LỜI CẢM ƠN Sau thời gian làm luận văn, với cố gắng thân hướng dẫn nhiệt tình, khoa học thầy giáo PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái – Bộ môn Thuỷ Công – Trường Đại Học Thuỷ Lợi, tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp Với đề tài: “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời “ Thời gian làm luân văn tốt nghiệp dịp tốt để tác giả có điều kiện hệ thống lại kiến thức giảng dạy năm học tập trường, đặc biệt giúp tác giả làm quen với việc tìm tòi nghiên cứu trình bày đề tài khoa học Những điều giúp tác giả thêm vững vàng q trình cơng tác, phát triển tư nghiên cứu khoa học Luận văn sử dụng lý thuyết kết cấu, móng, phương pháp phần tử hữu hạn cơng cụ SAP 2000 để phân tích trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời Mặc dù có nhiều cố gắng thực không tránh khỏi thiếu sót, mong thầy góp ý để luận văn hoàn thiện Nội dung luận văn gồm phần sau: Phần một: tổng quan; phần hai: sở lý thuyết; phần ba: nghiên cứu trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời; phần bốn: ứng dụng phân tích ứng suất cho cơng trình cống Nam Đàn; phần 5: kết luận kiến nghị Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo môn Thủy Công đặc biệt thầy giáo PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2012 Tác giả: Hoàng Minh Thắng BẢN CAM KẾT Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Kết nên luận văn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, khơng chép từ cơng trình nghiên cứu khác Nếu sai, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả Hoàng Minh Thắng MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .1 1.1 Tổng quan dạng cơng trình thuỷ lợi dạng bê tông đặt đất .1 1.1.1 Lịch sử phát triển .1 1.1.2 Cơng trình bê tơng đất 1.1.3 Yêu cầu công trình bê tơng thủy cơng khối lớn 1.2 Ứng xử phương pháp xử lý đất yếu 1.2.1 Nền đất yếu phân loại đất yếu 1.2.2 Đặc điểm làm việc cơng trình bê tơng đất 1.2.3 Một số phương pháp xử lý cơng trình gặp đất yếu 10 1.3 Tổng quan móng cọc 13 1.3.1 Khái quát hình thành phát triển .13 1.3.2 Ứng dụng phân loại cọc bê tông cốt thép 14 1.3.3 Cấu tạo móng cọc bê tơng cốt thép 16 1.4 Kết luận chương 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN MĨNG CỌC 20 2.1 Ngun lý kết cấu điều kiện làm việc móng cọc 20 2.1.1 Ứng xử đất xung quanh cọc đóng 20 2.1.2 Hoạt động cọc chịu kéo 21 2.1.3 Sự ổn định cọc uốn dọc 22 2.1.4 Hoạt động nhóm cọc 23 2.2 Phương pháp tính tốn thiết kế móng cọc truyền thống 24 2.2.1 Sức chịu tải cọc theo điều kiện đất bao quanh cọc 25 2.2.2 Tính tốn độ bền vật liệu làm cọc đài cọc 31 2.2.3 Tính tốn số lượng cọc .32 2.2.4 Hình thức bố trí kiểm tra điều kiện làm việc móng cọc 33 2.2.5 Đặc điểm làm việc cọc với phương pháp bố trí truyền thống .36 2.3 Tương tác cọc môi trường đất 37 2.3.1 Cơ sở lý thuyết 37 2.3.2 Các loại mơ hình 38 2.4 Các phương pháp xác định hệ số 44 2.4.1 Phương pháp tra bảng .45 2.4.2 Phương pháp tính theo cơng thức móng 46 2.5 Phân tích ứng suất theo phương pháp phần tử hữu hạn 47 2.5.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 47 2.5.2 Phần mềm SAP 2000 51 2.6 Kết luận chương 53 CHƯƠNG 3: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA HỆ BẢN CỌC KHI 55 LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 55 3.1 Vài nét làm việc đồng thời hệ cọc 55 3.1.1 Cơ chế làm việc hệ – cọc 55 3.1.2 Các quan điểm nghiên cứu .56 3.2 Các mơ hình phần tủ hữu hạn nghiên cứu hệ cọc 57 3.2.1 Thay cọc gối đàn hồi 57 3.2.2 Coi đất không gian làm việc mơ hình 60 3.2.3 Thay tương tác cọc – đất gối mềm độ cứng K .61 3.3 Trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời .62 3.3.1 Trạng thái ứng suất làm không xét ảnh hưởng cọc .63 3.3.2 Trạng thái ứng suất bản, cọc làm việc đồng thời 68 3.4 Kết luận chương 74 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI 75 ỨNG SUẤT CỐNG NAM ĐÀN 75 4.1 Giới thiệu chung cơng trình cống Nam Đàn .75 4.1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm cơng trình 75 4.1.2 Tình hình địa chất móng cơng trình 78 4.1.3 Lựa chọn giải pháp gia cố 80 4.2 Trạng thái ứng suất đáy cống 80 4.2.1 Các số liệu 80 4.2.2 Sơ đồ tính toán 82 4.2.3 Trường hợp tính tốn 83 4.2.4 Xác định tải trọng .83 4.2.5 Kết tính tốn .84 4.3 Kết luận chương 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 Kết luận .93 Kiến nghị 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 DANH MỤC BẢN VẼ Hình 1.1: Xử lý móng trạm bơm Xuân Dương Hình 1.2: Xử lý móng cống lấy nước Nam Đàn Hình 1.3: Mặt bố trí cọc cống lấy nước Nam Đàn .4 Hình 1.4: Xử lý móng cống Xn Tình – Cẩm Khê – Phú Thọ Hình 1.5: Công nghệ đập trụ đỡ Hình 1.6: Xử lý trụ cầu giao thông Hình 1.7: Hình thức móng cơng trình đất .9 Hình 1.8: Sơ đồ ổn định cơng trình bê tơng chịu tải trọng phức tạp Hình 1.9: Vài hình ảnh cố sập cầu Cần Thơ 10 Hình 1.10: Tháp nghiêng Pisa - Italia .10 Hình 1.11: Phương pháp xử lý móng 11 Hình 1.12: Phương pháp xử lý 12 Hình 1.13: Phương pháp xử lý móng cọc .13 Hình 1.14: Vài hình ảnh thi cơng móng cọc bê tơng cốt thép 13 Hình 1.15: Cọc đổ chỗ 14 Hình 1.16: Các ứng dụng khác cọc 14 Hình 1.17: Các dạng tiết diện ngang thân cọc BTCT đúc sẵn 16 Hình 1.18: Cốt thép cọc 17 Hình 1.19: Chi tiết cốt thép đầu cọc cốt thép móc cẩu .17 Hình 1.20: Cấu tạo thép chờ đai thép đầu cọc 17 Hình 1.21: Chi tiết mối nối cọc .18 Hình 1.22: Cấu tạo móng cọc 18 Hình 2.1: Chuyển vị xoắn đất đóng cọc 20 Hình 2.2: Phân bố ứng suất cọc đơn nhóm cọc .24 Hình 2.3: Sức chịu tải kéo cọc mở rộng chân (móng cọc pttk) 26 Hình 2.4: Sự huy động sức kháng (móng cọc pttk) 26 Hình 2.5 : Sơ đồ bố trí cọc điển hình 34 Hình 2.6 : Sơ họa móng cọc 35 Hình 2.7 : Mặt móng cọc quy ước 35 Hình 2.8 : Liên kết cọc đài cọc 37 Hình 2.9: Móng dầm chịu tải trọng tác động 38 Hình 2.10: Nền chịu tải trọng phân bố 39 Hình 2.11: Nền chịu tải trọng tập trung 40 Hình 2.12: Mơ hình Winkler móng tuyệt đối cứng 41 Hình 2.13: Trường hợp dầm tách khỏi .41 Hình 2.14: Độ lún theo tốn khơng gian 42 Hình 2.15: Độ lún theo tốn phẳng 42 Hình 2.16: Thí nghiệm bàn nén .43 Hình 3.1: Sự làm việc hệ cọc, cọc đất 55 Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ tải trọng độ lún theo quan điểm thiết kế .57 Hình 3.3: Sơ đồ tính tốn kết cấu xem đầu cọc gối đàn hồi 59 Hình 3.4: Mơ tả phương pháp tính lún Gambin 59 Hình 3.5: Mơ hình tính tốn phương pháp 61 Hình 3.6: Mơ hình tính tốn, phương pháp sử dụng lò xo thay tương tác cọc-đất 62 Hình 3.7 Mặt bố trí cọc 63 Hình 3.8: Mơ hình tính tốn 63 Hình 3.9: Biểu đồ ứng suất S11 65 Hình 3.10: Biểu đồ ứng suất S22 65 Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất S33 65 Hình 3.12: Biểu đồ ứng suất S12 66 Hình 3.13: Biểu đồ ứng suất S13 66 Hình 3.14: Biểu đồ ứng suất S23 66 Hình 3.15: Biểu đồ ứng suất Smax 67 Hình 3.16: Biểu đồ ứng suất Smid 67 Hình 3.17: Biểu đồ ứng suất Smin 67 Hình 3.18: Biểu đồ ứng suất Svm .68 Hình 3.19: Mơ hình tính tốn 68 Hình 3.20: Biểu đồ ứng suất S11 69 Hình 3.21: Biểu đồ ứng suất S22 69 Hình 3.22: Biểu đồ ứng suất S33 70 Hình 3.23: Biểu đồ ứng suất S12 70 Hình 3.24: Biểu đồ ứng suất S13 71 Hình 3.25: Biểu đồ ứng suất S23 71 Hình 3.26: Biểu đồ ứng suất Smax 72 Hình 3.27: Biểu đồ ứng suất Smid 72 Hình 3.28: Biểu đồ ứng suất Smin 73 Hình 3.29: Biểu đồ ứng suất Svm .73 Hình 4.1: Cắt ngang cống vị trí nhà điều hành 75 Hình 4.2: Mặt bố trí cọc đáy thân cống lấy nước 80 Hình 4.3: Sơ đồ hình học 82 Hình 4.4: Sơ đồ tính toán 82 Hình 4.5: Sơ đồ tính tốn 84 Hình 4.6: Biểu đồ ứng suất S11 87 Hình 4.7: Biểu đồ ứng suất S22 87 Hình 4.8: Biểu đồ ứng suất S33 88 Hình 4.9: Biểu đồ ứng suất S12 88 Hình 4.10: Biểu đồ ứng suất S13 89 Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất S23 89 Hình 4.12: Biểu đồ ứng suất Smax 90 Hình 4.13: Biểu đồ ứng suất Smid 90 Hình 4.14: Biểu đồ ứng suất Smin 91 Hình 4.15: Biểu đồ ứng suất Svm .91 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số tiêu phân loại đất mềm yếu Bảng 2.1 : Quan hệ Nc Su .30 Bảng 2.2 : Các hệ số điều kiện làm việc đất .31 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Tài nguyên nước thành phần chủ yếu môi trường sống, định thành công chiến lược quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội, đảm bảo quốc phòng an ninh quốc gia Hiện tác động tượng biến đổi khí hậu tồn cầu tác động khai thác người nguồn tài nguyên thiên nhiên quý quan trọng phải đối mặt với nguy ô nhiễm cạn kiệt Một biện pháp khắc phục vấn đề xây dựng hệ thống cơng trình thuỷ lợi hợp lý nhằm điều tiết, bảo tồn phát triển nguồn tài nguyên quý giá Trên thực tế xuất cơng trình cống điều tiết; cống lấy nước; cống