Nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suất trong hệ bản cọc làm việc đồng thời

Nghiên cứu trạng thái ứng suất của hệ bản cọc trong từng điều kiện chịu lực khác nhau khi xét đến sự làm việc đồng thời của hệ bản và cọc nhằm tận dụng tối đa khả năng làm việc của hệ cọc, tiết kiệm về mặt kinh tế và nâng cao chất lượng về mặt kỹ thuật đảm bảo công trình làm việc ổn định, bền vững.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT TRONG HỆ BẢN CỌC LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI Đào Văn Hưng Đại học Thủy lợi Hà Nội Phùng Văn Ngọc Đại học Bách khoa Hà Nội Phạm Thanh Tâm Viện Khoa học Thủy lợi Việt N am Tóm tắt: 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 cơng trình làm việc ổn định, bền vững Trong báo nhóm tác giả nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với hỗ trợ phần mềm SAP 2000, mơ hình hóa phần tử theo mơ hình khơng gian ba chiều, có xét tới tương tác cọc để phân tích trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời với tổ hợp tải trọng khác Kết nghiên cứu trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời, phân bố ứng suất đầu cọc trường hợp sử dụng sơ đồ hệ cọc Từ khóa: Cơng trình, cọc bê tơng, mơ hình, tải trong, ứng suất Summary: Study the stress state of the pile system under different load conditions considering the simultaneous operation of the pile system and the pile system in order to make the most of the piles' working capacity, economically And improve the technical quality to ensure a stable and stable work In this article the research team uses the finite element method with the support of SAP 2000 software, modeling the element in a three-dimensional space model, taking into account the interaction between the pile and the foundation Analyze the stress state of the pile system when working concurrently with different load combinations Research results on the stress state of the pile system when working simultaneously, the distribution of stress on the pile head in cases using the pile system Key words: Construction, concrete pile, model, load, stress ĐẶT VẤN ĐỀ* Ngày với phát triển kinh tế việc xây dựng cơng trình xây dựng diễn khắp nơi Đi kèm với vấn đề phát triển kinh tế vấn đề nhiễm mơi trường, hạn hạn, biến đổi khí hậu, nước biển dâng…Việt Nam nước chịu nhiều ảnh hưởng tượng biến đổi khí hậu nước biển dâng Đê đối phó Ngày nhận bài: 16/3/2017 Ngày thơng qua phản biện: 21/4/2017 Ngày duyệt đăng: 15/5/2017 với tình trạng nước ta đầu tư xây dựng cơng trình thủy lợi để nhằm mục đích điều tiết ngăn chặn tượng 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 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 38 - 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 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 1.1 Đặc điểm làm việc cơng trình bê tơng đất Cơng trình bê tơng thủy cơng loại cơng trình có tải trọng thân tải trọng ngang lớn, làm việc môi trường nước, thường bão hòa điều kiện làm việc khơng nước M óng cơng trình bê tơng đặt trực tiếp đất ngàm sâu vào Khi chịu tải trọng phức tạp, tải trọng cơng trình truyền xuống vượt sức chịu tải nền, bị phá hoại xảy tượng trượt phẳng, sâu trượt hỗn hợp; điều dẫn đến phá hoại kết cấu công trình bị phá hoại hồn tồn Đầu tiên phải kể đến phương pháp thay đổi