Phương pháp tính toán đài cọc bê tông cốt thép theo mô hình giàn ảo kể tới tương tác đất nền (luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.68 MB, 89 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
----------------------------------
NGUYỄN VĂN TÀI
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP
THEO MÔ HÌNH GIÀN ẢO KỂ TỚI TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
----------------------------------
NGUYỄN VĂN TÀI
kho¸ 2017-2019
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP
THEO MÔ HÌNH GIÀN ẢO KỂ TỚI TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã số
: 60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM ĐỨC CƯỜNG
XÁC NHẬN
CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN
Hà Nội – 2019
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp cao học xây dựng 2017X1,
khoa Sau đại học, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, dưới sự giảng dạy của
các thầy giáo trong khoa, sự giúp đỡ tận tình của Ban chủ nhiệm Khoa và cán
bộ công nhân viên trong Khoa, sự cố vấn và hướng dẫn nhiệt tình của thầy
giáo hướng dẫn khoa học, cộng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành
luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài: “Phương pháp tính toán đài cọc bê
tông cốt thép theo mô hình giàn ảo kể tới tương tác đất nền”.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo Trường Đại học Kiến trúc
Hà Nội, Khoa Sau đại học và các thầy giáo cùng tập thể cán bộ công nhân
viên trong trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học
tập, nghiên cứu tại trường.
Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS. Phạm Đức Cường – Người đã có
công lớn trong việc hướng dẫn khoa học, tận tình chỉ bảo tôi giúp tôi hoàn
thành tốt luận văn này.
Tác giả luận văn
Nguyễn Văn Tài
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng có ai công bố trong bất
kỳ công trình khoa học nào khác.
Tác giả luận văn
Nguyễn Văn Tài
MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng, biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1
*. Lý do chọn đề tài .................................................................................... 1
*. Mục đích nghiên cứu............................................................................... 1
*. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................... 1
*. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 2
*. Ý nghĩa khoa học và thực của đề tài ........................................................ 2
*. Cấu trúc luận văn .................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT
THÉP ............................................................................................................ 3
1.1 Tổng quan về tính toán đài cọc.............................................................. 3
1.1.1 Tính toán đài cọc theo trạng thái giới hạn I ..................................... 3
1.1.2 Tính toán đài cọc theo trạng thái giới hạn II ................................... 7
1.2 Mô hình hệ số nền ................................................................................. 8
1.2.1 Các phương pháp tính hệ số nền. .................................................... 9
1.2.2 Áp dụng hệ số nền trong tính toán hiện nay. ................................. 12
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP GIÀN ẢO ÁP DỤNG CHO ĐÀI
CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KỂ ĐẾN ĐẤT NỀN................................... 14
2.1 Mô hình giàn ảo theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318..................................... 14
2.1.1 Giới thiệu ...................................................................................... 15
2.1.2. Cơ sở của mô hình giàn ảo. .......................................................... 16
2.1.3. Giả thiết áp dụng cho mô hình giàn ảo. ........................................ 17
2.1.4. Các bộ phận cấu thành của mô hình giàn ảo. ................................ 17
2.1.5. Các dạng phá hoại của mô hình giào ảo ....................................... 22
2.1.6. Quy trình thiết kế vùng D theo phương pháp giào ảo. .................. 22
2.1.7. Khả năng chịu lực của thanh chống.............................................. 23
2.1.8. Khả năng chịu lực của vùng nút. .................................................. 27
2.1.9. Khả năng chịu lực của thanh giàn ................................................ 29
2.2 Sử dụng mô hình giàn ảo để tính toán đài cọc. .................................... 30
2.2.1. Trường hợp đài 2 cọc. .................................................................. 31
2.2.2. Trường hợp đài 4 cọc. .................................................................. 34
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT VÀ ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
VÀO TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐÀI CỌC. ............................................... 41
3.1 Khảo sát ứng suất và biến dạng của đài cọc......................................... 41
3.1.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn. ..................................... 41
3.1.2 Khảo sát đối với đài 4 cọc. ............................................................ 46
3.2 Ví dụ áp dụng...................................................................................... 61
3.2.1 Địa chất công trình ........................................................................ 61
3.2.2 Thông số các lớp đất vào mô hình. ................................................ 61
3.2.3 Tính toán đài cọc thực tế. .............................................................. 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Tên đầy đủ
CK1
Chu kỳ 1
PTHH
Phần tử hữu hạn
TTGH I
Trạng thái giới hạn 1
TTGH II
Trạng thái giới hạn 2
BTCT
Bê tông cốt thép
DANH MỤC BẢNG, BIỂU
Số hiệu
bảng, biểu
Tên bảng, biểu
Bảng 1
Hệ số nền theo K.X.Zavriev
Bảng 2
Xác định kh cho móng cọc
Bảng 3
Cường độ chịu nén hiệu quả của bê tông và quy định nút
Bảng 4
Bảng kết quả của đo ứng suất trên nền sét đồng nhất
Bảng 5
Bảng kết quả của đo ứng suất đài cọc trên nền cát đồng nhất
DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ
Số hiệu hình
Tên hình
Hình 1.1
Sơ đồ tính toán moment trong đài cọc
Hình 1.2
Mô hình hóa đài cọc trong phương pháp PTHH
Hình 1.3
Sơ đồ xác định khối móng quy ước và tính lún cho móng cọc
Hình 1.4
Mô hình đất nền trong phần mềm SAFE
Hình 1.5
Mô hình cọc trong phần mềm SAFE
Hình 2.1
Biểu đồ ứng suất trong đài có chiều cao lớn
Hình 2.2
Minh họa vùng B và vùng D
Hình 2.3
Thanh chống hình lăng trụ, hình quạt và hình chai
Hình 2.4
Biểu diễn các nút được phân loại
Hình 2.5
Vùng nút thuỷ tĩnh (a) CCC và (b) CCT.
Hình 2.6
Vùng nút mở rộng
Hình 2.7
Vùng chịu nén và quạt chịu nén
Hình 2.8
Sơ đồ các bước tính toán đài theo mô hình giàn ảo
Hình 2.9
Sơ đồ tính toán đài 2 cọc theo mô hình thanh giằng
Hình 2.10
Sơ đồ đài 4 cọc
Hình 2.11
Xác định tải trọng cho các cọc.
Hình 2.12
Quy đổi lực tác dụng xuống đài cọc
Hình 2.13
Quy đổi lực tác dụng xuống đài cọc
Hình 2.14
3D phân bố thanh giằng và phản lực trong đài cọc
Hình 3.1
Sơ đồ khối của phần tử hữu hạn [6].
Hình 3.2
Phần tử qui chiếu một chiều
Hình 3.3
Phần tử qui chiếu hai chiều
Hình 3.4
Phần tử qui chiếu ba chiều
Hình 3.5
Phần tử sáu mặt
Hình 3.6
Sơ đồ khối của phần tử hữu hạn
Hình 3.7
Sơ đồ khảo sát đài cọc
Hình 3.8
Các mặt cắt xét kết quả ứng suất trong đài
Hình 3.9
Kết quả đo ứng suất của nền sét đồng nhất
Hình 3.10
Biểu đồ so sánh kết quả đo ứng suất trong đài cọc nền sét
đồng nhất
Hình 3.11
Kết quả đo ứng suất của nền cát đồng nhất
Hình 3.12
Biểu đồ so sánh kết quả đo ứng suất trong đài cọc trên nền
cát đồng nhất
Hình 3.13
Kích thước đài cọc khảo sát
Hình 3.14
Mặt cắt tính toán cốt thép cho móng
Hình 3.15a
Mô hình hóa các lớp đất trong phần tử hữu hạn
Hình 3.15b
Mô hình đài cọc trong phần tử hữu hạn
Hình 3.16a
Phản lực đầu cọc trong phần tử hữu hạn
Hình 3.16b
Chuyển vị của hệ đài cọc trong nền
Hình 3.17
Sơ đồ phản lực lên đài
Hình 3.18
Sơ đồ thanh giàn và nút ảo trong đài cọc
1
MỞ ĐẦU
*. Lý do chọn đề tài
Ở nước ta hiện nay với sự phát triển và đô thị hóa nhanh chóng, quy mô
dân số tăng lên trong khi diện tích xây dựng ngày càng bị thu hẹp kéo theo
nhu cầu xây dựng các nhà cao tầng, siêu cao tầng với quy mô lớn tăng lên
đáng kể.
Trong những năm gần đây rất nhiều dự án xây dựng được khởi công,
các công trình cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều, những công trình này
có tải trọng lớn nên thường sử dụng móng cọc để truyền tải trọng xuống lớp
đất tốt phía dưới, làm giảm biến dạng và lún đồng đều, làm tăng ổn định của
công trình, đồng thời làm tăng khả năng chịu tải trọng ngang của móng.
Việc tính toán đài cọc hiện nay bằng các phương pháp truyền thống
chưa thực sự đúng với tính chất làm việc của đài móng, không tận dụng tối đa
khả năng chịu lực của bê tông cũng như bố trí đúng đắn cốt thép trong đài
cọc.
Chính vì vậy, đề tài “Phương pháp tính toán đài cọc bê tông cốt thép
theo mô hình giàn ảo kể tới tương tác đất nền” là thực sự cần thiết, có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn.
*. Mục đích nghiên cứu
Đánh giá hiệu quả tối đa của đài cọc bê tông cốt thép có phản lực đất
nền.
Đưa ra được cách tính đối với các loại đài cọc bê tông cốt thép thông
dụng nhằm tận dụng tối đa khả năng chịu lực của đài cọc.
*. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Nghiên cứu trạng thái ứng suất của đài cọc bê tông cốt thép khi kể
đến tương tác với đất nền.
2
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Nghiên cứu đài cọc có số lượng cọc trong đài nhỏ (3 đến 6 cọc) với
kích thước tiết diện thay đổi, khoảng cách cọc thay đổi.
+ Nghiên cứu sự làm việc đài cọc và ảnh hưởng của đất đến khả năng
chịu lực của đài.
*. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết;
- Thu thập tài liệu địa chất và các tiêu chuẩn thiết kế;
- So sánh và phân tích các kết quả tính toán giữa lý thuyết và kết quả thí
nghiệm thực tế.
*. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: góp phần làm rõ bản chất làm việc của đài cọc khi phân
tích trạng thái ứng suất – biến dạng của chúng khi có kể đến sự làm việc của
đất dưới đáy đài.
- Ý nghĩa thực tiễn: đưa ra luận điểm đánh giá đúng đắn hơn trạng thái ứng
suất biến dạng của đài cọc bê tông cốt thép nhằm tính toán và bố trí hợp lý
hơn cốt thép trong đài cọc.
*. Cấu trúc luận văn
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo thì nội dung
chính của luận văn gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về tính toán đài cọc bê tông cốt thép;
Chương 2: Cơ sở phương pháp giàn ảo áp dụng cho đài cọc bê tông cốt
thép kể đến đất nền;
Chương 3: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán thiết kế đài cọc.
3
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT
THÉP
1.1 Tổng quan về tính toán đài cọc.
Hiện nay để tính toán đài cọc bê tông cốt thép (BTCT) thường chia thành
2 nội dung cơ bản là tính toán theo trạng thái giới hạn I (TTGHI) và trạng thái
giới hạn II (TTGHII).
1.1.1 Tính toán đài cọc theo trạng thái giới hạn I [3]
Tính toán đài cọc theo trạng thái giới hạn I bao gồm tính toán chọc thủng
cho đài và tính toán cốt thép cho đài.
a. Tính toán chọc thủng.
Hiện nay trong thực tế thiết kế thường bỏ qua tính toán chọc thủng của dài
cọc với lý do chiều cao đài thường được chọn sao cho tháp chọc thủng nằm
phía trong cọc biên. Tuy nhiên, với các dài có số lượng cọc lớn, phản lực dầu
cọc cũng lớn, nên việc lựa chọn theo hướng này thường làm cho chiều cao dài
cọc lớn, không dảm bảo tính kinh tế.
Trong TCVN 5574:2012 [1], việc tính toán chọc thủng (nén thủng) được
giới thiệu rất tổng quát trong mục 6.2.5.4. Trong khi đó, khi áp dụng các công
thức tính toán theo mục này gây rất nhiều khó khăn cho kỹ sư thiết kế, dẫn
đến có sự sai lệch trong quá trình thẩm tra hồ sơ thiết kế các công trình cao
tầng hiện nay. Khi tính toán độ bền của dài cọc bê tông cốt thép cần phải thực
hiện 05 bài toán:
+ Tính toán chọc thủng đài cọc do cột gây ra;
+ Tính toán chọc thủng đài cọc do cọc biên gây ra;
+ Tính toán độ bền tiết diện nghiêng chịu lực cắt;
+ Tính toán uốn theo tiết diện thẳng góc và tiết diện nghiêng;
+ Tính toán nén.
4
b. Tính toán cốt thép cho đài.
Quan niệm đài như dầm công xôn ngàm tại tiết diện mép chân cột, bị uốn
bởi phản lực các cọc. Diện tích cốt thép yêu cầu được tính từ trị số mô men tại
mặt ngàm mép chân cột theo công thức:
AS
M
, (1.1)
0,9.RS .h0
trong đó:
M: Mômen tại mặt ngàm;
h0: Chiều cao làm việc của đài;
RS: Cường độ tính toán cốt thép
Yêu cầu chọn thép:
10 mm
100 mm a 200 mm
- Đường kính cốt thép chịu lực
a- Khoảng cách giữa trọng tâm 2 thanh thép liền kề
Nếu một trong hai diện tích thép AS1, hoặc AS2 nhỏ hơn diện tích thép
cấu tạo thì chứng tỏ chiều cao đài chọn thừa nhiều, cần giảm hd. Ngược lại khi
đường kính cốt thép chọn lớn hơn 30mm trong khi khoảng cách bố trí cốt
thép đạt tới gần 100 mm thì nên tăng hd để giảm đường kính cốt thép.
Theo TCXD 305 - 2004 (Bê tông khối lớn - Quy phạm thi công và
nghiệm thu), trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam kết cấu có cạnh nhỏ
nhất là (a) và chiều cao (h) lớn hơn 2m có thể được xem là khối lớn. Khi kết
cấu có kích thước vượt quá giới hạn trên thì cần bố trí cốt thép phòng ngừa
nứt bê tông ngay từ khi thiết kế, cụ thể là:
+ Khi a và h đến 1m: không cần cấu tạo cốt thép chống nứt bê tông.
5
+ Khi a và h đến 2m: nên có cấu tạo cốt thép chống nứt bê tông. Trường
hợp này ngoài cốt thép chịu uốn đặt dưới còn cấu tạo lồng thép 2 phương ở
mặt trên (12 a = 100-200 mm) và mặt bên đài (12 a =a 200-400 mm).
+ Khi a và h trên 2m: cần có thiết kế chống nứt và biện pháp phòng ngừa
vết nứt trong thi công.
Với thực tiễn tính toán hiện nay việc tính toán mô men tại mép đài được
thực hiện theo 2 phương pháp là sử dụng công thức lý thuyết và, sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn mô hình trong các chương trình tính toán phổ
biến hiện nay như Sap2000, Etabs, Safe….
*) Phương pháp sử dụng công thức lý thuyết.
Hình 1: Sơ đồ tính toán mô men trong đài cọc.
Xét mặt ngàm đi qua chân cột, mô men do các cọc bên phải của mặt ngàm
được tính như sau:
M Pi .ri , (1.2)
trong đó:
Pi: Phản lực đầu cọc thứ i bên phía cần tính mô men được xác định qua
công thức:
6
N
P ( x, y )
n
tt
M xtt . y
n
2
i
y
i 1
M ytt .x
n
2
i
x
, (1.3)
i 1
N tt : Tổng tải trọng tính toán tính tại đáy đài cọc;
n
: Số lượng cọc trong móng;
M xtt , M ytt : Moment theo hai phương x, y;
xi, yi : Tọa độ cọc thứ i;
x, y : Tọa độ cọc cần tính;
ri: Khoảng cách từ tim cọc thứ i bên phía cần tính mô men đến mép cột.
*) Phương pháp sử dụng phần tử hữu hạn.
Hình 1.2: Mô hình hóa đài cọc trong phương pháp PTHH.
Việc mô hình hóa đài cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn đơn giản
hơn rất nhiều và cho kết quả tương đối chính xác vì có thể kể đến sự làm việc
của công trình kết hợp cọc.
Đài cọc được mô hình hóa là tấm Shell, và cọc được mô hình bằng
JoinSpring có độ cứng: K= [P]/s,
trong đó:
7
[P]: Sức chịu tải cho phép của cọc;
s: độ lún của cọc, thường lấy bằng 1-2cm.
1.1.2 Tính toán đài cọc theo trạng thái giới hạn II [4]
Cũng như đối với các loại móng khác, khi thiết kế móng cọc phải thỏa
mãn điều kiện sau : S ≤ SGH
Ở đây cần chú ý rằng, ứng suất gây lún được tính từ mặt phẳng móng
khối quy ước (tức là ở mặt phẳng mũi cọc).
Việc kiểm tra lúc này giống như đối với móng nông trên nền thiên
nhiên. Tính lún của khối móng này theo phương pháp phân tầng lấy tổng hay
bất cứ phương pháp tính lún nào. Ðộ lún cũng phải nhỏ hơn SGH để đảm bảo
công năng sử dụng của công trình.
Áp lực gây lún:
p gl ptbtc tb .H , (1.4)
trong đó:
tb: Dung trọng trung bình của các lớp đất tính từ mũi cọc trở lên.
*) Móng khối quy ước là thành phần bao gồm cọc, đài cọc và phần đất giữa
các cọc.
Diện tích móng:
Fqu Lqu .Bqu A1 2 L.tg .B1 2 L.tg
Trong đó:
A1, B1 - khoảng cách từ mép hai hàng cọc ngoài cùng đối
diện nhau theo hai phía;
L - chiều dài cọc tính từ đáy đài tới mũi cọc;
- góc mở rộng so với trục thẳng đứng, kể từ mép ngoài của
hàng cọc ngoài cùng
8
tb
4
, (1.6)
tb - góc ma sát trung bình các lớp đất cọc đi qua;
i - góc ma sát trong của các lớp đất thứ i;
li - chiều dày lớp đất thứ i.
Hình 1.3: Sơ đồ xác định khối móng quy ước và tính lún cho móng cọc
1.2 Mô hình hệ số nền. [5]
Hệ số nền là tỷ số giữa lực đơn vị và chuyển vị tương ứng. Hệ số nền là
một trong những đặc trưng quan trọng của đất nền phản ánh sức chịu tải và
biến dạng của đất nền. Thực tế hệ số nền là hàm phi tuyến, phụ thuộc vào cấp
độ tải, phương thức gia tải, loại đất, kích thước cấu kiện tác dụng vào đất. Mô
hình hoá tương tác cọc- đất nền như sau:
- Cọc được mô hình bằng một hoặc nhiều thanh thẳng nối với nhau tại
các nút sao cho phù hợp với đặc trưng hình học tương ứng của cọc thực.
9
- Thay đất nền bằng các liên kết đàn hồi tại các điểm sao cho phù hợp
với sự thay đổi của đất nền và tính chất làm việc của cọc.
- Tổ hợp các điểm chia theo cọc và theo đất.
1.2.1 Các phương pháp tính hệ số nền.
1.2.1.a. Phương pháp tra bảng.
*. Quy trình 22TCN 18-79:
Bảng tra này thường dùng cho thiết kế móng cọc theo K.X. Zavriev.
Bảng 1. Hệ số nền theo K.X.Zavriev
Tên đất
k/z (t/m3)
1. Sét và sét pha cát dẻo chảy; bùn
100-200
2. Sét pha cát, cát pha sét và sét dẻo mềm; cát bụi và rời
200-400
3. Sét pha cát; cát pha sét và sét dẻo cứng; cát nhỏ và trung
400-600
bình
4. Sét pha cát; cát pha sét và sét cứng và cát thô
600-1000
5. Cát lẫn sỏi; đất hòn lớn
1000-2000
*. J.E.Bowles
Bảng 2. Xác định kh cho móng cọc
Tên đất
k (MN/m3)
1. Sét; cát chặt
220-400
2. Cát thô và chặt vừa
157-300
3. Cát trung
110-280
4. Cat mịn; cát bột
80-200
5. Sét cứng (ẩm)
60-220
6. Sét cứng (bão hoà)
30-110
10
7. Sét dẻo (ẩm)
39-140
8. Sét dẻo (bão hoà)
10-80
9. Bùn sét
2-40
1.2.1.b. Phương pháp tính theo các công thức nền- móng.
*. Theo công thức Terzaghi:
ks = 24(cNc + γDNq+0.4γBNγ), (1.7)
Trong đó:
ks : hệ số nền;
c: lực dính của đất;
γ: Trọng lượng riêng cuả đất phía trên điểm tính ks;
φ: góc ma sát trong của đất ;
D: chiều sâu tính ks ;
B: bề rộng cọc.
Các giá trị Nc; Nq; Nγ tra bảng theo φ
*. Theo công thức Vesic:
k
Es
1.30 E s B 4
, (1.8)
12
B
E p I p (1 2 )
Trong đó:
k: hệ số đàn hồi
B: Bề rộng cọc
EpIp: Độ cứng chống uốn của cọc.
µ: Hệ số poát xông của đất nền
11
Giá trị µ = 0.3 có thể xem là tương đối chính xác cho các trường
hợp.
Es: Mô đun đàn hồi đất nền.
Es= 5N(kG/cm2); N: Trị số SPT
*. Tính theo giá trị SPT:
ks = 1.95N (MN/m3) cho đất rời
ks = 1.04N(MN/m3) cho đất dính.
Trong đó:
N: giá trị SPT trung bình
B: bề rộng cọc.
*. Tính theo mô đun biến dạng nền:
- Hệ số nền tại mũi cọc theo phương đứng tính như sau:
+ Cọc đứng: Kv = αEoD-3/4
Trong đó:
Kv: Hệ số nền mũi theo phương đứng (kgf/cm3)
α : Hệ số điều chỉnh mũi cọc Eo = 1
D: Đường kính mũi cọc (cm).
Eo: Mô đun biến dạng nền (kgf/cm2)
Eo = 25N; (N: Giá trị xuyên tiêu chuẩn).
- Hệ số nền dọc thân cọc theo phương đứng tính như sau:
- Cọc đóng trong đất rời: ksv = 0.05 αEoD-3/4
- Cọc đóng trong đất dính: ksv = 0.1 αEoD-3/4
12
- Cọc khoan nhồi: ksv = 0.03 αEoD-3/4
ksv: hệ số nền thân cọc theo phương đứng (kgf/cm3)
- Hệ số nền ngang thân cọc tính như sau:
ksv = 0.2 αEoD-3/4
kh: Hệ số nền ngang thân cọc (kgf/cm3).
1.2.2 Áp dụng hệ số nền trong tính toán hiện nay.
- Việc áp dụng hệ số nền để tính toán cho móng nói chung và đài cọc nói
riêng được sử dụng rất rộng rãi với sự hỗ trợ của các chương trình tính
SAP2000, ETABS, SAFE, STAPRO, ....
*. Đối với móng băng, móng đơn hoặc móng bè
Mô hình hệ số nền Ks được xác định như sau:
Ks = 40(SF).qa (KN/m3), (1.9)
trong đó:
- SF: là hệ số an toàn thường lấy bằng 1,5
- qa: khả năng chịu tải cho phép của đất nền
Hình 1.4: Mô hình đất nền trong phần mềm SAFE
*. Đối với cọc
13
Thay thế cọc bằng các join Sping với độ cứng:
Ks = P/s, (1.10)
trong đó:
- P: sức chịu tải cho phép của cọc
- s : độ lún của cọc (thông thường = 1cm)
Hình 1.5: Mô hình cọc trong phần mềm SAFE
14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP GIÀN ẢO ÁP DỤNG CHO ĐÀI
CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KỂ ĐẾN ĐẤT NỀN.
2.1 Mô hình giàn ảo theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318. [7]
Đài cọc được thông thường được giả định đài là tuyệt đối cứng. Lực
truyền xuống từ công trình thông qua đài đến cọc. Đài móng có thể phân phối
lại tải trọng công trình phức tạp xuống thành ra nó biến thành M, N , Q. Tải
trọng truyền xuống móng thông qua đài thì các phản lực đầu cọc lại phụ thuộc
vào chiều dày của đài và tải cục bộ do công trình. Để đơn giản hóa ngày nay
việc tính toán đài cọc được tính toán như cấu kiến chịu uốn thông thường với
các giả thuyết ứng suất trong đài cọc trên mặt cắt ngang là tuyến tính, tuy
nhiên với trường hợp đài có chiều cao lớn thì giả thuyết này không còn phù
hợp. Vì vậy lý việc áp dụng mô hình giàn ảo vào tính toán đài cọc là vô cùng
trực quan và thiết thực.
Bảng 3: So sánh hai phương pháp tính.
Phương
Phương pháp tính thông
pháp tính
thường
Phương pháp mô hình giàn ảo
- Lý thuyết tính toán đơn - Phản ánh chính xác sự làm việc
giản, dễ dàng xây dựng của đài cọc, vùng phân bố ứng
Ưu điểm
chương trình tính áp dụng suất.
cho nhiều loại đài cọc.
- Phản ánh chưa chính xác sự - Lý thuyết tính toán phức tạp,
làm việc của đài cọc, giả yêu cầu sự chính xác tỷ mỷ cao.
Nhược
thuyết phân bố ứng suất - Tính toán ra lượng cốt thép
điểm
trong đài tuyến tính không nhiều hơn phương pháp tính
còn đúng với đài có chiều thông thường
cao lớn.
15
Với những ưu nhược điểm nêu trên việc tính toán theo phương pháp
giàn ảo là thực sự cấp thiết trong lĩnh vực thiết kế ngày nay giúp giảm sự
nhầm lẫn sai sót đối với các công trình cao tầng và siêu cao tầng.
Hình 2.1: Biểu đồ ứng suất trong đài có chiều cao lớn
2.1.1 Giới thiệu
Thông thường, trong quá trình tính toán thiết kế, các cấu kiện bê tông
cốt thép được phân loại thành các dạng cơ bản như cột, thanh, dầm, bản, và hệ
kết cấu khung, giàn, theo các đặc điểm chịu lực và hình thức kết cấu của
chúng. Đối với từng cấu kiện cụ thể thì trạng thái ứng suất, biến dạng của các
tiết diện cũng thay đổi tuỳ theo vị trí và phương thức chịu tải. Tuỳ theo tỷ lệ
giữa chiều dài nhịp và chiều cao, dầm (đài) bê tông cốt thép chịu uốn có thể
phân chia thành các vùng ứng suất B và D như sau: vùng B (Bernoulli hoặc
Beam) và vùng D (Disturbed hoặc Discontinuity). Vùng B gồm các phần tử
của kết cấu có thể áp dụng được giả thiết tiết diện phẳng của Bernoulli. Vùng
D bao gồm các phần có sự thay đổi đột ngột (không liên tục) về hình học hoặc
về lực. Theo nguyên lý St. Venant, vùng D kéo dài một khoảng bằng chiều
cao tiết diện về cả hai phía tính từ điểm có sự thay đổi đột ngột.
16
Hình 2.2: Minh họa vùng B và vùng D.
Nếu hai vùng D trong một cấu kiện chồng lên nhau hoặc gặp nhau thì
khi thiết kế chúng được xem như một vùng D.
2.1.2. Cơ sở của mô hình giàn ảo.
Phương pháp tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo mô hình
giàn ảo theo tiêu chuẩn Mỹ ACI318 dựa trên định lý cận dưới (còn gọi là định
lý cân bằng) của lý thuyết dẻo. Định lý này được phát biểu như sau: "Nếu tìm
được trong kết cấu một trạng thái ứng suất cân bằng với tải trọng ngoài và
ứng suất tại mọi điểm trong kết cấu nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn chảy của vật
liệu thì kết cấu sẽ không bị phá hoại hoặc ở giới hạn phá hoại". Vì kết cấu có
thể chịu được tải trọng ngoài này, nên người ta nói tải trọng là cận dưới của
khả năng chịu lực của kết cấu.
Trong mô hình giàn ảo, các luồng nội lực được lý tưởng hóa thành một
giàn ảo tạo bởi các thanh chống bê tông chịu nén và các thanh giàn cốt thép
chịu kéo. Lúc này định lý cận dưới của lý thuyết dẻo có thể được hiểu như
sau: "Khi giàn ảo thỏa mãn điều kiện cân bằng dưới tác dụng của ngoại lực và
ứng suất trong thanh giàn không vượt quá giới hạn chảy fy, ứng suất trong
