Phân tích ứng xử của cọc đơn và cọc trong nhóm khi chịu tải trọng ngang

Thực tế các nghiên cứu cho thấy, lực ngang tác dụng lên các cọc làm việc trong nhóm không giống nhau, và phụ thuộc vào kích thước cọc, vị trí cọc trong nhóm, hướng tác dụng của tải trọng

Trang 1

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

- -

BÙI TRẦN ĐẠI

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CỌC ĐƠN VÀ CỌC TRONG NHÓM KHI CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ NGÀNH: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2012

Trang 2

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: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2012

Trang 3

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : BÙI TRẦN ĐẠI Giới tính : Nam

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MSHV : 09090295

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

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

(Học hàm, học vị, họ - tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng chuyên ngành thông qua

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Hơn 2 năm trôi qua, là khoảng thời gian đủ dài mà em đã theo học cao học ngành Địa Kỹ Thuật Xây Dựng tại Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Hôm nay, em đã kết thúc tất cả các môn và hoàn thành Luận văn Thạc sĩ này là phần lớn nhờ sự giảng dạy và hướng dẫn nhiệt tình và đầy lương tâm trách nhiệm của các Thầy Cô phụ trách môn học của Ngành Cuối cùng em đã hoàn

thành Luận văn Thạc sĩ với đề tài: Phân tích ứng xử của cọc đơn và cọc trong

nhóm khi chịu tác dụng của tải trọng ngang Luận văn này sự tổng kết các kiến

thức đã học và sự nổ lực của bản thân trong việc nghiên cứu một đề tài khoa tương đối mới đồng thời cũng là nền tảng để em em nghiên cứu tiếp sau này Với tấm lòng một Kỹ sư và Học viên cao học sắp thành Thạc sĩ, em xin được gởi lời nói của mình:

 Sự kính trọng, và cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS TS VÕ PHÁN đã hướng dẫn động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Sự hướng dẫn nhiệt tình và rất chuẩn mực của Thầy đã mở ra và tạo cho em hướng đi mới trong việc tìm tòi và nghiên cứu một vấn đề khoa học

 Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến Thầy TS PHAN DŨNG người đã giúp cho em rất nhiều tài liệu bổ ích và ý kiến cho công việc thực hiện luận văn này

 Cảm ơn Bộ môn Địa cơ Nền-Móng, quý Thầy Cô trong Bộ môn cũng như trong Khoa Kỹ thuật Xây dựng đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt Luận văn Thạc sĩ này

 Cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học và Trường Đại học Bách Khoa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn tất khoá học này

 Và cuối cùng niềm động viên tinh thần lớn nhất để tôi hoàn thành tốt Luận văn Thạc sĩ này là gia đình, đặc biệt là Ba Mẹ, đã không ngại khó khăn nuôi dưỡng và luôn hy vọng kết quả thành tích học tập ở tôi Con xin chân thành cảm ơn Ba Mẹ, gia đình đã giúp đở con hoàn thành khóa học, và Luận văn Thạc sĩ này là món quà cao quí nhất mà con xin tặng cho gia đình

Với khả năng và sự hiểu biết của tôi hiện tại chắc chắn sẽ không tránh được những sai lầm nhất định xin quý Thầy Cô và độc giả bỏ qua và chỉ dẫn cho tôi trong việc hoàn thiện hơn nữa vốn kiến thức của mình

Trân trọng kính chào!

Bùi Trần Đại

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Tên đề tài: “ Phân tích ứng xử của cọc đơn và cọc làm việc trong nhóm khi chịu

tác dụng của tải trong ngang”

Tóm tắt:

Các công trình cầu, cảng và nhà cao tầng thường được đặt trên các hệ móng cọc Ngoài tải trọng đứng, tải trọng ngang tác dụng lên cọc cũng đóng vai trò quan trọng và cần được xét đến trong quá trình thiết kế Thực tế các nghiên cứu cho thấy, ứng xử của từng cọc khi làm việc trong nhóm không giống nhau và phụ thuộc vào

vị trí của cọc trong nhóm, kích thước nhóm cọc, cũng như hướng tác dụng của tải trọng ngang

Nghiên cứu thực hiện trong luận văn này nhằm hướng đến sự hiểu biết rõ hơn về ứng xử của nhóm cọc khi chịu tải trọng ngang với 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

Kết quả nghiên cứu cho thấy phù hợp với thực tế phản ánh được sự làm việc của cọc và đất nền, xác định được mối quan hệ giữa hệ số nhóm G và khoảng cách giữa các cọc cho công tác thiết kế móng cọc

Trang 6

as direction 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

The results of sudies infer exactly the practical working condition of pile in soil foundation; it is given the correlation between piles distance and lateral group

of pile efficiency G for pile design working and construction practice of engineers

Trang 7

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỌC ĐƠN VÀ CỌC TRONG NHÓM CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 1.1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 4

1.1.1 Mô hình nền Winkler (phương pháp hệ số nền) 4

1.1.2 Lời giải của 1 số tác giả 6

1.1.3 Phương pháp đường cong p-y 10

1.1.4 Lý thuyết đàn hồi ( Xấp xỉ côngtinum đàn hồi) 14

1.1.5 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 15

1.2 CÁC VẤN ĐỀ VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC TRONG NHÓM CHỊU TẢI TRỌNG NGANG ( Trong đất dính và đất rời) 16

1.2.1 Ảnh hưởng của tải trọng ngang tác dụng lên cọc trong nhóm 17

1.2.2 Sức chịu tải giới hạn của nhóm cọc khi chịu tải trọng ngang (theo Davisson, Oteo-Prakash-saran) 19

1.3 CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHO CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG ĐÃ ĐƯỢC THỰC HIỆN 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG XỬ CỌC ĐƠN VÀ CỌC TRONG NHÓM KHI CHỊU TẢI TRỌNG NGANG TRÊN CƠ SỞ ĐỀ NGHỊ 2.1 PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ PHẢN LỰC NỀN VÀ XẤP XỈ ĐÀN HỒI 26

