Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng khối đất chịu tải trọng tĩnh nằm ngang.
Nghiên cứu bài toán tương tác tĩnh học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang.
Nghiên cứu bài toán tương tác động lực học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng động nằm ngang và chịu tải trọng động đất trong miền tần số và miền thời gian.
Xây dựng phần mềm tính toán cho các trường hợp nghiên cứu trên.
5 Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng bài toán lý thuyết bằng cách sử dụng phương pháp dùng hệ so sánh của Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss (sau đây viết tắt là PPNLCT Gauss) khi dùng lời giải tĩnh của bán không gian vô hạn đàn hồi (đối với bài toán tương tác tĩnh học) và lời giải động lực học của không gian vô hạn đàn hồi (đối với bài toán tương tác động lực học) làm hệ so sánh. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải và dựa trên kết quả bằng số nhận được các kết quả chứng minh tính đúng đắn và độ tin cậy của lý thuyết tính toán.
6 Bố cục của Luận án
Luận án được trình bày gồm phần mở đầu và 4 chương, nội dung cụ thể từng chương như sau:
Chương 1: Tổng quan các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa cọc và nền đất khi chịu tải trọng ngang. Dựa trên các tài liệu thu thập được, tác giả giới thiệu một cách khái quát về động đất và các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang cũng như chịu tải trọng động nằm ngang, trên cơ sở đó giới thiệu các vấn đề nghiên cứu của luận án.
Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng của nền đất thông qua nghiên cứu tương tác giữa khối đất đàn hồi với bán không gian vô hạn đàn hồi khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang. Chương này trình bày về PPNLCT Gauss, cách sử dụng PPNLCT Gauss tìm các phương trình cơ bản của môi trường đàn hồi, các phương trình truyền sóng; lời giải Kelvin đối với không gian vô hạn đàn hồi; lời giải Mindlin đối với bán không gian vô hạn đàn hồi; xây dựng bài toán tương tác giữa khối đất đàn hồi với bán không gian vô hạn đàn hồi còn lại khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang theo phương pháp dùng hệ so sánh của PPNLCT Gauss; xây dựng thuật toán và chương trình tính theo phương pháp phần tử hữu hạn, kiểm tra tính đúng đắn của kết quả. Kết quả nghiên cứu của chương sẽ là tiền đề cho việc nghiên cứu ở các nội dung tiếp theo của luận án.
Chương 3: Nghiên cứu bài toán tương tác giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang. Chương này trình bày lý thuyết dầm Timoshenko; xây dựng bài toán dầm chịu uốn có xét biến dạng trượt ngang theo PPNLCT Gauss; sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dầm có xét đến biến dạng trượt ngang;
xây dựng bài toán tương tác tĩnh học giữa cọc đơn với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang; dựa trên các kết quả bằng số khảo sát một số trường hợp nghiên cứu cọc chịu tải trọng tĩnh nằm ngang.
Chương 4: Nghiên cứu bài toán tương tác giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng động nằm ngang và tải trọng động đất. Nội dung của chương này trình bày lời giải xung đơn vị của không gian vô hạn đàn hồi; hệ số giảm chấn vật liệu của đất;
lời giải số của bài toán động lực học; xây dựng bài toán tương tác động lực học của cọc- nền đất khi chịu tải trọng động nằm ngang; xây dựng chương trình tính khảo
sát một số bài toán dao động của khối đất và của cọc chịu tải trọng động nằm ngang bất kỳ; khảo sát bài toán dao động của cọc chịu tải trọng động đất.
Phần kết luận, kiến nghị: trình bày những kết quả mới của luận án và các kiến nghị một số vấn đề nghiên cứu tiếp theo.
Phần phụ lục: trình bày nội dung các chương trình chính đã lập.
7 Những đóng góp mới của luận án
Bằng cách sử dụng phương pháp dùng hệ so sánh của PPNLCT Gauss trong việc nghiên cứu bài toán tương tác giữa cọc và nền đất khi chịu tải trọng nằm ngang cũng như tải trọng động đất, tác giả nhận được một số kết quả chính như sau:
1. Thông qua lời giải số bằng phương pháp phần tử hữu hạn có thể đưa lời giải Kelvin về lời giải Mindlin, nghĩa là nhận được lời giải của bán không gian vô hạn đàn hồi từ lời giải của không gian vô hạn đàn hồi với tải trọng đặt tại vị trí bất kỳ.
2. Xây dựng được bài toán tương tác tĩnh học, tương tác động lực học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh, tải trọng động nằm ngang đặt tại vị trí bất kỳ. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với đất là phần tử khối 3 chiều 20 nút; cọc dùng phần tử 2 nút đối với chuyển vị, 3 nút đối với lực cắt để giải. Phương pháp này tự động thỏa mãn điều kiện biên ở vô cùng, điều kiện trên biên khối đất chứa cọc cũng như điều kiện tiếp xúc giữa cọc và nền đất, tức là không cần đặt thêm các liên kết phụ như lò xo, hộp nhớt trên bề mặt tiếp xúc giữa cọc- nền đất, trên biên của khối đất chứa cọc. Ngoài ra có thể nghiên cứu được các thông số ảnh hưởng đến sự làm việc của cọc như: chiều dài cọc, độ cứng của cọc, cọc đặt trên lớp đá cứng và ảnh hưởng của cọc đến sự làm việc của đất.
3. Trong tính toán động lực học công trình và tính toán động đất bao giờ cũng xét đến hệ số nhớt công trình. Trong luận án này, đối với nền đất tác giả không dùng hệ số nhớt thông thường mà dùng hệ số giảm chấn vật liệu (hysteretic damping) hay hệ số ma sát khô (dry friction). Hệ số này cho phép xét được hiện tượng biến dạng dẻo của nền đất khi cần.
4. Xây dựng được bài toán truyền sóng cắt (sóng Love) từ nền đất cứng truyền lên lớp đất phía trên bằng cách xét đồng thời sóng cắt trong mặt phẳng nằm ngang
và sóng cắt nằm trong mặt phẳng thẳng đứng. Dựa trên lời giải số của phương pháp phần tử hữu hạn nghiên cứu được hiện tượng khuếch đại dao động bề mặt theo phương thẳng góc với phương truyền sóng, phù hợp với lý thuyết về truyền sóng Love.
5. Xây dựng được bài toán tương tác động lực học của cọc khi chịu tải trọng động đất. Sử dụng tích phân chập Duhamel nhận được lời giải trong miền tần số, sau đó biến đổi Fourier nhanh, ngược (IFFT) được kết quả trong miền thời gian.
Dùng gia tốc đồ của một trận động đất thật (El Centro 1940) làm thông số đầu vào để khảo sát, xác định được các thông số chuyển vị, mô men, lực cắt của cọc tại bất kỳ thời gian nào.
6. Dựa trên ngôn ngữ lập trình Matlab, xây dựng được các chương trình phần mềm tính toán phục vụ các trường hợp nghiên cứu, khảo sát: Mstatic1; Kstatic1;
MstaticP1; KstaticP1; KstaticPLs; KdynaS; KdynaL; KdynaP; KdynaPE.
Chương 1
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VÀ NỀN ĐẤT KHI CHỊU TẢI TRỌNG NGANG
Khác với các loại tải trọng động tác dụng lên công trình như tải trọng gió, tải trọng xe chạy trên cầu…, động đất gây ra chuyển động ở móng công trình, cho nên nó chứa đựng tiềm năng phá hoại rất lớn đối với công trình. Thật vậy theo Newmark và Rosenblueth [35]: “Động đất làm bộc lộ một cách hệ thống các sai sót trong thiết kế cũng như trong xây dựng công trình, kể cả những sai sót nhỏ nhất và xét về phương diện này, động đất làm cho môn học địa chấn công trình trở nên cấp thiết và hấp dẫn, có giá trị nghiên cứu, học tập vượt xa mục tiêu trực tiếp của nó”.
Khi biết các thông số chuyển động tại móng công trình do động đất gây ra thì có thể tính toán thiết kế công trình theo các phương pháp động lực học công trình hiện có, kể cả phương pháp dao động ngẫu nhiên. Các tài liệu và quy trình tính toán động đất của các nước và của Việt Nam đã đưa ra các chỉ dẫn tính toán thiết kế công trình chịu tải trọng động đất tùy theo mức độ quan trọng của nó [11],[14],[19],[20],[21],[22],[27],[37],[42],[44],[52],[59]...].
Tuy nhiên, việc nghiên cứu tương tác giữa công trình và nền đất nói chung và giữa móng cọc với nền đất nói riêng khi chịu tải trọng động đất là một vấn đề hết sức phức tạp và trở nên cấp thiết khi mà ngày càng có nhiều nhà máy điện hạt nhân, các công trình ngoài khơi, đập thủy điện lớn...có kích thước móng rất lớn được xây dựng trên thế giới và ở Việt Nam. Có thể hiểu được ý nghĩa của tương tác bằng cách hình dung một con thuyền nhỏ và nhẹ trôi trên sóng nước (hình 1.1a) và một con thuyền khác nhẹ như vậy nhưng có kích thước rất dài so với chiều dài sóng λ (hình 1.1b)[43]. Con thuyền nhỏ ít làm thay đổi đến chuyển động của sóng, còn con thuyền lớn làm thay đổi chuyển động sóng. Như vậy mức độ tương tác lớn hay nhỏ tùy thuộc vào kích thước của con thuyền so với chiều dài sóng. Từ đó để thuận tiện nghiên cứu có thể phân thành hai loại tương tác: tương tác động học (kinematic interaction) hoặc có thể gọi là tương tác độ cứng xét ảnh hưởng của kích thước và