Phân tích ảnh hưởng của tải trọng đầm nén tới ứng xử của khối đất có cốt có bước cốt nhỏ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Finite element analysis of compaction load to investigate the stress-deformation behavior of soil geosynthetic composite mass with small reinforecement spacing

Phan Trần Thanh Trúc
Bộ Môn Cầu Đường, Trường Đại Học Xây Dựng Miền Trung.
E-mail: [email protected]
Phạm Quyết Thắng
Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Texas Rio Grande Valley.
E-mail: [email protected]
Nguyễn Giang
Khoa Xây Dựng, Trường Đại Học Zilina.
E-mail: [email protected]
Nguyễn Ngọc Thuyết
Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng (IBST).
E-mail: [email protected]
Lê Quang Sơn
Ban Quản lý Khu kinh tế tỉnh Quảng Trị.
E-mail: [email protected]

Tóm tắt

Bài báo này mục đích kiểm tra ảnh hưởng của điều kiện đầm nén tới ứng xử của khối đất có cốt có bước cốt nhỏ. Các kết quả số liệu từ mô hình thí nghiệm thực hiện bởi Pham (2009) được sử dụng để so sánh với các kết quả mô phỏng số. Một vài thông số ứng xử của khối đất có cốt có bước cốt nhỏ như hiệu ứng đầm nén, quan hệ ứng suất-biến dạng tổng quát của khối đất có cốt và biến dạng dọc trục của cốt sẽ được điều tra trong nghiên cứu này. Kết quả từ phân tích số cho thấy rằng kết quả giữa phương pháp số và thí nghiệm cho kết quả khá tương đồng và kêu gọi sự chú ý hơn nữa ảnh hưởng điều kiện đầm nén tới ứng xử ứng suất biến dạng của khối đất có cốt có bước cốt nhỏ.
Từ khóa: Khối đất có cốt có bước cốt nhỏ, hiệu ứng đầm nén, biến dạng dọc trục khối đất có cốt.

Tổng quan

Trong những năm gần đây giải pháp tường chắn có cốt được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới và được thiết kế chủ yếu dựa vào các tiêu chuẩn như sau AASHTO Specifications (2014), FHWA Guidelines (Berg và cộng sự, 2009), and NCMA (2009). Quan điểm thiết kế của các tiêu chuẩn này là tường và cốt cùng làm việc cùng nhau với với khoảng cách giữa các cốt nằm trong khoảng 0.2 tới 0.9 m.
Ảnh hưởng của bước cốt có bước cốt nhỏ (Sv ≤ 0.3m) sử dụng vật liệu địa kỹ thuật tới ứng xử của khối đất có cốt cũng được quan tâm với các nghiên cứu tiêu biểu như thí nghiệm mô hình vật lý của Adam và cộng sự (2007), Pham (2009), Phạm (2009), Wu và Phạm (2013), Phan và cộng sự (2021). Quan điểm thiết kế của phương pháp này là khối đất có cốt làm việc chủ yếu, còn tường chỉ có tác dụng bao che và không tham gia vào quá trình chịu tải.
Trong nghiên cứu này, mối quan hệ giữa ứng suất-biến dạng, biến dạng dọc trục của cốt dựa vào thí nghiệm của Pham (2009) sẽ được điều tra.

Cơ sở lý thuyết

Hiệu ứng đầm nén (CIS)

Duncan & Seed (1986), Ehrlich & Mitchell (1994), Pham (2009), và Wu & Pham (2013) nhận định rằng có tồn tại một ứng suất ngang thặng dư trong khối đất gây ra bởi quá trình đầm nén (Hình 1). Cơ sở lý thuyết cơ bản ở đây là chấp nhận xuất hiện ứng suất ngang thặng dư trong khối đất có cốt gây ra bởi thiết bị đầm nén. Ứng suất thẳng đứng và ứng suất ngang phụ thuộc vào thiết bị đầm nén. Khi một tải trọng đầm nén dời đi. Ứng suất thẳng đứng sẽ trở về trạng thái ban đầu còn ứng suất ngang gây ra bởi tải đầm nén vẫn còn duy trì trong khối đất có cốt. Đó là kết quả của sự tương tác giữa đất và cốt gây ra áp lực nén hông phụ thêm.

