Chương 3 NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VỚI NỀN ĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH NẰM NGANG
3.6 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến sự làm việc của cọc đơn chịu tải trọng tĩnh nằm ngang
3.6.1 Khảo sát sự thay đổi chiều dài cọc trong nền đàn hồi đồng nhất.
Khi phân tích sự làm việc của cọc dưới tác dụng của tải trọng ngang, các tác giả Matlock và Reese (1956); Zavriev(1962); Broms (1964) [2],[13],[16],[17],[18],[50]
đã phân biệt cọc ngắn, cọc dài làm việc trong môi trường đất rời, đất dính khác nhau tùy thuộc đầu cọc có được tự do dịch chuyển hay không. Các ông cho rằng cọc ngắn đầu tự do có độ cứng tương đối lớn, khi chịu tải trọng nằm ngang cọc chỉ bị xoay quanh một tâm quay, tải trọng tiếp xúc ở thành bên cọc gây ra quá tải cho đất trong khi cọc vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi, do vậy còn được gọi là cọc có độ cứng tuyệt đối (cọc tuyệt đối cứng). Ngược lại cọc dài có thể xảy ra sự phá hoại bản thân
-2 0 2 4 6 8 10 12 14
012345
Chieu dai coc (m)
Mo men uon (Kn.m)
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
012345
Chieu dai coc (m)
Chuyen vi ngang (m)
cọc do mô men trước khi đất nền dọc theo cọc bị phá hoại do độ cứng của cọc có giá trị hữu hạn (còn gọi là cọc có độ cứng hữu hạn). Do đó khả năng chịu tải bên của cọc ngắn và cọc dài sẽ được đánh giá bằng các phương pháp khác nhau.
Để phân biệt cọc ngắn, cọc dài các tác giả đã dựa vào độ cứng tương đối L/T (hoặc L/R). Cọc được coi là ngắn khi L/T (hoặc L/R) ≤ 2; nếu L/T (hoặc L/R) ≥ 4 được coi là cọc dài. Trong đó: L là chiều dài cọc; T hoặc R là hệ số biến dạng phụ thuộc vào độ cứng của cọc và mô đun phản lực nền theo phương ngang.
Để khảo sát cọc ngắn, cọc dài, trong mục này, tác giả khảo sát cọc đơn bằng BTCT tiết diện (40x40)cm có mô đun đàn hồi Ec = 30.000MPa. Cọc có 2 chiều dài khác nhau: l =4m và l=16m nằm trong nền đất đồng nhất có mô đun đàn hồi E1 = 10 MPa, hệ số Poisson ν1 = 0,3 chịu tác dụng của lực nằm ngang P = 20kN tác dụng tại đầu cọc (hình 3.8). Hệ so sánh là bán không gian vô hạn đàn hồi, có hệ số Poisson ν0 = 0.3, mô đun đàn hồi E0=10MPa. Sử dụng chương trình MstaticP1 để tính. Kết quả biểu đồ chuyển vị ngang uc(z); mô men uốn Mc(z) của cọc khi tính theo hai trường hợp cọc có chiều dài l = 4(m) (hình 3.17) và l =16(m) (hình 3.18).
(a) (b)
Hình 3.17 Biểu đồ chuyển vị ngang (a), mô men uốn (b) của cọc L = 4m
024681012141618
Chieu dai coc (m)
024681012141618
Chieu dai coc (m)
(a) (b)
Hình 3.18 Biểu đồ chuyển vị ngang (a), mô men uốn (b) của cọc dài L = 16m Từ kết quả tính toán nhận thấy cọc ngắn bị quay xung quanh một tâm quay, chuyển vị có giá trị âm ở gần chân cọc và hầu như toàn bộ cọc làm việc; mô men uốn luôn luôn dương và phân bố tương đối đối xứng trên toàn chiều dài cọc.
Biến dạng của cọc dài khác với cọc ngắn vì cọc dài sẽ không bị xoay và dịch chuyển do có sức kháng bị động của đất rất lớn ở phần dưới của cọc. Mô men uốn cọc dài có cả giá trị âm và dương và có giá trị lớn nhất gần đầu cọc. Cọc chủ yếu làm việc tại khoảng 1/3 chiều dài cọc ở phía trên điều này phù hợp với nghiên cứu và nhận xét của Chang (1937) khi xử lý số liệu thí nghiệm của Feagin [38]
Như vậy kết quả khảo sát trên phù hợp với kết quả tính toán của Matlock và Reese (1956); Zavriev(1962); Broms (1964) đối với cọc ngắn và cọc dài. Tuy nhiên theo phương pháp của tác giả, chỉ cần một chương trình tính có thể nhận được kết quả trực tiếp xét được cả cọc ngắn và cọc dài mà không cần phải qua các bước phân loại cọc ngắn, cọc dài; các giả thiết đơn giản hóa trong tính toán...
3.6.2 Khảo sát cọc đơn tựa trên lớp đá cứng
Khảo sát cọc đơn bằng BTCT tiết diện (30x30) cm, dài l = 6m có mô đun đàn hồi Ec = 30.000 MPa, hệ số Poisson νc = 0,25. Cọc chịu tác dụng của lực nằm ngang P = 100kN tại đầu cọc. Sử dụng chương trình KstaticPLs để tính.
Tính cho hai trường hợp:
-20 0 20 40 60 80 100 120
01234567
Chieu dai coc (m)
Mo men uon (kN.m)
-0.5 0 0.5 1 1.5 2
01234567
Chieu dai coc (m)
Chuyen vi ngang (m)
- Cọc nằm trong nền đồng nhất dày 6m có mô đun đàn hồi Ed1 = 10MPa, hệ số Poisson ν1 = 0,3.
- Chân cọc được cắm vào lớp đá vôi chặt dày 0,6m có mô đun đàn hồi Ed2 = 25.000MPa, hệ số Poisson ν2 = 0,25. Lớp đất phía trên dày 5,4m có mô đun đàn hồi Ed1 = 10MPa, hệ số Poisson ν1 = 0,3.
Ta được kết quả tính chuyển vị ngang, mô men uốn của cọc nằm trong nền đàn hồi đồng nhất (ký hiệu là U-dongnhat) và nằm trong nền đàn hồi có chân tựa lên lớp đá cứng (ký hiệu là U-chancung) được trình bày trong các bảng 3.7, 3.8 và biểu đồ chuyển vị ngang, mô men uốn của cọc trên hình 3.19.
Bảng 3.7 Giá trị chuyển vị ngang của cọc nằm trong nền đàn hồi đồng nhất và nằm trong nền đàn hồi có chân tựa lên lớp đá cứng.
z(m) 0 0.6 1.2 1.8 2.4 3 3.6 4.2 4.8 5.4 6.0
Uc-dongnhat (cm) 1.69 1.33 0.99 0.70 0.47 0.28 0.13 0.03 -0.05 -0.12 -0.19 Uc-chancung (cm) 1.65 1.29 0.96 0.67 0.44 0.26 0.14 0.06 0.01 0.00 -0.00
Bảng 3.8 Giá trị mô men uốn của cọc nằm trong nền đàn hồi đồng nhất và nằm trong nền đàn hồi có chân tựa lên lớp đá cứng.
z(m) 0 0.6 1.2 1.8 2.4 3 3.6 4.2 4.8 5.4 6.0
Mc-dongnhat (kN.m) 0 46.05 80.71 94.55 92.98 80.80 62.7 42.82 24.08 8.99 0 Mc-chancung (kN.m) 0 46.52 82.55 98.76 100.5 92.39 78.8 63.07 47.35 32.3 0
(a) (b)
Hình 3.19 Biểu đồ chuyển vị ngang (a), mô men uốn (b) của cọc nằm trong nền đàn hồi đồng nhất và nằm trong nền đàn hồi, chân cứng.
Ta thấy khi cọc tựa trên lớp đá cứng thì chuyển vị ngang tại chân cọc bằng không và không xuất hiện điểm quay tại gần chân cọc (hình 3.19a), còn mô men uốn tại gần chân cọc tăng lên so với cọc nằm trong nền đồng nhất (hình 3.19b). Như vậy, phương pháp dùng hệ so sánh của PPNLCT Gauss cũng có thể tính toán được cọc tương tự như cọc chống (mũi cọc được chống vào lớp đá cứng).
3.6.3 Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng đất đối với sự làm việc của cọc Khảo sát cọc đơn bằng BTCT tiết diện (30x30)cm, mô đun đàn hồi Ec = 30.000 MPa, chiều dài l = 9,0 m nằm trong nền đất có mô đun đàn hồi Ed, hệ số Poisson νc = 0,3 chịu tác dụng của lực nằm ngang P = 100kN tại đầu cọc. Trong trường hợp này ta xét ảnh hưởng của độ cứng đất đối với cọc khi cho mô đun đàn hồi của đất là: Ed = 5 MPa; 10 MPa; 15 MPa; 20 MPa. Sử dụng chương trình MstaticP1 để tính. Ta được kết quả chuyển vị ngang, mô men uốn trong bảng 3.9, 3.10 và biểu đồ chuyển vị ngang, mô men uốn trên hình 3.20.
Bảng 3.9 Giá trị chuyển vị ngang của cọc khi mô đun đàn hồi của đất là Ed = 5 MPa; 10 MPa; 15 MPa; 20 MPa.
z(m) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Uc-5 (cm) 4.37 2.80 1.52 0.65 0.14 -0.09 -0.16 -0.14 -0.08 -0.016 Uc-10(cm) 2.50 1.46 0.67 0.19 -0.02 -0.08 -0.07 -0.04 -0.004 0.024 Uc-15(cm) 1.81 0.98 0.40 0.08 -0.04 -0.06 -0.04 -0.01 0.010 0.022 Uc-20(cm) 1.43 0.74 0.26 0.03 -0.04 -0.04 -0.02 0.002 0.014 0.018
Bảng 3.10 Giá trị mô men uốn của cọc khi mô đun đàn hồi của đất là Ed = 5 MPa;
10 MPa; 15 MPa; 20 MPa.
z(m) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Mc-5 (kN.m) 0.00 82.16 107.37 93.23 67.26 41.31 21.31 8.57 2.11 -0.01 Mc-10(kN.m) 0.00 73.01 85.41 63.98 38.05 17.45 4.93 -0.79 -2.11 -1.24 Mc-15(kN.m) 0.00 67.29 72.83 48.93 24.95 8.55 0.28 -2.42 -2.22 -1.03 Mc-20(kN.m) 0.00 63.10 64.16 39.37 17.48 4.23 -1.37 -2.50 -1.78 -0.72
Nhận thấy rõ ảnh hưởng của độ cứng đất tới sự làm việc của cọc: mô đun đàn hồi của đất càng lớn nghĩa là độ cứng của đất càng lớn thì chuyển vị ngang (hình 3.20a), mô men uốn (hình 3.20b) của cọc càng nhỏ. Điều này hoàn toàn phù hợp với quy luật và điều kiện làm việc thực tế của cọc
.5 0 .5 1 .5 2 .5 3 .5 4 .5 5
0246810
Chieu dai coc (m) 0 0 0 0 0 0 0 0
0246810
Chieu dai coc (m)
(a) (b)
Hình 3.20 Biểu đồ chuyển vị ngang (a); mô men uốn (b) của cọc trong trường hợp mô đun đàn hồi của đất thay đổi khi lực đặt tại đầu cọc.