BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU

BÀI TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI THEO 22TCN272-05 VÀ AASHTO-LRFD I.. Tổng quát Đây là bài toán tính toán thiết kế tối ưu sức chịu tải của cọc khoan nhồi

BÀI TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI

THEO 22TCN272-05 VÀ AASHTO-LRFD

I Tổng quát

Đây là bài toán tính toán thiết kế tối ưu sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo đất nền khi biết đường kính cọc; khoảng cách các cọc trong nhóm; nội lực đầu cọc (M,

N, Q); khoảng cách các cọc trong nhóm; các thông số cơ lý của các lớp đất mà cọc dự kiến đi qua (chiều dày của mỗi lớp đất, sức kháng cắt không thoát nước, số búa SPT,

…) Kết quả của bài toán là cho biết chiều dài tối ưu của cọc thỏa mãn:

Sức chịu tải của cọc theo đất nền: Q r Q tt

Sức chịu tải của cọc theo vật liệu Q T Q tt

Như vậy, đối với bài toán này cần phải xác định trước nội lực của đầu cọc và chọn trước đường kính cọc

II Nội dung kỹ thuật của bài toán

Thông thường khi thiết kế chiều dài cọc của một kết cấu móng cọc nào đó (mố, trụ, ), người thiết kế thường chọn trước chiều dài cọc theo cấu tạo theo chiều dày của các lớp đất Sau đó tính duyệt và kiểm tra dần cho đến khi kết quả là chấp nhận được Điều này chắc chắn chưa thể cho phép người thiết kế chọn được chiều dài tối ưu của cọc

Nội dung chọn chiều dài của cọc gồm có: Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền Q r Q tt, sau đó cần kiểm tra sức chịu tải của cọc đơn và sức chịu tải của một cọc trong nhóm cọc

1 Yêu cầu dữ liệu đầu vào của bài toán

Chọn chiều dài của cọc từ các điều kiện đã cho ban đầu :

Đường kính cọc

Nội lực đầu cọc (M, N, Q)

Các thông số cơ lý của đất (chiều dày của mỗi lớp đất, sức kháng cắt không thoát nước, số búa SPT, …)

2 Nội dung chính của bài toán

a Các công thức cơ bản

Sức chịu tải của cọc theo vật liệu

'

0.85 0.85

Q    f A

Trong đó:

: hệ số sức khỏng '

c

f : cường độ bờ tụng cọc

S

A : diện tớch cọc

Sức chịu tải của cọc theo đất nền

Q  Q Q  P

Trong đú:

S qs S S

Q  q A : sức khỏng bờn của cọc

qs

 : hệ số sức khỏng

S

q : sức khỏng bờn đơn vị danh định

Q  q A : sức khỏng mũi cọc

P

 : hệ số sức khỏng

P

q : sức khỏng mũi đơn vị danh định DD: sức khỏng ma sỏt õm

PW: triết giảm trọng lượng cọc

Sức khỏng bờn đơn vị danh định trong đất dớnh

q   S

Trong đú:

 : hệ số dớnh bỏm

u

S : cường độ khỏng cắt khụng thoỏt nước trung bỡnh

Sức khỏng bờn đơn vị danh định trong đất rời

Touma và Reese (1974) qs = Kv tanf< 0,24MPa

ở đây:

K = 0,7 đối với Db 7500mm

K = 0,6 đối với 7500mm < Db 12000mm

K = 0,5 đối với Db > 12000mm Meyerhof (1976) q s = 0,00096N

Quiros và Reese (1977) q s = 0,0025N < 0,19 MPa

Reese và Wright (1977) Với N 53

q s = 0,0028 N

Với 53 < N 100

q s = 0,00021 (N - 53) + 0,15 Reese và O’Neill (1988) qs = v 0,19 MPa với 0,25 1,2

ở đây:

= 1,5 7,7x10 -3 z

Trong đú:

N: số bỳa SPT chưa hiệu chỉnh (Bỳa/300mm)

 v: ứng suất hữu hiệu thẳng đứng (Mpa)

f

 : gúc ma sỏt của cỏt (Độ) K: hệ số truyền tải trọng

Db: chiều sõu chụn cọc khoan trong tầng đất chịu lực (mm)

: hệ số truyền tải trọng z: chiều sõu dưới đất (mm)

