Nghiên cứu tối ưu cọc bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang gia cường bờ kè tỉnh Kiên Giang
NGHIÊN CỨU TỐI ƯU CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG GIA
CƯỜNG BỜ KÈ TỈNH KIÊN GIANG
RESEARCH ON THE OPTIMIZATION OF PRECAST CONCRETE PILES
REINFORED EMBANKMENTS UNDER LATERAL FORCES
IN KIEN GIANG PROVINCE.
TS. Nguyễn Minh Đức, Ks. Phan Phước Sim
Key word: Optimization, precast concrete piles,
reirfored embankments, lateral forces
TÓM TẮT
Nhìn chung địa chất ở khu vực đồng bằng của Kiên
TS. Nguyễn Minh Đức
Giang đa phần là đất sét yếu bảo hòa nước có độ sâu từ
Giảng viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
8m đến 18m. Vì thế sự cố tường kè diển ra thường xuyên ở
Email: [email protected]
Kiên Giang, có rất nhiều nguyên nhân khác nhau nhưng
Điện thoại: 0912.327.412
nguyên nhân chủ yếu là do tải trọng ngang của đất đắp
Ks. Phan Phước Sim
trên thân kè và tải trọng thi công gây ra. Có thể gây mất
ổn định cho đất nền, ảnh hưởng đến chuyển vị, lực cắt, và
moment cọc. Khi tải trọng ngang vượt qua giới hạn cho
Học viên cao học, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Email: [email protected]
phép của cọc bê tông cốt thép gia cường bờ kè thì sự cố sẽ
xảy ra. Nội dung bài viết tập trung mô phỏng ứng xử của
cọc bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang gia cường bờ kè
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, cùng với những biến
đổi mạnh mẽ của khí hậu toàn cầu dẫn tới sự xuất hiện
nhiều thiên tai, nhiều cơn bão, nhiều con lũ lớn xảy ra
ở Việt Nam. Hiện tượng sạt lở bờ sông, bờ biển ở
nước ta cũng diễn ra với tần suất lớn lơn, chu kỳ
nhanh hơn, cường độ mạnh hơn. Để chống sạt lở và
bảo vệ công trình ven sông có rất nhiều cách khác
nhau nhưng ở đây tác giả chọn phương án tường chắn
đất trên hệ cọc bê tông cốt thép (BTCT) và có thể tìm
ra phương án tối ưu nhất.
bảo vệ bờ sông thuộc khu vực đồng bằng ở Kiên Giang.
Dựa trên số liệu địa chất khu vực Kiên Giang, tác giả phân
tích bài toán bằng chương trình Plaxis với nhiều trường
hợp địa chất khác nhau và so sánh với kết quả quan trắc
công trình và đặc trưng của địa chất khu vực nghiên cứu
để tìm ra một giải pháp kế tối ưu cho cọc bê tông cốt thép
chịu tải trong ngang gia cường bờ kè ở Kiên Giang.
Từ khóa: Tối ưu, cọc bê tông cốt thép, chịu tải trong
ngang
ABSTRACT
Mục tiêu nghiên cứu: Nhằm đưa ra thiết kế tối ưu
cọc gồm tối ưu khoảng cách cọc, kích thước cọc, tiết
diện cọc và phân bố cọc dựa theo một số địa chất của
Kiên Giang.
In general, the geography of the plain of Kien Giang is
mostly weak clay, which is saturated with water depths
from 8m to 18m. Therefore, the problem of gates in Kien
Giang has many different causes but the main reason is
due to the horizontal load of soil embankment on the
embankment and construction load caused. Can cause soil
instability, affect displacement, force, and pile moment.
When the horizontal load exceeds the permissible limit of
reinforced concrete pile reinforcement of the embankment,
the incident will occur. The article focuses on simulating
the behavior of reinforced concrete piles with horizontal
loads strengthening the river bank embankments in the
delta area in Kien Giang. Based on the geological data of
Kien Giang area, the author analyzes the problems with
the Plaxis program with many geological cases and
compares them with the results of geological observation
and geological features of the studied area. Finding an
optimal solution for reinforced concrete piles under load
in horizontal reinforcement embankments in Kien Giang.
