Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu BÀI TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC KHOAN NHỒI THEO 22TCN272-05 VÀ AASHTO-LRFD I Tổng qt Đây tốn tính tốn thiết kế tối ưu sức chịu tải cọc khoan nhồi theo đất biết đường kính cọc; khoảng cách cọc nhóm; nội lực đầu cọc (M, N, Q); khoảng cách cọc nhóm; thơng số lý lớp đất mà cọc dự kiến qua (chiều dày lớp đất, sức kháng cắt khơng nước, số búa SPT, …) Kết toán cho biết chiều dài tối ưu cọc thỏa mãn: Sức chịu tải cọc theo đất nền: Qr ≥ Qtt Sức chịu tải cọc theo vật liệu QT ≥ Qtt Như vậy, toán cần phải xác định trước nội lực đầu cọc chọn trước đường kính cọc II Nội dung kỹ thuật tốn Thơng thường thiết kế chiều dài cọc kết cấu móng cọc (mố, trụ, ), người thiết kế thường chọn trước chiều dài cọc theo cấu tạo theo chiều dày lớp đất Sau tính duyệt kiểm tra dần kết chấp nhận Điều chắn chưa thể cho phép người thiết kế chọn chiều dài tối ưu cọc Nội dung chọn chiều dài cọc gồm có: Xác định sức chịu tải cọc theo đất Qr ≥ Qtt , sau cần kiểm tra sức chịu tải cọc đơn sức chịu tải cọc nhóm cọc Yêu cầu liệu đầu vào toán Chọn chiều dài cọc từ điều kiện cho ban đầu : -1- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu Đường kính cọc Nội lực đầu cọc (M, N, Q) Các thông số lý đất (chiều dày lớp đất, sức kháng cắt khơng nước, số búa SPT, …) Nội dung tốn a Các cơng thức Sức chịu tải cọc theo vật liệu QT = ϕ × 0.85 × 0.85 × f c' × AS Trong đó: ϕ : hệ số sức kháng f c' : cường độ bê tông cọc AS : diện tích cọc Sức chịu tải cọc theo đất Qr = (QS + QP ) + DD + PW Trong đó: QS = ϕ qs × qS × AS : sức kháng bên cọc ϕqs : hệ số sức kháng qS : sức kháng bên đơn vị danh định QP = ϕ P × qP × AP : sức kháng mũi cọc ϕ P : hệ số sức kháng qP : sức kháng mũi đơn vị danh định DD: sức kháng ma sát âm PW: triết giảm trọng lượng cọc Sức kháng bên đơn vị danh định đất dính qS = α × S u Trong đó: α : hệ số dính bám Su : cường độ kháng cắt khơng nước trung bình Sức kháng bên đơn vị danh định đất rời -2- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu THAM KHẢO Touma vµ Reese (1974) Meyerhof (1976) Quiros vµ Reese (1977) Reese vµ Wright (1977) Reese vµ O’Neill (1988) MƠ TẢ qs = Kσv tanf < 0,24MPa đây: K = 0,7 Db ≤ 7500mm K = 0,6 ®èi víi 7500mm < Db ≤ 12000mm K = 0,5 ®èi víi Db > 12000mm qs = 0,00096N qs = 0,0025N < 0,19 MPa Víi N ≤ 53 qs = 0,0028 N Víi 53 < N ≤ 100 qs = 0,00021 (N - 53) + 0,15 qs = β σ v ≤ 0,19 MPa với 0,25 1,2 đây: = 1,5 7,7x10-3 z Trong đó: N: số búa SPT chưa hiệu chỉnh (Búa/300mm) σv: ứng suất hữu hiệu thẳng đứng (Mpa) ϕ f : góc ma sát cát (Độ) K: hệ số truyền tải trọng Db: chiều sâu chôn cọc khoan tầng đất chịu lực (mm) β : hệ số truyền tải trọng z: chiều sâu đất (mm) ĐỘ CHẶT Rất rời Rời Vừa Chặt Rất chặt Các góc ma sát cát ϕf SPT-N < 300 0-4 0 30 - 35 - 10 0 35 - 40 10 - 30 0 40 - 45 30 - 50 > 45 > 50 QC (Mpa) < 1.9 1.9 - 3.8 3.8 - 11 11 - 19 > 19 Sức kháng mũi đơn vị danh định đất dính q p = N c × Su ≤ 4.0 -3- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu N c = × [ + 0.2 × ( Z / D) ] ≤ Trong đó: D: đường kính cọc khoan Z: độ xuyên cọc khoan Su : cường độ kháng cắt khơng nước trung bình Sức kháng mũi đơn vị danh định đất rời THAM KHẢO Touma vµ Reese (1974) Meyerhof (1976) MƠ TẢ Rêi - qp (MPa) = 0,0 ChỈt võa - qp (MPa) = 1,5/k RÊt chỈt - qp (MPa) = 3,8/k K = ®èi víi Dp ≤ 500 mm K = 0.6 Dp ®èi víi Dp ≥ 500 mm ChØ dïng Db > 10D Q p ( MPa ) = 0.013 × N corr × Db ≤ 0.13 × N corr cát Dp ≤ 0.096 × N corr bùn Reese vµ Wright (1977) khơng dẻo Qp (MPa) = 0,064 N ®èi víi N ≤ 60 Qp (MPa) = 3,8 ®èi víi N > 60 Reese ONeill (1988) Qp (MPa) = 0,057 N N ≤ 75 Qp (MPa) = 4,3 ®èi víi N > 75 Trong đó: N corr = 0.77 × lg ( 1.92 / σ v' )  × N : số búa SPT-N hiệu chỉnh cho áp lực tầng phủ (búa/300mm) N: số búa SPT chưa hiệu chỉnh (Búa/300mm) D: đường kính cọc khoan (mm) Dp: đường kính mũi cọc khoan (mm) Db: chiều sâu chôn cọc khoan tầng cát chịu lực (mm) σ v' : ứng suất thẳng đứng hữu hiệu (MPa) b Các điều kiện kiểm tra -4- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu Sức chịu tải theo đất µ × ( Qs + Q p ) + PW ≥ Qtt Trong đó: µ : hệ số nhóm cọc Sức chịu tải theo vật liệu QT = ϕ × 0.85 × 0.85 × f c' × AS ≥ Qtt III Mơ hình tốn Với tốn kỹ thuật nêu tốn tối ưu hóa Có thể phát biểu tốn tối ưu hóa sau: Lập tính tốn hàm mục tiêu: L = EL − x Trong đó: EL2: cao độ đỉnh cọc x: cao độ mũi cọc Tìm cực tiểu hóa hàm mục tiêu: L = EL − x = Lmin Biến độc lập: x: cao độ mũi cọc Với ràng buộc Qr ≥ Qtt QT ≥ Qr Với điều kiện xác định miền giá trị tham số hàm (1) Các giá trị xác định từ thông số ban đầu phải nằm khoảng cho phép theo quy định quy trình Trong tham số có ý nghĩa sau : ϕ : hệ số sức kháng f c' : cường độ bê tơng cọc D: đường kính cọc ϕqs : hệ số sức kháng qS : sức kháng bên đơn vị danh định ϕ P : hệ số sức kháng -5- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu qP : sức kháng mũi đơn vị danh định IV Lựa chọn phương pháp giải Để giải toán tối ưu hóa có nhiều phương pháp, nhiên chọn phương pháp tối ưu tham số theo dấu hiệu tăng dần hàm mục tiêu Đây phương pháp đơn giản dể thực hành thuận tiện tính tốn máy tính Dưới trình bày thuật tốn giải tốn tối ưu hóa này: Bước 1: Nhập số liệu đầu vào - Nội lực đầu cọc - Đường kính cọc D - Với điều kiện địa chất trạng thái giới hạn tính tốn, từ xác định hệ số sức kháng - Căn vào hình trụ lỗ khoan địa chất, ứng với loại đất khác nhau, xác định sức kháng đơn vị danh định lớp đất Bước 2: Nhập sơ chiều dài cọc Chiều dài thực tế cọc là: L = L0 + Ltt = EL2 - x Trong L0: chiều dài cọc từ đáy bệ đến cao độ đất tự nhiên sau xói Ltt chiều dài cọc kể từ mặt đất sau bị xói lở EL2: cao độ đỉnh cọc x: cao độ mũi cọc Bước 3: Tính sức chịu tải theo vật liệu sức chịu tải theo đất - Tính QT = ϕ × 0.85 × 0.85 × f c' × AS - Tớnh Qr = ì ( Qs + Qp ) + PW + DD theo trạng thái giới hạn cường độ trạng thái giới hạn cực hạn Bước 4: Kiểm tra theo điều kiện ràng buộc - Từ Qr xác định bước 3, tiến hành kiểm tra theo điều kiện ràng buộc: Qr ≥ Qtt -6- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu QT ≥ Qr - Nếu điều kiện ràng buộc thỏa mãn chuyển sang bước - Nếu điều kiện ràng buộc không thỏa mãn đặt L=L+0.5 chuyển sang bước Bước 5: In kết - Xuất kết hình; file máy in (tùy theo yêu cầu người sử dụng) Bước 6: Dừng kết thỳc chng trỡnh V S Bắ tđ ầu Giớ i thiệu ch ơng trì nh Nhập số liệu đ ầu vào x=x1 qs, qp QT Qs, Qp x=x1 +0.5 QT ≥ QTT n y Qs, Qp ≥ QTT n y Ghi giá trịL In kết Tính tiÕp? y n KÕt thóc -7- Bài tập lớn mơn học Cơ sở thiết kế tối ưu VI Ví dụ tính tốn theo sơ đồ khối Dưới trình bày ví dụ tốn tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi theo sơ đồ khối trình bày Quy trình áp dụng 22TCN-27205 AASHTO LRFD 1998 Các số liệu đầu vào giả định -8- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu VII Lời kết Do thời gian có hạn nên chưa thể hồn chỉnh đầy đủ phần chương trình chay ngôn ngữ Pascal Tuy nhiên, với ý tưởng cách giải em tin tưởng có lời giải xác cho tốn nêu Khi có chương trình giúp nhiều cho kỹ sư thiết kế công việc lựa chọn phương án tối ưu -9- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu BÀI TẬP SÁNG CHẾ Nêu nguyên tắc số thuật toán sáng chế thiết bị ngành cầu, hầm đề xuất thêm nguyên tắc thứ + Chọn đối tượng: gối cầu + nguyên tắc thuật toán sáng chế gối cầu: Phân chia Cấu tạo gối cầu phân chia thành phần độc lập: thép liên kết với thép đặt trước đáy dầm, phần cao su cốt thép, thép trượt,… Từ tạo nên vật thể gối cầu lắp ghép từ phận Đặc tính định xứ Thể phận khác thực chức hoạt động khác nhau: thép làm nhiệm vụ liên kết với đáy dầm, trượt di động dùng cho trụ có bố trí khe co giãn, phần cao su cốt thép làm nhiệm vụ truyền lực xuống kết cấu phần Bất đối xứng Sử dụng hình bất đối xứng (chỉ có thép khơng có thép đệm dưới) đặc điểm làm việc gối cầu Kết hợp Kết hợp thép đệm, gối cao su vữa khơng co ngót để làm việc đồng thời, thực nhiệm vụ truyền lực từ kết cấu phần xuống kết cấu phần Môi giới Thể qua việc gối cầu trung gian truyền lực từ kết cấu phần xuống kết cấu phần Tính đồng Làm vật thể tương tác với vật thể loại vật liệu vật liệu gần với vật thể Cụ thể thép gối liên kết với thép chôn sắn đáy dầm tạo liên kết làm việc đồng thời dầm gối Giãn nở nhiệt Các vật liệu sử dụng làm gối cầu co giãn theo nhiệt độ, hệ số giãn nở nhiệt vật liệu khác khác -10- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu Để đạt hiệu cao khai thác, gối cầu cần thiết kế chịu nước - nguyên nhân ảnh hưởng nhiều tới độ bền tuổi thọ gối cầu (Áp dụng quy tắc đề phòng) TÍNH TỐN SỨC SỐ LIỆU ĐẦU VÀO Cao độ lỗ khoan Cao độ đất tự nhiên (sau xói) Cao độ đáy bệ cọc Cao độ mũi cọc Cao độ mực nước Chiều dài cọc Chiều dài phần loe mũi Đường kính cọc khoan Đường kính mũi cọc khoan Chu vi mặt cắt ngang cọc Diện tích mặt cắt ngang cọc Diện tích mặt cắt ngang mũi cọc Khoảng cách cọc Hệ số nhóm cọc Cường độ bê tông cọc Trọng lượng dơn vị bê tông Trọng lượng đơn vị có hiệu lớp đất đầu cọc Áp lực đất ban đầu dáy bệ Chiều dài cọc ngàm tầng chịu lực TÍNH TOÁN 2.1 Hệ số sức kháng T Hệ số sức kháng Sức kháng bên Sức kháng mũi 0 2.2 Sức kháng bên -11- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu Trong đất dính:(Sử dụng the α - Method) qs = α Su Sưc kháng bên đơn vị danh định: Su : Cường độ kháng cắt khơng nước trung bình α : Hệ số dính bám Các phần sau cọc khoan khơng tính để đóng góp vào phất triển sức kháng thông qua m mặt Chiều dài cọc đỉnh = 1.50 m Chiều dài cọc đáy = 1.20 m Trong đất rời ("1" = Touma and Reese, "2" = Meyerhof, "3" = Quiros and Reese, "4" = Reese and Wright, "5" = Reese and O'Ne Touma and Reese (1974) qs = Kσ v' tanϕf < 0.24Mpa K = 0.7 Db ≤ 7500mm K = 0.6 7500mm < Db ≤ 12000mm K = 0.6 Db > 12000mm Meyerhof (1976) qs = 0.00096N Quiros and Reese (1977) qs = 0.0025N < 0.19Mpa Số búa SPT chưa hiệu chỉnh (Búa/300mm) : ứng suất hữu hiệu thẳng đứng (Mpa) : góc ma sát cát (độ) : hệ số truyền tải trọng : chiều sâu chôn cọc khoan tầng đất cát chịu lực (m : hệ số truyền tải trọng : chiều sâu đất (mm) N σv' ϕf K Db β z Chiều dày Loại đất (m) "1"=Cát, "2"=Sét Các lớp đất 10 11 12 13 14 15 Mũi cọc 3.90 6.50 3.50 4.00 4.00 5.00 5.00 5.00 1 1 1 1.10 38.000 1 -12- Bài tập lớn môn học Cơ sở thiết kế tối ưu Tổng cộng Qs = 2.3 Sức kháng mũi Trong đất dính: qp = Nc Su ≤ 4.0 Sức kháng đvị mũi cọc danh định: Nc = 6[1+0.2(Z/D)] ≤ đây: đ Giá trị Su phải xác định từ kết thí nghiệm trường và/ phòng thí ng ngun dạng lấy khoảng sâu 2.0 lần đường kính mũi cọc Nếu đất giới hạn 2.0 đường kính cọc có Su 0.096MPa với D > 1900mm, đọ lún cọc không đánh giá, giá trị q p phải chiết giảm thành qpr sau: qpr = qpFr Fr = 760 ≤ 1.đó 12.0aDp + 760b a = 0.0071 + 0.0021 Z ≤ 0.015 Dp b = 1.45 2.0S u with 0.5 ≤ b ≤ 1.5 Trong đất rời ("1" = Touma and Reese, "2" = Meyerhof, "3" = Reese and Wright, "4" = Reese and O'Neill) Touma and Reese (1974) Rời: qp = 0.0 Chặt vừa: qp = 1.5/K Rất chặt: qp = 3.8/K K = Db < 500mm K = 0.6 Db ≥ 500mm Chỉ dùng Db > 10D Độ chặt cát ("1" = Rời, "2" = Chặt vừa, "3" Đối với đường kính đáy lớn 1270mm, qp phải chiết giảm sau: qpr = 1270*qp/Dp qp (kPa) 161.0765531 2.4 Sức chịu tải cọc Sức chịu tải theo vật liệu: QT = ϕ *0.85*0.85*f'c*As Triết giảm trọng lượng cọc PW Sức chịu tải theo đất nền: Qr = (Qs+Qp)+DD+PW Sức chịu tải cọc đơn: Sức chịu tải cọc nhóm cọc: Lực đứng tác dụng lên cọc Lức đứng tác dụng lên cọc (có xét đến bê tông bịt đáy) -13- Cườ ... Sức chịu tải cọc Sức chịu tải theo vật liệu: QT = ϕ *0.85*0.85*f'c*As Triết giảm trọng lượng cọc PW Sức chịu tải theo đất nền: Qr = (Qs+Qp)+DD+PW Sức chịu tải cọc đơn: Sức chịu tải cọc nhóm cọc: ... giá trịL In kết Tính tiếp? y n KÕt thóc -7- Bài tập lớn mơn học Cơ sở thiết kế tối ưu VI Ví dụ tính tốn theo sơ đồ khối Dưới trình bày ví dụ tốn tính tốn sức chịu tải cọc khoan nhồi theo sơ đồ... a Các cơng thức Sức chịu tải cọc theo vật liệu QT = ϕ × 0.85 × 0.85 × f c' × AS Trong đó: ϕ : hệ số sức kháng f c' : cường độ bê tông cọc AS : diện tích cọc Sức chịu tải cọc theo đất Qr = (QS