Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Chuyển Vị và Nội Lực Cọc Chịu Lực Ngang trong Công Trình Cảng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích địa kỹ thuật xây dựng phân tích chuyển vị và nội lực của cọc chịu lực ngang trong công trình cảng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Quốc Huy
• Người hướng dẫn: PGS TS Võ Phán
• Trường học: Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Phân Tích Chuyển Vị và Nội Lực Cọc Chịu Lực Ngang trong Công Trình Cảng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về cọc chịu lực ngang

Cọc chịu lực ngang là một trong những giải pháp quan trọng trong thiết kế công trình cảng, đặc biệt là trong các khu vực có nền đất yếu. Việc phân tích chuyển vị và nội lực của cọc chịu lực ngang giúp xác định khả năng chịu tải và độ ổn định của công trình. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, cọc chịu lực ngang không chỉ chịu tác động từ tải trọng tĩnh mà còn từ tải trọng động như sóng, gió và tác động của tàu neo đậu. Theo Broms (1964), việc tính toán cọc chịu lực ngang cần phải xem xét đến các yếu tố như nội lực, lực ngang, và tải trọng tác động lên cọc. Điều này đòi hỏi các kỹ sư phải áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế. Các phần mềm như Abaqus và Plaxis đã được sử dụng rộng rãi để mô phỏng và phân tích các tình huống khác nhau trong thiết kế cọc chịu lực ngang.

1.1. Các phương pháp phân tích

Có nhiều phương pháp phân tích khác nhau được áp dụng trong việc tính toán cọc chịu lực ngang. Phương pháp phân tích động lực học là một trong những phương pháp phổ biến, cho phép đánh giá tác động của các tải trọng động lên cọc. Ngoài ra, phương pháp phân tích tĩnh cũng được sử dụng để xác định các nội lực và chuyển vị của cọc dưới tải trọng tĩnh. Theo nghiên cứu của Reese và Matlock (1984), việc áp dụng mô hình Winkler trong phân tích cọc có thể giúp cải thiện độ chính xác của kết quả tính toán. Hơn nữa, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng như SAP2000 và Plaxis 3D Foundation đã giúp các kỹ sư có thể mô phỏng các tình huống phức tạp và đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu hơn.

II. Đặc thù tính toán của cọc chịu lực ngang trong công trình cảng

Trong công trình cảng, cọc chịu lực ngang phải đối mặt với nhiều thách thức đặc biệt. Đặc thù của nền đất yếu yêu cầu các kỹ sư phải có những tính toán chính xác để đảm bảo an toàn cho công trình. Theo nghiên cứu của Duncan (1994), các yếu tố như độ bền vật liệu, tải trọng tác động, và đặc điểm địa chất đều ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cọc. Việc phân tích nội lực và chuyển vị của cọc trong điều kiện thực tế là rất quan trọng để đảm bảo rằng cọc có thể chịu được các tải trọng từ tàu và các yếu tố môi trường khác. Hơn nữa, việc áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại như phân tích phần tử hữu hạn giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán hành vi của cọc dưới tải trọng ngang.

2.1. Ứng dụng trong thiết kế công trình

Việc áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại trong thiết kế cọc chịu lực ngang không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tiết kiệm chi phí xây dựng. Các phần mềm như Plaxis và SAP2000 cho phép mô phỏng các tình huống phức tạp, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu. Theo nghiên cứu của Hetenyi (1946), việc sử dụng mô hình cọc-đất trong phân tích giúp các kỹ sư có thể đánh giá chính xác hơn về khả năng chịu lực của cọc. Hơn nữa, việc phân tích động lực học cũng rất quan trọng trong việc đánh giá tác động của các tải trọng động lên cọc, từ đó đảm bảo an toàn cho công trình trong suốt thời gian sử dụng.

III. Kết luận và kiến nghị

Phân tích chuyển vị và nội lực của cọc chịu lực ngang trong công trình cảng là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn và hiệu quả của công trình. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong thiết kế. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao trong thiết kế công trình cảng. Đặc biệt, việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn trong nghiên cứu sẽ giúp các kỹ sư có cái nhìn tổng quan hơn về hành vi của cọc dưới tải trọng ngang.

3.1. Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Để nâng cao chất lượng nghiên cứu trong lĩnh vực này, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu và các kỹ sư thực tiễn. Việc chia sẻ dữ liệu và kinh nghiệm từ các dự án thực tế sẽ giúp cải thiện độ chính xác của các mô hình phân tích. Hơn nữa, cần phát triển các phần mềm phân tích mới có khả năng mô phỏng các tình huống phức tạp hơn, từ đó giúp các kỹ sư có thể đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu hơn cho các công trình cảng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Cuøng vôùi xu höôùng phaùt trieån cuûa xaõ hoäi, caùc coâng trình xaây döïng ngaøy caøng lôùn hôn veà soá löôïng cuõng nhö quy moâ coâng trình phuïc vuï cho nhieàu muïc ñích khaùc nhau cuûa con ngöôøi. Giaûi phaùp neàn moùng cho nhöõng coâng trình coù taûi troïng lôùn seõ laø caùc loaïi moùng saâu nhaèm taän duïng söùc chòu taûi cuûa lôùp ñaát toát phía beân döôùi. Moùng coïc laø moät trong nhöõng loaïi moùng saâu ñöôïc söû duïng roäng raõi nhaát vì tính öu vieät veà maët kyõ thuaät cuõng nhö vaán ñeà kinh teá cuûa noù. Moùng coïc ngoaøi nhieäm vuï gaùnh ñôõ taûi troïng ñöùng coøn phaûi tieáp nhaän taûi troïng ngang raát lôùn ñeán töø nhieàu nguoàn khaùc nhau nhö taûi gioù, taûi soùng, taûi va taøu, taûi neo taøu, ñoäng ñaát hay aùp löïc cuûa maùi doác ñaát… Vaán ñeà tính toaùn coïc chòu löïc ngang thì raát phöùc taïp vaø coù raát nhieàu nhaø nghieân cöùu quan taâm ñeán lónh vöïc naøy, tuy nhieân moãi taùc giaû coù moät quan ñieåm tính toaùn khaùc nhau neân vieäc löïa chọn phöông phaùp cuûa taùc giaû naøo ñeå aùp duïng cho baøi toaùn thöïc teá ñoøi hoûi ngöôøi thieát keá phaûi coù söï hieåu bieát roõ veà caùc phöông phaùp ñoù.

Caùc kyõ sö thieát keá caûng hieän nay thöôøng söû duïng moâ hình khung phaúng hoaëc khung khoâng gian ñeå giaûi quyeát baøi toaùn noäi löïc trong coïc vaø daàm baûn, tuy nhieân vieäc ñöa caùc chieàu daøi tính toaùn cuûa coïc vaøo moâ hình tính toaùn theo nhieàu caùch neân caàn coù söï ñaùnh giaù caùc phöông phaùp ñoù nhaèm tìm ra phöông phaùp toái öu nhaát cho vieäc tính toaùn. MỤC ĐÍCH NGHIEÂN CÖÙU Trong coâng taùc tính toaùn noäi löïc cho caùc coâng trình Caûng treân neàn coïc hieän nay chuû yeáu söû duïng phaàn meàm Sap2000 ñeå moâ hình cho caû heä coâng trình vaø coïc. Tuy nhieân coù nhieàu caùch moâ hình cho phaàn coïc trong ñaát theo nhieàu caùch nhö: Moâ hình coïc ngaøm taïi moät ñieåm giaû ñònh trong ñaát, moâ hình moät goái cöùng -2- thaúng ñöùng vaø moät goái ngang, moâ hình caùc goái loø xo theo phöông thaúng ñöùng vaø phöông ngang, moâ hình caùc goái loø xo doïc theo thaân coïc. Tuy nhieân vaãn chöa coù söï ñaùnh giaù keát quaû tính toaùn töø caùc moâ hình naøy.

