Ứng dụng cọc ống thép trong công trình chịu tải trọng ngang có kết cấu dạng trụ đài cứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

PHẠM THÀNH TRUNG

ỨNG DỤNG CỌC ỐNG THÉP TRONG CƠNG TRÌNH
CHỊU TẢI TRỌNG NGANG CÓ KẾT CẤU DẠNG
TRỤ ĐÀI CỨNG
Chuyên ngành : Xây Dựng Công Trình Biển.
Mã số: 605845

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Nguyễn Danh Thảo
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: Ths Lâm Văn Phong

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

TS. Trần Thu Tâm

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

TS. Phạm Trung Kiên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG

Tp. HCM ngày 10 tháng 01 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Trương Ngọc Tường
2. TS. Trần Thu Tâm
3. TS. Phạm Trung Kiên
4. TS. Nguyễn Danh Thảo
5. TS. Nguyễn Thế Duy
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tư do – Hạnh phúc

---------------------

---------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Thành Trung

MSHV: 11200371

Ngày, tháng, năm sinh: 02/11/1986

Nơi sinh: Tp. Hải Phịng

Chun ngành: Xây dựng cơng trình biển

Mã số: 60 58 45

I. TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng cọc ống thép trong cơng trình chịu tải trọng ngang có
kết cấu dạng trụ đài cứng
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Xác định mơ hình tính tốn trụ đài cứng chịu lực ngang
2. Phân tích hiệu quả kinh tế giữa cọc ống thép và cọc ống bê tông cốt thép dự
ứng lực trong điều kiện cùng chịu một tải trọng ngang
3. Xác định phạm vi ứng dụng, tính kinh tế của cọc ống thép trong một số
trường hợp địa chất, tải trọng nhất định.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:02/07/2012
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:30/11/2012
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: TS. NGUYỄN DANH THẢO
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2: THS LÂM VĂN PHONG
Tp. HCM, ngày…tháng…năm 2012
CB HƯỚNG DẪN
KHOA HỌC 1

CB HƯỚNG DẪN
KHOA HỌC 2

CHỦ NGHIỆM BỘ

MÔN ĐÀO TẠO

KHOA QUẢN LÝ
CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trinh thực hiện đề tài này, tôi đã gặp rất nhiều trở ngại. Tuy nhiên,
với sự hướng dẫn nhiệt tình, khoa học cùng những lời động viên của Thầy TS
Nguyễn Danh Thảo và Thầy Ths Lâm Văn Phong, tơi đã lần lượt vượt qua để hồn
thành được đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Nguyễn Danh Thảo và Thầy
Ths Lâm Văn Phong đã tận tình dìu dắt tơi trong suốt thời gian vừa qua.
Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Cảng - Công Trình Biển thuộc
trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã tận tình chỉ bảo và cho tơi những lời
khun hữu ích giúp vượt qua mọi khó khăn để hồn thảnh tốt luận văn.
Tơi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty CP Tư Vấn Xây dựng Công trình
Hàng hải đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tơi để hồn thành luận văn này.
Luận văn này sẽ khơng hồn thành nếu khơng có sự hỗ trợ to lớn từ gia
đình, là nền tảng tinh thần vững chắc giúp tơi có thêm niềm tin và động lực để vượt
qua những khó khăn trong thời gian thực hiện đề tài.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2012
Phạm Thành Trung


TÓM TẮT
Kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang thường gặp trong các cơng trình cảng ở nước ta
cũng như trên thế giới. Ở các nước tiên tiến việc sử dụng cọc ống thép trong các kết cấu
này khá phổ biến, tuy nhiên ở nước ta đa số lại sử dụng cọc ống BTCT DƯL. Mặc dù cọc
ống thép có rất nhiều ưu điểm so với cọc ống BTCT DƯL nhưng thường bị loại ngay từ
đầu vì lý do giá thành đắt mà chưa thấy nêu cơ sở có tính thuyết phục (thường 2 phương

án kết cấu xem xét ứng với 2 loại cọc không cùng khả năng chịu lực nên việc so sánh
chúng với nhau là khập khiểng).
Trong luận văn có phân tích các lý thuyết tương tác giữa cọc với đất nền theo một
số phương pháp và quyết định chọn phương pháp đường cong p-y (mơ hình nền phi tuyến
theo phương ngang) để sử dụng trong tính tốn nghiên cứu. Trên cơ sở đó, luận văn tập
trung nghiên cứu ảnh hưởng của lực ngang tác động lên trụ đối với các thành phần nội
lực trong cọc trong một số trường hợp đơn giản nhằm rút ra những kết luận ban đầu về
khả năng ứng dụng của cọc ống thép trong các trụ đài cứng chịu lực ngang.
Phạm vi nghiên cứu mặc dù còn khá hẹp (như số lượng cọc trong kết cấu là 4, địa
chất chỉ xét 2 trường hợp đất sét và đất cát đồng nhất, lực ngang có vị trí và phương chiều
cố định) nhưng qua việc phân tích chi tiết sự làm việc phi tuyến của cọc trong nền đất và
những kết quả tính tốn cụ thể kết cấu trong mơ hình nền phi tuyến theo phương ngang
có sự trợ giúp của phần mềm SAP 2000 và Excel, giúp ta xây dựng được các đồ thị tương
quan giữa các thông số nghiên cứu của kết cấu. Kết hợp với việc tính tốn chi phí xây
dựng cho từng phương án kết cấu, trong luận văn đưa ra những nhận xét và kết luận có
tính thuyết phục cao về những trường hợp ứng dụng của cọc ống thép trong các trụ đài
cứng chịu lực ngang.


