Luận án giới thiệu tổng quan các phương pháp xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh, các công thức theo Tiêu chuẩn Việt Nam cũng như các công thức thực nghiệm trên thế giới. Giới thiệu cách xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation dựa trên số liệu nén tĩnh cọc tại hiện trường. Trên cơ sở đó dự đoán được sức chịu tải thực tế của móng công trình dựa trên số liệu thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG CỌC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG CỌC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 60 58 02 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2015 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Cán hướng dẫn chính: PGS, TS Nguyễn Tương Lai Cán chấm phản biện 1: Cán chấm phản biện 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày 08 tháng 02 năm 2015 LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cầu đường sân bay – Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, thầy, cô giáo giảng dạy lớp Cao học đường ô tô đường thành phố K25A – Học viện KTQS tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập nghiên cứu Bộ môn Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn PGS, TS Nguyễn Tương Lai tận tình hướng dẫn hoàn thành luận văn Tôi xin cám ơn thầy, cô, anh chị đồng nghiệp Bộ môn Cầu đường sân bay Viện Kỹ thuật Công trình Đặc biệt – HVKTQS có nhiều ý kiến đóng góp hữu ích cung cấp tài liệu tham khảo liên quan cho đề tài Do trình độ thời gian thực đề tài hạn chế, vấn đề nghiên cứu mẻ nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận góp ý quí thầy cô đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hoàn toàn trung thực, tôi, không vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Mạnh Hà MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Vấn đề thực tiễn Mục tiêu đề tài .3 Đối tượng nghiên cứu đề tài Phạm vi nghiên cứu đề tài .3 Phương pháp nghiên cứu .4 Bố cục luận văn .4 Chương TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH 1.1 Khái quát chung .6 Hình 1-1: Đặc điểm làm việc móng cọc 1.2 Hiệu ứng nhóm cọc móng cọc Hình 1-2: Trường hợp cọc chống .8 Hình 1-4: Sự chồng ứng suất đất nhóm cọc 1.3 Hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD 205:1998; 22 TCN 272-05 11 1.3.1 Hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD 205:1998 11 1.3.2 Hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo 22 TCN 272-05 13 1.4 Hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo thực nghiệm 16 1.5 Hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải dùng mô hình hệ số kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn .19 1.6 Hiệu ứng nhóm móng cọc chịu tải trọng tĩnh dùng phương pháp PTHH phân tích tương tác kết cấu – .20 1.7 Kết luận chương 21 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 23 2.1 Mô hình tính toán tương tác kết cấu – môi trường 23 2.1.1 Mô hình tính tách rời kết cấu môi trường (tương tác không đầy đủ) .24 2.1.2 Mô hình tính xét kết cấu môi trường đồng thời (tương tác đầy đủ) 27 2.2 Mô hình tĩnh đàn hồi mô hình vật liệu đàn hồi 28 2.2.1 Mô hình tĩnh đàn hồi 28 2.2.2 Mô hình học vật liệu 36 2.3 Mô hình tính toán theo phương pháp PTHH .46 2.3.1 Phương pháp mô hình hóa kết cấu – đất .46 2.3.2 Xây dựng giải toán phân tích móng cọc theo phương pháp PTHH 50 2.4 Kết luận chương .55 Chương ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PTHH PLAXIS 3D FOUNDATION.56 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH 56 3.1 Giới thiệu chương trình phần mềm phân tích kết cấu theo phương pháp PTHH - Plaxis 3D Foundation 56 3.1.1 Phần mềm Plaxis 3D Foundation tính toán móng cọc 56 3.1.2 Mô hình hóa dạng kết cấu Plaxis 3D foundation 58 3.1.3 Khả phân tích, ưu nhược điểm chương trình Plaxis 3D Fuondation 64 3.2 Thử nghiệm số .69 3.2.1 Hiệu chỉnh mô hình toán xây dựng Plaxis 3D Foundation cho kết sát với kết thí nghiệm cọc thực tế 70 3.2.2 Xét ảnh hưởng tham số số lượng m đến hệ số hiệu ứng nhóm .78 3.2.3 Xét ảnh hưởng tham số S/D đến hệ số hiệu ứng nhóm 88 3.3 Kết luận chương 3: 92 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .95 TÀI LIỆU THAM KHẢO .96 TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ tên học viên: Nguyễn Mạnh Hà Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông; Khóa: 25A Cán hướng dẫn: PGS, TS Nguyễn Tương Lai Tên đề tài: Nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh Tóm tắt nội dung: Trong luận văn, tác giả giới thiệu tổng quan phương pháp xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo Tiêu chuẩn, lý thuyết thực nghiệm Qua đó, sâu nghiên cứu xây dựng giải toán phân tích nhóm cọc mô hình liên tục hệ đài cọc - cọc - sử dụng phương pháp số PTHH Nghiên cứu thử nghiệm số thực kết hợp số liệu thí nghiệm đất số liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc thực trường để hiệu chuẩn tham số mô hình toán; tiến hành phân tích làm việc móng cọc để xác định hệ số hiệu ứng nhóm móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh Từ kết thu so sánh với khuyến nghị Tiêu chuẩn hành; công thức thực nghiệm rút kết luận DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU QGL: tải trọng giới hạn nhóm cọc; QiL: sức chịu tải giới hạn cọc riêng rẽ; W, W0: tương ứng chuyển vị kết cấu môi trường bề mặt tiếp xúc chúng; r, r0: tương ứng phản lực tương tác đặt lên kết cấu môi trường bề mặt tiếp xúc chúng; E0, ν0: mô đun đàn hồi hệ số Poat-xông nền; Ρ: khoảng cách từ điểm khảo sát mặt đến điểm đặt lực P; : véc tơ lực nút phần tử, chứa tất thành phần lực nút phần tử; : véc tơ chuyển vị nút phần tử, chứa tất thành phần chuyển vị nút phần tử; [K]: ma trận độ cứng phần tử, phụ thuộc vào đặc trưng hình học học phần tử vật liệu; M: độ dốc đường đồ thị biểu diễn trạng thái tới hạn p’= lnp’= 0; Γ: thể tích xác định trạng thái tới hạn mặt phẳng p '− q; κ: độ dốc đoạn thẳng biểu diễn trạng thái cố kết; λ: độ dốc đoạn thẳng biểu diễn trạng thái cố kết bình thường; V: thể tích riêng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Đặc điểm làm việc móng cọc Hình 1-2: Trường hợp cọc chống Hình 1-3: Trường hợp cọc ma sát Hình 1-4: Sự chồng ứng suất đất nhóm cọc Trang 07 08 08 09 Hình 1-5: Hoạt động cọc đơn nhóm cọc Hình 2-1: Các mô hình thực kết cấu tương tác với Hình 2-2: Các mô hình tính tương tác kết cấu với Hình 2-3: Mô hình tương tác hệ "Kết cấu - môi trường" Hình 2-4: Mô hình tương tác xét kết cấu đồng thời với môi 09 23 24 26 trường Hình 2-5: Mô hình hệ số (mô hình Winkler) Hình 2-6: Mô hình bán không gian đàn hồi Hình 2-7: Theo mô hình Winkle Hình 2-8: Mô hình hai hệ số Hình 2-9: Trạng thái ứng suất phân tố toán không 27 30 32 33 35 gian(a) toán phẳng (b) Hình 2-10: Quan hệ ứng suất-biến dạng mô hình vật liệu 37 đàn hồi phi tuyến Hình 2-11: Xác định tham số mô hình vật liệu đàn hồi phi 39 tuyến theo Duncan- Chang từ thí nghiệm nén ba trục mẫu đất Hình 2-12: Quan hệ ứng suất-biến dạng mô hình vật liệu đàn 40 dẻo lý tưởng tăng tải, dỡ tải chất tải lại Hình 2-13: Mô hình vật liệu đàn dẻo giảm bền Hình 2-14: Đặc trưng ứng xử vật liệu theo mô hình 41 42 Cam-clay` Hình 2-15: Định nghĩa tham số mô hình Cam-clay Hình 2-16: Hàm tiêu chuẩn dẻo mô hình vật liệu Cam-Clay Hình 2-17: Hàm tiêu chuẩn dẻo mô hình Cam-Clay cải tiến Hình 3-1: Mô hình Plaxis 3D Foundation với móng cọc đài cao Hình 3-2: Hệ thống trục tọa độ địa phương phần tử Hình 3-3: Hệ trục tọa độ địa phương phần tử Hình 3-4: Các phần tử nút mô hình 2D Mỗi nút có 43 44 44 45 57 58 62 hai bậc tự do, mô tả mũi tên hình nhỏ hơn, (Wiberg, 1974) Hình 3-5: Các bước phân tích phần tử hữu hạn (Wiberg, 1974) Hình 3-6: Kết chuyển vị với số nút tăng dần mô hình 65 65 66 3D(Hannes Daniel, 2010) Hình 3-7: Thiết lập lựa chọn Rigid 73 85 Hình 3-12g: Chuyển vị tâm đáy bệ móng số lượng cọc thay đổi chịu tải thí nghiệm Ptn Bảng 3-3 Kết toán STT Kích thước móng 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m Số cọc t Lp S/D 1.5m 1.5m 1.5m 1.5m 1.5m 1.5m 21.70m 21.70m 21.70m 21.70m 21.70m 21.70m 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Pn Hệ số hiệu (kN) 5636,0 4776,5 4290,7 4054,5 3731,0 ứng nhóm η 0,8475 0,7613 0,7194 0,6620 ♦ Đối với tải theo phương ngang Làm tương tự bước với tải trọng thẳng đứng, xét tham số số lượng cọc thay đổi Khi bệ chịu tải nằm ngang tâm đỉnh bệ móng P tn = 1000kN (với sức chịu tải cọc thiết kế D800 P tk = 250kN), kết chuyển vị đỉnh hàng cọc cọc, có cọc, cọc, cọc, cọc cọc thể Bảng 3-4 Khi chuyển vị lớn bệ móng vượt giá trị 3,80cm (chuyển vị ngang lớn cho phép bệ móng công trình cầu BTCT), coi bệ không khả chịu lực [1], [2] Bảng 3-4 Kết toán STT Kích thước móng 12m x 12m Số cọc t Lp S/D 1.5m 18.36m - Pn Hệ số hiệu (kN) - ứng nhóm η - 86 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m ♦ 1.5m 1.5m 1.5m 1.5m 1.5m 18.36m 18.36m 18.36m 18.36m 18.36m 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 352,1 205,8 181,5 170,2 165,9 0,5845 0,5156 0,4835 0,4714 So sánh kết chạy mô hình Plaxis 3D Foundation với công thức thực nghiệm theo Tiêu chuẩn Việt Nam Với tải trọng thẳng đứng - Công thức tính toán hệ số hiệu ứng nhóm theo Converse-Labarre với giả thiết tất cọc nhau, thẳng đứng tính đến yếu tố kích thước, ngoại trừ chiều dài cọc η =1- Arctg(B/s) 1 (2 - ) π/2 m n Trong đó: B – đường kính cọc, s – khoảng cách tâm cọc, m – số hàng cọc, n – số cọc hàng Bảng 3-5a So sánh kết toán với tải thẳng đứng STT Kích thước Số móng cọc 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m Lp 21.70m 21.70m 21.70m 21.70m 21.70m 21.70m S/D 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Hệ số hiệu ứng nhóm Pn (kN) 5636,0 4776,5 4290,7 4054,5 3731,0 Theo thực Theo 22 TCNTheo PTHH nghiệm 0,8788 0,7576 0,7172 0,6769 0,8475 0,7613 0,7194 0,6620 272-05 0,6500 0,6500 0,6500 0,6500 Với tải trọng nằm ngang - Tác giả so sánh với kết khuyến nghị Bảng tài liệu [4] Bảng 3-5b So sánh kết toán với tải nằm ngang STT Kích thước Số móng cọc Lp S/D Pn (kN) Hệ số hiệu ứng nhóm Theo PTHH Theo tài liệu [4] 87 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 12m x 12m 18.36m 18.36m 18.36m 18.36m 18.36m 18.36m 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 352,1 205,8 181,5 170,2 165,9 0,5845 0,5156 0,4835 0,4714