Phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng móng cọc khoan nhồi của mố cầu

Vì vậy, vấn đề nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng của móng cọc mố cầu là điều hết sức cần thiết.. Mục đích nghiên cứu Với sự hỗ trợ của phần mềm ANSY

NGUYỄN DUY LUÂN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI ĐẤT ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Bá Khánh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng 01 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

PGS TS TRẦN VĂN MIỀN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN DUY LUÂN MSHV: 7140675

Ngày, tháng, năm sinh: 29/09/1992 Nơi sinh: Cà Mau

I TÊN ĐỀ TÀI

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI ĐẤT ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CỦA MỐ CẦU

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nghiên cứu tổng quan về sự cố ở vùng chuyển tiếp cầu - đường (sự cố của nền

đắp và sự cố của kết cấu mố)

2 Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết tính toán ổn định - biến dạng của hệ mố - đất

đắp xung quanh mố

3 Nghiên cứu & ứng dụng phần mềm ANSYS để phân tích ổn định - biến dạng của

hệ mố - đất đắp xung quanh mố (Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, áp dụng mô

hình đất Mohr–Coulomb và phần tử tiếp xúc để phân tích, nhận xét - kết luận)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 04 tháng 12 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS LÊ BÁ KHÁNH

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CẦU ĐƯỜNG

kiến thức mới và sâu rộng hơn chính là nhờ các Thầy Cô của khoa Kĩ thuật xây dựng nói chung và bộ môn Cầu đường trường đại học Bách Khoa nói riêng Đó là những kiến thức không thể thiếu để giúp em hoàn thành tốt luận văn này

Với lòng tri ân sâu sắc nhất, em xin chân thành cám ơn tất cả các Thầy cô đã giành tâm huyết của mình qua các bài giảng, tiểu luận môn học và truyền cho em những kinh nghiệm vô cùng quý giá để không chỉ thực hiện luận văn mà còn là thực

tế đi làm sau khi ra trường

Và một điều rất quan trọng, luận văn có được như ngày hôm nay là nhờ vào

sự hướng dẫn tận tình, không chỉ về kiến thức mà còn chỉ bảo từng câu văn, nét chữ

của Thầy TS Lê Bá Khánh Thầy đã đưa ra những hướng đi đúng đắn và giúp em

vượt qua những khó khăn trong luận văn Em biết rằng chỉ với lời cảm ơn thôi thì không thể đáp lại những gì mà Thầy đã cho em Nhưng với lòng biết ơn chân thành

và sâu sắc nhất, em xin cảm Thầy vì tất cả mà Thầy đã giúp đỡ em

Xin cảm ơn Ba mẹ, cô Năm và gia đình luôn ủng hộ và động viên con trong những lúc khó khăn nhất

Xin cảm ơn các anh chị, các bạn thân thuộc hỗ trợ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Cuối cùng, xin dành những lời chúc tốt đẹp nhất đến tất cả mọi người

Trân trọng

Nguyễn Duy Luân

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Xây dựng công trình ở khu vực có địa chất yếu thường gặp rất nhiều khó khăn Xây dựng mố cầu trên nền đất yếu là một trong những khó khăn cần được xem xét, tính toán kĩ lưỡng Vì vậy, vấn đề nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng của móng cọc mố cầu là điều hết sức cần thiết

Mục tiêu của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của đất đắp đến ứng suất – biến dạng của cọc khoan nhồi trong móng cọc của mố cầu Luận văn áp dụng phương pháp phần

tử hữu hạn để phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của cọc đơn chịu tải ngang Cọc

và đất nền được mô hình hoá bằng phần tử khối 3D Ứng xử chảy dẻo của đất tuân theo mô hình Mohr - Coulomb Cặp phần tử đối tiếp xúc được dùng để mô phỏng tiếp xúc cọc đất

Kết luận chính của luận văn và kiến nghị:

+ ANSYS 17.0 có nhiều bổ sung để mô hình hoá ứng xử của đất được tốt hơn

Để đảm bảo sự chính xác của mô hình khảo sát, khi mô hình hoá tương tác cọc – đất nền nên dùng các mô hình ứng xử của đất như Mohr - Coulomb và phần tử tiếp xúc Khi mô hình tương tác cọc – đất sử dụng các mô hình ứng xử của đất có thể giúp cho việc thiết kế chính xác hơn, tiết kiệm chi phí

+ Hướng nghiên cứu tiếp theo, tác giả kiến nghị mở rộng nghiên cứu mố cầu với các cách bố trí cọc đa dạng hơn (cọc bố trí không đối xứng, cọc xiên,…)

calculated Therefore, analyze the impact of the land mass to stress and deformation

of pile foundation of abutment is essential

The aim of thesis is to evaluate influences of simplified ground model for caculate single pile subject to lateral impact load The thesis use finite element method to analysis stress- strain state of single pile subject to lateral load Pile and ground is simulated with 3D soild elements by using ANSYS software Plastic flow behaviour of soil abide by Mohr – Coulomb model rules Contact of pair is used to simulate soil – pile interaction

Conclusion and recommendations:

The analytical results show that a certain influence on work of pile suject to lateral load with simpilied ground model

Subsequent research, the author proposes to expand research abutment piles

layout with more diverse (asymmetric layout piles, piles skewers, )

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ này là công trình nghiên cứu của tôi Các

số liệu trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả luận văn chưa từng được công bố trên bất cứ công trình khoa học nào Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn

Trân trọng

Nguyễn Duy Luân

DANH MỤC CÁC BẢNG xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH xv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tổng quan về sự cố của nền đắp sát mố và của mố 1

1.2.1 Tổng quan về mố cầu và các tác động vào móng mố cầu 1

1.2.1.1 Mố cầu [2] 1

1.2.1.2 Các tác động tương tác giữa đất và cọc khi cọc đi qua lớp đất yếu 2 1.2.2 Các hiện tượng sự cố về mố cầu và công trình tương tự 6

1.2.2.1 Sự cố cầu Xáng Củ Chi, Tp Hồ Chí Minh [5] 6

1.2.2.2 Sự cố cầu Trường Phước [5] 6

1.2.2.3 Sự cố đường đầu cầu Thông Lưu, QL 1, Tỉnh Tiền Giang [5] 7

1.2.2.4 Sự cố mố cầu Kinh Ngang, Quận 8, Tp Hồ Chí Minh [6] 7

1.2.2.5 Sự cố mất ổn định chuyển dịch móng cọc mố cầu Kỳ Hà IV [6] 8

1.2.2.6 Sự cố sập mố cầu Trà Niền, Cần Thơ [5] 9

1.2.2.7 Sự cố cầu An Nghĩa trên đường Nhà Bè, Cần Giờ [5] 10

1.2.2.8 Sụp mố cầu dây văng Bình Phong Thạnh ở Long An 11

1.2.2.9 Nhận xét về chung về sự cố mố cầu ở khu vực Tp HCM & Đồng bằng sông Cửu Long 11

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 14

1.5 Nhận xét của chương 1 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang [22] 17

2.1.1 Phương pháp Winkler 18

2.1.2 Phương pháp đường cong p - y 19

2.2 Mô hình đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic) 21

2.3 Mô hình Mohr - Coulomb (MC) [23] 21

2.3.1 Mặt dẻo [24] 22

2.3.2 Thế năng của đất [24] 25

2.3.3 Các thông số cơ bản của mô hình Mohr – Coulomb 27

2.3.3.1 Mô đun đàn hồi (E) [25] 27

2.3.3.2 Hệ số Poisson (ν) 29

2.3.3.3 Lực dính, góc ma sát trong (c, φ) 30

2.3.3.4 Góc giãn nở (ψ) 33

2.4 Phần tử tiếp xúc 33

2.5 Khái niệm về phân tích phi tuyến (Analysis Type) 34

2.5.1 Khái niệm về phân tích phi tuyến 34

2.5.2 Phương pháp Newton-Raphson 36

2.5.3 Tiêu chuẩn hội tụ và sai số 37

2.6 Nhận xét của chương 2 39

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THAM SỐ 40

3.1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu 40

3.2 Phương án phân tích 42

3.3 Mô hình phần tử hữu hạn bằng Ansys MAPDL V17.2 43

3.3.1 Giới thiệu về phần mềm ANSYS 43

3.3.1.1 Giới thiệu 43

3.3.1.2 Trình tự giải phần mềm ANSYS 43

3.3.2 Mô hình hoá bằng ANSYS 44

3.3.2.1 Loại phần tử (Element Types) 44

3.3.2.2 Thuộc tính vật liệu (Material Properties) 45

3.3.2.6 Tải trọng (Loads) 52

3.3.2.7 Điều kiện biên (Boundary Conditions) 53

3.3.2.8 Kiểu phân tích (Analysis Type) 54

3.4 Bài toán so sánh, kiểm tra sự vận hành của chương trình ANSYS 55

3.5 Kết quả phân tích 56

3.5.1 Các trường hợp phân tích 56

3.5.2 Kết quả phân tích các trường hợp 58

3.5.2.1 Trường hợp 1P_LL (1 cọc tải ngang) 58

3.5.2.2 Trường hợp 1P (1 cọc tải đứng) 63

3.5.2.3 Trường hợp 2P_4D (2 Cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 4D) 68

3.5.2.4 Trường hợp 2P_3.5D (2 Cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 3.5D) 71

3.5.2.5 Trường hợp 2P_3D (2 Cọc, khoảng cách cọc 3D) 74

3.5.2.6 Trường hợp 2P_2.5D (2 Cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 2.5D) 77

3.5.2.7 Trường hợp 2P_2D (2 cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 2D) 80

3.6 Nhận xét chương 3: 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

KẾT LUẬN 85

KIẾN NGHỊ 85

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 86

Lý LỊCH TRÍCH NGANG 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

f’c cường độ chịu nén của bê tông

LE_Interface Mô hình đất Linear – Elastic, có phần tử tiếp xúc

Bảng 2.1 Các tham số của mô hình Mohr-Coulomb 27

Bảng 2.2 Xác định E từ kết quả thí nghiệm SPT và CPT 28

Bảng 2.3 Hệ số Poisson của đất: 29

Bảng 2.4 Các dạng tiếp xúc được dùng trong ANSYS [26] [27] 34

Bảng 2.5 So sánh phương pháp Incremental (Cộng dồn) và Newton - Raphson 36

Bảng 2.6 So sánh phương pháp Full Newton - Raphson và Newton - Raphson 37

Bảng 3.1 Quy ước cách đặt tên các mô hình khảo sát 42

Bảng 3.2 Quy ước đặt tên các trường hợp phân tích 42

Bảng 3.3 Lập các phương án phân tích 42

Bảng 3.4 Loại phần tử cho mô hình 44

Bảng 3.5 Vật liệu đài cọc và cọc (Bê tông cốt thép – Linear Elastic) 45

Bảng 3.6 Vật liệu thép 45

Bảng 3.7 Thông số các lớp đất 46

Bảng 3.8 Khai báo thuộc tính vật liệu 46

Bảng 3.9 Kích thước các đối tượng 49

Bảng 3.10 Thuộc tính lưới cho mô hình 49

Bảng 3.11 Kích thước đặc trưng của phần tử: 50

Bảng 3.12 Điều kiện biên mô hình 54

Bảng 3.13 Dòng lệnh thiết lập cho trường hợp phân tích tuyến tính 54

Bảng 3.14 Dòng lệnh thiết lập cho trường hợp phân tích phi tuyến 54

Bảng 3.15 Hộp thoại phi tuyến “Non linear” và thiết lập tiêu chuẩn hội tụ, sai số (mặc định) 55

Bảng 3.16 Hộp thoại thiết lập các thông sô nâng cao 55

Bảng 3.17 Bảng các vị trí khảo sát 57

Bảng 3.18 So sánh chuyển vị cọc, ứng suất cọc, ứng suất đất trường hợp 1P_LL, 1P 67

Bảng 3.19 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_4D 69

Bảng 3.20 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_4D 69

Bảng 3.21 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_4D 70

Bảng 3.22 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_3.5D 72

Bảng 3.23 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_3.5D 72

Bảng 3.24 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_3.5D 72

Bảng 3.25 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_3D 75

Bảng 3.26 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_3D 75

Bảng 3.27 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_3D 75

Bảng 3.28 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_2.5D 78

Bảng 3.29 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_2.5D 78

Bảng 3.30 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_2.5D 78

Bảng 3.31 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_2D 81

Bảng 3.32 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_2D 81

Bảng 3.33 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_2D 81

Hình 1.4 Xác định thành phần Ft [4] 4

Hình 1.5 Sự cố đường vào cầu Trường Phước 7

Hình 1.6 Ảnh về sự cố cầu Kênh Ngang số 2 8

Hình 1.7 Phác họa hiện trạng sự cố cầu Kỳ Hà IV 9

Hình 1.8 Sự cố mố cầu Kỳ Hà IV, Quận 2, TP Hồ Chí Minh 9

Hình 1.9 Hiện trường vụ sạt lở đường dẫn vào cầu và sập mố cầu 10

Hình 1.10 Sự cố cầu An Nghĩa 10

Hình 1.11 Áp lực ngang tác dụng lên nhóm cọc (2×1) 12

Hình 1.12 Áp lực ngang tác dụng nhóm cọc (2×2) 13

Hình 1.13 So sánh áp lực ngang tác dụng lên cọc của các nhóm cọc khác nhau: 13

Hình 1.14 Sụp lún đường đầu cầu - cầu Romero [15] 14

Hình 1.15 Kết quả biểu đồ mô men, chuyển vị của cọc [19] 15

Hình 2.1 Mô hình đường cong p-y 20

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mô hình Mohr - Coulomb21 Hình 2.3 Mặt dẻo trong mô hình Mohr – Coulomb 23

Hình 2.4 Phương trượt trong mặt phẳng lệch 24

Hình 2.5 Hàm trượt trong không gian ứng suất chính 25

Hình 2.6 Quy luật chảy dẻo 26

Hình 2.7 Xác định mô đun đàn hồi của đất nền E 27

Hình 2.8 Xác định E0 và E50 qua thí nghiệm nén ba trục thoát nước: 28

Hình 2.9 Xác định mô đun cắt 28

Hình 2.10 Xác định hệ số Poisson 29

Hình 2.11 Xác định góc ma sát trong và lực dính đơn vị 30

Hình 2.12 Xác định giá trị c và φ bằng phương pháp hình học 31

Hình 2.13 Xác định c, φ bằng phương pháp hình học 32

Hình 2.14 Xác định giá trị c và φ từ thí nghiệm UU 32

Hình 2.15 Xác định giá trị c và φ từ thí nghiệm CD 32

Hình 2.16 Xác định góc giãn nở 33

Hình 2.17 Khái niệm phân tích tuyến tính (a) và phi tuyến (b) 35

Hình 2.18 Phương pháp luận phân tích số của phân tích phi tuyến 35

Hình 2.19 Sự hội tụ của phương pháp phân tích phi tuyến 36

Hình 2.20 Phương pháp phân tích số của phân tích phi tuyến Full Newton – Raphson và Modified Newton - Raphson (Chỉ xét 2 phương pháp) 37

Hình 2.21 Quá trình phân tích phi tuyến trong Ansys 38

Hình 2.22 Thiết lập dung sai cho tiêu chuẩn hội tụ 39

Hình 3.1 Mô hình thực mố cầu được mô phỏng bằng ANSYS 40

Hình 3.2 Cấu tạo mố cầu được dùng để phân tích 40

Hình 3.3 Mô hình tính toán được đơn giản hóa 41

Hình 3.4 Phần tử SOLID 187 45

Hình 3.5 Cặp phần tử đối tiếp xúc TARGE170 - CONTA174 [30] [31] 45

Hình 3.6 Mô hình tính toán đã được đơn giản hóa 48

Hình 3.7 Mô hình 3D lưới phần tử hữu hạn cho 1 cọc 50

Hình 3.8 Mô hình 3D lưới phần tử hữu hạn cho 2 cọc 51

Hình 3.9 Mô hình 3D lưới phần tử hữu hạn cho phẩn tiếp xúc 51

Hình 3.10 Sơ đồ ước lượng tải trọng ngang 52

Hình 3.11 Điều kiện biên mô hình 53

Hình 3.12 Ứng xử của cọc 56

Hình 3.13 Chuyển vị ngang của cọc, 58

Hình 3.14 Ứng suất của cọc, 58

Hình 3.15 Ứng suất của đất nền, 58

Hình 3.16 Chuyển vị ngang cọc 1P, Ux 63

Hình 3.17 Ứng suất của cọc, 1P, σz 63

Hình 3.18 Ứng suất của đất nền,1P, σx 63

Hình 3.19 Nêm đất 1P tại vị trí z= -6.1m 65

Hình 3.20 Chuyển vị ngang của cọc trước và sau,2P_4D, Ux 68

Hình 3.21 Ứng suất của cọc trước và sau, 2P_4D, σz 68

Hình 3.26 Ứng suất của đất nền, 2P_3.5D, σx 71

Hình 3.27 Nêm đất 2P_3.5D tại vị trí z=-6.1m 73

Hình 3.28 Chuyển vị ngang của cọc, 2P_3D, Ux 74

Hình 3.29 Ứng suất của cọc, 74

Hình 3.30 Ứng suất của đất nền, 74

Hình 3.31 Nêm đất 2P_3D tại vị trí z=-6.1m 76

Hình 3.32 Chuyển vị ngang của cọc, 2P_2.5D, Ux 77

Hình 3.33 Ứng suất của cọc, 77

Hình 3.34 Ứng suất của đất nền, 2P_2.5D, σx 77

Hình 3.35 Nêm đất 2P_2.5D tại vị trí z=-6.1m 79

Hình 3.36 Chuyển vị ngang của cọc, 2P_2D, Ux 80

Hình 3.37 Ứng suất của cọc, 80

Hình 3.38 Ứng suất của đất nền, 80

Hình 3.39 Nêm đất 2P_2D tại vị trí z=-6.1m 82

Hình 3.40 Ứng suất đất nền các trường hợp , độ sâu -2m 83

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Theo Quy hoạch phát triển GTVT vùng kinh tế trọng điểm vùng đồng bằng sông Cửu Long đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030, ở ĐBSCL từng bước xây dựng các tuyến đường bộ cao tốc; đưa vào cấp kỹ thuật hệ thống đường tỉnh và mở mới một số tuyến cần thiết Tuy nhiên đặc điểm địa chất yếu, và hệ thống sông dày đặc là một thách thức đáng kể cho việc xây dựng công trình cầu đường ở vùng này Nền đắp của đoạn đường đầu cầu gây ra một số tác động ngang lên cọc của mố cầu Thứ nhất, đất đắp gây ra áp lực ngang trực tiếp lên tường mố, sau đó truyền cho nhóm cọc Thứ hai, đất đắp sẽ làm nền đất bên dưới bị biến dạng ngang Biến dạng ngang này cũng sẽ tác động lên nhóm cọc [1]

2 Mục đích nghiên cứu

Với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS V17.2 (Mechanical APDL), mục đích của luận văn là nghiên cứu áp dụng mô hình đất Mohr – Coulomb và phần tử tiếp xúc để phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng của móng cọc khoan nhồi của mố cầu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng của móng cọc khoan nhồi của mố cầu

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu mô phỏng, …

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Đưa ra những khuyến cáo về ứng xử của móng cọc khoan nhồi của mố cầu chịu tác động của khối đất đầu cầu

6 Cấu trúc đề tài

Phần Mở đầu

1.3 Kết luận chương

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu chương

Diễn giải cơ sở lý thuyết, lý luận, giả thiết khoa học và phương pháp nghiên cứu

sử dụng; Tổng hợp, thu thập, phân tích, đánh giá các số liệu trên cơ sở lý thuyết, giả thiết khoa học để giải quyết vấn đề mà đề tài quan tâm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu

Hầu hết cọc là được thiết kế chịu tải chủ động Tải chủ động từ kết cấu bên trên truyền một cách trực tiếp đến bệ cọc và móng cọc Tuy nhiên trong nhiều trường hợp cọc không được thiết kế chịu được tải bị động, tải bị động được tạo ra do bởi biến dạng và chuyển vị của đất xung quanh cọc do trọng lượng khối đất và tải trọng tạm thời Tải bị động nói trên có thể dẫn đến những sự cố và hư hỏng của kết cấu Ví dụ cho những trường hợp này bao gồm cọc đỡ mố cầu với nền đắp liền kề, móng cọc có sẵn với việc đóng cọc, các hoạt động đào đường hầm

Dưới tác dụng của áp lực đất, hoạt tải xe sau mố và lực ngang do sự dịch chuyển của lớp đất yếu tác dụng vào cọc gây ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của mố cầu cũng như kết cấu bên trên

Nội dung luận văn cao học này tập trung phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng của móng cọc khoan nhồi của mố cầu

1.2 Tổng quan về sự cố của nền đắp sát mố và của mố

1.2.1 Tổng quan về mố cầu và các tác động vào móng mố cầu

1.2.1.1 Mố cầu [2]

Trong công trình cầu, mố thuộc kết cấu phần dưới được chôn trong đất, nằm trong vùng ẩm ướt chịu xâm thực của xói lở Mố có các chức năng cơ bản :

- Chịu tải trọng thẳng đứng và nằm ngang từ kết cấu nhịp;

- Chịu áp lực đất đẩy ngang;

- Chống xói lở bờ sông

Hình 1.1 Cấu tạo chung của mố cầu

1) Tường đỉnh, 2) Mũ mố, 3) Tường trước, 4) Tường cánh, 5) Móng mố,

6) Đất đắp nón mố

1.2.1.2 Các tác động tương tác giữa đất và cọc khi cọc đi qua lớp đất yếu

Móng cọc mố cầu đặt trên nền đất thường gặp ảnh hưởng tương tác cọc đất và

sự di chuyển của đất theo phương ngang Thay thế lớp đất đắp có thể dẫn đến tải trọng ngang tác dụng lên hệ móng mố Sự chuyển vị của móng mố cần được xem xét kĩ lưỡng để đảm bảo ổn định cho kết cấu (Moulton et al, 1985)

Hình 1.2 Các lực tác động vào cọc [3]

- Tải trọng đất đắp và hoạt tải gây tải trọng lên lớp đất bên dưới là đất yếu cho

- Do sự dịch chuyển tương đối giữa lớp đất đắp và lớp đất yếu gây ứng suất cắt

Ta khảo sát các thành phần lực trên:

s p r

K

cmob : lực dính động giữa lớp đất đắp và lớp đất yếu

s : khoảng cách giữa hai cọc trong cùng hàng cọc

Theo các tác giả Baguelin (1977), Springman (1989), Bolton (1990) giá trị áp lực ngang tác dụng lên cọc trong lớp đất yếu có thể xác định cho mỗi cọc đơn trong điều kiện không thoát nước như sau:

yếu

khoan nhồi

h : chiều dày lớp đất yếu

s : khoảng cách giữa hai cọc trong cùng hàng cọc

Phương trình (1.5) được dẫn xuất từ giả thuyết đất yếu là đồng nhất và đẳng hướng

Khi tải trọng lớp đất gia tăng trong quá trình xây dựng nền đường trước mố cầu Tải trọng đất đắp gia tăng làm cho lớp đất yếu dưới tiến đến ngưỡng dẻo và do đó lớp đất yếu này sẽ di chuyển ngang khi đang ở trạng thái dẻo → áp lực ngang tác dụng vào cọc sẽ là lớn nhất có thể trong lớp đất yếu (đất sét không thoát nước) Khi này nếu có một sự gia tăng tải trọng nào nữa thì nền đất bên dưới sẽ phá hoại

Broms (1964) và Poulos & Davis (1980) cho đất sét yếu

thay bằng mố mới lùi vào phía trong, đường vào cầu phía Củ Chi lại bị trượt sâu dù

có bệ phản áp

Nguyên nhân:

- Không xét đến đất yếu, thực tế lại là có lớp bùn sét hữu cơ dày 6 m nhão loãng, lớp dưới 11 m sét dẻo mềm dẻo nhão, lớp tiếp theo là cát mịn bột loãng rời

- Không xét và tính đúng ổn định và biến dạng của công trình trên đất yếu

Do đó khi xử lý công trình này thì chúng ta phải xem xét và nghiên cứu thật kỹ

2 nguyên nhân trên

1.2.2.2 Sự cố cầu Trường Phước [5]

Vào tháng 4 năm 1999, tại mố B (phía xã Long Trường) đường vào cầu Trường Phước bị trượt Đất đắp sỏi đỏ đường vào cầu bị trượt trồi qua khoảng cách 1.5 m giữa các cọc bê tông cốt thép 35 cm × 35 cm dài 12 m đã đóng gia cường dọc theo

bờ sông nhánh Giữa các cọc, đã được sử dụng lớp cừ tràm đặt ngang, sau đó lấp đất sỏi đỏ mở rộng nền đường cũ Chiều cao đất đắp từ chân taluy đến đỉnh tường đắp mới là 6 m Nếu tính từ mặt đường cũ là 2.2 m Đất trượt đã đạp gãy lớp cừ tràm ngang trên chiều dài hơn 30 m đường vào cầu

Hình 1.5 Sự cố đường vào cầu Trường Phước

1.2.2.3 Sự cố đường đầu cầu Thông Lưu, QL 1, Tỉnh Tiền Giang [5]

Cầu Thông Lưu trên Quốc lộ 1, tại Huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang vừa khánh thành ngày 14/05/1999, đến ngày 23/05/1999 bị sạt taluy 1/3 nền đường đầu cầu, làm trượt 3 căn nhà xuống sông, phải tốn thêm 1.1 tỷ đồng sữa chữa

1.2.2.4 Sự cố mố cầu Kinh Ngang, Quận 8, Tp Hồ Chí Minh [6]

Ngày 08/01/2000, tường kè bê tông cốt thép trên hệ cọc 35 cm × 35 cm đóng sâu 24 m dọc đường vào Cầu Kênh Ngang, Phường 15, quận 8, bị sạt đẩy ra Kênh Tàu Hũ 4.5 m; làm sụp đổ mố cầu, phải tốn thêm hơn 3 tỷ đồng sữa chữa

Hình 1.6 Ảnh về sự cố cầu Kênh Ngang số 2

1.2.2.5 Sự cố mất ổn định chuyển dịch móng cọc mố cầu Kỳ Hà IV [6]

Cầu Kỳ Hà IV được xây dựng trên đường Vành đai phía Đông thành phố Hồ Chí Minh Đất yếu ở khu vực này có chiều dày tương đối lớn Trong quá trình xây dựng, vào tháng 5 năm 2009, các mố cầu đã bị dịch chuyển

Đến tháng 6 năm 2009 cầu Kỳ Hà IV đã được đổ bê tông xong Khi kiểm tra kích thước trước khi gác dầm lên mố người ta thấy các mố này đều dịch chuyển về phía lòng rạch với độ dịch chuyển thay đổi từ 5.6 cm đến 9 cm Số liệu quan trắc được tại từng mố được tổng hợp trong Bảng 1.1 dưới đây

Bảng 1.1 Chuyển vị của mố cầu

(cm)

Thời điểm ghi nhận Cầu Kỳ Hà IV -

Hình 1.7 Phác họa hiện trạng sự cố cầu Kỳ Hà IV

Hình 1.8 Sự cố mố cầu Kỳ Hà IV, Quận 2, TP Hồ Chí Minh

1.2.2.6 Sự cố sập mố cầu Trà Niền, Cần Thơ [5]

Năm 2010, khi cầu Trà Niền (huyện Phong Điền, Cần Thơ) vừa được cho xe lưu thông tạm thì xảy ra sự cố Khoảng 100 m đường đầu cầu bị sạt xuống sông Cần Thơ kéo theo nhà dân, gây thiệt hại nghiêm trọng Lớp đất yếu dày cùng với việc dưới tác động của dòng chảy có thể là nguyên nhân gây ra sự cố

Hình 1.9 Hiện trường vụ sạt lở đường dẫn vào cầu và sập mố cầu

1.2.2.7 Sự cố cầu An Nghĩa trên đường Nhà Bè, Cần Giờ [5]

Hiện tượng: Mố cầu chuyển dịch về phía trước 6 m, gây phá hoại công trình Nguyên nhân:

- Do chiều dài cọc không đủ sâu vào lớp đất tốt

- Do điều kiện đất quá yếu và chiều dày lớp đất yếu là 17 m

- Do tải trọng công trình khá lớn

Hình 1.10 Sự cố cầu An Nghĩa

1.2.2.8 Sụp mố cầu dây văng Bình Phong Thạnh ở Long An

Cầu dây văng Bình Phong Thạnh bắc qua sông Vàm Cỏ Tây, Long An Cầu dài

120 m, nhịp giữa 60 m, độ thông thuyền 7 m, mặt cầu 3.8 m, tải trọng 5 tấn, được khởi công xây dựng tháng 4/2014 Trong khi đang thi công, cầu bị sụt mố

Nguyên nhân: khâu khảo sát địa chất sơ xài dẫn đến không có số liệu chính xác cho thiết kế

1.2.2.9 Nhận xét về chung về sự cố mố cầu ở khu vực Tp HCM & Đồng bằng

sông Cửu Long

Có thể thấy rằng từ các sự cố mất ổn định mố cầu của các công trình kể trên, sự mất ổn định đất đắp và tác động của đất đắp sau mố là một trong các tác nhân chủ yếu gây ra sự chuyển dịch và biến dạng của mố cầu Khu vực TP HCM và Đồng bằng sông Cửu Long hầu hết là đất yếu, rất thường xuyên xảy ra các sự cố như trên nên cần phải có các nghiên cứu về đất yếu nói chung và nền đắp đầu cầu nói riêng nhằm đảm bảo sự ổn định và an toàn của công trình

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Một số phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm về phân tích ứng xử của cọc đơn và nhóm cọc phải chịu tải ngang và sự chuyển động của khối đất Một sự xét lại tổng quát về các phương pháp này đã được thực hiện bởi STEWART et al [7] Hầu hết các phương pháp mô phỏng số được thực hiện dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn [8] [9] hoặc những phương pháp hữu hạn khác [10] [11] STEWART et al [8] đã

đề nghị phương pháp phần tử hữu hạn biến dạng phẳng cho nhóm cọc Trong nghiên cứu đó, các cọc được giả sử làm việc như một hệ thống tường chắn Ứng xử của hệ thống tường chắn được giả sử phụ thuộc vào mối quan hệ giữa áp lực và chuyển vị của đất Tuy nhiên, sự tiếp xúc giữa cọc và đất chưa được xem xét Trong một nghiên cứu sau đó thì BRANSBY và SPRINGMAN [12] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3D, do sự giới hạn về công nghệ máy tính nên vấn đề chia lưới phần tử còn thô và sự tập trung ứng suất xung quanh cọc chưa được khảo sát

- Mô phỏng phần tử hữu hạn ba chiều của nhóm cọc (2 ×1) và (2×2) được trình bày Sự di chuyển của đất yếu theo phương ngang và sự tiếp xúc giữa cọc và đất được cho thấy đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Sự phân chia giữa cọc và đất được mô phỏng và áp lực theo phương ngang tác động vào cọc được đánh giá hợp lý

- Áp lực khác nhau trên những hàng cọc của nhóm cọc khác nhau Áp lực tác động lên hàng cọc gần tải thì cao hơn những hàng khác do bởi rào “barrier” và hiệu ứng vòm trong những nhóm cọc

Hình 1.11 Áp lực ngang tác dụng lên nhóm cọc (2×1)

(a) Cọc sau; (b) Cọc trước

Hình 1.12 Áp lực ngang tác dụng nhóm cọc (2×2)

(a) Lớp đất 1; (b) Lớp đất 2

Hình 1.13 So sánh áp lực ngang tác dụng lên cọc của các nhóm cọc khác nhau:

a) Cọc sau; b) Cọc trước Ghee, E H & Guo, W D (2011) kết hợp mô hình vật lý và FLAC3D đã phân tích sự chuyển động của đất qua cọc Các phân tích khác nhau đã được trình bày: (1)

dự đoán kết quả của 2 thí nghiệm mô hình (có tải và không tải dọc trục), (2) khảo sát ảnh hưởng của sự di chuyển và chiều sâu ổn định của đất tác động lên cọc [14]

(b) (a)

Hình 1.14 Sụp lún đường đầu cầu - cầu Romero [15]

Kok Sien Ti, và cộng sự đã nghiên cứu mô hình cọc bị động chịu tải ngang Tải

bị động bao gồm áp lực và moomen uốn tác động lên cọc, điều này có ảnh hưởng đến khả năng làm việc của cọc và thậm chí phá hủy cọc [16]

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước

Lê Hữu Thọ (2014) đã đánh giá biện pháp gia cố ổn định và biến dạng của móng cọc mố cầu bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với những công trình có khối đất đắp cao nằm trên lớp đất yếu dày tương tự, vùng ảnh hưởng của khối đất đắp sâu tác dụng chuyển dịch ngang đến chân cọc đối với những cọc ngắn Vì vậy, giải pháp chôn cọc sâu hơn vào lớp đất có khả năng chịu lực tốt là cần thiết [17]

Nguyễn Duy Cường (2007) đã nghiên cứu sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc dưới mố trụ cầu” [18] Kết quả nghiên cứu cho thấy khi cọc làm việc theo nhóm

và khoảng cách giữa các cọc song song với phương của tải trọng ngang nhỏ hơn 8B (B là đường kính hoặc cạnh cọc) thì chuyển vị ngang và nội lực thân cọc tăng lên so với khi cọc làm việc riêng lẻ, khi đó khả năng chịu tải trọng ngang cực hạn của nhóm cọc nhỏ hơn tổng khả năng chịu tải trọng ngang cực hạn của các cọc đơn

Nguyễn Anh Dân đã kết luận việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình Winkler dựa trên đường cong p-y phản ánh chính xác sự tương tác giữa cọc và nền đất khi chịu tải ngang [19] Theo đó, tác giả đã đưa ra bài toán so sánh tính cọc đơn chịu tác dụng đồng thời của tải trọng đứng, tải trọng ngang và mô men (Hình 1.15) theo 2 phương pháp: Phương pháp tính phụ lục G của tiêu chuẩn TCXD 205-1998 [20] và Phương pháp cọc – đất làm việc đồng thời sử dụng đường cong quan hệ tải trọng - biến dạng được tính toán bằng phần mềm FB Multi Pier

Hình 1.15 Kết quả biểu đồ mô men, chuyển vị của cọc [19]

Bảng 1.2 Giá trị chuyển vị và mô men lớn nhất tính theo TCXD 205-1998 và tính

theo phần mềm FB Pier [19]

(mm)

Mô men lớn nhất (kNm)

Theo TCXD 205-1998, tương tác giữa cọc và đất nền được xác định thông qua

hệ số tỷ lệ K, phụ thuộc vào từng loại đất và có phạm vi biến thiên khá rộng, do đó

tương tác động lực học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh, tải trọng động nằm ngang đặt tại vị trí bất kỳ

Nhìn chung, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã tập trung phân tích về ứng

xử của cọc chịu tác dụng của tải trọng ngang khá phổ biến Tuy nhiên yếu tố 3D và

sự tiếp xúc giữa cọc và đất chưa được nghiên cứu một cách hoàn thiện nhất

1.5 Nhận xét của chương 1

Chương 1 đưa ra cái nhìn tổng thể tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của khối đất đến mố cầu đồng thời cũng trình bày một số sự cố công trình

có liên quan đến mố cầu

Dựa vào các sự cố được trình bày, nhận thấy tác động khối đất đắp sau mố là một trong những tác nhân gây ra sự chuyển vị và biến dạng của mố cầu Thêm vào

đó lớp đất yếu có chiều dày lớn dẫn đến hệ thống móng cọc mố cầu chịu thêm áp lực ngang và tăng chuyển vị của mố cầu

Ngoài ra, với các đặc thù như có chiều cao đất đắp thường lớn hơn ở các đoạn đường khác, mức độ rủi ro lại tăng lên do nằm ngay ở mép sông Do đó các sự cố ở vùng đường đầu cầu trên đất yếu thường xảy ra

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang [22]

Phương pháp để giải quyết bài toán tương tác kết cấu – đất có thể được chia thành 2 phương pháp: phương pháp trực tiếp (direct approach) và phương pháp kết cấu bên dưới (substructure approach)

Phương pháp kết cấu bên dưới là phương pháp chia nhỏ kết cấu – đất thành từng phần và dùng nguyên lý cộng tác dụng để tính toán kết quả Phương pháp này không khả dụng cho bài toán động về phản ứng của kết cấu và chuyển động của đất xung quanh cọc

Những phương pháp phân tích, thiết kế trong quá khứ giả sử rằng móng của kết cấu ngàm chặt vào nền đất (Zhang et al (1998), Celebi (2001)) Tuy nhiên trong những thập kỉ qua, những nghiên cứu chỉ ra rằng tương tác giữa kết cấu và đất (SSI) đóng vai trò quan trọng trong phản ứng của hệ kết cấu do khối lượng và độ cứng của kết cấu và đặc biệt là độ cứng của đất

Nghiên cứu của Lu et al (2003) về tương tác động của kết cấu – đất nền của khung nhà 12 tầng sử dụng móng bè-cọc bằng phần mềm ANSYS tập trung vào ảnh hưởng của các yếu tố: tính chất của đất, độ cứng kết cấu, độ sâu chôn móng, tính chất động học của tương tác kết cấu - đất Nghiên cứu chỉ ra rằng khi độ cứng kết cấu tăng lên ảnh hưởng của tương tác kết cấu – đất nền sẽ tăng theo

Phương pháp phân tích cọc đơn thường được dùng cho các kết cấu dọc bờ biển như cọc neo, cọc bến Tuy nhiên, các nhà cao tầng, dàn khoan ngoài khơi, bến cảng, cầu cạn và móng cọc cầu được xây dựng trên nhóm cọc Sự khác nhau giữa ứng xử của cọc đơn và nhóm cọc là ứng xử nhóm cọc bị ảnh hưởng bởi tương tác cọc đất phi tuyến, ảnh hưởng của bệ cọc, khoảng cách cọc, các bố trí cọc (Charles et al.2001) Vì vậy, để hiểu rõ hơn về ứng xử của nhóm cọc, trước tiên cần xem xét ứng xử của cọc đơn

- Phương pháp đàn hồi liên tục

- Phương pháp phần tử hữu hạn

2.1.1 Phương pháp Winkler

Phương pháp Winkler cũng gọi là phương pháp hệ số nền là phương pháp cổ điển để dự đoán biến dạng cọc và mô men uốn Phương pháp này sử dụng một chuỗi những lò xo tuyến tính không liên kết để mô phỏng độ cứng của đất xung quanh cọc

của cọc đơn có thể được giải quyết bằng bài toán dầm đàn hồi trên nền đàn hồi (Hetenyi 1946) Đó là một phương trình vi phân bậc bốn của dầm chịu uốn như sau:

Lời giải của phương trình (2.1) được đưa ra dựa trên giả thiết tối giải hóa Kh

tuyến tính trong đất rời Poulos and Davis (1980) và Prakash and Sharma (1990) đưa

ra bảng tính và biểu đồ có thể dùng để xác định biến dạng cọc, độ dốc (độ dốc của đường cong biến dạng) và mô men dựa trên độ sâu và một hệ số không thứ nguyên

Cho dù được dùng phổ biến, phương pháp trên thường bị chỉ trích do thiếu sót

về mặt lý thuyết và những giới hạn của nó Bất cập chủ yếu của phương pháp này là

hệ số nền phải là một tính chất đồng nhất của đất, nó phụ thuộc vào tính chất của cọc

và độ lớn của biến dạng Phương pháp này thực tế là bán kinh nghiệm vì đã bỏ qua lực nén dọc trục của cọc và mô hình sử dụng là không liên tục Do đó, lò xo đàn hồi tuyến tính trong mô hình Winkler tách biệt với ứng suất và biến dạng của những điểm khác theo dọc trục cọc

McClelland and Focht (1956) đề xuất một phương pháp hệ số nền bằng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình biến dạng của dầm bằng tải trọng phi tuyến và đường cong biến dạng để mô hình hóa đất nền Cách tiếp cận này được gọi

là phương pháp phân tích p-y Phương pháp này đã tiến triển trong những năm qua cùng với sự phát triển của máy tính và những phần mềm thương mại như COM624 (Wang and Reese 1993) và LPILE Plus3.0 (Reese et al., 1997) Phương pháp này sẽ được giới thiệu nối tiếp trong phần sau

2.1.2 Phương pháp đường cong p - y

Phương pháp p-y để phân tích phản ứng của cọc chịu tải ngang là sự phát triển của mô hình Winkler cơ bản, trong đó p là áp lực đất trên đơn vị chiều dài của cọc và

y là biến dạng của cọc Đất nền được mô hình hóa bằng một chuỗi p-y phi tuyến thay đổi theo chiều sâu của cọc Một ví dụ là của đường p-y được thể hiện trong Hình 2.1 Phương pháp này cũng là bán kinh nghiệm vì hình dạng của đường p-y được xác định

từ thí nghiệm hiện trường Reese (1977) đã phát triển một số đường cong kinh nghiệm cho những loại đất phổ biến bằng thực nghiệm trên những cọc thực tế Mô hình

Hình 2.1 Mô hình đường cong p-y

Phương pháp này cho kết quả tốt hơn phương pháp hệ số nền vì có kể đến ứng

xử phi tuyến của đất mà không bị giới hạn về mặt số học của phương pháp hệ số nền tuy nhiên, nó vẫn có một số hạn chế vì đượng cong p-y là khác nhau cho mỗi loại đất

ở từng vùng Do đó, tính liên tục tự nhiện của đất dọc theo chiều sâu cọc không được

mô phỏng hoàn toàn Thu thập dữ liệu cho đường cong p-y cũng như tìm hệ số nền