Phân tích các phương pháp ước lượng độ lún của nhóm cọc

PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG<br /> ĐỘ LÚN CỦA NHÓM CỌC<br /> <br /> LÊ BÁ VINH*<br /> PHẠM CÔNG KHANH<br /> <br /> <br /> Analysis of methods of predicting pile group’s settlement<br /> Abstract: In calculating and designing foundation structures, settlement<br /> calculation is an important requirement. Determination of settlement by<br /> equivalent pier method results quickly and relatively in accordance with the<br /> results of finite element method. This method is suitable for groups with pile<br /> spacing S/d  4d.<br /> Settlement determined by Tomlinson method is greater than the settlement<br /> determined by finite element method. This method is suitable for groups of<br /> piles with n  36 with S/d = (5÷6).<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong nghiên cứu này, các phân tích mô<br /> Độ lún của móng là một yêu cầu được quan phỏng 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn,<br /> tâm hàng đầu trong tính toán th c hành thiết kế tính toán giải tích được th c hiện cho trường<br /> kết cấu nền móng để đảm bảo công trình ổn hợp đất nền loại sét, đồng nhất đặc trưng tại khu<br /> định. Việc xác định một cách chính xác độ lún v c TP. Hồ Chí Minh. M c đích để so sánh s<br /> của móng là một vấn đề hết sức phức tạp. phù hợp của các phương pháp giải tích và<br /> Trong th c tế thiết kế, khi xác định độ lún phương pháp phần tử hữu hạn ứng với từng loại<br /> của móng cọc vẫn phổ biến sử d ng mô hình nhóm cọc c thể để từ đó đưa ra kiến nghị về<br /> khối móng quy ước với nhiều dạng mô hình, việc l a chọn phương pháp ước lượng độ lún<br /> ph thuộc vào góc ma sát trong của đất, phương của nhóm cọc phù hợp và hiệu quả.<br /> pháp này không kể đến ảnh hưởng của số lượng<br /> cọc, tỷ số giữa đường kính và chiều dài cọc,<br /> khoảng cách cọc và s tương tác của các cọc<br /> trong đài.<br /> Để ước lượng độ lún trung bình của nhóm<br /> cọc Poulos và Davis (1980) đã đề xuất phương<br /> pháp “tr tương đương”. Trong phương pháp<br /> này, nhóm cọc được thay thế bằng một tr như<br /> hình 1. Trong hình 1, Lp là chiều dài cọc, Es, Ep<br /> và Eeq là mô đun đàn hồi của đất, cọc và tr<br /> tương đương, deq là đường kính của tr , và Ag là Hình 1. Nhóm cọc được thay thế<br /> diện tích mặt bằng của nhóm cọc như một khối. bằng trụ tương đương<br /> <br /> * Bộ môn Địa cơ - N n m ng hoa Thu t y D ng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘ<br /> Tr ng Đ i c B ch hoa - Đ i c u c ia LÚN NHÓM CỌC<br /> Thành Ph ồ Chí Minh 2.1. Phƣơng pháp trụ tƣơng đƣơng<br /> Email: lebavinh@hcmut.edu.vn Nhóm cọc được thay thế bằng một tr tương<br /> <br /> 4 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019<br /> đương có đường kính quy đổi deq và mô đun đàn quy ước hoạt động ở một độ sâu đại diện dưới mặt<br /> hồi tương đương Eeq, được tính toán như sau: đất. Có nhiều dạng khác nhau của phương pháp<br /> 2 A này, nhưng một trong những đề nghị của<br /> deq  Ag Eeq  Es  ( E p  Es ) tp<br />  Ag Tomlinson (1994) dường như là một cách tiếp c n<br /> Trong đó: Atp – tổng diện tích mặt cắt ngang thu n tiện và hữu ích. Như minh họa trong hình 2,<br /> của các cọc trong nhóm. Trường hợp nền đất độ sâu đại diện thay đổi từ 2L/3 đến L, giá trị đầu<br /> không đồng nhất, sử d ng mô đun trung bình áp d ng cho nhóm cọc ma sát, còn giá trị cuối áp<br /> dọc theo chiều dài cọc. d ng cho nhóm cọc chống. Tải trọng truyền theo<br /> Một nhóm cọc được thay thế bằng một “tr góc với độ dốc 1:4 đối với nhóm cọc ma sát và<br /> ngắn”, để ước lượng độ lún của tr có thể áp bằng 0 đối với nhóm cọc chống.<br /> d ng các lời giải của Randolph & Wroth (1979), Randolph (1994) đã đánh giá khả năng áp<br /> Poulos & Davis (1980) hoặc sử d ng các d ng phương pháp này và nh n thấy rằng<br /> chương trình PTHH để tính toán. phương pháp khối móng quy ước cho kết quả<br /> 2.2. Phƣơng pháp khối móng quy ƣớc: phù hợp đối với các nhóm lớn khi chiều rộng<br /> Nhóm cọc được thay thế bằng một khối móng của nhóm lớn hơn chiều dài cọc.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ình 2. Ph ơng ph p h i m ng quy ớc: a). Nh m c c ma s t;<br /> b). Nh m c c xuyên qua đất yếu đi vào đất t t; c). Nh m c c ch ng vào tầng cứng<br /> <br /> 3. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN Mô hình đất được sử d ng để mô phỏng là<br /> CỦA NHÓM CỌC VỚI CÁC TRƢỜNG mô hình Harderning soil vì mô hình này có<br /> HỢP CỤ THỂ thông số độ cứng của đất thay đổi theo trạng<br /> Nhóm cọc được mô hình trong chương trình thái ứng suất trong nền và phù hợp với ứng xử<br /> Plaxis 3D bao gồm các nhóm: 2x2, 4x4, 6x6, của phần lớn các loại đất. L a chọn biên mô<br /> 8x8, 10x10 có đường kính cọc d=0,3m với s hình 40mx40mx30m, chế độ mesh lưới phần<br /> thay đổi của tỷ lệ khoảng cách giữa các cọc và tử: mịn (fine). Để rút ngắn thời gian phân tích<br /> đường kính cọc S/d = (2, 3, 4, 6, 8) và tỷ lệ l a chọn mô hình đối xứng ¼ để tiến hành<br /> giữa chiều dài cọc và đường kính cọc H/d = phân tích.<br /> (20, 40). Tải trọng cọc dùng để phân tích Ptk = Đất nền được chọn là đất loại sét, đồng nhất<br /> 1/2Pu, với Pu là sức chịu tải giới hạn của cọc mang tính đặc trưng cho khu v c TP. HCM với<br /> đơn được xác định từ phần mềm Plaxis được các thông số hữu hiệu phù hợp với mô hình<br /> tổng hợp ở bảng 3. Harderning soil (c’, ’, E’, ’, k, m, …), m c<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 5<br /> nước ngầm nằm ngang mặt đất để tiến hành mô trong chương trình Plaxis 3D để mô phỏng cho<br /> phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (phần đài. Cọc sử d ng loại phần tử volume pile, có<br /> mềm Plaxis 3D) được trình bày ở bảng 1. Đài tiết diện hình tròn đặc. V t liệu sử d ng cho cọc,<br /> cọc là tuyệt đối cứng, sử d ng phần tử plate và đài được trình bày ở bảng 2.<br /> <br /> ảng 1. Thông số đất của mô hình Harderning soil sử dụng cho phân tích<br /> <br /> Trường unsat sat pref E'50ref E'ur c' '<br /> ' 'ur m<br /> hợp (kN/m3) (kN/m3) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (deg)<br /> Sét 19,2 19,5 100 0,25 0,2 5300 15900 1 30,4 18,6<br /> <br /> Bảng 2. Thông số vật liệu của hệ cọc và đài<br /> <br /> STT Thông số Đơn vị Ký hiệu Cọc Đài<br /> 1 Loại mô hình - - Elastic Elastic<br /> 2 Loại phần tử - - Volume Pile Plate<br /> 3 Hình dạng - - Tròn đặc -<br /> 4 Đường kính cọc m d 0,3 -<br /> 5 Mô đun đàn hồi kN/m2 E 3,25E+07 3,25E+07<br /> <br /> ảng 3. Thông số chiều dài và sức chịu tải cọc đơn, sức chịu tải cực hạn của cọc<br /> <br /> STT H/d L (m) Pu (kN) Ptk (kN)<br /> 1 20 6 230 115<br /> 2 40 12 450 225<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> n - Số lượng cọc trong nhóm<br /> S - Khoảng cách giữa các cọc<br /> Ptk - Sức chịu tải thiết kế lấy bằng 1/2Pu<br /> P - L c tác d ng lên nhóm cọc<br /> ình 3. Sơ đồ phân tích nhóm c c ình 4. Sơ đồ phân tích trụ t ơng đ ơng<br /> <br /> <br /> 6 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019<br />  Hình 5. Chuyển vị đứng nhóm c c theo ph ơng Hình 6. Chuyển vị đứng nhóm c c theo<br /> pháp mô phỏng toàn bộ nhóm c c ph ơng ph p mô phỏng trụ t ơng đ ơng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Bán kính vùng ảnh h ởng theo ph ơng Hình 8. Bán kính vùng ảnh h ởng theo<br /> pháp mô phỏng toàn bộ nhóm c c ph ơng ph p mô phỏng trụ t ơng đ ơng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9. Vùng ảnh h ởng theo ph ớng đứng Hình 10. Vùng ảnh h ởng theo ph ớng đứng<br /> của nhóm c c của trụ t ơng đ ơng<br /> <br /> 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN thấy độ lún của nhóm cọc có xu hướng tăng khi<br /> Ở các hình từ hình 11 đến hình 15 thể hiện số lượng cọc trong nhóm tăng và giảm khi c ly<br /> kết quả tính toán độ lún của nhóm cọc với các giữa các cọc trong nhóm tăng, cả ba phương<br /> phương pháp: mô phỏng phần tử hữu hạn toàn pháp tính đều cho kết quả thống nhất về xu<br /> bộ nhóm cọc, mô phỏng phần tử hữu hạn tr hướng này.<br /> tương đương, tính toán giải tích bằng phương Khi tỷ lệ khoảng cách giữa các cọc và đường<br /> pháp khối móng quy ước. Kết quả tính toán cho kính cọc S/d = (3÷6), tỷ lệ H/d=20, sai số giữa<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 7<br /> phương pháp tr tương đương và phương pháp lún phân tố theo mô hình khối móng quy ước<br /> mô phỏng toàn bộ nhóm cọc dao động trong cho kết quả lớn hơn phương pháp mô phỏng<br /> khoảng [28-3%] cho nhóm n = 4, sai số [16-4%] bằng phần mềm Plaxis 3D. Mức độ sai số dao<br /> cho nhóm n=16, sai số [16-8%] cho nhóm n = động [72÷61]% có xu hướng giảm khi khoảng<br /> 36, sai số [12-2%] cho nhóm có n = 64, sai số cách giữa các cọc tăng từ (3d÷6d) và số lượng<br /> [8-6%] cho nhóm có n = 100 cọc. Ở khoảng cọc trong nhóm tăng từ 4 đến 100 cọc. Mức<br /> cách điển hình S/d = 4 sai số này dao động trong độ sai số giữa hai phương pháp lần lượt đối<br /> khoảng [1-16%] cho các nhóm có n = (4÷100) với các nhóm cọc có n = 16 là [56÷45]%,<br /> cọc. Sai số này có xu hướng giảm khi khoảng nhóm cọc có n = 36 là [45÷31]%, ở nhóm cọc<br /> cách giữa các cọc tăng. Nguyên nhân của s sai có n = 64, sai số là [35÷21]%. Ở nhóm cọc có<br /> khác do phương pháp tr tương đương không n = 100, sai số giữa hai phương pháp là<br /> xét s tương tác của các cọc ở trong nhóm. [30÷9]%.<br /> Vùng ảnh hưởng của phương pháp tr tương Rõ ràng, phương pháp khối móng quy ước<br /> đương cũng khác với phương pháp xác định độ cho sai số nhỏ khi số lượng cọc và khoảng cách<br /> lún móng bằng PTHH dẫn tới s khác nhau về giữa các cọc lớn. Điều này phù hợp với nghiên<br /> khả năng huy động sức kháng bên gây ra s cứu của Randolph (1994) về khả năng áp d ng<br /> khác nhau về độ lún của hai phương pháp. phương pháp khối móng quy ước cho các nhóm<br /> Tại nhóm cọc có n = 4, phương pháp xác cọc lớn. Ở khoảng cách S/d = 6, sai số giữa 2<br /> định độ lún móng cọc bằng phương pháp cộng phương pháp là nhỏ nhất đạt 9.33%.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ình 11. Độ lún nhóm c c có n = 4 ình 12. Độ lún nhóm c c có n =16<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ình 13. Độ lún nhóm c c có n = 36 ình 14. Độ lún nhóm c c có n = 64<br /> <br /> <br /> 8 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019<br />  Ghi chú:<br /> TTD: ph ơng ph p trụ t ơng đ ơng.<br /> 3D: ph ơng ph p mô phỏng 3D bằng ph ơng<br /> pháp PTHH (Plaxis 3D).<br /> MU : ph ơng ph p h i m ng quy ớc.<br /> n4, n16, n36, n64, n100 lần l ợt là 4, 16, 36, 64,<br /> 100 c c trong một nhóm c c.<br /> H20d, H40d lần l ợt là chi u dài c c với H=20d<br /> và H = 40d với d là đ ng kính c c.<br /> ình 15. Độ lún nhóm c c có n = 100<br /> <br /> 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chênh lệch này lớn ở các nhóm cọc nhỏ (n <<br /> Tr tương đương là một phương pháp đơn 36), dao động từ [72- 45%], chênh lệch lớn nhất<br /> giản giúp xác định nhanh chóng độ lún của ở nhóm cọc có n=4. Chênh lệch này có xu<br /> móng cọc. Độ lún của nhóm được xác định bằng hướng giảm khi khoảng cách giữa các cọc và số<br /> phương pháp tr tương đương tương đối phù lượng cọc tăng. Phương pháp này phù hợp với<br /> hợp với độ lún được xác định bằng phần mềm các nhóm có số lượng cọc n  36, ở khoảng<br /> Plaxis 3D. Phương pháp này thích hợp cho các cách S/d=(5÷6). Ở khoảng cách S/d = 6, nhóm<br /> móng có khoảng cách S/d = (4÷6). Tuy nhiên, cọc có n = 100, chênh lệch giữa hai phương<br /> phương pháp này không xét đến s ảnh hưởng pháp là nhỏ nhất đạt 9,33%.<br /> lẫn nhau giữa các cọc nên có s sai khác với<br /> phương pháp mô phỏng bằng phương pháp TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> PTHH. Ở tỷ lệ S/d  3 sai số giữa hai phương<br /> pháp dao động [8-28%]. [1] Poulos H.G.; Davis E.H. (1980). Pile<br /> Có thể ứng d ng phương pháp mô phỏng Foundation Analysis and Design; New York,<br /> bằng chương trình Plaxis 3D để xác định độ John Wiley;<br /> lún của nhóm cọc bằng cách mô hình một tr [2] Randolph M.F & Worth C.P (1979). An<br /> tương đương với thông số đường kính cọc và analysis of the vertical deformation of pile<br /> mô đun đàn hồi được quy đổi tương đương groups. Geotechnique 29, No. 4 (p. 423 – 439).<br /> bằng mô hình bài toán 3D hoặc mô hình đối [3] Randolph MF. Design methods for pile<br /> xứng tr c trong bài toán 2D. groups and piled rafts. In: Proc. 13th<br /> Xác định độ lún bằng phương pháp cộng lún international conference on soil mechanics and<br /> lớp phân tố theo mô hình khối móng được đề foundation engineering, vol. 5, New Delhi,<br /> xuất bởi Tomlimson (1994) cho kết quả lớn hơn India; 1994. p. 61–82.<br /> so với phương pháp mô phỏng tr tương đương [4] Tomlimson M.J (1994). Pile Design and<br /> và phương pháp mô phỏng toàn bộ nhóm cọc. Construction Practice, 4th edition E & FN Spon.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ng i phản biện: PGS.TS. NGUYỄN VĂN DŨNG<br /> <br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2019 9<br />