Nghiên cứu ảnh hưởng của các tải trọng tĩnh và động tới sức chịu tải của cọc khu vực thành phố hồ chí minh

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 có hệ móng cọc Tuy nhiên, chi phí cho phần nền móng ngày càng tăng cao, yêu cầu việc 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, dễ bị ảnh hưởng bởi tải trọng động và sóng ứng suất, gây ra rủi ro cho kết cấu, 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 từ công trình truyền xuống cọc hoặc từ nền đất xung quanh có ảnh hưởng đáng kể đến cọc, gây ra các tác động khác nhau cho bản thân cọc và vùng biến dạng xung quanh.

Việc nghiên cứu và tính toán sức chịu tải trọng động của móng cọc là rất cần thiết để đảm bảo độ ổn định cho công trình, đồng thời xác định sự suy giảm sức chịu tải sau khi công trình phải 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 xem là một trong những phương pháp đáng tin cậy nhất, mặc dù tốn kém và mất nhiều thời gian Phương pháp này không cung cấp kết quả trực tiếp về ảnh hưởng của tải trọng động Để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động, người ta thường nhân thêm hệ số vào kết quả sức chịu tải tĩnh của cọc.

Việc xây dựng mô hình thí nghiệm nhằm xác định các thông số tính toán cọc nền công trình đã được chứng minh là hiệu quả trong việc mô phỏng hoạt động của cọc trong nền đất Qua việc phân tích và so sánh kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc với các mô phỏng sử dụng các thông số động khác nhau, có thể xác định bộ thông số của đất nền, từ đó mô phỏng trạng thái ứng suất - biến dạng của cọc và phản ứng 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 các thông số hợp lý Bài viết xem xét việc áp dụng mô hình đất này để phân tích lộ trình ứng suất dưới các điều kiện và tính chất khác nhau của nền đất Đồng thời, nghiên cứu cũng tập trung vào việc lựa chọn thông số mô hình của đất nền để mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của cọc và ứng xử của nền đất trong khu vực có biến dạng dẻo xung quanh cọc.

Nghiên cứu điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn nhằm đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động đến sức chịu tải tại khu vực Mô hình vật lý tỉ lệ nhỏ được xây dựng để thực hiện thí nghiệm gia tải động lên cọc, từ đó xác định ảnh hưởng của tải trọng động đến sức chịu tải và độ lún của cọc Phân tích ứng xử động của cọc dưới tác động của tải trọng động với các tần số khác nhau cũng được tiến hành Nghiên cứu còn xem xét ảnh hưởng của tỉ lệ L/D, hiệu ứng cọc - nền, và sức chịu tải tức thời khi chịu tải trọng động Cuối cùng, các tương quan Lực – Biến dạng, Lực – Sức kháng mũi, và Lực – Tỉ lệ Sức kháng bên/Sức kháng mũi được thiết lập cho cọc chịu tải trọng động trên 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 được thực hiện thông qua thí nghiệm hiện trường và các nghiên cứu quốc tế Các phương pháp này giúp đánh giá chính xác khả năng chịu tải của cọc trong điều kiện khác nhau, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công công trình Việc áp dụng các nghiên cứu này không chỉ nâng cao độ tin cậy của kết quả mà còn góp phần vào việc phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật trong ngành xây dựng.

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp số trong phân tích sức chịu tải cọc nhằm xác định mô hình phù hợp với kết quả thí nghiệm nén tĩnh, từ đó mô phỏng và tìm ra sức chịu tải phá hoại 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 cũng phân tích sự thay đổi ứng suất tiếp giữa thành cọc và đất theo tần số, từ đó đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động đến ứng xử động của cọc Các tương quan về ứng suất, biến dạng và tần số được thiết lập cho 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, đồng thời nghiên cứu lý thuyết và các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc Việc xử lý thống kê và phân tích kết quả thí nghiệm được thực hiện bằng các phần mềm xử lý số liệu hiện đại, nhằm thiết lập các mối tương quan chính xác.

Phương pháp thực nghiệm là nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm, nhằm phân tích, so sánh và đối chiếu kết quả một cách chính xác.

Phương pháp mô phỏng số được áp dụng để nghiên cứu thí nghiệm nén tĩnh, sử dụng phần mềm Plaxis cho phân tích so sánh Qua việc sử dụng các phần mềm xử lý số liệu, nghiên cứu tìm ra kết quả giữa mô phỏng số và thí nghiệm hiện trường, từ đó xác định các tương quan trong mô hình đất nền.

Những điểm mới của luận án

Mô hình thí nghiệm nén tĩnh cọc được xây dựng nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vật lý đến sức chịu tải của cọc dưới tải trọng tĩnh và sự suy giảm khi chịu tải trọng động trên nền cát Nghiên cứu này sẽ phân tích các tác động của thông số động lực học lên ứng suất, biến dạng và sức chịu tải của cọc, đồng thời tìm ra các mối tương quan liên quan.

Đề xuất các phương trình tương quan giữa độ lún và tần số cho các loại cọc, bao gồm cọc có bề mặt trơn và cọc có bề mặt nhám Các phương trình này sẽ phân tích mối quan hệ giữa lực, ma sát đơn vị, sức kháng mũi, và tỉ lệ Fs0/sức kháng mũi, cũng như tỉ lệ Fs1/sức kháng mũi, cho các loại cọc có tỷ lệ L/D khác nhau.

Mô phỏng số thí nghiệm nén tĩnh đã được thực hiện để xác định mô hình Modified CamClay (MCC), cho kết quả gần nhất với thực tế Nghiên cứu chỉ ra rằng các thông số ảnh hưởng mạnh mẽ đến kết quả mô phỏng nén tĩnh Việc áp dụng mô hình MCC trong việc mô phỏng nén phá hoại giúp xác định sức chịu tải cực hạn của cọc.

Đề xuất các hệ số tương quan trong thí nghiệm nén tĩnh λ/κ 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 các thông số M, Lambda, và Kappa trong mô hình MCC của phần mềm Plaxis được sử dụng để mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh nhằm xác định sức chịu tải của cọc.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài này nhằm làm rõ ảnh hưởng của tải trọng động tĩnh và động thông qua việc mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh và thí nghiệm mô hình vật lý tỉ lệ nhỏ Bài viết cũng đề xuất các phương trình tương quan giữa tần số và độ lún, lực và biến dạng, cũng như mối quan hệ giữa lực và sức kháng.

Nghiên cứu này cung cấp dữ liệu quan trọng để phân tích ảnh hưởng của tải trọng động trong thiết kế sức chịu tải cọc Việc xem xét ảnh hưởng của tải trọng động trong điều kiện 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

Hiện nay, trong thiết kế móng cọc tại TP HCM, mũi cọc được tính toán nằm trong lớp đất tốt do khu vực này có tầng đất yếu dày với sức chịu tải kém Khi công trình chịu tải trọng động, sức chịu tải của cọc sẽ bị ảnh hưởng, đặc biệt là phần nằm 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 khi có tải trọng động 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 gồm trầm tích sét, cát, sỏi cửa sông và ven biển với độ dày thay đổi, hình thành từ các trầm tích ven biển và cửa sông Đặc điểm địa chất và địa mạo của khu vực này không đồng nhất, ảnh hưởng bởi khí hậu và địa lý Các cấu trúc địa tầng tại các khu công nghiệp như Cát Lái, Hiệp Phước và Tân Tạo cho thấy sự hiện diện của các loại đất sét, bùn sét và cát với độ dày từ 3 đến 30m, có lớp đất yếu và phân bố không đồng đều Để thiết kế và thi công công trình, cần nghiên cứu kỹ lưỡng các hiện tượng động lực địa chất tại khu vực Thông tin chi tiết về các lớp đất và chỉ tiêu cơ lý được thể hiện trong bảng và phụ lục kèm theo.

