Tính cấp thiết của đề tài
Khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh (TP HCM) là một vùng kinh tế năng động với nhiều công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, trong đó các tòa nhà cao tầng sử dụng hệ móng cọc ngày càng phổ biến Tuy nhiên, chi phí cho phần nền móng đang gia tăng, đòi hỏi phải áp dụng các phương pháp tính toán cọc chính xác và tối ưu để phù hợp với điều kiện thực tế của đất nền Đặc biệt, khu vực này nằm trên nền đất yếu với sức chịu tải kém, gây ra những rủi ro lớn khi có sóng ứng suất, ảnh hưởng đến kết cấu, tài sản và tính mạng con người.
Tại các khu công nghiệp và khu chế xuất, móng máy phải chịu 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 tác động đến cọc, gây ra những ảnh hưởng khác nhau cho bản thân cọc và vùng biến dạng xung quanh Vì vậy, nghiên cứu và tính toán sức chịu tải trọng động của móng cọc là cần thiết để đánh giá 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, tuy nhiên, nó lại tốn kém và mất nhiều thời gian, đồng thời không cung cấp thông tin về ảnh hưởng của tải trọng động Để xem xét ảnh hưởng này, người ta thường nhân thêm một hệ số vào kết quả sức chịu tải tĩnh của cọc.
Trên toàn cầu, việc phát triển mô hình thí nghiệm để xác định các thông số tính toán cho cọc nền đã được chứng minh là hiệu quả trong việc mô phỏng hoạt động của cọc trong nền đất Bằng cách phân tích và so sánh kết quả từ thí nghiệm nén tĩnh cọc với các mô phỏng dựa trên các thông số động khác nhau, chúng ta có thể xác định bộ thông số của nền đất xung quanh cọc, đặc biệt 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 Việc áp dụng mô hình đất thích hợp sẽ giúp nghiên cứu lộ trình ứng suất dưới các điều kiện và tính chất khác nhau của nền đất Đồng thời, lựa chọn thông số mô hình của đất nền là cần thiết để mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của cọc và hành vi 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 khả năng ảnh hưởng tới sức chịu tải của cọc dưới tải trọng động Mô hình vật lý tỉ lệ nhỏ được xây dựng để thực hiện các thí nghiệm gia tải động, xác định tác động của tải trọng động đến sức chịu tải và độ lún của cọc Phân tích ứng xử động của cọc với các tần số khác nhau và nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ L/D, hiệu ứng cọc - nền cũng được thực hiện để xem xét sức chịu tải tức thời 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 dựa trên các thí nghiệm hiện trường và nghiên cứu quốc tế Các phương pháp này giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực của cọc trong điều kiện khác nhau, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công công trình Việc áp dụng các nghiên cứu và thí nghiệm hiện trường sẽ nâng cao hiệu quả trong việc dự đoán hành vi của cọc dưới tác động của tải trọng.
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 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.
Nghiên cứu này nhằm xác định ảnh hưởng của tải trọng động đến sức chịu tải của cọc, thông qua việc khảo sát cơ chế phân bố lực dọc trong thân cọc Bài viết phân tích sự thay đổi ứng suất tiếp giữa thành cọc và đất theo tần số, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của tải trọng động đến ứng xử động của cọc Các tương quan giữa ứng suất, biến dạng và tần số được thiết lập cho các loại cọc có tỷ lệ L/D khác nhau.
Phương pháp thống kê bao gồm việc thu thập, phân tích và tổng hợp kết quả nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và các phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc được thực hiện để xử lý và phân tích các kết quả thí nghiệm Các mối tương quan được thiết lập bằng cách sử dụng các phần mềm xử lý số liệu hiện đại, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong nghiên cứu.
Phương pháp thực nghiệm là quá trình tiến hành các thí nghiệm mô hình vật lý trong môi trường phòng thí nghiệm, nhằm thu thập dữ liệu cho việc phân tích, so sánh và đối chiếu kết quả nghiên cứu.
Phương pháp mô phỏng số được áp dụng để nghiên cứu thí nghiệm nén tĩnh, sử dụng phần mềm Plaxis cho phân tích và so sánh Qua việc xử lý dữ liệu, kết quả giữa mô phỏng số và thí nghiệm hiện trường được tìm ra, giúp xác định các tương quan trong mô hình đất nền.
6 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 tĩnh và sự suy giảm khi chịu tải trọng động trên nền cát Nghiên cứu này giúp xác định các ảnh hưởng của thông số động lực học đến ứng suất, biến dạng và sức chịu tải của cọc, từ đó tìm ra các mối tương quan quan trọng.
Đề xuất các phương trình tương quan giữa độ lún và tần số cho các loại cọc có bề mặt trơn và nhám Các phương trình này liên quan đến lực, ma sát đơn vị, sức kháng mũi, và tỷ lệ giữa lực 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 đã cho kết quả gần nhất với kết quả thí nghiệm nén tĩnh Nghiên cứu chỉ ra rằng các thông số có ảnh hưởng mạnh nhất đến kết quả mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh.
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 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, nhằm xác định sức chịu tải của cọc Các phương trình tương quan này được xây dựng dựa trên kết quả thí nghiệm nén tĩnh.
7 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 cho việc phân tích ảnh hưởng của tải trọng động trong thiết kế sức chịu tải cọc Việc xem xét các yếu tố tải trọng động trong điều kiện xây dựng tại TP.HCM hiện nay sẽ giúp dự đoán chính xác hơn sức chịu tải của cọc.
8 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 1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, thiết kế móng cọc gánh đỡ công trình tại TP HCM chú trọng tính toán phần mũi cọc nằm trong lớp đất tốt Khu vực này có tầng đất yếu dày với sức chịu tải kém, ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc khi công trình chịu tải trọng động Do đó, việc nghiên cứu đặc điểm nền đất để tính toán ảnh hưởng của tải trọng tĩnh và ứng xử động của cọc dưới tải trọng động là rất cần thiết.
1.1.1 Khái quát nguồn gốc, đặc điểm hình thành nền đất khu vực TP HCM.
Khu vực TP HCM có cấu trúc nền đất đa dạng, bao gồm trầm tích sét, cát và sỏi với độ dày thay đổi rõ rệt, hình thành từ các trầm tích ven biển và cửa sông Lịch sử phát triển địa tầng và địa mạo của khu vực này không đồng nhất và thiếu quy luật rõ ràng Các yếu tố khí hậu, địa lý và địa chất thủy văn ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất nền, do đó cần được nghiên cứu 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 bùn sét dày từ 10 - 30m; và KCN Tân Tạo - Bình Chánh có đất yếu dày từ 10 - 30m, với sự hiện diện của đất sét lẫn hữu cơ Thông tin chi tiết về địa chất và chỉ tiêu cơ lý được trình bày trong Phụ lục 1.1.
Bảng 1 1: Chỉ tiêu cơ lý đất KCN Cát Lái – Quận 2
Hình 1 1: Vị trí khu công nghiệp TPHCM (a); Bản đồ phân bố đất yếu (b)
Ghi chú về các loại vật liệu xây dựng bao gồm: cát san lấp, bùn sét, sét pha ít sỏi sạn với màu nâu đỏ và trạng thái dẻo cứng, sét lẫn hữu cơ có màu xám đen và trạng thái dẻo mềm, cát hạt trung với trạng thái chặt vừa, sét pha cát ở trạng thái dẻo cứng, và cát hạt mịn cũng có trạng thái chặt vừa.
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