Tính toán cọc ngàm trong đá có xét đến khả năng chịu tải trọng ngang của các lớp đất bên trên

LVTS33 Tính toán cọc ngàm trong đá có xét đến khả năng chịu tải trọng ngang của các lớp đất bên trên Đăng ngày 12092011 06:35:00 PM 551 Lượt xem 309 lượt tải Giá : 0 VND Tính toán cọc ngàm trong đá có xét đến khả năng chịu tải trọng ngang của các lớp đất bên trên Hãng sản xuất : Unknown

- -TRẦN XUÂN TÂN

TÍNH TOÁN CỌC NGÀM TRONG ĐÁ CÓ XÉT ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CỦA CÁC

LỚP ĐẤT BÊN TRÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI 2011

- -TRẦN XUÂN TÂN

KHÓA:2008-2011; LỚP:CH2008X1

TÍNH TOÁN CỌC NGÀM TRONG ĐÁ CÓ XÉT ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CỦA CÁC

LỚP ĐẤT BÊN TRÊN

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

MÃ SỐ: 60.58.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS VƯƠNG VĂN THÀNH

HÀ NỘI, 2011

tổng quan về móng cọc chịu tảI ngang NGàM TRONG

đá

1.2.1 Phân loại theo liên kết đầu cọc

y = chuyển vị ngang của đầu cọc

n : số vòng để đạt được pi

mp : độ dốc của đường cong áp lực-độ giãn trong không khí (MPa/turn)

Em= Modun biến dạng của đá

Gm= Modun biến dạng khi cắt của đá

Em= Modun biến dạng của đá

GC= Modun biến dạng khi cắt của đá được hiệu chỉnh

C: hệ số Poisson của đá được hiệu chỉnh

b) Thí nghiệm kích trong lỗ khoan

Ecalc= Modun biến dạng tính toán

0,86: hệ số khi kể đến hiệu ứng 3 chiều

0,93: hệ số khi kể đến hiệu quả thủy lực

Em= Modun biến dạng của đá

z : chuyển vị đo được tại độ sâu z tính từ mặt dưới của tấm nén

p : áp suất tác dụng lên tấm

m: hệ số poisson của đá

R : bán kính ngoài của tấm

r : bán kính của lỗ trung tâm tấm (đặt thiết bị đo)

C: hằng số

d) Thí nghiệm kích dạng tấm

y : khoảng cách từ kích trung tâm đến mỗi cọc đo

2y: khoảng cách do đầu ghim đo xê dịch

m: hệ số poisson của đá

1.4.2 Phương pháp gián tiếp

a) Phương pháp xác định Emvới chỉ số chất lượng đá RQD

RQD = chỉ số chất lượng đá

E= yếu tố suy giảm

b) Phương pháp xác định Emvới số điểm RMR hoặc GSI

RMR = thang điểm đánh giá chất lượng đá

GSI = thang điểm đánh giá chất lượng đá

Q = Hệ thang điểm đánh giá chất lượng đá

d) Phương pháp xác định Emvới độ bền nén của đá nguyên dạng c

L V = chiều dài cột tương đương tính theo chuyển vị và lực ngang

L M chiều dài cột tương đương tính theo góc xoay và moment uốn

Hult= lực ngang giới hạn

z : là độ sâu điểm khảo sát trong đá

2.2 Phương pháp gần đúng liên tục tuyến tính theo cách tiếp cận của Randolph(1981) và Carter and Kulhawy (1992)

Ee= modun đàn hồi Young's của cọc

G*= modun khi cắt danh định của đá

Gm= modun khi cắt của đá

m= hệ số poisson của đá

u = chuyển vị ngang đầu cọc

 = góc xoay đầu cọc

LS: chiều dày lớp đất

su : cường độ cắt không thoát nước của đất

Ho : lực cắt tại O

2.3.1 Phương pháp gần đúng liên tục phi tuyến - ứng xử đàn hồi của đất và đá

us = chuyển vị tổng hợp u của cọc trong đất

um = chuyển vị tổng hợp u của cọc trong đá

tổng quan về móng cọc chịu tảI ngang NGàM TRONG đá

1.1 Các trường hợp móng cọc chịu tải ngang ngàm trong đá

Hình 1.1- Cọc có mũi cắm trong đá [9]

Hình 1.2- Sơ đồ phân loại móng sâu [13]

Hình 1.3- Cọc chủ động chịu lực ngang bởi dây neo [10]

Hình 1.4- Cọc bị động chịu lực ngang bởi áp lực đất [10]

Hình 1.5- Cọc bị động chịu lực ngang bởi kết cấu bên trên và áp lực đất

[10]

1.2 Phân loại cọc chịu tải trọng ngang ngàm trong đá

Hình 1.6.a, b, c Sơ đồ phân loại theo liên kết đầu cọc [10]

1.3.1 Phương pháp phân tích theo phản lực nền

Hình 1.7-Mô hình phần tử cọc phân tích theo (Hetenyi 1946) [10]

Hình 1.8-Mô hình phản lực nền theo (Reese 1984) [12]

1.3.3 Phương pháp phân tích có kể tới sự không liên tục của đá

Hình 1.9-Mô hình trượt của các khối đá khi chịu tải ngang với các nêmtrượt[9]

