I.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG1.Nghiên cứu tổng quan về sự cố ở vùng chuyển tiếp cầu đường (sự cố của nền đắp và sự cố của kết cấu mố).2.Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết tính toán ổn định biến dạng của hệ mố đất đắp xung quanh mố.3.Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS để phân tích ổn định biến dạng của hệ mố đất đắp xung quanh mố (Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, áp dụng mô hình đất MohrCoulomb và phàn tử tiếp xúc để phân tích, nhận xét kết luận).
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN DUY LUÂN PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI ĐẤT ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CỦA MỐ CẦU Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình giao thơng Mã ngành: 60 58 02 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2017 -iCƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS Lê Bá Khánh Cán chấm nhận xét : PGS.TS Lê Thị Bích Thủy Cán chấm nhận xét : TS Phùng Mạnh Tiến Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng 01 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Trần Văn Miền Chủ tịch hội đồng PGS TS Lê Thị Bích Thủy CB Phản biện TS Phùng Mạnh Tiến CB Phản biện TS Nguyễn Văn Long Ủy viên hội đồng TS Nguyễn Mạnh Tuấn Thư kí hội đồng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV PGS TS TRẰN VĂN MIỀN Trưởng khoa -2- ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN DUY LUÂN MSHV: 7140675 Ngày, tháng, năm sinh: 29/09/1992 Nơi sinh: Cà Mau Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình giao thơng MN: 60 58 02 05 I TÊN ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI ĐẤT ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CỦA MỐ CẦU II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nghiên cứu tổng quan cố vùng chuyển tiếp cầu - đường (sự cố đắp cố kết cấu mố) Nghiên cứu tổng quan lý thuyết tính tốn ổn định - biến dạng hệ mố - đất đắp xung quanh mố Nghiên cứu & ứng dụng phần mềm ANSYS để phân tích ổn định - biến dạng hệ mố - đất đắp xung quanh mố (Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn, áp dụng mơ hình đất Mohr-Coulomb phàn tử tiếp xúc để phân tích, nhận xét - kết luận) III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 11 tháng 01 năm 2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 04 tháng 12 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CẦU ĐƯỜNG TS LÊ BÁ KHÁNH TS LÊ BÁ KHÁNH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỤNG PGS TS NGUYỄN MINH TÂM -iiiLỜI CẢM ƠN Qua thời gian dài học tập nghiên cứu, em cảm thấy trưởng thành kiến thức học Đặc biệt lĩnh vực mơ hình mơ sử dụng phần mềm phân tích kết cấu ANSYS Mechanical APDL Để có kiến thức sâu rộng nhờ Thầy Cơ khoa Kĩ thuật xây dựng nói chung mơn cầu đường trường đại học Bách Khoa nói riêng Đó kiến thức khơng thể thiếu để giúp em hồn thành tốt luận văn Với lòng tri ân sâu sắc nhất, em xin chân thành cám ơn tất Thầy giành tâm huyết qua giảng, tiểu luận môn học truyền cho em kinh nghiệm vô quý giá để không thực luận văn mà thực tế làm sau trường Và điều quan trọng, luận văn có ngày hơm nhờ vào hướng dẫn tận tình, khơng kiến thức mà bảo câu văn, nét chữ Thầy TS Lê Bá Khánh Thầy đưa hướng đắn giúp em vượt qua khó khăn luận văn Em biết với lời cảm ơn thơi khơng thể đáp lại mà Thầy cho em Nhưng với lòng biết ơn chân thành sâu sắc nhất, em xin cảm Thầy tất mà Thầy giúp đỡ em Xin cảm ơn Ba mẹ, cô Năm gia đình ln ủng hộ động viên lúc khó khăn Xin cảm ơn anh chị, bạn thân thuộc hỗ trợ suốt trình làm luận văn Cuối cùng, xin dành lời chúc tốt đẹp đến tất người Trân trọng Nguyễn Duy Luân -4TÓM TẮT LUẬN VĂN Xây dựng cơng trình khu vực có địa chất yếu thường gặp nhiều khó khăn Xây dựng mố cầu đất yếu khó khăn cần xem xét, tính tốn lã lưỡng Vì vậy, vấn đề nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng khối đất đến ứng suất biến dạng móng cọc mố cầu điều cần thiết Mục tiêu luận văn khảo sát ảnh hưởng đất đắp đến ứng suất - biến dạng cọc khoan nhồi móng cọc mố cầu Luận văn áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích trạng thái ứng suất biến dạng cọc đơn chịu tải ngang Cọc đất mơ hình hoá phần tử khối 3D ứng xử chảy dẻo đất tn theo mơ hình Mohr - Coulomb Cặp phần tử đối tiếp xúc dùng để mô tiếp xúc cọc đất Kết luận luận văn kiến nghị: + ANSYS 17.0 có nhiều bổ sung để mơ hình hố ứng xử đất tốt Để đảm bảo xác mơ hình khảo sát, mơ hình hố tương tác cọc - đất nên dùng mơ hình ứng xử đất Mohr - Coulomb phần tử tiếp xúc Khi mơ hình tương tác cọc - đất sử dụng mơ hình ứng xử đất giúp cho việc thiết kế xác hơn, tiết kiệm chi phí + Hướng nghiên cứu tiếp theo, tác giả kiến nghị mở rộng nghiên cứu mố cầu với cách bố trí cọc đa dạng (cọc bố trí khơng đối xứng, cọc xiên, ) -V- ABSTRACT Construction in soft soil area have a lot of difficults Construction abutments on soft ground is one of the difficulties that need to be considered and carefully calculated Therefore, analyze the impact of the land mass to stress and deformation of pile foundation of abutment is essential The aim of thesis is to evaluate influences of simplified ground model for caculate single pile subject to lateral impact load The thesis use finite element method to analysis stress- strain state of single pile subject to lateral load Pile and ground is simulated with 3D solid elements by using ANSYS software Plastic flow behaviour of soil abide by Mohr - Coulomb model rules Contact of pah is used to simulate soil - pile interaction Conclusion and recommendations: The analytical results show that a certain influence on work of pile suject to lateral load with simpilied ground model Subsequent research, the author proposes to expand research abutment piles layout with more diverse (asymmetric layout piles, piles skewers, ) -vi- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ cơng trình nghiên cứu Các số liệu luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Các kết luận văn chưa công bố cơng trình khoa học Tác giả hồn tồn chịu trách nhiệm tính xác thực nguyên luận văn Trân trọng Nguyễn Duy Luân -54- Bảng 3.12 Điều kiện biên mơ hình Ú il e a 3.3.2.8 Kiểu phân tích (Analysis Type) Việc phân tích tốn tuyến tính hay phi tuyến phụ thuộc vào việc thiết lập thơng số cho mơ hình phần tử hữu hạn (Sol’n Controls) Bảng 3.13 Dòng lệnh thiết lập cho trường hợp phân tích tuyến tinh * * Việc thiết lập thông số khác theo mặc định ANSYS ngoại trừ “Line Search”, số phép lặp tối đa “Maximum number of iteration” “Program behavior -55- upon nonconvergence” cỏ nghĩa khỉ phân tích phỉ tuyến khơng hội tụ chương trình dừng lại khơng Bảng 3.15 Hộp thoại phỉ tuyến “Non linear” thiết lập tiêu chuẩn hội tụ, sai sổ (mặc định) Line Search DOF solution predictor Maximum number of iteration Cutback Control Equiv Plastic Strain Explicit Creep ratio Implicit Creep ratio Incremental displacement Points per cycle Label Ref Value Tolerance Norm Min Ref On Prog Chosen 100 Cutback according to predicted number of iter 0.15 0.1 10000000 13 Set Convergence Criteria F Ư calculated Calculated 0.005 0.005 L2 L2 not applicable not applicable Bảng 3.16 Hộp thoại thiết lập cảc thông sô nâng cao phân tích phi tuyến (mặc định) Program behavior upon Terminate but not exit nonconvergence Nodal DOF sol’n Cumulative iter Elapsed time CPU time 3.4 Bài toán so sánh, kiểm tra vận hành chương trình ANSYS Thực mơ hình kiểm tra với lời giải xác hao gồm cọc ỉàm việc đất đàn hồi [33] -56- Q trình kiểm tra phân tích tuyến tính vói bước: cọc làm việc dầm consol (khơng có đất) cọc đất chịu tải trọng ngang so sánh với lý thuyết dầm Hình 3.12 Có thể nhận thấy chia lưới mịn kết dần tiến đến kết xác với lý thuyết dầm Trong phân tích tuyến tính cọc làm việc đất kiểm tra cách so sánh với kết lời giải Poulos Davis (1980) phân tích sổ Mahsehwari et al> 2004 ANSYS Kết cho thấy hợp lý với kết Mashehwari et al, 2004 ANSYS, biến dạng có chút lệch so với Poulos Davis (1980) In Itvri Hình 3.12 ứng xử cọc (b) a) Dầm consol b) Cọc đất 3.5 Kết phân tích 3.5.1 Các trường họp phân tích - Khảo sát chuyển vị cọc, Ưx (Tim cọc) - Khảo sảt ứng suất dọc thân cọc, ơz - Khảo sát ứng suất đất dọc theo chiều dài cọc, ơx - Khảo sát nêm đất xung quanh cọc mặt phẳng vuông gốc với trục z, chọn tọa độ z = -6.1 m (Vị trí có vùng hoạt động ứng suất mạnh vị trí lớp đất.) Tất trường hợp nêm: tải trọng tác dụng nằm bên phải cọc (vòng tròn) -57Bảng 3.17 Bảng vị trí khảo sát cọc Tọa độ (x, y) (z=ữ->19) cọc Tọa độ (i,y) Trường hợp khảo sát (z=0-^19) 4D Cọc trưởc 3.5D Cọc sau Cọc trước 3D 2.5D Cọc sau Cọc trước Cọc sau Cọc Cọc sau trước 2D Cọc trước Cọc sau Chuyển vị cọc, Ih ứng suất đất dọc chiên dài cọc, 0X 0,0 2,0 -2,0 1.75,0 -1.75,0 1.5,0 -1.5,0 1.25,0 -1.25,0 1,0 -1,0 -0.5,0 1.5,0 -2.5,0 1.25,0 -2.25,0 1,0 -1,0 0.75,0 -1.75,0 0.5,0 -1.5,0 ửng snất cọc dọc thân cọc, ƠI -0.5,0 1.5,0 -2.5,0 1.25,0 -2.25,0 1,0 -1,0 0.75,0 -1.75,0 0.5,0 -1.5,0 -583.5.2 Kết phân tích truồng họp 3.5.2.1 Trường họp 1P-LL (1 cọc tải ngang) Ơ rư U m IO * ìa > a S a a a aC J a aa o o o a o o o 9 9 9 a 9o Ô co a o ựỊ ịị : -2 a z, kPa -4 -s -8 ] ■1 ị -10 -12 -14 -16 r ■ n7 -I ■ si -2 -4 -6 ’ H -■ -8 k" •k ■s -20 \ X -12 J -14 - LE_Bond Ị MC_Bond -16 L E : - - LEJnterfara -18 -10 1—— MCJnterfac e -18 N -20 -20 Hình 3.13 Chuyển vị ngang cọc, Hình 3.14 ửng suất cọc, Hình 3.15 ửng suất đất nền, 1P-LL, ux IP LL, ưz IP LL, ơx -59- Nhân xét: Chuyển vị đầu cọc, ứng suất cọc lớn áp dụng mơ hình MohrCoulomb (MC) phần tử tiếp xúc cọc - đất Điều hợp lý vì: + Mơ hình Mohr-Coulomb có xét thêm phần dẻo ứng suất đạt đến giá trị định, mơ hình linear - elastic (LE) đất hồn tồn khơng bị chảy dẻo (không phù hợp với vật liệu đất thực tế) Do áp dụng mơ hình nền MohrCoulomb cho kết phù hợp dùng mô hình linear - elastic (Hình 3.13) + Nếu xét thêm ứng xử tiếp xúc cọc - đất Khi ứng suất kéo bề mặt tiếp xúc cọc - đất vượt qua ngưỡng bề mặt cọc đất tách ra, đất vùng không tham gia chịu tải với cọc Do việc áp dụng phần tử tiếp xúc làm tăng thêm tương thích mơ hình nghiên cứu đối tượng thực + Tại vị trí tiếp xúc lớp đất ứng suất tăng lên đột ngột chêch lệch mô đun đàn hồi hai lớp đất Điều giải thích sau, lớp đất dính chặt mà có biến dạng, lớp đất có mơ đun đàn hồi lớn có ứng suất lớn mặt lý thuyết, tỉ số ứng suất lớp đất xấp xĩ tỉ số mô đun đàn hồi (Tỉ số ứng suất lớn lớp đất tỉ sô mô đun đàn hồi 4.2849 6) (Hình 3.15) - Trường hợp mơ hình Mohr - Coulomb (MC Interface, vị trí gần mặt đất) nhiễu loạn ứng suất xảy đài cọc cắm vào đất 60 Tất trường hợp tải trọng nằm bên phải đài cọc Chuyển vị Ux, 1P-LL MC Bond LE-Bond ANSY S ĨI7J LE_Interface -.003411 ■ -.004102 SDEL ABUTMENT INTERACTION * -.002Ỉ5S ’ MC_Interface - oa1723 -61- Nhận xét: Quan sát phổ màu ta nhận thấy khỉ có sử dụng phần tử tiếp xúc, phân tách cọc đất rõ rệt, đặc biệt lóp đất yếu Điều hồn tồn khơng xảy trường hợp đất dính với cọc 62 STEP=1 NODAL SOLUTION SUB NODA L =13 SOLU TION STEP= TIME=1 /EXPANDED sz SUB (AVG) RSYS=O =13 DMX =.008682 TIME= SMN =-.229E+07 SMX =.229E+07 /EXPA NDED sz (A VG) RSYS =Q DMX =.0086 82 SMN =.229E+ 07 SMX =.229E +07 -63- 0.006 3.5.2.2 Trường hợp IP (1 cọc tải đứng) Hình 3.16 Chuyển vị ngang cọc 1P, Ux Hình 3.17 ứng suất cọc, 1P, Oi Hình 3.18 ứng suất đắt nền,lP, ơx -64- Nhân xét: Cọc trường hợp chịu tải trọng bị động khối đất đắp bên gây dịch chuyển khối đất yếu bên tác động vào cọc gây chuyển vị lớn lớp đất yếu Có thể thấy hệ móng cọc trường hợp bị ổn định cọc chưa ngàm đủ độ sâu cần thiết (Hình 3.16) Nhân xét; Cả trường hợp ứng suất nén cọc lớn vừa qua khỏi lớp đất cứng Trường hợp đất dính với cọc ứng suất nén cọc ln lớn trường hợp có phần tử tiếp xúc Cọc chịu kéo lớn trường hợp LE Bond (độ sâu khoảng 2.8m chịu nén lớn trường hợp MC Bond (độ sâu khoảng 6.5m) Cụ thể: Nêm đất 1P vị trí z= -6.1m Tất trường hợp nêm: tải trọng tác dụng nằm bên phải cọc (vòng tròn) AMSĩS NODAL SOLUTION □HX =.019057 SHN =-61248.6 SMX =34266.4 -30000 -20000 -25000 NDLUAN SOIL ABUTMENT INTERACTION -10000 -15000 -65- LE_Interface MC_Interface Hình 3.19 Nêm đất IP vị trí z= -6.1m Nhận xét: theo dõi thang màu, bên trái giá trị ứng suất nén, bên phải úng suất kéo - Trường hợp: LE Bond + VỊ trí màu đỏ, tập trung ứng suất kéo (32 - 40 kPa) dính chặt cọc đất, chịu tải trọng đất vị trí bị kéo khoảng 1.67D (tính từ tim cọc đến hết vùng chịu kéo) dừng lại + Vị trí màu xanh mép cọc, tập trung ứng suất nén (24 - 32 kPa), vùng ứng suất giảm xuống đến vị trí 1.9D (tính từ tim cọc) lại lOkPa - Trường hợp: MC-Bond + VỊ trí ứng suất kéo giảm (8 -16 kPa) + ứng suất nén tăng lên (26-34 kPa) Vùng hoạt động ứng suất nén tăng lên 2D - Trường hợp: LE Interface + Vị trí ứng suất kéo hai trường hợp LE Bond, MC Bond trở thành ứng suất nén + VỊ trí tập trung ứng suất nén sau cọc giảm 10 kPa khoảng 1.9D - Trường hợp: MC_ Interface -66Tương tự trường hợp LEInterface, vùng ứng suất nén gần giống khoảng 1.9D tính từ tím đến hết vùng màu xanh lam Tóm lại, thể thấy trường hợp đất dính cọc xuất vùng ứng suất kéo phía bên đặt tải trọng giá trị giảm dần áp dụng mơ hình đất Mohr - Coulumb Đối với trường hợp có phần tử tiếp xúc, ứng suất kéo gần phân tách cọc đất xảy Vùng ứng suất chịu nén trường hợp khơng có thay đổi lớn Tuy nhiên vị trí mép cọc ứng suất nén tập trung trường hợp có phần tử tiếp xúc lớn trường hợp đất dính chặt với cọc khoảng 1.3 lần -67Bàng 3.Ĩ8 So sảnh chuyển vị cọc, ứng suất cọc, ứng suất đất trường hợp 1P LL, ỈP -683.S.2.3 Trường hựp 2P_4D (2 Cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 4D) : ■ vl-rat X, m \ i’V'X ! Y’V’dK ■ • ATX ị i XX NV ■ :ịV ■ • V < V \A i 1•• \\ E Hình 3.20 Chuyển vị ngang cọc Hình 3.21 ứng suất cọc trước Hình 3.22 ứng suất đất nền, trước sau, 2P_4D, Ux sau, 2P_4D, ơz 2P-4D, ơx ... xúc để phân tích ảnh hưởng khối đất đến ứng suất biến dạng móng cọc khoan nhồi mố cầu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phân tích ảnh hưởng khối đất đến ứng suất biến dạng móng cọc khoan nhồi mố cầu. .. cứu, phân tích ảnh hưởng khối đất đến ứng suất biến dạng móng cọc mố cầu điều cần thiết Mục tiêu luận văn khảo sát ảnh hưởng đất đắp đến ứng suất - biến dạng cọc khoan nhồi móng cọc mố cầu Luận... học tập trung phân tích ảnh hưởng khối đất đến ứng suất biến dạng móng cọc khoan nhồi mố cầu 1.2 Tổng quan cố đắp sát mố mố 1.2.1 Tổng quan mố cầu tác động vào móng mố cầu 1.2.1.1 Mố cầu [2] Trong