Bài viết trình bày phương pháp phân tích móng cọc mố cầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Midas Civil. Mô hình hóa sự làm việc tổng thể của các bộ phận trong mố, tương tác giữa tường mố, cọc với đất nền. Khảo sát bài toán để đưa ra giải pháp phù hợp cho kết cấu móng cọc của mố cầu.
KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ 25 PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP KẾT CẤU MÓNG CỌC MỐ CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN THS NGUYỄN HỮU MAY1, TS PHÙNG BÁ THẮNG2; THS NGUYỄN TIẾN HƢNG3 1,2,3 Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Email: maynh@utt.edu.vn; 2Email: thangpb@utt.edu.vn; 3Email: hungnt@utt.edu.vn TĨM TẮT: Bài báo trình bày phương pháp phân tích móng cọc mố cầu phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Midas Civil Mơ hình hóa làm việc tổng thể phận mố, tương tác tường mố, cọc với đất Khảo sát toán để đưa giải pháp phù hợp cho kết cấu móng cọc mố cầu TỪ KHĨA: Tương tác, móng cọc, mố cầu, giải pháp kết cấu ABSTRACT: This article presents a method for analysis of piles of abutment by finite element method use Midas Civil software Modeling the general work of the parts in the abutment, the interaction between the wall abutments, piles with ground Surveying the problem to provide a solution suitable for the foundation piles of the bridge abutment KEYWORDS: Interaction, Piles foundation, Abutment, Solution structure Đặt vấn đề Theo phương dọc cầu, mố cầu làm việc tường chắn đất, áp lực đất đắp sau mố có xu hướng đẩy mố sông dẫn đến việc phân bố tải trọng lên cọc khác điều ảnh hưởng đến khả khai thác cọc Việc lựa chọn bố trí hợp lý số lượng vị trí cọc kết cấu mố cầu toán thực tiễn đưa nhằm đưa giải pháp móng cọc vừa đảm bảo khả chịu lực vừa mang lại giá trị kinh tế cho công trình Bài báo trình bày việc mơ hình hóa tính tốn mố cầu cọc chịu tác dụng đồng thời tĩnh tải phần tải trọng ngang đất đắp sau mố phương pháp phần tử hữu hạn với hỗ trợ phần mềm tính tốn Midas Civil Khảo sát thay đổi chiều cao mố để đưa giải pháp móng cọc hợp lý Xét tốn hình 1, mố cầu chữ U bê tông cốt thép đặt cọc chịu tác dụng đồng thời tĩnh tải phần tải trọng ngang đất đắp sau mố Trong q trình tính tốn, ta sử dụng giả thiết sau [1]: - Vật liệu kết cấu đàn hồi tuyến tính, có chuyển vị biến dạng vơ nhỏ Giả thiết chấp nhận kết cấu mố cầu thường xây dựng có độ cứng lớn nhiều so với độ cứng môi trường - Tính chất thay đổi theo lớp lớp vật liệu coi đồng đẳng hướng - Khi chịu tải, điều kiện liên tục chuyển vị thoả mãn bề mặt tiếp xúc lớp bề mặt tiếp xúc kết cấu xảy trượt tách tương đối kết cấu so với - Hệ kết cấu môi trường làm việc điều kiện biến dạng phẳng NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 26 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Mơ hình tính tốn kết cấu mố cầu 2.1 Mơ hình hóa kết cấu mố Vận dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào mơ hình mố cầu có xét đến tương tác với môi trường xung quanh, tốn đưa việc mơ hình kết cấu chịu tải tĩnh tải phần (DC DW), áp lực đất sau mố EH có xét đến làm việc đồng thời với môi trường đất xung quanh, cụ thể: - Hệ cọc-nền: Hệ cọc khoan nhồi (hoặc cọc đóng) có tác dụng truyền tải trọng phía xuống đất thông qua sức kháng mũi thành bên Hệ cọc chịu tác dụng đồng thời tải trọng phần truyền xuống (lực tập trung mô men tập trung đầu cọc) áp lực đất Nói cách khác hệ cọc chịu nén, cắt uốn đồng thời Khi sử dụng phần tử hữu hạn, hệ cọc mơ hình hóa hệ chịu nén uốn đồng thời Tương tác cọc đất xung quanh mơ hình lị xo chiều theo phương (kxi kzi) với độ cứng lị xo xác định thơng qua hệ số phụ thuộc vào tính chất lý lớp đất cọc qua (Hình 1) Hệ số xác định theo phương pháp tra bảng Quy trình 22TCN 18-79, theo L.E.Bowles, theo cơng thức móng Terzaghi, Vesic, theo giá trị SPT tính theo mơ đun biến dạng - Tường mố: Bao gồm tường thân, tường cánh tường đỉnh Các tường mố có kích thước phương lớn nhiều so với phương lại chịu áp lực đất sau mố, áp lực thủy tĩnh, tải trọng kết cấu nhịp phần truyền xuống (tường thân) loại phần tử dùng để mơ hình loại tường phần tử (plate) (Hình 2.a) Mỗi phận tường mơ hình phần tử dựa kích thước cấu tạo vật liệu làm tường Các tường liên kết cứng với vị trí tiếp xúc liên kết Hình 1: Mơ hình tương tác kết cấu mố cầu cọc - Bệ mố: Bệ mố có nhiệm vụ phân chia tải trọng phía mố truyền xuống hệ cọc, cứng với bệ bệ mố phải đảm bảo khả chịu tải trọng từ tường thân truyền xuống vừa đảm bảo khả không bị chọc thủng phản lực từ cọc Các tải trọng tác dụng lên bệ mố bao gồm tải trọng tường truyền xuống, áp lực đất tĩnh sau mố áp lực thủy tĩnh phản lực cọc tác dụng ngược lên Với kích thước theo phương lớn, bệ mố sử dụng phần tử khối (solid) phần tử (plate) (Hình 2b) NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 27 a) b) Hình 2: Mơ hình tường bệ mố Midas Civil a) Mơ hình tường; b) Mơ hình bệ mố Trong q trình thi cơng chế tạo mố, phận tường mố (tường thân, tường cánh, tường đỉnh) thi cơng đảm bảo tính tồn khối, phận liên kết cứng với tạo độ cứng tổng thể kết cấu mố theo phương Do đó, q trình mơ hình hóa liên kết cứng sử dụng liên kết tường mố tường với bệ mố 2.2 Hệ phƣơng trình Khi hệ kết cấu – chịu tải trọng tĩnh, phương trình cân tĩnh hệ kết cấu – toán đặt với giả thiết nêu thiết lập theo phương pháp PTHH cách áp dụng nguyên lý chuyển vị có dạng: [K]{U}= {R} Trong đó: (1) [R] – ma trận độ cứng hệ {R}- véc tơ tải trọng quy nút hệ {U}- véc tơ chuyển vị nút Các véc tơ ma trận hệ thống lập từ véc tơ ma trận thành phần phần tử theo phương pháp độ cứng trực tiếp sử dụng phổ biến phương pháp PTHH Ví dụ tính tốn 3.1 Ví dụ tính toán mố cầu cọc Xét toán mố cầu chữ U bê tông cốt thép cọc khoan nhồi thuộc dự án cầu Ngòi Bo - km 238+265.90- Gói thầu A8- Dự án đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai (Hình 3) Các liệu vật liệu mố, tính chất lý lớp đất lấy theo thực tế Bài tốn mơ hình tính tốn phần mềm Midas Civil NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 28 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ a) b) Hình 3: Kích thước mố a) Mặt bên mố; b) Mặt trước mố Mơ hình kết cấu điều kiện biên thể hình Các tải trọng tính tốn xét tải trọng thân, áp lực ngang đất, tải trọng từ kết cấu phần a) b) Hình 4: Mơ hình kết cấu điều kiện biên mố Các kết tính tốn phù hợp với đặc điểm làm việc chịu lực kết cấu mố Kết tính tốn nội lực mơ men uốn lực cắt tường mố thể hình Kết cho thấy: + Dưới tác dụng tổ hợp tải trọng tường mố bị uốn cắt, áp lực đất có xu hướng đẩy mố phía trước (tường thân) sang hai bên (tường cánh); + Các mặt phẳng nguy hiểm mặt chịu lực mặt phẳng nằm chân tường thân, chân tường cánh vị trí tiếp giáp tường thân tường cánh NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 29 a) b) Hình 5: Biểu đồ mơ men uốn lực cắt tường mố Kết tính tốn nội lực cọc thể hình Kết cho thấy: + Dưới tác dụng áp lực đất tĩnh hệ cọc chịu uốn, kéo nén đồng thời + Các cọc chịu uốn, cắt lớn khoảng gần bệ + Các hàng cọc phía trước mố cọc chịu uốn nén (chịu lực chính) hàng cọc sau mố tham gia chịu lực + Lực dọc cọc tắt dần theo chiều sâu thể phản lực đất tác dụng lên cọc thông qua sức kháng mũi kháng ma sát thành bên a) b) c) Hình 6: Biểu đồ mơ men uốn (a), lực cắt (b) lực dọc (c) cọc 3.2 Khảo sát Từ kết nội lực mục 3.1 thấy rằng: với tải trọng thẳng đứng sau truyền lên bệ mố, bệ mố phân tán truyền lên cọc; với tải trọng ngang (áp lực đất sau mố) hàng cọc phía ngồi sơng chịu lực nhiều có khả bị phá hoại hàng cọc phía Khi đó, mố có xu hướng bị lật phía sông lún lệch dẫn đến thay đổi cao độ thiết kế gây phá hoại kết cấu phần cơng trình cầu Đây vấn đề cần quan tâm ý trình thiết kế mố trụ xét toán tổng quát mố có xét đến áp lực đất sau mố hoạt tải gây chiều cao mố lớn NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 30 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Để tăng hiệu cho kết cấu mố cầu chịu tác dụng áp lực đất sau mố gây có nhiều giải pháp đưa ra: sử dụng độ, sàn giảm tải sau mố; sử dụng tứ nón chân khay, bệ phản áp để tăng áp lực đất bị động lên mố; mở rộng bệ trụ; bố trí cọc xiên (với móng cọc đóng) trước mố…Trong phần khảo sát này, trình bày so sánh kết chịu lực kết cấu mố cọc cách tăng bố trí hợp lý số lượng cọc phía bờ sơng Với mơ mục 3.1 giữ ngun tính chất lý đất tĩnh tải phần truyền xuống; hệ cọc khoan nhồi bố trí phía mố; chiều cao mố tăng dần theo trị số h=4.5 ÷9m Khảo sát thay đổi nội lực (M, Q, N) hàng cọc trước hàng cọc sau mố thể hình Theo hình 7a, b cho thấy chiều cao mố tăng, áp lực đất đắp sau mố tăng gây lực cắt mô men cọc tăng theo, tăng hàng cọc mố Hình 7c cho thấy chiều cao mố tăng, áp lực đất sau mố tăng theo gây lực nén tác dụng lên hệ cọc Lực nén xuất hàng cọc khác cụ thể: Các hàng cọc trước mố lực nén tăng nhanh tỉ lệ thuận với chiều cao mố với hàng cọc sau mố lực nén giảm dần Sự chênh lệch ngày lớn chiều cao mố tăng (từ 153 kN h= 4.5m đến 1184 kN h=9m) Điều thể cọc trước mố chịu tải trọng (lực nén) nhiều cọc phía sau mố Sự chênh lệch lực dọc hàng cọc trước mố hàng cọc sau mố lớn 10% chiều cao mố lớn 6m Điều dẫn đến việc cọc hàng ngồi phía trước mố có nguy phá hoại hàng cọc phía sau mố khơng khai thác hết khả làm việc a) b) c) Hình 7: Biểu đồ so sánh thay đổi nội lực hàng cọc trước mố hàng cọc sau mố NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 31 Từ khảo sát cho thấy thiết kế dùng giải pháp thêm cọc phía trước mố Khi thêm cọc khoan nhồi D=1.0m, L=15m phía trước mố mố A1 cầu Ngịi Bo chênh lệch lực dọc giữa hàng cọc trước mố hàng cọc ngồi sau mố nhỏ 10% (Hình 8), điều làm cho cọc kết cấu mố chịu lực đồng Kết luận - Bài toán mố cầu cọc với phương pháp mơ hình tính tốn đồng thời phận cho thấy Hình 8: Thay đổi lực dọc tranh tổng thể làm việc phận Các vị trí nguy cọc thêm cọc trước hiểm tường mố vị trí chân tường, vị trí tiếp giáp mố tường cánh tường thân, hệ cọc chịu lực uốn, nén đồng thời Sự phân bố nội lực tắt dần theo chiều sâu cọc tương tác đất - cọc, thể phản lực đất tác dụng lên cọc thông qua sức kháng mũi kháng ma sát thành bên - Việc mơ hình tương tác kết cấu mố với đất thông qua gối đàn hồi theo phương chưa phải toán tương tác đầy đủ phụ thuộc vào số giả thiết cho q trình tính tốn phản ánh tương tác kết cấu thông qua đặc trưng liên kết gối đàn hồi xét toán chịu tải trọng tĩnh - Có chênh lệch lớn việc chịu tải trọng hàng cọc Hàng chịu lực cọc phía trước mố, sở để đưa giải pháp bố trí số lượng cọc cách hợp lý để tập trung vào vị trí tham gia chịu lực tận dụng tối đa làm việc cọc đem lại hiệu kinh tế - kỹ thuật cho cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tương Lai (2013), Tương tác kết cấu với môi trường, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội [2] Vũ Cơng Ngữ (2004), Móng cọc – Phân tích thiết kế, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội; [3] R Whitlow (1997), Cơ học đất, dịch giả Nguyễn Uyên & Trịnh Văn Cương, NXB Giáo dục, Hà Nội [4] Tạ Đức Thịnh, Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Hồng, Nguyễn Văn Phóng (2009), Nền móng cơng trình, NXB Xây Dựng, Hà Nội [5] Michael Tomlinson, John Woodward (2008), Pile Design and Contruction Practice, firth edition, Taylor&Francis Group [6] Dr Cuong Vu Dissertation, Resistance Factors for LRFD Deep Foundation Designs in Vietnam-Preliminary, University of Colorado Denver [7] AASHTO(2010), LRFD Bridge Design Specifications (SI), 5th Edition American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C Ngƣời phản biện: GS TS Đỗ Nhƣ Tráng - Trƣờng Đại học Công nghệ GTVT NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 ... hình tính tốn kết cấu mố cầu 2.1 Mơ hình hóa kết cấu mố Vận dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào mơ hình mố cầu có xét đến tương tác với mơi trường xung quanh, tốn đưa việc mơ hình kết cấu chịu tải... tường liên kết cứng với vị trí tiếp xúc liên kết Hình 1: Mơ hình tương tác kết cấu mố cầu cọc - Bệ mố: Bệ mố có nhiệm vụ phân chia tải trọng phía mố truyền xuống hệ cọc, cứng với bệ bệ mố phải đảm... ma trận thành phần phần tử theo phương pháp độ cứng trực tiếp sử dụng phổ biến phương pháp PTHH Ví dụ tính tốn 3.1 Ví dụ tính tốn mố cầu cọc Xét toán mố cầu chữ U bê tông cốt thép cọc khoan nhồi