Phân tích ứng xử của đất nền dưới tác dụng của tải trọng trên diện tròn

-1- MỞ ĐẦU Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Móng nơng loại móng phổ biến khu vực có đất tốt vùng duyên hải Miền Trung Phương pháp nội dung tính tốn móng nơng tài liệu phổ biến tiêu chuẩn thường trình bày cho dạng móng nơng như: móng đơn, móng băng móng bè Đặc Điểm tính tốn loại móng có dạng khác móng trịn, đa giác hay hình thức khác đề cập chi tiết tài liệu [1], [2], [3] Trong thực tế xây dựng, móng tiết diện trịn thường sử dụng cho cơng trình ống khói, tháp cẩu, móng bồn chứa,… Việc phân tích ứng xử so sánh giá trị tính tốn khả chịu tải độ lún đất móng trịn chọn lựa cho luận văn giúp làm sáng tỏ đặc điểm loại móng Kết phân tích tổng hợp cho phép rút nhận xét có ích tính toán chọn lựa giải pháp móng hợp lý cho cơng trình Nhiệm vụ mục đích Đề tài “Phân tích ứng xử đất tác dụng tải trọng diện tròn” đặt nhằm tính tốn kiểm tra: + Khả chịu tải đất tác dụng tải tiết diện tròn + Độ lún đất tác dụng tải trọng tiết diện tròn + Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mô đánh giá khả chịu tải tính tốn độ biến dạng đất tác dụng tải trọng diện hình trịn + Dựa vào kết phân tích rút đánh giá nhận xét khả chịu tải độ biến dạng đất tác dụng diện trịn so với loại móng nơng khác mà cụ thể móng đơn tiết diện hình chữ nhật hay hình vng Phƣơng pháp nghiên cứu -2Phương pháp nghiên cứu chọn lựa cho đề tài luận văn “Phân ích ứng xử đất tác dụng tải trọng diện trịn” tính tốn đánh giá, mô so sánh Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích so sánh kết thu từ hai tốn tính tốn khả chịu tải độ biến dạng đất tác dụng tải trọng tiết diện tròn diện hình vng có tiết diện giá trị tải trọng tác dụng Định hướng phân tích so sánh khả chịu tải độ lún móng trịn móng vng có diện tích để từ chọn kích thước tương ứng với hình dạng móng hợp lý Ở đây, chủ yếu xét đến tải trọng tâm, chưa xét đến tác dụng tải trọng ngang moment lên móng nơng -3CHƢƠNG 1: CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN MĨNG NƠNG Việc thiết kế móng cho cơng trình dân dụng cơng nghiệp chiếm phần đa số, phương án thiết kế móng nơng để chống đỡ cơng trình đất tương đối tốt cần phải quan tâm đến Móng nơng phần mở rộng chân cột đáy cơng trình nhằm có diện tích tiêp xúc thích hợp để đất gánh chịu áp lực đáy móng, loại móng khơng xét lực ma sát xung quanh thành móng đất tính tốn khả gánh đỡ đất Móng đơn thường chia thành móng đơn chịu tải tâm, móng đơn chịu tải lệch tâm, móng kép, móng băng Móng đơn có tiết diện khác nhau: hình vng, hình chữ nhật, hình trịn, hình đa giác 1.1 Tính tốn khả chịu tải đất dƣới móng nơng Trong thiết kế móng cơng trình việc xác định sức chịu tải an tồn xác đất phức tạp ảnh hưởng lớn đến khả làm việc ổn định cơng trình, từ lúc xây dựng suốt trình lún diễn tiến suốt q trình tồn cơng trình sức chịu tải cơng trình có xu hướng thay đổi Có nhiều phương pháp đánh giá sức chịu tải đất tải trọng hình băng như: phương pháp dựa mặt trượt bên đáy móng mặt gãy phẳng, phương pháp cân giới hạn điểm phạm vi đất sát đáy móng, phương pháp hạn chế vùng phát triển biến dạng dẻo số phương pháp khác 1.1.1 Điều kiện cân giới hạn lý thuyết xác định tải trọng giới hạn theo phát triển vùng biến dạng dẻo * Điều kiện cân giới hạn Trong tài liệu chuyên ngành nay, việc xác định khả chịu tải đất cơng trình thường sở lý thuyết cân giới hạn Khả chịu tải đất phụ thuộc vào trạng thái ứng suất giới hạn đất Trạng thái cân giới hạn đất điểm trạng thái ứng suất mà thêm vào lực nhỏ tác động vào đủ làm phá vỡ cân giới hạn dẫn đến trạng thái không ổn định, gây phá hoại cơng trình hay trượt -4mái dốc Do đó, để có điều kiện ổn định cơng trình, cần phải xác định tải trọng lớn mà ứng với tải trọng đó, đất đạt trạng thái giới hạn [1], [4], [5], [6], [8], [10] Hiện nay, để tính tốn sức chịu tải cơng trình, có nhiều lời giải khác Các lời giải tốn khơng trọng lượng ( =0) với giả thiết kích thước, hình dạng nêm nén chặt hàm số đường phá hoại trượt giả định gắn liền với tên tuổi lớn như: V.V Sokolovski (1943), Prandltl, K Terzaghi, V.G Berezantsev cho phép xác định giá trị ứng suất giới hạn tải trọng hình băng lên đất Trong đất nền, điểm chịu tác dụng thành phần ứng suất: x, y, z, xy, xz, yz Khi chưa đạt trạng thái cân giới hạn (trạng thái cân bằng) theo thuyết bền Mohr-Coulomb thể nằm đường bao sức chống cắt đất Sức chống cắt biểu diễn dạng [6], [5]: Trong đó: - Ứng suất pháp (kN/m2) - Góc ma sát (độ) c - lực dính (kN/m2) Hình 1.1 Đường bao giới hạn theo điều kiện bền Mohr-Coulomb -5Để mô tả trạng thái ứng suất cân giới hạn, cần xét đồng thời phương trình cân điều kiện bền đất Nếu chọn điều kiện bền theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Coulomb Đối với toán phẳng, phương trình cân có dạng : Phương trình cân bằng: z x xz x xz z z (1.1) X z (1.2) Z x Ở đây: X, Z lực thể tích Điều kiện cân bền điểm bất kỳ: x z z xz 2c cot g x Sin (1.3) Việc giải hệ phương trình phi tuyến bậc (1.1) (1.2) gặp nhiều khó khăn Về tổng thể giải phương pháp số với điều kiện biên nghiêm ngặt phần tử hữu hạn Đối với toán không gian đối xứng trục, trạng thái ứng suất điểm đặc trưng thành phần ứng suất: z, r, , rz với giả thiết r = r = Trong trường hợp ta có hệ phương trình cân sau: r r rz r z z z r rz rz r r (1.4) (1.5) Và điều kiện cân giới hạn: r r rz 2c cot g Sin (1.6) -6* Tải trọng tới hạn ban đầu p* Tải trọng tới hạn ban đầu p* tương ứng với trường hợp điểm mép móng băng xuất trạng thái giới hạn Để xác định p* xét tốn đơn giản khơng bão hịa, biến dạng tuyến tính, đồng đẳng hướng, ứng suất trọng lượng thân phân bố theo định luật thủy tĩnh, tức là: x z d [2], [4] z Hình 1.2 Sơ đồ tính tốn xác định tải trọng giới hạn ban đầu (bài toán phẳng) Với: q=γ.d Trong đó: d - độ sâu cách mặt đất tự nhiên (độ sâu chơn móng) γ - trọng lượng thân đất Ứng suất lớn nhỏ từ tác dụng tải trọng hình băng phân bố p-q bề rộng b xác định theo biểu thức: p q 1, Trong đó: Sin (1.7) - góc nhìn từ điểm xét đất đến hai mép móng Tổng giá trị ứng suất điểm trở thành: -7Điều kiện cân giới hạn theo thành phần ứng suất chính: p q Sin 1, Sin p q sin (1.8) z (1.9) 2.c cot g Thế giá trị d 1, sin ( từ biểu thức (1.8) vào biểu thức (1.9) thu được: p q d z) (1.10) c cos Biểu thức (1.8) thể vị trí điểm thỏa điều kiện cân giới hạn (1.9) Tọa độ điểm theo z z p q sin sin nhận từ việc giải phương trình (1.10), tức là: c d (1.11) cot g Phương trình (1.11) biểu diễn vùng trạng thái cân giới hạn có tọa độ lớn zmax phụ thuộc vào p Có thể tìm tọa độ cách lấy đạo hàm dz/d xem 0, tức là: dz d p q cos sin (1.12) Từ thấy z = zmax cos = sin , tức hay sin = cos Thay giá trị vào biểu thức (1.11), giá trị lớn z có dạng: z m ax p q cot g d c (1.13) cot g Tải trọng lớn theo độ sâu vùng phát triển vùng biến dạng dẻo có dạng: p z max cot g d c cot g d (1.14) -66Bảng 3.8 Tổng hợp kết tính tốn đánh giá khả chịu tải độ lún đất móng trịn (R=1.13m) móng vng (B=2m) Khả chịu tải theo TCVN 93622012 (kN/m2) Khả chịu tải theo Terzaghi (kN/m2) 600 Móng trịn 186,4 Móng vng 184,28 Móng trịn 181,02 Móng vng 183,27 Móng trịn 121,1 Móng vng 126,5 350 186,4 184,28 181,02 183,27 79,9 78,4 Tải trọng tiêu chuẩn Ntc (kN) Độ lún đất dƣới tâm móng (mm) 3.3 Phân tích ứng xử đất dƣới móng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 3.3.1 Mơ hình mơ Để phân tích ứng xử đất móng, chúng tơi chọn lựa phần mềm Plaxis để mô Ở đây, việc mô thực theo sơ đồ toán phẳng đối xứng trục không gian (3D) Để thuận tiện cho việc phân tích so sánh với kết tính tốn phương pháp giải tích, phạm vi ảnh hưởng theo phương đứng chọn lựa phạm vi vùng chịu nén lún, tức độ sâu 6,5m cách mặt đất tự nhiên Mơ hình vật liệu đất Drained Bản móng mơ phần tử Các yếu tố kích thước xác định từ kết tính tốn theo phương pháp giải tích Ứng suất tác dụng lên móng : p N tc A 350 87 ,5kN / m Đặc trưng lý đất vật liệu móng tóm tắt thể bảng 3.9 3.10 -67Bảng 3.9 Đặc trưng lý đất theo mơ hình Mohr-Coulomb cho tốn mơ Kí Thơng số STT hiệu Giá trị Đơn vị Dung trọng đất mực nước ngầm γunsat 20.2 kN/m3 Dung trọng đất mực nước ngầm γsat 20.6 kN/m3 Hệ số thấm ngang kx 0.864 m/day Hệ số thấm đứng ky 0.864 m/day Module tổng biến dạng Eref 2150 kN/m2 Module biến dạng nén truc Eoed Hệ số nở hông ν 0,3 Lực dính c 17,1 kN/m2 Góc ma sát υ 17,25 kN/m2 Bảng 3.10 Đặc trưng vật liệu móng STT Thơng số Kí hiệu Giá trị Đơn vị Độ cứng dọc trục EA 10,8x106 Độ cứng chống uốn EI 0,144x106 kNm2/m Bề dày quy đổi d Trọng lượng w Hệ số Poisson ν 0.4 0.15 kN/m m -68- Hình 3.7 Mơ hình mơ theo sơ đồ tốn đối xứng trục Hình 3.8 Mơ hình 3D mơ ứng xử đất móng trịn -693.3.2 Kết phân tích theo sơ đồ đối xứng trục Việc mô tiến hành tương tự q trình thi cơng: đầu tiên, tiến hành khai đào hố móng đến độ sâu chơn móng; xây dựng móng; san lấp hố móng; đặt tải cơng trình Kết mơ đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng thể hình 3.9 đến 3.11 Hình 3.9 Chuyển vị theo phương thẳng đứng theo sơ đồ đối xứng trục -70- Hình 3.10 Chuyển vị theo phương ngang theo sơ đồ đối xứng trục Hình 3.11 Sức chống cắt tương đối đất móng theo sơ đồ đối xứng trục -71- 1,000 1,5000 2,000 2,5000 3,000 3,5000 4,000 4,5000 5,000 10,0 ,0 Sum-Msf -10,0 -20,0 -30,0 -40,0 (mm) -50,0 Uy -60,0 Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ hệ số Sum – Msf chuyển vị đứng Uy (mm) Kết mô hình 3.9 cho thấy chuyển vị đứng (độ lún) xảy chủ yếu phạm vi móng độ lún phân bố đồng móng (khác với kết tính lún giải tích độ lún phụ thuộc ứng suất theo phương đứng chênh lệch giá trị độ lún đáng kể) Phạm vi vùng chịu nén lún (tức tồn chuyển vị đứng) khoảng 3,5m kể từ đáy móng Giá trị chuyển vị đứng lớn tâm móng theo kết mơ sở tốn đối xứng trục 56mm so với độ lún tâm móng từ kết tính giải tích 79,9mm Sự khác biệt hồn tồn giải thích kết mơ có xét đến độ cứng móng tức làm việc chung đất đáy móng móng tác dụng tải trọng ngồi, độ lún phân bố đáy móng đồng Việc tính toán phương pháp cộng lún lớp phân tố xét đến độ lún lớn tâm móng nên giá trị độ lún lớn Kết tính tốn độ lún đất theo -72phương pháp giải tích phụ thuộc phần lớn