Bài viết trình bày việc phân tích độ lún của nhóm cọc chịu tải trọng đúng tâm. Trong thiết kế móng cọc, độ lún của móng là một yêu cầu được quan tâm hàng đầu trong tính toán thực hành thiết kế kết cấu nền móng.
Trang 1PHÂN TÍCH ĐỘ LÚN CỦA NHÓM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG ĐÚNG TÂM
LÊ BÁ VINH * PHẠM CÔNG KHANH
Analysis of the settlement of axially loaded pile groups Abstract: In calculating and designing foundation structures, settlement is
an important requirement The settlement of the pile group is always greater than the settlement of the single pile when subject to the corresponding load due to the group effect which reduces the load capacity of the pile group The settlement of the pile group increases as the distance between the piles (S/d) decreases and the number of piles in the increase (n) group increases
The ratio S/d for piles group with n < 36 piles should be S/d 3;S/d 4 for groups with n 36 piles; S/d 5 for goups with n 64 piles and S/d
6 for group with n 100 piles
1 ĐẶT VẤN ĐỀ *
Trong thiết kế móng cọc, độ lún của móng
là một yêu cầu được quan tâm hàng đầu trong
tính toán thực hành thiết kế kết cấu nền móng
Hiện nay, khi xác định độ lún của móng cọc
vẫn phổ biến sử dụng mô hình khối móng quy
ước [2] phụ thuộc vào góc ma sát trong của
đất, phương pháp này không kể đến ảnh
hưởng của số lượng cọc, tỷ số giữa đường
kính và chiều dài cọc, khoảng cách cọc và sự
tương tác của các cọc trong đài
Nguyên nhân gây ra sự khác biệt về độ lún
giữa cọc đơn và nhóm cọc được chứng minh
là do hiệu ứng nhóm [1] Để chịu được tải
trọng lớn, móng cọc thường được cấu tạo bởi
một nhóm cọc, tuy nhiên khi khoảng cách
giữa các cọc không đủ lớn, sẽ hình thành
vùng đất xung quanh cọc gây ra hiện tượng
chồng ứng suất chống cắt do ma sát bên và do
sức chống mũi của các cọc gây ra (Hình 1)
*
Bộ môn Địa cơ - Nền móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng,
Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành
phố Hồ Chí Minh
Email: lebavinh@hcmut.edu.vn
Độ lớn ứng suất trong vùng chồng ứng suất này phụ thuộc nhiều vào các yếu tố: Khoảng cách cọc; Chiều dài cọc; Hình dạng cọc; Số lượng cọc; Độ lớn của tải trọng tác dụng vào nhóm cọc và tính chất của nền đất xung quanh nhóm cọc,… Hiện tượng chồng ứng suất làm suy giảm ma sát giữa cọc - đất và sức chống mũi của cọc dẫn đến giảm khả năng chịu lực và gia tăng chuyển vị của nhóm cọc so với cọc đơn
Dưới tác dụng của tải trọng dọc trục, ứng xử của cọc đơn khác với ứng xử của cọc khi làm việc thành nhóm Cụ thể khi cọc đóng trong đất cát chặt có khoảng cách giữa các cọc nhỏ hơn 3D (D là đường kính hay cạnh cọc) thì khả năng chịu tải của nhóm cọc có thể lớn hơn tổng khả năng chịu tải của các cọc đơn do đất xung quanh
bị xáo trộn làm chặt đất hơn Ngược lại, theo [3] khi khoảng cách các cọc càng gần nhau trong đất dính (nhỏ hơn 6D) thì khả năng chịu tải của nhóm lại có xu hướng nhỏ hơn tổng khả năng chịu tải của các cọc đơn tương ứng do các vùng chống chập của biến dạng cắt trong đất xung quanh cọc
Trang 22
3
Hình 1 Vùng ảnh hưởng của ứng suất xung
quanh nhóm cọc [1]
1 Vùng phân bố ứng suất xung quanh nhóm
cọc; 2 Vùng phân bố ứng suất xung quanh cọc
đơn; 3 Vùng chồng chập ứng suất giữa các cọc
Trong nghiên cứu này, các phân tích mô
phỏng 3D bằng phương pháp phần tử hữu
hạn được thực hiện cho hai trường hợp đất
nền loại sét, đồng nhất đặc trưng tại khu vực
TP Hồ Chí Minh Mục đích, để khảo sát ảnh
hưởng của các thông số: số lượng cọc,
khoảng cách giữa các cọc (S/d), tỷ số giữa
ra kiến nghị về việc lựa chọn khoảng cách
bố trí giữa các cọc phù hợp với từng loại nhóm cọc
2 BÀI TOÁN PHÂN TÍCH
Nhóm cọc được mô hình trong chương trình Plaxis 3D bao gồm các nhóm: 2x2, 4x4, 6x6, 8x8, 10x10 có đường kính cọc d=0,3m với sự thay đổi của tỷ lệ S/d = (2, 3, 4, 5, 6, 8); H/d = (20, 40, 60) Tải trọng dùng để phân tích Ptk = 1/2Pu, với Pu là sức chịu tải giới hạn của cọc đơn được xác định từ phần mềm Plaxis được tổng hợp ở bảng 3 Mô hình điển hình sử dụng để mô phỏng như hình 2 Sử dụng mô hình Harderning soil với biên mô hình 40mx40mx30m, mô phỏng đối xứng ¼
để rút ngắn thời gian phân tích Thông số vật liệu và tải trọng dùng để phân tích được trình bày ở bảng 1, bảng 2, bảng 3
Đất nền được lựa chọn là đất loại sét, đồng nhất đại diện cho đất sét ở khu vực TP Hồ Chí Minh với các thông số hữu hiệu phù hợp với mô hình Harderning soil, mực nước ngầm nằm ngang mặt đất được trình bày dưới bảng sau (bảng 1)
P = nPtk
n - Số lượng cọc trong nhóm
S - Khoảng cách giữa các cọc
Ptk - Sức chịu tải thiết kế lấy bằng 1/2Pu
P - Lực tác dụng lên nhóm cọc
Trang 3Hình 2 Mô hình phần tử hữu hạn phân tích độ lún nhóm cọc
Bảng 1 Thông số đất của mô hình Harderning soil sử dụng cho phân tích
Trường
hợp
unsat
(kN/m3)
sat
(kN/m3)
pref
(kPa) ' 'ur
E'50ref (kPa)
E'ur
(kPa) m
c' (kPa)
' (deg) TH1 19,7 20 100 0,25 0,2 4600 13800 1 15 21 TH2 20,1 20.5 100 0,25 0,2 6300 18900 1 37,3 18,9
Bảng 2 Thông số vật liệu của hệ cọc và đài
Bảng 3 Thông số chiều dài, sức chịu tải cọc đơn, sức chịu tải cực hạn và độ lún của cọc đơn
STT Loại nền H/d L (m) Pu (kN) Ptk (kN) S1
(mm)
3
TH1
3
TH2
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong cùng một nhóm cọc, khi tăng tỷ lệ
khoảng cách giữa các cọc và đường kính cọc
S/d = (3÷6), độ lún trung bình của nhóm cọc
giảm được thể hiện ở hình 4 đến hình 8
Vùng ảnh hưởng theo phương ngang và đứng bao quanh nhóm cọc có xu hướng phát triển nhanh chóng khi khoảng cách giữa các cọc (S/d), số lượng cọc (n) trong nhóm tăng Vùng ứng suất này phát triển nhanh chóng
Trang 4do đó độ lún của nhóm có xu hướng tăng rõ
rệt so với độ lún của cọc đơn được thể hiện
thông qua tỷ số độ lún Rs = SG/S1, với S1 là
độ lún của cọc đơn và SG là độ lún của nhóm
cọc được trình bày ở hình 9 đến hình 11 và
bảng 4
Dựa vào kết quả tính toán mức độ thay đổi
độ dốc của đường cong lún; với ij là độ dốc
ở từng khoảng cách cho từng nhóm cọc ij =
(wi–wj)/(Si– Sj); trong đó wi, wj là độ lún ở
từng khoảng cách ij; Si, Sj là khoảng cách
giữa các cọc
Hình 3 Xác định độ dốc (ij) của đường cong
thể hiện độ lún
nhanh chóng ở các nhóm lớn với tỷ lệ S/d nhỏ Cụ thể, mức độ dao động tại khoảng cách S/d = (2÷3) ở trường hợp đất thứ nhất là [1,4÷37,8%] và ở trường hợp thứ hai là [2,5÷96,4%] cho các nhóm có số lượng cọc là
n = [4÷100] Rõ ràng, tăng khi n tăng và giảm khi S/d tăng
Ở nhóm cọc có n 16 cọc, Ở tỷ lệ khoảng cách giữa các cọc S/d 3, 5% cho trường hợp đất thứ nhất và 8% cho trường hợp đất thứ hai Tại nhóm cọc có n 36 cọc, khi tỷ lệ giữa các cọc S/d 4, 5% cho trường hợp đất thứ nhất và 8% cho trường hợp đất thứ hai Khi n = 64, 10% cho trường hợp đất thứ nhất và 12% cho trường hợp đất thứ hai Tương tự ở nhóm cọc có n = 100,
6% khi tỷ lệ khoảng cách giữa các cọc S/d
6 cho cả hai trường hợp đất
Rõ ràng, tỷ số S/d và số lượng cọc trong nhóm ảnh hưởng lớn đến độ lún của nhóm cọc nên việc lựa chọn tỷ lệ S/d phù hợp với
số lượng cọc trong nhóm, đặc điểm tính chất công trình là một yết tố quan trọng đặc biệt đối với các nhóm cọc có kích thước lớn (bè cọc)
Trang 5Hình 6 Độ lún nhóm cọc có n = 36 Hình 7 Độ lún nhóm cọc có n = 64
Bảng 4 Tổng hợp kết quả tính toán độ lún nhóm cọc
Độ lún S (mm) Tỷ số độ lún Rs = SG/S1
Số lượng cọc n Số lượng cọc n Trường
hợp đất S/d
2 21,04 76 140,3 196,07 252,89 1,6 5,7 10,5 14,7 18,9 TH1_H/d=20
3 16,73 49,73 83,28 113,01 139,48 1,3 3,7 6,2 8,5 10,4
Trang 6Số lượng cọc n Số lượng cọc n
Trường
hợp đất S/d
4 14,28 37,11 58,55 77,48 92,59 1,1 2,8 4,4 5,8 6,9
5 13,38 29,25 44,92 58,04 67,95 1 2,2 3,4 4,3 5,1
6 12,04 24,56 36,41 46,09 52,97 1 1,8 2,7 3,5 4
8 11,34 23,75 26,72 32,11 36,85 1 1,7 1,9 2,2 2,6
2 38,39 144,26 279,13 371,12 554,97 2,7 10,1 19,5 26 38,8
3 30,78 89,66 152,12 212,13 265,84 2,2 6,3 10,6 14,8 18,6
4 27,41 67,91 108,04 145,28 175,95 1,9 4,7 7,6 10,2 12,3
5 25,09 55,26 85,14 109,66 130,38 1,8 3,9 6 7,7 9,1
6 23,75 47,08 70,21 88,06 102,82 1,7 3,3 4,9 6,2 7,2 TH2_H/d=20
8 21,41 41,41 52,47 63,05 71,33 1,5 2,9 3,7 4,4 5
2 17,84 79,88 174,1 273,12 375,58 1,3 6 13 20,5 28,1
3 15,08 51,14 102,63 153,73 198,93 1,1 3,8 7,7 11,5 14,9
4 13,74 39,62 72,65 104,78 113,64 1 3 5,4 7,8 8,5
5 12,72 32,74 57,27 78,68 96,81 1 2,5 4,3 5,9 7,3
6 12 28,56 47,03 62,63 75,42 1 2,1 3,5 4,7 5,6 TH1_H/d=40
8 11,27 23,3 35,1 44,1 51,02 1 1,6 2,5 3,1 3,6
2 18,08 75,64 175,97 301,56 437,81 1,3 5,3 12,3 21,1 30,6
3 16,14 53,12 105,92 164,95 220,3 1,1 3,7 7,4 11,5 15,4
4 14,96 42,34 78,11 115,93 148,72 1 3 5,5 8,1 10,4
5 14 36,02 62,68 88,57 111,21 1 2,5 4,4 6,2 7,8
6 13,36 31,91 52,75 71,83 87,84 1 2,2 3,7 5 6,1 TH2_H/d=40
8 12,57 26,65 40,4 51,96 60,83 1 1,9 2,8 3,6 4,3
2 18,15 75,66 190,48 330,75 473,72 1,4 5,7 14,3 24,8 35,5
3 15,95 51,67 109,98 173,98 234,59 1,2 3,9 8,2 13 17,6
4 14,75 40,62 77,49 117,18 150,96 1,1 3 5,8 8,8 11,3
5 14,02 34,7 61,41 87,74 110,05 1,1 2,6 4,6 6,6 8,2
6 13,42 30,8 51,18 70,19 85,57 1 2,3 3,8 5,3 6,4 TH1_H/d=60
8 12,67 26,03 39,11 50,2 58,29 1 1,9 2,9 3,8 4,4
2 19,16 76,92 204,05 387,86 593,73 1,3 5,4 14,3 27,1 41,5
3 17,45 55,54 117,22 192,2 267,66 1,2 3,9 8,2 13,4 18,7
4 16,08 44,29 84,91 130,88 172,77 1,1 3,1 5,9 9,2 12,1
5 15,65 38,5 68,72 99,56 127,28 1,1 2,7 4,8 7 8,9
6 15 34,67 58,16 80,65 100,01 1 2,4 4,1 5,6 7 TH2_H/d=60
8 14,37 29,6 45,22 58,94 69,23 1 2,1 3,2 4,1 4,8
Bảng 5 Mức độ thay đổi độ dốc của độ lún (ij)
