Nội dung bài báo này tập trung vào việc phân tích so sánh trạng thái ứng suất của đài cọc của móng cọc khoan nhồi ứng dụng cho trụ cầu khi có và không có xét sự làm việc đồng thời của đất nền. Trụ cầu, cọc và đất nền được mô phỏng bằng phần tử khối SOLID và được phân tích bằng phần mềm ANSYS. Kết quả phân tích của hai trường hợp cho thấy rằng có sự khác biệt đáng kể về ứng khi có và không xét sự làm việc của đất nền.
TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA ĐÀI CỌC TRONG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CỦA TRỤ CẦU KHI CÓ VÀ KHÔNG XÉT SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐẤT NỀN STRESS BEHAVIOR IN THE PILE CAP WITH AND WITHOUT TAKING INTO CONSIDERATION THE WORK OF THE GROUND TS Lê Bá Khánh, KS Phạm Huy Tài TÓM TẮT Nội dung báo tập trung vào việc phân tích so sánh trạng thái ứng suất đài cọc móng cọc khoan nhồi ứng dụng cho trụ cầu có xét làm việc đồng thời đất Trụ cầu, cọc đất mô phần tử khối SOLID phân tích phần mềm ANSYS Kết phân tích hai trường hợp cho thấy có khác biệt đáng kể ứng có không xét làm việc đất Từ khóa: ANSYS, trụ cầu, đài cọc ABSTRACT The content of this paper focuses on the comparative analysis of stress state of pilecap of bored-pile foundation that applied for bridge abutment with and without taking into consideration for the simultaneously act of the ground Total of an abutment, piles and foundation ground are simulated by SOILD elements and analyzed by ANSYS software The analytical results of the two cases shows that there is a significant difference in effects with and without taking into consideration the work of the ground Keywords: ANSYS, Pier, Pile cap Tổng quan số nghiên cứu phân tích đài cọc làm việc với đất Do có nhiều ưu điểm nên phương pháp PTHH thường sử dụng để phân tích toán phức tạp phân tích tương tác kết cấu đất (soil – structure interaction), phân tích kết cấu phần tử khối SOLID P.Krishna Iyer C Sam nghiên cứu phân tích tương tác đồng thời kết cấu đất nhận xét phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phù hợp để phân tích vấn đề tương tự Hiệu ứng tương tác đồng thời kết cấu đất cần lưu ý phân tích kết cấu chịu tải trọng tĩnh lẫn chịu tải trọng động [1] Xin-jun Zou (2010) nghiên cứu ổn định cọc bị uốn với đài cọc cao sử dụng rộng rãi công trình cầu bến cảng, đưa lợi thiếu sót phương pháp phân tích truyền thống Xin-jun Zou đề nghị sử dụng phương pháp PTHH nhằm xem xét tương tác phi tuyến cọc đất [2] Mô hình nghiên cứu 3.1 Mô hình nghiên cứu TS LÊ BÁ KHÁNH Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: lbkhanh@hcmut.edu.vn Điện thoại: 0903088252 KS PHẠM HUY TÀI Học viên cao học, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: tphamhuy@gmail.com Điện thoại: 0989666232 Khảo sát trạng thái ứng suất đài cọc Hình Do kết cấu trụ tổ hợp tải trọng có tính đối xứng với mặt phẳng yOz nên cần khảo sát nửa trụ (Hình 2) z x Giới thiệu Khi phân tích móng cọc mô hình hoá khung không gian tựa lên đất Cọc thay thẳng có liên kết chốt đầu với chiều dài biến dạng đàn hồi biến dạng thực cọc Chiều dài có nhiều tài liệu nghiên cứu đưa nhiều công thức để xác định, thực tế công thức phức tạp, để đơn giản hóa tính toán quy phạm thiết kế móng cọc bệ cao thường cho phép lấy chiều dài cọc Tuy nhiên tài liệu không rõ sai số việc lấy gần Bài báo mô làm việc đồng thời hệ trụ cầu – đất cụ thể theo sơ đồ không gian khảo sát khác biệt ứng suất - biến dạng đài cọc có xét làm việc đồng thời với đất (khi cọc ngàm mũi cọc) Hình 1: Cấu tạo trụ cầu móng cọc khoan nhồi chọn ngẫu nhiên để phân tích Trang Lớp 2: Sét pha màu xám xanh, xám vàng trạng thái nửa cứng, chiều dày 23m Lớp 4: Sét chứa sỏi sạn, màu xám trắng xám vàng, xám xanh trạng thái cứng, đến đáy hố khoan thấy lớp Có thể coi lớp có chiều dày lớn Z X Y Căn vào hồ sơ địa chất trên, kết hợp với tài liệu Gopal Ranjan Rao, thông học thiếu mô hình xác định sau [4]: Bảng 1: Thông số lớp đất Lớp đất Module đàn hồi Hệ số poison 35 MPa 0,25 50 MPa 0,25 4.4 Mô hình hoá kết cấu Dùng phần tử khối chóp SOLID187 (Hình 3) phần mềm ANSYS để phân tích đài cọc Khi phân tích, lưới phần tử chia mịn chỗ có khả tập trung ứng suất, chỗ cần khảo sát chi tiết (Hình 4) Hình Mô hình trụ cầu ANSYS có xét đến tính đối xứng 1- Đài cọc; – Cọc; – Các lớp đất; – Mũi cọc (có thể bị ngàm) 3.2 Tải trọng Tổ hợp tải trọng TTGH sử dụng để phân tích đài cọc lập theo TCVN 272-05 [3] gồm: - Tải trọng thân trụ với trọng lượng riêng bê tông cốt thép 24,5 kN/m3; - Hoạt tải HL 93 tĩnh tải kết cấu phần truyền xuống gối: P z = 6487 kN/m2 ; - Lực hãm xe mặt cầu truyền xuống trụ: H y = 163 kN ; - Hình Cấu trúc phần tử khối chóp SOLID187 TS JUN 19 14: Z X Tải trọng gió tác động lên thân trụ P y = 1,8 kN/m2 ; Y 4.3 Thông số mô hình nghiên cứu Biên mô hình khảo sát xác định theo lời giải kinh điển Boussinessq Từ đáy mũi cọc xuống 2b Biên ngang: rộng bên 1,5b b – chiều rộng đáy bệ lớn nhất, b = 11,5 m - Vật liệu đài cọc cọc f c ' = 30 MPa; E = 27 691,5 MPa; μ = 0,3; W RC = 2450 kN/m3; W C = 2400 kN/m3; - Thông số đất nền: Tại vị trí trụ khảo sát có lớp đất 2, với thông số sau: Hình Mô hình hoá phần tử khối hệ móng cọc đất 4.5 Kết phân tích a Vị trí khảo sát Khảo sát ứng suất pháp y mặt cắt A-A, C-C x mặt cắt B-B (Hình 5) Trang B Y Y Z A X A X TB max Có xét đất 767801 717350 820790 Không xét đất 991206 933970 1050400 29% 30% 28% Chênh lệch Ứng suất y (Pa) mặt cắt C-C: Khối (bao xung quanh điểm 5): C C B Hình 5: Bố trí mặt cắt điểm để khảo sát đài cọc Trong mặt cắt, ta chọn điểm khảo sát Điểm thứ gần thớ đài đỉnh cọc, điểm thứ hai gần thớ đài cọc Ứng suất đại diện điểm giá trị trung bình ứng suất điểm nút khối lập phương có kích thước 0,1x0,1x0,1m Tâm khối lập phương trùng với điểm khảo sát có toạ độ: Bảng 2: Toạ độ điểm khảo sát (m) Tọa độ x 1,25 1,25 1,25 3,5 5,75 5,75 y 1,25 3,25 9,25 9,25 1,25 3,25 z 2,35 0,15 2,35 0,15 2,35 0,15 Ứng suất y (Pa) mặt cắt A-A: Khối (bao xung quanh điểm 1): Có xét đất Không xét đất Chênh lệch TB max -37668 -45568 -30792 -130176 -143780 -116760 246% 216% 279% Khối (bao xung quanh điểm 2): TB Có xét đất 948562 881550 1010700 Không xét đất 988199 930370 1044400 4% 6% 3% Chênh lệch max Ứng suất x (Pa) mặt cắt B-B: Khối (bao xung quanh điểm 3): TB Có xét đất Không xét đất Chênh lệch max 9283 3857 14267 -65087 -73111 -58015 801% 1996% 507% Khối (bao xung quanh điểm 4): TB max Có xét đất -27743 -38362 -14843 -117817 -130190 -106310 325% 239% 616% Không xét đất Chênh lệch Khối (bao xung quanh điểm 6): TB max Có xét đất 1230414 1158800 1312100 Không xét đất 1207638 1145300 1282600 2% 1% 2% Chênh lệch b Giá trị ứng suất đài cọc điểm khảo sát Kết luận Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc so sánh đánh giá ứng suất x y bệ cọc trường hợp có xét làm việc đất Kết phân tích thu nghiên cứu cho thấy: - Phần tử khối cho phép mô kết cấu với hình dạng thực, kết cho có tính thuyết phục Tuy nhiên ứng dụng phần tử khối khó khăn phải xứ lý khối lượng lớn thông tin đầu - Giá trị ứng suất x y có khác biệt đáng kể số vị trí đài Do nên xét làm việc đồng thời móng đất Tài liệu tham khảo: [1] P K I a C Sam, ""Engineering Mechanics", 3-D Elastic Analysis of Three Pile Caps," pp Vol 117, No 12, pp 2862-2883 , December 1991 [2] X Y B Z M a Y X Zou, "Nonlinear Buckling Analysis of Piles with High-Rise Pile Cap Nonlinear Buckling Analysis of Piles with High-Rise Pile Cap Deep Foundations and Geotechnical In Situ Testing," pp pp.169-176, 2010 [3] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCVN 272-05, Hà Nội: Bộ Giao thông vận tải, 2006 [4] G R e A S R Rao, Basic and Applied Soil Mechanics., New Age International, 2000, pp chapter 10.11, pp 328 330 [5] Giải thích tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, Hà Nội: Bộ Giao thông vận tải, 2005 Trang PHỤ LỤC Phân bố ứng suất đài cọc Trường hợp có xét đất Trường hợp không xét đất Ứng suất y mặt cắt A-A 1 NODAL SOLUTION NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 SY (AVG) RSYS=0 DMX =.023756 SMN Z =-.183E+08 SMX =.395E+07 X JUN 24 2015 04:42:08 Y -.140E+07 -777778 -.109E+07 -155556 -466667 466667 155556 STEP=1 SUB =1 TIME=1 SY (AVG) RSYS=0 DMX =.023246 SMN =-.183E+08 SMX =.395E+07 109E+07 777778 JUN 24 2015 04:56:37 -.140E+07 140E+07 -777778 -.109E+07 -155556 -466667 466667 155556 109E+07 777778 140E+07 Ứng suất x mặt cắt B-B 1 NODAL SOLUTION NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 SX (AVG) RSYS=0 DMX =.023756 SMN =-.153E+08 SMX =.464E+07 JUN 24 2015 04:45:44 Z Y SUB =1 TIME=1 SX (AVG) RSYS=0 DMX =.023246 SMN =-.153E+08 SMX =.465E+07 JUN 24 2015 04:58:41 X Z Y -.140E+07 -777778 -.109E+07 -155556 -466667 466667 155556 -.140E+07 109E+07 777778 X -777778 -.109E+07 140E+07 -155556 -466667 466667 155556 109E+07 777778 140E+07 Ứng suất y mặt cắt C-C 1 NODAL SOLUTION NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 SY (AVG) RSYS=0 DMX =.023756 ZSMN =-.183E+08 XSMX Y=.395E+07 JUN 24 2015 04:40:05 -.140E+07 -777778 -.109E+07 -155556 -466667 466667 155556 JUN 24 2015 04:54:17 -.140E+07 109E+07 777778 STEP=1 SUB =1 TIME=1 SY (AVG) RSYS=0 DMX =.023246 SMN =-.183E+08 SMX =.395E+07 140E+07 -777778 -.109E+07 -155556 -466667 466667 155556 109E+07 777778 140E+07 Trang