vào ứng suất gây lún tức phụ thuộc vào hệ số k0 ktr, mà hệ số tính tốn theo quan niệm toán lý thuyết đàn hồi tuyệt đối (xem đất vật liệu đàn hồi tuyệt đối) Điều góp phần làm giá trị độ lún tính theo giải tích lớn so với kết mơ 2D thu Ở đây, vùng biến dạng dẻo phát triển chủ yếu mép móng đạt đến độ sâu chưa 1/4 bề rộng diện gia tải nên khả ổn định đất đảm bảo 3.3.3 Kết phân tích theo mơ hình 3D Việc mô theo sơ đồ 3D tiến hành tương tự mô theo sơ đồ đối xứng trục Kết mô chuyển vị đứng, chuyển vị ngang, vùng biến dạng dẻo đất móng trịn móng vng thể hình 3.13 đến hình 3.20 -73- Hình 3.13 Chuyển vị theo phương thẳng đứng đất móng trịn chịu tải Hình 3.14 Chuyển vị theo phương thẳng đứng đất móng vng chịu tải -74- Hình 3.15 Chuyển vị theo phương ngang đất móng trịn chịu tải Hình 3.16 Chuyển vị theo phương ngang đất móng vng chịu tải -75- Hình 3.17 Sức chống cắt tương đối đất móng trịn mặt ngang đáy móng Hình 3.18 Sức chống cắt tương đối đất móng vng mặt ngang đáy móng -76Kết tính tốn cho thấy (hình 3.13 hình 3.14) chuyển vị đứng xảy chủ yếu phạm vi trọng tâm diện chịu tải, kết chuyển vị thẳng đứng đất móng trịn (Uy=62,34mm) lớn móng vng (Uy=58mm) chênh lệch không đáng kể Kết phù hợp với kết mô sơ đồ đối xứng trục (Uy=56mm) kết tính tốn phương pháp giải tích (móng trịn Uy=79,9mm; móng vng Uy=78,4mm) Tuy nhiên, giá trị độ lớn chuyển vị đứng thu từ sơ đồ đối xứng trục mô 3D có dự chênh lệch khơng đáng kể lại nhỏ so với kết tính tốn phương pháp giải tích Sự phát triển vùng biến dạng dẻo theo mặt ngang đáy móng thể hình 3.17 3.18 Ở đây, thấy vùng biến dạng dẻo phân bố đồng mép móng trịn vùng biến dạng dẻo mép móng vng chủ yếu xuất góc Về tổng thể, vùng biến dạng dẻo đất móng tròn liên tục phạm vi lan rộng theo phương ngang xấp xỉ móng vng Điều chứng tỏ khả chịu tải đất móng trịn nhỏ Đối với móng vng, vùng biến dạng dẻo phát triển góc lan dần phía cạnh móng Mặt khác mặt cắt A – A B – B hình 3.19 3.20 độ sâu vùng dẻo móng trịn móng vng tương tự 3.4 Kết luận chƣơng Bảng 3.11 Bảng tổng hợp kết độ lún lớn đất móng trịn móng vng mơ sơ đồ đối xứng trục 3D Mơ hình Mơ hình đối xứng trục Mơ hình 3D Độ lún S (mm) Móng trịn Móng vng 56 62,3 58 Kết tính tốn mơ cho thấy đất móng trịn chịu bất lợi so với móng vng khả chịu tải độ lún Kết mô tốn đối xứng trục 3D có khác biệt so với kết tính giải tích -77- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết tính tốn giải tích mơ phương pháp phần tử hữu hạn sở mơ hình đàn hồi dẻo lý tưởng (mơ hình đối xứng trục 2D mơ hình 3D) phân tích khả ổn định đất diện gia tải hình trịn (có kết hợp so sánh với trường hợp diện gia tải hình vng), tác dụng tải trọng tâm, rút nhận xét luận văn sau: Kết tính tốn giải tích cho thấy khả chịu tải độ lún đất diện gia tải hình trịn hình vng chịu tải trọng tác dụng xấp xỉ Ở đây, khả chịu tải đất móng trịn nhỏ độ lún lớn với giá trị không đáng kể Kết mô theo sơ đồ đối xứng trục 3D cho thấy ứng xử đất móng trịn bất lợi so với móng vng Ở khả chịu tải nhỏ độ lún lớn tương ứng Sự phân bố độ lún theo mô phần mềm theo hai sơ đồ tương tự hợp lý so với kết tính giải tích khơng xét đến làm việc (độ cứng) móng Vùng biến dạng dẻo móng trịn liên tục theo đường viền mép móng nên có khả gây ổn định lớn so với móng vng Kết tính tốn độ lún phương pháp mô hợp lý so với kết dự tính giải tích có xét đến làm việc móng -78- KIẾN NGHỊ Từ kết tính tốn so sánh ứng xử đất móng trịn móng vng rút kiến nghị áp dụng thực tế sau: - Ứng xử đất móng trịn gây bất lợi so với móng vng (chỉ xét trường hợp móng đơn chịu tải trọng tâm) Do đó, chọn giải pháp móng vng cho loại hình cơng trình dạng trịn - Việc chọn giải pháp móng vng hay hình chữ nhật khơng thuận lợi xét đến ứng xử khả chịu tải độ lún mà thuận lợi thi cơng ( đào hố móng, bố trí cốt pha, cốt thép… ) - Nội dung đề tài chưa xét tới điều kiện tải trọng khác điều kiện địa chất đặc thù khác - Có thể mở rộng nghiên cứu áp dụng tính tốn cho trường hợp móng bồn chứa ( thường hình trịn có diện tích móng lớn hơn) - Khả chịu tải đất móng trịn móng vng theo TCVN 9362-2012 nhau, điều cần xem xét, phân tích thêm để hồn thiện phương pháp tính cho hợp lý -79- TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Châu Ngọc Ẩn Nền Móng NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2011 [2] Châu Ngọc Ẩn Cơ Học Đất NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2012 [3] Bùi Trường Sơn Địa Chất Cơng Trình NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2011 [4] Võ Phán, Phan Lưu Minh Phượng Cơ Học Đất NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2011 [5] R Whitlow Cơ học đất, Tập (bản dịch) Nhà xuất giáo dục, 1996 [6] Whitlow Cơ học đất, Tập (bản dịch) NXB giáo dục, 1996 [7] Lê Quý An, Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Văn Quì Cơ Học Đất NXB Đại Học Trung Học chuyên nghiệp, 1970 [8].Vũ Công Ngữ, Nguyễn Văn Dũng Cơ Học Đất NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1995 [9] TCVN 9362 - 2012: Tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2012 [10] TCVN 5574-2012: kết cấu bê tông bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2012 [11] Braja M Das Advanced soil mechanics The Taylor & Francis e – Library, 2007 [12] H A Taiebat and J P Carter “Bearing capacity of strip and circular foundations on undrained clay subjected to eccentric loads” Geotechnique 52, P.61-64 -80- [13] Braja M Das Principles of foundation engineering,SI Seventh edition Cengage learning, 2011 [14] Noel Simons and Bruce Menzies A short course in foundation engineering, 2nd edition Butterworth Scientific, 1977 [15] Braja M Das Advanced soil mechanic, third edition The Taylor & Francis 270 Madison Ave, New York, NY 10016, USA, 2008 [16] Das, Braja M Shallow foundations bearing capacity and settlement Includes bibliographical references and index, 1941 [17] John Carmody et al Builder’s Foundation Handbook Martin Marietta Energy Systems, Inc for the U S Department of Energy under Contract DE-AC0584OR21400, 1991 [18] R B J Brinkgreve et al Plaxis 3D Foundation Plaxis bv P O Box 572, 2600 AN DELFT, Netherlands, 2007 ... chịu tải đất tác dụng tải tiết diện tròn + Độ lún đất tác dụng tải trọng tiết diện tròn + Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mô đánh giá khả chịu tải tính tốn độ biến dạng đất tác dụng tải trọng. .. độ biến dạng đất tác dụng tải trọng tiết diện tròn diện hình vng có tiết diện giá trị tải trọng tác dụng Định hướng phân tích so sánh khả chịu tải độ lún móng trịn móng vng có diện tích để từ chọn... tải trọng diện tròn Để đánh giá độ lún đất thiết phải xác định giá trị ứng suất đất tác dụng tải trọng Trong trường hơp tải trọng phân bố diện tích sử dụng biểu thức Boussinesq lấy tích phân