Hình 1. (a) Vị trí tải đầm nén, (b) Lộ trình ứng suất tại độ sâu z dọc theo mặt cắt I-I trường hợp tải trọng đầm nén di chuyển gần mặt cắt I-I

Ứng suất và biến dạng trong khối đất có cốt

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng suất thực tế trong khối đất có cốt luôn nhỏ hơn khi so sánh với kết quả tiên đoán sử dụng phương pháp bởi Allen và cộng sự (2001), Wu (2001), Holtz và Lee (2002), Pham (2009), Wu and Pham (2013), và Wu và cộng sự (2018). Theo Pham (2009), dựa vào mô hình thí nghiệm mô hình vật lý khối đất có cốt có sử dụng vật liệu địa kỹ thuật, kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng mối quan hệ giữa bước cốt và cường độ chịu kéo không phải là quan hệ tuyến tính. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng bước cốt đóng vai trò lớn hơn cường độ chịu kéo của cốt trong ứng xử của khối đất có cốt.

Mô phỏng số từ mô hình thí nghiệm

Thí nghiệm của Pham (2009)

Pham (2009) đã tiến hành một chuỗi các thí nghiệm khối đất có cốt. Mô hình thí nghiệm được mô tả trong Hình 2. Mẫu thí nghiệm có chiều cao 2 m và rộng 1.4 m trong điều kiện bài toán biến dạng phẳng. Đất đắp có đường kính cỡ hạt lớn nhất là 33 mm. Thí nghiệm mẫu đất ba trục có đường kính mẫu 150 mm và chiều cao 300 mm cho góc nội ma sát phi’ = 50^o, lực dính c’ = 70 kPa trong khoảng áp lực hông thí nghiệm tương ứng (Hình 3).
Đất đắp được gia cường với vải địa kỹ thuật dêt có cường độ chịu kéo lần lượt 70 và 170 kN/m ứng với bước cốt 0.2 và 0.4 m. Vải địa kỹ thuật với cường độ chịu kéo T = 140 kN/m được đính kết bởi hai lớp vải địa kỹ thuật cùng loại với cường độ chịu kéo T = 70 kN/m. Thí nghiệm kéo một trục được tiến hành để kiểm tra cường độ chịu kéo.

Hình 2. (a) Thí nghiệm Test 2, (b) Kết quả sau thí nghiệm Test 2

Hình 3. Kết quả thí nghiệm nén ba trục của mẫu đất đắp (Pham, 2009).

Mô hình số

Phương pháp phần tử hữu hạn được tiến hành để mô tả ứng xử của khối đất có cốt bằng sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 2D. Thông số hình học mô hình và mô hình phần tử hữu hạn được thể hiện ở Hình 4.
Trong phân tích này, phần tử vải địa kỹ thuật được sử dụng phần tử phi tuyến với thông số thể hiện ở Bảng 2. Giá trị của phần tử tiếp xúc giữa đất và cốt (Ri = 0.9) được sử dụng trọng nghiên cứu này. Thông số đầu vào mô hình được cho trong Bảng 2. Chú ý rằng giá trị Ri = 0.9 được sử dụng trong nghiên cứu này được so sánh với với trường hợp nghiên cứu của Phạm (2009) với giả thiết phần tử đất và cốt tiếp xúc hoàn toàn (Ri = 1.0). Mô hình Hardening Soil được sử dụng cho cho vật liệu đắp của khối đất có cốt.

Hình 4. (a) Thông số hình học và điều kiện gia tải, (b) Mô hình phương pháp số trong Plaxis 2D

Trong nghiên cứu này mô hình đầm nén với tải trọng phần bố đều tại đỉnh và đáy của mỗi lớp lớp đất được thể hiện ở Hình 5 (Phan và cộng sự, 2021).

