nghiên cứu sự tương tác của nhóm cọc nền đất dưới tác dụng của tải trọng ngang bằng mô hình số

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

127
NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG TÁC CỦA NHÓM CỌC VÀ
NỀN ĐẤT DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG
BẰNG MÔ HÌNH SỐ
STUDYING THE INTERACTION BETWEEN GROUP PILLS AND
FOUNDATION UNDER TRANSVERSAL LOAD BY NUMERICAL MODEL

SVTH: PHẠM TĂNG XUÂN HOÀ
Lớp 03X1C, Trường Đại Học Bách Khoa
CBHD: ThS. ĐỖ MINH ĐỨC
Khoa Xây dựng DD & CN, Trường Đại Học Bách Khoa

TÓM TẮT:
Tính tương tác giữa nhóm cọc và nền đất là phức tạp. Việc tiếp cận bài toán này bằng
phương pháp giải tích rất khó khăn. Báo cáo này trình bày cách mô hình hóa và sử dụng
phương pháp số để nghiên cứu sự làm việc đồng thời của nhóm cọc và nền đất cũng như sự
tương tác giữa chúng với nhau dưới tác dụng của tải trọng ngang có xét đến kiểu liên kết một
chiều giữa cọc và nền đất.
ABTRACT:
The interaction between group pills and foundation are complicated. To approach this problem
by analytic method is very difficult. This article presents the way to model and use the
numerical method in order to study the working together of group pills and foundation as well
as the interaction among them under transversal load with consideration of the incompressible
connection between pills and soil.

1. Mở đầu
Dưới tác dụng của tải trọng, các cọc có sự tác dụng tương hỗ giữa chúng với nhau cũng
như giữa chúng với nền đất. Việc đánh giá một cách chính xác sự làm việc của chúng là một
bài toán có khối lượng tính rất lớn và rất phức tạp. Vì vậy, trong thực tế thiết kế các móng cọc

đài thấp thường quan niệm tải trọng ngang tác dụng lên móng là do nền đất tiếp nhận và xem
cọc làm việc độc lập với nền đất. Quan điểm như vậy là chưa phản ảnh được sự làm việc thực
tế của cọc và nền đất.
Với sự phát triển của công cụ tính toán, đặc biệt là máy tính điện tử cùng phương pháp
tính, đặc biệt là phương pháp số đã có thể cho phép được giải quyết bài toán theo quan điểm
cọc và nền đất làm việc đồng thời như một môi trường liên tục.
Với lý do như vậy, đề tài được chọn “nghiên cứu sự tương tác của nhóm cọc dưới tác
dụng của tải trọng ngang bằng phương pháp số” trong đó chủ yếu là đi mô hình hoá bài toán,
nghiên cứu tính liên kết một chiều gữa cọc và nền đất, khảo sát một số bài toán cụ thể.
Kết quả nghiên cứu có thể cho phép áp dụng vào thực tế thiết kế nền móng công trình
xây dựng.
2. Tổng quan
Vấn đề về sự tương tác của cọc và nền đất dưới tác dụng của tải trọng ngang đã có
nhiều cách tiếp cận:
- Theo [3] & [6], tiến hành thí nghiệm để rút ra kết quả, từ đó xây dựng các đồ thị và
các bảng số liệu để áp dụng vào các bài toán thiết kế. Đây là cách tin cậy nhất nhưng tốn kém
về kinh tế và không thể mô tả cho tất cả các tình huống thiết kế mà trong thực tế rất đa dạng.
- Trong [2] & [3], thay thế nền bằng các liên kết đàn hồi được đặc trưng bằng hệ số nền
theo phương ngang sau đó giải bài toán bằng các phương pháp của lý thuyết đàn hồi. Quan
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


128
điểm này là rỏ ràng về lý thuyết nhưng việc giải bài toán bằng phương pháp giải tích là phức
tạp, hơn nữa cũng chưa phản ảnh được sự tương tác giữa các cọc và tính trung thực của nền
đất.
- Theo [4], các tác giả đưa cọc về một thanh công xơn tương đương dựa vào điều kiện
ngàm của cọc. Quan điểm này chỉ phù hợp với bài toán cọc đơn.
Để góp phần khắc phục những hạn chế trên, trong đề tài này, các tác giả sử dụng thành
tựu của công nghệ thông tin và phương pháp số để đi giải bài toán với quan điểm xem các cọc

và nền đất làm việc như một vật thể đàn hồi liên tục với các đặc trưng cơ học được xác định từ
kết quả thí nghiệm. Ngoài ra còn xét đến tính liên kết một chiều của cọc và nền đất để phản
ảnh chính xác hơn nữa tính chất cơ học của đất.
3. Cơ sở lý thuyết
3.1. Liên kết một chiều
Khi cọc chịu tải trọng, sẽ có một cùng ép chặt vào
nền đất trong khi vùng còn lại thì tách ra khỏi. Như vậy
liên kết giữa cọc đất chỉ có thể làm việc theo một chiều
nhất định (chiều gây nén) mà không thể theo chiều ngược
lại. Kiểu liên kết đó gọi là liên kết một chiều (kiểu Gap
với khoảng hở bằng không). Mô hình hoá liên kết một
chiều chỉ chịu nén như trên hình vẽ (H.3.1)
3.2. Mô hình hoá bài toán bằng phương pháp số
Theo [5], [9], [10], nội dung của phương pháp số theo mô hình chuyển vị để áp dụng
vào bài toán này như sau: Kết cấu được chia thành các phần tử nối với nhau tại các nút trong
đó cọc là phần tử thanh (Frame), nền đất là phần tử khối (Solid). Liên kết giữa cọc và đất là
liên kết một chiều (Gap) có độ cứng bằng vô cùng. Phương trình cân bằng tổng quát ứng với
trường hợp hệ chịu tải trọng tác dụng tĩnh:
[K(u)].[u] = [F] (3-1)
+ [K(u)] là ma trận độ cứng
tổng thể. [K(u)] là hàm số theo u do
tính phi tuyến của liên kết một chiều.
+ [u] là véc tơ chuyển vị nút.
+ [F] là véc tơ lực nút.
Đây là phương trình phi tuyến
nên sử dụng cách lặp để giải.
Sau khi xác định được véctơ
chuyển vị nút, vận dụng lý thuyết đàn
hồi để xác định nội lực trong hệ.
Trong đề tài, để xây dựnng mô

hình và giải bài toán, các tác giả sử
dụng phần mềm Sap 2000. Phần mềm
này có hiệu suất giải cao với số ẩn rất
lớn, ổn định, tin cậy, có lịch sử phát triển hơn 30 năm và được sử dụng rộng rãi trong tính toán
kết cấu.

3.3. Xác định vùng biên của mô hình bài toán
Khi hệ chịu tải trọng, chỉ có một vùng nền đất gần phạm vi của cọc cùng tham gia chịu
lực. Để giảm khối lượng tính toán, cần xác định vùng biên này và thay thế vùng nền đất bị bỏ

k
H.3.1 Mô hình liên kết 1 chiều
Phần tử Cọc
Phần tử Gap
Phần tử Đất
H.3.2 Mặt cắt ngang mô hình Cọc - Nền đất
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

129
đi bằng các liên kết tương ứng. Trong đề tài, các tác giả sử dụng cách giải lặp để xác định
vùng biên này theo điều kiện chuyển vị trên vùng biên xấp xỉ bằng không.
4. Nghiên cứu bằng số
Cho hệ cọc - nền đất có cấu tạo:
- Cọc vuông có kích thước 200x200(mm) được chế tạo bằng bêtông cốt thép,
cấp bền B25, môđun đàn hồi E = 3.10
7
(kN/m
2
), hệ số Poisson  = 0,2.
- Nền đất gồm: lớp sét mềm có  = 4(m);  = 0,4; E

s
= 20(MPa); lớp cát chặt có
 = ;  = 0,35; E
s
= 65(MPa); (trong đó ; ; E
s
lần lượt là bề dày; hệ số nở hông;
môđun biến dạng lớp đất.
- Mỗi cọc chỉ chịu tải trọng ngang Q = 6(kN).
Bài toán được phân tích theo 3 mô hình: cọc đơn, nhóm 4 cọc với khoảng cách
cọc là 3D, nhóm 4 cọc với khoảng cách cọc là 6D. Trong đó, D = 0,2(m) là cạnh tiết
diện cọc.
Việc mô hình hoá cọc - nền thực hiện bằng phần mềm Sap2000 và chọn cách
giải bài toán phi tuyến.

Hình 4.1 Mặt cắt dọc mô hình Hình 4.2 Mặt cắt ngang mô hình
Cọc - Nền đất Cọc - Nền đất

Hình 4.3 Biểu đồ mô men và chuyển vị ứng với các trường hợp phân tích
a) Cọc đơn. b) Nhóm cọc 3D. c)Nhóm cọc 6D
Việc so sánh nội lực và chuyển vị lớn nhất thể hiện trong Bảng 4.1
a b c
Mô men
Chuyển vị
Mô men
Chuyển vị
Mô men
Chuyển vị
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

130
Bảng 4.1: Bảng so sánh kết quả phân tích


5. Đánh giá kết quả:
Nội lực và chuyển vị của cọc trong nhóm cọc đều khác với cọc đơn. Khi khoảng cách
giữa các cọc là 6D, kết quả nội lực gần bằng cọc đơn. Điều này khẳng định tính chính xác với
kết quả trong tài liệu [3] & [6].
Độ lệch về chuyển vị trong Bảng 4.1 cho thấy sự tương tác có xu hướng làm
chuyển vị tăng nhiều hơn so với nội lực.
Kết quả cũng cho thấy các cọc ở cuối của nhóm chịu tải trọng cho kết quả nội
lực và chuyển vị lớn hơn đầu nhóm khoảng 1,02 lần ứng với trường hợp khoảng cách
3D và như nhau với khoảng cách 6D.


6. Kết luận và kiến nghị:
Đề tài đã xây dựng được cách tổng quát để phân tích, đánh giá sự tương tác của
nhóm cọc và nền đất bằng mô hình số. Mô hình này cho phép giải bài toán tổng quát
với đặc trưng cơ học cơ bản nhất là môđun đàn hồi và hệ số nở hông của vật liệu. Mô
hình này cũng có thể áp dụng cho trường hợp tải trọng tác dụng bất kỳ.
Một cách tiếp cận mới là mô hình có cho phép đến tính liên kết một chiều giữa
cọc và nền đất. Điều này phản ảnh trung thực hơn nữa các ứng xử thực tế của cọc - đất.
Kết quả nghiên cứu thể hiện sự đúng đắn của mô hình và cho phép khẳng định
lại các kết luận lại các nghiên cứu trước đây bằng các mô hình khác.
Mô hình này cho kết quả tin cậy hơn các mô hình bằng lý thuyết trước đây. Tất
nhiên, sự tương tác còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ tải trọng; tiết diện
cọc; môđun đàn hồi, hệ số nở hông, và tính chất khác của nền đất.
Nên áp dụng mô hình này vào việc phân tích nội lực và chuyển vị để có được
kết quả chính xác hơn trong công tác thiết kế móng cọc.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt
[1] Lê Quí An, Nguyễn Công Mẫn, Hoàng Văn Tân (1998), Tính toán nền móng theo trạng
thái giới hạn, Nhà xuất bản Xây dựng.
[2] Lê Anh Hoàng (2004), Nền Móng, Nhà xuất bản Xây dựng.
Đại lượng so
sánh
Cọc
đơn
Cọc trong
nhóm 3D
Lệch so với
cọc đơn
Cọc trong
nhóm cọc 6D
Lệch so với
cọc đơn
Mô men lớn
nhất (kN.m)
2,361 2,762 1,17 2,561 1,085
Chuyển vị
đỉnh(mm)
3 10,50 3,50 3,60 1,200
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

131
[3] Vũ Công Ngữ & Nguyễn Thái (2006), Móng cọc Phân tích và thiết kế, Nhà xuất bản khoa

học & kỹ thuật, Hà Nội.
[4] Nguyễn Lệ Thuỷ & Nguyễn Hữu Bảng (2008), Tính cọc đơn chịu tải trọng ngang trong
công trình khai thác dầu khí ngoài biển, Tạp chí Xây Dựng số 1 năm 2008.
[5] Nguyễn Mạnh Yên (1999), Phương pháp số trong Cơ học kết cấu, Nhà xuất bản khoa học
và kỹ thuật, Hà Nội.
[6] Shamsher Prakash & Hari Dsharma (2000), Móng cọc trong thực tế xây dựng, Nhà xuất
bản xây dựng.

Tiếng Anh
[7] M. J Tolinson (1994), Pile design and construction practice, Fourth edidtion.
[8] Sap 2000, Basic Analysis Reference.
[9] Edward L. Wilson, Tree Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures,
Computers and Structures, Inc, Berkeley, California, USA, 1998.
[10] Oczienkiewicz, The finite element method in engineering science, Mc Graw – Hill, Lon
Don, 1990.