Ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện đến sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang

50 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện đến sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang The effect of length and section on behavior of laterally loaded piles Vương Văn Thành, Nguyễn Tiến Dũng Tóm tắt Chiều dài và tiết diện cọc ảnh hưởng rất lớn đến sự chuyển vị và phá hoại của cọc chịu tải trọng ngang. Vì vậy, nghiên cứu về vấn đề này là rất cần thiết trong phân tích và thiết kế. Bài báo đã phân tích và tính toán cho trường hợp tải trọng ngang tác dụng ở đỉnh cọc. Từ khóa: Cọc chịu tải trọng ngang Abstract The length and section of the pile effect on displacement and failure modes of laterally loaded piles enormously. Thus, to research this problem is necessary for analysis and design. This paper analysed and calculated case in which the external horizontal loads act at the pile head (i.e., at the top section of the pile). Key words: laterally loaded piles, laterally loaded single piles PGS. TS. Vương Văn Thành Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Xây dựng ĐT: 0902066955 ThS. Nguyễn Tiến Dũng Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Xây dựng ĐT: 0988120252 Email: nguyentiendungkta@gmail.com Ngày nhận bài: 28/10/2016 Ngày sửa bài: 02/11/2016 Ngày duyệt đăng: 05/7/2018 1. Đặt vấn đề Hiện nay, việc sử dụng cọc trong các công trình chịu tải trọng ngang lớn rất phổ biến. Do đặc điểm công trình và địa chất từng khu vực khác nhau mà việc sử dụng cọc trong các công trình này cũng khác nhau. Kết quả là, mỗi công trình thường sử dụng một hoặc một vài loại cọc có tiết diện và chiều dài nhất định. Nhiều tài liệu trong và ngoài nước đã nghiên cứu về bài toán cọc chịu tải trọng ngang [1,3,4,5...], tuy nhiên chưa có tài liệu nào đưa ra chỉ dẫn kỹ thuật cụ thể về ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện cọc đến sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang. Dựa trên kết quả nghiên cứu các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang hiện nay [2], bài báo sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xem xét vấn đề này. Từ đó, đưa ra được những chỉ dẫn cơ bản phục vụ cho việc dự báo và tính toán thực hành. 2. Ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện cọc đến sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang 2.1. Ảnh hưởng của chiều dài cọc Khi cọc chịu tải trọng ngang, cọc có thể bị xoay, bị uốn và di chuyển. Nếu cọc ngắn và cứng nó sẽ không uốn nhiều nhưng sẽ xoay hoặc thậm chí di chuyển (hình 1). Những cọc như vậy gọi là cọc cứng (rigid piles). Nếu cọc dài và mảnh thì khi chịu tải trọng ngang nó sẽ bị uốn (hình 2). Những cọc như vậy gọi là cọc mềm (flexible piles). Như vậy, chiều dài của cọc sẽ ảnh hưởng nhiều đến cơ chế dịch chuyển cũng như phá hoại của cọc. 2.2. Ảnh hưởng của tiết diện cọc Khi cọc chịu tải trọng ngang, cọc ứng xử như dầm chịu tải trọng truyền lên. Chúng truyền tải trọng ngang cho nền đất xung quanh bằng cách sử dụng sức kháng ngang của nền đất (hình 3). Cọc ép khối đất ở phía trước nó (khối đất nằm trong hướng của tải trọng tác dụng), sinh ra ứng suất nén và ứng suất cắt (ở mặt bên cọc) trong khối đất, những ứng suất này chống lại sự dịch chuyển của cọc. Sức kháng của đất và sức kháng của bản thân