Hình 5. Mô hình đầm nén được sử dụng trong nghiên cứu

Kết quả và thảo luận

Hiệu ứng đầm nén (CIS)

Mối liên hệ ứng suất và biến dạng tổng quát đạt được từ phương pháp số và thí nghiệm số 1 và 2 được thể hiện ở Hình 6. Hình 6 thể hiện rằng các kết quả nghiên cứu từ phân tích số với trường hợp xem xét hiện ứng đầm nén cho kết quả cao hơn so với trường hợp không xem xét hiệu ứng đầm nén. So sánh với các số liệu quan trắc bởi Pham (2009), kết quả từ phân tích số cho kết quả khá tương thích. Ngoài ra biên độ của CIS khá nhỏ, điều này chứng tỏ ảnh hưởng của CIS trong mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng tổng quát không đáng kể trong nghiên cứu này.

Chuyển vị ngang của khối đất có cốt

Hình 7 thể hiện chuyển vị ngang tại bề mặt của mẫu ứng với các áp lực nén khác nhau 400 kPa, 1,000 kPa, 2,000 kPa và 2,500 kPa. Tổng quan, có thể nhận thấy rằng kết quả từ phân tích số và số liệu quan trắc khá tương đồng. Và giá trị của phần tử tiếp xúc giữa đất và cốt ảnh hưởng không đáng kể tới tới chuyển vị ngang của khối đất có cốt.
Kết quả so sánh giữa sự phân bố biến dạng dọc trục trong mỗi lớp cốt giữa phân tích số và số liệu quan trắc được thể hiện trong Hình 8. Kết quả từ phân tích số và dữ liệu quan trắc khá tương thích cho cả hai trường hợp với lớp cốt lần lượt là 1.6 m và 0.8 m từ đáy của mẫu nén ba trục.

Hình 6. Đồ thị mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng của khối đất có cốt Test 1 and Test 2

Hình 7. Chuyển vị ngang của khối đất có cốt tại bề mặt hở của Test 2

Hình 8. So sánh biến dạng dọc trục trong mỗi lớp cốt trong Test 2 tại các vị trí: (a) Tại lớp cốt 1.6 m từ đáy (b) Tại lớp cốt 0.8 m từ đáy.

Kết luận

Kết quả từ phương pháp số và số liệu thí nghiệm cho kết quả khá tương đồng. Ảnh hưởng tải đầm nén không đáng kể trong ứng xử của khối đất có cốt trong trường hợp nghiên cứu này. Mô hình đàn dẻo Hardening soil cho kết quả tốt khi mô phỏng số cho khối đất có cốt trong trường hợp nghiên cứu này. Phần tử tiếp xúc giữa đất và cốt có ảnh hưởng không đáng kế tới ứng xử của khối đất có cốt trong trường hợp này.

Lời cảm ơn

Các tác giả xin cảm ơn tới Trường Đại Học Xây Dựng Miền Trung đã hỗ trợ Nhóm nghiên cứu hạ tầng Bền Vững và Giảm Nhẹ Thiên Tai thực hiện bài báo khoa học này.