ABSTRACT
Horizontal bearing hard dolphins structures common in the harbor in our country
as well as around the world. In advanced countries, the use of structural steel pipe pile in
this fairly common, but in our country the majority of the use of pretressed reinforced
concrete pipe piles. Although steel pipe pile has many advantages over pretressed
reinforced concrete pipe pile but usually excluded from the outset because of expensive
but haven’t seen compelling basis yet (usually two structural plan review with two types
of pile bearing capacity should not compare them to each other is limp).
In the thesis, theoretical analysis of the interaction between the pile and soil
background in a number of methods and decided p-y curve method (model background
nonlinear horizontally) for use in computing research. On that basis, the thesis focusing

on the influence of the horizontal force acting on the dolphins for the internal force
components of the pile in some cases simply to draw initial conclusions about the
applicability of steel pipe in the hozirontal bearing hard dolphin
Although research scope is relatively narrow (such as the number of bonds in the
structure of 4, geologists consider only 2 cases of homogeneous clay and sandy soils,
location and the horizontal force constant), but by detailed analysis of the nonlinear work
of stakes in the ground and the specific calculation results in the nonlinear model
structure horizontally with the help of SAP 2000 software and Excel, help us build the
Graph the relationship between the structural parameters of research. Combined with the
calculation of construction costs for each alternative structure, in writing to make
comments and convincing conclusions about the case of application of steel pipe pile in
the space station bearing hard horizontal.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được
thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và dưới sự hướng dẫn khoa học của TS
Nguyễn Danh Thảo và THS Lâm Văn Phong.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố dưới bất kỳ hình thức nào.
Tác giả luận văn
Phạm Thành Trung


-I-

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................... VI
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 9

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG
TRONG THỰC TẾ ......................................................................................................... 13
I.1. CÁC KẾT CẤU TRỤ THƯỜNG GẶP TRONG THỰC TẾ ..................................... 13
I.2. CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CẢU KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG ................................ 16
I.2.1. Nền cọc ................................................................................................................. 16
I.2.1.1. Cọc ống thép .............................................................................................. 16
I.2.1.2. Cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực ......................................................... 17
I.2.1.3. So sánh các đặc điểm cơ bản của cọc ống thép và cọc bê tông cốt
thép dự ứng lực ...................................................................................................... 19
I.2.2. Đài và liên kết cọc - đài ........................................................................................... 22
I.2.3. Các cấu kiện tiếp nhận lực ngang trong kết cấu trụ đài cứng .................................. 23
I.3. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CỌC ỐNG THÉP TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI
CỨNG CHỊU LỰC NGANG ............................................................................................ 23
I.3.1. Tình hình sử dụng cọc ống thép tại Việt Nam ......................................................... 23
I.3.2. Tình hình sử dụng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang ........... 26
CHƯƠNG II. TÌNH HÌNH LÀM VIỆC CỦA CỌC TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI
CỨNG CHỊU LỰC NGANG .......................................................................................... 28
II.1. SỰ TRUYỀN LỰC NGANG TỪ ĐÀI SANG CỌC ................................................ 28
II.1.1. Bài toán phẳng ........................................................................................................ 28
II.1.1.1. Phương pháp cơ học kết cấu..................................................................... 31
II.1.1.2. Phương pháp ma trận................................................................................ 32
I.1.2. Bài tốn khơng gian ................................................................................................. 33
II.1.2.1. Phương pháp cơ học kết cấu..................................................................... 33


-II-

II.1.2.2. Phương pháp ma trận................................................................................ 35
II.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÁC THÀNH PHẦN NỘI LỰC XUẤT
HIỆN TRONG CỌC KHI TRỤ CHỊU LỰC NGANG..................................................... 37

II.2.1. Ảnh hưởng bước cọc đối với lực ngang tác dụng vào trụ ...................................... 37
II.2.2. Ảnh hưởng độ xiên cọc đối với lực ngang tác dụng vào trụ .................................. 38
II.2.3. Ảnh hưởng góc nghiêng cọc trên mặt bằng ............................................................ 39
II.2.4. Kết luận ................................................................................................................. 41
CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU VỀ CỌC CHỊU LỰC DỌC TRỤC VÀ CỌC CHỊU
LỰC NGANG TRỤC ...................................................................................................... 42
III.1. SỨC CHỊU TẢI DỌC TRỤC CỦA CỌC ............................................................... 42
III.1.1. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo điều kiện vật liệu ............................................ 42
III.1.2. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo điều kiện đất nền ............................................ 43
III.1.2.1. Sức chịu tải cực hạn mũi cọc theo điều kiện đất nền .............................. 45
III.1.2.2. Sức chịu tải cực hạn do ma sát ở thành cọc ............................................ 47
III.2. SỨC CHỊU TẢI NGANG TRỤC CỦA CỌC ......................................................... 51
III.2.1. Sức chịu tải ngang trục của cọc theo điều kiện vật liệu ........................................ 51
III.2.2. Sức chịu tải ngang trục của cọc theo đất nền ........................................................ 51
III.2.2.1. Sức chịu tải ngang trục của cọc trong đất rời ......................................... 51
III.2.2.2. Sức chịu tải ngang trục của cọc trong đất dính: ...................................... 54
III.3. CÁC MƠ HÌNH TÍNH CỌC CHỊU LỰC ĐƠN GIẢN VÀ PHỨC TẠP ............... 56
III.3.1. Tính tốn cọc sử dụng chiều sâu quy đổi .............................................................. 59
III.3.1.1. Chiều sâu quy đổi theo tiêu chuẩn OCDI 2002 ...................................... 60
III.3.1.2. Chiều sâu quy đổi theo tiêu chuẩn TCXD 205:1998 .............................. 60
III.3.1.3. Chiều sâu quy đổi theo tiêu chuẩn 22TCN 207-92 ................................. 60
III.3.1.4. Nhận xét .................................................................................................. 62
III.3.2. Tính tốn cọc làm việc đồng thời với đất nền ....................................................... 63
III.3.2.1. Mơ hình nền tuyến tính theo phương ngang ........................................... 63


-III-

III.3.2.2. Mơ hình nền phi tuyến theo phương ngang ............................................ 67
III.3.2.3. Mơ hình nền phi tuyến theo phương đứng .............................................. 75

III.3.3. Phương pháp phần tử hữu hạn .............................................................................. 78
III.3.3.1. Phương pháp phân tích............................................................................ 78
III.3.3.2. Phương pháp Plaxis 3D Foundation ....................................................... 81
III.3.4. So sánh kết quả tính tốn đường cong p-y theo Phri và Matlock ......................... 84
III.3.4.1. Điều kiện địa chất ................................................................................... 84
III.3.4.2. Điều kiện kết cấu..................................................................................... 85
III.3.4.3. Phương pháp tính tốn ............................................................................ 85
III.3.4.4. Kết quả tính tốn theo PHRI và MATLOCK ......................................... 85
III.3.5. Lựa chọn mơ hình để tính tốn ............................................................................. 86
CHƯƠNG IV. SO SÁNH SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ỐNG THÉP VÀ CỌC ỐNG
BTCT DƯL TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG ............... 87
IV.1. MỤC TIÊU SO SÁNH ............................................................................................ 87
IV.2. PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH ................................................................................... 87
IV.3. CÁC GIẢ THIẾT BAN ĐẦU ................................................................................. 87
IV.3.1. Điều kiện địa chất ................................................................................................. 87
IV.3.2. Hình dạng kết cấu ................................................................................................. 89
IV.4. MƠ HÌNH TÍNH VÀ SƠ ĐỒ TÍNH CỦA KẾT CẤU ........................................... 90
IV.4.1. Khả năng phân tích phi tuyến trong phần mềm Sap2000 [17] ............................. 90
IV.4.2. Kỹ thuật xây dựng mơ hình .................................................................................. 90
IV.5. CÁC KẾT QUẢ TÍNH TỐN ................................................................................ 92
IV.5.1. Tính tốn kết cấu A ............................................................................................... 92
IV.5.1.1. Đồ thị tương quan trường hợp tính tốn với ứng suất cho phép của
cọc thép bằng 0.25.fy .............................................................................................. 92
IV.5.1.2. Đồ thị tương quan trường hợp tính tốn với ứng suất cho phép của
cọc thép bằng 0.50.fy .............................................................................................. 96


-IV-

IV.5.2. Tính tốn kết cấu B ............................................................................................... 98

IV.5.2.1. Đồ thị tương quan trường hợp tính tốn với ứng suất cho phép của
thép bằng 0.25.fy .................................................................................................... 98
IV.5.2.2. Đồ thị tương quan (trường hợp tính tốn với ứng suất cho phép của
thép bằng 0.5.fy) ................................................................................................... 101
IV.5.3. So sánh tính kinh tế ............................................................................................. 103
IV.6. ỨNG DỤNG CỌC ỐNG THÉP TRONG KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG ............. 106
IV.6.1. Quan hệ (H~P~D) với T=6mm ........................................................................... 106
IV.6.2. Quan hệ (H~P~D) với T=12mm ......................................................................... 107
CHƯƠNG V. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN ............................................................... 109
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 112
PHỤ LỤC I……………………………… .................................................................. PLI 1
PHỤ LỤC II……………………………………………………… ............................ PLII 1
PHỤ LỤC III……………………………………………………… .......................... PLIII 1


-V-

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Tính chất cơ học .................................................................................................. 16
Bảng 2. Thông số về cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) ....................... 18
Bảng 3. Bảng so sánh các đặc điểm giữa hai loại kết cấu cọc .......................................... 19
Bảng 4. Ảnh hưởng góc nghiêng trên mặt bằng đến ứng suất trong cọc .......................... 39
Bảng 5. Ứng suất cho phép về nén và kéo của cọc thép ................................................... 42
Bảng 6. Ứng suất cho phép của cọc ống BTCT DƯL ...................................................... 42
Bảng 7. Quan hệ Nc và Df/B ............................................................................................. 47
Bảng 8. Giá trị  theo API ................................................................................................ 48
Bảng 9. Giá trị  theo Tomilson ....................................................................................... 48
Bảng 10. Hệ số phản lực ngang của nền ........................................................................... 65
Bảng 11. Giá trị của nh ...................................................................................................... 65
Bảng 12. Giá trị 50 cho đất sét ......................................................................................... 70

Bảng 13. Bảng xác định môđun phản lực nền k ............................................................... 72
Bảng 14. Bảng xác định kf ................................................................................................ 76
Bảng 15. Kết quả so sánh giữa hai phương pháp theo MATLOCK và PHRI .................. 85
Bảng 16. Các nhóm đất xây dựng chính .......................................................................... 88
Bảng 17. Phân loại độ chặt của đất cát theo hệ số rỗng e ................................................ 88
Bảng 18. Phân loại đất dính theo độ bền chống cắt khơng thốt nước và theo SPT ........ 88
Bảng 19. Thơng số tính tốn với đất cát ........................................................................... 89
Bảng 20. Thơng số tính tốn với đất dính ......................................................................... 89
Bảng 21. Bảng so sánh kinh phí, kết cấu A- đất cát xốp ................................................ 103
Bảng 22. Bảng so sánh kinh phí, kết cấu A- đất dính Cu=2-4T/m2 ................................ 104
Bảng 23. Bảng so sánh kinh phí, kết cấu B- đất cát xốp ................................................. 104
Bảng 24. Bảng so sánh kinh phí, kết cấu B- đất dính Cu=2-4T/m2 ................................. 105


-VI-

DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Trụ quay và trụ dẫn hướng ................................................................................... 13
Hình 2: Kết cấu bến sử dụng trụ cập và trụ neo ................................................................ 13
Hình 3: Kết cấu trụ mềm phổ biến hiện nay ở một số nơi trên thế giới ............................ 14
Hình 4: Hình ảnh một số trụ đài cứng ở một số nơi trên thế giới ..................................... 15
Hình 5: Mối quan hệ giữa ứng suất uốn dọc (max) và tỷ số độ dày thành ống
so với đường kính (t/2r) .................................................................................................... 17
Hình 6: Tóm tắt xu hướng ứng dụng cọc ống thép ........................................................... 25
Hình 7: Cảng nhà máy xi măng Holcim, sử dụng cọc ống BTCT DƯL D600, (ảnh chụp
từ 2008). Năm 2012, sửa chữa mới một phần sử dụng cọc ống thép D711...................... 26
Hình 8: Kết cấu sử dụng cọc ống thép ở Cảng LPG Thị Vải............................................ 26
Hình 9: Kết cấu trụ đài cứng sử dụng cọc ống thép ở bến Bạch Đằng ............................. 27
Hình 10: Kết cấu trụ đài cứng sử dụng cọc ống thép trong giai đoạn thi cơng
ở Cảng Vân Phong ............................................................................................................ 27

Hình 11: (a). Sơ đồ tính móng cọc đài cao chịu tải trọng ngang ...................................... 28
(b, c). Ảnh hưởng dịch chuyển ngang của đài bằng một đơn vị ....................................... 28
Hình 12: Ảnh hưởng của dịch chuyển thẳng đứng của đài bằng một đơn vị ................... 29
Hình 13: Ảnh hưởng của mơmen với góc xoay bằng một đơn vị ..................................... 30
Hình 14: Quy ước về hệ trục toàn cục, hệ địa phương, chuyển vị, nội lực tại các đầu cọc ..
................................................................................................................................... 35
Hình 15: Quy ước xác định góc i .................................................................................... 35
Hình 16: Sơ đồ so sánh ảnh hưởng của bước cọc ............................................................. 38
Hình 17: Sơ đồ so sánh ảnh hưởng của độ xiên cọc ......................................................... 39
Hình 18: Sơ đồ so sánh ảnh hưởng của góc xoay cọc trên mặt bằng ................................ 40
Hình 19: Đồ thị xác định qmax ........................................................................................... 47
Hình 20: Quan hệ giữa theo độ sâu ................................................................................ 49
Hình 21: Đồ thị tra p và l. ............................................................................................. 50
Hình 22: Đồ thị xác định lực ma sát đơn vị giới hạn (fmax) ............................................. 50


-VII-

Hình 23: Phân bố áp lực đất phía trước cọc và ma sát bên xung quanh cọc khi chịu ...... 53
áp lực ngang (Smith 1987) ................................................................................................ 53
Hình 24: Sức kháng ngang của cọc theo Poulos 1980 ...................................................... 54
Hình 25: Phân bố áp lực đất dọc theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngang giới
hạn theo a-Brom 1964, b- Mc Donald 1999, c- Poulos (1971) ......................................... 55
Hình 26: a- Sơ đồ tính, b- mơ hình nền Winklers, c- phản ứng phi tuyến của đất nền. ... 55
Hình 27: So sánh các mơđun được đơn giản hóa và phân bố ứng suất xung quanh cọc .. 56
Hình 28: (a), Kiểu phá hoại nêm đất của mặt đất, (b) Mặt phá hoại chính sinh ra bởi cọc ở
độ sâu vài mét dưới mặt đất .............................................................................................. 57
Hình 29: Mơ hình phân tích cọc chịu tải trọng ngang ...................................................... 58
Hình 30: Các giá trị tính ngược của kh từ thí nghiệm thử tải ngang lên cọc .................... 66
Hình 31: Tập hợp các đường p-y và biểu diễn chuyển vị của cọc .................................... 69

Hình 32: Đồ thị xác định hệ số zcr ..................................................................................... 71
Hình 33: Mối quan hệ giữa N và ks ................................................................................. 73
Hình 34: Mối quan hệ giữa giá trị N và kc ........................................................................ 74
Hình 35: Mối quan hệ giữa ks và bề rộng cọc .................................................................. 75
Hình 36: Đường biểu diễn quan hệ giữa f-w .................................................................... 75
Hình 37: Đồ thị quan hệ giữa f/fmax ~ w/2R ...................................................................... 76
Hình 38: (a) Kết cấu trụ tính tốn, (b) Mặt bằng cọc tính tốn ......................................... 85
Hình 39: (A).Kết cấu với tải trọng tác dụng có phương, chiều thay đổi (kết cấu A) ....... 90
(B). Kết cấu với tải trọng tác dụng có phương, chiều khơng đổi (kết cấu B) ................... 90
Hình 40: a Lựa chọn Link/Support Properties trong Define; b Hộp thoại xuất hiện chọn số
bậc tự do u1, u2, u 3; c Nhập dữ liệu các quan hệ p-y, f-w, q-w tương ứng ....................... 91
Hình 41: a. Lựa chọn draw 1 joint link trong Draw, b. Gán các gối cho các phần tử đặc
trưng bởi nút ...................................................................................................................... 92
Hình 42: Phân tích tải trọng ngang tác dụng dạng phi tuyến ............................................ 92
Hình 43: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp).. 93
Hình 44: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) ............. 93
Hình 45: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: trung
bình) .................................................................................................................................. 93


-VIII-

Hình 46: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng tháit: trung bình).. 94
Hình 47: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2)..... 94
Hình 48: Tương quan đường kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) .... 94
Hình 49: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=4-7.5 T/m2).. 95
Hình 50: Tương quan đường kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=4-7.5 T/m2) .. 95
Hình 51: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp).. 96
Hình 52: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) ............. 96
Hình 53: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2)..... 97

Hình 54: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (Cu=2-4 T/m2) ................ 97
Hình 55: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp).. 98
Hình 56: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) ............. 98
Hình 57: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: trung
bình) .................................................................................................................................. 99
Hình 58: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: trung bình) ... 99
Hình 59: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2)..... 99
Hình 60: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) ............. 100
Hình 61: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=4-7.5 T/m2) 100
Hình 62: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=4-7.5 T/m2) ........... 100
Hình 63: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) 101
Hình 64: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất cát (trạng thái: xốp) ........... 102
Hình 65: Tương quan đường kính cọc ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2)... 102
Hình 66: Tương quan kinh phí ~ tải trọng ngang trong đất sét (Cu=2-4 T/m2) ............. 102
Hình 67: Đồ thị tương quan lực tác dụng vào đài~đường kính cọc với các độ sâu (H) khác
nhau ................................................................................................................................. 106
Hình 68: Đồ thị tương quan các hệ số a, b theo H .......................................................... 107
Hình 69: Đồ thị tương quan lực tác dụng vào đài~đường kính cọc với các độ sâu (H) khác
nhau ................................................................................................................................. 107
Hình 70: Độ thị tương quan các hệ số a, b theo H .......................................................... 108


-9-

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề

Hiện nay định hướng phát triển hệ thống cảng biển của Việt Nam đang gắn liền
với quyết định phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ về:"Quy hoạch phát triển hệ
thống cảng biển Việt Nam đến năm 2020, định hướng đến năm 2030". Trong đó

mục tiêu cụ thể có nêu:"Tập trung xây dựng một số cảng nước sâu cho tàu trọng tải
lớn đạt tiêu chuẩn quốc tế. Đặc biệt là cảng trung chuyển quốc tế Vân Phong –
Khánh Hòa để tiếp nhận được tàu container sức chở 9,000÷15,000 TEU hoặc lớn
hơn, tàu chở dầu 30÷40 vạn DWT; cảng cửa ngõ quốc tế Hải Phòng, Bà Rịa –
Vũng Tàu để tiếp nhận được tàu trọng tải 8÷10 vạn DWT, tàu container sức chở
4,000÷8,000TEU…cảng chuyên dùng cho các liên hợp lọc hóa dầu, luyện kim,
trung tâm nhiệt điện chạy than". Qua đó cho thấy quan điểm và mục tiêu phát triển
trong tương lai là:"Tận dụng tối đa lợi thế về vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên để
phát triển toàn diện hệ thống cảng biển, đột phá đi thẳng vào hiện đại, nhanh chóng
hội nhập với các nước tiên tiến trong khu vực về lĩnh vực cảng biển".
Cũng trong quyết định phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ có phân loại theo
quy mơ, chức năng nhiệm vụ: hệ thống cảng biển Việt Nam có các loại cảng như
sau: Cảng tổng hợp quốc gia, cảng địa phương và cảng chuyên dùng. Trong đó,
Cảng chuyên dùng: phục vụ trực tiếp cho các cơ sở công nghiệp tập trung, hàng
qua cảng có tính đặc thù chun biệt (dầu thơ, sản phẩm dầu, than quặng, xi măng,
clinke, hành khách,..). Đối với kết cấu cảng loại này khơng u cầu kích thước quá
lớn của sàn công nghệ mà chỉ cẩn đủ để đặt các thiết bị công nghệ chuyên dùng
phục vụ cho việc bơm, rót từ tàu đến trạm và ngược lại, loại kết cấu với cảng loại
này bao gồm các trụ cập, trụ neo tàu đóng vai trị lớn khi tàu khai thác ở bến. Với
loại kết cấu này, đối với nền đất yếu đến trung bình thì nền cọc là yếu tố quan trọng
nhất quyết định về kỹ thuật và kinh tế.
Nền cọc trong kết cấu trụ đài cứng hiện nay thường sử dụng cọc bê tông cốt thép
đúc sẵn, cọc bê tông cốt thép dự ứng lực, cọc ống thép. Thực tế việc lựa chọn loại
cọc đối với kết cấu trụ đài cứng hiện nay thường giữa hai loại cọc là cọc ống thép
và cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực. Khi tiến hành so sánh các phương án cọc,


-10-

phương án cọc ống thép thường không được lựa chọn do nguồn cung chủ yếu phụ

thuộc vào việc nhập khẩu từ nước ngồi dẫn đến làm tăng chi phí và thời gian thi
công. Hiện nay với việc du nhập của công nghệ chế tạo cọc ống thép vào Việt Nam
giúp chủ động nguồn cung và làm giảm giá thành của phương án cọc ống thép. Qua
đó làm tăng tính cạnh tranh của cọc ống thép so với cọc ống bê tông cốt thép dự
ứng lực. Nghiên cứu này sẽ phân tích chi tiết bằng lý thuyết tính tốn và định
lượng, đưa ra các nhận xét và kết luận về khả năng ứng dụng của cọc ống thép
trong cơng trình chịu tải trọng ngang có kết cấu dạng trụ đài cứng.
2. Nội dung nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng cọc ống thép trong cơng trình chịu tải
trọng ngang có kết cấu dạng trụ đài cứng nhằm xác định các mục tiêu chính sau:
- Xác định mơ hình tính tốn trụ đài cứng chịu lực ngang.
- Phân tích hiệu quả kinh tế giữa cọc ống thép và cọc ống bê tông cốt thép dự ứng
lực trong điều kiện cùng chịu một tải trọng ngang.
- Xác định phạm vi ứng dụng, tính kinh tế của cọc ống thép trong một số trường
hợp địa chất, tải trọng nhất định.
Các nội dung nêu trên được trình bày cụ thể trong luận văn trong 5 chương, nội
dung khái quát của các chương như sau:

Chương 1: trong chương này chủ yếu giới thiệu các bộ phận cơ bản của kết cấu
trụ đài cứng, tình hình sử dụng cọc ống thép ở Việt Nam, cũng như hình ảnh minh
họa tình hình sử dụng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng.
Chương 2: trong chương này nêu ảnh hưởng của cọc trong trụ đài cứng chịu lực
ngang sẽ xuất hiện các thành phần nội lực với bài tốn phẳng, bài tốn khơng gian
và các yếu tố ảnh hưởng đến các thành phần nội lực xuất hiện trong cọc khi trụ chịu
lực ngang.
Chương 3: trong chương này sẽ nghiên cứu sức chịu tải dọc trục của cọc, sức
chịu tải ngang trục của cọc theo điều kiện vật liệu và điều kiện đất nền. Các mơ
hình tính cọc chịu lực đơn giản và phức tạp.
Chương 4: So sánh sự làm việc của cọc ống thép và cọc ống BTCT DƯL trong
kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang, trong chương này mục đích là xây dựng các đồ

-11-

thì quan hệ về tải trọng ngang tác dụng lên trụ với đường kính cọc, đồ thị quan hệ
giữa tải trọng ngang tác dụng lên trụ với kinh phí và ứng dựng cọc ống thép trong
kết cấu trụ đài cứng với một số chiều dày tính tốn.
Chương 5: Rút ra một số nhận xét về khả năng ứng dụng cọc ống thép trong kết
cấu trụ đài cứng chịu lực ngang và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Lập mơ hình nghiên cứu ứng xử của cọc trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang.
- Tập hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về bài toán cọc đơn chịu lực đơn giản
và chịu lực phức tạp, so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp này với nhau. Từ
đó chọn mơ hình để áp dụng trong nghiên cứu này.
- Sơ đồ khối của nghiên cứu:
Thông số điều kiện địa chất thay đổi
Mặt bằng cọc tính tốn

Thay đổi D (t)
Đầu vào cọc ống thép
Đường kính (D)
Bề dày (t)

Đầu vào cọc ống BTCT DƯL
Đường kính (D)

Xác định chi phí

Tải trọng lớn nhất
tác dụng lên đài

So sánh hiệu
quả kinh tế
Kết luận


-12-

4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu

- Chỉ xét nền đơn giản, gồm 01 lớp đồng nhất quanh cọc (có trạng thái yếu đến
trung bình) và một lớp đất tốt dưới mũi cọc. Đất nền được xem xét gồm 02 loại có
tính chất khác biệt nhau và cũng thường gặp trong cấu tạo địa tầng ở Việt Nam: đất
sét (đại diện cho loại đất dính) và đất cát (đại diện cho loại đất rời). Trường hợp đất
nền nhiều lớp, gồm cả đất dính và đất rời, việc nghiên cứu khi cần thiết sẽ được
thực hiện tương tự.
- Không xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa hình, thủy văn, tải trọng, tác động
(sóng, gió, dịng chảy, động đất)…
- Việc so sánh hiệu quả kinh tế giữa cọc ống thép và cọc ống bê tông cốt thép dự
ứng lực chỉ xét đến giai đoạn thi cơng hồn thành.


-13-

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG
TRONG THỰC TẾ
I.1. CÁC KẾT CẤU TRỤ THƯỜNG GẶP TRONG THỰC TẾ

Kết cấu bến chuyên dụng dạng trụ là loại bến mà thành phần chủ yếu là các trụ
để neo tàu và cập tàu. Bến trụ thường thấy ở các cảng nước sâu, phục vụ cho các

tàu lớn, có lực cập đến 600T, lực neo đến 250T, thường dùng cho các bến dầu, bến
quặng… cách xa bờ, có cầu nối với bờ hay đường ống dẫn, dây cáp treo nối bờ…
Kết cấu trụ được chia thành 2 loại chính là trụ cập và trụ neo:
+ Trụ cập (breasting dolphins hay berthing dolphins) cần mềm để tiêu tán năng
lượng va của tàu. Độ mềm có thể do biến dạng dẻo của bản thân trụ cập hay do biến
dạng của đệm tàu hoặc do sự kết hợp của cả hai.
+ Trụ neo (mooring dolphins) chỉ cần chịu được tải trọng gần như tĩnh và kinh tế
nhất là được thiết kế dưới dạng khó uốn, thường dùng các cọc ơng đường kính lớn.

Ngồi ra cịn có trụ quay và trụ dẫn hướng, trong đó trụ quay dùng để quay các
tàu lớn ở nơi có bể cảng hẹp và trụ dẫn hướng dùng để dẫn tàu vào cảng, vào âu và
ụ

Hình 1: Trụ quay và trụ dẫn hướng

Hình 2: Kết cấu bến sử dụng trụ cập và trụ neo


-14-

Theo cách phân chia về kết cấu trụ có thể chia ra thành trụ đài mềm và trụ đài
cứng.
+ Với trụ đài mềm có đài dễ bị biến dạng khi chịu lực ngang gồm các cọc ống
đường kính bé hay một tập hợp các cọc ống liên kết với nhau bằng các thanh giằng
bằng thép hoặc đài bằng BTCT có độ cứng nhỏ như hình 3. Nhóm các cọc đứng
được xây dựng trong một mũ bê tông cốt thép hoặc một khung giằng thép liên kết các
cọc với nhau, phần trên là bản để lắp đặt các thiết bị phụ trợ. Với loại kết cấu này
thường sử dụng cọc ống bên trong có nhồi cát hoặc bê tơng để tăng độ ổn định của cả
hệ. Các trụ này thường được thiết kế để tiêu hao năng lượng động học của các tàu cập
bến nhờ chuyển dịch của đài cọc. Các tải trọng cập tàu tác dụng vào trụ, ngoài việc

gây dịch chuyển tịnh tiến đài trụ cịn có thể gây xoắn đài trụ. Ưu điểm khi sử dụng cọc
ống thép trong cơng trình loại này là do vật liệu cọc có độ dẻo cao, chúng thích hợp
cho việc tiêu hao năng lượng, và độ bền cao của chúng.

Hình 3: Kết cấu trụ mềm phổ biến hiện nay ở một số nơi trên thế giới
(Nguồn High Performance Fenders)


-15-

+ Trụ đài cứng thường sử dụng đài có kết cấu bê tông khối lớn, để liên kết các
cọc với nhau như hình 4

Hình 4: Hình ảnh một số trụ đài cứng ở một số nơi trên thế giới
(Nguồn High Performance Fenders)


-16-

I.2. CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CẢU KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG

Các bộ phận cơ bản của kết cấu trụ đài cứng bao gồm: hệ thống nền cọc, đài trụ,
hệ thống bích neo, đệm tàu.

I.2.1. Nền cọc
I.2.1.1. Cọc ống thép
a. Yêu cầu về tính chất cơ học

Yêu cầu tính chất cơ học trong cọc ống thép cần tuân thủ chặt chẽ theo [18]
Bảng 1. Tính chất cơ học

Giới hạn

bền kéo

chảy

(Mpa)

(Mpa)

SPP 345

≥345

≥205

≥18

≥345

2/3D

SPP 400

≥400

≥235

≥18

≥400

2/3D

SPP 490

≥490

≥315

≥18

≥490

7/8D

Kí hiệu
cấp

Độ giãn
dài %

Giới hạn bền

Độ chống nén bẹp,

Giới hạn

kéo của mối
hàn (Mpa)

khoảng cách giữa các
tấm phẳng (H), D đường
kính ngồi của ống

b. u cầu về ứng suất trong cọc ống thép
Theo TCXD 205-1998 (Theo điều 3.3.2) : Ứng suất cho phép lớn nhất về nén và kéo
không được vượt quá giới hạn sau với cọc thép 0.25fy, với fy : giới hạn chảy của thép.
Theo tiêu chuẩn Anh BS6349 – Part 2 : 1988 (Theo điều 6.12.11.2) : Để hạn chế
ảnh hưởng do tăng ứng suất khi đóng cọc, ứng suất nén dọc trục trong cọc thép khi
đóng trong các điều kiện chất tải tiêu chuẩn khơng nên vượt quá 0.3fy. Giá trị này có
thể tăng đến 0.5fy khi đóng qua lớp đất mềm và dừng ngay khi đi vào trong lớp đất
chặt. Ứng suất kéo dọc trong cọc thép trong các điều kiện chất tải tiêu chuẩn khơng
nên vượt q 0.3fy
c. Uốn dọc trong q trình thi cơng đóng cọc
Trong thiết kế cọc, người ta đề nghị là kiểm tra không chỉ tải trọng tác động sau khi
đã hồn thiện việc xây dựng mà cịn cả tải trọng khi đang vận chuyển và đóng cọc.
 py


y

t
 0.69  2.2 
r

(I- 1)


-17-

Trong đó
py: Ứng suất uốn dọc của cọc thép xét đến độ dày của thành ống (kN/m2)
y: Ứng suất uốn dọc của cọc thép chịu tải trọng tĩnh (kN/m2)
t:

Độ dày thành ống của cọc ống (mm)

r:

Bán kính của cọc ống (mm)

Trong những trường hợp khác, không nên sử dụng cọc ống thép bên ngồi giới hạn
được chỉ ra trong hình 5. Nếu có nguy cơ xảy ra hiện tượng uốn dọc, cọc thép nên
được gia cố bằng đai thép hoặc nên sử dụng cọc dày hơn.

Hình 5: Mối quan hệ giữa ứng suất uốn dọc (max) và tỷ số độ dày thành ống
so với đường kính (t/2r)

I.2.1.2. Cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực
a. Yêu cầu về ứng suất hữu hiệu của cọc PHC
Ứng suất hữu hiệu của cọc PHC là ứng suất nén trước tính tốn của cọc PHC có
tính đến các đặc tính biến dạng đàn hồi, co ngót của bê tơng, sự suy giảm ứng suất do
từ biến của bê tông và sự suy giảm ứng suất do cốt thép bị chùng ứng suất.
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam 7888-2008: Ứng suất hữu hiệu tính tốn của cọc PHC
cho từng cấp tải A, B, C tương ứng là 3920 kN/m2, 7850 kN/m2, 9810 kN/m2, với sai
số cho phép là 5%.


-18-

Theo Tiêu chuẩn Nhật JIS 5373-2004: Mục 5-1, quy định ứng suất hữu hiệu trong
cọc PHC tương ứng với từng cấp tải A, B, C là 4,000 kN/m2, 8,000 kN/m2, 10,000
kN/m2.
b. Yêu cầu độ bền của thân cọc
Theo tiêu chuẩn Việt Nam : Theo [6], điều 4.2.2 độ bền uốn nứt thân cọc PC và cọc
PHC được xác định qua giá trị mômen uốn nứt nêu trong bảng 1. Giá trị mômen uốn
trong thân cọc không được vượt quá giá trị này.
Theo [8], điều 3.3.2 ứng suất nén trong cọc không được vượt quá giới hạn sau:
0.33fc – 0.27fpe. Với fc : Cường độ chịu nén tính tốn của bê tông, lấy theo [14], fpe:
Giá trị ứng suất trước của tiết diện bê tông đã kể đến tổn thất (ứng suất hữu hiệu), [6]
Theo tiêu chuẩn Nhật
Theo [11], Phần V : Nền Móng - Chương 4: Sức chịu tải của móng cọc - Mục
4.4.4 : Ứng suất cho phép của vật liệu cọc, có đề cập đến ứng suất của cọc bê tông ứng
suất trước cường độ cao như sau :
- Ứng suất nén - uốn cho phép : không được vượt quá 30% cường độ tiêu chuẩn
thiết kế và không vượt quá 12MN/m2.
- Ứng suất kéo – uốn cho phép : không được vượt quá 5MN/m2 (đối với cọc loại C),
3MN/m2 (đối với cọc loại B, A)
Theo tiêu chuẩn AASHTO (2002)
- Ứng suất nén trong cọc không được vượt quá giới hạn sau : 0.33fc – 0.27fpe, trong
đó: fc lấy nhỏ nhất 34.5MPa, fpe lấy nhỏ nhất 5MPa.
c. Thông số về cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực nghiên cứu trong luận văn
Bảng 2. Thông số về cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL)
Đường kính

Chiều dày

Mơmen

Ứng suất

Khả năng

ngồi D

thành cọc

nứt

hữu hiệu

bền cắt

(mm)

(mm)

(kN.m)

(N/mm2)

(kN)

400

75

C

88.3

9.81

204

500

90

C

166.8

9.81

313.9

600

100

C

284.5

9.81

427.7

Cấp
tải