1.4.1 Phương pháp trực tiếp

Hình 1.10-Đường cong áp lực-giãn nở [9]

Hình 1.11-Thí nghiệm kích trong lỗ khoan, Heuze (1984) [9]

Hình 1.12-Đường cong Ecalcvà Em[9]

Hình 1.14-Sơ đồ thí nghiệm với tấm nén tròn[9]

Hình 1.16-Sơ đồ kích đo dạng tấm phẳng[9]

Bảng 1.1-Các phương pháp thí nghiệm trong phòng đối với đá[9]

Bảng 1.2-Các phương pháp thí nghiệm hiện trường đối với đá[9]

Bảng 1.3-Các giá trị của T* ứng vớim(Hueze, 1984)[9]

Hình 1.18- Quan hệ giữa RQD và tỉ lệ Em/Er [9]

Hình 1.19-Quan hệ của RQD và tỉ lệ Em/Er [9]

Bảng 1.4-Các giá trị RQD ứng với chất lượng đá[9]

Bảng 1.5-Các giá trị RMR ứng với các đặc trưng của đá[9]

Bảng 1.6-Giá trị GSI đối với các loại đá [9]

Bảng 1.7-Giá trị Q đối với các loại đá[9]

Chương II:

Các phương pháp xác định sức chịu tải ngang

của cọc ngàm trong đá

2.1 Khả năng chịu tải ngang của cọc ngàm trong đá

Bảng 2.1-Các giá trị mi(Hoek & Brown,1997)[9]

Hình 2.1-Sơ đồ phân tích kết cấu cọc về chiều dài ngàm[12]

Hình 2.2-Sơ đồ truyền áp lực đất lên cọc trong đá[9]

Hình 2.3-Sơ đồ truyền tải lên cọc theo Zhang[9]

Hình 2.4-Sức kháng PLcủa đá và trạng thái ứng suất tương ứng [9]

2.2 Phương pháp gần đúng liên tục tuyến tính theo cách tiếp cận của Randolph(1981) và Carter and Kulhawy (1992)

Hình 2.5 (a)-Sơ đồ tính toán cọc trong đá theo Randolph và (b) cho cọctrong đá có lớp đất bên trên[9]

Hình 2.6 (a)-Sơ đồ biến dạng của cọc thực; (b)-Phản lực đất và bài toántương đương từ sơ đồ (a)[9]

Hình 2.7-Sơ đồ cọc cắm qua lớp đất có áp lực và chiều sâu LS [9]

Hình 2.8-Sơ đồ cọc cắm qua lớp đất có áp lực và chiều sâu LS [9]

2.3.1 Phương pháp gần đúng liên tục phi tuyến – ứng xử đàn hồi của đất và

Hình 2.10-Sơ đồ tính kể tới vùng dẻo trong đất/đá [9]

2.4 ổn định của cọc ngàm trong đá khi chịu tải trọng ngang

Hình 2.11 a, b, c & d - Các dạng mất ổn định của cọc ngàm trong đá

Hình 3.1– Các sơ đồ tính toán cho BT1a, BT1b, BT1c & BT1d

Hình 3.2– Các sơ đồ tính toán cho BT2a, BT2b, BT2c & BT2d

3.2 Kết quả áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Bảng 3.2-Tổng hợp các kết quả tính toán

Hình 3.3 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đất và moment uốn củacọc

Hình 3.4 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc

Hình 3.5 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đất và moment uốn củacọc

Hình 3.6 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc

Hình 3.7 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đá và moment uốn củacọc

Hình 3.8 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc

Hình 3.9 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đá và moment uốn của

của cọc

Hình 3.12 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc

Hình 3.13 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đất và moment uốncủa cọc

Hình 3.14 - Biểu đồ lực cắt và chuyển vị ngang của cọc

Hình 3.15 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đá

Hình 3.16 - Biểu đồ Moment uốn, lực cắt và chuyển vị của cọc

Hình 3.17 - Biểu đồ ứng suất ngang có hiệu trong đá

Hình 3.18 - Biểu đồ Moment uốn, lực cắt và chuyển vị của cọc

Kiến trúc Hà Nội, Khoa đào tạo Sau đại học đã dành những điều kiện tốt nhấtcho lớp cao học CH2008X1 của chúng tôi trong quá trình học tập và nghiêncứu tại trường.

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Địa kỹ thuật và Bộ môncông trình ngầm, nơi đã giúp tôi có được kiến thức rất quí về cơ đất và nềnmóng công trình

Xin gửi lòng biết ơn chân thành nhất đến: TS Đoàn Thế Tường, GS.TS

Đỗ Như Tráng, PGS.TS Nguyễn Đức Nguôn, TS Nghiêm Mạnh Hiến, TS.Nguyễn Công Giang, TS Nguyễn Văn Vi và cũng như các thầy cô giáo trong

và ngoài nhà trường, những người đã giúp đỡ tôi nhiệt tình trong suốt quá trìnhtôi học tập và thực hiện đề tài

Đặc biệt, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến người thầy hướng dẫn trực tiếptôi là PGS.TS Vương Văn Thành, người đã tận tình hướng dẫn, giúp tôi có thểhoàn thành được luận văn tốt nghiệp

Xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Cao đẳng XD số 3, Phòng Đào tạo,cùng các thầy cô giáo trong nhà trường và các đồng nghiệp đã luôn động viên

và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian theo học và hoàn thành luận văn

