Phân tích ổn định đoạn đường dẫn vào cầu trên nền đất yếu có xét đến sức kháng của móng cọc bê tông cốt thép mố cầu

Phương pháp phân tích ổn định đoạn đường dẫn vào cầu đắp trên đất yếu có xét đến sức kháng của hệ móng cọc mố cầu đã được nhiều đề tài nghiên cứu tiếp cận theo các hướng khác nhau, nhiều phương pháp phân tích đã được nghiên cứu thành công và ứng dụng vào thực tế tính toán.

188 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 27+28, May 2018 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐOẠN ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CÓ XÉT ĐẾN SỨC KHÁNG CỦA MĨNG CỌC BÊ TƠNG CỐT THÉP MỐ CẦU STABILITY ANALYSIS OF BRIDGE APPROACHES ON THE SOFT SOIL TAKING INTOACCOUNT THE RESISTANCE OF CONCRETE PILE USED IN BRIDGE ABUTMENT Phan Quốc Bảo1, Nguyễn Quang Phương2 Đại học GTVT Tp Hồ Chí Minh Phịng KT-HT huyện Vĩnh Cửu – Đồng Nai Tóm tắt: Phương pháp phân tích ổn định đoạn đường dẫn vào cầu đắp đất yếu có xét đến sức kháng hệ móng cọc mố cầu nhiều đề tài nghiên cứu tiếp cận theo hướng khác nhau, nhiều phương pháp phân tích nghiên cứu thành công ứng dụng vào thực tế tính tốn Nhằm góp phần làm phong phú việc lựa chọn phương pháp phân tích ổn định đoạn đường dẫn vào cầu kỹ sư cầu đường, tác giả đề xuất thêm hướng tiếp cận khác – quy đổi hệ thống đất + móng cọc mố cầu thành khối đất tương đương phân tích ổn định đường dẫn vào cầu tương tự việc phân tích ổn định mái dốc v.v… Từ khố: Phân tích ổn định, đường dẫn vào cầu, khối đất tương đương Chỉ số phân loại: 2.4 Abstract: Stability analysis of bridge approaches on the soft soil taking intoaccount the resistance of concrete pile used in bridge abutment have been much studies by various researched directions Some good analytical method have been applied successfully in practices In order to contribute to more addtional solutions in the selection of analytical method of bridge approached for road and bridge engineers, the authors has suggested addtional solutions by another analytical method: conventional pile-soil system as equivalent soil model and basic analysis as soil mechanics can applied etc Keywords: Stability analysis, bridge approach, equivalent soil model Classification number: 2.4 Giới thiệu Việc phân tích ổn định đoạn đường dẫn vào cầu (trượt phía sơng) thực tế tồn quan điểm khác nhau: (1) Thực kiểm toán ổn định trượt sâu đường dẫn vào cầu giống kiểm toán đoạn đắp thông thường, bỏ qua sức kháng hệ thống móng cọc mố cầu; (2) Kiểm tốn ổn định trượt sâu đường dẫn vào cầu có xét đến sức kháng hệ thống móng cọc mố cầu Đánh giá ổn định đường theo quan điểm (1) q thiên an tồn, tính dư thừa kết cấu cao, làm tăng chi phí đầu tư xây dựng Theo quan điểm (2), nhà khoa học trước triển khai công bố nhiều kết nghiên cứu tham gia hệ thống móng cọc việc giữ ổn định cho đất nói chung cho đoạn đường dẫn vào cầu nói riêng Theo sức kháng cọc tham gia vào giữ ổn định đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Khoảng cách cọc, loại đất.v.v… Hình Hiệu ứng vịm áp lực [5] Tuy nhiên, nghiên cứu thực điều kiện địa chất tốt nên việc vận dụng kết để phân tích ổn định trượt sâu đường dẫn vào cầu đắp đất yếu cần cân nhắc thêm Do đặc điểm riêng đất yếu nên hiệu ứng vịm khơng thể hình thành mức độ huy động sức kháng cọc giảm TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 E tđ =a.E p + 189 (1-a).E s (3 ) Trong đó: Hình Áp lực lên cọc đất yếu Mặt khác, giải toán cần phải sử dụng phần mềm tính tốn mạnh Plaxis, Geostudio, Phase, Plac.v.v …và phải sử dụng phiên 3D xét đến trượt khối đất xuyên qua khoảng trống cọc Trong thực tế sản xuất, nhiều lý khác nên hầu hết đơn vị tư vấn thiết kế vừa nhỏ Việt Nam không trang bị phần mềm có quyền để tiến hành phân tích yếu tố Việc nghiên cứu tìm kiếm giải pháp để vận dụng phương pháp phân tích ổn định mái dốc đơn giản tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam chấp thuận phương pháp Fellenus, Bishop.v.v để giải tốn cần thiết Nhằm góp phần làm phong phú việc lựa chọn phương pháp phân tích ổn định đoạn đường dẫn vào cầu, tác giả đề xuất thêm hướng tiếp cận khác: Sử dụng quy tắc tương đương để kiểm toán ổn định đường dẫn vào cầu Cơ sở lý thuyết 2.1 Phương pháp quy đổi tương đương Khối đất + hệ thống cọc bên mố cầu cần quy đổi thành khối đất tương đương có cường độ kháng cắt tăng lên theo tỷ lệ cọc mố cầu đơn vị diện tích Theo phương pháp trọng số, cơng thức quy đổi triển khai sau: C tđ =a.C p + (1-a).C s (1 φ tđ =a.φ p + (1-a).φ s (2 ) ) + φ s , C s , E s : Góc ma sát trong, lực dính mô đun biến dạng đất nền; + φ p , C p , E p : Góc ma sát trong, lực dính mơ đun biến dạng vật liệu cọc móng mố cầu; + φ tđ , C tđ , E tđ : Chỉ tiêu tương đương hỗn hợp đất sau gia cố.; + a: tỷ lệ cọc mố cầu đơn vị diện tích 𝐴𝐴𝑐𝑐 𝑎𝑎 = 𝐴𝐴𝑠𝑠 Với: + A c : Diện tích cọc BTCT mố cầu; + A s : Diện tích đất 2.2 Phương pháp xác định C, φ bê tông Phương pháp Panhiucov P.N.: Xác định lực dính kết C góc nội ma sát mẫu đá sở thí nghiệm nén đơn trục mẫu đá phịng kết hợp đo góc vỡ (góc vỡ α góc tạo mặt vỡ với trục thẳng đứng) Trường hợp biến dạng mẫu nén ∆H ≤ 10% chiều cao mẫu H0 Các đặc trưng độ bền kháng cắt xác định sau: φ=2*(45o-α) (4) 𝐶𝐶 = 𝜎𝜎𝑛𝑛 𝜑𝜑 2𝑡𝑡𝑡𝑡�45𝑜𝑜 + � (5) Trường hợp biến dạng mẫu nén ∆H >10% trường hợp không xác định góc vỡ lực dính kết tính cơng thức: 𝐶𝐶 = 𝜎𝜎𝑛𝑛 (6) Kiểm chứng phương pháp tính Để kiểm chứng phương pháp tính, tác giả chọn cơng trình cầu A tỉnh thành khu vực Đồng sơng Cửu Long để tính tốn kiểm chứng Đây cơng trình có đoạn đường dẫn vào cầu bị ổn định trượt sâu, tài liệu kết cấu, địa hình, địa chất.v.v số liệu quan trắc cố xảy đầy đủ tin cậy 190 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 27+28, May 2018 Hình Góc vỡ mẫu bê tơng thí nghiệm Hình Mất ổn định đường dẫn vào cầu A Kết tính tính tốn C, φ trung bình mẫu bê tơng thí nghiệm: C p = 79.3 KG/cm2 φ p = 54.8 độ 3.2 Tính ổn định đường dẫn vào cầu theo phương pháp phân mảnh cổ điển Bảng Kết quy đổi khối đất tương đương bên mố Hình Một mố, trụ kết cấu nhịp cầu A bị rơi xuống sơng 3.1 Thí nghiệm xác định C, φ bê tơng cọc Chế tạo 30 mẫu bê tơng hình trụ trịn 15x30cm f’c=30MPa, tiến hành thí nghiệm nén đơn trục mẫu trạng thái khơ gió đến mẫu đá bị phá hủy, tiến hành đo góc vỡ α mẫu bị phá hủy Công tác thí nghiệm tiến hành theo qui trình tiêu chuẩn hành, đảm bảo tính xác cho mẫu đá thí nghiệm Sau xử lý xác suất thống kê (đối với hai nhóm giá trị lực dính kết góc nội ma sát), kết khơng có giá trị bị loại Tiến hành phân tích xác định thông số mặt trượt bất lợi nhất: Hình Cung trượt bất lợi đường dẫn vào cầu A Hệ số ổn định K : K = 35.24579/ 35.96869 = 0.98 3.3 Tính ổn định đường dẫn vào cầu phần mềm Plaxis 3D Foudation Tiến hành phân tích ổn định đoạn đường dẫn vào cầu A theo phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foudation) Hình Thước đo góc vỡ mẫu bê tơng thí nghiệm Hình 8: Mơ hình hóa móng cọc mố cầu A đất Plaxis 3D Foudation TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 Hình 9: Kết phân tích ổn định đường dẫn vào cầu A Kết tính tốn: + Hệ số ổn địn: K = 1.06 + Chuyển vị theo phương ngang: 1.38m Kết luận Kết đạt được: + Kết tính hệ số ổn định đoạn đường dẫn vào cầu A theo nguyên tắc “quy đổi hệ thống cọc + đất khối đất tương đương” tính trực phương pháp phần tử hữu hạn chênh lệch 8% Đây kết chấp nhận được, thân phương pháp phân mảnh cổ điển sử dụng nhiều giả thiết để giảm nhẹ khối lượng tính tốn, kết tính khơng thể xác phương pháp phần tử hữu hạn + Bằng cách quy đổi hệ thống đất + móng cọc mố cầu thành khối đất tương đương, ta dễ dàng phân tích ổn định đường dẫn vào cầu đất yếu (có xét đến sức kháng móng cọc mố cầu) phương pháp tính toán ổn định mái dốc đơn giản tiêu chuẩn thiết kế hành Việt Nam chấp nhận như: Fellenus, Bishop.v.v Hạn chế: + Do tác giả việc vận dụng phương pháp xác định góc nội ma sát lực dính 191 đá để tính tốn góc nội ma sát lực dính cho cọc bê tơng cốt thép nên thí nghiệm chưa đánh giá tham gia làm việc cốt thép cọc + Các kết thí nghiệm thực với số lượng mẫu (30 mẫu) thực với cấp bê tông móng cọc cầu A Cần thử nghiệm thực tế trường để đánh giá độ xác phương pháp quy đổi hệ thống “cọc mố cầu + đất nền” “khối đất tương đương”, số lượng mẫu thí nghiệm cần nhiều hơn, cấp bê tông đa dạng để có điều kiện bổ sung, hồn thiện kết nghiên cứu Tài liệu tham khảo [1] Phan Vỵ Thủy (2016), Tính tốn ổn định trượt sâu mố cầu đất yếu có xét đến sức kháng cọc khoan nhồi, Tạp chí Cầu đường Việt Nam, Số 9/2016 [2] Phan Quốc Bảo, Nguyễn Viết Trung, Doãn Minh Tâm (2014), Nghiên cứu giải pháp kết cấu sàn giảm tải mềm cho cơng trình đường đầu cầu đắp đất yếu, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải, Số 11-5/2014 [3] Nguyễn Sỹ Ngọc (2005), Cơ học đá, Nxb Giao thông Vận tải, 2005 [4] Hassiotis, S., Chameau, J.L and Gunaratne, M (1997) Design method for stabiliization of slopes with piles Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, pp.314-323 [5] Adachi, T., Kimura, M and Tada, S (1989) Analysis on the preventive mechanism of landslide stabilizing piles 3rd International Symposium on Numerical Models in Geomechanics, pp 691-698 Ngày nhận bài: 6/3/2018 Ngày chuyển phản biện: 8/3/2018 Ngày hoàn thành sửa bài: 29/3/2018 Ngày chấp nhận đăng: 9/4/2018 ... đổi hệ thống đất + móng cọc mố cầu thành khối đất tương đương, ta dễ dàng phân tích ổn định đường dẫn vào cầu đất yếu (có xét đến sức kháng móng cọc mố cầu) phương pháp tính tốn ổn định mái dốc... việc lựa chọn phương pháp phân tích ổn định đoạn đường dẫn vào cầu, tác giả đề xuất thêm hướng tiếp cận khác: Sử dụng quy tắc tương đương để kiểm toán ổn định đường dẫn vào cầu Cơ sở lý thuyết 2.1... vỡ mẫu bê tơng thí nghiệm Hình Mất ổn định đường dẫn vào cầu A Kết tính tính tốn C, φ trung bình mẫu bê tơng thí nghiệm: C p = 79.3 KG/cm2 φ p = 54.8 độ 3.2 Tính ổn định đường dẫn vào cầu theo