Bảng 1 1: Chỉ tiêu cơ lý đất KCN Cát Lái – Quận 2

Cát san lấp là loại vật liệu quan trọng trong xây dựng, trong khi bùn sét và sét pha ít sỏi sạn có màu nâu đỏ và trạng thái dẻo cứng cũng được sử dụng phổ biến Sét lẫn hữu cơ, có màu xám đen và trạng thái dẻo mềm, thường gặp trong các công trình cần độ bền cao Cát hạt trung với trạng thái chặt vừa và sét pha cát với trạng thái dẻo cứng là lựa chọn lý tưởng cho nền móng Cuối cùng, cát hạt mịn với trạng thái chặt vừa cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các lớp nền vững chắc.

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 có vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của công trình Đất được coi là yếu nếu không áp dụng các biện pháp kỹ thuật để cải thiện thành phần hoặc tính chất của nó cho mục đích xây dựng Đất yếu không đủ khả năng chịu tải trọng của công trình, với sức chịu tải kém và dễ bị hư hại, biến dạng khi chịu tác động của tải trọng rung động Những thông số cụ thể về chỉ tiêu cơ lý của đất yếu được thể hiện trong Bảng 1.2.

Bảng 1.2 trình bày một số chỉ tiêu cơ lý của đất yếu tại TP HCM, nhấn mạnh các tính chất đặc trưng cần lưu ý trong nghiên cứu Khi đất nguyên dạng bị tác động lực mà không được đầm chặt lại, liên kết giữa các hạt đất sẽ bị phá hủy, dẫn đến giảm cường độ chịu tải Tính xúc biến của đất yếu thường được biểu thị qua độ nhạy S, với giá trị khoảng 3 đến 4, và có thể lên đến 16 ở một số khu vực Đặc biệt, cát rời có khả năng hóa lỏng khi độ chặt tương đối D dưới 15% và N SPT nhỏ hơn 4, khi chịu tải trọng động tuần hoàn, dẫn đến gia tăng áp lực nước lỗ rỗng và giảm ứng suất hữu hiệu, gây mất sức chịu tải của đất nền khi ứng suất hữu hiệu bằng 0.

[10] trình bày những kết quả khảo sát hiện trạng nhà cửa, điều kiện địa chất công trình

TP HCM đang phát triển nhanh chóng với hệ thống giao thông dày đặc, bao gồm nhiều xe tải nặng và thi công xây dựng Sự hoạt động của các loại máy móc thiết bị tạo ra tải trọng động, ảnh hưởng đến các công trình Dưới tác động của tải trọng động này, nền đất xung quanh cọc có nguy cơ bị suy giảm sức chịu tải do hiện tượng hoá lỏng.

Bảng 1 3: Độ nhạy cảm hóa lỏng nền đất.

Các khu công nghiệp và khu chế xuất thường nằm dọc theo các sông, kênh lớn với nền đất yếu, đặc biệt ở phía Đông, Nam và Tây TP HCM Đặc điểm địa chất công trình thủy văn tại đây gây nhiều khó khăn cho quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa Các lớp đất yếu dày, phân bố phức tạp và không đồng đều, xen kẽ giữa lớp sét và cát, có thể được nâng nền bằng cách bơm cát Những tầng đất này đang trong quá trình cố kết chậm, ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc do hiện tượng ma sát âm, và dễ bị lún, trượt, lở, cũng như đẩy trồi sang hai bên, tác động xấu đến các công trình như đường, cống thoát nước và hào kỹ thuật Do đó, việc xem xét ảnh hưởng của tải trọng động lên móng cọc là rất quan trọng trong thiết kế và thi công nền móng, cũng như trong quá trình vận hành các công trình dân dụng.

Trong xây dựng công trình trên nền đất yếu, cần chú ý đến sự gia tăng tải trọng thẳng đứng lên các cọc do tải trọng động, bao gồm tải trọng xung từ vụ nổ, sập công trình lân cận, động đất, và tải trọng tuần hoàn từ máy móc, thiết bị hoặc xe cộ trên đường cao tốc Những tải trọng động này có thể gây ra biến dạng không lường trước trong đất, ảnh hưởng đến an toàn của công trình Tuy nhiên, định nghĩa về sức chịu tải động của đất nền và cọc vẫn chưa rõ ràng, và còn nhiều vấn đề cần được giải quyết.