chiều sâu chơn móng, sử dụng phương pháp giải mặt lún khả chịu tải Khi chiều sâu chơn móng tăng sức chịu tải tăng Trường hợp đất yếu có chiều dày thay đổi nhiều, để giảm chênh lún đặt móng nhiều cao trình khác Phương pháp thay đổi kích thước móng có tác dụng thay đổi trực tiếp áp lực tác dụng lên mặt cải thiện điều kiện chịu tải điều kiện biến dạng Móng nơng Thay đổi độ sâu chơn móng Móng sâu ngàm vào nhờ tăng chiều sâu hộp đáy nhờ hệ thống cọc Hình 1: Hình thức móng cơng trình đất Hình 2: Sơ đồ ổn định cơng trình bê tơng chịu tải trọng phức tạp Thực tế cho thấy việc đánh giá khả làm việc đất biện pháp xử lý không phù hợp dẫn đến cố đáng tiếc, gây thiệt hại lớn người Các biện pháp xử lý móng Thay đổi kích thước móng Hình 3: Phương pháp xử lý móng Với lớp đất yếu có độ dày khơng lớn (tốt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 38 - 2017 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Móng cọc đài thấp Móng cọc đài cao với lớp đất yếu < 3m) trạng thái bão hòa nước người ta sử dụng đệm cát (đào bỏ toàn lớp đất yếu thay cát hạt trung, hạt thô đầm chặt) để cải tạo Đệm cát đóng vai trò lớp chịu tải tiếp thu tải trọng cơng trình truyền tải trọng xuống lớp đất bên Hình 5: Phương pháp xử lý móng cọc 1.2 Ứng dụng phân loại cọc bê tông cốt thép Sơ đồ bố trí đệm cát Sơ đồ bố trí cọc cát Hình 4: Phương pháp xử lý Khi gặp trường hợp yếu có độ ẩm nhỏ (G < 0,7) sử dụng phương pháp đầm chặt lớp mặt để làm tăng cường độ chống cắt đất làm giảm tính nén lún Lớp đất mặt sau đầm chặt có tác dụng tầng đệm đất, ưu điểm phương pháp đệm cát mà có ưu điểm tận dụng đất thiên nhiên để đặt móng, giảm khối lượng đất đào đắp Chức chung cọc truyền tải trọng xuống tầng sâu nơi mà tầng đất nông không đủ chịu lực Khi cọc xuyên qua lớp đất xấu cắm xuống phần vào tầng đất tốt có khả chịu lực gọi cọc chống Khi cọc hạ vào tầng đất mà sức chịu tải đất không lớn lắm, sức chịu tải cọc dựa vào lực ma sát mặt bên cọc chúng gọi cọc ma sát Sức chịu tải cọc tăng lên nhiều sử dụng lực chống lực ma sát Phương pháp sử dụng cọc bê tơng cốt thép: M ục đích phương pháp sử dụng khả chịu tải cao tầng đất sâu lực ma sát cọc móng để giữ ổn định cho cơng trình Với ưu điểm có lịch sử phát triển lâu đời, phù hợp với nhiều loại địa hình địa chất phương án sử dụng móng cọc sử dụng phổ biến rộng rãi với hầu hết loại cơng trình nói chung cơng trình thủy lợi nói riêng Về việc nghiên cứu đề tài luận văn, tác giả hi vọng góp thêm chút hiểu biết nhỏ hệ thống lý thuyết phương pháp tính tốn móng cọc làm phong phú kho tài liệu móng cọc Hình 6: Các ứng dụng khác cọc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 38 - 2017 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 1.3 Hoạt động nhóm cọc Các cọc đóng thành nhóm với khoảng cách cọc từ đến lần đường kính cạnh cọc Nếu cọc cọc ma sát ứng xù cọc nhóm hồn tồn khác với ứng xử cọc đơn Với cọc chống khơng thấy có dấu hiệu khác biệt Cơ sở nghiên cứu sức chịu tải cọc theo điều kiện đất bao quanh cọc Sức chịu tải dọc trục cọc theo điều kiện đất bao quanh cọc chia thành sức kháng bên sức kháng mũi: Qu = Qf + Qp Trong đó: Qf: Sức kháng bên Q f = u  f i  z i u: Chu vi thân cọc z i : Chiều dài đoạn phân tố cọc mà fi coi số z i : Diện tích xung quanh đoạn phân tố cọc Qp: Sức kháng mũi: Qp = qp Ac Trong đó: qp sức kháng mũi đơn vị cực hạn cọc Ac : Tiết diện ngang mũi cọc Nếu cọc chịu kéo, mũi cọc mở rộng chân Ac phần mở rộng chân, mặt tiếp xúc cọc với đất phía bên chỗ mở rộng (hình 2.3) Nếu cọc chịu kéo khơng mở rộng chân Ac = Hình 7: Phân bố ứng suất cọc đơn nhóm cọc Trong đất rời, q trình hạ cọc phương pháp đóng hay ép thường nén chặt đất nền, sức chịu tải nhóm cọc lớn tổng sức chịu tải cac cọc đơn nhóm Trong đất dính, sức chịu tải cọc ma sát nhỏ tổng sức chịu tải cọc đơn nhóm M ức độ giảm sức chịu tải cọc đơn nhóm cọc trường hợp phụ thuộc vào khoảng cách cọc nhóm, đặc tính đất, độ cứng đài cọc tham gia truyền tải cơng trình xuống đài cọc đất Hình 8: Sức chịu tải kéo cọc mở rộng chân (móng cọc pttk) Đối với cọc chống, sức chịu tải nhóm cọc tổng sức chịu tải cọc đơn nhóm Nhiều nghiên cứu thấy (hình 2.4): Sức kháng bên cực đạt cực hạn nhanh (ở TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 38 - 2017 KHOA HỌC chuyển vị khoảng – mm Nếu cọc nhồi có thành bên nhám sức kháng bên đạt cực hạn chuyển vị lớn hơn, khoảng 10 – 15 mm) N gược lại, sức kháng mũi cọc đạt cực hạn chậm Dưới tải trọng cho phép, chuyển vị cọc  s nhỏ, sức kháng mũi huy động phần nhỏ (trong đó, sức kháng bên cọc huy động lớn) CÔNG NGHỆ Người ta phân biệt sức kháng bên thành hai trường hợp trường hợp thoát nước trường hợp khơng nước a) Sức kháng bên nước Cát (hay đất rời nói chung vật liệu thấm nước tốt Bởi vậy, áp lực nước lỗ rỗng dư luôn coi tiêu tán (thoát nước) Bởi vậy, sức kháng bên đất rời cọc gọi sức kháng bên nước Lực dính c đất rời gần khơng có (c = 0), sức kháng bên đơn vị cực hạn nước cọc có dạng sau: f i  K. 'v tg (2.1) Trong đó:  'v ứng suất hữu hiệu theo phương đứng đoạn cọc (độ sâu z) K: hệ số áp lực ngang, sau cọc thi cơng Hình 9: Sự huy động sức kháng (móng cọc pttk) Đối với loại đất đá “giảm yếu biến dạng lớn” Khi chuyển vị s1, sức kháng bên huy động toàn phần đạt giá trị cực đại Qf Tuy nhiên chuyển vị tăng dần lên, sức kháng mũi tăng dần sức kháng bên lại giảm Như vậy, tổng sức kháng cực hạn Qf + Qp mà giá trị lớn hai giá trị sau: Q1 = Qf + Qp1 Q2 = Qf1 + Qp K. ' v ứng suất pháp tác dụng vng góc với đoạn cọc xét  góc ma sát ngồi đất với cọc, góc lấy xấp xỉ  góc ma sát đất với đất Việc dự báo K khó khăn (hệ số áp lực ngang K thay đổi so với đất nguyên dạng chưa có cọc) ta đặt Ktg  , phương trình 2.1 có dạng : fi   ' v Cách tính gọi cách tính  (bê ta) Hệ số  dự báo dựa thực nghiệm 2.1 sở tính tốn sức kháng bên cọc 2.3 Cơ chế làm việc hệ – cọc Khi vật thể chuyển động trượt vật thể kia, hai vật thể xuất sức kháng bên (sức kháng bên cắt) fi : f i  c   tg Nghiên cứu tác động qua lại kể tới ảnh hưởng đài cọc, đất đáy đài cọc cho thấy cấu truyền tải trọng sau: Trong đó: c lực dính đơn vị hai vật thể Sự làm việc đài cọc: Tải trọng từ cơng trình truyền xuống móng Đài cọc liên kết đầu cọc thành khối phân phối tải trọng cơng trình xuống cho cọc Sự phân phối phụ thuộc vào việc bố trí cọc độ cứng kháng uốn (EJ) đài Ở mức độ định có khả điều chỉnh độ lún không (lún lệch)  : ứng suất pháp hai vật thể  góc ma sát hai vật thể Khi chịu tác động tải trọng nén cọc có xu hướng lún xuống Hướng chuyển vị thẳng đứng ứng suất pháp hai vật thể cọc đất theo phương ngang  'h  K. 'v TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 38 - 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Ảnh hưởng đất đáy đài: Khi đài cọc chịu tác động tải trọng phần truyền xuống cho cọc chịu phần phân phối cho đát đáy đài Tỷ lệ phân phối phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ cứng đất, chuyển vị đài, chuyển vị cọc việc bố trí cọc Ảnh hưởng cọc: Cơ chế làm việc cọc nhờ hạ vào lớp đất tốt phía nên chịu tác động tải trọng đứng từ đài móng truyền tải xuống lớp đất tốt thông qua lực ma sát cọc với đất lực kháng mũi cọc làm cọc chịu kéo nén Trong trình làm việc cọc chịu thêm tác động phức tạp khác như: hiệu ứng nhóm cọc, lực ma sát âm Do có độ cứng lớn nên cọc tiếp nhận phần lớn tải trọng từ đài xuống, có phần nhở tiếp nhận Tóm lại làm việc hệ – cọc – đất hệ thống làm việc đồng thời tương tác lẫn phức tap Sự tương tác phụ thuộc vào độ cứng kháng uốn đài cọc, độ cứng đất, độ ứng cọc (khả chịu tải bố trí cọc) Nhờ vào tương tác mà tải trọng phân phối xuống đất gây chuyển vị nền, chuyển vị phân phối lại tải cho kết cấu bên từ có tác dụng điều chỉnh chên lún, giữ ổn định khơng gian cho móng 3.3 Thay cọc gối đàn hồi Các đặc trưng mơ hình sử dụng Đài cọc khai báo phần tử SELL SOLID Đài cọc chia thành lưới hình vng chữ nhật Cọc thay gối đàn hồi có độ cứng K cọc tương ứng tính cơng thức sau : Kcọc = Pi Si Trong : Si: độ lún cọc thứ i chịu tải trọng Pi Theo nghiên cứu nhiều nhà khoa học, độ lún cọc đơn có kể đến hiệu ứng nhóm xác định sau: mc Si = Sc (1    i ) i Với mc  i i hệ số ảnh hưởng nhóm cọc, xác định theo cơng thức kinh nghiệm 0, 5ln(L /  ) với  < L  ln(L /  d)  0 với  > L L chiều dài cọc;  khoảng cách tâm cọc; d đường kính cọc Hệ số   Eg Em Trong Eg, Em mô đun biến dạng đất điểm chiều dài cọc mũi cọc Sc độ lún cọc đơn tác dụng lực Pi xác định sở tương tác cọc đất, đất mũi cọc thân biến dạng đàn hồi cọc Sc tính thơng qua công thức thực nghiệm nhiều tác giả đưa như: Phương pháp truyền tải Coyle Reese (1960); phương pháp Gambin, phương pháp Mindlin theo lý thuyết đàn hồi Đất đáy đài thay gối Spring có độ cứng K đất thay đổi tùy theo vào điều kiện địa chất Xác định độ cứng gối đàn hồi Kcọc Cọc thay gối đàn hồi có độ cứng Kcọc đặc trưng cho độ cứng cọc Hình 10: Sơ đồ tính tốn kết cấu xem đầu cọc gối đàn hồi TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 38 - 2017 KHOA HỌC KẾT QUẢ ỨNG DỤNG VÀO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ CÔNG NGHỆ 4.1 Ứng dụng phần mềm S AP 14 tính tốn khả chịu tải hệ cọc 4.1 Vị trí địa lý, đặc điểm cơng trình Cống Nam Đàn hạng mục cơng trình nằm dự án “nâng cấp, mở rộng cống Nam Đàn hệ thống kênh giai đoạn 1“ Cống Nam Đàn xây dựng nơi giao kênh Cụt đê tả sơng Lam, vị trí cơng trình thuộc địa bàn xã Xuân Hoà, huyện Nam Đàn, tỉnh Nghệ An Tuyến cống cách cống Nam Đàn cũ khoảng km phía hạ lưu Tọa độ địa lý khu đầu mối: Hình 12: Biểu đồ ứng suất S12 + 105030'53'' kinh độ Đông 2 (Max = 260,919T/m ; Min =-260,919T/m ) + 18041'18" vĩ độ Bắc Vùng dự án giới hạn bởi: + Phía Bắc giáp huyện Diễn Châu; + Phía Nam giáp Sơng Cả (sơng Lam); + Phía Tây giáp vùng đồi núi hai huyện Thanh Chương Đơ Lương; + Phía Đơng giáp biển; Các thơng số kỹ thuật của: - Cống lấy nước bố trí phía phải âu thuyền (tim cống lấy nước cách tim âu 25,1m) Lưu lượng thiết kế Qtk = 27,64 m3/s Hình 13: Biểu đồ ứng suất Svm 2 (Max = 5934,834T/m ; Min =26,065T/m ) Các thông số thiết kế đảm bảo điều kiện chịu tải hệ cọc cho cơng trình KẾT LUẬN Kết nghiêm cứu nhóm tác giả nêu phương pháp tính tốn bố trí cọc cho móng cơng trình bê tơng cốt thép đơn vị tư vấn sử dụng rộng rãi giai đoạn Đó phương pháp nêu TCXDVN 205 – 1998 (móng cọc – tiêu chuẩn thiết kế.) Hình 11: Cắt ngang cống vị trí nhà điều hành - Đã xem xét phương pháp phân tích ứng suất – biến dạng mơ hình nền, phương pháp tính tốn tương tác TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 38 - 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ móng cọc hệ thống cọc sử dụng, từ lựa chọn cách xây dựng thuật tốn giải phương pháp phần tử hữu hạn theo sơ đồ khơng gian có kể đến tương tác đất cọc bê tông cốt thép hệ thống cọc đáy làm việc đồng thời - Ứng dụng phương pháp phần mềm tính tốn kết cấu SAP 2000 để phân tích ứng suất cho cơng trình cống lấy nước Nam Đàn tỉnh Nghệ An Trong thời đại công nghệ phát triển nhanh mạnh nay, việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với hỗ trợ máy tính vơ hợp lý, giúp kết tính tốn nhanh hơn, tính nhiều tổ hợp tải trọng khác cách đồng thời Việc sử dụng phương pháp số hạn chế giả thiết ban đầu, đặc biệt mơ hình hóa theo sơ đồ khơng gian xét làm việc đồng thời phận cơng trình Và khẳng định chắn kết hồn tồn phản ánh xác trạng thái ứng suất kết cấu nghiên cứu điều kiện biên khai báo đầy đủ Kết mô tả trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời cách đầy đủ, trực quan, độ xác cao, làm sở để tính tốn kết cấu, bố trí sơ đồ hệ cọc cho cơng trình, góp phần bổ sung vào kho tài liệu tham khảo cho cán thiết kế thi cơng cơng trình cơng trình tương tự Tuy nhiên kết xem xét trạng thái ứng suất kể đến làm việc đồng thời cọc đáy mà chưa nghiên cứu làm việc đồng thời hệ Cần so sánh việc sử dụng mơ hình Winkler với việc sử dụng mơ hình khác, so sánh việc sử dụng cơng thức tính K Terzaghi với cơng thức nhà nghiên cứu khác đưa để có kết luận đánh giá tổng quan Để kết nghiên cứu xác cần xét đến ảnh hưởng hệ cọc chúng làm việc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình học đất trường Đại học Thuỷ lợi [2] Giáo trình móng trường Đại học Thuỷ lợi [3] Ths Hồng Tiến Thắng – tài liệu hướng dẫn sử dụng SAP 200 V12 [4] [5] PGS.TS Trịnh Văn Cương, Địa kỹ thuật tài liêụ giảng dạy sau đại học 2002 GS.TS Vũ Cơng Ngữ, Phân tích thiết kế móng cọc – Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2004 [6] Phân tích thiết kế kết cấu phần mềm SAP 2000 [7] PhD Shamsher Prakash, Hari D Sharma Pile foudations in engineering practice – Móng cọc thực tế xây dựng Nhà xuất xây dựng 1999 [8] Journal of geotechnical and geoenviromental engineer 2001 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 38 - 2017 ... phản ánh xác trạng thái ứng suất kết cấu nghiên cứu điều kiện biên khai báo đầy đủ Kết mô tả trạng thái ứng suất hệ cọc làm việc đồng thời cách đầy đủ, trực quan, độ xác cao, làm sở để tính tốn kết... Tóm lại làm việc hệ – cọc – đất hệ thống làm việc đồng thời tương tác lẫn phức tap Sự tương tác phụ thuộc vào độ cứng kháng uốn đài cọc, độ cứng đất, độ ứng cọc (khả chịu tải bố trí cọc) Nhờ... thời cọc đáy mà chưa nghiên cứu làm việc đồng thời hệ Cần so sánh việc sử dụng mơ hình Winkler với việc sử dụng mơ hình khác, so sánh việc sử dụng cơng thức tính K Terzaghi với công thức nhà nghiên