Tiến Sĩ Nghiên cứu sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang và tải trọng động đất

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KIẾN TRÚC
NĂM 2014

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KƯ HIỆU CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
DANH MỤC CÁC H̀NH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN
MỞ ĐẦU
1 Lư do lựa chọn đề tài . 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 3
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4
4. Nội dung nghiên cứu 4
5 Phương pháp nghiên cứu 4
6 Bố cục của luận án . 4
7 Những đóng góp mới của luận án . 6
Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VỚI NỀN ĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG NGANG
1.1 Tổng quan về động đất 9
1.1.1 Động đất . 9
1.1.2 Nguồn gốc động đất . 10
1.1.3 Sóng động đất . 13
1.1.4 Các thang đánh giá cường độ động đất . 15
1.1.5 Nhiệm vụ thiết kế kháng chấn cho công tŕnh và các thông số chuyển động nền đất . 16
1.2 Tổng quan các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa cọc với nền đất chịu tải trọng ngang 18
1.2.1 Nhóm các phương pháp dựa trên mô h́nh nền Winkler 18
1.2.2 Nhóm các phương pháp dựa trên mô h́nh đàn hồi liên tục . 28
1.3 Tóm tắt và nhận xét chương 1 34
Chương 2: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH NẰM NGANG
2.1 Các phương tŕnh cơ bản và phương tŕnh truyền sóng của môi trường đàn hồi . 36
2.1.1 Các liên hệ cơ bản của môi trường đàn hồi 36
2.1.2 Xây dựng các phương tŕnh vi phân cân bằng và phương tŕnh truyền sóng theo PPNLCT Gauss 38
2.1.2.1 Phương pháp Nguyên lư cực trị Gauss . 38
2.1.2.2 Xây dựng phương tŕnh vi phân cân bằng 41
2.1.2.3 Xây dựng phương tŕnh truyền sóng 44
2.2 Các lời giải đối với không gian vô hạn đàn hồi và nửa không gian vô hạn đàn hồi . 47
2.2.1 Lời giải không gian vô hạn đàn hồi 48
2.2.2 Lời giải nửa không gian vô hạn đàn hồi . 49
2.3 Xây dựng bài toán tương tác giữa khối đất với nửa không gian vô hạn đàn hồi 50
2.3.1 Hệ so sánh là nửa không gian vô hạn đàn hồi 51
2.3.2 Hệ so sánh là không gian vô hạn đàn hồi . 54
2.4 Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 57
2.5 Kiểm tra kết quả và các nhận xét . 61
2.5.1 Bài toán hệ so sánh là nửa không gian vô hạn đàn hồi 61
2.5.2 Bài toán hệ so sánh là không gian vô hạn đàn hồi . 66
2.5.3 Bài toán tính khối đất có xét đến trọng lượng bản thân . 68
2.6 Kết luận chương 2 . 70

Chương 3 NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VỚI NỀN ĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH NẰM NGANG
3.1 Lư thuyết dầm Timoshenko . 71
3.2 Xây dựng bài toán dầm chịu uốn có xét biến dạng trượt ngang theo Phương pháp nguyên lư cực trị Gauss . 73
3.2.1 Phương pháp thứ nhất 73
3.2.2 Phương pháp thứ hai 75
3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn đối với dầm có xét đến biến dạng trượt ngang 78
3.4 Xây dựng bài toán tương tác giữa cọc đơn với nền đất chịu tải trọng tĩnh nằm ngang 82
3.4.1 Trường hợp dùng hệ so sánh là nửa không gian vô hạn đàn hồi. 82
3.4.2 Trường hợp dùng hệ so sánh là không gian vô hạn đàn hồi . 85
3.5 Khảo sát một số trường hợp kiểm tra độ tin cậy của chương tŕnh tính 88
3.5.1 So sánh kết quả theo lời giải của chương tŕnh MstaticP1
khi cho mô đun đàn hồi của hệ so sánh khác nhau 88
3.5.2 So sánh kết quả của hai lời giải theo hai chương tŕnh tính MstaticP1 và KstaticP1 khi lực ngang đặt tại chân cọc
3.5.3 Khảo sát bài toán so sánh với phương pháp của Zavriev(1962) dựa trên mô h́nh nền biến dạng cục bộ. 90
3.5.4 Khảo sát bài toán so sánh với phương pháp của Poulos (1971) dựa trên mô h́nh nền đàn hồi liên tục . 92
3.5.5 Khảo sát bài toán so sánh với kết quả nghiên cứu của Kim,O’Neill, Matlock dựa trên phương pháp dùng đường cong p-y . 93
3.6 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến sự làm việc của cọc đơn chịu tải trọng tĩnh nằm ngang . 96
3.6.1 Khảo sát cọc ngắn và cọc dài trong nền đàn hồi đồng nhất . 96
3.6.2 Khảo sát cọc đơn tựa trên lớp đá cứng . 98
3.6.3 Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng đất đối với sự làm việc của cọc 100
3.7 Khảo sát sự ảnh hưởng của cọc tới chuyển vị nền đất . 101
3.8 Kết luận chương 3 102
Chương 4: NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN TƯƠNG TÁC GIỮA CỌC VỚI NỀĐẤT CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG NẰM NGANG VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
4.1 Lời giải xung đơn vị của không gian vô hạn đàn hồi . 104
4.1.1 Lời giải xung đơn vị trong miền thời gian . 105
4.1.2 Lời giải theo biến đổi tích phân Laplace . 106
4.1.3 Lời giải theo biến đổi tích phân Fourier . 106
4.2 Hệ số giảm chấn vật liệu của đất 107
4.3 Lời giải số của bài toán động lực học 109
4.3.1 Số liệu trận động đất El Centro, 1940 và biến đổi Fourier rời rạc DFT(Discrete Fourier Transform). 109
4.3.2 Tích phân Duhamel trong miền thời gian và miền tần số 111
4.4 Xây dựng bài toán tương tác động lực học của cọc khi chịu tải trọng động nằm ngang 113
4.5 Khảo sát dao động của khối đất và của cọc chịu tải trọng động nằm ngang . 115
4.5.1 Khảo sát dao động khối đất 115
4.5.2 Khảo sát truyền sóng cắt (sóng Love) trong nền đất . 119
4.5.3 Khảo sát dao động của cọc đơn 123
4.6 Khảo sát dao động của cọc chịu tải trọng động đất . 125
4.7 Kết luận chương 4 131
KẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ . 132
DANH MỤC CÁC CÔNG TR̀NH ĐĂ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CT1
TÀI LIỆU THAM KHẢO . TK1

MỞ ĐẦU
1 Lý do lựa chọn đề tài

Động đất là thiên tai cực kỳ nguy hiểm có thể gây ra các thảm họa đối với con người và phá hủy nghiêm trọng các công tŕnh. Việt Nam tuy không nằm trong vành đai lửa của những khu vực có động đất lớn trên thế giới, nhưng không loại trừ bị ảnh hưởng bởi những trận động đất mạnh, do trên lănh thổ Việt Nam tồn tại nhiều đứt găy hoạt động phức tạp như đứt găy Lai Châu - Điện Biên, đứt găy Sông Mă, đứt găy Sơn La, đới đứt găy Sông Hồng, đới đứt găy Sông Cả .Các nghiên cứu khoa học đă ghi nhận, từ đầu thế kỷ 20 đến nay ở khu vực phía Bắc nước ta đă xảy ra 2 trận động đất cấp 8-9 (thang MSK-64), tương đương 6,7-6,8 độ Richter, hàng chục trận động đất cấp 7, tương đương 5,1-5,5 độ Richter và hàng trăm trận động đất yếu hơn. Điển h́nh trận động đất xảy ra tại Điện Biên năm 1935, với cường độ 6,7 độ Richter, xảy ra trên đới đứt găy Sông Mă; trận động đất tại Tuần Giáo năm 1983, có cường độ 6,8 độ Richter, xảy ra trên đứt găy Sơn La, gây nên sụt lở, nứt
đất trên diện rộng, sụt lở lớn trong núi, gây hư hại nhà cửa trong phạm vi bán kính đến 35 km [14].
Ở Việt Nam đă, đang và sẽ tiến hành xây dựng nhiều công tŕnh xây dựng lớn như nhà máy điện hạt nhân; công tŕnh ngoài khơi; đập thủy điện, công tŕnh cầu, cảng lớn; nhà cao tầng phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Sự kiện các trận động đất kích thích xảy ra tại khu vực thủy điện Sông Tranh Bắc Trà Mi, Quảng Nam gần đây đặt ra cho các cơ quan quản lư nhà nước cần phải xây dựng một chiến lược pḥng tránh và giảm nhẹ hậu quả động đất ở Việt Nam trong đó yêu cầu về thiết kế kháng chấn cho các công tŕnh xây dựng phải được quan tâm đặc biệt để đảm bảo sự an toàn cao nhất cho công tŕnh và cuộc sống của người dân. Khi đó đ̣i hỏi cần phải xem xét lại một số vấn đề, đặc biệt là về tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, dữ liệu động đất; mô h́nh, phương pháp tính toán v v. Hiện nay, khi thiết kế các công tŕnh xây dựng trong các vùng có động đất thường dựa trên ba phương pháp tính toán chính sau: Phương pháp tĩnh lực ngang
tương đương; phương pháp phổ phản ứng; phương pháp tích phân trực tiếp phương tŕnh chuyển động (phương pháp động lực học). Cả ba phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và đă được đưa vào trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước [19],[20],[21],[22],[37],[42],[44],[52],[59] . Ở nước ta, khi thiết kế kháng chấn cho công tŕnh xây dựng nói chung, công tŕnh giao thông nói riêng thường sử dụng một số tiêu chuẩn chính được biên dịch từ tiêu chuẩn của nước ngoài như Tiêu chuẩn 22TCN 272- 05[20]: “Tiêu chuẩn thiết kế cầu” được biên dịch theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 trong đó có tŕnh bày ảnh hưởng của động đất, phân tích tải trọng động đất, song chưa có những hướng dẫn thực hành cụ thể; Tiêu chuẩn TCXDVN 375: 2006[22]: “ Thiết kế công tŕnh chịu động đất được biên dịch từ Tiêu chuẩn Châu Âu: Erocode 8, phần 1 và phần 5, chủ yếu được sử dụng trong thiết kế các công tŕnh nhà, nền móng, tường chắn, c̣n những công tŕnh đặc biệt
như nhà máy điện hạt nhân, công tŕnh ngoài khơi, các đập lớn nằm ngoài phạm vi quy định của tiêu chuẩn này và cũng chỉ nêu yêu cầu chung về phân tích động học cho móng cọc nhưng c̣n thiếu những hướng dẫn chi tiết; Tiêu chuẩn 22 TCN 22195[19]:“Công tŕnh giao thông trong vùng động đất” là tiêu chuẩn được biên soạn riêng cho các công tŕnh giao thông trong vùng động đất được biên dịch từ tiêu chuẩn XNiP II-7-81* của Nga[59]. Tiêu chuẩn TCXD 205-1998[21] chỉ đưa ra một số chỉ dẫn liên quan đến giảm khả năng chịu tải của cọc và tác động của lực quán
tính tác dụng lên đầu cọc trong khi chưa có những chỉ dẫn liên quan đến tương tác động học.
Các chấn động của động đất có thể gây ra sự phá hoại công tŕnh thông qua sự phá hoại của nền đất bên dưới làm giảm sức chịu tải của đất nền, gây biến dạng và trong một số trường hợp có thể dẫn đến hiện tượng hóa lỏng của đất nền. Do đó, việc quan tâm đến tính toán thiết kế nền và móng cho công tŕnh khi chịu tải trọng động đất là một vấn đề rất quan trọng. Trong các loại móng của công tŕnh, móng cọc là một giải pháp phổ biến và hợp lư v́ có nhiều giá trị về kinh tế, kỹ thuật. Những nghiên cứu lư thuyết và thực nghiệm trong tính toán móng cọc rất phát triển
và đạt được nhiều thành tựu quan trọng, tuy nhiên c̣n nhiều vấn đề phức tạp đặt ra cần phải giải quyết. Khó khăn lớn nhất khi thiết kế móng cọc chịu tải trọng ngang và tải trọng động đất là tính gần đúng khi xác định trạng thái ứng suất biến dạng của cọc, nguyên nhân là do sự gần đúng khi đánh giá tương tác giữa cọc và nền. Do tương tác giữa cọc và nền quá phức tạp nên thường đơn giản hoá bằng các mô h́nh. Qua nghiên cứu các tài liệu về tương tác giữa cọc và nền đất, tác giả thấy rằng hầu hết các phương pháp hiện nay đều tập trung nghiên cứu theo hai nhóm chính sau:
- Nhóm các phương pháp dựa trên mô h́nh nền Winkler với “ḷ xo tuyến tính” và “ḷ xo phi tuyến” (Chang, 1937; Reese và Matlock, 1956; Zavriev, 1962; Trần B́nh, 1968; O’Neill, 1984; Gazetas 1992, Naggar và Novak,1995; Thavaraj 2001 )[2],[4],[13],[15],[16],[17],[18],[31],[38],[41],[48],[51].
- Nhóm các phương pháp dựa trên mô h́nh đàn hồi liên tục (Gagafov, 1967; Lê Đức Thắng, 1966; Poulos, 1971a,b; Verruijt& Kooijman, 1989; Liam Finn, 2005 .) [8],[17],[38],[50],[54].
Để xét tương tác giữa cọc và đất, các nhóm phương pháp trên thường đưa thêm các liên kết phụ như ḷ xo, hộp nhớt vào trong mô h́nh tính toán. Tuy nhiên việc t́m các hệ số độ cứng “ḷ xo tuyến tính”, “ḷ xo phi tuyến” (đường cong p-y), hệ số nhớt để xét điều kiện bức xạ ra vô cùng là khó xác định và thiếu độ chính xác, mỗi tác giả đề nghị một cách và chủ yếu dựa vào thực nghiệm xét đối với từng
trường hợp cụ thể. Vấn đề tương tác giữa cọc và đất chưa được xem xét một cách đầy đủ, mới chỉ xét ảnh hưởng của đất lên cọc mà chưa xét ảnh hưởng của cọc lên đất. Mặt khác việc xét điều kiện biên ở vô hạn rất khó khăn, đặc biệt đối với bài toán truyền sóng khi xảy ra động đất
Từ những phân tích trên, thấy rằng nghiên cứu sự làm việc của cọc, trong đó nghiên cứu sự tương tác giữa cọc và nền đất khi chịu tải trọng nằm ngang và tải trọng động đất là vấn đề cần thiết, có ư nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần xem xét đầy đủ hơn về phương pháp tính toán móng cọc của công tŕnh ở Việt Nam.
2 Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng phương pháp lư thuyết nghiên cứu bài toán tương tác giữa cọc-nền đất và phần mềm tính toán xác định trạng thái ứng suất biến dạng của cọc chịu tải
trọng ngang và tải trọng động đất
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu cọc đơn thẳng đứng nằm trong bán không gian vô hạn đàn hồi chịu tác dụng của tải trọng tĩnh nằm ngang, tải trọng động nằm ngang và tải trọng động đất.
Luận án không tính toán trong mô h́nh nền đất khác (đàn dẻo, đàn nhớt), không xét hiện tượng hóa lỏng trong nền đất khi xảy ra động đất; không xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất băo ḥa và không nghiên cứu bài toán trạng thái giới hạn của cọc.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng khối đất chịu tải trọng tĩnh nằm ngang.
Nghiên cứu bài toán tương tác tĩnh học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang.
Nghiên cứu bài toán tương tác động lực học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng động nằm ngang và chịu tải trọng động đất trong miền tần số và miền thời
gian.
Xây dựng phần mềm tính toán cho các trường hợp nghiên cứu trên.
5 Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng bài toán lư thuyết bằng cách sử dụng phương pháp dùng hệ so sánh của Phương pháp nguyên lư cực trị Gauss (sau đây viết tắt là PPNLCT Gauss) khi dùng lời giải tĩnh của bán không gian vô hạn đàn hồi (đối với bài toán tương tác tĩnh học) và lời giải động lực học của không gian vô hạn đàn hồi (đối với bài toán tương tác động lực học) làm hệ so sánh. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải và dựa trên kết quả bằng số nhận được các kết quả chứng minh tính đúng đắn và độ tin cậy của lư thuyết tính toán.