Phân tích sự tác động tương hỗ giữa đất và tường cọc bản ngàm trong nền đất cát

PHÂN TÍCH SỰ TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ GIỮA ĐẤT VÀ TƯỜNG CỌC BẢN NGÀM TRONG NỀN ĐẤT CÁT CANTILIVER SHEET PILING WALL DESIGN IN SAND BY THE SOIL-STRUCTURE INTERACTION METHOD (SSI) OF ANALYSIS Lê Văn Pha Văn Hữu Huệ* Ủy ban nhân dân quận 5, Tp.Hồ Chí Minh, Việt Nam *Sở Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn, tỉnh Vĩnh Long, Việt Nam BẢN TĨM TẮT Tường cọc (TCB) ngàm đất kết cấu phổ biến để bảo vệ cơng trình chống xói lở bờ sơng Phương pháp tính tốn xác định chiều sâu chơn cọc tối thiểu TCB phổ biến trường hợp tốn đơn giản phương pháp cân giới hạn dựa lý thuyết áp lực đất Coulomb dùng phương pháp giải tích để giải (LEM) Một phương pháp tính tốn khác tính tốn có xét đến làm việc đồng thời đất TCB Ngồi việc kiểm tra ổn định TCB, kết tính tốn cho ta dự đốn mức độ biến dạng chuyển vị TCB đất với trợ giúp phần mềm PLAXIS 7.2 ABSTRACT Cantiliver sheet pile wall is very public structure which is used to security the contruction and to prevent erosion of riverside The classical method which is used to denite the minimized depth of required penetration of sheet pile in simple condition is the limited equibirium method (LEM) based on Coulomb’s earth pressure theory and used algebraic method to solve An other method to solve this problem is the soil-structure interaction method (SSI) of analysis Beside of controlling stability of sheet pile wall, this method gives us to predict deformation of sheet pile wall and the soil Plaxis 7.2 software is used to analysis soil-structure interaction MỤC ĐÍCH BÀI TỐN, CÁC GIẢ THIẾT BAN ĐẦU VÀ ĐIỀU KIỆN CỤ THỂ CỦA BÀI TỐN 1.2.1.Các giả thiết chung cho phương pháp tính: - Đất đồng đẳng hướng; mặt đất nằm ngang; cân áp lực thuỷ tĩnh trước sau tường.TCB vật liệu bê tơng cốt thép - Để so sánh kết ta khơng đưa vào hệ số an tồn 1.1.Mục đích tốn Tính tốn TCB dạng ngàm đầu tự phương pháp giải tích dựa lý thuyết áp lực đất Coulomb (LEM) phương pháp SSI với việc sử dụng phần mềm PLAXIS 7.2 để tính tốn Phân tích kết thu nhận từ phương pháp tính Ngồi nghiên cứu ảnh hưởng chuyển vị nội lực phát sinh TCB thay đổi thơng số TCB đất 1.2.2 Các giả thiết riêng 1.2.1.1.Trường hợp giải phương pháp LEM - Xét tốn trạng thái cân giới hạn TCB vật liệu tuyệt đối cứng 1.2.1.2 Trường hợp giải FEM sử dụng PLAXIS 7.2 - TCB vật liệu đàn hồi chịu uốn; 1.2 Các giả thiết ban đầu 703 - Đất vật liệu đàn hồi dẻo, ứng xử đất tn theo qui luật Hardening soil p2= p1+ (γsat-10)*L2*ka = (8,71+9,33*3*0,274) = 