Tính cấp thiết của đề tài
Khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh (TP HCM) đang phát triển mạnh mẽ với nhiều công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là các tòa nhà cao tầng sử dụng hệ móng cọc Tuy nhiên, chi phí cho nền móng ngày càng cao, yêu cầu các phương pháp tính toán cọc phải chính xác và tối ưu hơn để phù hợp với điều kiện thực tế của đất nền Đáng chú ý, khu vực này nằm trên nền đất yếu với sức chịu tải kém, đặc biệt khi chịu tải trọng động Sự xuất hiện của sóng ứng suất có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết cấu công trình, tài sản và tính mạng con người.
Tại các khu công nghiệp và khu chế xuất, móng máy phải chịu các tải trọng động với tần số, biên độ và cường độ khác nhau Những tải trọng này tác động từ công trình xuống cọc và từ nền đất xung quanh, gây ảnh hưởng đến cọc và vùng biến dạng xung quanh Do đó, việc nghiên cứu và tính toán sức chịu tải trọng động của móng cọc là rất cần thiết, cũng như xác định sự suy giảm sức chịu tải sau khi công trình chịu tải trọng động.
Hiện nay, có nhiều phương pháp tính toán ảnh hưởng của tải trọng động tới sức chịu tải của cọc, nhưng kết quả thường không đồng nhất Phương pháp thử tĩnh tại hiện trường được coi là một trong những phương pháp đáng tin cậy nhất, mặc dù tốn kém và mất thời gian Phương pháp này không cung cấp thông tin về ảnh hưởng của tải trọng động tới sức chịu tải cọc Để tính toán ảnh hưởng của tải trọng động, người ta thường áp dụng hệ số vào kết quả sức chịu tải tĩnh của cọc.
Việc xây dựng mô hình thí nghiệm để xác định các thông số tính toán cọc nền công trình đã được chứng minh có khả năng mô phỏng tốt hoạt động của cọc trong nền đất Qua phân tích so sánh kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc với các thông số động khác nhau, có thể xác định bộ thông số của đất nền nhằm mô phỏng trạng thái ứng suất - biến dạng của cọc cũng như ứng xử của nền đất xung quanh cọc trong điều kiện biến dạng dẻo.
Mục đích của đề tài
Nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh nhằm xác định mô hình đất phù hợp và lựa chọn thông số hợp lý Việc áp dụng mô hình đất thích hợp giúp nghiên cứu lộ trình ứng suất dưới các điều kiện và tính chất khác nhau của nền đất Đồng thời, lựa chọn các thông số mô hình của đất nền là cần thiết để mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của cọc và phản ứng của nền đất trong vùng biến dạng dẻo xung quanh cọc.
Nghiên cứu điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn nhằm đánh giá khả năng chịu tải của cọc dưới tác động của tải trọng động Việc xây dựng mô hình vật lý tỉ lệ nhỏ và thực hiện thí nghiệm gia tải động giúp xác định ảnh hưởng của tải trọng này đến sức chịu tải và độ lún của cọc Phân tích ứng xử động của cọc với các tần số khác nhau, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ L/D và hiệu ứng cọc - nền, cho phép đánh giá sức chịu tải tức thời khi có tải trọng động Cuối cùng, thiết lập các tương quan giữa Lực – Biến dạng, Lực – Sức kháng mũi, và Lực – Tỉ lệ Sức kháng bên/Sức kháng mũi trong điều kiện nền đất cát tại TP HCM.
Nội dung nghiên cứu
Tổng quan về các phương pháp tính toán ảnh hưởng của tải trọng tĩnh và động đến sức chịu tải của cọc, dựa trên các thí nghiệm hiện trường và nghiên cứu quốc tế, cho thấy sự đa dạng trong cách tiếp cận và ứng dụng Các nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu suất của cọc dưới các loại tải trọng khác nhau mà còn giúp cải thiện các phương pháp thiết kế và thi công cọc trong thực tế.
Nghiên cứu ứng dụng phương pháp số trong phân tích sức chịu tải của cọc nhằm lựa chọn mô hình phù hợp với kết quả thí nghiệm nén tĩnh Mục tiêu là mô phỏng và xác định sức chịu tải phá hoại của cọc một cách chính xác.
Nghiên cứu chế tạo mô hình vật lý tỉ lệ xác định ảnh hưởng của tải trọng động tới sức chịu tải của cọc
Thí nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng của tải trọng động đến sức chịu tải của cọc, đồng thời khảo sát cơ chế phân bố lực dọc trong thân cọc Nghiên cứu sự thay đổi ứng suất tiếp giữa thành cọc và đất theo tần số, phân tích tác động của tải trọng động đến ứng xử động của cọc Cuối cùng, thiết lập các tương quan giữa ứng suất, biến dạng và tần số trên các loại cọc có tỷ lệ chiều dài trên đường kính (L/D) khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thống kê bao gồm việc thu thập, phân tích và tổng hợp kết quả nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết cùng với các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc được thực hiện, đồng thời xử lý thống kê và phân tích kết quả thí nghiệm Các mối tương quan được thiết lập thông qua các phần mềm xử lý số liệu hiện đại.
Phương pháp thực nghiệm là quá trình nghiên cứu thông qua việc thực hiện các thí nghiệm mô hình vật lý trong môi trường phòng thí nghiệm, nhằm phân tích và so sánh kết quả một cách chính xác.
Phương pháp mô phỏng số là một công cụ hữu ích trong nghiên cứu thí nghiệm nén tĩnh, đặc biệt khi sử dụng phần mềm Plaxis để phân tích và so sánh Qua việc áp dụng các phần mềm xử lý dữ liệu, nghiên cứu này tìm ra mối tương quan giữa kết quả mô phỏng số và thí nghiệm hiện trường, từ đó giúp hiểu rõ hơn về đặc tính của mô hình đất nền.
Những điểm mới của luận án
Mô hình thí nghiệm nén tĩnh cọc được xây dựng nhằm nghiên cứu tác động của các thông số vật lý lên sức chịu tải của cọc dưới tải trọng tĩnh, cũng như sự suy giảm sức chịu tải khi chịu tải trọng động trên nền cát Nghiên cứu này sẽ phân tích các ảnh hưởng của thông số động lực học đến ứng suất, biến dạng và sức chịu tải của cọc, từ đó xác định các mối tương quan giữa chúng.
Đề xuất các phương trình tương quan giữa độ lún và tần số cho các loại cọc có bề mặt trơn và bề mặt nhám Các phương trình này sẽ liên kết lực với ma sát đơn vị và sức kháng mũi, đồng thời phân tích tỉ lệ Fs0 so với sức kháng mũi, cũng như tỉ lệ Fs1 so với sức kháng mũi, cho các loại cọc có tỷ lệ L/D khác nhau.
3) Thực hiện mô phỏng số thí nghiệm nén tĩnh tìm ra mô hình Modified CamClay
MCC đạt được kết quả gần nhất với thí nghiệm nén tĩnh, cho thấy rằng các thông số có ảnh hưởng mạnh nhất đến kết quả mô phỏng của thí nghiệm này.
Sử dụng mô hình MCC mô phỏng nén phá hoại để tìm ra sức chịu tải cực hạn của cọc
Đề xuất các hệ số tương quan λ/κ trong thí nghiệm nén tĩnh cho chu kỳ 1 và chu kỳ 2, cùng với tương quan chung λ/κ cho cả hai chu kỳ Các phương trình tương quan này liên quan đến các thông số M, Lambda và Kappa trong mô hình MCC của phần mềm Plaxis, nhằm mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh và xác định sức chịu tải của cọc.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài nghiên cứu này nhằm làm rõ ảnh hưởng của tải trọng động tĩnh và động thông qua các thí nghiệm nén tĩnh và mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ Nghiên cứu cũng đề xuất các phương trình tương quan quan trọng giữa tần số và độ lún, lực và biến dạng, cũng như mối quan hệ giữa lực và sức kháng.
Nghiên cứu cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc phân tích ảnh hưởng của tải trọng động trong thiết kế sức chịu tải cọc Việc xem xét tác động của tải trọng động trong bối cảnh xây dựng tại TP.HCM hiện nay sẽ giúp dự báo sức chịu tải cọc một cách chính xác hơn.
Cấu trúc của luận án
Luận án bố cục trong 5 chương với nội dung như sau:
Chương 1 : Nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng của tải trọng động tới sức chịu tải của cọc
Chương 2 : Nghiên cứu ứng dụng mô hình nền hợp lý trong phân tích tính toán sức chịu tải cọc
Chương 3 : Nghiên cứu chế tạo mô hình vật lý tỉ lệ để xác định ảnh hưởng của tải trọng động tới sức chịu tải của cọc
Chương 4 : Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tải trọng động tới sức chịu tải cọc
Chương 5 : Phân tích kết quả thí nghiệm mô hình nghiên cứu áp dụng cho thực tế
Kết luận và kiến nghị
Các công trình khoa học tác giả đã công bố
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
Đặt vấn đề
Khi thiết kế móng cọc tại TP HCM, phần mũi cọc cần được tính toán nằm trong lớp đất tốt do khu vực này có tầng đất yếu với sức chịu tải kém Các khảo sát địa chất cho thấy, tải trọng động truyền xuống cọc sẽ ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc trong lớp đất tốt Do đó, việc nghiên cứu đặc điểm nền đất để tính toán ảnh hưởng của tải trọng tĩnh và ứng xử động của cọc là rất quan trọng.
