Nghiên cứu các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang (tt)

NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

NGUYỄN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN TIẾN DŨNG KHOÁ 2014-2016

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng-IBST, đặc biệt xin cảm ơn TS Phạm Quyết Thắng, KS Phạm Hồng Dương, đã cung cấp cho tôi số liệu thí nghiệm nén hiện trường để phục

vụ phần tính toán trong luận văn

Vì thời gian thực hiện luận văn và trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Tiến Dũng

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng, biểu

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU

 Lý do chọn đề tài 1

 Mục đích nghiên cứu 2

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

 Phương pháp nghiên cứu 2

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 3

 Cấu trúc luận văn 3

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 4

1.1 Khái niệm chung về cọc và móng cọc 4

1.1.1 Cọc và sự làm việc của cọc 4

1.1.2 Móng cọc và sự làm việc của móng cọc 7

1.2 Tải trọng ngang và cọc chịu tải trọng ngang 11

1.3 Cơ chế truyền tải trọng ngang của cọc 19

1.4 Cơ chế chuyển vị và phá hoại của cọc chịu tải trọng ngang 23

1.5 Sức chịu tải theo phương ngang của cọc đơn 27

1.6 Các phương pháp phân tích hiện nay 28

1.6.1 Hướng tiếp cận dầm trên nền Winkler 28

1.6.2 Hướng tiếp cận liên tục đàn hồi 33

1.6.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 36

1.7 Phương pháp thí nghiệm hiện trường 37

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 39

2.1 Hướng tiếp cận dầm trên nền Winkler 39

2.1.1 Tiêu chuẩn Việt Nam 39

2.1.2 Phương pháp Broms (1964a,b) 47

2.1.3 Phương pháp p-y 55

2.2 Hướng tiếp cận liên tục đàn hồi 62

2.2.1 Phương pháp Poulos 62

2.2.2 Phương pháp biến phân năng lượng [18] 64

2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 69

2.3.1 Mô tả phương pháp 69

2.3.2 Sử dụng phương pháp PTHH bằng phần mềm thương mại 71

2.4 Giới thiệu về phần mềm Plaxis 3D Foundation 72

2.4.1 Mô hình phần tử trong phần mềm Plaxis 3D Foundation 72

2.4.2 Mô hình vật liệu trong phần mềm Plaxis 3D Foundation 74

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 81 3.1 Mô tả công trình 81

3.1.1 Tên dự án và hạng mục xây dựng 81

3.1.2 Thông tin chung về móng cọc 82

3.1.3 Điều kiện địa chất công trình 82

3.2 Tính toán cọc chịu tải trọng ngang 85

3.2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam 85

3.2.2 Phần mềm Plaxis 3D Foundation Version 1.6.0.205 90

3.3 Kết quả thí nghiệm hiện trường 95

3.3.1 Cọc thí nghiệm 95

3.3.2 Thiết bị thí nghiệm cọc 95

3.3.3 Quy trình thí nghiệm 97

3.3.4 Thiếu xót trong quá trình thí nghiệm 98

3.3.5 Kết quả thí nghiệm 98

3.3.6 Nhận xét kết quả thí nghiệm 105

3.4 So sánh, đánh giá kết quả tính toán công trình cụ thể 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109

Kết luận 109

Kiến nghị 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTCT Bê tông cốt thép

SCT Sức chịu tải

TTGH I Trạng thái giới hạn thứ nhất

TTGH II Trạng thái giới hạn thứ hai

API American Petroleum Institute

AASHTO American Association of State Highway and

Transportation Officials

FHWA Federal Highway Administration

PTHH Phần tử hữu hạn

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXD Tiêu chuẩn xây dựng

ASTM American Society for Testing and Materials

Bảng 2.8 Giá trị k (Ib/in 3 = 276,8 kN/m 3 ) cho đất cát [16]

Bảng 3.2 Chuyển vị ngang Δ n và góc xoay Ψ của cọc (H 6 =4,95T)

dọc theo thân cọc (H 6 =4,95T)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu

Hình 1.8 Cọc chịu tải trọng ngang phân phối lên một phần thân cọc [4]

Hình 1.9 Mối quan hệ giữa cọc chịu tải tập trung ở đỉnh cọc và cọc

chịu tải trọng phân bố lên một phần thân cọc

Hình 1.10 Cơ chế tương tác giữa cọc và đất khi có tải trọng động đất

[11]

