trên nhút Zoom Page bằng phím trái chuột Toán bộ vùng làm việc được hiển thị trong của sổ DEFINE
2 Trong thực đơn KeyIn chọn Points, hộp thoại sau xuất hiện:
3 Chọn Add để nhập tọa độ các điểm của mặt cắt thân đập (tọa độ xuất ra từ file Autocad)
4 Sau khi nhập các tọa độ ta được hình như sau:
5 Chọn Close để kết thúc quá trình nhập tọa độ điểm, ta được hình như sau:
6 Trong thực đơn Sketch chọn Polylines Con trỏ sẽ chuyển từ mũi tên sang “Cross- Hair” (CH)
7 Dùng chuột, chuyển con trỏ để nối các điểm ở trên lại với nhau, ta được mặt cắt đập như hình sau:
Chú ý: Nếu đường vừa vẽ bị sai vị trí, dùng lệnh Modify Objects để di chuyển hoặc xóa đối tượng
Bước 7: Xác định vùng vật liệu
Chia mặt cắt thân đập thành 9 vùng vật liệu khác nhau Để xác định các vùng vật liệu ta làm như sau
1 Chọn Regions trong thực đơn Draw Con trỏ sẽ chuyển từ mũi tên sang “Cross- Hair” (CH)
2 Di chuyển con trỏ nối các điểm tạo thành một vùng vật liệu khép kín như hình vẽ sau:
Bước 8: Xác định tính chất vật liệu Đối với mỗi loại vật liệu cần xác định:
Một số duy nhất cho vật liệu
Một hàm lượng chứa nước thể tích , nếu bài toán phân tích thấm không ổn định
Tỷ số các hệ số thấm ky/k x Đối với bài toán này chỉ dùng một loại vật liệu Các tính chất của vật liệu 1 là:
Hàm lượng chứa nước thể tích
Tỷ số các hệ số thấm là XX
Góc của hệ số thấm lớn là XX
Để xác định các tính chất của Material 1:
1 Chọn Materials từ thực đơn KeyIn Hộp thoại sau sẽ xuất hiện:
2 Nhấn vào nút Add trong hộp thoại để thêm vật liệu mới, hộp thoại sẽ xuất hiện thêm phần Name và Material Mode, phần Name ta gõ tên phù hợp với loại đất, Material Mode đối với bài toán này ta chọn theo phương pháp “Saturated/Unsaturated”
3 Nhấn vào biểu tượng trong thẻ Basic để nhập chỉ tiêu cơ lý của đất
4 Nhấn nút Close để hoàn tất quá trình khai báo vật liệu
Ta tiến hành trình tự các bước như trên đối với các Material còn lại
Việc khai báo tính chất vật liệu đã hoàn thành
Bước 9: Khai báo hàm thấm:
Vật liệu đá nền có hệ số thấm k= 5.78e-7, không phụ thuộc vào cao trình áp suất nước lỗ rỗng Để xác định sự thấm, cần sử dụng hàm thấm như một hàm ngang hai điểm Các vật liệu đắp đập khác nhau có hệ số thấm khác nhau, tùy thuộc vào loại vật liệu, thông tin được tham khảo từ Công ty cổ phần tư vấn Xây Dựng Điện II.
Để xác định hàm thấm:
1 Chọn Hydraulic Functions từ thực đơn KeyIn Thực đơn nối cấp Hydraulic Functions sẽ xuất hiện
2 Chọn Hydraulic Conductivity từ thực đơn nối cấp Hydraulic Function xuất hiện hộp thoại, sau đó ta nhấn vào nút Add để tiến hành khai báo hàm số mới
3 Gõ tên của loại vật liệu trong hộp soạn thảo Name, trong phần Types ta chọn chế độ hàm dạng “Data Point Function” Hộp thoại sẽ có dạng như sau:
4 Chọn Add để bắt đầu nhập hàm số thấm của loại vật liệu Sau đó nhập số liệu vào trong hộp soạn thảo
5 Chuyển từ chế độ View Function sang chế độ Edit Data Points
Kết thúc quá trình nhập hàm số thấm của vật liệu
Ta thực hiện các bước tương tự để khai báo hàm thẩm cho các loại vật liệu còn lại Sau khi hoàn tất quá trình khai báo, kết quả thu được như hình dưới đây.
Bước 10: Khai báo hàm độ ẩm thể tích ( Vol.Water Content):
Hàm độ ẩm thể tích phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng, được tính toán dựa trên số liệu trong quá trình thu thập, giải tích
Trong bài toán này, chúng ta chỉ xem xét hàm độ ẩm thể tích của lớp đất đắp và lớp lọc cát Nước ở thượng lưu chỉ chảy qua hai lớp này của đập, do đó việc khai báo hàm độ ẩm thể tích là cần thiết.
1 Chọn Hydraulic Functions từ thực đơn KeyIn Thực đơn nối cấp Hydraulic Functions sẽ xuất hiện
2 Chọn Vol Water Content từ thực đơn nối cấp Hydraulic Function xuất hiện hộp thoại, sau đó ta nhấn vào nút Add để khai báo hàm số mới
