Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích chuyển vị và nội lực của cọc chịu lực ngang trong công trình cảng

Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc dài trong đất dính theo Broms Đầu cọc bị ngàm.. CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN b m Bề rộng tiết diện cọccref kN/m2 Lực dính hữu hiệu của đấtC

NGUYỄN QUỐC HUY

PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ VÀ NỘI LỰC CỦA CỌC CHỊU LỰC NGANG TRONG CÔNG TRÌNH CẢNG

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng

Mã số:60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN QUỐC HUY MSHV: 10094296 Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1984 Nơi sinh : Đồng Tháp Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số : 60 58 60

I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ VÀ NỘI LỰC CỦA CỌC CHỊU LỰC NGANG TRONG CÔNG TRÌNH CẢNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương 1 Tổng quan các nghiên cứu về cọc chịu tải trọng ngang Chương 2 Cơ sở lý thuyết của tính toán cọc chịu tải trọng ngang Chương 3 Đặc thù tính toán của cọc chịu tải trọng ngang trong công trình Cảng Chương 4 Ứng dụng tính toán công trình kho lạnh LPG Thị Vải

Kết luận - Kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Võ Phán

Tp HCM, ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS TS VÕ PHÁN PGS TS VÕ PHÁN

TRƯỞNG KHOA

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn chính Nhà giáo ưu tú PSG TS Võ Phán, người đã luôn tận tình hướng dẫn, động viên và truyền cảm hứng nghiên cứu khoa học cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy cô trong bộ môn đã truyền dạy những kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức xã hội, hỗ trợ về tài liệu tham khảo để tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ luận văn đã được giao

Xin cảm ơn những người bạn trong lớp Địa kỹ thuật xây dựng 2011- Đợt 2 đã luôn đồng hành hỗ trợ tôi về mặt tinh thần cũng như tài liệu chuyên ngành trong suốt thời gian khóa học

Tuy nhiên, trong luận văn chắc chắn sẽ không tránh được những sai sót Kính mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô, đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn để có thể ứng dụng tốt vào thực tế thiết kế

Trân trọng!

Học viên

Nguyễn Quốc Huy

CÔNG TRÌNH CẢNG

Công trình Bến trên nền cọc là một giải pháp hiệu quả cho những vùng địa chất yếu Vấn đề chính trong việc thiết kế những công trình có kết cấu như thế là giải quyết bài toán cọc chịu lực ngang (chủ yếu là lực va và neo tàu) Mặc dù hiện nay có rất nhiều các phần mềm như Abaqus, Plaxis, FB-Pier… có thể tính toán được các bài toán cọc đơn cũng như nhóm cọc chịu lực ngang, tuy nhiên các phần mềm này chỉ tính được các trường hợp tổ hợp tải đơn giản trong khi tính toán công trình bến đòi hỏi phải tính cho rất nhiều tổ hợp tải Thông thường cách làm của các kỹ sư thiết kế công trình Cảng là sử dụng mô hình cọc-đất-công trình, trong đó cọc được mô hình là các cọc tương đương theo nhiều cách khác nhau Do đó cần có sự phân tích đánh giá các mô hình trên nhằm tìm ra mô hình phù hợp để ứng dụng vào thực tế

ABSTRACT ANALYSIS DEPLACEMENT AND INTERNAL FORCES OF PILES

UNDER LATERALLY LOADING IN PORTS

Structure on pile foundation of Harbour is a effective solution for weak soil regions The main task for these structures is solving piles under laterally loading math (cause by ships impact and mooring) Although there are now many softwares such as Abaqus, Plaxis, FB-Pier… can use for calculations the piles and pile groups under laterally loading, however they are just useful for some simply combinations while the calculations for port design require more Port designers usually use pile-soil-structure model, in which piles is modeled as equivalent

MỞ ĐẦU 1 

ĐẶT VẤN ĐỀ 1 

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1 

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 

TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 2 

TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2 

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 3 

CHƯƠNG 1:  TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỌC CHỊU LỰC NGANG 4 

CHƯƠNG 2:  CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN CỌC CHỊU LỰC NGANG 13 

2.1. Phương pháp dự báo sức chịu tải ngang của Brom 13 

2.1.1 Tính toán cọc ngắn 15 

2.1.2 Tính toán cọc dài 19 

2.2. Phương pháp xấp xỉ phản lực nền- Ree & Matlock 27 

2.3. Phương pháp của Davvison&Gill 32 

2.4. Phương pháp hệ số nền: 33 

2.4.1 Phương pháp mô hình Winkler 33 

2.4.2 Phương pháp đường cong P-y: 35 

2.4.3 Xấp xỉ congtinum đàn hồi: 40 

2.4.4 Phương pháp phần tử hữu hạn: 42 

2.5. Kết luận chương 2: 42 

CHƯƠNG 3:  ĐẶC THÙ TÍNH TOÁN CỦA CỌC CHỊU LỰC NGANG TRONG CÔNG TRÌNH CẢNG 44 

3.1. Các đặc thù của công trình Cảng 44 

3.2. Các mô hình thường sử dụng trong tính toán công trình Cảng 45 

3.2.1 Mô hình ngàm cứng 45 

3.2.2 Mô hình ngàm trượt 46 

3.2.3 Mô hình cọc tương đương 47 

3.2.4 Mô hình gối đàn hồi 48 

3.3. Mô hình “cọc-lò xo phi tuyến” 49 

3.4. Kết luận chương 3: 50 

CHƯƠNG 4:  ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH KHO - CẢNG CHỨA LPG LẠNH THỊ VẢI 51 

