thiết kế hạ tầng kiến thức

Chương 7 Thiết kế cơ sở hạ tầng
7.1

7.2

7.3

7.4

Cân nhắc chung về cơ sở hạ tầng

7-1

7.1.1

Quy trình thiết kế nền móng

7-1

7.1.2

Các quốc gia giới hạn thiết kế nền móng

7-3

7.1.3

Thiết kế địa chấn

7-4

7.1.4

Hạ tầng và tải trọng nền móng

7-4

7.1.5

Lớp bê tông cho kết cấu hạ tầng

7-7

7.1.6

Con dấu nền tảng

7-7

7.1.7

Yêu cầu Scour

7-10

Mô hình nền tảng cho tải trọng địa chấn

7-12

7.2.1

Chung

7-12

7.2.2

Quy trình phân tích động đàn hồi cấu trúc con

7-12

7.2.3

Thuộc tính phần mô hình cầu

7-13

7.2.4

Xác minh mô hình cầu

7-15

7.2.5

Phương pháp mô hình hóa nền tảng sâu

7-15

7.2.6

Phân tích bên của cọc và trục

7-20

7.2.7

Spread Footing Modeling

7-25
7-28

Thiết kế cột
7.3.1

Cân nhắc chung về thiết kế

7-28

7.3.2

Hiệu ứng mảnh mai

7-29

7.3.3

Thiết kế cắt

7-31

7.3.4

Silo cột

7-31

7.3.5

Gia cố cột

7-33

7.3.6

Bản lề cầu tàu cột và tường

7-45

7.3.7

Phần cột giảm

7-47
7-51

Xà ngang
7.4.1

7,5

Nội dung

Thiết kế chung

Thiết kế và chi tiết mố

7-51
7-54

7.5.1

Chung

7-54

7.5.2

Trụ cầu được hỗ trợ bởi tường đất ổn định bằng cơ học

7-58

7.5.3

Kè tại mố

7-63

7.5.4

Đang tải mố

7-63

7,5,5

Trường hợp tải trọng công trình tạm thời

7-64

7,5,6

Vòng bi trụ và Dừng dầm

7-65

Sổ tay Thiết kế Cầu WSDOT M 23-50.20 tháng 9 năm 2020

Trang 7-i


Chương 7

7.6

7.7

7.8

7.9

Thiết kế cơ sở hạ tầng

7,5,7

Khớp mở rộng mố

7-67

7,5,8

Mở chi tiết chung

7-67

7,5,9

Khớp xây dựng

7-69

7,5.10

Thiết kế tường mố

7-69

7.5.11

Thoát nước và lấp đất

7-71

Tường và rèm của cánh trụ cầu

7-73

7.6.1

Tải trọng rào cản giao thông

7-73

7.6.2

Thiết kế tường cánh

7-73

7.6.3

Chi tiết tường cánh

7-73

Thiết kế chân

7-74

7.7.1

Tiêu chí chung về chân

7-74

7.7.2

Tải trọng và hệ số tải

7-75

7.7.3

Tóm tắt Báo cáo Địa kỹ thuật

7-76

7.7.4

Thiết kế Spread Footing

7-77

7.7.5

Thiết kế chân chống được hỗ trợ cọc

7-82

Trục

7-85

7.8.1

Kháng trục

7-85

7.8.2

Thiết kế cấu trúc và chi tiết

7-90

Cọc và đóng cọc

7-98

7.9.1

Các loại cọc

7-98

7.9.2

Kháng trục đơn cọc

7-100

7.9.3

Chặn thất bại

7-100

7.9.4

Cọc nâng

7-100

7.9.5

Khoảng cách cọc

7-100

7.9.6

Thiết kế kết cấu và chi tiết cọc bê tông CIP

7-101

7.9.7

Cọc nối

7-102

7.9.8

Thiết kế bên cọc

7-102

7.9.9

Cọc đập

7-102

7,9,10

Số lượng và độ cao đầu cọc

7-103

7.9.11

Lập kế hoạch kháng cọc

7-103

Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

7.10

Chương 7

Ống thép đổ bê tông

7-104

7.10.1

Phạm vi

7-104

7.10.2

Yêu cầu thiết kế

7-105

7.10.3

CF S Kết nối vòng hình khuyên T-to-Cap

7-110

7.10.4

Kết nối bê tông cốt thép CFST-to-Cap

7-115

7.10.5

Kết nối RCFST-to-Column và CFST-to Column

7-118

7.10.6

CF được lấp đầy một phần S T

7-120

7.10.7

Yêu cầu xây dựng

7-121

7.10.8

Ký hiệu

7-122

7,11

Bản vẽ tiêu chuẩn cầu

7-124

7.12

Phụ lục

7-125

7.99

Phụ lục 7.3-A2

Cột Chiều dài mối nối vòng không tiếp xúc với Kết nối trục. . . . . . . 7-126

Phụ lục 7-B1

Phương pháp tính toán lò xo tuyến tính II (Kỹ thuật I). . . . . . . . . . . . . . . . . 7-128

Phụ lục 7-B2

Ví dụ về ma trận chân cọc Phương pháp II (Kỹ thuật I). . . . . . . . . . . . . . 7-134

Phụ lục 7-B3

Phương pháp lò xo phi tuyến tính III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-137

Người giới thiệu

7-139

Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

Tháng 9 năm 2020


Chương 7
7.1

Thiết kế cơ sở hạ tầng

Cân nhắc chung về cơ sở hạ tầng
Lưu ý rằng trong các hướng dẫn sau, nơi tham chiếu đến AASHTO LRFD, bạn có thể tìm thấy mục này trong AASHTO hiện tại Thông
số kỹ thuật thiết kế cầu LRFD ( LRFD). Và để tham khảo bất kỳ thông tin nào về Địa chấn AASHTO, bạn có thể tìm thấy mục
này trong AASHTO hiện tại Thông số kỹ thuật hướng dẫn cho thiết kế cầu địa chấn LRFD ( SEISMIC).

7.1.1

Quy trình thiết kế nền móng
Một lưu đồ được cung cấp trong đó minh họa quy trình thiết kế tổng thể được sử dụng bởi

Văn phòng Kết cấu và Cầu nối WSDOT để hoàn thành thiết kế nền tảng LRFD. Lưu ý rằng quá trình này cũng
được nêu trong Sổ tay Thiết kế Địa kỹ thuật Mục 8.2. Văn phòng Cầu và Kết cấu (BSO), WSDOT Chi nhánh Địa kỹ
thuật (GB) và
WSDOT Hydraulics Branch (HB) đã được viết tắt. Các bước trong lưu đồ được xác định như sau:

A. Thiết kế cấp độ theo phạm vi

Giai đoạn này của quá trình thiết kế liên quan đến khu vực yêu cầu các phương án cầu ban đầu và chi phí cho một dự

án trong tương lai. Tùy thuộc vào mức độ phức tạp của dự án, giai đoạn này có thể bao gồm Báo cáo Loại, Quy mô và
Vị trí (TS&L).

Bước thiết kế này có thể dẫn đến giao tiếp không chính thức giữa BSO và GB và / hoặc HB với yêu cầu cung
cấp thông tin và khuyến nghị sơ bộ. Mức độ giao tiếp sẽ phụ thuộc vào thông tin có sẵn được cung cấp
theo khu vực và mức độ phức tạp của dự án. Loại thông tin có thể nhận được từ GB và HB như sau:

•

Điều kiện đất dự kiến.

•

Độ dốc nền đắp tối đa.

•

Các loại nền móng có thể xảy ra và các nguy cơ địa kỹ thuật như hóa lỏng.

•

Tìm kiếm tiềm năng cho các cầu tàu nếu có đường nước.

•

Tiềm năng cho việc di cư trong tương lai của một con suối hoặc băng qua sông.

Nói chung, những đề xuất này dựa trên dữ liệu trang web hiện có. Các lỗ khoan có thể không có sẵn và các lỗ
kiểm tra sẽ được khoan sau đó. GB cung cấp đủ thông tin để lựa chọn các loại nền tảng tiềm năng cho mức xác
định phạm vi ban đầu hoặc kế hoạch và ước tính mức TS&L.

Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

B.

Phát triển dữ liệu địa điểm và kế hoạch cầu sơ bộ
Trong giai đoạn thứ hai, BSO lấy dữ liệu trang web từ khu vực, xem Mục 2.2 , và phát triển kế hoạch cầu sơ bộ.
Vị trí trụ sơ bộ xác định vị trí khoan đất tại thời điểm này. GB và / hoặc HB có thể yêu cầu thông tin sau để tiếp
tục thiết kế sơ bộ của họ.

•

Loại kết cấu và độ lớn của độ lún mà kết cấu có thể chịu đựng (cả tổng và vi sai).

•

Tại mố - Cao độ đỉnh móng gần đúng.

•

Tại các trụ bên trong - Kích thước, hình dạng và số lượng cột ban đầu và cách chúng được cấu hình với
móng (ví dụ: liệu một phần tử móng duy nhất hỗ trợ mỗi cột hay một phần tử móng hỗ trợ nhiều cột)

•

Tại các điểm giao cắt trên mặt nước - Độ sâu rãnh nước của bến tàu, nếu biết, và bất kỳ khả năng nào cho sự di
chuyển của tuyến giao nhau trong tương lai. Thông thường, GB và BSO nên phối hợp theo đuổi thông tin này với HB.

•

Bất kỳ ràng buộc kết cấu nào đã biết có ảnh hưởng đến loại móng, kích thước hoặc vị trí.

•

Bất kỳ ràng buộc nào đã biết có ảnh hưởng đến sức kháng của đất (tiện ích, kết cấu xây dựng, đào,
đắp và làm sai).

C.

Thiết kế nền móng sơ bộ
Giai đoạn thứ ba là yêu cầu của BSO về một bản ghi nhớ cơ sở sơ bộ. Bản ghi nhớ GB sẽ cung cấp dữ liệu đất
sơ bộ cần thiết để phân tích và lập mô hình kết cấu. Điều này bao gồm bất kỳ điều kiện bề mặt nào và cấu hình
sơ bộ dưới bề mặt.

Công tác địa kỹ thuật đồng thời ở giai đoạn này bao gồm:
•

Hoàn thành các bản ghi chi tiết và dữ liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

•

Sự phát triển của loại móng, sức chứa của đất và độ sâu của móng.

•

Phát triển các đặc tính đất tĩnh / địa chấn và gia tốc nền.

•

Khuyến nghị cho các vấn đề về khả năng xây dựng.

B S O cũng có thể yêu cầu HB cung cấp các khuyến nghị thiết kế quét sơ bộ nếu kết cấu nằm
trên giao cắt nước.
D.

Phân tích cấu trúc và mô hình hóa
Trong giai đoạn thứ tư, BSO thực hiện phân tích cấu trúc của cấu trúc thượng tầng và cấu trúc phụ bằng cách sử
dụng mô hình cầu và các thông số sơ bộ của đất. Thông qua mô hình này, nhà thiết kế xác định tải trọng và kích
thước cho nền dựa trên các trạng thái giới hạn LRFD kiểm soát. Thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật tiếp tục điều tra
các vấn đề về khả năng xây dựng và giai đoạn xây dựng trong giai đoạn này.

Trang 7-2

Sách hướng dẫn thiết kế cầu WSDOT M 23-50.20
Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

Chương 7

Để tạo ra một báo cáo địa kỹ thuật cuối cùng, BSO cung cấp phản hồi cấu trúc sau đây cho Tiểu bang Kỹ
sư địa kỹ thuật:
•

Tải trọng nền tảng cho các trạng thái dịch vụ, cường độ và giới hạn cực hạn.

•

Kích thước / đường kính và độ sâu móng cần thiết để đáp ứng thiết kế kết cấu.

•

Các chi tiết nền móng có thể ảnh hưởng đến thiết kế địa kỹ thuật của nền móng.

•

Phương án bố trí móng.

•

Độ sâu dò cặn giả định cho từng trạng thái giới hạn (nếu có)

Đối với các giao cắt nước, BSO cũng cung cấp thông tin được liệt kê ở trên cho Tiểu bang
Kỹ sư thủy lực để xác minh các khuyến nghị ban đầu và thủy lực vẫn phù hợp với địa điểm.

(Xem Chương 2 để biết các ví dụ về các bảng dữ liệu thiết kế cọc sẽ được điền và nộp cho Tiểu bang Kỹ sư
Địa kỹ thuật ở giai đoạn đầu của thiết kế.)
E.

Thiết kế nền móng cuối cùng

Giai đoạn cuối cùng hoàn thành báo cáo địa kỹ thuật và cho phép bắt đầu thiết kế kết cấu cuối cùng. Các giả
định địa kỹ thuật sơ bộ được kiểm tra và các khuyến nghị được sửa đổi, nếu cần. Báo cáo cuối cùng hoàn
thành ở định dạng PS&E vì hợp đồng dự án sẽ chứa thông tin tham chiếu trong báo cáo địa kỹ thuật, chẳng
hạn như:

•

Tất cả dữ liệu địa kỹ thuật thu được tại hiện trường (nhật ký khoan, cấu hình bề mặt và dữ liệu thử nghiệm trong phòng thí
nghiệm).

•

Tất cả các khuyến nghị nền tảng cuối cùng.

•

Các khuyến nghị về khả năng xây dựng và dàn dựng cuối cùng.

Nhà thiết kế xem xét báo cáo cuối cùng để biết thông tin mới và xác nhận các giả định sơ bộ. Với thiết kế
móng đã hoàn thành, quá trình thiết kế và chi tiết kết cấu cầu cuối cùng tiếp tục chuẩn bị các phương án
cầu. Sau thiết kế kết cấu cuối cùng, nhà thiết kế kết cấu phải theo dõi với nhà thiết kế địa kỹ thuật để đảm
bảo rằng thiết kế nằm trong giới hạn của báo cáo địa kỹ thuật.

7.1.2

Các quốc gia giới hạn thiết kế nền móng
Các trạng thái giới hạn kiểm soát đối với các dự án WSDOT để thiết kế kết cấu phụ được mô tả như sau:

Sức mạnh I

Liên quan đến việc sử dụng phương tiện thông thường Liên quan đến

Sức mạnh III

cây cầu tiếp xúc với gió Liên quan đến việc sử dụng phương tiện thông

Sức mạnh V

thường và gió Liên quan đến động đất

Sự kiện cực đoan I

Dịch vụ I

Liên quan đến sử dụng hoạt động bình thường và gió


Chương 7

7.1.3

Thiết kế cơ sở hạ tầng

Thiết kế địa chấn
Thiết kế địa chấn của tất cả các kết cấu phụ phải phù hợp với Địa chấn AASHTO trừ khi có lưu ý khác.

7.1.4

Hạ tầng và tải trọng nền móng
Hình 7.1.4-1 dưới đây cung cấp cơ sở hiểu biết chung về vị trí tải và các định hướng thiết kế kết cấu phụ. Hình này cũng
cho thấy cao độ cần thiết cho thiết kế mố và kết cấu phụ. Lưu ý rằng đối với trục và một số thiết kế móng cọc, trục hoặc
cọc có thể tạo thành cột cũng như phần tử móng.

Móng lan thường có hướng thiết kế bình thường so với móng. Vì tải trọng cầu là tải trọng dọc và ngang, tải trọng kết cấu
thượng tầng lệch được chuyển đổi (sử dụng các thành phần véc tơ) thành tải trọng móng bình thường và song song. Phân

tích nền móng sâu thường có định hướng bình thường / song song với cầu tàu để đơn giản hóa hiệu ứng nhóm.

Các phần tử kết cấu phụ phải chịu tất cả các tải trọng được chỉ định trong AASHTO Seismic và AASHTO LRFD. Việc lựa
chọn các điều kiện tải kiểm soát đòi hỏi phải có phán đoán tốt để giảm thiểu thời gian thiết kế. Tất cả tải dự đoán chết ( DC)
các điều kiện phải được tính đến trong quá trình thiết kế kết cấu phụ. Hiệu ứng đường trượt phải được bao gồm khi nó có
xu hướng tăng ứng suất. Đối với tải trực tiếp ( LL), phụ cấp năng động ( IM) sẽ được áp dụng theo Mục 3.6.2 của AASHTO
LRFD và không được đưa vào thiết kế các phần tử chôn lấp của kết cấu phụ. Các phần của mố tiếp xúc với đất được coi
là phần tử chôn lấp.

Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

Chương 7

Hình 7.1.1-1

Quy trình thiết kế tổng thể cho thiết kế nền tảng LRFD

••••••••••••••••••
•••••
•••••••••••••••••••••

•

••••••••••••••••
•••••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••••••••

•••••••••••••••••••••••••••••



•••••••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••••••••

••••••••••••••••••••

•

••••••••••••••••

••••••••••••••••

••••••••••••••••••••

•

•••••••••••••••••

•••••••••••••••••••••

••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••••••••

•

••••••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••••••••

•••••••••••••••••••••••••

•

••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••••

•

••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••

•••••••••••••••••••••

•••••••••••••

•

••••••••••••••••••••••

••••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••
••••••••••••
•••••••••••


Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

Thiết kế cầu phải xem xét tải trọng xây dựng để đảm bảo ổn định kết cấu và ngăn các cấu kiện chịu lực quá tải. Ví dụ,
tải trọng xây dựng tạm thời do đặt tất cả các dầm đúc sẵn về một phía của xà ngang có thể gây quá tải cho một trụ
đơn. Tải trọng xây dựng cũng phải bao gồm tải trọng trực tiếp từ thiết bị xây dựng tiềm năng. Các kế hoạch phải thể
hiện trình tự xây dựng và / hoặc các ghi chú để tránh tải trọng không thể chấp nhận được.

Đối với các cầu cong, thiết kế kết cấu phụ phải xem xét độ lệch tâm do chênh lệch chiều dài dầm và tác động của lực
xoắn. Khi thiết kế kết cấu thượng tầng sử dụng lý thuyết dầm cong, chẳng hạn như Phương pháp tải trọng chữ V, các
phản ứng từ phân tích đó phải được tính đến tải trọng tác dụng lên kết cấu con.

Hình 7.1.4-1

Lực lượng định hướng cơ sở hạ tầng

••••••••••••••••••••

••••••••••••••••

••••••••••••••••••

••••••••••••••••••

••••

••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••

•••••

••••••••

••••••••••

•••••

•••••••••

Tháng 9 năm 2020


Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

Thiết kế cầu phải xem xét tải trọng xây dựng để đảm bảo ổn định kết cấu và ngăn các cấu kiện chịu lực quá tải. Ví dụ,
tải trọng xây dựng tạm thời do đặt tất cả các dầm đúc sẵn về một phía của xà ngang có thể gây quá tải cho một trụ
đơn. Tải trọng xây dựng cũng phải bao gồm tải trọng trực tiếp từ thiết bị xây dựng tiềm năng. Các kế hoạch phải thể
hiện trình tự xây dựng và / hoặc các ghi chú để tránh tải trọng không thể chấp nhận được.

Trên các cầu cong, thiết kế kết cấu phụ phải xem xét độ lệch tâm do chênh lệch chiều dài dầm và tác động của lực xoắn.
Khi thiết kế kết cấu thượng tầng sử dụng lý thuyết dầm cong, chẳng hạn như Phương pháp tải trọng chữ V, các phản
ứng từ phân tích đó phải được tính đến tải trọng tác dụng lên kết cấu con.

Hình 7.1.4-1

Lực lượng định hướng cơ sở hạ tầng

••••••••••••••••••••

••••••••••••••••

••••••••••••••••••

••••••••••••••••••

••••

••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••

•••••

••••••••

••••••••••

•••••

•••••••••

Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

7.1.5

Chương 7

Lớp bê tông cho kết cấu hạ tầng
Cấp bê tông cho tất cả các thành phần của kết cấu phụ sẽ là Cấp 4000. Bao gồm móng, bệ, trụ cầu lớn, cột, xà
ngang, rào cản giao thông và tường chắn, tường cánh và tường màn được kết nối với kết cấu phụ hoặc kết cấu
thượng tầng của cầu. Con dấu nền phải là Class 4000W. Trục và cọc đúc tại chỗ phải là Loại 5000P. Concrete
Class 4000P có thể được sử dụng cho các phần tử không phải là móng cầu.

7.1.6

Con dấu nền tảng
Một con dấu bằng bê tông trong giới hạn của một đê quai cho phép xây dựng móng và cột ở nơi khô ráo. Loại công trình
dưới nước này thực tế ở độ sâu nước xấp xỉ 50 feet.

Bê tông bịt kín được đặt dưới nước với việc sử dụng tremie. Tremie là một đường ống dài kéo dài đến đáy của hố đào và
cho phép duy trì phần đầu trên bê tông trong quá trình đặt. Sau khi bê tông đã được đổ và đạt đủ cường độ, nước trong
đê quai được tháo ra. Trong Hình 7.1.6-1, một số yếu tố phải được xem xét khi thiết kế một con dấu được minh họa.

Hình 7.1.6-1

Dấu móng
•••••••••
•••••••••••••••
••••••••••••••••••
••••••••••

••••••••••••••••••

••••••
•••••

••••••

••••
•••••••

••••••••••••••••••••
•••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••
•••••••••••

••••
••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••

••••••••••••••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••••••••••

Sổ tay Thiết kế Cầu WSDOT M 23-50.20 tháng 9 năm 2020

Trang 7-7


Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

A.

Tiêu chí chung về con dấu

Cao độ mực nước thông thường được định nghĩa là cao độ mặt nước cao nhất có thể thường xảy ra trong một

khoảng thời gian nhất định. Độ cao này, trên bảng dữ liệu thủy lực, thu được từ các cuộc thảo luận với cư dân
địa phương
hoặc bằng cách quan sát các vết nước cao tại hiện trường. Mực nước dâng cao bình thường không liên quan đến tình trạng lũ
lụt.

1. Seal độ cao thông gió
Chi nhánh Thủy lực đề xuất độ cao lỗ thông hơi phù hợp với các tiêu chí sau.

Tôi.

Thời gian xây dựng chưa được biết
Nếu không xác định được khoảng thời gian thi công móng, thì cao trình lỗ thông hơi phản
ánh mực nước cao bình thường có thể xảy ra bất kỳ lúc nào trong năm.

ii.

Thời gian xây dựng đã biết
Nếu dự đoán được khoảng thời gian thi công móng, thì cao trình lỗ thông hơi phản ánh mực nước
cao bình thường có thể xảy ra trong khoảng thời gian này. (Nếu khoảng thời gian dự kiến thi
công
sau đó được thay đổi, Chi nhánh Thủy lực sẽ được thông báo và thực hiện các thay đổi thích hợp
trong thiết kế.)

2.

Độ sâu lớp cặn

Nhánh Thủy lực xác định độ sâu của rãnh dự kiến. Đáy móng, hoặc đáy niêm phong nếu được sử
dụng, không được cao hơn 2 feet dưới đây các 500 năm cao độ độ sâu quét. Sau khi xác định sơ bộ độ
dày móng và độ dày lớp đệm, nhà thiết kế cầu phải xem xét lại cao độ quét dự kiến với Kỹ sư thủy lực

nhà nước để đảm bảo rằng độ sâu quá mức không được sử dụng.

3.

Độ cao nền móng được đề xuất trong Báo cáo địa kỹ thuật
Dựa trên kết quả thu được từ các vòng thử nghiệm tại hiện trường, Tiểu bang

Kỹ sư Địa kỹ thuật xác định các chỉ tiêu cao độ nền, khả năng chịu lực và độ lún. Nếu các yếu tố khác kiểm
soát, chẳng hạn như lớp quét hoặc lớp phủ chân móng, thì cao trình móng cuối cùng phải được điều chỉnh
theo yêu cầu.

4.

Điều kiện bất thường
Điều kiện địa điểm không bình thường như đá hoặc móng sâu đòi hỏi những cân nhắc đặc biệt để có được
thiết kế tối ưu nhất. Thiết kế / xây dựng nền móng được đề xuất sẽ được thảo luận với cả Tiểu bang
Địa kỹ thuật Kỹ sư và Tiểu bang Môn thủy lực Kỹ sư Chi nhánh trước khi chuẩn bị kế hoạch cuối cùng.

Trang 7-8

Sách hướng dẫn thiết kế cầu WSDOT M 23-50.20
Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

Chương 7

B.

Lan rộng con dấu chân

Chi nhánh Địa kỹ thuật nói chung sẽ khuyến nghị xem có thể cần hoặc không cần trám bít móng cho công trình xây
dựng. Tải trọng chịu lực là mômen cột tác dụng ở đáy móng và tải trọng thẳng đứng tác dụng ở đáy đệm. Con dấu
có kích thước phù hợp với khả năng chịu lực của đất. Chỉ cần kiểm tra độ ổn định khi lật nghiêng ở chân móng cầu
tàu.

1. Khi nào cần có con dấu trong quá trình xây dựng
Nếu chân có thể được nâng lên mà không vi phạm các yêu cầu về lớp phủ, thì độ cao của đáy đệm phải thấp
hơn 2 feet dưới đây các 500 năm cao độ quét hoặc cao độ nền theo khuyến nghị của Tiểu bang Kỹ sư Địa kỹ
thuật. Đáy của con dấu có thể thấp hơn cao độ quét hoặc cao độ nền do các yêu cầu về che phủ. Thiết kế
cuối cùng của móng trải phải bao gồm trọng lượng tải trọng của con dấu.

2.

Khi không cần con dấu để thi công
Cả hai phương pháp thi công đều được nêu chi tiết trong kế hoạch khi không rõ có cần đóng dấu thi công hay
không. Các kế hoạch phải chi tiết một phần chân có con dấu và phần thay thế không có con dấu. Số lượng kế
hoạch dựa trên móng được thiết kế với một con dấu. Nếu cao độ móng thay thế khác với móng có niêm
phong, cũng cần lưu ý trên phương án những thay đổi cần thiết đối với cốt thép như chiều dài của thanh cột,
số lượng thanh giằng tăng lên, v.v. Lưu ý rằng điều này yêu cầu sử dụng một trong hai Điều khoản đặc biệt
(GSP) 6-02.3 (6) B.OPT1.GB6 hoặc 6-02.3 (6) B.OPT2.GB6.

C.

Con dấu đóng cọc
Mặt trên của móng, hoặc bệ, được thiết lập theo các yêu cầu của vỏ móng. Cao trình đáy của con dấu dựa trên cao
độ quét dòng do Chi nhánh Thủy lực xác định. Một phân tích sơ bộ được thực hiện bằng cách sử dụng ước tính của
móng và trọng lượng niêm phong, và các mômen cột và tải trọng thẳng đứng ở chân móng để xác định số lượng cọc
và khoảng cách. Kích thước con dấu sẽ là 1 ′ - Lớn hơn 0 so với phần móng xung quanh. Nếu bỏ dấu niêm phong

trong quá trình thi công, thì đáy móng phải được đặt ở cao độ quét và thiết kế thay thế được thực hiện.

Nói chung, thiết kế con dấu yêu cầu phải xác định độ dày sao cho trọng lượng con dấu cộng với bất kỳ lực cản bổ
sung nào được cung cấp bởi ứng suất liên kết giữa bê tông con dấu và bất kỳ cọc nào lớn hơn lực nổi (được xác
định bởi phần nước phía trên con dấu). Nếu ứng suất liên kết giữa bê tông bịt kín và cọc được sử dụng để xác định
độ dày của cọc, thì khả năng nâng của cọc phải được kiểm tra so với tải trọng tác dụng lên chúng do ứng suất liên
kết. Liên kết giữa bê tông bịt kín và cọc thường được giả định là 10 psi. Độ dày con dấu tối thiểu

1-

Sổ tay Thiết kế Cầu WSDOT M 23-50.20 tháng 9 năm 2020

Trang 7-9


Chương 7

7.1.7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

Yêu cầu Scour
Tất cả các nền móng của cầu phải được bảo vệ khỏi bị cọ rửa bất kể loại cầu, vị trí và cách sử dụng. Việc rà phá
móng cầu do nhà thiết kế cầu thực hiện theo hai điều kiện:

1. Tại các trạng thái giới hạn cường độ và dịch vụ: Đối với lũ thiết kế gây xói mòn, vật liệu tạo thành dòng trong lăng
kính quét trên tổng số đường quét sẽ được giả định là đã được loại bỏ theo các điều kiện thiết kế. Các đợt triều
cường do bão, triều cường hay lũ hỗn hợp dân cư thiết kế sẽ càng dữ dội trong số các sự kiện kéo dài 100 năm
hoặc từ một trận lũ tràn với khoảng thời gian tái diễn ít hơn.

2.

Tại Trạng thái Cực hạn (Động đất hoặc Sét): Đối với lũ quét, độ ổn định của nền cầu phải được thiết kế cho các
điều kiện khắc nghiệt do triều cường, triều cường hoặc lũ hỗn hợp được chỉ định không quá 500 năm sự kiện hoặc
từ một trận lũ tràn ngập với khoảng thời gian lặp lại ít hơn. Dự trữ vượt quá mức cần thiết để ổn định trong điều kiện
này là không cần thiết.

Trừ khi có quy định khác, các cây cầu phải được thiết kế cho phạm vi 100 năm và phải có đánh giá rủi ro về khả
năng di chuyển của dòng chảy trong phạm vi 500 năm.
Nếu điều kiện địa điểm do băng hoặc mảnh vỡ gần các hợp lưu của dòng chảy dẫn đến việc sử dụng một sự kiện
lũ lụt nghiêm trọng hơn cho thiết kế hoặc kiểm tra lũ lụt để tìm kiếm, Kỹ sư Thủy lực của Bang có thể đề nghị sử
dụng sự kiện lũ lụt như vậy.

Khi các điều kiện cho thấy cần phải xây dựng đỉnh móng hoặc nắp ở độ cao so với lòng suối, các nhà thiết kế cầu phải
giải quyết tiềm năng xói mòn của thiết kế, dựa trên phân tích của Văn phòng Thủy lực Tiểu bang về tiềm năng xói mòn
của hình dạng đề xuất của yếu tố nền tảng.

Các nhà thiết kế cầu phải bố trí các móng rải trên đất hoặc đá xói mòn sao cho đáy móng là Tối thiểu 2 feet phía dưới 500
năm độ sâu sục sạo. Móng trải trên đá chống rỉ phải được xây dựng sao cho duy trì tính toàn vẹn của đá chống.

Các móng sâu như cọc hoặc trục có thể được các nhà thiết kế cầu lựa chọn để
bảo vệ cây cầu khỏi sự lùng sục. Đáy cọc hoặc nắp trục phải thấp hơn độ sâu quét 500 năm tối thiểu 2 feet.

Khi sử dụng các chắn bùn hoặc các hệ thống bảo vệ cầu tàu khác, các nhà thiết kế cầu phải giải quyết các tác động của các
hệ thống đó đối với việc đánh bùn và thu gom các mảnh vỡ, dựa trên phân tích của Văn phòng Thủy lực Tiểu bang về tác
dụng phụ của các hệ thống được đề xuất.

Khi điều kiện sục để lộ toàn bộ hoặc một phần của nắp trục, dung tích bên của trục khoan phải được bỏ qua cho đến độ
sâu mà phần đất còn lại phía trước trục đạt đến hai đường kính trục theo chiều rộng như trong Hình 7.1.7-1.

Trang 7-10

Sách hướng dẫn thiết kế cầu WSDOT M 23-50.20
Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

Chương 7

Hình 7.1.7-1

Hiệu ứng cọ rửa khi tất cả hoặc một phần của nắp trục tiếp xúc

ÁP SUẤT TRÁI ĐẤT ĐƯỢC ÁP DỤNG ĐỂ
CHẨN ĐOÁN VÀ NẮP TRỤC.

ĐIỀU KIỆN PHÁT TRIỂN GỐC

ĐIỀU KIỆN SCOUR

ÁP SUẤT TRÁI ĐẤT
ĐƯỢC ÁP DỤNG CHO TRỤC.

GIẢI PHÓNG MẶT TRẬN SAU
2B

KHẢ NĂNG ĐẾN NÀY.

B

Nếu rủi ro di chuyển dòng chảy được phân loại là bất kỳ điều gì khác ngoài "Thấp" trong Báo cáo thiết kế thủy lực
sơ bộ, thì đáy của bất kỳ móng, nắp cọc hoặc nắp trục nào phải thấp hơn tối thiểu 2 feet so với độ cao quét 500
năm đối với bất kỳ cấu trúc vĩnh cửu mới nào thiết kế.

Khi điều kiện cọ rửa có thể mở nắp trục trên các cấu trúc hiện có và để lộ các trục đỡ bên dưới, các điều kiện uốn cong
của đất phía sau các trục phải được giả định, yêu cầu áp lực đất ở độ sâu đầy đủ được tác dụng từ phía sau các trục
và nắp trục như thể hiện trong Hình 7.1.7-2.

Hình 7.1.7-2

Hiệu ứng cọ rửa khi các trục bên dưới nắp trục tiếp xúc

ÁP SUẤT TRÁI ĐẤT ĐƯỢC ÁP DỤNG ĐỂ
CHẨN ĐOÁN VÀ NẮP TRỤC.

ĐIỀU KIỆN PHÁT TRIỂN GỐC

ÁP SUẤT TRÁI ĐẤT ĐƯỢC ÁP DỤNG CHO
KHU VỰC DỰ ÁN SAU

MẶT NẠ DO ĐẤT SẮP XẾP.
SCOUR HOẶC STREAM

ĐIỀU KIỆN DI CƯ.

Sổ tay Thiết kế Cầu WSDOT M 23-50.20 tháng 9 năm 2020

Trang 7-11

Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

7.2

Mô hình nền tảng cho tải trọng địa chấn

7.2.1

Chung
Mô hình cầu cho các sự kiện địa chấn phải phù hợp với các yêu cầu của Phần 5 về Địa chấn AASHTO, “Các mô hình
và quy trình phân tích”. Hướng dẫn sau đây dành cho phân tích động lực học đàn hồi. Tham khảo AASHTO Seismic
Section 5.4 để biết các quy trình phân tích động lực học khác.

7.2.2

Quy trình phân tích động đàn hồi cấu trúc con
Sau đây là mô tả chung về quá trình lặp được sử dụng trong phân tích động lực học đàn hồi. Ghi chú: Một phân tích
động lực học đàn hồi là cần thiết để xác định chuyển vị
,

m

D. Các

phần tử của kết cấu con được thiết kế đầu tiên bằng cách sử dụng các trường hợp tải trạng thái giới hạn

Strength, Service hoặc Extreme II trước khi thực hiện phân tích động.

1. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để xác định phản ứng cấu trúc ban đầu ( EQ + DC).

Giả sử rằng lò xo móng nằm ở dưới cùng của cột.
Một giả định ban đầu tốt cho các điều kiện cố định của nền móng sâu (trục hoặc cọc) là
10

m

15

m

Sử dụng phân tích phổ phản ứng đa chế độ để tạo ra các dịch chuyển ban đầu.
2.

Xác định lò xo móng bằng cách sử dụng kết quả phân tích địa chấn theo phương dọc và phương ngang. Ghi
chú: Các tổ hợp tải trọng quy định trong AASHTO Seismic Section 4.4 KHÔNG được sử dụng trong phân
tích này.

3.

Đối với móng lan, FEM sẽ bao gồm các lò xo móng được tính toán dựa trên kích thước móng như được tính trong Mục
7.2.7 . Không cần lặp lại trừ khi kích thước móng thay đổi. Ghi chú: Đối với các loại công trường A và B, AASHTO
Seismic cho phép các móng trải được mô hình hóa dưới dạng cứng hoặc cố định.

4.

Đối với phân tích nền móng sâu, FEM và chương trình ứng phó của đất phải thống nhất hoặc hội tụ về phản ứng
bên của đất / cấu trúc. Nói cách khác, thời điểm, lực cắt, độ lệch và độ quay của hai chương trình phải nằm trong

khoảng 10 phần trăm. Lặp lại nhiều hơn sẽ cung cấp sự hội tụ ít hơn 1 phần trăm. Quá trình lặp lại để hội tụ như
sau:

a. Áp dụng các tải trọng FEM ban đầu (mô men và lực cắt) cho chương trình đáp ứng đất loại py như
LPILE (bao gồm LPILE, LPILE-SHAFT và LPILE-GROUP).
b.

Tính giá trị lò xo móng cho PTHH. Ghi chú: Các tổ hợp tải trọng quy định trong Mục 4.4 Địa chấn
AASHTO sẽ không được sử dụng để xác định lò xo móng.

c.

Chạy lại phân tích địa chấn bằng cách sử dụng lò xo móng được tính toán từ chương trình ứng phó của đất.
Phản ứng cấu trúc sẽ thay đổi. Kiểm tra để đảm bảo kết quả của FEM ( M, V,,
r

v

r

vr

r

nằm trong vòng 10 phần trăm của lần chạy trước. Việc kiểm tra này xác minh lò xo tuyến tính hoặc phản ứng của
đất (được tính toán bởi FEM) gần với đất phi tuyến tính được dự đoán

Trang 7-12

Sách hướng dẫn thiết kế cầu WSDOT M 23-50.20

Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

Chương 7

hành vi (được tính toán bởi chương trình phản ứng của đất). Nếu kết quả của FEM và chương trình đáp ứng đất
khác nhau hơn 10 phần trăm, hãy tính toán lại các lò xo và lặp lại các bước (a) đến (c) cho đến khi hai chương
trình hội tụ trong khoảng 10 phần trăm.

Lưu ý đặc biệt đối với cấu hình cột đơn / trục đơn: Triết lý thiết kế địa chấn yêu cầu một bản lề nhựa trong
các phần tử kết cấu bên trên mặt đất (tốt nhất là trong các cột). Các nhà thiết kế nên lưu ý độ lớn của lực
cắt và mômen ở đầu trục, nếu mômen “không” của cột gần với lò xo móng đầu trục, chương trình FEM và
phản ứng đất sẽ không hội tụ và bản lề nhựa có thể thấp hơn cấp độ.

Trong suốt quá trình lặp lại, điều quan trọng cần lưu ý là bất kỳ bộ lò xo nào được phát triển chỉ có thể áp
dụng cho tải trọng đã được sử dụng để phát triển chúng (do đặc tính không đàn hồi của đất trong chương trình
nền). Đây có thể là một vấn đề khi các lực được sử dụng để phát triển lò xo là từ một phân tích địa chấn kết
hợp các lực theo phương thức sử dụng một phương pháp như Tổ hợp bậc hai hoàn chỉnh (CQC) hoặc phương
pháp khác. Các lực sinh ra từ sự kết hợp này thường bị chi phối bởi một chế độ duy nhất (theo mỗi hướng như
thể hiện bằng sự tham gia của khối lượng). Điều này dẫn đến sự phát triển của lò xo và lực tương đối chính
xác đối với cơ cấu đó. Nếu tổ hợp lực (CQC hoặc cách khác) không bị chi phối bởi một hình dạng chế độ (theo
cùng một hướng),

LPILE có thể được sử dụng cho móng được hỗ trợ nhóm cọc. Ảnh hưởng của nhóm móng cọc hoặc móng trục đối
với tải trọng bên phải được thực hiện như khuyến nghị trong báo cáo địa kỹ thuật của dự án.

7.2.3

Thuộc tính phần mô hình cầu
Nói chung, các thuộc tính tổng mặt cắt có thể được giả định cho tất cả các thành viên FEM, ngoại trừ cột bê tông.

A. Thuộc tính Cracked cho Cột
Các đặc tính của mặt cắt hiệu quả phải phù hợp với Phần địa chấn AASHTO 5.6.

B.

Thuộc tính trục
Cường độ bê tông trục và phương pháp thi công dẫn đến sự thay đổi đáng kể về độ cứng của trục được mô tả như
sau.
Đối với một phản ứng cấu trúc con cứng:
1

c để

tính toán mô đun đàn hồi.

2. Sử dụng Tôi g dựa trên đường kính trục quá khổ tối đa cho phép Tiêu chuẩn
Thông số kỹ thuật Mục 6-19.

Sổ tay Thiết kế Cầu WSDOT M 23-50.20 tháng 9 năm 2020

Trang 7-13


Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

3.

Khi vỏ cố định được chỉ định, hãy tăng Ig của trục bằng cách sử dụng
r

rF

,r

rw

r

rm

,

F

ước tính thận trọng cho thiết kế.
Đối với phản hồi cấu trúc con mềm:
1

c để

tính toán mô đun đàn hồi.

2. Sử dụng Tôi g dựa trên đường kính trục danh nghĩa. Ngoài ra, Tôi e có thể được sử dụng khi nó

là phản ánh các tác động tải thực tế trong trục.

3.

Khi vỏ vĩnh viễn được chỉ định, hãy tăng Tôi sử dụng khu vực đã chuyển đổi của
r rr

,r

r

CFST.
Vì nhà thầu sẽ xác định độ dày của ống vách. Trong các CFST không phải,
mmm
C.

r

m

Thuộc tính cọc đúc tại chỗ
Đối với một phản ứng cấu trúc con cứng:

1 5 c để tính toán mô đun đàn hồi. Vì bê tông già thường sẽ đạt cường độ nén ít nhất 6 ksi khi sử

1

dụng thiết kế
cường độ 4 ksi, hệ số 1,5 là ước tính hợp lý cho sự gia tăng độ cứng.

2. Sử dụng cọc Tôi g cộng với tra 1 3

vỏ bọc nsformed mo 1 đề cập đến quán tính.
(7.2.3-1)

Ở đâu:
n

= E S/ E c

r
1

m

r,

14

m

r,

r

14

rrr

Ghi chú: Các chiều dày vỏ này chỉ dùng để phân tích, nhà thầu có trách nhiệm lựa chọn chiều dày vỏ cần
thiết để đóng cọc.
Đối với phản hồi cấu trúc con mềm:

1

1 0 c để tính toán mô đun đàn hồi.

2. Sử dụng cọc Tôi g, bỏ qua đặc tính vỏ bọc.

Trang 7-14

Sách hướng dẫn thiết kế cầu WSDOT M 23-50.20
Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

7.2.4

Chương 7

Xác minh mô hình cầu
Như với bất kỳ phương pháp PTHH nào, nhà thiết kế nên xem xét lại đặc tính của móng để đảm bảo các lò xo móng mô
phỏng chính xác các điều kiện ranh giới đã biết và các đặc tính của đất. Xem ra sự không phù hợp của các đơn vị.

Tất cả các mô hình phần tử hữu hạn phải có phản ứng tĩnh tải chết được xác minh và các điều kiện biên được kiểm
tra lỗi. Tải trọng chết tĩnh phải được so sánh với tính toán tay hoặc kết quả của chương trình khác. Ví dụ: khoảng
thời gian kết thúc thành viên lúc
các giá đỡ có thể được giải phóng tại các trụ để xác định các phản ứng nhịp đơn giản. Sau đó, tính toán nhịp đơn giản bằng tay tải
chết hoặc PGsuper tải chết và tải trực tiếp được sử dụng để xác minh mô hình.

Hành vi của xà ngang phải được kiểm tra để đảm bảo cấu trúc thượng tầng tải chết đang phân phối chính xác đến
các phần tử cấu trúc con. Mô hình đường cầu 3D tập trung khối lượng cấu trúc thượng tầng và ứng suất vào một

điểm trong xà ngang. Nói chung, cột bên trong sẽ có tải trọng cao hơn nhiều so với cột bên ngoài. Để cải thiện
mô hình, xà ngang Tôi g nên được tăng lên để cung cấp cột chính xác về mặt tĩnh đã chết
tải các phản ứng. Điều này có thể yêu cầu tăng Tôi g khoảng 1000 lần. Nhiều khi điều này không thể nhìn thấy bằng đồ thị
và cần được xác minh bằng cách kiểm tra đầu ra số. Lưu ý rằng hầu hết

các chương trình phần tử hữu hạn có khả năng gán các ràng buộc cho cấu trúc chéo và cấu trúc thượng tầng để loại bỏ
nhu cầu tăng Tôi g của xà ngang.
Phân tích địa chấn cũng có thể được xác minh bằng tính toán thủ công. Các phản ứng hình dạng cơ bản được tính
toán bằng tay sẽ là gần đúng; nhưng sẽ đảm bảo các lực thiết kế có cùng độ lớn.

Các nhà thiết kế cần lưu ý rằng khối lượng bổ sung có thể phải được thêm vào FEM cầu để phân tích địa chấn. Ví dụ, khối
lượng rào cản giao thông và khối lượng xà ngang vượt ra ngoài cột cuối cùng tại các trụ cầu có thể đóng góp trọng lượng đáng
kể cho kết cấu hai làn xe hoặc đường dốc.

7.2.5

Phương pháp mô hình hóa nền tảng sâu
Một nhà thiết kế phải giả định một điều kiện hỗ trợ nền tảng thể hiện tốt nhất hành vi của nền tảng. Các phần tử móng
sâu cố gắng bắt chước hành vi bên phi tuyến tính của một số lớp đất tương tác với phần móng sâu. Sau đó, FEM cầu sử
dụng độ cứng của phần tử để dự đoán phản ứng của kết cấu địa chấn. Mô hình sử dụng các yếu tố tuyến tính không dựa
trên tương tác cấu trúc đất phi tuyến tính thường được coi là không chính xác đối với ứng suất của đất / ứng suất của yếu
tố và không được chấp nhận. Có ba phương pháp được sử dụng để lập mô hình nền móng sâu (Báo cáo FHWA số
1P-87-6). Trong ba phương pháp này, Văn phòng Bridge và Structures thích Phương pháp II hơn cho phần lớn các cây
cầu.

A. Phương pháp I - Cột công xôn tương đương
Phương pháp này giả định một điểm cố định ở độ sâu nào đó dưới đáy cột để mô hình hóa độ cứng của cấu kiện
móng. Điều này sẽ chỉ được sử dụng cho một mô hình sơ bộ về phản ứng của cấu trúc con trong SDC C và D.

Sổ tay Thiết kế Cầu WSDOT M 23-50.20 tháng 9 năm 2020

Trang 7-15


Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

B.

Phương pháp II - Lò xo cơ sở tương đương

Phương pháp này lập mô hình nền tảng sâu bằng cách sử dụng ma trận {6x6}. Có hai kỹ thuật được sử dụng để tạo
hệ số độ cứng cho ma trận móng. Các hệ số độ cứng tương đương được đánh giá chỉ có giá trị ở mức tải cho trước.
Bất kỳ thay đổi nào của tải hoặc điều kiện đầu trục sẽ yêu cầu chạy chương trình mới để xác định các giá trị mới
của hệ số độ cứng tương đương. Các hệ số độ cứng tương đương này tính đến phản ứng phi tuyến của vật liệu làm
trục và lực cản của đất.

Kỹ thuật I - Ma trận được tạo, bằng cách sử dụng chồng chất, để tái tạo ứng xử phi tuyến của đất và nền khi chịu
tải tối đa. Với Kỹ thuật I, 10 thuật ngữ được tạo ra, 4 trong số những thuật ngữ này là “cặp đôi chéo”. Các chương
trình phản ứng của đất phân tích phản ứng phi tuyến tính của đất. Kết quả sau đó được sử dụng để xác định các lò
xo cơ sở tương đương. Xem Phụ lục 7-B1 để biết thêm thông tin.

Kỹ thuật II - Ma trận độ cứng tương đương được tạo ra bằng kỹ thuật này chỉ sử dụng các phần tử đường chéo
(không có độ cứng ghép chéo). Kỹ thuật này được khuyến nghị để xây dựng ma trận độ cứng của móng (lò xo cơ
sở tương đương).
Trong Kỹ thuật II, các hiệu ứng “cặp chữ thập” được tính đến bên trong vì mỗi phần tử độ cứng và chuyển vị là một
hàm của tải trọng bên đã cho ( P) và Moment
( M). Kỹ thuật II sử dụng tổng phản hồi ( D t (P, M) q t (P, M)) để xác định chuyển vị và độ cứng tương đương của đất,
duy trì phân tích phi tuyến. Kỹ thuật tôi yêu cầu

chồng chất bằng cách thêm các phản ứng riêng lẻ do tải trọng bên và mômen để xác định chuyển vị và độ cứng
của đất. Việc sử dụng chồng chất để kết hợp hai phản hồi phi tuyến dẫn đến sai số về độ dịch chuyển và độ
cứng đối với tổng phản hồi như đã thấy trong Hình 7.2.5-1 . Như được minh họa, tổng phản hồi do tải bên ( P) và
khoảnh khắc ( M) không nhất thiết phải bằng tổng các câu trả lời riêng lẻ.

C.

Phương pháp III - Lò xo đất không tuyến tính

Phương pháp này gắn các lò xo phi tuyến tính dọc theo chiều dài của các cấu kiện móng sâu trong mô hình FEM.
Xem Phụ lục 7-B2 để biết thêm thông tin. Phương pháp này có ưu điểm là giải quyết đồng thời phản ứng địa chấn
của cấu trúc thượng tầng và cấu trúc phụ. Các lò xo đất phải là đường cong PY phi tuyến và thể hiện sự tương tác
của đất / cấu trúc. Điều này không thể được thực hiện trong quá trình phân tích phổ phản ứng với một số chương
trình FEM.

D.

Vị trí mùa xuân (Phương pháp II)

Vị trí ưu tiên cho lò xo móng là ở dưới cùng của cột. Điều này bao gồm cả khối lượng cột trong phân tích địa chấn.
Đối với thiết kế, các lực của cột được cung cấp bởi FEM và chương trình ứng phó của đất cung cấp các lực của
móng. Lò xo có thể nằm ở đầu cột. Tuy nhiên, phân tích địa chấn sẽ không bao gồm khối lượng của các cột. Ưu
điểm của vị trí này là phân tích đất / kết cấu bao gồm cả lực thiết kế cột và móng.

Trang 7-16

Sách hướng dẫn thiết kế cầu WSDOT M 23-50.20
Tháng 9 năm 2020

Thiết kế cơ sở hạ tầng

Chương 7

Hình 7.2.5-1

Hạn chế của Kỹ thuật I (Kỹ thuật Chồng chất)

Các nhà thiết kế nên cẩn thận để phù hợp với hình dạng của chương trình FEM và phản ứng của đất. Nếu vị
trí của lò xo móng (hoặc nút) trong PTHH không khớp với đầu vào vị trí của chương trình phản ứng đất, hai
chương trình sẽ không hội tụ chính xác.

E.

Điều kiện ranh giới (Phương pháp II)

Để tính toán hệ số lò xo, trước tiên người thiết kế phải xác định hình dạng dự đoán hoặc hướng tải trọng của cấu
kiện móng nơi đặt lò xo trong mô hình cầu. Điều này sẽ xác định xem một hoặc kết hợp hai điều kiện biên có áp
dụng cho các hướng ngang và dọc của giá đỡ hay không.

Điều kiện biên đầu cố định xảy ra khi phần tử nền ở dạng cong kép trong đó dịch không quay là hành vi chi phối.
Nói theo cách khác, lực cắt gây ra độ lệch theo hướng ngược lại của mômen tác dụng. Đây là một giả thiết phổ biến
được áp dụng cho cả hai hướng của nhóm cọc hình chữ nhật trong móng cọc được đỡ.

Điều kiện biên đầu tự do là khi phần tử nền ở dạng cong đơn trong đó dịch và quay là hành vi chi phối. Nói theo
cách khác, lực cắt gây ra sự lệch cùng hướng với mômen tác dụng. Hầu hết các thiết kế trục đường kính lớn sẽ có
một độ cong duy nhất bên dưới đường đất và yêu cầu giả định đầu tự do. Ví dụ cổ điển về độ cong đơn là một cột
đơn trên một trục duy nhất. Theo hướng ngang, nó sẽ hoạt động giống như một cột cờ trong gió, hoặc đầu tự do.
Điều không quá rõ ràng là cùng một trục cũng sẽ có độ cong đơn trong

Sổ tay Thiết kế Cầu WSDOT M 23-50.20 tháng 9 năm 2020

Trang 7-17


Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

hướng dọc (bên dưới đường mặt đất), mặc dù cột có một số hành vi cong kép. Tương tự như vậy, theo hướng
ngang của các trụ nhiều cột, các cột sẽ có độ cong kép (hành động khung). Các trục thường sẽ có độ cong đơn
dưới cấp và áp dụng điều kiện biên đầu tự do. Điều kiện biên đối với trục lớn có lò xo đặt tại đường đất sẽ là đầu tự
do trong hầu hết các trường hợp.

Chìa khóa để xác định điều kiện biên chính xác là giải quyết đúng dấu của mômen và lực cắt ở đầu trục (hoặc
điểm quan tâm đối với vị trí lò xo). Vì kết quả đa chế độ luôn dương (CQC), điều này có thể được giải quyết bằng
cách quan sát biểu đồ mô men địa chấn và lực cắt cho kết cấu. Nếu quy ước ký hiệu vẫn chưa rõ ràng, hãy áp
dụng tải đơn vị trong một chạy FEM tĩnh riêng biệt để thiết lập quy ước ký hiệu tại điểm quan tâm.

Điều kiện biên chính xác là rất quan trọng đối với phân tích phản ứng địa chấn. Đối với bất kỳ loại đất nào và tải
trọng móng nhất định, điều kiện biên cố định nói chung sẽ cung cấp các lò xo đất cứng hơn bốn đến năm lần so
với điều kiện biên tự do.
F.

Tính toán mùa xuân (Phương pháp II)

Bước đầu tiên để tính toán lò xo móng là xác định lực cắt và mômen trong cấu kiện kết cấu mà lò xo sẽ được áp
dụng trong PTHH. Hệ số lò xo móng phải dựa trên lực cắt và mômen lớn nhất từ tải trọng địa chấn dọc hoặc
ngang. Trường hợp tải kết hợp (1,0 L và
0,3 T) sẽ được giả định cho việc thiết kế các bộ phận kết cấu, và KHÔNG được áp dụng để xác định phản ứng của

nền móng. Đối với trường hợp đơn giản của cầu không có xiên, lực cắt dọc và mô men là kết quả của tải trọng dọc
địa chấn, và các thành phần ngang được bỏ qua. Điều này hơi không rõ ràng đối với các trụ có độ lệch cao hoặc
các cấu trúc cong với lò xo quay, nhưng nguyên tắc vẫn như cũ.

G.

Hệ tọa độ ma trận (Phương pháp II)
Hệ tọa độ Toàn cầu được sử dụng để chứng minh lý thuyết ma trận thường tương tự như hệ thống được xác định
cho các tải cơ cấu con trong Mục 7.1.3 và được hiển thị trong
Hình 7.2.5-2 . Đây cũng là hệ tọa độ Global mặc định của GT STRUDL. Hệ tọa độ này áp dụng cho Phần này để
thiết lập quy ước dấu hiệu cho các số hạng ma trận. Lưu ý tải trọng dọc trục được ghi nhãn là P, và tải trọng cắt
ngang được ghi nhãn là V

Cũng lưu ý rằng hệ thống tọa độ Toàn cầu mặc định trong CSI BRIDGE sử dụng Z như trục tung (trục trọng lực).
Khi đặt giá trị lò xo trong CSI BRIDGE, các hệ số trong ma trận độ cứng sẽ cần được điều chỉnh cho phù hợp. CSI
BRIDGE cho phép bạn gán giá trị độ cứng của lò xo để hỗ trợ các khớp. Theo mặc định, chỉ có thể chỉ định các số
hạng đường chéo của ma trận độ cứng, nhưng khi chọn tùy chọn nâng cao, các số hạng cho ma trận {6x6} đối
xứng có thể được chỉ định.

Trang 7-18

Sách hướng dẫn thiết kế cầu WSDOT M 23-50.20
Tháng 9 năm 2020


Thiết kế cơ sở hạ tầng

Chương 7

Hình 7.2.5-2

Hệ thống tọa độ toàn cầu

Py
Của tôi

Mx

Theo chiều dọc

Vx

Mz

Vz

H.

Định nghĩa hệ số ma trận (Phương pháp II)
Ma trận độ cứng chứa các giá trị lò xo và sử dụng hệ tọa độ tiêu chuẩn được hiển thị trong Hình 7.2.5-3 . (Lưu ý
rằng các cụm từ ghép đôi được tạo bằng Kỹ thuật I bị bỏ qua). Để có mô tả về ma trận được tạo bằng Kỹ thuật,
tôi thấy Phụ lục 7-B1 . Các hệ số trong ma trận độ cứng thường được dùng để sử dụng một số thuật ngữ khác
nhau. Hệ số, lò xo hoặc giá trị lò xo là các thuật ngữ tương đương. Lò xo bên là lò xo chống lại lực bên. Lò xo
thẳng đứng chống lại lực thẳng đứng.

Hình 7.2.5-3

Ma trận toàn cầu tiêu chuẩn

Mz

Vx

Py

Vz

Mx

Vx

K11

0

0

0

0

0

Δx

Vx

Py

0

K22

0

0

0

0

Δy

Py

Vz

0

0

K33

0

0

0

Δ z = Vz

Mx

0

0

0

K44

0

0

θx

Mx

Của tôi

0

0

0

0

K55

0

θy

Của tôi

Mz

0

0

0

0

0

K66

θz

Mz

Của tôi

Công văn.

Lực lượng

Trong đó hằng số lò xo tuyến tính hoặc giá trị K được xác định như sau, sử dụng Tọa độ Toàn cục:

K11 = Độ cứng bên dọc (kip / in) K22 = Độ cứng dọc hoặc
dọc trục (kip / in) K33 = Độ cứng bên ngang (kip / in)
K44 = Độ uốn ngang hoặc Độ cứng của Moment (kip-in / rad) K55 = Độ cứng
xoắn (kip-in / rad)
K66 = Uốn dọc hoặc Độ cứng của Moment (kip-in / rad)
Hằng số lò xo bên tuyến tính dọc theo đường chéo đại diện cho một điểm trên đường cong phản ứng của đất / cấu
trúc phi tuyến. Lò xo chỉ chính xác đối với tải trọng được áp dụng và ít chính xác hơn đối với tải trọng khác. Điều
này được coi là chấp nhận được đối với thiết kế Strength và Extreme Event. Để tính toán các hằng số lò xo cho Kỹ
thuật, tôi thấy Phụ lục 7-B1 .

Sổ tay Thiết kế Cầu WSDOT M 23-50.20 tháng 9 năm 2020

Trang 7-19


Chương 7

Thiết kế cơ sở hạ tầng

TÔI.

Hiệu ứng nhóm

Khi phân tích nền tảng sử dụng LPILE hoặc phân tích sử dụng mối quan hệ PY, các hiệu ứng nhóm sẽ yêu cầu
giảm các đặc tính địa kỹ thuật trước khi các giá trị lò xo được tính toán. Báo cáo địa kỹ thuật sẽ cung cấp các hệ số
nhân ngang và nhân dọc được áp dụng cho các đường cong PY. Điều này sẽ làm giảm sức cản của cọc theo kiểu
tuyến tính. Các yếu tố giảm đối với lực cản bên do sự tương tác của các thành phần nền sâu được cung cấp trong Sổ

tay Thiết kế Địa kỹ thuật
Mục 8.12.2.3.
J. Nắp trục và Phôi cọc
Trường hợp móng cọc đỡ hoặc nắp trục hoàn toàn dưới cấp, nên sử dụng điện trở thụ động của chúng. Ở những khu
vực dễ bị phát tán hoặc lây lan theo chiều ngang, nên bỏ qua khả năng kháng thụ động của chúng.

7.2.6

Phân tích bên của cọc và trục
A.

Xác định độ cao đầu tip
Phân tích mặt bên của cọc và trục bao gồm việc xác định vị trí trục hoặc mũi cọc đủ để chống lại tải trọng bên theo
cả hai hướng trực giao. Trong nhiều trường hợp, chiều sâu trục hoặc mũi cọc cần thiết để chống lại tải trọng bên có
thể sâu hơn yêu cầu chịu lực hoặc nâng. Tuy nhiên, điểm khởi đầu tốt để nâng mũi là độ sâu cần thiết để chịu lực
hoặc nâng. Một điểm khởi đầu "quy tắc ngón tay cái" tốt khác cho các đầu trục là độ sâu nhúng 6 đường kính (6 D) đến
8 đường kính (8 D). Tham khảo thêm báo cáo địa kỹ thuật các độ cao đầu mút tối thiểu do Kỹ sư địa kỹ thuật cung
cấp.

Một nghiên cứu hoặc phân tích tham số nên được thực hiện để đánh giá độ nhạy của độ sâu của trục hoặc cọc
đối với chuyển vị của kết cấu (tức là chuyển vị của trục hoặc đầu cọc) để xác định độ sâu cần thiết cho phản ứng
bên ổn định, cân xứng. của cấu trúc. Việc xác định vị trí trục hoặc mũi cọc đòi hỏi phải có sự đánh giá của kỹ
thuật và cần xem xét đến loại đất, độ tin cậy trong dữ liệu đất (độ gần của các hạt đất) và khả năng biến thiên
trong mặt cắt đất. Việc đào sâu trục hoặc đầu cọc một cách tùy tiện có thể bảo vệ nhưng cũng có thể ảnh hưởng
đáng kể đến khả năng thi công và chi phí.

Sau đây là một cách tiếp cận được đề xuất để xác định cao độ trục hoặc mũi cọc thích hợp nằm trong đất. Cần
phải xem xét các vấn đề khác khi đầu trục hoặc đầu cọc nằm trong đá, chẳng hạn như độ bền của đá. Cách tiếp
cận này dựa trên các quy trình thiết kế địa chấn theo nhu cầu dịch chuyển được quy định trong AASHTO Thông số
kỹ thuật địa chấn.

1. Kích thước cột và xác định các yêu cầu về gia cố cột cho các trường hợp tải trọng Cường độ và Dịch vụ.

Trang 7-20

Sách hướng dẫn thiết kế cầu WSDOT M 23-50.20
Tháng 9 năm 2020