Phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng móng cọc khoan nhồi của mố cầu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.23 MB, 110 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN DUY LUÂN
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI ĐẤT ĐẾN
ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI
CỦA MỐ CẦU
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình giao thơng
Mã ngành: 60 58 02 05
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2017
-i-
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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
: PGS.TS Lê Thị Bích Thủy
Cán bộ chấm nhận xét 2
: TS. Phùng Mạnh Tiến
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 14 tháng 01 năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Trần Văn Miền
Chủ tịch hội đồng
2. PGS. TS. Lê Thị Bích Thủy
CB Phản biện 1
3. TS. Phùng Mạnh Tiến
CB Phản biện 2
4. TS. Nguyễn Văn Long
Ủy viên hội đồng
5. TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
Thư kí 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 sữa chữa (nếu có)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
PGS. TS. TRẦN VĂN MIỀN
Trưởng khoa
-ii-
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN DUY LUÂN ................................. MSHV: 7140675
Ngày, tháng, năm sinh: 29/09/1992 ........................................... Nơi sinh: Cà Mau
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình giao thơng ........ MN: 60 58 02 05
I. TÊN ĐỀ TÀI
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI ĐẤT ĐẾN
ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG MÓNG CỌC KHOAN NHỒI CỦA MỐ CẦU
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Nghiên cứu tổng quan về sự cố ở vùng chuyển tiếp cầu - đường (sự cố của nền
đắp và sự cố của kết cấu mố).
2. Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết tính toán ổn định - biến dạng của hệ mố - đất
đắp xung quanh mố.
3. Nghiên cứu & ứng dụng phần mềm ANSYS để phân tích ổn định - biến dạng của
hệ mố - đất đắp xung quanh mố (Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn, áp dụng mơ
hình đất Mohr–Coulomb và phần tử tiếp xúc để phân tích, nhận xét - kết luận).
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: Ngày 11 tháng 01 năm 2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 04 tháng 12 năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. LÊ BÁ KHÁNH
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
TRƯỞNG KHOA
CẦU ĐƯỜNG
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
TS. LÊ BÁ KHÁNH
PGS. TS. NGUYỄN MINH TÂM
-iii-
LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian dài học tập và nghiên cứu, em cảm thấy mình trưởng thành
hơn về những kiến thức đã được học. Đặc biệt là trong lĩnh vực mơ hình mơ phỏng
sử dụng phần mềm phân tích kết cấu ANSYS Mechanical APDL. Để có được những
kiến thức mới và sâu rộng hơn chính là nhờ các Thầy Cơ của khoa Kĩ thuật xây dựng
nói chung và bộ mơn Cầu đường trường đại học Bách Khoa nói riêng. Đó là những
kiến thức khơng thể thiếu để giúp em hồn thành tốt luận văn này.
Với lịng tri ân sâu sắc nhất, em xin chân thành cám ơn tất cả các Thầy cơ đã
giành tâm huyết của mình qua các bài giảng, tiểu luận môn học và truyền cho em
những kinh nghiệm vô cùng quý giá để không chỉ thực hiện luận văn mà còn là thực
tế đi làm sau khi ra trường.
Và một điều rất quan trọng, luận văn có được như ngày hơm nay là nhờ vào
sự hướng dẫn tận tình, khơng chỉ về kiến thức mà cịn chỉ bảo từng câu văn, nét chữ
của Thầy TS. Lê Bá Khánh. Thầy đã đưa ra những hướng đi đúng đắn và giúp em
vượt qua những khó khăn trong luận văn. Em biết rằng chỉ với lời cảm ơn thôi thì
khơng thể đáp lại những gì mà Thầy đã cho em. Nhưng với lòng biết ơn chân thành
và sâu sắc nhất, em xin cảm Thầy vì tất cả mà Thầy đã giúp đỡ em.
Xin cảm ơn Ba mẹ, cô Năm và gia đình ln ủng hộ và động viên con trong
những lúc khó khăn nhất.
Xin cảm ơn các anh chị, các bạn thân thuộc hỗ trợ tôi trong suốt quá trình làm
luận văn.
Cuối cùng, xin dành những lời chúc tốt đẹp nhất đến tất cả mọi người.
Trân trọng
Nguyễn Duy Luân
-iv-
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Xây dựng cơng trình ở khu vực có địa chất yếu thường gặp rất nhiều khó khăn.
