Nghiên cứu sự làm việc của cọc chịu tải trong ngang và tải trọng động đất
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI Ngô Quốc Trinh NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI Ngô Quốc Trinh NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số : 62 58 02 08 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS VƯƠNG VĂN THÀNH 2. TS. TRẦN HỮU HÀ HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Ngô Quốc Trinh LỜI CÁM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với PGS.TS Vương Văn Thành và TS Trần Hữu Hà đã tận tình hướng dẫn, cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị và thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học của tác giả. Tác giả xin chân thành cám ơn các Giáo sư, Phó giáo sư, Tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, đặc biệt GS.TSKH Hà Huy Cương đã tận tình giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến để luận án được hoàn thiện. Tác giả xin trân trọng cám ơn các cán bộ, giảng viên Bộ môn Công trình ngầm- Địa kỹ thuật, Khoa Xây dựng, Khoa sau đại học Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội; các phòng, ban, khoa, các bạn đồng nghiệp và lãnh đạo Trường Đại học Công nghệ GTVT đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với người thân trong gia đình đã động viên khích lệ và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả Ngô Quốc Trinh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN MỞ ĐẦU 1 Lý do lựa chọn đề tài 1 2 Mục tiêu nghiên cứu 3 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 4. Nội dung nghiên cứu 4 5 Phương pháp nghiên cứu 4 6 Bố cục của luận án 4 7 Những đóng góp mới của luận án 6 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VỚI NỀN ĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 1.1 Tổng quan về động đất 9 1.1.1 Động đất 9 1.1.2 Nguồn gốc động đất 10 1.1.3 Sóng động đất 13 1.1.4 Các thang đánh giá cường độ động đất 15 1.1.5 Nhiệm vụ thiết kế kháng chấn cho công trình và các thông số chuyển động nền đất 16 1.2 Tổng quan các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa cọc với nền đất chịu tải trọng ngang 18 1.2.1 Nhóm các phương pháp dựa trên mô hình nền Winkler 18 1.2.2 Nhóm các phương pháp dựa trên mô hình đàn hồi liên tục 28 1.3 Tóm tắt và nhận xét chương 1 34 Chương 2: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH NẰM NGANG 2.1 Các phương trình cơ bản và phương trình truyền sóng của môi trường đàn hồi 36 2.1.1 Các liên hệ cơ bản của môi trường đàn hồi 36 2.1.2 Xây dựng các phương trình vi phân cân bằng và phương trình truyền sóng theo PPNLCT Gauss 38 2.1.2.1 Phương pháp Nguyên lý cực trị Gauss 38 2.1.2.2 Xây dựng phương trình vi phân cân bằng 41 2.1.2.3 Xây dựng phương trình truyền sóng 44 2.2 Các lời giải đối với không gian vô hạn đàn hồi và nửa không gian vô hạn đàn hồi 47 2.2.1 Lời giải không gian vô hạn đàn hồi 48 2.2.2 Lời giải nửa không gian vô hạn đàn hồi 49 2.3 Xây dựng bài toán tương tác giữa khối đất với nửa không gian vô hạn đàn hồi 50 2.3.1 Hệ so sánh là nửa không gian vô hạn đàn hồi 51 2.3.2 Hệ so sánh là không gian vô hạn đàn hồi 54 2.4 Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 57 2.5 Kiểm tra kết quả và các nhận xét 61 2.5.1 Bài toán hệ so sánh là nửa không gian vô hạn đàn hồi 61 2.5.2 Bài toán hệ so sánh là không gian vô hạn đàn hồi 66 2.5.3 Bài toán tính khối đất có xét đến trọng lượng bản thân 68 2.6 Kết luận chương 2 70 Chương 3 NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VỚI NỀN ĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH NẰM NGANG 3.1 Lý thuyết dầm Timoshenko 71 3.2 Xây dựng bài toán dầm chịu uốn có xét biến dạng trượt ngang theo Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss 73 3.2.1 Phương pháp thứ nhất 73 3.2.2 Phương pháp thứ hai 75 3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn đối với dầm có xét đến biến dạng trượt ngang 78 3.4 Xây dựng bài toán tương tác giữa cọc đơn với nền đất chịu tải trọng tĩnh nằm ngang 82 3.4.1 Trường hợp dùng hệ so sánh là nửa không gian vô hạn đàn hồi. 82 3.4.2 Trường hợp dùng hệ so sánh là không gian vô hạn đàn hồi 85 3.5 Khảo sát một số trường hợp kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính. 88 3.5.1 So sánh kết quả theo lời giải của chương trình MstaticP1 khi cho mô đun đàn hồi của hệ so sánh khác nhau 88 3.5.2 So sánh kết quả của hai lời giải theo hai chương trình tính MstaticP1 và KstaticP1 khi lực ngang đặt tại chân cọc 89 3.5.3 Khảo sát bài toán so sánh với phương pháp của Zavriev(1962) dựa trên mô hình nền biến dạng cục bộ. 90 3.5.4 Khảo sát bài toán so sánh với phương pháp của Poulos (1971) dựa trên mô hình nền đàn hồi liên tục 92 3.5.5 Khảo sát bài toán so sánh với kết quả nghiên cứu của Kim, O’Neill, Matlock dựa trên phương pháp dùng đường cong p-y 93 3.6 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến sự làm việc của cọc đơn chịu tải trọng tĩnh nằm ngang 96 3.6.1 Khảo sát cọc ngắn và cọc dài trong nền đàn hồi đồng nhất 96 3.6.2 Khảo sát cọc đơn tựa trên lớp đá cứng 98 3.6.3 Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng đất đối với sự làm việc của cọc 100 3.7 Khảo sát sự ảnh hưởng của cọc tới chuyển vị nền đất 101 3.8 Kết luận chương 3 102 Chương 4: NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VỚI NỀN ĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG NẰM NGANG VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 4.1 Lời giải xung đơn vị của không gian vô hạn đàn hồi 104 4.1.1 Lời giải xung đơn vị trong miền thời gian 105 4.1.2 Lời giải theo biến đổi tích phân Laplace 106 4.1.3 Lời giải theo biến đổi tích phân Fourier 106 4.2 Hệ số giảm chấn vật liệu của đất 107 4.3 Lời giải số của bài toán động lực học 109 4.3.1 Số liệu trận động đất El Centro, 1940 và biến đổi Fourier rời rạc DFT(Discrete Fourier Transform). 109 4.3.2 Tích phân Duhamel trong miền thời gian và miền tần số 111 4.4 Xây dựng bài toán tương tác động lực học của cọc khi chịu tải trọng động nằm ngang 113 4.5 Khảo sát dao động của khối đất và của cọc chịu tải trọng động nằm ngang . 115 4.5.1 Khảo sát dao động khối đất. 115 4.5.2 Khảo sát truyền sóng cắt (sóng Love) trong nền đất 119 4.5.3 Khảo sát dao động của cọc đơn 123 4.6 Khảo sát dao động của cọc chịu tải trọng động đất 125 4.7 Kết luận chương 4 131 KẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ 132 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CT1 TÀI LIỆU THAM KHẢO TK1 PHỤ LỤC (Quyển 2) Phụ lục 1: Giá trị chuyển vị ngang của điểm nằm gần tâm khối đất khi lực nằm ngang P tác dụng ở bề mặt và tại chân khối đất trong trường hợp mô đun đàn hồi, hệ số Poisson của hệ so sánh bằng mô đun đàn hồi, hệ số Poisson của hệ cần tính Phụ lục 2: Giá trị chuyển vị ngang của điểm nằm gần tâm khối đất khi lực nằm ngang P tác dụng ở bề mặt và tại chân khối đất trong trường hợp giữ nguyên E1 như trường hợp 1, thay đổi E0 của hệ so sánh