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

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