Nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn "Xói cục bộ trụ cầu" tập trung vào giải quyết vấn đề xói ở nhóm cọc - xói tại chân nhóm trụ cọc, xói cục bộ ở trụ phức tạp. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu: Phần 2

Chương 4 XÓI Ở NHÓM CỌC 4.1. G IỚ I T H IỆ U C ơ chế xói cục bộ trụ đơn là cơ chế xoáy dạng m óng ngựa, là yếu tố quan trọng nhất của quá trình xói cục bộ tại trụ cầu trong dòng chảy ổn định. T rường hợp nhóm cọc sẽ có sụ tương tác giữa các cọc hay tương tác cùa các lớp biên cùa các cọc, vai trò ảnh hưởng cúa hệ thống xoáy sau của trụ trước ảnh hường đến quá trình xói trụ sau. N hư vậy cả hai loại xoáy là xoáy m óng ngựa và hệ thống xoáy trục đứ ng sau trụ sẽ có sự thay đổi thực sự trong nhóm cọc do sự tương tác ảnh hường của hệ thống xoáy do chính nhóm cọc tạo ra làm thay đổi quá trình xói cùa nhóm cọc như các nghiên cứu (H annah 1978; Salim and Jones 1996; Sheppard và G lasser 2004); Sum er và các cộng sự (ccs) 2005; A taie-A shtiani and B eheshti 2006; Zounem at- K erm ani và CCS 2008;C olem an 2005; A m ini, M ehville, Ali và G hazali 2012). lfìn h 4.1. Đường dòng qua trụ không thang hàng (sử dụng máy Hele-Shaw, Nottingham) 4.2. H Ệ T H Ố N G HAI C Ọ C Hai cọc có thể được sấp xếp theo hàng ngang, hàng dọc hay bố trí chéo 4.2.1. D òng c h ảy Hình ảnh dòng chày khi hai trụ sắp xếp theo hàng ngang và hàng dọc với khoảng cách giữa m ép hai trụ khác nhau 107
G/D x/D 4r 51- Dòng cháy không 2-3- ánh hường đén nhau 1 2 -Cốhron9,âc 0 ' f L ' Đường phân cách trụ Xoáy sau tru , 1 Nx ánh hướng đen nhau đến 0 1 2 3 4 5 G/D / / Ỉ n / | 4.2. Vùng dòng chày ánh hướng lẫn nhau cùa hai cọc, vùng gạch chéo là vùng song on định (¿dravkovich, ¡987) T rường hợp hai cọc cạnh nhau, khoảng cách giữa m ép hai cọc G so với đường kính cọc D (G /D < 0,25), hai cọc được coi như m ột cọc và hệ thống xoáy sau trụ là xoáy đơn. Tỳ số G /D tăng lên sẽ hình thành dãy xoáy kép sau trụ cho tới G /D = 3,0 T rường hợp 2 cọc sắp xếp thẳng hàng, hai cọc tác động như m ột cọc nên dãy xoáy sau cọc là xoáy đơn khi G /D < 0,15. Tỷ số G /D tăng đến 3 sẽ có chế độ 2 xoáy rõ ràng. Tý số G /D >3 dãy xoáy sau trụ thứ 2 gọi là dãy xoáy chù. M ột xoáy sau cọc trước và m ột xoáy sau cọc sau. 4.2.2. Ánh hưởng tương tác của dòng xoáy m óng ngựa G/D X/D 3 ẢY ■ 2 0 Dảy xoáy kép (a) (b) (c) (d) (e) _______ (0 1 2 3 4 5 6 y® Dảy xoáy (gổm 2 hâng
a) T rư ờ n g h ọ p h a i cọc c ù n g h à n g n g a n g - Không thấy tương tác xảy ra khi G /D > 2 - T rường hợp hai cọc sát nhau G /D < 0,1 hai cọc coi như m ột, chi có m ột dãy x o a y sau cọ c (g ồ m hai hành xoáy). - T rường hợp 0,1 < G/D < 2 tương tác xảy ra. b) H a i cọc th ẳ n g h à n g - T rường hợp G /D > 3, trụ sau sẽ xuất hiện xoáy m óng ngựa, song phạm vi nhỏ hơn trụ đơ n do còn có ảnh hường cùa tách dòng cùa cọc thượng lưu. X oáy m óng ngựa cùa trụ trước cũng bị ảnh hường chút ít do tác động cản dòng của trụ sau, chiều rộng vùng xoáy sau trụ trước rộng hcm vì xoáy trục đứ ng rộng hom. Sự m ờ rộng này làm tăng grad ien t áp suất ngược, vì vậy mà xoáy m óng ngựa ở trụ trước rộng hơn đối với G /D 2 xói trước trụ được coi n h u ở trụ đơn, song xói có tăng đôi chút = 5% cho tới G /D = 7,0; G /D < 2 xói trước trụ tăng do kích thước xoáy m óng ngựa lớn hơn và do cường độ dòng chảy giữa hai cọc tàng lên. Xói ở phạm vi giữ a hai cọc giảm hơn bình thường đến m ức coi như không còn ảnh hường khi G /D = 10 4.2.4. Xói đối vói hai cọc thẳng hàng (cùng hàng dọc) 109
Xói trước trụ đầu tăng cùng với tăng G /D , đạt giá trị lớn nhất xấp xi 30% so với cọc đơn khi G /D = 2, sau đó lại giảm đi và trớ lại n hư trụ đom khi G /D = 10. T rong phạm vi G /D < 3 xói tăng lên do kích c ỡ xoáy m óng ngựa và cường độ tăng như đă giài thích ờ 4.2.2; xói ờ bên trụ giảm đi so với trụ đom vì tay xoáy m óng ngựa bị nhỏ lại so với trụ đơn. Xói giữa hai trụ giảm đi và trờ lại như trụ đơn khi G/D =10. 4.2.5. Xói ờ nhóm ba cọc vói cách sắp xếp k hác n h a u K ết quả thí nghiệm cùa G orm sen và Larsen (1984) cho trong bảng 4.1 B àng 4.1. Xói tư ơ ng dối hc(G/D)/hc(cọc đ o n ) phụ thuộc vào tỷ số k h oảng cách m ép cọc G/D B ố tri cọc G /D hc(G /D )/hc(đtm ) a) B ố trí tam giác đ ều , đinh tam giác n gượ c chiều d ò n g chày; 0,75 1,04 Xói ở trư ớc chân cọc ờ cọc đinh 2,0 1,0 5,0 1,17 b) Bố trí tam giác đ ều , đinh tam giác n gượ c chiều d ò n g ch ày ; 0,75 1,03 X ói ớ truớ c ch ân cọ c ớ cọc phía sau (cạn h đáy) 2,0 1,0 5,0 1,22 c) B ố tri tam giác đ ều , đinh tam giác xuôi ch iều d ò n g ch ảy ; 0,75 1,0 X ói ờ trư ớc ch ân cọ c ớ cọc phía sau 1,6 1,0 3,3 0,92 d) B ố trí tam giác đ ều , đinh tam giác xuôi ch iều d ò n g chày; 0,75 1,12 Xói ờ trư ớc chân cọ c ờ cọc trước 1,6 1.08 3,3 1 03 Kết quà ờ bàng 4.1 cho thấy cọc bố tri kiểu tam giác khác nhau với G/D = 0,75^ 5 cho xói ờ nhóm cọc thay đồi không đáng kể so với cọc đơn. 1 10
4.2.6. Xói ỏ' nhóm cọc sá p xếp đều Bảng 4.2. K ết quả thí nghiệm của M ehrdad Nazariha (1996) cho nhóm cọc sáp xếp đều Nhó P h ư ơ n g trinh d ự đoán cho m cọc C ọc trư ớc C ọc giừa C ọc sau Hai cọc ^ - = 1 ,2 5 « 00 ^ - = 0 , 9 2 ữ 008 \ ( f r K ( 1 r (2-PG) -0 .0 9 -0 .0 9 Ba ! l c n = ] 2 ịa 0M cọc ^ ™ i = l,0 4 a ° Mí - ì 0 ^ = 0 , 9 4 a OJJ hc : i ) hc l d ) ( s : (3-PG) Bốn -0 .3 2 -0 .2 3 cọc ^ - = 1,88 a 001 ^ - = 1 ,4 6 a 0M hc : i ) hc ( f ) (4-PG) - 0 .2 4 -0 .2 3 * £ £ ì = l i 7 2 a 001 ^ = \ ,4 5 a OM hc © hc Sáu -0 ,2 -0.15 cọc ^ - = \ J 2 a ữm ^ - = l , 6 5 a ° '° ^ - j ^ i = l , 4 a 0 04f K (ỉ : hc lu : (6-PG) d -0.2 J ị-# * £ £ i = 1 > 7 a 0.0,| Ó s 5 *ÉMì = l , 5 7 a M 5 í - T ° ' II hc l d ) ( s :r 4.2.7. Xói ở nhóm ba cọc sắ p xếp ta m giác (E zzeldin và CCS, 2006) Kết quả thí nghiệm của E zzeldin và CCS (2006) cho phươ ng trình: h ( D Ỵ5 Đổi với cọc đơn: — = C F raỉ (4.1) h ai r > Đối với nhóm cọc: — = CFr" 'E l ' (4.2) h , Ã , 111
a- Trụ đơn b- 02 trụ thẳng hàng c- 03 trụ thầng hàng Dòng chày d- Trụ xếp tam giác e- Trụ xếp tam giác đỉnh ngược chiều dòng chày 0.0° đinh xuôi chiều dòng chảy 180° M.M Ezzeldin và CCS (2006) lĩìn h 4.6. Sơ đỏ bo trí cọc Ezzeỉcỉiti và CCS (2006) ( M i) thí nghiệm (M M Ezzeldin. 2006) (hc/h) tinh H ình 4 . 7. Kết quà th i nghiệm bổ trí cọc thăng h à n g (Ezzeldin và CCS, 2006) Bảng 4.3. Hệ số và số mũ trong phưong trình (4.1) và (4.2) theo Ezzcldin v à CCS (2006) S ơ đồ cọc H ệ số hồi quy đối vớ i hc/h Hệ số tư ơ n g quan c a2 a3 a4 R C ọc đơn 0.261 1.615 0.6230 - 0.929 02 cọc thẳn g hàng 0 .2 9 1 6 1.664 0.6354 -0.0090 0.947 03cọc thẳn g hàng 0.2 2 5 0 1.761 0.7520 -0.0802 0.948 3 cọc tam giác 0.0° 1.2230 1.882 0.3960 -0.2045 0.926 3 cọc tam g iác 180° 0.2 3 7 0 1.724 0.7740 -0.1660 0.982 112
(hc/h) (hi nghiêm 06 0 8 (hc/h) bnh H ình 4.8. So sánh kết quà thí nghiệm và tinh khi bố tri cọc kiểu tam giác (Ezzeldin và CCS, 2006) D = 21mm c )G /0 = 3 D*cỉ> SU« Mi • 10 12 _ 14 16 18 20 22 1/F2 D = 21 m m b) G /D = 2 D = 21mm d)G/D = 4 ỉ ĩ t » W đ hc/h hc/h y ......... ậ i§ I 10 12 M M 30 22 6 8 10 12 14 16 18 20 2 (M M.Eiỉâkín, 2006) 1/F* lũ n h 4.9. Ket quà thí nghiệm bố t r i cọc kiểu tam giác (Ezzeldin và CCS, 2006) D = 21 mm 0.8 - o — G/d I*2 hc/h — ■-- a á * 3 ■ 0 0 .« 4 ..... ..... — ẼsSsS ^ 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Hìnli 4.10. Kết quà thí nghiệm bố trí cọc thang hàng (Ezzeldin và CCS. 2006) 113
H ình 4.11. Kết quà thí n g h iệ m bố tri cọc kiều ta m giác (Ezzeldin và CCS, 2006) D ietz (1973) căn cứ vào kết quả thí nghiệm đã nhận xét: + X ói trước cọc độc lập với khoảng cách các cọc; + H ố xói độc lập khi S/D > 4; X ói tại khoảng cách 25D ở hạ lưu nhỏ hom trước cọc; + X ói ở 2 cọc cùng hàng tăng theo góc a ; + G óc a < 3 0 ° và s = (0,5 -M)D xói tại 2 cọc sâu hom, song a > 30° thì xói giảm ; + S/D = ( 4 - ^ 6 ) xói độc lập với góc oc, + a 15° khi S/D = (2 4 ). Jones & CCS (1991), H annah (1978) thí nghiệm xói cục bộ đối với xói nước trong cho nhóm cọc trong cát đều hạt, quan sát thấy xói giảm 20% khi S/D>5. Raudkivi và Sutherland (1981) cho biết khi góc a >45°, xói ờ cọc bên lớn hơn xói ở cọc trước. Noth (1986) quan sát thấy xói ở nhóm cọc trong kênh cong gấp 2,2 lần cọc đơn ở kênh thẳng, khoảng cách các cọc theo chiều dọc và ngang cọc đều ảnh hưởng đến xói. E lliotte và B ak er (1985) quan sát thấy quá trình xói nhóm cọc bị ảnh hưởng của hai quá trình: + X oáy m ó n g ngựa của các cọc tư ơ ng tác với nhau; + D ò n g tăng tốc và g ia tốc d o khoảng cách cọc thu hẹp lại phụ thuộc (x/D , chi đối với xói nước trong). N outh (1986) quan sát th ấy cư ờ ng đ ộ rối bên trong nhóm cọc nhỏ hơn ngoài nhóm cọc (cho nhóm 04 cọc). Jones (1989) quan sát xói ở đ á y di động bố tri v uông có S/D = 1,5; 2 và 3, thấy xói ờ nhóm cọc nhó hơ n xói củ a cọc v uông tư ơ ng đương. Đ áy p hăng trong hầm gió có R < 500 (C ham barel và CCS, 1991), tách xoáy ớ cọc sau, tách xoáy tại cọc tn rớ c nếu S/D > 3, thay đổi tần số tách xoáy phụ thuộc vào áp suất đáy trước cọc, có cọc sau làm tăng lực nâng F|, giảm áp lực m ặt F D vì sự tách xoáy chịu ảnh hườ ng của cọc trước. 114
K ết quà các nghiên cứu cho thấy xói do xoáy m óng ngựa ở nhóm cọc tư ơ ng tự như trụ đơn, song nhóm rất quan trọng khi các cọc cách nhau đù nhỏ để không tồn tại vai trò tương tác giữa các cọc. Tùy thuộc vào khoảng cách các cọc m à xoáy m óng ngựa có tương tác, do vậy với nhóm cọc có thể cần xem ảnh hưởng của: + T hẳng hàng C i + X oáy ở từng cọc; + Đ áy di động và ảnh hường cọc trước đến cọc sau. X ói nhóm cọc phụ thuộc vào: + Bố trí cọc theo hàng dọc, ngang, đối xứng, phi đối xúng. + K hoảng trống giữa các cọc, S/D khác nhau? + T ư ơ ng tác giữ a xoáy m óng ngựa và xoáy trục đ ứ ng sau cọc. + H ình dạng cọc, đ ư ờ ng kính cọc (hay chiều rộng cọc). + G óc đến cùa dòng chảy a (m ức đ ộ thẳng hàng)? + C hiều sâu dòng chảy h, lưu lượng Q , tốc độ V, chiều sâu xói cục bộ hc ? V ậy M ột số câu hỏi về bản chất vật lý được nêu ra: X ó i sa u c ọ c do tách d ò n g và x o á y trụ c đứ n g ? A n h hư ớ ng c ù a x o á y trục đ ứ n g sau c ọ c trư ớ c đ ế n x ó i cọc sau? G óc đến c ù a d ò n g c h ả y a với k h o ả n g cách cá c cọc ả n h h ư ở n g đ ế n x o á y m ó n g ngự a? X oáy m óng ngựa không phải là nguyên nhân ban đầu gây xói m à là kết quả của tách lớp biên 3 chiều tại chân trụ, song xoáy làm tăng dòng đứng đi xuống (dòng thứ cấp) dọc thân trụ vào vùng sát đáy và trong hố xói bao chân trụ, làm xói sâu vào đáy cát, tăng chiều sâu và m ở rộng hố xói (đặc biệt ở nửa trước trụ khi trụ thẳng hàng với dòng chảy). D òng đến theo quy luật phân phối tốc độ, tốc độ u giảm dần theo chiều sâu, làm cho áp suất điểm dừng p u 2/2 giảm dẩn cho tới đáy. Á p suất điểm dừ ng tạo ra tách dòng theo hai bên trụ, làm dòng hai bên trụ tăng tốc. V ậy có thể nói: ( 1) C ọc cùng hàng ngang làm tăng cư ờ ng đ ộ xoáy m óng ngựa. (2) Cọc thẳng hàng dọc theo dòng chảy tạo ra sự che chán. C ọc phía trước làm giảm tác dụng cùa d ò n g đến đối với cọc sau, cọc trước làm giảm xói cọc sau nếu bùn cát do xói cọc tru ớ c roi xuống trước cọc sau, dòng chảy chệch hướng khỏi đáy cọc sau làm giảm hiệu quả xoáy m ó n g ngựa dẫn đến giảm xói cọc sau. Khi sự tách dòng tăng sẽ làm m ất đi sự thiếu hụt tốc đ ộ ở xoáy đứ n g phía sau cọc trước và vai trò cọc tru ớ c che cọc sau đượ c bỏ qua. S ự giảm này làm giảm hiệu quả xoáy m óng ngựa dẫn đến giảm xói. 115
(3) X oáy bứt ra khói trụ trước cuộn lại phía sau cọc tao ra vùng giảm áp suất. N ếu trụ đ ặt gần vào các đ ư ờ n g d ò n g này sẽ làm tăn g lực nâng hạt lên khỏi hố xói. Tiềm năng cùa xoáy sau cọc là hàm cùa cư ờ ng đ ộ cùa chính xoáy đứng và khoảng cách cùa các đ ư ờ ng dòng với cọc sau. Do vậy vai trò th ẳn g hàng (cùa cọc với dòng chảy) làm giảm yếu tố này nhiều hơn góc a. (4) X o áy m óng ngựa bị ép lại. C ọc đ ặt theo hàng ngang v u ông góc với dòng chảy sẽ có xoáy m óng ngựa độc lập, trừ trư ờng hợp trụ đ ặt sát nhau. M ỗi cọc có hệ thống dòng chảy bao riêng, do vậy tác dụng tư ơ ng hỗ giừ a cọc tro n g nhóm cọc sẽ làm tăng tác dụng ép xoáy m óng ngựa, cư ờ ng độ dòng chày giữa hai cọc tăng lên. T ù p h ư ơ n g trìn h 2 D N a v ie r-S to k e s rút ra p h ư ơ n g trìn h c h u y ển tải xoáy: T hay cho tru y ền đ ộ n g lu ợ n g , d ò n g ch ảy h ình th à n h d o tạ o ra x o á y , x o á y th ay đổi theo v2ft> thời g ian d c o /õ t, đôi lưu x o á y (V .V )cd và k h u ê ch tán x o á y — ; tro n g đ ó « - là — tốc đ ộ góc. Để hình thành xoáy, phân từ xoáy đượ c gọi là xoáy có cư ờ ng độ —7*2At rời khỏi điểm tách dòng cùa m ỗi cọc tại bướ c thời gian; 7* là xoáy m ặt nước do tách dòng. H ình 4.12. Sơ đo dòng cliáy và xoáy dạng m óng ngựa trong hố xói ở ba cọc thằng hàng và một cọc 4.3. X Ó I N Ư Ớ C T R O N G Ở N H Ó M p Ồ M N H IÈ U c ọ c 4.3.1. N ghiên cứu c ủ a B.A taie - A sh tia n i và A .A .B eheshti (B .A taie - A shtiani và A .A .B eheshti, 2006, tập 132, số 10, 2006. A S C E ) Thí nghiệm đượ c làm cho tám nhóm cọc với cách sáp xếp khác nhau (H ình 4.13) trong đ á y cát có d 50 = 0,25m m và 0,98m m có ơg = 1,54 và 1,43 với thời gian thí nghiệm là 8 giờ và 7 giờ, m ột số thí nghiệm đến 15 giờ. X ói lớn nhất sau 29 giờ, sau 116
5,5 giờ xói 86% , sau 8 giờ là 92% . hc max tăn g cùng với tăng G /D và đ ạt lớn nhất tại G /D = 2, sau đó xói giảm . G /d < 0,25 xói coi nh ư m ột cọc đơn. T hống nhất với H annah (1978), hai cọc xếp hàng ngang xói lớn nhất tại G /D = 0,25 và tăng xấp xi 50% so với trụ đơn, trong lúc theo hàng dọc chỉ tăng 20% . N hóm trụ (2 x 2 ) xói táng 63% tại G /D = 0,25. Xói ở nhóm cọc (2 x 3 ) tư ơ ng tự nh ư nhóm (2x2). Bố trí cọc theo hàng ngang xói tăng khoảng 1 0 ^ 13 % cho đến G /D < 4. G /D > 2 ^ 4 vai trò cùa các cọc không còn ảnh hườ ng đến xói tùy thuộc vào bố trí cọc. N hóm cọc (2 x 4 ) xói tãr.g gấp đôi tại G /D s 0,25 G 0 • Hanna (1978) o — 0 0 ■ u =0.26 (T s d* I=0 98m V m -cT 0 o o o • u s 0 24 m/t « ¿ 1 * 0 98mm • u « 0.18 rrVs. dạo I » 0 25nnn 3) Hàng dọc (1*2) b) Hàng ngang (2*1) c) Nhóm cọc (2»2) I t 0 0 _ooo _ 0 0 0 0 - 0 0 XÓI try trước ♦ 000 0 0 0 0 XỐI trụ sau 0 □ A 0 0 0 d) Nhóm cọc (2«3) e) Nhóm cọc (2«4) 0 Nhím cọc (3»2) 15 M tai V — 000 — 0 0 0 0 g) Hàng dọc (1«3) h) Hàng dọc (1 «4) trinh 4.13. Sơ đè bố tri cọc H ình 4.14. X ói thay đồi theo G/D. (a) cho nhóm (1x2), (b) cho nhóm (2x1) K ết quả thí nghiệm của B .A taien - A shtiani và A .A .B eheshti (viết tát là A -B ), cùa H annah (1978), của Z hao và S hepard (1998) đư ợ c (A -B ) sừ d ụ n g để đánh giá xói theo công thứ c H E C -18 v à c ô n g thức M elv ille and C olem an (2000). a) Đ ánh giá x ó i cho nhóm c ọ c theo H E C -1 8 (R ichardson a n d D avis 2001) Ảnh hưởng củ a bố trí nhóm cọc đến xói cục bộ ở nhóm cọc tính th eo H E C -1 8 được A-B rút ra từ kết quả thí nghiệm để xác định đư ờ n g kính cọc tư ơ n g đư ơ n g cho nhóm cọc tròn: D* = Dhinh ch,íu Ko Km (4.3) m 0M% trong đó Kom = 1 ,1 1 n (4.4) K ết quả so sánh sử dụng hệ số nhóm cọc do A -B đề nghị với cách tính xói ờ nhóm cọc theo H E C -18, theo Salim and Jones (1998), th eo Sheppard và G lasser (2004) được cho trong hình 4.15. ] 17
A A-B (2006) ♦ Hannah (1978) A A-8 (2006) ♦ Hannah (1978) ■ Zhao «nd Sheppard (1996) ■ Zhao and Sheppard (1998) 120% sai SỔ 120% sai sổ Tinh phù hợp thi nghiệm Tinh phú hợp thi nghiệm 0 1 2 3 4 5 _____________ họ/D (Thỉ nghiệm)___________ rựD (Thi nghiệm) A A-B (2006) ♦ Hannah (1978) * A-8 (2006) ♦ Hannah (1978) --------------- ■ Zhao and Sheppard (1998) ----------- • Zhao and Sheppard (1996) (c) / ±20% sai số ±20% sai Sỏ Tinh phù hợp thi nghiệm T ỉnh p h ú h ợ p thi n g h iệ m 0 1 2 3 4 5 6 2 3 4 5 h
4.3.2. Nghiên cứu của Amini, M elville, Ali và G hazali, 2012 N ghiên cứ u gần đây tại phòng thí nghiệm thủy lực của viện nghiên cứu thùy lực nhà nước M alaysia do A m ini, M elville, Ali và G hazali (J.H ydr.E ngg V ol.138, N 02, tháng 2, 2012. A SC E) đối với cọc có D = 42m m và 60m m , d50 = 0,8m m ; v / v c = 0,95; n D / d x > 50, thời gian thí nghiệm 8 giờ và 24 giờ. T rường hợp s * S m đã g iữ S J D = 2, s„/D = 1+1,45, trong đó s„ và s„, là khoảng cách tim hai cọc theo hàng dọc và hàng ngang Hàng ngang 1 Hàng ngang m I I I I Nước fổ )-è -ố -< i)" H ângdọc1 ” Chiéu dòng chẩy ị I 1 1 1 Hảng dọc n Cát H ình 4.17. Sơ đồ bo tri cọc a)A nh h ư ở n g của k h oảng cách các cọc khi cọc k hông ngập Ả nh hưở ng của khoảng cách này thông qua hệ số K ,m là hàm của S/D . fCsm là tỷ n n số c ù a chiều sâu xói cục bộ he tại các giá trị S/D v à s r = y/h so với trụ đơn có đườ ng kính tư ơ ng đươ ng nD và chiều sâu xói hCD*. T rường hợp cọc không ngập (S r = h ,/h 2Ỉ), dòng chảy biểu hiện thông qua 0.14 1 ♦ dòng th ứ cấp đi xuống dọc thân trụ, 1 0.1 2 - ♦ ♦ ♦ 4 ♦ . ♦ 1 * * xoáy dạng m óng ngựa, xoáy trục Xối ♦ V * ấ 0.10 « A cuc ■ ■ ■ ■ ■ ■ đ ứ ng sau trụ, xoáy m ặt nước trước bộ 0.08 ■ ■ hc trụ ngược chiều dòng chảy n h u đối s (m) 0.06 t» với trụ đom, song quá trình xói phức 0.04 ♦ S/D=2, Sr=1.00 tạp hom trụ đ ơ n nhiều. C hiều sâu xói 0.02 - ■ S/D=2 Sr=0.38 A SA)=2. Sr=0.79 giảm khi tăn g tỷ số S/D do giảm sự non ( ) 300 600 900 1200 1500 tương tác ảnh hưở ng giữa các cọc Thời gian (phút) ----------------- - gần nhau. T h í dụ với tỷ số S/D = 4 trinh 4.18. Xói cục bộ thay đổi theo Ihời gian xói giảm gần 50% so với S/D = 2 cho cho 04 cọc. (hình vuông:2n x2m) truờ ng hợp nhóm cọc (3nx4m )-3 hàng dọc và 4 hàng ngang. K.ết quả của các thí nghiệm tương úng với sáp xếp khoảng cách các hàng dọc và hàng ngang khác nhau đối với cọc không ngập và ngập cho trong các hình dưới đây 119
♦ 3*5. í * 3 * 5 ,f ♦ 2 *; ■ 3 *5.! ■ 3V — 2*2, f 4 2*« K?*2.ì • 2*2. í • ; (a) S /D (b) 5 /0 , S ./ D . S m/ D H ình 4.19. Tỳ sô chiêu sâu xói cân bang là hàm cùa khoảng cách các cọc (a) Khoảng cách hàng và cột giong nhau ( S n = S m) (b) Khoảng cách hàng và cột khác nhau (S n * Sm) 1 1.2 ♦ - 2*4.S r= Ị00 * r ịS r = Ọ Ị S • A o 2*4, Sr=0.5Ô • 3*4, Sf=î ỏộ 1.0 * 3*f Sf=Ô75 ■ 3*f Sr=050 ■ • • _■ " * y ï . Si=025 □ 3*5! S M 00 • * * 3*5. Sf=075 ♦ 3*5. Sr=0.50 0.8 A 3*5: Sr=0 25 _ • .* ♦ * jo .6 .? °* î \ • ♦ _ * 2*2. D=0.060 m ■ A • • 3*3. 0=0.060 m 04 ♦ ■ * 4*5. D*0.042 m 0.2 - 4*4 D*0.042 m ■ 2*4. D«0.042m 0.0 IW\ 1 S/0 (a) H ình 4.20(a). Thay đoi hệ so điều chinh ngập Kh với tỷ so ngập sr đoi với nhóm cọc khác nhau (S/D = 2) H ình 4.20(b). Hệ số K„„ -khoáng cách các cọc là hàm của tỷ sổ khoáng cách với đường kính cọc (S/D) Phương trình tương quan có R 2 = 0,95 đi qua tâm điểm kết quả thực nghiệm và R 2 = 0,97 là đường bao kết quả thực nghiệm (S r = h ,/h
K = « hK ím hrcq (4.8) Kết quả so sánh với các phương pháp hiện thời cho trong hình. Mw o ấ 0 .6 ầ Ị : , kysS, A 0 .4 / V v Đ irò n g p h ù h ợ p 0 .2 120 % sa i số n . 0 0.2 0.4 0.6 0.8 h c /h c ,q - ( th l nghiệm) (a) S /D = l H ình 4.22. So sánh nhóm cọc ngập (b) S/D = 2 ( c ) S/D = 3,5 (d) S/D = 5 Ifin h 4.22(a),(b),(c),(d). Sơ đồ bo trí nhóm cọc và xói 121
Phương trinh (4.8) cho kết quả gần nhất đối với các giá trị thực nghiệm đối với trụ thẳng hàng với dòng chảy, hc phụ thuộc đường kính cọc, khoảng cách các cọc và m ức độ ngập cùa cọc. ----------• ---------------------------------------------- ♦ Sm/D=1 y = 3.5908x-°“ ‘7 — ■ Sm/D=1.5 ---------------------------- R; = 0.6941 — * Sm/D=1.83 ■ Sm/D=2 — ^ ■ ■ h * — ■ Sm/D=2.3 ---------------------- • ■ ■ T r - Ĩ • Sm/D=3 ■ SnVD=3.5 - Sm/D=4 5 - — Powef 2 3 5 (SnVD=2) SrVD H ình 4.23(a) H ình 4.23 (b) 4.5 4 6 £ 3.5 y = 4.3566x*“ ^ _ Powef (đường ♦ S/D 5 3 R* = 0.9662 bao trén) ♦ S/D=1.9 4 ------ ---- ■ Đ ng irờ * • » * . . , ỉ baotrén 1.5 ■ SID=2 § 3 ▲ Đường 1 V v ■ — Power -u ______ bao dưới 0.5 (S/D=1.9) 2 ( ậ - ; 7 = 1-4392X-0456 0 1 0.1 , 0.15 R2 = 0.9411 hi — Powef (đường b»0 dirởi) 0 4 S/D H ình 4.23(c) H ình 4.23 (d). T .Đ .N ghiên phân tích kết quả 40 thí nghiệm cùa A m ini, M elville, A li và G hazali về xác định xói cho nhóm cọc có đườ ng kính D = 0,042-K>,06 được sắp xếp đều với tỷ số S/D = 1+4 ở hình 4.23a cho phương trình xói cục bộ tương đối là hàm cùa S/D giảm dần theo khoảng cách s (phương trình (4.9)) đối với cọc không ngập. (4.9) Khi Sm/D và S„/D thay đổi từ l-í-4,5 xu thế giảm xói tương tự như sắp xếp đều, tỳ số Sn/D = 2 hầu như là trung tâm cùa dải điểm giảm xói khi S„/D = l-i-4,5 cho phương trình (4.10) đổi với cọc không ngập. — = 3,5908Í— ì (4.10) D {D) 122
M ức độ tăng xói tiromg đối theo chiều sâu hi khác nhau (hình 4.17) đối với tý số S/D = 1,9 và S/D = 2,0 khá phân tán khi h| tăng, tuy nhiên tỳ số S/D = 1,9 có xu thế là tâm điểm của tỷ số S/D = 2,0, xu thế cho phương trình trong hình 4.23c cho phương trình (4.11) cho cọc ngập: — = 9,2582 a,0'6629 (4.11) T rư ờ ng hợp nhóm cọc bị ngập có chiều sâu thay đồi h| = 0,05^-0,19 xói cục bộ giảm trong giải điểm khá rộng khi S/D tăng, đườ ng bao trên cho phương trinh an toàn trong thiết kế trong hình 4.23d cho cọc bố trí đều. (4.12) D 4.3.3. Nghiên cứu ánh hưởng của k hoảng cách mép cọc đến xói đối vói trụ vuông (Ahm ed XV . A bdeldayem , G am al H. Elseed, A hm ed A. G h a ree b , 2011) Chiéu dông chẩy 0 ^ 0 (G3) I— I GL I— I GL I— I m »3 3.00 2 00 hc/b - • - Cộc tưcmg dương ------ — G IA 1 4 hoto * -0.454ln(G77b) ♦ 2,0085 2.00 1.00 00 Nhỏm7{G7) -------Tf\iđặc R? * 0.9658 — 0 ° ------- Cọc đon M> * -0.47ln(GT/b) ♦ 2.6075 1.00 □ □ 0 - . - (Gí) 0 0 ____ Phưong trinh R*» 0.9641 ___ _ 0 0 0 -------Cọc đon 00 .0 0 0 0 ------ Ptxwng trinh 0 1 2 3 4 5 6 0.00 H ình 4.25. Anh hưởng khoảng cách mép cọc theo phương ngang đến xói 5.00 400 3.00 lựb 1 1 I ỉ 3.00 2.00 □ 0 • 1GTA> = • 2GTÂ> = 2.00 É < ỉ ; 1.00 □ 0 * 3GT/b* ■ 4GTA> = • 2GT/b* 0 0 0 • IGTto* Cọc hrcmg đương ------ Cọc đơn » 36T/b* ■ 4GT/b* 100 ■ 0 OD 0.00 - Coc tương dương ------ Cọc đơn 1 2 3 4 5 6 0.00 Hình 4.26. Xói tương đoi khi bố tri cọc theo phương dọc 123
Kết quả thí nghiệm cho hệ số phản ánh xói cục bộ ở nhóm cọc đối với trụ cọc tương đương K smn= h.c ( n h ỏ m c ợ c ) / h c (tư ơ n g d ư ơ n g ) đôi với xói nước trong ờ cọc vuông. K sm„ = 1488,5-0,19n°-63-4 2 1,82m0'0007 - 0,08(S/b)a66 - 1065,2(h/b)°-000' (4.13) Ảnh hường của khoảng cách cọc theo phương ngang xói lớn nhất khi khoảng cách giữa hai m ép cọc bàng chiều rộng cọc (H ình 4.25), theo phương chảy ành hường không đáng kể đến xói (Hình 4.26 ) 4.3.4. Hệ số khoảng cách cọc tro n g m ặt cát bị biến dạng ngang N ghiên cứu cúa K. Babaeyan-K oopaei và E .M .V alentine (B -V ) ở đại học G lasgow và N ew castle. Hệ số phản ánh ảnh hường khoáng cách cọc theo phương n g a n g d ò n g c h ả y ( p h ư ơ n g X t r o n g h ìn h ) đ ế n x ó i cục b ộ khi m ặt c ắ t b ị b iế n d ạ n g ngang (hình 4.27a,b). Kps = 2,25 - 1,2(tanh(-x/b))2 (4.14) trong đo K p s — h c ( n h ó m c ọ c ) / h c j (c ọ c đơ n) I B-V "O- "’O o - 2 A Hanna x=2b Dòng chẩy x = 4b 25 ' ■ K*=2.25-1.2(tanh(-x/b))? o o - x=2b -1 - o 1 —*-4—» - o o J 0.5 -- b = 4 8m r X = 2b 0 -I-----------------1-------- - Hình 4.27a. Sơ đồ bồ trí cọc Hình 4.27b. Hệ số xói nhóm cọc 4.3.5. Xói cục bộ khi thay đổi cao độ bệ trụ ở nhóm cọc C opps (1994) làm thí nghiệm xác định chiều sâu xói cục bộ ờ nhóm cọc do thay đổi cao độ bệ trụ đối với cọc vuông. Sơ đồ bố trí cọc, kết quả đối với ba trường hợp thay đổi cùa h/D cho trong hình 4.28. Kết quả thí nghiệm cho phư ơ n g trình xói cục bộ do thay đổi cao độ bệ trụ ờ nhóm cọc. T rường hợp bệ trụ vượt trên cao độ m ặt nước: -K + Q g (0 ,3 7 6 ^ -) hay =1+ 3,19/^(0,376—-) (4.15) D_ D. = ( n l Ị P + D và c 1=0,64 (s / D )0'55 { D. 124
^ct/hcn hj/h Mặt bảng (Copps. T.H. 1994) Ilìn h 4.28. Sơ đồ bo trí lìlióm cọc vuông, kêt quả thí nghiệm cùa Copps (1994) Trường hợp bệ trụ vượt trên cao độ đáy cát, song ngập trong dòng chày: — = 1 ,7 8 -0 ,7 8 — hay / ^ = / ¡ „ ( 1 ,7 8 - 0 , 7 8 ^ - ) (4.16) /if„ h h T rường hợp bệ trụ ngập m ột phần trong đáy cát. — = 1 ,7 8 -0 ,4 8 — hay ^ =AC ( 1 ,7 8 - 0 ,4 8 ^ - ) „ (4.17) h" h h trong đó: hcn, hcb - chiều sâu xói cục bộ ở nhóm cọc không có vai trò cùa bệ trụ và có bệ trụ. Hệ số K„ cùa nhóm cọc theo kết quả thí nghiệm cùa Sm ith (1999) tại Đại học Florida (H ình 4.29) + Nhốm cọc tròn 3*8 + Nhóm cọc ứôn 3*5 A Nhốm cọc vuông 3x8 A Nhòm cọcvuôog 3x5 - - - Đường cong Lauf»en1/b=3,14 - - - Đường cong Launen 1/b=3.14 - - HEC-18. Kị cho 1/b*3.14 - - HEC-18, Kỉ cho 1/b*3,14 1.80 / . :r :r A ♦ ' I 1 1 I 1 1 I 1 1 r —I r—J r—I 15 30 45 >0 75 90 15 30 45 6CI 75 90 G ốc alpha (độ) G ốc alpha (độ) H ìn li 4.29. Biếu đồ hệ số K a đói với nhóm cọc vuông và nhóm cọc tròn 125
Hệ số ch iều sâu d ò n g chảy đối với nhóm cọc K h th eo S m ith (1 9 9 9 ) cho tro n g hình 4.30. H ình 4.30. Biểu đò xác định hệ so Kh đoi với nhóm cọc •Wv K h = - 0 ,0 0 1 1+ 2 ,6 8 (A „ / y ) - 3 . S 5 ( h H / r Ý + l .i 7 i k H I V Ỹ (4.18) lỵ = 3 .5D . clio h> 3,5D . [f/ = h c h o O < h < 3.5D . D . / b = \ + ( n - \ ) ( S / ủ)0-27exp [ -0 ,0 5 (5 / b -1 )J ] (Sheppard, 1995) (4.19) hay ° ' = 7 7 7 ^ ĩ + b (C°P P S- 1994) (4.20) (S /b ) Salim và Jones(1996) thí nghiệm xói nhóm cọc vuông có S/D = l-í-9, trong đáy cát có d 50 - 0,28m m , chiều sâu dòng chảy không đổi h = 0,27m chù yếu trong thời gian 04 giờ ở m áng thí nghiệm dài 2 1 ,3 m , rộng l,8m . Sơ đồ và k ết quả thí nghiệm xác định hệ số khoảng cách các cọc Ks (hay Kps trong hình 4.2 7 b ), hệ số ngập của cọc Kp cho trong hình 4.31 1? ----------------------------------- ♦ 3x3x3 ■ 3x3x3x3x3 * 4x3x4x3x4 K,«0.57(1-é|,-MV « Mlt-M>l Đường bao ---*• □ □ □ ^ □ □ a ■ (a) (Salim vâ Jones, 1996) (b) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (Salim và Jones. 1996) S/D H'mh 4.31. Biếu đò xác định hệ so Ks và Kh đoi với nhóm cọc (Salim và Jonesf1996) 126