Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu và tính toán ứng dụng tải trọng siêu trường siêu trọng trong công trình thủy

Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu và áp dụng trong tính toán bến cầu tàu tiếp nhận tải trọng siêu trường siêu trọng với 2 mô hình nền thường được sử dụng hiện nay cho bài toán bế

Tầm quan trọng, ý nghĩa của vấn đề nghiên cứu

Trong xây dựng công trình thuỷ hiện nay, đặc biệt là trong ngành công nghiệp dầu khí, kết cấu có tải trọng siêu trường, siêu trọng hiện đang rất phổ biến trên thế giới Tại Việt Nam với ngành công nghiệp dầu khí giàu tiềm năng, chúng ta không chỉ tiếp nhận những tải trọng siêu trường siêu trọng mua của nước ngoài, mà bản thân chúng ta đã có thể tự thiết kế, thi công và hạ thủy hoàn chỉnh những khối tải trọng khổng lồ Bằng chứng là vào tháng 12/2015 vừa qua tại Cảng PV Shipyard và Cảng dầu khí VSP Vũng Tàu, Tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam (PVN) đã hạ thủy Giàn khoan nước sâu tự nâng (120m nước) Tam Đảo 05 nặng 18.000 tấn lớn nhất Việt Nam thành công Và sự kiện bàn giao giàn khoan này cho chủ đầu tư ngày 12/8/2016 đã chính thức đưa Việt Nam trở thành một trong số rất ít các nước trên thế giới có thể chế tạo được giàn khoan tự nâng đạt tiêu chuẩn quốc tế

Mặc dù vậy việc ứng dụng kết cấu siêu trường, siêu trọng trong xây dựng công trình thủy nói chung cũng như trong các ngành xây dựng công trình còn ít được quan tâm, phổ biến; nguyên nhân do còn một số hạn chế trong việc tính toán cũng như sự chưa hoàn chỉnh của các tiêu chuẩn thiết kế Đề tài của luận văn với tên là:

" Nghiên c ứ u và tính toán ứ ng d ụ ng t ả i tr ọ ng siêu tr ườ ng, siêu tr ọ ng trong công trình thu ỷ" hy vọng sẽ làm rõ thêm, bổ sung một vài yếu tố, góp một phần nhỏ vào việc hoàn thiện thêm lý thuyết, tính toán, thiết kế công trình bến cầu tàu có tác dụng bởi tải trọng siêu trường, siêu trọng trong xây dựng công trình thuỷ.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu, phân tích cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu bến cầu tàu đài cao, các mô hình hệ cọc-đất nền đối với bến bệ cọc cao Từ đó vận dụng lý thuyết tính toán ví dụ cho công trình bến chịu tải trọng siêu trường siêu trọng

- Ứng dụng phần mềm phân tích kết cấu (Sap 2000) để tính toán, so sánh kết cấu trong các phương pháp

- Đề xuất phương án, giải pháp bố trí hợp lý nền cọc trong kết cấu bến cầu tàu đài cao, nhằm phát huy tối đa hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật Đố i t ượ ng nghiên c ứ u Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phân tích, tính toán kết cấu bến cầu tàu khi chịu tác động của tải trọng siêu trường, siêu trọng

Nghiên cứu trong bài toán về tính toán kết cấu bến cầu tàu đài cao phù hợp với tải trọng siêu trường, siêu trọng.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Làm rõ và hoàn thiện thêm nội dung tính toán thiết kế kết cấu bến cầu tàu đài cao

- Nghiên cứu sự làm việc hợp lý của nền cọc trong kết cấu bến cầu tàu đài cao Ý ngh ĩ a th ự c ti ễ n

Giải quyết được bài toán về tính toán kết cấu bến cầu tàu đài cao, trong đó có giải pháp bố trí hợp lý nền cọc, đảm bảo yêu cầu kinh tế kỹ thuật trong việc thiết kế xây dựng công trình thuỷ, nhất là đối với các công trình xây dựng bến cầu tàu tiếp nhận tải trọng siêu trường, siêu trọng.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là phân tích lý thuyết và sử dụng mô hình toán:

- Nghiên cứu lý thuyết: Tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước; Tài liệu kỹ thuật chuyên ngành; Đề tài NCKH; Các dự án đầu tư xây dựng đã và đang triển khai thi công

- Nghiên cứu trên mô hình toán: Sử dụng phần mềm phân tích phân tích kết cấu (Sap 2000) hiện đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới.

Nội dung và bố cục luận văn

Tổng quan các giải pháp kết cấu bến cảng

Công trình thuỷ là công trình th tác động thường xuyên c đối với đất, chịu tác độ động qua phương tiện khai thác tr

Trong xây dựng công tr hình công trình quan tr

Công trình bến cảng có th làm bến; vị trí của công tr cấu

Trong phạm vi đồ án n cấu Cụ thể theo cách phân lo trọng lực, bến tường cừ giếng chìm, giếng chìm h là đối tượng chính của đồ

TỔNG QUAN VỀ TẢI TRỌNG SIÊU TR CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU BẾN CẢNG TRONG XÂY

DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY ng quan các giải pháp kết cấu bến cảng ề công trình th ủ y à công trình thường được xây dựng ở ao hồ ên của mực nước thay đổi, tác động của thuỷ u tác động trực tiếp của sóng và dòng chảy lên công trình ho ện khai thác trên công trình đó n c ả ng trong xây d ự ng công trình th ủ y ng công trình thủy, công trình bến cảng là m hình công trình quan trọng, phức tạp; chịu ảnh hưởng nhiều bởi đ n cảng có thể phân loại theo nhiều loại khác nhau nh a công trình đối với bờ; theo mặt cắt ngang hay theo đồ án này, tác giả đang đi sâu vào nghiên cứ theo cách phân loại này thì bến cảng được chia làm 4 nhóm chính: B ờng cừ, bến móng cọc và các công trình trên móng ìm hơi ép; trong đó bến móng cọc hay bến c ủa đồ án này

Hình 1: Phân lo ạ đặ c tr ư ng k a B ế n tr ọ ng l ự c; b B ế c ầ u tàu trên n ề n c ọ c; d B gi ế ng chìm ÊU TRƯỜNG SIÊU ẢNG TRONG XÂY ao hồ, sông và biển: chịu ủa thuỷ triều, sức đẩy nổi ên công trình hoặc tác à một trong những loại ởi điều kiện tự nhiên i khác nhau như: Vật liệu t ngang hay theo đặc trưng kết ứu theo đặc trưng kết àm 4 nhóm chính: Bến à các công trình trên móng đặc biệt như ến cầu tàu trên nền cọc ạ i công trình b ế n theo ư ng k ế t c ấ u ế n t ườ ng c ừ ; c B ế n c; d B ế n đặ c bi ệ t b ằ ng

Khái niệm tải trọng siêu trường siêu trọng

Theo Điều 4 của Quyết định số 63/2007/QĐ - BGTVT ngày 28/12/2007 của Bộ Giao thông vận tải Việt Nam quy định “Vận chuyển hàng siêu trường, siêu trọng trên đường bộ” thì hàng siêu trường, siêu trọng được định nghĩa như sau:

1 Hàng siêu trường: Là hàng không thể tháo rời (chia nhỏ), khi xếp lên phương tiện vận chuyển có một trong các kích thước bao ngoài (của tổ hợp phương tiện và hàng xếp trên phương tiện) đo được như sau: a) Chiều dài lớn hơn 20 mét; b) Chiều rộng lớn hơn 2,5 mét; c) Chiều cao tính từ mặt đường bộ trở lên lớn hơn 4,2 mét (trừ container)

2 Hàng siêu trọng: Là hàng không thể tháo rời (chia nhỏ), có trọng lượng trên 32 tấn

Như vậy có thể khái niệm tải trọng siêu trường, siêu trọng là tải trọng do hàng siêu trường, siêu trọng tác dụng lên công trình

Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho hàng siêu trường, siêu trọng trong công trình thủy:

Hình 2: Giàn khoan t ự nâng 90m n ướ c trong quá trình chu ẩ n b ị h ạ th ủ y t ạ i c ả ng PV Shipyard

Hình 3: Hai c ầ n c ẩ u Liebherr đ ang đượ c “n ố i c ẩ u” để b ố c d ỡ hàng siêu tr ườ ng, siêu tr ọ ng t ạ i C ả ng Tiên Sa - Đ à N ẵ ng

Hình 4: B ố c d ỡ ki ệ n hàng siêu tr ườ ng, siêu tr ọ ng là bao h ơ i n ặ ng 316 t ấ n, dài li ề n kh ố i h ơ n 32 mét đượ c b ố c d ỡ t ừ tàu bi ể n t ạ i c ả ng V ũ ng Áng - Hà T ĩ nh đế n l ắ p ráp cho công trình Nhà máy Nhi ệ t đ i ệ n V ũ ng Áng 1.

Đặc trưng của bến cầu tàu

1.3.1 Đị nh ngh ĩ a Cầu tàu là kết cấu bến đài cao trên nền cọc (cừ) với hai bộ phận chính:

- Đài là phần kết cấu bên trên: hệ dầm bản, hệ thanh giằng, khối bê tông đổ tại chỗ, hoặc các khối trọng lực khác trực tiếp tiếp nhận phần lớn các tải trọng ngoài (các lực do tàu, hàng hóa, thiết bị, một phần áp lực đất, áp lực sóng và các tải trọng khác,…)

- Nền cọc bao gồm tất cả cọc hoặc cừ đứng hoặc xiên được đóng sâu vào trong đất tạo thành một hệ thống móng sâu để truyền lực từ trên đài xuống nền đất

- Theo vật liệu chế tạo cọc: cầu tàu cọc gỗ (hoặc tre), cầu tàu cọc thép, cầu tàu cọc bê tông cốt thép (BTCT) (cọc lăng trụ, vuông, trụ ống, …)

- Theo tương quan độ cứng đơn vị dài giữa đài và cọc: cầu tàu đài không cứng, cầu tàu đài cứng, cầu tàu đài mềm

- Theo sự tương quan với mép bờ có: bến cầu rỗng; bến cầu tường chắn (cừ trước, cừ sau); bến cầu rỗng – tường chắn; bến cầu nhô; bến cầu nhô – tường chắn; bến cầu chữ U, chữ L, chữ T; trụ độc lập, …

Những ưu nhược điểm của bến cầu tàu

+ Kết cấu nhẹ, tốn ít vật liệu xây dựng so với các loại kết cấu bến trọng lực thậm chí ít hơn cả so với kết cấu bến tường cừ và bến mái nghiêng Kết cấu bến cầu tàu nói chung, đăc biệt loại kết cấu cầu tàu đài mềm chủ yếu bao gồm các thanh dài mảnh, các tấm mỏng Nếu các cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực thì trọng lượng bản thân còn giảm hơn Ở một số nước công nghiệp tiên tiến, toàn bộ các cấu kiện cầu tàu đều là cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực hoặc được kết hợp cấu kiện bê tông cốt thép xen lẫn với cấu kiện thép có cường độ cao [1];

+ Có nhiều cấu kiện có thể đúc sẵn ở nhà máy: cọc, cừ, dầm, bản, bản tựa tàu,… Vì vậy các kích thước chính của từng cấu kiện có mức độ chính xác cao và trọng lượng bản thân nằm trong khuôn khổ quy định được tiêu chuẩn hóa, được định hình cụ thể

+ Cầu tàu đài cao là kết cấu bến dễ thi công: mọi công đoạn chính được thưc hiện trên các phương tiện nổi: tàu đóng cọc, ponton chở các thiết bị vật liệu; nhất là đối với kết cấu cầu tàu có nhiều cấu kiện đúc sẵn Do đó không phải xây lắp đê quai, ít phải sử dụng thợ lặn Điều này kéo theo giảm thời gian thi công, tận dụng được các tháng thời tiết yên lặng của biển, tránh được các giai đoạn gió bão to Từ đó góp phần giảm giá thành công trình, nhất là đối với các bến cảng nằm xa đất liền, ở các đảo xa ngoài biển hở [1]

+ Dễ xử lý trong quá trình thi công khi các số liệu khảo sát địa chất của các lỗ khoan chưa đủ hoặc thiếu chính xác bởi thế ổn định của cầu tàu đài cao được tạo bởi ma sát giữa cọc và đất, bởi sức chống (áp lực bị động) của đất Khi đó có thể tăng chiều sâu đóng cọc, thay đổi loại cọc để đảm bảo tối ưu về sức chịu tải của cọc, cũng như giá trị kinh tế cho công trình

+ Đảm bảo an toàn trong quá trình khai thác, nhất là khi bến cầu tàu chịu tác dụng của sóng, dòng chảy; bởi nền cọc góp phần làm suy giảm áp lực ngang, thậm chí cả áp lực đẩy nổi của sóng Sóng đi qua các cọc luôn tạo thành dòng chảy bao làm cho sóng phản xạ rất ít, chỉ lướt qua hoặc tràn qua các cấu kiện và bị chiết giảm nhiều [1]

+ Chỉ thi công được ở những nơi nền đất cho phép đóng cọc như cát, sét, á sét, á cát, bùn sét, bùn cát, …

Kết luận

Hiện nay bến cầu tàu được dùng phổ biển trong các công trình cảng, không chỉ ở Việt Nam mà còn ở nhiều nước trên thế giới bởi nhiều ưu điểm so với các loại bến khác như đã nêu ở trên Đặc biệt khi bến tiếp nhận tải trọng siêu trường siêu trọng ở những khu vực có địa chất yếu, lớp đất yếu có chiều dày khá lớn trên bề mặt Khi đó nền cọc được neo vào những lớp đất tốt sâu phía dưới, tạo nên thế ổn định vững chắc cho công trình

Hình 6: Mô hình b ế n c ầ u tàu khi h ạ th ủ y giàn khoan t ự nâng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU BẾN CẦU

Các sơ đồ và phương pháp giải cầu tàu

Xét về mặt kết cấu, bến cầu tàu có hai loại cấu kiện: các thanh đứng (cọc, cừ), các thanh ngang (đài) nên nó sẽ là một khung phẳng hoặc một khung không gian là siêu tĩnh hay tĩnh định làm nhiệm vụ tiếp nhận các tải trọng ngoài truyền vào nền đất

Giải bài toán kết cấu bến cầu tàu là tìm biến dạng, chuyển vị và nội lực ở mọi mặt cắt của hai loại cấu kiện trên Đây là sự kết hợp đồng thời hai bài toán: cơ học đất và cơ học kết cấu, do đó lịch sử ra đời kết cấu bến cầu tàu đã kéo theo sự xuất hiện các phương pháp tính kết cấu khác nhau [2]:

- Theo quan niệm nối cọc trong đất có các hướng giải:

+ Hướng coi dầm trên các gối tựa đàn hồi (cọc);

+ Hướng coi kết cấu là một khung phẳng hoặc khung không gian;

+ Hướng coi kết cấu gồm hữu hạn các phần tử chia nhỏ

- Theo quan niệm nối cọc với đài có các hướng giải:

+ Hướng coi cọc liên kết ngàm với đài;

+ Hướng coi cọc liên kết khớp với đài

Tất cả các quan niệm trên được mô tả bởi sơ đồ tính của cầu tàu như sau:

- Hình a: Cọc khớp cả hai đầu;

- Hình b: Cọc chỉ khớp trong đất;

- Hình c: Cọc ngàm trong đất;

- Hình d: Cọc ngàm đàn hồi;

- Hình e: Cọc nối với đất bằng nhiều các thanh liên kết khớp hai đầu

Hình a Hình b Hình c Hình d Hình e

Hình 7: Các s ơ đồ tính b ế n c ầ u tàu

- Các sơ đồ từ Hình a đến Hình d có một lỗ hổng chung là: không xác định được các thành phần chuyển vị và nội lực trên đoạn cọc từ điểm khớp, điểm ngàm chặt hay điểm ngàm đàn hồi tới chân

- Các sơ đồ từ Hình b đến Hình e coi liên kết giữa nền cọc với đài là liên kết ngàm, nhưng thực tế vẫn có chuyển vị xoay tại vị trí khớp nối này

Từ những nhận xét trên, tác giả có ý tưởng kết hợp 2 sơ đồ Hình a và Hình e để có thể giải quyết đươc 2 vấn đề trên.

Các mô hình nền của kết cấu bến cầu tàu

Với sự phổ biến trong thực tế của công trình bến cầu tàu, việc đánh giá tác động của tải trọng, nhất là tải trọng siêu trường, siêu trọng đối với dạng kết cấu này là rất quan trọng Trong đó, phản ứng của bến bệ cọc cao chịu ảnh hưởng rất lớn do sự phức tạp của tương tác của hệ cọc-nền đất trong quá trình rung động của nền đất khi chịu tác động của tải trọng lớn Chính vì vậy, việc mô hình hóa sự làm làm việc của hệ coc-đất nền khi chịu tác động tải trọng siêu trường siêu trọng là rất cần thiết nhằm đảm bảo sự chính xác trong phân tích tác động của tải trọng lên công trình bến cầu tàu

Hiện nay sự làm việc của cọc trong đất là vấn đề phức tạp, nhất là trong điều kiện chịu tải trọng siêu trường, siêu trọng có thể gây ra biến dạng lớn cho công trình Có hai dạng mô hình chính thường được sử dụng trong thiết kế: mô hình tương tác cọc - đất nền (Hình 8.a) và mô hình sử dụng chiều sâu quy đổi (Hình 8.b)

Hình 8: Các lo ạ i mô hình hóa t ươ ng tác móng c ọ c trong đấ t [ 4 ] a Mô hình t ươ ng tác c ọ c - đấ t n ề n b Mô hình s ử d ụ ng chi ề u sâu quy đổ i Ứng xử của đài móng khi chịu tải trọng phụ thuộc vào độ cứng của cọc và đất, sự huy động sức kháng của đất xung quanh, các điều kiện biên (vị trí ngàm quy ước của móng sâu), khoảng thời gian tác dụng và sự thường xuyên của tải trọng

Cọc chịu tải trọng ngang thường gặp trong móng cọc đài cao, so với móng cọc có đài chôn (một phần hoặc toàn bộ) trong nền, nếu tải trọng ngang quá lớn thì đất từ đáy đài lên mặt đất cũng không tiếp nhận hết tải trọng ngang Như vậy, cọc trong móng không những chịu tác dụng dọc trục mà còn có thể chịu tác dụng cả những lực ngang hoặc mômen uốn đầu cọc Để tăng khả năng chịu tải trọng ngang cho kết cấu ta có thể thiết kế cọc xiên

Tải trọng ngang và mômen tác dụng lên cọc sẽ được cọc tiếp nhận và truyền sang đất nền xung quanh cọc Với cọc thẳng đứng, cọc tiếp nhận bằng độ cứng chống uốn (EJ) của tiết diện cọc, còn đất tiếp nhận tải trọng bằng ứng suất pháp ở mặt chính diện (áp lực chủ động và bị động) và ứng suất tiếp ở hai mặt bên như hình 9

Hình 9: So sánh các mô đ un đượ c đơ n gi ả n hóa và phân b ố ứ ng su ấ t xung quanh c ọ c

Các thí nghiệm thực tế đã chỉ ra rằng, ở gần mặt đất, cọc chịu tải trọng ngang làm biến dạng đất có dạng khác với dạng xảy ra trong trường hợp cọc chịu áp lực chủ động và bị động ở hai mặt chính diện Ảnh hưởng này thể hiện là sức kháng đơn vị lớn nhất của đất chống lại chuyển vị của cọc chịu tải trọng ngang lớn hơn sức kháng đơn vị bị động lớn nhất tính toán đối với trường hợp bài toán phẳng

Theo Davision (1960), từ mặt đất tới độ sâu khoảng 3B (B-cạnh hoặc đường kính cọc), dạng biến dạng chuyển từ dạng giống như khi chịu áp lực bị động thành dạng có khả năng chịu tải của đài ngập trong đất [5]

Các thí nghiệm của Reese và các cộng sự (1974) cũng đã cho thấy rằng, vùng có sức kháng dẻo của đất xảy ra tại gần mặt đất khi cọc chịu tải trọng ngang, còn tại độ sâu nào đó lớn hơn thì ứng xử của đất có sự thay đổi, chuyển từ ứng xử dẻo sang ứng xử đàn hồi, các ứng xử này phù hợp với các mặt phá hoại được giả thiết như hình 9 Do đó, chỉ có những cọc cứng hoặc cọc rất ngắn mới đủ sức để tạo ra trạng thái dẻo hoàn toàn trong đất khi chúng chịu tải trọng ngang, còn đối với các cọc bình thường thì phải xem xét tổ hợp của sức kháng đàn hồi và sức kháng dẻo

Người ta cũng thấy rằng chuyển vị của cọc có đầu cố định được ngàm cứng vào đài chỉ bằng (1/3-1/2) của cọc cứng có đầu tự do khi chúng chịu tải trọng ngang

CọC p áP LựC PHÂN Bố ĐềU T¦¥NG §¦¥NG p

Phân bố của ứng lực tiếp tuyến biên

Phân bố của ứng lực tiếp tuyến biên

Phân bố của áp lực phÝa tr−íc

Hình 10: (a), Ki ể u phá ho ạ i nêm đấ t c ủ a m ặ t đấ t, (b) M ặ t phá ho ạ i chính sinh ra b ở i c ọ c ở độ sâu vài mét d ướ i m ặ t đấ t

Hình 10(a), chỉ ra rằng nêm đất bị dịch chuyển lên trên và ra xa khỏi cọc Bề mặt đất kí hiệu là ABCD, đất tiếp xúc với cọc là mặt CDEF Nếu cọc bị dịch chuyển theo hướng được chỉ ra, phá hoại cắt của đất xảy ra trên mặt ADE, BCF, và AEFB

Lực ngang Fp chống lại cọc có thể được tính bằng cách lấy tổng các thành phần ngang của lực trên mặt của các lát cắt, có kể đến trọng lượng của nêm đất Với trị số H (độ sâu điểm nào đó dưới mặt đất) cho trước, giả thiết rằng trị phản lực ngang lên cọc là Fpl Nếu bước tính toán thứ 2 được thực hiện tương ứng với chiều sâu của nêm tăng một đoạn ∆H, phản lực ngang lên cọc sẽ là Fp2 Giá trị pu tại độ sâu z=(2H+∆H)/2 có thể được tính : pu(z)=(Fp1+Fp2)/∆H Tại mặt đất, giá trị pu cho đất cát phải bằng 0 vì trọng lượng nêm đất bằng 0 và lực trên bề mặt lát cắt sẽ bằng 0

Tại mặt đất cho đất sét, thì ngược lại, giá trị của pu sẽ lớn hơn 0 vì lực dính của đất, lực dính này không phụ thuộc vào trọng lượng nêm đất, sinh ra lực ngang Ở độ sâu vài mét dưới mặt đất, hình chiếu bằng của cọc được chỉ ra trên hình 10(b) Mặt phá hoại chính được thể hiện biểu thị phá hoại biến dạng phẳng, trong khi sức kháng giới hạn pu không thể xác định được chính xác, các khái niệm ban đầu có thể được sử dụng để phát triển các phương trình gần đúng

Xét một cọc đơn chịu tải trọng ngang Q0 và mômen M0, tại cao trình mặt đất như hình 11, nếu ta thay nó bằng một lực ngang Q tác dụng tại cao trình trên mặt đất b a c d e f của cọc f p z h−ớng dịch chuyển của cọc h−ớng dịch chuyển một đoạn là e, thì ta được sơ đồ tính toán đơn giản cọc chỉ chịu tác dụng của tải trọng ngang hình 11

Hình 11: Mô hình phân tích c ọ c ch ị u t ả i tr ọ ng ngang

Nhiệm vụ của người thiết kế phải chọn móng cọc sao cho chuyển vị ngang của công trình không được vượt quá trị số giới hạn cho phép, áp lực truyền lên đất tại mặt bên của cọc không được vượt quá sức kháng giới hạn của đất nền, đồng thời phải đảm bảo về cường độ của bản thân vật liệu làm cọc Đây là bài toán phức tạp nhưng có ý nghĩa thực tế rất lớn Nên hiện nay có rất nhiều phương pháp dựa vào các mô hình đất khác nhau để giải quyết bài toán này, nhưng có thể phân thành 03 loại chủ yếu sau:

- Loại thứ nhất xem đất xung quanh cọc làm việc như đất ở mặt bên của tường chắn và đạt tới trạng thái giới hạn bị động hoặc chủ động theo mô hình nền của Coulumb

Lựa chọn mô hình tính toán nền cọc

Các mô hình tính toán cọc như đã nêu trên đều có ưu, nhược điểm cũng như phạm vi áp dụng riêng, vì vậy việc lựa chọn mô hình tính toán hợp lý là rất cần thiết Mô hình hóa sự làm việc của cọc một cách hợp lý vừa giúp tính toán một cách chính xác đồng thời giảm khối lượng tính toán trong thiết kế

Trong đó các phương pháp trên, phương pháp mô hình nền phi tuyến mô tả chính xác sự làm việc tương tác cọc - đất nền, biểu thị được quan hệ phi tuyến của phản lực của đất nền và chuyển vị của cọc, nhất là trong điều kiện bến chịu tải trọng siêu trường, siêu trọng Tuy nhiên phương pháp này tính toán tương đối phức tạp, đòi hỏi nhiều kết quả từ thí nghiệm tính chất cơ lý của đất

Quan hệ tương tác giữa cọc với đất nền tại một điểm bất kỳ trên thân cọc được thay thế bằng các gối lò xo phi tuyến, lần lượt là theo 02 phương ngang bằng quan hệ p-y, theo phương đứng bằng quan hệ f-w

Quan hệ tương tác giữa mũi cọc với đất nền được thay thế bằng gối lò xo phi tuyến qua quan hệ q-w

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỢP LÝ HÓA NỀN CỌC KHI

BẾN CẦU TÀU TIẾP NHẬN TẢI TRỌNG NGANG LỚN

Sự truyền lực từ đài sang nền cọc

Xét trường hợp riêng biệt khi nghiên cứu sự truyền lực ngang từ đài sang cọc, ta lần lượt xem xét 02 dạng bài toán như sau:

- Bài toán phẳng - Bài toán không gian

Hình 21: (a) S ơ đồ tính móng c ọ c đ ài cao ch ị u t ả i tr ọ ng ngang (b, c) Ảnh hưởng dịch chuyển ngang của đài bằng một đơn vị Khi chịu lực ngang đài nói chung sẽ bị dịch chuyển trong mặt phẳng đang xét, lúc nào cũng có thể phân thành 03 thành phần chuyển vị độc lập: chuyển vị ngang, chuyển vị đứng, chuyển vị xoay trong mặt phẳng đang xét Ta lần lượt nghiên cứu ảnh hưởng của từng chuyển vị này của đài đến các thành phần nội lực trong cọc

Giả thiết kết cấu chịu lực ngang H, lực đứng P (quy về trọng tâm của đài) Di chuyển các lực ngang và đứng tác dụng lên kết cấu về gốc O (với gốc O là trọng tâm mặt phẳng đáy đài), ngoài ra ta có thêm thành phần mômen M do các lực này sinh ra khi di chuyển chúng đến điểm O Thiết lập hệ phương trình chính tắc:

*/ Dịch chuyển ngang đài một đơn vị như hình 21 (b), (c): Khi dịch chuyển đài với chuyển vị ngang a=1 thì chuyển vị của dọc trục cọc i là ∆1i=a.sinϕi chuyển vị ngang của cọc i theo phương vuông góc trục cọc là ∆2i=a.cosϕi

Vậy với i nhóm cọc trong đài, ta có: raa = ( sin cos )

Với Ki là số cọc trong nhóm cọc thứ i, n là số nhóm cọc

Thay Ni = ρ1i.sinϕi, Qi= ρ2i.cosϕi và Mi=-ρ3i.cosϕi vào trên ta được raa= ( 1 sin 2 2 cos 2 )

= rca= n i i i i i i i i i i i i K i (ρ 1 sinϕ cosϕ ρ 2 sinϕ cosϕ ) K (ρ 1 ρ 2 ).sinϕ.cosϕ

= ρ1i, ρ2i, ρ3i là các độ cứng chống chuyển vị đầu cọc được xác định theo [15]

*/ Dịch chuyển đứng đài một đơn vị như hình 22 (a), (b) : Khi dịch chuyển đài với chuyển vị đứng c=1 thì chuyển vị dọc trục cọc i là ∆1i=C.cosϕi, chuyển vị ngang của cọc i là: ∆2i=C.sinϕi

Hình 22:Ả nh h ưở ng c ủ a d ị ch chuy ể n th ẳ ng đứ ng c ủ a đ ài b ằ ng m ộ t đơ n v ị

Với i nhóm cọc trong đài, ta có rac = n [ i i i i i i ] i K i N −Q x +M

Thay Ni, Qi, Mi vào trên ta được rcc= ( 1 cos 2 2 sin 2 )

*/ Khi đài xoay một đơn vị β=1 thì chuyển vị dọc trục của cọc i là ∆1i=β.xi.cosϕi chuyển vị ngang của cọc i là ∆2i=β.xi.sinϕi

Hình 23: Ả nh h ưở ng c ủ a mômen v ớ i góc xoay b ằ ng m ộ t đơ n v ị

Ni= ρ1i.∆1i=ρ1i.xi.cosϕi Qi= −ρ2i.∆2i – ρ3i= -ρ2i.xi.sinϕi – ρ3i

Với i nhóm cọc trong đài ta có: raβ= ( sin cos )

Thay Ni, Qi, Mi vào trên ta được: raβ = n [ i i i i i ] i i K i (ρ 1 ρ 2 ).x sinϕ ρ 3 cosϕ

3.1.1.1 Phương pháp cơ học kết cấu

Các giả thiết cơ bản:

+ Đài tuyệt đối cứng + Cọc làm việc trong giai đoạn đàn hồi Viết hệ ba phương trình chính tắc tổng quát cho bất kỳ kết cấu đài cứng với hệ trục tọa độ được gắn vào đáy đài ở gốc tọa độ O bằng ba thanh liên kết giả (một chống chuyển vị ngang, một chống chuyển vị thẳng đứng và một chống chuyển vị xoay) raa.a + raa.c + raβ.β = H rca.a + rca.c + rcβ.β = P (3- 1) rβa.a + rβa.c + rββ.β = M Trong đó các số hạng raa, rac, raβ, rβa, rβc, rββ được xác định như mục 3.1.1: raa= ( 1 sin 2 2 cos 2 )

= rca=rac= ∑ K i (ρ 1 i −ρ 2 i ).sinϕ i cosϕ i rβa=raβ= n [ i i i i i ] i i K i (ρ 1 ρ 2 ).x sinϕ ρ 3 cosϕ

= với ki là số cọc của nhóm cọc thứ i ρ1i, ρ2i, ρ3i, ρ4i – các độ cứng chống chuyển vị đầu cọc ϕi : góc hợp bởi trục z và trục cọc thứ i (cọc nằm bên trái thì ϕi âm và ngược lại) xi : tọa độ x của nhóm cọc thứ i

H: lực tác dụng theo phương x tại tâm O của đài

P : lực tác dụng theo phương đứng tại tâm O của đài

M: mômen tác dụng tại tâm O của đài

Giải hệ phương trình (3-1) ở trên ta xác định các chuyển vị tại tâm O của đài bao gồm : chuyển vị ngang (a), chuyển vị đứng (c) và chuyển vị xoay (β)

Sau khi đã có chuyển vị tại tâm O ta có thể tính toán được chuyển vị tại các đầu cọc (theo hệ địa phương) và tính được nội lực của cọc như sau:

Lực dọc Ni = ρ1i.[a.sinϕi + (c+xi.β).cosϕi] Lực cắt Qi = ρ2i.[a.cosϕi - (c+xi.β).sinϕi] – ρ3i.β Mômen Mi = -ρ3i.[a.cosϕi - (c+xi.β).sinϕi] + ρ4i.β Quy ước ϕ>0,