Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của đài cọc đến nội lực trong cọc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.24 MB, 80 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BẤCH KHOA
TRẦN NHƯ TRỌNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA ĐÀI CỌC
ĐẾN NỘI LỰC TRONG CỌC
Chuyên ngành
: Xây dụng cầu, Hầm
Mã ngành
: 60 58 25
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
***
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LÊ BÁ KHÁNH.
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
tháng năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
Chủ tịch hội đồng.
2.
Thư ký hội đồng.
3.
CB Phản biện 1.
4.
CB Phản biện 2.
5.
Uỷ viên hội đồng.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi
luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
Trưởng khoa
-ii-
ĐH. QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐH. BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
TRẦN NHƯ TRỌNG
MSHV:
12383022
Ngày, tháng, năm sinh:
20/02/1988
Nơi sinh:
Lâm Đồng
Chuyên ngành: Xây dựng cầu, Hầm
Mã số : 60 58 25
1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA ĐÀI CỌC ĐẾN NỘI LỰC
TRONG CỌC
2. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu về cấu tạo móng cọc khoan nhồi dùng trong xây dựng cầu;
2. Xác định khái niệm về độ cứng của đài, độ cứng tương đối giữa đài với cọc;
3. Nghiên cứu tổng quan về cơ chế tương tác nhóm cọc và đất nền có xét đến độ
cứng của đài cọc ;
4. Nghiên cứu về ứng dụng phần mềm PLAXIS ;
5. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn để phân tích tương quan giữa độ cứng tương
đối của hệ “đài - cọc” và nội lực trong cọc ;
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
Ngày tháng năm 2015
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
Ngày tháng năm 2016
5. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. LÊ BÁ KHÁNH
CÁN Bộ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀO TẠO
TRƯỞNG KHOA KỸ
THUẬT XÂY DỰNG
TS LÊ BÁ KHÁNH
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
- V-
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bài Luận văn này, lời đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đặc biệt và tri ân
sâu sắc đến thầy Lê Bá Khánh, người đã dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, động
viên và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện bài luận văn này. Xin cám ơn toàn thể
quý thầy, cô Bộ môn cầu - Đường trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã
giảng dạy, truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu, bổ ích.
Thứ hai, xin gửi lời cám ơn đến Lãnh đạo cùng các đồng nghiệp tại Xí nghiệp TVTK
Đường bộ - Công ty CP TVTK GTVT Phía Nam (TediSouth), nơi tôi làm việc, đã tạo điều
kiện cho tôi theo học chương trình thạc sĩ và hoàn thành luận án này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến Ba, Má đã luôn ủng hộ tôi trong suốt thời gian
qua./
Tác giả
Trần Như Trọng
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
- vi—
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn phân tích ảnh hưởng của chiều dày đài cọc bao gồm cả thân trụ đến sự
phân bố lực dọc, lực cắt và moment trong các cọc khác nhau trong nhóm sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 3 chiều phi tuyến. Một thuật toán dựa trên phép
nội suy các chuyển vị nút và xấp xỉ chênh lệch hữu hạn chuyển vị được phát triển để
đánh giá lực dọc, lực cắt, moment uốn trong cọc. Quan trọng là đưa ra được cách thức
lựa chọn chiều dày đài cọc để đạt được nội lực trong cọc hợp lý nhất.
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
— vii —
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số
liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả của luận án chưa
từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào. Tác giả hoàn toàn chịu trách
nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án.
Tác giả
Trần Như Trọng
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
-8-
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... V
TÓM TẮT LUẬN VĂN ......................................................................................... vi
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. vii
MỤC LỤC ............................................................................................................. viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... X
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ xi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU ......................................................................... xiv
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 15
Chương 1 TÔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................... 17
1.1 Giới thiệu .................................................................................................... 17
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 17
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................... 19
1.4 Nhận xét của chương .................................................................................. 20
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 21
2.1 Móng cọc .................................................................................................... 21
2.2 Độ cứng của đài, độ cứng tương đối giữa đài với cọc ............................... 21
2.3 Giới thiệu các phương pháp phân tích nhóm cọc....................................... 24
2.3.1
Mô hình móng cọc đài cứng .............................................................. 24
2.3.2
Mô hình móng cọc đài mềm .............................................................. 25
2.3.3
Cơ chế tương tác nhóm cọc và đất nền có xét đến độ cứng của đài
cọc 30
2.4 Giới thiệu PLAXIS 3d Foundation ............................................................ 32
2.5 Nhận xét của chương ................................................................................. 41
Chương 3 ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG ĐÀI CỌC ĐẾN NỘI LỰC TRONG CỌC 43
3.1 Giới thiệu .................................................................................................... 43
3.2 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................ 43
3.2.1 Cầu số 1 .................................................................................................. 43
3.2.2
Cầu số 2.............................................................................................. 47
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
—9—
3.2.3
Ảnh hường của chiều dày đài cọc ..................................................... 52
3.2.4
Ảnh hường của thân trụ .................................................................... 62
3.3 Nhận xét của chương .................................................................................... 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 80
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
-X-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu/ Chữ viết tắt
PTHH
Giải thích
Phần tử hữu hạn
BTCT
Bê tông cốt thép
TTGH
Trạng thái giới hạn
TTGH CĐ
Trạng thái giới hạn cường độ
TTGH SD
Trạng thái giới hạn sử dụng
TLBT
Trọng lượng bản thân
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
- xi -
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Mô hình cột, đài cọc và cọc .................................................................... 17
Hình 2.1 Cơ chế truyền tải trọng của móng cọc..................................................... 21
Hình 2.2 ứng xử của móng theo sơ đồ đài cứng (a) và đài mềm (b) ...................... 22
Hình 2.3 Mô hình móng cọc đài cứng [11] ............................................................ 25
Hình 2.5 Phương pháp dải trên các lò xo (Sonoda et la.(2009)) [4] ...................... 28
Hình 2.6 Mô hình tính toán móng cọc đài mềm [12] ............................................. 30
Hình 2.7 Các đường cong tải trọng - chuyển vị [12] ............................................ 31
Hình 2.8 Yêu cầu tối thiểu của mô hình [13] ........................................................ 35
Hình 2.9 Sự phân bố các nút và các điểm ứng suất trong một phần tử nêm 15 nút.
................................................................................................................................ 36
Hình 2.10 Phần tử “cọc ngàm” thể hiện là đường màu đen trong phần tử đất nền
tứ diện 10 nút. [14] ................................................................................................. 36
Hình 2.11 Vùng đàn hồi ảo của cọc ngàm ............................................................. 37
Hình 2.12 Tương quan giữa chuyển vị và số lượng nút trong mô hình, (Hannes và
Daniel, 2010) [4] .................................................................................................... 38
Hình 2.13 Mô hình dẻo lý tưởng ............................................................................ 39
Hình 2.14 Xác định Eo và E50 qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước.................. 39
Hình 2.15 Xác định Esoref qua thí nghiệm nén 3 trục thoát nước .......................... 41
Hình 2.16 Xác định Eoedref qua thí nghiệm nén cố kết (Oedometer) ...................... 41
Hình 3.1 Bố trí chung cầu số 1 ............................................................................... 44
Hình 3.2 Kích thước trụ cầu số 1 ........................................................................... 45
Hình 3.3 Kích thước đài cọc và kích thước mô hình Plaxis đài cọc cầu số 1 ........ 45
Hình 3.4 Mô hình trụ cầu số 1................................................................................ 47
Hình 3.5 Bố trí chung cầu số 2 ............................................................................... 48
Hình 3.6 Kích thước trụ cầu số 2 ........................................................................... 49
Hình 3.7 Kích thước đài cọc và kích thước mô hình Plaxis đài cọc cầu số 2 ........ 49
Hình 3.8 Mô hình trụ cầu số 2................................................................................ 51
Hình 3.9 Lực dọc đầu cọc của hàng cọc giữa theo phương ngang cầu (x) ............ 52
Hình 3.10 Lực dọc đầu cọc của hàng cọc giữa theo phương ngang cầu (x) ........... 53
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
- xii -
Hình 3.11 Biến dạng của đài cọc trong mô hình đài cọc mềm ............................... 54
Hình 3.12 Lực dọc đầu cọc của hàng cọc giữa theo phương dọc cầu (z) - (cầu số
1, móng trụ P4, hàng cọc tô đen) ........................................................................... 54
Hình 3.13 Lực dọc đầu cọc của hàng cọc giữa theo phương dọc cầu (z) - (cầu số
2, móng trụ P2, hàng cọc tô đen) .......................................................................... 55
Hình 3.14 Biểu đồ đường bao lực dọc đầu cọc lớn nhất ứng với các chiều dày đài cọc
thay đổi - cầu số 1 ................................................................................................... 56
Hình 3.15 Biểu đồ đường bao lực dọc đầu cọc lớn nhất ứng với các chiều dày đài cọc
thay đổi - cầu số 2 ................................................................................................... 57
Hình 3.16 Sự phân bố tải trọng của các hàng cọc trong móng có 2x2+1 cọc khi thay đổi
modun đàn hồi đài cọc trong nghiên cứu của Guo [17] .......................................... 59
Hình 3.17 Sự phân bố tải trọng của các hàng cọc trong móng có 4x4 cọc khi thay đổi
modun đàn hồi của đài cọc trong nghiên cứu của Guo [17] ................................... 59
Hình 3.18 Biểu đồ đường bao lực dọc lớn nhất trong các cọc khi thay đổi chiều dày đài
cọc ........................................................................................................................... 60
Hình 3.19 Biểu đồ moment dọc thân cọc C4 khi thay đổi chiều dày đài cọc - cầu số 1
................................................................................................................................. 61
Hình 3.20 Biểu đồ lực cắt dọc thân cọc C4 khi thay đổi chiều dày đài cọc - cầu số 1
................................................................................................................................. 62
Hình 3.21 Biểu đồ lực dọc thân cọc C3 khi có và không có thân trụ với chiều dày đài
H=lm - Cầu số 2 ...................................................................................................... 63
Hình 3.22 Biểu đồ đường bao lực dọc đầu cọc lớn nhất khi có và không có thân trụ với
các chiều dày đài cọc khác nhau - cầu số 2 ............................................................. 64
Hình 3.23 Biểu đồ moment thân cọc C3 khi có và không có thân trụ với chiều dày đài
H=lm - cầu số 2 ....................................................................................................... 65
Hình 3.24 Biểu đồ đường bao momnet lớn nhất ttong cọc khi có và không có thân trụ
với các chiều dày đài cọc khác nhau - cầu số 2 ....................................................... 65
Hình 3.25 Biểu đồ lực cắt thân cọc C3 khi có và không có thân trụ với chiều dày đài
H=lm - Cầu số 2 ...................................................................................................... 66
Hình 3.26 Biểu đồ đường bao lực cắt lớn nhất trong cọc khi có và không có thân trụ
với các chiều dày đài cọc khác nhau, cầu số 2 ....................................................... 66
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
-xiii-
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Mohr - Coulumb .......................... 38
Bảng 2.2 Đặc trưng vật liệu đất trong mô hình Hardening Soil............................. 40
Bảng 3.1 Các thông số đất nền cầu số 1 ................................................................. 46
Bảng 3.2 Các thông số cọc và trụ cầu số 1............................................................. 46
Bảng 3.3 Các thông số đất nền cầu số 2 ................................................................. 50
Bảng 3.4 Các thông số cọc và trụ cầu số 2............................................................. 50
Bảng 3.5 Tổng hợp các thông số của các trụ cầu ................................................... 51
Bảng 3.6 Lực dọc đầu cọc lớn nhất khi chiều dày đài cọc thay đổi-Cầu số 1 .... 55
Bảng 3.7 Lực dọc đầu cọc lớn nhất khi chiều dày đài cọc thay đổi-Cầu số 2 .... 56
HV: Trần Như Trọng
MSHV: 12383022
-14-
MỞ ĐẦU
1.
Lý do chọn đề tài
Đài cọc (bệ cọc) là một bộ phận quan trọng của mố - trụ cầu, chúng giữ chức năng
truyền tải trọng từ các kết cấu bên trên xuống nhóm cọc bên dưới [1], Độ cứng của đài
cọc ảnh hưởng đáng kể đến nội lực đầu cọc và cũng ảnh hưởng đến moment uốn và lực
cắt trong cọc, dù cho chuyển vị của đài cọc không thay đổi nhiều (Won et al, 2006) [2],
Khi thiết kế móng của mố - trụ cầu thường xem đài cọc là cứng vô cùng để đơn
giản lời giải. Tuy nhiên, với giả thiết như vậy thì nội lực đầu cọc theo tính toán và thực
tế có thể sẽ khác nhau. Vì đài cọc cứng không bị biến dạng cục bộ, đài cọc cứng sẽ
truyền các tải trọng từ các cọc trung tâm và phân bố lại cho các cọc phía ngoài. Do đó
các cọc phía ngoài nhận được phần lớn hơn trong tổng tải trọng và chịu lực dọc trục và
moment uốn lớn hơn. Đối với đài cọc mềm, tải trọng trên các cọc đơn là khác nhau bởi
vì biến dạng cục bộ của đài cọc làm tăng sự phân bố tải trọng không đều giữa các cọc.
Nội dung luận văn cao học này tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng độ cứng của
đài cọc đến nội lực trong cọc trong móng của trụ cầu. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ
giúp ta hiểu rõ hơn cơ cấu truyền lực từ đài cọc đến các cọc, đồng thời lựa chọn được
chiều dày đài cọc hợp lý.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của đài cọc đến nội lực trong cọc có xét đến sự
làm việc đồng thời của hệ móng - nền đất theo sơ đồ không gian. Trong đó kết cấu đất
nền được mô hình hoá bằng phần tử khối.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung tính toán phân tích móng trụ của hai cầu có địa chất, chiều dài cọc
và kích thước cọc khác nhau. Để nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đài cọc đến nội
lực trong cọc, các thông số vật liệu trụ cầu, thông số đất nền đối với mỗi mô hình là cố
định, chỉ thay đổi chiều dày đài cọc.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu tổng quan về lý thuyết, và tính toán mô phỏng bằng phần
mềm để giải quyết các nội dung của đề tài.
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
-15-
5.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài: Giúp chúng ta hiểu rõ hơn ảnh hưởng của độ cứng
đài cọc, thân trụ đến sự phân bố tải trọng đến các cọc trong móng.
Tính thực tiễn của đề tài: Giúp người kỹ sư thiết kế chọn lựa được kích thước
đài cọc ban đầu hợp lý về mặt nội lực, đảm bảo các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo khi
thiết kế móng cọc, đồng thời giúp người kỹ sư hiểu rõ hơn về cơ chế truyền lực trong
móng.
6.
Nội dung đề tài
Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài
liệu tham khảo và phần phụ lục.
Phần mở đầu: nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi
nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài.
Chương 1: Giới thiệu đối tượng nghiên cứu, tổng quan về tình hình nghiên cứu
trong nước và trên thế giới về vấn đề nghiên cứu, kết luận lý do thực hiện.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về kích thước hình dạng sơ bộ, cơ chế làm việc, các
phương pháp thiết kế, lý thuyết phục vụ việc phân tích của bệ cọc; các thông số để mô
hình hóa nền công trình.
Chương 3: Giới thiệu mô hình bệ cọc khảo sát, phân tích mô hình bệ cọc bằng
phần mềm PLAXIS cho 2 mô hình tương ứng với 22 trường hợp khảo sát, so sánh và
đưa ra kết luận.
Phần kết luận và kiến nghị: Nhận xét đánh giá và rút ra kết luận về sự phân bố
nội lực trong các cọc tính theo phương pháp phần tử hữu hạn. Đồng thời đề nghị định
hướng nghiên cứu tiếp.
Chưưng 1 TỔNG QUAN VỀ VẨN ĐỀ NGHIÊN cứu
1.1 Giới thiệu
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
-16-
Hình 1.1 Mô hình cột, đài cọc và cọc
Nhiệm vụ chủ yếu của móng cọc là truyền tải ửọng từ công trình xuống lớp đất ở
dưới và các lớp đất xung quanh nó. Móng cọc gồm hai bộ phận chính là cọc và đài cọc
(...). Cọc là những thanh riêng rẽ dùng để truyền lực. Đài cọc là kết cấu dùng để liên
kết các cọc lại với nhau và phân bố tải trọng của công trình lên các cọc.
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Có nhiều phương pháp để thiết kế nhóm cọc. Các phương pháp này có thể phân
loại một cách tổng thể theo 3 dạng khác nhau:
(1) Phương pháp cọc đơn tương đương (Bogard and Matlock, 1983; Brown et
al., 1988; Ooi et al., 2004);
(2) Phương pháp đàn hồi (Poulos, 1971; Banerjee and Driscoll, 1976; Randolph,
1980);
(3) Phương pháp truyền tải ttọng ba chiều tổng thể (Reese et al., 1970; Chow
1987; Hoit et al., 1996; Kitiyodom and Matsumoto, 2002).
Phương pháp đầu tiên dựa ttên phân tích cọc đơn kết hợp với hệ số nhóm cọc hoặc
hệ số nhóm khuếch đại thể hiện tương tác cọc - đất nền - cọc và tương tác đài cọc - cọc.
Đây là phương pháp đơn giản, chỉ sử dụng bản tính để tính toán các thông số thiết kế.
Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là chỉ có thể áp dụng trong trường hợp các cọc
cách đều nhau và không xác định được tải trọng phân bố dọc theo chiều sâu cọc.
Phương pháp thứ hai là phương pháp mô hình đất nền xung quanh cọc là môi
trường liên tục đàn hồi tuyến tính ba chiều.
Phương pháp thứ ba mô hình tất cả cọc trong nhóm cọc sử dụng phần tử dầm cột kèm theo các lò xo đất nền phi tuyến và đài cọc. Phương pháp này phổ biến vì có
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
-17-
thể mô hình các cọc sắp xếp ngẫu nhiên tương đối đơn giản, và các thông số thiết kế dễ
dàng đạt được.
Bên cạnh đó, các nghiên cứu chuyên sâu về tương tác đài cọc - cọc - đất nền cũng
được thực hiện. Desai, Alameddine, Kuppusamy [3] đã dùng phương pháp phần tử hữu
hạn để phân tích kết cấu bao gồm phần tử dầm-cột (cột), tấm (đài cọc) và các lò xo phi
tuyến (đất nền). Cho phép tính toán ứng suất, moment, chuyển vị trong toàn bộ kết cấu.
Sale et al. (2010) công bố rằng tổng độ cứng của móng cọc liên quan trực tiếp đến
độ cứng của các cọc, và độ lún của móng là hệ quả trực tiếp của các độ cứng đơn lẻ của
tất cả các phần tử trong đó và tương tác đài - cọc - đất nền. Với sự kết hợp của các đặc
trưng hình học, đường kính và chiều dài các cọc, số lượng và tỷ lệ khoảng cách cọc, có
thể tìm được độ cứng tương đối của nhóm cọc. Long (2010) viện dẫn một nghiên cứu
dựa trên thí nghiệm với mô hình thực tế quy mô lớn và nhận thấy rằng cọc chịu tải trọng
càng lớn thì độ lún càng nhỏ. Theo Lin và Feng (2006), phần lớn các cọc biên chịu lực
dọc lớn hơn (1.25 Pave) so với các cọc ở trong (0.8Pave) với các cọc phân bố như nhau.
Một vài nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của chiều dài cọc. Leung et la. (2010) tìm
ra rằng lún lệch có thể được giảm bằng cách sử dụng các cọc dài hơn ở phần trung tâm
và ngắn hơn ở phần chu vi của đài và lợi ích tối ưu được tăng lên cùng với tỷ lệ Ep/E s
( độ cứng cọc/ độ cứng đất nền) và giảm khoảng cách cọc. Lee et al. (2010) kết luận
rằng, ở cấp tải trọng nhỏ, tải trọng lên các cọc ở giữa thường nhỏ hơn so với cọc biên,
ngược lại ở cấp tải trọng lớn hơn, tải trọng lên cọc ở giữa thì tải trọng lên các cọc ở
giữa lớn hơn không đáng kể so với cọc biên. Lee et la. (2010) cũng tìm thấy rằng khả
năng chịu tải mũi cọc hầu như giống nhau nếu chiều dài và đặc trưng giống nhau, không
quan tâm đến loại tải trọng, ngoài ra, một kết quả nữa là tỷ lệ tải trọng chịu bởi đài khi
bị phá hoại thì không phụ thuộc nhiều vào đặc trưng cọc. Để xem xét ảnh hưởng nhóm
của các cọc. [4]
ứng xử của móng cọc cũng phụ thuộc vào loại đất phía dưới đài cọc. Oh et al.
(2009) thực hiện một nghiên cứu mô hình với phân tích số học bằng hai trường hợp,
trong đất cát vào trong đất sét. Kết quả là: đối với đất cát, độ lún lớn nhất phụ thuộc
vào khoảng cách cọc và số lượng cọc, chiều dày đài cọc không có ảnh hưởng đáng kể,
còn đối với đất sét, chiều dày đài có ảnh hưởng rõ ràng đến lún lệch. [4]
Lin và Feng (2006) công bố rằng chiều dày của đài cọc thể hiện ảnh hưởng nhỏ
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
-18-
đến độ lún tổng thể trong đài cọc kích thước nhỏ hơn 15xl5m và đến lún lệch; đài cọc
mỏng thấy rõ điều đó hơn so với đài dày. Hơn nữa, Cunha et la. (2011) đã nghiên cứu
thiết kế thay thế móng cọc trong lịch sử. Kết quả chính trong nghiên cứu của họ có thể
tổng hợp như sau: khi tăng chiều dày đài cọc, chuyển vị lớn nhất ( cả tổng thể và lún
lệch) giảm, tải trọng lớn nhất lên cọc giảm xuống, đài cọc chịu tải trọng lớn hơn. Theo
Lin và Feng (2006) moment uốn của đài cọc dày thì lớn hơn trong đài cọc mỏng và
kích thước đài cọc lớn hơn thì moment uốn cũng lớn hơn. Cunha et al. (2001) cũng tìm
thấy rằng giảm số lượng cọc thì chuyển vị và áp lực tiếp xúc tăng lên. [4]
Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã đi những bước dài trong nghiền cứu móng
cọc, đặc biệt là ngày càng hiểu rõ hơn về tương tác đài cọc - cọc - đất nền.
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước
Nguyễn Duy Cường đã đưa ra kết luận về ứng xử của nhóm cọc chịu tải trọng
ngang và momen khác với ứng xử của cọc đơn vì có sự chồng chập vùng ảnh hưởng
của các cọc bên cạnh với nhau. Ket 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 [5],
Phạm Văn Thoan đã trình bày cơ sở lý thuyết mối quan hệ tương tác giữa cọc và
nền, các phương pháp phân tích tĩnh hiệu ứng nhóm trong móng cọc. Đồng thời, đã
khảo sát ảnh hưởng của hệ số hiệu ứng nhóm đối với các đại lượng như khoảng cách
giữa các cọc, đường kính cọc, số lượng cọc trong móng cho nền đất sét và cát trên cơ
sở phương pháp thực nghiêm. [6]
Các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào phân tích các yếu tố có ảnh
hưởng đến cơ chế đài - cọc - đất nền, dựa vào các phương pháp đã được phát triển
trước đó.
1.4 Nhận xét của chương
Các công trình nghiên cứu trên đã có nhiều đóng góp giúp hiểu rõ hơn bản chất
nội lực trong móng cọc, tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đài cọc thì
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
-19-
còn nhiều hạn chế. Chưa nghiên cứu lựa chọn chiều dày đài cọc dựa trên phân tích nội
lực của các cọc trong nhóm cọc. Bên cạnh đó, các nghiên cứu trên chưa xem xét ảnh
hưởng độ cứng thân trụ đến độ cứng của đài cọc. Vì đài cọc và thân trụ là các bộ phận
liên kết trực tiếp với nhau trong tổng thể kết cấu trụ.
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
-20-
Chưưng 2 cơ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Móng cọc
Móng cọc là kết cấu tổ hợp của 3 thành phần: cọc, đài và đất nền. Tải trọng tác
dụng được truyền tới đất nền thông qua đài và cọc. Cơ chế truyền tải trọng này có thể
được trình bày đơn giản như Hình 2.1. Sự chia sẻ tải họng giữa cọc đài và cọc là đặc
trưng chính để phân biệt các dạng móng cọc ương thiết kế. [4]
lỉiiiỄiiiiiiiimiilỉiiiniiiiiiiỂniiii
1
1
1
[llĩ
11111
1
1
1
1
1
1
[III
11111
1
1 1
1
1 t ị
1 b
í*
1 h
1
1
I 1
1
1
1 1
1
ị 1
till
I Q. llllq.
Hình 2.1 Cơ chế truyền
Ntải họng của móng cọc.
Có hai mô hình cơ bản được đề nghị để phân tích ứng xử của móng cọc là:
I
1. Mô hình đài cọc tuyệt đối cứng (hay ngắn gọn là “đài cọc cứng”).
2. Mô hình đài cọc mềm.
2.2 Độ cứng của đài, độ cứng tuong đối giữa đài với cọc.
Việc biết chính xác mối liên hệ giữa độ cứng của cọc và đài cực kỳ quan trọng
đối với việc thiết kế chính xác nhóm cọc để sử dụng trong các kết cấu móng mềm [2],
Đài cọc cứng hay mềm phụ thuộc vào độ cứng tương đối của chính nó và đất
nền. ứng xử của móng cũng phụ thuộc vào độ cứng của kết cấu bên trên (Gupta
(1997)).
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
-21-
Móng cọc đài cứng là loại móng cọc có đài có độ cứng lớn hơn nhiều so với độ
cứng của cọc. Với giả thuyết móng cọc đài cứng, việc tính toán sẽ đơn giản hơn rất
nhiều.
Theo Lê Đức Thắng [7], khi khoảng cách giữa hai trục cọc cạnh nhau (tại mặt
phẳng đáy đài) không quá 6 lần đường kính hay cạnh cọc thì thì có thể coi là đài tuyệt
đối cứng.
Hình 2.2 ứng xử của móng theo sơ đồ đài cứng (a) và đài mềm (b)
Theo Veselov VA, khi tỷ lệ cạnh dài và chiều cao đài cọc nhỏ hơn 4:1, đài cọc
được xem là cứng [8], Khái niệm của Veselov có nhiều điểm tiến bộ do đã kệ đến độ
cứng của đài.
Độ cứng của đài cọc là một trong những thông số chủ yếu để xác định sự phân bố
tải trọng giữa các cọc. Độ cứng của đài cọc có thể được miêu tả bởi nhiều công thức khác
nhau dựa trên độ cứng chống uốn của một tấm.
Đầu tiên, độ cứng chống uốn của một kết cấu dạng tấm (plate) được định
nghĩa như sau [9]::
2-1
12(1
Trong đó, Ep : là modun đàn hồi của tấm (MPa) tp: chiều dày của tấm
D
HV: Trân Như Trọng
_ Eptp
MSHV: 12383022
-22-
Vp : hệ số Poisson của tấm
Brown (1975) [9] miêu tả độ cứng của đài cọc là độ cứng tương đối giữa đài và
đất nền nằm phía dưới:
4ErBrtr(l-Vg)
Krs =
3nEsLị
22
Krs: tỷ số độ cứng của đài cọc - đất nền
Ej.: modun đàn hồi của đài (Mpa)
Br: bề rộng của đài (m)
Lr: chiều dài của đài (m)
tr: chiều dày của đài (m)
vs: hệ số Poisson của đất
Es: modun đàn hồi của đất (Mpa)
Randolph (1997) [9] đã định nghĩa độ cứng tương đối của đài cọc là:
Erl —Vg
Krs = 5.57
Esl- vỉ
2-3
vr: hệ số Poisson của đài cọc
Đối với móng cọc, độ cứng tương đối có các công thức sau:
Russo và Viggiani (1998) [9] đã định nghĩa độ cứng chống uốn tương đối của
đài cọc Krs là:
4Er(l-v2)2 t ,
rs
3 Es(l - V2)2 w
2-4
B : bề rộng của đài.
Guo (1988) [9] định nghĩa độ cứng của đài cọc bằng cách xét đến độ cứng của
cọc, đất nền và khoảng cách giữa các cọc, nên định nghĩa này phù hợp hơn.
Ertỉ
^single
2-5
12(1 — v2)s2 pave
s: khoảng cách giữa các cọc (m)
Asingie : độ lún của cọc đơn (m) (Xem thêm phần phụ lục)
Pave : tải ttọng trung bình một cọc chịu (m)
Với các định nghĩa trên, ta chú ý rằng độ cứng tương đối của đài cọc Krs tỷ lệ
với Er.tr3- Do đó có thể tăng độ cứng tương đối của đài cọc bằng cách tăng modun
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
-23-
đàn hồi đài cọc hoặc tăng chiều dày của đài cọc. [9]
2.3 Giới thiệu các phương pháp phân tích nhóm cọc
Có hai yếu tố giúp phân biệt ứng xử của nhóm cọc và cọc đơn, ảnh hưởng lắp
đặt nhóm cọc lớn hơn lắp đặt từng cọc đơn, và ảnh hưởng tương tác tải trọng. Phân
tích phần tử hữu hạn là phương pháp mô hình tương tác tải trọng tiệm cận chính xác
nhất và có thể mô hình độ cứng đất nền phi tuyến, kích thước nhóm lớn với các hình
dạng khác nhau. Ngày nay, có một số kỹ thuật chính xác để mô hình việc lắp đặt cọc
như phương pháp vật liệu điểm, mô hình phần tử rời rạc, mô hình phần tử hữu hạn
và phương pháp đường biến dạng. Ngoài ra, sự hiểu biết của chúng ta về quá trình
này gia tăng bằng các thí nghiêm kiểm tra cọc.
Mục đích chính của việc phân tích nhóm cọc là xác định độ lún tổng thể hoặc
lún lệch của nhóm cọc (Poulos 2006). Nó yêu cầu dự đoán chính xác ứng xử của cọc
đơn ngoài ảnh hưởng tương tác của các cọc chịu tải gần nhau trong cùng một nhóm
cọc.
Hiện tượng tương tác cọc - cọc là yếu tố đầu tiên phân biệt phân tích cọc đơn
với các cọc trong nhóm (Poulos 2006). Một cọc đơn chịu tải trọng truyền ngoại lực
đến đất nền thông qua ứng suất cắt dọc theo cọc tại mặt chung giữa cọc và đất nền và
lực nén ở mũi cọc (Randolph và Wroth 1978). Sự truyền ngang của các ứng suất cắt
đến đất nền tạo ra một phạm vi lún xung quanh cọc đơn chịu tải trọng. Cọc gần đó
trong vùng ảnh hưởng của phạm vi lún sẽ chịu tương tác tải trọng ngoài tải trọng
ngoài của nó do ứng suất cắt truyền từ đất nền. Điều này dẫn tới sự gia tăng độ lún
của các cọc trong một nhóm so với độ lún tương ứng của một cọc đơn [10],
2.3.1
Mô hình móng cọc đài cứng
Phương pháp này có thể xem xét tương tác cọc - đài cọc, và tương tác đài cọc đất nền - cọc, nhưng bị giới hạn ở chỗ không xem xét đến độ cứng liên kết
HV: Trân Như Trọng
MSHV: 12383022
