Tính toán cọc chịu tải trọng ngang làm việc đồng thời với nền đất

Nội dung text: Tính toán cọc chịu tải trọng ngang làm việc đồng thời với nền đất

1. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA TÍNH TOÁN CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI VỚI NỀN ĐẤT ThS. NGUYỄN ANH DÂN Trường Đại học Giao thông Vận tải -1 Tóm tắt: Khi tính toán móng cọc, nhiều mô hình toán đó là hệ số biến dạng bd (m ) được xác định liên kết giữa cọc và nền đã được sử dụng, trong đó theo công thức: mô hình làm việc đồng thời phản ánh chính xác hơn K.b tương tác giữa cọc và nền đất. Bài báo này áp dụng α = 5 c (1) bd E.I phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình Trong đó: K - hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào loại đất, Winkler để tính toán cọc chịu tải trọng ngang làm việc được xác định bằng cách tra bảng G1 của [1]; E- đồng thời với nền đất dựa trên đường cong quan hệ Môđun đàn hồi ban đầu của vật liệu cọc; I - mômen tải trọng – biến dạng và so sánh với phương pháp quán tính tiết diện ngang của cọc; b - chiều rộng quy hiện hành. c ước của cọc, khi d ≥ 0,8 thì bc = d +1m; khi d< 0,8m 1. Đặt vấn đề thì bc = 1,5d + 0,5m. Móng cọc là kết cấu được sử dụng phổ biến trong - Chuyển vị ngang và xoay tại đầu cọc xác định các công trình xây dựng. Trước đây, khi công nghệ theo công thức: máy tính chưa phát triển việc tính toán chủ yếu bằng Hl3 Ml 2 Hl2 Ml thủ công với những mô hình đơn giản, liên kết cọc và Δ =y +Ψ l +o + o Ψ=Ψ +o + o (2) n o o o 3E I 2E I o 2E I E I nền được mô hình hóa theo các quy ước phù hợp b b b b nhưng chưa kể đến ảnh hưởng của đất nền hoặc có Trong đó: H và M - Giá trị tính toán của lực cắt và kể đến nhưng còn nhiều hạn chế dẫn đến chưa chính mômen uốn tại đầu cọc; lo - Khoảng cách từ đáy đài xác trong kết quả tính toán. Hiện nay, việc ứng dụng cọc đến mặt đất; yo và o - Chuyển vị ngang, và góc các phần mềm theo nguyên lý phần tử hữu hạn vào xoay tiết diện ngang của cọc ở mặt đất với cọc đài thiết kế nền móng đã tối ưu hóa các tính toán và cho cao, ở mức đáy đài với cọc đài thấp được xác định kết quả đáng tin cậy hơn, cùng với đó việc nghiên theo công thức: cứu tính toán cọc làm việc đồng thời với nền cũng trở yo =H oδ HH +M o δ HM Ψo =H o δ MH +M o δ MM (3) nên cấp thiết. Với Ho = H- Giá trị tính toán của lực cắt; Mo = M + 2. Phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng Hlo - Mômen uốn; HH- Chuyển vị ngang của tiết diện ngang theo tiêu chuẩn TCXD 205-1998 bởi lực Ho = 1; HM- Chuyển vị ngang của tiết diện bởi mômen M = 1; - Góc xoay của tiết diện bởi lực Việc tính toán tải trọng ngang được trình bày o MH H =1; - Góc xoay của tiết diện bởi mômen M = 1. trong phụ lục G của [1], phương pháp này được biên o MM o soạn dựa trên tiêu chuẩn SNiP II – 17 – 77. Một trong Chuyển vị HH, MH = HM, MM được xác định theo những tham số cơ bản và quan trọng nhất khi tính công thức: 1 1 1 (4) δHH =3 A o δMH =δ HM =2 C o δMM = C o αbd E b I αbd E b I αbd E b I Ao, Bo, Co - Những hệ số không thứ nguyên lấy theo bảng G2 của [1] - Mô men Mz , lực cắt Qz, lực dọc Nz trong các tiết diện của cọc tính theo công thức: 2 Ho Mz =α bdbo3bdbo3 EIyA-α EIψB+MC+ o3 D 3 ; (5) αbd 3 2 Qz =α bdbo4 EIyA-α bdb EIψB+α o4 bd MC+HD o4 o4 ; (6) Nz =N (7) 40 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
2. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Trong đó: ze = bdz - Chiều sâu tính đổi; A3, B3, 3. Phương pháp tính toán cọc và nền làm việc C3, D3; A4, B4, C4 ,D4 là các hệ số xác định bằng cách đồng thời dựa trên quan hệ tải trọng – biến dạng tra bảng G3 của [1] 3.1. Mô hình nền Winkler - Nhận xét: Theo phương pháp này tương tác Mô hình Winkler là mô hình nền biến dạng cục bộ, giữa nền và cọc được biểu diễn thông qua hệ số tỷ lệ K. Như vậy có thể thấy việc xác định và lựa chọn K nền đất được thay thế bằng các lò xo và chỉ biến mang tính chất quyết định đến tính chính xác của kết dạng tại nơi có tải trọng, khu vực lân cận không bị quả bài toán. biến dạng. a) Mô hình thực b) Mô hình Winkler c) Lò xo thay thế Hình 1. Mô hình nền Winkler Theo mô hình này, quan hệ ứng suất - biến dạng số nền k được phân thành hệ số nền theo phương được biểu diễn bằng quan hệ sau: ngang và hệ số nền theo phương đứng. 3.2. Xác định độ cứng các lò xo p = ks (8) Xét cọc có đường kính D, chiều dài trong đất L, Trong đó: p - tải trọng tác dụng; s - biến dạng của chịu tác dụng đồng thời của tải trọng đứng, tải trọng nền dưới tác dụng của tải trọng p; k - hệ số đặc trưng ngang và mô men uốn, mô hình tính và sơ đồ chịu lực cho độ cứng của nền còn được gọi là hệ số nền, hệ của cọc như hình 2. Kyi Kxi Kzi Kmz y M Q Hình 2. Mô hình cọc – nền đất và biểu đồ ứng xử của cọc Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng, phần tử với mô hình Winkler phi tuyến, chia cọc thành các cọc chuyển vị theo phương z. Tổ hợp phản lực nền phần tử nhỏ, tương tác giữa cọc – đất được thay thế chính là sức chống chuyển vị thẳng đứng Tz của đất bởi các lò xo (gối đàn hồi). Xét một phần tử cọc nằm lên phần tử cọc và đặt tại giữa phần tử cọc: trong đất có chiều dài li, giả thiết đường kính và phản lực của đất lên cọc theo phương ngang p theo y, Tz = D×l i ×t zi (10) phương đứng t không đổi theo trong phạm vi chiều z Theo (8) ta có: dài phần tử cọc. Dưới tác dụng của tải trọng ngang, phần tử cọc py1i = k y1i y 1 p y2i = k y2i y 2 t zi = k zi z (11) chuyển dịch theo phương y1, y2. Tổ hợp phản lực nền Trong đó: ky1, ky2 - hệ số nền theo phương ngang; chính là phản lực ngang của đất Py1, Py2 lên phần tử và đặt ở giữa phần tử cọc: kz - hệ số nền theo phương đứng. Py1 =D×l×p i y1i P y2 =D×l×p i y2i (9) Thay (11) vào (9), (10) ta có: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 41
3. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Py1i = D×l i ×k y1i ×y 1 P y2i = D×l i ×k y2i ×y 2 T zi = D×l i ×k zi ×z (12) Độ cứng lò xo theo phương ngang x, y và theo phương z được xác định như sau: PP y1i y2i Tzi Ky1i = =D×l×k iy1i ; K= yi =D×l×k iy2i ; K= zi = D×l×k izi (13) y1y 2 z Với phần tử mũi cọc, khi cọc chịu nén ngoài ba lò 3.3. Xác định hệ số nền dựa trên quan hệ tải trọng xo tại giữa cọc còn có lò xo chống ở mũi với độ cứng: – bi ến dạng Kmz =A m ×k mz (14) Từ phương trình (11) ta thấy hệ số nền k có thể xác định được khi biết quan hệ p – y, t – z. Vì đất Với Am - diện tích tiết diện mũi cọc, kmz - hệ số không phải là vật liệu đàn hồi tuyến tính do đó hệ số nền của đất ở mũi cọc. nền không phải là hằng số mà thay đổi theo quan hệ Từ (13) và (14) ta thấy để xác định được độ cứng phi tuyến như hình 3, hình 4. Các mục dưới đây sẽ của mỗi lò xo Kyi, Kzi, Kmz yêu cầu đặt ra là phải xác giới thiệu các dạng đường cong p-y, t-z được kiến định được hệ số nền kyi, kzi, kmz. nghị trong [4]. t O z Hình 4. Dạng điển hình của đường cong t-z Hình 3. Dạng điển hình của đường cong p–y 3.3.1. Đường cong t – z xác định hệ số nền theo f = c (15) phương đứng k z Trong đó: c- cường độ kháng cắt không thoát - Với cọc đóng vào trong đất sét sức kháng ma nước của đất; - hệ số không thứ nguyên, xác định sát đơn vị thành bên xác định theo công thức: như sau: 1 1 α = (nếu  1); α = (nếu >1); và 1 (16) 2 ψ 2 4 ψ Với = c/p’0 ; p’0 là áp lực đất có hiệu tại vị trí tính Đường cong t – z của đất dính gồm ba đoạn như toán. trong hình 5. Tỷ số tres/tmax biến thiên trong khoảng 0,7 - Sức kháng ma sát bên đơn vị thành bên của cọc – 0,9 tương ứng với sét mềm – sét cứng. Đường trong đất cát xác định theo công thức: cong t – z của đất rời gồm hai đoạn đơn giản như f = p’0 tan (17) hình 6. Trong đó:  = 0,8 -1- Hệ số áp lực ngang của đất, Trong hình 5, hình 6: tres - sức kháng dư; tmax = f -  - Góc ma sát giữa cọc và đất. sức kháng bên đơn vị cực hạn của cọc. 42 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
4. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA tmax = f 1 0,8 0,6 z, inch t/tmax 0,00 0,00 0,01 1,00 0,4  1,00 0,2 O 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 z (inch) Hình 5. Đường cong t-z với ma sát bên trong đất sét Hình 6. Đường cong t-z với ma sát bên trong đất cát 3.3.2. Đường cong Q – z xác định hệ số nền tại mũi cọc kmz 3.3.3. Đường cong p – y xác định hệ số nền theo Sức kháng mũi đơn vị cực hạn của cọc trong đất phương ngang ky sét xác định theo công thức: q = 9c (18) a) Đối với đất sét Sức kháng mũi đơn vị cực hạn của cọc trong đất cát xác định theo công thức: q = p’0Nq (19) Khả năng chịu lực ngang đơn vị tới hạn pu Trong đó: c - Sức kháng cắt không thoát nước của đất sét mềm chịu tải trọng tĩnh biến thiên của đất; trong khoảng từ 8c đến 12c, xác định theo công N - Hệ số sức kháng mũi, xác định theo bảng q thức: 6.4.3-1 của [4]. Sức kháng mũi cực hạn của cọc xác định theo cz pu =3c+p' 0 +J với z XR z < XR p/pu y/yc p/pu y/yc p/pu y/yc 0,00 0,0 0,00 0,0 0,00 0,0 0,05 1,0 0,05 1,0 0,05 1,0 0,72 3,0 0,72 3,0 0,72 3,0 1,00 8,0 0,72  0,72z/XR 15,0 1,00  0,72z/XR  Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 43
5. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình 8. Đường cong p - y cho đất sét mềm b) Đối với đất cát k.H p=A.ptanhu .y (23) Khả năng chịu lực ngang đơn vị tới hạn của đất cát A.pu p được lấy bằng giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị sau: u Trong đó: A là hệ số phụ thuộc tính chất của tải trọng tác dụng: A = 0,9 với tải trọng có chu kỳ và pus =(C 1 z+C 2 D)p' 0 P ud =C 3 Dp' 0 (22) H Trong đó: C , C , C là hệ số phụ thuộc vào góc A= 3,0 - 0,8 0,9 với tải trọng tĩnh; H là độ 1 2 3 D ma sát trong có hiệu của đất ’, xác định theo hình 9. sâu tính toán; k là mođun ban đầu, phụ thuộc góc ma Phương trình quan hệ p – y của đất cát: sát trong của cát, xác định theo đồ thị hình 10. Hình 10. Đồ thị xác định k Hình 9. Quan hệ giữa C1, C2, C3 và ’ 4. Bài toán - Tải trọng tác dụng lên đầu cọc: Lực đứng N = Trong bài toán này chúng ta sẽ đi xem xét bài 100 kN, lực ngang H = 100 kN, mô men M = 50 kNm. toán tính cọc đơn chịu tác dụng đồng thời của tải Bài toán được thực hiện tính toán theo hai trọng đứng, tải trọng ngang và mô men như hình 12a. Số liệu như sau: phương pháp: - Cọc ống thép: Đường kính ngoài D = 800mm, - Phương pháp trình bày trong phụ lục G của tiêu bề dày t =12mm, dài 20m, được chế tạo từ thép chuẩn TCXD 205-1998, trình tự tính toán theo mục 2; SKK490 của Nhật; - Phương pháp làm việc đồng thời sử dụng - Địa chất gồm 2 lớp: Lớp 1 dày 10m, cát hạt mịn, 3 o đường cong quan hệ tải trọng – biến dạng, tính toán trọng lượng riêng  = 19 KN/m , góc ma sát trong 15 ; lớp 2, sét dẻo cứng, trọng lượng riêng  = 20 KN/m3 , bằng phần mềm FB Multi Pier. Mô hình tính toán như sức kháng cắt c = 30 kPa; trong hình 11. 44 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014
6. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Hình 11. Mô hình tính toán bằng phần mềm FB Multi Pier Kết quả tính toán theo hai phương pháp này được trình bày trong hình 12 và trong bảng 2. Hình 12. Kết quả biểu đồ mô men, chuyển vị của cọc Bảng 2. Bảng tổng hợp kết quả tính toán Thành phần Chuyển vị đầu cọc (mm) Mô men lớn nhất (KNm) Tính theo TCXD 205 - 1998 10 243 Tính bằng FB Multi Pier 8 234 Bài toán cho kết quả mô men và chuyển vị đầu lệ K, đây là hệ số chọn theo bảng, phụ thuộc vào loại cọc tính theo TCXD 205 - 1998 lớn hơn so với tính đất và có phạm vi biến thiên khá rộng, do đó kết quả bằng phần mềm FB Multi Pier. Việc tính theo TCXD tính toán phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của việc 205-1998 được thực hiện tương đối đơn giản theo lựa chọn hệ số tỷ lệ K. các công thức đã lập, tuy nhiên có thể thấy tương tác Phương pháp tính dựa trên các đường cong quan giữa cọc và nền đất được xác định thông qua hệ số tỷ hệ tải trọng – biến dạng chính xác và khách quan hơn Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 45
7. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA do được tính toán dựa trên các thông số của đất như của các giàn khoan cố định. Các đường cong này thu , , c; tuy nhiên phương pháp này cần sử dụng các được trên cơ sở nghiên cứu địa chất do Viện dầu mỏ phần mềm (như FB MultiPier) đã tích hợp sẵn thư Hoa Kỳ thực hiện, có thể áp dụng tính toán cho các viện các đường cong. Kết quả tính cũng cho thấy mô cọc tại các vị trí có địa chất tương đồng với đường men uốn cực đại khá gần với đầu cọc và phần đất cong đó. Tuy nhiên, để có những kết quả tính toán chống đỡ tải trọng ngang chủ yếu là lớp đất trên mặt, chính xác trong điều kiện địa chất Việt Nam, cần có điều này phù hợp với thực tế và kết quả thí nghiệm đã nhiều thí nghiệm để xây dựng thư viện đường cong p được trình bày trong [2]. – y, t – z đối với các khu vực địa chất khác nhau. 5. Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài báo đã áp dụng phương pháp phần tử hữu 1. Bộ Xây dựng, TCXD 205-1998: Móng cọc – Tiêu chuẩn hạn kết hợp với mô hình Winkler phân tích sự làm thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2002. việc đồng thời giữa cọc chịu tải trọng ngang và nền đất, đây là phương pháp phản ánh chính xác sự 2. CHÂU NGỌC ẨN, Nền móng, NXB Đại học Quốc gia tương tác giữa cọc và nền đất và ứng xử của cọc khi TP. Hồ Chí Minh, 2002. chịu tác dụng của tải trọng. 3. VŨ CÔNG NGỮ, NGUYỄN THÁI, Móng cọc – phân tích Đặc trưng tương tác giữa cọc và nền đất là hệ số và thiết kế, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2006. nền. Phương pháp xác định hệ số nền sử dụng 4. American Petroleum Institute (API - RP2A - WSD): đường cong quan hệ p – y, t – z là phương pháp hiện Recommended Practice for Planning, Designing and đại, khoa học và có độ tin cậy cao, đã được nhiều tổ Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress chức kiến nghị sử dụng như FHWA, API. Hiện nay rất Design - 21st Edition, USA, 2000. nhiều các phần mềm tính toán nền móng đã tích hợp sẵn thư viện các đường cong này, do đó việc tính 5. JAE CHUNG, PH.D; ANAND PATIL, E.I.; HENRY toán khá thuận lợi và đơn giản. BOLLMANN, P.E, FB Multipier – API soil model Các đường cong p – y, t – z trong bài báo này validation, Bridge Software Institute (BSI), 2011. được kiến nghị trong tiêu chuẩn API [4], tính toán cọc Ngày nhận bài sửa: 1/6/2014. 46 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014