4.1. Giới thiệu công trình 51 

4.1.1 Tổng quan 51 

4.1.2 Đặc điểm địa chất công trình 51 

4.2. Thí nghiệm nén ngang cọc 55 

4.3. Môâ phỏng cọc bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) – Phần mềm

Plaxis 3D Foundation 58 

4.3.1 Phương pháp PTHH 58 

4.3.2 Giới thiệu về phần mềm Plaxis 60 

4.3.3 Các thông số nhập vào phần mềm 62 

4.4. Mô phỏng cọc bằng phần mềm SAP2000 (áp dụng phương pháp đường cong p-y) 67 

4.5. Đề xuất hiệu chỉnh đường cong p-y cho lớp sét mềm 77 

4.6. Tính toán sự ảnh hưởng của chiều dài tự do đến khả năng chịu lực ngang của cọc 81 

4.7. Kết luận chương 4: 84 

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 85 

KẾT LUẬN 85 

KIẾN NGHỊ 85 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1: Công trình Cảng xăng dầu PETEC – Cái Mép sửû dụng cọc ống thép

D812.8x16.1mm 4 

Hình 1-2: Phần tử tách ra từ dầm-cọc để tính tóan (Theo Hetenyi 1946).[1] 6 

Hình 1-3 Dạng kết quả đạt được từ cách tính của Hetenyi [1] 7 

Hình 1-4 Dạng phân bố phản lực nền trong đất sét theo Broms [2] 8 

Hình 1-5 Mô hình cọc chịu lực ngang theo phương pháp đường cong p-y [1] 10 

Hình 1-6 Dạng đường cong p-y cho đất sét mềm đến cứng theo Matlock [3] 11 

Hình 1-7 Dạng đường cong p-y cho đất cát theo Reese, Cox và Coop [3] 11 

Hình 2-1 Biểu đồ phản lực đất nền và moment uốn dọc thân cọc ngắn trong nền đất dính (đầu cọc tự do) [2] 15 

Hình 2-2 Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc ngắn trong đất dính 16 

Hình 2-3 Biểu đồ ước lượng giá trị lực ngang tới hạn cho cọc ngắn trong đất dính theo Broms [2] 17 

Hình 2-4 Biểu đồ phản lực đất nền và moment uốn dọc thân cọc ngắn trong nền đất rời (đầu cọc tự do) [2] 17 

Hình 2-5 Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc ngắn trong nền đất rời (đầu cọc bị ngàm) [2] 18 

Hình 2-6 Biểu đồ xác định lực ngang tới hạn cho cọc ngắn trong đất cát theo Broms [2] 19 

Hình 2-7 Tính toán cọc dài theo Broms [2] 20 

Hình 2-8 Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc trong đất dính theo Broms (Đầu cọc tự do) [2] 20 

Hình 2-9 Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc dài trong đất dính theo Broms (Đầu cọc bị ngàm) [2] 22 

Hình 2-10 Biểu đồ xác định lực ngang tới hạn cho cọc dài trong đất dính theo Broms.[2] 23 

Hình 2-11 Biểu đồ phản lực nền và moment uốn cọc dài trong nền cát theo Broms (Đầu cọc tự do) [2] 23 

Hình 2-12 Biểu đồ phản lực nền và moment uốn cọc dài trong nền cát theo Broms (đầu cọc bị ngàm) [2] 24 

Hình 2-13 Biểu đồ xác định lực ngang tới hạn cho cọc dài trong nền cát theo Broms.[2] 25 

Hình 2-14 Biểu đồ xác định chuyển vị y0 tại đầu cọc (nền đất dính) [2] 26 

Hình 2-15 Biểu đồ xác định các hệ số tính toán cho cọc chỉ chịu lực ngang (Trường hợp Modul tăng tuyến tính theo chiều sâu và đầu cọc tự do) [1] 28 

Hình 2-16 Biểu đồ xác định các hệ số tính toán cho cọc chỉ chịu moment (Trường hợp Modul đất nềntăng tuyến tính theo chiều sâu và đầu cọc tự do) [1]

Hình 2-20 Các dạng đường cong p-y theo độ sâu [2] 35 

Hình 3-1 Hệ cọc sử dụng trong bến hàng rời tại cảng Năm Căn (Cà Mau) 44 

Hình 3-2 Mô hình cọc –đất bằng liên kết ngàm cứng 45 

Hình 3-3 Mô hình cọc-đất bằng liên kết ngàm trượt 46 

Hình 3-4 Mô hình cọc tương đương 47 

Hình 3-5 Mô hình cọc-đất bằng các gối đàn hồi 48 

Hình 3-6 Mô hình cọc-lò xo phi tuyến [11] 50 

Hình 4-1 Hình ảnh thí nghiệm tại hiện trường 56 

Hình 4-2 Biểu đồ chuyển vị đầu cọc [13] 57 

Hình 4-3 Các dạng hình học đơn giản trong PTHH 58 

Hình 4-4 Cấu trúc phần mềm Plaxis 61 

Hình 4-5 Chuyển vị của cọc sau các lần tăng tải (Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis) 65 

