Khảo sát ứng xử của móng cọc tương tác với nền đất dưới tác động của tải trọng ngang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG THÁI HỒNG ÂN Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2016 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM MỸ Phản biện 1: TS Trần Quang Hưng Phản biện 2: TS Đặng Công Thuật Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng cơng nghiệp họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài ng cọc s ụng rộng rãi tải trọng nặng cho nh ng t cấu ớn, si u cấu cầu, nhà cao tầng, m c t cấu phần ngầm n ng đ t cấu phần n i, cụ thể c c t m c v.v đặt tr n n n đất m m s u Chức ản m ng cọc chống đ c ch hiệu tải trọng th ng đứng nh ng si u nh ng năm gần đ ứng t cấu đặt tr n n , thực t cho thấ r ng m ng cọc tải trọng ngang động đất, gi động, s ng, p ực đất v.v chưa quan t m nghi n cứu để c thể c đ nh c ch r ràng ch nh việc t nh to n thi t c nh ng ứng ch ng c hiệu Quan s t t ph hủ chung m ng cọc, đặc iệt trư ng hợp n n đất cơng trình cho thấ n , gi p cho t cấu m ng cọc chả o t số t n thư ng ưới t c động tải trọng ngang 1: [1] 2 3: Qua ph n t ch ứng m ng cọc t nh ng cơng trình thật [1, 2], ch ng ta nhận thấ r ng tải trọng ngang c vai tr h t sức quan trọng ài to n thi t m ng cọc Vì vậ , đ i h i ch ng ta cần phải tăng nhu cầu nghi n cứu, tìm hiểu v c ch ph hủ ch ng nh m h c phục nh ng hiểm hu t c c m ng h u đồng th i cải ti n ài to n thi t m ng cọc ưới t c động tải trọng ngang nh ng ự n tư ng Xuất ph t t nhu cầu tr n, nghi n cứu nà đ ứng uất hảo s t m ng cọc tư ng t c với n n đất ưới t c động tải trọng ngang nh m tìm hiểu c ch àm việc, ứng m ng cọc nhi u oại n n đất h c Mục tiêu nghiên cứu  X  X c đ nh ứng ựng mơ hình t nh to n tư ng t c gi a m ng cọc n n đất ấ đ a chất hu vực  cọc với nhi u oại n n đất h c i n Nam So s nh, đ nh gi t v ứng n n đất h c với số  m ng cọc gi a c c oại t công ố ối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu C c mơ hình tư ng t c gi a m ng cọc n n đất  Phạm vi nghiên cứu c đ nh trư ng chu ển v trư ng ứng suất cọc n n đất Phương pháp nghiên cứu  Phư ng ph p thu t Tìm i m tập hợp tài iệu nghi n cứu tìm hiểu lý thuy t C học đất, N n m ng tập trung m ng cọc số thu t i n quan v vài tải trọng ngang động đất, gi , p ực tư ng ch n v.v  Phư ng ph p số X ựng c c mơ hình t nh to n tr n vài phần m m thư ng mại v c học t nh to n  So s nh, đ nh gi t t nh to n tìm Kết dự kiến  X c đ nh qu uật ứng m ng cọc c c oại n n đất h c  X c đ nh qu uật ứng c c oại n n đất Bố cục luận văn Luận văn gồm có: Mở đầu: Tính cấp thi t đ tài, Mục tiêu nghiên cứu, Đối tượng phạm vi nghiên cứu, phư ng pháp nghiên cứu, k t dự ki n Chư ng T ng quan v móng cọc Chư ng C sở t nh to n Chư ng Khảo s t ứng thu t m ng cọc tư ng t c với n n đất ưới t c động tải trọng ngang K t luận ki n ngh theo bố cục sau: Mở đầu Chƣơng T N QU N V Chƣơng C S Chƣơng S T ỨN N N ĐẤT N C C THUY T T NH TO N X CỦ N C C T Ớ T C ĐỘN CỦ TẢ TR N N N T C VỚ N K t luận Ki n ngh CHƢƠNG T NG U NV 1.1 GI I THI U T NG NG CỌC T NG CỌC U N NH NG NGHI N C U V NG VÀ NG ÀI NƢ C Qua nghiên cứu tài liệu i n quan đ n tư ng t c gi a móng cọc n n đất, phân tích móng cọc phân vào nhóm chính: Một dựa mơ hình n n Winkler dựa mơ hình đàn hồi liên tục 1.1.1 Nhóm phƣơng pháp dựa mơ hình Winkler Theo phư ng ph p nà , cọc ch u tải n em ầm ch u uốn n m n n đàn hồi Phư ng ph p nà th a nhận r ng dầm n m n n Win er, đất đàn hồi thay th b ng loạt c c (Hình 1.1) o đàn hồi độc lập Hình 1.1: Ứng xử c a c c ch u t i tr ng ngang a) Phương pháp dùng đường cong p-y Phư ng ph p ùng đư ng cong p-y mở rộng mi n đàn hồi hi đất chảy d o ét cư ng độ tới hạn n n đất hệ số n n Tuy nhiên việc thi t lập chúng cách chuẩn xác khó xác đ nh tác giả dựa nghiên cứu thực nghiệm lại đưa c c phư ng trình đư ng cong p-y khác để tính tốn Vấn đ lại thấy giống phư ng ph p hệ số n n trình bày b) Phương pháp Thavaraj- Chương trình PILE-PY (2001) Hình 2: Mơ hình Winkler c a ph n ứng c c- t c) Phương pháp Gazetas, Fan Kaynia (1993) Hình ươ ng l c h c giữ t c c - b - cơng trình: phân tích ph n ứ ng h c Hình ươ ng l c h c t - c c- b móng- cơng trình: h ầ Hình ươ ng l c h c giữ t- c c- b móng- cơng trình: phân tích ph n ứng quán tính d) Phương pháp Naggar Novak (1996) Hình 6: Các phần tử c m n c a c ngh ối vớ â í n ứng ngang ng l c h c phi 1.1.2 Nhóm phƣơng pháp dựa mơ hình đàn hồi liên tục Trong phư ng ph p nà coi cọc ầm ch u uốn, bi n dạng đất không nh ng xảy v tr đặt tải trọng mà xảy nh ng n i c ch a v tr đặt tải trọng a) Phương pháp sử dụng lời giải Mindlin Hình 7: Ứng su t tác dụng lên c b) ( ) t (b) gần c c Phương pháp tính cọc lớp đất đàn hồi Verruijt & Kooijman Hình 8: Mơ hình c c ch u t i tr ng nằm ngang n 1.2 GI I THI U SƠ TS V ĐẶC ĐI ồi T NH CH T CỦ T I T ỌNG NG NG Khác với loại tải trọng động tác dụng n cơng trình tải trọng gió, tải trọng xe chạy cầu…, động đất gây chuyển động móng cơng trình, chứa đựng ti m ph hoại lớn cơng trình Có thể hiểu nghĩa tư ng t c ng cách hình dung thuy n nh nhẹ trơi tr n s ng nước (Hình 1a) thuy n khác nhẹ vậ c 1b) Con thuy n nh ch thước dài so với chi u ài s ng λ Hình t àm tha đ i đ n chuyển động sóng, thuy n lớn àm tha đ i chuyển động sóng Hình 1: Mô phỏ ươ ng h c (kinematic interaction) Tuy nhiên, luận văn nà nghiên cứu cọc chiu tải trọng ngang tĩnh 1.2.1 Sóng động đất Hình 2: Bi n d ng n t sóng v t thể gây 1.2.2 Nhiệm vụ thiết kế kháng chấn cho cơng trình thơng số chuyển động đất Khi thi t k cơng trình ch u tải trọng động đất ngư i ta s dụng khái niệm “trận động đất thi t k ” Trong luận văn nà , tác giả chủ y u s dụng tải trọng ngang tĩnh để tính tốn CHƢƠNG CƠ SỞ THU T T NH T N Nói chung việc tính tốn cọc ch u tải trọng ngang dựa vào ba lý thuy t sau:   Lý thuy t cân b ng giới hạn môi trư ng r i Lý thuy t n n bi n dạng cục c c phư ng ph p hệ số n n) 10 max Hình 4: í e Trư ng hợp 2: Tâm xoay n m đ ường hợp m ng max Hình 5: í e Trư ng hợp 3: Tâm xoay n m thấp h n đ ường hợp m ng max Hình 6: í e ường hợp 11 b) Phương pháp tính toán theo lý thuyết biến dạng cục Phư ng ph p o N.K.Xnit o đ xuất Hình 7: í e ươ háp c a N.K.Xnitko Phư ng ph p o K.X Zavriev đ xuất Phư ng ph p nà ựa giả thi t n n bi n dạng cục t ng qu t h n phư ng ph p o N.K.Xnit o đ xuất nh ng mặt sau:  T nh to n trư ng hợp n n nhi u lớp hệ số đặc trưng hệ số n n qu đ i tính trung bình  Có kể đ n áp lực đất n đ cọc  T nh to n phản lực mặt bên m ng cho c c trư ng hợp ti t diện ch nhật (với b rộng btt=k1k2b) Còn v mặt c ch t nh to n tư ng tự phư ng ph p o N.K.Xnit o đ xuất 2.2 T ƢỜNG HỢP NG C Đ C NG H U HẠN Đặc điểm: Đ trư ng hợp thực t hay gặp nhất, trư ng hợp móng cứng tuyệt đối trư ng hợp nh hi độ cứng cọc lớn Phần lớn c c phư ng ph p đ u dựa vào phư ng trình vi ph n độ võng 12 móng: d y( z) (2 2)   y (z)  dz Phương pháp dựa vào giả thiết biến dạng cục EI a) K.X Zavriev  y Hình 8: Biể b) trục võng biể xé ứng su t tác dụng lên mặt bên c a c c cứng c a c c Phương pháp dựa vào giả thiết biến dạng tổng quát Giả thi t:  N n đất coi bi n dạng n đặc trưng n hơng gian đàn hồi n tính, tính ng môđun i n dạng E0 hệ số nở hơng 0 có tr số b ng h ng số  B qua ma sát gi a móng n n đất  Phản lực ngang đất tác dụng lên thân móng phân bố đ u b rộng b  Ti t diện móng ln ph ng trình ch u lực  Hình 9: toán c a R Mindlin c) Phương pháp bán thực nghiệm (p –y) 13 Hình 10: P ươ 2.3 CÁC NHÂN T –y NH HƢỞNG Đ N HI U NG NHÓM QUA SỰ TƢƠNG T C CỦA NHÓM V I Đ T N N a) Sức chịu tải trọng ngang nhóm cọc đất Để khảo sát ảnh hưởng nhóm cọc ngư i ta s dụng hệ số Ge c đ nh sau Ge  B ng H số S/B b) (Qu )G n.(Qu ) óm Ge ối vớ (2 3) t khơng dính Ge 0,50 0,60 0,68 0,70 Chuyển vị ngang nhóm cọc B ng 2 H số gi m óm ối với h số ph n l c n n (Davisson, 1970) Khoảng cách gi a cọc theo Hệ số giảm nhóm cọc đối phư ng tải trọng với nh k 3B 0,25 4B 0,40 6B 0,70 8B 1,00 14 2.4 KH S T ÀI T N THE PHƢƠNG PH P CỦA K.X.ZAVRIEV DỰA TRÊN MƠ HÌNH N N BI N DẠNG CỤC B Khảo sát toán cọc đ n tơng cốt thép đư ng kính D = 1,0 m có mơ đun đàn hồi E = 28.000MPa, chi u dài l = 16 m Móng ch u tải trọng ngang Ho=30t Đất n n đồng nhất, có 1,818 t/m3; =11o42’; c=1,6 t/m m = 200 t/m4 (a) Hình 11: Biể (b) mơ men M(z) (a) chuyển v ngang y(z) (b ) tính theo ươ XZ e 15 CHƢƠNG KH S T NG CỦ NG CỌC TƢƠNG T C V I N N Đ T Ƣ I T C Đ NG CỦ T I T ỌNG NG NG 3.1 PHƢƠNG PH P PH N T CH ĐƢỜNG C NG i ng ngang F e n n c c c t Mô men P1 y1 Hình 1: ươ ữ e â í ườ cong Trong uận văn nà s ụng c ch ti p cận gần đ ng ựa tr n qu trình phần t h u hạn đa thành phần, tư ng tự phư ng ph p ma trận ứng ụng n s mô tả phần sau Đi u nà cho t ch nh c h n nh ng ài to n cụ thể cho nh ng giải ph p đ n giản inh t ột số nhà nghi n cứu s ụng phư ng ph p phần t ph n t ch ài to n nh m cọc [3, 4] ph t triển s ph p nà na s i n cho việc ột mơ hình phần t h u hạn 3- ụng số ài to n đ a ỹ thuật [5, 6], phư ng ụng rộng rãi việc hảo s t ứng cọc n n đất 3.2 PH N T CH PHẦN T TƢƠNG T C GI 3.2.1 H U HẠN CH H NH CỌC VÀ Đ T h nh cọc Ch ng ta em ét tải trọng ngang ọc trục cho cọc mơ tả Hình 2, đồng th i ch ng cho thấ tải trọng ậc tự o cọc ch u đồng th i tải trọng ngang ọc trục, g n n uốn i n ạng ọc 16 trục tư ng ứng cọc Theo tru n thống ch ng ta chọn trục trục cọc Hình 2: m Đài cọc t cấu àm ng ầ tông cố thép đặt ch c ưới t c động tải trọng ngang đài cọc em tu ệt đối cứng, đồng th i quan s t nhi u số iệu thực t v ph hoại m ng cọc, hình ạng t cấu đài cọc c n ngu n vẹn (Hình 3.3) o vậ giả thi t đài cọc tu ệt đối cứng phù hợp Hình 3: M 3.2.2 c h nh đấ Để mô ph ng đất ch ng ta phải ựa chọn mơ hình đ p ứng chu ển v g c oa ớn, phư ng trình chủ đạo đất s ụng phư ng trình chủ đạo v động ực họcError! Reference source not found Nhưng phần t phải g n vào hệ trục tọa độ oa c i mà oa tư ng hệ họa độ toàn cục ng phần tu ệt đối cứng phần t Vì vậ chu ển v c thể t ch àm phần phần tu ệt đối cứng 17 phần i n ạng 3.2.3 a) h nh ậ iệ hình Cap cải tiến Trong phần nà chủ vật iệu h c- u tập trung vào mô tả vật iệu đất n n, tông cốt thép s ụng ph i n hơng trình uận văn nà Vì đất cơng trình mơ ph ng vùng đồng ng sông C u ong n n đ a tầng đa số đất nh o đ mơ hình đất phù hợp chọn để mơ ph ng mơ hình “Cap cải ti n”, đ hình s ụng để mơ ph ng đ p ứng vật iệu n n đất nà th m “cap” mặt chả mơ nh hình o vào mơ hình ruc er-Prager tu n t nh c i mà hỗ trợ hai mục đ ch ch nh  iới hạn mơ hình nén thủ tĩnh  Kiểm so t trư ng nở thể t ch hi vật iệu đạt đ n giới hạn c t Hình 4: M b) e -P e hình ruc er-Prager cải tiến Mơ hình chủ y u mơ ph ng ứng x vật liệu ch u tải trọng đ n, ch ng hạn ph n t ch giới hạn tải trọng đất ưới n n m ng C c đặc điểm c  ản mơ hình là: iai đoạn đầu vật liệu em n m môi trư ng đàn hồi nên trở lại hình dạng an đầu, sau đ o i n dạng ngồi mơi 18 trư ng đàn hồi khơng khả trở v trạng th i an đầu Vì vậy, vật liệu em vật liệu d o  Các vật liệu an đầu đ ng hướng  Trạng th i đàn hồi phụ thuộc vào áp lực thuỷ tĩnh, k t việc vật liệu trở nên b n h n hi tăng p ực giới hạn Vật liệu cứng m m đ ng hướng phụ thuộc vào áp lực thuỷ tĩnh tr n  Trạng th i hông đàn hồi thư ng èm với tha đ i v thể tích: Các nguyên t c dòng chảy bao gồm giãn nở hơng đàn hồi c t không đàn hồi Hai nguyên t c nà áp dụng  Trạng th i đàn hồi b ảnh hưởng độ lớn ứng suất trung gian  Các vật liệu d b bi n dạng  Nhiệt độ ảnh hưởng đ n tính chất vật liệu 3.2.4 T i rọng ng ng Trong luận văn nà , t c giả chủ y u s dụng tải trọng ngang tĩnh Vì vậ , để c đ nh tải trọng động đất t nh theo phư ng pháp tính lực ngang tư ng đư ng 3.2.5 Kế q h o ận Để ti n hành ph n t ch, đ tài ti n hành phân tích móng cọc đ n, m ng cọc hai tim móng cọc bốn tim Với a trư ng hợp sau:  Thay đ i đư ng kính cọc  Thay đ i tải trọng ngang tĩnh t c ụng cọc  Thay đ i u kiện đ a chất cơng trình Đ a chất cơng trình ti n hành khảo sát Đà Nẵng Error! Reference source not found B n Tre 19 Hình 5: Mặt cắ a ch t ẵng Hình 6: Mặt cắ a ch t B n Tre (a) Hình 7: Mơ hình c c (a) k t qu phân tích (b) c (b) ường kính 0.7m (b) (a) Hình 8: Mơ hình c c (a) k t qu phân tích c c (b) ường kính 0.3m 20 Hình 9: M 02 (b) (a) Hình 10 M c (a) k t qu phân tích c c (b) ường kính 0.7m 02 c (a) k t qu phân tích nhóm c c (b) D= 0.3m 21 1.2 NG I NG 0.3 0.9 T 0.3 1.2 NG I 21 0.9 T NG 21 T NH T T 15 MÔ NG 0.3 0.45 21 T Hình 11: M a) T NG c (a) k t qu phân tích c 0.3m ( ) ường kính Khảo sát thay đổi đường kính cọc T k t phân tích nhận thấy r ng cọc c đư ng kính lớn h n bi n dạng chuyển v ngang của cọc nh h n cọc c đư ng kính nh h n Hình 12) 22 Hình 12: Biể b) chuyển v ngang c a c ổ ường kính c c Khảo sát thay đổi tải trọng Bi n dạng cọc dài s không b xoay d ch chuyển có sức kháng b động đất lớn phần ưới cọc (Hình 13a) Mơ men uốn cọc dài có giá tr m ng c gi tr lớn gần đầu cọc (Hình 13b) Cọc chủ y u làm việc khoảng 1/3 chi u dài cọc ph a tr n u phù hợp với nghiên cứu nhận xét Chang (1937) x lý số liệu thí nghiệm Feagin [7] (a) Hình 13: Biể c) chuyển v ngang c ac c ổ (b) ổi áp l ầu c c (a) mô men a ch t (b) Khảo sát hi thay đổi địa chất  Nhận thấy rõ ảnh hưởng độ cứng đất tới làm việc cọc: Mô đun đàn hồi đất lớn nghĩa độ cứng đất 23 lớn chuyển v ngang (Hình 14a), mơ men uốn (Hình 13b) cọc nh cọc c đư ng kính lớn chuyển v ngang nh ph n t ch (mục a) Đi u hoàn toàn phù hợp với quy luật u kiện làm việc thực t cọc (a) Hình 14: Biể chuyển v ngang ổ ường kính c c (b) ổ a ch t (a) a ch t (b)  Theo k t phân tích, ta nhận thấy khoảng cách tim cọc lớn chuyển v ngang cọc giảm (Hình 15a) phù hợp với khuy n cáo Bảng 2; sức ch u tải n n đất tốt s lớn h n đất y u, u phù hợp với thực t xây dựng (Hình 15b) Hình 15: Biể (a) chuyển v sứ tn n (b) ổi kho ng cách tim c c (a) ổ a ch t (b) 24 K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ Kết luận Trong nghi n cứu nà , t c giả đ “mu ti o namics” để hảo s t ứng uất phư ng ph p m ng cọc tư ng t c với n n đất ưới t c động tải trọng ngang Qua ph n t ch phư ng ph p nà đã phản nh ứng m ng cọc tư ng t c với n n đất ưới t c động tải trọng ngang nh m tìm hiểu c ch việc, ứng àm m ng cọc nhi u oại n n đất h c Kiến nghị  Khi thi t k móng cọc cần quan t m đ n khả àm việc cọc ch u tải trọng ngang để c thể ch nh c nh ng ứng c đ nh c ch r ràng n , gi p cho việc t nh to n thi t ch ng c hiệu  Khi thi t móng cọc n n gia cư ng thép v trí 1/3 chi u dài cọc, giảm thép chi u dài lại cọc  Khi thi t k để cọc nhóm làm việc cọc đ n ngư i thi t nên chọn khoảng c ch đư ng kính cọc) ... hảo s t ứng uất phư ng ph p m ng cọc tư ng t c với n n đất ưới t c động tải trọng ngang Qua ph n t ch phư ng ph p nà đã phản nh ứng m ng cọc tư ng t c với n n đất ưới t c động tải trọng ngang nh... to n thi t m ng cọc ưới t c động tải trọng ngang nh ng ự n tư ng Xuất ph t t nhu cầu tr n, nghi n cứu nà đ ứng uất hảo s t m ng cọc tư ng t c với n n đất ưới t c động tải trọng ngang nh m tìm... 3.2.1 H U HẠN CH H NH CỌC VÀ Đ T h nh cọc Ch ng ta em ét tải trọng ngang ọc trục cho cọc mô tả Hình 2, đồng th i ch ng cho thấ tải trọng ậc tự o cọc ch u đồng th i tải trọng ngang ọc trục, g n n