Và cuối cùng, xin cảm ơn bố, mẹ cùng em tôi, gia đình, họ hàng và cácbạn hữu đã luôn đồng hành cùng tôi trên mọi nẻo đường của cuộc đời, giúp tôi

có thêm nghị lực để theo học và hoàn thành luận văn này

Tác giả

Lời cam đoan

1.1 Các trường hợp móng cọc chịu tải ngang ngàm trong đá 4

c) Thí nghiệm bàn nén 22

a) Phương pháp xác định Emvới chỉ số chất lượng đá RQD 27b) Phương pháp xác định Emvới số điểm RMR hoặc GSI 30c) Phương pháp xác định Emvới chỉ số chất lượng đá Q 30d) Phương pháp xác định Emvới độ bền nén của đá 30nguyên dạngc

Chương II: Các phương pháp xác định sức

chịu tải ngang của cọc ngàm trong đá

2.1.1 Khả năng chịu tải ngang của bản thân kết cấu cọc 332.1.2 Khả năng chịu tải ngang của hốc đá khi cọc 35

ngàm trong đá

2.2 Phương pháp gần đúng liên tục tuyến tính theo cách tiếp 40

cận của Randolph (1981) và Carter and Kulhawy (1992)

2.3.1 Phương pháp gần đúng liên tục phi tuyến– ứng xử 44

đàn hồi của đất và đá

2.3.2 Phương pháp gần đúng liên tục phi tuyến– ứng xử 48

đàn dẻo của đất và đá

2.4.2 Hiện tượng nêm trượt 54

2.4.4 Hiện tượng phá hủy dạng cung tròn 54

Chương III: các Ví dụ tính toán

năng chịu tải trọng ngang của các lớp đất bên trên” là kết quả nghiên cứu củariêng tôi Nội dung luận văn có tham khảo từ các tài liệu theo danh mục tàiliệu tham khảo của luận văn.

Tác giả luận văn

Trần Xuân Tân

Mở ĐầU Tính cấp thiết của đề tài:

- Với sự biến đổi không ngừng của khí hậu toàn thế giới theo hướng tiêucực, các quốc gia như Việt Nam với bờ biển trải dài đã chịu ảnh hưởnglớn của sự thay đổi này Trong đó hiện tượng động đất là biểu hiện sâu

đậm nhất, gây ra những tàn phá kinh hoàng nhất đối với con người vàbản thân các kết cấu xây dựng nói chung

- Để có thể kháng lại những lực ngang lớn ví dụ như lực động đất tácdụng vào công trình xây dựng có sử dụng móng cọc trong tiêu chuẩnthiết kế thường khuyến cáo nên hạ mũi cọc vào lớp đất cát thô và chặthoặc nên cắm sâu vào tầng đá gốc

- Công tác khảo sát, thiết kế và thi công cọc nhồi có kinh phí lớn Và thực

sự tốn kém hơn nếu mũi cọc sẽ hạ vào trong đá

- Các công trình có tải trọng lớn ở khu vực Trung và Nam Trung Bộ ngàycàng nhiều trong khi điều kiện nền đất mà các công trình này hay gặpchủ yếu là cát, sét và đá gốc nằm ở độ sâu 40 – 60 mét Với tải trọnglớn nên trường hợp cọc được cắm sâu vào đá là rất hay gặp trong thiếtkế

- Qua phân tích sự làm việc của cọc ngàm trong đá có kể đến sức chịu tảicủa các lớp đất bên trên khi chịu tải ngang sẽ giúp cho chúng ta đánhgiá được ứng xử của cọc ở trạng thái tĩnh Và góp phần vào việc đánhgiá cũng như nêu các kiến nghị phù hợp cho công tác thiết kế lựa chọnchiều sâu cọc hợp lí hơn

Mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ nghiên cứu:

Mục đích:

- Đánh giá được khả năng chịu tải trọng ngang của cọc nhồi ngàm vào đákhi kể đến sức chịu tải ngang của các lớp đất bên trên.

- Xác định nội lực và chuyển vị của cọc nhồi ngàm vào đá khi có kể đến sứcchịu tải ngang của các lớp đất bên trên

-Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu là các công trình xây dựng có kết cấu móng cọcngàm trong đá

- Phạm vi nghiên cứu là các cơ sở khoa học của các phương pháp tínhtoán cọc chịu tải ngang ngàm trong đá và các ứng dụng trong phân tích

và thiết kế nhằm đưa ra cái nhìn tổng quát cho vấn đề cần nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu:

- Phân tích cọc ngàm trong đá chịu tải trọng ngang có kể đến ảnh hưởngcủa các lớp đất bên trên

Hướng kết quả nghiên cứu:

- Phân tích các ứng xử của cọc ngàm trong đá khi chịu tải ngang có xéttới các lớp đất bên trên

- Trong móng cọc chịu tải ngang ngàm trong đá nên kể đến khả năngchịu tải của các lớp đất bên trên để không phải khoan sâu vào trong đá,tránh lãng phí

ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài:

- Đưa ra tổng quan về tính toán cọc chịu tải ngang ngàm vào đá cho côngtrình có tải trọng ngang lớn

- Đưa ra được kết luận và kiến nghị góp phần nâng cao độ chính xác củaviệc tính toán cọc chịu tải trọng ngang ngàm vào đá

chương I:

tổng quan về móng cọc chịu tảI ngang ngàm

trong đá

1.1 Các trường hợp móng cọc chịu tải ngang ngàm trong đá

Khi có yêu cầu về chịu lực lớn và ổn định của móng thì việc truyền tảitrọng của công trình vào các lớp đất tốt bên dưới là một giải pháp, khi đó loạicọc dùng phương pháp khoan tạo lỗ và nhồi bê tông cốt thép vào lỗ khoan cómặt cắt ngang dạng hình tròn hoặc chữ nhật (hoặc các dạng chữ H…được tổhợp từ các dạng chữ nhật) thường được dùng (có sức chịu tải vật liệu lớn, độcứng lớn, phù hợp với thực tế) mà chúng ta hay gọi là cọc khoan nhồi (dạngtròn) hay cọc barret (dạng chữ nhật)

Đôi khi các loại cọc này phải được cắm vào đá tới độ sâu trong đá hợp

lý (Xem hình 1.1) nhằm chịu tải trọng ngang, tải trọng dọc, moment uốn

-xoắn lớn như đối với công trình cầu, đường cao tốc trên cao, giàn khoan, cáccông trình cao tầng và siêu cao tầng…mà thực tế hiện nay trên thế giới và ởViệt Nam chúng ta đang áp dụng nhiều

Hình 1.1– Cọc có mũi cắm trong đá [9]

(nếu cần)

Đá

Móng cọc nhồi thường được phân loại là móng sâu Sơ đồ phân loại cácloại móng sâu thường gặp (Xem hình 1.2)

Hình 1.2– Sơ đồ phân loại móng sâu [13]

Theo cách lực tác động lên cọc trực tiếp hay gián tiếp mà ta gọi cọcchịu tải ngang là chủ động hay bị động Trong thực tế làm việc của cọc, cọcthường chịu đồng thời lực dọc hoặc có thêm moment uốn, xoắn

Cọc chủ động là cọc tiếp nhận tải trọng ngang trực tiếp không qua cáckết cấu bên trên, lực tác dụng thường ở đỉnh cọc (Xem hình 1.3).

Cọc bị động là cọc tiếp nhận tải trọng ngang gián tiếp qua kết cấu côngtrình bên trên hoặc do áp lực nền đất tạo nên (Xem hình 1.4& 1.5).

Đối với công trình dân dụng và công nghiệp, móng cọc đài cao hoặccác trụ ống hay giếng chìm hơi ép hoặc các móng cọc đài thấp (không đảm

bảo điều kiện cân bằng áp lực ngang) đều có thể xem như bài toán cọc chịulực ngang Khi đó việc tính toán chúng cần đưa về các sơ đồ phù hợp với sựlàm việc của chúng.

Hình 1.3– Cọc chủ động chịu lực ngang bởi dây neo [10]

Hình 1.4– Cọc bị động chịu lực ngang bởi áp lực đất [10]

Hình 1.5– Cọc bị động chịu lực ngang bởi kết cấu bên trên và áp lực

1.2 Phân loại cọc chịu tải trọng ngang ngàm trong đá

Sự phân loại cọc chịu tải trọng ngang phù hợp với điều kiện làm việcthực tế của cọc và từ sự tích lũy thực nghiệm là điều khá phức tạp và cho đếnnay sự phân loại này chỉ xoay quanh vào loại liên kết đầu cọc hoặc loại tảitrọng tác dụng [10]

Đối với bản thân cọc ngàm trong đá, tùy thuộc vào sự hình thành lỗkhoan trong đá thì cấu tạo cọc, đặc tính các lớp đất ở trên đá…ảnh hưởng rấtnhiều tới thực tế làm việc của cọc mà chúng ta sẽ tìm hiểu ở các chương sau.Các lời giải cho cọc chịu tải ngang trong đất không bao gồm tất cả các trườnghợp cho cọc chịu tải ngang ngàm trong đá [9].

1.2.1 Phân loại theo liên kết đầu cọc

Hình 1.6.a, b, c Sơ đồ phân loại theo liên kết đầu cọc [10]

a) Cọc có đầu tự do (Xem hình 1.6.a)

Cọc có đỉnh ở trên là hoàn toàn tự do Với sơ đồ cọc đứng độc lập cóchân ngàm, đầu cọc tự do chịu tải trọng ngang Pt, chuyển vị của đầu cọc (đầu

- Pt: tải ngang đầu cọc.

1.2.2 Phân loại theo tải trọng tác dụng

Tải trọng ngang tác dụng lên cọc với các tính chất khác nhau rất nhiều.Các tải trọng này về cơ bản có thể phân ra loại tác dụng tĩnh hoặc động

Tải trọng động là dạng tải trọng có tính chất thay đổi theo thời gian như

độ lớn của lực, tần suất xuất hiện… thường gặp như tải trọng do gió, sóng,

động đất, va đập, lực neo…

Bản chất của sự phân loại cọc nhằm để nói lên sự ảnh hưởng của thicông cọc, cấu tạo cọc, cách thức chịu tải, điều kiện cho phép biến dạng nhằmgiúp cho việc phân tích xác định sức chịu tải cọc thật chính xác và nhanhchóng Nhưng hạn chế cũng nằm chính ở đó cho loại cọc có mũi ngàm trong

đá, và việc phân tích các ứng xử của cọc cho trường hợp này là điều cần thiết

mà mục 1.3 sẽ làm rõ hơn vấn đề này

1.3 ứng xử của cọc đơn khi chịu tải trọng ngang có mũi cọc ngàm trong

đá

Phản ứng của đá/đất phụ thuộc vào chuyển vị của móng, trong khichuyển vị này lại phụ thuộc vào ứng xử của đất/đá và độ cứng của móng

trong hầu hết các phương pháp phân tích, móng được xem như là dầm đàn hồihoặc cột chịu uốn đàn hồi Sự khác nhau chính trong các phương pháp phântích là:

Phản lực của đất truyền lên cọc sẽ tương ứng với biến dạng của nền vàthường được phân tích bởi đường cong p-y hoặc t-z, thí nghiệm tải trọng –chuyển vị, áp lực đất bị động… Và phản ứng của móng được xem xét thôngqua sự truyền phản lực từ đá/đất lên cọc và gây ra các biến dạng, nội lực trongcọc:

-Sự truyền moment lên cọc:

Cọc ngàm trong đá chịu tải bên và moment lớn yêu cầu một chiều sâutrong đá để truyền moment đến đá và để đáp ứng chiều dài cốt thép yêu cầu.Cơ chế truyền moment từ cọc vào đá thông qua sự phát triển của sức khángbên giữa cọc và đá Chúng phụ thuộc độ cứng của đá, các tính chất khác nhaucủa đá và độ cứng của cọc

chế truyền moment Lực cắt và moment tác dụng tại đầu cọc sẽ truyền tới mặtphân cách với một giá trị cộng thêm cho moment (cánh tay đòn nhân với lựccắt) Khi đó, sức kháng bên được huy động Nếu một moment lớn truyền quamột chiều sâu tương đối nhỏ khi đó sức kháng bên cũng tập trung trong mộtvùng tương đối ngắn Vì thế, lực cắt tại mặt phân cách này có thể lớn hơn tảitrọng tác dụng [12].

Điều đáng lưu ý, cọc cắm trong đá khi chịu tải giống như thí nghiệmnén không nở hông Khi đó, sức kháng cắt của cọc sẽ đạt giá trị lớn hơn nhiềuchứ không phải như cách tính theo tiêu chuẩn bê tông cốt thép hiện hành [12]

2 4

y d

Trong đó:

EI: độ cứng uốn của cọc;

y: chuyển vị ngang của cọc tại độ sâu z dọc chiều dài cọc;

Tuy nhiên, qui mô đầy đủ của các thí nghiệm và lý thuyết đã dẫn đếncác kiến nghị thành lập đường cong p-y cho một loạt các loại đất (Reese 1984) Reese (1997) đã phát triển một đường cong p-y cho phân tích cọc trong

đá chịu tải ngang Với tiến bộ công nghệ máy tính, việc mô phỏng 3D và dùngcác phân tích p-y cho đất và đá đối với cọc chịu tải ngang được thực hiện(Holt et al., 1997) hoặc (Wakai et al., 1999) Các ưu, nhược điểm của phươngpháp này là:

Ưu điểm:

- Dự đoán đầy đủ tính phi tuyến cho ứng xử tải ngang và biến dạng;

- Có thể kết hợp nhiều lớp đất/đá;

- Có kể tới tính phi tuyến của cọc bê tông cốt thép khi chịu tải;

- Cung cấp cho phân tích kết cấu của cọc khoan (Q, M, u…);

- Kể tới ảnh hưởng của tải trọng dọc đối với ứng xử của cọc-đất;

- Có thể dễ dàng sử dụng với một máy tính để bàn với phần mềm cósẵn

Nhược điểm:

- Thiếu cơ sở lý thuyết mạnh mẽ đối với đường cong p-y;

- Yêu cầu phải có phân tích thí nghiệm thử tải để có được p-y, hiện naycho từng trường hợp cụ thể là không thể Phương pháp này cần kết hợpvới kinh nghiệm và thí nghiệm hiện trường

1.3.2 Phương pháp phân tích theo mô hình đàn hồi liên tục

Các phương pháp tiếp cận bằng đàn hồi liên tục cho trường hợp móngsâu chịu tải ngang được phát triển bởi Poulus (1971) với xem xét cọc đơn chịutải ngang và moment tại đầu cọc Xem cọc như một dải đàn hồi và đất là đồngnhất và đàn hồi đẳng hướng Cách này được dùng để phân tích cọc ngàm vào

đá (Poulus 1972) bằng cách xem xét hai điều kiện biên tại mũi cọc:

- Cọc hoàn toàn cố định, chống xoay và chuyển vị tại mũi cọc;

- Cọc có thể xoay nhưng không có chuyển vị (liên kết chốt)

Điều kiện mũi cọc ngàm thường được dùng trong mô hình móng sâucắm vào đá, nhưng mũi cọc xem như chốt lại không áp dụng cho trường hợpcọc cắm vào đá Mặc dù, các điều kiện đầu của mô hình là không rõ ràngnhưng chúng vẫn được làm cơ sở để phân tích móng sâu Đối với móng tương

đối cứng và có nhiều cọc, chuyển vị của móng có thể nhỏ, khi đó quan niệmtrên có thể phù hợp

Các phương pháp tiếp cận bằng đàn hồi liên tục được phát triển tiếp bởiRandolph (1981) thông qua sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Lờigiải của Randolph bao gồm một loạt các điều kiện của cọc mềm (flexible pile)

và kết quả lời giải được đưa ra là các bảng và công thức Lời giải này chưathỏa đáng cho loại cọc ngàm vào đá và đã được mở rộng bởi Carter &Kulhway (1992) cho cọc cứng và không quá mềm Các biểu thức của Carter &Kulhway có các ưu, nhược điểm sau (nên áp dụng cho thiết kế sơ bộ):

Ưu điểm:

- Dự đoán được chuyển vị dưới tải trọng tác dụng;

- Yêu cầu duy nhất là xác định modun của đá;

- Cung cấp cơ sở cho phân tích khắt khe hơn bằng phương pháp phần tửhữu hạn;

- Là phương pháp dễ áp dụng nhất bằng thực hành thiết kế

Nhược điểm:

- Không dự đoán đầy đủ đường cong tải ngang và biến dạng;

- Lời giải đàn hồi không cung cấp lực cắt và moment cho thiết kế kếtcấu móng;

- Không xét cho trường hợp có nhiều hơn một lớp đá;

- Không xét trực tiếp cho tính phi tuyến của cọc bê tông cốt thép;

- Không xét tới tương tác đồng thời giữa lực dọc và ngang tác dụng vàocọc

Sun (1994) áp dụng lý thuyết đàn hồi liên tục cho phân tích móng sâu

sử dụng các phép tính biến phân để có được các phương trình của hệ thống

đất-cọc dựa trên mô hình nền đàn hồi của Vlasov

Dựa trên ý tưởng của Sun (1994) cho cọc chịu tải ngang trong đất (chưa

kể tới tính dẻo của đất), Zhang et al.,(2000) đã phát triển một phương pháp phituyến trong môi trường liên tục (có kể tới tính dẻo của đất) Phương pháp này

có thể xem cọc trong môi trường liên tục của một lớp đất nằm trên một lớp đávới các giả thiết sau:

- Modun biến dạng của đất thay đổi tuyến tính theo độ sâu

- Modun biến dạng của đá thay đổi tuyến tính theo độ sâu và là hằng sốcho đá ở dưới mũi cọc

- ứng xử của đất/đá đối với cọc là ứng xử đàn hồi tuyến tính với biếndạng nhỏ khi đất/đá chịu phản lực không vượt quá giới hạn cường độcủa chúng và biến dạng chảy khi vượt quá sức kháng giới hạn

Để sử dụng tính phi tuyến của đá, các chỉ tiêu theo Hoek-Brown đượcyêu cầu và dựa trên RMR hoặc GSI So với phương pháp của Carter &Kulhway, phương pháp của Zhang et al.,(2000) chặt chẽ hơn Các ưu nhược

điểm của phương pháp Zhang:

Ưu điểm:

- Dự đoán đầy đủ tính phi tuyến cho quan hệ tải trọng ngang và biếndạng;

- Tính đến phần biến dạng chảy trong đá hoặc đất;

- Dựa trên các đánh giá tốt về đất/đá;

- Có sự xác minh bởi lý thuyết chặt chẽ cho dãi đàn hồi;

- Cung cấp lực cắt và moment phân bố cho thiết kế móng

Nhược điểm:

- Phải dùng máy tính để phân tích chứ không dùng các phân tích có sẵn;

- Yêu cầu một số lượng lớn thông số cho vật liệu đá;

- Hiện nay được giới hạn cho phân tích: 1 lớp đất và 1 lớp đá, hoặc chỉ 2lớp đá;

- Tính phi tuyến của cọc (khi chịu moment) không được tính rõ ràng,

đòi hỏi phải phân tích lặp với giá trị điều chỉnh EI

1.3.3 Phương pháp phân tích có kể tới sự không liên tục của đá

ở các phương pháp trước khối đá được xem như là một thể liên tục.Khái niệm liên tục hay không liên tục của một khối đá phụ thuộc vào kíchthước của phạm vi được khảo sát trong mối tương quan với các yếu tố ảnhhưởng đến tính liên tục Một vật thể ở phạm vi nhỏ có thể có những dấu hiệuthể hiện rõ nét tính không liên tục Song ở phạm vi đủ lớn, các dấu hiệu khôngliên tục lại xuất hiện đủ "dày đặc" và vật thể được khảo sát lại trở thành vật thể

đồng nhất với các dấu hiệu không liên tục, khi đó vật thể được xem như là vậtthể liên tục và đồng nhất [2]

Hình 1.9-Mô hình trượt của các khối đá khi chịu tải ngang

với các nêm trượt[9]

Trong thực tế đá dùng ngàm cọc là đá nứt nẻ nên giá trị modun đàn hồicủa đá ít được sử dụng mà dùng modun biến dạng được xác định thông quacác đánh giá kinh nghiệm và từ thí nghiệm về các đặc tính của đá làm nền

Hệ không liên tục 3

Hệ không liên tục 1

Hệ không liên tục 2

công trình như đánh giá về tính nứt của đá sẽ ảnh hưởng đến đánh giá sứckháng mũi của cọc (khi cọc chịu tải dọc trục).

Cọc có thể sụp đổ do sự trượt của các khối đá hoặc nêm dọc theo các

đường đứt gãy do trọng lượng nêm và cọc Rõ ràng, các khối đá cần được xemnhư có tính không liên tục (Xem hình 1.9) Đến năm 1999 đã phát triển một

phương pháp để xác định khả năng chịu tải ngang của cọc trong đá có chứa 2

đến 3 hệ không liên tục trong khối đá Phương pháp này gồm 2 phần, gồmphân tích động lực và phân tích động học áp dụng lý thuyết khối củaGoodman (Goodman & Shi, 1985) được mở rộng để phân tích chuyển độngkết hợp của khối tải trọng ngang gây ra bởi cọc

Trong phân tích động học, sự ổn định của các khối nêm được phân tíchthông qua trạng thái cân bằng giới hạn giống như khi phân tích ổn định máidốc Từ đó các quan hệ đơn giản được xây dựng để giải quyết cho bài toán sứcchịu tải bên của cọc Khả năng chịu tải bên cũng có thể thu được bằng phântích tải trọng và biến dạng của cọc khi dùng phương pháp phần tử rời rạc(DEM) mà Alfonsi et al (1998) đã sử dụng phần mềm UDEC (UniversalDistinct Element Code) để phân tích [9]

Mô hình biến dạng của nêm được áp dụng cho phân tích này và đượcmô tả bởi Ashour et al (1998) và được AASHTO chấp nhận khi dùng để phântích móng sâu chịu tải ngang [12]

Sự tương tác đất - cọc được mô phỏng bằng cách xem xét sức kháng bênphát triển phía trước của nêm đất bị động ở mỗi chiều sâu Căn cứ vào biếndạng - cường độ và tính chất của đất được xác định từ thí nghiệm nén 3 trục,biến dạng ngang của đất trong nêm bị động phát triển phía trước cọc có liênquan đén các chuyển vị ngang (y) theo chiều sâu

Trong khi sự thay đổi áp lực ngang khi hình thành nêm bị động có liên

hệ đến phản lực của đất lên cọc (p) Và các modun phi tuyến của đất có liênquan đến modun phản lực nền (chính là độ dốc của đường cong p-y) Các mô

hình nêm biến dạng dùng cho xây dựng đường cong p-y cho đất, cho kết quảtốt nhất so với kết quả thử tải (Ashour & Norris, 2000) Ashour et al (2001),

đề xuất các tiêu chuẩn mới cho xây dựng đường cong p-y đối với đá phonghóa hoặc đá yếu khác với Reese (1997), với sự hiệu chỉnh cho tính phi tuyếncủa đá và cường độ của đá bằng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb và báocáo này cho kết quả tốt như của Brown (1994)[12]

Về mặt lý thuyết mô hình nêm biến dạng vượt qua một số hạn chếchính sau:

- ứng xử của đất thông qua phản lực đât (p) tại bất kì độ sâu nào đềuphụ thuộc vào ứng xử của các lớp đất xung quanh, như thế đảm bảo tính "liêntục" và của các tính chất của cọc (hình dạng, độ cứng, liên kết đầu cọc)

- Theo [12], mô hình này cần được xem xét với các thí nghiệm hiệntrường hơn nữa

Các phương pháp trên đều sử dụng giá trị modun của đá, nên việc xác

định chúng là quan trọng và cần thiết Mục 1.4 sẽ làm rõ một số phương phápthông dụng

1.4 Một số phương pháp xác định giá trị modun của đá

Đánh giá các đặc trưng của đá về cơ bản được phân thành hai phươngpháp là trực tiếp hay gián tiếp [9]

Bảng 1.1-Các phương pháp thí nghiệm trong phòng đối với đá[9]

Tổng hợp các mục đích và loại thí nghiệm trong phòng cho đá (ASCE,1996).

Mục đích thí nghiệm Loại thí nghiệm

Cường độ Nén không nở hông

Cắt trực tiếp Nén ba trục Kéo trực tiếp Kéo đứt gián tiếp Brazil Tải trọng điểm 1

Tính biến dạng Nén không nở hông

Nén ba trục Trương nở

Từ biến

Độ thấm Độ thấm khí

Đặc trưng Hàm lượng nước

Độ rỗng Trọng lượng đơn vị

Tỷ trọng

Hệ số thấm

Độ cứng đàn hồi Vận tốc truyền âm

Độ chịu mài mòn

1 Thí nghiệm tải trọng điểm cũng thường được dùng tại hiện trường.

Các thí nghiệm hiện trường cũng thường được áp dụng (Xem bảng 1.2),

thường dùng cho những dự án lớn và yêu cầu độ tin cậy cao Các kết quả thu

được cũng phải có các giả định một số mô hình lí tưởng trong mô tả các ứng

xử của đá, tham khảo (Bieniawski, 1968; Bieniawski, 1978; Pratt et al., 1972; Bieniawski & Hierden, 1975).

Bảng 1.2-Các phương pháp thí nghiệm hiện trường đối với đá[9]

Tổng hợp các mục đích và loại thí nghiệm hiện trường cho đá (hiệu chỉnh từ

ASCE,1996) Mục đích thí

nghiệm Loại thí nghiệm

Cường độ Cắt cánh hiện trường 1

Cắt trực tiếp Nén hơi 2

Thí nghiệm nén không nở hông 2 Kích trong lổ khoan 2

Tính biến dạng Địa chấn 3

Nén hơi hoặc đo giãn nở Bàn nén

Kích hướng tâm (hầm) 2 Kích trong lổ khoan 2

áp lực buồng (hầm kín) 2 Sức mang tải Bàn nén 1

Xuyên tiêu chuẩn 1 Trạng thái ứng

suất Đứt gãy thủy lựcNén hơi

Khoan lấy lõi Kích phẳng Kích một trục (hầm) 2

áp lực buồng (hầm kín) 2

Độ thấm Hằng số cột áp

Tăng hoặc giảm cột áp Bơm giếng

a) Thí nghiệm đo độ giãn nở

Dùng chất lỏng linh hoạt với một màng chịu áp lực cao bao thành hốkhoan áp lực chất lỏng và thể tích của chất lỏng có mối liên hệ với sự biếndạng của đá sẽ được đo Từ lý thuyết đàn hồi, áp lực và thể tích thay đổi cóliên quan đến mođun đàn hồi Thí nghiệm này có chi phí thấp, bị giới hạndùng trong đá mềm và vùng khảo sát nhỏ trong đá Vì vậy, giá trị modun xuấtphát từ các thí nghiệm này chưa phải là đại diện cho đá Theo Goodman(1980), giá trị modun này xác định như sau:

d

d p

Trong đó:

m: hệ số Poisson của đá;

d: đường kính của lổ khoan thí nghiệm ;

d: biến dạng hướng tâm đo được;

p: số gia áp lực thay đổi lên mặt lổ khoan

Hình 1.10-Đường cong áp lực-giãn nở[9]

Hình 1.10 cho thấy sự giãn nở điển hình, với ba chu kì tăng dỡ tải Khi

đó các giá trị Em và Gm của đá được cho bởi hiệp hội cơ học đá quốc tế(ISRM) năm 1987:

; MPa turn k

k

k k k

T S

T S

m C

m C S

k k

k k k



) / (

; )

/ ( 1

) / )(

2 1 (

1

2

2 2

turn MPa r

r

r r Lr

G k

o i

o i c i

C C

Số vòng bơm (n)

kT= D/C: độ cứng tổng thể của hệ thống cộng với khối lượng đất

đá;

Với GCvàClà các giá trị được hiệu chỉnh (Calibration)

Để kể đến sự tổn thất áp lực do độ cứng của màng ta xác định:

) (

;

)(

; turn

k

p n

n

n

S

i scat corr   

) 93 , 0 ( 86 ,

Ecalc   h d (1.11)Trong đó:

0,86: hệ số khi kể đến hiệu ứng 3 chiều;

0,93: hệ số khi kể đến hiệu quả thủy lực;

d: đường kính lổ khoan;

d: sự thay đổi đường kính lỗ khoan;

Qh: độ tăng của dòng áp lực thủy lực;

T*: hệ số phụ thuộc vào hệ số poisson của đá (m).(Xem bảng 1.3)

Bảng 1.3-Các giá trị của T* ứng vớim(Hueze, 1984)[9]

νm 0.1 0.2 0.25 0.3 0.33 0.4 0.5

T* 1.519 1.474 1.438 1.397 1.366 1.289 1.151

Đối với đá có modun biến dạng lớn hơn 7GPa sẽ có một đường conghiệu chỉnh cho Emnhư hình 1.12 Sự điều chỉnh này vì có sự chuyển vị lớn hơn

ở gần đỉnh của piston nén(Xem hình 1.11).

Hình 1.11-Thí nghiệm kích trong lỗ khoan, Heuze (1984)[9]

Hình 1.12-Đường cong Ecalcvà Em[9]

c) Thí nghiệm bàn nén

Trong một diện tròn với một tấm nén được gia tải cùng với thiết bị đobiến dạng của đá Cần có đối trọng có thể dùng neo hoặc sử dụng bản thân đá

(Xem hình 1.14) Khi đó Em tại độ sâu z sẽ được xác định như sau:

 2 2 ,0 5 2 2 ,0 5 2  2 2 ,0 5 2 2 ,0 5

2

) (

) (

) 1 ( )

( ) (

) 1

z : chuyển vị đo được tại độ sâu z tính từ mặt dưới của tấm nén;

p : áp suất tác dụng lên tấm;

m: hệ số poisson của đá;

R : bán kính ngoài của tấm;

r : bán kính của lỗ trung tâm tấm (đặt thiết bị đo);

C: hằng số, với tấm hoàn toàn cứng C = do tính biến dạng của tấmthường lớn hơn lý thuyết nên có thể lấy C = 2

Nếu tấm không có lỗ trung tâm thì Emxác định theo công thức sau:

)1(  2 2 2 0 , 5  2  2 2 0 , 5

E

z

m z

Kích

1

11

)1(2

)2(

c

y c

y c

y y

c p

m m

y : khoảng cách từ kích trung tâm đến mỗi cọc đo;

2y: khoảng cách do đầu ghim đo xê dịch;

m: hệ số poisson của đá

Hình 1.16-Sơ đồ kích đo dạng tấm phẳng[9]

1.4.2 Phương pháp gián tiếp