TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA ĐÀI CỌC TRONG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CỦA TRỤ CẦU KHI CÓ VÀ KHÔNG XÉT SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐẤT NỀN_TS. Lê Bá Khánh, KS. Phạm Huy Tài

TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA ĐÀI CỌC TRONG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CỦA
TRỤ CẦU KHI CÓ VÀ KHÔNG XÉT SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐẤT NỀN
STRESS BEHAVIOR IN THE PILE CAP WITH AND WITHOUT TAKING INTO CONSIDERATION THE
WORK OF THE GROUND
TS. Lê Bá Khánh, KS. Phạm Huy Tài
TÓM TẮT
Nội dung bài báo này tập trung vào việc phân tích so sánh
trạng thái ứng suất của đài cọc của móng cọc khoan nhồi ứng
dụng cho trụ cầu khi có và không có xét sự làm việc đồng thời
của đất nền. Trụ cầu, cọc và đất nền được mô phỏng bằng phần
tử khối SOLID và được phân tích bằng phần mềm ANSYS.
Kết quả phân tích của hai trường hợp cho thấy rằng có sự khác
biệt đáng kể về ứng khi có và không xét sự làm việc của đất
nền.
Từ khóa: ANSYS, trụ cầu, đài cọc.
ABSTRACT
The content of this paper focuses on the comparative
analysis of stress state of pilecap of bored-pile foundation that
applied for bridge abutment with and without taking into
consideration for the simultaneously act of the ground. Total of
an abutment, piles and foundation ground are simulated
by SOILD elements and analyzed by ANSYS software. The
analytical results of the two cases shows that there is a
significant difference in effects with and without taking into
consideration the work of the ground.
Keywords: ANSYS, Pier, Pile cap.

2. Tổng quan một số nghiên cứu về phân tích đài cọc cùng
làm việc với đất nền
Do có nhiều ưu điểm nên phương pháp PTHH thường được
sử dụng để phân tích bài toán phức tạp như phân tích sự tương

tác kết cấu và đất nền (soil – structure interaction), phân tích
kết cấu bằng phần tử khối SOLID.
P.Krishna Iyer và C. Sam khi nghiên cứu phân tích tương
tác đồng thời của kết cấu và đất nền đã nhận xét rằng phương
pháp phần tử hữu hạn (PTHH) rất phù hợp để phân tích những
vấn đề tương tự. Hiệu ứng tương tác đồng thời của kết cấu và
đất nền cần lưu ý khi phân tích kết cấu chịu tải trọng tĩnh lẫn
khi chịu tải trọng động [1]
Xin-jun Zou (2010) đã nghiên cứu sự ổn định cọc bị uốn
với đài cọc cao được sử dụng rộng rãi trong công trình cầu và
bến cảng, đã đưa ra những lợi thế cũng như những thiếu sót của
các phương pháp phân tích truyền thống. Xin-jun Zou đã đề
nghị sử dụng phương pháp PTHH nhằm xem xét sự tương tác
phi tuyến giữa cọc và đất. [2]
3. Mô hình nghiên cứu
3.1 Mô hình nghiên cứu

TS. LÊ BÁ KHÁNH
Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách
Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email:
Điện thoại: 0903088252
KS. PHẠM HUY TÀI
Học viên cao học, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại Học
Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email:
Điện thoại: 0989666232

Khảo sát trạng thái ứng suất của một đài cọc như Hình 1.
Do kết cấu trụ và tổ hợp tải trọng có tính đối xứng với mặt

phẳng yOz nên chỉ cần khảo sát một nửa trụ (Hình 2).

z

x

1. Giới thiệu
Khi phân tích móng cọc được mô hình hoá là một khung
không gian tựa lên nền đất. Cọc được thay bằng một thanh
thẳng có một liên kết chốt ở đầu với chiều dài nào đó để cho
biến dạng đàn hồi của nó bằng biến dạng thực của cọc. Chiều
dài này có nhiều tài liệu nghiên cứu và đưa ra nhiều công thức
để xác định, nhưng trong thực tế các công thức này hơi phức
tạp, vì vậy để đơn giản hóa tính toán các quy phạm thiết kế
móng cọc bệ cao thường cho phép lấy bằng chiều dài cọc. Tuy
nhiên các tài liệu này không chỉ rõ sai số của việc lấy gần đúng
là bao nhiêu.
Bài báo này mô phỏng sự làm việc đồng thời của một hệ trụ
cầu – đất nền cụ thể theo sơ đồ không gian và khảo sát sự khác
biệt về ứng suất - biến dạng trong đài cọc khi có và không có
xét sự làm việc đồng thời với đất nền (khi đó cọc được ngàm
tại mũi cọc).

Hình 1: Cấu tạo trụ cầu trên móng cọc khoan nhồi được
chọn ngẫu nhiên để phân tích.

Trang 1


Lớp 2: Sét pha màu xám xanh, xám vàng trạng thái nửa

cứng, chiều dày 23m.
Lớp 4: Sét chứa ít sỏi sạn, màu xám trắng xám vàng, xám
xanh trạng thái cứng, đến đáy hố khoan vẫn còn thấy lớp này.
Có thể coi lớp 4 có chiều dày rất lớn.

Z
X

Y

1

Căn cứ vào hồ sơ địa chất trên, kết hợp với tài liệu của
Gopal Ranjan và Rao, các thông cơ học còn thiếu của mô hình
được xác định như sau [4]:
Bảng 1: Thông số các lớp đất

2

Lớp đất

Module đàn hồi

Hệ số poison

2

35 MPa

0,25

4

50 MPa

0,25

4.4 Mô hình hoá kết cấu
3

Dùng phần tử khối chóp SOLID187 (Hình 3) của phần
mềm ANSYS để phân tích đài cọc. Khi phân tích, lưới phần tử
được chia mịn hơn ở những chỗ có khả năng tập trung ứng
suất, những chỗ cần khảo sát chi tiết hơn (Hình 4).

4

Hình 2. Mô hình trụ cầu trong ANSYS có xét đến tính
đối xứng
1- Đài cọc; 2 – Cọc; 3 – Các lớp đất; 4 – Mũi cọc (có
thể bị ngàm)
3.2 Tải trọng
Tổ hợp tải trọng ở TTGH sử dụng để phân tích đài cọc
được lập theo TCVN 272-05 [3] gồm:
-

Tải trọng bản thân trụ với trọng lượng riêng của bê tông
cốt thép 24,5 kN/m3;

-

Hoạt tải HL 93 và tĩnh tải do kết cấu phần trên truyền
xuống gối: P z = 6487 kN/m2 ;

-

Lực hãm xe trên mặt cầu truyền xuống trụ: H y = 163 kN
;

-

Hình 3. Cấu trúc của phần tử khối chóp SOLID187

TS
JUN 19
14:

Z
X

Tải trọng gió tác động lên thân trụ P y = 1,8 kN/m2 ;

Y

4.3 Thông số của mô hình nghiên cứu
Biên của mô hình khảo sát xác định theo lời giải kinh điển
Boussinessq.
Từ đáy mũi cọc xuống 2b
Biên ngang: rộng ra mỗi bên 1,5b
b – chiều rộng đáy bệ lớn nhất, b = 11,5 m

-

Vật liệu đài cọc và cọc
f c ' = 30 MPa;
E = 27 691,5 MPa;
μ = 0,3;
W RC = 2450 kN/m3;
W C = 2400 kN/m3;

-

Thông số đất nền:

Tại vị trí trụ khảo sát chỉ có các lớp đất 2, 4 với các thông
số như sau:

Hình 4. Mô hình hoá bằng phần tử khối hệ móng cọc và đất
nền
4.5 Kết quả phân tích
a. Vị trí khảo sát
Khảo sát ứng suất pháp  y trong mặt cắt A-A, C-C và  x
trong mặt cắt B-B (Hình 5).

Trang 2


B

Y
Y

Z

A

X

A

2

1

X

3



TB

min

max

Có xét đất nền

767801

717350

820790

Không xét đất nền

991206

933970

1050400

29%

30%

28%

Chênh lệch

Ứng suất  y (Pa) tại mặt cắt C-C:
Khối 5 (bao xung quanh điểm 5):
C

5

C

4

6

B
Hình 5: Bố trí các mặt cắt và các điểm để khảo sát đài cọc
Trong mỗi mặt cắt, ta chọn 2 điểm khảo sát. Điểm thứ nhất
ở gần thớ trên của đài và ở trên đỉnh cọc, điểm thứ hai ở gần
thớ dưới của đài và ở giữa 2 cọc. Ứng suất đại diện của từng
điểm là giá trị trung bình của ứng suất tại các điểm nút trong
khối lập phương có kích thước 0,1x0,1x0,1m. Tâm khối lập
phương trùng với điểm khảo sát và có toạ độ:
Bảng 2: Toạ độ các điểm khảo sát (m)
Tọa
độ

1

2

3

4

5

6

x

1,25

1,25

1,25

3,5

5,75

5,75

y

1,25

3,25

9,25

9,25

1,25

3,25

z

2,35

0,15

2,35

0,15

2,35

0,15

Ứng suất  y (Pa) tại mặt cắt A-A:
Khối 1 (bao xung quanh điểm 1):

Có xét đất nền
Không xét đất nền
Chênh lệch

TB

min

max

-37668

-45568

-30792

-130176

-143780

-116760

246%

216%

279%

Khối 2 (bao xung quanh điểm 2):


TB

min

Có xét đất nền

948562

881550

1010700

Không xét đất nền

988199

930370

1044400

4%

6%

3%

Chênh lệch

max

Ứng suất  x (Pa) tại mặt cắt B-B:
Khối 3 (bao xung quanh điểm 3):


TB

Có xét đất nền
Không xét đất nền
Chênh lệch

min

max

9283

3857

14267

-65087

-73111

-58015

801%

1996%

507%

Khối 4 (bao xung quanh điểm 4):

TB

min

max

Có xét đất nền

-27743

-38362

-14843

-117817

-130190

-106310

325%

239%

616%

Không xét đất nền
Chênh lệch

Khối 6 (bao xung quanh điểm 6):


TB

min

max

Có xét đất nền

1230414

1158800

1312100

Không xét đất nền

1207638

1145300

1282600

2%

1%

2%

Chênh lệch

b. Giá trị ứng suất trong đài cọc tại các điểm khảo sát





4. Kết luận
Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc so sánh và đánh giá
ứng suất  x và  y trong bệ cọc giữa 2 trường hợp có và không
có xét sự làm việc của đất nền. Kết quả phân tích thu được
trong nghiên cứu này cho thấy:
- Phần tử khối cho phép mô phỏng kết cấu với hình dạng
thực, do đó kết quả cho ra sẽ có tính thuyết phục hơn. Tuy

nhiên khi ứng dụng phần tử khối thì một trong nhưng khó khăn
là phải xứ lý một khối lượng lớn thông tin đầu ra.
- Giá trị ứng suất  x và  y có sự khác biệt đáng kể ở một số
vị trí trong đài. Do đó nên xét sự làm việc đồng thời của móng
và đất nền.
Tài liệu tham khảo:
[1] P. K. I. a. C. Sam, ""Engineering Mechanics", 3-D Elastic
Analysis of Three Pile Caps," pp. Vol. 117, No. 12, pp.
2862-2883 , December 1991.
[2] X. Y. B. Z. M. a. Y. X. Zou, "Nonlinear Buckling Analysis
of Piles with High-Rise Pile Cap Nonlinear Buckling
Analysis of Piles with High-Rise Pile Cap. Deep
Foundations and Geotechnical In Situ Testing," pp.
pp.169-176, 2010.
[3] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCVN 272-05, Hà Nội: Bộ
Giao thông vận tải, 2006.
[4] G. R. e. A. S. R. Rao, Basic and Applied Soil Mechanics.,
New Age International, 2000, pp. chapter 10.11, pp. 328 330.
[5] Giải thích tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, Hà Nội:
Bộ Giao thông vận tải, 2005.

Trang 3


PHỤ LỤC
Phân bố ứng suất trong đài cọc
Trường hợp có xét đất nền

Trường hợp không xét đất nền
Ứng suất  y tại mặt cắt A-A

1

1

NODAL SOLUTION

NODAL SOLUTION
SUB =1
TIME=1
SY
(AVG)
RSYS=0
DMX =.023756
SMN
Z =-.183E+08
SMX =.395E+07

X

JUN 24 2015
04:42:08

Y

-.140E+07

-777778
-.109E+07

-155556

-466667

466667
155556

STEP=1
SUB =1
TIME=1
SY
(AVG)
RSYS=0
DMX =.023246
SMN =-.183E+08
SMX =.395E+07

.109E+07
777778

JUN 24 2015
04:56:37

-.140E+07
.140E+07

-777778
-.109E+07

-155556
-466667

466667
155556

.109E+07
777778

.140E+07

Ứng suất  x tại mặt cắt B-B
1

1

NODAL SOLUTION

NODAL SOLUTION
SUB =1
TIME=1
SX
(AVG)
RSYS=0
DMX =.023756
SMN =-.153E+08
SMX =.464E+07

JUN 24 2015
04:45:44

Z
Y

SUB =1
TIME=1
SX
(AVG)
RSYS=0
DMX =.023246
SMN =-.153E+08
SMX =.465E+07

JUN 24 2015
04:58:41

X

Z
Y

-.140E+07

-777778
-.109E+07

-155556
-466667

466667
155556

-.140E+07

.109E+07
777778

X

-777778
-.109E+07

.140E+07

-155556
-466667

466667
155556

.109E+07
777778

.140E+07

Ứng suất  y tại mặt cắt C-C
1

1

NODAL SOLUTION

NODAL SOLUTION

STEP=1
SUB =1
TIME=1
SY
(AVG)
RSYS=0
DMX =.023756
ZSMN =-.183E+08
XSMX Y=.395E+07

JUN 24 2015
04:40:05

-.140E+07

-777778
-.109E+07

-155556
-466667

466667
155556

JUN 24 2015
04:54:17

-.140E+07

.109E+07

777778

STEP=1
SUB =1
TIME=1
SY
(AVG)
RSYS=0
DMX =.023246
SMN =-.183E+08
SMX =.395E+07

.140E+07

-777778
-.109E+07

-155556
-466667

466667
155556

.109E+07
777778

.140E+07

Trang 4