16,37kN/m2 Đặt A= (γsat-10)(kp-ka) =( 19,33-10)(7,5740,274)= 68,11 p 16,37 L3 = = ≈ 0,24m A 68,11 Tính lực P: p L pL L P = 1 + p1 L2 + ( p − p1 ) + 2 16,37 * 0.24 8,71* = + 8,71* + (16,37 − 8,71) * + 2 = 48,29kN 1.3 Điều kiện cụ thể tốn Bài tốn cơng trình TCB bảo vệ cơng trình ven sơng, có kích thước hình Mực nước ngầm cách mặt đất 2m Đất xem đồng nhất, đẳng hướng có lực dính c=0; góc ma sát ϕ = 320; trọng lượng riêng tự nhiên γw=15,9kN/m3 trọng lượng riêng bảo hòa γsat =19,33kN/m3 Góc ma sát đất tường δ=220 (hệ số Rinter=0.67) Tìm Z* từ phương trình (1) sau: p1 L1 L * ( L2 + L3 + L1 ) + p1 L ( + L3 ) + L L ⎛L ⎞ ( p − p1 ) ⎜ + L3 ⎟ + p L3 − PZ * = ⎝ 3 ⎠ A Cát c = Neo l1= 1m ϕ = 32° γ = 15.9 κN/m3 L = 2m l2 =1m C MNN p = 8.17kN/m2 L = 8m Thế số liệu vào phương trình (1), ta có: Z*=1,95m Tính p5: p5 = [γL1 + (γ sat − 10)L2 ] k p + A * L3 P z* p2= 29.16kN/m D Cát c = ϕ = 32° γsat = 19.33 κN/m E L = 0.43m p5 = 469,20kN / m γ'(kp - ka) Lập phương trình xác định L4 L = 1.7m B (1) p5 = 6,89 A 8P α2 = = 5,67 A P 2Z * A + p α3 = = 44,85 A2 P 6Z * p5 + P α4 = = 57,16 A2 p = 149.98 kN/m2 α1 = Hình 2.GIẢI BÀI TỐN [ 2.1 Theo phương pháp cân giới hạn dựa lý thuyết áp lực đất Coulomb (LEM) ( Trình tự giải tốn theo LEM trình bày tài liệu [1],[4] Hệ số áp lực chủ động bị động: ] ) Phương trình xác định L4 L44 + 6,89 L34 − 5,67 L24 − 44,85 L4 − 57,16 = (2) Bằng cách tính tốn dần ta xác định sin (90 + ϕ ) ka = = 0,274; L =3,00m ⎡ sin(ϕ + δ ) sin ϕ ⎤ Chiều sâu chơn cọc D sin(90 − δ ) ⎢1 + ⎥ sin( 90 − ) δ D=L 3+L4=0,24+3,00=3,24m ⎣ ⎦ Lấy D=3,3m để tính tốn Tìm giá trị p4, p3, L5: sin (90 − ϕ ) = 7,574 p = p5 + A * L4 = 657,18kN / m ⎡ sin(ϕ + δ ) sin ϕ ⎤ p3 = A * L4 = 204,33kN / m sin(90 + δ ) ⎢1 − ⎥ sin(90 + δ ) ⎦ ⎣ p L − 2P L5 = = 0,6m p + p p1= γ*L1*ka =15,9*2*0,274 = 8,71kN/m2 kp = 704 Tìm vị trí z’ có giá trị mơmen cực đại Mmax: 2P z' = = 1,19m A Vị trí Mmax tính từ đầu cọc: L1+L2+L3+z’ = 2+3+0.24+1.19 = 6,43m Bằng cách tăng dần D, xác định chiều sâu chơn cọc tối thiểu tính theo SSI D= 3,9m (xem bảng 2) Bảng Chiều sâu chơn cọc D (m) 3,30 3,60 3,90 145,37 6,70 21,63 -1,00 Khơng ổn định Tìm giá trị Mmax theo cơng thức sau: M max = P (z * + z ') − A * z , 2 = 48,29 * (1,95 + 1,19) − 68,11 * 1,19 2 = 103,40kNm Đơn vị tính kNm m cm cm Khơng ổn định Thơng số Mmax z uđ uch Ghi chú: z: vị trí tính từ đầu cọc có Mmax uđ: chuyển vị ngang đầu cọc uch: chuyển vị ngang chân cọc đơn vị tính giống tồn báo Đồ thị áp lực đất tác dụng lên TCB tính theo phương pháp thể hình 2.2 Theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm PLAXIS 