Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sự phù hợp của các sơ đồ đơn giản để phân tích bệ cọc

Một số kết luận chính của luận văn + Đối với loại bệ cọc và sơ đồ bố trí cọc được áp dụng trong luận văn, sơ đồ tính theo dầm consol tương đối phù hợp nhất trong tính toán sơ bộ.. Lý do

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

*** Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÊ BÁ KHÁNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 12 tháng 09 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐH QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1 TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU SỰ PHÙ HỢP CỦA CÁC SƠ ĐỒ ĐƠN GIẢN ĐỂ

PHÂN TÍCH BỆ CỌC

2 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

(1) Hệ thống hóa một số lý luận cơ bản về cấu tạo sơ bộ của bệ cọc Hệ thống hóa các phương pháp phân tích bệ cọc Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS Nghiên cứu các tham số liên quan đến bài toán mô hình hoá bệ cọc

(2) So sánh về ứng suất trong bệ cọc khi tính theo mô hình đơn giản dạng dầm và mô hình khối 3D

(3) Kết luận và đề ra định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo

TS NGUYỄN MINH TÂM

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Tp HCM, ngày …… tháng 09 năm 2015

Người hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Tp HCM, ngày …… tháng 09 năm 2015

Người phản biện

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bài Luận văn này, lời đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đặc biệt và tri ân sâu sắc đến thầy Lê Bá Khánh, người đã dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, động viên và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện bài luận văn này Xin cám ơn toàn thể quý thầy, cô Bộ môn Cầu - Đường trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu, bổ ích

Thứ hai, xin gửi lời cám ơn đến Lãnh đạo Ban Quản lý Đầu tư dự án Nạo vét luồng Soài Rạp (giai đoạn 2), nơi tôi làm việc, đã tạo điều kiện cho tôi theo học chương trình thạc sĩ và hoàn thành luận án này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến Bố, Mẹ và Vợ tôi đã luôn ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua./

Tác giả

PHẠM HUY TÀI

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, các phương pháp thiết kế bệ cọc trên thế giới vẫn dựa vào 2 phương pháp cơ bản là phương pháp dàn ảo và phương pháp dầm Mức độ phù hợp của các phương pháp trên chưa được nghiên cứu nhiều

Luận văn đã hệ thống hóa về cấu tạo sơ bộ và phương pháp phân tích của bệ cọc Trên cơ sở đó tác giả đã tiến hành khảo sát sự phù hợp của các sơ đồ tính đơn giản dựa trên phương pháp dầm để phân tích bệ cọc Tiêu chí chính để khảo sát sự phù hợp là so sánh ứng suất khi tính theo phương pháp dầm và phương pháp phân tích chi tiết có dùng phần tử khối 3D

Một số kết luận chính của luận văn + Đối với loại bệ cọc và sơ đồ bố trí cọc được áp dụng trong luận văn, sơ đồ tính theo dầm consol tương đối phù hợp nhất trong tính toán sơ bộ

+ Đề xuất hệ số điều chỉnh giữa phương pháp dầm giản đơn và phương pháp phân tích chi tiết khi tính ứng suất pháp là α = 3.5

ABSTRACT

Currently, all design methods of piles cap in the world still rely on two basic theories that are truss method and bending method The relevance of these above methods have not been studied much

In the context of this thesis the author surveyed the suitability of simple diagrams to analyze piles cap The main criteria for the appropriate survey that comparisons perpendicular stresses between models computed by the beam and detailed analysis methods have used 3D solid elements Author perform calculations with 9 cases examined changes the height of piles cap and distance of piles to confirming the conclusions and recommendations follow:

+ For this type of pad layout piles and piles are applied in the thesis, the research results show that the beam diagrams generated in relatively fit consol in preliminary calculations pedestal poles with low requirements

+ The law of correlation between "relative stiffness" and stresses the pedestal pile in a dangerous position of pedestal pile is inversely proportional rule ("relative stiffness" increases, stress reduction)

+ At the same time confirming the compressive stress on the pad are smaller piles under compression limit of the concrete

+ Recommend adjustment coefficients between simple beam method and detailed analysis when calculating the stresses from high school is α = 3.5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả của luận án chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình khoa học nào Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án

Tác giả

PHẠM HUY TÀI

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 3

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.4 Nhận xét của chương 7

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Nghiên cứu về kích thước sơ bộ của bệ cọc .8

