Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến khả năng chịu tải dọc trục và độ lún của nhóm cọc thẳng đứng

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài Nghiên cứu về sự phân phối tải trọng, sự huy động ma sát thành và sức kháng mũi của của cọc trong nhóm, khi nhóm cọc chịu nén đúng tâm, làm việc trong nền đất loại sét. Nghiên cứu hiệu ứng trong nhóm cọc thông qua hai đại lượng là: hệ số nhóm và tỷ số độ lún, có xét đến các thông số ảnh hưởng, như: Khoảng cách cọc; Chiều dài cọc và số lượng cọc trong nhóm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến khả năng chịu tải dọc trục và độ lún của nhóm cọc thẳng đứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM BẠCH VŨ HOÀNG LAN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG NHÓM ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI DỌC TRỤC VÀ ĐỘ LÚN CỦA NHÓM CỌC THẲNG ĐỨNG Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Mã số: 62.58.02.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. TÔ VĂN LẬN 2. GS. NGUYỂN CÔNG MẪN Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2017
-ii- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Bạch Vũ Hoàng Lan
-iii- LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Tô Văn Lận và GS. Nguyễn Công Mẫn là hai thầy trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu. Xin tri ân các thầy – những người đã dành nhiều tâm sức, trí tuệ và sự động viên, hỗ trợ để em hoàn thành luận án kịp tiến độ. Em trân trọng gửi lời cảm ơn tới GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ, GS. TS. Trần Thị Thanh, PGS. TS. Võ Phán và PGS.TS. Tô Văn Thanh đã cho em những góp ý rất quí báu trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Đức Vinh, TS. Nguyễn Ngọc Phúc và TS. Phan Tá Lệ đã có nhiều sự giúp đỡ về trang thiết bị và các chỉ dẫn rất thiết thực trong quá trình nghiên cứu của tác giả. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học thủy lợi, Ban giám hiệu trường ĐH Kiến trúc Tp HCM, Phòng nghiên cứu khoa học công nghệ; phòng thí nghiệm trường ĐH Kiến trúc; Công ty Hoàng Vinh; Công ty Phú Nguyên và Công ty CIC … đã có những hỗ trợ, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin gửi lời biết ơn đến gia đình và các đồng nghiệp đã luôn sát cánh, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành nghiên cứu.
-iv- MỤC LỤC Trang Lời cam đoan ……………………………………………………………... ii Lời cảm ơn ………………………………………………………………... iii Mục lục …………………………………………………………………… iv Danh mục các bảng biểu ………………………………………………...... vii Danh mục các hình vẽ và đồ thị ………...………………………………… viii Danh mục các ký hiệu ………………….…………………………………. xi MỞ ĐẦU …………………………………………………………………. 1 1. Lý do lựa chọn đề tài …………………………………………… 1 2. Mục đích nghiên cứu ……………………………………………… 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ………………………………… 3 4. Nội dung nghiên cứu ……………………………………………… 4 5. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………...... 4 6. Những đóng góp mới của luận án …………………………………. 5 7. Cấu trúc của luận án ………………………………………………. 6 Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA NHÓM CỌC ……………………………………………….. 9 1.1. KHÁI QUÁT VỀ HIỆU ỨNG NHÓM ……………………………. 9 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG NHÓM ……. 11 1.2.1. Công thức xác định hệ số nhóm …………………………………... 12 1.2.2. Công thức xác định tỷ số độ lún …………………………………... 14 1.3. CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ HIỆU ỨNG NHÓM 15 1.3.1. Phân tích kết quả nghiên cứu ……………………………………… 16 1.3.2. Nhận xét …………………………………………………………… 20 1.4. QUY ĐỊNH VỀ HIỆU ỨNG NHÓM TRONG CÁC TIÊU CHUẨN VIỆT NAM ……………………………………………… 21 1.4.1. Theo TCXD 205: 1998 ……………………………………………. 21 1.4.2. Theo TCVN 10304: 2014 …………………………………………. 21 1.4.3. Theo 22 TCN 272: 05 ……………………………………………... 22 1.4.4. Nhận xét về cách xác định hiệu ứng nhóm theo quy phạm ……….. 22 1.5. NHẬN XÉT CHƯƠNG 1 ………………………………………… 23 Chương 2: NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG NHÓM BẰNG CÁC THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ LỆ NHỎ ………………………………………………… 24 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC 24
-v- 2.1.1. Qui trình gia tải nén tĩnh nhóm cọc 24 2.1.2. Phân tích kết quả nén tĩnh cọc 24 2.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ LỆ NHỎ CHO THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC ………………………………………. 27 2.2.1. Mở đầu …………………………………………………………….. 27 2.2.2. Ưu nhược điểm của mô hình vật lý tỷ lệ ………………………….. 28 2.2.3. Lập phương trình xác định sery thí nghiệm ……………………….. 28 2.2.4. Cơ sở lý thuyết về hiệu ứng tỷ lệ trong thí nghiệm cọc …………… 30 2.2.5. Vật liệu cọc ………………………………………………………... 31 2.2.6. Kích thước thùng đất trong thí nghiệm …………………………… 33 2.2.7. Thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng ………………. 39 2.3. THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ LỆ NHỎ TRONG PHÒNG ……………………………………….. 43 2.3.1. Qui mô các thí nghiệm trong phòng ………………………………. 43 2.3.2. Chế bị đất cho thí nghiệm ………………………………………..... 44 2.3.3. Kết quả thí nghiệm ………………………………………………... 46 2.3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm ……………………………………… 49 2.4. THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH CỌC TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ TỶ LỆ NHỎ TẠI HIỆN TRƯỜNG …………………………………… 58 2.4.1. Kích thước cọc trong mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ ……………………. 59 2.4.2. Quy mô các thí nghiệm cọc tại hiện trường ……………………….. 60 2.4.3. Cấu tạo cọc và đài cọc ……………………………………………. 61 2.4.4. Hệ thống đo đạc và gia tải ………………………………………... 62 2.4.5. Thí nghiệm nén tĩnh cọc ………………………………………….. 64 2.4.6. Kết quả thí nghiệm ………………………………………………... 66 2.4.7. Phân tích kết quả thí nghiệm ……………………………………... 67 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 …………………………………………. 72 Chương 3: ỨNG DỤNG HỆ SỐ TƯƠNG TÁC TRONG VIỆC PHÂN TÍCH HIỆU ỨNG NHÓM CỌC THẲNG ĐỨNG CHỊU TẢI TRỌNG NÉN ĐÚNG TÂM ………………….……….. 74 3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……………………………………………... 74 3.1.1. Khái niệm cơ bản về hệ số tương tác ……………………………… 74 3.1.2. Hệ số tương tác giữa các cọc ……………………………………… 76 3.2. ỨNG DỤNG HỆ SỐ TƯƠNG TÁC TRONG PHÂN TÍCH HIỆU ỨNG NHÓM CỌC ………………………………………………... 78 3.2.1. Thiết lập bài toán ………………………………………………….. 78
-vi- 3.2.2. Phân tích hiệu ứng nhóm cọc ……………………………………… 81 3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 …………………………………………. 86 Chương 4: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG PHÂN TÍCH HIỆU ỨNG NHÓM CỌC ………………………………… 88 4.1. MỞ ĐẦU …………………………………………………………... 88 4.1.1. Mục đích của bài toán mô phỏng phương pháp số ……………….. 88 4.1.2. Mô hình vật liệu của Plasix-3D ………………………………...…. 88 4.2. MÔ PHỎNG SỐ CHO CÁC THÍ NGHIỆN NÉN TĨNH CỌC ….. 90 4.2.1. Số liệu về nền đất và hệ cọc – đài cọc …………………………..... 90 4.2.2. Kết quả tính toán …………………………………………………... 93 4.3. PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN …………. 104 4.3.1. Hiệu ứng nhóm ……………………………………………………. 104 4.3.2. Xấp xỉ tỷ số độ lún bằng các hàm mũ ….………………………...... 107 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4………………………………………….. 108 Chương 5: CÁC ĐỀ XUẤT …………………………………………….. 109 5.1 ĐỀ XUẤT CÁC XÁC ĐỊNH TỶ SỐ ĐỘ LÚN ………………….. 109 5.1.1 Công thức của Fleming và cộng sự ……………………………….. 109 5.1.2 So sánh giá trị tỷ số độ lún ………………………………………... 110 5.1.3 Đề xuất công thức tính số mũ Z ………………………………….. 111 5.1.4 Kết quả tính toán và so sánh ……………………………………… 113 5.2 ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH TÍNH TOÁN THAY ĐỔI CHIỀU DÀI CỌC ĐỂ CẢI THIỆN SỰ LÀM VIỆC CỦA NHÓM CỌC ………. 114 5.2.1 Đặt vấn đề …………………………………………………………. 114 5.2.2 Cơ sở lý thuyết …………………………………………………….. 116 5.2.3 Đề xuất phương pháp tính ………………………………………… 118 5.2.4 Trình tự tính toán ………………………………………………….. 120 5.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 …………………………………………. 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………………... 123 KẾT LUẬN ……………………………………………………...... 123 KIẾN NGHỊ ……………………………………….……………..... 124 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN ……………………….. 125 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ …………………………. 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………. 128 PHỤ LỤC ………………………………………………………………... 133
-vii- DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang CHƯƠNG 2 Bảng 2.1. Các đại lượng nghiên cứu ……………………………………… 29 Bảng 2.2. Phạm vi bề rộng (B) và chiều sâu (h) của vùng ảnh hưởng xung quanh cọc đơn và nhóm cọc …………………………………… 36 Bảng 2.3 Bảng tổng hợp một số thí nghiệm cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ trong phòng thí nghiệm …………………………………………. 37 Bảng 2.4. Tổng số thí nghiệm nén tĩnh trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ ……. 43 Bảng 2.5. Sức chịu tải cực hạn (Qult) và sức chịu tải cho phép của cọc đơn; Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của các nhóm cọc ………………… 49 Bảng 2.6. Hiệu suất sử dụng của cọc trong các nhóm 4 cọc …………….. 57 Bảng 2.7. Hiệu suất sử dụng của cọc trong các nhóm 6 cọc …………….. 58 Bảng 2.8. Hiệu suất sử dụng của cọc trong các nhóm 9 cọc …………….. 58 Bảng 2.9. Quy mô các thí nghiệm cọc tại hiện trường …………….……… 60 Bảng 2.10 Số liệu nén tĩnh cọc tại hiện trường ……………………..……. 65 Bảng 2.11 Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của các nhóm cọc ………….……. 66 Bảng 2.12 Hiệu suất sử dụng của các cọc trong nhóm N9 và N16A . ……. 70 CHƯƠNG 3 Bảng 3.1. Kết quả tính toán tỷ số độ lún (RS) của các nhóm 4 cọc …………. 84 Bảng 3.2. Kết quả tính toán tỷ số độ lún (RS) của các nhóm 6 cọc …………. 84 Bảng 3.3. Kết quả tính toán tỷ số độ lún (RS) của các nhóm 9 cọc …………. 85 Bảng 3.4. Kết quả tính toán tỷ số độ lún (RS) của các nhóm 16 cọc ………... 85 CHƯƠNG 4 Bảng 4.1. Thông số của nền đất ………………………………..…………… 90 Bảng 4.2. Thông số của cọc và đài..…………………………………………. 92 Bảng 4.3. Giá trị Tải trọng – Độ lún của ba loại chiều dài cọc đơn ………… 94 Bảng 4.4. Giá trị Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của các nhóm cọc …………… 99 CHƯƠNG 5 Bảng 5.1. Ảnh hưởng của tỷ số S/d đến sự biến thiên của số mũ Z ………... 112 Bảng 5.2. Ảnh hưởng của tỷ số L/d đến sự biến thiên của số mũ Z ………... 112 Bảng 5.3. Hệ số nhóm và phân phối lực cho các cọc của nhóm 9 cọc ……... 117 Bảng 5.4. Tính toán thay đổi chiều dài cọc cho nhóm 12 cọc ……………… 121 Bảng 5.5. Tính toán thay đổi chiều dài cọc cho nhóm 36 cọc ……………… 121
-viii- DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Trang Hình 1. Phân vùng khu vực đất yếu ở khu vực Tp. Hồ Chí Minh ……. 2 CHƯƠNG 1 Hình 1.1. Vùng phân bố ứng suất xung quanh cọc đơn và hiện tượng Hình 1.1. chồng ứng suất do hiệu ứng nhóm ………………………….... 9 Hình 1.2. Phân loại nhóm cọc theo Viggiani và Randolph (1996) ……… 10 Hình 1.3. Xác định hệ số nhóm cọc theo nguyên tắc của Feld (1943) …. 12 Hình 1.4. Hệ số nhóm theo thí nghiệm của Barden (1970) và các tác giả khác trong nền sét cứng ……………………………………… 16 Hình 1.5. Hệ số nhóm theo thí nghiệm của Barden (1970) và các tác giả khác trong nền sét yếu ……………………………………….. 16 Hình 1.6. Tỷ số độ lún theo thí nghiệm của Barden (1970) và các tác giả khác trên nhóm 3x3 cọc với chiều dài cọc L=20d ……………. 18 Hình 1.7. Hệ số nhóm theo thí nghiệm của G.Dai và các tác giả khác ….. 19 Hình 1.8. Tỷ số độ lún theo thí nghiệm của G. Dai và các tác giả khác … 20 CHƯƠNG 2 Hình 2.1. Mặt bằng các nhóm cọc sử dụng trong thí nghiệm …………... 32 Hình 2.2. Vùng ứng suất phân bố xung quanh cọc đơn và nhóm cọc …. 35 Hình 2.3. Phạm vi vùng ảnh hưởng do biến dạng của nhóm 9 cọc …… 36 Hình 2.4. Chi tiết cấu tạo hệ khung và thùng chứa đất ………………… 40 Hình 2.5. Các cao trình lắp đặt strain gauge dọc theo thân cọc và chi tiết nhóm cọc – đài cọc …………………………………………… 41 Hình 2.6. Thiết bị sử dụng cho hệ gia tải và đo lường tải trọng ……….. 42 Hình 2.7. Các đồng hồ đo chuyển vị và đồng hồ đo áp lực ……………. 42 Hình 2.8. Vị trí các cọc có lắp đặt strain gauge trong các thí nghiệm …. 43 Hình 2.9. Lắp đặt các thiết bị cho thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng 44 Hình 2.10. Các giai đoạn chế bị đất bằng phương pháp đầm nén ……… 45 Hình 2.11. Biểu đồ Tải trọng – Thời gian của các cọc đơn ……………... 46 Hình 2.12. Biểu đồ Độ lún –Tải trọng của các cọc đơn …………………. 46 Hình 2.13. Biểu đồ Biến dạng- Tải trọng của các cọc đơn ……………… 47 Hình 2.14. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của các cọc đơn và các nhóm 4 cọc 48 Hình 2.15. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của các cọc đơn và các nhóm 6 cọc 48 Hình 2.16. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của các cọc đơn và các nhóm 9 cọc 49 Hình 2.17. Biểu đồ hệ số nhóm – tỷ số S/d của các nhóm cọc ………….. 50 Hình 2.18. Biểu đồ hệ số nhóm – Tải TB của cọc trong các nhóm cọc …. 51 Hình 2.19. Biểu đồ Tỷ số độ lún – tỷ số S/d của các nhóm cọc …………. 52 TB Hình 2.20. Đồ thị (fs) – Độ lún (U) và qp – Độ lún (U) của các nhóm 4 cọc có tỷ số S/d=3 …………………………………………... 52 TB Hình 2.21. Đồ thị Sức kháng bên đơn vị TB (fs) – Độ lún (U) của các cọc trong nhóm 6 cọc có tỷ số L/d=30 ……………………….. 54 Hình 2.22. Đồ thị Sức kháng mũi đơn vị (qp) – Độ lún (U) của các cọc trong nhóm 6 cọc có tỷ số L/d=30 ……………………………. 54
-ix- Hình 2.23. Đồ thị Sức kháng bên đơn vị TB (fs)TB – Độ lún (U) của các cọc trong nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 ……………………….. 55 Hình 2.24. Đồ thị Sức kháng mũi đơn vị (qp) – Độ lún (U) của các cọc trong nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 ……………………………. 55 Hình 2.25. Biểu đồ : Lực phân phối vào từng cọc – Độ lún (U) trong các nhóm 9 cọc có tỷ số L/d=30 ………………………………...... 56 Hình 2.26. Biểu đồ quan hệ tỷ lệ của lực phân phối vào từng cọc trên tải trọng trung bình của cọc (ri) trong nhóm theo tỷ số S/d …….. 59 Hình 2.27. Mặt bằng nhóm 16 cọc (N16B) có thay đổi chiều dài cọc…… 60 Hình 2.28. Mặt bằng định vị các thí nghiệm tại hiện trường ……………. 60 Hình 2.29. Cao trình lắp đặt strain gauge cho các loại chiều dài cọc ….. 61 Hình 2.30. Chi tiết cọc và các mối nối cọc ……………………………… 61 Hình 2.31. Sơ đồ hệ gia tải của thí nghiệm nén tĩnh cọc ……………….. 62 Hình 2.32. Thi công ép cọc và lắp đặt đài cọc …………………………… 63 Hình 2.33. Load cell (50kN), thiết bị đo chuyển vị điện tử và đầu đọc 63 Hình 2.34. Bản đồ vị trí khu vực thí nghiệm nén tĩnh cọc ………………. 64 Hình 2.35. Lắp đặt các thiết bị đo đạc cho thí nghiệm nén tĩnh …………. 65 Hình 2.36. Biểu đồ Độ lún - Tải trọng của các nhóm cọc tại hiện trường .. 66 Hình 2.37. Biểu đồ Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của các nhóm cọc theo số lượng cọc trong nhóm ………………………………………… 67 Hình 2.38. Biểu đồ biến dạng dọc trục, sức kháng bên của từng đoạn cọc và sức kháng mũi đơn vị của cọc đơn (Đ1) ………………….. 68 Hình 2.39. Biểu đồ biến dạng dọc trục, sức kháng bên của từng đoạn cọc và sức kháng mũi đơn vị của cọc trong nhóm 4 cọc (N4) 69 Hình 2.40. Biểu đồ sức kháng bên và sức kháng mũi đơn vị theo độ lún của các vị trí cọc khác nhau trong nhóm 9 cọc (N9) …………. 70 Hình 2.41. Biểu đồ sức kháng bên và sức kháng mũi đơn vị theo độ lún của các vị trí cọc trong nhóm 16 cọc cùng chiều dài (N16A) ... 70 Hình 2.42. Biểu đồ biểu diễn sự phân phối lực vào các vị trí cọc khác nhau trong các nhóm cọc N9; N16A và N16B ……………..... 71 Hình 2.43. Biểu đồ sức kháng bên và sức kháng mũi đơn vị theo độ lún của các vị trí cọc trong nhóm 16 cọc khác chiều dài (N16B) … 71 CHƯƠNG 3 Hình 3.1. Các ghi chú về kích thước hình học trong bài toán của Mindlin 74 Hình 3.2. Cách dạng phân bố mô đun đàn hồi của nền đất theo chiều sâu 77 Hình 3.3. Sơ đồ xác định hệ số tương tác giữa hai cọc ………………… 77 Hình 3.4. Mặt bằng nhóm cọc ……………………………………………. 79 Hình 3.5. Biểu đồ tỷ lệ lực phân phối vào cọc theo tỷ số S/d của các nhóm cọc ……………………………………………………… 83 Hình 3.6. Biểu đồ RS – n của các nhóm cọc có tỷ số S/d=3 …………….. 86 Hình 3.7. Biểu đồ RS – n của các nhóm cọc có tỷ số S/d=4 …………….. 86 Hình 3.8. Biểu đồ RS – n của các nhóm cọc có tỷ số S/d=5 …………….. 86 Hình 3.9. Biểu đồ RS – n của các nhóm cọc có tỷ số S/d=6 ………..…… 86 CHƯƠNG 4
-x- Hình 4.1. Quan hệ lôgarít giữa biến dạng thể tích và ứng suất nén đẳng hướng …………………………………………………………. 89 Hình 4.2. Đặc trưng của đường biến dạng tổng của mô hình Soft Soil trong mặt phẳng ứng suất chính …………………………….... 89 Hình 4.3. Mô phỏng bài toán nén tĩnh cọc đơn bằng Plaxis-3D ……….. 93 Hình 4.4. Biểu đồ Tải trọng – Độ lún của các cọc đơn …………………. 95 Hình 4.5. Biểu đồ truyền tải dọc trục theo từng cấp tải của các cọc đơn 95 Hình 4.6. Biểu đồ phân bố sức kháng bên đơn vị dọc thân cọc đơn ứng với từng cấp tải của các cọc đơn …………………………….. 96 Hình 4.7. Biểu đồ phân bố sức kháng bên , sức kháng mũi của các cọc đơn theo độ lún của cọc ………………………………………. 96 Hình 4.8. Mô phỏng bài toán nén tĩnh nhóm 4 cọc bằng Plaxis-3D …… 97 Hình 4.9. Đồ thị Tải trọng - Độ lún của các nhóm 4 cọc ……………….. 98 Hình 4.10. Đồ thị Tải trọng - Độ lún của các nhóm 6 cọc ……………….. 98 Hình 4.11. Đồ thị Tải trọng - Độ lún của các nhóm 9 cọc ……………….. 98 Hình 4.12. Đồ thị Tải trọng - Độ lún của các nhóm 16 cọc …………….... 99 Hình 4.13. Biểu đồ Tỷ lệ lực phân phối vào cọc – Tỷ số S/d của nhóm cọc 100 Hình 4.14. Biểu đồ Sức kháng thành đơn vị - Độ lún của các nhóm cọc có tỷ số L/d=20 ………………………………………………….. 101 Hình 4.15. Biểu đồ Sức kháng thành đơn vị - Độ lún của các nhóm cọc có tỷ số L/d=25 ………………………………………………….. 102 Hình 4.16. Biểu đồ Sức kháng thành đơn vị - Độ lún của các nhóm cọc có tỷ số L/d=30 ………………………………………………….. 103 Hình 4.17. Biểu đồ Hệ số nhóm – Tỷ số S/d của các nhóm cọc tính bằng thí nghiệm trên mô hình vật lý tỷ lệ và Plaxis-3D ………….... 105 Hình 4.18. Biểu đồ Tỷ số độ lún – Tỷ số S/d của các nhóm cọc tính bằng lý thuyết; thí nghiệm trên mô hình vật lý tỷ lệ và Plaxis-3D 106 Hình 4.19. Tỷ số độ lún (RS) trong các nhóm cọc có tỷ số S/d=3 ……….. 107 Hình 4.20. Tỷ số độ lún (RS) trong các nhóm cọc có tỷ số S/d=4 ………. 107 Hình 4.21. Tỷ số độ lún (RS) trong các nhóm cọc có tỷ số S/d=5 ………. 107 Hình 4.22. Tỷ số độ lún (RS) trong các nhóm cọc có tỷ số S/d=6 ……….. 107 CHƯƠNG 5 Hình 5.1. Ảnh hưởng của thông số hình học đến hệ số độ lún theo Fleming và cộng sự (1985) …………………………………… 109 Hình 5.2. Biểu đồ RS–n của các nhóm cọc có tỷ số S/d=3 ……………… 113 Hình 5.3. Biểu đồ RS–n của các nhóm cọc có tỷ số S/d=4 ……………... 113 Hình 5.4. Biểu đồ RS–n của các nhóm cọc có tỷ số S/d=5 ……………... 113 Hình 5.5. Biểu đồ RS–n của các nhóm cọc có tỷ số S/d=6 ……………... 113 Hình 5.6. Móng cọc của khu chung cư 5 tầng, tại Bulit Tinggi, Klang, Malaysia ……………………………………………………… 115 Hình 5.7. Móng cọc của bồn chứa 2500 tấn dầu, tại Indonesia ………… 115 Hình 5.8. Các vị trí cọc theo nguyên tắc của Feld (1943) ………………. 116 Hình 5.9. Đề xuất phương án thay đổi chiều dài cọc trong nhóm ………. 118
-xi- CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỈ SỐ Ký hiệu Đơn vị Đại lượng Dij - Hệ số tương tác giữa cọc i và cọc j H % Biến dạng 3 J kN/m Dung trọng tự nhiên của đất 3 Jk kN/m Dung trọng khô của đất Jsat kN/m3 Dung trọng dưới mực nước của đất K - Hệ số nhóm cọc Kp - Hiệu suất sử dụng của cọc trong nhóm K’S - Hiệu suất hình học của nhóm cọc O - Độ mảnh của cọc (O=L/d) U - Hệ số ma sát trong công thức của Sayed và Bakeer Q - Hệ số Poisson của nền đất Q1 - Hệ số Poisson của đất dọc thân cọc Q2 - Hệ số Poisson của đất ở mũi cọc Qp - Hệ số Poisson của vật liệu cọc V’ kPa Ứng suất hữu hiệu của đất ' - Tỷ trọng của đất 2 Ap m Diện tích tiết diện ngang của cọc 2 AS m Diện tích xung quang cọc B m Bề rộng của nhóm cọc c kPa Lực dính đơn vị của đất d m Đường kính cọc e - Hệ số rỗng của đất E MPa Mô đun đàn hồi ES MPa Mô đun đàn hồi của đất E1 MPa Mô đun đàn hồi trung bình của đất dọc thân cọc E2 MPa Mô đun đàn hồi của đất dưới mũi cọc Ep MPa Mô đun đàn hồi của vật liệu cọc Er MPa Mô đun đàn hồi của đài cọc GS MPa Mô đun trượt của nền đất
-xii- Ký hiệu Đơn vị Đại lượng fs kPa Sức kháng bên đơn vị FS - Hệ số an toàn GS kPa Mô đun trượt của nền đất kV kN/m Độ cứng dọc trục của cọc đơn K - Tỷ số độ cứng giữa cọc và đất Lp m Chiều dài cọc L m Chiều dài phần cọc nằm trong đất m1 cọc Số cọc theo phương dọc của nhóm cọc m2 cọc Số cọc theo phương ngang của nhóm cọc n cọc Tổng số cọc trong nhóm qp kPa Sức kháng mũi đơn vị huy động giữa cọc – đất P kN Lực nén tác dụng vào cọc hoặc nhóm cọc Qa kN Sức chịu tải thiết kế của cọc đơn Qb kN Sức kháng mũi của cọc đơn Qf kN Sức kháng bên của cọc đơn Qs kN Sức chịu tải của cọc đơn Qg kN Sức chịu tải của nhóm cọc ri - Tỷ lệ giữa lực của cọc thứ i trên lực TB của cọc trong nhóm R μH Biến dạng dọc trục của cọc RS - Tỷ số độ lún của nhóm cọc S m Khoảng cách giữa các cọc trong nhóm Smax m Bán kính giới hạn vùng ảnh hưởng của cọc trong nhóm Sgh mm Độ lún giới hạn của công trình tr mm Chiều cao của đài cọc [U] mm Độ lún cho phép của cọc khi thử tĩnh xác định theo Ug mm Độ lún ứng với tải trọng giới hạn của nhóm cọc Uav mm Độ lún của cọc đơn ứng với tải trọng TB của cọc trong nhóm U1 mm Độ lún của cọc dưới tác dụng của tải trọng đơn vị Vi kN Lực phân phối cho cọc thứ i trong nhóm
-1- MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Móng cọc là loại kết cấu được ứng dụng rộng rãi trong các loại công trình dân dụng, cầu đường, thủy lợi và nhất là các công trình trên nền đất yếu. Sử dụng cọc là giải pháp nền móng có nhiều ưu điểm nổi bật về tính ổn định khi chịu lực; tính kinh tế về giá thành; tính linh hoạt về vật liệu và đa dạng các phương pháp thi công. Khi chịu tác dụng của tải trọng công trình, cọc phát huy khả năng chịu lực thông qua ma sát giữa thành cọc - đất và sức kháng ở mũi cọc. Để chịu được tải trọng lớn móng cọc thường bao gồm một nhóm cọc, khi khoảng cách giữa các cọc không đủ lớn, trong vùng đất quanh các cọc hình thành hiện tượng chồng lấn ứng suất chống cắt do ma sát bên và do sức chống mũi của các cọc gây ra, vì vậy trong thực tế ứng xử của nhóm cọc khi chịu tải khác với ứng xử của cọc đơn, nhất là khi nhóm cọc làm việc trong nền đất dính [1]; [8]; [57]; [58]. Mức độ giảm sức chịu tải của nhóm cọc và gia tăng chuyển vị của nhóm cọc so với cọc đơn thường được thể hiện thông qua các giá trị hệ số nhóm và tỷ số độ lún. Các nghiên cứu về hiệu ứng nhóm trong móng cọc thường chủ yếu tập trung vào việc xác định giá trị hệ số nhóm (K) để đánh giá sức chịu tải ứng với khả năng chịu tải giới hạn của cọc và nhóm cọc, tuy nhiên trong thực tế hiệu ứng nhóm còn làm gia tăng độ lún của nhóm cọc so với cọc đơn làm việc trong cùng điều kiện. Từ những nghiên cứu ban đầu ta nhận thấy, khi tải trọng tác dụng vào nhóm cọc, do sự tương tác giữa hệ cọc – đất, sẽ gây ra sự thay đổi về phạm vi và độ lớn của vùng ứng suất phân bố xung quanh và ở mũi cọc và vì thế dẫn đến sự suy giảm đến khả năng làm việc của nhóm cọc. Vấn đề đặt ra là cần xét đến hiệu ứng nhóm như thế nào khi tính toán thiết kế móng cọc, để
-2- đảm bảo các yêu cầu về chịu lực và chuyển vị nhưng không quá lãng phí, đó chính là lý do hình thành đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến khả năng chịu tải dọc trục và độ lún của nhóm cọc thẳng đứng”. Theo [17], [47] khu vực đất yếu ở thành phố Hồ Chí Minh là các dạng địa hình thành tạo do đầm lầy và các quá trình kiến tạo khác, gồm các dải trũng tích tụ đầm lầy ven sông Sài Gòn, sông Nhà Bè, sông Lòng Tàu… Các lớp đất yếu phân bố rộng rãi ở nhiều khu vực trong thành phố, bao gồm các quận huyện ven như: Nhà Bè, Cần Giờ và huyện Bình Chánh và cả các quận nội thành như: quận 2; quận 4; quận 7; quận 8 Hình 1. Phân vùng khu vực đất yếu ở khu và một phần quận 9 và vực Tp. Hồ Chí Minh [47] Thủ đức (Hình 1). Đây là các vùng thấp, trũng, độ cao trung bình từ 0.5m - 2 m, trầm tích cấu tạo nên các bề mặt có nhiều nguồn gốc khác nhau, chủ yếu là các trầm tích trẻ (tuổi Holocen). Các lớp đất yếu thường gặp phần lớn là loại đất sét yếu hoặc bùn sét hữu cơ, có thể bị nhiễm mặn ở khu vực gần ven biển, có chiều dày biến thiên từ 15m đến 40m, các lớp đất này thường có các đặc trưng cơ lý như sau: - Dung trọng tự nhiên J =[14 ÷15.5] kN/m3; - Hệ số rỗng tự nhiên e =[1.5÷2.5]; - Độ ẩm tự nhiên W t 65%
-3- - Sức chống cắt không thoát nước Su = 5 kPa ÷ 25 kPa. - Góc ma sát trong M = 30 ÷ 60 Do khả chịu năng lực kém và có tính nén lún cao của nền sét yếu phân bố trên phạm vi khá rộng ở nhiều khu vực trong Tp. Hồ Chí Minh nhất là khu Nam Sài gòn, nên phương án móng cọc thường là một trong những lựa chọn hợp lý cho các công trình xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật, vì thế luận án sẽ tập trung nghiên cứu hiệu ứng nhóm khi nhóm cọc làm việc trong nền sét yếu. 2. Mục đích của đề tài Nghiên cứu về sự phân phối tải trọng, sự huy động ma sát thành và sức kháng mũi của của cọc trong nhóm, khi nhóm cọc chịu nén đúng tâm, làm việc trong nền đất loại sét. Nghiên cứu hiệu ứng trong nhóm cọc thông qua hai đại lượng là: hệ số nhóm và tỷ số độ lún, có xét đến các thông số ảnh hưởng, như: Khoảng cách cọc; Chiều dài cọc và số lượng cọc trong nhóm. Đề xuất cách sử dụng hệ số nhóm và tỷ số độ lún trong việc xác định sức chịu tải và độ lún của nhóm cọc làm việc trong nền đất sét, từ kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu − Nghiên cứu hiệu ứng nhóm trong các nhóm cọc quy mô nhỏ, có đài cọc đơn dưới cột. Nhóm cọc chịu nén đúng tâm và làm việc trong nền đất sét đồng nhất. Cọc có tiết diện tròn, thẳng đứng; Đài cọc cứng và không tiếp xúc với nền đất. Các nhóm cọc có số lượng cọc nhỏ hơn hoặc bằng 16 cọc (n≤16), có khoảng cách cọc giữa các cọc trong nhóm biến thiên từ ba đến sáu lần đường kính cọc (S=3d÷6d). Để bỏ qua hiện tượng cọc bị uốn dọc, trong
-4- quá trình ép cọc và chịu lực, luận án chỉ nghiên cứu các loại cọc có tỷ số giữa chiều dài và đường kính cọc L/d= 20; 25 và 30. Bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng ma sát âm khi cọc và nhóm cọc làm việc trong nền sét yếu. Cọc được thi công bằng phương pháp ép và không xét đến ảnh hưởng của trình tự ép cọc đến hiệu ứng nhóm cọc; 4. Nội dung nghiên cứu Tổng quan về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng nhóm cọc. Các phương pháp xác định hệ số nhóm, tỷ số độ lún của các tác giả trong nước và trên thế giới; Nghiên cứu, chế tạo thiết bị sử dụng cho các thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ sử dụng trong phòng và tại hiện trường; Tiến hành các thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ ở trong phòng và hiện trường có kết hợp đo biến dạng cọc, nhằm xác định: Quy luật phân bố lực cho từng cọc; Sự phân bố sức kháng bên theo độ sâu; Sự thay đổi sức kháng bên, sức kháng mũi huy động giữa cọc và đất của cọc; Hệ số nhóm và tỷ số độ lún của nhóm cọc. Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết hệ số tương tác trong bài toán phân tích hiệu ứng nhóm cọc chịu nén đúng tâm; Mô phỏng số các bài toán nén tĩnh cọc bằng phần mềm Plaxis-3D (2013) để kiểm chứng kết quả thu được từ mô hình thí nghiệm và lý thuyết. Phát triển bài toán mô phỏng để xây dựng tương quan về tỷ số độ lún trong móng cọc theo số lượng cọc trong nhóm; 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết: sử dụng các lý thuyết về cơ học kết hợp với lý thuyết đàn hồi và công thức tính hệ số tương tác, nhằm phân tích hiệu ứng nhóm của nhóm cọc thẳng đứng chịu tải dọc trục.
-5- Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng và chế tạo thiết bị và mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ của nhóm cọc sử dụng trong thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng và tại hiện trường. Tiến hành các thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và các nhóm cọc ở trong phòng và tại hiện trường trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ. Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm Plaxis-3D để mô phỏng sự làm việc của nhóm cọc và các thông số của nền đất, từ đó thực hiện tính toán để đối chiếu kết quả khi phân tích hiệu ứng nhóm cọc bằng lý thuyết và thí nghiệm. 6. Những đóng góp mới của luận án (1). Kết quả nghiên cứu luận án đã cho thấy trong nhóm cọc đài cứng, ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm làm cho lực phân bố vào từng cọc không đồng đều: Tỷ lệ lực phân chia cho các cọc ở giữa nhóm là bé nhất và tăng dần ra với các cọc ở phía ngoài, kết quả này là do sự suy giảm cường độ của sức kháng bên và sức kháng mũi của cọc trong nhóm so với giá trị tương ứng của cọc đơn. Thêm vào đó, các giá trị cực đại của thành phần ma sát đơn vị và sức chống mũi đơn vị của các vị trí cọc trong nhóm không phải là hằng số, mà thay đổi phụ thuộc vào tác dụng tương hỗ giữa hệ cọc-đất. (2). Đề xuất biểu thức tính số mũ Z, sử dụng trong công thức thực nghiệm để xác định tỉ số độ lún của Fleming và cộng sự (1985). Công thức được dùng để ước tính độ lún của nhóm cọc làm việc trong nền đất sét yếu từ kết quả nén tĩnh cọc đơn. (3). Đề xuất trình tự tính toán thay đổi chiều dài của các cọc trong nhóm, giúp khai thác tối ưu khả năng chịu lực của nhóm cọc thẳng đứng, có đài cọc cứng, chịu tải trọng nén đúng tâm;
-6- 7. Cấu trúc của luận án Ngoài các nội dung có liên quan như: mục lục, danh mục tài liệu tham khảo, các công trình nghiên cứu đã công bố, các hình vẽ, bảng biểu, phụ lục..., luận án gồm 130 trang, được bố cục trong 5 chương: Chương: Mở đầu Giới thiệu mục tiêu, phương pháp, phạm vi và kết quả nghiên cứu của đề tài. Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về hiệu ứng nhóm cọc Tổng hợp các công thức xác định hệ số nhóm và tỷ số độ lún; Nghiên cứu việc phân tích hiệu ứng nhóm cọc thông qua các thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và nhóm cọc trên mô hình tỷ lệ lớn tại hiện trường và thí nghiệm trong phòng với tỷ lệ nhỏ. Các quy định về giá trị hệ số nhóm cọc và ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm khi thiết kế móng cọc trong các tiêu chuẩn và quy phạm xây dựng hiện hành của Việt nam. Đưa ra các nhận xét về các vấn đề còn tồn tại và những nội dung cần thiết luận án cần tiếp tục giải quyết. Chương 2: Nghiên cứu hiệu ứng nhóm bằng các thí nghiệm nén tĩnh cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ Nghiên cứu các hiệu ứng tỷ lệ, để chế tạo thiết bị và các mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ của các nhóm cọc sử dụng trong các thí nghiệm nén tĩnh cọc trong phòng thí nghiệm và tại hiện trường. Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm đến sự làm việc của nhóm cọc, thông qua việc phân tích, đối chiếu và so sánh các kết quả các thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn và nhóm cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ. Chương 3: Ứng dụng hệ số tương tác trong việc phân tích hiệu ứng trong nhóm cọc thẳng đứng chịu tải trọng nén
-7- Nghiên cứu cơ sở thiết lập và sử dụng công thức xác định hệ số tương tác trong bài toán hệ có hai cọc. Thiết lập bài toán phân tích hiệu ứng nhóm cọc xét đến tác dụng tương hỗ của hệ cọc-đất khi sử dụng công thức tính hệ số tương tác của Randolph và Worth, để tính toán tỷ số độ lún và sự phân phối lực cho các cọc trong một số nhóm cọc cụ thể. Chương 4: Sử dụng phương pháp số trong phân tích hiệu ứng nhóm cọc Sử dụng phương pháp số thông qua phần mềm Plaxis-3D với mô hình nền hợp lý để mô phỏng hệ cọc – đất với tỷ lệ lớn để khắc phục nhược điểm không mô phỏng được áp lực địa tầng của các thí nghiệm trên vật lý tỷ lệ nhỏ; để thiết lập các thí nghiệm nén tĩnh cọc. Phân tích hiệu ứng nhóm từ kết quả của các bài toán mô phỏng để đối chiếu và so sánh với kết quả tương ứng thu được từ phương pháp lý thuyết và thí nghiệm; Chương 5: Các đề xuất Đề xuất biểu thức xác định số mũ Z, sử dụng trong công thức thực nghiệm để tính tỷ số độ lún (RS) của Fleming và cộng sự (1985). Đề xuất qui trình tính toán thay đổi chiều dài cọc giúp cải thiện sức chịu tải của nhóm cọc có đài cứng chịu tải nén đúng tâm. Kết luận và kiến nghị Kết luận: Xác định các sai số khi xác định hệ số nhóm và tỷ số độ lún bằng các công thức khi so sánh với các giá trị tương ứng thu được từ kết quả nghiên cứu. Các sai số này là do các yếu tố ảnh hưởng như: chiều dài cọc (hay tỷ lệ L/d) và tính chất của nền đất hầu hết chưa được xét đến khi tính hệ số nhóm và tỷ số độ lún bằng các công thức hiện hành. Sự phân phối lực không đồng đều cho các cọc và hiệu suất sử dụng của các vị trí cọc trong các nhóm cọc đài cứng. Sự suy giảm cường độ sức kháng thành và sức kháng mũi của các vị trí cọc trong nhóm so với các đại lượng tương ứng của cọc đơn.
-8- Kiến nghị: Những lưu ý đối với người thiết kế khi sử dụng móng cọc ép, ở các khu vực có chiều dày lớp bùn sét lớn tại Tp. Hồ Chí Minh: Cần sử dụng hệ số nhóm khi kiểm tra khả năng chịu tải của các cọc trong nhóm. Sử dụng công thức tính tỷ số độ lún của Fleming và cộng sự với biểu thức xác định số mũ Z do tác giả đề xuất, để ước tính độ lún của nhóm cọc thông qua các thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn. Với nhóm cọc có đài cứng, chịu tải nén đúng tâm, có thể áp dụng đề xuất tính toán thay đổi chiều dài cọc trong nhóm, để tối ưu khả năng làm việc của nhóm cọc thẳng đứng. Những định hướng nghiên cứu tiếp theo về hiệu ứng nhóm khi xét đến ảnh hưởng của: tính chất của đài cọc; vật liệu cọc; tính chất cơ lý của nền nhiều lớp … đây là những phần nằm ngoài giới hạn nghiên cứu của đề tài nhưng có thể ứng dụng những kết quả nghiên cứu của Luận án.