Nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh

Luận án giới thiệu tổng quan các phương pháp xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh, các công thức theo Tiêu chuẩn Việt Nam cũng như các công thức thực nghiệm trên thế giới. Giới thiệu cách xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation dựa trên số liệu nén tĩnh cọc tại hiện trường. Trên cơ sở đó dự đoán được sức chịu tải thực tế của móng công trình dựa trên số liệu thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường.

NGUYỄN MẠNH HÀ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG

CỌC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015

NGUYỄN MẠNH HÀ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG

CỌC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015

Cán bộ hướng dẫn chính: PGS, TS Nguyễn Tương Lai

Cán bộ chấm phản biện 1:

Cán bộ chấm phản biện 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày 08 tháng 02 năm 2015

Tác giả luận văn xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cầu đường sân bay –Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, các thầy, cô giáo giảng dạy tại lớp Cao họcđường ô tô và đường thành phố K25A – Học viện KTQS đã tạo điều kiệnthuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Bộ môn.

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS, TS Nguyễn Tương Lai đã tận

tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này Tôi cũng xin cám ơn các thầy,

cô, các anh chị đồng nghiệp trong Bộ môn Cầu đường sân bay và Viện Kỹthuật Công trình Đặc biệt – HVKTQS đã có nhiều ý kiến đóng góp hữu ích vàcung cấp các tài liệu tham khảo liên quan cho đề tài Do trình độ và thời gianthực hiện đề tài còn hạn chế, vấn đề nghiên cứu còn khá mới mẻ nên đề tàikhông tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự góp ý củaquí thầy cô và các đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn nữa

Xin trân trọng cảm ơn!

trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ vàpháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Mạnh Hà

MỞ ĐẦU 1

Vấn đề thực tiễn 1

Mục tiêu của đề tài 3

Đối tượng nghiên cứu của đề tài 3

Phạm vi nghiên cứu của đề tài 3

Phương pháp nghiên cứu 4

Bố cục của luận văn 4

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH 6

1.1 Khái quát chung 6

Hình 1-1: Đặc điểm làm việc của móng cọc 7

1.2 Hiệu ứng nhóm cọc trong móng cọc 8

Hình 1-2: Trường hợp cọc chống 8

Hình 1-4: Sự chồng ứng suất của đất nền trong nhóm cọc 9

1.3 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD 205:1998; 22 TCN 272-05 11

1.3.1 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD 205:1998 11

1.3.2 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo 22 TCN 272-05 13

1.4 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo thực nghiệm 16

1.5 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải dùng mô hình hệ số nền kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn 19

1.6 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh dùng phương pháp PTHH phân tích tương tác kết cấu – nền 20

1.7 Kết luận chương 1 21

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 23

2.1 Mô hình tính toán tương tác kết cấu – môi trường 23

2.1.1 Mô hình tính tách rời kết cấu và môi trường (tương tác không đầy đủ) 24

2.1.2 Mô hình tính khi xét kết cấu và môi trường đồng thời (tương tác đầy đủ) 27

2.2 Mô hình tĩnh của nền đàn hồi và mô hình vật liệu của nền đàn hồi 28

2.2.1 Mô hình tĩnh của nền đàn hồi 28

2.2.2 Mô hình cơ học của vật liệu nền 36

2.3 Mô hình tính toán theo phương pháp PTHH 46

2.3.1 Phương pháp mô hình hóa kết cấu – đất nền 46

2.3.2 Xây dựng và giải bài toán phân tích móng cọc theo phương pháp PTHH 50

2.4 Kết luận chương 2 55

Chương 3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PTHH PLAXIS 3D FOUNDATION.56

3.1.1 Phần mềm Plaxis 3D Foundation trong tính toán móng cọc 56

3.1.2 Mô hình hóa các dạng kết cấu cơ bản trong Plaxis 3D foundation 58

3.1.3 Khả năng phân tích, ưu nhược điểm của chương trình Plaxis 3D Fuondation 64

3.2 Thử nghiệm số 69

3.2.1 Hiệu chỉnh mô hình bài toán xây dựng trong Plaxis 3D Foundation cho kết quả sát với kết quả thí nghiệm cọc thực tế 70

3.2.2 Xét ảnh hưởng của tham số số lượng m đến hệ số hiệu ứng nhóm 78

3.2.3 Xét ảnh hưởng của tham số S/D đến hệ số hiệu ứng nhóm 88

3.3 Kết luận chương 3: 92

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Nguyễn Mạnh Hà Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông; Khóa: 25A

số liệu thí nghiệm nén tĩnh của cọc thực ngoài hiện trường để hiệu chuẩn cáctham số của mô hình toán; tiếp theo tiến hành phân tích sự làm việc của cảmóng cọc để xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịutải trọng tĩnh Từ kết quả thu được so sánh với khuyến nghị trong Tiêu chuẩnhiện hành; công thức thực nghiệm và rút ra kết luận.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

QGL: tải trọng giới hạn của nhóm cọc;

QiL: sức chịu tải giới hạn của cọc riêng rẽ;

r, r0: tương ứng là phản lực tương tác đặt lên kết cấu và môi trường tại

bề mặt tiếp xúc của chúng;

E0, ν0: mô đun đàn hồi và hệ số Poat-xông của nền;

Ρ: khoảng cách từ điểm khảo sát của mặt nền đến điểm đặt lực P;: là véc tơ lực nút của phần tử, chứa tất cả các thành phần lực núttrong một phần tử;

: là véc tơ chuyển vị nút của phần tử, chứa tất cả các thành phầnchuyển vị nút trong một phần tử;

[K]: là ma trận độ cứng của phần tử, phụ thuộc vào đặc trưng hìnhhọc và cơ học của phần tử và của vật liệu;

M: độ dốc của đường đồ thị biểu diễn trạng thái tới hạn p’= 1 hoặclnp’= 0;

Γ: thể tích xác định ở trạng thái tới hạn trong mặt phẳng p '− q;

κ: độ dốc của đoạn thẳng biểu diễn trạng thái quá cố kết;

λ: độ dốc của đoạn thẳng biểu diễn trạng thái cố kết bình thường;V: thể tích riêng

Hình 2-3: Mô hình tương tác hệ "Kết cấu - môi trường" 26Hình 2-4: Mô hình tương tác khi xét kết cấu đồng thời với môi

Hình 2-9: Trạng thái ứng suất của phân tố trong bài toán không

Hình 2-10: Quan hệ ứng suất-biến dạng của mô hình vật liệu

Hình 2-11: Xác định tham số của mô hình vật liệu đàn hồi phi

tuyến theo Duncan- Chang từ thí nghiệm nén ba trục của mẫu

Hình 2-12: Quan hệ ứng suất-biến dạng của mô hình vật liệu đàn

dẻo lý tưởng khi tăng tải, dỡ tải và chất tải lại 41Hình 2-13: Mô hình vật liệu đàn dẻo giảm bền 42Hình 2-14: Đặc trưng ứng xử của vật liệu nền theo mô hình