ngăn triều, giữ ngọt…nhằm phục vụ mục đích Đi theo việc xây dựng cơng trình giải pháp mặt kết cấu, ổn định cơng trình để đảm bảo cơng trình hoạt động cách an toàn bền vững Sử dụng cọc để gia cố đất yếu phương pháp phổ biến xây dựng cơng trình thuỷ lợi Tuy nhiên thực khách quan cho thấy sử dụng cọc chưa đánh giá đến làm việc đồng thời cọc dẫn đến việc sử dụng cọc thiên lớn làm hao phí kinh tế Vì đề tài: “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời” có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn lao chiến lược phát triển người nói chung tài nguyên nước nói riêng Mục đích Đề tài Nghiên cứu trạng thái ứng suất hệ cọc điều kiện chịu lực khác xét đến làm việc đồng thời hệ cọc nhằm tận dụng tối đa khả làm việc hệ cọc, tiết kiệm mặt kinh tế nâng cao chất lượng mặt kỹ thuật đảm bảo công trình làm việc ổn định, bền vững Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: Tiếp cận trực tiếp gián tiếp thông qua tổ chức, cá nhân khoa học hay phương tiện thông tin đại chúng để nắm tổng quan biện pháp xử lý cơng trình đất yếu đặc biệt phương pháp xử lý cọc bê tơng cốt thép Hình 1.9: Biểu đồ ứng suất Smin (Max = 99,467 T/m2; Min = - 1005,809 T/m2 Hình 1.10: Biểu đồ ứng suất Svm (Max = 1008,831 T/m2; Min = 10,515 T/m2 KẾT QUẢ TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT HỆ BẢN CỌC ỨNG VỚI TỔ HỢP CỌC 35X35 CM DÀI 10 M PHơC LơC TÝNH TO¸N HƯ Số NềN THEO CÔNG THứC TERZAGHI cọc 35x35cm di 10m A Ti liệu I Tài liệu địa chất (đất nền) (T/m3) 1.83 Tên lớp II Trình tù tÝnh Líp ®Êt thø nhÊt Nc= 9.21 Nq= 2.51 γk (T/m3) 1.33 C (T/m2) 1.67 ϕ (®é) 9o08' Cäc vu«ng B = 0.35 m Ng= As= 1.08 40(ci*Nci + 0,5γi*B*Nγi) = 629.01 Bs= 40(ci*Nq) = 167.87 B¶ng tÝnh độ cứng gối đn hồi theo chiều sâu STT Độ s©u (m) Céng dån (m) Ksx,y Ksz Kx,y Kz 0.13 0.13 649.99 796.88 28.44 34.86 0.25 0.38 691.96 796.88 60.55 69.73 0.25 0.63 733.93 796.88 64.22 69.73 0.25 0.88 775.89 796.88 67.89 69.73 0.25 1.13 817.86 796.88 71.56 69.73 0.25 1.38 859.83 796.88 75.23 69.73 0.25 1.63 901.79 796.88 78.91 69.73 0.25 1.88 943.76 796.88 82.58 69.73 0.25 2.13 985.73 796.88 86.25 69.73 10 0.25 2.38 1027.70 796.88 89.92 69.73 11 0.25 2.63 1069.66 796.88 93.60 69.73 12 0.25 2.88 1111.63 796.88 97.27 69.73 13 0.25 3.13 1153.60 796.88 100.94 69.73 14 0.25 3.38 1195.56 796.88 104.61 69.73 15 0.25 3.63 1237.53 796.88 108.28 69.73 16 0.25 3.88 1279.50 796.88 111.96 69.73 17 0.25 4.13 1321.47 796.88 115.63 69.73 18 0.25 4.38 1363.43 796.88 119.30 69.73 19 0.25 4.63 1405.40 796.88 122.97 69.73 20 0.25 4.88 1447.37 796.88 126.64 69.73 21 0.25 5.13 1489.33 796.88 130.32 69.73 22 0.25 5.38 1531.30 796.88 133.99 69.73 23 0.25 5.63 1573.27 796.88 137.66 69.73 24 0.25 5.88 1615.24 796.88 141.33 69.73 25 0.25 6.13 1657.20 796.88 145.01 69.73 26 0.25 6.38 1699.17 796.88 148.68 69.73 27 0.25 6.63 1741.14 796.88 