Nghiên cứu sự phù hợp của các sơ đồ đơn giản để phân tích bệ cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM HUY TÀI

NGHIÊN CỨU SỰ PHÙ HỢP CỦA CÁC SƠ ĐỒ ĐƠN GIẢN
ĐỂ PHÂN TÍCH BỆ CỌC

Chuyên ngành

: Xây dƣ̣ng đƣờng ôtô và đƣờng thành phố

Mã ngành

: 605830

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6/2015


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
***
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. LÊ BÁ KHÁNH.

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Vũ Hồ ng Nghiê ̣p

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Pha ̣m Quang Nhâ ̣t

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 12 tháng 09 năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS Mai Di Tám

Chủ tịch hội đồng.

2. TS. Hồ Thu Hiền

Thƣ ký hội đồng.

3. TS Vũ Hồng Nghiệp

CB Phản biện 1.

4. TS Phạm Quang Nhật

CB Phản biện 2.

5. TS. Phùng Mạnh Tiến

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 đƣợc sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành

TS MAI DI TÁM

TS LÊ BÁ KHÁNH


– ii –

ĐH. QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐH. BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595

Ngày, tháng, năm sinh: 14/06/1987

Nơi sinh: TpHCM

Chuyên ngành: Xây dƣ̣ng đƣờng ôtô và đƣờng thành phố

Mã số : 605830

1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU SỰ PHÙ HỢP CỦA CÁC SƠ ĐỒ ĐƠN GIẢN ĐỂ

PHÂN TÍCH BỆ CỌC
2. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
(1). Hệ thống hóa một số lý luận cơ bản về cấu tạo sơ bộ của bệ cọc. Hệ
thống hóa các phƣơng pháp phân tích bệ cọc. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm
ANSYS. Nghiên cứu các tham số liên quan đến bài tốn mơ hình hố bệ cọc.
(2). So sánh về ứng suất trong bệ cọc khi tính theo mơ hình đơn giản dạng
dầm và mơ hình khối 3D.
(3). Kết luận và đề ra định hƣớng cho các nghiên cứu tiếp theo.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

Ngày 19 tháng 01 năm 2015

4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

Ngày 14 tháng 06 năm 2015

5. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:

TS. LÊ BÁ KHÁNH

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

TS LÊ BÁ KHÁNH

HV: Phạm Huy Tài

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƢỞNG KHOA KỸ

ĐÀO TẠO

THUẬT XÂY DỰNG

TS LÊ BÁ KHÁNH

TS. NGUYỄN MINH TÂM

MSHV: 12144595


– iii –

NHẬN XÉT CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN

Tp. HCM, ngày …… tháng 09 năm 2015
Ngƣời hƣớng dẫn

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– iv –

NHẬN XÉT CỦA NGƢỜI PHẢN BIỆN

Tp. HCM, ngày …… tháng 09 năm 2015
Ngƣời phản biện

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–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, ngƣời đã dành nhiều thời gian tận tình
hƣớng 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 - Đƣờng trƣờng 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 Ban Quản lý Đầu tƣ dự án Nạo
vét luồng Soài Rạp (giai đoạn 2), nơi tôi làm việc, đã tạo điều kiện cho tơi theo
học chƣơng trình thạc sĩ và hoàn thành luận án này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến Bố, Mẹ và Vợ tôi đã luôn ủng hộ tôi
trong suốt thời gian qua./
Tác giả

PHẠM HUY TÀI

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– vi –

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay, các phƣơng pháp thiết kế bệ cọc trên thế giới vẫn dựa vào 2
phƣơng pháp cơ bản là phƣơng pháp dàn ảo và phƣơng pháp dầm. Mức độ phù
hợp của các phƣơng pháp trên chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều.
Luận văn đã hệ thống hóa về cấu tạo sơ bộ và phƣơng pháp phân tích của
bệ cọc . Trên cơ sở đó tác giả đã tiến hành khảo sát sự phù hợp của các sơ đồ tính
đơn giản dựa trên phƣơng pháp dầm để phân tích bệ cọc. Tiêu chí chính để khảo
sát sự phù hợp là so sánh ứng suất khi tính theo phƣơng pháp dầm và phƣơng
pháp phân tích chi tiết có dùng phần tử khối 3D.
Một số kết luận chính của luận văn
+ Đối với loại bệ cọc và sơ đồ bố trí cọc đƣợc áp dụng trong luận văn, sơ đồ
tính theo dầm consol tƣơng đối phù hợp nhất trong tính tốn sơ bộ.
+ Đề xuất hệ số điều chỉnh giữa phƣơng pháp dầm giản đơn và phƣơng
pháp phân tích chi tiết khi tính ứng suất pháp là α = 3.5.

