Phần mở đầu: nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài. Chƣơng 1: Giới thiệu đối tƣợng nghiên cứu, tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới về vấn đề nghiên cứu, kết luận lý do thực hiện. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về kích thƣớc hình dạng sơ bộ, cơ chế làm việc, các phƣơng pháp thiết kế, lý thuyết phục vụ việc phân tích của bệ cọc; các thông số để mô hình hóa nền công trình. Chƣơng 3: Giới thiệu mô hình bệ cọc khảo sát, phân tích mô hình bệ cọc bằng phần mềm ANSYS và phƣơng pháp đơn giản cho 9 trƣờng hợp khảo sát, so sánh và đƣa ra kết luận.
Phần kết luận và kiến nghị: Nhận xét đánh giá và rút ra kết luận về sự phân bố ứng suất - biến dạng của bệ cọc tính phƣơng pháp thông thƣờng với phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Đồng thời đề nghị định hƣớng nghiên cứu tiếp. HV: Phạm Huy Tài MSHV: 12144595 –3– Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu Hình 1.1 Mô hình cột (trụ), bệ cọc và cọc Một bệ cọc đƣợc định nghĩa nhƣ là một khối bê tông đặt trên đầu của một nhóm cọc. Trong công trình cầu, bệ cọc là một bộ phận quan trọng của mố - trụ cầu Các chức năng chính của bệ cọc: + Chúng giữ chức năng truyền tải trọng từ các kết cấu bên trên xuống nhóm cọc bên dƣới rồi từ đó tiếp tục truyền tải đến lớp đất có khả năng chịu tải, nhằm truyền tải trọng cục bộ ra một diện tích chịu lực lớn hơn.
+ Bệ cọc liên kết hợp các cọc đơn lại với nhau, nhờ đó sự ổn định của cả nhóm cọc đƣợc gia tăng lên rất nhiều.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hầu hết các thiết kế bệ cọc thông thƣờng ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp dầm. Đây là phƣơng pháp sử dụng lý thuyết dầm căn cứ vào giả thiết về tiết diện phẳng của Bernoulli [1]. Phƣơng pháp dầm có ƣu điểm tính toán đơn giản, tuy nhiên chỉ giới hạn dùng để phân tích bệ cọc thông thƣờng, đối với bệ cọc có chiều cao bệ lớn thì phƣơng pháp này không còn phù hợp. Phƣơng pháp dàn ảo (Strut and tie) là một công cụ hữu hiệu, đƣợc thừa nhận và áp dụng trên phạm vi toàn thế giới để phân tích các hƣ hỏng cũng nhƣ thiết kế mới kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là các khu vực chịu lực cục bộ (khu vực không liên tục) trong kết cấu.
Phƣơng pháp này, mặc dù đã đƣợc khởi đầu từ cuối HV: Phạm Huy Tài MSHV: 12144595 –4– thế kỷ 19 bởi Ritter (1899) và Morsch (1909), nhƣng mới đƣợc nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ ở châu Âu và Bắc Mỹ trong thời gian gần đây. Nhiều tiêu chuẩn thiết kế nhƣ EuroCode 2, ACI, AASHTO, DIN 1045 v. đã chính thức coi phƣơng pháp dàn ảo là một phƣơng pháp dùng để phân tích và xử lý cấu tạo cho kết cấu với nhiều thế mạnh thay thế cho việc áp dụng thuần túy các qui định cấu tạo thƣờng đƣợc thể hiện trong các qui trình thiết kế trƣớc đây. Tuy nhiên phƣơng pháp này có quy trình tính toán tƣơng đối phức tạp, và không là phƣơng pháp tối ƣu trong việc thiết kế sơ bộ bệ cọc thông thƣờng.
Một số nghiên cứu điển hình: Năm 1987, các tác giả J Schlaich, K. Schafer, và M Jennewein đã đề xuất một cách toàn diện các khái niệm cho kết cấu bê tông trong đó có đề cập đến việc sử dụng mô hình dàn ảo. Duntemann, Ernest Rogalla, Jennifer A. Dimig, và Brian R.
Greve, công bố kết quả nghiên cứu về việc sửa chữa bệ cọc bằng cách sử dụng mô hình dàn ảo (theo quy định 2002 ACI 318) khi tính toán. [3] Ngoài hai phƣơng pháp tính bệ cọc truyền thống, do có nhiều ƣu điểm phƣơng pháp số PTHH cũng là lựa chọn tối ƣu khi phân tích bài toán phức tạp nhƣ phân tích sự tƣơng tác kết cấu và đất nền (soil – structure interaction), phân tích kết cấu bằng phần tử khối SOLID. Một số nghiên cứu điển hình: Năm 1991, P.Krishna Iyer và C. Sam công bố nghiên cứu trong việc phân tích tƣơng tác đồng thời của kết cấu và đất nền đã nhận xét rằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) rất phù hợp để phân tích những vấn đề tƣơng tự.
Hiệu ứng tƣơng tác đồng thời của kết cấu và đất nền cần lƣu ý khi phân tích kết cấu chịu tải trọng tĩnh lẫn khi chịu tải trọng động [4] Năm 2010, nhóm tác giả Xin-jun Zou đã nghiên cứu sự ổn định cọc bị uốn với đài cọc cao đƣợc sử dụng rộng rãi trong công trình cầu và bến cảng, đã đƣa ra những lợi thế cũng nhƣ những thiếu sót của các phƣơng pháp phân tích truyền thống. Xin-jun Zou đã đề nghị sử dụng phƣơng pháp PTHH nhằm xem xét sự tƣơng tác phi tuyến giữa cọc và đất. [5] Năm 2014, Yongzhi Jiu và Maosong Huang đƣa ra một phƣơng pháp phi tuyến tính đơn giản cho việc nghiên cứu nhóm cọc có xét đến bệ cọc linh hoạt, HV: Phạm Huy Tài MSHV: 12144595 –5– nhóm tìm ra công thức tính phi tuyến duy nhất bằng cách mô phỏng bệ cọc nhƣ một tấm mỏng theo phƣơng pháp PTHH, hệ đƣợc xét giả định hoạt động tuyến tính đàn hồi. [6] Nhƣ vậy tình hình chung trên thế giới, việc sử dụng các mô hình tính toán (mô hình giản ảo, mô hình PTHH) cho việc thiết kế đã hầu nhƣ khai phá rất sâu và rất đa dạng cho nhiều trƣờng hợp cụ thể khác nhau.
Việc nghiên cứu tính toán bệ cọc đã cho ra kết quả gần sát khả năng chịu lực thực tế, tuy nhiên để tiếp cận kết quả trên là cả công trình nghiên cứu phức tạp, thông qua nhiều bƣớc tính toán thiết kế mà trình độ ngƣời kỹ sƣ rất khó tiếp cận. Một lần nữa chứng minh việc đơn giản mô hình tính mà vẫn có kết quả chấp nhận đƣợc là điều cần thiết cho thời điểm hiện nay.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Trƣớc đây việc tính toán thiết kế cầu dựa vào tiêu chuẩn 22TCN18-79, căn cứ theo tiêu chuẩn này chúng ta không một hƣớng dẫn cụ thể nào trong tính toán bệ cọc, dẫn đến các công trình cầu thiết kế trong giai đoạn này thƣờng sử dụng các công thức kinh nghiệm dùng nhiều hệ số an toàn, bố trí thép dày đặc. Trong những năm gần đây, phƣơng pháp giào ảo đã đƣợc một số nhà khoa học ở các cơ quan nghiên cứu, đào tạo và tƣ vấn thiết kế lớn bƣớc đầu nghiên cứu tiếp cận và triển khai áp dụng. Phƣơng pháp đã đƣợc chính thức năm 2001, và đƣợc đƣa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-01 cũng nhƣ đƣợc cập nhật vào năm 2005.
Mặc dù vậy, trên thực tế phƣơng pháp giảo ảo hầu nhƣ chƣa đƣợc áp dụng trong thiết kế do phần chỉ dẫn thiết kế còn chƣa chi tiết nên rất áp dụng vào thực tế. Sau đó, đã có nhiều tác giả trong nƣớc bổ sung cơ sở lý luận cụ thể nhằm giúp ngƣời kỹ sƣ tăng thêm sự hiểu biết về ứng xử bộ phận kết cấu bệ cọc, điển hình là các nghiên cứu: Năm 2006, Nguyễn Đức Thanh đã có nghiên cứu áp dụng mô hình chống giằng (sơ đồ hệ thanh vào trong thiết kế kết cấu cầu bê tông cốt thép. Nội dung nghiên cứu gồm 2 phần chủ yếu: phần cơ sở lý luận tập trung những nội dung cơ bản của phƣơng pháp; phần các ví dụ đƣợc lựa chọn là bốn loại bộ phận kết cấu HV: Phạm Huy Tài MSHV: 12144595 –6– không liên tục điển hình của kết cấu cầu gồm: khu vực gối cầu, khu vực neo cáp dự ứng lực, khu vực đầu dầm. Phạm vi ứng dụng chung và sự thích hợp của phƣơng pháp này để tính toán, xử lý cấu tạo các khu vực chịu lực cục bộ trong cầu bê tông.
Phối hợp các phƣơng pháp truyền thống và phƣơng pháp giào ảo trong thực tế tính toán thiết kế. Trong phần ví dụ bệ cọc bệ cao có tính theo mô hình dàn ảo không gian nhƣng lại không chỉ ra cách xác định hình học nút. Năm 2009, tác giả Lê Hoà đã khảo sát sự làm việc và khả năng chịu lực của bệ cọc tiết diện tam giác đều bằng thực nghiệm hiện trƣờng có so sánh với kết quả tính bằng các phƣơng pháp hiện có và phƣơng pháp phát triển theo lý thuyết. Với hƣớng nghiên cứu này tác giả đã mô hình hóa phƣơng pháp tính cọc, bệ cọc một cách tổng quan, tuy nhiên các xác định vùng nút vẫn phải dựa vào kinh nghiệm.
[10] Bằng lý thuyết phá hoại Mohr – Coulumb để xác định kích thƣớc thanh nén và vùng nút, tác giả góp phần bổ sung thêm cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp nguyên cứu mô hình dàn ảo giúp cho việc mô phỏng tính toán các bài toán khách quan và chính xác hơn. Về ứng dụng PTHH trong nghiên cứu thiết kế bệ cọc cũng đã đƣợc nhiều tác giả nghiên cứu nổi bật là hàng loạt các đề tài sau: Năm 2008, nhóm tác giả Lê Văn Sơn, Phạm Ngọc Khánh đã tiếp tục hoàn thiện phƣơng pháp PTHH, cụ thể đã đƣa phƣơng pháp vào tính toán móng cọc. [11] Năm 2012, tác giả Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, Phạm Ngọc Khánh bƣớc đầu đã đƣa việc sử dụng phần mềm PTHH ANSYS vào trong việc tính ứng suất cục bộ bệ cọc công trình xây dựng. [12] HV: Phạm Huy Tài MSHV: 12144595 –7– 1.4 Nhận xét của chƣơng Trong những năm gần đây, phƣơng pháp giào ảo đã đƣợc một số nhà khoa học ở các cơ quan nghiên cứu, đào tạo và tƣ vấn thiết kế lớn bƣớc đầu nghiên cứu tiếp cận và triển khai áp dụng tuy nhiên việc mô phỏng tính toán còn nhiều bất cập.
Do tính đơn giản, trong tính toán sơ bộ vẫn còn dùng sơ đồ dầm để phân tích bệ cọc. Sự phù hợp của kết quả tính theo sơ đồ dầm với thực tế vẫn còn phải nghiên cứu thêm. HV: Phạm Huy Tài MSHV: 12144595 –8– Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nghiên cứu về kích thƣớc sơ bộ của bệ cọc.1 Nhóm cọc và khoảng cách giữa các cọc Do tải trọng lên móng cầu thƣờng lớn, nên phải dùng nhiều cọc. Các cọc này tạo thành nhóm.
Nội dung của luận văn chỉ tập trung vào khảo sát ứng xử của cọc ma sát. Các nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy sự làm việc của mỗi cọc đơn và của một cọc trong nhóm cọc khác nhau rất nhiều, đối với móng cọc ma sát thì lại càng thể hiện rõ.