Cỏc gúc ma sỏt của cỏt

Sức khỏng mũi đơn vị danh định trong đất dớnh

4.0

p c u

q N S 

6 1 0.2 ( / ) 9

c

N    Z D 

Trong đú:

D: đường kớnh cọc khoan Z: độ xuyờn của cọc khoan

u

S : cường độ khỏng cắt khụng thoỏt nước trung bỡnh

Sức khỏng mũi đơn vị danh định trong đất rời

Touma và Reese (1974) Rời - q p (MPa) = 0,0

Chặt vừa - q p (MPa) = 1,5/k Rất chặt - q p (MPa) = 3,8/k

K = 1 đối với D p 500 mm

K = 0.6 D p đối với D p 500 mm Chỉ dùng khi D b > 10D

Meyerhof (1976) 0.013

p

D

đối với cỏt 0.096N corrđối với bựn khụng dẻo Reese và Wright (1977) Qp (MPa) = 0,064 N đối với N 60

Q p (MPa) = 3,8 đối với N > 60 Reese và O’Neill (1988) Qp (MPa) = 0,057 N đối với N 75

Q p (MPa) = 4,3 đối với N > 75 Trong đú:

 '

0.77 lg 1.92 /

N    N

áp lực tầng phủ (búa/300mm)

N: số búa SPT chưa hiệu chỉnh (Búa/300mm) D: đường kính cọc khoan (mm)

Dp: đường kính mũi cọc khoan (mm)

Db: chiều sâu chôn cọc khoan trong tầng cát chịu lực (mm) '

v

 : ứng suất thẳng đứng hữu hiệu (MPa)

b Các điều kiện kiểm tra

Sức chịu tải theo đất nền

Trong đó:

: hệ số nhóm cọc

Sức chịu tải theo vật liệu

'

0.85 0.85

Q    f A Q

III Mô hình của bài toán

Với bài toán kỹ thuật đã được nêu ra ở trên thì đây là một bài toán tối ưu hóa

Có thể phát biểu bài toán tối ưu hóa như sau:

Lập và tính toán hàm mục tiêu:

2

L EL  x

Trong đó:

EL2: cao độ đỉnh cọc x: cao độ mũi cọc Tìm cực tiểu hóa hàm mục tiêu:

min

2

L EL  x L

Biến độc lập:

x: cao độ mũi cọc Với các ràng buộc

r tt

Q Q

T r

Q Q

Với các điều kiện xác định miền giá trị của các tham số hàm (1) Các giá trị này được xác định từ các thông số ban đầu và phải nằm trong các khoảng cho phép theo quy định của quy trình

Trong đó các tham số có ý nghĩa như sau :

: hệ số sức kháng '

c

f : cường độ bê tông cọc D: đường kính cọc

qs

 : hệ số sức kháng

S

q : sức kháng bên đơn vị danh định

P

 : hệ số sức kháng

P

q : sức kháng mũi đơn vị danh định

IV Lựa chọn phương pháp giải

Để giải bài toán tối ưu hóa này có rất nhiều phương pháp, tuy nhiên ở đây chọn phương pháp tối ưu một tham số theo dấu hiệu tăng dần của hàm mục tiêu Đây là phương pháp đơn giản dễ thực hành và thuận tiện trong tính toán trên máy tính Dưới đây trình bày thuật toán giải bài toán tối ưu hóa này:

Bước 1: Nhập các số liệu đầu vào

- Nội lực đầu cọc

- Đường kính cọc D

- Với điều kiện địa chất và các trạng thái giới hạn tính toán, từ đó xác định các

hệ số sức kháng

- Căn cứ vào hình trụ lỗ khoan địa chất, ứng với mỗi loại đất khác nhau, xác định được sức kháng đơn vị danh định của từng lớp đất

Bước 2: Nhập sơ bộ chiều dài cọc

Chiều dài thực tế của cọc là:

