Ảnh hưởng của sự tương tác cọc và nền lên phản ứng kết cấu nhà nhiều tầng chịu động đất

i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Mở Thành phố Hồ Chí

Minh, Khoa Đào tạo Sau Đại học và các thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy lớp Cao

học Xây dựng của Trường đã tạo điều kiện thuận lợi và truyền đạt cho tôi những kiến

thức chuyên môn và phương pháp học tập, nghiên cứu mới.

Tiếp theo đó, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Nguyễn Trọng

Phước, người hướng dẫn luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi gặp

nhiều khó khăn trong việc tiếp cận những kiến thức và hướng giải quyết cho đề tài.

Nhờ sự hướng dẫn tận tình của Thầy và những chia sẻ động viên nỗ lực phấn đấu

vươn lên trong cuộc sống đã giúp tôi hoàn thành đề tài.

Tôi xin cảm ơn các bạn bè, anh chị học viên khoá 2014 đã giúp đỡ tôi trong

suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Tôi cũng chân thành cảm ơn đến các tác

giả đã có rất nhiều cống hiến trong việc nghiên cứu và viết nhiều bài báo khoa học,

nhiều sách tham khảo có giá trị để tôi tham khảo. Đó chính là sự hỗ trợ rất nhiều về

mặt kiến thức để tôi có thể hoàn thành luận văn này.

Sau cùng, tôi muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến mẹ và vợ tôi đã luôn bên

cạnh và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Lê Văn Nghĩa.

ii

TÓM TẮT

Luận văn này phân tích ảnh hưởng sự tương tác cọc và nền xung quanh cọc

lên phản ứng động của kết cấu nhà nhiều tầng chịu gia tốc nền của động đất. Với mục

tiêu đặt ra là tìm lời giải có độ chính xác tương đối cao, kết cấu bên trên được mô

hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn với đầy đủ các thành phần chuyển vị của

các nút với sự hỗ trợ của phần mềm SAP2000. Sự tương tác giữa kết cấu bên trên và

nền móng nhằm phản ánh chính xác hơn thông qua nền móng bè - cọc có thông số

gồm có các lò xo tương ứng từng phương có độ cứng nhất định. Các đặc trưng về độ

cứng lò xo mũi cọc Kc, độ cứng lò xo dọc thân cọc Ksv, độ cứng lò xo ngang cọc Kh

và hệ số nền dưới móng bè được tính sơ lược thông qua các công thức lý thuyết của

cơ học đất nền móng. Toàn bộ hệ chịu gia tốc nền của động đất, bài toán động lực

học theo thời gian được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn và rời rạc hóa

theo miền thời gian bởi phương pháp tích phân từng bước Newmark được tích hợp

trong mô đun phân tích động của phần mềm SAP2000.

Các kết quả số tương ứng với một kết cấu 25 tầng chịu động đất có tương tác

nền được thực hiện thông qua các đại lượng như chu kỳ dao động, chuyển vị lớn nhất

tại đỉnh kết cấu, lực cắt và môn men tại chân cột cho thấy ảnh hưởng của sự tương

tác này lên kết quả là có khi so sánh với mô hình không xét tương tác. Các kết quả so

sánh giữa mô hình 1 là công trình chịu động đất có liên kết ngàm tại chân cột với 3

mô hình còn lại khai báo liên kết nút tại chân cột với móng cho thấy khi công trình

chịu động đất có liên kết nút thì chu kì có tăng lên với sự khác biệt lớn nhất có thể

lên tới 42%; chuyển vị đỉnh của kết cấu có thể tăng lên, một số trường hợp có thể

tăng tới 2 lần; lực cắt và mô men tại chân cột có sự chênh lệch rất lớn, sự chênh lệch

này lên tới vài lần.

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Lê Văn Nghĩa, học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân Dụng và

Công Nghiệp, khoá 2014 trường Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi cam đoan

rằng, Luận văn này là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự hướng

dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Trọng Phước. Các kết quả trong bài làm được thực

hiện chính xác, các nhận xét là khách quan.

Tôi chịu trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 07 năm 2018

Lê Văn Nghĩa

iv

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU.....................................................................................1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ...................................................................................................1

1.2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN...................................................................................4

1.2.1 Mục tiêu luận văn ...........................................................................................4

1.2.2 Phạm vi luận văn ............................................................................................5

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN.........................................................................5

1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN..................................................................................6

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN...................................................................................8

2.1 GIỚI THIỆU .....................................................................................................8

2.2 MÓNG CỌC – BÈ.............................................................................................8

2.2.1 Tổng quan móng bè – cọc...............................................................................8

2.2.2 Ứng dụng móng bè cọc.................................................................................10

2.2.3 Cơ chế làm việc của móng bè cọc .................................................................11

2.2.4 Sự làm việc của nhóm cọc ............................................................................13

2.2.5 Các quan điểm thiết kế hiện nay ...................................................................14

2.3 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ...................................................16

2.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................17

2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................22

2.4 KẾT LUẬN.....................................................................................................26

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT......................................................................27

3.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................27

3.2 TƯƠNG TÁC CỌC - ĐẤT NỀN VÀ BÈ - ĐẤT NỀN ....................................27

3.2.1 Giả thiết tính toán .........................................................................................27

3.2.2 Xác định độ cứng lò xo đất ...........................................................................29

3.2.3 Xác định độ cứng lò xo cọc...........................................................................34

v

3.2.4 Các dạng mô hình biến dạng của nền đất ......................................................40

3.3 TÍNH TOÁN CỌC LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI VỚI NỀN................................44

3.3.1 Tương tác nền – cọc......................................................................................44

3.3.2 Tải trọng tác động lên công trình ..................................................................45

3.3.3 Xây dựng mô hình tính móng bè - cọc ..........................................................46

3.3.4 Phần mềm SAP2000 v19.0.0 ........................................................................47

3.4 KẾT LUẬN.....................................................................................................48

CHƯƠNG 4 VÍ DỤ SỐ.......................................................................................49

4.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................49

4.2 BÀI TOÁN KIỂM CHỨNG............................................................................49

4.2.1 Giới thiệu công trình.....................................................................................49

4.2.2 So sánh kết quả.............................................................................................50

4.3 KHẢO SÁT MÔ HÌNH...................................................................................53

4.3.1 Tổng quan mô hình.......................................................................................53

4.3.2 Tính toán các số liệu đầu vào........................................................................57

4.3.3 Kết quả tính toán...........................................................................................66

4.4 KẾT LUẬN.....................................................................................................72

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................73

5.1 KẾT LUẬN.....................................................................................................73

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................................................................74

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................75

vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3. 1: Bảng tra hệ số nền theo K.X. Zavriev ..................................................30

Bảng 3. 2: Bảng tra giá trị Cz theo Terzaghi .........................................................30

Bảng 4. 1: Bảng so sánh kết quả chu kì (giây) ......................................................50

Bảng 4. 2: Bảng điều kiện địa chất công trình .......................................................53

Bảng 4. 3: Bảng giá trị tải trọng tác dụng lên móng ..............................................54

Bảng 4. 4: Bảng tính độ lún cọc đơn theo phương pháp Gambin ..........................62

Bảng 4. 5: Bảng tính độ cứng lò xo cọc theo môđun biến dạng nền ......................62

Bảng 4. 6: Bảng thống kê số liệu đầu vào .............................................................65

Bảng 4. 7: Bảng kết quả tính toán chu kì của các mô hình T (s) ............................67

Bảng 4. 8: Bảng kết quả chuyển vị đỉnh (mm) ......................................................68

Bảng 4. 9: Bảng kết quả lực cắt tại chân cột (KN) ................................................70

Bảng 4. 10: Bảng kết quả mô men tại chân cột (KN.m) ........................................71

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1: Phối cảnh khu trung tâm khu đô thị Vinhomes Central Park ..................1

Hình 1. 2: Thiết kế điển hình của một số tòa nhà hiện nay ......................................3

Hình 1. 3: Mô hình tương tác giữa cọc với kết cấu nền lên công trình chịu tải trọng

ngang ..............................................................................................................4

Hình 2. 1: Cấu tạo móng bè cọc ..............................................................................9

Hình 2. 2: Mặt bằng kết cấu móng tòa nhà 115 Định Công, Q. Hoàng Mai, Hà Nội

......................................................................................................................11

Hình 2. 3: Mô hình sự tương tác của móng bè - cọc (Poulos, 2000) ......................12

Hình 2. 4: Các đường đẳng ứng suất của cọc đơn (a) và nhóm cọc (b) ..................13

Hình 2. 5: Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún theo các quan điểm thiết kế .............16

Hình 2. 6: Mô hình nhà 5 tầng khi có tác động của động đất .................................18

Hình 2. 7: Mô hình tương tác động của đất cát lên cọc tròn ..................................18

Hình 2. 8: Mô hình sử dụng móng bè và móng bè cọc cho nhà 15 tầng .................19

Hình 2. 9: Mô hình tương tác của đất với móng bè cọc .........................................20

Hình 2. 10: Mô hình móng bè cọc nhà cao 15 tầng ...............................................20

Hình 2. 11: Mô hình các tòa nhà từ thấp tầng, trung tầng và cao tầng ...................21

Hình 2. 12: Mô hình nhà cao 25 tầng có xét tương tác đất nền ..............................22

Hình 2. 13: Mô hình dầm trên nền đàn hồi Winkler ..............................................23

Hình 2. 14: Mô hình móng bè cọc .........................................................................24

Hình 2. 15: Sơ đồ tính tương tác của hệ kết cấu N tầng và nền móng cọc .............25

Hình 2. 16: Mô hình các loại tương tác giữa cọc – đài móng và đất dưới móng ....25

Hình 3. 1: Sơ đồ tính tương tác của hệ kết cấu N tầng và nền móng cọc ...............28

Hình 3. 2: Quan hệ giữa ứng suất và độ lún thu được bằng thí nghiệm nén đất hiện

trường ...........................................................................................................29

viii

Hình 3. 3: Biểu đồ xác định hệ số IF......................................................................34

Hình 3. 4: Đồ thị S = f(P) theo kết quả thử cọc bằng tải trọng tĩnh ........................35

Hình 3. 5: Sơ đồ phương pháp truyền tải trọng Gambin ........................................39

Hình 3.6: Mô hình nền Winkler ............................................................................41

Hình 3.7: Mối quan hệ độ lún - tải trọng trong mô hình nền bán không gian đàn hồi

......................................................................................................................43

Hình 3. 8: Mô hình cọc – đất ................................................................................44

Hình 3. 9: Đường cong P-Y và T-Z của đất ..........................................................45

Hình 3. 10: Đồ thị gia tốc nền trận động đất El Centro (1940) ..............................46

Hình 4. 1: Biểu đồ so sánh chu kì của bài báo và mô hình kiểm chứng T (s) .........50

Hình 4. 2: Kết quả lực cắt theo theo phương X của bài báo (KN) .........................51

Hình 4. 3: Kết quả lực cắt theo theo phương X của mô hình kiểm chứng (KN) .....51

Hình 4. 4: Kết quả chuyển vị đỉnh của mô hình bài báo (m) .................................52

Hình 4. 5: Kết quả chuyển vị đỉnh của mô hình kiểm chứng (m) ..........................52

Hình 4. 6: Mô hình công trình có gắn các lò xo có độ cứng nền tương đương .......66

Hình 4. 7: so sánh chu kì của các mô hình khảo sát ..............................................67

Hình 4. 8: Biểu đồ so sánh chuyển vị đỉnh công trình chiều dương phương trục X 68

Hình 4. 9: Biểu đồ so sánh chuyển vị đỉnh công trình chiều âm phương trục X ....69

Hình 4. 10: Biểu đồ so sánh tổng chuyển vị đỉnh công trình phương trục X ..........69

Hình 4. 11: Biểu đồ so sánh lực cắt tại chân cột (Max) .........................................70

Hình 4. 12: Biểu đồ so sánh lực cắt tại chân cột (Max) .........................................70

Hình 4. 13: Biểu đồ so sánh mô men tại chân cột (Max) .......................................71

Hình 4. 14: Biểu đồ so sánh mô men tại chân cột (Min) ........................................71