MỘT SỐ XU HƯỚNG CẢI TIẾN TRONG
PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU BẾN BỆ CỌC CAO
KSCC. Đặng Quang Liên
Nguyên Kĩ sư Trưởng TEDI
Tóm tắt: Phân tích kết cấu trong thiết kế bến cập tàu bệ cọc cao là một nội dung hết sức quan trong mà các kĩ sư tư vấn thiết kế công trình bến cảng luôn phải thực hiện. Để giúp các kỹ sư thiết kế có thêm thông tin tham khảo trong quá trình thiết kế, bài viết này tập trung thảo luận và giới thiệu một số xu hướng cái tiến trong phương pháp tính kết cấu bến bệ cọc cao.
A. Vấn đề quan tâm
Bến cập tàu có kết cấu dạng bệ cọc cao hiện đang được áp dụng khá phổ biến trong thực tế xây dựng cảng ở Việt Nam. Tuy nhiên, các nội dung quy định, hướng dẫn tính toán loại hình kết cấu này lại còn nhiều vấn đề thiếu tính cập nhật. Một trong số những vấn đề được các kĩ sư thiết kế quan tâm là mô hình tính toán của cọc nằm trong đất nền. Các mô hình tính toán hiện đang được sử dụng phổ hiện nay là coi cọc được ngàm trong đất nền ở điểm Z0, tại một độ sâu Lu. Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc TCXD 205 – 98, chỉ dẫn tính toán xác định độ sâu ngàm cọc trong đất nền Lu theo công thức:
Đặc trưng biến dạng của điểm ngàm Z0 hiện đang có hai quan niệm khác nhau. Nhiều kĩ sư thiết kế coi điểm Z0 là một điểm ngàm trượt nhưng nhiều người khác lại quan niệm tại Z0 cọc được coi là điểm ngàm cứng trong đất nền.
Thực tế, hệ số nền của đất quanh cọc là một tham số rất phức tạp, không phải lúc nào cũng giả thiết tăng tuyến tính theo độ sâu là phù hợp. Mặt khác, Lu lại không phải là một tham số độc lập với độ lớn của tải trọng ngang. Hơn nữa, bến bệ cọc cao thường đi kèm với mái dốc dưới gầm bến; ảnh hưởng của mái dốc đến biến dạng và nội lực trong kết cấu bến cũng là một vấn đề đã được đưa vào tiêu chuẩn 22 TCN 207 – 92. Tiếc rằng, các quy định trong tiêu chuẩn 22 TCN 207 – 92 cũng còn quá phức tạp, khiến cho việc tuân thủ các quy định tương ứng khó được thực hiện một cách triệt để.
B. Một số xu hướng cải tiến mô hình tính toán
B.1 Tiếp tục áp dụng mô hình điểm ngàm cọc
Mô hình điểm ngàm cọc trong đất nền được sử dụng từ những năm giữa thế kỷ XX. Đã có nhiều nhà nghiên cứu, chuyên gia trong ngành từng phê phán mô hình này; song thực tế ở nước ta cũng như một số nước trên thế giới, các kĩ sư thiết kế vẫn đang tiếp tục sử dụng đồng thời với nỗ lực nghiên cứu cải tiến mô hình này.
B.1.1. Nhược điểm của giả thiết cọc ngàm tại độ sâu Lu
- Nhược điểm lớn nhất của giả thiết cọc ngàm trong đất nền tại độ sâu Lu là gần như không thể xác định được một điểm nào trên thân cọc thoả mãn điều kiện của một điểm ngàm lý tưởng;
- Xác định vị trí điểm cọc ngàm trong đất nền cũng thực sự phức tạp vì khi chịu tác dụng của tải trọng ngang lên đầu cọc, điểm ngàm cũng sẽ dịch chuyển một khi cường độ tải trọng ngang có sự thay đổi;
- Với sơ đồ ngàm cọc, giá trị mô men tại điểm ngàm cọc trong đất nền hầu như bằng với giá trị mô men đỉnh cọc và điều này không phản ánh đúng với thực tế làm việc của cọc.
B.1.2. Nội dung một số cải tiến đáng chú ý
Các hạn chế của giả thiết cọc ngàm trong đất nền tại độ sâu Lu đã được các chuyên gia biết đến từ lâu nhưng các kỹ sư thiết kế vẫn sử dụng mô hình này vì sự đơn giản trong tính toán. Để khắc phục một phần những nhược điểm, hạn chế như đã nói trên, các chuyên gia trong ngành đã có một số cải tiến đáng chú ý như sau:
a. Bỏ khái niệm ngàm cứng, chấp nhận khái niệm “ngàm trượt”
Thực tế, khi chịu các lực tác dụng lên hệ khung, cọc không chỉ bị uốn mà còn chịu nén dọc trục. Điểm ngàm là điểm ứng với mặt cắt có giá trị mô men lớn nhất trong đoạn thân cọc, nằm gần mặt đất lại thường có độ lún khá lớn. Do vậy, giả định điểm này được ngàm cứng là không phù hợp thực tế. Vì lẽ đó, tại điểm Zo có thể coi là liên kết dạng “ngàm trượt” sẽ phù hợp hơn nhờ các đặc tính sau:
Như vây, trong bài toán không gian, khi xét đến khả năng chống xoắn của cọc thì tính chất của điểm “ngàm trượt” này cần phải thoả mãn yêu cầu không ngăn cản khả năng xoắn của cọc tại điểm Zo (nếu chiều dài chống xoắn lớn hơn chiều dài chịu uốn Lu).
b. Sử dụng khái niệm “cọc tương đương”.
Khi có xét đến chiều dài chống xoắn Lx, chiều dài chống nén Ln thì mỗi cọc sẽ có 3 loại chiều dài mang ý nghĩa cơ học khác nhau. Điều này sẽ gây thêm phức tạp cho công việc tính toán. Để đơn giản hơn cho tính toán, từ lâu các kĩ sư thiết kế của TEDI Port đã sử dụng thuật ngữ “cọc tương đương” để gộp 02 loại chiều dài tính toán chịu uồn Lu và chiều dài tính toán chịu nén Ln thành một chiều dài, và lấy vừa bằng đúng chiều dài chịu uốn. Nhằm mục đich này, kích thước và các đặc trưng cơ học của “cọc tương đương” phải thoả mãn các tiêu chuẩn sau:
Khi có thêm chiều dài chống xoắn thì hiện chưa có mô hình “cọc tương đương” thích hợp cho cùng 03 loại chiều dài nói trên.
B.3 Xét ảnh hưởng của mái dốc
B.3.1. Các phương pháp hiện hành
Cho đến nay, khi gặp mái đất dưới gầm bến khá dốc; các kĩ sư tư vấn thiết kế thường xử lý mô hình tính toán theo 03 cách phổ biến như sau:
a. Không xem xét đến ảnh hưởng của mái dốc
b. Xử lý mái dốc theo tiêu chuẩn Nhật Bản
Theo tiểu chuẩn kỹ thuật cảng và công trình cảng (OCDI - Technical Standards for Port and Harbour Facilities), trước khi sử dụng công thức (1) hoặc các công thức tương tự, mái dốc gầm bến được phân chia thành hai nửa gần bằng nhau; mặt phẳng chia đôi đó được gọi là mặt đất giả định. Độ sâu ngàm cọc Lu được tính từ mặt phẳng giả định đó.
c. Xử lý mái dốc theo 22 TCN 207 – 92
Có thể nói, tiêu chuẩn thiết kế công trình bến cảng biển 22 TCN 207 – 92 là tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành duy nhất ở Việt Nam có đề cập đến ảnh hưởng của mái dốc gầm bến khi xác định nội lực trong kết cấu bến bệ cọc cao. Theo quy định của tiêu chuẩn này, hướng của tải trọng ngang có ảnh hưởng lớn đối với chiều sâu ngàm cọc. Không những thế, độ sâu điểm ngàm cọc còn chịu ảnh hưởng của cường độ tải trọng ngang tác dụng trên đầu cọc. Về lôgíc, các quy định trong tiêu chuẩn này là phù hợp; tuy nhiên, chỉ dẫn trong tiêu chuẩn này có nhược điểm là khó áp dụng khi tính toán bến bệ cọc cao có sơ đồ kết cấu phức tạp, vì phải biết trước hướng chịu lực của các cọc.
B.3.2. Một phương pháp xét tới ảnh hưởng của mái dốc
a.Khái niệm về áp lực mái dốc
Theo phương pháp này, khái niệm về áp lực mái dốc được xây dựng như sau:
b. Phương pháp xác định áp lực mái dốc gây ra
Trên cơ sở những khái niệm như đã trình bày ở trên, áp lực thường trực của mái dốc tác dụng trên các cọc có thể xác định theo công thức sau:
Như vậy, áp lực mái dốc được xem là tăng tuyến tính với độ sâu trong phạm vi mái dốc. Khi độ sâu h0 vượt qua mặt phẳng đáy trước bến (chân mái dốc) thì áp lực này giữ nguyên giá trị tại mặt phẳng ngang đáy bến.
B.4 Sử dụng mô hình ngàm đàn hồi
Nhằm giảm số lượng ẩn số khi giải bài toán kết cấu bến bệ cọc cao theo sơ đồ không gian, đồng thời tránh việc sử dụng mô hình điểm ngàm trong đất, nhiều kĩ sư thiết kế đã áp dụng mô hình “ngàm đàn hồi” đặt tại điểm cọc gặp mặt đất như đã được GS. Lê Đức Thắng đề xuất (Tính toán móng cọc - Đại học Xây dựng, Hà Nội - 1998). Trong bài toán kết cấu bến bệ cọc cao theo sơ đồ không gian, điểm ngàm đàn hồi sẽ được gắn 06 “lò xo”, với các chức năng:
Độ cứng của các “lò xo” này được chuẩn bị sẵn cho từng cọc, phù hợp với điều kiện đất nền và kích thước cọc.
Hiện đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về phương pháp xác định độ cứng của các “lò xo” này. Chúng tôi sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu chọn lọc về phương pháp xác định độ cứng của các “lò xo” trong một bài viết khác.
Tài liệu tham khảo
(1) Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế TCXD 205 – 98;
(2) Sổ tay thiết kế công trình bến cảng Trung Quốc;
(3) Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc 20 TCN 21 – 86;
(4) Tiêu chuẩn thiết kế Công trình bến cảng biển 22 TCN 207 – 92;
(5) OCDI - Technical Standards for Port and Harbour Facilities;
(6) Lê Đức Thắng – Tính toán móng cọc - Đại học Xây dựng, Hà Nội – 1998.
Thiệp chúc mừng năm mới 2023 của Chủ tịc...
Hội Cảng – Đường thủy – Thềm lục địa Việ...
Trao quyết định bổ nhiệm Giám đốc Trung ...