Công trình mô phỏng số đánh giá hiệu ứng nhóm cọc và tương tác cọc trong đất

Trang 3 Danh sách các ký hiệu trong plaxis 3d foudationKý hiệuGiải nghĩaĐơnvịp Sức kháng ngang của đất KN/m^2y Chuyển vị ngang của cọc mki Độ cứng ban đầu của đất KN/m^3pu, pult

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 🙢🕮🙠 CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2023 TÊN CÔNG TRÌNH Mô phỏng số đánh giá hiệu ứng nhóm cọc và tương tác cọc trong đất Sinh viên thực hiện: Tạ Hải Nam Nam XD2 21021217 Nguyễn Văn Phúc Nam XD2 21021225 Lê Khánh Toàn Nam XD2 21021243 Người hướng dẫn: Ts Nguyễn Ngọc Thắng 1 Lời cảm ơn Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện NCKH, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình và quý báu của các thầy, cô trong Bộ môn Trước tiên, nhóm nghiên cứu khoa học lớp K66XD2 xin chân thành cảm ơn Bộ môn Công nghệ Xây dựng – Giao thông và Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia đã tạo điều kiện cho chúng em được tham gia chương trình nghiên cứu khoa học sinh viên Đây là cơ hội cho Sinh viên chúng em được thử sức trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học bên cạnh phấn đấu hoàn thành tốt các môn học trong chương trình đào tạo của Nhà trường Nhóm nghiên cứu chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Ngọc Thắng, công tác tại Trường Đại học Thuỷ Lợi, là giảng viên thỉnh giảng của Bộ môn đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng và giúp cho chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học còn hạn chế nên nội dung của báo cáo cũng còn một số những hạn chế, nhóm chúng em rất mong nhận sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn để báo cáo được hoàn thiện hơn Chúng em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 3 năm 2024 Nhóm Sinh viên K66XD 2 Danh sách các ký hiệu trong plaxis 3d foudation Ký hiệu Giải nghĩa Đơn vị p Sức kháng ngang của đất KN/m^2 y Chuyển vị ngang của cọc m ki Độ cứng ban đầu của đất KN/m^3 pu, pult Sức kháng ngang cuối cùng của đất KN/m^2 yc, yu, y50 ye Độ võng cọc bên cuối cùng m Chuyển vị tối đa của cọc đối với phần tuyến tính m pe của đường cong p-y Sức kháng đất lớn nhất đối với phần tuyến tính của KN/ Z đường cong p-y m2 Zcr m ZR Độ sâu dưới bề mặt đất m D, d m ε50 Độ sâu tới hạn dưới bề mặt đất m độ sâu từ mặt đất đến đáy vùng kháng lực giảm Su KN/m^3 Np Đường kính cọc σz’ Biến dạng ở mức 50% ứng suất cắt tối đa trong thử KN/m J nghiệm ba trục không thoát nước không giới hạn Độ bền cắt không thoát nước KN/m^3 ‫’ץ‬ Hệ số sức kháng ngang cuối cùng của đất KN/ Suavg Ứng suất lớp phủ hiệu dụng ở độ sâu Z m2 Hệ số sức cản bên của API (1987) Giá ‫ץ‬avg trị bình thường từ 0,25 đến 0,8 KN/m^3 A Trọng lượng đơn vị hiệu quả của đất sức kháng cắt không thoát nước trung bình từ mặt đất bề mặt đến độ sâu Z trọng lượng đơn vị hiệu quả trung bình từ mặt đất đến độ sâu Z tham số thực nghiệm được sử dụng trong tiêu chí đất sét thống nhất 3 F đại diện hệ số suy giảm thực nghiệm của đất m sức mạnh phân hủy KNm2 Fs đại diện hệ số suy giảm thực nghiệm của đất KN/m^2 khả năng suy giảm sức mạnh cho tải tĩnh KNm2 Lc Chiều dài cọc tới hạn EpIp Độ cứng uốn của cọc KN/ Ep Mô đun đàn hồi Yoalung cho vật liệu cọc m2 Es Mô đun Young của đất KN/ Biến giả được sử dụng trong phương trình Beizer