Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công ép lên khả năng chịu tải của cọc

Phân tích, đánh giá một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng quá trình hạ cọc lên sức chịu tải của cọcMô phỏng phân tích ứng xử của đất nền xung quanh và dưới mũi cọc sau khi hạ cọc bằng phương pháp épMô phỏng đánh giá khả năng chịu tải của cọc sau khi épPhân tích, so sánh với kết quả thí nghiêm nén tĩnh cọc hiện trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỔ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỮU HOÀNG VŨ

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH THI CÔNG ÉP LÊN KHẢ NĂNG

CHỊU TẢI CỦA CỌC

Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dụng

Mã số ngành : 60 58 02 11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 1 - 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS BÙI TRƯỜNG SƠN

: TS CAO VĂN HÓA

PGS TS VÕ PHÁN

1 Chủ tịch hội đồng

2 Thư ký hội đồng

3 Uỷ viên phản biện 1

4 Uỷ viền phản biện 2

5 Uỷ viên hội đồng

KỸ THUẬT XÂY DỤNG

TS LÊ ANH TUẤN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HỮU HOÀNG VŨ MSHV: 1670541

Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1993 Nơi sinh: Ninh Thuận

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 60 58 02 11

L TÊN ĐỀ TÀI: Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công ép lên khả năng chịu tải của cọc

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Phân tích, đánh giá một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng quá trình hạ cọc lên sức chịu tải của cọc

- Mô phỏng phân tích ứng xử của đất nền xung quanh và dưới mũi cọc sau khi hạ cọc bằng phương pháp ép

- Mô phỏng đánh giá khả năng chịu tải của cọc sau khi ép

- Phân tích, so sánh với kết quả thí nghiêm nén tĩnh cọc hiện trường

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/08/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/12/2018

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS BÙI TRƯỜNG SON

Tp HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA PGS TS BÙI TRƯỜNG SƠN PGS TS LÊ BÁ VINH

LỜI CẢM ƠN

Sau quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ tại khoa Kỹ thuật Xâydựng, trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các quýThầy cô, cán bộ các phòng ban chức năng đã luôn hỗ trợ, giúp đỡ tôi hoàn thành bài luận vănnày Những tri thức và tâm huyết của quý Thầy cô đã truyền dạy cho tôi là thực sự quý giá giúptôi định hướng trong quá trình nghiên cứu học tập và phát triển nghề nghiệp sau này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy PGS TS Bùi Trường Sơn

-người đã tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn tôi qua từng buổi học, từng buổi trao đổi, thảo luận, địnhhướng nghiên cứu và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn này Một lầnnữa xin chân thành cảm ơn thầy

Đe có thể đưa ra những thông tin đảm bảo tính giá trị và tính chính xác trong luận văncủa mình, tôi không quên gửi lời cảm ơn đến các tác giả của những tài liệu, sách, đề tài nghiêncứu tôi đã dùng tham khảo và sử dụng để hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Đe hoàn thành luận văn thạc sỹ đúng thời gian quy trình, bên cạnh sự nỗ lực của bảnthân, sự hướng dẫn tận tình của các quý Thầy cô, tôi cũng xin cảm ơn người thân, gia đình và bạn

bè đồng nghiệp đã luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu vàthực hiện đề tài nghiên cứu luận văn thạc sỹ hoàn chỉnh

Tuy bản thân đã có nhiều cố gắng và nỗ lực hoàn thành đề tài nghiên cứu, song do kiếnthức và kinh nghiệm học viên còn hạn chế, luận văn này chắc chắn không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót Tôi rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ dẫn và những đóng góp ý kiến của các quýThầy cô, các chuyên gia và những người quan tâm đến đề tài này để tôi có thể bổ sung nhữngkiến thức còn thiếu và hoàn thiện bài luận vãn của mình hơn

Tôi xin trân họng cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 12 năm 2018

Nguyễn Hữu Hoàng Vũ

TÓM TẮT LUẬN VẨN THẠC SĨ

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH THI CÔNG ÉP

LÊN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC

TÓM TẮT:

Đề tài thực hiện nhiệm vụ phân tích đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công ép lên khảnăng chịu tải của cọc, với dữ liệu thực tế từ Dự án Trung tâm thương mại Khang Gia - Khang Gia

Shopping Mall, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh Công trình sử dụng cọc ly tâm ứng

suất trước có đường kính 600 mm, chiều dài 26,3 m Đề tài lựa chọn cọc thử TP12 gần vị trí

hố khoan HK2 để phục vụ phân tích đánh giá.

Mô phỏng quá trình thi công ép và nén tĩnh cọc cho thấy phạm vi ảnh hưởng trong đất

xung quanh cọc đon là 2d, ờ khu vực mũi cọc theo phương ngang là hon 4d và lên đến 5d từ

khu vực mặt phẳng ngang mũi cọc; theo phưong đúng, từ mũi cọc trở lên, phạm vỉ ảnh hưỏng là 6d và là 3d từ mũi cọc trở xuống Ngoài ra, phạm vỉ ảnh hưỏng vùng xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sau khi hạ cọc trong lớp đất tốt lên đến 17d và là 12d trong lóp đất yếu Bên cạnh đó, thời gian để áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán hoàn toàn có thể đến 600 ngày kể từ thời điểm thi công hạ cọc.

Việc xác định quan hệ tải trọng và độ lún đầu cọc nhằm đánh giá được giá trị sức chịu tảigiới hạn (Qu) dựa trên các phương pháp khác nhau, đồng thời cũng so sánh được kết quả Qu dựbáo giữa thí nghiệm và mô phỏng Giá trị Qu giữa kết quả thí nghiệm và mô phỏng theo cácphương pháp Offset Limit của Davisson, Chin - Kondner, De Beer, De Court, tiêu chuẩn 80%Brinell Hansen, tiêu chuẩn 90% Brinell Hansen, Mazurkiewicz, Fuller & Hoy và Butler & Hoy là

tương tự nhau, mức độ sai lệch dưới 20%.

Kết quả dự báo Qu theo các phương pháp Mazurkiewicz, Fuller & Hoy và Butler &

Hoy từ kết quả nén tĩnh cọc thực tế và mô phỏng đều cho giá trị Qu tương ứng với ứng xử Q - s

trong phạm vi đàn hồi và ứng với độ lún xấp xỉ 10%d là phù hợp để sử dụng đánh giá sức chịu tảigiới hạn của cọc (d là đường kính cọc)

MASTER THESIS ABSTRACT

SIMULATING EVALUATING EFFECT OF PRESSING PROCESS ON

BEARING CAPACITY ON PILE

ABSTRACT

The thesis focuses on analyzing and assessing the effect of the pressing process onbearing capacity on pile, applied with actual data from “Khang Gia Shopping Mall Project”, Thu

Due District, Ho Chi Minh City The project uses pretensioned spun concrete piles with a

diameter of 600 mm and a length of 26.3 m TP12 trial piles near HK2 hole are also used for

analysis and evaluation in this thesis

That simulates the process of pressing and static pile compressing shows the impacted

range in the soil is 2d surrounding single pile, over 4d at the horizontal pile tip and up to 5d from the horizontal plane of pile tip area; in the vertical direction, the range of influence is 6d from pile tip upwards and 3d from there downwards, hl addition, the area range affected

by the excess pore water pressure after driving pile in hard soil layer is up to 17d and is 12d

in soft soil Moreover, the time for the excess pore water pressure to be fully dissipated could

be up to 600 days from driving time.