Tác giả phân tích bài toán bằng chương trình phần
tử hữu hạn Plaxis với mô hình đất Mohr-Coulomb
ứng xử không thoát nước. Các đặc trưng Cu, φu, Eref
sẽ được thay đổi theo các trường hợp địa chất khác
nhau trên địa bàn Kiên Giang để tìm ra giá trị chuyển
vị, lực cắt và moment theo từng trường hợp từ đó có
thể chọn ra phương án thiết kế cọc BTCT tối ưu nhất
để gia cường bờ kè.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Phương pháp thu thập số liệu
2.1.1. Phương pháp xác định hệ số Possion và
Mô-đun đàn hồi.
Trang 1
Lmax x h3tđ
12
D4
12
D4
Lmax
Trong điều kiện phân tích không thoát nước đối
với đất sét bão hòa nước (dưới mực nước ngầm), mô
hình được lựa chọn là Undrained và hệ số Possion
3
Itđ
htđ
A = Lmax x htđ
≤ 0,35. Hoặc hệ số Possion sử dụng công thức
tương quan như sau:
W = (bt – đất) x htđ
Trong đó:
- Theo Worth (1975) đối với đất sét độ quá cốt kết
Itđ (m4) – Moment quán tính tương đương
nhỏ: = 0.25 + 0.00225.PI (Trong đó: PI là chỉ số
dẻo).
Lmax (m) – Khoảng cách lớn nhất giữa 02 cọc từ
đó tính EA và EI cho bề rộng 1.0 m.
- Theo Trautmann and Kulhawy (1987) đối với đất
á cát hoặc cát:
htđ (m) – Chiều dày tương đương của cọc
D (m) – Cạnh cọc
EA (kN/m) – Độ cứng dọc trục
EI (kNm2/m) – Độ cứng chống uốn
A (m2) – Diện tích ngang của cọc
- Do sức kháng cắt không thoát nước của đất sét
không được xác định, do đó Su được xác định theo
công thức tương quan, áp dụng cho đất sét cố kết
thường (Ladd and Foote, 1974): Cu = Su = 0.25 v’
2.1.4. Độ cứng tương đương của cọc BTCT và
đất trong Plaxis
(Trong đó: v’: Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng
đứng), E = 250 Cu (Trong đó: Cu là sức kháng cắt
không thoát nước).
- Đối với sét bão hòa nước, Eref trong điều kiện
không thoát nước được xác định theo được xác định
dựa theo chỉ số SPT cho đất á cát nhão (Bowles,
1988): E50 = 0.32MPa. (N+15).
- Và sét bùn nhão (Bowles, 1988):
Eref = 0.3MPa. (N+6)
- Xác định module đàn hồi từ công thức tương
quan theo Mitchel & Garder (1975): Eref = 766N;
(Trong đó: N là chỉ số SPT).
Tường cọc bản
tương đương
Đất
Cọc
Hình 2.3. Quy đổi độ cứng tương đương của cọc
2.1.2. Cấu trúc phần mềm Plaxis
và đất
- Độ cứng khi uốn (EI)tđ mô phỏng như sau:
EI
coc
EIđat
EItđ
Khoang cach 2 coc
Trong đó:
Hình 2.1. Quy trình mô phỏng Plaxis
(EI)tđ - Độ cứng chống uốn tương đương từ cọc
và đất
2.1.3. Độ cứng của cọc BTCT trong Plaxis
Bài viết này sử dụng cọc BTCT tiết diện hình
vuông cạnh D = 0.3m, cấp độ bền B22.5 theo TCVN
5574:2012, khoảng cách 02 cọc Lmax = 2.5m giá trị
EI, EA xác định theo moment quán tính tương đương:
(EI)cọc - Độ cứng chống uốn của cọc
(EI)Đất - Độ cứng chống uốn của đất giữa 2 cọc
(Rất nhỏ so với cọc nên bỏ qua)
- Độ cứng khi nén (EA)tđ mô phỏng như sau:
EAcoc
EAtđ
Achung
Trong đó:
Hình 2.2. Quy đổi chiều dày tương đương của
cọc
Trang 2
(EA)tđ : Độ cứng khi nén tương đương từ cọc và
đất
(EA)coc : Độ cứng khi nén của cọc
Achung : Diện tích của cọc và đất
Dùng phần tử Plate để mô phỏng cọc bê tông dự
ứng lực làm việc như kết cấu chịu uốn, các phần tử
phân giới (interface) được sử dụng để mô phỏng sự
làm việc đồng thời giữa cọc và đất nền.
Bảng 1. Các thông số của đất nền cho mô hình Mohr – Coulomb (B):
Dung
trọng tự
nhiên,
Dung
trọng
bão hòa,
Bề
dày
Góc
Hệ số
Poisson,
Lực
Mô đun
đàn hồi, E
(kN/m2)
ma sát
trong,
(độ)
Mô hình
phân tích
Mô tả lớp đất lớp
dính, C
đất,
(m)
(kN/m2)
unsat
,
sat,
(kN/m3) (kN/m3)
Đất đắp
Bùn sét màu
xám đen
3
Drained
19
19
1
25
5
15.000
5.933
0,3
0,3
12
Undrained
15,67
16,32
8.5
Sét nâu vàng
trạng thái nửa 20
Undrained
18,45
19,07
39.9
15
11.640
0,3
cúng
3. MÔ PHỎNG CÁC TRƯỜNG HỢP GIA CỐ CỌC BTCT GIA CƯỜNG BỜ KÈ:
3.1. Trường hợp 1: Cọc ngàm trên nền đất yếu (sét dẻo mềm yếu bảo hòa nước) và trên nền đất tốt (sét
trạng thái dẻo cứng) theo chiều dài cọc:
H
L
+ H: Chiều cao lớp đất
đắp 3.0m
Hình 3.3. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang Ux
lớn nhất của cọc theo chiều dài cọc L (m)
Hình 3.1. Mô hình trường hợp 1 bằng Plaxis
Hình 3.4. Biểu đồ biểu diễn lực cắt Q (kN) lớn
Hình 3.2. Biểu đồ biểu diễn HSAT Msf lớn nhất
nhất của cọc theo chiều dài cọc L (m)
theo chiều dài cọc L (m)
Trang 3
Hình 3.5. Biểu đồ biểu diễn moment M (kNm)
lớn nhất của cọc theo chiều dài cọc L (m)
Hình 3.7. Biểu đồ biểu diễn lực cắt Q (kN) theo
chiều dài cọc
Hình 3.6. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang của
Hình 3.8. Biểu đồ biểu diễn moment M (kNm)
theo chiều dài cọc
cọc theo chiều dài cọc
Bảng 2. Bảng kết quả phân tích trường hợp 1
Nền đất yếu (Sét dẻo
Nền đất tốt (Sét trạng
Loại đất
mềm bảo hòa nước)
thái dẻo cứng)
Hệ số an toàn Msf lớn nhất trên cọc
Chuyển vị lớn nhất trên cọc (mm)
Lực cắt lớn nhất trên cọc (kN)
Moment lớn nhất trên cọc (kNm)
1,253 ÷ 2,408
3,121 ÷ 5,393
74,56 ÷ 75,95
74,56 ÷ 75,95
54,92 ÷ 55,96
27,20 ÷ 27,57
31,94 ÷ 32,45
31,35 ÷ 32,40
Trang 4
Theo kết quả phân tích trên hình (Hình 3.2; Hình
3.3; Hình 3.4; Hình 3.5) có thể tham khảo ứng xử của
cọc của các vùng đất khác nhau trên địa bàn tỉnh Kiên
Giang mà chọn ra tiết diện và chiều dài cọc hợp lý để
thiết kế cọc gia cường bờ kè
Theo kết quả phân tích trên hình (Hình 3.6; Hình
3.7; Hình 3.8) cho thấy cọc huy động chuyển vị, lực
cắt, moment lớn nhất trên cọc chủ yếu trong khoảng
từ L = 0H ÷ 2H và giảm dần từ L > 3H. Dựa vào kết
quả này có thể chọn chiều dài cọc hợp lý để thiết kế
gia cường bờ kè.
3.2. Trường hợp 2: Mô phỏng 2 trường hợp cọc có bố trí hệ neo và không có cọc neo trên nền đất yếu
và trên nền đất tốt:
Hình 3.9. Mô hình trường hợp 2 bằng Plaxis
Hình 3.11. Biểu đồ biểu diễn lực cắt của cọc theo
chiều dài cọc L = n x H
Hình 3.10. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang
Hình 3.12. Biểu đồ biểu diễn moment của cọc theo
Ux của cọc theo độ sâu L = n x H
độ sâu L = n x H
Trang 5
Bảng 2. Bảng kết quả phân tích trường hợp 2:
Nền đất tốt (Sét trạng thái dẻo Nền đất yếu (Sét dẻo mềm bảo
cứng) hòa nước)
Cọc L = 8H Cọc L = 5H Cọc L = 8H Cọc L = 5H có
không có cọc
có cọc neo
không có
cọc neo
neo
cọc neo
L = 3H
L = 3H
Chuyển vị đầu cọc
Lực cắt lớn nhất
Moment lớn nhất
26.29 mm
32.40 kN
15.64 mm
25.27 kN
13.41 kNm
75.93 mm
32.92 kN
26.63 mm
25.38 kN
17.47 kNm
31.16 kNm
54.89 kNm
Theo kết quả phân tích trường hợp 2 cho thấy chuyển vị, lực cắt, moment của cọc huy động nhỏ hơn
nhiều khi cọc gia cường bờ kè có bố trí hệ neo.
Vì vậy nhằm tối ưu hóa nên thiết kế cọc neo gia cường bờ kè (tổng chiều dài cọc như nhau khi cọc không
bố trí hệ neo).
3.3. Trường hợp 3: Cọc ngàm trên nền đất yếu (sét dẻo mềm yếu bảo hòa nước) và trên nền đất tốt
(sét rạng thái dẻo cứng) theo khoảng cách cọc:
Hình 3.13. Biểu đồ biểu diễn hệ số an toàn Msf
theo khoảng cách cọc
Hình 3.15. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang
của cọc theo chiều dài cọc trên nền đất yếu
Hình 3.14. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang
của cọc theo khoảng cách cọc
Hình 3.16. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang
của cọc theo chiều dài cọc trên nền đất tốt
Trang 6
Hình 3.20. Biểu đồ biểu diễn moment lớn nhất
của cọc theo khoảng cách cọc
Hình 3.17. Biểu đồ biểu diễn lực cắt lớn nhất của
cọc theo khoảng cách cọc
Hình 3.18. Biểu đồ biểu diễn lực cắt cọc theo
Hình 3.21. Biểu đồ biểu diễn moment cọc theo
khoảng cách cọc trên nền đất yếu
khoảng cách cọc trên nền đất yếu
Hình 3.19. Biểu đồ biểu diễn lực cắt cọc theo
khoảng cách cọc trên nền đất tốt
Hình 3.22. Biểu đồ biểu diễn moment cọc theo
khoảng cách cọc trên nền đất tốt
Bảng 3. Bảng kết quả phân tích trường hợp 2 (Ứng với trường hợp ứng xử cọc BTCT lớn nhất):
Cọc trên nền đất yếu
Cọc trên nền đất tốt
(sét dẻo mềm yếu bảo hòa
nước)
(sét trạng thái dẻo cứng)
2,05 ÷ 2,38
4,55 ÷ 5,54
29,6 ÷ 48,8
Hệ số an toàn Msf lớn
nhất
72,7 ÷ 147,8
Chuyển vị lớn nhất (mm)
Trang 7
33,0 ÷ 34,3
54,0 ÷ 56,1
32,0 ÷ 33,8
32,1 ÷ 35,2
Lực cắt lớn nhất (kN)
Moment lớn nhất (kNm)
Theo kết quả mô phỏng trường hợp trên cho thấy ứng xử lớn nhất của cọc chủ yếu tập trung trong khoảng
chiều dài cọc L = 0H ÷ 2H và giảm dần khi L > 3H theo từng trường hợp địa chất khác nhau trên địa bàn tỉnh
Kiên Giang. Vì thế thiết kế có thể dựa vào số liệu mô phỏng trên mà thiết kế cọc ứng với từng trường hợp địa
chất ở địa bàn tỉnh Kiên Giang mà chọn ra chiều dài và khoảng cách cọc tối ưu nhất.
3.4. Trường hợp 4: Phương án chiều dài cọc theo tỷ lệ cọc ngàm trên nền đất yếu và đất tốt.
Hình 3.25. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị phương
ngang (Ux) của cọc theo tỷ lệ chiều dày lớp đất yếu
H
và lớp đất tốt
L = .H đất yếu
L = .H đất tốt
Hình 3.23. Mô hình trường hợp 4 bằng Plaxis
Hình 3.26. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang (Ux)
của cọc theo chiều dài cọc
Hình 3.24. Biểu đồ biểu diễn HSAT theo tỷ lệ
chiều dày lớp đất yếu và lớp đất tốt
Hình 3.27. Biểu đồ biểu diễn lực cắt Q (kN) của cọc
theo chiều dài cọc
Trang 8
cường thép cọc nhằm đảm bảo cọc đủ khả năng chịu
lực khi tính toán cọc chịu tải trọng ngang.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đặng Hữu Chinh. Nghiên cứu kết cấu kè trên
nền đất yếu bảo vệ chống sạt lở - Khu vực Thanh
Đa Tp. Hồ Chí Minh, Luận văn thạc sỹ, ĐH Bách
khoa Tp. Hồ Chí Minh, 2004.
[2] Nguyễn Minh Tâm, Hàn Xuân Thảo. Ứng xử của
cọc bê tông cốt thép trong kết cấu kè bảo vệ bờ
sông khu vực quận 2 thành phố Hồ Chí Minh,
Tạp chí KHCN Xây dựng, số 2, tr. 22, 2014.
[3] Hồ sơ thiết kế, khảo sát địa chất công trình bờ kè
trên địa bàn tỉnh Kiên Giang, 2017.
[4] Gs.TSKH Nguyễn Văn Thơ, Ts.Nguyễn Ngọc
Phúc, Cơ học đất tập 1, 2, Nhà xuất bản Xây
dựng, 2013.
Hình 3.28. Biểu đồ biểu diễn moment M (kNm) của
cọc theo chiều dài cọc
Kết quả phân tích trường hợp trên theo các hình
trường hợp 4 cho thấy chuyển vị, lực cắt và moment
của cọc huy động lớn nhất với chiều dài cọc L = 0H
÷ 2H và giảm dần khi L > 3H
[5] Bộ Xây dựng, TCXD 205-1998: Móng cọc –
Tiêu chuẩn thiết kế, NXB Xây dựng, Hà Nội,
2002.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
[6] Châu Ngọc Ẩn, Nền móng, NXB Đại học Quốc
gia TP. Hồ Chí Minh, 2002
Cọc BTCT đã và đang được áp dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực xây dựng tại nhiều nước trên thế giới.
Tại Việt Nam nói chung và Kiên Giang nói riêng, cọc
BTCT chỉ được sử dụng dưới dạng cọc đóng, ép hoặc
khoan nhồi. Đối với địa chất ở Kiên Giang đa phần là
đất sét bảo hòa nước có bề dày từ 8m ÷ 18m. Vì vậy
khi thiết kế cọc gia cường bờ kè cần quan tâm đến
điều kiện thi công và tải trọng thi công trong quá trình
vận hành máy móc, thiết bị, vấn đề này ảnh hưởng rất
lớn đối với ứng xử của cọc ở gần mặt đất. Dưới dây
là các kết quả mô phỏng ứng với từng trường hợp địa
chất khác nhau trên địa bàn tỉnh Kiên Giang
[7] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái, Móng cọc – phân
tích và thiết kế, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà
Nội, 2006
[8] Bộ Giao thông vận tải, 22TCN-219-94: Công
trình bến cảng sông – Tiêu chuẩn thiết kế, NXB
Bộ Giao thông vận tải, 1994.
[9] William Cheang Wai Lum và Phùng Đức Long.
Hướng dẫn sử dụng plaxis, Plaxis Introductory
Course, Đà Nẵng, 2013.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết
Họ tên: Phan Phước Sim
Đơn vị: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
Điện thoại: 0987.609.276
Kết quả tính toán đều phụ thuộc và số liệu địa chất
vì vậy khi mô phỏng tính toán cần kiểm tra lấy số liệu
khảo sát địa chất phải chính xác.
Khi dự báo ứng xử của cọc BTCT trong điều kiện
địa chất Kiên Giang có thể áp dụng để tính toán và
thiết kế cọc khi gia cường bờ kè ở tỉnh Kiên Giang.
Khi mô phỏng trên Plaxis chia lưới phần tử càng
nhỏ kết quả mô phỏng càng chính xác.
Xác nhận của giảng viên hướng dẫn:
Kết quả phân tích cho thấy chuyển vị (Ux), lực cắt
(Q) và moment (M) huy động lớn nhất trong khoảng
độ sâu từ 0m ÷ 2H (với H là chiều cao khối đất đắp H
=3.0m) tương đương chiều sâu lớp đất từ 0 ÷ 6m. Vì
vậy khi thiết kế và thi công cọc BTCT gia cường bờ
kè cần hạn chế nối cọc trong khoảng trên và cần tăng
Trang 9
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
11 trang
12/01/2024
23300
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu tối ưu cọc bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang gia cường bờ kè tỉnh Kiên Giang", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_toi_uu_coc_be_tong_cot_thep_chiu_tai_trong_ngang.pdf