m2 u thay đổi từ 0 đến 1 KN/ Mô đun độ cứng cho tải trọng sơ cấp trong hệ m2 E thống thoát nước thử nghiệm ba trục Eoedref KN/m^3 Mô đun độ cứng của tải trọng sơ cấp trong thử KN/m^3 E ref ur nghiệm máy đo đường m Mô đun độ cứng để dỡ/tải lại ở nơi thoát nước kN ν thử nghiệm ba trục kN‐m ‫ץ‬sat Số mũ mô đun cho sự phụ thuộc ứng suất Tỷ lệ Poisson ‫ץ‬unsat Trọng lượng đơn vị bão hòa ϕ Trọng lượng đơn vị chưa bão hòa ψ Góc ma sát trong của đất V Góc giãn nở M Lực cắt tác dụng lên cọc ở độ sâu Z Mô men uốn ở độ sâu Z 4 Danh mục hình ảnh Hình 1: Cọc bê tông tiền chế 6 Hình 2: Móng cọc khoan nhồi BTCT 7 Hình 3: Tương tác cọc – đất cho các trường hợp cọc đơn và nhóm cọc 8 Hình 4.1: Khai báo tiết diện mô hình Hình 4.2: Mô hình 3D Hình 4.3:Khai báo mô hình lớp đất Hình 4.4; 4.5: Khai báo vật liệu Hình 4.6; 4.7: Khai báo vật liệu Hình 4.8: Chọn vật liệu đất Hình 4.9: Tạo polycurve Hình 4.10: Tạo thêm polycurve Hình 4.10: Tạo thêm polycurve Hình 4.11: Tạo surface cho polycurve Hình 4.12: Tạo thân cọc Hình 4.13: Tạo vùng bao quanh thân cọc Hình 4.14: Tạo surface cho mặt dưới của cọc Hình 4.15: Xóa polycurve và surface Hình 4.16: Tạo đài cọc và gán vật liệu cho đài cọc Hình 4.17; 4.18: Tạo interface cho đài cọc và cọc Hình 4.19: Gán tải trọng Hình 4.20: Tạo lưới Hình 4.21: Chọn điểm cần tính toán Hình 4.22: Thi công nền đất Hình 4.23: Thi công bê tông cọc Hình 4.24: Tính toán tải trọng Hình 4.25: Tính toán Hình 5: Hệ số hiệu ứng nhóm cọc (4 cọc) Hình 6: Hệ số hiệu ứng nhóm cọc (3D) Hình 7: Hệ số hiệu ứng nhóm cọc (6D) 5 6 Mở đầu 1 Giới thiệu Móng trên cọc bê tông cốt thép là một trong những giải pháp móng được sử dụng phổ biến nhất cho các công trình nhiều tầng hoặc nhà kho công nghiệp có tải trọng lớn Cọc bê tông cốt thép có khả năng chống xói mòn và truyền tải trọng từ kết cấu xuống các lớp đất bên dưới và xung quanh Cọc được hạ xuống các lớp đất sâu hoặc cọc khoan nhồi bằng cách đóng hoặc ép (cọc đúc sẵn) để tạo lỗ đổ bê tông (cọc khoan nhồi) và do đó làm tăng khả năng chịu lực của móng [1,2] Hình 1 tôi minh họa một số loại cọc bê tông cốt thép đúc sẵn thông dụng hiện nay, hình 2 minh họa chi tiết các bước thi công cọc khoan nhồi Để có thể chịu được tải trọng lớn thì móng cọc thường gồm một nhóm cọc Tuy nhiên, nếu khoảng cách giữa các cọc không đủ lớn sẽ xuất hiện hiện tượng ứng suất cắt chồng chất trong đất xung quanh cọc do ma sát ngang và sức kháng đầu cọc của cọc Thông thường ứng xử của cọc nhóm tải trọng thẳng đứng giả định khả năng chịu tải của nhóm cọc giảm đáng kể so với khi không xét đến hiệu ứng nhóm Vì vậy, khi tính toán số lượng cọc trong một nhóm (đầu cọc, dải cọc, bản cọc) phải xét đến hệ số suy giảm này Để tính toán ảnh hưởng của công việc nhóm đến khả năng chịu tải tổng thể của nhóm cọc, Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc [5] đưa ra hướng dẫn tính hệ số ảnh hưởng k Khi đó khả năng chịu tải tối đa của nhóm là (Pu)group = k.n.(Pu)single Khi cọc được đóng hoặc ép vào đất rời thô hoặc chặt vừa phải, đất được nén chặt, cải thiện thuế TTĐB của mỗi cọc thì k = 1 được lấy; Khi cọc được đóng hoặc ép vào đất dính, cấu trúc hạt thay đổi và thuế TTĐB giảm đi rất nhiều Sau thời gian nghỉ, cường độ cắt phục hồi nhưng khó đạt 100% nên giả sử k = 0,8-0.9 Đối với cọc khoan nhồi, quá trình khoan sẽ làm lỏng đất xung quanh cọc, từ đó làm giảm thuế TTĐB của cọc được khoan và các cọc liền kề Hơn quy trình đổ bê tông làm cho đất đầm chặt hơn nhưng không đáng kể nên lấy k = 0,65-0,75 đối với đất rời và k = 0,7-0.8 có dính đất a, Cọc BTCT đúc sẵn b, Cọc BTCT li tâm ứng suất trước c, Thi công ép cọc đối trọng Hình 1: Cọc bê tông tiền chế [1,2] 7 a, Khoan tạo lỗ b, Thi công hạ lồng thép c, Thi công bê tông cọc Hình 2: Móng cọc khoan nhồi BTCT [4] 2 Khái quát về đề tài Trong kết cấu móng cọc, khi cọc bố trí gần nhau chúng tác động ảnh hưởng qua lại thông qua tương tác cọc với đất, sự truyền tải của cả nhóm cọc xuống đất cũng khác nhiều so với cọc đơn, gây ra ảnh hưởng tới sức chịu tải của nhóm cọc Hiệu ứng do tác động qua lại giữa các cọc trong một nhóm được gọi chung là “hiệu ứng nhóm” Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu và phân tích hiệu ứng tương tác các cọc trong nhóm cọc móng cọc đài thấp chịu tải trọng nén tĩnh thông qua phương pháp tính trong mô hình 3D Nghiên cứu chỉ ra rằng khoảng cách cọc và số lượng cọc trong một đài ảnh hưởng khá rõ tới độ lớn của ứng suất trong các vùng chồng lấn làm thay đổi hiệu ứng nhóm trong một đài cọc Khi tăng khoảng cách cọc, hệ số ảnh hưởng nhóm giảm đi nhưng điều này sẽ gây bất lợi cho khả năng chịu lực của đài cọc Ngoài ra, nghiên cứu đưa ra so sánh về sự không đồng nhất kết quả giữa việc tính toán trong mô hình 3D và áp dụng công thức converse-labarre trong bài toán hiệu ứng nhóm cọc Chương 1: Tổng quan về hiệu ứng nhóm cọc 1.1.Hiệu ứng nhóm cọc và ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc 1.1.1 Khái niệm về hiệu ứng nhóm cọc Khi các cọc được đặt gần nhau sẽ xảy ra tương tác do lực tương tác của cọc với nền đất Khả năng truyền tải trọng của toàn bộ nhóm cọc xuống đất cũng rất khác so với cọc đơn, điều này ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của nhóm cọc Hiệu ứng này do sự tương tác giữa các ngăn xếp trong một nhóm được gọi là “hiệu ứng nhóm” [6-9] Theo [9], cọc trong một nhóm có hai tác dụng sau: Thứ nhất, làm thay đổi (chủ yếu là làm giảm) sức chịu tải của cả nhóm so với tổng sức chịu tải của cọc riêng lẻ; Thứ hai, “hiệu ứng bè” làm tăng diện tích truyền ứng suất Kết quả là độ lún của nhóm cọc lớn hơn nhiều so với độ lún của cọc đơn, đặc biệt khi có lớp đất yếu gần chân cọc Vì vậy, khi phân tích nhóm cọc cần kiểm tra độ an toàn ở giới hạn hư hỏng (khả năng chịu lực cho phép của nhóm cọc) và độ lún của nhóm cọc Mặt khác, kết quả thử tải cọc [4] cho thấy trong một nhóm cọc, khả năng chịu tải của cọc thay đổi ở phần tại các vị trí khác nhau 1.1.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc 8 Như đã nêu, khi khoảng cách giữa các cọc không đủ lớn sẽ hình thành trong vùng đất xung quanh các cọc hiện tượng chồng ứng suất, hình vẽ 3 [6] 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 tăng chuyển vị của nhóm cọc so với cọc đơn Độ lớn ứng suất trong vùng chồng ứng suất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng cách, chiều dài, hình dạng và số lượng cọc Ngoài ra, tải trọng tác dụng vào nhóm cọc và tính chất của nền đất xung quanh cũng sẽ chi phối phạm vi vùng ứng suất chồng này Để xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm cọc chịu tải trọng dọc trục, người ta thường sử dụng hai thông số là: Hệ số nhóm cọc (k): Kể đến sự giảm sức chịu tải của nhóm cọc so với tổng sức chịu tải của từng cọc đơn làm việc riêng lẻ; và tỷ số độ lún (RS): Kể đến sự gia tăng chuyển vị đứng (độ lún) của nhóm cọc so với cọc đơn làm việc trong điều kiện tương đương Để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm có thể bố trí gia tăng các khoảng cách cọc nhằm giảm độ lớn của ứng suất trong các vùng chồng lấn Tuy nhiên điều này sẽ gây bất lợi cho khả năng chịu lực của đài cọc (nhất là các dạng đài đơn dưới các cột của công trình) Nhóm cọc có thể bị phá hoại dưới tác dụng của tải trọng trung bình trên một cọc nhỏ hơn tải trọng phá hoại của cọc đơn Khả năng chịu tải của nhóm cọc có thể được xác định bằng việc xem xét sự phá hoại dọc theo chu vi của nhóm cọc Khả năng chịu tải của nhóm cọc ma sát trong đất là nhỏ hơn của 2 giá trị sau: Tổng tải trọng phá hoại của từng cọc; Tải trọng khi xét hoạt động của nhóm và sự phá hoại của cả nhóm như một trục dọc theo chu vi của nhóm cọc [8] Hình 3: Tương tác cọc – đất cho các trường hợp cọc đơn và nhóm cọc 1.2 Khả năng chịu lực của nhóm cọc 9 1.2.1 Khả năng chịu nén của nhóm cọc trong đất rời Trong tính toán kết cấu móng cọc hiện nay, chưa có một lý thuyết phù hợp được chấp nhận để xác định sức chịu tải (SCT) của nhóm cọc trong đất không dính, giả thiết tính toán bằng tổng tải trọng tập trung cực hạn của cọc đơn được xác định theo : Tải trọng cực hạn trung cực của nhóm cọc :Tải trọng tập trung cực hạn của nhóm cọc đơn n: số lượng cọc Việc tính toán nhóm cọc SCT sử dụng công thức này chỉ có thể áp dụng cho các nhóm cọc có khoảng cách giữa tâm cọc lớn hơn 3 lần đường kính cọc [5] Các nghiên cứu về tính năng làm việc của cọc trong một nhóm cho thấy lực ma sát ngang cực hạn của một nhóm cọc có thể lớn hơn tổng lực ma sát ngang của từng cọc vì diện tích đất nhỏ xung quanh cọc làm tăng mật độ lực nén ngang [7] Tuy nhiên, rất khó để xác định (định lượng) chính xác độ tăng của lực ma sát này Mức độ tăng ma sát ngang cực hạn của nhóm cọc có thể được sử dụng thông qua thí nghiệm hiện trường cho thấy khả năng chịu lực cực hạn của nhóm cọc trong đất không dính ít nhất phải bằng bằng khả năng chịu lực của các cọc được cấu thành, ngoại trừ trường hợp cọc nằm trong đất nén không có độ bám dính với lớp trầm tích mỏng [8] 1.2.2 Khả năng chịu nén của nhóm cọc trong đất dính Khác với đất rời, khi cọc trong đất dính nhóm gồm n cọc, nếu (Qv)ult là khả năng chịu tải cực hạn của cọc đơn và (QvG)ult là khả năng chịu tải cực hạn của nhóm cọc trong đất dính có: Terzaghi và Peck [7] và Meyerhof [8] chỉ ra rằng tải trọng giới hạn của một nhóm cọc nhỏ hơn tổng khả năng chịu tải tối đa của một cọc đơn do ảnh hưởng của nhóm cọc Phá hoại lớn của nhóm cọc do trượt đất dọc theo đường trong phạm vi tưởng tượng và chống đỡ trên mặt đất Khả năng chịu lực lớn nhất của nhóm cọc trong đất dính đối với trường hợp phá hoại nhóm cọc được xác định như sau: Nếu khoảng cách giữa các cọc lớn, lớn hơn sáu lần kích thước cọc thì được coi là rằng không có Tương tác Trong nhóm, tổng cường độ của cả nhóm có thể lấy bằng n lần cường độ của một cọc đơn Tương tự như cọc trong đất rời, không xét đến ảnh hưởng của nhóm Nếu các cọc được đặt đủ gần nhau thì tải trọng nhóm sẽ nhỏ hơn tổng khả năng chịu tải của từng cọc 10