Đường cong P-Y và mô hình tương tác cọc - đất phi tuyến

Bài viết Đường cong P-Y và mô hình tương tác cọc - đất phi tuyến trình bày phân tích bài toán cọc chịu tải trọng ngang dựa trên cơ sở lý thuyết mô hình “đường cong p-y” và đề xuất một mô hình tính “cọc- lò xo phi tuyến” để mô phỏng tương tác giữa cọc và đất, sử dụng phần mềm SAP2000.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 ĐƯỜNG CONG P-Y VÀ MƠ HÌNH TƯƠNG TÁC CỌC - ĐẤT PHI TUYẾN Nguyễn Ngọc Thắng Bộ môn XDDD&CN, khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi Email: thangnn@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG MƠ HÌNH ĐƯỜNG CONG P- Y Cọc đơn chịu tải trọng ngang nhiều tác giả nghiên cứu [1, 2, 3] với hai phương pháp tính phổ biến, 1) Tính tốn khả chịu tải ngang cực hạn cọc dựa áp lực đất 2) Tính tốn theo chuyển vị cho phép dựa phân tích mơ hình có kể đến tương tác cọc đất Phương pháp thứ hai gọi phương pháp mơ hình tương tác, cọc phân tích tương đương dầm đàn hồi, mơ hình Winkler; tương tác cọc đất (gọi tắt tương tác cọc - đất) mô gối tựa lò xo hai chiều chịu kéo nén Độ phức tạp xác kết tính phụ thuộc nhiều vào việc mơ gối tựa lị xo Mơ hình vật liệu lị xo chất đường quan hệ tải trọng (p) chuyển vị ngang (y), lý thuyết tính gọi mơ hình “đường cong p-y” Đường cong p-y xem quy luật ứng xử đất độ sâu xét Quy luật phản ánh quan hệ phi tuyến phản lực đất lên thành cọc chuyển vị cọc; phụ thuộc vào thông số cọc, tiêu lý đất đặc điểm tải trọng tác dụng lên cọc Nhiều mơ hình đường cong p-y McCelland Focht (1958), MatLock (1970), Lymon C.Resse (1974) số tác giả khác [4] kiểm chứng qua thí nghiệm trường sử dụng số quy phạm, tiêu chuẩn tính tốn cọc Trong báo này, tác giả trình bày phân tích toán cọc chịu tải trọng ngang dựa sở lý thuyết mơ hình “đường cong p-y” đề xuất mơ hình tính “cọc- lị xo phi tuyến” để mô tương tác cọc đất, sử dụng phần mềm SAP2000 86 2.1 Đường cong p-y cho đất sét pha mềm Từ thí nghiệm nén tĩnh ngang cọc đất sét mềm, Matlock [5] đề xuất đường cong p-y đất sét mềm theo quan hệ (1): 3  y P  0,5   Pu  y50  (1) đó: P, Pu phản lực sức kháng cực hạn đất lên đơn vị chiều dài cọc, Pu lấy theo (2): (2) Pu  N p Pb Pb : hệ số áp lực đất, phụ thuộc vào góc nghiêng  phương ngang mặt đất, xác định theo (3); (4) (5):   với   Pb    1  tan            cos      với   Pb        cos           Pb  với   (3) (4) (5) Np lấy giá trị lớn (6) (7): N p  9Cu B (6) N p  3Cu B   'ZB  JZCu (7) Cu : Sức kháng cắt không nước B: Kích thước cạnh đường kính cọc ’: Dung trọng riêng trung bình lớp đất Z: Độ sâu đoạn cọc xét J: Hệ số phụ thuộc loại đất: J=0.5 sét pha mềm, J=0.25 sét dẻo cứng nửa cứng Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 Trong (1), y c chuyển vị ngang cọc P=1/2 sức kháng cực hạn đất, tính theo (8): y c  y 50  2,5B50 (8) 50 : biến dạng đất thí nghiệm nén trục ứng suất 