Determining the relation between load and pile head settlement aims to evaluate the value

of ultimate load capacity (Qu) based on the different methods, as well as to compare the Qupredicted results between experiment and simulation The value Qu between experiment andsimulation result based on Offset Limit of Davisson, Chin - Kondner’s, De Beer’s, De Court’s,Brinell - Hansen’s 80% criterion, Brinch - Hansen’s 90% criterion, Mazurkiewicz’s, Fuller &

Hoy’s and Butler & Hoy’s methods are similar, deviation level is less than 20%.

The predicted Qu result by the methods of Mazurkiewicz, Fuller & Hoy and Butler &

Hoy from result of static pile load test and simulation shows that the value Qu corresponding to

the Q - s conduct within the elastic range and corresponding to a settlement of approximately10%d is appreciate that used for evaluating of the ultimate load capacity of the pile, (d is the pilediameter)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy

PGS TS Bùi Trường Son

Các so sánh, đánh giá, kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiêncứu khác

Tôi xin chịu hách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp Hồ Chí Mình, ngày 02 tháng 12 nãm 2018

Nguyễn Hữu Hoàng Vũ

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ iii MASTER THESIS ABSTRACT _iv LỜI CAM ĐOAN _V MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU xii MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN cúu ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH HẠ cọc LÊN sức CHỊU TẢI CỦA cọc 4 1.1 Ảnh hưởng của quá trình hạ cọc trong đất sét 4

1.2 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng của đất xung quanh cọc 13

1.3 Cơ cấu thay đổi sức chịu tải theo thời gian 19

1.3.1 Trong đất sét 20

1.3.2 Trong đất cát 23

1.3.3 Ý nghĩa của việc thay đổi sức chịu tải cọc theo thời gian 26

1.4 Nh ận xét và phương hướng của đề tài 26

CHƯƠNG 2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ KHẢ NÃNG CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT QUÁ TRÌNH THI CÔNG VÀ MỘT SỐ ĐẶC DIÊM VÈ VỆC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN _28 2.1 Trạng thái ứng suất biến dạng trong đất do hạ cọc 28

2.1.1 Đặc điểm hạng thái ứng suất - biến dạng của đất do thi công cọc 28

2.1.2 Trạ

ng thái ứng suất - biến dạng ban đầu xung quanh cọc 29

2.1.3 Phương pháp tính toán vùng nén chặt của đất xung quanh cọc 36

2.2 Sự chuyển vị và sự nén ép của đất sét bão hòa nước do quá trình thi công cọc 39

2.3 Mô hình tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 43

2.4 Vấn đề về chuyển vị cưỡng bức 45

2.5 Vấn đề về cố kết 46

2.6 Kết luận chương 47

CHUÔNG 3 MÔ PHỎNG cọc VÀ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH THI CÔNG ÉP LÊN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC 48

3.1 Giới thiệu về công trình và các dữ liệu phục vụ phân tích tính toán 48

3.1.1 Mặt bằng bố trí cọc thử và sơ đồ bố trí hố khoan 48

3.1.2 Đặc điểm cấu tạo địa chất công trình khu vực dự án 49

3.1.3 Các thông số đất nền sử dụng trong phân tích bài toán bằng phần mềm Plaxis 2D 55

3.2 Phân tích ứng xử môi trường đất xung quanh sau khi hạ cọc 57

3.3 Mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh cọc và phân tích đánh giá khả năng chịu tải 72

3.4 Phân tích sức chịu tải giới hạn của cọc dựa vào quan hệ tải trọng và độ lún bằng các phương pháp khác nhau 84

3.4.1 Phân tích tích sức chịu tải cọc từ kết quả thí nghiệm hiện trường 86

3.4.2 Phân tích tích sức chịu tải cọc từ kết quả mô phỏng 96

3.5 Kết luận chương 107

KẾT LUÂN VÀ KIẾN NGHỊ 108 Kết luận 108

Kiến nghị 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO _109

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG _111

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô phỏng cọc ở độ sâu 4m vào nền đất 6

Hình 1.2 Sự thay đổi độ ẩm (Nitsund) 9

Hình 1.3 Sự thay đổi sức chống cắt (Nitsund) 10

Hình 1.4 Các thí nghiệm nén đơn (Nitsund) 11

Hình 1.5 Các kết quả thí nghiệm thử tải (Nitsund) 12

Hình 1.6 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng, tổng ứng suất, ứng suất hữu hiệu ở móng gồm 9 cọc sau 2 giờ sau khi đóng (a) và ở nhóm 9 cọc trong phạm vi giữa các cọc (b) theo thời gian 15

Hình 1.7 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng ở tâm nhóm 4 cọc trước khi đóng (1), sau khi đóng (2) và sau 60 ngày (3) 16

Hình 1.8 Sự thay đổi tổng ứng suất (1), áp lực lỗ rỗng (2) và ứng suất hữu hiệu (3) ở biên móng từ nhóm 4 cọc 17

Hình 1.9 Sự phân bố ứng suất dọc theo thân cọc trong quá trình hạ cọc ở một dãy móng cọc (a) và sau khi hạ cọc (b) (h - độ sâu hạ cọc) 17

Hình 1.10 Sự tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962) 18

Hình 1.11 Tóm tắt một số kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng (Poulos và Davis 1979) 19

Hình 1.12 Vùng đất bị xáo trộn và vùng chuyển tiếp do quá trình hạ cọc gây ra 20

Hình 1.13 Phân bố các tầng đất điển hình 21

Hình 1.14 Sự gia tăng sức chịu tải cọc theo thời gian 22

Hình 1.15 Sự gia tăng thành phần ma sát hông trung bình 22

Hình 1.16 Phân bố các tầng đất điển hình 24

Hình 1.17 Sự gia tăng sức chịu tải cọc theo thời gian 24

Hình 1.18 Sự gia tăng sức chịu tải theo thời gian 26

Hình 2.1 Biểu đồ quan hệ áp lực nước lỗ rỗng xung quanh cọc trong đất theo thời gian sau khi đóng cọc 28

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán về sự hình thành hạng thi ứng suất - biến dạng của đất xung quanh cọc sau khi thi công 29

Hình 2.3 Sơ đồ tính toán xác định trạng thái ứng suất- biến dạng của đất xung quanh cọc 30

Hình 2.4 Sơ đồ vùng nén chặt do thi công cọc 37

Hình 2.5 Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do đóng cọc 39

Hình 2.6 Độ bền cắt trong đất sét bão hòa nước trước và sau khi đóng cọc 40

Hình 2.7 Lý thuyết phân tán cho tốc độ cố kết đất gần cọc 42

Hình 2.8 So sánh biểu đồ thực nghiêm với lý thuyết về sự tăng tốc độ dính chặt 43

Hình 2.9 Đồ thị biểu diễn quan hệ ứng suất - biến dạng khi gia tải và dỡ tải trong mô Hình 3.1 Vị trí dự án Trung tâm thương mai Khang Gia - Khang Gia Shopping Mall, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh 48

Hình 3.2 Mặt bằng thử tĩnh cọc 49

Hình 3.3 Mặt bằng bố trí các hố khoan khảo sát địa chất 50

Hình 3.4 Hình trụ hố khoan HK2 51

Hình 3.5 Mặt cắt địa chất 52

Hình 3.6 Mô hình bài toán mô phỏng hạ cọc bằng phương pháp ép 57

Hình 3.7 Tổng chuyển vị của đất nền sau khi thi công hạ cọc 60

Hình 3.8 Vectơ tổng chuyển vị của đất nền sau khi thi công hạ cọc 61

Hình 3.9 Chuyển vị ngang của đất nền sau khi thi công hạ cọc 62

Hình 3.10 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư được hình thành sau khi thi công hạ cọc 63