Hình 4-6 Biểu đồ moment dọc thân cọc sau các lần tăng tải (Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis) 66 

Hình 4-7 Các đường cong p-y tại các độ sâu khác nhau trong lớp đất sét 71 

Hình 4-8 Biểu đồ phân bố Pu của lớp sét 72 

Hình 4-9 Các đường cong p-y tại các độ sâu khác nhau trong lớp đất cát 72 

Hình 4-10 Khai báo đường cong p-y vào phần mềm 73 

Hình 4-11 Dạng chuyển vị và nội lực của cọc khi mô phỏng bằng phần mềm SAP2000 theo phương pháp đường cong p-y 73 

Hình 4-12 Biểu đồ chuyển vị của cọc sau các lần tăng tải (Mô phỏng bằng phần mềm SAP2000) 74 

Hình 4-13 Biểu đồ phản lực đất nền (Mô phỏng bằng SAP2000) 74 

Hình 4-14 Biểu đồ moment của cọc (Mô phỏng bằng phần mềm SAP2000) 75 

Hình 4-15 Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị ngang đầu cọc 75 

Hình 4-16 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số α và chuyển vị ngang đầu cọc 78 

Hình 4-17 Đường cong p-y cho lớp sét mềm sau hiệu chỉnh 78 

Hình 4-18 Kết quả chuyển vị dọc thân cọc sau khi hiệu chỉnh đường cong p-y 79 

Hình 4-19 So sánh kết quả tính toán chuyển vị đầu cọc sau hiệu chỉnh đường

cong p-y 79 

Hình 4-20 Biểu đồ moment của cọc sau khi hiệu chỉnh đường cong p-y 80 

Hình 4-21 Sơ đồ tính toán cọc có chiều dài tự do 82 

Hình 4-22 Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài tự do và chuyển vị đầu cọc 83 

Hình 4-23 Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài tự do và phản lực đất nền 83 

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1 Bảng quan hệ giữa hệ số phản lực nền k1 và sức kháng cắt không

thoát nước của đất sét cứng cố kết trước [2] 14 

Bảng 2-2 Bảng xác định giá trị n1 [2] 21 

Bảng 2-3 Bảng xác định giá trị n2 [2] 21 

Bảng 2-4 Giá trị ε50 cho đất sét [3] 36 

Bảng 2-5 Bảng giá trị cho ks [3] 37 

Bảng 4-1 Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp đất số 1 [12] 52 

Bảng 4-2 Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp đất số 2 [12] 53 

Bảng 4-3 Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp kẹp [12] 54 

Bảng 4-4 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm [13] 57 

Bảng 4-5 Bảng tổng hợp số liệu địa chất nhập vào phần mềm 62 

Bảng 4-6 Kết quả tính toán đường cong p-y cho lớp sét mềm tại cao độ 0.0m và -0.5m 68 

Bảng 4-7 Kết quả tính toán đường cong p-y tại cao độ -1.5m và -1.5m 69 

Bảng 4-8 Kết quả tính toán đường cong p-y tại cao độ -3.5m và -4.5m 70 

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

b (m) Bề rộng tiết diện cọccref (kN/m2) Lực dính hữu hiệu của đấtCs - Hệ số hình dáng cọcCu (Kpa) Lực dính không thoát nước của đấtCy - Hệ số tính chuyển vị cọc theo Reese & Matlock

ε50 (%) Biến dạng mẫu ứng với nửa cấp tải trọng phá hoại Ε50 (Kpa) Modul biến dạng ứng với nửa tải trọng phá hoại Ep (Kpa) Modul đàn hồi vật liệu chế tạo cọc

Epy (Kpa) Modul biến dạng đất nền theo phương ngang Es (KN/m2) Độ cứng gối đàn hồi của đất theo phương ngang Hu (KN) Lực ngang tối đa cọc có thể chịu

Ip (m4) Moment quán tính của tiết diện cọck1 (KN/m3) Hệ số phản lực nền

Ka - Hệ số áp lực chủ độngkh (KN/m3) Hệ số phản lực nền theo phương ngang Kp - Hệ số áp lực bị động

kx m/day Hệ số thấm của đất theo phương ngang ky m/day Hệ số thấm của đất theo phương đứngLo (m) Chiều dài tự do của cọc

Ln (m) Chiều dài chịu nén của cọcLu (m) Chiều dài chịu uốn của cọcM (KNm) Moment tác dụng tại đầu cọc

MA (KNm) Moment trong cọc khi chỉ chịu moment MB (KNm) Moment trong cọc khi chỉ chịu lực ngang MF (KNm) Moment của cọc khi bị ngàm và chịu moment Mt (KNm) Moment ngoại lực tác dụng tại đầu cọc Myield (Độ) Moment uốn cho phép của cọc tính theo vật liệu p (KN/m) Phản lực đất nền trêân đơn vị chiều dài

PF (KN) Lực ngang của cọc khi bị ngàm và chịu moment Pu (KN/m) Sức kháng giới hạn cực đại tr6en đơn vị chiều dài cọcPult (KN/m) Sức kháng giới hạn cực đại tr6en đơn vị chiều dài cọcPx (KN) Tải trọng thẳng đứng đầu cọc

Q (KN) Lực tác dụng thẳng đứng tại đầu cọcqu (KN/m2) Sức kháng nén một trục của đấtR28 (Kpa) Cường độ chịu nén của bê tông ở 28 ngày Ri (m4) Moment quán tính của tiết diện cọc

S (Độ) Góc xoay của cọcSA (Độ) Góc xoay cọc khi chỉ chịu momentSB (Độ) Góc xoay cọc khi chỉ chịu lực ngangV (KN) Lực cắt trong cọc

VA (KN) Lực ngang trong cọc khi chỉ chịu moment VB (KN) Lực ngang trong cọc khi chỉ chịu lực ngang Vv (KN) Lực ngang tác dụng lên một phân tố cọc

x (m) Độ sâu điểm đang xéty (m) Chuyển vị của mẫu ứng với nửa tải trọng tới hạn y (m/cm/mm) Chuyển vị ngang của cọc

yA (m) Chuyển vị cọc khi chỉ chịu momentyB (m) Chuyển vị cọc khi chỉ chịu lực ngangyc (m) Chuyển vị của mẫu ứng với nửa tải trọng tới hạn yF (m) Chuyển vị của cọc khi bị ngàm và chịu moment {ys} - Vecto cột chuyển vị

yo (m) Chuyển vị cọc tại mặt đấtγsat kN/m3 Dung trọng riêng bão hòa của đấtγunsat kN/m3 Dung trọng riêng không bão hòa của đất ϕ Độ (o) Góc ma sát trong của đất

ψ Độ (o) Góc giãn nở của đất

MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với xu hướng phát triển của xã hội, các công trình xây dựng ngày càng lớn hơn về số lượng cũng như quy mô công trình phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau của con người Giải pháp nền móng cho những công trình có tải trọng lớn sẽ là các loại móng sâu nhằm tận dụng sức chịu tải của lớp đất tốt phía bên dưới Móng cọc là một trong những loại móng sâu được sử dụng rộng rãi nhất vì tính ưu việt về mặt kỹ thuật cũng như vấn đề kinh tế của nó Móng cọc ngoài nhiệm vụ gánh đỡ tải trọng đứng còn phải tiếp nhận tải trọng ngang rất lớn đến từ nhiều nguồn khác nhau như tải gió, tải sóng, tải va tàu, tải neo tàu, động đất hay áp lực của mái dốc đất…

Vấn đề tính toán cọc chịu lực ngang thì rất phức tạp và có rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến lĩnh vực này, tuy nhiên mỗi tác giả có một quan điểm tính toán khác nhau nên việc lựa chọn phương pháp của tác giả nào để áp dụng cho bài toán thực tế đòi hỏi người thiết kế phải có sự hiểu biết rõ về các phương pháp đó Các kỹ sư thiết kế cảng hiện nay thường sử dụng mô hình khung phẳng hoặc khung không gian để giải quyết bài toán nội lực trong cọc và dầm bản, tuy nhiên việc đưa các chiều dài tính toán của cọc vào mô hình tính toán theo nhiều cách nên cần có sự đánh giá các phương pháp đó nhằm tìm ra phương pháp tối ưu nhất cho việc tính toán

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Trong công tác tính toán nội lực cho các công trình Cảng trên nền cọc hiện nay chủ yếu sử dụng phần mềm Sap2000 để mô hình cho cả hệ công trình và cọc Tuy nhiên có nhiều cách mô hình cho phần cọc trong đất theo nhiều cách như: Mô hình cọc ngàm tại một điểm giả định trong đất, mô hình một gối cứng

thẳng đứng và một gối ngang, mô hình các gối lò xo theo phương thẳng đứng và phương ngang, mô hình các gối lò xo dọc theo thân cọc Tuy nhiên vẫn chưa có sự đánh giá kết quả tính toán từ các mô hình này Do đó đề tài “Phân tích chuyển vị và nội lực của cọc chịu lực ngang trong công trình Cảng” sẽ phân tích nhằm tìm ra mô hình cọc-đất- công trình phù hợp để phục vụ tính toán các công trình bến trên nền cọc

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp các nghiên cứu đã có về ứng xử của cọc khi chịu tải trọng ngang

Thí nghiệm hiện trường trên cọc đơn chịu tải trọng ngang Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation đđể mơ phỏng thí nghiệm nén ngang cọc, tiếp đĩ sử dụng phần mềm tính toán kết cấu Sap2000 V.14.2 để tính toán cọc đơn chịu lực ngang theo phương pháp đường cong p-y So sánh kết quả của các phương pháp tính so với kết quả thực tế rồi rút ra kết luận

