Chiều dài và tiết diện cọc ảnh hưởng rất lớn đến sự chuyển vị và phá hoại của cọc chịu tải trọng ngang. Vì vậy, nghiên cứu về vấn đề này là rất cần thiết trong phân tích và thiết kế. Bài viết đã phân tích và tính toán cho trường hợp tải trọng ngang tác dụng ở đỉnh cọc.
Trang 150 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
Ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện
đến sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang
The effect of length and section on behavior of laterally loaded piles
Vương Văn Thành, Nguyễn Tiến Dũng
Tóm tắt
Chiều dài và tiết diện cọc ảnh hưởng rất
lớn đến sự chuyển vị và phá hoại của cọc
chịu tải trọng ngang Vì vậy, nghiên cứu
về vấn đề này là rất cần thiết trong phân
tích và thiết kế Bài báo đã phân tích
và tính toán cho trường hợp tải trọng
ngang tác dụng ở đỉnh cọc.
Từ khóa: Cọc chịu tải trọng ngang
Abstract
The length and section of the pile effect on
displacement and failure modes of laterally
loaded piles enormously Thus, to research this
problem is necessary for analysis and design
This paper analysed and calculated case in
which the external horizontal loads act at the
pile head (i.e., at the top section of the pile).
Key words: laterally loaded piles, laterally
loaded single piles
PGS TS Vương Văn Thành
Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Xây dựng ĐT:
0902066955
ThS Nguyễn Tiến Dũng
Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Xây dựng
ĐT: 0988120252
Email: nguyentiendungkta@gmail.com
Ngày nhận bài: 28/10/2016
Ngày sửa bài: 02/11/2016
Ngày duyệt đăng: 05/7/2018
1 Đặt vấn đề
Hiện nay, việc sử dụng cọc trong các công trình chịu tải trọng ngang lớn rất phổ biến Do đặc điểm công trình và địa chất từng khu vực khác nhau mà việc sử dụng cọc trong các công trình này cũng khác nhau Kết quả là, mỗi công trình thường sử dụng một hoặc một vài loại cọc có tiết diện và chiều dài nhất định
Nhiều tài liệu trong và ngoài nước
đã nghiên cứu về bài toán cọc chịu tải trọng ngang [1,3,4,5 ], tuy nhiên chưa
có tài liệu nào đưa ra chỉ dẫn kỹ thuật cụ thể về ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện cọc đến sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang Dựa trên kết quả nghiên cứu các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang hiện nay [2], bài báo sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xem xét vấn đề này Từ đó, đưa ra được những chỉ dẫn cơ bản phục vụ cho việc
dự báo và tính toán thực hành
2 Ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện cọc đến sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang
2.1 Ảnh hưởng của chiều dài cọc
Khi cọc chịu tải trọng ngang, cọc có thể bị xoay, bị uốn và di chuyển Nếu cọc ngắn và cứng nó sẽ không uốn nhiều nhưng sẽ xoay hoặc thậm chí di chuyển (hình 1) Những cọc như vậy gọi là cọc cứng (rigid piles) Nếu cọc dài và mảnh thì khi chịu tải trọng ngang nó sẽ bị uốn (hình 2) Những cọc như vậy gọi là cọc mềm (flexible piles) Như vậy, chiều dài của cọc sẽ ảnh hưởng nhiều đến cơ chế dịch chuyển cũng như phá hoại của cọc
2.2 Ảnh hưởng của tiết diện cọc
Khi cọc chịu tải trọng ngang, cọc ứng
xử như dầm chịu tải trọng truyền lên
Chúng truyền tải trọng ngang cho nền đất xung quanh bằng cách sử dụng sức kháng ngang của nền đất (hình 3) Cọc
ép khối đất ở phía trước nó (khối đất nằm trong hướng của tải trọng tác dụng), sinh
ra ứng suất nén và ứng suất cắt (ở mặt bên cọc) trong khối đất, những ứng suất này chống lại sự dịch chuyển của cọc Sức kháng của đất và sức kháng của bản thân cọc cho phép thỏa mãn sự cân bằng với tải trọng ngang tác dụng lên cọc Hai thành phần sức kháng này phụ thuộc nhiều hình dạng và kích thước của tiết diện cọc
2.3 Ví dụ tính toán
Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation đại diện cho phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện cọc đến sự làm việc của cọc khi chịu tải trọng ngang trong cùng một điều kiện đất nền Cọc vuông bê tông cốt thép đúc sẵn được hạ vào nền đất bằng phương pháp ép Nền đất có số liệu như bảng 1, mực nước ngầm bắt đầu ở độ sâu -1.5m
Bài toán 1: Ảnh hưởng của chiều dài cọc
Cọc vuông có tiết diện d= 500mm, chịu lực ngang tập trung ở đỉnh H=49,5kN Khảo sát sự làm việc của cọc với các chiều dài L= 25, 20, 10, 8, 5, 3 m Bài toán 2: Ảnh hưởng của tiết diện cọc
Cọc vuông có chiều dài L= 20m, chịu lực ngang tập trung ở đỉnh H=49,5kN Khảo sát sự làm việc của cọc với các tiết diện d= 500, 400,300,200mm
Nhận xét kết quả tính toán:
Kết quả phân tích bài toán 1 và bài toán 2 được thể hiện lần lượt trên hình
Trang 2S¬ 31 - 2018
Hình 4 Ảnh hưởng của chiều dài cọc
Bảng 1 Bảng chỉ tiêu cơ lý các lớp đất
STT Tên lớp đất mhi mzi γ
kN/m3 Δ e γđn
kN/m3 c kPa độφ W % %Ip %IL kPaE0
1 Cát cấp phối kém (SP-SM) 3,8 3,8 19,50 2,68 0,663 10,10 8 26,77 21,44 - - 23.800
2 Sét vô cơ nâu vàng (CH-CL) 1,4 5,2 18,86 2,7 0,85 9,19 26 17,12 28,29 25 0,3 9.230
3 Sét béo xanh xám (CH-CL) 11,3 16,5 18,70 2,7 0,864 9,12 18 12,10 28,80 20 0,6 7.210
4 Sét xám xanh (CL) 4,6 21,1 19,09 2,69 0,845 9,16 23 18,20 27,18 25 0,3 6.470
5 Sét nâu vàng (CL) 13,1 34,2 19,76 2,71 0,686 10,14 36 18,53 22,86 30 0,1 11.880
6 Cát pha sét (SC) 3,6 37,8 19,49 2,69 0,66 10,18 21 22,17 20,18 - - 10.660
7 Sét nâu vàng (CL) 5,5 43,3 19,76 2,71 0,686 10,14 36 18,53 22,86 30 0,1 11.880
8 Sét lẫn cát (CL) 16,7 60 19,43 2,71 0,745 9,80 36 21,37 27,75 27 0,2 9.090
4 và hình 5 Kết quả tính toán
đã được kiểm chứng là đáng tin
cậy, phù hợp với thí nghiệm nén
ngang hiện trường [2] Trong bài
toán khảo sát này, tầng đất phía
trên cùng là lớp đất tốt nên những
kết luận dưới đây sẽ phù hợp hơn
cho những trường hợp nền đất
thuộc dạng này Trường hợp tầng
đất phía trên là lớp đất yếu, phân
tích lý thuyết cho thấy, xu hướng
làm việc của cọc là giống trường
hợp trên nhưng sẽ khác nhiều về
mặt trị số kết quả chuyển vị và nội
lực của cọc; trường hợp này cần
được nghiên cứu thêm để đưa
ra được số liệu dự báo cụ thể, hy
vọng sẽ sớm được trình bày trong
bài báo tiếp theo
3 Kết luận
Khi tầng đất phía trên là lớp
đất tốt, mặt đất nằm ngang, chiều
dài cọc ngàm trong đất lớp hơn
khoảng 10d thì cọc sẽ ứng xử như cọc mềm Đối với cọc mềm, chiều dài cọc thay đổi gần như không ảnh hưởng đến chuyển vị đỉnh cọc (y) và nội lực (M, Q) trong cọc
Khi tầng đất phía trên là lớp đất tốt, mặt đất nằm ngang, chiều dài cọc ngàm trong đất nhỏ hơn khoảng 10d thì cọc sẽ ứng xử như cọc cứng Đối với cọc cứng, chiều dài cọc thay đổi sẽ làm thay đổi đáng kể tới chuyển vị và nội lực của cọc Cụ thể, khi L giảm thì y tăng và Mmax giảm
Tiết diện cọc ảnh hưởng lớn đến chuyển vị và nội lực của cọc,
cụ thể:
- Khi d giảm thì cọc có xu hướng bị phá hủy càng gần mặt đất
- Khi d giảm thì y tăng và Mmax giảm./
Hình 3 Cơ chế truyền tải trọng của cọc chịu tải trọng ngang
Trang 352 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
T¿i lièu tham khÀo
1 Lê Đức Thắng (1998), Tính toán móng cọc, NXB xây dựng.
2 Nguyễn Tiến Dũng (2016), Nghiên cứu các phương pháp tính toán
cọc chịu tải trọng ngang, luận văn Thạc sĩ kỹ thuật xây dựng công
trình dân dụng và công nghiệp.
3 TCVN 10304-2014: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc, NXB Xây dựng,
Hà Nội.
4 TCXD 205-1998: Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng,
Hà Nội.
5 Barry J Meyer and Lymon C Reese (1979), Analysic of single piles under lateral loading.
6 Federal Highway Administration FHWA NHI-05-042 (April 2006), Design and Construction of Driven Pile Foundations, section 9.82-116.
7 Plaxis 3D Foundation Version 1.5 Manual
8 Poulos, H.G (1971a), Behavior of laterally loaded piles: Part I- Single piles, ASCE Journal of the Soil Mechanics of the Foundation Division, 97(SM5),711-731.
Hình 5 Ảnh hưởng của tiết diện cọc
mô hình chống-giằng tối ưu (mô hình mà số lượng các thanh
giằng là ít nhất và chiều dài ngắn nhất)
Các công thức xác định nội lực của thanh chống; thanh
giằng cho mô hình chống-giằng được thiết lập Từ nội lực đã
tính ta đi xác định bề rộng thanh chống; kiểm tra nút và tính
cốt thép trong thanh giằng và cốt thép đai khống chế vết nứt
Thông qua khảo sát ví dụ tính toán dầm cao công xôn ngắn
với những giá trị chiều cao dầm khác nhau, tác giả kiến nghị
khi thiết kế dầm nên chọn tỷ lệ giữa chiều cao và khoảng đặt
lực phù hợp để dầm làm việc hợp lý nhất Với các thông số
như trong ví dụ khảo sát ở mục 3 thì giá trị d hợp lý nên lấy
khoảng d=(2÷ 3)av Tác giả khảo sát thêm hai bài toán với
các thông số giữ nguyên như ví dụ ở mục 3, chỉ thay đổi giá
trị Vu=100kN; 500kN Trên Hình 12 thể hiện hàm lượng cốt
thép dọc chịu kéo tính toán được (ρ1; ρ2; ρ3) lần lượt tương
ứng với giá trị lực Vu=(100; 300; 500)kN và ρmin tính theo
(37) Khi giữ nguyên giá trị các đại lượng như trong ví dụ
mục 3 mà cho Vu=100kN thì hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo
ρ1<ρmin, cho thấy kích thước tiết diện dầm (b, d) quá lớn cốt
thép dọc chỉ cần đặt theo cấu tạo Với Vu=500kN, ρ3 > ρmin
tương ứng d = (300÷700) mm, chiều cao dầm hợp lý nên lấy
d=(2÷4,6)av Để thiết kế dầm hợp lý thì cần chọn chiều cao
(h), bề rộng (b) của dầm cũng như cấp độ bền bê tông và nhóm cốt thép hợp lý Với các công thức đã thiết lập ở mục
2 thì ta hoàn toàn tìm được dầm thiết kế phù hợp để chịu lực
Vu cho trước./
T¿i lièu tham khÀo
1 ACI Committee 318 (2011) Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318M-11) American Concrete Institute, Farmington Hills, MI 2011, 509pp
2 B.S.Tanarath (2010) Reinforced concrete design of tall buildings, CRC press
3 Schlaich, J., Schafer, K and Jennewin, M., “Toward a Consistent Design of Structural Concrete”, PCI Journal, May-June 1987, pp 75-146
4 Nguyễn Viết Trung (2000) Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện đại theo tiêu chuẩn ACI Nhà xuất bản Giao thông vận tải
5 TCVN 5574-2012 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế
6 Ngô Thế Phong (2006) Kết cấu bê tông cốt thép phần kết cấu nhà cửa Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật
Thiết kế dầm công xôn ngắn bằng mô hình chống - giằng
(tiếp theo trang 49)