Hình 3.11 Sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng thặng dư 64

Hình 3.12 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sau quá trình cố kết 7 ngày 65

Hình 3.13 Sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sau quá trình cố kết 7 ngày và các điểm quan sát sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng 66

Hình 3.14 Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm B sau quá trình cố kết 7 ngày 67

Hình 3.15 Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm c sau quá trình cố kết 7 ngày 67

Hình 3.16 Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm D sau quá trình cố kết 7 ngày 68

Hình 3.17 Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm E sau quá trình cố kết 7 ngày 68

hình Mohr - Coulomb 44

Hình 3.18 Tổng biến dạng đất nền sau quá trình cố kết 7 ngày 69

Hình 3.19 Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm B sau quá trình cố kết hoàn toàn 70

Hình 3.20 Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm c sau quá trình cố kết hoàn toàn 70

Hình 3.21 Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại điểm D sau quá trình cố kết hoàn toàn 71

Hình 3.23 Chuyển vị đứng của đất nền sau khi gia tải đến 100%Ptk - Chu kì 2 75

Hình 3.24 Chuyển vị đứng của đất nền sau khi gia tải đến 200%Ptk - Chu kì 2 76

Hình 3.25 Chuyển vị đứng của đất nền sau khi gia tải đến 275%Ptk - Cho cọc phá hoại 77

Hình 3.26 Tổng chuyển vị của đất nền sau khi cho cọc phá hoại (Qtn =475%Ptk) 78

Hình 3.27 ứng suất cắt tương đối tại thời điểm cọc bị phá hoại (Qtn = 475%Ptk) 79

Hình 3.28 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún từ kết quả thí nghiệm 81

Hình 3.29 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún từ kết quả mô phỏng 82

Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún khi gia tải đến 275%Ptk từ kết quả mô phỏng 82

Hình 3.31 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún khi cho cọc phá hoại (475%Ptk) từ kết quả mô phỏng 83

Hình 3.32 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng 84

Hình 3.33 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo phương pháp Davisson 89

Hình 3.34 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo phương pháp Chin -Kondner 89

Hình 3.35 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo phương pháp De Beer.90 Hình 3.36 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo phương pháp Decourt.91 Hình 3.37 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo tiêu chuẩn 80% Brinch Hansen 92

Hình 3.38 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo tiêu chuẩn 90% Brinch Hansen 93

Hình 3.39 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo phương pháp

Hình 3.45 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo phương pháp De Beer.99

Hình 3.46 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo phương pháp Decourt 100 Hình 3.47 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo tiêu chuẩn 80% Brinch Hansen 100 Hình 3.48 Đồ thị xác định sức chịu tải giới hạn của cọc theo tiêu chuẩn 90% Brinch

Bảng 1.1 Dữ liệu từ thí nghiệm thử tải ở Nitsund 12 Bảng 1.2 Tóm tắt các cọc thí nghiêm 25 Bảng 3.1 Thông số các lớp đất dùng cho việc mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn56 Bảng 3.2 Các dữ liệu khi nén tĩnh được dùng để mô phỏng 72 Bảng 3.3 Ket quả nén tĩnh cọc từ thí nghiêm hiện trường và mô phỏng 80 Bảng 3.4 Các dữ liệu về tải trọng và độ lún từ kết quả thí nghiêm hiện trường 88

Bảng 3.5 Tổng hợp giá trị sức chịu tải giới hạn được phân tích từ các phương pháp khác nhau

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc hiện trường được xem là đáng tin cậy để đánh giá sứcchịu tải của cọc sau khi thiết kế và thi công hạ cọc Trong thực tế, giá trị tải trọng lớn nhất đượcchọn để thí nghiệm nén tĩnh cọc, căn cứ vào sức chịu tải cho phép được lấy từ hồ sơ thiết kế Tuynhiên, phần lớn kết quả phân tích thí nghiêm nén tĩnh cọc cho thấy sức chịu tải cực hạn của cọctại hiện trường lớn hơn đáng kể so với giá trị tính toán từ hồ sơ thiết kế Do đó, kết quả nén tĩnhcọc thường chưa đạt đến giá trị cực hạn

Trong rất nhiều các công trình xây dựng, các thí nghiêm thử tĩnh cọc được tiến hành mộtcách nhanh chóng sau khi cọc được hạ vào trong đất vì có sự ràng buộc về thời gian xây dựngcông trình Sức chịu tải cọc có được từ kết quả thử tĩnh cọc được xem như là sức chịu tải cọc lâudài Trong quá trình thì công hạ cọc, đất nền xung quanh cọc bị xáo trộn, tại vùng này giá trị áplực nước lỗ rỗng thặng dư gia tăng đáng kể, bên cạnh đó vùng đất dưới mũi cọc bị nén ép chặt vàgây phản lực lên đầu cọc Quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư do quá trình cố kết lạicủa vùng đất xung quanh cọc sẽ làm gia tăng ứng suất hữu hiệu, làm gia tăng sức chịu tải của cọctheo thời gian

Đề tài luận văn “Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công ép lên khả

năng chịu tải của cọc” được đặt ra nhằm mô phỏng quá trình thi công ép và ảnh hưởng của nó

đến sức chịu tải của cọc theo thời gian Kết quả phân tích từ mô phỏng kết hợp với kết quả phântích từ thí nghiệm nén tĩnh cọc có thể cho phép rút ra các nhận xét về sức chịu tải cực hạn của cọctheo lý thuyết, là cơ sở để dự đoán được sức chịu tải cọc ở giai đoạn thiết kế ban đầu

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Phân tích, đánh giá một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng quá trình hạ cọc lên sức chịu tảicủa cọc;

- Mô phỏng phân tích ứng xử của đất nền xung quanh và dưới mũi cọc sau khi hạ cọc bằngphương pháp ép;

- Mô phỏng đánh giá khả năng chịu tải của cọc sau khi ép;

- Phân tích, so sánh với kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc hiện trường

3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu của đề tài

- Đối tượng của đề tài: Đề tài tập trung mô phỏng cọc thi công bằng phương pháp đóng

hoặc ép trong nền sét bão hòa nước; mô phỏng và phân tích thí nghiêm nén tĩnh cọc

- Phạm vỉ nghiên cứu của đề tài:

+ Đề tài chỉ mô phỏng cho một cọc đơn, thực tế với một số lượng cọc lớn ngoài côngtrường khi được hạ vào trong đất, vùng đất xáo trộn sẽ có sự khác biệt và quá trình tái cố kếtcủa vùng đất giữa các cọc cũng khác nhau rõ rệt, ảnh hường đến mức độ tin cậy của kết quả.+ Trong thực tế thì không phải chỉ riêng trong tầng địa chất đất sét bão hòa nước mà cọc

ép hoặc đóng còn được sử dụng trong các tầng địa chất đất cát Đề tài chỉ mô phỏng tại một côngtrình cụ thể, và lựa chọn tầng địa chất có các tầng đất sét để thấy được quá trình tái cố kết lại củavùng đất xung quanh cọc làm cho khả năng chịu tải của cọc tăng theo thời gian

+ Đề tài mô phỏng đánh giá ảnh hưởng quá trình thi công ép lên khả năng chịu tải của cọcdựa trên quá trình tái cố kết xung quanh cọc là sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng thặng dư phát sinh trongquá trình hạ cọc và sự dịch chuyển của vùng đất xung quanh cọc, không xét được các yếu tố khácnhư: mật độ cọc, kích thước cọc, độ ẩm trung bình, độ bền của đất, cường độ sức chống cắtkhông thoát nước, ứng suất và biến dạng trong đất nền, sự thay đổi tính chất cơ lý của đất

4 Phuong pháp nghiên cứu

- Tổng hợp phân tích cơ sở lý thuyết về sự xáo trộn của nền đất xung quanh cọc trong quátrình thi công hạ cọc;

- Phân tích, hệt kê, chọn lọc các dữ liệu cần thiết để cung cấp cho quá trình mô phỏng;

- Phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Plaxis 2D mô phỏng đánh giá;

- Kết quả thí nghiệm nén thử tĩnh cọc để so sánh, đối chiếu với kết quả mô phỏng

5 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài mô phỏng quá trình thi công ép cọc và quá trình thử tĩnh cọc nhằm cung cấp cácnhận định cho người thiết kế để có thể tính toán sức chịu tải của cọc một cách thực tếhom như phạm vi ảnh hưởng, khả năng gia tăng sức chịu tải cọc theo thời gian trong nềnsét bão hòa nước ;

Việc sức chịu tải của cọc gia tăng theo thời gian sau khi quá trình hạ cọc kết thúc sẽ giúpngười thiết kế có kế hoạch thử tĩnh cọc hợp lí nhằm có được số liệu hiện trường phù hợp

nhất, mang lại sự tiết kiệm tối ưu đối với các công trình có mặt bằng lớn và sử dụng cọcchiếm chỗ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH HẠ CỌC LÊN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

Sức chịu tải cọc thường được dự đoán bằng các công thức khi cọc ở trạng thái tĩnh và saucùng được kiểm tra bằng thí nghiêm thử tải cọc Thông thường các thí nghiêm thử tải được tiếnhành sau khi hạ cọc sau một khoảng thời gian ổn định theo qui định của tiêu chuẩn Sức chịu tải

từ thí nghiêm thử tải được giả thiết là sức chịu tải lâu dài Tuy nhiên trong quá trình hạ cọc, đấtxung quanh thành cọc và bên dưới mũi cọc bị xáo trộn, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư được hìnhthành Phụ thuộc vào hệ số thấm của tầng đất, thời gian tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dưkhông giống nhau Sức chịu tải của cọc có thể được đánh giá thấp nếu thí nghiêm thử tải đượctiến hành trong khi vẫn còn duy trì một lượng đáng kể áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Sức chịu tảicọc cùng với cường độ đất xung quanh sẽ tăng lên nhờ quá trình cố kết lại Hiện tượng này phổbiến cho đất cho hệ số thấm bé, đất bùn, đất sét Đối với đất sỏi sạn, hệ số thấm cao, quá trình tiêután áp lực nước lỗ rỗng thặng dư diễn ra vài giờ đến vài ngày, một số tài liệu chỉ sức chịu tải củacọc cũng có xu hướng tăng [1]

1.1 Ảnh hưởng của quá trình hạ cọc trong đất sét

Công thức xác định sức chịu tải ở trạng thái tĩnh được phát triển dựa trên kinh nghiệm vàkhông dễ dàng áp dụng một cách rộng rãi do chúng ta không hiểu được quá trình căn bản của nó.cần có nhiều kiến thức tìm hiểu về sự thay đổi đất trong và sau khi thi công cọc, các thông tin nàyrất giới hạn, ít nhất dựa trên sự quan sát và đo đạc ngoài hiện trường

- Việc đóng cọc vào đất nền sẽ làm cho đất bị xáo trộn thể hiện đặc trưng qua nhữngthông số về: sức chống cắt, độ ẩm, độ sệt, tính nén lún Để đánh giá sự xáo trộn của đất khi đóngcọc, Fellenius và Samson (1976) có đề cập về một nghiên cứu thí điểm được thực hiện vào năm

1974 trên 13 cọc 300 (12 inch) Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá sự xáo trộn của đất sét biểnnhạy cảm bằng cách:

+ Đo những thay đổi của sức chống cắt, tính nén lún và áp lực nước lỗ rỗng trong đất;+ Đo mức độ phục hồi điều kiện ban đầu theo thời gian sau khi đóng cọc;

+ Theo dõi các chuyển động theo chiều dọc và bên hông trong các cọc trong cùng nhómcọc do việc đóng các cọc xung quanh;

+ Xác định khu vực chịu ảnh hưởng bằng cách đo độ chuyển vị chiều dọc và ngang;

những thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng.

Theo kết quả của bài báo, những nhận xét chính được rút ra như sau :

+ Chuyển vị của nhóm cọc đóng trong đất sét có độ nhạy với khoảng cách cọc tối thiểubằng 5 lần đường kính sẽ có ít ảnh hưởng lên đất nền giữa các cọc, ngoại trừ vùng đất vành xuyếnxung quanh cọc đã bị xáo trộn;

+ Đóng cọc làm giảm 15% cường độ chống cắt, và 30% độ chối cọc Độ bền và độ chốimất đi sẽ được phục hồi 1 phần sau khoảng thời gian là 3 tháng;

+ Phương pháp quan trắc chỉ ra rằng cọc trong nhóm cọc đóng bị dịch chuyển với độ lớn

175 mm (7 inch) sau khi cọc được đóng thêm vào;

+ Khi đóng cọc thì đất bị trồi lên theo phương đứng với giá trị là 450 mm (18 inch) hoặcbằng 15% lượng đất bị chiếm chỗ Đất bị trồi lên giảm nhanh theo khoảng cách giữa các cọctrong nhóm;

+ Chuyển vị của đất theo chiều dọc và ngang trong phạm vi bên ngoài nhóm cọc theohình nón, với đỉnh nằm ở mũi cọc và nghiêng theo một góc 23 độ theo chiều của nhóm cọc.Trong nhóm cọc thì hình nón giao với cọc với khoảng cách là 40 lần đường kính cọc, nón chiếmhơn 80% khối lượng đất bị chiếm chỗ;

+ Áp lực nước lỗ rỗng tối đa được đo tại vị trí 6 m (20 ft) hoặc 20 lần đường kính cọc thì

áp lực vượt quá 35% - 40% áp lực tổng;

+ Sự phân bố của áp lực nước lỗ rỗng cơ bản tương tự như áp lực gia tăng do đóng Sựảnh hưởng của đóng cọc lên áp lực nước lỗ rỗng tại 15 m (50 ft) hoặc 50 lần đường kính cọc làrất nhỏ cũng giống như sự gia tăng của áp lực nước lỗ rỗng;

+ Hầu hết áp lực nước lỗ rỗng tối đa đều tiêu tán hết sau 8 tháng đóng cọc

Mô hình phần tử hữu hạn 3D để mô phỏng quá trình đóng cọc và ảnh hưởng của nó lênnên đất xung quanh đã được s.Henke và Grabe mô phỏng vào năm 2005

4- Trong đất sét mềm đến dẻo mềm, đất bị dịch chuyển đáng kể.

Hokugo (1964) đã thử nghiệm cọc bê tông với đường kính 510 mm được hạ vào trong 30

m đất sét mềm đến dẻo mềm Dịch chuyển ngang khi đỏ lần lượt là 91 mm và 51 mm tại cáckhoảng cách 3,8 m và 10 m, chuyền vị ngang đạt 110 mm ở khoảng cách từ 3 - 8 m tính từ vùng

hạ cọc

Bradshaw et al (2005) đã thử nghiệm 350 cọc ly tâm ứng suất trước có đường kính 410

mm được hạ vào tầng địa chất gồm: 6 m đất đắp, 4 m cát và bụi hữu cơ, 33 m lớp sét biển mềm, 7

m cát và bụi rất chặt và kết thức là tầng đả Cọc được thiết kế là cọc chống được hạ vào tầng cấtbụi rất chặt Dịch chuyển ngang đạt cực đại là 254 mm

Việc hạ cọc trong đất sét mềm đến dẻo mềm có thể gây ra sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng

và dẫn đến dịch chuyển ngang của bề mặt đất nền Vùng ảnh hưởng dịch chuyển ngang nên đượcxem xét tại những khoảng cách bằng với bề dày lớp sét mà cọc xuyên qua [2]

- Ảnh hưởng của quá trình thi công cọc trong đất sét cũng được Kaare Flaate (1971) tổnghợp được được dựa vào các kết quả nghiên cứu của các tác giả trước đó như: chuyển vị và sự xáotrộn đất nền, các thành phần ứng suất trong đất nền, sự thay đổi các thành phần của đất sét, độ

ẩm, sức chống cắt không thoát nước, các thành phần biến dạng, ma sát thành và sức chống cắt Các kết quả nghiên cứu được tổng hợp dưới đây:

+ Phụ thuộc vào mật độ cọc, thể tích các cọc thường chiếm từ 5 - 10% đất sét Chuyểndịch ngang đáy hố đào có xu hướng thành chuyển vị ngang về các phía từ 0,5 - 1 m [3]:

• Cummings et al (1950) đã quan sát được chuyển dịch ngang 0,6 m đối với mật độ cọc là1,4 m;

• Zeevart (1950) đo được dịch chuyển ngang là 0,3 m trong một móng cọc gỗ có mật độ là1,5 m;

• Avery và Wilson (1950) đã quan sát dịch chuyển ngang bên dưới bằng 60% thể tích cọc;

• Orrje và Broms (1967) báo cáo dịch chuyển ngang từ 0,06 - 0,12 m bằng 30% thể tích cọcđối với mật độ cọc là 3 m;

• Cumminh et al (1950) đưa ra một bức ảnh cách 3,7 m dưới mặt đất trong đất sét Đườngkính cọc gỗ là 0,3 m Các lóp đất nằm ngang bị dịch chuyển xuống dọc bề mặt cọc vớimức độ xáo trộn lớn Các lớp đất nằm ngang dường như không bị ảnh hưởng ở khoảngcách từ 0,5 đến 0,75 đường kính từ bề mặt cọc;

• Skerede cũng quan sát tương tự trong nhóm tám cọc gỗ Lớp đất bị võng xuống dọc bềmặt cọc, nhưng chúng không bị ảnh hưởng ở khoảng cách 16 cm từ bề mặt cọc, bằng 0,5lần đường kính cọc [3]

+ Seed và Reese (1955), Soderberg (1962), Nishida (1964) và Lo cùng Stermac (1965) đãthử nghiệm để tính toán ứng suất quanh bề mặt cọc sau khi hạ cọc Tuy nhiên họ vẫn chưa có mộtgiả thuyết khoa học nào để giải quyết được vấn đề này Khi hạ cọc vào đất sét nhạy, một vùngnhỏ hoàn toàn bị xáo trộn và nếu là đất sét chảy thì có thể dịch chuyển đến bề mặt cọc, chỉ có một

ít biến dạng ngang xảy ra ở độ sâu nào đó Đất sét chảy khi đó sẽ huy động một ứng suất tổngchống lại bề mặt cọc cân bằng với áp lực thủy tĩnh Nếu đất sét không trôi lên ngoài bề mặt, domột lớp đất cứng bên trên, ứng suất đất nền sẽ tuơng đối khác biệt

+ Seed và Reese (1955) và Koisumi cùng Ito (1967) thủ nghiệm đo áp lục nuớc lỗ rỗng

và ứng suất tổng sau khi hạ cọc Hai cọc thép dài 5,5 m và có đuờng kích 30 cm trong nhóm 9 cọcđuợc đua vào bùn sét qua cố kết nhẹ ứng suất tổng ngắn hạn bằng áp lục thủy tĩnh sau khi hạ cọc,ứng suất hữu hiệu tại bề mặt cọc vì thế bằng không Koizumi và Ito cho rằng ứng suất tổng ngaykhi hạ cọc bằng 3 đến 4 lần áp lục gánh đỡ Áp lục nuớc lỗ rỗng trở về áp lục thủy tĩnh sau 3 tuần

và úng suất hữu hiệu theo phuơng ngang tại bề mặt cọc bằng hai lần úng suất thẳng đúng ban đầu.Kallstenius (1963) đã nghiên cứu ứng suất quanh hộp hình lăng trụ đuợc đua vào đất sét Ông kết

luận rằng áp lục nuớc lỗ rỗng lớn nhất bằng với úng suất tổng và từ 8 đến 10 lần cuờng độ chốngcắt không thoát nuớc.

+ Một nghiên cứu về những sụ thay đổi các thành phần đất sét sau khi hạ đuợc thục hiệnbởi Skreke (1967), Haate (1968), Musum và Haate (1968) Một nhóm 8 cọc gỗ bao gồm hai cọcthí nghiệm đuợc hạ cọc Địa chất là đất sét phong hóa; giới hạn chảy 35%, giới hạn dẻo 20%, độ

ẩm 30%, cuờng độ chống cắt không thoát nuớc từ 3 đến 5 T/m2 và độ nhạy từ 4 đến 8 Các cọctồn tại một khoảng thời gian trong đất nền là khoảng 5,5 năm và các thí nghiệm thủ tải liên tiếpnhau gây ra thêm độ lún là 16 cm Nghiên cứu tầng địa chất theo Reese và Seed cho thấy độ ẩm

gần cọc có khuynh huớng suy giảm Cummings et al đã quan sát độ ẩm suy giảm gần cọc sau 1

tháng và sụ suy giảm thềm vào sau 11 tháng Tác giả đã không thể phát hiện bất kì sụ thay đổiđáng kể nào về độ ẩm giữa các cọc trong trường hợp này Độ ẩm giảm mạnh gần cạnh các cọc,vùng bị suy giảm kéo dài đến 15 cm từ bề mặt cọc và tổng độ ẩm trong tầng đất thì ngang bằnglúc trước khi hạ cọc

mật các cọc II và 6

Hình 1.2 Sự thay đối độ ẩm (Nitsund)

+ Sự suy giảm cường độ chống cắt xem như là kết quả chuyền vị tức thời trong quá trình

hạ cọc Orrje và Broms (1967) đã nghiên cứu ảnh hưởng xung quanh một nhốm 4 cọc bê tôngkích thước 3 m X 3 m, mật độ 4,3 m Sức chống cắt được đo ở 9 tháng sau khỉ hạ cọc Sức chổngcắt cách tử 1,5 đến 2 lần đường kính từ bề mặt cọc bị giảm mạnh sau 9 thảng Dường như cỏ sựsuy giảm lâu dài về cường độ xa đến mức từ 1,5 đến 3 m từ bề mặt cọc

Sự gia tăng về sức chống cắt của đất sét sau khi hạ cọc được đo bồi Seed và Reese(1955) Một cọc thép 15,2 mm được hạ vào trong đất bùn sét hữu cơ, gây ra sự gỉa tăng đáng kể

về cường độ nén đơn gần cọc sau 30 ngày Cummings et al (1950) đã quan sát một sự gia tăngđảng kể về cường độ nén đơn gần cọc trong vùng của các cọc gỗ sau 11 tháng trong đất nền.Quan sát cũng thấy được trong bùn sét cho sủc chổng cắt khoảng 5,8 T/m2

Nghiên cửu của tác giả về nhóm cọc thí nghiêm Nistund liên quan đến sức chống cắtđược xảc định 5,5 năm sau khỉ hạ cọc Kết quả được tổng hợp trong Hình 1.3 Phạm vi sức chốngcắt ban đầu là từ 3 đến 5 T/m2.