Phụ lục 3: Giá trị chuyển vị ngang của điểm nằm gần tâm khối đất khi lực nằm ngang P tác dụng ở bề mặt và tại chân khối đất trong trường hợp giữ nguyên E0 của hệ so sánh như trường hợp 1, tăng E1 của hệ cần tính lên gấp hai lần so với trường hợp 1 Phụ lục 4: Giá trị chuyển vị ngang của điểm nằm gần tâm khối đất khi lực nằm ngang P tác dụng ở bề mặt, giữa và tại chân khối đất trong trường hợp tính theo 2 chương trình Mstatic1 và Kstatic1. Phụ lục 5: Giá trị chuyển vị ngang, chuyển vị đứng của điểm nằm gần tâm khối đất khi lực nằm ngang P tác dụng ở bề mặt khi xét và không xét trọng lượng bản thân Phụ lục 6: Chương trình tính khối đất chịu tải trọng tĩnh nằm ngang Mstatic1 Phụ lục 7: Chương trình tính khối đất chịu tải trọng tĩnh nằm ngang Kstatic1 Phụ lục 8: Chương trình tính cọc chịu tải trọng tĩnh nằm ngang MstaticP1 Phụ lục 9: Chương trình tính cọc chịu tải trọng tĩnh nằm ngang KstaticP1 Phụ lục 10: Chương trình tính cọc nằm trong nền đàn hồi nhiều lớp chịu tải trọng tĩnh nằm ngang KstaticPLs Phụ lục 11: Chương trình tính khối đất chịu tải trọng động nằm ngang KdynaS Phụ lục 12: Chương trình khảo sát truyền sóng Love trong nền đất KdynaL Phụ lục 13: Chương trình tính cọc chịu tải trọng động nằm ngang KdynaP Phụ lục 14: Chương trình tính cọc chịu tải trọng động đất KdynaPE. CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN A Hằng số phụ thuộc vào tải trọng tĩnh hoặc chu kỳ chậm b Chiều rộng tiết diện cọc c Hệ số cản nhớt C y (f), C x (f),C h (f) Biến đổi Fourier của hàm y(t); x(t) và h(t) DFT Biến đổi Fourier rời rạc E Mô đun đàn hồi của đất E c Mô đun đàn hồi của cọc F Diện tích tiết diện cọc FFT Biến đổi Fourier nhanh f Tần số f N Tần số Nyquist f D (t) Lực cản nhớt f I (t) Lực quán tính f S (t) Lực đàn hồi G Mô đun trượt của đất G c Mô đun trượt của cọc g Gia tốc trọng trường h Chiều cao tiết diện cọc IFFT Biến đổi Fourier nhanh, ngược J Mô men quán tính của cọc k Độ cứng lò xo k h Hệ số nền Winkler (mô đun phản lực nền theo phương ngang) K x , K y Độ cứng phức đối với chuyển vị ngang K ry , K rx Độ cứng phức đối với góc xoay K x-ry hoặc K y-rx Độ cứng phức hỗn hợp chuyển vị ngang- góc xoay l Chiều dài cọc m Khối lượng [...]... bài toán trạng thái giới hạn của cọc 4 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng khối đất chịu tải trọng tĩnh nằm ngang Nghiên cứu bài toán tương tác tĩnh học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang Nghiên cứu bài toán tương tác động lực học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng động nằm ngang và chịu tải trọng động đất trong miền tần số và miền thời gian Xây dựng... giữa cọc và đất chưa được xem xét một cách đầy đủ, mới chỉ xét ảnh hưởng của đất lên cọc mà chưa xét ảnh hưởng của cọc lên đất Mặt khác việc xét điều kiện biên ở vô hạn rất khó khăn, đặc biệt đối với bài toán truyền sóng khi xảy ra động đất Từ những phân tích trên, thấy rằng nghiên cứu sự làm việc của cọc, trong đó nghiên cứu sự tương tác giữa cọc và nền đất khi chịu tải trọng nằm ngang và tải trọng động. .. liệu của đất; lời giải số của bài toán động lực học; xây dựng bài toán tương tác động lực học của cọc- nền đất khi chịu tải trọng động nằm ngang; xây dựng chương trình tính khảo 6 sát một số bài toán dao động của khối đất và của cọc chịu tải trọng động nằm ngang bất kỳ; khảo sát bài toán dao động của cọc chịu tải trọng động đất Phần kết luận, kiến nghị: trình bày những kết quả mới của luận án và các... khái