b. Liên kết giữa sà lan và kích Delong (hình 2.3)
2.5.2.Lựa chọn, phân tích và mô phỏng các liên kết trong quá trình khai thác ạ Liên kết giữa cọc và đất
ạ Liên kết giữa cọc và đất
Xu thế phát triển của các mơ hình tính tốn kết cấu nĩi chung và kết cấu bệ cọc cao nĩi riêng ngày càng đ−ợc mơ tả chính xác hơn sự làm việc của cơng trình. Xu thế này liên quan mật thiết đến sự phát triển của lý thuyết tính tốn, của các ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm và cơng nghệ tin học. Hai mơ hình tính BLRN mà điểm khác nhau là mơ phỏng hố liên kết giữa cọc và đất nền đ−ợc xác định nh− sau:
ị Mơ hình ngàm
Quan niệm cọc ngàm với nền đất tại độ sâu cách mặt đất khoảng ∆0 (∆0 gọi là
chiều sâu ngàm giả định).
Hiện nay cĩ hai cách xác định ∆0: theo tiêu chuẩn các n−ớc phía Tây Châu Âu
(Đức, Pháp, …) và theo quy phạm Liên Xơ cũ.
* Xác định ∆0 theo tiêu chuẩn các n−ớc phía Tây Châu Âu
∆0 = (3,5 ữ 4,5)D - tr−ờng hợp đất sét (2.1)
∆0 = (7 ữ 8,5)D – tr−ờng hợp đất phù sa (2.2)
∆0 = 6D – khi ch−a xác định cụ thể điều kiện địa chất tại nơi xây dựng (2.3)
* Xác định ∆0 theo quy phạm Liên Xơ cũ
∆0 = 2/αbd (2.4) 5 ln c c p t bd I E b K ì ì = α (2.5) Khi D ≥ 0,8m: bp = D + 1; D < 0,8m: bp = 1,5D + 0,5
* Xác định chiều dài ngàm tính tốn theo [3], [6]: - Chiều daứi chũu uoỏn:
Lu = Lo + 2/αbd (2.6)
- Chiều daứi chũu neựn:
Ln = Lo + 7*10-3*E*Ac/φο (m) (2.7)
cửựng (tửực αbdL ≤ 2,5, vụựi L ủoọ sãu cóc trong ủaỏt ]) ; chiều daứi cóc laứ Lu trong trửụứng hụùp cóc laứ mềm (tửực αbdL ≥ 2,5) .
* Ngoaứi ra coự theồ tớnh toaựn chiều daứi ngaứm cuỷa cóc theo[5,B].
iị Mơ hình cọc t−ơng đ−ơng
Khi sử dụng mơ hình này, trình tự tính tốn đ−ợc thực hiện nh− sau: - Coi đầu cọc là ngàm, giải bài tốn mĩng cọc đài cao;
- Lấy nội lực tại ngàm tác động vào đầu cọc, giải bài tốn cọc đơn, tìm đ−ợc chuyển vị (chuyển vị thẳng và chuyển vị xoay) tại đầu cọc;
- Giải bài tốn mĩng cọc đài cao với sơ đồ ngàm đàn hồi (b−ớc 2) xác định đ−ợc nội lực tại đầu cọc;
- Tính tốn cọc nh− b−ớc 2 với nội lực thu đ−ợc từ b−ớc 3.
Thực hiện quá trình lặp đến khi giá trị chuyển vị (chuyển vị thẳng và chuyển vị xoay) tại đầu cọc hội tụ.
iiị Mơ hình cọc làm việc đồng thời với đất nền
Khi tính tốn theo mơ hình này, quan niệm đất nền làm việc theo mơ hình nền Winkler, t−ơng tác giữa cọc và nền đất đ−ợc thay bởi các gối đàn hồị Trong mơ hình cọc đ−ợc chia thành nhiều đoạn (thơng th−ờng để tránh sai số, chiều dài mỗi
đoạn cọc≤ 2m).
Hình 2.5. Mơ hình cọc làm việc đồng thời với đất nền
Mỗi đoạn cọc đ−ợc đặc tr−ng bởi mơ đun đàn hồi của cọc và tiết diện cọc. T−ơng tác giữa nền đất và đoạn cọc thứ i đ−ợc thay thế bởi hai gối đàn hồi theo ph−ơng ngang và một theo ph−ơng đứng. Riêng đoạn cọc gần mũi cọc cĩ gối đàn hồi thẳng đứng đặt tại mũi cọc (hình 2.5).
Độ cứng gối đàn hồi theo ph−ơng ngang, đứng và (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
xác định theo biểu thức tổng quát đối với cọc ống thép: xi i xi K =D lì ìk (2.8) yi i yi K =D lì ìk (2.9) zi i zi K =D lì ìk (2.10) 2 . 4 mz i mz D K π l k = ì ì (2.11) Một số ph−ơng pháp xác định hệ số đàn hồi k:
- Ph−ơng pháp thí nghiệm tại hiện tr−ờng.
- Ph−ơng pháp tra bảng (dựa vào phân loại và các chỉ tiêu cơ lý của đất). - Ph−ơng pháp −ớc lệ (đựa vào việc phân loại và các chỉ tiêu cơ lý của đất). - Xác định hệ số nền dựa vào quan hệ giữa phản lực và chuyển vị theo ph−ơng pháp t−ơng đ−ơng.
Trong đĩ, ph−ơng pháp thí nghiệm gia tải tại hiện tr−ờng là chính xác hơn, tuy nhiên số liệu thí nghiệm hệ số nền khơng phải lúc nào ng−ời thiết kế cũng cĩ, vì tài liệu khoan địa chất hoặc xuyên tĩnh nếu cĩ cũng chỉ cung cấp số liệu liên quan đến
việc tính c−ờng độ và biến dạng (phân loại đất, dung trọng tự nhiên γ, gĩc ma sát
trong ϕ, lực dính c, hệ số rỗng ε, hệ số ép lún a, mođun biến dạng E, c−ờng độ tiêu
chuẩn R tc, v.v…).
Ph−ơng pháp tra bảng đ−ợc nhiều tác giả đề cập đến cĩ độ chính xác khơng cao, bởi hệ số đàn hồi k chỉ dựa vào chất đất và một số chỉ tiêu cơ - lý của đất đặt mĩng là khơng hợp lý. Mặt khác, phạm vi tra bảng rất rộng (cùng một loại đất thì trị số cuối và trị số đầu cách nhau đến 10 lần).
Ph−ơng pháp −ớc lệ chỉ là ph−ơng pháp định l−ợng t−ơng đối, khơng cĩ cơ sở khoa học. Cả hai ph−ơng pháp đều khơng dựa vào ứng suất gây lún và độ lún t−ơng ứng nêu ra trong ph−ơng pháp thí nghiệm, khơng đề cập đến đ−ợc ảnh h−ởng của lớp đất nằm d−ới lớp đất đặt mĩng (nếu lớp đất đặt mĩng cĩ chiều dày quá mỏng).
Ph−ơng pháp xác định hệ số nền dựa vào quan hệ giữa phản lực và chuyển vị theo ph−ơng pháp t−ơng đ−ơng đ−ợc áp dụng khi khơng cĩ kết quả thí nghiệm nén tại hiện tr−ờng. So với ph−ơng pháp tra bảng chỉ dựa vào phân loại đất và độ chặt
hoặc chỉ dựa vào c−ờng độ tiêu chuẩn của nền đất d−ới đáy mĩng thì ph−ơng pháp này gần với kết quả thí nghiệm hơn, do đS căn cứ vào bản chất hệ số Winkler là quan hệ ứng suất và độ lún (thơng qua mơđun biến dạng). Ngồi ra cịn đề cập đến ảnh h−ởng của các lớp đất d−ới đáy mĩng.
Hiện nay, cĩ nhiều tài liệu về việc xác định hệ số nền:
- Xác định hệ số nền theo [6] khi ch−a cĩ các số liệu thí nghiệm cọc bằng
ph−ơng pháp tra bảng (Czi= kzi (kN/m3), k là hệ số tỷ lệ lấy theo bảng tra tuỳ thuộc
tính chất của đất và loại cọc, zi độ sâu của lớp đất đang xét). Hệ số nền theo ph−ơng
ngang tại các đoạn cọc và độ cứng tại mũi cọc do ng−ời dùng tự xác định.
- Xác định hệ số nền theo Bowles khi ch−a cĩ số liệu thí nghiệm cọc bằng ph−ơng pháp tra bảng [47].
- Xác định hệ số nền theo FHWA (Cục Đ−ờng Bộ Liên bang Mỹ), tiêu chuẩn API (Viện nghiên cứu dầu mỏ), và nhiều tổ chức khác đS kiện nghị sử dụng các đ−ờng cong P-x, P-y, P-z lập sẵn cho các loại đất khác nhau nh− đất sét yếu hoặc sét dẻo, đất sét cứng, đất cát, đá vơị Trong một số phần mềm tính tốn mĩng cọc FB- Multipier, Com624P … đS lập sẵn các đ−ờng cong này ng−ời dùng chỉ việc nhập
vào một số thơng số cơ bản của cọc D, trọng l−ợng riêng của các lớp đất γ’, gĩc ma
sát trong ϕ (đất cát), ε50 là biến dạng của đất trong thí nghiệm nén ba trục khi ứng
suất bằng 50% của ứng suất phá hoại (nếu ko cĩ thí nghiệm lấy theo bảng tra phụ
thuộc vào loại đất và giá trị sức kháng cắt khơng thốt n−ớc cu). Tuy nhiên khi
khơng sử dụng phần mềm này việc xác định hệ số nền thơng qua các đ−ờng cong ứng suất và biến dạng trên các đồ thị khĩ cĩ thể chính xác đ−ợc [26].
- Xác định hệ số nền theo tiêu chuẩn nền mĩng và tiêu chuẩn thiết kế cảng và các cơng trình phụ trợ của Nhật Bản ([52], [58]) khi khơng cĩ thí nghiệm gia tảị
+ Hệ số nền theo ph−ơng ngang đ−ợc tính tốn theo các ph−ơng pháp của Chang và ph−ơng pháp của Viện nghiên cứu cảng và bến cảng (PHRI):
kh =150 N (T/m3) (2.12)
+ Hệ số nền theo ph−ơng đứng tại các đoạn cọc trong tính tốn nội lực kết cấu do phức tạp và thiên về an tồn th−ờng bỏ qua:
+ λ là tỷ số giữa hệ số nền theo ph−ơng ngang và ph−ơng thẳng đứng lấy trong
phạm vi 1/2 ữ 1/5, th−ờng λ lấy bằng 1/3.
+ Hệ số đàn hồi (độ cứng của lị xo) theo ph−ơng đứng tại mũi cọc kv đ−ợc xác (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
định bằng cơng thức dự đốn dùng kết quả của thí nghiệm gia tải dọc trục và thí nghiệm địa chất, hoặc từ đ−ờng cong tải trọng và độ lún thơng qua thí nghiệm gia tải dọc trục tác dụng vào cọc.
kv đ−ợc xác định bởi lực dọc trục của cọc gây ra chuyển vị đơn vị dọc trục tại
đầu cọc. Giá trị này sử dụng khơng chỉ trong tính tốn chuyển vị và phản lực cọc mà
cịn dự đốn độ lún đàn hồi của mĩng cọc. Khi dùng kv để tính phản lực đầu cọc, mơ
men đầu cọc và lực gia tải dọc trục để xác định chính xác kv phụ thuộc hình dạng
của mĩng cọc. Cụ thể, với mĩng mà dễ bị xoay nh− mĩng chỉ cĩ một vài hàng cọc
và khoảng cách giữa các tim cọc nhỏ, mơ men cọc lớn phụ thuộc vào kv. Do đĩ với
mĩng cọc nh− thế điều cần thiết là phải hiểu đúng đặc tr−ng kv để giá trị thích ứng
cĩ thể đ−ợc chấp nhận.
Phải tham khảo kv đ−ợc xác định từ đ−ờng cong tải trọng – lún thơng qua thí
nghiệm gia tải dọc trục của cọc. Tuy nhiên, trong thiết kế ban đầu cho phép lấy kv
theo các cơng thức dự đốn nh− trong tr−ờng hợp chịu tảị
Cơng thức dự đốn này dựa trên thí nghiệm gia tải khi a đ−ợc xác định bằng
cách tính ng−ợc từ giá trị kv thu đ−ợc từ thí nghiệm gia tải khác nhau t−ơng ứng với
loại cọc, ph−ơng pháp thi cơng, và tỷ lệ xuyên qua của cọc L/D nĩi riêng nh− trong cơng thức (2.15). c c v cđ aA E k L = (T/m) (2.14) Với cọc ống thép a = 0,014(Lcđ/D) + 0,78 (2.15)
Ghi chú: Số liệu gia tải đ−ợc sắp xếp lại dựa vào các điều kiện sau:
+ Gradient cắt ứng với trạng thái biến dạng, nh− ph−ơng pháp đ−ờng cong logP – log S, đ−ờng cong tải trọng- độ lún thu đ−ợc từ thí nghiệm gia tải tại đầu cọc cho
giá trị đo đ−ợc kv.
+ Vì phần lớn dữ liệu trong cơng thức tính kv trên cĩ Lcđ/D ≥ 10, theo nguyên
Lcđ/D <10, việc xác định kv thích hợp là tính tốn tới các ghi chép thí nghiệm gia tải mà cĩ các điều kiện đĩ.
+Vì Ac trong tr−ờng hợp cọc đĩng là diện tích mặt cắt ngang thực của cọc nên
cơng thức trên cĩ thể áp dụng mà khơng liên quan đến hình dạng cọc.
Ph−ơng pháp dự đốn xuất phát từ kết quả của thí nghiệm đất xem cọc nh− một vật thể đàn hồi với các lị xo ở xung quanh và ở mũi cọc. Sau đĩ các lị xo này
đ−ợc xác định bởi các thí nghiệm đất, kv cĩ thể đ−ợc xác định khi a thu đ−ợc từ cơng
thức (2.16) thay thế cho cơng thức (2.14)
( ) ( ) ( tanh / tanh ) a= λ λ γ+ γ λ λ λ+ (2.16) Trong đĩ: + γ=ApkvLcđ/AcEc + s cđ p p C u L A E λ= + Cs: Hệ số tr−ợt giữa cọc và đất (T/m3)
- Hệ số đàn hồi theo ph−ơng ngang tại mũi cọc (th−ờng bỏ qua trong tính tốn nội lực với lý do t−ơng tự nh− cơng thức 2.13).
ks = λkv (T/m) (2.17)
Theo tiêu chuẩn của Nhật Bản ([52], [58]) cĩ −u điểm dễ dàng xác định đ−ợc hệ số nền, hệ số đàn hồi theo ph−ơng ngang, ph−ơng đứng của đoạn cọc và mũi cọc khi khơng cĩ kết quả thí nghiệm cọc (hệ số nền xác định dựa vào quan hệ giữa phản lực và chuyển vị theo ph−ơng pháp t−ơng đ−ơng cĩ sử dụng kết quả khảo sát địa chất tại vị trí xây dựng). Ngồi ra các cơng thức tính hệ số nền hay hệ số đàn hồi đS đ−ợc nghiên cứu riêng cho kết cấu cơng trình bến cảng và các cơng trình phụ trợ khác trong cảng và đặc biệt là kết cấu bến mĩng cọc đài caọ
Vì vậy trong Luận án, tác giả đS lựa chọn việc xác định hệ số nền theo tiêu chuẩn thiết kế cảng của Nhật Bản để tính tốn cho BLRN. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhận xét về các mơ hình tính tốn
Mơ hình ngàm cĩ −u điểm là đơn giản, dễ sử dụng. Tuy nhiên nh−ợc điểm của mơ hình này là chỉ xét đến lớp đất phía gần đầu cọc điều này dễ dẫn đến sự sai khác giữa mơ hình làm việc thực tế và mơ hình tính trong tr−ờng hợp chiều dày các lớp
đất phía gần đầu cọc là đất yếu hoặc chiều dài cọc là đáng kể.
Mơ hình cọc t−ơng đ−ơng cĩ tiến bộ hơn so với mơ hình ngàm mơ tả sát hơn sự làm việc của kết cấu mĩng cọc so với sơ đồ làm việc thực tế. Tuy nhiên khi tính tốn t−ơng tác giữa đất nền – cọc và kết cấu bên trên ch−a đ−ợc phản ánh đầy đủ.
Mơ hình tính phản ánh đầy đủ, chính xác sự làm việc của kết cấu bến mĩng cọc đài cao là mơ hình cọc làm việc đồng thời với đất nền. Sự chính xác của mơ hình tính phụ thuộc vào ph−ơng pháp xác định hệ số nền thơng qua các thí nghiệm cọc tại hiện tr−ờng. Khi khơng cĩ thí nghiệm và trong thiết kế ban đầu tính hệ số nền theo ([52], [58]).