Nội dung bài báo này tập trung vào việc phân tích so sánh trạng thái ứng suất của đài cọc của móng cọc khoan nhồi ứng dụng cho trụ cầu khi có và không có xét sự làm việc đồng thời của đất nền. Trụ cầu, cọc và đất nền được mô phỏng bằng phần tử khối SOLID và được phân tích bằng phần mềm ANSYS. Kết quả phân tích của hai trường hợp cho thấy rằng có sự khác biệt đáng kể về ứng khi có và không xét sự làm việc của đất nền.
Trang 1TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA ĐÀI CỌC TRONG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CỦA
TRỤ CẦU KHI CÓ VÀ KHÔNG XÉT SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐẤT NỀN
STRESS BEHAVIOR IN THE PILE CAP WITH AND WITHOUT TAKING INTO CONSIDERATION THE
WORK OF THE GROUND
TS Lê Bá Khánh, KS Phạm Huy Tài
TÓM TẮT
Nội dung bài báo này tập trung vào việc phân tích so sánh
trạng thái ứng suất của đài cọc của móng cọc khoan nhồi ứng
dụng cho trụ cầu khi có và không có xét sự làm việc đồng thời
của đất nền Trụ cầu, cọc và đất nền được mô phỏng bằng phần
tử khối SOLID và được phân tích bằng phần mềm ANSYS
Kết quả phân tích của hai trường hợp cho thấy rằng có sự khác
biệt đáng kể về ứng khi có và không xét sự làm việc của đất
nền
Từ khóa: ANSYS, trụ cầu, đài cọc
ABSTRACT
The content of this paper focuses on the comparative
analysis of stress state of pilecap of bored-pile foundation that
applied for bridge abutment with and without taking into
consideration for the simultaneously act of the ground Total of
an abutment, piles and foundation ground are simulated
by SOILD elements and analyzed by ANSYS software The
analytical results of the two cases shows that there is a
significant difference in effects with and without taking into
consideration the work of the ground
Keywords: ANSYS, Pier, Pile cap
TS LÊ BÁ KHÁNH
Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách
Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email: lbkhanh@hcmut.edu.vn
Điện thoại: 0903088252
KS PHẠM HUY TÀI
Học viên cao học, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại Học
Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email: tphamhuy@gmail.com
Điện thoại: 0989666232
1 Giới thiệu
Khi phân tích móng cọc được mô hình hoá là một khung
không gian tựa lên nền đất Cọc được thay bằng một thanh
thẳng có một liên kết chốt ở đầu với chiều dài nào đó để cho
biến dạng đàn hồi của nó bằng biến dạng thực của cọc Chiều
dài này có nhiều tài liệu nghiên cứu và đưa ra nhiều công thức
để xác định, nhưng trong thực tế các công thức này hơi phức
tạp, vì vậy để đơn giản hóa tính toán các quy phạm thiết kế
móng cọc bệ cao thường cho phép lấy bằng chiều dài cọc Tuy
nhiên các tài liệu này không chỉ rõ sai số của việc lấy gần đúng
là bao nhiêu
Bài báo này mô phỏng sự làm việc đồng thời của một hệ trụ
cầu – đất nền cụ thể theo sơ đồ không gian và khảo sát sự khác
biệt về ứng suất - biến dạng trong đài cọc khi có và không có
xét sự làm việc đồng thời với đất nền (khi đó cọc được ngàm
tại mũi cọc)
2 Tổng quan một số nghiên cứu về phân tích đài cọc cùng làm việc với đất nền
Do có nhiều ưu điểm nên phương pháp PTHH thường được
sử dụng để phân tích bài toán phức tạp như phân tích sự tương tác kết cấu và đất nền (soil – structure interaction), phân tích kết cấu bằng phần tử khối SOLID
P.Krishna Iyer và C Sam khi nghiên cứu phân tích tương tác đồng thời của kết cấu và đất nền đã nhận xét rằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) rất phù hợp để phân tích những vấn đề tương tự Hiệu ứng tương tác đồng thời của kết cấu và đất nền cần lưu ý khi phân tích kết cấu chịu tải trọng tĩnh lẫn khi chịu tải trọng động [1]
Xin-jun Zou (2010) đã nghiên cứu sự ổn định cọc bị uốn với đài cọc cao được sử dụng rộng rãi trong công trình cầu và bến cảng, đã đưa ra những lợi thế cũng như những thiếu sót của các phương pháp phân tích truyền thống Xin-jun Zou đã đề nghị sử dụng phương pháp PTHH nhằm xem xét sự tương tác phi tuyến giữa cọc và đất [2]
3 Mô hình nghiên cứu
3.1 Mô hình nghiên cứu
Khảo sát trạng thái ứng suất của một đài cọc như Hình 1
Do kết cấu trụ và tổ hợp tải trọng có tính đối xứng với mặt phẳng yOz nên chỉ cần khảo sát một nửa trụ (Hình 2)
z
x
Hình 1: Cấu tạo trụ cầu trên móng cọc khoan nhồi được chọn ngẫu nhiên để phân tích
Trang 2X Y
Z
Hình 2 Mô hình trụ cầu trong ANSYS có xét đến tính
đối xứng
1- Đài cọc; 2 – Cọc; 3 – Các lớp đất; 4 – Mũi cọc (có
thể bị ngàm)
3.2 Tải trọng
Tổ hợp tải trọng ở TTGH sử dụng để phân tích đài cọc
được lập theo TCVN 272-05 [3] gồm:
- Tải trọng bản thân trụ với trọng lượng riêng của bê tông
cốt thép 24,5 kN/m3;
- Hoạt tải HL 93 và tĩnh tải do kết cấu phần trên truyền
xuống gối: Pz = 6487 kN/m2 ;
- Lực hãm xe trên mặt cầu truyền xuống trụ: Hy = 163 kN
;
- Tải trọng gió tác động lên thân trụ Py = 1,8 kN/m2 ;
4.3 Thông số của mô hình nghiên cứu
Biên của mô hình khảo sát xác định theo lời giải kinh điển
Boussinessq
Từ đáy mũi cọc xuống 2b
Biên ngang: rộng ra mỗi bên 1,5b
b – chiều rộng đáy bệ lớn nhất, b = 11,5 m
- Vật liệu đài cọc và cọc
fc' = 30 MPa;
E = 27 691,5 MPa;
μ = 0,3;
WRC = 2450 kN/m3;
WC = 2400 kN/m3;
- Thông số đất nền:
Tại vị trí trụ khảo sát chỉ có các lớp đất 2, 4 với các thông
số như sau:
Lớp 2: Sét pha màu xám xanh, xám vàng trạng thái nửa cứng, chiều dày 23m
Lớp 4: Sét chứa ít sỏi sạn, màu xám trắng xám vàng, xám xanh trạng thái cứng, đến đáy hố khoan vẫn còn thấy lớp này
Có thể coi lớp 4 có chiều dày rất lớn
1 Căn cứ vào hồ sơ địa chất trên, kết hợp với tài liệu của
Gopal Ranjan và Rao, các thông cơ học còn thiếu của mô hình được xác định như sau [4]:
Bảng 1: Thông số các lớp đất
2
4.4 Mô hình hoá kết cấu
3 Dùng phần tử khối chóp SOLID187 (Hình 3) của phần
mềm ANSYS để phân tích đài cọc Khi phân tích, lưới phần tử được chia mịn hơn ở những chỗ có khả năng tập trung ứng suất, những chỗ cần khảo sát chi tiết hơn (Hình 4)
4
Hình 3 Cấu trúc của phần tử khối chóp SOLID187
Z
JUN 19 14: TS
Hình 4 Mô hình hoá bằng phần tử khối hệ móng cọc và đất nền
4.5 Kết quả phân tích
a Vị trí khảo sát
Khảo sát ứng suất pháp y trong mặt cắt A-A, C-C và x trong mặt cắt B-B (Hình 5)
Trang 3Hình 5: Bố trí các mặt cắt và các điểm để khảo sát đài cọc
Trong mỗi mặt cắt, ta chọn 2 điểm khảo sát Điểm thứ nhất
ở gần thớ trên của đài và ở trên đỉnh cọc, điểm thứ hai ở gần
thớ dưới của đài và ở giữa 2 cọc Ứng suất đại diện của từng
điểm là giá trị trung bình của ứng suất tại các điểm nút trong
khối lập phương có kích thước 0,1x0,1x0,1m Tâm khối lập
phương trùng với điểm khảo sát và có toạ độ:
Bảng 2: Toạ độ các điểm khảo sát (m)
Tọa
x 1,25 1,25 1,25 3,5 5,75 5,75
y 1,25 3,25 9,25 9,25 1,25 3,25
z 2,35 0,15 2,35 0,15 2,35 0,15
b Giá trị ứng suất trong đài cọc tại các điểm khảo sát
Ứng suất y (Pa) tại mặt cắt A-A:
Khối 1 (bao xung quanh điểm 1):
Khối 2 (bao xung quanh điểm 2):
Ứng suất x (Pa) tại mặt cắt B-B:
Khối 3 (bao xung quanh điểm 3):
Khối 4 (bao xung quanh điểm 4):
Ứng suất y (Pa) tại mặt cắt C-C:
Khối 5 (bao xung quanh điểm 5):
Khối 6 (bao xung quanh điểm 6):
4 Kết luận
Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc so sánh và đánh giá ứng suất x và y trong bệ cọc giữa 2 trường hợp có và không
có xét sự làm việc của đất nền Kết quả phân tích thu được trong nghiên cứu này cho thấy:
- Phần tử khối cho phép mô phỏng kết cấu với hình dạng thực, do đó kết quả cho ra sẽ có tính thuyết phục hơn Tuy nhiên khi ứng dụng phần tử khối thì một trong nhưng khó khăn
là phải xứ lý một khối lượng lớn thông tin đầu ra
- Giá trị ứng suất x và y có sự khác biệt đáng kể ở một số
vị trí trong đài Do đó nên xét sự làm việc đồng thời của móng
và đất nền
Tài liệu tham khảo:
[1] P K I a C Sam, ""Engineering Mechanics", 3-D Elastic Analysis of Three Pile Caps," pp Vol 117, No 12, pp 2862-2883 , December 1991
[2] X Y B Z M a Y X Zou, "Nonlinear Buckling Analysis
of Piles with High-Rise Pile Cap Nonlinear Buckling Analysis of Piles with High-Rise Pile Cap Deep Foundations and Geotechnical In Situ Testing," pp pp.169-176, 2010
[3] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCVN 272-05, Hà Nội: Bộ Giao thông vận tải, 2006
[4] G R e A S R Rao, Basic and Applied Soil Mechanics., New Age International, 2000, pp chapter 10.11, pp 328
-330
[5] Giải thích tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, Hà Nội:
Bộ Giao thông vận tải, 2005
Y
X
B
B
Z Y
1
4
Trang 4PHỤ LỤC Phân bố ứng suất trong đài cọc
Trường hợp có xét đất nền Trường hợp không xét đất nền
Ứng suất y tại mặt cắt A-A
1
X Y
Z
-.140E+07-.109E+07-777778 -466667 -155556 155556 466667 777778 .109E+07.140E+07
JUN 24 2015 04:42:08
NODAL SOLUTION
SUB =1
SY (AVG)
RSYS=0
DMX =.023756
SMN =-.183E+08
SMX =.395E+07
1
-.140E+07-.109E+07-777778 -466667 -155556 155556 466667 777778 .109E+07.140E+07
JUN 24 2015 04:56:37
NODAL SOLUTION STEP=1 TIME=1
SY (AVG) RSYS=0 DMX =.023246 SMN =-.183E+08 SMX =.395E+07
Ứng suất x tại mặt cắt B-B
1
X Y Z
-.140E+07-.109E+07-777778 -466667 -155556 155556 466667 777778 .109E+07.140E+07
JUN 24 2015 04:45:44
NODAL SOLUTION
SUB =1
SX (AVG)
RSYS=0
DMX =.023756
SMN =-.153E+08
SMX =.464E+07
1
X Y Z
-.140E+07-.109E+07-777778 -466667 -155556 155556 466667 777778 .109E+07.140E+07
JUN 24 2015 04:58:41
NODAL SOLUTION SUB =1
SX (AVG) RSYS=0 DMX =.023246 SMN =-.153E+08 SMX =.465E+07
Ứng suất y tại mặt cắt C-C
1
X Y
Z
-.140E+07-.109E+07-777778 -466667 -155556 155556 466667 777778 .109E+07.140E+07
JUN 24 2015 04:40:05
NODAL SOLUTION
STEP=1
TIME=1
SY (AVG)
RSYS=0
DMX =.023756
SMN =-.183E+08
SMX =.395E+07
1
-.140E+07-.109E+07-777778 -466667 -155556 155556 466667 777778 .109E+07.140E+07
JUN 24 2015 04:54:17
NODAL SOLUTION STEP=1
TIME=1
SY (AVG) RSYS=0 DMX =.023246 SMN =-.183E+08 SMX =.395E+07