Hình 2-15: Định nghĩa các tham số của mô hình Cam-clay 44Hình 2-16: Hàm tiêu chuẩn dẻo của mô hình vật liệu Cam-Clay 44Hình 2-17: Hàm tiêu chuẩn dẻo của mô hình Cam-Clay cải tiến 45Hình 3-1: Mô hình Plaxis 3D Foundation với móng cọc đài cao 57Hình 3-2: Hệ thống trục tọa độ địa phương của phần tử thanh 58Hình 3-3: Hệ trục tọa độ địa phương của phần tử tấm 62Hình 3-4: Các phần tử và nút trong một mô hình 2D Mỗi nút có

hai bậc tự do, được mô tả bởi các mũi tên trong hình nhỏ hơn,

không điều chỉnh và mô hình có điều chỉnh 76Hình 3-10: Nén ngang tĩnh cọc đơn P92 thực nghiệm, mô hình

Hình 3-12a: Trường hợp bệ không có cọc; Pb = 24564 kN 83Hình 3-12b: Trường hợp bệ có 1 cọc; Pb = 30200 kN 83Hình 3-12c: Trường hợp bệ có 2 cọc; Pb =34117 kN 83Hình 3-12d: Trường hợp bệ có 4 cọc; Pb =41726,8 kN 83Hình 3-12e: Trường hợp bệ có 6 cọc; Pb =48891 kN 84Hình 3-12f: Trường hợp bệ có 9 cọc; Pb =58143 kN 84Hình 3-12g: Chuyển vị của tâm đáy bệ móng khi số lượng cọc

Hình 3-13a: Trường hợp tỷ số S/D=2,0; Pb =55309,5 kN 88Hình 3-13b: Trường hợp tỷ số S/D=2,5; Pb = 58104,0 KN 88Hình 3-13c: Trường hợp tỷ số S/D=3,0; Pb = 70369,2 kN 88Hình 3-13d: Trường hợp tỷ số S/D=4,0; Pb = 71312,4 kN 88Hình 3-13e: Trường hợp tỷ số S/D=6,0; Pb =74852,9 kN 89Hình 3-13f: Trường hợp tỷ số S/D=6,5; Pb =74887,1 kN 89Hình 3-13g: Chuyển vị của tâm đáy bệ móng khi tỷ số S/D thay

Bảng 3-3 Kết quả bài toán 84

Bảng 3-5a So sánh kết quả bài toán với tải thẳng đứng 86Bảng 3-5b So sánh kết quả bài toán với tải nằm ngang 86

Bảng 3-8a So sánh kết quả bài toán với tải thẳng đứng 90Bảng 3-8b So sánh kết quả bài toán với tải nằm ngang 91

MỞ ĐẦU Vấn đề thực tiễn

Móng đóng vai trò quan trọng đối với độ bền vững của công trình; đặcbiệt khi công trình xây dựng trên nền đất yếu thì giải pháp kết cấu móng làvấn đề được đặt ra trước tiên trong tính toán thiết kế

Móng cọc được dùng phổ biến trong xây dựng các công trình giao thông,

hạ tầng, công nghiệp và dân dụng Giải pháp móng cọc có ưu điểm vượt trội

so với các loại móng khác về sức chịu tải của móng nhưng chi phí thường cao

và yêu cầu sử dụng máy móc thiết bị trong thi công Do đặc điểm của móngcọc được dìm sâu vào nền đất trong khi các số liệu về nền còn rất phân tán vàkhó kiểm soát nên hệ số an toàn dùng trong tính toán và thiết kế móng cọcthường cao hơn nhiều so với các giải pháp móng nông

Trong các phương pháp tính toán thiết kế công trình hiện nay nói chung

và tính toán thiết kế móng cọc cho các công trình dân dụng, giao thông thủylợi nói riêng, khi tính sức chịu tải của móng cọc có ít hay nhiều cọc đều dựatrên nguyên tắc tính sức chịu tải của các cọc đơn, sau đó sức chịu tải của cảnhóm cọc trong móng sẽ bằng tổng sức chịu tải của các cọc đơn nhân với một

hệ số chiết giảm được đề xuất (theo Tiêu chuẩn) do ảnh hưởng của hiệu ứngnhóm cọc

Hệ số hiệu ứng nhóm (hệ số chiết giảm được đề xuất) do ảnh hưởng của

sự tác động qua lại giữa hệ cọc-nền-cọc trong móng công trình được đề xuấttrong các tiêu chuẩn hiện hành còn mang tính chỉ dẫn, chưa đưa ra cơ sở tínhtoán cụ thể nên có khó khăn cho người kỹ sư thiết kế trong việc lựa chọn vàđảm bảo được độ tin cậy trong điều kiện địa chất và thi công cụ thể của ViệtNam

Thực tế xây dựng hiện nay các công trình lớn rất nhiều, gần như phổ biếntrong tất cả các công trình xây dựng dân dụng, giao thông và thủy lợi đặc biệttrong xây dựng cầu đường Các công trình này vì lý do về diện tích, khoảngcách, tải trọng…đều có móng gồm nhiều cọc (nhóm cọc), nên cần xét tới việccác cọc làm việc đồng thời với nhau (xét hệ số hiệu ứng nhóm), việc tập trungứng suất trong đất Trong xây dựng dân dụng, thường dùng móng cọc chonhững công trình nhà cao tầng trong khu vực đất nền có cường độ không cao.Trong xây dựng giao thông và thủy lợi dùng nhiều nhất là móng cho mố, trụcầu lớn; các cầu cảng, bến cảng trong công trình thủy.

Khi tính toán, thiết kế móng cọc cho các công trình trên, hiện nay ngườithiết kế thường chỉ dựa vào các chỉ dẫn trong các qui trình, tiêu chuẩn hiệnhành như TCXD 205:1998 và 22 TCN 272-05 để tính toán và đưa ra phương

án thiết kế khi xét cho hiệu ứng nhóm cọc Tuy nhiên, các chỉ dẫn trong haitiêu chuẩn TCXD 205:1998 và 22 TCN 272-05 hiện tại chưa thực sự rõ ràng

và khó khăn cho người thiết kế áp dụng

Các công trình tính hiệu ứng nhóm hiện nay theo các Tiêu chuẩn nướcngoài khá nhiều, tuy nhiên kết quả còn phân tán Vấn đề này chưa đượcnghiên cứu kỹ vì để thí nghiệm thực tế rất tốn kém: Phải nén tĩnh cọc đơn, saukhi thi công xong nhóm cọc lại phải nén tĩnh tiếp các cọc trong nhóm, hiệnnay mới có Mỹ thực hiện một vài dự án Hiện nay chưa có một con số nào cụthể có hệ số hiệu ứng nhóm này; các nhà thiết kế hiện tại vẫn đa phần lấy theokinh nghiệm

Nội dung nghiên cứu của đề tài nhằm mô hình hóa cả kết cấu bệ-cọc vànền để xác định hệ số hiệu ứng nhóm từ đó có cơ sở áp dụng trong việc tínhtoán thiết kế móng cọc vừa đảm bảo độ tin cậy của kết quả tính vừa phản ánhsát nhất sự làm việc của móng khi chịu tải trọng khai thác

Cũng như các vấn đề khoa học khác, nghiên cứu bổ sung và hoàn thiện lýthuyết tính toán, với các hướng tiếp cận khác nhau, ứng dụng công nghệ

thông tin trong tính toán xác định hệ số hiệu ứng nhóm luôn được đặt ra, làm

cơ sở cho kỹ sư thiết kế có thể dự đoán chính xác hơn khả năng chịu tải củamóng công trình từ đó đưa ra phương án thiết kế phù hợp nhất, vừa đảm bảokhả năng chịu lực của công trình, vừa đảm bảo yếu tố tiết kiệm trong thiết kế

và xây dựng công trình Do vậy hướng nghiên cứu của luận văn: “Nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Mục tiêu của đề tài

Tổng quan về các phương pháp, cách xác định hệ số hiệu ứng nhóm trongmóng cọc chịu tải trọng tĩnh

Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation xác định hệ số hiệu ứngnhóm

So sánh với các Tiêu chuẩn và công thức xác định hệ số hiệu ứng nhómhiện hành đưa ra kết luận và kiến nghị

Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Nhóm cọc trong móng cọc công trình chịu tải trọng tĩnh

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Do tính chất đa dạng và phức tạp của các loại nền, móng công trình, sự đadạng của các loại móng cọc (đóng, khoan nhồi…) và tải trọng tác dụng lênnền móng công trình (tĩnh, động), phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ chỉ giớihạn trong bài toán không gian của hệ cọc-nền cho trường hợp mố cầu chịu tảitĩnh và tập chung giải quyết một số vấn đề sau:

+ Kết cấu là móng mố công trình cầu, cọc sử dụng trong móng là cọcđóng hoặc cọc khoan nhồi, vật liệu là đàn hồi tuyến tính

+ Nền đất đồng nhất đẳng hướng và nền phân lớp có đẳng hướng, nền cóứng xử đàn hồi tuyến tính hoặc phi tuyến theo tiêu chuẩn bền Morh –Coulomb

+ Tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết kết hợp với thử nghiệm số,

sử dụng phần mềm phân tích phân tích kết cấu theo phương pháp PTHH(Plaxis 3D Foundation):

+ Nghiên cứu lý thuyết PTHH để xây dựng bài toán tính kết cấu móng cọctheo mô hình tương tác kết cấu với nền đất;

+ Xây dựng mô hình bài toán trong phần mềm Plaxis 3D Foundation vớiđiều kiện địa chất tại một khu vực xác định, xác định sức chịu tải, chuyển vịcủa cọc đơn và của cọc trong nhóm cọc dưới tác dụng của tải trọng tĩnh;

+ Xác định hệ số hiệu ứng nhóm từ mô hình bài toán chạy trên phần mềm,

so sánh với tiêu chuẩn và các công thức hiện hành

Bố cục của luận văn

Mở đầu

Giới thiệu chung về tình hình nghiên cứu; các vấn đề đặt ra cần giải quyết

và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh

Nghiên cứu tổng quan về hoạt động của cọc trong móng cọc và hiệu ứngnhóm cọc Tổng quan về các nhóm phương pháp xác định hệ số hiệu ứngnhóm trong móng cọc trên thế giới và trong nước; những ưu, nhược điểm củacác nhóm phương pháp

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán

Giới thiệu các mô hình tính toán tương tác kết cấu - môi trường; mô hìnhtĩnh và mô hình vật liệu của nền đàn hồi

Chương 3: Ứng dụng phần mềm dùng phương pháp PTHH (Plaxis 3D Foundation) nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh

Nghiên cứu xây dựng mô hình phân tích tương tác kết cấu bệ-cọc trongmóng với nền đất bằng phương pháp PTHH khi xét kết cấu và nền làm việcđồng thời Giới thiệu phần mềm phân tích kết cấu theo phương pháp PTHHPlaxis 3D Foundation (Cơ sở lý thuyết, khả năng phân tích, ưu nhược điểm vàphạm vi ứng dụng) Xây dựng mô hình bài toán bệ-cọc với nền đất khi xét kếtcấu và nền làm việc đồng thời chịu tác dụng của tải trọng tĩnh trong Plaxis 3DFoundation; phân tích và so sánh kết quả tính toán với các tiêu chuẩn và côngthức hiện hành

Kết luận và kiến nghị

Các kết quả đạt được của đề tài

Các vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu tiếp theo và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHÓM TRONG MÓNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH

1.1 Khái quát chung

Móng cọc là một loại móng sâu, thường dùng khi tải trọng công trình lớnvà/hoặc lớp đất tốt nằm rất sâu dưới lòng đất Hai loại cọc phổ biến nhất làcọc chế sẵn và cọc khoan nhồi

Cơ chế làm việc của móng cọc: Móng cọc khi làm việc là sự tương tácđồng thời giữa các bộ phận cấu thành lên móng:

 - Sự tương tác giữa cọc và đất;

 - Sự tương tác giữa cọc và cọc (hiệu ứng nhóm);

 - Sự tương tác giữa đất và đài móng;

 - Sự tương tác giữa cọc và đài móng;

Trong một số trường hợp có thể bỏ qua yếu tố  khi khoảng cách giữacác cọc trong móng đạt một giá trị đủ lớn [1], [2], [4] và  trong trườnghợp móng là móng đài cao Tuy nhiên hiện nay trong tính toán và thiết kếcác công trình từ giao thông, thủy lợi, dân dụng… do các yêu cầu về kiếntrúc, tính kinh tế, khả năng tận dụng vật liệu cường độ cao… thì việc tínhtoán móng cọc gần như phải xét đầy đủ cả 4 tương tác trên trong quá trìnhlàm việc của móng

Trong quá trình khai thác và sử dụng, móng cọc có thể bị phá hoại theomột trong các dạng sau:

- Nền đất tốt, vật liệu cọc bị phá hoại (vỡ, gẫy, kéo đứt);

- Vật liệu cọc tốt, nền không đủ sức chịu tải và bị phá hoại (lún,chuyển vị lớn của móng);

- Đài cọc không đủ bền và bị phá hoại do uốn nứt, cọc chọc thủng đài,cột chọc thủng đài, đài bị cắt trên tiết diện nghiêng.

Sức chịu tải của móng cọc phụ thuộc vào các bộ phận cấu thành lênmóng bao gồm bệ móng, cọc trong móng, số lượng cọc, cách bố trí cọc vànền đất Hiện nay, việc nghiên cứu tính toán xét ảnh hưởng sự tương tácgiữa các cọc trong móng tới sức chịu tải của cọc đã được đặt ra và nghiêncứu Sự tương tác này có ảnh hưởng rất lớn tới sức chịu tải của cả bệ móngcọc, đặc biết với móng cọc ma sát và chịu tải trọng ngang điều này càngthể hiện rõ

Nội dung của chương tác giả đi vào nghiên cứu hiệu ứng nhóm trongmóng cọc của công trình chịu tải trọng tĩnh (thẳng đứng và ngang); tổngquan về các phương pháp nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhóm trong móngcọc công trình chịu tải trọng tĩnh hiện nay

Hình 1-1: Đặc điểm làm việc của móng cọc

1.2 Hiệu ứng nhóm cọc trong móng cọc

Sự làm việc của mỗi cọc đơn và của một cọc trong nhóm cọc khác nhaurất nhiều Đối với móng cọc ma sát thì lại càng thể hiện rõ Các giáo trìnhmóng cọc và TCVN đã nêu rõ vấn đề này, tuy nhiên chưa đưa ra các côngthức để dự báo, định lượng sự ảnh hưởng của làm việc theo nhóm cọc Do đótrong thực tế thiết kế, hiện nay hầu hết đều coi sức chịu tải của cọc trongnhóm cọc như sức chịu tải của cọc đơn

Khi cọc bố trí riêng rẽ, sức chịu tải của móng cọc được phân tích theo cácphương pháp hiện nay thường dùng trong các tiêu chuẩn hiện hành (TCXD205-1998; 22 TCN 272-05) [1], [2] Tuy nhiên trong thực tế để thỏa mãn tảitrọng lớn của một đài cọc, cọc thường được bố trí thành nhóm có số lượng (n)cọc

Hình 1-2: Trường hợp cọc chống

Hình 1-3: Trường hợp cọc ma sát

Hình 1-4: Sự chồng ứng suất của đất nền trong nhóm cọc

A – B đáy móng khối giả tưởng khi cọc hoạt động ở mũi là chủ yếu

A’ – B’ đáy móng khối giả tưởng khi cọc hoạt động như cọc ma sát

Hình 1-5: Hoạt động của cọc đơn và nhóm cọc

Do cọc thường được bố trí khá gần nhau nên chúng tác động ảnh hưởngqua lại dưới tải trọng Vì vậy, sức chịu tải tổng quát của cả nhóm thường nhỏhơn tổng sức chịu tải của các cọc Mặt khác, sự truyền tải của cả nhóm cọcxuống chiều sâu cũng khác nhiều so với cọc đơn

Hiệu ứng, do tác động qua lại giữa các cọc trong một nhóm, gây ảnhhưởng sức chịu tải nhóm cọc, được gọi là hiệu ứng nhóm cọc.

Hoạt động của nhóm cọc, do tác động tương hỗ giữa các cọc với nhau, cóthể sảy ra hai loại hiệu ứng sau:

+ Làm thay đổi (chủ yếu là giảm) sức chịu tải cả nhóm so với tổng sứcchịu tải các cọc thành phần

+ Hiệu ứng bè, làm tăng vùng truyền ứng suất Hậu quả gây ra độ lún củanhóm cọc cao hơn nhiều so với cọc đơn, đặc biệt khi có lớp đất yếu nằm gầnmũi cọc

Do đó, khi phân tích nhóm cọc, cần đặc biệt lưu ý kiểm tra các yếu tố cầntính toán sau:

+ Độ an toàn ở giới hạn phá hủy (sức chịu tải cho phép nhóm cọc)

+ Độ lún nhóm cọc

Hầu hết các tiêu chuẩn hiện nay đều định lượng ảnh hưởng của tương tácgiữa các cọc trong nhóm cọc bằng hệ số hiệu ứng nhóm η, được định nghĩatrong phương trình (1-1) là tỷ số giữa tải trọng giới hạn của nhóm (gọi là QGL)với tổng tải trọng giới hạn của n cọc riêng rẽ trong nhóm cọc (gọi là QiL)

iL

GLQΣ

hệ số hiệu ứng nhóm trong thiết kế tính toán móng cọc có thể sơ bộ phânthành 4 nhóm như sau:

1 – Nhóm chỉ dẫn xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo các Tiêu chuẩn hiệnhành của Việt Nam

2 – Nhóm phương pháp xác định hệ số hiệu ứng nhóm theo thực nghiệm

3 – Nhóm phương pháp mô hình hệ số nền

4 – Nhóm phương pháp PTHH phân tích tương tác kết cấu – nền

1.3 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD 205:1998; 22 TCN 272-05.

Khi tính toán, thiết kế móng cọc cho các công trình xây dựng dân dụng,giao thông và thủy lợi; hiện nay thường chỉ dựa vào các chỉ dẫn trong các quitrình, tiêu chuẩn hiện hành như TCXD 205:1998 và 22 TCN 272-05 để tínhtoán và đưa ra phương án thiết kế khi xét cho hiệu ứng nhóm cọc

1.3.1 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo TCXD 205:1998

Trong TCXD 205:1998 không trình bày cụ thể, khái quát chung coi rằngkhi khoảng cách giữa các tim cọc trong móng cọc lớn hơn hoặc bằng 3D thìsức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của các cọc đơn

Do sự tương tác giữa các cọc trong nhóm nên độ lún của nhóm và sứcchịu tải của cọc trong nhóm sẽ khác với cọc đơn Hiệu ứng này cần được xétđến trong thiết kế Chiều sâu và vùng ảnh hưởng phần đất dưới nhóm cọc phụthuộc vào kích thước của nhóm và độ lớn của tải trọng

Độ lún của một nhóm cọc ma sát có số lượng cọc nhiều sẽ cao hơn so vớinhóm có ít cọc hơn ở cùng một điều kiện đất nền và độ lớn của ứng suất dướiđáy mũi cọc Khi dự tính độ lún của nhóm cọc người ta thường tính cho khốimóng quy ước, trong đó diện tích của khối móng quy ước được xác định tuỳtheo điều kiện làm việc của cọc

Trong đất nền rời quá trình hạ cọc bằng phương pháp đóng hay ép thườngnén chặt đất nền, vì vậy, sức chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng sứcchịu tải của các cọc đơn trong nhóm Trong nền đất dính, sức chịu tải củanhóm cọc ma sát nhỏ hơn tổng sức chịu tải của các cọc đơn trong nhóm Mức

độ giảm sức chịu tải của nhóm cọc trong trường hợp này phụ thuộc vào

khoảng cách giữa các cọc trong nhóm, đặc tính của nền đất, độ cứng của đàicọc và sự tham gia truyền tải công trình của đài xuống cọc và đất Đối với cọcchống, sức chịu tải của nhóm cọc bằng tổng sức chịu tải của các cọc đơntrong nhóm Cọc trong nhóm chịu tải trọng lệch tâm nên bố trí sao cho điểmđặt của hợp lực tải trọng là gần nhất so với trọng tâm của mặt bằng nhóm cọc.Khoảng cách giữa các cọc trong nhóm có quan hệ với điều kiện đất nền,đối xử từng cọc đơn trong nhóm và giá thành của công trình.

Khoảng cách giữa các cọc cần được lựa chọn sao cho hiện tượng nângcọc, làm chặt đất giữa các cọc là nhỏ nhất đồng thời tận dụng tối đa sức chịutải của cọc và cần phải đủ để có thể hạ được tất cả các cọc đến độ sâu thiết kế

mà không làm hư hỏng các cọc khác và các công trình lân cận

Giá thành của đài cọc và giằng móng cũng làm ảnh hưởng đến việc lựachọn khoảng cách và kích thước cọc

Khoảng cách giữa các cọc có thể xác định theo những điều kiện sau:

Phương pháp thi công (cọc đóng hay cọc nhồi);

Khả năng chịu tải của nhóm cọc

Thông thường khoảng cách tâm giữa hai cọc kề nhau nên lấy như sau:

từ giữa nhóm ra phía ngoài Trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng biệnpháp khoan dẫn Khi nhóm cọc đặt gần cọc cừ hoặc công trình có sẵn thì nêntiến hành đóng cọc từ phần tiếp giáp và ra xa dần để tránh làm dịch chuyển

tường cừ và công trình lân cận Cọc khoan nhồi trong trường hợp này là giảipháp thích hợp.

1.3.2 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo 22 TCN 272-05.

Trong 22 TCN 272-05 đưa ra một số chỉ dẫn tương ứng với mỗi loại nền

là đất dính hoặc đất rời; cọc là cọc đóng hay cọc khoan; khoảng cách giữa cáccọc là một giá trị cụ thể thì cho một giá trị hiệu ứng nhóm cụ thể Các giá trịứng với các yếu tố nằm trong các khoảng đó thì lấy giá trị nội suy tuyến tính

♦ Đối với móng cọc đóng:

Khoảng cách tim tới tim cọc không được nhỏ hơn 750mm hay 2.5 lầnđường kính hay chiều rộng của cọc, chọn giá trị nào lớn hơn Khoảng cách từmặt bên của bất kì cọc nào tới mép gần nhất của móng phải lớn hơn 225mm.Đỉnh của các cọc phải thiết kế ngàm sâu ít nhất 300mm trong bệ móngsau khi đã dọn đi tất cả các vật liệu cọc hư hại Nếu như cọc được gắn với bệmóng bằng các thanh cốt thép chôn hay các tao, chúng phải được chôn sâukhông nhỏ hơn 150mm vào bệ móng [Điều 10.7.1.51, 1]

Sức kháng tính toán N của nhóm cọc được tính như sau:

(1-2)Trong đó: Qg : Sức kháng danh định của nhóm cọc

φg : Hệ số sức kháng của nhóm cọc qui định trong qui trình này.+ Đối với đất dính: Nếu như bệ cọc tiếp xúc chặt chẽ với đất, khi đókhông yêu cầu phải giảm hệ số hữu hiệu

Nếu như bệ cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất là cứng khi đókhông yêu cầu phải giảm hệ số hữu hiệu [Điều 10.7.3.10, 1]

Nếu như bệ cọc không tiếp xúc chặt chẽ với đất, và nếu đất trên bề mặt làmềm yếu khả năng chịu tải riêng rẽ của từng cọc phải được nhân với hệ sốhữu hiệu η, được lấy như sau:

η=0.65 với khoảng cách tim đến tim bằng 2.5 lần đường kính

η=1.00 với khoảng cách tim đến tim bằng 6.0 lần đường kính

Đối với các khoảng cách trung gian, giá trị η có thể được xác định bằngnội suy tuyến tính

Sức kháng của nhóm phải là giá trị nhỏ hơn trong:

Tổng của các sức kháng sửa đổi riêng rẽ của mỗi cọc trong nhóm, hoặcsức kháng của trụ tương đương bao gồm các cọc và khối đất trong trong diệntích bao bởi các cọc Khi xác định trụ tương đương:

Sức kháng cắt toàn bộ của đất phải được dùng để xác định sức kháng masát bề mặt

Tổng diện tích đáy của trụ tương đương phải được dùng để xác định sứckháng đầu cọc, và

Sức kháng phụ thêm của bệ cọc không được xét đến

Hệ số sức kháng cho trụ tương đương hoặc khối phá hoại khối được chotrong Bảng 10.5.5-2 [1] và được áp dụng khi bệ cọc có hoặc không tiếp xúcvới đất Hệ số sức kháng cho sức kháng của nhóm cọc được tính toán bằngcách sử dụng tổng của các sức kháng riêng rẽ của từng cọc, lấy như giá trị chosức kháng của cọc đơn trong Bảng 10.5.5-2 [1]

+ Đối với đất rời: Khả năng chịu tải của nhóm cọc trong đất rời phải làtổng khả năng của các cọc trong nhóm Hệ số hữu ích η lấy bằng 1.00 khi bệcọc có hoặc không tiếp xúc với nền

+ Nhóm cọc trong đất tốt nằm trên đất yếu hoặc nén lún: Nếu nhóm cọcđược đóng trong lớp trầm tích tốt nằm trên lớp trầm tích yếu phải xét đến khảnăng phá hoại chọc thủng của mũi cọc vào trong tầng yếu hơn Nếu tầng đấtnằm dưới bao gồm đất nén lún yếu hơn phải xét đến khả năng lún lớn tronglớp đất yếu hơn

♦ Sức kháng tải trọng ngang của nhóm cọc:

Sức kháng tính toán của nhóm cọc chịu tải trọng ngang bằng N phải đượctính toán như sau:

(1-3)trong đó:

QL : Sức kháng danh định của một cọc đơn (N)

QR : Sức kháng ngang danh định của nhóm cọc (N)

ΦL : Hệ số sức kháng của nhóm cọc

η : Hệ số hữu hiệu của nhóm cọc được xác định trong qui trình này.Sức kháng riêng của từng cọc phải được nhân với một hệ số hữu hiệu ηnhư sau:

η = 0.75 cho đất rời

η = 0.85 cho đất dính

Phải lấy sức kháng ngang của nhóm cọc bằng tổng số của sức khángcủa mỗi cọc đã có hệ số trong nhóm cọc

♦ Đối với móng cọc khoan nhồi:

Khoảng cách tim đến tim của cọc khoan phải lớn hơn 3.0 lần đường kínhhoặc khoảng cách yêu cầu nhằm tránh ảnh hưởng giữa các cọc lân cận, lấy trí

η=0.65 với khoảng cách tim đến tim bằng 2.5 lần đường kính

η=1.00 với khoảng cách tim đến tim bằng 6.0 lần đường kính

Đối với các khoảng cách trung gian, giá trị η có thể được xác định bằngnội suy tuyến tính

+ Đối với đất rời: Không xét tới sự tiếp xúc của bệ cọc với đất, khảnăng riêng rẽ của mỗi cọc khoan phải được chiết giảm bởi hệ số η cho cọcđứng riêng biệt được lấy như sau:

η=0.65 với khoảng cách tim đến tim bằng 2.5 lần đường kính

η=1.00 với khoảng cách tim đến tim bằng 6.0 lần đường kính

Đối với các khoảng cách trung gian, giá trị η có thể được xác định bằngnội suy tuyến tính

+ Đối với nhóm cọc trên đất tốt nằm trên lớp đất chịu nén yếu hơn: Nếunhóm cọc được đóng trong lớp trầm tích tốt nằm trên lớp trầm tích yếu phảixét đến khả năng phá hoại chọc thủng của mũi cọc vào trong tầng yếu hơn.Nếu tầng đất nằm dưới bao gồm đất nén lún yếu hơn phải xét đến khả nănglún lớn trong lớp đất yếu hơn

1.4 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh theo thực nghiệm

Hiện nay trong các sách và tiêu chuẩn nước ngoài cũng đưa ra rất nhiềucông thức xác định hệ số hiệu ứng nhóm trong móng cọc được xây dựng trêncác kết quả thực ngiệm Nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng nhóm đã có từhơn 60 năm trước trên thế giới, mỗi tác giả từ các thí nghiệm đưa ra một côngthức riêng xác định hệ số hiệu ứng nhóm phụ thuộc vào một số điều kiện ảnhhưởng cụ thể Có thể kể đến một số công thức thực nghiệm đã được đưa racủa các tác giả như:

♦ Hệ số hiệu ứng nhóm cọc trong đất dính: có công thức của Labarre; công thức của Sayed and Bakeer (1992)…[10]

Conversa-+ Xác định hệ số hiệu ứng nhóm cọc η theo Converse Labarre

Công thức tính toán hệ số hiệu ứng nhóm theo Converse-Labarre với giảthiết rằng tất cả các cọc là như nhau, thẳng đứng và chỉ tính đến các yếu tố vềkích thước, ngoại trừ chiều dài cọc.

QΣ.K) -(1 -1

=

p s

s '

η

♦Hệ số hiệu ứng nhóm cọc trong đất rời: có công thức của M.das (page399); công thức Angles Group Action (1994); công thức Seiler-keeney; xácđịnh theo móng khối qui ước của Terzaghi…[3], [4], [9], [10], [11]

+ Công thức của M.das (page 399)

pnn

4D+2)d-n+2.(n

=pLf

nn

4D]L+2)d

- n+[2.(nf

=QΣ

Q

=

2 1

2 1

av 2 1

2 1 av

n(m[dnm

D -1

=

π

trong đó:

0.3+ ]1 -n+n

2) -n+n(][

1)-7(d

11d[

1

-=

2 1 2

1

2 1 2

+ Xác định theo móng khối qui ước của Terzaghi

Hệ số hiệu ứng nhóm η của một nhóm n cọc là tỷ số giữa tải trọng giớihạn của nhóm (gọi là QGL) với tổng tải trọng giới hạn của n cọc riêng rẽ trongnhóm cọc (gọi là QiL)

iL

GL

QΣ

Q

=

trong đó:

QGL - tải trọng giới hạn của nhóm,

QiL - tải trọng giới hạn của cọc riêng rẽ trong nhóm cọc

Có một điểm chung trong tất cả các kết quả thực nghiệm là hệ số hiệu ứngnhóm sẽ rất nhỏ khi khoảng cách giữa tim cọc đến tim cọc trong nhóm lớnhơn hoặc bằng 6D theo hướng song song với tải trọng hoặc lớn hơn hoặc bằng3D theo phương vuông góc với tải trọng Các kết quả này đã được xác nhậnthông qua các kiểm tra thử nghiệm của Prakash (1967), Franke (1988), Lieng(1989), và Rao et al (1996) [9]

Tuy nhiên nhóm phương pháp này có điểm hạn chế là các công thức đềumang tính kinh nghiệm; khi số lượng cọc trong móng không phân bố theo

hàng, cột thẳng nhau mà bố trí theo dạng hoa mai hay chữ chi thì xác định sốhàng, số cột theo như các công thức là khó khăn Một điểm nữa là các côngthức đều được rút ra từ thực nghiệm, cho điều kiện địa chất ở một khu vựcnào đó và theo tiêu chuẩn của riêng mỗi quốc gia nên khi áp dụng vào trongđiều kiện Việt Nam chúng ta cũng cần phải xem xét.

1.5 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải dùng mô hình hệ số nền kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn.

Nhóm phương pháp này dựa trên mô hình nền Winkler hoặc các liên kếtbiến dạng phi tuyến theo mô hình đường cong p-y, t-z và q-w để xây dựng môhình bài toán hệ móng – cọc với nền đất sau đó kết hợp với sự trợ giúp củacác phần mềm phân tích kết cấu bằng PTHH chạy trên máy tính Kết cấu cọc,

bệ móng được mô hình bằng dầm đàn hồi tuyến tính liên tục; nền đất được

mô hình bằng các liên kết biến dạng tuyến tính theo mô hình hệ số nềnWinkler hoặc các liên kết biến dạng phi tuyến theo mô hình đường cong p-y,t-z và q-w có xét đến ảnh hưởng khoảng cách giữa các cọc trong móng

Các nghiên cứu của các tác giả về mô hình phân tích loại này chủ yếu tậpchung vào việc xác định đặc trưng quan hệ lực – chuyển vị của lò xo mô tả áplực nền chủ động và bị động của đất cho các loại đất khác nhau và đặc biệtchú ý đến ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc trong nhóm, đường kínhcọc đến các lò xo này

Phương pháp tính theo mô hình hệ số nền trong nghiên cứu tính toán cóxét đến ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc có thể dễ dàng thực hiện và hiệuquả với sự trợ giúp của các phần mềm phân tích kết cấu bằng PTHH chạy trênmáy tính Tuy nhiên nhược điểm của mô hình này là đến nay vẫn chưa có sựthống nhất về mức độ tin cậy của các kết quả tính toán hệ số nền từ các đặctrưng cơ lý của đất nền; sự ảnh hưởng của các cọc trong nhóm cọc, khoảngcách giữa các cọc đến độ cứng của lò xo mô tả nền cũng chưa mô tả được hết

những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng nhóm trong móng cọc Các nghiên cứunày có thể tham khảo trong [9], [10], một số phần mềm thương mại sử dụngphương pháp PTHH dựa trên mô hình hệ số nền hiện nay như FB-Pier,Group…

1.6 Hiệu ứng nhóm trong móng cọc chịu tải trọng tĩnh dùng phương pháp PTHH phân tích tương tác kết cấu – nền

Cùng với sự phát triển của phương pháp số PTHH và máy tính điện tử chophép thực hiện các tính toán phức tạp với khối lượng lớn, từ những năm 70của thế kỷ XX việc phân tích kết cấu nói riêng và các bài toán địa kỹ thuậtbằng PTHH đã phát triển mạnh Đến nay đã có nhiều phần mềm địa kỹ thuậtchuyên dụng để phân tích tương tác kết cấu – nền đất như Plaxis, Geostudio,Ansys, Abaqus,…

Khi tính toán thiết kế móng cọc bằng các phần mềm địa kỹ thuật thườngxem xét hệ kết cấu và nền làm việc đồng thời, sơ đồ tính được xây dựng trênmột miền hữu hạn gồm cả nền đất và kết cấu được tách ra từ bán không gianphân lớp của nền

Ưu điểm của nhóm phương pháp này là cho phép mô tả đa dạng các loạinền móng công trình (móng cọc đóng, khoan nhồi, cọc tròn, cọc vuông…)đồng thời với bệ móng cũng như tính phân lớp và tính phi tuyến của nền đất;tính toán đồng thời được cả trạng thái chuyển vị - nội lực trong các phần tửkết cấu của móng cọc công trình cũng như trạng thái ứng suất biến dạng củanền

Cơ sở khoa học của nhóm phương pháp này là lý thuyết cơ học môitrường liên tục, lý thuyết đàn hồi dẻo để xây dựng hệ phương trình vi phânđạo hàm riêng mô tả điều kiện cân bằng, điều kiện lên tục của hệ kết cấu - nềnđất và trạng thái ứng xử của vật liệu; sử dụng phương pháp PTHH để rời rạchóa hệ khảo sát và giải bằng phương pháp số Chi tiết về cơ sở lý thuyết và

trình tự nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTHH vào giải quyết các bài toánđịa kỹ thuật nói chung và bài toán nghiên cứu hiệu ứng nhóm trong móng cọccông trình nói riêng [12] Các kết quả phân tích bằng mô hình PTHH cho bàitoán móng cọc đã cho thấy tính chất nhạy cảm với đặc trưng tiếp xúc của hệmóng cọc với nền đất.

Các nghiên cứu gần đây trong tính toán hệ móng cọc bằng mô hình PTHHphân tích tương tác kết cấu – nền đất là phát triển các mô hình ứng xử của vậtliệu nền; tính chất làm việc đồng thời của hệ bệ-móng với nền đất cũng như

sự ảnh hưởng qua lại giữa các cọc trong móng trong quá trình chịu tải trọngngoài

Với cơ sở lý thuyết và những ưu điểm trên, nhóm phương pháp PTHHphân tích tương tác kết cấu – nền trong nghiên cứu tính toán hiệu ứng nhómtrong công trình chịu tải trọng tĩnh là có cơ sở lý luận chặt chẽ và khả năngứng dụng trong thực tiễn cao

1.7 Kết luận chương 1

Kết quả nghiên cứu tổng quan cho thấy:

- Ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm trong móng cọc là rất đáng kể khi nghiêncứu tính toán và thiết kế Đặc biệt là với nhóm cọc chịu tải trọng ngang, dochuyển vị ngang của đất tác động trực tiếp đến cọc bên cạnh, ảnh hưởng củamột cọc đến các cọc lân cận còn lớn hơn vì vậy hệ số hiệu ứng nhóm khi tínhtoán cọc chịu tải trọng ngang sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với tải trọng thẳng đứng

- Các phương pháp hiện hành xác định hiệu ứng nhóm trong móng cọccòn mang tính chỉ dẫn, có nhiều công thức thực nghiệm tuy nhiên phạm vi ápdụng lại nhỏ, không mang tính tổng quát, dẫn tới những khó khăn cho ngườithiết kế Đối với móng cọc công trình cầu, số lượng móng không lớn, quy mômỗi móng không nhiều cọc nhưng tải trọng thiết kế rất lớn, do vậy việc tính

toán chính xác ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm có ý nghĩa quan trọng về khảnăng chịu tải và chi phí xây dựng.

- Với sự phát triển mạnh của máy tính và các công cụ toán, đã có các phầnmềm chuyên dụng cho phép mô hình hóa và phân tích sự làm việc của móngđầy đủ hơn Trong các phần tiếp theo sẽ tập trung vào nghiên cứu phươngpháp phân tích móng cọc bằng phần mềm PTHH theo mô hình liên tục đểđánh giá sực chịu tải của cọc và móng, qua đó xác định ảnh hưởng của hiệuứng nhóm trong các trường hợp khác nhau

Hình 2-1: Các mô hình thực của kết cấu tương tác với nền

Dưới tác dụng của ngoại lực trạng thái ứng suất - biến dạng của hai vậtthể trong hệ "kết cấu-môi trường" phụ thuộc lẫn nhau Hiện tượng trên gọi là

sự tương tác giữa kết cấu và môi trường

Trong lịch sử phát triển của môn khoa học này những bài toán đầu tiênđược đề cập đến là các bài toán về kết cấu phẳng (dầm, tấm) tựa lên bề mặtcủa môi trường (nền đất) Vì vậy "môi trường" trong thuật ngữ cổ điển đượcgọi là "nền" Trong tài liệu này hai thuật ngữ trên là đồng nghĩa và khôngphân biệt kết cấu nằm trên bề mặt của môi trường hoặc đặt trong môi trường.Việc đặt và giải bài toán kết cấu tương tác với nền có thể thực hiện theohai mô hình: 1) kết cấu và nền được tách rời nhau để nghiên cứu trạng thái

ứng suất - biến dạng của từng bộ phận riêng rẽ; 2) xét đồng thời kết cấu vànền như một hệ tổ hợp từ nhiều thành phần có các đặc trưng cơ lý khác nhau.Tùy thuộc vào đặc điểm chất tải của từng bài toán, mức độ chính xác yêucầu của bài toán, khả năng đáp ứng về công cụ tính toán, đối tượng khảo sát,

… chúng ta có thể sử dụng một trong hai mô hình nêu trên để giải quyết bàitoán Mỗi mô hình tính có ưu và nhược điểm riêng nên cả hai loại mô hìnhtính nêu trên vẫn được sử dụng trong tính toán tương tác của kết cấu với môitrường

Hình 2-2: Các mô hình tính tương tác của kết cấu với nền

a) Sơ đồ hệ kết cấu-nền; b) Mô hình tương tác không đầy đủ (nhóm 1);

c) Mô hình tương tác đầy đủ (nhóm 2)

2.1.1 Mô hình tính tách rời kết cấu và môi trường (tương tác không đầy đủ)

Khi giải bài toán theo cách thứ nhất (tách rời kết cấu và nền) sự tương tácgiữa kết cấu và nền được thay bằng các phản lực tương tác chưa biết (Hình 2-3) Khảo sát sự chuyển động (hay cân bằng) của từng vật thể dưới tác dụngcủa tải trọng và các phản lực tương tác có thể nhận được các phương trìnhriêng rẽ đối với chúng Tiếp đó, sử dụng các điều kiện tiếp xúc có thể liên kếtcác hệ phương trình trên lại với nhau và sau khi giải chúng sẽ tìm được cácphản lực chưa biết, từ đó sẽ xác định được trạng thái ứng suất - biến dạng của

từng vật thể Dạng đơn giản nhất của điều kiện tiếp xúc giữa kết cấu và môitrường là điều kiện liên tục về chuyển vị và ứng suất trên bề mặt tiếp xúc vàđược diễn đạt dưới dạng:

(2-1)(2-2)Trong đó:

W, W0 - tương ứng là chuyển vị của kết cấu và môi trường tại bềmặt tiếp xúc của chúng,

r, r0 - tương ứng là phản lực tương tác đặt lên kết cấu và môi trườngtại bề mặt tiếp xúc của chúng

Thông thường, để đơn giản, phương của các chuyển vị và lực nói trên lấytheo phương thẳng góc với bề mặt tiếp xúc của hai vật thể Điều kiện tiếp xúcvừa nêu chỉ thỏa mãn cho một lớp các bài toán đơn giản khi kết cấu và nềnkhông xuất hiện chuyển vị tương đối với nhau trong quá trình chịu lực

Hình 2-3: Mô hình tương tác hệ "Kết cấu - môi trường"

 Kết cấu,  Môi trường

Mô hình tính tương tác không đầy đủ thường coi kết cấu là đối tượngchính cần khảo sát, nền được thay bằng các liên kết biến dạng đặt trên biên

tiếp xúc kết cấu-nền và có các đặc trưng cơ học được xác định theo một quiluật nào đó tuỳ thuộc vào ứng xử của nền (tuyến tính, phi tuyến), loại tải trọng(tĩnh, động) và mô hình thay thế

Bằng cách này sơ đồ tính kết cấu tương tác với nền được thay bằng sơ đồtính kết cấu đặt trên các liên kết biến dạng nói trên Mô hình này dẫn đến tínhtoán đơn giản nhưng chưa phản ánh đầy đủ sự tương tác thực tế của kết cấu

và môi trường nên còn gọi là mô hình tương tác không đầy đủ

Trong trường hợp chất tải động, sự tác động tương hỗ của kết cấu với nềntương đối phức tạp do có sóng truyền qua nền Mặt sóng lan truyền trong nềngặp kết cấu sẽ hình thành nên sóng phản xạ và sóng khúc xạ, cơ cấu hìnhthành và tác động của các sóng này lên kết cấu rất phức tạp Các công thứcthực nghiệm hiện đang dùng để tính tải trọng sóng chấn động lan truyền trongđất tác động lên kết cấu đã kể đến ứng suất của sóng trong đất và hệ số độngđược xác định tuỳ theo đặc trưng phản xạ của sóng Tuy nhiên cách làm nàychưa xét đến sự thay đổi phản lực tương tác, và do đó cả ứng suất-biến dạngcủa hệ, do sự chuyển vị tương đối (tách và trượt) của kết cấu so với nền

Khi tải trọng không tác động trực tiếp lên kết cấu mà tác động thông quamôi trường xung quanh kết cấu (sóng chấn động trong nền, sóng nén do nổtrong đất, sóng xung kích do nổ trong không khí,…) thì thường áp dụng cáccông thức thực nghiệm hay công thức bán thực nghiệm để xác định trước tảitrọng lên kết cấu rồi mới tiến hành tính toán kết cấu đặt trên các liên kết biếndạng và chịu tác dụng của tải trọng

Cách giải quyết bài toán tương tác theo mô hình tách kết cấu khỏi nền nhưvậy thường chỉ áp dụng được cho một lớp các bài toán khi kết cấu tiếp xúcvới nền và có hình dạng đơn giản như dầm, tấm, tường chắn,… chịu tải trọngđơn giản

Nhóm mô hình tính loại này hiện vẫn đang được sử dụng để giải bài toántính toán kết cấu áo đường ô tô, sân bay, tính toán móng nông, móng cọc, tínhtoán tường chắn đất, tính toán công sự,…

2.1.2 Mô hình tính khi xét kết cấu và môi trường đồng thời (tương tác đầy đủ)

(a) Mô hình thực của hệ kết cấu-nền

biến dạng

(b) Mô hình tính của hệ kết cấu

nền-biến dạngHình 2-4: Mô hình tương tác khi xét kết cấu đồng thời với môi trườngTheo mô hình này ta coi hệ kết cấu-nền làm việc đồng thời, khi tính toán

ta sẽ tách cả kết cấu cùng một phần của nền bao quanh kết cấu ra khỏi bánkhông gian của môi trường để khảo sát (gọi là miền nghiên cứu) Trên biêncủa miền này cần đưa vào các điều kiện mô tả một cách phù hợp về độ cứngcủa phần nền còn lại và điều kiện không phản xạ sóng ở biên Các điều kiệnliên kết trên bề mặt tiếp xúc kết cấu-nền cũng được xét đồng thời trong quátrình tính

Nhóm mô hình xét kết cấu đồng thời với nền được thừa hưởng các thànhtựu phát triển từ các phương pháp tính truyền thống coi hệ kết cấu-nền nhưmột kết cấu phức tạp tổ hợp từ nhiều phần có các đặc trưng vật liệu khác nhauđồng thời đưa vào điều kiện biên mô tả phần bán không gian vô hạn của nền

và các điều kiện liên kết trên mặt tiếp xúc của kết cấu với nền

Việc tính toán theo mô hình tương tác đầy đủ, như tên gọi, có thể xétđược tính đa dạng và phức tạp của bài toán nhưng việc tính toán phức tạp vàthường được thực hiện bằng các phương pháp số Ngày nay với sự phát triểnmạnh của máy tính điện tử và các phương pháp tính mô hình tương tác đầy đủngày càng được ứng dụng nhiều trong tính toán.

2.2 Mô hình tĩnh của nền đàn hồi và mô hình vật liệu của nền đàn hồi 2.2.1 Mô hình tĩnh của nền đàn hồi

Để xét được sự tương tác giữa kết cấu với đất nền, vấn đề đầu tiên cầngiải quyết là phải lựa chọn mô hình cơ học thích hợp của nền đất

Hiện nay các mô hình nền thường dùng để tính kết cấu tương tác với nềnđàn hồi có thể phân chia thành ba nhóm lớn như sau:

- Nhóm mô hình nền biến dạng đàn hồi cục bộ;

- Nhóm mô hình nền bán không gian đàn hồi;

- Nhóm mô hình nền trung gian

Về mặt toán học các mô hình nền được mô tả dưới dạng phương trìnhbiểu diễn mối quan hệ giữa chuyển vị của điểm thuộc bề mặt nền và lực tácdụng đặt tại điểm tương ứng Theo các điều kiện (2-1) và (2-2) thì các phươngtrình đó cũng chính là mối quan hệ giữa chuyển vị của kết cấu và phản lựccủa nền tác dụng lên kết cấu tại bề mặt tiếp xúc (miền tiếp xúc) của hệ "kếtcấu-môi trường"

a/ Mô hình nền Winkler (mô hình nền một hệ số)

Mô hình này do N Phuss (1801) và K.Winkler (1867) đề xuất, là thay thếliên kết công trình với nền bằng hệ các lò xo đàn hồi độc lập với nhau theophương vuông góc với bề mặt nền, biến dạng của nền chỉ xảy ra ở phạm vikết cấu tiếp xúc với nền (Hình 2-5) Lực tác dụng lên bề mặt của nền vàchuyển vị của điểm tương ứng theo phương của lực tác dụng là tỷ lệ tuyếntính với nhau: