đề tài tính toán và so sánh cọc chịu tải trọng ngang bằng các phương pháp khác nhau

Đối với móng cọc chịu tải trọng ngang, các yếu tố quan trọng sau đây là ảnh hưởng chính: e_ Sức kháng của đất nền xung quanh cọc; e Các đặc trưng của nền đất xung quanh cọc, nén của vật

PHẢN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Hiện nay, đất nước ta dang trong quá trình công nghiệp hóa — hiện đại hóa,

nền kinh tế đang phát triển rất mạnh mẽ Cùng với các lĩnh vực khác, xây dựng cơ sở hạ tầng được đặt lên hàng đầu để đáp ứng yêu cầu phát triển về kinh tế cũng như xã hội Do

đó xây dựng cơ sở hạ tầng phải bền vững và độ an toàn cao

Việt Nam là một nước mà địa lý nằm giáp ranh với bờ biến Thái Bình

Dương nên mật độ và cường độ của gió rất lớn gây ảnh hưởng lên các công trình ven

sông biển như bến cảng, bờ kè, giàn khoan, các công trình nha cao tang

Đối với việc sử dụng giải pháp móng cọc cho các công trình nhà cao tầng, bến cảng, bờ kè thì vấn đề quan trọng là sức chịu tải của công trình, đặc biệt là vấn đề chịu tải trọng ngang

Đối với móng cọc chịu tải trọng ngang, các yếu tố quan trọng sau đây là ảnh

hưởng chính:

e_ Sức kháng của đất nền xung quanh cọc;

e Các đặc trưng của nền đất xung quanh cọc, nén của vật liệu cọc;

e_ Chiều sâu ngàm của cọc trong đất;

e Loai tai trong tac dung;

e Lién kết đầu cọc

Các tải trọng ngang thường gặp: do tăng hoặc giảm tốc độ xe; tải trọng gió; sóng;

dòng chảy; do tàu bè va chạm; do động đất; lở đất; wee

Có nhiều phương pháp tính tải trọng ngang của cọc như phương pháp dự báo của Broms; Meyerhof; cọc chịu tải ngang theo TCVN 205:1998 Tuy nhiên, khi tính toán mỗi phương pháp cho kết quả khác nhau Do đó đề tài được chọn nhằm so sánh cách tính của mỗi phương pháp để từ đó đề xuất phương pháp tính tối ưu và thông dụng, có thể áp dụng vào thực tế thiết kế móng cọc

2 Tổng quan lịch sử nghiên cứu của đề tài:

Vấn đề sức chịu tải trọng ngang của cọc đã được các nhà khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam nghiên cứu rất nhiều, chẳng hạn:

- Lời giải của Broms: từ nhiều thực nghiệm Broms đưa ra tóm tắt ứng xử cọc chịu tải trọng ngang gồm loại đầu cọc ngàm vào đài cứng và đầu cọc tự do Quan hệ giữa áp lực ngang của đất lên cọc và chuyên vị ngang của cọc là quan hệ tuyến tính

- Brinch Hansen (1961) va Broms (1964) ding mé hinh nén Winkler dé giai Theo

mô hình này, đất nền xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi tuyến tính Nền đất xung quanh cọc được thay thế bằng các liên kết chống chuyển vị ngang và được biểu diễn bằng các lò xo độc lập riêng rẽ có độ dài như nhau và có độ cứng bằng hệ số nền quy ước K

- Phương pháp “m” của Trung Quốc thì giả thiết hệ số nền tăng tuyến tính theo

chiều sâu để mô phỏng tương tác cọc đất

- Ở Mỹ, mô phỏng tương tác cọc - đất theo lý thuyết đường cong p-y, các đường

cong p-y này được xây dựng trên cơ sở các thông số về cọc và các chỉ tiêu đất nền thu thập được

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: đất xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi tuyến tính được mô phỏng bằng mô hình nền Winkler Hệ số nền theo phương ngang thay đổi tuyến tính theo chiều sâu

3 Mục tiêu nghiên cứu:

Trong vài thập kỷ gần đây, việc giảng dạy và nghiên cứu của ngành cơ học đất

đã đạt được nhiều thành tựu đáng ké trong cả việc phát triển lý thuyết cũng như thực

hành để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế Tuy nhiên sự phát triển quan trọng nhất

là việc thống nhất được mối quan hệ giữa trạng thái ứng suất và trạng thái thể tích trong

cơ học đất và thường được gọi là cơ học đất trạng thái tới hạn (Critical State Soil

Mechanics)

Việc sử dụng các phần mềm tính toán theo lý thuyết phần tử hữu hạn va các mô hình đất theo lý thuyết cơ học đất trạng thái tới hạn đã mở ra một hướng mới trong ngành cơ học đất và nền móng Với sự hỗ trợ của máy tính, người kỹ sư có được một công cụ mạnh mẽ đề phân tích và dự đoán ứng xử của đất đồng thời với móng trong các

điều kiện làm việc khác nhau

Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu và khuyết điểm riêng Việc nghiên cứu để hiểu rõ và sử dụng phù hợp từng phương pháp ; từ đó, giải quyết một cách hợp lý các bài toán thực tế là rất quan trọng Đó cũng chính là mục đích nghiên cứu của đề tài này

4 Phương pháp nghiên cứu:

Thu thập đữ liệu từ công trình thực tế; Thiết kế móng và tính toán cọc chịu đồng

thời tải trọng ngang bằng các phương pháp khác nhau So sánh dé tìm ra được phương

pháp tính tốt nhất

5 Phạm vỉ nghiên cứu:

Nghiên cứu thực tiễn việc sử dụng coc chiu tải trọng ngang;

Phân tích ưu và nhược điểm của công trình chịu tải trọng ngang;

Các phương pháp phân tích sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang trong các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn khác nhau;

Tính toán so sánh cọc chịu tải trọng ngang bằng nhiều phương pháp;

Đánh giá lựa chọn phương pháp phân tích cọc chịu tải trọng ngang cho một số trường hợp theo điều kiện địa chất công trình ở Đồng Bằng Sông Cửu Long;

6 Những đóng góp mới của đề tài và những vấn đề mà đề tài chưa thực hiện

được:

Phân tích cọc chịu tải trọng ngang trong nền nhiều lớp đất yếu bão hòa nước;

So sánh những sai số giữa các lời giải giải tích trong nền đồng nhất so với nền

nhiều lớp;

Thay thế nền nhiều lớp bằng 1 lớp đất đồng nhất có chỉ tiêu tương đương sao cho

sự làm việc của cọc là giống nhau.

PHAN NOI DUNG

Ngoài phần mở đầu và kết luận, báo cáo nghiên cứu khoa học còn bao gồm những

nội dung chính sau:

Chương 1: Tổng quan các loại công trình có sử dụng cọc chịu tải trọng ngang Chương 2: Các phương pháp tính

Chương 3: Tính toán cụ thế công trình thực tế có 2 tầng hầm sử dụng cọc khoan

nhồi tiết diện nhỏ làm tường vây và sử dụng cọc D600 làm móng cọc.

CHƯƠNG 1

TONG QUAN CAC LOAI CONG TRINH CO SU DUNG COC CHIU TAI TRONG NGANG

CHUONG 1:

TONG QUAN CAC LOAI CONG TRINH CO SU DUNG COC CHIU TAI

TRONG NGANG

1.1 Công trình kè bảo vệ bờ sông:

Do có chiều dài lớn có thể cắm sâu vào đất, tường cọc bản không những có thể chịu tải trọng ngang, chống xói lở trên bờ sông mà còn có thể chống được xói lở đưới đáy sông Hạn chế của phương pháp này là giá thành cao, đòi hỏi phương tiện phức tạp và trình độ thi công cao Do vậy nó chỉ được dùng để bảo vệ những nơi xung yếu như khu thương mại, khu dân cư đông đúc hoặc các công trình kiến trúc quan trọng

1.1.1 Theo vật liệu, tường cọc bản có thể được phân thành các loại:

Tường cọc bản gỗ: dùng cho cấu trúc chắn đất thấp, thường dưới 3m Cấu trúc

này không chịu được tái trọng lớn Khi cọc gỗ nằm trên mực nước ngầm thường xuyên thì phải có biện pháp bảo dưỡng thích hợp Tuổi thọ của công trình nhỏ, ít khi vượt quá 1 đến 15năm

Tường cọc bản nhựa PVC, bản hợp kim nhôm có cấu tạo bản phẳng, bản hình chử

U, bản hình chữ Z có khớp liên kết Loại này tuy nhẹ, bền nhưng chưa phố biến ở Việt

Nam do chưa tiếp thu được công nghệ và giá thành cao

Các loại cọc bản trên do có độ mảnh lớn, độ cứng chống uốn nhỏ nên cần được liên kết giằng với nhau đề tạo độ cứng tổng thể Có thể sử dụng neo để tăng độ ồn định của hệ tường cừ

Tường cọc bản thép:

Tường cọc bản thép được tạo ra bằng cách đóng hoặc ép các cọc bản thép vào đất tới độ sâu đảm bảo ôn định cho bản thân tường và cho hệ tường — đất sau tường Các bản thép được liên kết với nhau bằng các khớp nối và hệ giằng ngang nhằm cho hệ tường có thể làm việc đồng thời, có độ cứng lớn Hệ thống khớp nối, neo giằng có thế chế tạo và thi công dễ dàng Do cấu tạo và thi công đơn giản nên tường cọc bản thép được sử dụng

rộng rãi trên toàn thế giới, nhất là tại những khu vực có nguồn sắt thép đồi đào và điều

kiện địa chất, khí hậu kém ăn mòn sắt thép Hệ tường này được sử dụng làm tường vây

hố móng tạm, bảo vệ những công trình đang thi công dưới nước hoặc sâu đưới đất Ngoài

ưu điểm đễ thi công thì cọc bản thép có thể tái sử dụng nhiều lần Ngoài việc phục vụ thi công nói trên thì tường cọc bản thép được sử dụng để chống xói lở bờ sông, bảo vệ các công trình ven sông

Tường cọc bản bê tông cốt thép (BTCT)

Tường cọc bản bêtông cốt thép được hình thành bằng cách cắm vào đất các cọc bản BTCT và được sử dụng để chống xói lở bờ sông cũng như bảo vệ công trình ven sông Trong điều kiện nước trong đất có tính xâm thực thì cọc bản BTCT được sử dụng rộng rãi hơn cọ bản thép

So với cọc bản thép thì cọc bản BTCT có tiết điện ngang và trọng lượng lớn hơn

Ngoài ra, việc chế tạo và thi công các cừ bêtông vào đất cũng khó khăn hơn hạ cừ thép

Để nâng cao chất lượng của cấu kiện, người ta đã tạo ứng suất trước làm cho cừ có khả năng chịu lực tốt hơn và giảm kích thước tiết diện ngang cũng như trọng lượng cọc Trước đây, ở Việt Nam chỉ có nhà máy Bêtông 620 Châu Thới sản xuất được loại cọc bản bê tông ứng suất trước (BTCTUST) nhưng hiện nay với công nghệ mới chuyển giao của Nhật Bản qua công trình nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ, việc sản xuất cọc bản BTCTƯST trở nên phổ biến hơn, có thể đáp ứng được nhu cầu chống sạt lở bờ sông cũng như bảo vệ các công trình ven sông ở đồng bằng sông Cửu Long

Tường cọc bản (gỗ, thép, bêtông cốt thép hoặc kết hợp) có thê được cấu tạo không neo, có một hay nhiều neo Theo nhiều nghiên cứu thì độ ồn định của hệ tường — đất

sau tường tăng theo số lượng neo nhưng chưa xác định được số lượng neo như thế nào là

tối ưu cho bài toán kĩ thuật và kinh tế

<<=~~©ò BẢN THÉP=< —||[ <<“ ÉT TRANG THÁI NHÀO <2

<~ “TẾT pIỆN ch HZ[|[—~ = — — BUN SET TRANG THAINHAO ~~ =

= BUN SET HOU CO~ 4

= —xAm BEN NHAO— HIT coc Neo—

11m SET, SET PHA ÍT CAT MIN

VÀNG - DEO NHAO, DEO MEM

‘AT HẠT MỊN, HẠT NHỎ LAN SAN SOI NAU VANG BAO HOA NUOC

Hình 1.3: Mặt cắt hệ tường cọc bản

8

1.1.2 Một số công trình kè bảo vệ bờ sông :

1.1.2.1 Công trình bờ kè ven sông Đồng Nai thành phố Biên Hòa

Công trình bờ kè dọc công viên ven đường Phan Văn Trị và sông Đồng Nai từ chân cầu Hóa An đến ngã ba Nguyễn Trãi được khởi công từ tháng 06 năm 2003 bờ kè được thiết kế bằng tường cừ BTCT ứng lực trước và thi công bằng phương pháp xói nước kết hợp ép rung

1.1.2.2 Công trình bờ kè kênh Nhiêu Lộc — Thi Nghe:

1.1.2.3 Công trình nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ

Nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ I thuộc huyện Tân Thành tỉnh Bà Rịa — Vũng Tàu có

hạng mục kênh dẫn nước vào nhà máy với chiều dài trên 1000m, rộng 45m, sâu 8.7m

được xây dựng bằng tường cọc bản BTCT dự ứng lực đến nay vẫn sử dụng tốt

1.1.2.4 Bờ kè phà Cần Thơ:

Bờ phà phía hạ lưu được gia cố bằng bờ kè sử dụng hệ tường cừ thép song đã bị sập xuống sông Nguyên nhân là do dòng chảy gây xói lở nên chiều đài neo bị thiếu khiến tường kè bị mắt ôn định, nghiêng ra sông Sau đó hệ tường cừ đã được xử lí bằng

cách tăng cường thêm các cọc sâu hơn và tăng thêm chiều dài neo vào bờ

1.2 Công trình bến cảng:

1.2.1 Khái niệm cảng biến:

Cảng là tập hợp các công trình xây dựng và thiết bị bảo đảm cho tàu neo đậu an toàn, đồng thời cho phép bốc dỡ hàng hóa nhanh và thuận tiện

Cảng là đầu mối của các đầu mối, nó vừa là đầu mối vận tải thủy, vừa là đầu mối của

đường sắt, đường ô tô, đường Ống

1.2.2 Phân loại cảng biển:

Dựa vào chức năng, cảng được phân ra: cảng thương mại, quân cảng, cảng dịch

vụ, cảng khách

Phân loại cảng theo vị trí địa lý có: cảng biển, cảng cửa sông, cảng sông, cảng hồ 1.2.3 Phân loại công trình bến:

1.2.3.1 Theo vật liệu xây dựng:

Tùy thuộc vào loại vật liệu của các cấu kiện chính của một kết cấu bến mà phân loại: kết cầu bến bằng gỗ, kết cầu bến bằng thép, kết cấu bến bằng bê tông cốt thép và kết cấu bến bằng vật liệu hỗn hợp

1.2.3.2 Theo vị trí của công trình đối với bò:

11

Từ đặc điểm địa hình và tùy thuộc vào chiều sâu trước bến, công trình bến có thể đặt liền bờ, song song với bờ, nhô khỏi bờ và vũng cách xa bờ

1.2.3.3 Phân loại công trình bến theo mặt cắt ngang:

e Bến đứng yêu cầu mức độ ổn định cao hơn, tốn nhiều vật liệu hơn, song lại rất thuận tiện cho các quá trình xếp dỡ hàng hóa

e Bến nghiêng xây dựng ở những nơi tàu nhỏ, mực nước thay đổi nhiều Kết cầu mái nghiêng cấu tạo đơn giản, tốn ít vật liệu, giá thành hạ, song khai thác kém hiệu quả hơn bến tường đứng

e_ Bến nửa nghiêng nửa đứng và nửa đứng nửa nghiêng, được sử đụng trong trường hợp nơi xây đựng có mực nước thấp hoặc mực nước cao kéo dài trong năm

1.2.3.4 Phân loại theo đặc trưng kết cấu: Chia thành 4 nhóm chính:

1.3 Công trình có 2 tầng hầm sử dụng hệ cọc làm tường vây:

1.3.1 Nguyên lý chọn giải pháp tường vây:

Đối với hố đào sâu thì vấn đề ổn định hố đào chống sạch thành vách, áp lực nước đây ngang, đây nổi, bùn nền và làm khô hố đào là những thách thức lớn do đó phải lựa chọn chuẩn xác một giải pháp tường vây và các giải pháp kỹ thuật đi kèm liên quan đến thi công hố đào, một công việc được coi là quan trọng nhất, khó khăn nhất và tốn kém nhất đối với toàn bộ công trình

Tường vây ngoài chức năng chống đỡ thành hố đào còn có nhiệm vụ cực kỳ quan trọng khác nữa đó là vai trò làm màng chống thấm, đảm bảo tuyệt đối an toàn cho thi công công trình đưới tác động của áp lực thủy động và làm khô hồ đào

Ngày nay do những tiến bộ của khoa học — công nghệ, cho phép áp dụng nhiều

công cụ tính toán tự động hóa, nhiều phương tiện thi công cơ giới hóa và tự động hóa cao, công việc thi công tường vây trở nên dễ dàng, nhanh chóng và thuận tiện hơn nhiều nếu biết ứng dụng những công nghệ trên vào những điều kiện cụ thể thích hợp Có 4 vấn

đề cơ bản sau đây cần phải được xác định khi lựa chọn giải pháp tường vây:

e _ Thứ nhất: Giải pháp kết cấu tường vây:

Hiện nay phổ biến nhất là dùng tường cừ Larsen, cọc bản BTCT, tường Barrette, tường vây BTCT đúc tại chỗ thi công theo phương pháp hạ giếng chìm trong áo sét, tường vây bằng cột CDM, tường vây bằng cọc ép, cọc ép, cọc khoan nhi đường kính nhỏ thi công nối nhau theo hàng liên tục

e Thứ hai: Biện pháp neo giữ, chống đỡ:

Phổ biến hiện nay là áp dụng hệ kết cấu chống đỡ tạm thời từ bên trong, phương pháp neo vào vách đất sau lưng tường, chống đỡ bằng chính kết cấu công trình thi công theo phương pháp TOP - DOWN, hoặc hệ chống đỡ tạm

e Thứ ba: Giải pháp cách nước để làm khô hố đào và chống bùng nền khi mở móng:

15

Có nhiều giải pháp làm khô hố đào: dùng kết cầu tường vây nối dài để cân bằng áp lực thủy động do kéo đài đường thấm, bơm nước qua hệ thống bơm chân kim để hạ mực nước ngầm, kết hợp kéo đài tường vây với bơm hút nước bên trong, khi miệng phểu đường hút nước còn nằm bên trong tường vây và cách cao

độ đáy hố đào một khoảng cách an toàn, thi công màng chống thấm độc lập bên ngoài và bịt đáy bằng công nghệ CDM hay Jetgrouting

e Thứ tư: Công nghệ đào đất:

Ngày nay với những phương tiện thi công cơ giới phát triển, công việc đào đất và vận chuyền chúng ra khỏi hố đào không còn là công việc khó khăn, nặng nề như trước đây, nếu được giải quyết tốt các công đoạn nói trên

1.3.2 Các công trình thực tế sử dụng cọc khoan nhôi tiết diện nhỏ làm tường vây:

1.3.2.1 Công trình Nhà ở Số 102, Xuân Thủy, P.Thảo Điền, Q2, TpHCM:

16

17

CHƯƠNG 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH COC CHIU TAI TRONG NGANG

CHƯƠNG 2:

CÁC PHƯƠNG PHAP TiNH COC CHIU TAI TRONG NGANG Phần lớn các phương pháp hiện có, cũng có thể gọi 1a cac phuong phap cé dién, đều dựa vào hai giả thiết lớn là:

1 Giả thiết đàn hồi để tính biến dạng

2 Giả thiết dẻo lý tưởng để tính sức chịu tải

Các ý tưởng này đều xuất phát từ các kết quả nhận được từ các thí nghiệm thực

tế về sức chịu tải giới hạn của đất Các giả thiết được đặt ra là đất sẽ ứng xử đàn hồi khi tải trọng nhỏ hơn một giá trị tải trọng nào đó và giá trị này phụ thuộc vào giá trị của tải trọng giới hạn Và sức chịu tải của đất cũng đạt một giá trị giới hạn khi trong nền xuất hiện các vùng biến dạng dẻo ở một mức độ nào đó

Mặt dù các giá trị tải trọng giới hạn có thể nhận được từ các thí nghiệm bàn nén hiện trường nhưng việc xác định cụ thể đâu là giá trị chính xác của các tải trọng giới hạn thì không lại dễ dàng Tuy vậy đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu khác nhau

để tìm cách xác định các tải trọng giới hạn này bằng các phương pháp lý thuyết và đã đạt được nhiều kết quả Một vài công trình trong số đó được trình bày dưới đây

Các tải trọng giới hạn

Từ kết quả thí nghiệm bàn nén hiện trường, người ta nhận thấy rằng nền đất làm việc ở 3 giai đoạn khác nhau Quan hệ tải trọng-biến dạng (lún) của nền thay đổi theo từng giai đoạn:

19

Hình 2.1: Quan hệ tống quát giữa tải trọng và độ lún của đất

Giai đoạn OA: là giai đoạn mà ở đó nền đất còn làm việc như một môi trường

đàn hồi Khi đó độ lún của nền chủ yếu do nén chặt đất, giảm độ rỗng Quan hệ tải trong-bién dạng gần như tuyến tinh Dat lam việc ở giai đoạn này khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn một tải trọng giới hạn nhất định, tải trọng giới hạn này được gọi là tải trọng giới hạn đàn hồi pụ, Giá trị của p¡ được xác định theo biểu thức sau:

Theo N.P.Pouzirevski với z„¿„=0: nghĩa là vùng biến dạng dẻo chỉ mới bắt đầu xuất hiện tại mép móng (điểm dẻo), nền còn làm việc như một môi trường đàn hồi

Giai đoạn AB: là giai đoạn mà ở đó trong đất bắt đầu xuất hiện các vùng trượt cục

bộ, các hạt đất bắt đầu trượt lên nhau do đó độ lún của nền được tạo nên bởi cả chuyên

vị đứng và ngang của các hạt đất Ở giai đoạn này, nền đất làm việc như một môi trường đàn dẻo Tuy nhiên ở một mức độ nào đó thì nền đất vẫn có thể được coi là đàn hồi vì vậy, để tận dụng khả năng chịu tải của nền, các tác giả khác cũng đề nghị các công thức sau:

Theo N.N.Maxlov với z„„=B.tgọ: tải trọng này có thể coi là tải trọng cho phép

a7[bneo ++ |

Peng =— “89! 4 (1.2)

clg0+0—S

20

Theo I.Y.Yaropolski với z„;„=0.5.B.ctg@(/4 — 0/2)

Giai đoạn BC: là giai đoạn trượt trong nền đất và có thể xem nền đất như một vật

thể đàn hồi-đẻo lý tưởng Độ lún của nền là do sự dịch chuyển ngang của các hạt đất chứ không phải do sự thay đổi thể tích Tải trọng tác dụng lên nền không tăng được nữa

và dừng lại ở giá trị sức chịu tải cực hạn của đất Tải trọng cực hạn này được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau như:

e phương pháp tính dựa trên giả thiết cân bằng giới hạn điểm (Prandtl, Terzaghi, Buiman, Caquot, Sokolovski, Meyerhof, Hansen, .)

¢ phvong phap tính dựa trên giả thiết mặt trượt phang (Bell va Peck)

e các phương pháp thí nghiệm hiện trường khác nhau (SPT, CPT, thí nghiệm bàn nén hiện trường )

2.1 Sức chịu tải ngang của cọc trong tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXD 205-

1998):

Phương pháp này xác định moment và chuyền vị ngang dọc theo trục của một cọc thẳng đứng chịu tác động một moment M, và lực ngang H, tại cao trình mặt đất, cũng như xét ôn định của nền đất xung quanh cọc

Xét một cọc có chiều dài L, chịu tải như hình 2.2:

21

SƠ ĐỒ TẢI TRỌNG LÊN CỌC SƠ ĐỒ CHUYỂN VỊ CỦA CỌC SƠ ĐỒ CHUYỂN VỊ CỦA CỌC:

Hình 2.2: Sơ đồ tac dong ciia moment va tải ngang lên cọc

Đất xung quanh cọc xem như môi trường đàn hồi tuyến tính được mô phỏng bằng

Với hệ số nền theo phuong ngang, C ) = Kz, thay đổi tuyến tính theo chiều sâu

Trong đó K-hệ số nền quy ước hay hệ số tỷ lệ,có thứ nguyên là 7ƒ / m*

(tra bang 4.1/trang 243 sách “Nền Móng? của Châu Ngọc Ân,NXB ĐHQG TP.HCM)

Từ lời giải của phương trình trên ta suy ra các đại lượng cần thiết: áp lực tính toán

o, (Tf / m”), moment uén M ,ŒƑ.m), lực cắt QO (Tf), trong cac tiết diện của cọc như sau:

22

A,,B,,C,,D, tra trong bang G2(bang 4.2/trang 253)

Moment uén va luc cắt của cọc tại cao trình mặt đất

1.000 2.000

Q(KN) -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00

Hình 2.5: Biểu đồ áp lực ngang của cọc chịu tải trọng ngang

Ôn định nên quanh cọc:

Điều kiện ổn định nền đất xung quanh cọc khi có áp lực ngang đo cọc tác động có

Trong đó: ơ,- ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại độ sâu z

z,- trọng lượng đơn vị thể tích tính toán của đất

c,.ø, - lực dính và góc ma sát trong tính toán của đất

25

¿- hệ số bằng 0,6 cho cọc nhồi và cọc ống, bằng 0,3 cho các cọc còn lại

;,- hệ số bắng 1 cho mọi trường hợp trừ công trình chắn đắt,chắn nước lấy

Với M ,- moment do tải thường xuyên

M ,- moment do tai tạm thời

n- lay bằng 2,5 trừ các trường hợp: + móng băng n=4

Khi ¡, >2,5: cọc dai hay cọc chịu uốn, ổn định nền theo phương ngang

được kiểm tra tại độ sâu z = 985

Aya

2.2 Phương pháp dự báo “sức chịu tải ngang” của Broms:

Trong phương pháp Broms, quan hệ giữa áp lực ngang của đất lên cọc và chuyển

vị ngang của cọc là quan hệ tuyến tính ( p = K, y), trong dé Kh là hệ số nền và là hằng

số theo phương pháp Broms

Đầu tiên, ta phải xác định chiều sâu ngam kB (tir day đài trở xuống) Trong phạm

vi này ta phải xác định xem loại đất chung là đất rời hay đất dính Sau đó, thực hiện theo các bước:

Bước 1: Tính hệ số nền theo phương ngang (Kị)

Bước 2: Hiệu chỉnh hệ số nền K, theo diéu kiện tải trọng trong từng loại đất:

Nếu tải động đất tác động trên đất rời:

Ky = 0.5 Ky, voi đất chặt vừa đến chặt;

Ky = 0.25 Ky, voi đất ở trạng thái rời

Nếu tải trọng tác động lâu dài trên đất dính:

Ky = (0.17 — 0.33) Kại với đất yếu;

Ky, = (0.25 — 0.5) Kụi với đất cứng đến rất cứng

27

Xét xem đầu cọc là ngàm hay tự do Nếu đầu cọc tự do, cần tìm khoảng cách từ đầu cọc đến mặt đất

Với đất dính, cần tìm sức kháng cắt không thoát nước trung bình S„

Với đất rời, cần tìm giá trị y'K, , trong do: y“ là trọng lượng riêng trung bình của đất, có tính hiệu ứng đây nổi cho phần đất nằm dưới MNN, còn K, = tg?(45 + 2) chính là hệ

2.3 Phương pháp dự báo “sức chịu tải ngang” của Meyerhof:

Meyerhof (1995) phân cọc làm các loại cọc ngắn và đài theo tiêu chí như sau:

EJ - độ cứng chống uốn của tiết diện cọc;

E„- mô đun biến dang theo phương ngang của đất trong phạm

ngàm tính toán;

L- chiều dài cọc

e Trong dat ri:

- Với coc ngắn thì sức chịu tải cực hạn là:

Ó, =0.127 BI?K,,;Q, <0.4P,BL

Trong đó: z- trọng lượng riêng của đất;

B- cạnh hoặc đường kính cọc;

L- chiều đài cọc;

K,,- hệ số sức chịu tải ngang, tra trên hình vẽ;

P, - ấp lực tới hạn thu được từ thí nghiệm nén ngang PMT Nếu không thí nghiệm PMT thi lay P,:

Trong đó: $, - sức kháng cắt không thoát nước;

K,- hệ số sức chịu tải ngang, tra trên hình vẽ;

P, - ap lực tới hạn thu được từ thí nghiệm nén ngang PMT Nếu không thí nghiệm PMT thì lấy Pụ;

2.4.1 Khái niệm:

Dưới tác dụng của tải trọng ngang, nền đất sẽ tương tác với cọc qua những gối đàn hồi theo phương ngang (các gối y¡¡, yz; trên hình 2.4.1) Quan hệ giữa phản lực (ký hiệu

là p) và chuyển vị ngang của các gối đàn hồi (ký hiệu là y) là p = kyy, với ky là độ cứng

của gối đàn hồi theo phương ngang Quan hệ giữa p và y gọi là “ đường cong p-y”

3

Như vậy phương pháp này sử đụng phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình nền 'Winkler (tức là mô hình nền bằng các gối tựa đàn hồi làm việc độc lập) phi tuyến Tóm tắt của phương pháp này như sau:

- Chia cọc thành nhiều phần tử nhỏ;

- Trên mỗi đoạn, tương tác giữa cọc và đất được mô hình bởi các gối đàn hồi; -_ Do khối lượng bài toán lớn, nên hiện nay ta thường dùng máy tính hoặc sử dụng các phần mềm như COM624P, LATPILEUBC để giải bài toán

2.4.2 Đường cong p-y:

Ta biết rằng đất không phải là vật liệu đàn hồi tuyến tính, vì vậy độ cứng của gối đàn hồi ngang (ky= p/y) không phải là hằng số như quan hệ tuyến tính như hình 2.6a mà

giảm dần như trong quan hệ phi tuyến trên hình 2.6b ( chuyên vị của cọc y càng lớn thì

gối đàn hồi càng mềm)

Trong hình 2.7 đường cong dạng 1 thường gặp cho hầu hết các loại đất thông thường, riêng đường cong dạng 2 thường gặp ở một số loại sét cứng đưới tác dụng của trọng động (có phá hoại giòn)

0.5Pu

Ye 8Vc VY uen hệ giữa tải trọng ngang p và chuyển vị ngang y(p.y)

Hình 2.7: Quan hệ giữa tải trọng ngang p và chuyển vị ngang y; p-y

Hình dạng và độ dốc của đường cong không những phụ thuộc vào tính chất của đất, mà còn phụ thuộc vào độ sâu đoạn cọc đang xét, kích thước cọc, mực nước ngầm,

dang tải trọng ( tinh hay động)

2.4.2.1 Đường cong p-y của đất sét vếu/dẻo dưới mực nước ngâm chịu tải tĩnh:

Matlock (1970) đã tiến hành thí nghiệm nén tĩnh ngang đối với các cọc trong vùng đất sét yếu đến dẻo có sức kháng cắt không thoát nước S„(tức C,) tir 15-40 kPa và rút ra quan hệ tải trọng — biến dạng ngang như sau:

Ye 8Yc VY

Đất sét yếu chịu tải tĩnh

Hình 2.8: Quan hệ tải trọng — biến dạng ngang (đế sét yếu chịu tai tinh)

p=05p, (2) (2.17)

y — chuyển vị ngang của cọc khi p = 0.5pu ; ye con gọi là yso

p đạt giá trị cực hạn pụ khi y = y, Sau khi y > 8y, thì lẫy p= pụ

J—hé sé phy thuộc loại sét

J=0.5 với sét yếu; J = 0.25 với sét trung bình(dẻo);

33

H - độ sâu tại phân đoạn cọc đang sét;

'„- ứng suất đứng hữu hiệu tại độ sâu H

Giá tri y, duge tinh nhu sau: y, = 2.5€59B

Trong d6: €so- bién dạng của đất trong thí nghiệm nén 3 trục khi ứng suất bằng 50% của

ứng suất phá hoại Nếu không tiến hành thí nghiệm 3 trục thì có thể tạm lấy £so như trong

2.4.2.2 Đường cong p-y của đất sét cứng dưới mực nước ngâm chịu tải tĩnh:

Reese, Cox và Koop (1975) tiến hành thí nghiệm nén tĩnh ngang đối với các

Cọc trong vùng đất sét cứng có sức kháng cắt không thoát nước Su( tức

Cu)

tir 100-290kPa, các tác giả này cho rang quan hé tai trong — bién dang ngang

(p.y) của đất này gồm 5 đoạn:

Đoạn I: có quan hệ tuyến tính: p = K,Hy (2.18)

Trong đó: K; - hệ SỐ tra bảng

H- độ sâu của đoạn cọc đang xét

2.4.2.3 Đường cong p-y của đất cát theo Reese:

Reese, Cox và Grubbs (1974) tiến hành thí nghiệm nén tĩnh ngang đối với các cọc trong vùng đất cát ( cả trên và đưới mực nước ngầm), với thiết hệ số áp lực ngang K, = 0.4 Cac tac giả cho rằng quan hệ tải trọng — biến dạng ngang (p.y) gồm 4 đoạn:

Trong đó: k— hệ số tra bảng

H- độ sâu đoạn cọc đang xét

35

Bang 2.4: Giá trị K (N/cm`)của đất cát

Đoạn 3: có quan hệ tuyến tính, độ dốc là m

Đoạn 4: có quan hệ tuyến tính, độ dốc là o ( nằm ngang)

2.5 Xác định mô đun phản lực ngang theo nén ngang Menard:

Mô đun phản lực nền xác định theo công thức: K = P Với một cọc chịu tải trọng

x

ngang (H) hoặc moment (M) có thể xem chuyên vi (x) như là độ lún phương ngang của

một móng có chiều rộng B =2R, và chiều đài vô hạn

Trong trường hợp này ta có z; =2,65 và bỏ qua độ lún trong vùng cầu (theo lý thuyết Menard) ta có công thức:

2.6 Phương pháp phần tử hữu hạn:

2.6.1 Khái niệm về phương pháp phân tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số, nó cho phép tìm dạng gần đúng

của một hàm chưa biết trên từng miền con V, (phần tử) thuộc miền xác định V

Trong phương pháp phần tử hữu hạn, miền V được chia thành một số hữu hạn các

miễn con, gọi là phần tử Các phần tử này được nói kết với nhau tại các điểm định trước

trên biên phan tử gọi là nút Trong phạm vi mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được lay xấp

xi trong dang một hàm đơn giản được gọi là các hàm xấp xỉ Và các hàm xấp xỉ này được

biễu diễn qua các giá trị của hàm (và có khi cả các giá trị đạo hàm của nó) tại các điểm

nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ân

số cần tìm của bài toán

Người ta có thể phân tích bài toán theo 03 mô hình sau:

1 Mô hình ]: Mô hình tương thích

Xem chuyển vị là đại lượng cầm tìm trước và ham xp xi biéu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyên vị trong phần tử Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý thế năng toàn phần dừng hay nguyên lý biến phân Lagrange

2 Mô hình 2: Mô hình cân bằng

Hàm xấp xi biểu diễn dạng gần đúng dạng phân bố của ứng suất hay nội lực trong phần tử Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý năng lượng toàn phần dừng hay nguyên lý biến phân về ứng suất (nguyên lý Castigliano)

3 Mô hình 3: Mô hình hon hop

Coi các đại lượng chuyển VỊ và ứng suất là hai đại lượng độc lập Các hàm xấp xi

biểu diễn gần đúng dạng phân bó của cả chuyên vị lẫn ứng suất trong phần tử Các ân số

được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner

37

Sau khi tìm được các ẩn số bằng việc giải hệ phương trình đại số vừa nhận được

thì cũng có nghĩa là ta tìm được các xấp xi biểu diễn đại lượng cần tìm trong tất cả các phần tử, và từ đó cũng tìm được các đại lượng còn lại

2.6.2 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phân tử hữu hạn

Bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn gồm 6 bước sau:

Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát (tạo lưới phân tử)

Miền khảo sát V được chia thành các miền con V, (phần tử) có dạng hình học

thích hợp Các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút, các nút này được xác định bằng

tọa độ của chúng

Các phần tử thường có dạng hình học đơn giản

VỆ Ôi CN

Hình 2.9: Dạng hình học đơn giản của các phân tử

Với bài toán cụ thể, số phần tử, hình dạng hình học của phần tử cũng như kích thước các phần tử phải được xác định rõ Số điểm nút của mỗi phần tử không được lấy một cách tùy tiện mà tùy thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn

Bước 2: Chọn hàm xắp xỉ thích hợp

Vi dai lượng cần tìm là chưa biết nên ta giả thiết hàm xấp xỉ của nó sao cho đơn giản đối với tính toán bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn hội tu Ham xp

xi thường được chọn ở dạng đa thức Sau đó biểu diễn hàm xấp xi theo tập hợp giá trị và

có thể cả các đạo hàm của nó tại các nút của phần tử Í4, }

Các tiêu chuẩn hội tụ của hàm xap xi:

- Liên tục trong phần tử (V,) Điều này hiển nhiên thỏa mãn khi xấp xỉ là đa thức

-_ Bảo đảm tồn tại trong phần tử trạng thái đơn vị (hằng số) và các đạo hàm riêng

của nó đến bậc cao nhất mà phiếm hàm I(u) đòi hỏi

- _ Trên biên phần tử, u và các đạo hàm của no đến cấp (r-1) là liên tục

Các đa thức xấp xỉ được chọn sao cho không làm mắt tính đẳng hướng hình học Muốn vậy, đối với bài toán 2 chiều, hàm xấp xỉ được chọn từ tam giác Pascal, bài toán 3 chiều, đa thức xấp xỉ được chọn từ tháp Pascal

Bước 3: Xây dựng phương trình phân tử, hay thiết lập ma trận độ cứng phẩn

tử [K], và vécto tai phan tir {P}

Có nhiều cách thiết lập: trực tiếp, hoặc sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc các phương pháp biến phân,

Kết quả nhận được có thể biểu diễn một cách hình thức như một phương trình

phan tir: [K], {a}, ={P}.-

Bước 4: Ghép nối các phân tử trên cơ sở mô hình tương thích mà kết quả là hệ

thống phương trình:

trong đó, có thể gọi:

[K] : ma trận độ cứng tổng thể (hay ma trận hệ số toàn miền)

i} : vécto tap hop cac gia tri, dai lượng can tim tại các nút (còn gọi là véctơ

chuyển vị nút tong thé)

39

P : vécto cdc sé hạng tự đo tông thé (hay véctơ tải tổng thể)

Rồi sau đó sử dụng điều kiện biên của bài toán, mà kết quả nhận được hệ phương

Đây chính là phương trình hệ thống hay còn gọi là hệ phương trình dé giải

Bước 5: Giải hệ phương trình đại số : [K1 |= |P" }

Kết quả là tìm được các chuyến vị của các nút

-_ Đối với bài toán tuyến tính, việc giải hệ phương trình trên là đơn giản

-_ Đối với bài toán phi tuyến thì nghiệm chỉ đạt được sau một chuỗi các bước lặp

mà sau mỗi bước ma trận độ cứng [K] thay đổi (đối với bài toán phi tuyến vật lý) hay

véctơ lực nút {P} thay đổi ( trong bài toán phi tuyến hình học)

Bước 6: Hoàn thiện

Từ kết quả trên, tiếp tục tìm ứng suất, chuyển vị hay biến dạng của tất cả các phần

tử

2.6.3 Giới thiệu về mô phỏng trong Plaxis:

Một vài điểm hạn chế của phần mềm PLAXIS (Hà Lan)

Phần mềm PLAXIS (Hà Lan), đã cho phép chúng ta phân tích tương tác giữa

kết cấu hệ tường cọc bản có 1 neo và đất nên Tuy vậy, vẫn có một vài điểm hạn chế

của phần mềm PLAXIS (Hà Lan), ví dụ như :

+ Trong thực tế, các vấn để địa kỹ thuật liên quan các kết cấu tường chắn là 3 chiều Tuy vậy, PLAXIS chỉ thực hiện được bài toán phân tích ứng suất phẳng 2 chiều hoặc phân tích đối xứng

+_ Phạm vi ngang và đứng của lưới PTHH có ảnh hưởng quan trọng trong sự

tính toán, nếu nó không đủ lớn Do đó, là quan trọng để bảo đảm rằng các điều kiện