2.1.1 Theo phương pháp xấp xỉ phản lực nền: Reese &Matllock-1957 26

2.1.2 Theo phương pháp xấp xỉ đàn hồi: Poulos-1971 36

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CONG p-y 44

2.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán 44

2.2.2 Phân tích các dạng đường cong p-y cho từng loại đất ( theo nghiên cứu của nhiều tác giả) 48

2.3 KẾT LUẬN – NHẬN XÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CONG P-Y 56

2.4 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH) 57

2.4.1 Phần mềm Plaxis 57

2.4.2 Phần mềm FB – Pier 65

Trang 8

ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

3.1 THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG CỌC CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 69

3.1.1 Đặc điểm địa chất khu vực tiến hành thí nghiệm 69

3.1.2 Cách xác định 1 vài thông số quan trọng phục vụ cho công tác thiết kế 70

3.1.3 Xác định các đặc trưng chống cắt và biến dạng 73

3.1.4 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 74

3.1.5 Đặc điểm cọc tiến hành thí nghiệm 75

3.1.6 Quy trình tiến hành thí nghiệm 75

3.1.7 Kết quả thí nghiệm 80

3.1.8 Xử lý số liệu thí nghiệm 82

3.1.9 Nhận xét kết quả thí nghiệm 82

3.2 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 82

3.2.1 Tổng quan 82

3.2.2 Kết quả tính toán và phân tích 86

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 91

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỌC TRONG NHÓM CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 4.1 TỔNG QUAN 93

4.2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 100

4.2.1 Số liệu đầu vào và quy ước tên gọi 100

4.2.2 Phân phối tải trọng ngang lên từng cọc trong nhóm cọc 101

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA KHOẢNG CÁCH CỌC ĐẾN ỨNG XỬ CỦA NHÓM CỌC 127

4.4 PHÂN TÍCH HỆ SỐ NHÓM CỌC 129

4.4.1 HỆ SỐ NHÓM CỌC Ge 129

4.4.2 PHÂN TÍCH HỆ SỐ fm 132

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 137

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

Trang 9

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1- Khái niệm Winkler của dầm nằm trên nền đất đàn hồi 5

Hình 1.2- Hệ lực và đường cong biến dạng của cọc 5

Hình 1.3- Mô hình cọc – đất và kết quả của bài toán 11

Hình 1.4- Quan hệ giữa tải trọng ngang p và chuyển vị ngang y (p-y) 11

Hình 1.5- Thí nghiệm lực kháng tổng (P) 12

Hình 1.6- Mô hình cọc đơn 12

Hình 1.7- Ứng suất tác động lên (a) Cọc, (b) đất xung quanh cọc 14

Hình 1.8a- Ứng xử của cọc đơn dưới tác dụng của tải trọng ngang 16

Hình 1.8b- Ứng xử của nhóm cọc dưới tác dụng của tải trọng ngang 16

Hình 1.9- Vùng ứng suất trong nhóm cọc 17

Hình 1.10- Ứng xử của nhóm cọc (vùng chập ứng xuất) Mặt bằng; b- Mặt cắt 17

Hình 1.11- Strain gages dùng để đo moment uốn trong cọc 21-22 Hình 1.12- Slope inclinometer dùng để đođộ nghiêng trong cọc 22

Hình 1.13- Mặt bằng thí nghiệm cọc đơn và nhóm cọc 22

Hình 1.14- Cọc đơn và Nhóm 9 cọc trước khi thí nghiệm 23

Hình 1.15- Nhóm cọc sau khi đào đất 23

Hình 1.16- Bê tông cọc bị phá hoại 23

Hình 2.1a- Biểu đồ của cọc chịu tải trọng ngang (a) Dầm trên móng đàn hồi, (b) Lý tưởng của Winkler, 26

Hình 2.1b- Biểu đồ của cọc chịu tải trọng ngang 27

Hình 2.2- Sơ đồ cọc chịu lực ngang và các biểu đồ chuyển vị - nội lực 29

Hình 2.3- Quy ước dấu dương của các đại lượng 29

Hình 2.4a- Hệ số của cọc có đầu tự do trong đất không dính (a) đầu tự do 32

Hình 2.4b- Hệ số của cọc có đầu tự do trong đất không dính (b) đầu cố định (Ft) 33

Hình 2.5- Chuyển vị, mô men và hệ số nền của cọc có đầu cố định (Ft) chịu tải trọng ngang: (a) Chuyển vị, (b) Mô men uốn, (c) Hệ số nền 34

Hình 2.6: Hệ số mô men và chuyển vị của cọc có đầu tự do trong đất với mô đun không đổi (a) Hệ số chuyển vị và mô men uốn của cọc có đầu tự do mang tải trọng ngang tại đầu và mô men bằng 0, (b) Hệ số của chuyển vị và mô men uốn của cọc chịu mô men tại đầu và lực ngang bằng 0 36

Hình 2.7- Giá trị của I’pH: đầu cọc tự do với mô đun đất biến đổi 38

Trang 10

Hình 2.9- Ảnh hưởng của hệ số chuyển vị F’p: đầu cọc tự do,

môđun đất biến đổi, và ảnh hưởng của phản lực đất 39

Hình 2.10- Mô men lớn nhất trong đầu cọc tự do với mô đun biến đổi của đất 39

Hình 2.11: (a) Giá trị của I’pF (b) Hiệu suất ảnh hường của hệ số F’pF với đầu cọc cố định, mô đun đất biến đổi theo độ sâu 40

Hình 2.12- Ảnh hưởng của IpH, IpM và IM với môđun không đổi (a) IpH so với KR cho cọc đầu tự do, (b) IpM và IM so với KR cho cọc đầu tự do 41

Hình 2.13- Ảnh hưởng của số IM so với KR cho cọc có đầu cố định trong đất dính 42

Hình 2.14- Mô ment lớn nhất trong cọc có đầu tự do 43

Hình 2.15- Các hệ số ảnh hưởng IF đối với đầu cọc cố định 43

Hình 2.16- Mô ment cố định ở đầu cọc có đầu cố định 44

Hình 2.17a, b- Mô hình làm việc của cọc và dạng đường cong p-y 44

Hình 2.17c- Mô hình phân chia cọc 44

Hình 2.17: Mô hình đường cong p-y của chuyển vị cọc 44

(2.17a) Hình dạng của đường cong tại độ sâu khác nhau x 44

(2.17b) Đường cong trên trục chuẩn, (2.17c) Mô hình chuyển vị của cọc 45

Hình 2.18- a) Ứng xử của đất ngoài mặt cắt ngang của cọc, b) Mô hình đường cong p-y 45

Hình 2.19- Sự phân bố ứng suất của cọc trước và sau khi chuyển vị ngang 46

Hình 2.20- Đặc trưng của đường cong p-y của tĩnh tải trong đất sét dưới mực nước ngầm 50

Hình 2.21- Giá trị không đổi As và Ac 51

Hình 2.22- Đất sét trên mực nước ngầm 52

Hình 2.23- Quan hệ p-y của đất cát 53

Hình 2.24- Đồ thị thể hiện giá trị Bi, và Ai 54

Hình 2.25- Cấu trúc chương trình Plaxis 59

Hình 2.26a- Mô hình nhóm cọc 4x4 59

Hình 2.26b- Mô hình nhóm cọc 4x4 60 Hình 2.27- Kết quả thí nghiệm ba trục thoát nước tiêu chuẩn và mô hình đàn dẻo 61 Hình 2.28- Quan hệ ứng suất và biến dạng trong mô hình nền đàn hồi - dẻo

Trang 11

Hình 2.29- Sự tương tự giữa quan hệ thể tích- áp lực và

quan hệ ứng suất – biến dạng trong mô hình nền Cam – clay 63

Hình 2.30- Giao diện chương trình FB-PIER 66

Hình 3.1- Mặt cắt địa chất và biểu đồ số đọc SPT theo độ sâu 69

Hình 3.2- Khối đối trọng dùng trong thí nghiệm 78

Hình 3.3- Cọc và thiết bị thí nghiệm đẩy ngang 79

Hình 3.4- Thiết bị kích thủy lực 79

Hình 3.5- Chuyển vị ngang lớn nhất của cọc theo các cấp tải 86

Hình 3.6- Chuyển vị ngang của cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 87

Hình 3.7- Mô ment của cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 88

Hình 3.8- Chuyển vị ngang của cọc theo phương pháp đường cong p-y 88

Hình 3.9- Mô ment của cọc theo phương pháp đường cong p-y 89

Hình 4.1a, b- Sơ đồ mặt phá hoại của nền đất phía trước cọc chịu tải ngang 93

Hình 4.2a, b- Sơ đồ phá hoại khối đất trước cọc ở độ sâu lớn (a) và sơ đồ tính toán xác định khả năng chịu tải ở độ sâu này (b) 94

Hình 4.3- Ứng xử của cọc làm việc theo nhóm khi chịu tải trọng ngang 95

Hình 4.4- Tác dụng tải ngang vào nhóm cọc có 1 hàng và 1 cột 95

Hình 4.5- Mô tả về thuật ngữ dùng để mô tả sự sắp xếp của nhóm cọc 96

Hình 4.6- Phân loại cọc trong nhóm 96

Hình 4.7- Quy trình phân tích ứng xử của cọc trong nhóm cọc chịu tải trọng ngang 97

Hình 4.8- Đường cong p-y cho cọc đơn và nhóm cọc 98

Hình 4.9- Mô hình phân loại và bố trí cọc điển hình 100

Hình 4.10- Hệ số phân bố tải trọng tác dụng lên nhóm cọc với khoảng cách cọc là 2D, tải tác dụng là 1600kN 102

Trang 12

khoảng cách cọc là 3D, tải tác dụng là 1600kN 104 Hình 4.15- Hệ số phân bố tải trọng tác dụng lên nhóm cọc với

khoảng cách cọc là 5D, tải tác dụng là 11200kN 110 Hình 4.28- Biểu đồ moment uốn của cọc biên ở các hàng trong

nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 3D, tải trọng ngang 1600kN 111 Hình 4.29- Biểu đồ moment uốn của cọc giữa ở các hàng trong

nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 3D, tải trọng ngang 1600kN 111

Trang 13

nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 3D, tải trọng ngang 3200kN 112 Hình 4.32- Biểu đồ moment uốn của cọc biên ở các hàng trong

nhóm cọc 4x4, khoảng cách cọc 3D, tải trọng ngang 6400kN 113 Hình 4.34- Biểu đồ moment uốn của cọc biên, hàng 1 trong

nhóm cọc 4x4, tải trọng ngang 1600kN 114 Hình 4.35- Biểu đồ moment uốn của cọc giữa, hàng 1 trong

nhóm cọc 4x4, tải trọng ngang 1600kN 114 Hình 4.36- Biểu đồ moment uốn của cọc biên, hàng 2 trong

nhóm cọc 4x4, tải trọng ngang 3200kN 119

Trang 14

nhóm cọc 4x4, tải trọng ngang 6400kN 125 Hình 4.58a, b, c, d- Biểu đồ và công thức tính toán hệ số nhóm cọc

phụ thuộc vào nhóm cọc và tỷ số khảng cách cọc/đường kính cọc (S/D) 128 Hình 4.59- Đường cong p-y cho cọc đơn và nhóm cọc 130 Hình 4.60a, b, c- Biểu đồ và công thức tính toán hệ số fm nhóm cọc

phụ thuộc vào nhóm cọc và tỷ số khảng cách cọc/đường kính cọc (S/D) 132

Trang 15

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1- Hệ số A của cọc dài (Zmax 5): đầu tự do 31

Bảng 2.2- Hệ số B của cọc dài (Zmax 5): đầu tự do 32

Bảng 2.3- Giá trị của hệ số uốn cọc theo loại cọc cho từng loại đất 42

Bảng 2.4- Giá trị 50 cho đất sét 49

Bảng 2.5- Giá trị k cho đất sét 51

Bảng 2.6- Giá trị k(N/cm3) cho đất cát 54

Bảng 2.7a- Liên hệ giữa các tham số trong mô hình Cam-Clay 63

Bảng 2.7b- Quan hệ theo thực nghiệm của Hà Lan 63

Bảng 2.7c- Quan hệ với các hệ số thông dụng khác 63

Bảng 3.1- Bảng kết quả thí nghiệm nén ngang lớp bùn sét 70

Bảng 3.2- Bảng kết quả thí nghiệm nén ngang lớp sét dẻo mềm 71

Bảng 3.3- Đặc trưng thành phần hạt của các lớp đất 73

Bảng 3.4- Đặc trưng cơ lý của các lớp đất 74

Bảng 3.5- Đặc trưng biến dạng và sức chống cắt của các lớp đất 74

Bảng 3.6- Bảng quy trình thí nghiệm các cọc 76

Bảng 3.6- Kết quả chuyển vị ngang theo các cấp tải trọng thí nghiệm 80

Bảng 3.7- Các thông số vật liệu cho cọc 83

Bảng 3.8- Các thông số của đất nền 84

Bảng 3.9- Thông số đầu vào cho phương pháp đường cong p-y 84

Bảng 4.1- Thuộc tính vật liệu của đất sét 101

Bảng 4.2- Thuộc tính vật liệu của cọc và đài cọc 101

Bảng 4.3- Hệ số phân phối tải trọng của 1 cọc 101

Bảng 4.4- Kết quả tính toán hệ số nhóm cọc được trình bày trong bảng 129

Bảng 4.5- Kết quả phân tích hệ số điều chỉnh fmi trong nhóm cọc chịu tải trọng ngang, Công thức theo dạng đường cong ln(S/D) 133

Trang 16

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cọc chịu lực ngang là 1 trong những vấn đề có ý nghĩa quan trọng nhất trong tính toán thiết kế móng cọc, đặc biệt là các công trình mà ở đó tải trọng ngang là chủ yếu và có giá trị lớn

Thông thường các cọc đơn được liên kết với nhau thông qua đài cọc để tạo thành 1 hệ thống chịu lực gọi là nhóm cọc Do đó khi xét sự làm việc của cọc chịu tải trọng ngang ta phải xét đến sự làm việc của toàn bộ nhóm cọc Sự làm việc chung của nhóm cọc và đất nền xung quanh các cọc trong nhóm là vấn đề khá phức tạp Ngoài ra, để xét sự tương tác của đất nền xung quanh cọc tốt nhất là xét sự làm việc của 1 cọc đơn, mỗi 1 cọc đóng vai trò rất là quan trọng Do đó để đơn giản và tìm hiểu thật kỹ, chính xác sự là việc của đất nền xung quanh cọc, ta sẽ nghiên cứu

từ sự làm việc của cọc đơn

Vấn đề về sự làm việc của cọc khi chịu tải trọng ngang đã được rất nhiều tác giả nghiên cứu trong lĩnh vực này nhằm để xác định sức chịu tải cũng như sự phân

bố áp lực xung quanh cọc, nội lực của từng cọc Thực chất tải trọng công trình tác dụng xuống móng cọc có giá trị rất lớn Do đó khi thiết kế người ta dùng nhóm cọc được liên kết với nhau bởi đài cọc và cùng nhau làm việc gánh đỡ tải trọng tác dụng xuống móng

Thực tế các nghiên cứu cho thấy, lực ngang tác dụng lên các cọc làm việc trong nhóm không giống nhau, và phụ thuộc vào kích thước cọc, vị trí cọc trong nhóm, hướng tác dụng của tải trọng 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 không chính xác tải trọng ngang tác dụng lên cọc

và hệ số an toàn được chọn

Cùng với thí nghiệm hiện trường, thí nghiệm mô hình máy li tâm đối với cọc, phương pháp nghiên cứu cọc chịu tải trọng 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

Với những quan điểm này, tác giả đã tiến hành: phân tích ứng xử của cọc

đơn và cọc trong nhóm khi chịu tải trọng ngang nhằm tìm ra hệ số nhóm G đánh

giá sức chịu tải của các cọc thành phần của các nhóm cọc khác nhau, tìm ra quy luật

Trang 17

phân phối tải trọng ngang giữa các cọc trong nhóm, ảnh hưởng khoảng cách giữa các cọc trong nhóm đến ứng xử của nhóm cọc Ngoài ra phân bố nội lực cọc trong nhóm phụ thuộc vào phương và chiều, vị trí đặt lực của tải trọng ngang, các cọc ở những vị trí khác nhau thì khác nhau, do đó tìm ra quy luật bố trí cọc và kích thước cọc phù hợp để nội lực của các cọc trong nhóm là tương đương nhau

Vì vậy việc phân tích ứng xử của cọc đơn và cọc trong nhóm khi chịu tải

trọng ngang là rất cấp bách và cần thiết cho kỹ thuật xây dựng, đặc biệt dành cho

kỹ thuật móng cọc ở Việt Nam cũng như thế giới

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp các nghiên cứu đã có về ứng xử của cọc đơn và cọc trong nhóm khi chịu tải trọng ngang

 Thí nghiệm ngoài hiện trường trên cọc đơn thực chịu tải trọng ngang

 Thí nghiệm đất trong phòng và hiện trường để xác định các thông số đầu vào phù hợp cho việc phân tích bài tóan bằng phương pháp số

 So sánh-phân tích kết quả thực nghiệm, kết quả tính toán bằng phương pháp

số, và những kết quả đã có ở những nghiên cứu trước của các tác giả trên thế giới

 Trên cơ sở đó phân tích, kiến nghị và đề xuất 1 số vấn đề về ứng xử của cọc đơn và cọc trong nhóm cũng như toàn hệ nhóm cọc dưới tải trọng ngang III TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Với hướng nghiên cứu của tác giả về đề tài phân tích ứng xử của cọc đơn và cọc trong nhóm khi chịu tải trọng ngang là phù hợp với xu hướng nghiên cứu về móng cọc ở Việt nam cũng như trên thế giới

Nghiên cứu giúp người thiết kế có cái nhìn cụ thể hơn về ứng xử của cọc đơn

và cọc trong nhóm chịu tải trọng ngang để từ đó có thể phục vụ cho công tác thiết

kế móng cọc khi chịu tải trọng ngang đồng thời có các biện pháp trong việc thiết kế cũng như đánh giá mức độ phá hoại của công trình

IV TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay trên thế giới giải pháp nền móng hợp lý cho các công trình cao tầng, các công trình cầu, cảng, trụ điện, ăngten và các công trình giàn khoan là giải pháp móng cọc với nhiều cọc trong móng cùng làm việc với nhau và được liên kết vào đài cọc hay mố cầu…với các công trình trên tải trọng ngang tác dụng xuống

Trang 18

móng cọc tương đối lớn Do đó trong đề tài nghiên cứu tác giả là phân tích ứng xử

của cọc đơn và cọc trong nhóm khi chịu tải trọng ngang nhằm tìm ra hệ số phân

phối tải trọng ngang lên từng cọc trong nhóm và hệ số nhóm Ge phục vụ cho việc thiết kế các công trình thực khi chịu tải trọng ngang Vì vậy đề tài này mang tính thực tiễn góp phần vào việc thiết kế hay nghiên cứu về cọc và nhóm cọc chịu tải trọng ngang

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

V GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

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

Các kết quả thí nghiệm kiểm chứng ngoài hiện trường chưa được tiến hành nhiều để có kết quả phân tích, so sánh tốt hơn

Nội dung nghiên cứu chỉ mới được tiến hành trên 1 vùng địa chất nhỏ, chưa đại diện cho toàn bộ địa chất khu vực Tp HCM Do đó cần mở rộng nghiên cứu ứng

xử của nhóm cọc chịu tải trọng ngang cho các vùng trong khu vực

Trang 19

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỌC ĐƠN VÀ CỌC TRONG NHÓM

CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

1.1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ĐƠN CHỊU TẢI TRỌNG NGANG

( Trong đất dính và đất rời):

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

Trừ 1 vài phương pháp riêng biệt, tất cả các phương pháp có thể quy về ba loại chủ yếu sau:

 Loại thứ 1: dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn của môi trường rời (nền làm việc trong giai đoạn cân bằng giới hạn)

 Loại thứ 2: dựa vào lý thuyết nền biến dạng cục bộ ( các phương pháp hệ

số nền) ( nền làm việc trong giai đoạn đàn hồi)

 Loại thứ 3: dựa vào lý thuyết nền biến dạng tổng quát ( nền làm việc trong giai đoạn đàn hồi)

 Với các phương pháp phân tích cọc chịu tải trọng ngang trên có thể được

 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Plaxis, FB-Pier

 Nhìn chung 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

 Hệ kết cấu làm việc ổn định

1.1.1 Mô hình nền Winkler (phương pháp hệ số nền)

Theo mô hình này đất nền xung quanh cọc được xem như môi trường đàn hồi tuyến tính Nền đất xung quanh cọc là nền mang tính liên tục được thay thế bởi một nền đất rời rạc và mang tính quy ước Sự tham gia làm việc của đất nền có thể thay

Trang 20

thế bằng các liên kết chống chuyển vị ngang và được biểu diễn bằng các lo xo độc lập riêng lẻ có độ dài như nhau và có độ cứng bằng hệ số nền K0

Hình 1.1- Khái niệm Winkler của dầm nằm trên nền đất đàn hồi (sau khi Winkler 1867)

Hình 1.2- Hệ lực và đường cong biến dạng của cọc

Khi đó mối quan hệ giữa chuyển vị ngang của cọc y và phản lực đất nền xung quanh cọc pzy có thể biểu diễn bởi phương trình sau:

Gối đàn hồi

Trang 21

 Pzy : phản lực ngang của đất nền trên 1 đơn vị chiều dài 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 :

y d I

Trong đó:

 Ep : module đàn hồi của cọc

 Ip : môment quán tính của cọc

hệ số nền tại “mặt đất” khác không và biến đổi tuyến tính theo chiều sâu-bài toán

này được GS.TS Lê Đức Thắng giải quyết

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

 Môdule 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

 Không xét được ảnh hưởng của tải trọng bên đến chuyển vị ngang của điểm ta đang xét

 Khi dùng mô hình này chưa xét đến tính liên tục của đất nền

 Liên kết giữa cọc và đất được mô hình thành các lò xo đàn hồi tuyến tính độc lập nhauvà do đó, chuyển vị tại 1 điểm không phụ thuộc vào chuyển vị

và ứng suấttại các điểm khác dọc theo thân cọc (Jamiolkowski and Garassino 1977)

1.1.2 Lời giải của 1 số tác giả

1.1.2.1 Theo lời giải của Matlock & Reese (1960):

 Tính toán cho đất rời: cọc có chiều dài L, tải ngang Qg, Mô men Mgtác dụng ngay tại mặt đất (z=0)

Trang 22

Chuyển vị cọc theo độ sâu:

p p

g x p p

g x

I E

T M B I E

T Q A z x

2 3

p

g

I E

T M B I E

T Q A

I E

T 

 Khi L>=5T: móng cọc được xem như loại cọc dài

 Khi L<=2T: móng cọc được xem như loại cọc ngắn (cứng)

 Nk: là giá trị đại diện của đất nền, được xác định dựa vào thí nghiệm hay tham khảo bảng tra

1.1.2.2 Theo lời giải của Davison & Gill:

 Tính toán cho đất dính: cọc được ngàm cứng trong đất dính

Chuyển vị cọc theo độ sâu:

p p

g x p p

g x

I E

R M B I E

R Q A z x

2 ' 3 '

)

Góc nghiêng theo độ sâu:

p p g p

p

g

I E

T M B I E

T Q A

Trang 23

 k: module phản lực nền cho đất sét, không đổi theo chiều sâu

Theo Vesic (1961) kiến nghị k cho đất dính:

2 12

4

1

65.0

s s p p

I E

B E k

0 1 2

0 1 0 1 0

)

I E

Q C I E

M B A

y z y

0 2 2

0 2 0 2 0

)(

D I E

Q C

I E

M B A

y z

0 3 2

0 3 0 3 0 2

)(

D I E

Q C I E

M B A

y I E

z M

b b

0 4 2

0 4 0 4 0 3

)(

D I E

Q C

I E

M B A

y I E

z Q

b b

Trong đó các công thức trên A i , B i , C i , D i đã được thành lập bảng sẵn

1.1.2.4 Lời giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM):

Palmer & Thomson (1948) đã đề xuất phương pháp sai phân hữu hạn (FDM)

để giải bài toán cọc chịu lực ngang Sau đó phương pháp này được các tác giả phát

Trang 24

triển: Gleser (1953); Howe (1955); Reese & Matlock (1956,1960); Parker & Cox (1969)

Cọc có độ cứng EI thay đổi chịu cả lực ngang và lực dọc trục

Hệ số nền biến thiên tuyến tính theo chiều sâu (K=k0.z)

Các phương trình sai phân được sử dụng để xác định hình dạng chuyển vị của cọc Khi đã xác định được dạng chuyển vị, mômen, lực cắt và phản lực nền có thể tính toán được từ các phương trình tương đương

Các phương trình cơ bản:

h

y y dx

2

22

h

y y y

y dx

2 2 ( )

2 4

y d EI

1 1

1 2

h V



) 2 ( )

dz

y d EI

Trang 25

Nếu cọc được chia thành n đoạn, ta sẽ có n+1 phương trình, dẫn đến n+5 ẩn

số Để giải các ẩn số ta cần 4 phương trình điều kiện biên: 2 tại mũi cọc, và 2 tại đầu cọc

Các phương trình điều kiện biên cho mũi cọc:

Giả sử mômen tại vị trí mũi cọc =0, hay 2 0

2



dx

y d I

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:

y y

y h

R

t t t

t t

2 ) 2

2 (

2 3 2 1 1 2 1 1

1.1.3 Phương pháp đường cong p-y

Với sự phát triển của máy tính cá nhân và phương pháp phần tử hữu hạn, do vậy người ta thường tính toán cọc làm việc đồng thời với nền

Dưới tải trọng ngang, nền đất sẽ tương tác với cọc qua những gối đàn hồi theo phương ngang (các gối y1i, và y2i như hình vẽ) Cách tính khả năng chịu tải bên của cọc bằng phương pháp xấp xỉ phản lực nền có thể mở rộng ra ngoài miền đàn hồi khi đất đã bị chảy dẻo Quan hệ giữa phản lực nền ký hiệu p và chuyển vị ngang của gối đàn hồi ký hiệu y là: p=ky*y, với ky là độ cứng của gối đàn hồi theo phương

ngang Quan hệ giữa p và y gọi là “ đường cong p-y” Vấn đề này được nghiên

cứu bởi (Matlock, 1970; Reese và các cộng sự,1974; Reese và Welch, 1975, Bhushan và các cộng sự, 1979)

Trang 26

Như vậy, phương pháp này sử dụng PTHH kết hợp với mô hình nền Winkler (tức là mô hình nền bằng các gối đàn hồi làm việc độc lập) phi tuyến Tóm tắt của phương pháp như sau:

Hình 1.3- Mô hình cọc – đất và kết quả của bài toán

Chia cọc thành nhiều phần tử (đoạn) nhỏ như minh họa trên hình

Trên mỗi đoạn, tương tác giữa cọc và đất được mô hình bởi các gối đàn hồi Thông thường ta cần phải sử dụng máy tính để giải bài toán trên (do khối lượng công việc tính toán lớn) Hiện nay có rất nhiều phần mềm sử dụng phương pháp này như: COM624P; LTBASE, BMCOL76, LATPILE.UBC, FB-Pier…

Ta biết rằng đất không phải là vật liệu đàn hồi tuyến tính, vì vậy độ cứng của gối đàn hồi ngang (ky=p/y) không phải là hằng số như quan hệ tuyến tính như hình 4.2a mà giảm dần như trong quan hệ phi tuyến như hình 4.2b ( chuyển vị của cọc y càng lớn thì gối đàn hồi càng mềm

Hình 1.4- Quan hệ giữa tải trọng ngang p và chuyển vị ngang y (p-y)

Trang 27

Trong hình 4.2b đường cong A là dạng ứng xử hay gặp nhất đối với nhiều laọi đất, Đường cong B được gọi là cho đất giòn, ứng xử dạng này chỉ gặp với 1 số ít đất sét cứng dưới tác động của tải trọng động Hình dạng và độ dốc của đường cong không những phụ thuộc vào tính chất của đất, mà còn phụ thuộc vào độ sâu đoạn cọc đang xét, kích thước cọc, mực nước ngầm và dạng tải trọng (tĩnh hay động) Phương pháp đường cong p-y: 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 hiện ra

1 số loại đường cong p-y cho các loại đất cụ thể dựa vào thí nghiệm ngoài hiện trường cho cọc

Hình 1.5- Thí nghiệm lực kháng tổng (P) (Smith và Slyh, 1986)

Trang 28

Với:

 pu: là phản lực đất cực hạn trên 1 đơn vị chiều dài cọc

 y50: là chuyển vị ngang ứng với 1/2pu

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 môment của cọc

Để giải được phương trình đường cong p-y ta phải bổ sung thêm 4 phương trình, đó là các điều kiện biên, 2 trong số này là ở mũi cọc:

Giả sử mômen ở mũi cọc =0 từ đó: ( 2) 0

2



dx

y d EI

Tại vị trí mũi cọc x=L từ đó: V

dx

dy Q dx

y d

Phương pháp này là 1 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, đơn giản và cho kết quả phù hợp với thực tế (thí nghiệm hiện trường) Có thể sử dụng phương pháp này để phát triển mô hình số, tính toán cho trường hợp cọc chịu tải trọng lặp hay tải trọng ngang động

Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm:

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

Trang 29

 Phải được tính toán dựa vào các phần mềm máy tính vì khối lượng tính toán lớn

 Các đường cong p-y độc lập nhau, không phản ánh được sự liên tục của đất dọc theo chiều dài cọc

1.1.4 Lý thuyết đàn hồi ( Xấp xỉ côngtinum đàn hồi)

Poulos (1971a, 1971b) giả định xem đất là vật thể đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng với các thông số đàn hồi: Es, vs và cọc được mô phỏng là phần tử dầm, không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của cọc

Cọc được giả định là mảnh, có chiều dài L, bề rộng (hoặc đường kính) D, có

độ cứng EpIp không đổi Cọc được chia thành n+1 phần tử có độ dài như nhau, trừ phần tử ở đỉnh và mũi cọc là có chiều dài bằng /2

Để đơn giản cho tính toán ta không đưa vào trong tính toán ứng suất tiếp theo phương ngang giữa đất và mặt bên cọc

Thừa nhận rằng lực tác dụng trên mỗi phần tử P theo phương ngang là phân bố đều và không đổi theo chiều rộng cọc

Hình 1.7- Ứng suất tác động lên (a) Cọc, (b) đất xung quanh cọc (Poulos, 1971a)

Chuyển vị ngang của cọc được giả định bằng với chuyển vị ngang của đất và được biểu diễn bởi phương trình:

E d

Trang 30

Trong đó:

  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 Trong phép phân tích này Poulos (1971) đã cho các chuyển vị của đất và của cọc tại các tâm của phần tử bằng nhau Với 2 phần tử trên cùng và dưới cùng thì các chuyển vị này cần phải được tính toán Ta có thể xác định được chuyển vị ngang chưa biết tại từng phần tử bằng cách cho các chuyển vị của đất và của cọc tại các điểm cách đều nhau dọc theo cọc là bằng nhau và sử dụng điều kiện cân bằng Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là khó xác định được module Es của đất

Một yêu cầu nữa cần phải kiểm tra tại hiện trường việc áp dụng quan điểm lý thuyết này đối với bài toán thực tế

Hình thức của phương trình khác nhau phụ thuộc vào điều kiện biên đầu cọc Poulos and Davis (1980) đã thực hiện cho cọc có 1 đầu tự do và 1 đầu cố định cho 1

số loại đất khác nhau ( đất dính và đất rời)

1.1.5 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

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: Morh-Coulomb, Hardening soil, clay hay Soft Soil

Cam-Nhiều nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích: Mc Vay 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 dầm và phần tử cột, 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 phần tử hữu hạn cho cọc

và nhóm cọc chịu tải trọng ngang là xây dựng các chương trình thân thiện, trực quan cho công tác thiết kế thực tế

Trang 31

Phương pháp này tuy xét đến ứng xử của đất 1 cách toàn diện nhất nhưng có những nhược điểm sau:

- Tốn nhiều thời gian để nhập số liệu đầu vào và giải thích kết quả, và xác định các thông số này cũng cần các thí nghiệm phức tap hơn

- Mô hình phân tích 3D thích hợ hơn cho công tác nghiên cứu

1.2 CÁC VẤN ĐỀ VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC TRONG NHÓM CHỊU

TẢI TRỌNG NGANG ( Trong đất dính và đất rời)

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 giữa cọc-đất-cọc trong nhóm Khi 1 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 càng nhỏ, các vùng ứng suất này chồng lấp lên càng nhiều

Hình 1.8a- Ứng xử của cọc đơn dưới tác dụng của tải trọng ngang (Salgdo,

2008)

Hình 1.8b- Ứng xử của nhóm cọc dưới tác dụng của tải trọng ngang

(Salgdo, 2008)

Trang 32

HIỆU ỨNG MÉP

HIỆU ỨNG PHỦ KHOẢNG TRỐNG

CỌC

PHÍA SAU CỌC

HIỆU ỨNG PHỦ KHOẢNG TRỐNG PHÍA SAU CỌC

Hình 1.9- Vùng ứng suất trong nhĩm cọc

Hiệu ứng nhĩm cọc này dẫn đến sức kháng tải ngang của nhĩm cọc bị suy giảm Các cọc ở hàng đầu tiên ( từ trái sang – tải trọng ngang cũng hướng từ trái sang) chịu tải trọng ngang nhỏ hơn các cọc ở các hàng khác vì chúng khơng chịu tác dụng của hiệu ứng mép và hiệu ứng phủ

1.2.1 Ảnh hưởng của tải trọng ngang tác dụng lên cọc trong nhĩm

Khi cọc cùng nhau làm việc trong nhĩm thì sức chịu tải ngang giới hạn của nhĩm cọc sẽ giảm đi so với tổng sức chịu tải ngang giới hạn của từng cọc riêng lẻ

Sự giảm này là doc ác hiện tượng sau:

(a) (b)

Hình 1.10- Ứng xử của nhĩm cọc (vùng chập ứng xuất)

a- Mặt bằng; b- Mặt cắt

Trang 33

Xét mặt bằng, mặt cắt các nhóm cọc chịu tải trọng ngang Q tại mặt đất, cọc 1 làm căng đất phí ngoài của nhóm cọc, trong khi đó cọc 2, 3 làm căng đất phía trước chúng Như vậy vùng đất xung quanh trước cọc 1 có sức kháng biểu diễn qua hệ số nền K0 là lớn nhất, còn vùng đất xung quanh trước cọc 3 là nhỏ nhất

Ảnh hưởng của nhóm cọc chịu tải trọng ngang theo phương vuông góc với tải trọng ngang tác dụng:

+ Khi khoảng cách giữa các cọc rất gần nhau thì quả bầu ứng suất có dạng như hình a

+ Khi khoảng cách giữa các cọc xa nhau vẫn có sự chập các quả bầu ứng suất thành phần thì quả bầu ứng suất có dạng như hình b

+ Khi khoảng cách giữa các cọc xa nhau sao cho hoàn toàn không có sự chập của quả bầu ứng suất thành phần thì quả bầu ứng suất có dạng như hình c Tùy theo khoảng cách của các cọc theo phương vuông góc với tải trọng ngang tác dụng mà chiều sâu của các quả bầu ứng suất sẽ thay đổi làm ảnh hưởng đến sức chịu tải ngang của cọc cũng như là áp lực đất xung quanh cọc

Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc có cạnh B đến hoạt động nhóm của các cọc được đánh giá bằng việc xác định vùng hoạt động ứng suất trong đất theo lời giải của Boussinesq Mặt bằng ứng suất bầu 1/3 2/3 vùng dịch chuyển

Dựa theo vùng hoạt động ứng suất:

Trang 34

 zy: ứng suất tại một điểm trong đất theo phương ngang và theo chiều sâu trong bài toán phẳng

 p zy: áp lực ngang tác dụng lên cọc

Để các vùng hoạt động ứng suất do các cọc kề nhau gây ra không lồng với nhau ( không xảy ra sự chập ứng suất) thì khoảng cách giữa các cọc theo phương của tải trọng ngang tác dụng là khoảng 6B, theo phương vuông góc với tải trọng là 3B-4B

Ngoài ra nếu các cọc xếp thành hàng theo phương của tải trọng thì độ tăng áp lực lên mặt cọc phí sau cộng thêm với ứng suất nén ở phía sau của cọc trước, nhưng chuyển vị của cọc trước đã làm giảm ứng suất nén trong cùng vùng này Do đó giới hạn khoảng cách giữa các cọc theo phương tải trọng tác dụng sẽ là khoảng 8B

zy  0 1p zy

Kết luận: Để không có sự ảnh hưởng của nhóm cọc khi cùng nhau làm việc thì khoảng cách giữa các cọc theo phương tải trọng ngang tác dụng khoảng 8B và khoảng cách giữa các cọc theo phương vuông góc với tải trọng ngang tác dụng khoảng từ 3B-4B

1.2.2 Sức chịu tải giới hạn của nhóm cọc khi chịu tải trọng ngang

(theo Davisson, Oteo-Prakash-saran)

Theo Davisson:

Để xác định được khả năng chịu tải ngang của nhóm cọc cần phải giảm hằng

số hệ số phản lực nền k0 theo lời giải dựa trên mô hình nền Winkler:

Trang 35

Khoảng cách giữa các cọc theo phương tải trọng ngang

Hệ số giảm do nhóm đối với

Qu: Sức chịu tải ngang giới hạn của cọc đơn được xác định dựa theo

mô hình nền Winkler có xét đến sự giảm hằng số hệ số nền k0 theo bảng trên Theo Oteo – cho không đất dính:

Oteo đã thí nghiệm hàng loạt các nhóm cọc trên mô hình chịu tải trọng ngang

và đã rút ra giá trị hiệu quả nhóm Ge từ các kết quả thí nghiệm này

S: khoảng cách giữa các tâm cọc

B: đường kính hay chiều rộng cọc

Theo Prakash và saran – cho đất dính:

Đã thí nghiệm hàng loạt các mô hình nhóm cọc trong đất sét chịu tải trọng ngang Từ các thí nghiệm này đã rút ra được giá trị của hệ số nhóm Ge như sau:

Nhóm 2x2 Nhóm 3x3 Khuyến nghị

Trang 36

là phương pháp tốt nhất để nghiên cứu ứng xử của các cọc, song phương pháp này rất tốn kém và số lượng thí nghiệm hiện trường cho đến nay vẫn còn hạn chế Các thí nghiệm thường được tiến hành với cọc thí nghiệm là cọc ống thép, cọc BTCT, hay cọc thép hình với đầu cọc tự do hoặc đầu cọc được ngàm vào đài Thí nghiệm nhóm cọc thường đi kèm với thí nghiệm cho 1 cọc đơn để kiểm chứng Tải trọng thí nghiệm thường được đặt ở đầu cọc hoặc tại vị trí đài cọc đối với nhóm cọc, trong quá trình thí nghiệm có thể tăng tải trọng đến không phá hoại hoặc phá hoại cọc Tải ngang có thể thay đổi hướng và độ lớn cũng như được tác dụng lên nhóm cọc nhiều lần để nghiên cứu cọc chịu tải trọng lặp

Các thông số đo được trực tiếp hoặc gián tiếp từ thí nghiệm thường là chuyển

vị ngang và mômen tại các điểm dọc theo thân cọc, chuyển vị và góc xoay của đầu cọc hoặc đài cọc, hoặc chuyển dịch của đất nền xung quanh cọc

Trang 37

Hình 1.11- Strain gages dùng để

đo moment uốn trong cọc

Hình 1.12- Slope inclinometer dùng để đođộ nghiêng trong cọc

Hình 1.13- Mặt bằng thí nghiệm cọc đơn và nhóm cọc

Trang 38

Hình 1.14- Cọc đơn và Nhóm 9 cọc trước khi thí nghiệm

Hình 1.15- Nhóm cọc sau khi đào đất Hình 1.16- Bê tông cọc bị phá hoại

 Một số thí nghiệm hiện trường đã được thực hiện trên thế giới:

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 cọc, được tiến hành chịu tải ngang với khoảng cách giữa các cọc là 3.6D và 4.8D, với D là đường kính hay cạnh cọc.Thí nghiệm cũng được tiến hành với 2 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

Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc (Brown et al 1988)

Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc: kích thước 3x3 cọc trong đất cát chặt vừa, được tiến hành với khoảng cách giữa các cọc là 3D Cát có độ chặt tương đối

Df =50% Các cọc trong thí nghiệm chịu tải trọng lặp theo hai hướng khác nhau

Trang 39

Brown et al.(1988) kết luận rằng nhóm cọc chuyển vị nhiều hơn cọc đơn khi cọc đơn chịu cùng tải trọng ngang bằng tải trọng ngang trung bình tác dụng lê 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 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-ycho nhóm cọc Brown et al.(1988) đề nghị hệ số fm lần lượt

là 0.3, 0.4, 0.8 cho hàng cọc đầu tiên, hàng cọc giữa và hàng cọc sau cùng

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 et al (1997) tại vị trí cầu Roosevelt trên các cọc bê tông cốt thép dự ứng lực Hai nhóm cọc 4x4 cọc 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 kết quả Địa chất khu vực thí nghiệm bao gồm lớp cát rời đến độ sâu 4m và theo sau là lớp cát kết

Hệ số nhóm của nhóm cọc khi chịu tải trọng ngang được ghi nhận là 80% Hệ số fmcho hàng cọc đầu tiên và các hàng cọc tiếp theo sau nó lần lượt là 0.3, 0.3, 0.7, 0.8

Hệ số fm cho toàn bộ nhóm cọc là 0.55 Mô ment uốn lớn nhất của các cọc trong hàng đầu tiên nhỏ hơn so với các hàng cọc sau nó Ruesta & Townsend et al (1997) cũng kết luận rằng trong cùng 1 hàng, các cọc ngoài cùng chịu tải trọng nhiều hơn các cọc phía trong

Thí nghiệm hiện trường cho nhóm cọc: Rollins et al (1998)

Rollins et al (1998) tiến hành thí nghiệm cho nhóm cọc 3x3 cọc, với khoảng cách giữa các cọc là 2.82 lần đường kính cọc và đầu cọc được liên kết khớp Cọc được sử dụng là cọc thép có đường kính trong là 0.305m và bề dày 9.5mm Địa chất bao gồm lớp sét dẻo mềm phân bố phía trên lớp cát chặt Chuyển vi ngang của nhóm cọc trong thí nghiệm lớn gấp 2 lần chuyển vị ngang của cọc đơn chịu cùng tải ngang bằng tải trọng trung bình tác dụng lên từng cọc trong nhóm Hệ số fm cho hàng cọc đầu tiên và các hàng cọc tiếp theo sau nó lần lượt là: 0.43, 0.38, 0.6

Có thể rút ra một số kết luận nghiên cứu trước đây, và các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của nhóm cọc chịu tải trọng ngang:

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

Trang 40

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

 Điều kiện địa chất không ảnh hưởng nhiều đến hệ số nhóm cọc

 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 qua 5%D

Định dạng
Số trang	157
Dung lượng	15,62 MB