50% ứng suất phá hoại số nghiên cứu phân tích động cho móng cọc, Thạch (2010) “phần tử tiếp xúc điểm” có tên “SUPPORT”có với kiểu ứng xử vật liệu “Multi-linear elastic” phần mềm SAP2000, phần tử phù hợp để mơ hình hóa lị xo phi tuyến với đường cong p-y có hình dạng 2.2 Đường cong p-y cho đất sét pha cát Để xây dựng đường cong p-y đặc trưng cho đất sét pha cát, Reese Grubbs tiến hành thí nghiệm cho loại đất sét pha với nội ma sát , lực dính Cu , khối lượng đơn vị  ĐƯỜNG CONG P-Y PHÂN TÍCH CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 3.1 Bài toán cọc chịu tải trọng ngang Cọc đất chịu tải trọng ngang thể hình vẽ với thơng số Bài tốn   a  , b  45  , K  0,4 , phân tích theo mơ hình số đường cong p–y, 2 đường cong tương tác theo mơ hình  2 K   tan  45   Matlock Reese thể hình 2  1) Cọc ống thép K Z tan    sin  b  trịn đường kính B (10) S0   Z , S1  500mm, dày t = tan  b   cos  a  12mm, dài cọc L = tan  b  40m, I = 3,15x10 (11) S2  B  Z tan  b  tan  a    4 tan  b   m , E = 2x105 MPa 2) Đất sét pha S3  K Z tan  b   tan    sin  b   tan  a   (12) gồm lớp, lớp 1- Sét (13) S4  K B pha cát, dẻo, dày S5  K  BZ tan  b   (14) 15m, =15o , Cu = 15kPa, lớp 2- Sét S6  K BZ tan  b  (15) pha nửa cứng, dày Pul t : Phản lực tới hạn xác định theo (16): 5m, =21o , Cu = (16) Pult  A SPult   Pultc 15kPa, lớp 3- Đất sét Pul t lấy giá trị nhỏ (17), (18): cứng, Cu = 40kPa (17) 3) Tải trọng đầu cọc: Pst  S0  S1  S  S3  S4  N = 100 kN, H = 100 Psd  S5  S6 (18) kN, M = 50 kNm Pul tc lấy theo (2), AS hệ số thực nghiệm Hình Sơ đồ cọc đất thơng số 2.3 Mơ hình cọc - lị xo phi tuyến Sap 2000 tốn cọc chịu tải ngang  Mơ hình tương tác cọc - đất chi tiết với độ xác cao thực nhờ trợ giúp phần mềm tính tốn kết cấu PLAXIS, ABAQUS, FLAC… theo phương pháp phần tử hữu hạn Tuy nhiên để mô môi trường đất phi tuyến với điều kiện biên vô hạn phức tạp, điều hạn chế việc ứng dụng mô hình tương tác vào tính tốn Trong mơ hình “Cọc - lị xo phi tuyến” đất xung quanh cọc mơ dãy lò xo nằm ngang dọc theo chiều dài cọc Trong 87 20 Z=0 5m Z=1 5m Z=2 5m Z=3 5m Z=4 5m Z=5 5m Z=6 5m Z=7 5m-14.5 m Z=1 5.5m- 19.5m Z=2 0.5m-40m 15 Lực (kN)  10 -0.5 -0 -0.3 -0 -0.1 -5 0.1 0.2 0.3 0.4 Chuy ển vị (m) 0.5 -10 -15 -20 Hình Đường cong p-y cho đất sét pha theo mơ hình Matlock Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 Bảng Mô men uốn chuyển vị đầu cọc 15 z=0 75 m z=1.2 5m z=1 75 m z=2.2 5m z=2 75 10 Mơ hình Rees e Matlock 10304: 2014 Lực (kN) z=0.2 5m z=3.2 5m -0 -0 -0 -0.2 -0.1 Chuyển vị (m) 0.4 0.5 -5 -10 M 3max (kNm) 242.3 228.1 285.9 U1max (mm) 26.81 25.43 31.09 Kết cho thấy M3max U1max theo TCVN 10304: 2014 lớn so với hai Hình Đường cong p-y cho đất sét pha mơ hình Tính tốn theo cơng thức theo mơ hình Reese tiêu chuẩn có xét đến tương tác cọc đất qua hệ số tỷ lệ K, phụ thuộc vào loại 3.2 Kết tính tốn nhận xét đất, theo bảng lập sẵn, phạm vi biến Mômen uốn (M3 ) chuyển vị ngang (U1 ) thiên rộng Phương pháp tính theo đường cọc tính theo hai mơ hình đường cong p- cong quan hệ p-y thiết lập dựa y tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304: thông số  Cu đất nền; 2014 thể hình Kết cho thấy thơng số kích thước, hình dạng cọc mơmen uốn đạt cực đại xấp xỉ phần chiều sâu cọc đất xét đến tư chiều dài cọc; biến thiên chủ yếu lớp đất sát bề mặt; điều phù hợp với kết thí KẾT LUẬN nghiệm trình bày Phương pháp xác định hệ số sử dụng lý Hình phản ánh kết tính tốn thuyết đường cong p-y phương pháp theo hai mơ hình đường cong p-y Reese đại, khoa học có độ tin cậy cao, sử Matlock tương đồng khoảng dụng nhiều tiêu chuẩn, quy phạm Trong 0–12m đầu, từ 12m trở xuống mômen uốn báo này, tác giả trình bày hai mơ hình thân cọc lớn tính theo mơ hình đường cong p-y Matlock Reese phân Matlock Chuyển vị ngang cực đại đầu tích tốn cọc đơn chịu tải trọng ngang Mô cọc xấp xỉ nhau, với mơ hình hình “cọc - lị xo phi tuyến” mô Matlock chuyển vị ngang theo chiều sâu cọc phần mềm Sap2000 cho kết tính phù lớn hơn, đường cong có độ dốc nhỏ hợp với kết theo TCVN 10304: 2014 -15 100 200 300 0 10 15 20 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 M3(kNm ) U1 (mm) 5 Mơ h ình Ree se Mơ h ình Matlock 10 15 15 20 25 TCVN : 10 304 Z(m) Z(m) 10 20 Mơ hình Reese Mơ hình Matlock TCVN:10304 25 30 30 35 35 40 40 Hình Mơmen uốn chuyển vị ngang Bảng tổng hợp giá trị mô men chuyển vị đầu cọc cực đại tính theo mơ hình Reese, Matlock TCVN 88 [1] C Portugal and S Pinto Analysis and design of piles under lateral loads Proceedings of the International Geotechnical Seminar on Deep Foundations, 27, (4), (1993), pp 309-313 [2] L Rees e, Single piles and pile groups under lateral loading, Balkema, (2001) [3] P han Dũng Thiết lập quan hệ lời giải toán cọc chịu lực ngang theo phương pháp Reese-Matlock, Đh Giao thông vận tải TP HCM, (2004) [4] J Powell p-y analysis of laterally loaded piles in clay Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 120, (5), (1994), pp 816-837 [5] H Matlock Numerical analysis of laterally loaded piles Structural Division Conference on Electronic Computation, Pittsburgh, ASCE, (1970), pp 657-668  ... nhiên để mô môi trường đất phi tuyến với điều kiện biên vô hạn phức tạp, điều hạn chế việc ứng dụng mơ hình tương tác vào tính tốn Trong mơ hình ? ?Cọc - lị xo phi tuyến? ?? đất xung quanh cọc mô dãy... lấy theo (2), AS hệ số thực nghiệm Hình Sơ đồ cọc đất thơng số 2.3 Mơ hình cọc - lị xo phi tuyến Sap 2000 tốn cọc chịu tải ngang  Mơ hình tương tác cọc - đất chi tiết với độ xác cao thực nhờ... (m) 0.5 -1 0 -1 5 -2 0 Hình Đường cong p-y cho đất sét pha theo mơ hình Matlock Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 97 8-6 0 4-8 2-2 54 8-3 Bảng Mô men uốn chuyển vị đầu cọc 15 z=0 75