2.1.1 Nhóm cọc và khoảng cách giữa các cọc 8

2.1.2 Hình dạng bệ cọc 11

2.1.3 Chiều cao bệ cọc 13

2.2 Giới thiệu các phương pháp thiết kế bệ cọc 14

2.2.1 Xuyên thủng (Punching Shear) 14

2.2.2 Thiết kế theo mô hình dàn ảo (Strut and tie model) 18

2.2.3 Thiết kế theo mô hình dầm thông thường 22

2.3 Cơ sở lý thuyết phục vụ việc phân tích bệ cọc 25

2.3.1 Giới thiệu về phần mềm ANSYS 25

2.3.2 Tiêu chuẩn chảy dẻo von Mises 28

2.3.3 Cơ sở lý thuyết tính phản lực đầu cọc 29

2.4 Các thông số để mô hình hoá nền công trình 32

2.4.1 Biên của nền công trình: 32

2.4.2 Modul đàn hồi và hệ số Poisson của đất 34

3.5 Phân tích bệ cọc theo sơ đồ đơn giản 48

3.5.1 Nội dung phương pháp 48

3.5.2 Kết quả tính ứng suất bệ cọc theo phương pháp dầm 49

3.6 Phân tích bệ cọc bằng phần mềm ANSYS 51

3.6.1 Kiểm tra sự vận hành phần mềm ANSYS 51

3.6.2 Khảo sát mật độ chia lưới của bệ cọc 52

3.6.3 Khảo sát sơ bộ ứng suất 54

3.6.4 Khảo sát ứng suất chi tiết bằng phần tử khối 68

3.7 Phân tích kết quả tính giữa 2 phương pháp phân tích giản đơn và phân tích chi tiết (ANSYS) 76

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

BT PTHH BTCT ĐHCB TTGH TTGH CĐ TTGH SD TLBT

Bê tông Phần tử hữu hạn Bê tông cốt thép Đúc hẫng cân bằng Trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn cường độ Trạng thái giới hạn sử dụng Trọng lượng bản thân

Hình 2.7 Thiết kế bệ cọc theo lý thuyết dàn 18

Hình 2.8 Ví dụ về nguyên lý Saint-Venant: vùng D là vùng không liên tục (ACI 318-08, phụ lục A) 19

Hình 2.9 Mô hình dàn ảo, nút loại C-C-C (chịu 3 lực nén), và các nút loại C-C-T (chịu 2 lực nén, 1 lực kéo) 20

Hình 2.10 Sơ đồ mặt cắt ngang bệ cọc kiểm tra sức chống cắt 23

Hình 2.11: Sơ đồ tính toán chịu uốn cho bệ cọc 24

Hình 2.12 Mặt cắt chi tiết cốt thép gia cường 25

Hình 2.13 Kết cấu hình học phần tử SOLID 186 27

Hình 2.14 Kết cấu hình học phần tử SOLID 187 27

Hình 2.15 Chiều dài chịu uốn của cọc 30

Hình 2.16 Giao diện của phần mềm CDC PRO 1.0 32

Hình 2.17.Vùng ảnh hưởng nền dưới tác động của móng cọc 33

Hình 2.18 Sự phân bố ứng suất trong nền theo Boussinessq 34

Hình 2.19 Phân phối lý tưởng hóa đường cong ứng suất biến dạng 36

Hình 3.1 Mô hình bệ cọc trong giai đoạn khai thác 41

Hình 3.2 Hình ảnh cầu Sông Lũy 42

Hình 3.3 Cấu tạo địa chất 43

Hình 3.4 Cấu tạo trụ T8 (theo hồ sơ thiết kế cầu Sông Lũy) 45

Hình 3.5 Kích thước mặt cắt gối 45

Hình 3.6 Sơ đồ tính moment tại mặt cắt ngàm thân trụ 48

Hình 3.7 Phân bố ứng suất σz trong cột theo ANSYS 52

Hình 3.8 Vị trí khảo sát mật độ chia lưới bệ cọc 53

Hình 3.9 So sánh các tiêu chí sai số ứng suất, số lượng nodes và thời gian giải trong các trường hợp chia lưới 54

Hình 3.10 Bố trí các mặt cắt để khảo sát sơ bộ ứng suất cho bệ cọc 54

Hình 3.11 Bố trí các điểm để khảo sát ứng suất pháp y của bệ cọc 68

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Khoảng cách tối thiểu giữa các cọc 10

Bảng 2.2 Công thức tính ứng suất theo lý thuyết dàn để bố trí thép 12

Bảng 2.3 Ước lượng chiều cao bệ cọc (H) 13

Bảng 2.4 Bảng tra chiều dày cọc theo kích thước cọc 13

Bảng 2.5 Thư viện về các loại phần tử của phần mềm ANSYS 26

Bảng 2.6 Các hằng số đàn hồi của đất theo Bộ Hải quân Hoa Kỳ (1982) và Bowles (1988)* [8] 34

Bảng 2.7: Modul đàn hồi các loại đất điển hình theo USCS (theo Obrzud & Truty 2012 tổng hợp từ Kezdi 1974 và Prat et al.1995) [21] 37

Bảng 2.8: Modul đàn hồi ( Gopal Ranjan et Rao, 2000) [22] 37

Bảng 2.9: Hệ số poisson cho các loại đất theo thời gian chất tải 38

Bảng 3.7: Ứng suất tại mặt cắt ngàm theo phương pháp dầm giản đơn 50

Bảng 3.8 Mức độ hội tụ của kết quả σz 51

Bảng 3.9: Khảo sát thời gian giải và sự hội tụ của ứng suất σz 53

Bảng 3.10 Toạ độ các vị trí 1, 2, 3 trong mặt cắt 1-1 69

Bảng 3.11 Toạ độ các vị trí 4, 5, 6 & 7 trong mặt cắt 2-2 69

Bảng 3.12 Giá trị ứng suất tại các vị trí khảo sát ở giai đoạn thi công 70

Bảng 3.13 Giá trị ứng suất tại các vị trí khảo sát ở giai đoạn khai thác 70

Bảng 3.14 Mức độ chênh lệch của ứng suất tại 2 vị trí đối xứng 70

Bảng 3.15 Ảnh hưởng của “độ cứng tương đối” - λ đến mức độ thay đổi của ứng suất 72

Bảng 3.16 Phân tích ảnh hưởng của “Độ cứng tương đối” đến ứng suất khi thay đổi khoảng cách tim cọc 73Bảng 3.17 Phân tích sự phù hợp mô hình dầm khi thay đổi chiều cao bệ cọc 75Bảng 3.18 Phân tích sự phù hợp mô hình dầm khi thay đổi khoảng cách tim cọc 75Bảng 3.19: So sánh ứng suất pháp giữa 2 phương pháp trong phương án 1 76Bảng 3.20: So sánh ứng suất pháp giữa 2 phương pháp trong phương án 2 77

MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài

Bệ cọc là một kết cấu có điều kiện chịu lực phức tạp và đã có nhiều phương pháp tính khác nhau như: phương pháp dàn ảo (Strut and tie), phương pháp dầm, …

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp cho sinh viên, kỹ sư biết về mức độ phù hợp khi thiết kế bệ cọc với phương pháp dầm Do không có điều kiện đo đạc thực tế, đề tài sẽ dùng kết quả phân tích từ phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) có

dùng phần tử khối để làm mốc so sánh (sau đây gọi tắt là phương pháp PTHH 3D) 2 Mục đích nghiên cứu

Khảo sát mức độ phù hợp của kết quả tính bệ cọc bằng phương pháp dầm với

phương pháp PTHH 3D 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phương pháp thiết kế bệ cọc

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu tổng quan về lý thuyết, và tính toán mô phỏng bằng phần mềm để giải quyết các nội dung của đề tài

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học của đề tài: Đánh giá và phân tích mức độ phù hợp của sơ đồ tính giản đơn theo phương pháp dầm với kết quả tính PTHH 3D

Tính thực tiễn của đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ ra sơ đồ tính bệ cọc phù hợp nhất là sơ đồ dầm giản đơn cho công tác thiết kế sơ bộ Luận văn đề xuất hệ số điều chỉnh cho sơ đồ dầm để tính bệ cọc

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo khi thiết kế bệ cọc cầu

6 Nội dung đề tài

Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phần phụ lục

Phần mở đầu: nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Chương 1: Giới thiệu đối tượng nghiên cứu, tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về vấn đề nghiên cứu, kết luận lý do thực hiện

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về kích thước hình dạng sơ bộ, cơ chế làm việc, các phương pháp thiết kế, lý thuyết phục vụ việc phân tích của bệ cọc; các thông số để mô hình hóa nền công trình

Chương 3: Giới thiệu mô hình bệ cọc khảo sát, phân tích mô hình bệ cọc bằng phần mềm ANSYS và phương pháp đơn giản cho 9 trường hợp khảo sát, so sánh và đưa ra kết luận

Phần kết luận và kiến nghị: Nhận xét đánh giá và rút ra kết luận về sự phân bố ứng suất - biến dạng của bệ cọc tính phương pháp thông thường với phương pháp phần tử hữu hạn Đồng thời đề nghị định hướng nghiên cứu tiếp

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu

Hình 1.1 Mô hình cột (trụ), bệ cọc và cọc Một bệ cọc được định nghĩa như là một khối bê tông đặt trên đầu của một nhóm cọc Trong công trình cầu, bệ cọc là một bộ phận quan trọng của mố - trụ cầu

Các chức năng chính của bệ cọc: + Chúng giữ chức năng truyền tải trọng từ các kết cấu bên trên xuống nhóm cọc bên dưới rồi từ đó tiếp tục truyền tải đến lớp đất có khả năng chịu tải, nhằm truyền tải trọng cục bộ ra một diện tích chịu lực lớn hơn

+ Bệ cọc liên kết hợp các cọc đơn lại với nhau, nhờ đó sự ổn định của cả nhóm cọc được gia tăng lên rất nhiều

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hầu hết các thiết kế bệ cọc thông thường người ta thường sử dụng phương pháp dầm Đây là phương pháp sử dụng lý thuyết dầm căn cứ vào giả thiết về tiết diện phẳng của Bernoulli [1] Phương pháp dầm có ưu điểm tính toán đơn giản, tuy nhiên chỉ giới hạn dùng để phân tích bệ cọc thông thường, đối với bệ cọc có chiều cao bệ lớn thì phương pháp này không còn phù hợp

Phương pháp dàn ảo (Strut and tie) là một công cụ hữu hiệu, được thừa nhận và áp dụng trên phạm vi toàn thế giới để phân tích các hư hỏng cũng như thiết kế mới kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là các khu vực chịu lực cục bộ (khu vực không liên tục) trong kết cấu Phương pháp này, mặc dù đã được khởi đầu từ cuối

thế kỷ 19 bởi Ritter (1899) và Morsch (1909), nhưng mới được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ ở châu Âu và Bắc Mỹ trong thời gian gần đây Nhiều tiêu chuẩn thiết kế như EuroCode 2, ACI, AASHTO, DIN 1045 v.v đã chính thức coi phương pháp dàn ảo là một phương pháp dùng để phân tích và xử lý cấu tạo cho kết cấu với nhiều thế mạnh thay thế cho việc áp dụng thuần túy các qui định cấu tạo thường được thể hiện trong các qui trình thiết kế trước đây Tuy nhiên phương pháp này có quy trình tính toán tương đối phức tạp, và không là phương pháp tối ưu trong việc thiết kế sơ bộ bệ cọc thông thường Một số nghiên cứu điển hình:

Năm 1987, các tác giả J Schlaich, K Schafer, và M Jennewein đã đề xuất một cách toàn diện các khái niệm cho kết cấu bê tông trong đó có đề cập đến việc sử dụng mô hình dàn ảo [2]

Năm 2009, các tác giả John F Duntemann, Ernest Rogalla, Jennifer A Dimig, và Brian R Greve, công bố kết quả nghiên cứu về việc sửa chữa bệ cọc bằng cách sử dụng mô hình dàn ảo (theo quy định 2002 ACI 318) khi tính toán [3]

Ngoài hai phương pháp tính bệ cọc truyền thống, do có nhiều ưu điểm phương pháp số PTHH cũng là lựa chọn tối ưu khi phân tích bài toán phức tạp như phân tích sự tương tác kết cấu và đất nền (soil – structure interaction), phân tích kết cấu bằng phần tử khối SOLID Một số nghiên cứu điển hình:

Năm 1991, P.Krishna Iyer và C Sam công bố nghiên cứu trong việc phân tích tương tác đồng thời của kết cấu và đất nền đã nhận xét rằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) rất phù hợp để phân tích những vấn đề tương tự Hiệu ứng tương tác đồng thời của kết cấu và đất nền cần lưu ý khi phân tích kết cấu chịu tải trọng tĩnh lẫn khi chịu tải trọng động [4]

Năm 2010, nhóm tác giả Xin-jun Zou đã nghiên cứu sự ổn định cọc bị uốn với đài cọc cao được sử dụng rộng rãi trong công trình cầu và bến cảng, đã đưa ra những lợi thế cũng như những thiếu sót của các phương pháp phân tích truyền thống Xin-jun Zou đã đề nghị sử dụng phương pháp PTHH nhằm xem xét sự tương tác phi tuyến giữa cọc và đất [5]

Năm 2014, Yongzhi Jiu và Maosong Huang đưa ra một phương pháp phi tuyến tính đơn giản cho việc nghiên cứu nhóm cọc có xét đến bệ cọc linh hoạt,

nhóm tìm ra công thức tính phi tuyến duy nhất bằng cách mô phỏng bệ cọc như một tấm mỏng theo phương pháp PTHH, hệ được xét giả định hoạt động tuyến tính đàn hồi [6]

Như vậy tình hình chung trên thế giới, việc sử dụng các mô hình tính toán (mô hình giản ảo, mô hình PTHH) cho việc thiết kế đã hầu như khai phá rất sâu và rất đa dạng cho nhiều trường hợp cụ thể khác nhau Việc nghiên cứu tính toán bệ cọc đã cho ra kết quả gần sát khả năng chịu lực thực tế, tuy nhiên để tiếp cận kết quả trên là cả công trình nghiên cứu phức tạp, thông qua nhiều bước tính toán thiết kế mà trình độ người kỹ sư rất khó tiếp cận Một lần nữa chứng minh việc đơn giản mô hình tính mà vẫn có kết quả chấp nhận được là điều cần thiết cho thời điểm hiện nay

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trước đây việc tính toán thiết kế cầu dựa vào tiêu chuẩn 22TCN18-79, căn cứ theo tiêu chuẩn này chúng ta không một hướng dẫn cụ thể nào trong tính toán bệ cọc, dẫn đến các công trình cầu thiết kế trong giai đoạn này thường sử dụng các công thức kinh nghiệm dùng nhiều hệ số an toàn, bố trí thép dày đặc

Trong những năm gần đây, phương pháp giào ảo đã được một số nhà khoa học ở các cơ quan nghiên cứu, đào tạo và tư vấn thiết kế lớn bước đầu nghiên cứu tiếp cận và triển khai áp dụng Phương pháp đã được chính thức năm 2001, và được đưa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-01 cũng như được cập nhật vào năm 2005 Mặc dù vậy, trên thực tế phương pháp giảo ảo hầu như chưa được áp dụng trong thiết kế do phần chỉ dẫn thiết kế còn chưa chi tiết nên rất áp dụng vào thực tế Sau đó, đã có nhiều tác giả trong nước bổ sung cơ sở lý luận cụ thể nhằm giúp người kỹ sư tăng thêm sự hiểu biết về ứng xử bộ phận kết cấu bệ cọc, điển hình là các nghiên cứu:

Năm 2006, Nguyễn Đức Thanh đã có nghiên cứu áp dụng mô hình chống giằng (sơ đồ hệ thanh vào trong thiết kế kết cấu cầu bê tông cốt thép Nội dung nghiên cứu gồm 2 phần chủ yếu: phần cơ sở lý luận tập trung những nội dung cơ bản của phương pháp; phần các ví dụ được lựa chọn là bốn loại bộ phận kết cấu

không liên tục điển hình của kết cấu cầu gồm: khu vực gối cầu, khu vực neo cáp dự ứng lực, khu vực đầu dầm Phạm vi ứng dụng chung và sự thích hợp của phương pháp này để tính toán, xử lý cấu tạo các khu vực chịu lực cục bộ trong cầu bê tông Phối hợp các phương pháp truyền thống và phương pháp giào ảo trong thực tế tính toán thiết kế [7]

Trong đề tài này việc xác định kích thước thanh chịu nén, vùng nút thanh dàn chủ yếu dựa vào 3 mô hình nút tiêu chuẩn 22TCN 272-05 [8] đã kiến nghị Trong phần ví dụ bệ cọc bệ cao có tính theo mô hình dàn ảo không gian nhưng lại không chỉ ra cách xác định hình học nút

Năm 2009, tác giả Lê Hoà đã khảo sát sự làm việc và khả năng chịu lực của bệ cọc tiết diện tam giác đều bằng thực nghiệm hiện trường có so sánh với kết quả tính bằng các phương pháp hiện có và phương pháp phát triển theo lý thuyết Với hướng nghiên cứu này tác giả đã mô hình hóa phương pháp tính cọc, bệ cọc một cách tổng quan, tuy nhiên các xác định vùng nút vẫn phải dựa vào kinh nghiệm [9]

Đến năm 2012, các tác giả Phạm Minh Trí, Lê Bá Khánh đã nghiên cứu ứng dụng lý thuyết phá hoại Mohr – Coulumb cho việc tính toán xác định kích thước thanh nén và vùng nút trong mô hình và đưa ra ví dụ chỉ rõ cách áp dụng vào mô hình phẳng (2D) và mô hình không gian (3D) [10]

Bằng lý thuyết phá hoại Mohr – Coulumb để xác định kích thước thanh nén và vùng nút, tác giả góp phần bổ sung thêm cơ sở lý thuyết của phương pháp nguyên cứu mô hình dàn ảo giúp cho việc mô phỏng tính toán các bài toán khách quan và chính xác hơn

Về ứng dụng PTHH trong nghiên cứu thiết kế bệ cọc cũng đã được nhiều tác giả nghiên cứu nổi bật là hàng loạt các đề tài sau:

Năm 2008, nhóm tác giả Lê Văn Sơn, Phạm Ngọc Khánh đã tiếp tục hoàn thiện phương pháp PTHH, cụ thể đã đưa phương pháp vào tính toán móng cọc [11]

Năm 2012, tác giả Nguyễn Thị Thùy Dương, Phạm Ngọc Khánh bước đầu đã đưa việc sử dụng phần mềm PTHH ANSYS vào trong việc tính ứng suất cục bộ bệ cọc công trình xây dựng [12]

1.4 Nhận xét của chương

Trong những năm gần đây, phương pháp giào ảo đã được một số nhà khoa học ở các cơ quan nghiên cứu, đào tạo và tư vấn thiết kế lớn bước đầu nghiên cứu tiếp cận và triển khai áp dụng tuy nhiên việc mô phỏng tính toán còn nhiều bất cập

Do tính đơn giản, trong tính toán sơ bộ vẫn còn dùng sơ đồ dầm để phân tích bệ cọc Sự phù hợp của kết quả tính theo sơ đồ dầm với thực tế vẫn còn phải nghiên cứu thêm

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nghiên cứu về kích thước sơ bộ của bệ cọc

2.1.1 Nhóm cọc và khoảng cách giữa các cọc

Do tải trọng lên móng cầu thường lớn, nên phải dùng nhiều cọc Các cọc này tạo thành nhóm Nội dung của luận văn chỉ tập trung vào khảo sát ứng xử của cọc ma sát

Các nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy sự làm việc của mỗi cọc đơn và của một cọc trong nhóm cọc khác nhau rất nhiều, đối với móng cọc ma sát thì lại càng thể hiện rõ Khi các cọc được bố trí thành nhóm trong móng cọc, tác động qua lại của hệ cọc - nền phụ thuộc vào việc bố trí cọc trong móng và hình thành hiệu ứng nhóm trong móng cọc Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã tổng hợp ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm trong móng cọc như sau:

- Làm thay đổi (chủ yếu là giảm) sức chịu tải cả nhóm so với tổng sức chịu tải các cọc thành phần;

- Hiệu ứng bè, làm tăng vùng truyền ứng suất Hậu quả gây ra độ lún của nhóm cọc cao hơn nhiều so với cọc đơn, đặc biệt khi có lớp đất yếu nằm gần mũi cọc

Tác giả N S V Kameswara Rao [13] đã có các nhận xét khi đề cập đến hiệu ứng nhóm cọc trong việc thiết kế bệ cọc như sau:

- Trong nhóm cọc, áp lực đất sẽ chồng chéo nhau nếu khoảng cách quá gần Nếu sự chồng chéo quá lớn đất sẽ bị phá hủy mất khả năng chịu ứng suất tiếp

- Ứng suất chồng chéo sẽ giảm dần một rõ rệt khi khoảng cách cọc tăng lên, tuy nhiên sẽ không khả thi vì kích thước bệ cọc tăng lên dẫn đến tốn kém nhiều về chi phí

Ứng suất, áp lực đất khi đặt tải của cọc đơn và nhóm các cọc được thể hiện trong Hình 2.1 [13]

Hình 2.1 Ứng suất trong đất của cọc đơn và nhóm cọc chịu tải

BOCA đã ra định nghĩa về hệ số nhóm của η:

𝜂 = 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑘ℎả 𝑛ă𝑛𝑔 𝑐ℎị𝑢 𝑙ự𝑐 𝑠𝑎𝑢 𝑐ù𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑛ℎó𝑚 𝑐ọ𝑐𝑘ℎả 𝑛ă𝑛𝑔 𝑐ℎị𝑢 𝑡ả𝑖 𝑐𝑢 ố𝑖 𝑐ù𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑛ℎó𝑚 𝑐ọ𝑐 (2.1.1-1)

Công thức hiệu ứng nhóm η thường được sử dụng trong tính toán móng cọc của Converse – Labarre có dạng như sau:

Vào năm 1995, tác giả Iyer đưa ra quy tắc thực nghiệm: khả năng chịu tải tính toán của mỗi cọc được giảm theo tỷ lệ α cho mỗi cọc

Trong đó: α = d/(8s)

d: đường kính cọc s: khoảng cách giữa các cọc trong một nhóm Khoảng cách tối thiểu giữa các tim cọc liền nhau được đề xuất bởi một số tiêu chuẩn được trình bày trong bảng 2.4 [13]

Bảng 2.1 Khoảng cách tối thiểu giữa các cọc

Chịu ma sát thành

Khoảng cách tối đa giữa các cọc không được quy định trong việc tiêu chuẩn xây dựng, nên trên thế giới vẫn có công trình thiết kế khoảng cách các cọc lên đến 8D để 10D (tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế và khả năng kinh tế)

Nhận xét:

Sự làm việc của cọc đơn và của cọc trong nhóm cọc khác nhau rất nhiều, vì trong nhóm cọc áp lực đất sẽ chồng chéo nhau nếu khoảng cách quá gần Ta nên chọn khoảng cách cọc cho phù hợp để tránh đất giữa các cọc bị phá hoại

2.1.2 Hình dạng bệ cọc

Bệ cọc có tác dụng chủ yếu là liên kết các nhóm cọc, truyền lực từ kết cấu xuống cọc, do vậy, hình dạng bệ cọc thường được quyết định bởi số lượng cọc và mặt bằng bố trí cọc Số lượng cọc, mặt bằng bố trí cọc rất đa dạng, phụ thuộc vào từng nhu cầu khác nhau, do đó hình dạng bệ cọc cũng thường rất đa dạng

a Mặt bằng bệ cọc bố trí cho trường hợp 6 và 7 cọc

b Mặt bằng bệ cọc bố trí cho trường hợp 8 và 9 cọc Hình 2.2 Hình dạng một số mặt bằng bệ cọc

Theo tài liệu Design of Reinforced Concrete Foundations [14], các yêu cầu sau đây được xem xét để thiết kế bằng bệ cọc:

1/ Khoảng cách tối thiểu khi bố trí cọc 2/ Hình dạng bệ cọc phải thiết kế sao tải trọng bên trên chia đều cho các cọc bên dưới

3/ Xem xét việc gia cố thích hợp cho bệ cọc khi cần thiết Dựa vào 3 yêu cầu trên ta rút ra được các phương pháp lựa chọn hình dạng bệ cọc theo ứng suất dàn (Mở rộng bệ cọc 150 mm ngoài rìa của cọc, đơn vị tính mm)

Bảng 2.2 Công thức tính ứng suất theo lý thuyết dàn để bố trí thép

bệ chữ nhật) Hạn chế chọn loại bệ bất đối xứng, vì việc tính toán nội lực trong bệ sẽ rất phức tạp

2.1.3 Chiều cao bệ cọc

Chiều cao của bệ cọc dựa vào điều kiện chống chọc thủng bệ, nhưng phải có trị số tối thiểu để đảm bảo độ ngàm sâu của cọc trong bệ Cọc được ngàm vào bệ với chiều dài 20d (d là đường kính cốt thép) với cốt thép có gờ và 30-40d đối với cốt thép không có gờ

Theo các nghiên cứu về chi phí của C.E Reynolds và JC Steedman [15] cho bệ cọc của nhóm cọc có đường kính 40-60 cm cho kết quả tải trọng thay đổi tịnh tiến theo độ sâu của bệ cọc Theo đó, người ta có thể khái quát hóa các mối quan hệ cho một chiều sâu kinh tế và đến các mối quan hệ sau đây: Giả sử D như là đường kính của cọc và H là tổng chiều cao của bệ cọc, C.E Reynolds và JC Steedman, khuyến cáo chiều cao bệ cọc như sau:

Bảng 2.3 Ước lượng chiều cao bệ cọc (H)

Đường kính cọc

(mm)

D ≤ 500

D ≥ 550

Verghese book (1994 edition)

Reynold's handbook (9th

edition)

Reynold's handbook (11th

edition

Công thức (mm)

H = (2hp + 100) (2.1.3-1)

H = 1/3(8hp+600) (2.1.3-2)

H = 1/3(8hp-600) (2.1.3-3)

H = 8(hp-100)/3 (2.1.3-4)

Thông thường để đơn giản hóa việc tính toán, người ta chọn chiều cao bệ cọc không nhỏ hơn 600 mm và thường được lấy theo Bảng 2.3 như sau:

Bảng 2.4 Bảng tra chiều dày cọc theo kích thước cọc

Chiều cao bệ cọc H (mm) 700 800 900 1000 1100 1200 1400

Nhận xét:

Khi thiết kế không nên tăng chiều cao bệ quá lớn mà chỉ đủ để thỏa điều kiện chống xuyên thủng và đảm bảo độ ngàm sâu cọc trong bệ

2.2 Giới thiệu các phương pháp thiết kế bệ cọc

2.2.1 Xuyên thủng (Punching Shear) 2.2.1.1 Lý thuyết

Quan niệm về tháp chọc thủng xuất phát từ các mặt bên chân cột (trụ) và

cho phép tháp chọc thủng vượt quá trọng tâm cốt thép vì nếu như vậy cốt thép sẽ tham gia vào chịu chọc thủng trong khi chỉ được tính toán để chịu ứng suất kéo do mômen gây ra trong móng) Trường hợp móng đỡ cột thép có bản đế bằng thép thì coi tháp chọc thủng xuất phát từ các cạnh của chu vi nằm giữa chu vi tiết diện chân cột và chu vi tiết diện bản đế

2.2.1.2 Kiểm tra ứng suất xuyên thủng (Pushing Shear) a Kiểm tra xuyên thủng giữa trụ và đài (bệ cọc):

Hình 2.3 Biên đáy tháp xuyên thủng với góc mở 45o không phủ lên các cọc

Hình 2.4 Biên đáy tháp xuyên thủng với góc mở 45o phủ lên 1 phần các cọc

không phủ lên trụ

Hình 2.6 Biên đáy lớn nhất tháp xuyên thủng xuất phát từ cọc với góc mở 45o phủ

lên 1 phần trụ

b Kiểm tra xuyên thủng giữa cọc và đài

2.2.2 Thiết kế theo mô hình dàn ảo (Strut and tie model)

Lý thuyết dàn phù hợp cho cả trường hợp bệ cọc thông thường (hệ số

cọc theo hệ dàn, trong đó AB được xem là thanh chịu nén, BC là thanh chịu kéo

Hình 2.7 Thiết kế bệ cọc theo lý thuyết dàn

2.2.2.1 Nguyên lý

Một trong các giả thiết được áp dụng cho các cấu kiện uốn đó là tiết diện phẳng trước và sau khi uốn Giả thiết này được áp dụng cho tất cả các tiết diện của dầm trừ những vị trí ngay sát vị trí chất tải hoặc gối tựa Ví dụ cho trường hợp cấu kiện

4 lần chiều cao Do đó, thay vì áp dụng lý thuyết dầm, chúng ta sử dụng một mô hình hợp lý hơn là mô hình dàn để mô tả đường truyền tải trọng Quy trình bắt đầu từ việc giả thiết đường truyền tải trọng trong cấu kiện, đó là các thanh chống và thanh giằng, và tiến hành thiết kế các cấu kiện này dựa trên lực tính được

Các cấu kiện có trong mô hình dàn điển hình bao gồm: 1 Các thanh chống xiên và thẳng đứng

2 Các cấu kiện chịu kéo dọc trong dàn, hay còn gọi là giằng 3 Các vùng nút là vị trí liên kết của thanh chống và giằng Kích thước của các cấu kiện trong mô hình dàn được lựa chọn thỏa mãn nội lực xuất hiện trong thanh chống, giằng, và các nút dưới tác dụng của tải trọng thiết kế không vượt quá khả năng chịu lực Cần lưu ý khi bố trí cốt thép chịu kéo, thanh

giằng chịu kéo cần đảm bảo được neo chắc chắn để truyền được tải trọng vào các nút dàn

Điều tối quan trọng cho sự an toàn của thiết kế khi sử dụng phương pháp dàn ảo là các cấu kiện phải có độ dẻo thích hợp cho phép phân phối tải trọng theo đường dẫn như đã chỉ định

Một điều dễ nhận thấy là có thể lựa chọn được nhiều mô hình dàn để chịu cùng một tải trọng Khi một mô hình dàn hiệu quả hơn các mô hình dàn khác theo các tiêu chí thiết kế, thì chứng tỏ rằng mô hình đó đảm bảo khả năng chịu tải và có độ dẻo thích hợp

Trước khi đề cập nhiều hơn đến mô hình thanh chống và giằng, cần tìm hiểu qua về nguyên lý Saint-Venant, là nguyên lý cơ sở của phương pháp này Khi đề cập đến lý thuyết dầm đơn giản, Saint-Venant (1797-1886) phát biểu rằng sự phân bố ứng suất theo lý thuyết dầm đơn giản không đúng trong một phạm vi xung quanh điểm đặt lực tác dụng Ông cũng khẳng định rằng kết quả tính toán theo lý thuyết dầm đơn giản vẫn đúng trong hầu hết các mặt cắt trừ các vị trí ngay sát điểm đặt lực hoặc gối tựa

Hình 2.8 Ví dụ về nguyên lý Saint-Venant: vùng D là vùng không liên tục

(ACI 318-08, phụ lục A) Theo ví dụ của nguyên lý Saint-Venant, hai lực bằng nhau và ngược chiều tác dụng lên ống sinh ra biến dạng cục bộ Phạm vi ảnh hưởng của những tác động cục bộ chỉ nằm trong khoảng từ 1 đến 2 lần kích thước đặc trưng của cấu kiện

Phương pháp giàn ảo sử dụng để thiết kế dầm cao cho trong phụ lục A - tiêu chuẩn ACI 318-08 dựa vào nguyên lý Saint-Venant đã được đề cập ở trên Vùng bị bóp cong của ống như trong hình 2.10 tương ứng với vùng không liên tục (Discontinuity region, vùng D theo ACI 318) Vùng này được giả thiết có phạm vi không vượt quá một lần chiều rộng của cấu kiện tính từ điểm đặt lực hoặc gối tựa Các vùng uốn (Bending regions, vùng B theo ACI 318) là các vùng còn lại, có khoảng cách đủ xa so với các vùng không liên tục, trong phạm vi đó có thể áp dụng lý thuyết dầm đơn giả mà không gây ra sai sót đáng kể

Các thành phần của mô hình thanh chống - giằng được định nghĩa trong ACI 318 Vùng liên kết (nodal zone) (Hình 2.9) là vùng bê tông bao quanh liên kết có chức năng truyền tải lực dọc trong thanh chống và giằng Thanh chống (strut) là phần bê tông chịu nén và giằng (tie) là phần chịu lực kéo

Hình 2.9 Mô hình dàn ảo, nút loại C-C-C (chịu 3 lực nén), và các nút loại C-C-T

(chịu 2 lực nén, 1 lực kéo) Phương pháp thiết kế khá giống với phương pháp chúng ta thường sử dụng với

các thanh chống, giằng và vùng liên kết, với khả năng Fn, cấu kiện đảm bảo khả

2.2.2.2 Trình tự thiết kế

Thiết kế dầm cao theo mô hình thanh chống - giằng là một hình thức của phương pháp thử sai Do đó khá phù hợp với các quy trình tính toán sử dụng biểu đồ tương tác Các bước thiết kế bao gồm:

Bước 1 Giả thiết trọng tâm của thanh giằng BC nằm ở vị trí ngay phía trên của đáy dầm Giá trị phù hợp có thể sử dụng là 0.05 D với D là chiều cao dầm

Bước 2 Giả thiết trọng tâm của nút A cũng ở một khoảng cách 0.05 D phía dưới mép trên của dầm

Bước 3 Các giả thiết trên cho phép chúng ta xác định các thông số hình học, qua đó xác định được các lực, bao gồm lực kéo trong thanh BC và lực nén trong các

thanh chống, giằng hoặc trên các mặt của nút

liên kết theo các công thức sau: Đối với các thanh chống:

Trong đó:

hệ số giảm độ bền đối với bê tông nhẹ (Xem ACI mục 8.6.1) Đối với thanh giằng (không có ứng suất trước):

Trong đó

Cọc phải được bố trí theo các yêu cầu của 22 TCN 272-05 (10.7.1.5.) hoặc (10.8.1.6.)

Bước 3: Kiểm tra các lực trong cọc:

P(x,y) = N

n ±Mx × y yi2 ±My × x

N: tổng tải trọng thẳng đứng tác động tại đáy bệ cọc

n: số lượng cọc trong bệ cọc

diện cọc tại đáy bệ

diện cọc tại đáy bệ x, y : tọa độ cọc cần xác định tải tác dụng trong trục x,y ở đáy bệ

Bước 4: Kiểm tra sức chống xuyên thủng: đã nêu trong mục 2.2.1.2 ở trên Bước 5: Kiểm tra sức chống cắt

Phá hoại cắt tại cùng mặt cắt do moment uốn cũng được tính toán

Trong đó: Q – tổng phản lực của các cọc nằm ngoài tiết diện nghiêng

b – bề rộng của đài

ho – chiều cao hữu ích của tiết diện đang xét

β – hệ số không thứ nguyên

Hình 2.10 Sơ đồ mặt cắt ngang bệ cọc kiểm tra sức chống cắt

trong phương pháp dầm

Bước 6: Moment thiết kế Xét bệ cọc theo từng phương độc lập, coi bệ cọc như những dầm chịu uốn tựa trên các gối là các đầu cọc Nội lực tại từng mặt cắt theo phương đang chọn được tính toán theo các phương trình cân bằng

Moment tại ngàm chân thân trụ theo 2 phương của cạnh đáy xác định theo công thức sau:

Hình 2.11: Sơ đồ tính toán chịu uốn cho bệ cọc

Bước 7: Chi tiết của cốt gia cường

Diện tích cốt thép cần thiết cho mỗi phương xác định theo công thức:

𝛾𝑅𝑎ℎ𝑜 ≈ 𝑀