152.35 69.73 28 0.25 6.88 1783.10 796.88 156.02 69.73 29 0.25 7.13 1825.07 796.88 159.69 69.73 30 0.25 7.38 1867.04 796.88 163.37 69.73 31 0.25 7.63 1909.01 796.88 167.04 69.73 32 0.25 7.88 1950.97 796.88 170.71 69.73 33 0.25 8.13 1992.94 796.88 174.38 69.73 34 0.25 8.38 2034.91 796.88 178.05 69.73 35 0.25 8.63 2076.87 796.88 181.73 69.73 36 0.25 8.88 2118.84 796.88 185.40 69.73 37 0.25 9.13 2160.81 796.88 189.07 69.73 38 0.25 9.38 2202.78 796.88 192.74 69.73 39 0.25 9.63 2244.74 796.88 196.41 69.73 40 0.25 9.88 2286.71 796.88 200.09 69.73 41 0.13 10.00 2307.69 796.88 100.96 34.86 Hình 1.11: Biểu đồ ứng suất S11 (Max =475,162T/m2; Min = - 457,908 T/m2 Hình 1.12: Biểu đồ ứng suất S22 (Max =502,208T/m2; Min =-343,610 T/m2 Hình 1.13: Biểu đồ ứng suất S33 (Max =609,187 T/m2; Min =-717,243 T/m2 Hình 1.14: Biểu đồ ứng suất S12 (Max = 124,515 T/m2; Min = -124,515 T/m2 Hình 1.15: Biểu đồ ứng suất S13 (Max = 218,712 T/m2; Min = -380,378 T/m2 Hình 1.16: Biểu đồ ứng suất S23 (Max = 284,877 T/m2; Min = -284,877 T/m2 Hình 1.17: Biểu đồ ứng suất Smax (Max = 897,479 T/m2; Min = -285,084 T/m2 Hình 1.18: Biểu đồ ứng suất Smid (Max = 413,299 T/m2; Min = -433,341 T/m2 Hình 1.19: Biểu đồ ứng suất Smin (Max = 99,893 T/m2; Min = - 1014,148 T/m2 Hình 1.20: Biểu đồ ứng suất Svm (Max = 1028,831 T/m2; Min = 10,715 T/m2 KẾT QUẢ TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỐNG NAM ĐÀN ỨNG VỚI TỔ HỢP MỰC NƯỚC THIẾT KẾ CỐNG ĐĨNG DO U CẦU SỬA CHỮA Hình 1.21: Biểu đồ ứng suất S11 (Max =1211,084T/m2; Min =-2157,590T/m2) Hình 1.22: Biểu đồ ứng suất S22 (Max =1585,596T/m2; Min =-3461,256T/m2) Hình 1.23: Biểu đồ ứng suất S33 (Max =1567,284T/m2; Min =-5693,064T/m2) Hình 1.24: Biểu đồ ứng suất S12 (Max =258,278T/m2; Min =-258,278T/m2) Hình 1.25: Biểu đồ ứng suất S13 (Max =1517,015T/m2; Min =-1410,294T/m2) Hình 1.26: Biểu đồ ứng suất S23 (Max =2440,809T/m2; Min =-2421,751T/m2) Hình 1.27: Biểu đồ ứng suất Smax (Max =2296,273T/m2; Min =-1379,139T/m2) Hình 1.28: Biểu đồ ứng suất Smid (Max =1226,176T/m2; Min =-2718,400T/m2 Hình 1.29: Biểu đồ ứng suất Smin (Max =804,783T/m2; Min =-7537,445T/m2 Hình 1.30: Biểu đồ ứng suất Svm (Max =5810,116T/m2; Min =25,365T/m2 ... 3: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA HỆ BẢN CỌC KHI 55 LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 55 3.1 Vài nét làm việc đồng thời hệ cọc 55 3.1.1 Cơ chế làm việc hệ – cọc 55 3.1.2 Các quan điểm nghiên cứu. .. thấy sử dụng cọc chưa đánh giá đến làm việc đồng thời cọc dẫn đến việc sử dụng cọc thiên lớn làm hao phí kinh tế Vì đề tài: “ Nghiên cứu trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời có ý nghĩa... 3.3 Trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời .62 3.3.1 Trạng thái ứng suất làm không xét ảnh hưởng cọc .63 3.3.2 Trạng thái ứng suất bản, cọc làm việc đồng thời 68 3.4 Kết luận chương