cọc cho phép thỏa mãn sự cân bằng với tải trọng ngang tác dụng lên cọc. Hai thành phần sức kháng này phụ thuộc nhiều hình dạng và kích thước của tiết diện cọc. 2.3. Ví dụ tính toán Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation đại diện cho phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ảnh hưởng của chiều dài và tiết diện cọc đến sự làm việc của cọc khi chịu tải trọng ngang trong cùng một điều kiện đất nền. Cọc vuông bê tông cốt thép đúc sẵn được hạ vào nền đất bằng phương pháp ép. Nền đất có số liệu như bảng 1, mực nước ngầm bắt đầu ở độ sâu -1.5m. Bài toán 1: Ảnh hưởng của chiều dài cọc Cọc vuông có tiết diện d= 500mm, chịu lực ngang tập trung ở đỉnh H=49,5kN. Khảo sát sự làm việc của cọc với các chiều dài L= 25, 20, 10, 8, 5, 3 m. Bài toán 2: Ảnh hưởng của tiết diện cọc Cọc vuông có chiều dài L= 20m, chịu lực ngang tập trung ở đỉnh H=49,5kN. Khảo sát sự làm việc của cọc với các tiết diện d= 500, 400,300,200mm. Nhận xét kết quả tính toán: Kết quả phân tích bài toán 1 và bài toán 2 được thể hiện lần lượt trên hình Hình 1. Chuyển vị của cọc cứng Hình 2. Chuyển vị của cọc mềm 51 S¬ 31 - 2018 Hình 4. Ảnh hưởng của chiều dài cọc Bảng 1. Bảng chỉ tiêu cơ lý các lớp đất STT Tên lớp đất hi m zi m γ kN/m3 Δ e γđn kN/m3 c kPa φ độ W % Ip % IL % E0 kPa 1 Cát cấp phối kém (SP-SM) 3,8 3,8 19,50 2,68 0,663 10,10 8 26,77 21,44 - - 23.800 2 Sét vô cơ nâu vàng (CH-CL) 1,4 5,2 18,86 2,7 0,85 9,19 26 17,12 28,29 25 0,3 9.230 3 Sét béo xanh xám (CH-CL) 11,3 16,5 18,70 2,7 0,864 9,12 18 12,10 28,80 20 0,6 7.210 4 Sét xám xanh (CL) 4,6 21,1 19,09 2,69 0,845 9,16 23 18,20 27,18 25 0,3 6.470 5 Sét nâu vàng (CL) 13,1 34,2 19,76 2,71 0,686 10,14 36 18,53 22,86 30 0,1 11.880 6 Cát pha sét (SC) 3,6 37,8 19,49 2,69 0,66 10,18 21 22,17 20,18 - - 10.660 7 Sét nâu vàng (CL) 5,5 43,3 19,76 2,71 0,686 10,14 36 18,53 22,86 30 0,1 11.880 8 Sét lẫn cát (CL) 16,7 60 19,43 2,71 0,745 9,80 36 21,37 27,75 27 0,2 9.090 4 và hình 5. Kết quả tính toán đã được kiểm chứng là đáng tin cậy, phù hợp với thí nghiệm nén ngang hiện trường [2]. Trong bài toán khảo sát này, tầng đất phía trên cùng là lớp đất tốt nên những kết luận dưới đây sẽ phù hợp hơn cho những trường hợp nền đất thuộc dạng này. Trường hợp tầng đất phía trên là lớp đất yếu, phân tích lý thuyết cho thấy, xu hướng làm việc của cọc là giống trường hợp trên nhưng sẽ khác nhiều về mặt trị số kết quả chuyển vị và nội lực của cọc; trường hợp này cần được nghiên cứu thêm để đưa ra được số liệu dự báo cụ thể, hy vọng sẽ sớm được trình bày trong bài báo tiếp theo. 3. Kết luận Khi tầng đất phía trên là lớp đất tốt, mặt đất nằm ngang, chiều dài cọc ngàm trong đất lớp hơn khoảng 10d thì cọc sẽ ứng xử như cọc mềm. Đối với cọc mềm, chiều dài cọc thay đổi gần như không ảnh hưởng đến chuyển vị đỉnh cọc (y) và nội lực (M, Q) trong cọc. Khi tầng đất phía trên là lớp đất tốt, mặt đất nằm ngang, chiều dài cọc ngàm trong đất nhỏ hơn khoảng 10d thì cọc sẽ ứng xử như cọc cứng. Đối với cọc cứng, chiều dài cọc thay đổi sẽ làm thay đổi đáng kể tới chuyển vị và nội lực của cọc. Cụ thể, khi L giảm thì y tăng và Mmax giảm. Tiết diện cọc ảnh hưởng lớn đến chuyển vị và nội lực của cọc, cụ thể: - Khi d giảm thì cọc có xu hướng bị phá hủy càng gần mặt đất - Khi d giảm thì y tăng và Mmax giảm./. Hình 3. Cơ chế truyền tải trọng của cọc chịu tải trọng ngang 52 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª T¿i lièu tham khÀo 1. Lê Đức Thắng (1998), Tính toán móng cọc, NXB xây dựng. 2. Nguyễn Tiến Dũng (2016), Nghiên cứu các phương pháp tính toán cọc chịu tải trọng ngang, luận văn Thạc sĩ kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp. 3. TCVN 10304-2014: Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc, NXB Xây dựng, Hà Nội. 4. TCXD 205-1998: Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội. 5. Barry J. Meyer and Lymon C. Reese (1979), Analysic of single piles under lateral loading. 6. Federal Highway Administration FHWA NHI-05-042 (April 2006), Design and Construction of Driven Pile Foundations, section 9.82- 116. 7. Plaxis 3D Foundation Version 1.5 Manual . 8. Poulos, H.G (1971a), Behavior of laterally loaded piles: Part I- Single piles, ASCE Journal of the Soil Mechanics of the Foundation Division, 97(SM5),711-731. Hình 5. Ảnh hưởng của tiết diện cọc mô hình chống-giằng tối ưu (mô hình mà số lượng các thanh giằng là ít nhất và chiều dài ngắn nhất). Các công thức xác định nội lực của thanh chống; thanh giằng cho mô hình chống-giằng được thiết lập. Từ nội lực đã tính ta đi xác định bề rộng thanh chống; kiểm tra nút và tính cốt thép trong thanh giằng và cốt thép đai khống chế vết nứt. Thông qua khảo sát ví dụ tính toán dầm cao công xôn ngắn với những giá trị chiều cao dầm khác nhau, tác giả kiến nghị khi thiết kế dầm nên chọn tỷ lệ giữa chiều cao và khoảng đặt lực phù hợp để dầm làm việc hợp lý nhất. Với các thông số như trong ví dụ khảo sát ở mục 3 thì giá trị d hợp lý nên lấy khoảng d=(2÷ 3)av. Tác giả khảo sát thêm hai bài toán với các thông số giữ nguyên như ví dụ ở mục 3, chỉ thay đổi giá trị Vu=100kN; 500kN. Trên Hình 12 thể hiện hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo tính toán được (ρ1; ρ2; ρ3) lần lượt tương ứng với giá trị lực Vu=(100; 300; 500)kN và ρmin tính theo (37). Khi giữ nguyên giá trị các đại lượng như trong ví dụ mục 3 mà cho Vu=100kN thì hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo ρ1<ρmin, cho thấy kích thước tiết diện dầm (b, d) quá lớn cốt thép dọc chỉ cần đặt theo cấu tạo. Với Vu=500kN, ρ3 > ρmin tương ứng d = (300÷700) mm, chiều cao dầm hợp lý nên lấy d=(2÷4,6)av. Để thiết kế dầm hợp lý thì cần chọn chiều cao (h), bề rộng (b) của dầm cũng như cấp độ bền bê tông và nhóm cốt thép hợp lý. Với các công thức đã thiết lập ở mục 2 thì ta hoàn toàn tìm được dầm thiết kế phù hợp để chịu lực Vu cho trước./. T¿i lièu tham khÀo 1. ACI Committee 318. (2011). Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318M-11). American Concrete Institute, Farmington Hills, MI 2011, 509pp. 2. B.S.Tanarath. (2010). Reinforced concrete design of tall buildings, CRC press. 3. Schlaich, J., Schafer, K. and Jennewin, M., “Toward a Consistent Design of Structural Concrete”, PCI Journal, May-June 1987, pp. 75-146. 4. Nguyễn Viết Trung. (2000). Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện đại theo tiêu chuẩn ACI. Nhà xuất bản Giao thông vận tải. 5. TCVN 5574-2012. Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế. 6. Ngô Thế Phong. (2006). Kết cấu bê tông cốt thép phần kết cấu nhà cửa. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. Thiết kế dầm công xôn ngắn bằng mô hình chống - giằng... (tiếp theo trang 49)