Luận Án Nghiên Cứu Tính Toán Tường Cọc Cừ Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn

Luận văn thạc sĩ MỞ ĐẦU I sù cÇn thiÕt cđa ®Ị tµi Để chống xói lở bờ sông bảo vệ công trình ven sông ĐBSCL, tuỳ theo đòa chất, đòa hình , đặt điểm dòng chảy tải trọng tác dụng mà sử dụng công trình ven sông như: tường cọc bản, tường chắn đất trọng lực thấp, tường bán trọng lực, tường góc BTCT … bảo vệ công trình ven sông : đường, đê đập, tuyến dân cư , nhà cửa…… Tường cõ, dạng đặt biệt tường chắn đất với mục đích chung chòu tải trọng ngang gây mặt đất tự nhiên, đất đắp, tải trọng bên Hệ thống kết cấu bao gồm tường hệ kết cấu chống ®ì tường (thanh neo, chống, sàn đỡ …), tường ngàm vào đất bên Trong hầu hết trường hợp, đất vừa gây lực tác động lên tường đồng thời vừa kết cấu chống đỡ hay giữ tường, tạo dòch chuyển học hệ kết cấu đất Người thiết kế phải biết xác đònh nội lực mức độ chuyển dòch kết cấu Thông thường, chúng xác đònh điều kiện làm việc cực hạn Bên cạnh đó, cần xác đònh mức độ chuyển dòch tiềm tàng đất xảy trình thi công kết cấu theo thời gian thoát nước bên xuất Do đó, ảnh hưởng ứng xử đất trình thi công đến làm việc cọc lớn cần phải xem xét Cho đến việc thiết kế tường chắn thường tiến hành theo phương pháp truyền thống đơn giản (cân giới hạn) hay theo phương pháp kinh nghiệm Phương pháp đơn giản thường áp dụng cho tường trọng lực, tường cosol ngàm, tường ngàm với chống hay neo Thông thường phương pháp cho ta kết hạn chế chuyển dòch kết tương tác tường đất Nên việc nghiên cứu ứng dụng máy tính với số phần mềm mang lại số kết đáng kể việc phân tích thiết kế kết cấu tường chắn chục năm qua Do Nghiên cứu tính tốn tường cọc cừ phương pháp PTHH vấn đề cần thiết có tính ứng dụng cao ii mơc ®Ých, c¸ch tiÕp cËn vµ ph¬ng ph¸p nghiªn cøu Mục đích: Kiểm tra kết tính tốn cơng trình chắn đất tường cọc cừ làm việc áp lực đất phương pháp PTHH Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ Phạm vi nghiên cứu tính tốn cơng trình tường chắn đất cọc cừ sử dụng phương pháp PTHH Cách tiếp cận: Thơng qua tài liệu lý thuyết phương pháp PTHH, tài liệu áp lực đất sau tường cọc cừ, từ xây dựng phương pháp tính tốn kiểm tra làm việc hệ tường cọc cừ phương pháp PTHH so sánh với phương pháp tính tốn kiểm tra trước đó, thơng qua nghiên cứu tốn lý thuyết cụ thể Phương pháp nghiên cứu: Luận văn sử dụng tổng hợp phương pháp nghiên cứu khoa học phổ biến như: thống kê, tổng hợp, khái qt hố,… III KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC: Đưa kết tính tốn làm việc tường cọc cừ phương pháp PTHH sở lý thuyết phương pháp PTHH Để từ rút tối ưu tính tốn làm việc hệ tường cọc cừ phương pháp PTHH Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH TƯỜNG cõ CHO CÁC CÔNG TRÌNH VEN SÔNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 1.1.Một số cố điển hình cơng trình ven sơng: -Đất ven sông bò sạt lở dòng chảy Qua tài liệu nghiên cứu cho thấy điều kiện tự nhiên hình thành nên dòng sông, nguyên nhân dòng chảy sông ĐBSCL mùa lũ thường có vận tốc lớn 0.5m/s nên có khả gây xói lở bờ lớn Mét sè h×nh ¶nh s¹c në bê s«ng: Hình 1.1 S¹c lë bê s«ng TiỊn Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ Hình 1.2 S¹c lë bê khu vùc thÞ trÊn T©n Ch©u trªn s«ng TiỊn H×nh 1.3 Công Trình cầu kênh ngang số 2- bến Bình Dông Hình 1.4 S¹c lë g©y g·y mãng c«ng tr×nh t¹i hun nhµ BÌ 1.2 Một số đặc điểm cấu tạo sử dụng hệ tường cọc cừ: 1.2.1 Giới thiệu chung: Tường cõ dùng để chống lại áp lực ngang đất, nước tải trọng phía gây đạt trạng thái ổn đònh nhờ sức chống ngang đất phía trước đất phía trước tường tường cõ hạ sâu xuống đất nhờ hệ thống neo phía sau tường Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ Vật liệu chế tạo tường cõ thường thép hay bê tông dự ứng lực trước.Các tiết diện ngang tường đa dạng nhằm cho tường có khả chòu uốn cao vơi diện tích tiết diện ngang nhỏ Tường cõ ứng dụng phổ biến công trình cảng, bến tàu, tường chắn, đê chắn sóng, tầng hầm nhà cao tầng … 1.2.2 Một số công trình sử dụng hệ tường cõ: * Công trình bến cảng cập tàu: Xây dựng bến cảng sâu, quy mô xây dựng lớn, sử dụng hệ tường cọc thép (Iarsen) có hệ thống neo Hình 1.5 S¬ ®å cÊu t¹o hƯ têng Cõ * Công trình bảo vệ bờ sông kè Khai Lông– Cần thơ có chiều dài tuyến kè L=1.050 m + Có vải đòa kỹ thuật cách lưng tường bêtông cốt thép với khối đất đắp phía sau + Có giằng bêtông cốt thép tiết diện T + Có dầm giằng bêtông cốt thép cọc neo bêtông cốt thép + Bên tường chắn bêtông cốt thép có cọc bêtông cốt thép đóng bên 2-3mCông trình xây dựng tường kè chống sạt lở bờ sông đường Nguyễn Công Trứ– Thò xã Rạch Giá - Tỉnh Kiên Giang Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ Hình 1.6 S¹c lë ®êng Ngun C«ng Trø thÞ trÇn R¹ch gi¸ Hình 1.7 X©y dùng têng kÌ chèng s¹c lë t¹i ®êng Ngun C«ng Trø * Công trình Nhà Máy Nhiệt Điện Phú Mỹ I huyện Tân Thành Tỉnh Bà Ròa Vũng Tàu với hạng mục kênh dẫn nước nhà máy chiều dài 1.000 m, chiều rộng 45m chiều sâu 8.7m * Công trình Phú Mỹ II Hình 1.9 Hình 1.8 Thi c«ng c«ng tr×nh Phó Mü Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ Hình 1.9 B·i chÕ t¹o cäc cõ BTCT øng st tríc 1.3.Tổng quan lý thuyết tính tốn hệ tường cọc cừ 1.3.1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 207-92: Theo tiêu chuẩn này, công trình tường cõ có neo, người ta chia thành hai loại tường cõ : 1.3.1.1 Tường mềm Bao gồm tất cọc ván thép cõ BTCT có tỷ số δc/t ≤ 0,06 Trong đó: t - độ chôn sâu tường tính toán với giả thiết tường ngàm hoàn toàn δc - chiều cao cấu kiện tường tính đổi mặt cắt chữ nhật δc = 12n E J b+∆ (1.1) Với: J - mômen quán tính cấu kiện tường BTCT b - kích thước cấu kiện tính theo mép tuyến bến kè ∆ - khoảng hở thiết kế cấu kiện BTCT tường mặt nE - hệ số lấy tỉ số mô đun đàn hồi ban đầu bê tông cấu kiện Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ Đối với loại này, tính toán người ta xem tường ngàm hoàn toàn ngàm phần( xem hình) Hình 1.10 – Tường cõ ngàm hoàn toàn Việc tính toán tónh học theo nhóm trạng thái giới hạn I II, thực theo phương pháp đồ giải, ứng với tải trọng 1m bề rộng tường thông qua việc dựng đa giác lực đa giác dây Bằng tính toán xác đònh độ sâu hạ cừ nội lực tác động 1m dài tường (gồm mômen uốn M, lực cắt Q phản lực neo R a) 1.3.1.2 Tường cừ có độ cứng lớn: Bao gồm cõ BTCT có tỷ số δc/t > 0,06 Khi tính toán người ta tính toán theo sơ đồ chân tường dòch chuyển tự Hình 1.11 Tường cõ tựa tự Việc tính toán sử dụng phương pháp giải tích (cho trường hợp đất đồng nhất), phương pháp đồ giải (cho loại đất nền) a Tính toán tónh học cho tường cừ mềm ngàm hoàn toàn: Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ Phương pháp đồ giải: nội dung cần thực gồâm: 1) Giả thiết độ sâu chôn cừ t 2) Dựng biểu đồ áp lực tổng áp lực chủ động bò động đất có xét đến hoạt tải Chú ý: Tiêu chuẩn quy đònh tính toán áp lực đất theo lý thuyết cổ điển, góc ma sát vật liệu đất đắp δ lấy sau: Áp lực chủ động: δ = 0,5ϕ ( tường mặt, tường neo neo ) Áp lực bò động: + Tường mặt: δ = 0,75ϕ + Tường mặt: δ = 0,75ϕ + Bản neo: δ = Tải trọng phân bố biểu đồ tổng áp lực chủ động bò động thay lực tập trung Pi 3) Dựng biểu đồ đa giác lực đa giác dây từ nội lực Pi nói Đường khép kín đa giác dây vẽ qua giao điểm trục neo với tia thứ theo điều kiện đảm bảo giá trò mômen uốn nhòp ngàm ( Mn = Mz ) b Tính toán tónh học cho tường cừ có độ cứng cao theo phương pháp giải tích: Việc tính toán theo phương pháp trường hợp giả thiết chân tường dòch chuyển tự cần thực nội dung chủ yếu sau: 1) Vẽ biểu đồ áp lực đất, áp lực nước dư ứng với độ sâu chôn cọc lý thuyết t (thỏa mãn giả thiết chân tường dòch chuyển tự do) 2) Lấy tổng mômen điểm neo, cho phương trình bậc ba ( trường hợp đất dính phương trình bậc hai) t Giải phương trình tìm độ sâu chôn cừ lý thuyết t0 Từ tìm độ sâu chôn cừ thực tế : t = (1,2÷1,4) t0 3) Tìm mômen lớn cọc cách tính mômen vò trí tường: M(x) = f(x) Giải phương trình: dM ( x) =0 dx tìm giá trò xmax ứng với vò trí đạt mômen lớn Mmax= f(xmax) 4) Tìm lực căng dây neo Ra cách cân lực theo phương ngang 1.3.2 Theo tiêu chuẩn Anh (BS 8002 BS 6349) 1.3.2.1 Tính toán tường cọc neo: Học viên: Vũ Văn Hậu Page Luận văn thạc sĩ Tiêu chuẩn Anh đăïc biệt quan tâm đến ảnh hưởng kết cấu tường cọc có nạng chống có neo đơn đến áp lực sức kháng đất ⇒ Phân bố áp lực cho hình 1.13a thể trường hợp chân tường tựa tự đất ( tường cứng có neo, biến dạng tònh tiến phía trước) ⇒Hình 1.13b thể ảnh hưởng độ mềm việc tạo hiệu ứng vòm đất ⇒Hình 1.13c diễn tả trường hợp cọc thép đóng sâu, ngàm xảy phần thấp cọc gây đổi chiều cong tường cọc a b c Hình 1.12 Ảnh hưởng độ mềm kết cấu tường cọc có neo đơn đến áp lực sức kháng đất Nói chung, điều kiện ngàm đất đưa đến thiết kế kinh tế cho tường mềm so với điều kiện chân tường tựa tự do, mômen uốn tường lực neo có xu hướng thấp Tường sâu yêu cầu để đạt độ ngàm chặt điều kiện ngàm đất, điều kiện chân tường tựa tự độ chôn sâu nông cần tăng độ ổn đònh để tạo đủ sức chống đỡ dòch chuyển phía trước Đối với kết cấu vónh cửu thường không khuyến nghò giả thiết điều kiện ngàm đất cho tường đất dính, đất có thay đổi lâu dài đặc trưng Nên kể đến điều kiện vòm quan hệ trình tự thi công tường tường nạo vét đi, chuyển dòch tường áp lực chiều cao đất bò chắn nhỏ đủ để phát triển điều kiện áp lực chủ động Khi nạo vét xong, tường biến dạng Học viên: Vũ Văn Hậu Page 10 Luận văn thạc sĩ Hình 3.9 Trường chuyển vò Trường hợp Bề dày tường giảm xuống từ 1.5m 1.25m Kết trình phân tích Powrie Li sau: Moment (KNm/m) Lực chống (KN/m) Chuyển vò lớn tường(mm) -1075 555 25.9 Hình 3.10 Biểu đồ moment Kết phân tích từ chương trình tự viết Học viên: Vũ Văn Hậu Page 81 Luận văn thạc sĩ Hình 3.11 Biểu đồ moment Mmax=996.59 KNm/m Hình 3.12 Biểu đồ lực cắt Qmax=511.08 KN/m Học viên: Vũ Văn Hậu Page 82 Luận văn thạc sĩ Hình 3.13 Chuyển vò ngang tường 19.435 mm Hình 3.14 Trường chuyển vò Học viên: Vũ Văn Hậu Page 83 Luận văn thạc sĩ Hình 3.15 Lực chống Nmax=778.499 KN/m Trường hợp 3: Tăng hệ số áp lực ngang K0= trên, bề dày tường 1.5m đặc trưng vật lại Kết trình phân tích Powrie Li sau: Moment (KNm/m) Lực chống (KN/m) Chuyển vò lớn tường(mm) Kết phân tích từ chương trình tự viết -1558 953 20.8 Hình 3.16 Biểu đồ moment Mmax=1474.49 KN/m Học viên: Vũ Văn Hậu Page 84 Luận văn thạc sĩ Hình 3.17 Biểu đồ lực cắt Qmax=774.99 KN/m Hình 3.18 Chuyển vò ngang lớn tường 27.553 mm Học viên: Vũ Văn Hậu Page 85 Luận văn thạc sĩ Hình 3.19 Trường chuyển vò Hình 3.20 Lực chống Nmax=1170.11 KN/m Trường hợp 4: Giảm độ cứng đất với thông số sau: M=0.76, κ=0.032 Đặt trưng vật liệu tường: E=17x103 Mpa ν’=0.15 γ=22 KN/m3 Thanh chống Học viên: Vũ Văn Hậu Page 86 Luận văn thạc sĩ EF/L= 5x105 KN/m Cao độ chống m Kết trình phân tích Powrie Li sau: Moment (KNm/m) -1445 Lực chống (KN/m) 651 Chuyển vò lớn 39.4 tường(mm) Kết phân tích từ chương trình tự viết Hình 3.21 Biểu đồ moment Mmax=1478.155 KNm/m Hình 3.22 Biểu đồ lực cắt Qmax=645.6 KN/m Học viên: Vũ Văn Hậu Page 87 Luận văn thạc sĩ Hình 3.23 Chuyển vò ngang cua tường 77.21 mm Hình 3.24 Lực chống Nmax= 923.099 KN/m Trường hợp Học viên: Vũ Văn Hậu Page 88 Luận văn thạc sĩ Thay đổi độ cứng chống EF/L=2.8x105 KN/m Kết trình phân tích Powrie Li sau: Moment (KNm/m) Lực chống (KN/m) Chuyển vò lớn tường(mm) -1208 553 23.1 Kết phân tích từ chương trình tự viết Hình 3.25 Biểu đồ moment Mmax=1104.35KNm/m Hỉnh 3.26Biểu đồ lực cắt Qmax=535.98 KN/m Học viên: Vũ Văn Hậu Page 89 Luận văn thạc sĩ Hình 3.27 Chuyển vò ngang tường 21.67mm Hình 3.28 Lực chống Nmax=802.47 KN/m KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ Học viên: Vũ Văn Hậu Page 90 Luận văn thạc sĩ I Kết thục Trườn g hợp M N δ M N δ M N δ M N δ M N δ Theo POWRIE & LI 1260 582 19.6 1075 555 25.9 1558 953 20.8 1445 654 39.4 1208 553 23.1 KQ tính toán 1113.37 806.33 21.73 996.59 778.49 19.435 1474.49 1170.11 27.553 1478.155 923.03 77.21 1104.35 802.4 21.67 Sai số(%) 11.64 38.54 10.87 7.29 40.27 24.96 5.36 22.78 32.47 2.29 41.14 95.96 8.58 45.10 6.19 -Từ kết phân tích cho thấy sai số moment so với hai tác giả Powrie Li khoảng 10 % độ xác chương trình đáng tin cậy -Bước đầu mô hình hoá làm việc đồng thời hệ kết cấu tường đất theo mô hình Cam-Clay mang lại cho người kỹ sư nhìn đầy đủ ứng xử hệ thống -Kiểm chứng lại kết nghiên cứu tính toán hệ tường cõ trước đây, kết trình thi công ảnh hưởng đến nội lực tường : chuyển vò, môment , lực cắt… -Bước đấu tự động hóa tính toán hệ thống tường cõ ,giảm bớt thời gian tính toán ,là công cụ hữu ích giúp kỹ sư tính toán nhanh chống đỡ tốn nhiều thời gian Học viên: Vũ Văn Hậu Page 91 Luận văn thạc sĩ - Bài toán gần với thực tế so với cách tính tay phải chấp nhận giả thuyết tâm xoay, tường tuyệt đối cứng hay mềm Nhưng thông số đầu vào toán dùng phương pháp PTHH quan trọng 2.Nhận xét kết luận tính tốn tường cừ a/ Nhân xét: -Khi giảm chiều dày tường từ 1.5m xuống 1.25m (giảm đô cứng tường ) kéo theo giảm môment tường khoảng 10 % , lực chống giảm khoảng 3% -Khi tăng hệ số áp lực ngang lên K0=2 môment tường tăng lên 32.44 % , đồng thời lực chống tăng khoảng 45 % - Khi tăng hệ số κ=0.032 (giảm độ ứng đất ) môment tăng 32.76%, lực chống tăng 14.47 % -Giảm độ cứng chống xuống 44% môment giam 0.8%,lưc chống giảm 0.48% b/Kết luận -Việc chọn lựa mô hình đất phù hợp với loại đất quan trọng nhằm phản ảnh gần xác làm việc đất với thực tế -Các thông số đầu vào để giải toán quan trọng ảnh hưởng đến kết tính toán - Cần phải xem xét tường cõ thi công nào, trình tự thi công sao, thời gian thi công, cách thức hạ mực nước ngầm(nếu có),… trình tính toán phải mô thi công hình thức thi công khác cho ta kết khác -Độ cứng đất ảnh hưởng đến kết tính toán -Tải trọng chống momen uốn tường phụ thuộc vào hệ số áp lực ngang ban đầu nhiều, hệ số áp lực ngang lớn momen lực chống lớn -Trong toán phân tích dùng PTHH việc tính trạng thái ứng suất ban quan trọng, trạng thái ứng suất ban đấu sai toàn toán sai.Do với toán phải tính trạng thái ứng suất ban đầu -Đối với toán giải phương pháp ma trận độ cứng tiếp tuyến việc chia nhiều bước giải qua trọng ta chia nhiều bước thi kết tính toán xác 3/Hướng nghiên cứu Với thời gian thực luân án có hạn, tác giả thực mét phần nhỏ công việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTHH (FEM) vào nghiên cứu tính toán toán đòa mà cụ thể toán tường cõ Từ mở nhiều hướng nghiên cứu mà tiếp tục thực : Học viên: Vũ Văn Hậu Page 92 Luận văn thạc sĩ • Cần phải kiểm chứng nhiều kết chương trình với công trình thực tế • Chỉ có nghiên cứu mô hình (mô hình Cam-Clay) cần phải đa dạng hóa mô :Morh –Column , đàn hồi, đàn hồi tuyến tính,… • Nghiên cứu thêm toán cố điều kiện không thoát nước, toán cố kết, toán từ biến • Xây dựng phần tử tiếp xúc tối ưu • Xây dựng lưới phần tử tam giác bậc cao Học viên: Vũ Văn Hậu Page 93 Luận văn thạc sĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO R.WHITLOW (1999)- Cơ học đất –tập 1-2-Nhà xuất Giáo Dục GS.TSKH.LÊ BÁ LƯƠNG số tác giả (1989)- Công trình đất yếu điều kiện Việt Nam –Nhà xuất ĐH Bách Khoa TP.HCM GS.TSKH.NGUYỄN VĂN THƠ - Tập giảng chương trình cao học “ Thổ chất công trình” Đại học Bách Khoa TP.HCM GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG -Tập giảng chương trình cao học “Tường cọc bản” Đại học Bách Khoa TP.HCM TS CHÂU NGỌC ẨN- Tập giảng chương trình cao học “Ổn đònh nền” Đại học Bách Khoa TP.HCM TS NGÔ TRẦN CÔNG LUẬN -Tập giảng chương trình cao học” Ứng dụng FEM” Đại học Bách Khoa TP.HCM CHU QUỐC THẮNG (1997) -Phương pháp phần tử hữu hạn - Nhà xuất khoa học kỹ thuật A.B.FADEEV, Người dòch , NGUYỄN HỮU THÁI , NGUYỄN UYÊN , PHẠM HÀ (1995)- Phương pháp phần tử hữu hạn đòa cơ- Nhà xuất Giáo Dục NGUYỄN HOÀI SƠN, ĐỖ THANH VIỆT, BÙI XUÂN LÂM- Ứng dụng Matlab tính toán kỷ thuật- Nhà xuất ĐHQG TP.HCM 10 JOHN ATIINSON (1993)- An introduction to mechanic of soil and foundation – McGraw-Hill Book Company 11 YOUNG W.KWON , HYOCHOONG BANG (1997) -The Finite Element method using Malab –CRC Press, USA 12 IM.SMITH, D.V.GRIFFITHS (1997)-Lập chương trình tính toán công trình xây dựng phương pháp phần tử hữu hạn-Nhà xuất xây dựng 13 A.M.BRITTO,M.J.GUNN-Critial state soil mechanics via finite elementsEllis Horwood :Limited 14 JAMES EDMUNDS-Sage-Crisp-Uses Guide and Technical reference guideSage Engineering Ltd 15 Sage Crisp –Examples- Sage Engineering Ltd 16 Plaxis-Reference Manual –Version Học viên: Vũ Văn Hậu Page 94 Luận văn thạc sĩ Học viên: Vũ Văn Hậu Page 95