Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
1

Chương
1
TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về phương pháp PTHH và mô hình hóa kết cấu ứng dụng
trong địa kỹ thuật
1.1.1 Tổng quan về mô hình hóa kết cấu
1.1.1.1 Các khái niệm cơ bản
Mô hình là cách thể hiện đơn giản hóa các đối tượng thực. Cùng một đối tượng có thể có
nhiều mô hình khác nhau tùy thuộc vào mục tiêu và mức độ xem xét đối tượng. Việc đơn
giản hóa khi xây dựng mô hình thường được dựa trên các giả thiết nất định. Các giả thiết
được đưa ra để loại bỏ các ảnh hưởng không cần thiết đến vấn đề đang được xem xét
hoặc đơn giản các quan hệ đến mức có thể xử lý được bằng các công cụ sẵn có.
Mô hình kết cấu là mô hình phản ánh sự làm việc theo 1 phương diện nhất định của kết
cấu theo 1 phương pháp nhất định. Một cách chung nhất, mô hình kết cấu mô tả cấu trúc
hình học, sự phân bố khối lượng, các điều kiện liên kết và điều kiện biên của kết cấu
cùng các ảnh hưởng bên ngoài tác động lên nó.
Mô hình hóa và phân tích kết cấu là quá trình vận dụng các kiến thức cơ sở về cơ học,
các phương pháp phân tích kết cấu và các giải thuật để mô tả, làm trực quan hóa và nhất
là định lượng các ứng xử vật lý của kết cấu như nội lực, chuyển vị… khi chịu các tác
động khác nhau. Kết quả tìm được trong quá trình phân tích là cơ sở để thiết kế các bộ
phận kết cấu hoặc đánh giá sự làm việc của chúng.
1.1.1.2 Cơ sở lý thuyết
Mô hình hóa và phân tích kết cấu đều dựa trên các cơ sở lý thuyết của cơ học môi trường
liên tục, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), phương pháp phần tử biên…,các lý
thuyết và phương pháp tính được phát triển dựa trên đó. Các nguyên tắc chính ở đây là :
§ Sự cân bằng về lực,

so với 2 chiều còn lại. Trong phân tích tổng thể kết cấu, mô hình phần tử thanh được sử
dụng phổ biến cho các kết cấu dầm, trụ tháp, cột, dây….Trong trường hợp tổng quát, các
đối tượng này có 6 thành phần nội lực: Mômen uốn (2), lực cắt (2), lực dọc, mô men
xoắn. Mô hình toán học sử dụng cho đối tượng thanh là lý thuyết dầm.
Các đối tượng 2 chiều (tấm, bản, vỏ) là đối tượng có 2 kích thước lớn hơn nhiều so
với kích thước còn lại. Mô hình toán học của các đối tượng này là các lý thuyết của
Timoshenko, Midline…
Đối tượng khối, là đối tượng có 3 kích thước gần bằng nhau được sử dụng trong
các bài toán phân tích cục bộ.
Mô hình liên kết & điều kiện biên:
Liên kết phản ánh sự kết nối giữa các bộ phận trong kết cấu, điều kiện biên phản
ánh sự kết nối giữa kết cấu với môi trường và kết cấu khác. Tùy thuộc vào sự làm việc về
mặt cơ học, các liên kết thực tế thường được mô hình hóa thành các dạng liên kết sau:
§ Liên kết ngàm cứng: Liên kết này hạn chế tất cả các bậc tự do của nút
§ Liên kết chốt lý tưởng: Cho phép các bộ phận kết cấu có thể quay tự do tương đối
với nhau, do đó mô men tại các chốt bằng 0.
§ Liên kết đàn hồi là liên kết hạn chế một số bậc tợ do với độ cứng nhất định.
§ Ngoài ra, còn có thể có các dạng liên kết khác như liên kết chỉ chịu kéo, hay chỉ
chịu kéo, liên kết đàn hồi phi tuyến…
Mô hình tải trọng:

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
3

Các tải trọng tác dụng lên kết cấu thường được phân biệt theo dạng tác động như lực,
chuyển vị cưỡng bức, nhiệt độ …
§ Theo đặc điểm phân bố tác dụng, tải trọng được phân loại gồm:
Tải trọng tập trung: là tải trọng tác động tại 1 điểm trên kết cấu, có độ lớn và
phương chiều xác định. Tải trọng tập trung có thể là lực, mô men
Tải trọng phân bố: là tải trọng tác dụng có tính phân bố trên 1 chiều dài hay một

Trong đó:
M, K, C: Ma trận độ cứng, ma trận khối lượng, ma trận cản của kết cấu.
U
’’
(t), U
’
(t), U(t), F(t): Véc tơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị nút và véc tơ tải trọng
thay đổi theo thời gian. Các ma trận độ cứng, khối lượng, ma trận cản đều là ma

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
4

trận vuông đối xứng, chúng được lắp ghép từ các ma trận tương ứng của từng
phần tử trong kết cấu.
Trường hợp phân tích tĩnh (Static Analysis): F(t)= F
Phương trình (1) trở thành: K. U = F (2)
Giải hệ phương trình (2) tìm tất cả các thành phần chuyển vị tại các nút, sau đó
tính nội lực ứng suất cho từng phần tử.
Trường hợp phân tích tần số dao động riêng (Eigen value Annalysis):
Khi tải trọng ngoài bằng zero, bỏ qua lực cản của môi trường lúc đó kết cấu dao dộng
điều hòa chuyển vị của hệ có dạng:
U=U. sin(wt) và U
’’
= -U. w
2
. sin(wt) (3)
-M.U. w
2
. sin(wt) + K. U. sin(wt) = {0}
(K - w

slope.com/
Phần mềm FB_Pier trong tính toán móng cọc không gian:
FB-PIER là phần mềm PTHH chuyên về phân tích mố trụ cầu và các bài toán
tương tác kết cấu - đất nền (soil-structure interaction). Phần mềm FB_Pier được
phát triển bởi viện phần mềm về cầu (BSI - Bridge Software Institute) thuộc trường
đại học UF (University of Florida) và được bảo trợ bởi cục đường bộ liên bang Hoa
kỳ (FHWA). Chương trình có khả năng phân tích hệ móng cọc theo mô hình không
gian, trong đó tương tác phi tuyến cọc-đất mô phỏng bằng các mô hình p-y, T-z, T-
θ. Chương trình còn có khả năng tính được độ cứng tương đương của một hệ móng
cọc thành một gối đàn hồi tổng quát được đặc trưng bằng một ma trận độ cứng của
gối đàn hồi. Gối đàn hồi này được gắn vào kết cấu phần trên để mô phỏng tương tác
giữa kết cấu phần trên của cầu và nền móng. FB_Pier có thể tính toán với số lượng
cọc tối đa là 2500 cọc và số lượng mố/trụ là 99 trụ. FB_Pier cho phép mô hình tới
50 cọc có chiều dài khác nhau trong cùng 1 nhóm cọc.

Hình 2: Mô hình trụ và móng cọc với nền đất trong chương trình FB_Pier
Chi tiết vê phần mềm FB_Pier có thể xem trên trang web: http://bsi-web.ce.ufl.edu
1.3 Một số lưu ý khi mô hình hóa & tính toán kết cấu sử dụng các chương
trình PTHH
Như đã nêu ở trên, mô hình hóa kết cấu là quá trình vận dụng các kiến thức cơ sở về
cơ học, các phương pháp phân tích kết cấu và các thuật giải để mô tả và làm trực quan
hóa các ứng xử vật lý của kết cấu. Trong việc mô hình hóa kết cấu, các khó khăn cơ bản
mà người kỹ sư hay gặp phải là do không nắm được một cách rõ ràng sự làm việc theo
phương diện vật lý của kết cấu và các điều kiện biên, các mô hình vật liệu, các giả thuyết
tính toán nên không xây dựng được các mô hình phân tích thích hợp. Một khó khăn khác

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
6

là do không hiểu rõ ứng xử của các dạng phần tử khác nhau, các tính năng của các công

1.4 Chuyển đổi hệ thống đơn vị sử dụng trong tính toán
Đơn vị chiều dài:
1m = 100cm = 1000mm = 39.370079in = 3.28084ft
Đơn vị lực:
1KN = 1000N = 0.001 MN = 224.808943 pound
Đơn vị áp lực:
1kPa = 1KN/m2 = 1000 Pa = 0.1N/cm2

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
7

1daN/cm2 = 100000 N/m2 = 100 KN/m2
1.5 Cách tiếp cận các phần mềm ứng dụng
Các phần mềm ƯD trong thiết kế cầu đường không phải là một chương trình mà người sử
dụng có thể dễ dàng nắm bắt được khi sử dụng. Để có thể khai thác tối đa các tính năng
của các phần mềm này người sử dụng cần được đào tạo các tính năng cơ bản và tham gia
các khoá đào tạo chuyên sâu.
Các phương pháp học phần mềm ƯD:
§ Học từ nhà phân phối: Hầu hết các nhà phân phối đều có kèm theo các khoá đào
tạo cơ bản hoặc chuyên sâu khi người dùng mua phần mềm.
§ Tham gia một khoá đào tạo: có thể đăng ký tham gia các khoá đào tạo tại các
trường đại học hoặc các trung tâm tin học chuyên đào tạo chuyên sâu về các phần
mềm ƯD, hoặc có thể đăng ký đào tạo trực tuyến trên các trang Web của nhà cung
cấp phần mềm
§ Học từ người dùng khác có nhiều kinh nghiệm: Phương pháp này thường đạt được
hiệu quả nhất nếu người dùng biết căn bản về phần mềm ứng dụng đó.
§ Đọc các tạp chí về về các phần mềm ứng dụng và đọc các tài liệu trên Internet.
§ Nhận các hỗ trợ kỹ thuật từ nhà cung cấp sản phẩm.

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
9

người ta thường áp dụng các biện pháp giữ độ ẩm của đất từ 0.5 ~ 0.65 để đất luôn ở
trạng thái dẻo cứng. Khi không có số liệu thí nghiệm có thể tham khảo các giá trị trong
bảng 2.1:

K=0.95 K=0.96 Loại đất Chỉ tiêu cơ lý
a=0.55 a=0.65 a=0.75 a=0.55 a=0.65 a=0.75
j (độ)
24-26 24-26 23-25 25-27 25-27 24-26
C (daN/cm2)
Sét
E (daN/cm2) 320-370 285-300 270-280 420-460 385-400 350-380
j (độ)
26-28 26-28 25-26 25-26 25-26 25-26
C (daN/cm2) 0.39-0.40 0.36-0.38

0.32-0.35 0.40-0.42 0.39-0.40

0.34-0.38
Á sét
E (daN/cm2) 360-390 350-385 345-355 370-425 400-420 390-400
j (độ)
28-30 28-30 27-29 29-31 29-31 28-30
C (daN/cm2) 0.35-0.37 0.32-0.35

0.29-0.33 0.38-0.40 0.36-0.39


G.n
h
x
g
=
Trong đó:
G là trọng lượng của 1 xe nặng trong đoàn xe (T)
n là số xe tối đa có thể xếp được trên bề rộng mặt đường (m)
g là dung trọng của đất đắp nền đường (T/m3)
l là phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc (m)
Với xe G=13T, l=4.2m ; xe G=30T, l=6.6m ; xe G=80T, l=4.5m
Số xe xếp tối đa phụ thuộc vào chiều rộng xếp xe B (B phải nhỏ hơn bề rộng nền đường)
B=n.b+(n-1)d+e
Trong đó:

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
10

b: khoảng cách giữa các trục bánh xe (b=1.8 đối với xe ô tô; b=2.7 đối với xe
xích)
d: khoảng cách tối thiểu giữa các xe (d=1.3)
e: là bề rộng lốp đôi xe hoặc vệt bánh xích (e=0.5 đối với ô tô; e=0.8 đối với xe
xích)
Tải trọng động đất:
Tải trọng động đất được tính toán khi khi kiểm tra mức độ ổn định của nền đường đắp
trên đất yếu chính là lực quán tính do động đất của bản thân khối trượt. Lực động đất
được xác định như sau:
W
i
= K

112.3.1.2 Thiết lập tỷ lệ của bản vẽ
Thiết lập tỷ lệ của bản vẽ và vài thông số liên quan khác.
Trình tự: Set > Scale > <Thiết lập các thông số cho ba phần là phần đơn vị dùng thật
bên ngoài (Engineering Units), tỷ lệ vẽ (Scale) theo phương đứng (vert.) và ngang (horz.)
cùng với phạm vi mở rộng của bài toán (Problem Extents). Thông thường ta có thể thiết
lập như hình dưới và lưu ý là phạm vi bài toán càng lớn thì cần đặt tỷ lệ vẽ lớn theo sao
cho vừa khổ giấy in đã chọn từ trước >

Chú ý: Trục toạ độ để làm việc với bài toán là trục toạ độ vuông góc thông thường.
2.3.1.3 Hiển thị hệ thống lưới và trục toạ độ của bản vẽ
Để tiện cho quá trình nhập số liệu hay mô tả bài toán ta nên thiết lập hệ thống lưới trợ
giúp vẽ (Grid), nó tương tự như ta kẻ ô vuông khi vẽ tay.
Trình tự: Set > Grid > <nhập các thông số bao gồm khoảng cách giữa các nút lưới
(Grid Spacing), đây là theo đơn vị thật còn đơn vị của mắt lưới sẽ do SlopeW tự tính. Ta
cũng nên chọn phần hiển thị lưới (Display Grid) và bắt dính nút lưới (Snap to Grid).
Hình sau là một ví dụ>

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
12Hiển thị trục toạ độ sẽ làm cho bài toán dễ nhìn hơn: Set > Axes > <thiết lập các
thông số như cần hiển thị nội dung gì, tên gọi cho từng trục toạ độ và bước tăng giá trị
ghi trên thang toạ độ. Thông thừng ta chỉ nên hiển thị trục X (trục nằm dưới) và trục Y
(trục thẳng đứng) và nên đặt tên cho mỗi trục này để dễ quan sát. Trục X biểu diễn
khoảng cách theo phương ngang và trục Y biểu diễn chiều dày của các lớp đất. Hình
dưới là cách thiết lập hay dùng nhất>

2.3.3 Nhập các thông số địa chất của các lớp đất
Đây là những số liệu rất quan trọng của bài toán, nó được thu thập từ quá trình khảo sát
địa chất.
Trình tự: KeyIn > Material Properties > <Nhập vào các thông số địa chất cho từng
lớp đất như hình dưới

2.3.4 Vẽ hình dạng mặt cắt nền đường cần tính ứng suất và chuyển vị
Trình tự vẽ hình dạng mặt cắt tương tự như trong SlopeW
Trình tự vẽ:
Sketch > Lines > Con trỏ sẽ biến thành dấu + > Chọn điểm : (0,11) > (9,11) >
(15,8) > (40,8) > (40,0) > (0,0) > (0,11) > Bấm phím phải mouse
Sketch > Lines > Chọn điểm : (0,8) > (15,8) > (13,6) > (0,6) > Bấm phím
phải mouse
Sketch > Lines > Chọn điểm : (0,3) > (40,3) > Bấm phím phải mouse

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
162.3.5 Gán các lớp đất vào sơ đồ tính
Trình tự: Draw > Element

Các số liệu cần nhập:
- Lưới chia phần tử là lưới tam giác hay tứ giác
- Hệ trục toạ độ lấy theo chương trình hay do người dùng nhập
Sau đó chọn các nút cần gán lớp đất (4 nút), chương trình sẽ hiển thị hộp thoại sau:
(Chú ý phương pháp chia phần tử phải tuân theo quy tắc của phương pháp PTHH)

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
17

2.3.9 Tính toán ứng suất và chuyển vị
Trình tự: Tools > SOLVE > <có thể phải lưu lại số liệu> > Chọn nút "Start" trong
cửa sổ "SLOPEW /W SOLVE"

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
202.3.10 Hiển thị kết quả
Hiển thị kết quả ứng suất và biến dạng:
Trình tự: Draw > CONTOUR

Kết quả vẽ đường đồng mức chuyển vị theo phương trục Y:

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
21Kết quả vẽ đường đồng mức ứng suất theo phương trục Y:

Hiển thị kết quả ứng suất của 1 nút:

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
22

Trình tự: Draw > MOHR CIRCLES

2.3.11 Xuất kết quả
Trình tự: Draw > GRAPH…


§ Mô đun kháng cắt của đất (G)
§ Mô đun biến dạng (dọc) của đất (E)
§ Hệ số Poisson (n)
§ Góc ma sát trong của đất (φ)
§ Dung trọng tự nhiên của đất
§ Cường độ cắt không thoát nước của đất sét
§ Cường độ nén nở hông của đá
(Chi tiết xem trong phụ lục 1)
3.4 Ứng dụng phần mềm FB_Pier trong tính toán móng mố/trụ cầu
3.4.1 Các lưu ý khi sử dụng chương trình FB_Pier
3.4.1.1 Các dạng kết cấu tính toán trong chương trình FB_Pier
Các dạng kết cấu tính toán trong chương trình FB_Pier bao gồm:
§ General Pier: Tính toán kết cấu trụ và nền móng làm việc đồng thời
§ Pile and Cap: Tính toán cọc và bệ cọc làm việc đồng thời
§ Single Pile: Tính toán cho cọc đơn
§ High Mast Light/Sign: Tính toán cho kết cấu có móng cọc đơn
§ Retaining Wall: Tính toán tường chắn
§ Sound Wall: Tính toán tường chắn

Bài giảng “Ứng dụng phần mềm trong tính toán Địa kỹ thuật”
25

§ Stiffness: Tính toán độ cứng tại vị trí trọng tâm của móng
§ Pile Bent: Tính toán cọc chịu uốn
§ Column Analysis: Tính toán cột
§ Bridge (Multiple Piers): Tính toán với cầu nhiều trụ cùng làm việc với nền
móng
3.4.1.2 Quy ước về hệ thống đơn vị và hệ trục tọa độ trong FB_Pier
Đơn vị sử dụng trong chương trình theo hệ SI: (kPa, m)
Quy ước về hệ trục tọa độ trong mô hình hóa: