BÀI TOÁN THIẾT kế tối ưu xác ĐỊNH sức CHỊU tải của cọc KHOAN NHỒI THEO 22TCN272 05 và AASHTO LRFD

BÀI TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI THEO 22TCN272-05 VÀ AASHTO-LRFD I.. Tổng quát Đây là bài toán tính toán thiết kế tối ưu sức chịu tải của cọc khoan nhồi

BÀI TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI THEO 22TCN272-05 VÀ AASHTO-LRFD

I Tổng quát

Đây là bài toán tính toán thiết kế tối ưu sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo đất nền khi biết đường kính cọc; khoảng cách các cọc trong nhóm; nội lực đầu cọc (M, N, Q); khoảng cách các cọc trong nhóm; các thông số cơ

lý của các lớp đất mà cọc dự kiến đi qua (chiều dày của mỗi lớp đất, sức kháng cắt không thoát nước, số búa SPT, …) Kết quả của bài toán là cho biết chiều dài tối ưu của cọc thỏa mãn:

Sức chịu tải của cọc theo đất nền: Q r Q tt

Sức chịu tải của cọc theo vật liệu Q T Q tt

Như vậy, đối với bài toán này cần phải xác định trước nội lực của đầu cọc và chọn trước đường kính cọc

II Nội dung kỹ thuật của bài toán

Thông thường khi thiết kế chiều dài cọc của một kết cấu móng cọc nào đó (mố, trụ, ), người thiết kế thường chọn trước chiều dài cọc theo cấu tạo theo chiều dày của các lớp đất Sau đó tính duyệt và kiểm tra dần cho đến khi kết quả là chấp nhận được Điều này chắc chắn chưa thể cho phép người thiết kế chọn được chiều dài tối ưu của cọc

Nội dung chọn chiều dài của cọc gồm có: Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền Q r Q tt, sau đó cần kiểm tra sức chịu tải của cọc đơn và sức chịu tải của một cọc trong nhóm cọc

1 Yêu cầu dữ liệu đầu vào của bài toán

Chọn chiều dài của cọc từ các điều kiện đã cho ban đầu :

Đường kính cọc

Nội lực đầu cọc (M, N, Q)

Các thông số cơ lý của đất (chiều dày của mỗi lớp đất, sức kháng cắt không thoát nước, số búa SPT, …)

2 Nội dung chính của bài toán

a Các công thức cơ bản

Sức chịu tải của cọc theo vật liệu

'

0.85 0.85

Q      f A

Trong đó:

: hệ số sức kháng '

c

f : cường độ bê tông cọc

S

A : diện tích cọc

Sức chịu tải của cọc theo đất nền

Q Q Q  P

Trong đó:

S qs S S

Q   q A : sức kháng bên của cọc

qs

 : hệ số sức kháng

S

q : sức kháng bên đơn vị danh định

Q   q A : sức kháng mũi cọc

P

 : hệ số sức kháng

P

q : sức kháng mũi đơn vị danh định DD: sức kháng ma sát âm

PW: triết giảm trọng lượng cọc

Sức kháng bên đơn vị danh định trong đất dính

q    S

Trong đó:

: hệ số dính bám

u

S : cường độ kháng cắt không thoát nước trung bình

Sức kháng bên đơn vị danh định trong đất rời

THAM KHẢO Mễ TẢ

Touma và Reese (1974) qs = Kv tanf< 0,24MPa

ở đây:

K = 0,7 đối với Db 7500mm

K = 0,6 đối với 7500mm < Db

12000mm

K = 0,5 đối với Db > 12000mm Meyerhof (1976) qs = 0,00096N

Quiros và Reese (1977) qs = 0,0025N < 0,19 MPa

Reese và Wright (1977) Với N 53

qs = 0,0028 N

Với 53 < N 100

qs = 0,00021 (N - 53) + 0,15 Reese và O’Neill (1988) qs = v 0,19 MPa với 0,25

1,2

ở đây:

= 1,5 7,7x10-3 z

Trong đú:

N: số bỳa SPT chưa hiệu chỉnh (Bỳa/300mm)

v: ứng suất hữu hiệu thẳng đứng (Mpa)

f

 : gúc ma sỏt của cỏt (Độ) K: hệ số truyền tải trọng

Db: chiều sõu chụn cọc khoan trong tầng đất chịu lực (mm)

: hệ số truyền tải trọng z: chiều sõu dưới đất (mm)

Cỏc gúc ma sỏt của cỏt

Sức khỏng mũi đơn vị danh định trong đất dớnh

4.0

q N S 

6 1 0.2 ( / ) 9

c

Trong đú:

D: đường kớnh cọc khoan Z: độ xuyờn của cọc khoan

u

S : cường độ khỏng cắt khụng thoỏt nước trung bỡnh

Sức khỏng mũi đơn vị danh định trong đất rời

Touma và Reese

(1974) Rời - qChặt vừa - qp (MPa) = 0,0p (MPa) = 1,5/k

Rất chặt - qp (MPa) = 3,8/k

K = 1 đối với Dp 500 mm

K = 0.6 Dp đối với Dp 500 mm Chỉ dùng khi Db > 10D

p

D

 0.096 N corrđối với bựn khụng dẻo

Reese và Wright

(1977) QQpp (MPa) = 0,064 N đối với N 60 (MPa) = 3,8 đối với N > 60

Reese và O’Neill

(1988) QQpp (MPa) = 0,057 N đối với N 75 (MPa) = 4,3 đối với N > 75

Trong đú:

0.77 lg 1.92 /

N    N

cho ỏp lực tầng phủ (bỳa/300mm)

N: số bỳa SPT chưa hiệu chỉnh (Bỳa/300mm) D: đường kớnh cọc khoan (mm)

Dp: đường kớnh mũi cọc khoan (mm)

Db: chiều sõu chụn cọc khoan trong tầng cỏt chịu lực (mm)

'

v

 : ứng suất thẳng đứng hữu hiệu (MPa)

b Cỏc điều kiện kiểm tra

Sức chịu tải theo đất nền

Q s Q p PW Q tt

Trong đú:

: hệ số nhúm cọc

Sức chịu tải theo vật liệu

'

0.85 0.85

Q      f A Q

III Mô hình của bài toán

Với bài toán kỹ thuật đã được nêu ra ở trên thì đây là một bài toán tối

ưu hóa Có thể phát biểu bài toán tối ưu hóa như sau:

Lập và tính toán hàm mục tiêu:

2

Trong đó:

EL2: cao độ đỉnh cọc x: cao độ mũi cọc Tìm cực tiểu hóa hàm mục tiêu:

min

2

L EL  x L

Biến độc lập:

x: cao độ mũi cọc Với các ràng buộc

r tt

Q Q

T r

Q Q

Với các điều kiện xác định miền giá trị của các tham số hàm (1) Các giá trị này được xác định từ các thông số ban đầu và phải nằm trong các khoảng cho phép theo quy định của quy trình

Trong đó các tham số có ý nghĩa như sau :

: hệ số sức kháng '

c

f : cường độ bê tông cọc D: đường kính cọc

qs

 : hệ số sức kháng

S

q : sức kháng bên đơn vị danh định

P

 : hệ số sức kháng

P

q : sức kháng mũi đơn vị danh định

IV Lựa chọn phương pháp giải

Để giải bài toán tối ưu hóa này có rất nhiều phương pháp, tuy nhiên ở đây chọn phương pháp tối ưu một tham số theo dấu hiệu tăng dần của hàm

mục tiêu Đây là phương pháp đơn giản dể thực hành và thuận tiện trong tính toán trên máy tính Dưới đây trình bày thuật toán giải bài toán tối ưu hóa này:

Bước 1: Nhập các số liệu đầu vào

- Nội lực đầu cọc

- Đường kính cọc D

- Với điều kiện địa chất và các trạng thái giới hạn tính toán, từ đó xác định các hệ số sức kháng

- Căn cứ vào hình trụ lỗ khoan địa chất, ứng với mỗi loại đất khác nhau, xác định được sức kháng đơn vị danh định của từng lớp đất

Bước 2: Nhập sơ bộ chiều dài cọc

Chiều dài thực tế của cọc là:

L = L0 + Ltt = EL2 - x Trong đó

L0: chiều dài của cọc từ đáy bệ đến cao độ đất tự nhiên sau xói

Ltt là chiều dài của cọc kể từ mặt đất sau khi bị xói lở EL2: cao độ đỉnh cọc

x: cao độ mũi cọc

Bước 3: Tính sức chịu tải theo vật liệu và sức chịu tải theo đất nền

0.85 0.85

Q      f A

- Tính Q r    Q s Q pPW DD theo các trạng thái giới hạn cường

độ và trạng thái giới hạn cực hạn

Bước 4: Kiểm tra theo các điều kiện ràng buộc

- Từ Qr đã được xác định như bước 3, tiến hành kiểm tra theo các điều kiện ràng buộc:

r tt

Q Q

T r

Q Q

- Nếu điều kiện ràng buộc được thỏa mãn thì chuyển sang bước 5

- Nếu điều kiện ràng buộc không được thỏa mãn thì đặt L=L+0.5 rồi chuyển sang bước 3

Bước 5: In kết quả

- Xuất các kết quả ra màn hình; ra file hoặc máy in (tùy theo yêu cầu của người sử dụng)

Bước 6: Dừng và kết thúc chương trình

V Sơ đồ khối

B¾t ®Çu Giíi thiÖu ch ¬ng tr×nh NhËp c¸c sè liÖu ®Çu vµo

Qs,Qp

QT  QTT

Qs,Qp QTT

y

y

n

n

Ghi gi¸ trÞ L

In kÕt qu¶

KÕt thóc

n

x=x1

x=x1 + 0.5

VI Ví dụ tính toán theo sơ đồ khối

Dưới đây trình bày một ví dụ bài toán tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi theo sơ đồ khối đã trình bày ở trên Quy trình áp dụng là

22TCN-272-05 và AASHTO LRFD 1998 Các số liệu đầu vào là giả định

VII Lời kết

Do thời gian có hạn nên chưa thể hoàn chỉnh đầy đủ phần chương trình chay bằng ngôn ngữ Pascal Tuy nhiên, với ý tưởng và cách giải trên

em tin tưởng sẽ có lời giải chính xác cho bài toán nêu trên Khi có chương trình sẽ giúp rất nhiều cho các kỹ sư thiết kế trong công việc lựa chọn được phương án tối ưu nhất

BÀI TẬP SÁNG CHẾ

Nêu 7 nguyên tắc trong một số thuật toán sáng chế của một thiết bị trong ngành cầu, hầm và đề xuất thêm nguyên tắc thứ 8.

+ Chọn đối tượng: gối cầu

+ 7 nguyên tắc trong thuật toán sáng chế gối cầu:

1 Phân chia

Cấu tạo gối cầu được phân chia thành các phần độc lập: tấm thép liên kết với tấm thép đặt trước trong đáy dầm, phần cao su cốt bản thép, tấm thép trượt,… Từ đó tạo nên vật thể gối cầu được lắp ghép từ các bộ phận này

2 Đặc tính định xứ

Thể hiện ở những bộ phận khác nhau thì thực hiện các chức năng hoạt động khác nhau: tấm thép trên làm nhiệm vụ liên kết với đáy dầm, tấm trượt

di động dùng cho các trụ có bố trí khe co giãn, phần cao su cốt bản thép làm nhiệm vụ truyền lực xuống kết cấu phần dưới

3 Bất đối xứng

Sử dụng hình bất đối xứng (chỉ có tấm thép trên chứ không có tấm thép đệm dưới) do đặc điểm làm việc của gối cầu

4 Kết hợp

Kết hợp tấm thép đệm, gối cao su và vữa không co ngót để làm việc đồng thời, thực hiện nhiệm vụ truyền lực từ kết cấu phần trên xuống kết cấu phần dưới

5 Môi giới

Thể hiện qua việc gối cầu là trung gian truyền lực từ kết cấu phần trên xuống kết cấu phần dưới

6 Tính đồng nhất

Làm các vật thể tương tác với vật thể đầu tiên bằng cùng loại vật liệu hoặc vật liệu rất gần với vật thể đầu tiên đó Cụ thể là tấm thép của gối liên kết với tấm thép được chôn sắn trong đáy dầm tạo ra sự liên kết và làm việc đồng thời giữa dầm và gối

7 Giãn nở nhiệt

Các vật liệu sử dụng làm gối cầu có thể co giãn theo nhiệt độ, các hệ

số giãn nở nhiệt của các vật liệu khác nhau thì khác nhau

8 Để đạt hiệu quả cao hơn khi khai thác, gối cầu cần được thiết kế

chịu được nước - là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng nhiều tới độ

bền và tuổi thọ của gối cầu (Áp dụng quy tắc đề phòng)

TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC

1 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

Cao độ lỗ khoan

Cao độ đất tự nhiên (sau xói)

Cao độ đáy bệ cọc

Cao độ mũi cọc

Cao độ mực nước

Chiều dài cọc

Chiều dài phần loe ở mũi

Đường kính cọc khoan

Đường kính mũi cọc khoan

Chu vi mặt cắt ngang cọc

Diện tích mặt cắt ngang cọc

Diện tích mặt cắt ngang mũi cọc

Khoảng cách cọc

Hệ số nhóm cọc

Cường độ bê tông cọc

Trọng lượng dơn vị bê tông

Trọng lượng đơn vị có hiệu của lớp đất trên đầu cọc

Áp lực đất ban đầu tại dáy bệ

Chiều dài cọc ngàm trong tầng chịu lực

2 TÍNH TOÁN

2.1 Hệ số sức kháng

2.2 Sức kháng bên

Trong đất dính:(Sử dụng the  - Method)

Các phần sau đây của cọc khoan sẽ không được tính để đóng góp vào sự phất triển của sức kháng thông qua ma sát bề mặt

("1" = Touma and Reese, "2" = Meyerhof, "3" = Quiros and Reese, "4" = Reese and Wright, "5" = Reese and O'Neill)

Touma and Reese (1974)

q s = K v ' tan f < 0.24Mpa

ở đây

K = 0.7 đối với D b  7500mm

K = 0.6 đối với 7500mm < D b  12000mm

K = 0.6 đối với D b  12000mm

Các lớp đất

(m) "1"=Cát, "2"=Sét

9 10 11

Tổng cộng Q s =

2.3 Sức kháng mũi

Trong đất dính:

Giá trị của Su phải được xác định từ kết quả thí nghiệm hiện trường và/ hoặc trong phòng thí nghiệm của các mẫu nguyên dạng lấy trong khoảng sâu 2.0 lần đường kính dưới mũi cọc.

Nếu đất trong giới hạn 2.0 đường kính cọc có Su<0,0024 MPa, giá trị của Nc sẽ bị chiết giảm 1/3 Với S u > 0.096MPa với D > 1900mm, và đọ lún cọc không được đánh giá, giá trị của q p phải

trong đó

("1" = Touma and Reese, "2" = Meyerhof, "3" = Reese and Wright, "4" = Reese and O'Neill)

Touma and Reese (1974)

Rời: q p = 0.0 Chặt vừa: q p = 1.5/K Rất chặt: q p = 3.8/K

K = 1 đối với D b < 500mm

K = 0.6 đối với D b  500mm Chỉ dùng khi D b > 10D

Đối với các đường kính đáy lớn hơn 1270mm, q p phải chiết giảm như sau: q pr = 1270*q p /D p

q p

161.0765531 2.4 Sức chịu tải của cọc

Sức chịu tải của cọc đơn:

Sức chịu tải của 1 cọc trong nhóm cọc:

Lực đứng tác dụng lên cọc Lức đứng tác dụng lên cọc (có xét đến bê tông bịt đáy)

5 1 b 5 0 with S

0

.

2

45

.

1

b

015 0 D

Z 0021

.

0

0071

.

0

a

0 1 b 760 aD

0

.

12

760

F

u

p

p

r

