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– vii –

ABSTRACT
Currently, all design methods of piles cap in the world still rely on two
basic theories that are truss method and bending method. The relevance of these
above methods have not been studied much.
In the context of this thesis the author surveyed the suitability of simple
diagrams to analyze piles cap. The main criteria for the appropriate survey that
comparisons perpendicular stresses between models computed by the beam and
detailed analysis methods have used 3D solid elements. Author perform

calculations with 9 cases examined changes the height of piles cap and distance
of piles to confirming the conclusions and recommendations follow:
+ For this type of pad layout piles and piles are applied in the thesis, the
research results show that the beam diagrams generated in relatively fit consol in
preliminary calculations pedestal poles with low requirements.
+ The law of correlation between "relative stiffness" and stresses the
pedestal pile in a dangerous position of pedestal pile is inversely proportional
rule ("relative stiffness" increases, stress reduction).
+ At the same time confirming the compressive stress on the pad are
smaller piles under compression limit of the concrete.
+ Recommend adjustment coefficients between simple beam method and
detailed analysis when calculating the stresses from high school is α = 3.5.

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– viii –

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của tơi.
Các số liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả của
luận án chƣa từng đƣợc cơng bố trong bất cứ cơng trình khoa học nào. Tác giả
hồn tồn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án.

Tác giả

PHẠM HUY TÀI

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– ix –

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................v
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................... vi
ABSTRACT ..................................................................................................... vii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ viii
MỤC LỤC ........................................................................................................ ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................... xi
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .....................................................................xiv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................3
1.1 Giới thiệu...................................................................................................3
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .............................................................3
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ...............................................................5
1.4 Nhận xét của chƣơng .................................................................................7
Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..........................................................................8
2.1 Nghiên cứu về kích thƣớc sơ bộ của bệ cọc. ..............................................8
2.1.1

Nhóm cọc và khoảng cách giữa các cọc............................................ 8

2.1.2

Hình dạng bệ cọc ............................................................................ 11

2.1.3

Chiều cao bệ cọc ............................................................................ 13

2.2 Giới thiệu các phƣơng pháp thiết kế bệ cọc ..............................................14
2.2.1

Xuyên thủng (Punching Shear) ....................................................... 14

2.2.2

Thiết kế theo mơ hình dàn ảo (Strut and tie model) ........................ 18

2.2.3

Thiết kế theo mơ hình dầm thông thƣờng ....................................... 22

2.3 Cơ sở lý thuyết phục vụ việc phân tích bệ cọc ..........................................25
2.3.1

Giới thiệu về phần mềm ANSYS .................................................... 25

2.3.2

Tiêu chuẩn chảy dẻo von Mises ...................................................... 28

2.3.3

Cơ sở lý thuyết tính phản lực đầu cọc ............................................. 29

2.4 Các thơng số để mơ hình hố nền cơng trình ............................................32

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–x–

2.4.1

Biên của nền cơng trình: ................................................................. 32

2.4.2

Modul đàn hồi và hệ số Poisson của đất ......................................... 34

2.5 Nhận xét của chƣơng ...............................................................................39
Chƣơng 3 PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ TÍNH CỦA BỆ CỌC ......................................40
3.1 Giới thiệu.................................................................................................40
3.2 Cấu tạo trụ T8 ..........................................................................................41
3.2.1

Thông số nền đất ............................................................................ 42

3.2.2

Vật liệu trụ ..................................................................................... 44

3.2.3

Kích thƣớc trụ ................................................................................ 45

3.3 Tải trọng và hệ số tải trọng ......................................................................46
3.3.1

Tải trọng tác dụng lên trụ ............................................................... 46

3.3.2

Tổ hợp tải trọng.............................................................................. 47

3.4 Các trƣờng hợp phân tích bệ cọc ..............................................................48
3.5 Phân tích bệ cọc theo sơ đồ đơn giản .......................................................48
3.5.1

Nội dung phƣơng pháp ................................................................... 48

3.5.2

Kết quả tính ứng suất bệ cọc theo phƣơng pháp dầm ...................... 49

3.6 Phân tích bệ cọc bằng phần mềm ANSYS................................................51
3.6.1

Kiểm tra sự vận hành phần mềm ANSYS ....................................... 51

3.6.2

Khảo sát mật độ chia lƣới của bệ cọc.............................................. 52

3.6.3

Khảo sát sơ bộ ứng suất .................................................................. 54

3.6.4

Khảo sát ứng suất chi tiết bằng phần tử khối .................................. 68

3.7 Phân tích kết quả tính giữa 2 phƣơng pháp phân tích giản đơn và phân tích
chi tiết (ANSYS) ...........................................................................................76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................79
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN VĂN .............................................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................84

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– xi –

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Chữ viết tắt

Giải thích

BT

Bê tơng

PTHH

Phần tử hữu hạn

BTCT

Bê tơng cốt thép

ĐHCB

Đúc hẫng cân bằng

TTGH

Trạng thái giới hạn

TTGH CĐ

Trạng thái giới hạn cƣờng độ

TTGH SD

Trạng thái giới hạn sử dụng

TLBT

Trọng lƣợng bản thân

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– xii –

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Mơ hình cột (trụ), bệ cọc và cọc ............................................................3
Hình 2.1. Ứng suất trong đất của cọc đơn và nhóm cọc chịu tải ...........................9
Hình 2.2 Hình dạng một số mặt bằng bệ cọc .....................................................11
Hình 2.3. Biên đáy tháp xun thủng với góc mở 45o khơng phủ lên các cọc.....15
Hình 2.4. Biên đáy tháp xuyên thủng với góc mở 45o phủ lên 1 phần các cọc ....16
Hình 2.5. Biên đáy lớn nhất tháp xuyên thủng xuất phát từ cọc với góc mở 45o
khơng phủ lên trụ...............................................................................................16
Hình 2.6. Biên đáy lớn nhất tháp xuyên thủng xuất phát từ cọc với góc mở 45o
phủ lên 1 phần trụ ..............................................................................................17
Hình 2.7. Thiết kế bệ cọc theo lý thuyết dàn ......................................................18
Hình 2.8. Ví dụ về ngun lý Saint-Venant: vùng D là vùng khơng liên tục. (ACI
318-08, phụ lục A).............................................................................................19
Hình 2.9. Mơ hình dàn ảo, nút loại C-C-C (chịu 3 lực nén), và các nút loại C-C-T
(chịu 2 lực nén, 1 lực kéo) .................................................................................20
Hình 2.10. Sơ đồ mặt cắt ngang bệ cọc kiểm tra sức chống cắt ..........................23
Hình 2.11: Sơ đồ tính tốn chịu uốn cho bệ cọc .................................................24
Hình 2.12. Mặt cắt chi tiết cốt thép gia cƣờng....................................................25
Hình 2.13. Kết cấu hình học phần tử SOLID 186 ..............................................27
Hình 2.14. Kết cấu hình học phần tử SOLID 187 ..............................................27

Hình 2.15. Chiều dài chịu uốn của cọc...............................................................30
Hình 2.16. Giao diện của phần mềm CDC PRO 1.0...........................................32
Hình 2.17.Vùng ảnh hƣởng nền dƣới tác động của móng cọc ............................33
Hình 2.18. Sự phân bố ứng suất trong nền theo Boussinessq .............................34
Hình 2.19 Phân phối lý tƣởng hóa đƣờng cong ứng suất biến dạng ....................36
Hình 3.1. Mơ hình bệ cọc trong giai đoạn khai thác ...........................................41
Hình 3.2. Hình ảnh cầu Sơng Lũy ......................................................................42
Hình 3.3. Cấu tạo địa chất .................................................................................43
Hình 3.4. Cấu tạo trụ T8 (theo hồ sơ thiết kế cầu Sông Lũy)..............................45

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– xiii –

Hình 3.5. Kích thƣớc mặt cắt gối .......................................................................45
Hình 3.6. Sơ đồ tính moment tại mặt cắt ngàm thân trụ .....................................48
Hình 3.7. Phân bố ứng suất σz trong cột theo ANSYS........................................52
Hình 3.8. Vị trí khảo sát mật độ chia lƣới bệ cọc ...............................................53
Hình 3.9 So sánh các tiêu chí sai số ứng suất, số lƣợng nodes và thời gian giải
trong các trƣờng hợp chia lƣới. ..........................................................................54
Hình 3.10. Bố trí các mặt cắt để khảo sát sơ bộ ứng suất cho bệ cọc ..................54
Hình 3.11. Bố trí các điểm để khảo sát ứng suất pháp y của bệ cọc. .................68

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595

– xiv –

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Khoảng cách tối thiểu giữa các cọc ....................................................10
Bảng 2.2 Cơng thức tính ứng suất theo lý thuyết dàn để bố trí thép ..................12
Bảng 2.3 Ƣớc lƣợng chiều cao bệ cọc (H) .........................................................13
Bảng 2.4 Bảng tra chiều dày cọc theo kích thƣớc cọc ........................................13
Bảng 2.5 Thƣ viện về các loại phần tử của phần mềm ANSYS .........................26
Bảng 2.6 Các hằng số đàn hồi của đất theo Bộ Hải quân Hoa Kỳ (1982) và
Bowles (1988)* [8] ............................................................................................34
Bảng 2.7: Modul đàn hồi các loại đất điển hình theo USCS (theo Obrzud & Truty
2012 tổng hợp từ Kezdi 1974 và Prat et al.1995) [21] ........................................37
Bảng 2.8: Modul đàn hồi ( Gopal Ranjan et Rao, 2000) [22] .............................37
Bảng 2.9: Hệ số poisson cho các loại đất theo thời gian chất tải.........................38
Bảng 3.1: Thông số các lớp đất..........................................................................43
Bảng 3.2: Tĩnh tải ..............................................................................................46
Bảng 3.3. Tác dụng của thân trụ ........................................................................46
Bảng 3.4: Hoạt tải..............................................................................................47
Bảng 3.5. Tải trọng ở giai đoạn khai thác TH1 ..................................................47
Bảng 3.10 Các trƣờng hợp phân tích bệ cọc.......................................................48
Bảng 3.7: Ứng suất tại mặt cắt ngàm theo phƣơng pháp dầm giản đơn ..............50
Bảng 3.8. Mức độ hội tụ của kết quả σz .............................................................51
Bảng 3.9: Khảo sát thời gian giải và sự hội tụ của ứng suất σz ...........................53
Bảng 3.10 Toạ độ các vị trí 1, 2, 3 trong mặt cắt 1-1..........................................69
Bảng 3.11 Toạ độ các vị trí 4, 5, 6 & 7 trong mặt cắt 2-2 ...................................69
Bảng 3.12 Giá trị ứng suất tại các vị trí khảo sát ở giai đoạn thi công ................70
Bảng 3.13 Giá trị ứng suất tại các vị trí khảo sát ở giai đoạn khai thác...............70
Bảng 3.14 Mức độ chênh lệch của ứng suất tại 2 vị trí đối xứng ........................70
Bảng 3.15 Ảnh hƣởng của “độ cứng tƣơng đối” - λ đến mức độ thay đổi của ứng

suất ....................................................................................................................72

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


– xv –

Bảng 3.16 Phân tích ảnh hƣởng của “Độ cứng tƣơng đối” đến ứng suất khi thay
đổi khoảng cách tim cọc ....................................................................................73
Bảng 3.17 Phân tích sự phù hợp mơ hình dầm khi thay đổi chiều cao bệ cọc .....75
Bảng 3.18 Phân tích sự phù hợp mơ hình dầm khi thay đổi khoảng cách tim cọc
..........................................................................................................................75
Bảng 3.19: So sánh ứng suất pháp giữa 2 phƣơng pháp trong phƣơng án 1 ........76
Bảng 3.20: So sánh ứng suất pháp giữa 2 phƣơng pháp trong phƣơng án 2 ........77

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–1–

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Bệ cọc là một kết cấu có điều kiện chịu lực phức tạp và đã có nhiều phƣơng
pháp tính khác nhau nhƣ: phƣơng pháp dàn ảo (Strut and tie), phƣơng pháp dầm, …
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp cho sinh viên, kỹ sƣ biết về mức độ phù
hợp khi thiết kế bệ cọc với phƣơng pháp dầm. Do khơng có điều kiện đo đạc thực

tế, đề tài sẽ dùng kết quả phân tích từ phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) có
dùng phần tử khối để làm mốc so sánh (sau đây gọi tắt là phƣơng pháp PTHH 3D).
2. Mục đích nghiên cứu
Khảo sát mức độ phù hợp của kết quả tính bệ cọc bằng phƣơng pháp dầm với
phƣơng pháp PTHH 3D.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Phƣơng pháp thiết kế bệ cọc.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu tổng quan về lý thuyết, và tính tốn mơ phỏng bằng phần
mềm để giải quyết các nội dung của đề tài.
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài: Đánh giá và phân tích mức độ phù hợp của sơ đồ
tính giản đơn theo phƣơng pháp dầm với kết quả tính PTHH 3D.
Tính thực tiễn của đề tài:
Kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ ra sơ đồ tính bệ cọc phù hợp nhất là sơ đồ
dầm giản đơn cho công tác thiết kế sơ bộ. Luận văn đề xuất hệ số điều chỉnh cho sơ
đồ dầm để tính bệ cọc.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo khi
thiết kế bệ cọc cầu.
6. Nội dung đề tài
Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chƣơng, phần kết luận và kiến nghị, tài
liệu tham khảo và phần phụ lục.

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–2–

Phần mở đầu: nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm
vi nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của
đề tài.
Chƣơng 1: Giới thiệu đối tƣợng nghiên cứu, tổng quan về tình hình nghiên cứu
trong nƣớc và trên thế giới về vấn đề nghiên cứu, kết luận lý do thực hiện.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về kích thƣớc hình dạng sơ bộ, cơ chế làm việc, các
phƣơng pháp thiết kế, lý thuyết phục vụ việc phân tích của bệ cọc; các thơng số để
mơ hình hóa nền cơng trình.
Chƣơng 3: Giới thiệu mơ hình bệ cọc khảo sát, phân tích mơ hình bệ cọc bằng
phần mềm ANSYS và phƣơng pháp đơn giản cho 9 trƣờng hợp khảo sát, so sánh và
đƣa ra kết luận.
Phần kết luận và kiến nghị: Nhận xét đánh giá và rút ra kết luận về sự phân bố
ứng suất - biến dạng của bệ cọc tính phƣơng pháp thơng thƣờng với phƣơng pháp
phần tử hữu hạn. Đồng thời đề nghị định hƣớng nghiên cứu tiếp.

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–3–

Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu

Hình 1.1 Mơ hình cột (trụ), bệ cọc và cọc
Một bệ cọc đƣợc định nghĩa nhƣ là một khối bê tơng đặt trên đầu của một
nhóm cọc. Trong cơng trình cầu, bệ cọc là một bộ phận quan trọng của mố - trụ cầu
Các chức năng chính của bệ cọc:
+ Chúng giữ chức năng truyền tải trọng từ các kết cấu bên trên xuống nhóm

cọc bên dƣới rồi từ đó tiếp tục truyền tải đến lớp đất có khả năng chịu tải, nhằm
truyền tải trọng cục bộ ra một diện tích chịu lực lớn hơn.
+ Bệ cọc liên kết hợp các cọc đơn lại với nhau, nhờ đó sự ổn định của cả nhóm
cọc đƣợc gia tăng lên rất nhiều.

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hầu hết các thiết kế bệ cọc thông thƣờng ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng
pháp dầm. Đây là phƣơng pháp sử dụng lý thuyết dầm căn cứ vào giả thiết về tiết
diện phẳng của Bernoulli [1]. Phƣơng pháp dầm có ƣu điểm tính tốn đơn giản, tuy
nhiên chỉ giới hạn dùng để phân tích bệ cọc thơng thƣờng, đối với bệ cọc có chiều
cao bệ lớn thì phƣơng pháp này khơng cịn phù hợp.
Phƣơng pháp dàn ảo (Strut and tie) là một công cụ hữu hiệu, đƣợc thừa nhận
và áp dụng trên phạm vi tồn thế giới để phân tích các hƣ hỏng cũng nhƣ thiết kế
mới kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là các khu vực chịu lực cục bộ (khu vực
không liên tục) trong kết cấu. Phƣơng pháp này, mặc dù đã đƣợc khởi đầu từ cuối

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–4–

thế kỷ 19 bởi Ritter (1899) và Morsch (1909), nhƣng mới đƣợc nghiên cứu và phát
triển mạnh mẽ ở châu Âu và Bắc Mỹ trong thời gian gần đây. Nhiều tiêu chuẩn thiết
kế nhƣ EuroCode 2, ACI, AASHTO, DIN 1045 v.v. đã chính thức coi phƣơng pháp
dàn ảo là một phƣơng pháp dùng để phân tích và xử lý cấu tạo cho kết cấu với nhiều
thế mạnh thay thế cho việc áp dụng thuần túy các qui định cấu tạo thƣờng đƣợc thể
hiện trong các qui trình thiết kế trƣớc đây. Tuy nhiên phƣơng pháp này có quy trình
tính tốn tƣơng đối phức tạp, và không là phƣơng pháp tối ƣu trong việc thiết kế sơ

bộ bệ cọc thông thƣờng. Một số nghiên cứu điển hình:
Năm 1987, các tác giả J Schlaich, K. Schafer, và M Jennewein đã đề xuất một
cách toàn diện các khái niệm cho kết cấu bê tơng trong đó có đề cập đến việc sử
dụng mơ hình dàn ảo. [2]
Năm 2009, các tác giả John F. Duntemann, Ernest Rogalla, Jennifer A.
Dimig, và Brian R. Greve, công bố kết quả nghiên cứu về việc sửa chữa bệ cọc
bằng cách sử dụng mơ hình dàn ảo (theo quy định 2002 ACI 318) khi tính tốn. [3]
Ngoài hai phƣơng pháp tính bệ cọc truyền thống, do có nhiều ƣu điểm phƣơng
pháp số PTHH cũng là lựa chọn tối ƣu khi phân tích bài tốn phức tạp nhƣ phân tích
sự tƣơng tác kết cấu và đất nền (soil – structure interaction), phân tích kết cấu bằng
phần tử khối SOLID. Một số nghiên cứu điển hình:
Năm 1991, P.Krishna Iyer và C. Sam cơng bố nghiên cứu trong việc phân tích
tƣơng tác đồng thời của kết cấu và đất nền đã nhận xét rằng phƣơng pháp phần tử
hữu hạn (PTHH) rất phù hợp để phân tích những vấn đề tƣơng tự. Hiệu ứng tƣơng
tác đồng thời của kết cấu và đất nền cần lƣu ý khi phân tích kết cấu chịu tải trọng
tĩnh lẫn khi chịu tải trọng động [4]
Năm 2010, nhóm tác giả Xin-jun Zou đã nghiên cứu sự ổn định cọc bị uốn với
đài cọc cao đƣợc sử dụng rộng rãi trong cơng trình cầu và bến cảng, đã đƣa ra
những lợi thế cũng nhƣ những thiếu sót của các phƣơng pháp phân tích truyền
thống. Xin-jun Zou đã đề nghị sử dụng phƣơng pháp PTHH nhằm xem xét sự tƣơng
tác phi tuyến giữa cọc và đất. [5]
Năm 2014, Yongzhi Jiu và Maosong Huang đƣa ra một phƣơng pháp phi
tuyến tính đơn giản cho việc nghiên cứu nhóm cọc có xét đến bệ cọc linh hoạt,

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–5–

nhóm tìm ra cơng thức tính phi tuyến duy nhất bằng cách mô phỏng bệ cọc nhƣ một
tấm mỏng theo phƣơng pháp PTHH, hệ đƣợc xét giả định hoạt động tuyến tính đàn
hồi. [6]
Nhƣ vậy tình hình chung trên thế giới, việc sử dụng các mơ hình tính tốn (mơ
hình giản ảo, mơ hình PTHH) cho việc thiết kế đã hầu nhƣ khai phá rất sâu và rất đa
dạng cho nhiều trƣờng hợp cụ thể khác nhau. Việc nghiên cứu tính tốn bệ cọc đã
cho ra kết quả gần sát khả năng chịu lực thực tế, tuy nhiên để tiếp cận kết quả trên
là cả cơng trình nghiên cứu phức tạp, thơng qua nhiều bƣớc tính tốn thiết kế mà
trình độ ngƣời kỹ sƣ rất khó tiếp cận. Một lần nữa chứng minh việc đơn giản mơ
hình tính mà vẫn có kết quả chấp nhận đƣợc là điều cần thiết cho thời điểm hiện
nay.

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Trƣớc đây việc tính tốn thiết kế cầu dựa vào tiêu chuẩn 22TCN18-79, căn cứ
theo tiêu chuẩn này chúng ta không một hƣớng dẫn cụ thể nào trong tính tốn bệ
cọc, dẫn đến các cơng trình cầu thiết kế trong giai đoạn này thƣờng sử dụng các
công thức kinh nghiệm dùng nhiều hệ số an tồn, bố trí thép dày đặc.
Trong những năm gần đây, phƣơng pháp giào ảo đã đƣợc một số nhà khoa học
ở các cơ quan nghiên cứu, đào tạo và tƣ vấn thiết kế lớn bƣớc đầu nghiên cứu tiếp
cận và triển khai áp dụng. Phƣơng pháp đã đƣợc chính thức năm 2001, và đƣợc đƣa
vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-01 cũng nhƣ đƣợc cập nhật vào năm 2005.
Mặc dù vậy, trên thực tế phƣơng pháp giảo ảo hầu nhƣ chƣa đƣợc áp dụng trong
thiết kế do phần chỉ dẫn thiết kế còn chƣa chi tiết nên rất áp dụng vào thực tế. Sau
đó, đã có nhiều tác giả trong nƣớc bổ sung cơ sở lý luận cụ thể nhằm giúp ngƣời kỹ
sƣ tăng thêm sự hiểu biết về ứng xử bộ phận kết cấu bệ cọc, điển hình là các nghiên
cứu:
Năm 2006, Nguyễn Đức Thanh đã có nghiên cứu áp dụng mơ hình chống
giằng (sơ đồ hệ thanh vào trong thiết kế kết cấu cầu bê tông cốt thép. Nội dung
nghiên cứu gồm 2 phần chủ yếu: phần cơ sở lý luận tập trung những nội dung cơ

bản của phƣơng pháp; phần các ví dụ đƣợc lựa chọn là bốn loại bộ phận kết cấu

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–6–

khơng liên tục điển hình của kết cấu cầu gồm: khu vực gối cầu, khu vực neo cáp dự
ứng lực, khu vực đầu dầm. Phạm vi ứng dụng chung và sự thích hợp của phƣơng
pháp này để tính tốn, xử lý cấu tạo các khu vực chịu lực cục bộ trong cầu bê tông.
Phối hợp các phƣơng pháp truyền thống và phƣơng pháp giào ảo trong thực tế tính
tốn thiết kế. [7]
Trong đề tài này việc xác định kích thƣớc thanh chịu nén, vùng nút thanh dàn
chủ yếu dựa vào 3 mơ hình nút tiêu chuẩn 22TCN 272-05 [8] đã kiến nghị. Trong
phần ví dụ bệ cọc bệ cao có tính theo mơ hình dàn ảo khơng gian nhƣng lại khơng
chỉ ra cách xác định hình học nút.
Năm 2009, tác giả Lê Hoà đã khảo sát sự làm việc và khả năng chịu lực của bệ
cọc tiết diện tam giác đều bằng thực nghiệm hiện trƣờng có so sánh với kết quả tính
bằng các phƣơng pháp hiện có và phƣơng pháp phát triển theo lý thuyết. Với hƣớng
nghiên cứu này tác giả đã mơ hình hóa phƣơng pháp tính cọc, bệ cọc một cách tổng
quan, tuy nhiên các xác định vùng nút vẫn phải dựa vào kinh nghiệm. [9]
Đến năm 2012, các tác giả Phạm Minh Trí, Lê Bá Khánh đã nghiên cứu ứng
dụng lý thuyết phá hoại Mohr – Coulumb cho việc tính tốn xác định kích thƣớc
thanh nén và vùng nút trong mơ hình và đƣa ra ví dụ chỉ rõ cách áp dụng vào mơ
hình phẳng (2D) và mơ hình khơng gian (3D). [10]
Bằng lý thuyết phá hoại Mohr – Coulumb để xác định kích thƣớc thanh nén và
vùng nút, tác giả góp phần bổ sung thêm cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp ngun
cứu mơ hình dàn ảo giúp cho việc mơ phỏng tính tốn các bài tốn khách quan và

chính xác hơn.
Về ứng dụng PTHH trong nghiên cứu thiết kế bệ cọc cũng đã đƣợc nhiều tác
giả nghiên cứu nổi bật là hàng loạt các đề tài sau:
Năm 2008, nhóm tác giả Lê Văn Sơn, Phạm Ngọc Khánh đã tiếp tục hoàn
thiện phƣơng pháp PTHH, cụ thể đã đƣa phƣơng pháp vào tính tốn móng cọc. [11]
Năm 2012, tác giả Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, Phạm Ngọc Khánh bƣớc đầu đã
đƣa việc sử dụng phần mềm PTHH ANSYS vào trong việc tính ứng suất cục bộ bệ
cọc cơng trình xây dựng. [12]

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–7–

1.4 Nhận xét của chƣơng
Trong những năm gần đây, phƣơng pháp giào ảo đã đƣợc một số nhà khoa học
ở các cơ quan nghiên cứu, đào tạo và tƣ vấn thiết kế lớn bƣớc đầu nghiên cứu tiếp
cận và triển khai áp dụng tuy nhiên việc mơ phỏng tính tốn cịn nhiều bất cập.
Do tính đơn giản, trong tính tốn sơ bộ vẫn còn dùng sơ đồ dầm để phân tích
bệ cọc. Sự phù hợp của kết quả tính theo sơ đồ dầm với thực tế vẫn còn phải nghiên
cứu thêm.

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–8–

Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Nghiên cứu về kích thƣớc sơ bộ của bệ cọc.
2.1.1 Nhóm cọc và khoảng cách giữa các cọc
Do tải trọng lên móng cầu thƣờng lớn, nên phải dùng nhiều cọc. Các cọc này
tạo thành nhóm. Nội dung của luận văn chỉ tập trung vào khảo sát ứng xử của cọc
ma sát.
Các nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy sự làm việc của mỗi cọc đơn và của
một cọc trong nhóm cọc khác nhau rất nhiều, đối với móng cọc ma sát thì lại càng
thể hiện rõ. Khi các cọc đƣợc bố trí thành nhóm trong móng cọc, tác động qua lại
của hệ cọc - nền phụ thuộc vào việc bố trí cọc trong móng và hình thành hiệu ứng
nhóm trong móng cọc. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã tổng hợp ảnh
hƣởng của hiệu ứng nhóm trong móng cọc nhƣ sau:
-

Làm thay đổi (chủ yếu là giảm) sức chịu tải cả nhóm so với tổng sức chịu
tải các cọc thành phần;

-

Hiệu ứng bè, làm tăng vùng truyền ứng suất. Hậu quả gây ra độ lún của
nhóm cọc cao hơn nhiều so với cọc đơn, đặc biệt khi có lớp đất yếu nằm
gần mũi cọc.

Tác giả N. S. V. Kameswara Rao [13] đã có các nhận xét khi đề cập đến hiệu
ứng nhóm cọc trong việc thiết kế bệ cọc nhƣ sau:
-

Trong nhóm cọc, áp lực đất sẽ chồng chéo nhau nếu khoảng cách quá gần.
Nếu sự chồng chéo quá lớn đất sẽ bị phá hủy mất khả năng chịu ứng suất

tiếp.

-

Ứng suất chồng chéo sẽ giảm dần một rõ rệt khi khoảng cách cọc tăng lên,
tuy nhiên sẽ khơng khả thi vì kích thƣớc bệ cọc tăng lên dẫn đến tốn kém
nhiều về chi phí.

Ứng suất, áp lực đất khi đặt tải của cọc đơn và nhóm các cọc đƣợc thể hiện
trong Hình 2.1 [13]

HV: Phạm Huy Tài

MSHV: 12144595


–9–

Hình 2.1. Ứng suất trong đất của cọc đơn và nhóm cọc chịu tải
BOCA đã ra định nghĩa về hệ số nhóm của η:
𝜂=

HV: Phạm Huy Tài

𝑘ℎả 𝑛ă𝑛𝑔 𝑐ℎị𝑢 𝑡ả𝑖 𝑐𝑢 ố𝑖 𝑐ù𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑛ℎó𝑚 𝑐ọ𝑐
𝑡ổ𝑛𝑔 𝑘ℎả 𝑛ă𝑛𝑔 𝑐ℎị𝑢 𝑙ự𝑐 𝑠𝑎𝑢 𝑐ù𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑛ℎó𝑚 𝑐ọ𝑐

(2.1.1-1)

MSHV: 12144595