Tiến hành hiệu chuẩn số liệu đầu vào cho đường cong p-y để có kết quả tính toán phù hợp với kết quả thí nghiệm hiện trường

TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Hướng nghiên cứu của tác giả về ứng xử của cọc khi chịu tải trọng ngang phù hợp với xu hướng nghiên cứu móng cọc của Việt Nam cũng như trên Thế Giới

Nghiên cứu giúp cho các kỹ sư thiết kế có sự lựa chọn mô hình tính toán cọc chịu lực ngang phù hợp để áp dụng tính toán cho các bài toán móng cọc

TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Việc sử dụng các phần mềm tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn đang phát triển rất nhanh, kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp người

thiết kế chọn lựa được mô hình tính toán phù hợp cho mỗi phần mềm nhằm tìm ra được ứng xử phù hợp với thực tế làm việc của cọc, tận dụng được tối đa sự làm việc của cọc giúp giảm kinh phí xây dựng mà công trình vẫn đảm bảo an toàn

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài không xét đến hiệu ứng của nhóm cọc khi giải bài toán khung phẳng và khung không gian

Việc tính toán mới chỉ dừng lại ở ứng xử của cọc khi chịu tải ngang tĩnh Đề tài chỉ hiệu chỉnh đường cong p-y cho lớp đất tại một khu vực

Kết quả thí nghiệm hiện trường chưa thực hiện được cho cọc có chiều dài tự do lớn, chưa có thiết bị theo dõi chuyển vị cũng như ứng suất dọc thân cọc

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỌC CHỊU LỰC

NGANG

Việc ứng dụng cọc vào các công trình chịu tải trọng ngang đã được ứng dụng rộng rãi từ rất lâu, cùng với đó là các công trình nghiên cứu của rất nhiều các tác giả trên Thế Giới Tiêu biểu là các công trình nghiên cứu của Hetenyi (1946), Terzaghi (1955), Broms (1964), Reese (1984), Duncan (1994)…

Đối với móng cọc chịu tải trọng ngang, các yếu tố quan trọng sau đây là ảnh hưởng chính:

¾ Sức kháng của đất nền xung quanh cọc ¾ Liên kết đầu cọc

¾ Loại tải trọng tác dụng

Hình 1-1: Công trình Cảng xăng dầu PETEC – Cái Mép sửû dụng cọc ống thép

D812.8x16.1mm

Việc tính toán cọc chịu lực ngang chủ yếu dựa vào các công thức kinh nghiệm thiết lập trên các thí nghiệm mô hình cọc-đất trong phòng thí nghiệm hay các thí nghiệm thực tế ngoài hiện trường

Có nhiều phương pháp tính tải trọng ngang của cọc như phương pháp dự báo của Broms; Meyerhof; Reese-Matlock; cọc chịu tải ngang theo TCVN 205:1998 và hiện nay đang thông dụng nhất là cách tính toán cọc chịu lực ngang theo phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp cổ điển nhất là của Hetenyi 1946 xem cọc và đất là vật liệu đàn hồi, mô hình đơn giản này đã được sử dụng rất rộng rãi Tác giả đã sử dụng những giả thiết sau để giải quyết bài toán: [1]

¾ Cọc thẳng và có tiết diện không đổi theo chiều dài, ¾ Lực tác dụng và phản lực cùng nằm trong một mặt phảng, ¾ Vật liệu chế tạo cọc là đồng nhất và đẳng hướng,

¾ Sức chịu tải theo vật liệu của cọc lớn hơn sức chịu tải theo đất nền, ¾ Modul đàn hồi của vật liệu làm cọc giống nhau cho cả trường hợp

chịu kéo và chịu nén, ¾ Chuyển vị ngang của cọc là nhỏ, ¾ Cọc không chịu tải động,

¾ Chuyển vị do lực cắt gây ra là nhỏ

Hình 1-2: Phần tử tách ra từ dầm-cọc để tính tóan (Theo Hetenyi 1946).[1]

Từ sự phân tích lực như hình trên, lập phương trình cân bằng moment ta có

(M dM+ )−M P dy V dx+ x − v =0 (1.1) Hay

p

Hình 1-3 Dạng kết quả đạt được từ cách tính của Hetenyi [1]

Năm 1955 Terzaghi đề xuất giá trị modul cho đđất nền nhằm phục vụ tính toán chuyển vị và moment uốn của cọc và ông cũng khuyến cáo rằng những giá trị modul đđược cho trong bảng chỉ thích hợp cho trường hợp tải trọng ngang nhỏ bằng một nửa sức chịu tải của đđất nền

Mô hình này được tiếp tục phát triển bởi Poulos và các cộng sự như Davis 1980 và Hull 1989 Các tác giả đã thêm vào các thông số của cọc và xét một số trường hợp cọc đơn chịu lực ngang và cả sự tương tác giữa các cọc trong nhóm

Phương pháp này cũng gây được sự chú ý nhưng nó vẫn chưa rõ ràng khi tính toán những chuyển vị lớn hơn

Tương tự như mô hình trên, cũng xem cọc là đàn hồi nhưng được đặt vào trong nền đất theo mô hình phần tử hữu hạn, Yegian& Wright 1973 và Thompson 1977 đã đề xuất mô hình với hai thông số Các tác giả sử dụng mô hình mặt phẳng ứng suất và thu được các đường cong ứng xử của đất gần giống với kết quả từ thí nghiệm mô hình Gần đây hơn là Portugal & Seco e Pinto 1993 sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dựa vào đường cong p-y và cũng thu được những kết quả rất tốt trong việc dự đoán ứng xử của các cọc trong móng cầu Portuguese

Broms 1964 giả thiết sự phân bố sức kháng cắt không thoát nước của đất rời tăng tuyến tính theo độ sâu và đất dính có sức kháng cắt không thay đổi theo chiều sâu Tùy vào điều kiện biên của đầu cọc (ngàm hay tự do) sẽ thiết lập được các công thức tính lực ngang giới hạn từ các phương trình cân bằng lực và moment

Hình 1-4 Dạng phân bố phản lực nền trong đất sét theo Broms [2]

Theo cách này có thể dễ dàng ước lượng được sức chịu tải ngang của cọc khi đi qua lớp đất nền đồng nhất Tuy nhiên thực tế cọc có thể sẽ đi qua nhiều lớp đất khác nhau và cũng không phải là đất dính hay rời hoàn toàn nên việc áp

dụng phương pháp này vào thực tế còn hạn chế Mặt khác đây là phương pháp chỉ ước lượng được sức chịu tải ngang, chuyển vị ngang tại mặt đất, không cho các giá trị chuyển vị và nội lực tại các điểm dọc thân cọc Mặc dù còn nhiều hạn chế nhưng phương pháp này vẫn thường được sử dụng vì sự đơn giản, đặc biệt là khi tính toán cho các cọc ngắn cho kết quả đáng tin cậy Do vậy người ta vẫn thường sử dụng nó để kiểm toán các kết quả tính toán được từ phương pháp đường cong p-y

Duncan 1994 đề xuất phương pháp đặc trưng của tải trọng(CLM), có thể dùng để giải quyết các vấn đề như: Chuyển vị tại mặt đất của cọc chịu lực ngang cho cả trường hợp đầu cọc tự do và bị ngàm chuyển vị tại mặt đất của cọc khi chịu moment tại mặt đất Dạng phương trình tính toán cho cọc trong đất sét như sau: [1]

0.682

Cu: Sức kháng cắt không thoát nước của đất Endley 1997 cũng dựa trên việc điều chỉnh đường cong p-y để phát triển phương trình giống như Duncan nhưng có thể sử dụng cho nhiều loại đất khác nhau, áp dụng được cho cả cọc ngắn cũng như cọc dài

Tuy nhiên phương pháp được đánh giá cao vì tính chính xác và khả năng phát triển mạnh nhất là phương pháp đường cong p-y Phương pháp này được phát triển từ những năm 1940 nhằm phục vụ tính toán móng cọc cho giàn khoan

chịu tải trọng lớn từ sóng, gió ngoài khơi Đất nền xung quanh cọc được thay thế bởi cơ chế đơn giản là phản lực đất p là một hàm phi tuyến với chuyển vị của cọc y Nghiên cứu mô hình này phải kể đến các tác giả như Timoshenko 1941, Reese& Matlock 1956, McClelland& Focht 1958, Poulos& Davis 1980, Reese 1984…Phương pháp này hiện nay đang phát triển rất mạnh nhờ vào sự hỗ trợ của máy tính thông minh có thể giải quyết bài toán nhanh chóng và chính xác

Hình 1-5 Mô hình cọc chịu lực ngang theo phương pháp đường cong p-y [1]

Một dạng phương trình đường cong được thiết lập dựa vào thí nghiệm bàn nén hiện trường theo Matlock như sau: [3]

Hình 1-6 Dạng đường cong p-y cho đất sét mềm đến cứng theo Matlock [3]

Hình 1-7 Dạng đường cong p-y cho đất cát theo Reese, Cox và Coop [3]

Phương pháp đường cong p-y này hiện nay đang được ứng dụng vào nhiều phần mềm tính toán cọc như COMP624-P, LATPILE.UBC, FB-Pier… được phổ biến rộng khắp trên khắp Thế giới, đem lại sự tiện dụng cho người dùng và cho các kết quả đáng tin cậy

Ơû Việt Nam, trước đây việc nghiên cứu cọc chịu lực ngang thường dựa vào các nghiên cứu và tiêu chuẩn của Liên Xô cũ như SINP II – 17 – 77, SINP 2.02.03.85 (Móng cọc), SINP 2.02.01.83 (Nền và móng công trình) và các tiêu chuẩn xây dựng về tính toán cọc của Việt Nam cũng dựa trên các tiêu chuẩn trên

Ngày nay với sự hội nhập mạnh mẽ, các tác giả nghiên cứu của Việt Nam đã tiếp cận được nhiều trường phái tính toán cọc khác nhau đem lại màu sắc tươi mới hơn cho lĩnh vực nghiên cứu này Tiêu chuẩn tính toán móng cọc của nước ta cũng có tham khảo các tiêu chuẩn tính toán của châu Aâu như BS 8004-1986 (Móng) hay tiêu chuẩn thử cọc của Hoa Kỳ ASTM D4945:1989…

Việc nghiên cứu móng cọc chịu tải trọng ngang có các tác giả nổi tiếng như GS Dương Quang Thành với “Tính toán móng cọc đài mềm theo phương pháp chuyền chuyển vị” (1968), GS TS Lê Đức Thắng với “Tính toán móng cọc đài mềm theo phương pháp chính xác” (1970) [4], PGS TS Nguyễn Bá Kế, TS Phan Dũng, KS Ngô Bá Liên…

Các kết quả nghiên cứu của các tác giả cùng với sự phát triển mạnh mẽ các phần mềm máy tính chuyên dụng đã góp phần rất lớn vào việc giúp cho các kỹ sư thiết kế tiếp cận với nhiều phương pháp tính toán và nắm vững cách thiết kế móng cọc chịu lực ngang

Tuy nhiên điều kiện kinh tế nước ta còn hạn chế, kinh phí cho nghiên cứu khoa học chưa được đầu tư nhiều nên các nghiên cứu tốn kém về hiệu ứng nhóm cọc hay lắp đặt các sensor trong thân cọc thí nghiệm vẫn ít được thực hiện

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN CỌC CHỊU LỰC

NGANG 2.1 Phương pháp dự báo sức chịu tải ngang của Brom

Bằng nhiều thực nghiệm Broms đã tóm tắt ứng xử cọc chịu tải ngang gồm loại đầu cọc ngàm vào đài cứng và đầu cọc tự do trong 2 loại nền:

¾ Nền đất dính chỉ có sức chống cắt không thoát nước(cu≠0,φu=0) ¾ Nền đất rời chỉ có sức chống cắt thoát nước (c’=0,φ’≠0)

Các đặc điểm moment của cọc chịu tải ngang trong nền đất dính và đất rời gần giống nhau, nhưng áp lực đất lên cọc trong nền rời thay đổi theo chiều sâu

Tất cả các thực nghiệm đều cho thấy các cọc dài chịu tải ngang, có khớp dẻo, moment uốn trong cọc sau khi đạt cực đại đều có khuynh hướng giảm dần theo chiều sâu

Phương pháp của Broms chỉ áp dụng cho các loại cọc chịu tải trọng tức thời và giả thiết nền đất chỉ là dính hoặc chỉ là rời nên còn nhiều hạn chế

Việc tính toán cọc theo phương pháp Broms phải chia cọc làm 2 loại là cọc ngắn cứng và cọc dài dẻo Tùy vào đất dính hay đất rời mà có cách phân loại khác nhau

Trong đó :

k là hệ số phản lực nền theo phương ngang, được lấy bằng k1 (modul của đất trong thí nghiệm bàn nén hiện trường với đường kính bàn nén 300mm) trong nền đất có modul không đổi theo chiều sâu, và được lấy bằng giá trị trung bình của k1 trong khoảng lớn hơn 0.8âL trong nền có k1 tăng tuyến tính theo chiều sâu

thoát nước của đất sét cứng cố kết trước [2]

Dẻo cứng đến rắn Rắn đến rất rắn Cứng

B bề rộng cọc Epile là modul đàn hồi của vật liệu chế tạo cọc Ipile là moment quán tính chống uốn của tiết diện cọc Phân loại cọc như sau :

Cọc có đầu tự do : βâL < 1.5 ⇒ Cọc ngắn

Cọc có đầu ngàm : βâL < 0.5 ⇒ Cọc ngắn

βâL > 1.5 ⇒ Cọc dài

Trong đất rời:

Broms đã thay độ võng của cọc chịu tải trọng ngang trong đất rời bằng một độ sâu không thứ nguyên ηL với η được tính như sau : [2]

pile pilenE I

Trong đó : nh là modul biến dạng ngang của đất trong thí nghiệm nén ngang tại hiện trường Có thể tham khảo giá trị nh từ 350 – 700 KN/m3 với đất sét cố kết thường và nh=150KN/m3 nếu là sét hữa cơ mềm

Phân loại cọc :

ηL<2 ⇒ Cọc ngắn

ηL>4 ⇒ Cọc dài

2.1.1 Tính toán cọc ngắn

a Tính toán cọc ngắn trong nền sét

Cọc có đầu tự do [2]

Hình 2-1 Biểu đồ phản lực đất nền và moment uốn dọc thân cọc ngắn trong nền

đất dính (đầu cọc tự do) [2]

Khoảng cách từ điểm có phản lực đất nền đến điểm có lực cắt trong thân cọc bằng không

Moment tại điểm có lực cắt bằng không chính là moment cực đại Mmax

Moment do phản lực đất nền phía trên điểm f (gồm phản lực nền và lực ngang Hu gây ra)

M1= Hu (e+1.5B+f)-9cu.B.f.0.5f= Hu (e+1.5B+0.5f) (2.4) Moment do phản lực đất nền phía dưới điểm f (chỉ có phản lực nền gây ra)

M2= -1/2.g.9cuB.1/4g + 1/2g.9cuB.3/4g=2,25.g.B2cu (2.5) Mà Mmax=M1=M2

Bg cH

kBL

+

Cọc có đầu ngàm : [15]

Hình 2-2 Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc ngắn trong đất dính

(đầu cọc ngàm trong đài) [2]

Khoảng cách từ điểm có phản lực đất nền đến điểm có lực cắt trong thân cọc bằng không

Moment tại ngàm chính là moment cực đại Mmax

Mmax=(L-1,5B).9cu.B.[1,5B+1/2(L-1.5B)]=4,5B.cu(L2–2,25B2) (2.9) Lực ngang giới hạn được xác định bằng cách cân bằng lực ngang trong hệ

Hy

b Tính toán cọc ngắn trong nền đất rời

Cọc có đầu tự do: [2]

Hình 2-4 Biểu đồ phản lực đất nền và moment uốn dọc thân cọc ngắn trong nền

đất rời (đầu cọc tự do) [2]

Phản lực đất nền được tính với Kp = (1+sinφ)/(1-sinφ)( 2.12) và thay thế phần áp lực bị động dưới chân cọc bằng 1 lực P

Moment tại chân cọc bằng 0 nên ta có

BL KH

BK

γ

Moment tại điểm có lực cắt bằng không chính là moment cực đại Mmax

Moment do phản lực đất nền phía trên điểm f và lực ngang Hu

M1= Hu (e+f)-3B γ.f.Kp.f.1/3f = Hu (e+1/3f) (2.16) Chuyển vị của cọc tại mặt đất được tính theo công thức sau

Ly

+

Cọc có đầu ngàm : [2]

Hình 2-5 Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc ngắn trong nền đất rời

(đầu cọc bị ngàm) [2]

Cân bằng lực ngang cho hệ ta được

Moment lớn nhất trong cọc xuất hiện tại điểm ngàm

Mmax = 0.5L.3B γ.L.2/3L = B.L3 γ.Kp (2.19) Chuyển vị của cọc tại mặt đất được tính theo công thức

0 2

2

h

Hy

2.1.2 Tính toán cọc dài

Trong cọc dài, phản lực nền thay đổi bất định theo chiều sâu do đó để tính toán lực ngang cực hạn ta phải dựa vào moment cực hạn Myield mà cọc có thể

chịu được Theo cách này ta giả thiết tại điểm cách mặt đất đoạn zf là điểm ngàm giả định của cọc trong đất

Hình 2-7 Tính toán cọc dài theo Broms [2]

Do đó lực ngang giới hạn được tính như sau [2]

Với cọc có đầu tự do : Hu = Myield/(e+zf) (2.21) Với cọc có đầu bị ngàm: Hu = 2Myield/(e+zf) (2.22) a Tính toán cọc dài trong nền sét

Cọc có đầu tự do : [2]

Hình 2-8 Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc trong đất dính theo

Broms (Đầu cọc tự do) [2]

Bằng cách xác định điểm có lực cắt triệt tiêu trong thân cọc như đối với cọc ngắn ta có

f=Hu/9cuB (2.23) Moment cực đại trong thân cọc

MH

0.52

pile pileK BE I

K0 là hệ số phản lực đất nền, K0 = 0.305k1 = 1.67E50

Hoặc tính theo công thức α= n1.n2 trong đó n1 và n2 là các hệ số không thứ nguyên được xác định dựa vào sức kháng cắt của đất và vật liệu chế tạo cọc

>107 0.40

Vật liệu chế tạo cọcn2

Cọc có đầu bị ngàm : [2]

Hình 2-9 Biểu đồ phản lực nền và moment dọc thân cọc dài trong đất dính theo

Broms (Đầu cọc bị ngàm) [2]

Tính toán tương tự như cọc có đầu tự do ta có

MH

k B

β∞

Chú ý : Cũng có thể tính Hu dựa vào phương pháp tra biểu đồ đã được Broms thiết lập sẵn như sau:

Hình 2-10 Biểu đồ xác định lực ngang tới hạn cho cọc dài trong đất dính theo

Broms.[2]

b Tính toán cọc dài trong nền cát

Cọc có đầu tự do : [2]

Hình 2-11 Biểu đồ phản lực nền và moment uốn cọc dài trong nền cát theo Broms

(Đầu cọc tự do) [2]

Từ phương trình cân bằng lực tại vị trí lực cắt trong thân cọc bằng 0

Hu = 0.5f.3B.γ.f.Kp ⇒ 0.82 u

p

Hf

yieldu

MH

y

EI

ηη

+

Cọc có đầu bị ngàm : [2]

Hình 2-12 Biểu đồ phản lực nền và moment uốn cọc dài trong nền cát theo Broms

(đầu cọc bị ngàm) [2]

Từ phương trình cân bằng lực tại vị trí lực cắt trong thân cọc bằng 0

Hu = 0.5f.3B.γ f.Kp ⇒ 0.82 u

p

Hf

BK

γ