7.2 Để tính tốn FEM, ta cần xác định thêm số thơng số vật liệu sau: - Cọc BTCT mác 400 có Ebt=3.5*107kN/m2 Xem TCB có tiết diện chữ nhật cạnh dài 1m (bài tốn phẳng), cạnh ngắn d Với kết nội lực phát sinh tìm LEM phù hợp với điều kiện TCB tuyệt đối cứng, ta chọn d=0,35m - Đất làm việc theo mơ hình Hardening Soil; tính điều kiện nước Các thơng số chọn sau: Đường áp lực đất theo SSI Đường áp lực đất theo LEM 5m P1 =17.12 kN/m2 P2 =113.97 kN/m2 3.3 m Bảng Thơng số γw γsat E ref 50 Lực dính c Góc ma sát ϕ Góc dãn nở ψ Số mũ m Tỉ số phá hoại Đơn vị tính kN/m3 kN/m3 kN/m2 Giá trị 15,90 19,33 30.000 kN/m2 độ 32 độ - 0,65 0,9 0.6 m P2 =657.14 kN/m2 P3 =204.33 kN/m2 0.6 m Hình Theo [4] để khối đất trước tường đạt trạng thái chủ động mức độ chuyển vị từ (0,001÷0,005)H H chiều cao tường Với chiều cao tường 5m, độ dịch chuyển đầu cọc khoảng 25mm Với mức độ chuyển dịch đầu cọc tính tốn (21,63cm) đất trước tường đạt trạng thái chủ động Nhận xét: -Áp lực đất khơng phân bố tuyến tính giả thiết tính tốn theo phương pháp LEM -Áp lực đất đoạn cọc ngàm đất tính theo SSI khác biệt lớn so với LEM Các giá trị khác theo cơng thức giá trị mặc định phần mềm PLAXIS 7.2 Phân lưới loại mịn (very fine) 2.2.1 Xác định độ sâu chơn cọc tối thiểu D 2.2.2 Phân tích ảnh hưởng thay đổi E50 Qua tính tốn TCB phương pháp SSI cho thấy chiều sâu chơn cọc tối thiểu để cọc ổn định lớn so với cách tính theo LEM Để nghiên cứu ảnh hưởng khả biến dạng đất lên nội lực chuyển vị 705 Ghi E: mơ đun biến dạng bê tơng; Acọc: diện tích tiết diện ngang cọc; Icọc: mơ men kháng uốn cọc TCB ta giữ cố định thơng số đầu vào TCB tiêu lý khác đất thay đổi giá trị E50 Ta chọn d=0,35m để tính tốn Kết tính tốn thay đổi E50 theo bảng Bảng 35 uđ (cm) 30 Mmax z uđ uch Giá trị 20 Khơng ổn định Thơng số E 25 144,8 6,70 27,78 -1,30 ref 50 25 (10 kN/m ) 30 145,3 6,70 21,63 -1,08 35 145,5 6,70 21,25 -0,93 20 15 40 146,4 6,70 20,35 -0,90 10 -5 25 25 30 35 40 d (cm) Hình Đồ thị biểu diễn thay đổi uđ uch theo độ cứng cọc d u đ (cm) 30 uch (cm) 20 Nhận xét: Khi độ cứng TCB tăng dần thì: -Mmax có xu hướng giảm có xu hướng đạt giá trị ổn định -Chuyển vị đầu cọc chuyển vị chân cọc giảm đạt giá trị ổn định 15 u ch (cm) 10 -5 25 30 ref E 50 35 40 (10 kN/m ) 2.2.4.Nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi độ sâu chơn cọc D Hình Đồ thị biểu diễn thay đổi uđ uch ref theo E50 Tương tự hai trường hợp ta giữ khơng đổi thơng số đầu vào thay đổi độ sâu chơn cọc D Trường hợp tương tự tính tốn theo LEM, sau tìm D theo lý thuyết, nhiều tác giả đề nghị lấy D thiết kế (1,2÷1,5)D lý thuyết Kết tính tốn trình bày bảng hình ref Nhận xét: Khi E50 tăng dần: - Mmax tăng lên khơng thay đổi đáng kể -Chuyển vị đầu cọc chân cọc giảm dần 2.2.3 Phân tích ảnh hưởng thay đổi độ cứng TCB Tương tự trường hợp ta cho thay đổi độ cứng (d) TCB thơng số đầu vào đất khơng thay đổi Kết tính tốn độ cứng TCB trình bày bảng hình Bảng Giá trị chiều cao tiết diện cọc d (m) 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 7,0E6 8,7Ẽ6 1,0Ẽ7 1,2Ẽ7 1,4E7 2,3E4 4,5E4 7,8E4 1,3Ẻ5 1,9E5 149,2 145,9 145,4 145,2 6,70 6,70 6,70 6,70 29,77 27,70 21,63 21,25 -1,18 -1,15 -1,08 -1,06 Khơng ổn định Thơng số EbtAcọc EbtIcọc Mmax z uđ uch Bảng Giá trị chiều sâu chơn cọc D (m) Thơng số 3,90 4,50 4,80 5,10 5,40 Mmax 149,2 156,7 156,7 155,8 154,3 z 6,70 6,80 6,80 6,80 6,80 uđ 29,77 14,26 13,03 11,85 11,63 uch -1,15 -0,40 -0,26 -0,15 -0,13 706 - Chiều sâu chơn cọc tối thiểu D tính theo SSI cho thấy phụ thuộc vào loại đất độ cứng cọc có giá trị lớn tính theo LEM - Các nội lực phát sinh TCB lực neo tính theo SSI có giá trị lớn so với tính theo LEM - Đối với loại đất định, cần tính tốn tối ưu độ cứng cọc chiều sâu chơn cọc hợp lý nhằm đảm bảo an tồn cơng trình tính kinh tế (khơng nên tăng q lớn độ cứng tăng chiều sâu chơn cọc) 35 30 25 uđ (cm) 20 15 10 uch (cm) -5 3.9 4.5 4.8 5.1 5.4 D (m) Hình Đồ thị biểu diễn thay đổi uđ uch theo độ sâu chơn cọc D TÀI LIỆU THAM KHẢO Nhận xét: Khi D tăng dần: - Mmax có xu hướng tăng lên sau đạt giá trị ổn định - Chuyển vị đầu cọc chân cọc có xu hướng giảm đạt ổn định Châu Ngọc Ẩn :(2005), Nền móng, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM Pierre Lareal, Nguyễn Thanh Long, Lê Bá Lương : (2001), Cơng trình đất yếu điều kiện Việt nam, NXB Xây dựng John N Cernica:(2000), Foundation Design, Wiley Braja M.Das:(1984), Principle of foundation engineering, PWS-KENT Publishing Company NHẬN XÉT CHUNG - Khi xét đến làm việc đồng thời TCB đất nền, chuyển vị, nội lực phát sinh cọc biến dạng đất có mối liên hệ với 707 ... tính tốn (21,63cm) đất trước tường đạt trạng thái chủ động Nhận xét: -Áp lực đất khơng phân bố tuyến tính giả thiết tính tốn theo phương pháp LEM -Áp lực đất đoạn cọc ngàm đất tính theo SSI khác... dạng đất lên nội lực chuyển vị 705 Ghi E: mơ đun biến dạng bê tơng; Acọc: diện tích tiết diện ngang cọc; Icọc: mơ men kháng uốn cọc TCB ta giữ cố định thơng số đầu vào TCB tiêu lý khác đất thay... để khối đất trước tường đạt trạng thái chủ động mức độ chuyển vị từ (0,001÷0,005)H H chiều cao tường Với chiều cao tường 5m, độ dịch chuyển đầu cọc khoảng 25mm Với mức độ chuyển dịch đầu cọc tính