Nhật Bản phải chịu nhiều thiên tai do các điều kiện khắc nghiệt như địa hình, địa chất và thời tiết. Vào tháng 7, một đợt lũ bùn trên phạm vi lớn đã gây ra thiệt hại nghiêm trọng tại tỉnh Shizuoka. Cùng với việc gửi lời chia buồn chân thành nhất đến các gia đình bị ảnh hưởng, là một nhân lực thuộc lĩnh vực xây dựng dân dụng, ông lại càng cảm nhận được rõ hơn tầm quan trọng của công tác thiết kế và phân tích kết cấu.

Trong khoảng nửa thế kỷ, phân tích địa kỹ thuật FEM là kỹ thuật mô phỏng nhiều loại mô hình phức tạp, là công cụ giải quyết các bài toán biến dạng nền đất, ổn định mái dốc, hóa lỏng, phân tích thấm và phân tích ổn định kết cấu lân cận. Ngoài ra, phân tích địa kỹ thuật FEM còn có thể mô phỏng sự biến dạng và ứng suất, cơ chế ứng xử của nền đất phức tạp, v.v., cho phép dự đoán các hiện tượng khác nhau, đặc biệt là khi các hiện tượng đó khó có thể được tái tạo trong phòng thí nghiệm (hoặc nếu có thể thì đòi hỏi chi phí lớn).

Mặt khác, không nhiều kỹ sư thuần thục phân tích địa kỹ thuật FEM, vì dạng phân tích này sử dụng các phương trình chủ đạo (governing equation) phức tạp và hầu hết quá trình chạy phân tích trong chương trình đều không được giải thích hoặc thể hiện ra ngoài. Thông số đất nền sử dụng trong phân tích địa kỹ thuật FEM cũng khá hạn chế do số lượng mẫu đất ít ỏi (thông thường chỉ lấy một mẫu nhỏ bằng nắm tay đối với khu vực diện tích vài chục đến vài trăm m2), do các vấn đề về chi phí và thời gian lấy mẫu.

Tuy nhiên, hiện nay phân tích địa kỹ thuật FEM ngày càng được ứng dụng rộng rãi, và số kỹ sư sử dụng phân tích địa kỹ thuật FEM trong thực tế cũng đang tăng lên qua từng năm. Không chỉ các chương trình phân tích được nâng cấp liên tục, mà các tài liệu về thông số đất nền đầu vào cũng phong phú hơn.

Bài viết này giới thiệu một ví dụ phân tích trong thực tế sử dụng chương trình phần mềm phân tích địa kỹ thuật FEM "Geo Engineer's Studio Ver. 2" do FORUM8 phát triển.

Đây là chương trình phân tích nền đất đàn hồi hai chiều, thực hiện tính toán ứng suất tĩnh và biến dạng của nền đất bằng phương pháp tổng ứng suất tĩnh trong các phân tích biến dạng phẳng và phân tích đối xứng trục.

Phạm vi ứng dụng chính như sau:

• Phân tích ứng suất và biến dạng nền đất
• Nghiên cứu sự tương tác giữa đất nền và kết cấu
• Nghiên cứu ảnh hưởng của biến động áp suất nước (thủy tĩnh, thủy động) lên nền đất
• Phân tích ổn định nền đất trong quá trình thi công đào hầm
• Phân tích đàn hồi dẻo đối với thi công tường chắn
• Phân tích tác động của động đất đến khả năng hóa lỏng đê đập

Điểm nổi bật của phần mềm là:

• Có sẵn phân tích theo các bước
• Có sẵn các điều kiện biên: lăn, cố định/ngàm và chuyển vị cưỡng bức
• Mô hình thành phần gồm:
  Biến dạng phẳng, trục đối xứng, phần tử dầm, thanh, đàn hồi, v.v.
• Mô hình nền đất gồm:
  Đàn hồi, phi tuyến, đàn hồi dẻo, Mohr - Coulomb (MC), mô hình hóa lỏng M
  Mô hình không kéo (No-Tension), mô hình M-φ của phần tử dầm, v.v.
• Tải trọng được xét:
  Tập trung, phân bố đều, chuyển vị cưỡng bức
• Được trang bị chức năng tạo lưới tự động (automesh)

Qua đó, phần mềm được trang bị khả năng tính toán cho đa dạng các loại mô hình.

Phần đất đào thừa được đắp tạm thời khiến mômen uốn tại chân tường đứng tăng xấp xỉ 72%, và phần tường chắn BTCT bị xê dịch khoảng 8 mm.

Ví dụ này phân tích sụt lún (hai chiều) của nền đất xung quanh khi thi công hầm bằng khiên đào, hố đào có đường kính 6m.

・ Độ lún theo phương đứng trên bề mặt = 10 mm
・ Độ lún của phần nổi trên bề mặt hố đào = 16 mm
Từ kết quả trên, có thể nhận định rẳng tác động gây lún bề mặt xung quanh là không hề nhỏ.

Đây là một ví dụ phân tích (hai chiều) biến dạng và lực tác dụng lên công trình mái kè/ mái đất đắp khi mực nước dâng cao.

Có thể thấy rằng biến dạng tập trung ở lớp đất dưới nền đắp.

Ví dụ này phân tích (hai chiều) biến dạng và lực tác dụng theo "phương pháp cường độ địa chấn phản ứng" (xem gia tốc phản ứng đối với kết cấu công trình và nền đất xung quanh được mô hình là điều kiện ngoại lực) lên cống hộp ngầm khi xảy ra một trận động đất cấp 2 (theo thang đo của Nhật).

Trong các kết quả tính toán ứng suất tác dụng lên cống hộp, biểu đồ moment M được biểu diễn (như hình trên ↑)

Đây là ví dụ sử dụng phân tích địa kỹ thuật FEM để đánh giá độ ổn định kháng chấn của các công trình đê sông hiện tại. Cụ thể, "H19.3 Earthquake Resistance Performance Inspection Guidelines for River Structures (Draft) and Explanations" và "H28.3 Earthquake Resistance Performance Inspection Guidelines for River Structures" trong phân tích biến dạng tải trọng bản thân (hai chiều) FEM cho nền móng trong Phòng Kiểm soát lũ lụt thuộc Cục Đường thủy của Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng, Giao thông và Du lịch Nhật Bản (tính toán mức độ sụt lún của kè do hóa lỏng).

Trong phân tích, thực hiện phân tích bước "level 2 (1) trước khi hóa lỏng → (2) → lúc hóa lỏng và (3) khi nén thể tích", và "lượng biến dạng tải trọng bản thân do hóa lỏng" sẽ thu được bằng phân tích.

Ở phần kè chính, hiện tượng hóa lỏng khả năng lớn xảy ra khi có động đất cấp 2 và sẽ xảy ra ở lớp đất dưới thân kè. Ngoài ra, do mức độ sụt lún của kè do hóa lỏng gần bằng mực nước tại thời điểm lũ lụt nên có thể nhận định rằng kè có vấn đề về khả năng chống động đất.

Như vậy, phân tích địa kỹ thuật FEM có thể được áp dụng cho nhiều loại kết cấu đất phức tạp liên kết với kết cấu BTCT. Ngoài ra, các biểu đồ biểu thị sự phân bố ứng suất và chuyển vị được biểu diễn bằng các mảng màu trực quan.

Tóm lại, "Geo Engineer's Studio Ver.2" là công cụ sử dụng FEM trong phân tích địa kỹ thuật, giải quyết được nhiều bài toán khác nhau. Thao tác trên phần mềm cũng rất đơn giản. Hãy cân nhắc sử dụng phần mềm của chúng tôi!