Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của đài cọc đến nội lực trong cọc

Lý do chọn đề tàiĐài cọc bệ cọc là một bộ phận quan trọng của mồ - trụ cầu, chúng giữchức năng truyền tải trọng từ các kết cầu bên trên xuống nhóm cọc bên dưới [1].Độ cứng của đài cọc ản

MỞ DAU

TONG QUAN VE VAN ĐÈ NGHIÊN CỨU

Hình 1.1 Mô hình cột, đài cọc và cọc

Nhiệm vụ chủ yếu của móng cọc là truyén tải trọng từ công trình xuống lớp đất ở dưới và các lớp đất xung quanh nó Móng cọc gồm hai bộ phận chính là cọc và đài cọc ( ) Cọc là những thanh riêng rẽ dùng để truyền lực Đài cọc là kết cau dùng dé liên kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng của công trình lên các cọc.

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Có nhiều phương pháp để thiết kế nhóm cọc Các phương pháp này có thể phân loại một cách tổng thể theo 3 dạng khác nhau:

(1) Phương pháp cọc đơn tương đương (Bogard and Matlock, 1983; Brown et al., 1988; Ooi et al., 2004);

(2) Phương pháp dan hdi (Poulos, 1971; Banerjee and Driscoll, 1976:

(3) Phương pháp truyén tai trọng ba chiều tổng thé (Reese et al., 1970;

Chow 1987; Hoit et al., 1996; Kitiyodom and Matsumoto, 2002).

Phương pháp đầu tiên dựa trên phân tích cọc đơn kết hợp với hệ số nhóm cọc hoặc hệ số nhóm khuếch đại thể hiện tương tac cọc — đất nền — cọc và tương tác đài cọc — cọc Đây là phương pháp đơn giản, chỉ sử dụng bản tính để tính toán các thông số thiết kế Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là chỉ có thể áp

HV: Trân Như Trọng MSHV: 12383022 dụng trong trường hợp các cọc cách đều nhau va không xác định được tải trong phân bố dọc theo chiều sâu cọc.

Phương pháp thứ hai là phương pháp mô hình đất nền xung quanh cọc là môi trường liên tục đàn hồi tuyến tính ba chiêu.

Phương pháp thứ ba mô hình tất cả cọc trong nhóm cọc sử dụng phân tử dầm — cột kèm theo các lò xo đất nên phi tuyến và đài cọc Phương pháp này phổ biến vì có thé mô hình các cọc sắp xếp ngẫu nhiên tương đối đơn giản, và các thông số thiết kế dễ dàng đạt được.

Bên cạnh đó, các nghiên cứu chuyên sâu về tương tác đài cọc — cọc — đất nền cũng được thực hiện Desai, Alameddine, Kuppusamy [3| đã dùng phương pháp phan tử hữu hạn dé phân tích kết cau bao gồm phan tử dam-cét (cột), tam (đài cọc) và các lò xo phi tuyến (đất nên) Cho phép tính toán ứng suất, moment, chuyển vị trong toàn bộ kết cau.

Sale et al (2010) công bố răng tổng độ cứng của móng cọc liên quan trực tiếp đến độ cứng của các cọc, và độ lún của móng là hệ quả trực tiếp của các độ cứng đơn lẻ của tat cả các phan tử trong đó và tương tác đài — coc — đất nên Với sự kết hợp của các đặc trưng hình học, đường kính và chiều dài các cọc, số lượng và ty lệ khoảng cách cọc, có thể tìm được độ cứng tương đối của nhóm cọc Long (2010) viện dẫn một nghiên cứu dựa trên thí nghiệm với mồ hình thực tế quy mồ lớn và nhận thấy rang cọc chịu tải trọng càng lớn thì độ lún càng nhỏ Theo Lin và Feng (2006), phần lớn các cọc biên chịu lực dọc lớn hơn (1.25 Paye) so với các cọc ở trong (0.SP;y¿) với các cọc phân bó như nhau Một vài nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của chiều dài cọc Leung et la (2010) tìm ra rằng lún lệch có thể được giảm băng cách sử dụng các cọc dài hơn ở phần trung tâm và ngăn hơn ở phan chu vi của đài và lợi ích toi ưu được tăng lên cùng với ty lệ E,/E, ( độ cứng cọc/ độ cứng đất nên) và giảm khoảng cách cọc Lee et al (2010) kết luận rằng, Ở cấp tải trọng nhỏ, tải trọng lên các cọc ở giữa thường nhỏ hơn so với cọc biên, ngược lại ở cấp tải trọng lớn hơn, tải trọng lên cọc ở giữa thì tải trọng lên các cọc ở giữa lớn hơn không đáng kế so với cọc biên Lee et la (2010) cũng tim thay răng kha năng chịu tải mỗi cọc hau như giông nhau nêu chiêu dai và đặc trưng

HV: Trân Như Trọng MSHV: 12383022

—19— giống nhau, không quan tâm đến loại tải trọng, ngoài ra, một kết quả nữa là tỷ lệ tải trọng chịu bởi đài khi bị phá hoại thì không phụ thuộc nhiều vào đặc trưng cọc Dé xem xét ảnh hưởng nhóm của các cọc [4| Ứng xử của móng cọc cũng phụ thuộc vào loại đất phía dưới đài cọc Oh et al (2009) thực hiện một nghiên cứu mô hình với phân tích số học băng hai trường hợp, trong đất cát vào trong đất sét Kết quả là: đối với đất cát, độ lún lớn nhất phụ thuộc vào khoảng cách cọc và sỐ lượng cọc, chiều day đài cọc không có ảnh hưởng đáng kể, còn đối với đất sét, chiều dày đài có ảnh hưởng rõ rang đến lún lệch [4]

Lin và Feng (2006) công bố rằng chiều dày của đài cọc thể hiện ảnh hưởng nhỏ đến độ lún tong thé trong đài cọc kích thước nhỏ hon 15x15m va đến lún lệch; đài cọc mỏng thay rõ điều đó hơn so với dai dày Hơn nữa, Cunha et la.

(2011) đã nghiên cứu thiết kế thay thế móng cọc trong lịch sử Kết quả chính trong nghiên cứu của họ có thé tong hợp như sau: khi tăng chiều dày dai coc, chuyển vị lớn nhất ( cả tong thé và lún lệch) giảm, tải trọng lớn nhất lên cọc giảm xuống, đài cọc chịu tải trọng lớn hơn Theo Lin và Feng (2006) moment uốn của đài cọc dày thì lớn hơn trong đài cọc mỏng và kích thước đài cọc lớn hơn thì moment uốn cũng lớn hơn Cunha et al (2001) cũng tìm thay rang giảm số lượng cọc thì chuyển vị và áp lực tiếp xúc tang lên [4]

Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã đi những bước dài trong nghiên cứu móng cọc, đặc biệt là ngày càng hiéu rõ hơn vê tương tác dai cọc — cọc — dat nên.

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nguyễn Duy Cường đã đưa ra kết luận về ứng xử của nhóm cọc chịu tải trọng ngang và momen khác với ứng xử của cọc đơn vì có sự chồng chập vùng ảnh hưởng của các cọc bên cạnh với nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy khi cọc làm việc theo nhóm và khoảng cách giữa các cọc song song với phương của tải trọng ngang nhỏ hơn 8B (B là đường kính hoặc cạnh cọc) thì chuyển vi ngang va nội lực than coc tăng lên so với khi cọc làm việc riêng lẻ, khi đó kha năng chịu

HV: Trân Như Trọng MSHV: 12383022 tải trọng ngang cực hạn của nhóm cọc nhỏ hơn tổng khả năng chịu tải trọng ngang cực hạn của các cọc đơn [5].

Phạm Văn Thoan đã trình bày cơ sở lý thuyết mối quan hệ tương tác giữa cọc và nên, các phương pháp phân tích tĩnh hiệu ứng nhóm trong móng cọc. Đồng thời, đã khảo sát ảnh hưởng của hệ số hiệu ứng nhóm đối với các đại lượng như khoảng cách giữa các cọc, đường kính cọc, SỐ lượng cọc trong móng cho nên đất sét và cát trên cơ sở phương pháp thực nghiệm [6]

Các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào phân tích các yếu tố có ảnh hưởng đến cơ chế đải — cọc — đất nên, dựa vào các phương pháp đã được phát triển trước đó.

Các công trình nghiên cứu trên đã có nhiều đóng góp giúp hiểu rõ hơn bản chất nội lực trong móng cọc, tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đài cọc thì còn nhiều hạn chế Chua nghiên cứu lựa chọn chiều dày đài cọc dựa trên phân tích nội lực của các cọc trong nhóm cọc Bên cạnh đó, các nghiên cứu trên chưa xem xét ảnh hưởng độ cứng thân trụ đến độ cứng của đải cọc Vì đài cọc và thân trụ là các bộ phận liên kết trực tiếp với nhau trong tong thé kết cầu trụ.

CƠ SỞ LÝ THUYET

Móng cọc là kết cau tổ hợp của 3 thành phân: cọc, dai và đất nền Tải trọng tác dụng được truyền tới đất nền thông qua đài và cọc Cơ chế truyền tai trọng này có thể được trình bày đơn giản như Hình 2.1 Sự chia sẻ tải trọng giữa cọc đài và cọc là đặc trưng chính dé phân biệt các dạng móng coc trong thiết kế [4]

IIIRTIIIIIITRETHIIIIII

P, Kky+(1—20,)k, 2-9

Tai trọng chịu bởi dai cọc là P, va tong tải trong là P¡ Op là hệ SỐ tương tác đài — cọc và được gan đúng boi Randolph (1983) cho các cọc đơn, có thé sử dụng cho các nhóm cọc lớn với một bán kính tương đối re,

Trong do r, : ban kinh trung binh cua dai coc đẹp =1- rọ : bán kính cọc

Eg: modun đàn hồi của đất ở mũi cọc E.s: modun đàn hỗi của dat ở tầng chịu lực phía dưới mũi cọc E.„„: modun đàn héi trung bình của đất dọc theo thân cọc Randolph (1994) cho rằng hệ số tương tác đài — cọc arp có xu hướng bằng 0.8 cho nhóm cọc lớn, ngay cả đối với nhóm cọc 6x6 Do đó, độ cứng tong thé k,, có thé đơn giản hóa như sau

Và ty lệ của tải trọng chịu bởi đài cọc P; trên tải trọng chịu bởi nhóm coc:

Theo Poulos (2001) công thức độ cứng tong thé k,, có ý nghĩa đặc biệt đến sự huy động toàn bộ sức chiu tải của cọc.

Burland (1995) xem các cọc là các bộ phận khử độ lún, và dé nghi rang, néu các cọc ở vi tri phía dưới trụ, tải trọng vượt P;„ tương ứng với sự chênh cua tải trọng thiết kế Po và tải trọng chịu bởi đài P¡, bang sức kháng thân cọc huy động tong cộng được nhân với hệ số huy động 0.9 Do đó, móng có thé được phân tích như một dai, chỉ chịu tải trọng da chiết giảm Q, [4]

Q, = Q— 0,9P su 2-17 Dé dự đoán độ lún, Poulos (2001) đã đưa ra công thức dựa trên phương pháp của Randolph (1994) như sau:

Trong đó S,,: độ lún của móng coc S,: độ lún của đài không có cọc dưới tông tải trọng K,: độ cứng của dai

K,,: độ cứng của móng cọc [4]

2.3.2.2 Các phương pháp lò xo

Các phương pháp gần đúng dựa trên máy tinh có cơ sở là lý thuyết đàn hồi va hai phương pháp chính như sau (Poulos 2001): dải trên các lò xo và tam trên các lò xo Trong các phương pháp này, đài cọc được xem như một dải và như một tâm mỏng Ngoài ra, các cọc được xem là các lò xo và đất nền là môi trường đàn hồi liên tục, nó cũng được đơn giản hóa thành các lò xo, để phân tích tương tác đất nền — kết cau Hơn nữa, tổ hợp của hai phương pháp cũng có thé thực hiện được Sonoda et la (2009) mô hình một đài cọc xây dựng ở Nhật Bản, bao gom một bản có chiêu day 0.6m va các dam có chiều cao 1.2m, bằng cách kết hợp các tam mong và các dam với các lò xo cọc và lò xo dat nên như hình dưới: [4]

Lò xo mô đài cọc

Lo xo mô tả cọc Hình 2.4 Phương pháp dải trên các lò xo (Sonoda et la.(2009)) [4]

2.3.2.3 Các phương pháp rời rạc hóa

Các phương pháp chính xác hon chủ yếu bao gồm phương pháp phan tử biên và phương pháp phan tử hữu hạn Bên cạnh do, đối với các bộ phận khác của móng, có thé áp dụng tô hợp các phương pháp này.

Hé sé móng cọc ơ,;, được định nghĩa là ty lệ của tong tat ca tai trong lén coc P¡¡e trên tong tai trong tác dụng lên móng P,,: ằ Prite đụp = ——— 2-19 tot

Opr = 1 chứng tỏ móng là nhóm cọc đứng tự do, bỏ qua sự ton tại của dai Va Ap, = 0 thé hiện là một móng nông hoặc một dai không coc Do đó hệ số móng cọc Op, phải 0