- 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 cung cấp cơ sở cho các phân tích về ảnh hưởng động đến ma sát thân cọc và sức kháng mũi khi cọc chịu tác 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 của phương pháp là số liệu đo gia tốc và biến dạng của thân cọc khi chịu tác động từ quả búa Các đặc trưng động theo Smith được xác định thông qua việc đo sóng lực và sóng vận tốc (tích phân gia tốc) Phân tích được thực hiện theo thời gian thực bằng các phép tính lặp, dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất thanh cứng và liên tục do va chạm dọc trục tại đầu cọc gây ra.

Phương pháp thí nghiệm dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất trong thanh đàn hồi cho phép xác định sự phân bố sức kháng của đất nền Sóng ứng suất do búa đóng cọc tạo ra lan truyền từ đầu cọc xuống mũi cọc, với biên độ và tốc độ phụ thuộc vào năng lượng của búa và đặc tính cơ học của vật liệu cọc Quá trình lan truyền sóng cũng chịu ảnh hưởng từ sức kháng của đất nền xung quanh cọc Bằng cách đo và phân tích quá trình này, có thể đánh giá 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 phương pháp PDA, NCS đã xem xét cơ sở lý thuyết về sóng ứng suất đàn hồi Trong một thanh thẳng, sóng ứng suất truyền theo phương trục z, với một đoạn thanh ∆z có diện tích mặt cắt ngang A, mô đun Young E và trọng lượng đơn vị thể tích của thanh là  Chi tiết các bước tính toán được trình bày trong Phụ lục 1.2.

Tính toán và tìm được : v c =z/t

Trong đó: v c là vận tốc sóng ứng suất dọc trục lan truyền trong thanh.

Vận tốc sóng ứng suất dọc thanh truyền, ký hiệu là v c, có thể được xác định trực tiếp thông qua thí nghiệm hiện trường Cách thực hiện là đo khoảng cách sóng ứng suất đã đi được, 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 tổng cộng 2L/v c, trong đó L là khoảng cách và v c là vận tốc truyền sóng.

Hình 1 5: Lực và vận tốc tại đầu cọc khi mũi cọc đi vào đất cứng [1], [39].

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 6: Lực và vận tốc tại đầu cọc khi mũi cọc đi vào đất yếu [1], [39].

Trong trường hợp 3, ma sát dọc thân cọc có ảnh hưởng đáng kể đến lực và vận tốc, khi ma sát nhỏ R(z) dẫn đến sự giảm chậm của cả hai đại lượng này Điều này cho thấy xung lực tác động từ đầu cọc đến mũi cọc và phản xạ trở lại đỉnh trong khoảng thời gian 2L/v c 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.

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 đạt khoảng ’0,5%/s Kết quả thu được là s u, được sử dụng để tính toán sức chịu tải tĩnh không thoát nước Nghiên cứu của Carroll về đất sét tại Buckshot đã cung cấp những kết quả quan trọng liên quan đến vấn đề này.

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 đạt từ 50% đến 425%, giá trị c u của đất có sự khác biệt rõ rệt Trong giai đoạn 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 nghiên cứu của Vesic, góc ma sát động nhỏ nhất được xác định là: ’ (động) = ’ (tĩnh) - 20.

Cường độ, biến dạng dưới ảnh hưởng của tải trọng tức thời

Casagrande và Shannon đã tiến hành thí nghiệm để tạo ra các tải xung với thời gian gia tăng tải là t L = 0.2s Họ so sánh sự biến thiên ứng suất theo biến dạng theo thời gian đặt tải t L = 0.2s trong các trường hợp chịu nén 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 là 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 bài toán dao động, cần xác định các yếu tố cơ bản như khối lượng dao động (m), hệ số giảm chấn (c), độ cứng nền (k) và lực tác động (F(t)) Dao động tự do (Free Vibration) xảy ra khi hệ thống chịu tác động từ lực bên trong mà không có lực ngoại tác, bắt nguồn từ một dịch chuyển hoặc vận tốc ban đầu Ngược lại, dao động cưỡng bức (Forced Vibration) là kết quả của lực ngoại tác trong suốt quá trình dao động Ngoài ra, bậc tự do (Degree of Freedom) là số tọa độ độc lập cần thiết để mô tả dao động của hệ thống.

