Ứng dụng cọc ống thép trong công trình chịu tải trọng ngang có kết cấu dạng trụ đài cứng

TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng cọc ống thép trong công trình chịu tải trọng ngang có kết cấu dạng trụ đài cứng NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1.. Trên cơ sở đó, luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng củ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHẠM THÀNH TRUNG

ỨNG DỤNG CỌC ỐNG THÉP TRONG CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CÓ KẾT CẤU DẠNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Nguyễn Danh Thảo

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: Ths Lâm Văn Phong

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 02/11/1986 Nơi sinh: Tp Hải Phòng

Chuyên ngành: Xây dựng công trình biển Mã số: 60 58 45

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng cọc ống thép trong công trình chịu tải trọng ngang có

kết cấu dạng trụ đài cứng

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Xác định mô hình tính toán trụ đài cứng chịu lực ngang

2 Phân tích hiệu quả kinh tế giữa cọc ống thép và cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực trong điều kiện cùng chịu một tải trọng ngang

3 Xác định phạm vi ứng dụng, tính kinh tế của cọc ống thép trong một số trường hợp địa chất, tải trọng nhất định

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:02/07/2012

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:30/11/2012

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: TS NGUYỄN DANH THẢO

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2: THS LÂM VĂN PHONG

Tp HCM, ngày…tháng…năm 2012

CB HƯỚNG DẪN

KHOA HỌC 1

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2

CHỦ NGHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trinh thực hiện đề tài này, tôi đã gặp rất nhiều trở ngại Tuy nhiên, với sự hướng dẫn nhiệt tình, khoa học cùng những lời động viên của Thầy TS Nguyễn Danh Thảo và Thầy Ths Lâm Văn Phong, tôi đã lần lượt vượt qua để hoàn thành được đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Nguyễn Danh Thảo và Thầy Ths Lâm Văn Phong đã tận tình dìu dắt tôi trong suốt thời gian vừa qua

Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Cảng - Công Trình Biển thuộc trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã tận tình chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên hữu ích giúp vượt qua mọi khó khăn để hoàn thảnh tốt luận văn

Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty CP Tư Vấn Xây dựng Công trình Hàng hải đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi để hoàn thành luận văn này

Luận văn này sẽ không hoàn thành nếu không có sự hỗ trợ to lớn từ gia đình, là nền tảng tinh thần vững chắc giúp tôi có thêm niềm tin và động lực để vượt qua những khó khăn trong thời gian thực hiện đề tài

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2012

Phạm Thành Trung

Kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang thường gặp trong các công trình cảng ở nước ta cũng như trên thế giới Ở các nước tiên tiến việc sử dụng cọc ống thép trong các kết cấu này khá phổ biến, tuy nhiên ở nước ta đa số lại sử dụng cọc ống BTCT DƯL Mặc dù cọc ống thép có rất nhiều ưu điểm so với cọc ống BTCT DƯL nhưng thường bị loại ngay từ đầu vì lý do giá thành đắt mà chưa thấy nêu cơ sở có tính thuyết phục (thường 2 phương

án kết cấu xem xét ứng với 2 loại cọc không cùng khả năng chịu lực nên việc so sánh chúng với nhau là khập khiểng)

Trong luận văn có phân tích các lý thuyết tương tác giữa cọc với đất nền theo một

số phương pháp và quyết định chọn phương pháp đường cong p-y (mô hình nền phi tuyến theo phương ngang) để sử dụng trong tính toán nghiên cứu Trên cơ sở đó, luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lực ngang tác động lên trụ đối với các thành phần nội lực trong cọc trong một số trường hợp đơn giản nhằm rút ra những kết luận ban đầu về khả năng ứng dụng của cọc ống thép trong các trụ đài cứng chịu lực ngang

Phạm vi nghiên cứu mặc dù còn khá hẹp (như số lượng cọc trong kết cấu là 4, địa chất chỉ xét 2 trường hợp đất sét và đất cát đồng nhất, lực ngang có vị trí và phương chiều

cố định) nhưng qua việc phân tích chi tiết sự làm việc phi tuyến của cọc trong nền đất và những kết quả tính toán cụ thể kết cấu trong mô hình nền phi tuyến theo phương ngang

có sự trợ giúp của phần mềm SAP 2000 và Excel, giúp ta xây dựng được các đồ thị tương quan giữa các thông số nghiên cứu của kết cấu Kết hợp với việc tính toán chi phí xây dựng cho từng phương án kết cấu, trong luận văn đưa ra những nhận xét và kết luận có tính thuyết phục cao về những trường hợp ứng dụng của cọc ống thép trong các trụ đài cứng chịu lực ngang

Horizontal bearing hard dolphins structures common in the harbor in our country

as well as around the world In advanced countries, the use of structural steel pipe pile in this fairly common, but in our country the majority of the use of pretressed reinforced concrete pipe piles Although steel pipe pile has many advantages over pretressed reinforced concrete pipe pile but usually excluded from the outset because of expensive but haven’t seen compelling basis yet (usually two structural plan review with two types

of pile bearing capacity should not compare them to each other is limp)

In the thesis, theoretical analysis of the interaction between the pile and soil background in a number of methods and decided p-y curve method (model background nonlinear horizontally) for use in computing research On that basis, the thesis focusing

on the influence of the horizontal force acting on the dolphins for the internal force components of the pile in some cases simply to draw initial conclusions about the applicability of steel pipe in the hozirontal bearing hard dolphin

Although research scope is relatively narrow (such as the number of bonds in the structure of 4, geologists consider only 2 cases of homogeneous clay and sandy soils, location and the horizontal force constant), but by detailed analysis of the nonlinear work

of stakes in the ground and the specific calculation results in the nonlinear model structure horizontally with the help of SAP 2000 software and Excel, help us build the Graph the relationship between the structural parameters of research Combined with the calculation of construction costs for each alternative structure, in writing to make comments and convincing conclusions about the case of application of steel pipe pile in the space station bearing hard horizontal

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Danh Thảo và THS Lâm Văn Phong

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tác giả luận văn

Phạm Thành Trung

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG V DANH MỤC HÌNH VI

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG TRONG THỰC TẾ 13

I.1 CÁC KẾT CẤU TRỤ THƯỜNG GẶP TRONG THỰC TẾ 13

I.2 CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CẢU KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG 16

I.2.1 Nền cọc 16

I.2.1.1 Cọc ống thép 16

I.2.1.2 Cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực 17

I.2.1.3 So sánh các đặc điểm cơ bản của cọc ống thép và cọc bê tông cốt thép dự ứng lực 19

I.2.2 Đài và liên kết cọc - đài 22

I.2.3 Các cấu kiện tiếp nhận lực ngang trong kết cấu trụ đài cứng 23

I.3 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CỌC ỐNG THÉP TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG 23

I.3.1 Tình hình sử dụng cọc ống thép tại Việt Nam 23

I.3.2 Tình hình sử dụng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang 26

CHƯƠNG II TÌNH HÌNH LÀM VIỆC CỦA CỌC TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG 28