Xây dựng mố cầu trên nền đất yếu là một trong những khó khăn cần được xem xét,
tính tốn kĩ lưỡng. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng của khối đất đến
ứng suất và biến dạng của móng cọc mố cầu là điều hết sức cần thiết.
Mục tiêu của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của đất đắp đến ứng suất – biến dạng
của cọc khoan nhồi trong móng cọc của mố cầu. Luận văn áp dụng phương pháp phần
tử hữu hạn để phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của cọc đơn chịu tải ngang. Cọc
và đất nền được mơ hình hố bằng phần tử khối 3D. Ứng xử chảy dẻo của đất tuân
theo mô hình Mohr - Coulomb. Cặp phần tử đối tiếp xúc được dùng để mơ phỏng tiếp
xúc cọc đất.
Kết luận chính của luận văn và kiến nghị:
+ ANSYS 17.0 có nhiều bổ sung để mơ hình hố ứng xử của đất được tốt hơn.
Để đảm bảo sự chính xác của mơ hình khảo sát, khi mơ hình hố tương tác cọc – đất
nền nên dùng các mơ hình ứng xử của đất như Mohr - Coulomb và phần tử tiếp xúc.
Khi mơ hình tương tác cọc – đất sử dụng các mơ hình ứng xử của đất có thể giúp cho
việc thiết kế chính xác hơn, tiết kiệm chi phí.
+ Hướng nghiên cứu tiếp theo, tác giả kiến nghị mở rộng nghiên cứu mố cầu
với các cách bố trí cọc đa dạng hơn (cọc bố trí khơng đối xứng, cọc xiên,…)
-v-
ABSTRACT
Construction in soft soil area have a lot of difficults. Construction abutments on
soft ground is one of the difficulties that need to be considered and carefully
calculated. Therefore, analyze the impact of the land mass to stress and deformation
of pile foundation of abutment is essential.
The aim of thesis is to evaluate influences of simplified ground model for
caculate single pile subject to lateral impact load. The thesis use finite element
method to analysis stress- strain state of single pile subject to lateral load. Pile and
ground is simulated with 3D soild elements by using ANSYS software. Plastic flow
behaviour of soil abide by Mohr – Coulomb model rules. Contact of pair is used to
simulate soil – pile interaction.
Conclusion and recommendations:
The analytical results show that a certain influence on work of pile suject to
lateral load with simpilied ground model.
Subsequent research, the author proposes to expand research abutment piles
layout with more diverse (asymmetric layout piles, piles skewers, ...)
-vi-
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ này là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các
số liệu trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả luận văn
chưa từng được công bố trên bất cứ cơng trình khoa học nào. Tác giả hồn tồn chịu
trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn.
Trân trọng
Nguyễn Duy Luân
-vii-
MỤC LỤC
ABSTRACT ................................................................................................................v
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... xiii
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................1
1.1
Giới thiệu.........................................................................................................1
1.2
Tổng quan về sự cố của nền đắp sát mố và của mố ........................................1
1.2.1
Tổng quan về mố cầu và các tác động vào móng mố cầu. .....................1
1.2.1.1
Mố cầu [2] ........................................................................................1
1.2.1.2
Các tác động tương tác giữa đất và cọc khi cọc đi qua lớp đất yếu .2
1.2.2
Các hiện tượng sự cố về mố cầu và cơng trình tương tự ........................6
1.2.2.1
Sự cố cầu Xáng Củ Chi, Tp. Hồ Chí Minh [5] ................................6
1.2.2.2
Sự cố cầu Trường Phước [5] ............................................................6
1.2.2.3
Sự cố đường đầu cầu Thông Lưu, QL 1, Tỉnh Tiền Giang. [5] .......7
1.2.2.4
Sự cố mố cầu Kinh Ngang, Quận 8, Tp. Hồ Chí Minh. [6] .............7
1.2.2.5
Sự cố mất ổn định chuyển dịch móng cọc mố cầu Kỳ Hà IV [6] ....8
1.2.2.6
Sự cố sập mố cầu Trà Niền, Cần Thơ. [5] .......................................9
1.2.2.7
Sự cố cầu An Nghĩa trên đường Nhà Bè, Cần Giờ. [5] .................10
1.2.2.8
Sụp mố cầu dây văng Bình Phong Thạnh ở Long An ...................11
1.2.2.9
Nhận xét về chung về sự cố mố cầu ở khu vực Tp. HCM & Đồng
bằng sơng Cửu Long .....................................................................................11
1.3
Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................11
1.4
Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................14
1.5
Nhận xét của chương 1 ..................................................................................16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................17
-viii-
2.1
Phương pháp tính tốn cọc chịu tải trọng ngang [22] ...................................17
2.1.1
Phương pháp Winkler ...........................................................................18
2.1.2
Phương pháp đường cong p - y .............................................................19
2.2
Mơ hình đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic) .................................................21
2.3
Mơ hình Mohr - Coulomb (MC) [23] ...........................................................21
2.3.1
Mặt dẻo [24]..........................................................................................22
2.3.2
Thế năng của đất [24] ...........................................................................25
2.3.3
Các thơng số cơ bản của mơ hình Mohr – Coulomb ............................27
2.3.3.1
Mô đun đàn hồi (E) [25] ................................................................27
2.3.3.2
Hệ số Poisson (ν)............................................................................29
2.3.3.3
Lực dính, góc ma sát trong (c, φ) ...................................................30
2.3.3.4
Góc giãn nở (ψ) ..............................................................................33
2.4
Phần tử tiếp xúc .............................................................................................33
2.5
Khái niệm về phân tích phi tuyến (Analysis Type) ......................................34
2.6
2.5.1
Khái niệm về phân tích phi tuyến .........................................................34
2.5.2
Phương pháp Newton-Raphson ............................................................36
2.5.3
Tiêu chuẩn hội tụ và sai số ...................................................................37
Nhận xét của chương 2 ..................................................................................39
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THAM SỐ ....................................................................40
3.1
Giới thiệu đối tượng nghiên cứu ...................................................................40
3.2
Phương án phân tích ......................................................................................42
3.3
Mơ hình phần tử hữu hạn bằng Ansys MAPDL V17.2 ................................43
3.3.1
Giới thiệu về phần mềm ANSYS .........................................................43
3.3.1.1
Giới thiệu .......................................................................................43
3.3.1.2
Trình tự giải phần mềm ANSYS....................................................43
3.3.2
Mơ hình hố bằng ANSYS ...................................................................44
3.3.2.1
Loại phần tử (Element Types) .......................................................44
3.3.2.2
Thuộc tính vật liệu (Material Properties) .......................................45
-ix-
3.3.2.3
Mơ hình (Modeling) .......................................................................48
3.3.2.4
Chia lưới mơ hình (Meshing) .........................................................49
3.3.2.5
Điều chỉnh đánh số nút phần tử .....................................................51
3.3.2.6
Tải trọng (Loads) ...........................................................................52
3.3.2.7
Điều kiện biên (Boundary Conditions) ..........................................53
3.3.2.8
Kiểu phân tích (Analysis Type) .....................................................54
3.4
Bài tốn so sánh, kiểm tra sự vận hành của chương trình ANSYS ..............55
3.5
Kết quả phân tích ..........................................................................................56
3.6
3.5.1
Các trường hợp phân tích......................................................................56
3.5.2
Kết quả phân tích các trường hợp .........................................................58
3.5.2.1
Trường hợp 1P_LL (1 cọc tải ngang). ...........................................58
3.5.2.2
Trường hợp 1P (1 cọc tải đứng) .....................................................63
3.5.2.3
Trường hợp 2P_4D (2 Cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 4D) .........68
3.5.2.4
Trường hợp 2P_3.5D (2 Cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 3.5D) ...71
3.5.2.5
Trường hợp 2P_3D (2 Cọc, khoảng cách cọc 3D).........................74
3.5.2.6
Trường hợp 2P_2.5D (2 Cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 2.5D) ...77
3.5.2.7
Trường hợp 2P_2D (2 cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 2D) ..........80
Nhận xét chương 3: .......................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................85
KẾT LUẬN ...............................................................................................................85
KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................85
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ ..........................86
Lý LỊCH TRÍCH NGANG........................................................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................88
-x-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu
Giải thích
Cmob
lực dính động giữa lớp đất đắp và lớp đất yếu.
γs
dung trọng của lớp đất yếu
Ka, Kp
hệ số áp lực chủ động và bị động
Fp
lực ngang trên một đơn vị mố cầu
Hp
tổng lực cắt tại đỉnh cọc của cọc trước và cọc sau
s
khoảng cách giữa hai cọc trong cùng hàng cọc
pm
áp lực ngang tác dụng lên cọc
q
tải trọng tác dụng lên lớp đất yếu
d
đường kính cọc
Gm
mơ đun chống cắt của đất yếu ở độ sâu giữa lớp đất yếu
Gr
mô đun chống cắt của vùng đất xung quanh cọc
h
chiều dày lớp đất yếu
Ep Ip
độ cứng chống uốn của cọc
Cu
sức chống cắt khơng thốt nước
Ep
mơ đun đàn hồi của cọc
Q
tải tác dụng lên cọc
Ip
mơ men qn tính tiết diện cọc
d
đường kính cọc
w
phản lực của đất trên đơn vị chiều dài cọc (tải phân bố)
p
áp lực đất tác dụng lêm cọc
Kh
hệ số nền ngang của đất
u
chuyển vị ngang của cọc tại điểm x dọc theo chiều dài
của cọc.
Pult
sức kháng cực hạn của đất trên đơn vị chiều dài cọc
Y50
biến dạng ở 50% sức kháng cực hạn của đất
một số vô hướng dương
-xi-
c
lực dính đơn vị của đất
góc ma sát trong của đất
fy
ứng suất chảy của thép
Es
mô đun đàn hồi của thép
f’ c
cường độ chịu nén của bê tông
Ec
mô đun đàn hồi của bê tơng
WRC
khối lượng riêng của bê tơng
D
đường kính cọc khoan nhồi
Ix
mơ men qn tính của cọc
r
bán kính cọc
P
tải ngang tác dụng lên đầu cọc
M
mô men tại chân cọc
σ
ứng suất cọc
L
chiều dài cọc
y
khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ chịu kéo (nén)
A
diện tích mặt bên đài cọc
q
tải trọng ngang phân bố đặt vào mặt bên đài cọc.
Chữ viết tắt
Giải thích
PPPTHH
Phương pháp phần tử hữu hạn
1P_LL
Mơ hình 1 cọc, tải ngang
1P
Mơ hình 1 cọc, tải đứng
2P_4D
Mơ hình 2 cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 4D
2P_3.5D
Mơ hình 2 cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 3.5D
2P_3D
Mơ hình 2 cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 3D
2P_2.5D
Mơ hình 2 cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 2.5D
2P_2D
Mơ hình 2 cọc, tải đứng, khoảng cách cọc 2D
LE_Bond
Mơ hình đất Linear – Elastic, đất dính chặt với cọc
MC_Bond
Mơ hình đất Mohr – Coulomb, đất dính chặt với cọc
-xii-
LE_Interface
Mơ hình đất Linear – Elastic, có phần tử tiếp xúc
MC_Interface
Mơ hình đất Mohr – Coulomb, có phần tử tiếp xúc
Front_Pile
Cọc trước
Rear_Pile
Cọc sau
-xiii-
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Chuyển vị của mố cầu..................................................................................8
Bảng 1.2 Giá trị chuyển vị và mô men lớn nhất tính theo TCXD 205-1998 và tính
theo phần mềm FB Pier [19] .....................................................................................15
Bảng 2.1 Các tham số của mơ hình Mohr-Coulomb.................................................27
Bảng 2.2 Xác định E từ kết quả thí nghiệm SPT và CPT .........................................28
Bảng 2.3 Hệ số Poisson của đất: ...............................................................................29
Bảng 2.4 Các dạng tiếp xúc được dùng trong ANSYS [26] [27] .............................34
Bảng 2.5 So sánh phương pháp Incremental (Cộng dồn) và Newton - Raphson .....36
Bảng 2.6 So sánh phương pháp Full Newton - Raphson và Newton - Raphson ......37
Bảng 3.1 Quy ước cách đặt tên các mơ hình khảo sát ..............................................42
Bảng 3.2 Quy ước đặt tên các trường hợp phân tích ................................................42
Bảng 3.3 Lập các phương án phân tích .....................................................................42
Bảng 3.4 Loại phần tử cho mơ hình ..........................................................................44
Bảng 3.5 Vật liệu đài cọc và cọc (Bê tông cốt thép – Linear Elastic) ......................45
Bảng 3.6 Vật liệu thép ...............................................................................................45
Bảng 3.7 Thông số các lớp đất ..................................................................................46
Bảng 3.8 Khai báo thuộc tính vật liệu .......................................................................46
Bảng 3.9 Kích thước các đối tượng ..........................................................................49
Bảng 3.10 Thuộc tính lưới cho mơ hình ...................................................................49
Bảng 3.11 Kích thước đặc trưng của phần tử: ..........................................................50
Bảng 3.12 Điều kiện biên mơ hình............................................................................54
Bảng 3.13 Dịng lệnh thiết lập cho trường hợp phân tích tuyến tính ........................54
Bảng 3.14 Dịng lệnh thiết lập cho trường hợp phân tích phi tuyến .........................54
Bảng 3.15 Hộp thoại phi tuyến “Non linear” và thiết lập tiêu chuẩn hội tụ, sai số
(mặc định) .................................................................................................................55
Bảng 3.16 Hộp thoại thiết lập các thông sô nâng cao ...............................................55
Bảng 3.17 Bảng các vị trí khảo sát ............................................................................57
Bảng 3.18 So sánh chuyển vị cọc, ứng suất cọc, ứng suất đất trường hợp 1P_LL, 1P
...................................................................................................................................67
-xiv-
Bảng 3.19 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_4D ...............................................69
Bảng 3.20 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_4D .......................................69
Bảng 3.21 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_4D ........................70
Bảng 3.22 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_3.5D ............................................72
Bảng 3.23 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_3.5D ....................................72
Bảng 3.24 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_3.5D .....................72
Bảng 3.25 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_3D ...............................................75
Bảng 3.26 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_3D .......................................75
Bảng 3.27 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_3D ........................75
Bảng 3.28 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_2.5D ............................................78
Bảng 3.29 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_2.5D ....................................78
Bảng 3.30 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_2.5D .....................78
Bảng 3.31 So sánh chuyển vị ngang đầu cọc, 2P_2D ...............................................81
Bảng 3.32 So sánh ứng suất nén lớn nhất của cọc, 2P_2D .......................................81
Bảng 3.33 So sánh tỉ số chêch lệch ứng suất giữa 2 lớp đất, 2P_2D ........................81
-xv-
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Cấu tạo chung của mố cầu ...........................................................................2
Hình 1.2 Các lực tác động vào cọc [3] ........................................................................2
Hình 1.3 Các tác động lên mố cầu [4] .........................................................................3
Hình 1.4 Xác định thành phần Ft [4] ...........................................................................4
Hình 1.5 Sự cố đường vào cầu Trường Phước ............................................................7
Hình 1.6 Ảnh về sự cố cầu Kênh Ngang số 2 .............................................................8
Hình 1.7 Phác họa hiện trạng sự cố cầu Kỳ Hà IV .....................................................9
Hình 1.8 Sự cố mố cầu Kỳ Hà IV, Quận 2, TP Hồ Chí Minh ....................................9
Hình 1.9 Hiện trường vụ sạt lở đường dẫn vào cầu và sập mố cầu. .........................10
Hình 1.10 Sự cố cầu An Nghĩa .................................................................................10
Hình 1.11 Áp lực ngang tác dụng lên nhóm cọc (2×1) .............................................12
Hình 1.12 Áp lực ngang tác dụng nhóm cọc (2×2) ...................................................13
Hình 1.13 So sánh áp lực ngang tác dụng lên cọc của các nhóm cọc khác nhau: ....13
Hình 1.14 Sụp lún đường đầu cầu - cầu Romero. [15] .............................................14
Hình 1.15 Kết quả biểu đồ mơ men, chuyển vị của cọc [19] ....................................15
Hình 2.1 Mơ hình đường cong p-y............................................................................20
Hình 2.2 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mơ hình Mohr - Coulomb21
Hình 2.3 Mặt dẻo trong mơ hình Mohr – Coulomb ..................................................23
Hình 2.4 Phương trượt trong mặt phẳng lệch ...........................................................24
Hình 2.5 Hàm trượt trong khơng gian ứng suất chính ..............................................25
Hình 2.6 Quy luật chảy dẻo.......................................................................................26
Hình 2.7 Xác định mơ đun đàn hồi của đất nền E ....................................................27
Hình 2.8 Xác định E0 và E50 qua thí nghiệm nén ba trục thốt nước: ......................28
Hình 2.9 Xác định mơ đun cắt ..................................................................................28
Hình 2.10 Xác định hệ số Poisson ............................................................................29
Hình 2.11 Xác định góc ma sát trong và lực dính đơn vị .........................................30
Hình 2.12 Xác định giá trị c và φ bằng phương pháp hình học ................................31
Hình 2.13 Xác định c, φ bằng phương pháp hình học ..............................................32
Hình 2.14 Xác định giá trị c và φ từ thí nghiệm UU ................................................32
-xvi-
Hình 2.15 Xác định giá trị c và φ từ thí nghiệm CD .................................................32
Hình 2.16 Xác định góc giãn nở ...............................................................................33
Hình 2.17 Khái niệm phân tích tuyến tính (a) và phi tuyến (b) ................................35
Hình 2.18 Phương pháp luận phân tích số của phân tích phi tuyến ..........................35
Hình 2.19 Sự hội tụ của phương pháp phân tích phi tuyến .......................................36
Hình 2.20 Phương pháp phân tích số của phân tích phi tuyến Full Newton –
Raphson và Modified Newton - Raphson. (Chỉ xét 2 phương pháp) .......................37
Hình 2.21 Q trình phân tích phi tuyến trong Ansys ..............................................38
Hình 2.22 Thiết lập dung sai cho tiêu chuẩn hội tụ ..................................................39
Hình 3.1 Mơ hình thực mố cầu được mơ phỏng bằng ANSYS. ...............................40
Hình 3.2 Cấu tạo mố cầu được dùng để phân tích ....................................................40
Hình 3.3 Mơ hình tính tốn được đơn giản hóa ........................................................41
Hình 3.4 Phần tử SOLID 187 ....................................................................................45
Hình 3.5 Cặp phần tử đối tiếp xúc TARGE170 - CONTA174 [30] [31] .................45
Hình 3.6 Mơ hình tính tốn đã được đơn giản hóa ...................................................48
Hình 3.7 Mơ hình 3D lưới phần tử hữu hạn cho 1 cọc .............................................50
Hình 3.8 Mơ hình 3D lưới phần tử hữu hạn cho 2 cọc .............................................51
Hình 3.9 Mơ hình 3D lưới phần tử hữu hạn cho phẩn tiếp xúc ................................51
Hình 3.10 Sơ đồ ước lượng tải trọng ngang. .............................................................52
Hình 3.11 Điều kiện biên mơ hình ............................................................................53
Hình 3.12 Ứng xử của cọc ........................................................................................56
Hình 3.13 Chuyển vị ngang của cọc, ........................................................................58
Hình 3.14 Ứng suất của cọc, .....................................................................................58
Hình 3.15 Ứng suất của đất nền, ...............................................................................58
Hình 3.16 Chuyển vị ngang cọc 1P, Ux ....................................................................63
Hình 3.17 Ứng suất của cọc, 1P, σz...........................................................................63
Hình 3.18 Ứng suất của đất nền,1P, σx .....................................................................63
Hình 3.19 Nêm đất 1P tại vị trí z= -6.1m ..................................................................65
Hình 3.20 Chuyển vị ngang của cọc trước và sau,2P_4D, Ux ..................................68
Hình 3.21 Ứng suất của cọc trước và sau, 2P_4D, σz ...............................................68
-xvii-
Hình 3.22 Ứng suất của đất nền, ...............................................................................68
Hình 3.23 Nêm đất 2P_4D tại vị trí z=-6.1m ............................................................70
Hình 3.24 Chuyển vị ngang của cọc, 2P_3.5D, Ux ...................................................71
Hình 3.25 Ứng suất của cọc, .....................................................................................71
Hình 3.26 Ứng suất của đất nền, 2P_3.5D, σx ..........................................................71
Hình 3.27 Nêm đất 2P_3.5D tại vị trí z=-6.1m .........................................................73
Hình 3.28 Chuyển vị ngang của cọc, 2P_3D, Ux ......................................................74
Hình 3.29 Ứng suất của cọc, .....................................................................................74
Hình 3.30 Ứng suất của đất nền, ...............................................................................74
Hình 3.31 Nêm đất 2P_3D tại vị trí z=-6.1m ............................................................76
Hình 3.32 Chuyển vị ngang của cọc, 2P_2.5D, Ux ...................................................77
Hình 3.33 Ứng suất của cọc, .....................................................................................77
Hình 3.34 Ứng suất của đất nền, 2P_2.5D, σx ..........................................................77
Hình 3.35 Nêm đất 2P_2.5D tại vị trí z=-6.1m .........................................................79
Hình 3.36 Chuyển vị ngang của cọc, 2P_2D, Ux ......................................................80
Hình 3.37 Ứng suất của cọc, .....................................................................................80
Hình 3.38 Ứng suất của đất nền, ...............................................................................80
Hình 3.39 Nêm đất 2P_2D tại vị trí z=-6.1m ............................................................82
Hình 3.40 Ứng suất đất nền các trường hợp , độ sâu -2m ........................................83
-xviii-
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Theo Quy hoạch phát triển GTVT vùng kinh tế trọng điểm vùng đồng bằng sông
Cửu Long đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030, ở ĐBSCL từng bước xây
dựng các tuyến đường bộ cao tốc; đưa vào cấp kỹ thuật hệ thống đường tỉnh và mở
mới một số tuyến cần thiết. Tuy nhiên đặc điểm địa chất yếu, và hệ thống sông dày
đặc là một thách thức đáng kể cho việc xây dựng cơng trình cầu đường ở vùng này.
Nền đắp của đoạn đường đầu cầu gây ra một số tác động ngang lên cọc của mố
cầu. Thứ nhất, đất đắp gây ra áp lực ngang trực tiếp lên tường mố, sau đó truyền cho
nhóm cọc. Thứ hai, đất đắp sẽ làm nền đất bên dưới bị biến dạng ngang. Biến dạng
ngang này cũng sẽ tác động lên nhóm cọc. [1]
2. Mục đích nghiên cứu
Với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS V17.2 (Mechanical APDL), mục đích của
luận văn là nghiên cứu áp dụng mơ hình đất Mohr – Coulomb và phần tử tiếp xúc để
phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng của móng cọc khoan
nhồi của mố cầu
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phân tích ảnh hưởng của khối đất đến ứng suất và biến dạng của móng cọc
khoan nhồi của mố cầu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan, nghiên
cứu mô phỏng, …
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Đưa ra những khuyến cáo về ứng xử của móng cọc khoan nhồi của mố cầu chịu
tác động của khối đất đầu cầu.
6. Cấu trúc đề tài
Phần Mở đầu
-xix-
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
1.3. Kết luận chương
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu chương
Diễn giải cơ sở lý thuyết, lý luận, giả thiết khoa học và phương pháp nghiên cứu
sử dụng; Tổng hợp, thu thập, phân tích, đánh giá các số liệu trên cơ sở lý thuyết, giả
thiết khoa học để giải quyết vấn đề mà đề tài quan tâm.
Kết luận chương
Chương 3: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN
Giới thiệu chương
Kết luận chương
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo.
-1-
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu
Hầu hết cọc là được thiết kế chịu tải chủ động. Tải chủ động từ kết cấu bên trên
truyền một cách trực tiếp đến bệ cọc và móng cọc. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp
cọc không được thiết kế chịu được tải bị động, tải bị động được tạo ra do bởi biến
dạng và chuyển vị của đất xung quanh cọc do trọng lượng khối đất và tải trọng tạm
thời. Tải bị động nói trên có thể dẫn đến những sự cố và hư hỏng của kết cấu. Ví dụ
cho những trường hợp này bao gồm cọc đỡ mố cầu với nền đắp liền kề, móng cọc có
sẵn với việc đóng cọc, các hoạt động đào đường hầm.
Dưới tác dụng của áp lực đất, hoạt tải xe sau mố và lực ngang do sự dịch chuyển
của lớp đất yếu tác dụng vào cọc gây ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của mố cầu cũng
như kết cấu bên trên.
Nội dung luận văn cao học này tập trung phân tích ảnh hưởng của khối đất đến
ứng suất và biến dạng của móng cọc khoan nhồi của mố cầu.
1.2 Tổng quan về sự cố của nền đắp sát mố và của mố
1.2.1 Tổng quan về mố cầu và các tác động vào móng mố cầu.
1.2.1.1 Mố cầu [2]
Trong cơng trình cầu, mố thuộc kết cấu phần dưới được chôn trong đất, nằm
trong vùng ẩm ướt chịu xâm thực của xói lở. Mố có các chức năng cơ bản :
-
Chịu tải trọng thẳng đứng và nằm ngang từ kết cấu nhịp;
-
Chịu áp lực đất đẩy ngang;
-
Chống xói lở bờ sơng.
-2-
Hình 1.1 Cấu tạo chung của mố cầu
1) Tường đỉnh, 2) Mũ mố, 3) Tường trước, 4) Tường cánh, 5) Móng mố,
6) Đất đắp nón mố.
1.2.1.2 Các tác động tương tác giữa đất và cọc khi cọc đi qua lớp đất yếu
Móng cọc mố cầu đặt trên nền đất thường gặp ảnh hưởng tương tác cọc đất và
sự di chuyển của đất theo phương ngang. Thay thế lớp đất đắp có thể dẫn đến tải trọng
ngang tác dụng lên hệ móng mố. Sự chuyển vị của móng mố cần được xem xét kĩ
lưỡng để đảm bảo ổn định cho kết cấu (Moulton et al, 1985).
Hình 1.2 Các lực tác động vào cọc [3]
-3-
Hình 1.3 Các tác động lên mố cầu [4]
Trong quá trình đắp nền đường đầu cầu gần mố cầu, đã gây ra các tải trọng
ngang tác dụng lên mố cầu và lên cọc gồm các thành phần sau:
-
Áp lực đất chủ động tác dụng lên tường mố gây ra lực tác dụng ngang lên mố
cầu F, M đây là thành phần lực tác dụng chủ yếu và được khả năng chịu tải
ngang của cọc chống lại.
-
Tải trọng đất đắp và hoạt tải gây tải trọng lên lớp đất bên dưới là đất yếu cho
nên nó gây ra sự dịch chuyển ngang lớn và tạo nên áp lực tác dụng vào cọc P m
-
Do sự dịch chuyển tương đối giữa lớp đất đắp và lớp đất yếu gây ứng suất cắt
chuyển tiếp Ft tác dụng vào mố cầu.
Ta khảo sát các thành phần lực trên:
-
Thành phần Ft
-4-
Hình 1.4 Xác định thành phần Ft [4]
Ft Fr Fp Fc Ff FW
(1.1)
Trong đó:
Fr
sKp
h22
2
(1.2)
Fc = w·cmob
Ff FW
sKp
2
h1 h2
(1.3)
2
cmob
: lực dính động giữa lớp đất đắp và lớp đất yếu.
γs
: dung trọng của lớp đất yếu
Ka, Kp : hệ số áp lực chủ động và bị động
-
Fp
: lực ngang trên một đơn vị mố cầu Fp=Hp/s
Hp
: tổng lực cắt tại đỉnh cọc của cọc trước và cọc sau.
s
: khoảng cách giữa hai cọc trong cùng hàng cọc
Xác định áp lực ngang tác dụng lên cọc pm
(1.4)
-5-
Theo các tác giả Baguelin (1977), Springman (1989), Bolton (1990) giá trị áp
lực ngang tác dụng lên cọc trong lớp đất yếu có thể xác định cho mỗi cọc đơn trong
điều kiện khơng thốt nước như sau:
pm
q
G
3 m
Gr
Gm dh3
d d
0.71
E
I
p
p
h s
(1.5)
Trong đó:
q
: tải trọng tác dụng lên lớp đất yếu.
d
: đường kính cọc
Gm : mơ đun chống cắt của đất yếu ở độ sâu giữa lớp đất yếu
Giá trị 75cu < Gm < 100cu cho đất rất yếu và 100cu < Gm < 200cu cho đất
yếu
Gr
: Mô đun chống cắt của vùng đất xung quanh cọc
Theo Springman (1989) thì Gm/Gr = 1.5~2.5 cho cọc đóng và 2.5~3 cho cọc
khoan nhồi
h
: chiều dày lớp đất yếu
s
: khoảng cách giữa hai cọc trong cùng hàng cọc
Ep Ip : độ cứng chống uốn của cọc
Cu
: sức chống cắt khơng thốt nước
Phương trình (1.5) được dẫn xuất từ giả thuyết đất yếu là đồng nhất và đẳng
hướng.
Khi tải trọng lớp đất gia tăng trong quá trình xây dựng nền đường trước mố cầu.
Tải trọng đất đắp gia tăng làm cho lớp đất yếu dưới tiến đến ngưỡng dẻo và do đó lớp
đất yếu này sẽ di chuyển ngang khi đang ở trạng thái dẻo → áp lực ngang tác dụng
vào cọc sẽ là lớn nhất có thể trong lớp đất yếu (đất sét khơng thốt nước). Khi này
nếu có một sự gia tăng tải trọng nào nữa thì nền đất bên dưới sẽ phá hoại.
Theo Randolph & Houlsby (1984) thì giá trị lớn nhất của áp lực pm là 9.14cu và
11.94cu cho cọc trơn láng và cọc nhám, giá trị thường dùng là 10.5cu được đề nghị
Broms (1964) và Poulos & Davis (1980) cho đất sét yếu.