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 hệ thống móng được đặt trên lò xo, trong đó lò xo biểu thị tính đàn hồi của đất nền Trọng lượng của móng và máy trên móng được ký hiệu là W.

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, = √

Hình 1 14: Hệ thống dao động tự do của hệ lò xo – khối lượng [1], [39].

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: ̈+ = 0 sin(ωt + β)

Trong đó: k: Độ cứng lò xo; ̈ : Gia tốc của hệ thống

Hình 1 15: Hệ thống dao động cưỡng bức của hệ lò xo – khối lượng[1], [39]. z (1.7)

Trong đó: Q 0 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 phải chịu sẽ xảy ra khi biên độ đạt giá trị tối đa 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

Theo nghiên cứu về mô hình CAPWAP trong thí nghiệm PDA, tác giả đã so sánh kết quả của hai thí nghiệm trên cùng một cọc TP2 khi đạt đến tải trọng cực hạn Kết quả cho thấy, cọc thi công bằng phương pháp khoan nhồi, khi nén đến giá trị cực hạn, có khả năng chịu tải tương đương theo cả hai phương pháp.

Nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp thử động biến dạng lớn sử dụng lý thuyết truyền sóng PDA để đánh giá sức chịu tải của cọc là chính xác Phương pháp này yêu cầu năng lượng va chạm tại đầu cọc do 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 từ hai cọc thí nghiệm để tiến hành phân tích đánh giá Kết quả cho thấy, khi so sánh số liệu thí nghiệm với các phương pháp tính toán lý thuyết khác nhau, phương pháp của Cục đường bộ Mỹ (FHWA) là phù hợp nhất với kết quả thu được Ngoài ra, nghiên cứu mô hình thí nghiệm hiện trường cọc đóng cũng được thực hiện nhằm xác định sức chịu tải và ứng suất tồn trữ trong cọc.

Theo nghiên cứu, mô hình tính toán truyền năng lượng sóng ứng suất trong nền bán không gian đã được thiết lập Kết quả mô phỏng cho cọc được so sánh với các phần mềm đối chứng, cho thấy các hiệu ứng tần số và 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, the lateral bearing capacity is evaluated through Alpha, Beta, and Lambda methods.

Trong bài phân tích động, tác giả đã mô hình hóa cọc 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 Độ sâu cọc được đóng vào nền được xác định ở các tỷ lệ (1/4L, 1/2L, L) nhằm tìm ra vận tốc sóng đỉnh khi truyền từ cọc đến môi trường xung quanh Phân tích được thực hiện bằng phần mềm ABAQUS để đảm bảo độ chính xác trong mô phỏng.

Hình 1 16: So sánh sức chịu tải mũi

Hình 1 17: So sánh Sức kháng bên [42].

Nghiên cứu của [4] chú trọng vào các vấn đề quan trọng liên quan đến tải trọng động tác động lên cọc Từ lý thuyết đến thực nghiệm mô hình, nghiên cứu nhằm 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 từ mô phỏng máy tính.