1.1.1 Khái quát nguồn gốc, đặc điểm hình thành nền đất khu vực TP HCM
Khu vực TP HCM có nền đất chủ yếu là trầm tích sét, cát, sỏi ven sông và biển với độ dày thay đổi, hình thành từ các trầm tích ven biển và cửa sông có hạt vừa đến mịn Lịch sử phát triển địa tầng và địa mạo tại đây không đồng nhất, thể hiện qui luật không rõ ràng Các yếu tố khí hậu, địa lý và địa chất thủy văn ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất nền Việc nghiên cứu hiện tượng động lực địa chất là cần thiết trong thiết kế và thi công công trình Tại các khu công nghiệp như KCN Cát Lái - Quận 2, thường gặp sét pha cát và bùn sét với độ dày từ 3 - 15m KCN Hiệp Phước - Nhà Bè có các loại đất sét và bùn với độ dày từ 10 - 30m KCN Tân Tạo - Bình Chánh thường gặp đất yếu với độ dày từ 10 - 30m, xen kẹp lớp sét pha cát Thông tin chi tiết về các lớp đất và chỉ tiêu cơ lý được trình bày trong các bảng phụ lục.
Bảng 1 1: Chỉ tiêu cơ lý đất KCN Cát Lái – Quận 2
Ghi chú về các loại vật liệu xây dựng bao gồm: (a) cát san lấp, (b) bùn sét, (c) sét pha ít sỏi sạn có màu nâu đỏ với trạng thái dẻo cứng, (d) sét lẫn hữu cơ màu xám đen ở trạng thái dẻo mềm, (e) cát hạt trung với trạng thái chặt vừa, (f) sét pha cát có trạng thái dẻo cứng, và (g) cát hạt mịn với trạng thái chặt vừa.
Hình 1 1: Vị trí khu công nghiệp TPHCM (a); Bản đồ phân bố đất yếu (b)
Hình 1 2: Hình trụ hố khoan địa chất điển hình khu vực Quận 2
Hình 1 3: Hình trụ hố khoan địa chất điển hình khu vực Bình Chánh
1.1.2 Nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của đất yếu khi chịu tải trọng tĩnh và động
Nền đất đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng và tuổi thọ của công trình xây dựng Đất được coi là yếu khi không thực hiện các biện pháp kỹ thuật để cải thiện thành phần hoặc tính chất của nó, dẫn đến khả năng chịu tải không đủ cho công trình Cụ thể, đất yếu có sức chịu tải kém và dễ bị biến dạng dưới tác động của tải trọng, điều này được thể hiện qua các chỉ tiêu cơ lý trong Bảng 1.2.
Bảng 1 2: Một số chỉ tiêu cơ lý đất yếu TP HCM
Dung trọng tự nhiên γ = [14÷16] kN/m 3 Mô đun biến dạng E < 6000 kPa
Hệ số rỗng e > 0.9 (Cát) Hệ số nén lún a > 5m 2 /kN
Hệ số rỗng e > 1.5 và góc ma sát trong ’ nằm trong khoảng [18° ÷ 23°] cho thấy đất yếu có những đặc tính quan trọng cần lưu ý Đất có độ bão hòa G ≥ 0.8, lực dính hữu hiệu c’ < 15 kPa và sức kháng cắt Su < 50 kPa, cùng với độ ẩm W ≥ 65% Khi đất nguyên trạng bị tác động lực mà không được đầm chặt lại, liên kết giữa các hạt sẽ bị phá hủy, dẫn đến giảm cường độ chịu tải Độ nhạy S của đất yếu thường nằm trong khoảng 3 đến 4, thậm chí có thể đạt đến 16 Đặc biệt, hiện tượng hóa lỏng xảy ra ở cát rời (độ chặt D < 15%; NSPT < 4) khi bão hòa nước dưới tải trọng động tuần hoàn, làm tăng áp lực nước lỗ rỗng và giảm ứng suất hữu hiệu đến khi mất sức chịu tải Nghiên cứu hiện trạng nhà cửa và điều kiện địa chất công trình tại TP HCM cho thấy tác động của tai biến nhân tạo, đặc biệt là từ hệ thống giao thông dày đặc và thi công xây dựng, có thể làm suy giảm sức chịu tải nền đất do hiện tượng hóa lỏng.
Bảng 1 3: Độ nhạy cảm hóa lỏng nền đất
STT Tuổi địa chất Ký hiệu Mô tả trầm tích Cấp hoá lỏng
Holocene ambQ2 2 Bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha Cao
2 amQ2 1 Sét, sét pha, cát pha Trung bình
Pleistocene amQ1 3 Sét, sét pha, cát pha Thấp
4 amQ1 2-3 Sét, sét pha, cát pha Thấp
5 aQ1 1 Sét, sét pha Thấp
6 aQ1 1 Cát, cát pha Thấp
Các khu công nghiệp và khu chế xuất tại TP HCM thường nằm dọc theo các sông và kênh lớn, nơi có nền đất yếu Đặc điểm địa chất công trình thủy văn tại khu vực phía Đông, Nam và Tây TP HCM mang nhiều yếu tố bất lợi cho quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng Các lớp đất yếu ở đây có độ dày lớn và phân bố phức tạp, với sự đan xen của lớp sét yếu và cát Một số khu vực còn được nâng nền bằng cách bơm cát, dẫn đến sự cố kết chậm của các tầng đất yếu, ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc do hiện tượng ma sát âm Những tầng đất này rất nhạy cảm với lún, trượt, lở và hiện tượng đẩy trồi, có thể tác động tiêu cực đến các công trình như đường, cống thoát nước và hào kỹ thuật Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động đến móng cọc trong khu vực là rất quan trọng trong thiết kế và thi công nền móng cũng như trong quá trình vận hành các công trình dân dụng.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động
Trong xây dựng công trình trên nền đất yếu, cần chú ý đến sự gia tăng tải trọng thẳng đứng lên các cọc trong hệ móng do tải trọng động Tải trọng động này bao gồm các tác động từ vụ nổ, sập công trình lân cận, động đất xa, tải trọng tuần hoàn từ máy móc và thiết bị, cũng như tải trọng do dòng xe trên đường cao tốc Những tải trọng này có thể gây ra biến dạng không mong muốn trong đất, ảnh hưởng đến an toàn của công trình Hiện tại, định nghĩa về sức chịu tải động của đất nền và cọc vẫn chưa rõ ràng và còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu thêm.
- Khả năng chịu tải trọng động của nền
- Đáp ứng của móng máy khi chịu tải trọng tuần hoàn
- Sự tương tác giữa đất nền với kết cấu bên trên trong quá trình lan truyền sóng ứng suất gây ra do tải động
Khi phân tích chuyển vị của cọc chịu tải trọng động tác dụng cần xem xét các vấn đề sau:
- Cường độ của tải xung
- Thời gian tác dụng của tải trọng tuần hoàn và tần số của nó
- Các thông số đáp ứng động của cọc và nền cọc: khối lượng, kháng chấn, độ cứng, tần số riêng của cọc, tần số của móng cọc
1.2.2 Cơ sở lý thuyết sóng ứng suất đàn hồi truyền dọc trục
NCS nghiên cứu phương pháp PDA nhằm phân tích ảnh hưởng của động lực lên ma sát thân cọc và sức kháng mũi khi cọc chịu lực động trong nền cát chặt.
Phương pháp thử động biến dạng lớn và thiết bị phân tích động cọc PDA dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong va chạm của cọc Đầu vào là số liệu đo gia tốc và biến dạng của cọc khi chịu tác động từ quả búa Các đặc trưng động theo Smith được đo thông qua sóng lực và sóng vận tốc (tích phân gia tốc) Phân tích được thực hiện theo thời gian thực thông qua các phép tính lặp, dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất của thanh cứng và liên tục do va chạm dọc trục tại đầu cọc.
Phương pháp thí nghiệm dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong thanh đàn hồi cho phép phân tích sự lan truyền của sóng ứng suất do búa đóng cọc Sóng ứng suất này lan truyền từ đầu đến mũi cọc, với biên độ và tốc độ phụ thuộc vào năng lượng búa và tính chất cơ học của vật liệu cọc Quá trình này chịu ảnh hưởng từ sức kháng của đất nền xung quanh và các đặc tính cơ học của cọc Việc đo và phân tích quá trình truyền sóng ứng suất giúp xác định sự phân bố sức kháng của đất nền tại các độ sâu khác nhau.
Để nghiên cứu sóng ứng suất lan truyền dọc trục trong thân cọc theo PDA, NCS đã xem xét lý thuyết sóng ứng suất đàn hồi Trong một thanh thẳng, sóng ứng suất truyền theo phương trục z Một đoạn thanh ∆z với diện tích mặt cắt ngang A, mô đun Young E và trọng lượng đơn vị thể tích của thanh được phân tích Chi tiết các bước tính toán được trình bày trong Phụ lục 1.2.
Tính toán và tìm được : vc = z/ t (1.1)
Trong đó: vc là vận tốc sóng ứng suất dọc trục lan truyền trong thanh
Vận tốc sóng ứng suất dọc thanh truyền, ký hiệu là vc, có thể được xác định trực tiếp qua thí nghiệm hiện trường Phương pháp này dựa trên việc đo khoảng cách sóng ứng suất di chuyển, ký hiệu là z, và thời gian sóng di chuyển, ký hiệu là t.
Hình 1 4: Sơ đồ sóng ứng suất truyền trong thanh thẳng đứng
1.2.3 Phương trình truyền sóng khi tải trọng động tác dụng trên đầu cọc
Theo [1], [39] nghiên cứu, phương trình truyền sóng được giải có dạng:
Trong đó: A p : Diện tích mặt cắt ngang; u: Chuyển vị; t: Thời gian; E: Mô đun đàn hồi cọc; R(z): Sức kháng ma sát
1.2.4 Cơ chế sóng truyền trong thân cọc
Sóng ứng suất truyền dọc thân cọc được NCS phân tích chi tiết trong Phụ lục
Thời gian xung ứng suất đi từ đầu cọc đến mũi cọc và trở lại đầu cọc là 2L/vc, trong đó L là khoảng cách và vc là tốc độ sóng.
Trường hợp 2: Cọc xuyên vào đất mềm, lực ở mũi cọc gần như bằng không, vận tốc mũi cọc tương đối lớn dưới tác động của tải trọng
Hình 1 5: Lực và vận tốc tại đầu cọc khi mũi cọc đi vào đất cứng [1], [39]
Trong trường hợp 3, ảnh hưởng của ma sát dọc thân cọc cho thấy rằng nếu ma sát nhỏ R(z), cả lực và vận tốc đều giảm chậm, chứng tỏ sự suy giảm xung lực từ tải tác động tại đầu cọc đến mũi cọc và phản xạ trở lại đỉnh trong khoảng thời gian 2L/vc Ngược lại, nếu ma sát cọc lớn, lực xung sẽ giữ hằng số cho đến khi phản xạ tại mũi cọc, lúc này cần bổ sung lực ma sát vào phương trình để phản ánh đúng tình huống.
Trong bài viết này, các ký hiệu quan trọng được đề cập bao gồm: A là diện tích mặt cắt ngang, F là lực tác dụng, v c là vận tốc sóng ứng suất dọc trục trong thanh, E là mô đun đàn hồi của cọc, và R(z) là sức kháng ma sát.
Hình 1 6: Lực và vận tốc tại đầu cọc khi mũi cọc đi vào đất yếu [1], [39]
Hình 1 7: Lực và vận tốc tại đầu cọc khi mũi cọc đi vào đất yếu [1], [39]
Nghiên cứu PDA cho thấy sóng động do va chạm đầu cọc tạo ra các sóng ứng suất di chuyển và phản xạ khác nhau, phụ thuộc vào độ cứng của đất nền Đối với cọc có mũi nằm trong vùng đất chặt, sóng phản xạ ngược chiều với sóng nén tới, dẫn đến việc ứng suất tại mũi tăng gấp đôi Ngược lại, khi cọc xuyên qua đất mềm, lực tại mũi rất nhỏ nhưng vận tốc lại tương đối lớn.
Đặc trưng sức chống cắt dưới ảnh hưởng của tải trọng tức thời
Theo Carrol [1], [39] nghiên cứu các đặc trưng của đất, chi tiết trình bày cụ thể trong Phụ lục 1.4 Sức chống cắt không thoát nước theo thí nghiệm UU
Tốc độ nén mẫu ba trục không cố kết - không thoát nước thường là 0,5%/s, từ đó thu được kết quả su để tính sức chịu tải tĩnh không thoát nước Nghiên cứu của Carroll về đất sét tại Buckshot đã cho ra những kết quả đáng chú ý trong lĩnh vực này.
Hình 1 8: Kết quả lực và vận tốc tại đầu cọc với lực ma sát lớn [1], [39]
Hình 1 9: Kết quả thí nghiệm U-U theo tốc độ biến dạng cắt
Hình 1 10: Hiệu ứng tốc độ biến dạng cho cát khô [1], [39]
Theo nghiên cứu, khi tốc độ biến dạng nằm trong khoảng từ 50% đến 425%, giá trị cu có sự khác biệt rõ rệt Lúc này, sức chống cắt của đất được xác định là sức chống cắt động không thoát nước.
Khi tăng tốc độ biến dạng, góc ma sát trong của đất cát sẽ giảm Theo Vesic, góc ma sát động nhỏ nhất được xác định bởi công thức: ’(động) = ’(tĩnh) - 20.
Cường độ, biến dạng dưới ảnh hưởng của tải trọng tức thời
Casagrande và Shannon đã thực hiện thí nghiệm để tạo ra các tải xung với thời gian gia tăng tải là tL=0.2s Họ so sánh sự biến thiên ứng suất theo biến dạng theo thời gian đặt tải tL=0.2s trong các trường hợp chịu nén nở hông tĩnh và động.
Từ đồ thị Ứng suất – Biến dạng tại thời điểm phá hoại có thể rút ra kết luận như sau:
Sức chịu nén nở hông: q u (xung)/q u (tĩnh) = 1.5 ÷ 2 Ứng suất – Biến dạng theo thời gian Ứng suất tại thời điểm phá hoại
Hình 1 11: Ứng suất – Biến dạng của đất trong thí nghiệm nở hông với tải trọng tức thời [1], [39]
Theo thí nghiệm nén nở hông, mô đun biến dạng dưới tải tức thời cao gấp 2 lần so với mô đun biến dạng dưới tải tĩnh Cụ thể, Eu (tải tức thời) = 2 Eu (tải tĩnh).
Hình 1 12: Thí nghiệm nén giới hạn trên cát dưới tải trọng tĩnh và động [1],
Nghiên cứu dao động của móng với đặc trưng động từ móng tác động xuống nền đất
Theo [1], [39], phương trình cân bằng động của cơ hệ (tức thời):
Trong nghiên cứu dao động, các yếu tố quan trọng bao gồm khối lượng dao động (m), hệ số giảm chấn (c), độ cứng nền (k), và lực tác động (F(t)) Để giải quyết bài toán dao động, cần hiểu rõ các khái niệm cơ bản như dao động tự do, xảy ra khi hệ thống chỉ chịu tác động từ lực nội tại mà không có lực ngoại vi, và dao động cưỡng bức, là kết quả của lực tác động từ bên ngoài Ngoài ra, bậc tự do của hệ thống, tức số tọa độ độc lập cần thiết để mô tả dao động, cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét.
Hình 1 13: Mô tả thông số hệ thống rung [39]
1.5.1 Dao động tự do của hệ thống lò xo – khối lượng(Spring - Mass)
Cơ cấu mô tả hệ thống móng đặt trên lò xo, trong đó lò xo biểu thị tính đàn hồi đặc trưng của đất nền W là trọng lượng của móng cùng với trọng lượng của máy đặt trên móng.
Theo Braja M Das và G.V.Ramana (2011) [39], nghiên cứu và tìm ra phương trình dao động, chi tiết bài toán được NCS trình bày trong Phụ lục 1.3
Trong đó: m: khối lượng (W/g); z: Chuyển vị của hệ thống; t: Thời gian; A1, A2: Hằng số; ω: tần số góc dao động tự nhiên của hệ thống, 𝜔 = √ 𝑚 𝑘
Hình 1 14: Hệ thống dao động tự do của hệ lò xo – khối lượng
1.5.2 Dao động cưỡng bức của hệ thống lò xo – khối lượng (Spring - Mass)
Xét một hệ thống cơ cấu móng theo các chi tiết đang chịu một lực tuần hoàn
Phương trình dao động của bài toán diễn tả bởi công thức:
𝑚𝑧̈ + 𝑘𝑧 = 𝑄 0 sin(ωt + β) (1.6) Trong đó: k: Độ cứng lò xo; 𝑧̈: Gia tốc của hệ thống
Hình 1 15: Hệ thống dao động cưỡng bức của hệ lò xo – khối lượng[1], [39]
Tác giả Braja M Das (2011) [39], giải và tìm ra chuyển vị của hệ, chi tiết bài toán xem Phụ lục 1.3:
Trong đó: Q0 sin(ωt + β): Lực tuần hoàn trên móng; z: Chuyển vị của hệ thống; ω: Tần số góc, ω = 2πf (rad/s)
1.5.3 Lực lớn nhất tác động lên nền:
Lực lớn nhất và nhỏ nhất mà nền gánh chịu xảy ra khi biên độ đạt cực đại và vận tốc bằng không, điều này có thể được rút ra từ phương trình (1.7).
Nghiên cứu liên quan đến hướng nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu của [5] về mô hình CAPWAP trong thí nghiệm PDA đã so sánh kết quả của hai thí nghiệm trên cùng một cọc TP2 được thử nghiệm đến tải trọng cực hạn Kết quả phân tích cho thấy sự khác biệt trong hiệu suất của cọc thi công theo phương pháp này.
Pháp khoan nhồi được nén đến giá trị cực hạn cho thấy khả năng chịu tải của cả hai phương pháp là tương đương.
Nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp thử động biến dạng lớn là công cụ hiệu quả để đánh giá sức chịu tải của cọc dựa trên lý thuyết truyền sóng PDA Phương pháp này đạt độ chính xác cao khi năng lượng va chạm tại đầu cọc được tạo ra bởi quả búa có trọng lượng chỉ 10% sức chịu tải tĩnh, nhưng đủ để huy động toàn bộ sức kháng của đất nền và tạo ra biến dạng dư từ 3 – 5 mm, chi tiết được trình bày trong Phụ lục 1.5.
Theo nghiên cứu thí nghiệm O-cell tại Hà Nội, tác giả đã so sánh kết quả của hai cọc thí nghiệm để đánh giá và phân tích Kết quả cho thấy phương pháp tính toán của Cục đường bộ Mỹ (FHWA) phù hợp nhất với dữ liệu thí nghiệm Ngoài ra, nghiên cứu mô hình thí nghiệm hiện trường cọc đóng cũng được thực hiện để xác định sức chịu tải và ứng suất tồn trữ trong cọc.
Nghiên cứu của Theo [104] đã thiết lập mô hình tính toán truyền năng lượng sóng ứng suất trong nền bán không gian Kết quả mô phỏng cho cọc được so sánh với các phần mềm đối chứng, giúp phân tích các hiệu ứng tần số và các ảnh hưởng vật lý khác nhau.
According to research by [42], the bearing capacity of pile tips can be analyzed using various methods, including the General Formula, Vesic’s Method, Janbu’s Method, Meyerhof’s Method, and Coyle & Castello’s Method Additionally, side bearing capacity is determined through Alpha, Beta, and Lambda methods.
Trong nghiên cứu này, tác giả đã mô hình hóa cọc dài 20m được đóng vào nền đất với các mức năng lượng khác nhau (200 Tấn, 600 Tấn, 1000 Tấn) và các loại nền đất khác nhau, đồng thời khảo sát độ sâu cọc được đóng vào nền (1/4L, 1/2L, L) để xác định vận tốc sóng đỉnh khi truyền từ cọc đến môi trường xung quanh Phân tích được thực hiện bằng phần mềm ABAQUS.
Hình 1 16: So sánh sức chịu tải mũi
Hình 1 17: So sánh Sức kháng bên
Nghiên cứu của Theo [4] tập trung vào các vấn đề quan trọng liên quan đến tải trọng động tác động lên cọc, từ lý thuyết đến thí nghiệm mô hình Mục tiêu là xác định các thông số động cần thiết cho thiết kế và tính toán cọc chịu tải trọng động tại khu vực TP HCM.
Nghiên cứu của Theo [31] tập trung vào trạng thái tới hạn và lý thuyết dẻo trong mô hình MCC Thí nghiệm CUBICAL TRIAXIAL được thực hiện với ba phương ứng suất khác nhau trên các mẫu đất trong phòng, với các điều kiện độ rỗng ban đầu khác nhau, và kết quả được so sánh với phân tích mô phỏng máy tính.
Mô hình MCC đã cho kết quả mô phỏng khả quan trong các lộ trình tương tự như điều kiện thực tế của mẫu đất ngoài hiện trường Nghiên cứu đã tổng hợp các phương pháp tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc, theo các tài liệu [4], [23], [25].
Hình 1 18: Sơ đồ tổng hợp các phương pháp tính sức chịu tải cọc [4], [23], [25]
Theo nghiên cứu của [45], mô phỏng Plaxis sử dụng mô hình HS để xác định sức chịu tải dọc trục thông qua thí nghiệm O-Cell, với các hiệu ứng L/D được phân tích cho d = 1m và L lần lượt là 10m, 20m, và 50m Kết quả thu được các đường cong Load - Movement, Load - Transfer, và Unit Shaft Resistance Ngoài ra, theo [34], nghiên cứu thực nghiệm về ứng suất tồn trữ trong cọc và ảnh hưởng của nó đến sức chịu tải đã được thực hiện thông qua các thí nghiệm hiện trường Chi tiết phân tích nghiên cứu được trình bày trong Phụ lục 1.6.
Các nghiên cứu đã chỉ ra tầm quan trọng của việc tính toán thiết kế nền móng, nhưng vẫn chưa mô hình hóa được tính đàn hồi - dẻo dưới tải trọng Các thông số đất nền trong mô hình chưa được chuẩn hóa và so sánh với các thí nghiệm hiện trường như SPT, CPTU và thí nghiệm nén tĩnh có gắn đầu đo ứng suất Mặc dù đã tổng hợp các phương pháp tính sức chịu tải tĩnh và mô phỏng ảnh hưởng của các thông số lên cọc và đất nền, cơ chế phân bố ma sát bên dọc theo thân cọc trong các lớp đất khác nhau vẫn chưa được làm rõ, chỉ xác định được sức kháng bên đơn vị và sức kháng mũi.
Nghiên cứu cho thấy việc xác định sức chịu tải của cọc thường cho kết quả phân tán, với độ chính xác phụ thuộc vào phương pháp và sự kết hợp giữa các thí nghiệm trong phòng và hiện trường Các phương pháp tính toán sức chịu tải tĩnh rất đa dạng, và việc xác định chính xác phân bố sức chịu mũi và sức chịu bên cùng với các hệ số quan trọng trong tính toán là rất cần thiết để đánh giá sức chịu tải của cọc trong thiết kế đại trà.
Nghiên cứu tính toán sức chịu tải bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Có nhiều phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc, tuy nhiên kết quả thường không đồng nhất Nhiều tác giả đã nghiên cứu việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng với các mô hình đất phù hợp để mô phỏng và phân tích chính xác các trường ứng suất - biến dạng dưới nhiều loại tải trong cùng một bài toán tại mọi thời điểm.
Công tác thiết kế và tính toán mô phỏng đồng thời kết cấu trên và nền đất dưới công trình được thực hiện nhằm đảm bảo an toàn tối ưu Việc áp dụng các phương pháp này đã mang lại hiệu quả cao trong việc đánh giá tính ổn định và độ bền của công trình.
Mô hình đất hợp lý là yếu tố quan trọng trong thiết kế móng cọc cho các công trình, đặc biệt tại khu vực nghiên cứu sâu rộng Bằng cách phân tích và so sánh kết quả thí nghiệm với các mô hình nền khác nhau, chúng ta có thể xác định bộ thông số của đất nền, từ đó mô phỏng trạng thái ứng suất - biến dạng của cọc cũng như ứng xử của nền đất xung quanh cọc trong điều kiện biến dạng dẻo Phân tích mô phỏng được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm FEM, sau khi tiến hành phân tích ngược thí nghiệm để tìm ra các thông số đất nền phù hợp với kết quả nén tĩnh có gắn đầu đo ứng suất biến dạng trong thân cọc.
1.7.1 Mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc có gắn đầu đo ứng suất – biến dạng
Theo nghiên cứu, mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc với đầu đo ứng suất - biến dạng trong thân cọc đã được thực hiện nhằm phân tích ứng suất biến dạng dẻo trong nền đất Nghiên cứu so sánh các mô hình Hardening Soil, Soft Soil và Modified Camclay, từ đó xác định mô hình đàn hồi - dẻo tái bền phù hợp nhất cho thiết kế móng cọc Kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt trong hành vi của các mô hình nền khác nhau, cung cấp cơ sở cho việc phân tích và so sánh.
Hình 1 19: Kết quả mô phỏng SOFTSOIL MODEL (SS) [24]
Hình 1 20: Kết quả mô phỏng HARDENING SOIL MODEL (HS) [24]
Trong nghiên cứu về sức chịu tải tĩnh, chúng tôi đã tiến hành so sánh các kết quả mô phỏng để xác định mô hình đàn hồi – dẻo phù hợp Qua đó, nghiên cứu đã phát triển một phương pháp tính toán sức chịu tải hiệu quả.
Kết quả thí nghiệm cho thấy sức kháng bên đơn vị là -92.83*10^-3 m, xác định sức kháng ma sát đơn vị lớn nhất và sức kháng ma sát đơn vị tại chuyển vị 80mm Đồng thời, nghiên cứu cũng xác định chuyển vị tối đa dẫn đến phá hoại ma sát thân cọc trong các loại đất khác nhau và ở các độ sâu khác nhau.
1.7.2 Mô phỏng tính toán cọc chịu tải trọng động bằng phần tử hữu hạn
Theo Wu (2020) đã mô hình hóa hệ cọc cầu trong phần mềm ABAQUS để nghiên cứu ảnh hưởng của gia tốc với các tần số khác nhau và độ sâu cọc khác nhau.
Mô hình hóa phản ứng động của cọc đơn nhúng trong cát, bao gồm cả hiệu ứng cộng hưởng, đã được nghiên cứu vào năm 2020, cho thấy ảnh hưởng của tần số cộng hưởng trên các loại đất có độ chặt khác nhau Rajpoot (2020) đã thực hiện mô phỏng số trong ANSYS để phân tích hệ thống công trình nhà – cọc – nền dưới tác động của tải trọng động Lin (2020) cũng đã đóng góp vào lĩnh vực này với các nghiên cứu liên quan.
Nghiên cứu mô phỏng số phản ứng động của nền đáy biển xung quanh cọc đơn dưới tác động của dòng sóng với các vận tốc khác nhau đã được thực hiện Theo Nguyễn Mạnh Tường (2016), việc phân tích từ lý thuyết đến thực nghiệm trên các công trình giúp tính toán sức chịu tải của cọc Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của tải trọng động đối với sức chịu tải, ứng suất và biến dạng của cọc cùng với đất nền xung quanh.
Nghiên cứu của Theo Ahmed (2015) đã mô phỏng ảnh hưởng của cọc - đất đến đáp ứng động của cọc đơn dưới tác động của tải trọng động từ máy, với tần số từ 1Hz đến 50Hz và lực Q=1 Nghiên cứu chỉ ra mối quan hệ giữa độ dài, độ cứng của cọc và đất với độ giảm chấn, tần số và chu kỳ, ảnh hưởng đến độ lún của cọc đơn và cọc trong nhóm móng máy Nội dung nghiên cứu tập trung vào tác động của các thông số khi chịu tải động từ móng máy lên đài cọc Tuy nhiên, các ảnh hưởng đến độ lún và sức chịu tải của cọc xung quanh khi chịu tải trọng động lan truyền vẫn chưa được nghiên cứu.
Hình 1 21: Khối móng được chống đỡ trên cọc [29]
Hình 1 22: Hiệu ứng của chiều dài cọc với độ giảm chấn của cọc trong đất yếu [29]
Theo Ravishankar (2014) đã phân tích mô phỏng tải trọng động trên cọc bằng phần mềm ANSYS, nghiên cứu ảnh hưởng đến các loại đất rời, đất dính và sự tổng hợp giữa hai loại này Shrestha (2019) đã mô hình hóa hệ cọc cho turbin gió bằng ABAQUS chịu tác động động Chu (2018) thực hiện thí nghiệm mô hình thu nhỏ và phân tích kết quả mô phỏng số, tìm ra mối tương quan giữa độ cứng động với tần số, độ xuyên và diện tích ma sát của thân cọc Su (2020) tiếp tục nghiên cứu trong lĩnh vực này.
[92] nghiên cứu mô phỏng và thí nghiệm theo Shaking table test hệ cọc – nền – kết
Hệ đài cọc có đáp ứng khác nhau với vận tốc và tần số, như được nêu trong nghiên cứu của Ahmed (2015) Gupta (2018) đã sử dụng MATLAB để phân tích mối quan hệ giữa độ cứng và tần số Sun (2020) tập trung vào đặc trưng động của đất xung quanh trong quá trình dao động của cọc thông qua mô hình DEM, phát hiện ra các đặc điểm tần số bị ảnh hưởng bởi động lực của nền đất Macaro (2020) đã mô phỏng tương tác giữa nền cát và tải tuần hoàn với các thông số khác nhau Các nghiên cứu này đều chỉ ra tầm quan trọng của việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học của hệ đài cọc và nền đất.
Các tác giả đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng số để phân tích ảnh hưởng của tải trọng động, và đã thu được những kết quả hợp lý, góp phần quan trọng vào hướng nghiên cứu mô phỏng số trong lĩnh vực này.
Nghiên cứu mô hình thí nghiệm tỉ lệ nhỏ cho cọc chịu tải trọng động
Nghiên cứu của Garala (2020) cho thấy tần số gia tốc ảnh hưởng đến phân bố mô men trên cọc nhôm trong mô hình thí nghiệm ly tâm Theo Chu (2018), mô hình thu nhỏ đã được phát triển cho cọc đơn và nhóm Garala (2018) đã mô hình hóa cọc chịu tải trong các thử nghiệm trên bàn rung Rui He (2019) nghiên cứu cọc đơn tua bin gió chịu động với các tần số khác nhau Các tác giả khác cũng đã đóng góp vào lĩnh vực này.
Nghiên cứu về thiết kế các mô hình chịu tải trọng động đã được thực hiện bởi Châu Ngọc Ẩn (2020), tập trung vào việc tổng hợp mô hình thí nghiệm tỉ lệ nhỏ Kết quả nghiên cứu này đã cung cấp cơ sở lý thuyết và thiết kế cho mô hình thí nghiệm thu nhỏ, đặc biệt là cho cọc chịu tải trọng động Những phát hiện này được phân tích và tổng hợp trong phần nghiên cứu chế tạo mô hình thu nhỏ, phục vụ cho luận án.
Kết luận
1) Việc nghiên cứu thêm ảnh hưởng của tải trọng động bên cạnh tải trọng tĩnh lên móng cọc công trình trong khu vực là điều cần quan tâm khi thiết kế thi công nền móng
- Các công thức xác định độ lún móng chưa xét hết các thông số ảnh hưởng độ nhám, tỉ số L/D, tính chất cơ lý đất nền
Khi tốc độ biến dạng tăng từ 50% đến 425%, theo Caroll, giá trị Cu của đất có sự khác biệt rõ rệt Lúc này, giá trị sức chống cắt của đất được coi là sức chống cắt động không thoát nước.
- Khi tăng tốc độ biến dạng thì tương ứng với sự giảm góc ma sát trong của đất
Theo Vesic thì góc ma sát động nhỏ nhất được cho bởi:
2) Công thức của Braja M Das (2011) đã đưa thêm các thông số: Tần số của tải trọng động, Lực tuần hoàn Q, Độ cứng đàn hồi k của hệ thống móng Tuy nhiên, khi so sánh với kết quả tính các hiệu ứng động từ thí nghiệm của Ahmed (2015) thì chưa tính toán được hiệu ứng của giảm chấn so với chiều dài cọc trong đất Khi tính sức chịu tải động của cọc từ sức chịu tải của cọc đơn có xét đến ảnh hưởng của tải trọng động, các quy định trong các tiêu chuẩn xây dựng Việt nam chưa cung cấp đủ thông tin cần thiết để áp dụng
3) Ảnh hưởng của những tải trọng động trong các công trình dân dụng, công nghiệp, cầu đường, có tần số, biên độ, cường độ khác nhau gây ra những đáp ứng khác nhau cho hệ cọc - nền Các nghiên cứu tìm ra ảnh hưởng của tải trọng tĩnh và động từ công trình tới sức chịu tải cọc trong nền đất cát, mức độ suy giảm hệ số an toàn khi có thêm tải trọng động cần phải nghiên cứu với từng trường hợp cụ thể Việc nghiên cứu tính toán sức chịu tải của móng cọc khi chịu tải trọng động cần phải kết hợp các phương pháp khác nhau để tận dụng tối đa những ưu thế của phương pháp tính toán mô phỏng, thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường Do đó việc nghiên cứu bằng mô phỏng số thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm mô hình vật lý tỉ lệ nhỏ trong các chương tiếp theo có thể đáp ứng được một phần những yêu cầu đề ra.
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỌC
Đặt vấn đề
Việc kết hợp tính toán theo công thức bán thực nghiệm, thí nghiệm hiện trường và mô phỏng số là một nghiên cứu quan trọng trong tính toán sức chịu tải cọc Chương 2 tập trung vào phân tích ứng suất - biến dạng nền móng dưới móng cọc bằng phần mềm Plaxis, sử dụng các mô hình nền khác nhau Nghiên cứu thực hiện mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc với đầu đo ứng suất - biến dạng, nhằm xác định mô hình đàn hồi dẻo tối ưu cho thiết kế móng sâu Lý thuyết dẻo trong mô hình MCC được áp dụng để phân tích lộ trình ứng suất với các điều kiện nền đất khác nhau Các thông số mô hình đất nền được lựa chọn để mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của cọc và hành vi của nền đất trong vùng biến dạng dẻo, nhờ sự hỗ trợ của phần mềm FEM Plaxis, sau khi phân tích ngược thí nghiệm để xác định các thông số đất nền phù hợp.
Tổng quan việc xác định sức chịu tải bằng thí nghiệm nén tĩnh
Việc xác định sức chịu tải cọc có nhiều phương pháp, dẫn đến kết quả phân tán Hiện nay, thí nghiệm nén tĩnh cọc được áp dụng để xác định hoặc kiểm tra sức chịu tải cực hạn của cọc, từ đó xác định sức chịu tải thiết kế Các dữ liệu về tải trọng, biến dạng và chuyển vị thu được trong quá trình thí nghiệm là cơ sở quan trọng để phân tích và đánh giá sức chịu tải cũng như mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của cọc trong đất nền.
Xác định sức chịu tải giới hạn theo phương pháp đồ thị
Sức chịu tải giới hạn được xác định qua mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị, thể hiện qua đường cong S = f(P) hoặc lgS = f(lgP) Trong nhiều trường hợp, cần kết hợp với các đường cong khác như S = f(lgt) và P = f(S/lgt) để có được kết quả chính xác hơn.
Tùy thuộc vào đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn được xác định một trong hai trường hợp sau:
Đường cong quan hệ P - S có điểm uốn rõ ràng, giúp xác định sức chịu tải giới hạn Sức chịu tải này tương ứng với tải trọng tại điểm mà đường cong bắt đầu thay đổi độ dốc đột ngột hoặc khi nó gần như song song với trục chuyển vị.
Khi đường cong quan hệ P - S thay đổi chậm, việc xác định chính xác điểm uốn trở nên khó khăn hoặc thậm chí không thể thực hiện được Sức chịu tải giới hạn thường được xác định thông qua các phương pháp đồ thị khác nhau.
Tùy thuộc vào quy trình gia tải, loại cọc thí nghiệm và điều kiện đất nền, có thể áp dụng các phương pháp đồ thị khác nhau để xác định sức chịu tải giới hạn của cọc.
Phương pháp De Beer, phương pháp Chin và phương pháp 80% của Brinch Hansen là những phương pháp hiệu quả để xác định sức chịu tải dựa trên kết quả thí nghiệm theo quy trình gia tải tốc độ chậm.
Hình 2 1: Cách xác định P gh bằng phương pháp đồ thị
Phương pháp Davission, phương pháp Fuller và Hoy, cùng với phương pháp Butler và Hoy, là những phương pháp hiệu quả để xác định sức chịu tải dựa trên kết quả thí nghiệm theo quy trình gia tải tốc độ nhanh.
Phương pháp 90% của Brinch Hansen là một kỹ thuật hiệu quả để xác định sức chịu tải, dựa trên kết quả thí nghiệm gia tải tốc độ với tốc độ chuyển vị không đổi CRP.
Xác định sức chịu tải giới hạn theo chuyển vị giới hạn quy ước
Trên đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn Pgh được xác định là tải trọng quy ước tương ứng với chuyển vị giới hạn Sgh, theo bảng quy định.
Bảng 2 1: Chuyển vị giới hạn quy ước
Tác giả đề nghị Điều kiện áp dụng Chuyển vị giới hạn
Brinch Hansen Pgh ứng với 1/2 Sgh
Thụy Điển Smax ứng với 0,9P
De Beer Cọc khoan nhồi 2,5%D
60 - 80mm Hoặc (2Pl/3EA)+20mm
Nghiên cứu thí nghiệm nén tĩnh cọc trên công trình khu vực TP HCM
Kết quả thí nghiệm được phân tích dựa trên số liệu thực tế tại TP HCM, chỉ ra cách ngoại suy tổng quát từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh và strain gauge cho cọc Do cọc chịu tải trọng lớn và khả năng thử tải của đơn vị thí nghiệm tại Việt Nam bị hạn chế (khoảng 3000 đến 3500 tấn), nên kết quả được phân tích để xác định khả năng chịu tải thiết kế với hệ số an toàn là 2 qua nhiều phương pháp khác nhau Hiện nay, các phương pháp xác định khả năng chịu tải của cọc được sử dụng bao gồm SNIP, Davisson, Chin, và phương pháp Canada, trong đó TCVN 9393: 2012, Davisson và Chin là những phương pháp phổ biến NCS tập trung nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc để tìm ra các bộ thông số, với chi tiết thí nghiệm và kết quả được trình bày trong Phụ lục 2.1.
2.3.1 Thí nghiệm nén tĩnh có gắn đầu đo biến dạng
Thí nghiệm nén tĩnh dọc trục trên cọc thí nghiệm được thi công bởi nhà thầu BACHY SOLETANCHE VIỆT NAM Cọc TNBR được đổ bê tông lắp đặt
48 đầu đo ứng suất bằng dây rung trên 12 cao trình khác nhau với 4 đầu đo cho mỗi cao trình
Bảng 2 2: Các thông tin cọc thử nghiệm
Thông số Đơn vị TNBR
Khả năng chịu tải cho phép T 1800
Khả năng chịu tải cực hạn của cọc được xác định thông qua sức kháng mũi và sức kháng bên, được tính toán dựa trên phương pháp giá trị xuyên tiêu chuẩn (SPT).
Ma sát bên cực hạn trong đất dính là 0.48xN (T/m²) và trong đất rời là 0.3xN (T/m²) Sức kháng mũi cực hạn cho cả hai loại đất là 4.5xN (T/m²), với giá trị N không vượt quá 60 Khả năng chịu tải cho phép được tính bằng công thức: Khả năng chịu tải cho phép = (ma sát bên)/2 + (sức chống mũi)/3.
2.3.2 Các bước thực hiện thí nghiệm
2.3.2.1 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm
Strain Gages - VCE 4.200 sẽ được gắn chặt vào lồng thép tại các cao trình do đơn vị thiết kế chỉ định
Mười thủy lực được đặt đúng tâm trên đầu cọc thông qua tấm thép với độ dày
Load cell 120 mm có khả năng đo lực lên tới 500 T, được lắp đặt chính xác trên đầu kích thủy lực thông qua tấm thép dày 120 mm để đo lực nén dọc trục tác dụng lên đầu cọc Bốn đồng hồ đo chuyển vị với hành trình 10 cm và độ chính xác 0.01 mm được bố trí tại bốn vị trí vuông góc với trục chuyển động của thanh đo, đặt trên tấm đệm thép đầu cọc và đối xứng qua tâm cọc Hệ thống dầm chuẩn và cọc neo được thiết lập riêng biệt với cọc và hệ gối đỡ, đảm bảo tính chính xác trong quá trình đo lường.
Hình 2 2: Lắp đặt Strain gages trong lồng thép
Bảng 2 3: Thông số thời gian và tải trọng 2 chu kỳ
Kết quả tính toán sức chịu tải theo Load Test được trình bày trong Phụ lục 2.1
STT % Tải TK Thời gian lưu tải (phút) Tải trọng (T)
2 0% Định số đọc ban đầu – 10 phút
Hình 2 3: Biểu đồ các kết quả thí nghiệm Load Test
Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên kết quả thí nghiệm nén tĩnh
Theo TCVN 10304:2014 Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế [16]
Sức chịu tải của cọc được xác định thông qua kết quả thí nghiệm thực địa Trong thí nghiệm nén tĩnh, sức chịu tải trọng nén của cọc được tính bằng tải trọng thử cọc tương ứng với độ lún S, được xác định theo công thức S = ξ.Sgh.
Độ lún giới hạn trung bình của móng được ký hiệu là Sgh, và giá trị Sghmm được chọn theo TCVN 9362:2012 Hệ số chuyển tiếp ξ từ độ lún giới hạn sang độ lún cọc thử tải tĩnh có giá trị ξ = 0,2, áp dụng khi thử cọc với độ lún ổn định quy ước theo TCVN 9393:2012 Do đó, công thức tính độ lún S được xác định là S = ξ.Sgh = 0,2 x 80mm.
Theo TCVN 9393:2012, giá trị sức chịu tải giới hạn tương ứng với chuyển vị giới hạn theo tiêu chuẩn Pháp, Anh và Nhật là 10%B Đối với cọc có kích thước 800mm, chuyển vị giới hạn được xác định là 80mm.
Theo phương pháp Davission, sức chịu tải giới hạn của cọc được xác định dựa trên tải trọng tương ứng với độ lún trên biểu đồ mối quan hệ giữa tải trọng và độ lún.
Tải trọng tác dụng trên đầu cọc (Q) được xác định dựa trên chiều dài cọc (Lp), diện tích tiết diện cọc (A), mô đun đàn hồi của vật liệu cọc (E) và đường kính hoặc cạnh cọc (D) Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán khả năng chịu tải và độ bền của cọc trong các công trình xây dựng.
Chi tiết tính toán sức chịu tải theo kết quả thí nghiệm nén tĩnh được trình bày trong
Nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh để xác định sức chịu tải trong Plaxis
Hiện nay, có nhiều phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc, nhưng thường cho kết quả phân tán, gây lãng phí hoặc mất an toàn Nghiên cứu cho thấy mô phỏng số với các mô hình ứng xử tiên tiến của đất nền có khả năng mô phỏng tốt hoạt động của cọc khi chịu tải NCS đã áp dụng mô hình Modified Camclay (MCC) dựa trên lý thuyết đàn hồi - dẻo tăng bền để mô tả đường ứng suất biến dạng của nền đất Bằng cách phân tích so sánh kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc barrette với các mô hình khác, nghiên cứu tìm ra bộ thông số mô hình đất nền để mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của cọc barrette cùng với ứng xử của nền đất xung quanh Phương pháp lý thuyết đàn hồi - dẻo tăng bền trong MCC của phần mềm Plaxis được sử dụng để phân tích vùng biến dạng dẻo quanh cọc barrette, kết hợp với dữ liệu thí nghiệm nén tĩnh có gắn đầu đo ứng suất - biến dạng để làm căn cứ cho phân tích và so sánh.
2.5.1 Lý thuyết dùng trong mô hình MCC
Mặt ngưỡng dẻo (giới hạn) MCC có dạng:
Hình 2 4: Ứng xử tăng bền mô hình MCC - mặt ngưỡng nở ra khi tăng bền (hóa cứng)
Theo nghiên cứu của NCS, lý thuyết đàn hồi - dẻo đã được áp dụng để phân tích các lộ trình ứng suất – biến dạng trong cơ học đất tại TPHCM Để thực hiện mô phỏng số, NCS sử dụng phần mềm Plaxis và áp dụng các mô hình MCC, HS, SS với thông số đầu vào được tính toán dựa trên hồ sơ địa chất.
Mô hình MCC được áp dụng với các thông số đầu vào phù hợp với nền đất khu vực Nghiên cứu từ [4, 23] đã chỉ ra rằng việc mô phỏng số giúp xác định các thông số và mô hình MCC hợp lý cho thí nghiệm nhằm tìm sức chịu tải.
2.5.2 Chọn mô hình cọc - đất và tính toán thông số đầu vào
Vùng nền được xác định để đảm bảo rằng tại biên mô hình, trường ứng suất và biến dạng giảm dần và kết thúc Kích thước của vùng nền được tính toán và thử nghiệm nhiều lần nhằm đạt được kết quả mong muốn.
Hình 2 5: Mô hình cọc – lớp đất nền (a); Quan hệ ứng suất – biến dạng lớp L6 cát chặt (b)
Theo hồ sơ địa chất công trình (Phụ lục 2.3), mô hình thí nghiệm Triaxial và Oedometer đã được tính toán, điều chỉnh và chạy thử nhiều lần trong chức năng Soil Test của Plaxis Kết quả mô phỏng được so sánh với các kết quả thí nghiệm 3 trục ở các giai đoạn khác nhau và với kết quả thí nghiệm nén cố kết trong quá trình nén lại, dỡ tải Mục tiêu là tìm ra thông số , phù hợp nhất để thiết lập bộ thông số đầu vào chuẩn cho tính toán mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc Barrette.
Do điều kiện phần mềm 3D chạy có kết quả không ổn định tại thời điểm NCS đang nghiên cứu, nên NCS chọn Plaxis 2D để mô phỏng Theo [56], [57], [61], [75],
Nghiên cứu của NCS dựa trên các tài liệu như [85], [88], [99], [100], [103], [109] cho thấy mô phỏng bài toán phẳng trong 2D bằng phần tử Plate có thể đạt được sai số chấp nhận được Cọc có tỷ lệ B/H = 2.8/0.8 = 3.5, được mô phỏng với chiều dài 1 mét và chiều rộng tấm 0.8m NCS đã thực hiện mô phỏng để so sánh độ chính xác của ba mô hình MCC, SS và HS với các thí nghiệm thực địa nhằm xác định mô hình phù hợp nhất.
850800750700650600550500450400350300250200150100500 hợp nên sử dụng bài toán phẳng để giảm thiểu những sai số trong khi chạy Thông số cọc trong mô hình: EA = 2.64e 7 (kN/m); EI = 1.408e 6 (kNm²/m); W = 6.00 (kN/m/m)
Bảng 2 4: Thông số lớp đất trong mô hình MCC
ID NAME γ unsat kN/m 3 γ sat kN/m 3 e init M
Trong nghiên cứu này, ứng xử của các lớp đất được phân loại là Drained khi thực hiện thí nghiệm với tốc độ chậm, nhằm mô phỏng ứng xử lâu dài của cọc và đất nền trong hai chu kỳ thí nghiệm Tuy nhiên, đối với lớp đất thứ tư là sét cứng, ứng xử UnDrained được áp dụng do lớp đất này có hệ số thấm nhỏ và nằm ở độ sâu lớn.
Trong mô hình, các thông số chính bao gồm λ, κ và M, với λ được tính bằng Cc/2.3 và κ bằng Cs/2.3 Cc đại diện cho chỉ số nén và độ dốc của đường nén cố kết, trong khi Cs là chỉ số nở và độ dốc của đường dỡ tải trong thí nghiệm nén cố kết Công thức tính λ là độ dốc đường nén lại v = -Nλ Ln(σ'), trong đó N là thể tích riêng v ứng với áp lực σ = 1kPa trên đường NCL M được tính bằng 6sinφ/(3-sinφ), cho thấy mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình.
( ') vv Ln ; νK: thể tích riêng v ứng với áp lực σ = 1kPa trên đường nén lại Tính toán các thông số trong Phụ lục 2.4
Bảng 2 5: Thông số C c , C s , Lambda, Kappa từ kết quả thí nghiệm cơ lý
Bảng 2 6: Thông số tính toán cho mô hình MCC
Bảng 2 7: Thông số C c , C s , Lambda*, Kappa* cho mô hình SoftSoil
NCS mô phỏng theo các mô hình nền khác nhau để so sánh mô hình MCC
Hình 2 6: Độ lún theo kết quả mô phỏng mô hình SS [23]
Hình 2 7: Độ lún theo kết quả mô phỏng mô hình HS [23]
NCS đã tổng hợp kết quả độ lún từ hai chu kỳ của các mô hình được xuất ra Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ lún và tải trọng từ thí nghiệm cùng với mô phỏng các mô hình khác nhau, giúp so sánh và lựa chọn mô hình phù hợp nhất.
Hình 2 8: Biểu đồ P - S mô hình SS với thí nghiệm nén tĩnh hiện trường
Hình 2 9: Biểu đồ P - S mô hình MCC với thí nghiệm nén tĩnh hiện trường
Hình 2 10: Biểu đồ P - S mô hình HS với thí nghiệm nén tĩnh hiện trường
Sau khi phân tích kết quả mô phỏng các mô hình nền trong Plaxis, NCS đã chọn mô hình MCC do nó cho kết quả mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh gần sát nhất với thực tế Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa độ lún và tải trọng của mô hình MCC phù hợp với thí nghiệm nén tĩnh Do đó, NCS quyết định sử dụng mô hình này để nghiên cứu và phân tích các mối quan hệ khác nhau nhằm xác định sức chịu tải theo yêu cầu nén phá hoại P = 250%PTK và mô phỏng sức chịu tải ứng với độ lún quy ước.
2.5.4 Kết quả mô phỏng và các phân tích theo mô hình MCC
Độ lún của đất xung quanh cọc bắt đầu từ đầu cọc -38.43*10^-3 m và giảm dần đến mũi cọc Khi ứng suất σxx giảm, biến dạng theo phương ngang cũng giảm theo.
Thang màu giá trị độ lún
Hình 2 11: Độ lún 2 chu kỳ trong miền đàn hồi
Trong quá trình gia tải, tải trọng sẽ được tăng lên đến Phase 6 CK1_100% và sau đó giảm xuống Phase 10 CK1_0%, tiếp tục tăng đến Phase 12 CK2_100% Độ lún của đất xung quanh cọc giảm dần từ đầu cọc -38.43*10^-3 m đến mũi cọc, trong khi ứng suất σxx cũng giảm dần dẫn đến biến dạng ngang giảm theo Do nền đất vẫn trong miền đàn hồi, độ lún giữa các điểm là bằng nhau, cho thấy chỉ có biến dạng đàn hồi mà không có biến dạng dẻo.
Hình 2 12: Vùng biến dạng 2 chu kỳ theo cấp tải khác nhau [23]
Trong quá trình gia tải, tải trọng sẽ tăng lên đến Phase 6 CK1_100%, sau đó giảm tải xuống Phase 10 CK1_0% Tiếp theo, tải trọng sẽ tiếp tục tăng đến Phase 12 CK2_100% và sau đó đạt mức Phase 14 CK2_150% Đồng thời, độ lún của đất xung quanh cọc tăng từ -38.43*10^-3 m lên -55.26*10^-3 m.
Độ lún lớn nhất xảy ra tại đầu cọc và giảm dần đến mũi cọc Tương tự, độ lún theo phương ngang cũng giảm mạnh từ thân cọc ra đến nền đất xung quanh.
Hình 2 13: Độ lún cọc chu kỳ 2 và phân bố OCR
Trong lộ trình gia tải, tải trọng sẽ được tăng dần đến Phase 6 CK1_100%, sau đó giảm tải đến Phase 10 CK1_0% Tiếp theo, tải trọng sẽ tiếp tục tăng lên đến Phase 12 CK2_100% và sau đó đạt Phase 14 CK2_150% Độ lún của đất xung quanh cọc ghi nhận sự gia tăng từ -38.43*10^-3 m đến -55.26*10^-3 m.
3m Độ lún tại Phase 16 CK2_100% (-39.51*10 -3 m) tăng lên so với độ lún tại Phase
Phân tích kết quả theo mô hình (MCC) và thí nghiệm nén tĩnh
2.6.1 Thiết lập mối tương quan thông số mô hình
NCS thiết lập mối quan hệ các thông số đầu vào mô hình MCC, thiết lập các phương trình tương quan trong Excell
Bảng 2 8: Thông số đầu vào mô hình sau khi phân tích ngược
Hình 2 14: Đồ thị biểu diễn thông số trong mô hình MCC
Kết quả tương quan các thông số trong mô hình MCC như sau:
2.6.2 Phân tích so sánh kết quả tính toán mô hình MCC và thí nghiệm nén tĩnh
Kết quả chạy chương trình xuất các biểu đồ quan hệ độ lún cho từng giai đoạn
Kappa - LambdaPoly (Kappa -Lambda) và cho toàn bộ 2 chu kỳ Kết quả sau khi đã trừ đi độ lún đàn hồi của cọc barrette
Bảng 2 9: Độ lún đàn hồi của cọc
Phase Độ lún đầu cọc Độ lún mũi cọc Độ lún đàn hồi cọc
Hình 2 15: Biểu đồ so sánh độ lún tại 2 chu kì
Trong chu kỳ 2 của thí nghiệm, chuyển vị tổng đạt 22.26mm, so với 33mm trong kết quả mô phỏng, cho thấy độ chênh lệch 1.74cm là chấp nhận được Mô hình MCC cho kết quả tương đối phù hợp với thí nghiệm nén tĩnh, tuy nhiên, vẫn tồn tại sự chênh lệch đáng kể về độ lún dư, phản ánh biến dạng dẻo trong nền đất.
0 10 20 30 40 50 60 Độ lún đầu cọc Độ lún mũi cọc Độ lún đàn hồi
So sánh với kết quả nén tĩnh với kết quả mô phỏng MCC
Hình 2 16: Biểu đồ so sánh độ lún theo Load test và Plaxis
Trong chu kỳ 1, kết quả nén tĩnh cho thấy biến dạng dẻo không hồi phục chiếm 41.3% tổng biến dạng, trong khi mô phỏng cho thấy biến dạng dẻo không hồi phục chỉ chiếm 7% tổng biến dạng.
Trong chu kỳ 2, lộ trình ứng suất của đất nền khi gia tải cho thấy rằng mỗi lần gia tải vượt qua áp lực tiền cố kết (100%PTK - ngưỡng dẻo mới) và sau đó giảm tải, áp lực vừa dỡ tải sẽ trở thành áp lực tiền cố kết mới, tức là ngưỡng dẻo mới Quá trình này làm tăng dần ngưỡng dẻo mới, giúp kết cấu đất nền chặt lại và hệ số rỗng tiến dần tới ecr Sự gia tăng độ cứng dẫn đến biến dạng dẻo không hồi phục chỉ chiếm 29.24% tổng biến dạng.
Trong chu kỳ 2, kết quả mô phỏng cho thấy biến dạng dẻo không hồi phục chiếm 8,73% tổng biến dạng, với sự gia tăng dẻo tương đối nhỏ giữa hai chu kỳ Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm tra kỹ lưỡng cọc thử trước khi tiến hành thí nghiệm, nhằm tránh tình trạng cọc bị nén và đảm bảo độ chính xác của kết quả đo độ lún.
Chu kỳ 1 Chu kỳ 2 Chu kỳ 1 Chu kỳ 2
2.7 Nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm nén phá hoại 250%P TK Độ lún Biến dạng thể tích Biến dạng cắt
-24.09*10 3 kN/m Ứng suất hữu hiệu Phân bố OCR Phân bố tải trọng
Hình 2 17: Kết quả mô phỏng thí nghiệm nén phá hoại cọc [23]
Biến dạng thể tích và biến dạng cắt tập trung chủ yếu ở đầu và mũi cọc, với sự gia tăng nhanh chóng của OCR tại lớp đất sét cứng số 5 sau quá trình tăng tải Tải trọng thẳng đứng phân bố dọc theo chiều dài cọc đạt giá trị tối đa tại đầu cọc với cấp tải 250% PTK, sau đó giảm dần theo độ sâu đến mũi cọc Ứng suất cắt tại đầu cọc đạt Q = 90.74 kN/m do hiện tượng nén dọc trục gây ra uốn dọc trên thân cọc, tập trung chủ yếu ở đoạn mũi cọc trong lớp cát thô số 6.
Nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm tìm sức chịu tải theo chuyển vị giới hạn quy ước
NCS tiến hành xem xét kết quả tải trọng tương ứng với độ lún quy ước Theo đó, với chuyển vị giới hạn 10% D (tương đương 0.8m cho cạnh ngắn của cọc), độ lún tương ứng theo tiêu chuẩn hiện hành là 80mm Giá trị độ lún quy ước được đặt cho cọc và mô hình được chạy Kết quả mô phỏng cho thấy độ lún, biến dạng thể tích và biến dạng cắt.
Gia số biến dạng OCR
Hình 2 18: Kết quả mô phỏng với độ lún giới hạn Uy 80mm [23]
Kết quả mô phỏng cho thấy sức chịu tải theo chuyển vị giới hạn quy ước với tải dọc trục đạt 150%PTK tương ứng với chuyển vị giới hạn 10%D Tải trọng tại chuyển vị 80mm là 21.63*10^3 kN/m Điều này cho thấy tại độ lún quy ước, đất nền vẫn hoạt động trong miền đàn hồi, trong khi vùng biến dạng dẻo chỉ bắt đầu xuất hiện tại mũi cọc và xung quanh thân cọc ở nửa trên của đầu cọc.
Kết luận
1) Các thông số trong mô hình MCC thu được sau khi hiệu chỉnh để phù hợp với thí nghiệm nén tĩnh, NCS tìm ra được các thông số ảnh hưởng mạnh nhất tới kết quả mô phỏng là M, λ, κ Thông số M trong mô hình để xác định đường CSL: q=Mp’, q M p ' 2 c ' cot g ' với các lớp đất sâu, giá trị M tương đối lớn, việc xác định M rất quan trọng để tìm ra điểm phá hoại khi lộ trình ứng suất di chuyển và chạm đường CSL Giá trị λ trong kết quả mô phỏng nhỏ hơn kết qủa tính toán theo đường cong nén lún trong hồ sơ địa chất Trị số κ của đường dỡ tải khá lớn, trong các lớp đất có chiều sâu lớn Điều này cho thấy, dưới móng sâu, biến dạng dẻo có tỷ lệ tương đối nhỏ, biến dạng đàn hồi là chủ yếu và chiếm khoảng trên 70% tổng biến dạng
2) Mô hình MCC phù hợp trong các mô hình đất được phát triển cho các phần mềm tính toán nền móng gần đây Việc phân tích mô hình MCC trong khi sử dụng phần mềm Plaxis kết hợp với so sánh kết quả thí nghiệm nén tĩnh là cơ sở đánh giá chính xác ứng suất biến dạng trong nền đất Qua nghiên cứu thí nghiệm nén tĩnh 2 chu kỳ, NCS thấy rằng trị số κ của đường dỡ tải khá lớn, trong các lớp đất có chiều sâu lớn Điều này cho thấy tại độ sâu lớn, biến dạng dẻo có trị số đối nhỏ, biến dạng đàn hồi là chủ yếu Theo kết quả thí nghiệm có λ/ κ 12/5.41=2.4(CK1) và λ/ κ
3) Các phương trình tương quan trong mô hình MCC
4) Từ các nghiên cứu và với kết quả mô phỏng số, NCS có cái nhìn rõ hơn về lộ trình ứng suất biến dạng khi chịu tải tĩnh trong thí nghiệm nén tĩnh Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động tới ứng suất biến dạng, tương quan các thông số khi chịu tải tĩnh so với khi chịu động, mức độ suy giảm khả năng chịu tải cần làm rõ trong nghiên cứu phần tiếp theo Kết quả phân tích về ứng suất biến dạng, sức chịu tải, thành phần độ lún, phân bố ma sát tải trọng dọc trục trong quá trình chịu tải sẽ là số liệu để NCS tiếp tục nghiên cứu ứng dụng trong thí nghiệm mô hình vật lý tỉ lệ nhỏ và tiến hành thí nghiệm, phân tích tính toán.