quát về động đất và các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang cũng như chịu tải trọng động nằm ngang, trên cơ sở đó giới thiệu các vấn đề nghiên cứu của luận án Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng của nền đất thông qua nghiên cứu tương tác giữa khối đất đàn hồi với bán không gian vô hạn đàn hồi khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang Chương... biến dạng trượt ngang; xây dựng bài toán tương tác tĩnh học giữa cọc đơn với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang; dựa trên các kết quả bằng số khảo sát một số trường hợp nghiên cứu cọc chịu tải trọng tĩnh nằm ngang Chương 4: Nghiên cứu bài toán tương tác giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng động nằm ngang và tải trọng động đất Nội dung của chương này trình bày lời giải xung đơn vị của không gian... cứu Luận án nghiên cứu cọc đơn thẳng đứng nằm trong bán không gian vô hạn đàn hồi chịu tác dụng của tải trọng tĩnh nằm ngang, tải trọng động nằm ngang và tải trọng động đất Luận án không tính toán trong mô hình nền đất khác (đàn dẻo, đàn nhớt), không xét hiện tượng hóa lỏng trong nền đất khi xảy ra động đất; không xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất bão hòa và không nghiên cứu bài toán... đến giảm khả năng chịu tải của cọc và tác động của lực quán tính tác dụng lên đầu cọc trong khi chưa có những chỉ dẫn liên quan đến tương tác động học Các chấn động của động đất có thể gây ra sự phá hoại công trình thông qua sự phá hoại của nền đất bên dưới làm giảm sức chịu tải của đất nền, gây biến dạng và trong một số trường hợp có thể dẫn đến hiện tượng hóa lỏng của đất nền Do đó, việc quan tâm đến... động đất là vấn đề cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần xem xét đầy đủ hơn về phương pháp tính toán móng cọc của công trình ở Việt Nam 2 Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng phương pháp lý thuyết nghiên cứu bài toán tương tác giữa cọc- nền đất và phần mềm tính toán xác định trạng thái ứng suất biến dạng của cọc chịu tải trọng ngang và tải trọng động đất 4 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận... trên bàn rung ngang hay thực hiện trên máy quay li tâm Dựa trên các tài liệu thu thập được, trong chương này tác giả cố gắng giới thiệu một cách khái quát tổng quan về động đất và các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa cọc và nền đất khi chịu tải trọng ngang, trên cơ sở đó giới thiệu các nội dung nghiên cứu của luận án 1.1 Tổng quan về động đất 1.1.1 Động đất Sự dao động của bề mặt quả đất do các... tác động lực học của cọc nằm trong nửa không gian vô hạn đàn hồi Hình 4.7 Sơ đồ tính khối đất chịu tác dụng của tải trọng động nằm ngang Hình 4.8 Biểu đồ chuyển vị ngang (a), góc pha (b) của lớp mặt, lớp đáy khối đất khi chịu tải trọng động có dải tần từ 0,5 đến 30 Hz, bước tần số 0,5 Hz Hình 4.9 Biểu đồ chuyển vị ngang (a), góc pha (b) của lớp mặt, lớp đáy khối đất khi chịu tải trọng động có dải tần . Duhamel trong miền thời gian và miền tần số 111 4.4 Xây dựng bài toán tương tác động lực học của cọc khi chịu tải trọng động nằm ngang 113 4.5 Khảo sát dao động của khối đất và của cọc chịu tải trọng. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI Ngô Quốc Trinh NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chuyên. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI Ngô Quốc Trinh NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT