Nghiên cứu sự làm việc của nhóm cọc chịu tải trọng ngang trong điều kiện đất yếu khu vực thành phố hồ chí minh

Nghiên cứu thực hiện trong luận văn này nhằm hướng đến sự hiểu biết rõ hơn về ứng xử của nhóm cọc chịu tải trọng ngang điều kiện đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời đề xuất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

TRẦN ĐỨC HOÀNG VIỆT

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA NHÓM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẤT YẾU KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số ngành: 60 58 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- - - -  - - -

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận Văn Thạc Sĩ được bảo vệ tại: HĐ CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -oOo -

Tp HCM, ngày 28 tháng 06 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN ĐỨC HOÀNG VIỆT Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1985 Nơi sinh: Pleiku, Gia Lai Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Chương I - Tổng quan về cọc và nhóm cọc chịu tải trọng ngang

Chương II - Ứng xử của cọc đơn chịu tải trọng ngang sử dụng phương pháp đường

cong p-y và phương pháp phần tử hữu hạn

Chương III - Thí nghiệm cọc đơn chịu tải trọng ngang ngoài hiện trường

Chương IV - Phân tích ứng xử của cọc đơn chịu tải trọng ngang

Chương V - Phân tích ứng xử của nhóm cọc chịu tải trọng ngang

Kết luận và kiến nghị

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 23/12/2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 28/06/2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS VÕ PHÁN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS TS VÕ PHÁN PGS TS VÕ PHÁN

LỜI CẢM ƠN

Qua luận văn thạc sĩ này, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các các thầy, cô trong khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại Học Bách Khoa đã tận tình hướng dẫn, trang bị nhiều kiến thức sâu rộng và góp ý nhiều ý kiến quý báu giúp tác giả hoàn thành luận văn này

Em xin cảm ơn thầy PGS TS Võ Phán đã hướng dẫn, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Em xin cảm ơn TS Trần Xuân Thọ và TS Nguyễn Minh Tâm đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bộ môn Địa Cơ – Nền Móng đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn này

Cảm ơn Phòng đào tạo sau Đại học và trường Đại học Bách Khoa

TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn tất khóa học cao học này

Cuối cùng, xin cảm ơn mọi người trong gia đình đã luôn động viên và kỳ vọng nơi tác giả

Trần Đức Hoàng Việt

Nghiên cứu thực hiện trong luận văn này nhằm hướng đến sự hiểu biết rõ hơn về ứng xử của nhóm cọc chịu tải trọng ngang điều kiện đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời đề xuất một phương pháp có thể dùng hiệu quả trong công tác thiết kế

Luận văn bao gồm những nội dung chính sau:

Chương I: Tổng quan những vấn đề chung nhất về cọc và nhóm cọc chịu tải trọng

ngang, các lý thuyết tính toán và phương pháp phân tích cọc đơn và nhóm cọc chịu tải trọng ngang cũng như các kết quả thu được đáng chú ý từ các nghiên cứu trước đây

Chương II: Cơ sở lý thuyết phân tích cọc chịu tải trọng ngang sử dụng phương pháp

phần tử hữu hạn và phương pháp đường cong p-y: mô hình tương tác cọc – đất nền, các thông số đất nền cần xác định trong quá trình phân tích

Chương III: Thí nghiệm hiện trường cho cọc đơn chịu tải trọng ngang: điều kiện địa

chất khu vực thí nghiệm, thiết bị và trình tự thí nghiệm, các kết quả nhận được từ thí nghiệm

Chương IV: Phân tích ứng xử của cọc đơn chịu tải trọng ngang, so sánh kết quả của

phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp đường cong p-y với kết quả thí nghiệm hiện trường

Chương V: Phân tích ứng xử của nhóm chịu tải trọng ngang: ứng xử của các cọc khác

nhau trong nhóm, ứng xử của toàn hệ nhóm cọc và hệ số nhóm cọc, và phân tích ứng

xử của nhóm cọc sử dụng phương đường cong p-y

of lateral load

Study in this thesis is aimed at improving our understanding of the behavior of pile groups under lateral load in soft soil condition of Ho Chi Minh City region, and suggest an analytical method that can be used effectively by practicing engineers This study was undertaken to accomplish the following objectives:

Chapter I: Evaluate the state of knowledge with respect to the lateral load resistance of

piles and pile groups, analysis methods as well as important conclusion from previous studies

Chapter II: Theories of Finite Element Method and p-y curve method to evaluate the

behavior of laterally loaded single pile: soil – pile interaction models and soil parameters used in analysis

Chapter III: Perform field load tests on single piles subjected to lateral load:

investigate soil conditions at test site, test facility and procedure, as well as obtained results from the field load tests

Chapter IV: Behavior of single pile under lateral load, compare results from Finite

Element Method and p-y curve method with the behavior of actual pile

Chapter V: Behavior of different piles in groups and behavior of the whole groups to

lateral load, group efficiency factors and application the p-y method for analyzing laterally loaded pile groups behavior

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CỌC VÀ NHÓM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG I.1 CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 3

I.1.1 Mô hình nền Winkler 3

I.1.2 Phương pháp đường cong p-y 4

I.1.3 Lý thuyết đàn hồi 6

I.1.4 Phương pháp phần tử hữu hạn 7

I.2 NHÓM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 7

I.3 CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHO CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG ĐÃ ĐƯỢC THỰC HIỆN 9

CHƯƠNG II ỨNG XỬ CỦA CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CONG P-Y VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN II.1 PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CONG P-Y 15

II.1.1 Lý thuyết tính toán 15

II.1.2 Phân tích các dạng đường cong p-y cho từng loại đất 17

II.1.2.1 Đường cong p-y của đất sét yếu/dẻo dưới MNN chịu tải tĩnh 17

II.1.2.2 Đường cong p-y của đất sét cứng dưới MNN chịu tải tĩnh 19

II.1.2.3 Đường cong p-y của đất đất cát theo Robertson 21

II.1.2.4 Đường cong p-y của đất đất cát theo Garb & Borden 22

II.1.3 Nhận xét về phương pháp đường cong p-y 23

II.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 23

II.2.1 Trình tự phân tích 23

II.2.2 Các chương trình chính trong Plaxis 23

II.2.3 Các mô hình vật liệu 25

II.2.3.1 Các định nghĩa tổng quát về ứng suất và biến dạng 25

II.2.3.2 Mô hình đất và các thông số 26

II.2.3.2.1 Mô hình Mohr – Coulomb (dẻo lý tưởng) 26

II.2.3.2.2 Mô hình Hardening Soil (HS) 31

II.2.3.3 Nhận xét 34

CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG Ở HIỆN TRƯỜNG

III.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 35

III.1.1 Xác định module nén ngang - thí nghiệm nén ngang (PMT) 35

II.1.1.1 Thiết bị thí nghiệm 35

II.1.1.2 Trình tự thí nghiệm 36

II.1.1.3 Xử lý kết quả thí nghiệm 36

III.1.2 Xác định các đặc trưng chống cắt và biến dạng 40

III.2 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 44

III.2.1 Bộ phận gia tải 44

III.2.2 Hệ phản lực 44

III.2.3 Thiết bị quan trắc chuyển vị 44

III.3 ĐẶC ĐIỂM CỌC THÍ NGHIỆM 45

III.4 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM 45

III.5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 49

III.6 NHẬN XÉT VỀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 53

CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG IV.1 MÔ PHỎNG CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 54

III.1.1 Mô phỏng cọc đơn chịu tải trọng ngang bằng PP đường cong p -y 54

III.1.2 Mô phỏng cọc đơn chịu tải trọng ngang bằng PP PTHH 56

IV.2 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CỌC ĐƠN CHỊU TẢI NGANG 58

IV.3 CỌC ĐƠN CHỊỤ TẢI NGANG CÓ XÉT ĐẾN TẢI ĐỨNG 64

IV.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV 66

CHƯƠNG V PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÓM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG V.1 ỨNG XỬ CỦA CÁC CỌC TRONG NHÓM SỬ DỤNG PP PTHH 68

V.1.1 Mô phỏng nhóm cọc bằng PP PTHH 68

V.1.2 Phân phối tải ngang giữa các cọc trong nhóm 71

V.1.2.1 Nhóm cọc từ 1x1 đến 4x1 71

V.1.2.2 Nhóm cọc từ 1x2 đến 4x2 73

V.1.2.3 Nhóm cọc từ 1x3 đến 4x3 76

V.1.2.4 Nhóm cọc từ 1x4 đến 4x4 79

V.1.3 Chuyển vị ngang và moment của nhóm cọc 82

V.2 PHÂN TÍCH HỆ SỐ NHÓM CỌC 92

V.3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÓM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG DỰA VÀO PP ĐƯỜNG CONG P-Y 99

V.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG V 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 – Đường cong p-y cho cọc đơn 5

Hình 1.2 – Vùng ứng suất trong nhóm cọc 8

Hình 1.3 – Đường cong p-y cho cọc đơn và nhóm cọc 9

Hình 1.4 – Strain gages dùng để đo moment uốn trong cọc 10

Hình 1.5 – Slope inclinometer dùng để đo độ nghiêng trong cọc 10

Hình 1.6 – Thí nghiệm nhóm cọc chịu tải trọng ngang 11

Hình 1.7 – Thí nghiệm cọc đơn chịu tải trọng ngang 11

Hình 1.8 – Cọc bị phá hoại sau thí nghiệm 12

Hình 2.1 – Ứng suất tác dụng lên cọc trước và sau khi chịu tải ngang 15

Hình 2.2 – Mô hình làm việc của cọc và dạng đường cong p-y 16

Hình 2.3 – Mô hình phân chia cọc 16

Hình 2.4 – Đường cong p-y của đất sét yếu/mềm dưới MNN chịu tải tĩnh 18

Hình 2.5 – Đường cong p-y của đất sét cứng dưới MNN chịu tải tĩnh 20

Hình 2.6 – Giá trị A s và A c 20

Hình 2.7 – Cấu trúc các chương trình của Plaxis 24

Hình 2.8 – Hệ trục tổng quát và quy ước dấu 25

Hình 2.9 – Không gian ứng suất chính 25

Hình 2.10 – Quan hệ ứng suất - biến dạng trong mô hình đàn dẻo 27

Hình 2.11 – Mặt giới hạn Mohr-Coulomb trong KG ứng suất chính 28

Hình 2.12 – Xác định E 0 và E 50 từ kết quả thí nghiệm nén ba trục 30

Hình 2.13 – Quan hệ ứng suất biến dạng Hyperbol 32

Hình 3.1 – Quan hệ giữa áp lực và biến thiên thể tích trong TN PMT 36

Hình 3.2 – Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén ngang lớp bùn sét 38

Hình 3.3 – Biểu đồ kết quả thí nghiệm nén ngang lớp sét dẻo mềm 39

Hình 3.4 – Sơ đồ xác định module biến dạng 50ref E trong TN 3 trục 40

Hình 3.5 – Sơ đồ xác định module biến dạng ref oed E 40

Hình 3.6 – Xác định module biến dạng ref

oed

E cho lớp bùn sét 41

Hình 3.7 – Xác định module biến dạng ref oed E cho lớp sét dẻo mềm 41

Hình 3.8 – Xác định module biến dạng ref oed E cho lớp sét pha dẻo cứng 42

Hình 3.9 – Mặt cắt địa chất và biểu đồ số đọc SPT theo độ sâu 43

Hình 3.10 – Sơ đồ thí nghiệm cọc đơn chịu tải trọng ngang 45

Hình 3.11 – Khối đối trọng dùng trong thí nghiệm 47

Hình 3.12 – Cọc và thiết bị thí nghiệm đẩy ngang 48

Hình 3.13 – Thiết bị kích thủy lực 48

Hình 3.14 – Đất quanh cọc bị nứt do cọc chuyển vị ngang khi chịu tải 49

Hình 3.15 – Quan hệ tải trọng - chuyển vị ngang của cọc CT1 51

Hình 3.16 – Quan hệ tải trọng - chuyển vị ngang của cọc CT2 51

Hình 3.17 – Quan hệ tải trọng - chuyển vị ngang - thời gian của cọc CT1 52

Hình 3.18 – Quan hệ tải trọng - chuyển vị ngang - thời gian của cọc CT2 52

Hình 4.1 – Phần tử cọc nguyên dạng và khi bị uốn 55

Hình 4.2a – Mô hình cọc đơn 57

Hình 4.2b – Phần tử 15 nút 57

Hình 4.3 – Chuyển vị ngang lớn nhất của cọc theo các cấp tải 58

Hình 4.4 – Chuyển vị ngang của cọc theo PTHH và PP đường cong p-y 59

Hình 4.5 – Moment uốn của cọc theo PTHH và PP đường cong p-y 61

Hình 4.6 – Chuyển vị ngang của cọc theo các cấp tải (tính theo PTHH) 62

Hình 4.7 – Chuyển vị ngang của cọc (theo PP đường cong p-y) 62

Hình 4.8 – Moment uốn của cọc (theo PP đường cong p-y) 63

Hình 4.9 – Chuyển vị ngang của cọc (tính theo PTHH) 64

Hình 4.10 – Chuyển vị ngang của cọc có xét đến lực dọc 65

Hình 5.1 – Mô hình nêm ứng suất 67

Hình 5.2 – Tương tác giữa các cọc khi làm việc theo nhóm 68

Hình 5.3 – Sơ đồ nhóm cọc tiêu biểu 69

Hình 5.4 – Mô hình nhóm cọc 2x2 70

Hình 5.5 – Mô hình nhóm cọc 3x3 71

Hình 5.6 – Phân bố tải ngang trong các cọc 71

Hình 5.7 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các cọc trong nhóm 2x1 72

Hình 5.8 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các cọc trong nhóm 3x1 72

Hình 5.9 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các cọc trong nhóm 4x1 73

Hình 5.10 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 1x2) 74

Hình 5.11 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 2x2) 74

Hình 5.12 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 3x2) 75

Hình 5.13 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 4x2) 75

Hình 5.14 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 1x3) 77

Hình 5.15 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 2x3) 77

Hình 5.16 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 3x3) 78

Hình 5.17 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 4x3) 78

Hình 5.18 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 1x4) 80

Hình 5.19 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 2x4) 80

Hình 5.20 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 3x4) 81

Hình 5.21 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị của các hàng cọc (cọc 4x4) 81

Hình 5.22 – Đường cong chuyển vị ngang của nhóm cọc 2x2 82

Hình 5.23 – Biểu đồ moment uốn trong các hàng cọc - nhóm cọc 2x2 83

Hình 5.24 – Quan hệ tải ngang – moment của các hàng cọc (cọc 3x3) 84

Hình 5.25 – Quan hệ tải ngang – moment của các hàng cọc (cọc 4x3) 84

Hình 5.26 – Quan hệ tải ngang – moment của hàng cọc 3 85

Hình 5.27 – Quan hệ tải – chuyển vị của nhóm cọc 1x1 đến 4x1 86

Hình 5.28 – Quan hệ tải – chuyển vị của nhóm cọc 1x2 đến 4x2 86

Hình 5.29 – Quan hệ tải – chuyển vị của nhóm cọc 1x3 đến 4x3 87

Hình 5.30 – Quan hệ tải – chuyển vị của nhóm cọc 1x4 đến 4x4 87

Hình 5.31 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị ngang của nhóm cọc 4x4 với các khoảng cách giữa các cọc khác nhau 89

Hình 5.32 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị ngang của nhóm cọc 3x4 với các

khoảng cách giữa các cọc khác nhau 89

Hình 5.33 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị ngang của nhóm cọc 3x3 với các khoảng cách giữa các cọc khác nhau 90

Hình 5.34 – Quan hệ tải ngang – chuyển vị ngang của nhóm cọc 2x2 với các khoảng cách giữa các cọc khác nhau 90

Hình 5.35 – Đường cong chuyển vị ngang của nhóm cọc 4x3 với các khoảng cách giữa các cọc khác nhau 91

Hình 5.36 – Hệ số nhóm của nhóm cọc có một hàng cọc 93

Hình 5.37 – Hệ số nhóm của nhóm cọc có hai hàng cọc 94

Hình 5.38 – Quan hệ của A 2 và B 2 theo số cọc trong hàng 95

Hình 5.39 – Hệ số nhóm của nhóm cọc có ba hàng cọc 95

Hình 5.40 – Quan hệ của A 3 và B 3 theo số cọc trong hàng 96

Hình 5.41 – Hệ số nhóm của nhóm cọc có bốn hàng cọc 97

Hình 5.42 – Quan hệ của A 4 và B 4 theo số cọc trong hàng 98

Hình 5.43 – Đường cong p-y cho cọc đơn và nhóm cọc 99

Hình 5.44 – Xác định hệ số f m bằng cách hiệu chỉnh 100

Hình 5.45 – Hệ số f m2 của nhóm cọc có hai hàng cọc 101

Hình 5.46 – Hệ số f m3 của nhóm cọc có ba hàng cọc 102

Hình 5.47 – Hệ số f m4 của nhóm cọc có bốn hàng cọc 102

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 – Tóm tắt các kết quả thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc 14

Bảng 2.1 – Giá trị của ε50 (Reese et al., 2006) 19

Bảng 2.2 – Giá trị ks của đất sét 20

Bảng 3.1 – Kết quả TN nén ngang lớp bùn sét 37

Bảng 3.2 – Kết quả TN nén ngang lớp sét dẻo mềm 38

Bảng 3.3 – Đặc trưng thành phần hạt các lớp đất 42

Bảng 3.4 – Đặc trưng cơ lý các lớp đất 43

Bảng 3.5 – Đặc trưng biến dạng và sức chống cắt các lớp đất 44

Bảng 3.6 – Quy trình thí nghiệm cho các cọc 45

Bảng 3.7 – Kết quả chuyển vị ngang theo các cấp tải trọng thí nghiệm 49

Bảng 4.1 – Các thông số vật liệu cho cọc 57

Bảng 4.2 – Các thông số của đất nền 57

Bảng 5.1 – Các thông số vật liệu cho cọc 70

Bảng 5.2 – Các thông số vật liệu cho đài cọc 70

Bảng 5.3 –Tỉ lệ tải ngang tác dụng vào các hàng cọc (cọc 1x3 đến 4x3) 76

Bảng 5.4 –Tỉ lệ tải ngang tác dụng vào các hàng cọc (cọc 1x4 đến 4x4) 79

Bảng 5.5 – Hệ số nhóm cọc 79

Bảng 5.6 – Công thức biểu diễn hệ số nhóm cọc (nhóm cọc từ 1x2 đến 4x2) 94

Bảng 5.7 – Công thức biểu diễn hệ số nhóm cọc (nhóm cọc từ 1x3 đến 4x3) 96

Bảng 5.8 – Công thức biểu diễn hệ số nhóm cọc (nhóm cọc từ 1x4 đến 4x4) 97

Bảng 5.9 – Công thức xác định hệ số nhóm cọc 98

Bảng 5.10 – Hệ số điều chỉnh fmi trong nhóm cọc chịu tải ngang 101

Bảng 5.11 – Công thức xác định hệ số điều chỉnh fmi 103

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Các công trình cầu, cảng và nhà cao tầng thường được được đặt trên các hệ móng cọc Ngoài tải trọng đứng, tải ngang tác dụng lên cọc cũng đóng vai trò quan trọng và cần được xét đến trong quá trình thiết kế, đặc biệt khi hệ móng cọc phải chịu lực ngang lớn Tải ngang tác dụng lên cọc do nhiều loại lực tác dụng gây nên như lực gió, lực va chạm, xung lực do động đất, hoặc lực do dịch chuyển của đất ở mái dốc… Thực tế các nghiên cứu cho thấy, lực ngang các cọc phải chịu khi làm việc trong nhóm không giống nhau, và phụ thuộc vào số lượng cọc, vị trí của cọc trong nhóm, hướng tác dụng của tải ngang Tuy nhiên trong công tác thiết kế ở Việt Nam, tải trọng ngang các cọc trong nhóm phải chịu thường được xem là đều nhau; điều này dẫn đến tính toán thiếu tải ngang tác dụng lên cọc và hệ số an toàn được chọn, trên thực tế,

có thể thấp hơn mong muốn

Bên cạnh thực nghiệm hiện trường, phương pháp nghiên cứu cọc chịu tải ngang được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay là phương pháp số bao gồm phần tử hữu hạn

và phương pháp sai phân hữu hạn dựa vào đường cong p-y Tuy nhiên, hầu như chưa

có nghiên cứu nào về sự phù hợp của các phương pháp này so với thực nghiệm hiện trường trong điều kiện địa chất có lớp bùn sét dày như khu vực tp Hồ Chí Minh Nghiên cứu thực hiện trong luận văn này sẽ phân tích các ứng xử của cọc và nhóm cọc trong điều kiện địa chất đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời

đê xuất một phương pháp tính thân thiện có thể dùng hiệu quả trong công tác thiết kế

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích các nghiên cứu đã có về ứng xử của cọc và nhóm cọc chịu tải trọng ngang

2 Tiến hành các thí nghiệm đất trong phòng để xác định các thông số phù hợp cho việc phân tích bằng phương pháp số

3 Tiến hành thí nghiệm ngoài hiện trường trên cọc thực chịu tải trọng ngang

4 So sánh và phân tích kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán bằng phương pháp số

5 Trên cơ sở phân tích kết quả thực nghiệm và tính toán, nghiên cứu ứng xử của các cọc trong nhóm khi chịu tải ngang

III Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Hướng nghiên cứu của đề tài phù hợp với xu hướng nghiên cứu về móng cọc trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng trong công tác thiết kế nền móng Nghiên cứu cũng đề xuất một phần mềm đơn giản có thể dùng trong giai đoạn thiết kế ban đầu của các kĩ sư nền móng

Nghiên cứu của đề tài có thể được mở rộng và phát triển theo nhiều hướng

IV GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài chỉ nghiên cứu ứng xử của cọc đơn và nhóm cọc trong trường hợp chịu tải trọng ngang tĩnh, trường hợp tải tác dụng động và tải trọng lặp chưa được xét đến

Do hạn chế về kinh phí, các thí nghiệm kiểm chứng ngoài hiện trường chưa được tiến hành nhiều để có kết quả phân tích tốt hơn

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ CỌC VÀ NHÓM CỌC

CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

Ứng xử của cọc trong nhóm cọc khi chịu tải trọng ngang thường khác với ứng xử của cọc đơn Sự khác nhau này có thể góp bởi các nguyên nhân sau:

- Mức độ chống xoay của liên kết cọc và đài, khi mức độ chống xoay này càng lớn, cọc càng ít bị lệch do tải trọng ngang

- Đối với móng cọc đài thấp, đài cọc cũng tham gia chống tải ngang

- Vùng ảnh hưởng của hai cọc lân cận chồng lên nhau Điều này làm cho cọc trong nhóm bị chuyển vị nhiều hơn so với cọc đơn

I.1 CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

Trong những năm vừa qua, đã có nhiều nghiên cứu về cọc chịu tải trọng ngang

Có 3 tiêu chí cần thỏa mãn khi thiết kế móng cọc chịu tải trọng ngang:

- Đất không được vượt quá khả năng chịu tải cực hạn

- Chuyển vị và biến dạng của cọc nằm trong giới hạn cho phép

I.1.1 MÔ HÌNH NỀN WINKLER

Hướng tiếp cận theo mô hình nền Winkler (còn gọi là phương pháp phản lực nền)

là phương pháp đầu tiên dự đoán chuyển vị ngang và moment của cọc Mô hình này qun niệm cọc và đất liên kết với nhau bởi các lò xo tuyến tính riêng lẻ có độ cứng Es, xác định bởi:

s

p E

y

Trong đó:

p: phản lực ngang của đất nền trên một đơn vị chiều dài cọc

y: chuyển vị ngang của cọc

Ứng xử của cọc đơn được mô hình bằng dầm trên nền đàn hồi, có thể được biểu diễn bởi phương trình vi phân cấp 4:

Ep: module đàn hồi của cọc

Ip: moment quán tính của cọc

Q: lực dọc đầu cọc

Bằng cách giả sử Es là hằng số (cho đất sét) hoặc thay đổi tuyến tính theo độ sâu (cho đất cát), các lời giải giải tích đã được đưa ra bởi Matlock và Reese (1960), Poulos

& Davis (1980), Gill & Demars (1970)

Phương pháp này tuy đơn giản và dễ sử dụng nhưng có những hạn chế sau:

- Module phản lực đất nền không chỉ phụ thuộc vào loại đất mà còn phụ thuộc vào tính chất của cọc và độ lớn của chuyển vị theo độ sâu

- Mô hình sử dụng bán không gian đàn hồi, điều này không đúng với thực tế

- Liên kết giữa cọc và đất được mô hình thành các lò xo đàn hồi tuyến tính độc lập nhau và do đó, chuyển vị tại một điểm không phụ thuộc vào chuyển vị và ứng suất tại các điểm khác dọc theo than cọc

I.1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CONG P-Y

Trong phương pháp đường cong p-y, ứng xử của đất xung quanh cọc trong quá trình coc chịu tải trọng ngang được mô tả bởi các đường cong phi tuyến p-y, trong đó

p là chuyển vị ngang của cọc và p ứng với phản lực đất nền trên một đơn vị chiều dài cọc

Hình 1.1 - Đường cong p-y cho cọc đơn

Đây là phương pháp bán thực nghiệm vì đường cong p-y được xây dựng từ các thí nghiệm ngoài hiện trường, và do đó có xét đến tính dẻo của đất cũng như ma sát giữa cọc và đất Reese (1977) đã phát triển một số loại đường cong p-y cho các loại đất cụ thể dựa vào thí nghiệm cho cọc thực ngoài hiện trường

Một dạng biểu diễn của đường cong p-y được sử dụng rộng rãi là dạng parabola như sau:

50

0.5( )y

n u

Với: pu là phản lực đất cực hạn trên một đơn vị chiều dài cọc;

y50 là chuyển vị ngang ứng với 1/2 pu

và dựa vào đường cong p-y để tính phản lực đất nền

Trong phương pháp này, lực dọc đầu cọc thường được xem là không đổi theo độ sâu vì lực này không ảnh hưởng nhiều đến chuyển vị ngang và moment của cọc

Để giải được phương trình đường cong p-y, cần thêm các điều kiện biên, hai trong số này ở đầu cọc và hai điều kiện biên ở mũi cọc

Một số dạng đường cong p-y khác cũng đã được một số tác giả nghiên cứu như: dạng hypecbolic ((Kondner 1963), Evans (1982) & Mokwa et al (1997)), đường cong p-y phát triển từ thí nghiệm hiện trường cone penetrometer (Robertson et al 1985), and pressuremeter (Ruesta and Townsend 1997), từ thí nghiệm nén ngang DMT (Robertson et al 1989)…

Phương pháp này là một bước tiến dài so với phương pháp winkler vì đã xét đến tương tác cọc-đất và có thể sử dụng chương trình máy tính để giải quyết Các chương trình thường gọn và đơn giản, cho kết quả phù hợp với thực tế Có thể sử dụng phương pháp này để phát triển mô hình số, tính toán cho trương hợp cọc chịu tải trọng ngang lặp và tải trọng ngang động Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn tồn tại nhược điểm

là cần có thí nghiệm hiện trường để có thể phát triển được quan hệ p-y phù hợp với điều kiện địa chất

I.1.3 LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI

Poulos’s (1971a, 1971b) xem đất là vật thể đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng với các thông số đàn hồi là Es và  s và cọc được mô phỏng là phần tử dầm

Cọc được giả sử là thẳng đứng, có chiều dài L, bề rộng (hoặc đường kính) D, và

có độ cứng EpIp Cọc được chia thành n+1 phần tử và mỗi phân tử chịu ứng suất ngang đều p Chuyển vị ngang của cọc được giả định bằng với chuyển vị ngang của đất, và được biểu diễn bởi phương trình:

 y s là vector cột chuyển vị của đất

 p là vector cột biểu diễn tương tác tải ngang giữa cọc và đất

 I s là ma trận vuông n+1

Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là khó xác định được module Es của đất

I.1.4 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Phương pháp phần tử hữu hạn có thể mô phỏng tương tác cọc-đất xem đất là môi trường không gian 3D, có thể xét đến tính dẻo của đất Phương pháp này có thể áp dụng các mô hình đất để phân tích như: Mohr-Coulomb, Hardening Soil, Cam-Clay, Soft Soil

Nhiều nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích: McVay

et al (1996) mô hình cọc thành các phần tử 2 nút, Brown & Shie ( 1991) phát triển phần tử tiếp xúc (Interface elements) xét đến ma sát giữa cọc và đất, chương trình GPILE-3D bởi Kimura et al (1995) xem cọc như là phần tử kết hợp của phần tử cột và phần tử dầm, Brown & Shie (1991) phát triển mô hình 3D sử dụng mô hình đàn dẻo với mặt Von Mises

Hướng đi chính hiện nay để phát triển phương pháp PTHH cho cọc và nhóm cọc chịu tải ngang là xây dựng các chương trình thân thiện và trực quan cho công tác thiết

kế thực tế

Phương pháp này tuy xét đến ứng xử của đất một cách toàn diện nhất nhưng có những nhược điểm sau:

- Tốn nhiều thời gian để nhập các thông số đầu vào, xác định các thông số này cũng cần các thí nghiệm phức tạp hơn

- Mô hình phân tích 3D thích hợp hơn cho công tác nghiên cứu, ít khi dùng cho thiết kế

I.2 NHÓM CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

Các cọc làm việc chung trong nhóm được liên kết bởi đài cọc có ứng xử khác với cọc đơn do có ảnh hưởng tương tác cọc-đất-cọc trong nhóm Khi một cọc trong nhóm chịu tải trọng ngang, vùng đất sau lưng cọc sẽ bị dịch chuyển và tạo nên “vùng ứng suất”, các vùng ứng suất này sẽ phát triển và chồng lên nhau khi tải trọng ngang tác dụng lên nhóm cọc gia tăng Khi khoảng cách giữa các cọc càng nhỏ, các vùng ứng suất này chồng lặp lên nhau càng nhiều

Hình 1.2 – Vùng ứng suất trong nhóm cọc

Hiệu ứng nhóm cọc này dẫn đến sức kháng tải ngang của nhóm cọc bị suy giảm Trên hình 1.2, các cọc ở hàng đầu tiên (từ trái sang) chịu tải ngang nhỏ hơn các cọc ở các hàng khác vì chúng không phải chịu tác dụng của hiệu ứng mép và hiệu ứng phủ

Để xét đến ảnh hưởng của nhóm cọc, khái niệm hệ số nhóm được sử dụng:

( )( )

u g e

u s

Q G

(Q u)s là sức chịu tải ngang cực hạn của cọc đơn

Các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình cũng như thí nghiệm cọc thực với việc

đo biến dạng và ứng suất trong cọc cho thấy các cọc trong nhóm chịu tải trọng ngang

không đều nhau Sự phân bố tải không đều giữa các cọc có thể giải thích là do sự chồng lên nhau của các vùng ứng suất và dẫn đến sự giảm sức kháng của đất nền Bên cạnh phương pháp phần tử hữu hạn, một phương pháp được nghiên cứu nhiều khi xét đến sự chịu tải ngang không đều này là kết hợp hệ số, gọi là p-multipliers (fm) vào đường cong p-y Hệ số này có thể được xác định từ các thí nghiệm hiện trường, khi đó có xét đến cả tính dẻo của đất cũng như sự chồng chập các vùng ứng suất

Hình 1.3 - đường cong p-y cho cọc đơn và nhóm cọc

Quan hệ giữa giữa hệ số nhóm với fmi cho từng hàng cọc có thể dựa vào biểu thức sau:

1

N mi i e

f G

N là số hàng cọc theo hướng tải tác dụng, fmi là hệ số p-multipliers cho hàng cọc thứ i

Giá trị fm thường được giả thiết là không đổi theo độ sâu vì fm thường được tính bằng cách điều chỉnh đến khi quan hệ tải trọng-chuyển vị cho mỗi cọc đơn theo tính toán và kết quả đo khớp với nhau

Giá trị fm phụ thuộc vào vị trí của cọc trong nhóm cũng như khoảng cách giữa các cọc

I.3 CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHO CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG ĐÃ ĐƯỢC THỰC HIỆN

Các thí nghiệm hiện trường cho ra những kết quả chính xác nhất nhưng vì giá thành thí nghiệm rất cao nên số lượng thí nghiệm hiện trường cho đến nay vẫn còn hạn chế Một số thí nghiệm hiện trường đã được thực hiện trên thế giới được đề cập dưới đây:

I.3.1 Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc (Kim & Brungraber, 1976)

Kim & Brungraber (1976) đã thực hiện thí nghiệm hiện trường cho đất sét vùng Pennsyvania Nhóm cọc kích thước 2x3 với khoảng cách giữa các cọc là 3.6D và 4.8D, với D là đường kính hoặc cạnh cọc, được tiến hành chịu tải ngang Thí nghiệm cũng được tiến hành với hai cọc đơn Kết quả cho thấy sức chịu tải ngang của nhóm cọc tăng khi tăng khoảng cách giữa các cọc và tải trọng trung bình tác dụng lên một cọc trong nhóm nhỏ hơn tải tác dụng lên cọc đơn ứng với cùng chuyển vị ngang

I.3.2 Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc (Brown et al., 1988)

Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc kích thước 3x3 trong đất cát chặt vừa được tiến hành với khoảng cách giữa các cọc là 3D Cát có độ chặt tương đối Dr = 50% Các cọc trong thí nghiệm chịu tải trọng lặp theo hai hướng khác nhau

Brown et al (1988) kết luận rằng nhóm cọc chuyển vị nhiều hơn cọc đơn khi cọc đơn chịu cùng tải ngang bằng tải trung bình tác dụng lên từng cọc trong nhóm Các cọc trong các hàng khác nhau cũng có ứng xử khác nhau Hàng cọc đầu tiên theo phương tải trọng có chuyển vị ngang nhỏ hơn so với các hàng cọc khác

Hệ số p-multipliers (fm) được sử dụng để hiệu chỉnh đường cong p-y cho cọc đơn

về đường cong p-y cho nhóm cọc Brown et al (1988) đề nghị hệ số fm lần lượt là 0.3, 0.4 và 0.8 cho hàng cọc đầu tiên, hàng cọc giữa và hàng cọc sau cùng

I.3.3 Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc (Ruesta & Townsend et al., 1997)

Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc được thực hiện bởi Ruesta & Townsend

(1997) tại vị trí cầu Roosevelt trên các cọc bê tông cốt thép dự ứng lực Hai nhóm cọc

4x4 với đầu cọc tự do và đầu cọc ngàm trong đài được tiến hành thí nghiệm tải ngang, khoảng cách giữa các cọc (tính từ tâm) là 3D Một cọc đơn cũng được thí nghiệm để

so sánh Địa chất khu vực thí nghiệm bao gồm lớp cát rời đến độ sâu 4m và theo sau bởi lớp cát kết

Hệ số nhóm của nhóm cọc khi chịu tải ngang được ghi nhận là 80% Hệ số fm cho hàng cọc đầu tiên và các hàng cọc tiếp sau nó lần lượt là 0.3, 0.3, 0.7 và 0.8; hệ số fm cho toàn bộ nhóm cọc là 0.55 Moment uốn lớn nhất của các cọc trong hàng đầu tiên nhỏ hơn so với các hàng sau nó Ruesta và Townsend cũng kết luận rằng trong cùng một hàng, các cọc ngoài cùng chịu tải trọng nhiều hơn các tải phía trong

I.3.4 Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc (Rollins et al., 1998)

Rollins et al (1998) tiến hành thí nghiệm cho nhóm cọc 3x3 với khoảng cách giữa các cọc là 2.82D và đầu cọc được liên kết khớp Cọc được sử dụng là cọc thép có đường kính trong 0.305m và bề dày 9.5mm, địa chất bao gồm lớp sét dẻo mềm phân

bố phía trên lớp cát chặt Chuyển vị ngang của nhóm cọc trong thí nghiệm lớn gấp hai lần chuyển vị ngang của cọc đơn chịu cùng tải ngang bằng tải trung bình tác dụng lên

từng cọc trong nhóm Hệ số fm cho hàng cọc đầu tiên và các hàng cọc tiếp sau nó lần lượt là 0.43, 0.38, và 0.6

Một số kết quả từ thí nghiệm hiện trường từ nghiên cứu của các tác giả được tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 1.1 - Tóm tắt các kết quả thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc

Tác giả Loại địa

chất

Chuyển

vị ngang

Khoảng cách giữa các cọc

Hệ số f m

Hàng đầu tiên

Hàng 2 Hàng 3 Hàng 4

Meimon et

al., (1986) Sét cứng - 3D 0.50 0.90 - - Brown et

Có thể rút ra một số kết luận từ các nghiên cứu trước đây các yếu tố ảnh hưởng

đến ứng xử của nhóm cọc chịu tải trọng ngang như sau:

1 Khoảng cách giữa các cọc là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến ứng xử của nhóm cọc

2 Sự sắp xếp các cọc trong nhóm cũng ảnh hưởng đến sự làm việc của nhóm cọc

3 Điều kiện địa chất: các nghiên cứu qua nhiều loại đất chỉ ra rằng không có nhiều sự liên hệ giữa điều kiện địa chất và hệ số nhóm cọc

4 Chuyển vị ngang của nhóm cọc: hệ số nhóm cọc Ge lúc đầu giảm khi chuyển vị ngang tăng, và sau đó gần như không đổi khi chuyển vị ngang vượt quá 0.05D

CHƯƠNG II

ỨNG XỬ CỦA CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CONG P-Y VÀ PHƯƠNG

PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

II.1 PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CONG P-Y

II.1.1 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

Giả thiết rằng ở trạng thái ban đầu, cọc không bị uốn cong và ứng suất do đất tác dụng vào cọc, xét ở độ sâu zi sẽ phân bố đều xung quanh cọc, Khi cọc chịu tải trọng ngang và dịch chuyển theo phương ngang đoạn yi, sự phân bố ứng suất xung quanh cọc không còn đều nữa: ứng suất ở mặt theo hướng dịch chuyển (mặt trước) gia tăng,

và ứng suất ở mặt còn lại giảm xuống Ứng suất đơn vị lớn nhất vuông góc với phương tải trọng sẽ được gọi là phản lực của đất pi Có thể thấy rằng giá trị pi thay đổi theo độ sâu zi tương ứng

Hình 2.1 - ứng suất của đất tác dụng lên cọc trước và sau khi chịu tải ngang

Phương pháp đường cong p-y xét sự làm việc đồng thời giữa cọc và đất Liên kết

cọc-đất được mô phỏng bởi các lò xo không tuyến tính có quan hệ giữa chuyển vị ngang-phản lực đất là dạng đường cong

Dạng tiêu biểu của đường cong p-y được cho trong hình dưới Rõ ràng, phần đoạn thẳng cuối xác định giá trị pu có quan hệ với sức chịu tải cực hạn của đất Ở chuyển vị nhỏ, độ dốc ban đầu của đường cong có liên quan đến độ cứng đàn hồi xác định từ đường cong ứng suất-biến dạng của đất

Hình 2.3 - Mô hình phân chia cọc

Hình 2.2 - mô hình làm việc của cọc và dạng đường cong p-y

Để phân tích ứng xử của cọc, cần thiết phải xác định được phương trình p-y cho từng lò xo theo độ sâu và sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để phân tích Cọc được chia thành các gia số và các phương trình sai phân với từng đoạn gia số được thiết lập

Các biểu thức sai phân hữu hạn:

p, y - phản lực đất nền và chuyển vị ngang của cọc tại điểm x dọc theo cọc

h – chiều dài đoạn gia số

Ta sẽ có phương trình sai phân hữu hạn cho cọc chịu tải ngang:

Trong đó: Rm=(EpIp)m - độ cứng kháng uốn của cọc tại điểm m

Nếu cọc được chia thành n gia số, ta sẽ có n+1 phương trình có dạng trên, dẫn đến n+5 ẩn số Để giải các ẩn số, ta cần 4 phương trình điều kiện biên: hai tại mũi cọc và hai tại đầu cọc

- Các phương trình điều kiện biên cho mũi cọc:

Giả sử moment tại vị trí mũi cọc bằng 0, hay:

2 2

- Các phương trình điều kiện biên cho đầu cọc:

Lực cắt: trong trường hợp đầu cọc ở phía trên mặt đất và chỉ có lực ngang tác dụng tại vị trí đầu cọc, ta có phương trình điều kiện biên:

đó, và được hiệu chỉnh nhờ so sánh với kết quả thực nghiệm hiện trường

II.1.2 PHÂN TÍCH CÁC DẠNG ĐƯỜNG CONG CHO TỪNG LOẠI ĐẤT

II.1.2.1 Đường cong p-y của đất sét yếu/dẻo dưới mực nước ngầm chịu tải tĩnh

Theo Matlock (1970):

1 3 50

0.5 ( )y

u

y

Trong đó:

pu: phản lực cực hạn của đất lên đoạn cọc ở độ sâu đang xét

y50: chuyển vị ngang của cọc tại vị trí p= ½ phản lực cực hạn

Hình 2.4 - đường cong p-y của đất sét yếu/mềm dưới MNN chịu tải tĩnh

 là biến dạng của đất trong thí nghiệm nén ba trục khi ứng suất bằng 50% ứng suất phá hoại.

A là hằng số có giá trị từ 2.5-3.0 (Reese, 1980)

Bảng 2.1 - Bảng giá trị của  (Reese et al., 2006)

Loại đất sét Sức chống cắt không thoát nước Su (kPa) 

D

y =

Với: ED là module DMT xác định từ thí nghiệm nén ngang DMT

II.1.2.2 Đường cong p-y của đất sét cứng dưới mực nước ngầm chịu tải tĩnh

Theo Reese & Koop (1975), quan hệ p-y bao gồm 5 đoạn:

Hình 2.5 - đường cong p-y của đất sét

cứng dưới MNN chịu tải tĩnh

Hình 2.6 – giá trị A s và A c

(theo Reese & Koop)

Đoạn 1: đoạn này có quan hệ tuyến tính thể hiện qua phương trình:

2.0544 / 2.1948

s

H B A

1.25 50

0.06250.5 u 6 s 0.411 u u( 6 s )

II.1.2.3 Đường cong p-y của đất đất cát theo Robertson

Robertson et al (1989) kiến nghị quan hệ p-y như sau:

1/ 3 50

0.5( )y

: góc ma sát trong hữu hiệu

Ka: hệ số áp lực ngang chủ động, theo Rankine, 2 0

0 50

4.17 sin y

2 (1 sin )

v D

Với: ED là module DMT xác định từ thí nghiệm nén ngang DMT

II.1.2.4 Đường cong p-y của đất đất cát theo Garb và Borden

Garb và Borden cũng sử dụng kết quả của thí nghiệm nén ngang DMT, đồng thời

sử dụng quan hệ của Murchison & O’neil như sau:

0

u

k H nAp tg y

Anp

Trong đó:

n- hệ số tiết diện, n = 1.5 với cọc tiết diện đều và n = 1.0 với cọc nêm tròn

A – hệ số tải trọng, A = 0.9 với tải trọng động

A = min(0.9, 3-0.8H/D) với tải trọng tĩnh

pu lấy theo phương pháp Robertson

k0 – hệ số nền ban đầu, được đề nghị tính như sau:

' 0 0

h K vo

   là áp lực ngang hữu hiệu của đất nền, h: nửa bề dày mũi xuyên, h = 7.0 - 7.5mm

II.1.3 NHẬN XÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CONG P-Y

Bằng việc sử dụng các dạng đường cong p-y thích hợp cho từng loại đất, ta có thể phân tích ứng xử của cọc khi chịu tải trọng ngang Các thông số để xác định các phương trình đường cong p-y được xác định từ các thí nghiệm đất trong phòng và thí nghiệm đất ngoài hiện trường Phương pháp này có thể phân tích cho cọc nằm trong vùng địa chất có nhiều lớp đất khác nhau, và có thể xét đến cọc làm việc chịu tải ngang và tải đứng đồng thời

II.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Nghiên cứu sử dụng phương pháp PTHH với sự trợ giúp của chương trình

PLAXIS 3D FOUNDATION để phân tích ứng xử của cọc đơn khi chịu tải ngang

II.2.1 TRÌNH TỰ PHÂN TÍCH

Trình tự phân tích bài tốn bằng phương pháp PTHH gồm các bước chính sau:

 Bước 1 - Rời rạc hố miền khảo sát: trong bước này miền khảo sát V được

chia thành các miền con Ve hay thành các phần tử cĩ dạng hình học thích hợp

Số điểm nút của mỗi phần tử khơng được lấy một cách tùy tiện mà tùy thuộc vào hàm xấp xỉ được chọn

 Bước 2 - Chọn hàm xấp xỉ thích hợp: vì đại lượng cần tìm là chưa biết nên ta

giả thiết dạng xấp xỉ của nĩ sao cho đơn giản đối với tính tốn bằng máy tính nhưng phải thoả mãn các tiêu chuẩn hội tụ Hàm xấp xỉ thường được chọn ở dạng đa thức, rồi biểu diễn xấp xỉ theo tập hợp giá trị của nĩ tại các nút phần tử

 Bước 3 - Xây dựng phương trình phần tử hay thiết lập ma trận độ cứng phần

[K] : ma trận độ cứng tổng thể (hay ma trận hệ số tồn miền)

{q} : vectơ tập hợp các giá trị đại lượng cần tìm tại các nút (cịn gọi là vectơ chuyển vị nút tổng thể)

{P} : vectơ các số hạng tự do tổng thể (hay vectơ tải tổng thể)

Sử dụng điều kiện biên của bài tốn, sẽ nhận được hệ phương trình:

Đây chính là phương trình hệ thống hay cịn gọi là hệ phương trình để giải

 Bước 5 - Giải hệ phương trình đại số:

 Bước 6 - Hồn thiện: tìm các đại lượng cịn lại.

II.2.2 CÁC CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH TRONG PLAXIS

Các module chính trong bộ phần mềm Plaxis gồm cĩ:

 Chương trình nhập dữ liệu (Plaxis input program):

Chương trình nhập dữ liệu chứa đựng tất cả các phương tiện thuận lợi để tạo hoặc chỉnh sửa một mô hình hình học, để phát sinh lưới phần tử phù hợp điều kiện ban đầu

 Chương trình tính toán (Plaxis calculations program):

Chương trình tính toán được thực thi sau khi xây dựng xong mô hình phần tử

hữu hạn

 Chương trình xuất kết quả (Plaxis output program):

Chương trình xuất kết quả về chuyển vị nút, ứng suất tại các điểm nút của

mỗi phần tử đất và kết cấu

 Chương trình vẽ biểu đồ (Plaxis curves program):

Chương trình vẽ biểu đồ có thể dùng để vẽ đường tải hay chuyển vị theo thời gian, vẽ biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng, vẽ đường ứng suất, đường biến dạng của những điểm được chọn trước

Hình 2.7 – cấu trúc các chương trình của Plaxis

II.2.2 CÁC MƠ HÌNH VẬT LIỆU TRONG PLAXIS

II.2.2.1 Các định nghĩa tổng quát về ứng suất và biến dạng

Một mơ hình vật liệu là một loạt các phương trình tốn học mơ tả mối quan hệ ứng suất và biến dạng dưới dạng gia số Tất cả các mơ hình vật liệu trong Plaxis đều dựa trên quan hệ giữa gia số ứng suất hữu hiệu 'và gia số biến dạng ' như sau :

Hình 2.8 – hệ trục tổng quát và quy ước dấu

Trong Plaxis, 3 thành phần ứng suất chính hữu hiệu được sắp xếp theo thứ tự:

Hình 2.9 – không gian ứng suất chính

Để thuận lợi người ta định nghĩa các bất biến ứng suất, là các đại lượng ứng suất độc lập với hướng của hệ trục toạ độ Thường dùng hai bất biến ứng suất sau:

II.2.2.2 Mô hình đất và các thông số

II.2.2.2.1 Mô hình Mohr – Coulomb (dẻo lý tưởng)

Tính dẻo là sự phát triển của biến dạng không hồi phục Để xác định trong quá

trình tính toán có xảy ra biến dạng dẻo hay không người ta đưa ra hàm giới hạn dẻo f,

đây là hàm ứng suất và biến dạng Một hàm giới hạn dẻo thường được biểu diễn trên mặt phẳng trong không gian ứng suất chính Mô hình dẻo thuần túy là một mô hình được tạo thành bởi một mặt cong giới hạn cố định, được xác định đầy đủ bằng các thông số của mô hình và không bị ảnh hưởng bởi biến dạng dẻo Đối với các trạng thái ứng suất được biểu diễn bằng những điểm nằm trong mặt cong giới hạn, thì ứng xử

của những điểm đó là đàn hồi và tất cả những biến dạng đều có thể phục hồi được

- Ứng xử đàn dẻo thuần túy :

Nguyên lý cơ bản của đàn dẻo là biến dạng và tốc độ biến dạng được phân tích thành 2 thành phần đàn hồi và dẻo:

Hình 2.10 – Quan hệ ứng suất-biến dạng trong mô hình đàn dẻo

e

D f g D d

D

''

Theo Koiter (1960) và các tác giả khác:

+

’

g +

’

g

2 1 1 p

- Các công thức sử dụng trong mô hình Mohr-Coulomb

Điều kiện giới hạn Mohr-Coulomb là phần mở rộng của định luật ma sát Coulomb cho trạng thái ứng suất tổng quát Thực tế, điều kiện này đảm bảo định luật

ma sát Coulomb tuân theo trong bất kỳ mặt phẳng của phần tử vật liệu

Điều kiện giới hạn Mohr-Coulomb đầy đủ bao gồm 6 hàm giới hạn và là hàm của các ứng suất chính:

 + ( + ) - c 0

f a      sin cos 

2

12

3 ' 2 '

3 ' 2

2 ' 3 '

2 ' 3

1 ' 3 '

1 ' 3

3 ' 1 '

3 ' 1

2 ' 1 '

2 ' 1

1 ' 2 '

1 ' 2

Hình 2.11 – Mặt giới hạn Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính

(c=0)

 Hai thông số mô hình đàn hồi trong hàm giới hạn rất phổ biến là góc ma sát φ

và lực dính c Các hàm giới hạn này được thể hiện bằng hình nón 6 cạnh trong không gian ứng suất chính

 Trên cơ sở các hàm giới hạn, 6 hàm thế năng dẻo được xác định cho mô hình Mohr-Coulomb như sau:

     sin

2

12

3 ' 2 '

3 ' 2

2 ' 3 '

2 ' 3

1 ' 3 '

1 ' 3

3 ' 1 '

3 ' 1

2 ' 1 '

2 ' 1

1 ' 2 '

1 ' 2

3 + ( + )

 Các hàm thế năng dẻo có thông số dẻo thứ ba là góc giãn nở ψ, thông số này

đòi hỏi xác định biến dạng thể tích dẻo gia tăng, như thực tế quan sát thấy đối với đất chặt

 Đối với trường hợp c>0 , tiêu chuẩn Mohr-Coulomb chuẩn cho phép đất có

ứng xử kéo Ứng xử này bao gồm trong phân tích của Plaxis, khi đó ta có thêm

3 hàm giới hạn ứng suất cắt:

0

f '  t 

1

4 (2.62)

0

f '  t 

2

5 (2.63)

0

f '  t 

3

6 (2.64)

 Khi các hàm ứng suất cắt này được sử dụng thì ứng suất cắt cho phép t

được mặc định, và thường là bằng “0” Đối với trạng thái ứng suất trong mặt phẳng giới hạn, ứng xử đàn hồi tuân theo định luật Hooke đàn hồi tuyến tính

đẳng hướng Ngoài những thông số thể hiện tính dẻo (c, φ, ψ), thông số đầu vào còn yêu cầu thêm module đàn hồi Young E và hệ số Poisson ν

Module đàn hồi (E):

Plaxis sử dụng thông số này như module độ cứng cơ bản trong mô hình đàn hồi

và mô hình Mohr-Coulomb, nhưng một số module độ cứng khác có thể được chọn để thể hiện Độ cứng của module đàn hồi tỉ lệ với ứng suất Trong cơ học đất, độ dốc đơn

vị thường cho ta biết E 0 là module cát tuyến ở 50% độ bền được ký hiệu là E 50