Hình 1.3 Sự thay đổi sức chống cắt (Nitsund)

Sức chống cắt gần cọc cho thấy sự gia tăng đảng kể so với cường độ ban đầu Sự gia tănghơn 100% tại vùng ảnh hưởng được giới hạn khoảng 15 cm từ bề mặt cọc Súc chổng cắt cũng có

sự gia tăng trong vùng đất bị xáo ửộn [3]

+ Một thử nghiệm để nghiên cứu những sự thay đổi về các thành phần biến dạng đượcthực hiện tại công trường Nỉstund bằng các phương pháp thí nghiệm nén đơn Gần như là sự thay

mạt các cọc lí và 6 mặt cức cọc ỉl và 6

đổi về độ ẩm và sức chống cắt cạnh cọc dẫn đến sự thay đổi về các thành phần ứng suất - biếndạng Một vài kết quả điển hình trong thí nghiệm đơn giản này được đưa ra trong Hình 1.4.

Hình 1»4 Các thí nghiệm nén đơn (Nitsund)

Các thành phần ứng suất - biến dạng đã thay đổi gần cũng như giữa các cọc Đất sốt đượcchuyển từ một vật liệu ổn định thành một vật liệu đàn - dẻo hơn cần lưu ý rằng các mẫu thínghiệm được ỉấy sau 5,5 năm hạ cọc trong một nhóm nhỏ tám cọc Sự thay đồi được cho là phụthuộc nhiều vào các trường hợp cụ thể [3]

+ Hai cọc thử ở Nitsund được kiểm ứa tới khi phá hoại nhiều lần để nghiên cứu sự pháttriển sức chịu tải theo thời gian Hệ số bám dính, định nghĩa là tỉ số giữa sức kháng thân và cường

độ chống cắt ban đầu trong đất nền sẽ được tính toán từ sức kháng thân ở trên

Chú thích;

Các thí nghiệm trước khi

hạ cọc Các thí nghiệm 5,5 năm sau khi hạ cạc

Các con số cho biết khoảng cách từ cọc Ịt

Độ sâu: 7m

Bảng 1.1 Dữ liêu từ thí nghiệm thử tải ở Nitsund

Dữ liệu cọc thí nghiêm

Số thí nghiệm thử tải

Thời gian sau khi hạ cọc (ngày)

Tẳi phá hoai Qu (T)

Ma sát thành fs=Qu/

As (t/m2)

■ 1 A

Hệ sô bám dính Ị3=fs/Su

Hình 1.5 Các kết quả thí nghiệm thử tải (Nitsund)

Sự tăng gia sức chịu tải theo thời gian mô tả trong Hình 1.5 Hình 1.5 cho thấy sức chịutải Qu (T) cho 2 cọc Hệ số bấm dính từ 0,5 tại thời điềm thi công và đã tăng lên 0,6 sau 5,5 năm.Sức kháng cắt hữu hiệu hay là sức kháng thân, theo chu vi cọc, sau nhiều năm là 3 T/m2 Nó chỉchiếm 60% cường độ chổng cắt không thoát nước ban đầu Hơn nữa, cường độ chống cắt khôngthoát nước được đo gần cọc là 6 đến 8 T/m2 Rõ ràng là cường độ chống cắt không thoát nướckhông giống như sức kháng cắt trong đất nền

Thi công hạ cọc trong đất sét dường như làm đất bị xáo trộn mạnh trong một vùng lên đến

10 - 15 cm từ bề mặt cọc Chắc chắn có sự suy giảm về cường độ và cùng với sự thay đổi vềthành phần ứng suất biến dạng diễn ra ngoài vùng này Phạm vi này phụ thuộc vào thành phần đấtsét, phương pháp thi công cọc, kích thước cọc và mật độ cọc Ảnh hưởng vùng xáo trộn rõ rànglớn hơn đối với một nhóm cọc và một cọc đơn lẻ Giá trị dịch chuyển ngang trong đáy hố đàođược báo cáo là cao hơn 60% tổng thể tích cọc

Việc hạ cọc làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và ứng suất tổng xung quanh cọc

Độ dốc thủy lực lớn gây ra dòng chảy ra xa cọc và làm cho đất sét tái cố kết nhanh chóng tại bềmặt cọc Cường độ chống cắt hữu hiệu và sự thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào ứng suất nềncùng với thành phần ứng suất biến dạng của vùng đất sét bị xáo trộn Quá trình tái cố kết củavùng sét bị xáo trộn dẫn đến làm tăng giá trị cường độ chống cắt không thoát nước tại bề mặt cọc.Cường độ chống cắt hữu hiệu hay sức kháng thân cọc chỉ bằng 1/2 đến 1/3 cường độ chống cắtkhông thoát nước quan sát được [3]

1.2 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng của đất xung quanh cọc

Sự làm việc của cọc trong đất loại sét bão hòa nước, sự thay đổi áp lực nước trong lỗ rỗng

và cốt đất có ý nghĩa quan trọng, sự phục hồi cấu trúc bị phá vỡ và tăng bền của đất dưới tác dụngcủa ứng suất hình thành do quá trình thi công hạ cọc cũng thể hiện các ảnh hưởng Các hiệntượng này ảnh hưởng đáng kể lên khả năng chịu tải của cọc và thay đổi lực ma sát dọc thân cọctheo thời gian

Khi hạ cọc trong đất sét bão hòa nước, xảy ra sự dịch chuyển đất nền về các phương dướitác dụng của ngoại lực lớn và tức thời Đất nền bị nén chặt trong khoảng thời gian ngắn Độ rỗngcủa đất giảm, tuy nhiên nước lỗ rỗng không kịp thấm ra để gây nén thể tích đất và các bọt khí, từ

đó làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng, đặc biệt ở khu vực đất giữa các cọc Sau khi hạ cọc xảy rahiện tượng chùng ứng suất tổng đến giá trị xác định, áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán đến áp lực thủytĩnh và ứng suất trong cốt đất gia tăng đến giá trị không đổi

Khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư bằng không, tức là đất ở trạng thái tĩnh, lực ma sát dọc

theo thân cọc đạt giá trị lớn nhất Trong quá trình xảy ra lưu biến, đồng thời xảy ra hiện tượnggiảm bền do phá hoại cấu trúc và tăng bền do nén chặt, gia tăng ứng suất hữu hiệu

Hiện tượng tăng bền và cố kết có quan hệ chặt chẽ với nhau Cọc trong đất sét bão hòanước đạt khả năng chịu tải lớn nhất sau khi các hiện tượng cố kết và lưu biến chấm dứt

Trong nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong nền sét xung quanh cọc và phạm vi ảnhhưởng, cần thiết phải xét hai giai đoạn:

- Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu, tăng bền trong đất xung quanh cọc

do ứng suất phát sinh trong quá trình hạ cọc, sự gia tăng khả năng chịu tải theo thời gian

- Cố kết đất trong phạm vi ảnh hưởng do tải trọng tác dụng lên cọc trong giai đoạn xâydựng và sử dụng công trình sau khi xây dựng

Việc nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong đất sét xung quanh cọc đơn và cọc dướimóng băng đã được thực hiện bằng thí nghiệm của tác giả Bartolomei Ngoài ra, còn có nghiêncứu sự gia tăng khả năng chịu tải của cọc theo thời gian cũng của tác giả này

Đầu tiên, các nghiên cứu trên mô hình móng cọc ở điều kiện trong phòng với đất phá hoạiđược thực hiện Sau đó, thí nghiệm ở hiện trường với đất ở trạng thái tự nhiên Hình 1.6 thể hiệncác kết quả nghiên cứu sự thay đổi tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu dọctheo thân cọc trong đất xung quanh cọc đơn và cọc dưới móng Từ hình 1.6a thấy rằng tổng ứngsuất và áp lực nước lỗ rỗng ở phần trên không đáng kể và tăng dần theo độ sâu Nghiên cứu chothấy tổng ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng xung quanh móng cọc cao hơn đáng kể, đặc biệt ở khuvực giữa các cọc so với ở cọc đơn Càng xa cọc, ứng suất giảm dần Ở khoảng cách 6d từ cọcđơn, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư không xuất hiện, còn ở nhóm 9 cọc thì giá ưị này đạt 30-35%

áp lực trên bề mặt dọc theo thân cọc

Trên hình 1.6b thể hiện kết quả thay đổi tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suấthữu hiệu theo thời gian ở nhóm 9 cọc Có thể thấy rằng tổng ứng suất bị chùng theo thời gian vàđạt giá trị không đổi Áp lực nước lỗ rỗng tăng một ít ở giai đoạn đầu và sau đó tiêu tán hầu nhưđến áp lực thủy tĩnh

Hình 1.6 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng, tổng ứng suất, ứng suất hữu hiệu ờ móng gồm 9

cọc sau 2 giờ sau khi đóng (a) và ở nhóm 9 cọc trong phạm vi giữa các cọc (b) theo

thời gian

1,2,3- áp lực lỗ rỗng ở biên “cọc - đát” ở cọc đơn, gần nhóm 9 cọc, giữa các cọc

r,2’, 3’ - tương tự cho tổng ứng suất

4, 5,6- tổng ứng suất, áp lực lỗ rỗng, ứng suất hữu hiệu

Theo mức độ tiêu tán áp lực lỗ rỗng, xảy ra sự gia tăng ứng suất hữu hiệu đến giá trị ổnđịnh Cùng với sự gia tăng ứng suất hữu hiệu, ma sát dọc theo thân cọc tăng theo thời gian Phântích kết quả một lượng lớn thí nghiệm nghiên cứu đề làm rõ qui luật phân bố ma sát dọc theo thâncọc cho thấy sự phân bố ma sát dọc theo thân cọc phụ thuộc độ cứng của cọc, của đất sét, điềukiện đất nền, giá trị độ lún và các yếu tố khác

Để thực hiện nghiên cứu sự thay đổi áp lực lỗ rỗng phát sinh trong quá trình hạ cọc vàtheo thời gian, trong phạm vi mặt bằng thí nghiệm A, B, đóng cọc dài 5 - 9 m, tiết diện 30 X 30

và 35 X 35 cm; các cọc trong nhóm từ 4, 6, 9 cọc với khoảng cách cọc bằng 3 lần đường kính(3d) Khi nghiên cứu áp lực lỗ rỗng ở cọc đơn đo và nhóm 4 cọc đo nhận được: sau khi đóng cọcxuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và áp lực này thay đổi phụ thuộc độ sâu hạ cọc, số cọctrong nhóm Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở cọc đơn từ 9 MPa ờ độ sâu hạ cọc 1,2 m và tăng đến

190 MPa ở độ sâu hạ cọc 4 m

Áp lực nước lỗ rỗng đo trước khi đóng ở khu vực dự tính đóng 4 cọc là 0,045 MPa ở độsâu 1,2 m và 0,08 MPa ờ độ sâu 4 m Một ngày sau khi đỏng cọc, áp lực nước lỗ rỗng ở độ sâu1,2 m là 0,16 MPa, còn ở độ sâu 4 m đạt 0,34 MPa.

Ấp lực lỗ rỗng ờ tâm nhốm 4 cọc (Hình 1.7) gia tăng sau khi đóng gần 4 lần và hầu nhưtiêu tán hoàn toàn sau 45 ngày

đóng (2) và sau 60 ngày (3)Theo thời gian, xảy ra chùng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán và ứng suấthữu hiệu gia tăng (Hình 1.8) đến giá trị ổn định, lực ma sát hông dọc theo thân cọc đạt giá trị lớnnhất

Hình 1.8 Sự thay đổi tổng ứng suất (1), áp lực lỗ rỗng (2) và ứng suất hữu hiệu (3) ở

biên móng từ nhóm 4 cọc

0 khu vực D thực hiện nghiên cứu sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng dọc theo thân cọc và ởcác khoảng cách khác nhau từ cọc trong quá trình hạ cọc dưới một dãy móng cọc (Hình 1.9a).Việc đo đạc ở các độ sâu hạ cọc 4, 8, 12 m

Hình 1.9 Sự phân bố ứng suất dọc theo thân cọc trong quá trình hạ cọc ở một dãy

móng cọc (a) và sau khi hạ cọc (b) (h - độ sâu hạ cọc)

1 và r - đường cong tổng áp lực lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu tức thời sau khi

hạ cọc và sau 60 ngày.

2 và 2’- đường cong tổng áp lực lỗ rỗng sau khi hạ cọc và sau 60 ngày.

3 và 3’ - đường cong ứng suất hữu hiệu sau khi hạ cọc và sau 60 ngày.

Nghiên cứu cho thấy áp lực lỗ rỗng trong đất đạt giá trị lớn nhất ở thời điểm mũi cọc xuất

hiện ở vị trí đặt đầu đo áp lực lỗ rỗng, sau khi đi qua độ sâu này thì áp lực giảm một ít Điều này

được giải thích: ở mặt phang mũi cọc nêm nén chặt đất bị xáo trộn, nêm nén chặt gây sự nén chặtlán nhất đất xung quanh thân cọc trên mũỉ cọc không gây áp lực bổ sung, còn sự dao động củacọc trong quả trình đóng đưa đến hình thành khoảng hở nhỏ giữa thân cọc và đất, do đô làm giảmứng suất Trong đóng cọc, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư xuất hiện ở khoảng cách đến 3 m từmống cọc và dưới cọc ở độ sâu 2 - 3 m Trên Hình 1.9b thể hiện kết quả đo áp lực lỗ rỗng, tổngứng suất và ứng suất hữu hiệu dọc theo thân cọc sau khỉ hạ cọc

Hơn nữa, sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng quá mức, mức tăng độ bền của đất sau khỉ đóngcọc cũng xảy ra là do hốa lỏng tạm thời trong đất Soderberg (1962) cũng chỉ ra rằng việc tăngkhả nằng chịu tải cực hạn của đất (và do đỏ tăng độ bền cắt của đất) cũng tương tự vái tốc độ tiêutản áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và chúng phụ thuộc vào thời gian (hình 1.10)

Hình 1.10 Sự tăng khả năng chịu tải theo thời gian (theo Soderberg, 1962)

Áp lực nước lỗ rỗng phát triển trong quá trình đóng cọc: các số đo áp lực nước lỗ rỗngthặng dư phát triển trong đất do đóng cọc cho thấy rằng áp lực này ở sát thân cọc có thể bằng vàthậm chí còn lớn hơn áp lực hiệu quả (Lambe và Hom 1965, Orrje và Broms 1967, Poulos vàDevis 1979, D’Appolonia và Lambe 1971).

Trong vùng lân cận của cọc, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phát sinh rất cao, trong một sốtrường hợp có thể xấp xỉ 1,5 đến 2 lần ứng suất thẳng đứng hiệu quả tại đó và thậm chí có thể gấp

3 đến 4 lần ứng suất hiệu quả thẳng đứng ở gần mũi cọc Tuy nhiên nó sẽ giảm nhanh theokhoảng cách kể từ cọc và nói chung sự tiêu tán cũng rất nhanh Trên hình 1.11, áp lực nước lỗrỗng Au được biểu diễn qua Au/ơ’vo với ơ’vo là ứng suất thẳng đứng hiệu quả trước khi đóngcọc đơn, còn khoảng cách hướng tâm s tính từ cọc được biểu diễn qua s/ro trong đó ro là bán kínhcủa cọc Ta thấy các điểm trên hình này không tập trung là do có nhiều loại đất khác nhau và cácloại đất có độ nhạy lớn nên áp lực nước lỗ rỗng biến đổi lớn

2

Au/n vo

"“lo iơ _& l IV* - Đường trung bình đòi với các loại đất

\ sét có độ nhạy trung bình thâp

— VỊ

o _ " yo

I L"r •

s/ro

Hình 1.11 Tóm tắt một số kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng (Poulos và Davis 1979)

Những điểm ở xa có khoảng cách s/ro = 4 đối với đất sét thường và bằng 8 đối với đất sétnhạy thì áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách Trên hình 1.8, áp lực nước lỗ rỗngthặng dư thực tế có thể bỏ qua khi ở ngoài khoảng cách s/ro = 30 [4],

1.3 Co' cấu thay đổi sức chịu tải theo thòi gian

1 I

À

1 p

Đường trung bình đòi vời đảt sét biên nhạy

0.5

0

bề mặt cọc Bên cạnh đó cũng có một vùng chuyền tiếp mà tại đó có sự thay đổi nhỏ về các thànhphần đất bên ngoài vùng đất bị xáo trộn (Hình 1.12) Phạm vi vùng chuyển tiếp phụ thuộc vàothành phần đất, phương pháp hạ cọc, kích thước cọc và mật độ cọc Bên ngoài vùng chuyển tiếp,thành phần đất không thay đổi Áp lực nước lỗ được được hình thành trong vùng đất bị xáo trộn,nước di chuyển ra ngoài mặt cọc và vùng đất bị xáo trộn được cố kết lại, làm tăng sức kháng cắtkhông thoát nước và sức chịu tải cọc Trong một vài trường hợp, vùng đất bị xáo ưộn có cường

độ cao hơn đất xung quanh tin chung sẽ di chuyển cùng với bề mặt cọc sau khi cố kết lại Kết quả

là, việc tăng sức kháng hữu hiệu theo chu vỉ làm tăng sức chịu tải cọc

Hình 1.12, Vùng đất bị xáo trộn và vùng chuyển tiếp do quá trình hạ cọc gây ra

Các tác giả c.s Chen, s.s Liew & Y.c Tan đã tiến hành quan sự thay đổi sức chịu tảitrong theo thời gian trong đất sét với địa chát là một lớp sét biển rất dày.

Độ sảu(m) Mô tả đât

sau khỉ hạ cọc, ghi nhận sức chịu tải là 411 Tấn bao gồm 253 Tấn ma sát thành và 157 Tấn sứckháng mũi Thí nghiệm thử động lần 2 là 33 ngày sau khi hạ cọc, ghi nhận 475 Tấn bao gồm 430Tấn ma sát thành và 45 Tấn sức kháng mũi Mối quan hệ giữa sức chịu tải cọc và chênh lệch thờigian sau khỉ hạ cọc được mô tả trong Hình 1.14

3 500 £ -150

400 t 350 y 300 sg _ s 250200

Thời gian sau khi hạ cọc (ngày)

Hình 1.14 Sự gia tăng sức chịu tải cọc theo thời

gianSức chịu tải tăng lên chủ yếu từ thành phần ma sát hông, giá tri thành phần ma sát thành trungbình được tính toán Mối quan hệ giữa ma sát thành trung bình và thời gian nghỉ sau khi hạ cọcnhư hình Quan sảt thấy thành phần ma sảt thành tăng đều [1]

Hình 1.15 Sự gia tăng thành phần ma sất hông trung bình

- Các trường hợp được nghiên cứu cho thấy rằng thành phần ma sát thành cọc ừong đấtsét vẫn tiếp tục tăng vượt quá thời gian cố kết lại nhờ sự cân bằng áp lực nước lỗ rỗng (Flaate

1972, Cooke 1979, Bergdal and Hult 1981) Dựa trên nhiều thí nghiệm thử tải trên các cọc gỗ tạithành cọc theo tỉ lệ 1:2 trong đất sét, Bergdahl và Hult (1981) đã nhận thấy sự gia tăng sức chịutải cọc theo thời gian Họ đã đo được sự gia tăng khoảng 22% trong 1 chu kì từ 1 đến 2 tháng saukhi hạ cọc và được dự đoán là còn kéo dài thêm vài tháng nữa [5]

r* 1

AXuât ra tù thínghiêm nén tìnhcọc

c 3 Cot thi nạlúỊni Á

A Cũữ thi nghiệm B

• ạ

1.3.2 Trong đất cát

Việc tăng sức chịu tải cọc đóng hoặc ép trong tầng đất cát được xem là xảy ra sau khi hạcọc do sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng diễn ra trong vài giờ hay chỉ vài ngày Nhiều nhà nghiêncứu cho rằng sức chịu tải cọc trong đất cát được tăng đáng kể trong một thời gian dài hơn.Tavenas và Audy (1972) đã nghiên cứu sức chọc tải cọc tăng lên 70% trong vòng 20 ngày chomóng cọc của tường chắn Samson và Authier (1986), York (1994), Tomlinson (1996) cũng quansát sự ảnh hưởng thời gian tương tự Các trường hợp nghiên cứu gần đất do Chow (1998) thựchiện cho thấy sức chịu tải cọc tăng 85% theo thời gian giữa 6 tháng đến 5 năm sau khi hạ một sốlượng cọc không giới hạn vào lớp đất cát biển chặt

Cơ cấu làm cho sức chịu tải cọc tăng lên trong đất cát không thể giải thích dựa vào sự tiêután áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Có 3 cách lý giải như sau (Chow 1998):

(1) Ảnh hưởng hóa học gây ra sự ma sát các thành phần cát lên bề mặt cọc

(2) Ảnh hường hóa già đất làm tăng độ cứng, góc giãn nở và cường độ (Schmertmann,

1991, Mitchell & Solymar 1984)

(3) Sự thay đổi lâu dài về ứng suất quanh cọc khi xảy ra từ biến dẫn đến phá vỡ hiệu ứngvòm xung quanh thành cọc Kết quả, ứng suất theo bán kính cọc tăng lên

Tác giả đã tiến hành thử nghiệm sự thay đổi sức chịu tải cọc theo thời gian trong tầng địachất bao gồm cát và cát bụi