Tài liệu tham khảo

AASHTO. 2014. American Association of State Highway and Transportation Officials: LRFD Bridge Design Specifications, 7th Edition.
Adams, M. T., Schlatter, W. and Stabile, T. 2007. Geosynthetic-Reinforced Soil Integrated Abutments at the Bowman Road Bridge in Defiance County, Ohio. Geotechnical Special Publication No. 172: Proc. Geo-Denver 2007, ASCE, Denver, Colorado.
Allen, T. M. & Bathurst, R. J. 2001. Application of K0-stiffness Method to Reinforced Soil Wall Limit State Design. Final Research Report to Washington State Department of Transportation, Seattle, Washington State.
Berg, R. R. Christopher, B. R. & Samtani, N. C. 2009. Design of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes, Publication No. FHWA-NHI-10-024, Volume 1, Federal Highway Administration, McLean. Pp.332.
Duncan, J. M. & Seed, R. B. 1986. Compaction-induced earth pressure under Ko conditions, J of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 112(1), 1–22.
Elton, D. J. & Patawaran, M.A.B. 2005. Mechanically Stabilized Earth (MSE) Reinforcement Tensile Strength from Tests of Geotextile Reinforced Soil. Technical Report, Alabama Highway Research Center, Auburn University.
Ehrlich, M. & Mitchell, J. K. 1994. Working stress design method for reinforced soil walls. J. Geotech. Eng., ASCE, 120(4), 625-645.
Kim, Y. J., Kotwal, A. R., Cho, B. Y. Wilde, J. & You, B. H. 2019. Geosynthetic Reinforced Steep Slopes: Current Technology in the United States, Applied Science, 9(10): 2008.
Holtz, R. D. 2010. Reinforced Soil Technology: from Experimental to the Familiar. Terzaghi Lecture, Geo-Florida, Palm Beach.
Holtz, R. D. & Lee, W. F. 2002. Internal Stability Analyses of Geosynthetic Reinforced Retaining Walls. Report No. WA-RD 532.1, Washington State Department of Transportation, Washington.
NCMA. 2009. Design Manual for Segmental Retaining Walls, 3rd Edition, TR 127B, National Concrete Masonry Association, Herndon, VA, pp.302.
Pham, T. Q. 2009. Investigating Composite behavior of Geosynthetic-Reinforced Soil (GRS) Mass. Ph.D. Dissertation, University of Colorado Denver.
Plaxis B.V. 2002. Plaxis 2D – Version 8 Manual. Balkema, Rotterdam.
Wu, J. T. H. 2001. Revising the AASHTO Guidelines for Design and Construction of GRS Walls. Report CDOT-DTD-R-2001-6, Colorado Department of Transportation, University of Colorado Denver, pp.148.
Wu, J. T. H. & Pham, T. Q. 2013. Load carrying capacity and required reinforcement strength of closely spaced soil-geosynthetic composites. J. Geotech. Geoenviron., ASCE. 139(9), 1468–1476.
Wu, J. T. H., Tung, C. Y., Adams, M. T. & Nicks, J. E. 2018. Analysis of Stress-Deformation Behavior of Soil-Geosynthetic Composites in Plane Strain Condition, Transportation Infrastructure Geotechnology, 5(3), 210-230.
Phan, T.T.T, Gui, M.W. and Pham, Q.T. 2021 .“Numerical Simulation of Compaction Load on Stress-Deformation Behavior of Soil Geosynthetic Composite Mass”, 4th International Conference on Transportation Geotechnics, ICTG 2021, Chicago City, USA, Lecture Notes in Civil Engineering, Volume 165, Pages 945 – 956.

Finite element analysis of compaction load to investigate the stress-deformation behavior of soil geosynthetic composite mass with small reinforecement spacing

Tóm tắt

Tổng quan

Cơ sở lý thuyết

Hiệu ứng đầm nén (CIS)

Ứng suất và biến dạng trong khối đất có cốt

Mô phỏng số từ mô hình thí nghiệm

Thí nghiệm của Pham (2009)

Mô hình số

Kết quả và thảo luận

Hiệu ứng đầm nén (CIS)

Chuyển vị ngang của khối đất có cốt

Kết luận

Lời cảm ơn

Tài liệu tham khảo

Bài viết liên quan

Giới thiệu hội nghị GEOTEC HANOI 2026

MỘT NHÀ ĐỊA KỸ THUẬT THỤY ĐIỂN GẮN BÓ VỚI VIỆT NAM ĐÃ RA ĐI

Hội viên VSSMGE tham dự Hội nghị quốc tế về công nghệ hạ cọc Press-in (ICPE2024) tại Singapore và đạt Giải thưởng Bài báo cáo tốt nhất Hội nghị