Hình 1.12 Cọc bị phá hủy khi chịu tải trọng ngang trong các công trình Hình 1.13 Cơ chế truyền tải trọng của cọc chịu tải trọng dọc trục [18] Hình 1.14 Cơ chế truyền tải trọng của cọc chịu tải trọng ngang [18]

Hình 1.16 Vùng giao thoa tạo ra tải phụ thêm lên cọc trong nhóm [18]

Hình 1.18 Chuyển vị của cọc mềm [18]

Hình 1.23 Sơ đồ cọc chịu tải trọng ngang với đường cong p-y [22]

Hình 1.25 Mô hình phân tích đàn hồi của Poulos cho cọc chịu tải trọng

ngang [20]

Hình 2.2 Quy định chiều dương các ký hiệu y z , ψ z , M z , Q z

Hình 2.10 Giải bài toán cọc chịu tải trọng ngang bằng phần mềm

FB-MutilPier

Hình 2.11 Đường cong p-y cho đất sét yếu dưới mực nước ngầm chịu tải

[28]

Hình 2.28 Cửa sổ bore hole

Hình 2.32 Mối quan hệ hyperbolic ứng suất-biến dạng trong thí nghiệm

nén 3 trục thoát nước [24]

Hình 3.3 Biểu đồ σ zy , M z và Q z cho các trường hợp tải

Hình 3.6 Biểu đồ chuyển vị ngang, M z , Q z và σ zy cho các trường hợp tải

Hình 3.11 So sánh kết quả thí nghiệm tải ngang hiện trường giữa các

cọc

sử dụng cọc hoặc móng cọc để chống đỡ đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang Đối với cọc và móng cọc trong các công trình tường chắn đất, tải trọng ngang tác dụng lên cọc thường gặp là: áp lực đất, áp lực nước và các tải trọng trên mái dốc hoặc lân cận hố đào Đối với móng cọc đài cao trong các công trình giao thông, thủy lợi và dân dụng, tải trọng ngang thường gặp là: tải trọng

do tăng/ giảm tốc độ xe, tải trọng gió, sóng và dòng chảy, tải trọng do tàu bè

va chạm khi tai nạn, do động đất Đối với móng cọc đài thấp trong các công trình nhà cao tầng, tháp anten truyền hình, cột điện cao thế , tải trọng ngang thường gặp là: tải trọng gió, động đất Khi công trình chịu tải trọng ngang lớn hoặc đất xung quanh đài bị tác động trong quá trình thi công thì đất ở trên mức đáy đài cũng không thể tiếp nhận hết tải trọng ngang, khi đó cọc trong móng cọc đài thấp cũng chịu tải trọng ngang và cần phải kể đến trong tính toán Từ phân tích trên cho thấy, hầu hết cọc và móng cọc trong các công trình giao thông, thủy lợi, dân dụng đều phải được kiểm tra, tính toán chịu tải trọng ngang - đặc biệt đối với những công trình có tầm quan trọng lớn

Tuy nhiên, phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang trong tiêu chuẩn hiện nay vẫn chủ yếu dựa trên hướng tiếp cận cổ điển dầm trên nền Winkler (beam-on-Winkler foundation approach) với giả thiết đơn giản là hệ

số nền theo phương ngang tuyến tính với chiều sâu Giả thiết này cho kết quả không chính xác so với thực tế vì không phản ánh đúng điều kiện làm việc của đất nền Ngày nay, với sự hoàn thiện phương pháp tính và sự giúp đỡ của máy tính cho phép chúng ta mô tả chính xác hơn sự tương tác giữa cọc-đất

2

nền và các yếu tố ảnh hưởng khác đến khả năng làm việc của cọc khi chịu tải trọng ngang Đó là hướng tiếp cận liên tục đàn hồi (elastic continuum approach) và phương pháp phần tử hữu hạn (finite element method) Những hướng tiếp cận mới này sẽ được giới thiệu trong luận văn Ngoài ra, câu hỏi

về tính phù hợp và độ chính xác của các phương pháp tính trên so với kết quả thí nghiệm hiện trường cũng đang làm băn khoăn các nhà thiết kế Do đó, tác

giả chọn đề tài "Nghiên cứu các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng

ngang" để đáp ứng nhu cầu thực tiễn này

 Mục đích nghiên cứu

Làm sáng tỏ những vấn đề sau:

 Sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang

 Các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang hiện nay

 Lựa chọn và kiến nghị phương pháp tính toán

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu: Cọc trong các công trình xây dựng

 Phạm vi nghiên cứu: Cọc đơn bê tông cốt thép (BTCT) thẳng đứng chịu tải trọng tĩnh nằm ngang và mômen tập trung ở đỉnh cọc

 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu tài liệu: Tìm hiểu và thu thập các tài liệu liên quan đến phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang hiện nay

 Xử lý thông tin: Phân tích và tổng hợp các phương pháp tính toán

 Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng kết quả thực nghiệm để kiểm chứng sự phù hợp của phương pháp tính

3

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

 Đưa ra cái nhìn tổng quát về các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang hiện nay và định hướng sử dụng phương pháp tính toán hợp lý phục vụ cho thiết kế

 Kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo và nghiên cứu

 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn có phần nội dung bao gồm 3 chương Nội dung cụ thể từng chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về cọc chịu tải trọng ngang

Dựa trên các tài liệu thu thập được, tác giả giới thiệu một cách khái quát về cọc, móng cọc trong công trình xây dựng và sự làm việc của chúng Trên cơ sở đó giới thiệu và phân tích làm rõ vấn đề nghiên cứu của luận văn

Chương 2: Nghiên cứu các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang

Cung cấp một cái nhìn tổng quan về các hướng tiếp cận tính toán cọc chịu tải trọng ngang hiện nay và ưu điểm, hạn chế của các hướng tiếp cận đó Đi sâu phân tích một số phương pháp tính toán điển hình theo từng hướng tiếp cận, từ

đó đề xuất phương pháp tính toán phục vụ cho thực tiễn

Chương 3: Áp dụng tính toán cho công trình cụ thể

Tính toán và so sánh với kết quả thí nghiệm cọc chịu tải trọng ngang cho một công trình cụ thể để kiểm tra độ tin cậy của phương pháp tính

THÔNG BÁO

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

Hiện nay, các công trình có sử dụng cọc chịu tải trọng ngang ngày càng phổ biến và lý thuyết tính toán cọc chịu tải trọng ngang ngày càng hoàn thiện Việc nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm về các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang đã cho ta một số kết luận sau:

- Cọc chịu tải trọng ngang trong ba trường hợp: tải trọng ngang tập trung tại đỉnh cọc, tải trọng ngang phân phối lên thân cọc và kết hợp hai trường hợp trên Đối với trường hợp tải trọng ngang tập trung ở đỉnh cọc, hiện nay có ba hướng tiếp cận chính để tính toán là: dầm trên nền Winkler, liên tục đàn hồi và phần tử hữu hạn

- Các phương pháp tính theo hướng tiếp cận dầm trên nền Winkler thường tính toán đơn giản nhưng độ chính xác không cao Vì vậy, hướng tiếp cận này hiện này vẫn được sử dụng phổ biến để phân tích các bài toán đơn giản, các bài toán không đòi hỏi độ chính xác cao

- Các phương pháp tính theo hướng tiếp cận liên tục đàn hồi đòi hỏi kỹ thuật giải toán phức tạp trong phân tích và nó vẫn tồn tại hạn chế nhất định

- Phương pháp phần tử hữu hạn cho kết quả phù hợp với kết quả thí nghiệm hiện trường Hơn nữa, với sự hỗ trợ bởi máy tính đã giúp cho quá trình tính toán trở nên đơn giản và nhanh chóng Tuy nhiên, để có kết quả đáng tin cậy cần có đầy đủ kết quả thí nghiệm cần thiết để xây dựng mô hình PTHH đúng với thực tế

- Khi cọc chịu tải trọng ngang và mô-men tập trung ở đỉnh, tất cả các phương pháp tính và kết quả thực nghiệm cho thấy cọc có xu hướng bị phá hoại ở một đoạn gần mặt đất (khoảng 2,6d÷5d) Phần đất gánh đỡ tải ngang chủ yếu là do các lớp đất phía trên (khoảng 5d)

110

Kiến nghị

Với nỗ lực nghiên cứu của tác giả, luận văn đã giải quyết tốt được nhiệm

vụ của đề tài Do hạn chế về thời gian nghiên cứu nên luận văn chưa giải quyết được trọn vẹn các vấn đề liên quan đến bài toán cọc chịu tải trọng ngang, cụ thể:

- Tính cọc chịu lực ngang khi mặt đất không nằm ngang

- Nghiên cứu cọc đơn chịu tải trọng ngang phân bố dọc theo thân cọc do

Dựa vào kết quả nghiên cứu, luận văn xin đưa ra một số kiến nghị như sau:

- Trước tiên, tiêu chuẩn hiện hành cần có quy định về việc bắt buộc phải tính toán trong hồ sơ thiết kế cho những trường hợp cọc chịu tải trọng ngang để đảm bảo an toàn cho công trình

- Khi tính toán cọc chịu tải trọng ngang, TCVN hiện hành cần phải bổ xung, chỉ dẫn chi tiết hơn ở một số điều khoản để việc thực hành được thuận tiện, cụ thể:

 Cần bổ xung cách xác định hệ số tỷ lệ của hệ số nền K trong trường hợp nền nhiều lớp

 Cần nghiên cứu, bổ xung chỉ dẫn tính cọc chịu lực ngang khi mặt đất không nằm ngang

 Điều khoản: tính toán SCT trọng ngang theo phương pháp của Broms (1964) còn quá sơ sài, không đủ thông tin để thực hành Cần bổ xung cách xác định cọc "cứng", cọc "mềm" Trình tự tính toán đầy đủ đã được trình bày trong luận văn

111

- Trong tất cả các phương pháp tính đều ghi chú Es là mô đun đàn hồi của đất mà không nói rõ là mô đun đàn hồi theo phương đứng hay phương ngang Cần có nghiên cứu thêm về vấn đề này

- Trường hợp cọc chịu tải trọng ngang và mô-men tập trung ở đỉnh, cần tiến hành tính toán theo phương pháp khác nhau cho các điều kiện đất nền khác nhau và kết hợp với thí nghiệm hiện trường để thống kê và đưa ra được một chỉ dẫn kỹ thuật chung phục vụ thiết kế và nghiên cứu

- Trường hợp cọc chịu tải trọng ngang và mô-men tập trung ở đỉnh, trong phạm vi chiều sâu gần đỉnh cọc (khoảng 2,6d÷5d), khi thiết kế cần lưu

ý đến vấn đề tính toán cốt thép cho cọc Thêm nữa, cần lựa chọn lớp đất bên trên (khoảng 5d) có tính chất cơ lý tốt cho trường hợp cọc chịu tải trọng ngang; nếu các lớp đất trên mặt quá yếu cần có biện pháp cải tạo, gia cường

- Cần có những nghiên cứu tiếp theo về các trường hợp mà luận văn chưa xét tới để hoàn chỉnh phương pháp tính Trong đó, nên kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường để giải quyết các trường hợp cần nghiên cứu

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A Tài liệu tiếng việt

1 Châu Ngọc Ẩn (2005), Nền Móng, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí

Minh, tr.219-263

2 Đỗ Văn Đệ (2013), Phần mềm Plaxis 3D foundation ứng dụng vào tính

toán móng và công trình ngầm, NXB Xây dựng, tr.5-64

3 Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái (2006), Móng cọc phân tích và thiết kế,

NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, tr.151-263

4 Nguyễn Bá Kế (2008), Móng nhà cao tầng kinh nghiệm nước ngoài, NXB

Xây dựng, Hà Nội, tr.110-123

5 TCVN 10304-2014: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc

6 TCXD 205-1998: Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế

7 TCXD 88-1982: Cọc – Phương pháp thí nghiệm hiện trường

8 22TCN207-92: Công trình bến cảng biển

9 Lê Đức Thắng (1998), Tính toán móng cọc, NXB xây dựng, tr.94-125

10 Ngô Quốc Trinh (2014), Nghiên cứu sự làm việc của cọc chịu tải trọng

ngang và tải trọng động đất, tr.18-34

B Tài liệu tiếng anh

11 American Association of State Highway and Transportation Officials

AASHTO (1998), Bridge Design Specifications, section 10.163-167

12 ASTM D2435-96: Standard test methods for one-dimensional consolidation properties of soils using incremental loading

13 ASTM D2850-1999: Standard test method for unconsolidated-undrained triaxial compression test on cohesive soils

14 ASTM D4767-95: Standard test method for consolidated-undrained