Do ñoù ñeà taøi “Phaân tích chuyeån vò vaø noäi löïc cuûa coïc chòu löïc ngang trong coâng trình Caûng” seõ phaân tích nhaèm tìm ra moâ hình coïc-ñaát- coâng trình phuø hôïp ñeå phuïc vuï tính toaùn caùc coâng trình beán treân neàn coïc. PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU Nghieân cöùu lyù thuyeát: Phaân tích, toång hôïp caùc nghieân cöùu ñaõ coù veà öùng xöû cuûa coïc khi chòu taûi troïng ngang. Thí nghieäm hieän tröôøng treân coïc ñôn chòu taûi troïng ngang. Söû duïng phaàn meàm Plaxis 3D Foundation đđể mô phỏng thí nghiệm nén ngang cọc, tiếp đó sử dụng phần mềm tính toaùn keát caáu Sap2000 V.2 ñeå tính toaùn coïc ñôn chòu löïc ngang theo phöông phaùp ñöôøng cong p-y.

So saùnh keát quaû cuûa caùc phöông phaùp tính so vôùi keát quaû thöïc teá roài ruùt ra keát luaän. Tieán haønh hieäu chuaån soá lieäu ñaàu vaøo cho ñöôøng cong p-y ñeå coù keát quaû tính toaùn phuø hôïp vôùi keát quaû thí nghieäm hieän tröôøng. TÍNH KHOA HOÏC CUÛA ÑEÀ TAØI Höôùng nghieân cöùu cuûa taùc giaû veà öùng xöû cuûa coïc khi chòu taûi troïng ngang phuø hôïp vôùi xu höôùng nghieân cöùu moùng coïc cuûa Vieät Nam cuõng nhö treân Theá Giôùi. Nghieân cöùu giuùp cho caùc kyõ sö thieát keá coù söï löïa choïn moâ hình tính toaùn coïc chòu löïc ngang phuø hôïp ñeå aùp duïng tính toaùn cho caùc baøi toaùn moùng coïc.

TÍNH THÖÏC TIEÃN CUÛA ÑEÀ TAØI Vieäc söû duïng caùc phaàn meàm tính toaùn keát caáu theo phöông phaùp phaàn töû höõu haïn ñang phaùt trieån raát nhanh, keát quaû nghieân cöùu cuûa ñeà taøi seõ giuùp ngöôøi -3- thieát keá choïn löïa ñöôïc moâ hình tính toaùn phuø hôïp cho moãi phaàn meàm nhaèm tìm ra ñöôïc öùng xöû phuø hôïp vôùi thöïc teá laøm vieäc cuûa coïc, taän duïng ñöôïc toái ña söï laøm vieäc cuûa coïc giuùp giaûm kinh phí xaây döïng maø coâng trình vaãn ñaûm baûo an toaøn. GIÔÙI HAÏN NGHIEÂN CÖÙU CUÛA ÑEÀ TAØI Ñeà taøi khoâng xeùt ñeán hieäu öùng cuûa nhoùm coïc khi giaûi baøi toaùn khung phaúng vaø khung khoâng gian. Vieäc tính toaùn môùi chæ döøng laïi ôû öùng xöû cuûa coïc khi chòu taûi ngang tónh. Ñeà taøi chæ hieäu chænh ñöôøng cong p-y cho lôùp ñaát taïi moät khu vöïc.

Keát quaû thí nghieäm hieän tröôøng chöa thöïc hieän ñöôïc cho coïc coù chieàu daøi töï do lôùn, chöa coù thieát bò theo doõi chuyeån vò cuõng nhö öùng suaát doïc thaân coïc. -4- CHƯƠNG 1: TOÅNG QUAN CAÙC NGHIEÂN CÖÙU VEÀ COÏC CHÒU LÖÏC NGANG Vieäc öùng duïng coïc vaøo caùc coâng trình chòu taûi troïng ngang ñaõ ñöôïc öùng duïng roäng raõi töø raát laâu, cuøng vôùi ñoù laø caùc coâng trình nghieân cöùu cuûa raát nhieàu caùc taùc giaû treân Theá Giôùi. Tieâu bieåu laø caùc coâng trình nghieân cöùu cuûa Hetenyi (1946), Terzaghi (1955), Broms (1964), Reese (1984), Duncan (1994)… Ñoái vôùi moùng coïc chòu taûi troïng ngang, caùc yeáu toá quan troïng sau ñaây laø aûnh höôûng chính: ¾ Söùc khaùng cuûa ñaát neàn xung quanh coïc. ¾ Lieân keát ñaàu coïc.

¾ Loaïi taûi troïng taùc duïng. Hình 1-1: Coâng trình Caûng xaêng daàu PETEC – Caùi Meùp söûû duïng coïc oáng theùp D812.1mm -5- Vieäc tính toaùn coïc chòu löïc ngang chuû yeáu döïa vaøo caùc coâng thöùc kinh nghieäm thieát laäp treân caùc thí nghieäm moâ hình coïc-ñaát trong phoøng thí nghieäm hay caùc thí nghieäm thöïc teá ngoaøi hieän tröôøng. Coù nhieàu phöông phaùp tính taûi troïng ngang cuûa coïc nhö phöông phaùp döï baùo cuûa Broms; Meyerhof; Reese-Matlock; coïc chòu taûi ngang theo TCVN 205:1998 vaø hieän nay ñang thoâng duïng nhaát laø caùch tính toaùn coïc chòu löïc ngang theo phöông phaùp phaàn töû höõu haïn. Phöông phaùp coå ñieån nhaát laø cuûa Hetenyi 1946 xem cọc vaø ñaát laø vaät lieäu ñaøn hồi, moâ hình ñôn giaûn naøy ñaõ ñöôïc söû duïng raát roäng raõi.

Taùc giaû ñaõ söû duïng nhöõng giaû thieát sau ñeå giaûi quyeát baøi toaùn: [1] ¾ Coïc thaúng vaø coù tieát dieän khoâng ñoåi theo chieàu daøi, ¾ Löïc taùc duïng vaø phaûn löïc cuøng naèm trong moät maët phaûng, ¾ Vaät lieäu cheá taïo coïc laø ñoàng nhaát vaø ñaúng höôùng, ¾ Söùc chòu taûi theo vaät lieäu cuûa coïc lôùn hôn söùc chòu taûi theo ñaát neàn, ¾ Modul ñaøn hoài cuûa vaät lieäu laøm coïc gioáng nhau cho caû tröôøng hôïp chòu keùo vaø chòu neùn, ¾ Chuyeån vò ngang cuûa coïc laø nhoû, ¾ Coïc khoâng chòu taûi ñoäng, ¾ Chuyeån vò do löïc caét gaây ra laø nhoû. -6- Hình 1-2: Phaàn töû taùch ra töø daàm-coïc ñể tính toùan (Theo Hetenyi 1946).[1] Töø söï phaân tích löïc nhö hình treân, laäp phöông trình caân baèng moment ta coù (M + dM ) − M + Px dy − Vv dx = 0 (1.1) Hay dM dy + Px − Vv = 0 (1.2) dx dx Laáy ñaïo haøm phöông trình treân theo x ñöôïc: d2M d 2 y dVv + Px 2 − =0 (1.3) dx2 dx dx Maët khaùc ta coù quan heä: d2M d4 y = Ep I p 4 (1.4) dx2 dx dVv =p (1.6) Töø ñoù seõ coù phöông trình cô baûn: d4 y d2 y E p I p 4 + Px 2 + E py .7) dx dx Khi xeùt ñeán taûi troïng ngang phaân boá treân moät ñôn vò chieàu daøi coïc W, ta coù phöông trình caân baèng môùi: d4 y d2 y E p I p 4 + Px 2 − p + W = 0 (1.8) dx dx Hình 1-3. Daïng keát quaû ñaït ñöôïc töø caùch tính cuûa Hetenyi [1] Năm 1955 Terzaghi ñề xuất giaù trị modul cho đñất nền nhằm phục vụ tính toaùn chuyển vị vaø moment uốn của cọc vaø oâng cuõng khuyeán caùo raèng nhöõng giaù trò modul đñược cho trong bảng chỉ thích hợp cho trường hợp tải trọng ngang nhỏ bằng một nửa sức chịu tải của đñất nền. Moâ hình naøy ñöôïc tieáp tuïc phaùt trieån bôûi Poulos vaø caùc coäng söï nhö Davis 1980 vaø Hull 1989.

Caùc taùc giaû ñaõ theâm vaøo caùc thoâng soá cuûa coïc vaø xeùt moät soá tröôøng hôïp coïc ñôn chòu löïc ngang vaø caû söï töông taùc giöõa caùc coïc trong nhoùm. -8- Phöông phaùp naøy cuõng gaây ñöôïc söï chuù yù nhöng noù vaãn chöa roõ raøng khi tính toaùn nhöõng chuyeån vò lôùn hôn. Töông töï nhö moâ hình treân, cuõng xem coïc laø ñaøn hoài nhöng ñöôïc ñaët vaøo trong neàn ñaát theo moâ hình phaàn töû höõu haïn, Yegian& Wright 1973 vaø Thompson 1977 ñaõ ñeà xuaát moâ hình vôùi hai thoâng soá. Caùc taùc giaû söû duïng moâ hình maët phaúng öùng suaát vaø thu ñöôïc caùc ñöôøng cong öùng xöû cuûa ñaát gaàn gioáng vôùi keát quaû töø thí nghieäm moâ hình.

Gaàn ñaây hôn laø Portugal & Seco e Pinto 1993 söû duïng phöông phaùp phaàn töû höõu haïn döïa vaøo ñöôøng cong p-y vaø cuõng thu ñöôïc nhöõng keát quaû raát toát trong vieäc döï ñoaùn öùng xöû cuûa caùc coïc trong moùng caàu Portuguese. Broms 1964 giaû thieát söï phaân boá söùc khaùng caét khoâng thoaùt nöôùc cuûa ñaát rôøi taêng tuyeán tính theo ñoä saâu vaø ñaát dính coù söùc khaùng caét khoâng thay ñoåi theo chieàu saâu. Tuøy vaøo ñieàu kieän bieân cuûa ñaàu coïc (ngaøm hay töï do) seõ thieát laäp ñöôïc caùc coâng thöùc tính löïc ngang giôùi haïn töø caùc phöông trình caân baèng löïc vaø moment. Daïng phaân boá phaûn löïc neàn trong ñaát seùt theo Broms [2] Theo caùch naøy coù theå deã daøng öôùc löôïng ñöôïc söùc chòu taûi ngang cuûa coïc khi ñi qua lôùp ñaát neàn ñoàng nhaát.

Tuy nhieân thöïc teá coïc coù theå seõ ñi qua nhieàu lôùp ñaát khaùc nhau vaø cuõng khoâng phaûi laø ñaát dính hay rôøi hoaøn toaøn neân vieäc aùp -9- duïng phöông phaùp naøy vaøo thöïc teá coøn haïn cheá. Maët khaùc ñaây laø phöông phaùp chæ öôùc löôïng ñöôïc söùc chòu taûi ngang, chuyeån vò ngang taïi maët ñaát, khoâng cho caùc giaù trò chuyeån vò vaø noäi löïc taïi caùc ñieåm doïc thaân coïc. Maëc duø coøn nhieàu haïn cheá nhöng phöông phaùp naøy vaãn thöôøng ñöôïc söû duïng vì söï ñôn giaûn, ñaëc bieät laø khi tính toaùn cho caùc coïc ngaén cho keát quaû ñaùng tin caäy. Do vaäy ngöôøi ta vaãn thöôøng söû duïng noù ñeå kieåm toaùn caùc keát quaû tính toaùn ñöôïc töø phöông phaùp ñöôøng cong p-y.

Duncan 1994 ñeà xuaát phöông phaùp ñaëc tröng cuûa taûi troïng(CLM), coù theå duøng ñeå giaûi quyeát caùc vaán ñeà nhö: Chuyeån vò taïi maët ñaát cuûa coïc chòu löïc ngang cho caû tröôøng hôïp ñaàu coïc töï do vaø bò ngaøm chuyeån vò taïi maët ñaát cuûa coïc khi chòu moment taïi maët ñaát. Daïng phöông trình tính toaùn cho coïc trong ñaát seùt nhö sau: [1] 0.