II.1 SỰ TRUYỀN LỰC NGANG TỪ ĐÀI SANG CỌC 28

II.1.1 Bài toán phẳng 28

II.1.1.1 Phương pháp cơ học kết cấu 31

II.1.1.2 Phương pháp ma trận 32

I.1.2 Bài toán không gian 33

II.1.2.1 Phương pháp cơ học kết cấu 33

II.1.2.2 Phương pháp ma trận 35

II.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÁC THÀNH PHẦN NỘI LỰC XUẤT HIỆN TRONG CỌC KHI TRỤ CHỊU LỰC NGANG 37

II.2.1 Ảnh hưởng bước cọc đối với lực ngang tác dụng vào trụ 37

II.2.2 Ảnh hưởng độ xiên cọc đối với lực ngang tác dụng vào trụ 38

II.2.3 Ảnh hưởng góc nghiêng cọc trên mặt bằng 39

II.2.4 Kết luận 41

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU VỀ CỌC CHỊU LỰC DỌC TRỤC VÀ CỌC CHỊU LỰC NGANG TRỤC 42

III.1 SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC 42

III.1.1 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo điều kiện vật liệu 42

III.1.2 Sức chịu tải dọc trục của cọc theo điều kiện đất nền 43

III.1.2.1 Sức chịu tải cực hạn mũi cọc theo điều kiện đất nền 45

III.1.2.2 Sức chịu tải cực hạn do ma sát ở thành cọc 47

III.2 SỨC CHỊU TẢI NGANG TRỤC CỦA CỌC 51

III.2.1 Sức chịu tải ngang trục của cọc theo điều kiện vật liệu 51

III.2.2 Sức chịu tải ngang trục của cọc theo đất nền 51

III.2.2.1 Sức chịu tải ngang trục của cọc trong đất rời 51

III.2.2.2 Sức chịu tải ngang trục của cọc trong đất dính: 54

III.3 CÁC MÔ HÌNH TÍNH CỌC CHỊU LỰC ĐƠN GIẢN VÀ PHỨC TẠP 56

III.3.1 Tính toán cọc sử dụng chiều sâu quy đổi 59

III.3.1.1 Chiều sâu quy đổi theo tiêu chuẩn OCDI 2002 60

III.3.1.2 Chiều sâu quy đổi theo tiêu chuẩn TCXD 205:1998 60

III.3.1.3 Chiều sâu quy đổi theo tiêu chuẩn 22TCN 207-92 60

III.3.1.4 Nhận xét 62

III.3.2 Tính toán cọc làm việc đồng thời với đất nền 63

III.3.2.1 Mô hình nền tuyến tính theo phương ngang 63

III.3.2.2 Mô hình nền phi tuyến theo phương ngang 67

III.3.2.3 Mô hình nền phi tuyến theo phương đứng 75

III.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 78

III.3.3.1 Phương pháp phân tích 78

III.3.3.2 Phương pháp Plaxis 3D Foundation 81

III.3.4 So sánh kết quả tính toán đường cong p-y theo Phri và Matlock 84

III.3.4.1 Điều kiện địa chất 84

III.3.4.2 Điều kiện kết cấu 85

III.3.4.3 Phương pháp tính toán 85

III.3.4.4 Kết quả tính toán theo PHRI và MATLOCK 85

III.3.5 Lựa chọn mô hình để tính toán 86

CHƯƠNG IV SO SÁNH SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ỐNG THÉP VÀ CỌC ỐNG BTCT DƯL TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG 87

IV.1 MỤC TIÊU SO SÁNH 87

IV.2 PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH 87

IV.3 CÁC GIẢ THIẾT BAN ĐẦU 87

IV.3.1 Điều kiện địa chất 87

IV.3.2 Hình dạng kết cấu 89

IV.4 MÔ HÌNH TÍNH VÀ SƠ ĐỒ TÍNH CỦA KẾT CẤU 90

IV.4.1 Khả năng phân tích phi tuyến trong phần mềm Sap2000 [17] 90

IV.4.2 Kỹ thuật xây dựng mô hình 90

IV.5 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 92

IV.5.1 Tính toán kết cấu A 92

IV.5.1.1 Đồ thị tương quan trường hợp tính toán với ứng suất cho phép của cọc thép bằng 0.25.fy 92

IV.5.1.2 Đồ thị tương quan trường hợp tính toán với ứng suất cho phép của cọc thép bằng 0.50.fy 96

IV.5.2 Tính toán kết cấu B 98

IV.5.2.1 Đồ thị tương quan trường hợp tính toán với ứng suất cho phép của thép bằng 0.25.fy 98

IV.5.2.2 Đồ thị tương quan (trường hợp tính toán với ứng suất cho phép của thép bằng 0.5.fy) 101

IV.5.3 So sánh tính kinh tế 103

IV.6 ỨNG DỤNG CỌC ỐNG THÉP TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG 106

IV.6.1 Quan hệ (H~P~D) với T=6mm 106

IV.6.2 Quan hệ (H~P~D) với T=12mm 107

CHƯƠNG V NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 109

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHỤ LỤC I……… PLI 1 PHỤ LỤC II……… PLII 1 PHỤ LỤC III……… PLIII 1

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Tính chất cơ học 16

Bảng 2 Thông số về cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) 18

Bảng 3 Bảng so sánh các đặc điểm giữa hai loại kết cấu cọc 19

Bảng 4 Ảnh hưởng góc nghiêng trên mặt bằng đến ứng suất trong cọc 39

Bảng 5 Ứng suất cho phép về nén và kéo của cọc thép 42

Bảng 6 Ứng suất cho phép của cọc ống BTCT DƯL 42

Bảng 7 Quan hệ Nc và Df/B 47

Bảng 8 Giá trị  theo API 48

Bảng 9 Giá trị  theo Tomilson 48

Bảng 10 Hệ số phản lực ngang của nền 65

Bảng 11 Giá trị của nh 65

Bảng 12 Giá trị 50 cho đất sét 70

Bảng 13 Bảng xác định môđun phản lực nền k 72

Bảng 14 Bảng xác định kf 76

Bảng 15 Kết quả so sánh giữa hai phương pháp theo MATLOCK và PHRI 85

Bảng 16 Các nhóm đất xây dựng chính 88

Bảng 17 Phân loại độ chặt của đất cát theo hệ số rỗng e 88

Bảng 18 Phân loại đất dính theo độ bền chống cắt không thoát nước và theo SPT 88

Bảng 19 Thông số tính toán với đất cát 89

Bảng 20 Thông số tính toán với đất dính 89

Bảng 21 Bảng so sánh kinh phí, kết cấu A- đất cát xốp 103

Bảng 22 Bảng so sánh kinh phí, kết cấu A- đất dính Cu=2-4T/m2 104

Bảng 23 Bảng so sánh kinh phí, kết cấu B- đất cát xốp 104

Bảng 24 Bảng so sánh kinh phí, kết cấu B- đất dính Cu=2-4T/m2 105

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Trụ quay và trụ dẫn hướng 13

Hình 2: Kết cấu bến sử dụng trụ cập và trụ neo 13

Hình 3: Kết cấu trụ mềm phổ biến hiện nay ở một số nơi trên thế giới 14

Hình 4: Hình ảnh một số trụ đài cứng ở một số nơi trên thế giới 15

Hình 5: Mối quan hệ giữa ứng suất uốn dọc (max) và tỷ số độ dày thành ống so với đường kính (t/2r) 17

Hình 6: Tóm tắt xu hướng ứng dụng cọc ống thép 25

Hình 7: Cảng nhà máy xi măng Holcim, sử dụng cọc ống BTCT DƯL D600, (ảnh chụp từ 2008) Năm 2012, sửa chữa mới một phần sử dụng cọc ống thép D711 26

Hình 8: Kết cấu sử dụng cọc ống thép ở Cảng LPG Thị Vải 26

Hình 9: Kết cấu trụ đài cứng sử dụng cọc ống thép ở bến Bạch Đằng 27

Hình 10: Kết cấu trụ đài cứng sử dụng cọc ống thép trong giai đoạn thi công ở Cảng Vân Phong 27

Hình 11: (a) Sơ đồ tính móng cọc đài cao chịu tải trọng ngang 28

(b, c) Ảnh hưởng dịch chuyển ngang của đài bằng một đơn vị 28

Hình 12: Ảnh hưởng của dịch chuyển thẳng đứng của đài bằng một đơn vị 29

Hình 13: Ảnh hưởng của mômen với góc xoay bằng một đơn vị 30

Hình 14: Quy ước về hệ trục toàn cục, hệ địa phương, chuyển vị, nội lực tại các đầu cọc

35

Hình 15: Quy ước xác định góc i 35

Hình 16: Sơ đồ so sánh ảnh hưởng của bước cọc 38

Hình 17: Sơ đồ so sánh ảnh hưởng của độ xiên cọc 39

Hình 18: Sơ đồ so sánh ảnh hưởng của góc xoay cọc trên mặt bằng 40

Hình 19: Đồ thị xác định qmax 47

Hình 20: Quan hệ giữa theo độ sâu 49

Hình 21: Đồ thị tra p và l 50

Hình 22: Đồ thị xác định lực ma sát đơn vị giới hạn (fmax) 50

Hình 23: Phân bố áp lực đất phía trước cọc và ma sát bên xung quanh cọc khi chịu 53

áp lực ngang (Smith 1987) 53

Hình 24: Sức kháng ngang của cọc theo Poulos 1980 54

Hình 25: Phân bố áp lực đất dọc theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngang giới hạn theo a-Brom 1964, b- Mc Donald 1999, c- Poulos (1971) 55

Hình 26: a- Sơ đồ tính, b- mô hình nền Winklers, c- phản ứng phi tuyến của đất nền 55

Hình 27: So sánh các môđun được đơn giản hóa và phân bố ứng suất xung quanh cọc 56

Hình 28: (a), Kiểu phá hoại nêm đất của mặt đất, (b) Mặt phá hoại chínhsinh ra bởi cọc ở độ sâu vài mét dưới mặt đất 57

Hình 29: Mô hình phân tích cọc chịu tải trọng ngang 58

Hình 30: Các giá trị tính ngược của kh từ thí nghiệm thử tải ngang lên cọc 66

Hình 31: Tập hợp các đường p-y và biểu diễn chuyển vị của cọc 69

Hình 32: Đồ thị xác định hệ số zcr 71

Hình 33: Mối quan hệ giữa N và ks 73

Hình 34: Mối quan hệ giữa giá trị N và kc 74

Hình 35: Mối quan hệ giữa ks và bề rộng cọc 75

Hình 36: Đường biểu diễn quan hệ giữa f-w 75

Hình 37: Đồ thị quan hệ giữa f/fmax ~ w/2R 76

Hình 38: (a) Kết cấu trụ tính toán, (b) Mặt bằng cọc tính toán 85

Hình 39: (A).Kết cấu với tải trọng tác dụng có phương, chiều thay đổi (kết cấu A) 90

(B) Kết cấu với tải trọng tác dụng có phương, chiều không đổi (kết cấu B) 90

Hình 40: a Lựa chọn Link/Support Properties trong Define; b Hộp thoại xuất hiện chọn số bậc tự do u1, u2, u 3; c Nhập dữ liệu các quan hệ p-y, f-w, q-w tương ứng 91

Hình 41: a Lựa chọn draw 1 joint link trong Draw, b Gán các gối cho các phần tử đặc trưng bởi nút 92

Hình 42: Phân tích tải trọng ngang tác dụng dạng phi tuyến 92

Hình 43: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 93

Hình 44: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 93

Hình 45: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: trung bình) 93

Hình 46: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng tháit: trung bình) 94Hình 47: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) 94Hình 48: Tương quan đường kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) 94Hình 49: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=4-7.5 T/m2) 95Hình 50: Tương quan đường kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=4-7.5 T/m2) 95Hình 51: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 96Hình 52: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 96Hình 53: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) 97Hình 54: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (Cu=2-4 T/m2) 97Hình 55: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 98Hình 56: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 98Hình 57: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: trung bình) 99Hình 58: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: trung bình) 99Hình 59: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) 99Hình 60: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) 100Hình 61: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=4-7.5 T/m2) 100Hình 62: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=4-7.5 T/m2) 100Hình 63: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 101Hình 64: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 102Hình 65: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) 102Hình 66: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) 102Hình 67: Đồ thị tương quan lực tác dụng vào đài~đường kính cọcvới các độ sâu (H) khác nhau 106Hình 68: Đồ thị tương quan các hệ số a, b theo H 107Hình 69: Đồ thị tương quan lực tác dụng vào đài~đường kính cọcvới các độ sâu (H) khác nhau 107Hình 70: Độ thị tương quan các hệ số a, b theo H 108

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay định hướng phát triển hệ thống cảng biển của Việt Nam đang gắn liền với quyết định phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ về:"Quy hoạch phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam đến năm 2020, định hướng đến năm 2030" Trong đó mục tiêu cụ thể có nêu:"Tập trung xây dựng một số cảng nước sâu cho tàu trọng tải lớn đạt tiêu chuẩn quốc tế Đặc biệt là cảng trung chuyển quốc tế Vân Phong – Khánh Hòa để tiếp nhận được tàu container sức chở 9,000÷15,000 TEU hoặc lớn hơn, tàu chở dầu 30÷40 vạn DWT; cảng cửa ngõ quốc tế Hải Phòng, Bà Rịa – Vũng Tàu để tiếp nhận được tàu trọng tải 8÷10 vạn DWT, tàu container sức chở 4,000÷8,000TEU…cảng chuyên dùng cho các liên hợp lọc hóa dầu, luyện kim, trung tâm nhiệt điện chạy than" Qua đó cho thấy quan điểm và mục tiêu phát triển trong tương lai là:"Tận dụng tối đa lợi thế về vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên để phát triển toàn diện hệ thống cảng biển, đột phá đi thẳng vào hiện đại, nhanh chóng hội nhập với các nước tiên tiến trong khu vực về lĩnh vực cảng biển"

Cũng trong quyết định phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ có phân loại theo quy mô, chức năng nhiệm vụ: hệ thống cảng biển Việt Nam có các loại cảng như sau: Cảng tổng hợp quốc gia, cảng địa phương và cảng chuyên dùng Trong đó, Cảng chuyên dùng: phục vụ trực tiếp cho các cơ sở công nghiệp tập trung, hàng qua cảng có tính đặc thù chuyên biệt (dầu thô, sản phẩm dầu, than quặng, xi măng, clinke, hành khách, ) Đối với kết cấu cảng loại này không yêu cầu kích thước quá lớn của sàn công nghệ mà chỉ cẩn đủ để đặt các thiết bị công nghệ chuyên dùng phục vụ cho việc bơm, rót từ tàu đến trạm và ngược lại, loại kết cấu với cảng loại này bao gồm các trụ cập, trụ neo tàu đóng vai trò lớn khi tàu khai thác ở bến Với loại kết cấu này, đối với nền đất yếu đến trung bình thì nền cọc là yếu tố quan trọng nhất quyết định về kỹ thuật và kinh tế

Nền cọc trong kết cấu trụ đài cứng hiện nay thường sử dụng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn, cọc bê tông cốt thép dự ứng lực, cọc ống thép Thực tế việc lựa chọn loại cọc đối với kết cấu trụ đài cứng hiện nay thường giữa hai loại cọc là cọc ống thép

và cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực Khi tiến hành so sánh các phương án cọc,

phương án cọc ống thép thường không được lựa chọn do nguồn cung chủ yếu phụ thuộc vào việc nhập khẩu từ nước ngoài dẫn đến làm tăng chi phí và thời gian thi công Hiện nay với việc du nhập của công nghệ chế tạo cọc ống thép vào Việt Nam giúp chủ động nguồn cung và làm giảm giá thành của phương án cọc ống thép Qua

đó làm tăng tính cạnh tranh của cọc ống thép so với cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực Nghiên cứu này sẽ phân tích chi tiết bằng lý thuyết tính toán và định lượng, đưa ra các nhận xét và kết luận về khả năng ứng dụng của cọc ống thép trong công trình chịu tải trọng ngang có kết cấu dạng trụ đài cứng

2 Nội dung nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng cọc ống thép trong công trình chịu tải trọng ngang có kết cấu dạng trụ đài cứng nhằm xác định các mục tiêu chính sau:

- Xác định mô hình tính toán trụ đài cứng chịu lực ngang

- Phân tích hiệu quả kinh tế giữa cọc ống thép và cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực trong điều kiện cùng chịu một tải trọng ngang

- Xác định phạm vi ứng dụng, tính kinh tế của cọc ống thép trong một số trường hợp địa chất, tải trọng nhất định

Các nội dung nêu trên được trình bày cụ thể trong luận văn trong 5 chương, nội dung khái quát của các chương như sau:

Chương 1: trong chương này chủ yếu giới thiệu các bộ phận cơ bản của kết cấu trụ đài cứng, tình hình sử dụng cọc ống thép ở Việt Nam, cũng như hình ảnh minh họa tình hình sử dụng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng

Chương 2: trong chương này nêu ảnh hưởng của cọc trong trụ đài cứng chịu lực ngang sẽ xuất hiện các thành phần nội lực với bài toán phẳng, bài toán không gian

và các yếu tố ảnh hưởng đến các thành phần nội lực xuất hiện trong cọc khi trụ chịu lực ngang

Chương 3: trong chương này sẽ nghiên cứu sức chịu tải dọc trục của cọc, sức chịu tải ngang trục của cọc theo điều kiện vật liệu và điều kiện đất nền Các mô hình tính cọc chịu lực đơn giản và phức tạp

Chương 4: So sánh sự làm việc của cọc ống thép và cọc ống BTCT DƯL trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang, trong chương này mục đích là xây dựng các đồ

thì quan hệ về tải trọng ngang tác dụng lên trụ với đường kính cọc, đồ thị quan hệ giữa tải trọng ngang tác dụng lên trụ với kinh phí và ứng dựng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng với một số chiều dày tính toán

Chương 5: Rút ra một số nhận xét về khả năng ứng dụng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

3 Phương pháp nghiên cứu

- Lập mô hình nghiên cứu ứng xử của cọc trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang

- Tập hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về bài toán cọc đơn chịu lực đơn giản

và chịu lực phức tạp, so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp này với nhau Từ

đó chọn mô hình để áp dụng trong nghiên cứu này

- Sơ đồ khối của nghiên cứu:

Đầu vào cọc ống BTCT DƯL Đường kính (D)

Mặt bằng cọc tính toán

So sánh hiệu quả kinh tế Thông số điều kiện địa chất thay đổi

Kết luận

Đầu vào cọc ống thép Đường kính (D)

Bề dày (t)

Xác định chi phí Tải trọng lớn nhất

tác dụng lên đài Thay đổi D (t)

4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

- Chỉ xét nền đơn giản, gồm 01 lớp đồng nhất quanh cọc (có trạng thái yếu đến trung bình) và một lớp đất tốt dưới mũi cọc.Đất nền được xem xét gồm 02 loại có tính chất khác biệt nhau và cũng thường gặp trong cấu tạo địa tầng ở Việt Nam: đất sét (đại diện cho loại đất dính) và đất cát (đại diện cho loại đất rời) Trường hợp đất nền nhiều lớp, gồm cả đất dính và đất rời, việc nghiên cứu khi cần thiết sẽ được thực hiện tương tự

- Không xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa hình, thủy văn, tải trọng, tác động (sóng, gió, dòng chảy, động đất)…

- Việc so sánh hiệu quả kinh tế giữa cọc ống thép và cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực chỉ xét đến giai đoạn thi công hoàn thành

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG

TRONG THỰC TẾ I.1 CÁC KẾT CẤU TRỤ THƯỜNG GẶP TRONG THỰC TẾ

Kết cấu bến chuyên dụng dạng trụ là loại bến mà thành phần chủ yếu là các trụ

để neo tàu và cập tàu Bến trụ thường thấy ở các cảng nước sâu, phục vụ cho các tàu lớn, có lực cập đến 600T, lực neo đến 250T, thường dùng cho các bến dầu, bến quặng… cách xa bờ, có cầu nối với bờ hay đường ống dẫn, dây cáp treo nối bờ… Kết cấu trụ được chia thành 2 loại chính là trụ cập và trụ neo:

+ Trụ cập (breasting dolphins hay berthing dolphins) cần mềm để tiêu tán năng lượng va của tàu Độ mềm có thể do biến dạng dẻo của bản thân trụ cập hay do biến dạng của đệm tàu hoặc do sự kết hợp của cả hai

+ Trụ neo (mooring dolphins) chỉ cần chịu được tải trọng gần như tĩnh và kinh tế nhất là được thiết kế dưới dạng khó uốn, thường dùng các cọc ông đường kính lớn

Ngoài ra còn có trụ quay và trụ dẫn hướng, trong đó trụ quay dùng để quay các tàu lớn ở nơi có bể cảng hẹp và trụ dẫn hướng dùng để dẫn tàu vào cảng, vào âu và

ụ

Hình 1: Trụ quay và trụ dẫn hướng

Hình 2: Kết cấu bến sử dụng trụ cập và trụ neo

Theo cách phân chia về kết cấu trụ có thể chia ra thành trụ đài mềm và trụ đài cứng

+ Với trụ đài mềm có đài dễ bị biến dạng khi chịu lực ngang gồm các cọc ống đường kính bé hay một tập hợp các cọc ống liên kết với nhau bằng các thanh giằng bằng thép hoặc đài bằng BTCT có độ cứng nhỏ như hình 3 Nhóm các cọc đứng được xây dựng trong một mũ bê tông cốt thép hoặc một khung giằng thép liên kết các cọc với nhau, phần trên là bản để lắp đặt các thiết bị phụ trợ Với loại kết cấu này thường sử dụng cọc ống bên trong có nhồi cát hoặc bê tông để tăng độ ổn định của cả

hệ Các trụ này thường được thiết kế để tiêu hao năng lượng động học của các tàu cập bến nhờ chuyển dịch của đài cọc Các tải trọng cập tàu tác dụng vào trụ, ngoài việc gây dịch chuyển tịnh tiến đài trụ còn có thể gây xoắn đài trụ Ưu điểm khi sử dụng cọc ống thép trong công trình loại này là do vật liệu cọc có độ dẻo cao, chúng thích hợp cho việc tiêu hao năng lượng, và độ bền cao của chúng

Hình 3: Kết cấu trụ mềm phổ biến hiện nay ở một số nơi trên thế giới

(Nguồn High Performance Fenders)

+ Trụ đài cứng thường sử dụng đài có kết cấu bê tông khối lớn, để liên kết các cọc với nhau như hình 4

Hình 4: Hình ảnh một số trụ đài cứng ở một số nơi trên thế giới

(Nguồn High Performance Fenders)

I.2 CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CẢU KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG

Các bộ phận cơ bản của kết cấu trụ đài cứng bao gồm: hệ thống nền cọc, đài trụ,

hệ thống bích neo, đệm tàu

I.2.1 Nền cọc

I.2.1.1 Cọc ống thép

a Yêu cầu về tính chất cơ học

Yêu cầu tính chất cơ học trong cọc ống thép cần tuân thủ chặt chẽ theo [18]

Độ giãn dài %

Giới hạn bền kéo của mối hàn (Mpa)

Độ chống nén bẹp, khoảng cách giữa các tấm phẳng (H), D đường kính ngoài của ống

b Yêu cầu về ứng suất trong cọc ống thép

Theo TCXD 205-1998 (Theo điều 3.3.2) : Ứng suất cho phép lớn nhất về nén và kéo

không được vượt quá giới hạn sau với cọc thép 0.25fy, với fy : giới hạn chảy của thép Theo tiêu chuẩn Anh BS6349 – Part 2 : 1988 (Theo điều 6.12.11.2) : Để hạn chế

ảnh hưởng do tăng ứng suất khi đóng cọc, ứng suất nén dọc trục trong cọc thép khi đóng trong các điều kiện chất tải tiêu chuẩn không nên vượt quá 0.3fy Giá trị này có thể tăng đến 0.5fy khi đóng qua lớp đất mềm và dừng ngay khi đi vào trong lớp đất chặt Ứng suất kéo dọc trong cọc thép trong các điều kiện chất tải tiêu chuẩn không nên vượt quá 0.3fy

c Uốn dọc trong quá trình thi công đóng cọc

Trong thiết kế cọc, người ta đề nghị là kiểm tra không chỉ tải trọng tác động sau khi

đã hoàn thiện việc xây dựng mà còn cả tải trọng khi đang vận chuyển và đóng cọc

Trong đó

py: Ứng suất uốn dọc của cọc thép xét đến độ dày của thành ống (kN/m2)

y: Ứng suất uốn dọc của cọc thép chịu tải trọng tĩnh (kN/m2)

t: Độ dày thành ống của cọc ống (mm)

r: Bán kính của cọc ống (mm)

Trongnhững trường hợp khác, không nên sử dụng cọc ống thép bên ngoài giới hạn được chỉ ra trong hình 5 Nếu có nguy cơ xảy ra hiện tượng uốn dọc, cọc thép nên được gia cố bằng đai thép hoặc nên sử dụng cọc dày hơn

Hình 5: Mối quan hệ giữa ứng suất uốn dọc (max ) và tỷ số độ dày thành ống

so với đường kính (t/2r)

I.2.1.2 Cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực

a Yêu cầu về ứng suất hữu hiệu của cọc PHC

Ứng suất hữu hiệu của cọc PHC là ứng suất nén trước tính toán của cọc PHC có tính đến các đặc tính biến dạng đàn hồi, co ngót của bê tông, sự suy giảm ứng suất do

từ biến của bê tông và sự suy giảm ứng suất do cốt thép bị chùng ứng suất

Theo Tiêu chuẩn Việt Nam 7888-2008: Ứng suất hữu hiệu tính toán của cọc PHC

cho từng cấp tải A, B, C tương ứng là 3920 kN/m2, 7850 kN/m2, 9810 kN/m2, với sai

số cho phép là 5%

Theo Tiêu chuẩn Nhật JIS 5373-2004: Mục 5-1, quy định ứng suất hữu hiệu trong

cọc PHC tương ứng với từng cấp tải A, B, C là 4,000 kN/m2, 8,000 kN/m2, 10,000 kN/m2

b Yêu cầu độ bền của thân cọc

Theo tiêu chuẩn Việt Nam : Theo [6], điều 4.2.2 độ bền uốn nứt thân cọc PC và cọc

PHC được xác định qua giá trị mômen uốn nứt nêu trong bảng 1 Giá trị mômen uốn trong thân cọc không được vượt quá giá trị này

Theo [8], điều 3.3.2 ứng suất nén trong cọc không được vượt quá giới hạn sau: 0.33fc – 0.27fpe Với fc : Cường độ chịu nén tính toán của bê tông, lấy theo [14], fpe: Giá trị ứng suất trước của tiết diện bê tông đã kể đến tổn thất (ứng suất hữu hiệu), [6]

Theo tiêu chuẩn Nhật

Theo [11], Phần V : Nền Móng - Chương 4: Sức chịu tải của móng cọc - Mục 4.4.4 : Ứng suất cho phép của vật liệu cọc, có đề cập đến ứng suất của cọc bê tông ứng suất trước cường độ cao như sau :

- Ứng suất nén - uốn cho phép : không được vượt quá 30% cường độ tiêu chuẩn thiết kế và không vượt quá 12MN/m2

- Ứng suất kéo – uốn cho phép : không được vượt quá 5MN/m2 (đối với cọc loại C), 3MN/m2 (đối với cọc loại B, A)

Theo tiêu chuẩn AASHTO (2002)

- Ứng suất nén trong cọc không được vượt quá giới hạn sau : 0.33fc – 0.27fpe, trong đó: fc lấy nhỏ nhất 34.5MPa, fpe lấy nhỏ nhất 5MPa

c Thông số về cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực nghiên cứu trong luận văn

Bảng 2 Thông số về cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL)

Đường kính

ngoài D

(mm)

Chiều dày thành cọc (mm)

Cấp tải

Mômen nứt (kN.m)

Ứng suất hữu hiệu (N/mm2)

Khả năng bền cắt (kN)

Đường kính

ngoài D

(mm)

Chiều dày thành cọc (mm)

Cấp tải

Mômen nứt (kN.m)

Ứng suất hữu hiệu (N/mm2)

Khả năng bền cắt (kN)

2 Công nghệ chế tạo Công nghệ phức tạp, đòi

hỏi tay nghề công nhân cao

Công nghệ phức tạp, đòi hỏi tay nghề công nhân cao

3 Tuổi thọ nếu không có

thêm biện pháp bảo vệ gì

Khá bền ngay cả ở vùng nước lợ và nước mặn

Khá bền ở vùng nước ngọt nhưng kém bền ở vùng nước lợ, kém bền nhất ở vùng nước mặn

4 Các biên pháp tăng

cường tuổi thọ thường

dùng ở VN

- Dùng XM bền sulfate để chế tạo vữa BT của cọc

- Quét sơn chống thấm mặt ngoài cọc

Sơn epoxy mặt ngoài cọc

5 Chất xếp cọc - Chất xếp phải chèn,

buộc đúng kỹ thuật

- Cẩu chuyển, cẩu dựng ít

- Chất xếp phải chèn, buộc đúng kỹ thuật

- Cẩu chuyển, cẩu dựng

TIÊU CHÍ SO SÁNH CỌC ỐNG BTCT DUL CỌC ỐNG THÉP

bị nứt, gãy cọc

- Hạ cọc bằng xung kích hoặc chấn động (rung) dễ gây nứt, gãy cọc, vỡ đầu cọc

ít khi gây hư hỏng cọc

- Hạ cọc ít gây sự cố cho cọc nhất

6 Cách thức nối cọc vào

kết cấu bên trên

- Phải chế tạo nút liên kết khá phức tạp

- Đơn giản nhất, chỉ cần hàn các râu thép vào thành cọc

7 Cách thức nối các phân

đoạn cọc

Phải cấu tạo sẵn các chi tiết chờ để nối cọc khi đúc cọc

Có thể nối tại bất cứ vị trí nào

8 Cấu tạo mũi cọc Có thể để hở mũi hoặc sử

dụng nhiều loại mũi

Có thể để hở mũi hoặc

sử dụng nhiều loại mũi Mũi cọc thường cần được gia cường khi đóng vào đất cứng

9 Cấu tạo đầu cọc và đầu

các phân đoạn cọc

Đầu cọc và đầu các phân đoạn cọc phải được gia cường để chịu lực xung kích khi đóng cọc

Đầu cọc và đầu các phân đoạn cọc không cần gia cường đặc biệt

Việc nối dài thêm cọc là rất dễ dàng, không mất nhiều thời gian (dùng mối nối khô)

11 Xử lý khi hạ cọc hạ

chưa đến cao độ TK nhưng

cọc đã đạt SCT yêu cầu

Cắt bớt đoạn đầu cọc, phần thừa gần như ko thể

sử dụng tiếp

Cắt bớt đoạn đầu cọc, phần thừa có thể sử dụng tiếp

12 Xử lý khi đầu cọc bị

hư hỏng

Việc làm lại đầu cọc mất nhiều thời gian (chờ BT đạt cường độ TK) hoặc

Chỉ cần cắt bỏ đoạn hư hỏng là có thể đóng cọc

TIÊU CHÍ SO SÁNH CỌC ỐNG BTCT DUL CỌC ỐNG THÉP

phải chế tạo bộ phận gia cường đầu cọc để lắp vào đầu cọc

tiếp

13 Nhổ cọc Khi lực nhổ lớn có thể

gây nứt/đứt cọc

Việc nhổ cọc rất dễ dàng và an toàn, cọc hầu như không bị hư hỏng

17 Suất mang tải trên 1

đơn vị khối lượng cọc

18 Độ tin cậy về khả năng

chịu lực theo vật liệu

tiết diện cọc trong quá

trình thiết kế và thi công

Khó khăn hơn vì định hình theo từng cấp và cận trên thường bị giới hạn do khả năng thiết bị (ván khuôn, đế quay, hầm ủ nhiệt)…

Mặc dù có định hình nhưng có thể chế tạo theo yêu cầu, đặc biệt

có thể thay đổi chiều dày thành cọc dọc theo chiều dài cọc

21 Thông thoáng của gầm

bến (số lượng cọc trong

kết cấu, xét cùng đường

Kém hơn (nhiều hơn) Tốt hơn (ít hơn)

Rất tốt do cường độ chịu nén của thép cao hơn của BT rất nhiều

23 Khả năng chịu kéo

theo VL

Khá hơn do có gây ứng suất trước dọc trong cọc

Rất tốt do cường độ chịu kéo của thép cao hơn của BT rất nhiều,

kể cả của BT đã được gây ứng suất trước

28 Yêu cầu về búa đóng

I.2.2 Đài và liên kết cọc - đài

Đài trong kết cấu trụ đài cứng thường được làm bằng bê tông cốt thép, đôi khi được làm từ hệ giằng không gian bằng thép Liên kết giữa cọc - đài: Cọc có thể liên kết với đài dạng khớp, ngàm hoặc nửa ngàm (ở đây không xét trường hợp nửa ngàm)

+ Trong trường hợp liên kết khớp, cọc được cắm vào đài với chiều sâu 5-10cm, không bắt buộc phải kéo dài cốt thép cọc vào đài hoặc chỉ kéo vào đài nhưng thép đặt

tại trục cọc hoặc uốn cho đồng quy tại trục cọc Trường hợp này ít gặp trong thiết kế thực tế

+ Trong trường hợp liên kết ngàm, chiều dài ngàm cọc hoặc cốt thép cọc kéo dài trong đài lấy theo yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép Với cọc ống bê tông ứng suất trước, không được dùng cốt thép kéo căng của cọc để ngàm vào đài mà phải cấu tạo hệ cốt thép riêng theo [5]

I.2.3.1 Đệm tàu

Hệ thống đệm tàu cần tuân thủ chỉ dẫn kỹ thuật có nêu trong [11], [16]

I.2.3.2 Bích neo

Hệ thống bích neo cần tuân thủ chỉ dẫn kỹ thuật có nêu trong [11], [16]

I.3 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CỌC ỐNG THÉP TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG

- Tình hình sử dụng cọc ống thép theo thời gian ở Việt Nam có thể được phân thành một số giai đoạn như sau:

+ Trước năm 1975: hầu hết sử dụng chủ yếu cọc bê tông, các công trình sử dụng cọc ống thép còn thưa, chỉ có một vài công trình áp dụng như cầu Sài Gòn, cầu Rạch Chiếc, Tân Cảng (Thành phố Hồ Chí Minh), cầu Trần Hưng Đạo (Bình Thuận) và một vài cầu trên đường quốc lộ số 1, cầu cảng Cam Ranh (Khánh Hòa)

+ Từ năm 1975-1995: Chiến tranh Việt Nam kết thúc năm 1975, nhiều khó khăn sau

chiến tranh đã buộc Việt Nam sử dụng nguyên liệu trong nước và sản phẩm, với các công nghệ truyền thống Vào thời gian này, các loại tải trọng tác dụng thường không quá lớn với xây dựng tòa nhà 5 tầng, hoặc cầu tàu 5,000-10,000DWT, trong các trường hợp này cọc vuông bê tông cốt thép thích hợp nhất trong điều kiện địa chất yếu Kích thước cọc vuông khoảng 200-400mm, tăng lên 500mm trong các công trình cảng chịu tải trọng ngang lớn Loại cọc này được sử dụng phổ biến trong những năm 1980 cho các công trình xây mới, hoặc các công trình duy tu bảo dưỡng thay thế kết cấu thép cũ, hoặc gia cường kết cấu hiện hữu

Kết cấu thép nói chung và cọc ống thép hầu như không được sử dụng nhiều trong giai đoạn này, nguyên nhân chủ yếu là giá thành cọc ống thép cao Trái ngược lại với thời kỳ chiến tranh trước năm 1975, kết cấu thép được sử dụng chủ yếu trong hầu hết các công trình, đặc biệt là các công trình cảng Kết cấu thép là một giải pháp thực hiện nhanh chóng thích hợp cho các công trình ngắn hạn trong thời kỳ chiến tranh

+ Từ năm 1995-2000: Với chính sách kinh tế mở của của chính phủ, nền kinh tế của

đất nước tăng lên nhanh chóng, quy mô yêu cầu của các cấu trúc và yêu cầu tải trọng tăng không ngừng, ví dụ như các tòa nhà cao tầng với hơn 20 tầng, các cảng cho tàu hơn 30,000DWT, cầu nhịp lớn Các kỹ sư đã xem xét đối với các loại cọc khác nhau

và nhập khẩu các cọc ống bê tông dự ứng lực như một giải pháp đầu tiên cho các loại móng sâu Cảng đầu tiên sử dụng cọc ống bê tông dự ứng lực là Cảng VICT (Cảng Container Quốc tế Việt Nam), tại thành phố Hồ Chí Minh Cọc ống bê tông cốt thép

dự ứng lực sau đó đã được nhập khẩu từ Malaysia (1996)

Những ưu điểm chính của cọc loại này so với cọc bê tông cốt thép thường là trọng lượng nhẹ hơn, khả năng chịu lực ngang tốt, dễ dàng liên kết các đoạn cọc với nhau tạo thành cọc có chiều dài hơn 40m

Điểm yếu chính của cọc bê tông cốt thép dự ứng lực trong giai đoạn này là chúng phải nhập khẩu, vì vậy khá đắt tiền, chúng chỉ được sử dụng trong các dự án có vốn đầu tư nước ngoài hoặc với các nguồn vốn ODA

So với cọc BTCT thường, cọc ống thép ngoài những ưu điểm tương tự như cọc ống BTCT DƯL, nó còn có những ưu điểm vượt trội như đã nêu ở mục II.2.1.3 Tuy nhiên trong giai đoạn này các cọc ống thép đều phải nhập khẩu nên giá thành rất đắt và cả một số bất tiện khác, nên chúng chỉ được sử dụng để chịu tải trọng ngang lớn như trong các cảng cho các sản phẩm dầu khí

+ Từ năm 2000 đến nay: Các ứng dụng của cọc bê tông cốt thép dự ứng lực đã rất

thành công, rất phổ biến, công nghệ chế tạo của nó được nhập khẩu vào Việt Nam năm

1999 (với dây chuyền sản xuất của công ty tư nhân Phan Vũ) Giá của cọc này đã nhanh chóng giảm khiến cho chúng được sử dụng một cách kinh tế trong các tòa nhà với đường kính cọc chỉ có 300mm Trong các công trình nhịp lớn như cảng hoặc cầu,

cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực có thể chế tạo đường kính 700mm hoặc đến 1000mm đối với cọc bê tông dự ứng lực cường độ cao (PHC) Cọc bê tông cốt thép thường dần biến mất hoặc chỉ được sử dụng trong các công trình nhỏ

Đây là "thời kỳ hoàng kim" của cọc bê tông cốt thép dự ứng lực, hầu hết các cảng mới dọc theo bờ sông hoặc các cửa sông đều sử dụng loại cọc này

Tuy nhiên, sự phát triển kinh tế yêu cầu ngày càng nhiều cơ sở hạ tầng, kết cấu ngày càng lớn hơn, các điều kiện thực hiện cho các công trình này ngày càng khó hơn, như các cảng biển hoặc móng sâu của cầu nhịp lớn Trong các trường hợp này, cọc ống thép là lựa chọn thích hợp bởi vì cường độ vật liệu cao, khả năng chịu uốn, dễ dàng cắt, nối, vận chuyển, thực hiện một cách nhanh chóng… mặc dù chi phí của nó không hề rẻ

Kết luận: Trong điều kiện kinh tế khó khăn những năm trước 1995, cọc ống thép chi

phi đắt, nhưng chúng có thể được dùng trong các điều kiện khó khăn, công trình ngắn

hạn

- Trong thời đại phát triển ban đầu (1995-2000), với nguồn tài nguyên giới hạn, cọc ống thép cạnh tranh không hiệu quả với cọc bê tông cốt thép dự ứng lực, cọc thép có chi phí tốn kém vì vậy nó chỉ được sử dụng cho cảng dầu khí chịu tải trọng ngang lớn

- Trong thời đại phát triển, cọc thép trong cuộc cạnh tranh với các loại cọc khác, trong các công trình xây dựng mới như cầu nhịp lớn, cảng biển nước sâu, cọc thép với những ưu điểm sẽ được sử dụng một mình, hoặc kết hợp với cọc bê tông

Hình 6: Tóm tắt xu hướng ứng dụng cọc ống thép

- Sự phổ biến của cọc ống thép tại Việt Nam đã rẽ sang bước mới bởi việc nhập khẩu công nghệ chế tạo ống thép để giảm chi phí vật liệu Như nhà máy cọc thép J-Spiral ở tỉnh Đồng Nai và nhà máy cọc thép Nippon ở tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, năm

2011 sản xuất cọc ống thép và cọc ống ván thép Tiến trình này là cách tương tự như

sự phát triển cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực hơn 10 năm trước đây, vì vậy hy vọng ứng dụng cọc ống thép sẽ được khám phá phát triển trong những năm tương lai

Cọc ống thép trong loại công trình này chủ yếu được sử dụng từ những năm 2000 cho đến nay Sau đây là một số hình ảnh minh họa cho việc sử dụng loại cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng:

Hình 7: Cảng nhà máy xi măng Holcim, sử dụng cọc ống BTCT DƯL D600, (ảnh chụp từ 2008)

Năm 2012, sửa chữa mới một phần sử dụng cọc ống thép D711

Hình 8: Kết cấu sử dụng cọc ống thép ở Cảng LPG Thị Vải

Hình 9: Kết cấu trụ đài cứng sử dụng cọc ống thép ở bến Bạch Đằng

Hình 10: Kết cấu trụ đài cứng sử dụng cọc ống thép trong giai đoạn thi công

ở Cảng Vân Phong

CHƯƠNG II TÌNH HÌNH LÀM VIỆC CỦA CỌC TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI

CỨNG CHỊU LỰC NGANG II.1 SỰ TRUYỀN LỰC NGANG TỪ ĐÀI SANG CỌC

Khi nghiên cứu sự truyền lực ngang từ đài sang cọc ta lần lượt xem xét 02 dạng bài toán như sau:

- Bài toán phẳng

- Bài toán không gian

II.1.1 Bài toán phẳng

H

P M

H

O d

Hình 11: (a) Sơ đồ tính móng cọc đài cao chịu tải trọng ngang

(b, c) Ảnh hưởng dịch chuyển ngang của đài bằng một đơn vị

Khi chịu lực ngang đài trụ nói chung sẽ bị dịch chuyển trong mặt phẳng đang xét, lúc nào cũng có thể phân thành 03 thành phần chuyển vị độc lập: chuyển vị ngang, chuyển vị đứng, chuyển vị xoay trong mặt phẳng đang xét Ta lần lượt nghiên cứu ảnh hưởng của từng chuyển vị này của đài đến các thành phần nội lực trong cọc Lưu ý mặc dù kết cấu chịu lực ngang H nhưng thực tế kết cấu vẫn có chịu lực đứng P là trọng lượng bản thân kết cấu, giả thiết toàn bộ trọng lượng kết cấu tác dụng tại trọng tâm của đài Di chuyển các lực ngang và đứng tác dụng lên kết cấu về gốc O (với gốc O là trọng tâm mặt phẳng đáy trụ), ngoài ra ta có thêm thành phần mômen M do các lực này sinh ra khi di chuyển chúng đến điểm O Thiết lập hệ phương trình chính tắc:

*/ Dịch chuyển ngang đài một đơn vị như hình 23 (b), (c): Khi dịch chuyển đài với chuyển vị ngang a=1 thì chuyển vị của dọc trục cọc i là 1i=a.sini chuyển vị ngang của cọc i theo phương vuông góc trục cọc là 2i=a.cosi

Ni=2i.1i=1i.sini

Mi=-3i.2i=-3i.cosi

Vậy với i nhóm cọc trong đài, ta có:

raa = ( sin cos )

1

i i i i n

.(1



Với Ki là số cọc trong nhóm cọc thứ i, n là số nhóm cọc

Thay Ni = 1i.sini, Qi= 2i.cosi và Mi=-3i.cosi vào trên ta được

raa= ( 1.sin2 2 cos2 )

1

i i

i i

1i, 2i, 3i là các độ cứng chống chuyển vị đầu cọc được xác định theo [20]

*/ Dịch chuyển đứng đài một đơn vị như hình 24 (a), (b) : Khi dịch chuyển đài với chuyển vị đứng c=1 thì chuyển vị dọc trục cọc i là 1i=C.cosi, chuyển vị ngang của cọc i là: 2i=C.sini

xi

Hình 12: Ảnh hưởng của dịch chuyển thẳng đứng của đài bằng một đơn vị

Ni= 1i.1i=1i.cosi

Qi= 2i.2i= -2i.sini

Mi= 3i.2i=3i.sini

Với i nhóm cọc trong đài, ta có

rac = ( sin cos )

1

i i i i n

.(1



Thay Ni, Qi, Mi vào trên ta được

rcc= ( 1.cos2 2.sin2 )

1

i i

i i

K

1

2

1 ).sin cos.(    =rca

*/ Khi đài xoay một đơn vị =1 thì chuyển vị dọc trục của cọc i là 1i=.xi.cosi

chuyển vị ngang của cọc i là 2i=.xi.sini

r O

x i

i 1i

Hình 13: Ảnh hưởng của mômen với góc xoay bằng một đơn vị

Ni= 1i.1i=1i.xi.cosi

Qi= 2i.2i – 3i= -2i.xi.sini – 3i

Mi= 3i.2i + 4i=3i.xi.sini + 4i

Với i nhóm cọc trong đài ta có:

ra = ( sin cos )

1

i i i i n

K

1

)cos.sin

.(1



Thay Ni, Qi, Mi vào trên ta được:

sin.cos





II.1.1.1 Phương pháp cơ học kết cấu

Các giả thiết cơ bản:

+ Đài tuyệt đối cứng

+ Cọc làm việc trong giai đoạn đàn hồi

Viết hệ ba phương trình chính tắc tổng quát cho bất kỳ kết cấu trụ đài cứng với hệ trục tọa độ được gắn vào đáy đài ở gốc tọa độ O bằng ba thanh liên kết giả (một chống chuyển vị ngang, một chống chuyển vị thẳng đứng và một chống chuyển vị xoay)

i i

n

i i

rcc= ( 1.cos2 2.sin2 )

1

i i

i i

n

i i

sin.cos

1i, 2i, 3i, 4i – các độ cứng chống chuyển vị đầu cọc

i : góc hợp bởi trục z và trục cọc thứ i (cọc nằm bên trái thì i âm và ngược lại)

xi : tọa độ x của nhóm cọc thứ i

H: lực tác dụng theo phương x tại tâm O của đài

P : lực tác dụng theo phương đứng tại tâm O của đài

M: mômen tác dụng tại tâm O của đài

Giải hệ phương trình (II-1) ở trên ta xác định các chuyển vị tại tâm O của đài bao gồm : chuyển vị ngang (a), chuyển vị đứng (c) và chuyển vị xoay (

Sau khi đã có chuyển vị tại tâm O ta có thể tính toán được chuyển vị tại các đầu cọc (theo hệ địa phương) và tính được nội lực của cọc như sau:

Lực dọc Ni = 1i.[a.sini + (c+xi.).cosi]

Lực cắt Qi = 2i.[a.cosi - (c+xi.).sini] – 3i.

Mômen Mi = -3i.[a.cosi - (c+xi.).sini] + 4i.

Quy ước  dấu nội lực theo [20]

r

r r

r

r r

r

c

a

c cc

ca

a ac

0cossin

i i

i i

i i

i i

p p

p p

p

4 3

3 2

1

00

0cos

Véc tơ tải trọng ngoài như sau:  

H P

Giải hệ phương trình [r].{a}=P ta tìm được chuyển vị {a} là a, c,  Nội lực của các cọc được xác định như sau:

M

Q

N

NL =[A3i].[A2i].[A1i].{a}

II.1.2 Bài toán không gian

Tính toán cho móng cọc đài cao cứng theo sơ đồ không gian theo Spiro

II.1.2.1 Phương pháp cơ học kết cấu

Các giả thiết cơ bản:

+ Đài tuyệt đối cứng

+ Cọc làm việc trong giai đoạn đàn hồi

Viết hệ 06 phương trình chính tắc tổng quát cho bất kỳ kết cấu trụ đài cứng với hệ

cơ bản được gắn vào đáy đài ở gốc tọa độ O bằng 06 thanh liên kết giả (một chống chuyển vị ngang x, một chống chuyển vị ngang y, môt chống chuyển vị thẳng đứng và

ba chống chuyển vị xoay quanh 03 trục của hệ trục)

raa.a + rab.b + rac.c + ra ra ra  x

rba.a + rbb.b + rbc.c + rb rb rb  y

rca.a+ rcb.b + rcc.c + rc rc rc  P (II- 2)

r a.a + r b.b + r c.c + rrrMx