Bài giảng địa kỹ thuật công trình và phương pháp nghiên cứu GS nguyễn công mẫn

1
PLAXIS FINITE ELEMENT CODES
Líp båi d−ìng ng¾n h¹n
Th¸ng 01 - 2007
Kh¸i qu¸t vÒ Plaxis
2
Nguyễn Công Mẫn
G.S. Cơ học đất Nền móng
Nguyên Chủ nhiệm BM Cơ học đất Nền móng HTL
Nguyên Trởng ban Th ký CH - NM Bộ ại 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 KT:
GeoStudio, Plaxis
ịa chỉ: Email. Tel. 04 852 8512
Hoàng Việt Hùng
Th.sỹ Công trinh Thuỷ lợi - ại học Thuỷ lợi - 2003
Th.sỹ Công trinh biển Hà Lan - 2004
Giang viên BM Cơ học đất Nền móng HTL
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. Tel. 04 563 6067
TS. Nguyn Hng Nam
Kỹ s Thuỷ công, H Thuỷ lợi Hà Nội, 1993
Thạc sỹ ịa kỹ thuật, H Tổng hợp Tokyo, 2001
Tiến sỹ ịa kỹ thuật, H Tổng hợp Tokyo, 2004
Lĩnh vực quan tâm: các đặc tính biến dạng trớc phá hoại
của đất đá, ổn định mái dốc, mô phỏng số địa kỹ thuật, sử
dụng các PM GeoStudio, Plaxis
a ch: Email: Tel: 08046427
GING VIấN
3

ịa kỹ thuật công trènh và
Phơng pháp Nghiên cứu
GS. Nguyễn Công Mẫn
PLAXIS FINITE ELEMENT CODES
Lớp bồi dỡng ngắn hạn
4
đặc điểm của đất - đá trong xây dựng
V
k
V
n
V
h
Đất
Vr
n
V
V
r
% = ì 100%
Đá: n

1% ữ
ữữ
ữvài chục %;
Đất: n = 50% ữ
ữữ
ữ60% và hơn nữa
V
r

V
h
V
Đá
Vr thể tích rỗng
Vn thể tích nớc
Vk - thể tích khí
V tổng thể tích
Phân biệt đất và đá
Môi trờng phong hoá
Môi trờng thuỷ nhiệt
tạo đá
Môi trờng nhiệt thiêu
biến chất
Môi trờng trầm tích
Chôn vùi và
Nung nóng
Xói mòn
Vận chuyển
Trầm tích
Nâng cao và
xói mòn
Chôn vùi sâu
hoặc macma
xâm nhập
Vỏ trái đất dày: 30 40km tại lục địa, gấp
6-8 lần chiều dày vỏ đáy đại dơng.
Hoạt động của ngời đạt tới 2km: 75% đá thứ
sinh, 25% macma. Từ 2-15km: 95% macma, 5%
đá thứ sinh

Đất đợc 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 trờng xung quanh, khó định ranh
giới sn 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 %, , ), độ cứng (E, G ), để dễ phân biệt;
Khi đánh giá sự làm việc của một công trinh xây dựng, cần xét
tơng tác gia kết cấu công trỡnh và môi trờng (đất - đá) vỡ chúng
là hai loại vật liệu khác nhau sẽ có anh hởng lẫn nhau
tính toán nền và công trinh theo TTGH;
Theo sự phát triển nhận thức của con ngời và các tiến bộ về
KH-CN, các phơng pháp nghiên cứu về đất- đá ngày càng tiếp
cận với thực tế.
đặc điểm của đất - đá trong xây dựng
6
Xu thế liên ngành
Địa kỹ thuật - Địa kỹ thuật Công trình - Địa kỹ thuật Môi trờng (Geoenviro.
Engineering)- Địa cơ học - Địa Cơ học ứng dụng - Đá Công trình (Rock
Engineering) -Thuỷ Địa cơ học - Địa chất Môi trờng ( 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 nhỡng - Địa mạo - Kiến tạo - Khí tợng
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
7
Từ 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)
đợc 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 tơng tác giữa
công trình và môi trờng đất - đá, bảo đảm công trình xây
dựng làm việc bình thờng trong một môi trờng 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
8
Skills 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
9
Skills 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, tơng tác với
môi triờng đất đá ( Nguyễn

Công Mẫn, 1997)
10
Sơ đồ trực quan biểu
thị một phơng pháp
luận logic, biện chứng,
định hớng cho việc
học tập nghiên cứu và
giảng dạy Địa Kỹ
thuật. mà đối tợng
nghiên cứu có thể là
cả Đất và Đá
Kinh nghiệm
có trớc đã
đợc sàng
lọc IV
Mặt cắt
khối đất
I
Khảo sát
hiện trờng,
mô tả đất I
Bản chất
đất
II
Thí nghiệm, đo
đạc trong phòng
và hiện trờng,
quan sát II
Muốn trở thành một
chuyên gia ĐKT giỏi,

cần đợc 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 ủin t,
Thit b ci tin
Biu thc bỏn
kinh nghim
Phn mm
chuyờn dựng
Mô hình húa
III
Phn mm
chuyờn dng,
Mụ hỡnh s
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, , k, , v ) và các đặc trng

của đất không bão hòa (đcđt nớc đất,
b
) cha quen dùng;
3. Plaxis dùng biểu thức "Hydraulic Function" Van Genuchten cho
đất KBH. SEEP/W có th vin hàm thm ủ tin dùng.
4. Burland, 1996 có binh lun vn đề này trong phiên b mc trong
"Conference on Unsaturated Soils/Unsat95/Paris"
Mặt cắt
khối đất
I
a vt lý, Khoan ủo,
3D Televier logging
Kim, Hyoung-Soo,
2005
Trớc 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
đ
ịa cơ học Burland
12
Tam giác đch Burland & công nghệ
hiện đại thúc đẩy phát triển đKT
PPL Burland
. Cấu tạo địa tầng;
. Đặc trng ĐKT của đất - đá;

. Mô hình thích hợp (Cơ học
ứng dụng PTHH)
. Kinh nghiệm tích luỹ đợc
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
Phơng pháp
tính & MT
Định tính các
QT vật lý &
tơng tác
Lập hệ
phơng trình
định lợng
Mô phỏng lý
thuyết các QT
vật lý &TT
1. Phơng 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 tợng
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.

PHNG PHP LUN TIP CN A K THUT
So sánh - Hiệu chỉnh
14
Definition of Modelling: (WHAT)
Physical
System
Physical
System
Mathematical
System
Mathematical
System
Numerical
Model
Numerical
Model
Reading Workshop - May 2003
Introduction to “Modelling”
Lee Barbour and John Krahn
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
Lee Barbour and John
Krahn
Krahn
July 2003
July 2003
-
-
England
England
tham khao
16
Lee Barbour and John
Lee Barbour and John
Krahn
Krahn
July 2003
July 2003
-
-
England
England
Modeling
Illustration
Observe
(Conceptual
Model)

Measure
(Theoretical
Model)
tham khao
17
Lee Barbour and John
Lee Barbour and John
Krahn
Krahn
July 2003
July 2003
-
-
England
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 trờng & hoạt
động của ngời
Structure
Systems
Response
Water
Soil
Rock
Đập
Nền
Nớc 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 tờng 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 CH Burland - PPL hin ủại định hớng cho việc
tiếp cận các bài toán đKT nên cần đợc quán triệt trong
sn xuất v nghiên cứu phát triển (Thc t: 70% CT h
hỏng do sai sót v KT);
2. Các phần mm KT nên dùng nh mt mô hinh s:
linh hoạt và hiu qu hơn các MH vật lý, có thể mô
phỏng các quá trinh vật lý xy ra trong tự nhiên một cá
ch
chính xác, thay thế cho MH vật lý trong mt số TH.
Nhng hạn ch ca MH số (mô phỏng các quá trinh hóa
lý, bin ủổi nhit ) cần ủc tip tc NC phát trin;
nhận xét và kết luận
21
4. Nên tận dụng các phần mềm KT nh một công cụ MH số ủ
dự tính các kh nng có thể xy ra cho các dự án trong NCKH,
hoc lựa chn gii pháp hợp lý trong thiết kế sn xuất. Nó cũng
cần ủợc khai thác trong qun lý sa cha các CT hin có.
ây cũng là một su th hợp lý ủ tiết kim thời gian, kinh phí trong
công tác NCKH

3. Vic khai thác các MH số có hiu qu hay không là tùy thuc ở
ngời sử dng. Nu khai thác tốt, ngời sử dng có thể hiểu sâu
sắc hơn các quá trỡnh vật lý cha bit, làm sâu sắc hơn kin
thức tích lũy cho bn thân: đó là các kinh nghim có chọn lọc
trong nhân của TG CH Burland.
Do vậy quá trinh khai thác sử dng các phần mềm KT cũng
chính là quá trinh tự ủào tạo, nên cần ci tin ging dạy KT, to
ủiu kin cho SV tip cận và khai thác chúng trong ủào tạo tại
các trờng ại học.
nhận xét và kết luận