2.1.4.1. Phương pháp thí nghiệm quay ly lâm
Hình 2.7: Thiết bị thí nghiệm ly tâm, có bán kính 9m tại trường đại học California Mô hình ly tâm trong địa kỹ thuật là phương pháp thí nghiệm nhằm đạt được điều kiện ứng suất của đất nền tương đồng giữa mẫu và thực tế (hình 2.7). Để đạt được mục
- 45 -
đích này cần gia công mẫu theo một tỷ lệ nhất định, khi đó các kích thước tuyến tính đƣợc thu nhỏ bằng hệ số N, để gia tốc ly tâm ngang bằng với N.g, (hình 2.8).
Nakai et al. (2004) đã thực hiện mô phỏng cơ chế hoạt động việc của móng bè, móng cọc, và móng bè cọc khi chịu tải động đất. Mô hình thí nghiệm phục vụ cho nghiên cứu gồm: đất và kết cấu móng có cọc không gắn với đài, gắn với đài (đài cao và đài thấp) và móng bè (hình 2.9). Gia tốc ly tâm bằng 30g, áp dụng cho cả 4 thí nghiệm.
Các đặc trƣng của mô hình và nguyên mẫu theo hệ số tỷ lệ N: r2 = Ng (2.9)
Hình 2.8: Ứng suất quán tính trong mô hình ly tâm phát sinh do việc quay xung quanh trục cố định trong tương quan với ứng suất trọng trường của nguyên mẫu
Một số đặc trƣng của mô hình thể hiện trên bảng 2.1. Kết cấu của bè làm từ nhôm, nặng 9.05kg (nguyên mẫu 244 t). Cọc làm từ ống đồng thau đường kính 12mm, chiều dày lmm, có 9 cọc dài 180mm. Nền làm từ cát Toyoura khô với độ đầm chặt trên 90%. Một thiết bị đặc biệt gọi là phần tử uốn đặt trong nền để đo tốc độ sóng cắt khi áp gia tốc ly tâm.
Toàn hộ thiết bị trên đƣợc đặt trên bàn rung, sau đó gắn vào máy quay ly tâm. Sóng động đất có biên độ tương đương 180 cm/s2 tác dụng lên nguyên mẫu, được áp cho bàn rung.
- 46 -
Hình 2.9: Các loại mô hình móng trong thí nghiệm ly tâm Nakai et al. (2004) Bảng 2.1. Các đặc trưng của mô hình và nguyên mẫu:
Đặc trƣng Mô hình Nguyên mẫu
Bè và kết cấu
Rộng x Dài 204 mm x 204 mm 6.24 m x 6.24 m
Khối lƣợng 9.05 kg 244 t
Trọng lƣợng 88.7 N 2395 kN
Cọc
Đường kính 12 mm 360 mm
Chiều dài 180 mm 5.4 m
Độ cứng chống uốn 3.01 x 10-5 kNm2 24.4 kNm2
Đất Chiều dày 400 mm 12.0 m
Mật độ 1.63 t/m3 1.63 t/m3
Nakai et al. (2004), đối chiếu kết quả thí nghiệm với chương trình ACS SASSI, đã đƣa ra một số kết luận quan trọng:
Ảnh hưởng động của kết cấu phần thân giảm khi xét tới tương tác giữa bè và nền.
- 47 -
Ảnh hưởng của điều kiện liên kết đầu cọc đến kết cấu phần thân tương đối nhỏ so với loại móng sử dụng.
Điều kiện liên kết ảnh hưởng đến các đặc trưng chịu tải của cọc.
Sự hiện diện của cọc ở dưới bè có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của kết cấu phần thân.
2.1.2.2. Phương pháp thí nghiệm bàn rung
Ứng xử của mô hình MBC chịu tải ngang tĩnh cũng nhƣ động đã đƣợc nghiên cứu khá nhiều sử dụng mô hình thí nghiệm trong môi trường 1-g (Pastsakorn et al., 2002; Fukumura et al., 2003) và thí nghiệm mô hình ly tâm (Horikoshi et al., 2003a, 2003b). Các kết quả thí nghiệm cho thấy MBC cũng khá kinh tế và hợp lý. Thí nghiệm bàn rung (Matsumoto et al., 2004) có thể sử dụng để nghiên cứu MBC ảnh hưởng của kết cấu bên trên đến ứng xử của bè móng với 2 biến số: tần số gia tốc đầu vào và chiều cao của tâm quán tính kết cấu phần thân. Kết quả thí nghiệm xác định đƣợc chuyển vị ngang của bè, cọc, lực cắt của cọc, mô ment uốn của cọc, lực dọc trục, sự phân bố tải trọng đứng và ngang giữa cọc và bè.
Dụng cụ thí nghiệm và qui trình cho thấy mô hình MBC. Bè hình vuông mỗi chiều 80 mm, khối lƣợng 0.4 kg gia công từ tấm nhôm dày 25 mm. Để tăng lực ma sát tại mặt tiếp xúc, mặt nhôm đƣợc làm nhám. Góc ma sát giữa mặt đáy bè và nền của mô hình là 30.5 độ, hệ số ma sát là 0.59.
Cọc được mô hình bằng ống nhôm có đường kính ngoài là 10 mm, trong là 8 mm, dài 170 mm, mũi cọc đƣợc bịt đầu bằng tấm nhôm mỏng. Mô đun đàn hồi Ep và hệ số Poisson vp đƣợc xác định từ thí nghiệm uốn của cọc mẫu. Mỗi cọc đƣợc trang bị tấm đo biến dạng trên mặt ngoài để đo sự phân bố lực dọc trục, lực cắt và mô men uốn.
Bốn cọc mẫu đƣợc nối với bè cách nhau 40 mm. Các đặc trƣng hình học và có học theo bảng 2.2.
- 48 -
Hình 2.10: Mô hình MBC có đầu cọc liên kết với bè
Khối lƣợng tải phần thân đặt trên móng bè cọc, xem hình 2.10 Có 2 loại khối lƣợng phần thân: trọng tâm thấp (hình 2.11a), trọng tâm cao (2.11b). Tấm hình tròn có đường kính 260mm, chiều dày 50mm, có khối lượng 22 kg, để mô hình kết cấu thấp tầng. Đối với mô hình trọng tâm cao hơn, khối tải gồm 2 phần: Phần A có khối lƣợng 7.42 kg, có thể trƣợt dọc theo phần B có khối lƣợng 13.95 kg, nhƣ thế trọng tâm có thể thay đổi. Cũng lưu ý sở dĩ chọn khối lượng của kết cấu phần thân lớn là do để so sánh với các kết quả nghiên cứu trước đây của tác giả. Độ cứng kháng kháng uốn của phần B đủ lớn để đề phòng bất cứ biến dạng do uốn.
Sử dụng cát khô Toyoura để mô hình nền. Các đặc trƣng cơ học đƣợc xác định thông qua thí nghiệm cắt cố kết thoát nước 3 trục, và cho thấy sự tương đồng trên Bảng 2.4 theo đề xuất của Iai (1989) áp dụng cho thí nghiệm 1-g.
Tất cả được đặt trong hộp có cấu tạo 16 khuôn nhôm nhỏ có kích thước 210 x 560 x 20 mm đặt chồng lên nhau, hình thành hộp thí nghiệm 210 x 560 x 310 mm, phía bên trong, dán màng cao su. Cát đƣợc cho vào hộp đầm chặt đạt k = 0.95 sử dụng bàn
- 49 -
rung với chấn động nhỏ. Đồng hồ đo gia tốc đặt trong nền, gắn vào bè, bên cạnh và trên đỉnh của kết cấu phần thân và 1 đồng hồ gắn trên bàn rung.
Bảng 2.2. Các đặc trƣng hình học và cơ học của mô hình và nguyên mẫu:
Mô hình Nguyên mẫu (=50) TN 1g TN li tâm TN 1g TN li
tâm Đường kính ngoài d(mm)
Chiều dày tường tw (mm)
Chiều dài L (mm)
Mặt cắt ngang A (mm2) Mô đun đàn hồi Ep (Gpa)
Hệ số poisson vp
Độ cứng dọc trục EpA (GN) Độ cứng chống uốn EpI (GNm2)
10 1 170 28.3 67.8 0.345 1.9xl0-3 1.94xl0-5
10 1 180 28.3 71.0 03345 2.0xl0-3 1.94xl0-5
500 50 8500 70685.8
474.5 0.345 33.53 0.859
500 50 9000 70685.8
71.0 0.345
5.0 0.128 Ứng suất hữu hiệu phương đứng (kPa)
Ứng suất hừu hiệu T (kPa)*
Mô đun cắt của nền tại mũi cọc (kPa)*
2.725 1.442 3502
126.4 66.8 17232
136.3 72.1 24763
126.4 66.8 17232 Mô đun đàn hồi tương ứng của cọc
cứng (GPa) (tương ứng với EpI) 279.8 41.7
Hình 2.11: Khối lượng mô phỏng kết cấu phần thân
- 50 -
Cấu tạo của bàn rung gồm có: Hệ thống thủy lực, bàn vuông 1.5 x 1.5 m, gia tốc tối đa 2-g, vận tốc tối đa 0.4 m/s, chuyển vị tối đa 50 mm, lực tối đa 1000 kN. Theo thông lệ thiết kế động đất cho móng cọc, là chúng đƣợc thiết kế sao cho tần số cộng hưởng cao hơn hoặc thấp hơn tần số động đất có thể. Để xác định tần số cộng hưởng của mô hình, cần xác định hàm biến đổi. Các thí nghiệm rung thực hiện cho mỗi mô hình MBC với biên độ mục tiêu là 100 gal (= 1m/s2 = 0.1g). Gia tốc hình sin có tần số từ 5 – 95 Hz với khoảng cách 5 Hz cho mỗi mô hình, và gia tốc hình sin 18.8 – 95 Hz (tương ứng 1 – 5 Hz theo kết cấu thực với hệ số tỷ lệ 50). Do tỷ lệ đàm chặt của đất mô hình là 0.95, điều kiện đất nền trong suốt thời gian thí nghiệm đƣợc xem là không đổi.
Kết quả thí nghiệm bàn rung của Matsumoto (2004) đƣa ra một số kết luận:
Tần số dao động của kết cấu phần thân giảm khi trọng tâm đặt cao.
Tần số đầu vào thấp hơn tần số riêng ứng xử của MBC trong quá trình chịu chấn động giống nhƣ khi chịu tải trọng tĩnh.
Kể cả khi ứng xử gia tốc theo phương ngang của trọng tâm như nhau, độ nghiêng của bè, lực cắt, mô men uốn của cọc gia tăng nếu nhƣ chiều cao trọng tâm tăng.
Khi tần số tác động gần bằng tần số dao động riêng, ứng xử của móng bè cọc có sự khác biệt so với thí nghiệm tải ngang tĩnh, ngoại trừ tương quan tải chuyển vị ngang trong móng bè cọc có trọng tâm thấp và lực dọc trục của cọc. Điều này cho thấy cần nghiên cứu ứng xử MBC khi chịu chấn động có tần số tương đương tần số riêng.
SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH MÓNG BÈ CỌC 2.2.
2.2.1. Đặt vấn đề
Giải bài toán móng bè cọc kinh điển Poulos (1994). Một móng bè cọc có số lƣợng cọc dưới bè là 9 cọc, chịu tải trọng tập trung P2 = 2P1. Tổng tải trọng tác dụng lên bè cọc là 12MN, P1 = P3 = 1MN, P2 = 2MN nhƣ hình vẽ sau:
- 51 -