Mô hình MCC đã cho kết quả mô phỏng khả quan, phù hợp với các lộ trình thực tế của mẫu đất làm việc ngoài hiện trường Nghiên cứu đã tập trung xây dựng sơ đồ tổng hợp các phương pháp tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc, như được nêu trong 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 theo mô hình HS đã được thực hiện để xác định sức chịu tải dọc trục thông qua thí nghiệm O-Cell, với các hiệu ứng L/D được khảo sát cho chiều dài cọc 10m, 20m và 50m Kết quả thu được bao gồm các đường cong Load - Movement, Load - Transfer và Unit Shaft Resistance Bên cạnh đó, nghiên cứu [34] đã thực hiện các thí nghiệm hiện trường để phân tích ứng suất tồn trữ trong cọc và tác động của nó đến sức chịu tải Nội dung chi tiết của nghiên cứu này 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 đặc tính đàn hồi - dẻo dưới tải trọng Thông số đất nền trong mô hình tính toán 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 các nghiên cứu đã tổng hợp nhiều phương pháp tính sức chịu tải tĩnh và mô phỏng ảnh hưởng của các thông số lên cọc và đất nền, nhưng 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 tổng sức kháng bên đơn vị và sức kháng mũi.

Nghiên cứu cho thấy việc xác định sức chịu tải của cọc có kết quả phân tán và độ chính xác phụ thuộc vào phương pháp sử dụng, cũng như sự kết hợp giữa thí nghiệm trong phòng và hiện trường Các nghiên cứu tính toán sức chịu tải tĩnh sử dụng nhiều phương pháp khác nhau 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

Phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc có nhiều cách tiếp cận, nhưng 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 và nền đất dưới công trình được thực hiện với mục tiêu đảm bảo an toàn tối ưu Phương pháp này đã được áp dụng hiệu quả, góp phần nâng cao độ tin cậy của công trình.

Mô hình đất hợp lý cho thiết kế móng cọc được áp dụng tại khu vực nghiên cứu sâu rộng, thông qua việc phân tích và so sánh kết quả thí nghiệm với các mô hình nền khác nhau Mục tiêu là xác định bộ thông số của đất nền để mô phỏng trạng thái ứng suất - biến dạng của cọc và hành vi của nền đất xung quanh cọc trong điều kiện biến dạng dẻo Phân tích mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm FEM, dựa trên kết quả phân tích ngược thí nghiệm nhằm 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 [24], nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc với đầu đo ứng suất - biến dạng trong thân cọc, nhằm phân tích ứng suất biến dạng dẻo trong nền đất Bài viết so sánh các mô hình Hardening Soil, Soft Soil, và Modified Camclay, từ đó xác định mô hình đàn hồi - dẻo tái bền hợp lý nhất cho thiết kế móng cọc Kết quả mô phỏng được thực hiện theo các mô hình nền khác nhau để tiến hành 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 sức chịu tải tĩnh, chúng tôi đã so sánh các kết quả mô phỏng để xác định mô hình đàn hồi – dẻo phù hợp Phương pháp tính toán sức chịu tải được đề xuất dựa trên kết quả thí nghiệm sức kháng bên đơn vị Chúng tôi đã xác định sức kháng ma sát đơn vị lớn nhất và sức kháng ma sát đơn vị tương ứng với chuyển vị 80mm Ngoài ra, nghiên cứu cũng xác định chuyển vị tối đa dẫn đến phá hoại ma sát thân cọc trong từng loại đất 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 nghiên cứu của Wu (2020), mô hình hóa hệ cọc cầu trong ABAQUS đã được thực hiện để phân tích 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 trong cát, bao gồm hiệu ứng cộng hưởng, cho thấy tần số cộng hưởng ảnh hưởng đến các loại đất có độ chặt khác nhau (2020) Rajpoot (2020) đã sử dụng mô phỏng số trong ANSYS để phân tích hệ thống công trình nhà – cọc – nền dưới tác động của tải trọng động.

Nghiên cứu mô phỏng số phản ứng động của nền đáy biển gần cọc đơn dưới tác động của dòng sóng với các vận tốc khác nhau đã được thực hiện Theo Nguyễn Mạnh Tường (2016), nghiên cứu này bao gồm việc áp dụng lý thuyết và thực hiện thí nghiệm cụ thể trên các công trình để tính toán sức chịu tải của cọc Tác giả cũng đã phân tích ảnh hưởng của tải trọng động đến sức chịu tải, ứng suất và biến dạng của cọc cùng với đất nền xung quanh.

Nghiên cứu của Theo Ahmed (2015) tập trung vào việc mô phỏng ảnh hưởng của cọc - đất đến đáp ứng động của cọc đơn dưới tải trọng động từ máy, với các thông số Ω từ 1Hz đến 50Hz và lực Q là 1 Lb Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa độ dài, độ cứng của cọc, và đặc tính đất với độ giảm chấn, tần số, chu kỳ, ảnh hưởng đến độ lún của cọc đơn và cọc trong nhóm móng máy Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tác động của các thông số khi chịu tải động từ móng máy lên đài cọc cần được xem xét, trong khi các ảnh hưởng đến độ lún và sức chịu tải của cọc xung quanh dưới tải trọng động vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.

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]

Hình 1 23: Đáp ứng của hệ đài cọc với vận tốc – tần số, (Ahmed (2015)

Theo Ravishankar (2014) phân tích tính toán mô phỏng cọc chịu tải trọng động bằng phần mềm ANSYS, nghiên cứu ảnh hưởng đến các loại đất như đất rời và đất dính Shrestha (2019) mô hình hóa hệ cọc cho turbin gió bằng ABAQUS Chu (2018) thực hiện thí nghiệm mô hình thu nhỏ và phân tích tương quan giữa độ cứng động, tần số, độ xuyên và diện tích ma sát thân cọc Su (2020) nghiên cứu mô phỏng và thí nghiệm hệ cọc – nền – kết cấu theo phương pháp Shaking table test Gupta (2018) sử dụng MATLAB để tìm ra các tương quan độ cứng/tần số khác nhau Sun (2020) nghiên cứu đặc trưng động của đất xung quanh trong quá trình dao động của cọc dựa trên DEM, phát hiện các đặc điểm tần số liên quan đến ảnh hưởng động của nền đất Macaro (2020) mô phỏng DEM cho tương tác của nền cát dưới tải tuần hoàn với các thông số khác nhau.

Các tác giả đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng số để phân tích ảnh hưởng của tải trọng động, và đã đạt được những kết quả hợp lý cho hướng nghiên cứu này.

Nghiên cứu mô hình thí nghiệm tỉ lệ nhỏ cho cọc chịu tải trọng động

Nghiên cứu của Garala (2020) đã chỉ ra ảnh hưởng của tần số gia tốc lên phân bố mô men trên cọc nhôm thông qua mô hình thí nghiệm ly tâm Theo Chu (2018), mô hình thu nhỏ cho cọc đơn và nhóm cũng đã được nghiên cứu Garala (2018) đã phát triển mô hình cho cọc chịu tải trong thí nghiệm trên bàn rung Rui He (2019) tập trung vào nghiên cứu mô hình cọc đơn tua bin gió chịu động với các tần số khác nhau.

Châu Ngọc Ẩn (2020) đã nghiên cứu thiết kế các mô hình chịu tải trọng động với mục tiêu tổng hợp mô hình thí nghiệm tỉ lệ nhỏ Nghiên cứu tập trung vào lý thuyết và thiết kế mô hình thí nghiệm thu nhỏ cho cọc chịu tải trọng động Kết quả nghiên cứu 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

Khi tốc độ biến dạng tăng từ 50% đến 425%, giá trị C u theo Caroll có sự khác biệt rõ rệt Lúc này, sức chống cắt của đất được xem 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.

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 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Tổng quan việc xác định sức chịu tải bằng thí nghiệm nén tĩnh 2.3 Nghiên cứu thí nghiệm nén tĩnh cọc trên công trình khu vực TP HCM 2.3.1 Thí nghiệm nén tĩnh có gắn đầu đo biến dạng 2.3.2 Các bước thực hiện thí nghiệm 2.3.3 Kết quả thí nghiệm 2.4 Tính toán sức chịu tải của cọc dựa trên kết quả thí nghiệm nén tĩnh 2.5 Nghiên cứu mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh để xác định sức chịu tải Plaxis 40 2.5.1 Lý thuyết dùng trong mô hình MCC 2.5.2 Chọn mô hình cọc - đất và tính toán thông số đầu vào

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

THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỌC

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CHO THỰC TẾ