L = L0 + Ltt = EL2 - x Trong đó

L0: chiều dài của cọc từ đáy bệ đến cao độ đất tự nhiên sau xói

Ltt là chiều dài của cọc kể từ mặt đất sau khi bị xói lở EL2: cao độ đỉnh cọc

x: cao độ mũi cọc

Bước 3: Tính sức chịu tải theo vật liệu và sức chịu tải theo đất nền

- Tính Q T   0.85 0.85 f c'A S

- Tính Q r   Q sQ pPW DD

theo các trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn cực hạn

Bước 4: Kiểm tra theo các điều kiện ràng buộc

- Từ Qr đã được xác định như bước 3, tiến hành kiểm tra theo các điều kiện ràng buộc:

r tt

Q Q

T r

Q Q

- Nếu điều kiện ràng buộc được thỏa mãn thì chuyển sang bước 5

- Nếu điều kiện ràng buộc không được thỏa mãn thì đặt L=L+0.5 rồi chuyển sang bước 3

Bước 5: In kết quả

- Xuất các kết quả ra màn hình; ra file hoặc máy in (tùy theo yêu cầu của người

sử dụng)

Bước 6: Dừng và kết thúc chương trình

V Sơ đồ khối

B¾t ®Çu

Giíi thiÖu ch ¬ng tr×nh

NhËp c¸c sè liÖu ®Çu vµo

y

y

n

n

Ghi gi¸ trÞ L

In kÕt qu¶

KÕt thóc

n

VI Ví dụ tính toán theo sơ đồ khối

Dưới đây trình bày một ví dụ bài toán tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi theo sơ đồ khối đã trình bày ở trên Quy trình áp dụng là 22TCN-272-05 và AASHTO LRFD 1998 Các số liệu đầu vào là giả định

VII Lời kết

Do thời gian có hạn nên chưa thể hoàn chỉnh đầy đủ phần chương trình chay bằng ngôn ngữ Pascal Tuy nhiên, với ý tưởng và cách giải trên em tin tưởng sẽ có lời giải chính xác cho bài toán nêu trên Khi có chương trình sẽ giúp rất nhiều cho các kỹ

sư thiết kế trong công việc lựa chọn được phương án tối ưu nhất

BÀI TẬP SÁNG CHẾ

Nêu 7 nguyên tắc trong một số thuật toán sáng chế của một thiết bị trong ngành cầu, hầm và đề xuất thêm nguyên tắc thứ 8.

+ Chọn đối tượng: Máy nén Marshall

+ 7 nguyên tắc trong thuật toán sáng chế Máy đầm tạo mẫu Marshall:

1 Phân chia

Cấu tạo Máy nén Marshall được phân chia thành các phần độc lập: khung máy, kích gia tải, thiết bị đo lực, đồng hồ đo biến dạng của mẫu… Từ đó tạo nên vật thể Máy nén Marshall được lắp ghép từ các bộ phận này

2 Đặc tính định xứ

Thể hiện ở những bộ phận khác nhau thì thực hiện các chức năng hoạt động khác nhau: Kích gia tải có vai trò tạo lực nén phá hoại mẫu, khung máy giữ cho lực được tác dụng thẳng đứng, thiết bị đo lực hiển thị giá trị của lực nén, đồng hồ hiển thị

độ biến dạng của mẫu dưới tác dụng của tải trọng…

3 Đề phòng

Đề phòng trường hợp nén mẫu có thể dẫn tới phá hoại luôn cả hai vành thép nén mẫu, hai vành thép nén mẫu được thiết kế để không ôm trọn vẹn đường kính của mẫu mà được để hở một khoảng nhất định

4 Kết hợp

Kết hợp về thời gian: thời điểm bắt đầu đo biến dạng của mẫu cũng là thời điểm bắt đầu đo lực

5 Môi giới

Thể hiện qua việc hai vành thép làm trung gian truyền lực tác dụng vào mẫu

6 Tính đồng nhất

Làm các vật thể tương tác với vật thể đầu tiên bằng cùng loại vật liệu hoặc vật liệu rất gần với vật thể đầu tiên đó Cụ thể là hai vành thép trong bộ phận nén mẫu được làm bằng thép cùng vật liệu với bộ phận gia tải

7 Tổng hợp

Hai vành thép vừa có tác dụng cố định mẫu thử trên mặt phẳng vừa có tác dụng truyền tải trọng

8 Để đạt hiệu quả cao hơn khi khai thác, Máy nén Marshall cần được thiết kế một viên bi thép tại vị trí tiếp xúc giữa bộ phận gia tải và vành thép (sáng chế năng động: viên bi thép được đặt trong hố tròn lõm sẽ tự điều chỉnh cho bộ phận gia tải vuông góc với vành thép)