CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Kết cấu bê tông cốt thép nói chung và cầu Bê tông cốt thép nói riêng hiện đang được áp dụng rộng rãi. Việc tính toán đài cọc bê tông cốt thép là một trong những phần công việc quan trọng trong tính toán thiết kế cầu. Kết cấu đài cọc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kết cấu nhịp, kết cấu móng…Chương này sẽ trình bày phần tổng quan về cầu bê tông cốt thép, thực tế tính toán thiết kế đài cọc hiện nay và tìm hiểu, hệ thống hóa các nghiên cứu đã được thực hiện trong và ngoài nước, từ đó giới hạn phạm vi nghiên cứu. KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP Bê tông cốt thép là vật liệu phức hợp do Bê tông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực.
Bê tông là đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, sỏi, đá…gọi là cốt liệu) và chất kết dính (xi măng hoặc các chất dẻo) [1]. Bê tông cốt thép được phát triển từ giữa thế kỷ 19, trải qua các thời kỳ, việc nghiên cứu lý luận và ứng dụng bê tông cốt thép rộng rãi từ cuối thế kỷ 19. Ngày nay, kết cấu bê tông cốt thép đã được sử dụng phổ biến, với cơ sở lý thuyết, tính toán tương đối đầy đủ. MÓNG TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP Khác với kết cấu nhịp, nơi có thể áp dụng đa dạng các loại vật liệu: bê tông cốt thép (thường/dự ứng lực), thép, Bê tông cốt thép và thép liên hợp.
Kết cấu móng trụ cầu trong công trình cầu hiện đại thường sử dụng vật liệu Bê tông cốt thép và đài cọc là nơi truyền lực từ kết cấu nhịp xuống hệ thống móng cọc chống đỡ công trình. Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 3 Trong kết cấu này, đài cọc là một khối bê tông bố trí trên đầu nhóm cọc, để truyền tải trọng từ kết cấu thân trụ xuống nhóm cọc, từ đó các cọc truyền xuống dưới nền đất. Sự ổn định và áp lực của nền đất càng xuống sâu thì càng tăng, trong khi đầu cọc phía trên là nơi tiếp nhận lực từ đài cọc truyền xuống do đó đầu cọc chính là nơi có chuyển vị và ứng suất lớn nhất. Lúc này, đài cọc có tác dụng liên kết các đầu cọc lại với nhau, khiến cho chuyển vị của đầu cọc giảm đi, độ ổn định của toàn bộ nhóm cọc được tăng lên.
THỰC TẾ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ HIỆN NAY Hiện nay, đối với các công trình cầu vừa và nhỏ, tại nhiều đơn vị tư vấn thiết kế trong nước cũng như cả những tài liệu tính toán của nước ngoài, việc tính toán đài cọc chủ yếu được áp dụng tính toán theo lý thuyết dầm. Theo mỗi phương, đài cọc được coi như các dầm kê trên các gối là các cọc. Theo đó, lực và mô men tác dụng từ kết cấu truyền qua thân trụ được phân ra theo từng phương để tính ra mô men và lực cắt. Vị trí tiếp giáp giữa thân trụ và đài cọc được coi như liên kết ngàm, do đó mặt cắt nguy hiểm chính là mặt cắt tại vị trí tiếp giáp này [2] [3].1: Mặt cắt dùng để tính toán và kiểm toán đài cọc Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 4 Ngoài ra, cũng có một số giả thiết tính toán không xét đến liên kết giữa thân trụ và đài cọc, coi như lực và mô men tác dụng từ kết cấu truyền qua thân trụ như những ngoại lực phân bố đều trên tiết diện mặt cắt thân trụ.
CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ THỰC HIỆN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Các nghiên cứu trong nước Lê Hòa đã nghiên cứu đề tài “Thiết kế đài cọc Bê tông cốt thép theo mô hình giàn ảo không gian: lý thuyết và thực nghiệm” [4]. Nội dung của đề tài là tính toán, thiết kế đài cọc theo phương pháp mô hình giàn ảo, gồm các trường hợp đài cọc tam giác đều 3 cọc, đài cọc hình vuông 4 cọc chịu nén đúng tâm và đài cọc hình vuông 4 cọc chịu nén lệch tâm bé. Phần thực nghiệm kiểm tra lại việc tính toán và bố trí cốt thép theo mô hình giàn ảo. Dựa vào kết quả thực nghiệm tác giả đã đưa ra những kết luận về sự hợp lý của việc thiết kế bố trí thép đài cọc theo phương pháp mô hình giàn ảo.
Lê Đăng Long đã nghiên cứu đề tài “Phân tích sự làm việc của bệ cọc cầu dây trên móng cọc khoan nhồi theo sơ đồ chống-giằng” [5]. Nội dung của đề tài là áp dụng mô hình chống-giằng, còn gọi là mô hình giàn ảo để tính toán lại bệ trụ phía tây của cầu Thuận Phước. Dựa vào kết quả nghiên cứu, so sánh, tác giả đề xuất việc bố trí cốt thép hợp lý hơn tại các vùng xuất hiện thanh giằng trong mô hình giàn ảo. Các nghiên cứu ở nước ngoài Perry AdebarR, Daniel Kuchma, and Michael P.
Collins đã nghiên cứu đề tài “Strut-and-Tie Models for the Design of Pile Caps-An Experimental Study” [6]. Nghiên cứu dựa trên kết quả kiểm tra 6 đài cọc bị thực nghiệm phá hoại để chỉ ra rằng phương pháp thiết kế cắt theo 2 phương đã không dự báo đúng được giá trị của tải trọng phá hoại và phương pháp sử dụng mô hình giàn ảo mô tả ứng xử của đài cọc cao một cách chính xác hơn. Perry Adebar and Luke (Zongyu) Zhou đã nghiên cứu đề tài “Design of Deep Pile Caps by Strut-and-Tie Models” [7]. Nghiên cứu này thiết kế đài cọc theo quy Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 5 định của ACI và theo phương pháp tính toán dùng mô hình giàn ảo.
Tiến hành các thí nghiệm phá hoại và so sánh các giá trị tải trọng cực hạn với các giá trị được tính toán từ các phương pháp khác nhau. Từ đó đưa ra những nhận xét và đề xuất việc bố trí các thép dọc phía trên các đầu cọc.1: Biểu đồ thể hiện kết quả nghiên cứu của Perry Adebar and Luke Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 6 1. HÌNH DẠNG THÂN TRỤ Hình dạng của thân trụ phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu chịu lực của cầu. Có nhiều loại trụ khác nhau: trụ dạng tháp trong các loại cầu treo; trụ dạng tường, dạng cột trong các cầu đơn giản hay liên tục.
Bên cạnh vấn đề chịu lực, trụ cầu còn là một bộ phận chính của cây cầu, là hình ảnh mang ấn tượng đầu tiên về cây cầu. Về cơ bản thì trụ cầu là một bộ phận của kết cấu phần dưới có vai trò truyền lực từ kết cấu phần trên xuống móng tại vị trí đầu dầm. Trụ cầu sẽ như một “phần sống” trong thiết kế cầu, đặc biệt là theo chiều dọc cầu. Thiết kế trụ cầu theo một khía cạnh nào đó cũng là một vấn đề nhạy cảm đối với người sử dụng, nhất là trong những trường hợp tận dụng hết lợi thế của cây cầu như: tận dụng không gian dưới cầu để nghỉ ngơi…Một phần chính nhất của trụ cầu tác động đến vấn đề mỹ quan này là thân trụ, xà mũ.
Do đó thân trụ cầu cũng có hình dạng rất đa dạng. Xét về mặt cắt ngang, mặt cắt ngang thân trụ có thể được thiết kế rất nhiều hình dạng: mặt cắt ngang hình tròn, mặt cắt ngang hình chữ nhật, mặt cắt ngang hình chữ nhật vát góc, bo tròn… Hình 1.2: Hình dạng mặt cắt thân trụ điển hình Tuy nhiên, trong tính việc toán đài cọc của luận văn này, vấn đề mà ta quan tâm là dạng mặt cắt ngang thân trụ tại vị trí tiếp giáp với đài cọc. Ngay cả khi hình dạng Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 7 thân trụ có cấu tạo mặt cắt khác như bo tròn, vát góc…thì khi tính toán, xác định mắt cắt nguy hiểm, ta đều quy về mặt cắt hình chữ nhật đồng tâm, có diện tích tương đương. Do đó, trong phạm vi luận văn này, để thuận tiện, chọn thân trụ có mặt cắt hình chữ nhật.
HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC ĐÀI CỌC Như đã trình bày, đài cọc có tác dụng chủ yếu là liên kết các nhóm cọc, truyền lực từ kết cấu xuống cọc, do vậy, hình dạng đài cọc thường được quyết định bởi số lượng cọc và mặt bằng bố trí cọc. Số lượng cọc, mặt bằng bố trí cọc rất đa dạng, phụ thuộc vào từng cầu khác nhau, do đó hình dạng đài cọc cũng thường rất đa dạng.3: Hình dạng mặt cắt đài cọc điển hình Một điều hiển nhiên là, với mỗi loại kích thước hình học của đài cọc, thì việc tính toán, bố trí cốt thép là khác nhau. Tuy nhiên, trong phạm vi luận văn này, đài cọc hình chữ nhật với các kích thước dài x rộng x cao (A x B x H) được xem xét đưa vào làm ví dụ tính toán. Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 8 1.
VỊ TRÍ ĐÀI CỌC TRONG ĐẤT Trong tính toán móng cọc nói chung, căn cứ vào vị trí của đài cọc trong đất mà thực chất là căn cứ vào áp lực ngang của đất tác dụng lên đài cọc mà ta có các loại móng cọc đài cao và móng cọc đài thấp [1]. Hướng nghiên cứu của đề tài là về tính toán nội lực của đài cọc, do đó vị trí của đài cọc trong đất không ảnh hưởng tới mục tiêu nghiên cứu.Vì vậy, để đơn giản trong tính toán, ta không xét đến tác dụng của đất nền lên đài cọc, đất nền không tham gia chịu tải, tức đài cọc coi chỉ tựa lên trên các đầu cọc, toàn bộ lực từ đài cọc truyền xuống hệ cọc. Qua các trình bày ở trên, ta thấy rằng việc tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp tính toán đài cọc bê tông cốt thép là việc làm cần thiết, đáp ứng được yêu cầu từ thực tiễn tính toán, thiết kế công trình cầu hiện nay. Việc phân tích, nghiên cứu sẽ được thực hiện trên trụ cọc đài cao, đài cọc bê tông cốt thép hình chữ nhật.
Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 9 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP Có nhiều phương pháp tính toán, thiết kế đài cọc bê tông cốt thép khác nhau. Các phương pháp khác nhau áp dụng các giả thuyết khác nhau, dựa trên các lý thuyết tính toán khác nhau, do đó, trình tự tính toán của các phương pháp cũng khác nhau. Chương này tiến hành phân tích các phương pháp hiện được áp dụng và cơ sở lý thuyết của các phương pháp đó.