Số lượng cọc n Trường hợp đất S/d Số lượng cọc n Trường hợp
đất S/d
2-3 1,4 8,8 19 27,7 37,8 2-3 2,5 18,2 42,3 53 96,4 3-4 0,8 4,2 8,2 11,8 15,6 3-4 1,1 7,3 14,7 22,3 30 TH1_H/d=20
4-5 0,3 2,6 4,5 6,5 8,2
TH2_H/d=20
4-5 0,8 4,2 7,6 11,9 15,2
Trang 7ij ij
Số lượng cọc n Trường hợp đất S/d Số lượng cọc n Trường hợp
đất S/d
5-6 0,4 1,6 2,8 4 5 5-6 0,4 2,7 5 7,2 9,2 6-8 0,1 0,1 1,6 2,3 2,7 6-8 0,4 0,9 3 4,2 5,2 2-3 0,9 9,6 23,8 39,8 58,9 2-3 0,6 7,5 23,4 45,5 72,5 3-4 0,4 3,8 10 16,3 28,4 3-4 0,4 3,6 9,3 16,3 23,9 4-5 0,3 2,3 5,1 8,7 5,6 4-5 0,3 2,1 5,1 9,1 12,5 5-6 0,2 1,4 3,4 5,4 7,1 5-6 0,2 1,4 3,3 5,6 7,8 TH1_H/d=40
6-8 0,1 0,9 2 3,1 4,1
TH2_H/d=40
6-8 0,1 0,9 2,1 3,3 4,5 2-3 0,7 8 26,8 52,3 79,7 2-3 0,6 7,1 28,9 65,2 108,7 3-4 0,4 3,7 10,8 18,9 27,9 3-4 0,5 3,8 10,8 20,4 31,6 4-5 0,2 2 5,4 9,8 13,6 4-5 0,1 1,9 5,4 10,4 15,2 5-6 0,2 1,3 3,4 5,9 8,2 5-6 0,2 1,3 3,5 6,3 9,1 TH1_H/d=60
6-8 0,1 0,8 2 3,3 4,5
TH2_H/d=60
6-8 0,1 0,8 2,2 3,6 5,1
4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Khoảng cách giữa các cọc và số lượng cọc
trong nhóm ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ lún của
nhóm cọc Độ lún của nhóm giảm nhanh khi
tăng khoảng cách giữa các cọc và độ lún của
nhóm tăng khi tăng số lượng cọc trong nhóm
Độ lún của nhóm cọc ở khoảng cách S/d =
(3÷6) cho trường hợp đất dính luôn lớn hơn độ
lún của cọc đơn chịu tải tương ứng (tỷ số độ lún
Rs 1) do vùng ảnh hưởng của ứng suất dưới
mũi của nhóm cọc lớn hơn và phát triển sâu hơn
và sự chồng chập ứng suất giữa các cọc đơn bên
cạnh nhau gây ra sự suy giảm sức kháng bên
Cụ thể tại nhóm có n = 36 cọc, tỷ lệ H/d=40
(hình 6), tỷ số độ lún Rs = (7,7÷3,5) khi S/d =
(3÷6); ở nhóm n = 64 cọc, tỷ lệ H/d=40 (hình
7), tỷ số độ lún Rs = (11,5 ÷4,7) khi S/d = (3÷6)
và ở nhóm n = 100 cọc, tỷ lệ H/d=40 (hình 8), tỷ
số độ lún Rs = (14,9÷5,6) Rõ ràng, việc lựa
chọn một tỷ lệ S/d hợp lý cho từng nhóm cọc có
ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc thiết kế
móng cọc đặc biệt là các móng có kích thước
lớn và nhiều cọc (bè cọc)
Trong thực hành thiết kế kết cấu móng cọc,
để giảm độ lún tổng thể của móng có thể thực
hiện bằng cách gia tăng sức chịu tải của móng thông qua việc tăng số lượng cọc trong móng hoặc tăng chiều dài cọc và gia tăng khoảng cách giữa các cọc để giảm sự ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc, điều đó đồng nghĩa với việc gia tăng sức chịu tải tổng thể của nhóm Trong các cách trên, việc gia tăng khoảng cách giữa các cọc là tiết kiệm nhất vì không làm phát sinh thêm số lượng và chiều dài cọc Từ những phân tích nêu trên, kiến nghị lựa chọn khoảng cách tối thiểu giữa các cọc S/d 3 cho nhóm có n
16 cọc với độ dốc 8%; S/d 4 cho nhóm có
n 36 cọc với 8%; S/d 5 cho nhóm có n
64 cọc với 8%; S/d 6 cho nhóm có n
100 cọc với 6%
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bowles J.E (1997) Foundation analysis and Design; Mc Raw Hill
[2] Tomlimson M.J (1994) Pile Design and Construction Practice, 4th edition E & FN Spon [3] Viggiani C., Mandolini A & Russo G (2012) Pile and Pile Foudation; Spon Press; London 258P
Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG