Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Phân tích và đánh giá khả năng chịu tải của cọc có xét ảnh hưởng số lượng cọc trong nhóm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

INFLUENCE OF THE NUMBER OF PILES IN THE GROUP

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm Mã số ngành: 8580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS LẠI VĂN QUÍ

4 Phản biện 2: PGS.TS DƯƠNG HỒNG THẨM 5 Ủy viên: TS TRẦN VĂN TUẨN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS LÊ ANH TUẤN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐỖ PHẠM VIỆT KHÁNH MSHV: 2070528 Ngày, tháng, năm sinh: 25/04/1988 Nơi sinh: Trà Vinh Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm Mã số: 8580204 I TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG SỐ LƯỢNG CỌC TRONG NHÓM

ANALYSING AND EVALUATING THE BEARING CAPACITY OF PILES ACCOUNTING ON THE INFLUENCE OF THE NUMBER OF PILES IN THE GROUP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Tổng hợp, tính toán và phân tích hệ số nhóm cọc theo các phương pháp khác nhau

- Mô phỏng đánh giá khả năng chịu tải của cọc ở các vị trí khác nhau trong móng

- Mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của sự dịch chuyển của đất dưới đáy đài lên sự làm việc và ma sát giữa cọc và đất trong phạm vi ảnh hưởng dưới đáy đài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: …/…/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/6/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS LẠI VĂN QUÍ

Tp HCM, ngày… tháng… năm 2023

CÁN BỘ

HƯỚNG DẪN 1 HƯỚNG DẪN 2 CÁN BỘ CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN TS LẠI VĂN QUÍ PGS.TS LÊ BÁ VINH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Bùi Trường Sơn và TS Lại Văn Quí Các Thầy đã tận tình dẫn dắt, chỉ bảo, định hướng tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM đã giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong bộ môn Địa cơ – Nền móng và Khoa Kỹ thuật Xây dựng của trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là hành trang không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Xin chân thành cảm ơn!

Tp HCM, ngày 12 tháng 6 năm 2023

Đỗ Phạm Việt Khánh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nội dung chính của luận văn là phân tích và đánh giá hệ số nhóm cọc theo các phương pháp khác nhau và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D nhằm phân tích sâu hơn về ứng xử của đất nền và nguyên nhân phát sinh hệ số nhóm Kết quả cho thấy hệ số nhóm được phân tích và tính toán từ kết quả mô phỏng xấp xỉ kết quả do Braja M Das đề nghị (1998) Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng khả năng gánh tải của các cọc trong móng không đồng đều Ở đây, cọc ở giữa gánh tải ít nhất và cọc ở góc gánh tải nhiều nhất Sự suy giảm khả năng huy động ma sát nhiều nhất ở cọc giữa và cọc biên xảy ra trong phạm vi độ sâu xấp xỉ 1/2 bề rộng đài cọc (1/2B) Kết quả nghiên cứu giúp kỹ sư thiết kế có cái nhìn tổng thể về ứng xử của móng cọc để tính toán và bố trí cọc hợp lý hơn

ABSTRACT

The main content of the thesis is to analyze and evaluate the pile group coefficient of different methods and simulate using Plaxis 3D software for analyzation the behavior of the ground and the causes of the pile group coefficient The simulation results show that the group coefficients analyzed and calculated from the simulation results approximate to the results suggested by Braja M Das (1998) The simulation results show that the load carrying capacity of the piles in the foundation is not the same Here, the center piles carries the least load and the corner piles carries the most The greatest reduction in frictional mobilization in the center piles and side piles occurs within a depth range of approximately 1/2 the width of the pile raft (1/2B) The research results help the design engineer to have an overall view of the behavior of the pile foundation in order to calculate and arrange the piles more reasonably

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “Phân tích và đánh giá khả năng chịu tải của cọc có xét ảnh hưởng số lượng cọc trong nhóm” là công trình nghiên cứu cá

nhân của tôi trong thời gian qua Luận văn này được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Trường Sơn và TS Lại Văn Quí Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

MỘT SỐ KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN xv

1.1.2 Cơ chế làm việc của móng cọc 4

1.1.3 Điều kiện lựa chọn móng cọc 5

1.2 Các kết quả nghiên cứu ứng xử trong móng cọc 5

1.2.1 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng và tăng bền do lưu biến trong đất xung quanh cọc 61.2.2 Sự phân bố tải trọng giữa các cọc trong móng 14

1.2.3 Phân bố tải trọng giữa mũi và mặt hông cọc 19

2.1.1 Cao độ ngàm cọc trong đất 27

2.1.2 Khả năng chịu tải cọc theo vật liệu 28

2.2 Cơ sở tính toán khả năng chịu tải của cọc theo đất nền 29

2.2.1 Khả năng chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý đất nền 29

2.2.2 Khả năng chịu tải theo chỉ tiêu cường độ đất nền 35

2.2.3 Khả năng chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT (Theo phụ lục G.3 TCVN 10304:2014 [9]) 37

2.3 Cơ sở tính toán hệ số nhóm cọc 40

2.3.1 Hệ số nhóm theo công thức của Converse-Labarre (1941) [6], [10] 40

2.3.2 Hệ số nhóm theo nguyên tắc của Feld (1943) [6] 40

2.3.3 Hệ số nhóm theo Seiler và Keeney (1944) [11], [12] 41

2.3.4 Hệ số nhóm theo công thức của Sayed và Bakeer (1992) [6], [13] 42

2.3.5 Hệ số nhóm cọc theo công thức của Braja M Das (1998) [11], [14] 43

2.3.6 Hệ số nhóm theo Los Angeles Group Action [11] 43

2.3.7 Hệ số nhóm cọc theo tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 [9] 43

2.4 Nhận xét chương 2 44

45

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG SỐ LƯỢNG CỌC TRONG NHÓM 3.1 Giới thiệu công trình và điều kiện địa chất công trình 45

3.1.1 Giới thiệu công trình 45

3.1.2 Đặc điểm cấu tạo địa chất khu vực xây dựng 46

3.2 Phân tích đánh giá khả năng chịu tải của móng cọc 53

3.2.1 Khả năng chịu tải của cọc đơn 53

3.2.2 Kết quả nén tĩnh cọc đơn ở hiện trường 54

3.2.3 Hệ số nhóm và khả năng chịu tải của móng cọc 57

3.3 Mô phỏng sự làm việc của móng cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn 69

3.3.1 Chọn lựa đặc trưng cơ lý và mô hình mô phỏng 69

3.3.2 Mô phỏng móng cọc M5 gồm 5 cọc có xét đến sự phân bố khả năng gánh tải

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hiệu ứng tương tác giữa đất vá cấu trúc trong móng cọc của Katzenbach et al (1998) and Katzenbach et al (2000) [1] 4Hình 1.2 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng, tổng ứng suất, ứng suất hữu hiệu ở móng gồm 9 cọc sau 2 giờ sau khi đóng (a) và ở nhóm 9 cọc trong phạm vi giữa các cọc (b) theo thời gian 7Hình 1.3 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng ở tâm nhóm 4 cọc trước khi đóng (1) sau khi đóng (2) và sau 60 ngày (3) 9Hình 1.4 Sự thay đổi tổng ứng suất (1), áp lực lỗ rỗng (2) và ứng suất hữu hiệu (3) ở biên móng từ nhóm 4 cọc 9Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất dọc theo thân cọc trong quá trình hạ cọc ở một dãy móng cọc (a) và sau khi hạ cọc (b) ( h – độ sâu hạ cọc ) 10Hình 1.6 Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (Soderberg, 1962) 11Hình 1.7 Tóm tắt một số kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng (Poulos và Davis 1979) 12Hình 1.8 Lý thuyết phân tán cho tốc độ cố kết đất gần cọc 13Hình 1.9 So sánh biểu đồ thực nghiệm với lý thuyết về sự tăng tốc độ dính chặt 14Hình 1.10 Kết quả thí nghiệm KNCT nhóm 9 cọc (a) và cọc đơn (b) sau 6 ngày [3] 16Hình 1.11 Kết quả thí nghiệm KNCT sau 6 ngày móng gồm 9 cọc (a) và cọc được thí nghiệm riêng rẽ (b) [3] 17Hình 1.12 Kết quả nghiên cứu KNCT (a) và sự phân bố tải trọng giữa các cọc trong móng gồm 9 cọc (b) [3] 18Hình 1.13 Kết quả nghiên cứu sức kháng mũi và ma sát hông của cọc đơn sau 6 ngày (a) và 45 ngày (b) [3] 20Hình 1.14 Phân bố tải trọng sau 6 ngày giữa mũi và thành cọc góc (a); cọc giữa dãy biên (b) và cọc ở tâm (c) trong móng gồm 9 cọc [3] 21Hình 1.15 Kết quả nghiên cứu sức kháng mũi (a) và lực ma sát thành (b) cọc đơn và các cọc khác trong móng 9 cọc [3] 22

Hình 1.16 Kết quả nghiên cứu KNCT (a); sự phân bố tải trọng của thành và mũi cọc góc (b), tải trọng giữa mũi và thành cọc giữa dãy biên (c), tải trọng giữa thành và mũi

cọc ở tâm (d) của móng gồm 9 cọc (t=45 ngày) [3] 23

Hình 1.17 Vùng phân bố ứng suất xung quanh cọc đơn và nhóm cọc [6] 24

Hình 1.18 Phân loại nhóm cọc theo Viggiani và Randolph (1996) [7] 25

Hình 2.1- Biểu đồ xác định hệ số α 36

Hình 2.2 Biểu đồ xác định hệ số pvà fL, theo Semple và Rigden (1984) 40

Hình 2.3 Sơ đồ nhóm cọc 40

Hình 2.4 Xác định hệ số nhóm () theo nguyên tắc của Feld (1943) 41

Hình 3.1 Vị trí công trình “Khu nhà ở Minh Thông” 45

Hình 3.2 Mặt bằng vị trí các hố khoan 46

Hình 3.3 Mặt cắt địa chất công trình “Khu nhà ở Minh Thông” 52

Hình 3.4 Biểu đồ khả năng chịu tải của cọc theo các phương pháp 57

Hình 3.5 Mặt bằng móng công trình “Khu nhà ở Minh Thông” 58

Hình 3.6 Hình trụ hố khoan khảo sát đại chất HK1 60

Hình 3.7 Sơ đồ móng M5 trục A6-(6-7) 61

Hình 3.8 Mặt đứng móng M5 trục A6-(6-7) 61

Hình 3.9 Sơ đồ móng lõi thang MLT1 62

Hình 3.10 Mặt đứng móng MLT1 62

Hình 3.11 Biểu đồ khả năng chịu tải theo hệ số nhóm móng M5 68

Hình 3.12 Biểu đồ khả năng chịu tải theo hệ số nhóm móng MLT1 68

Hình 3.13 Mô hình cọc TP3 73

Hình 3.14 Mô phỏng trình tự gia tải cọc thử TP3 73

Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ tải trọng và độ lún theo thử tĩnh và mô phỏng cọc TP3 74

Hình 3.16 Mô hình cọc TP5 74

Hình 3.17 Mô phỏng trình tự gia tải cọc thử TP5 75

Hình 3.18 Biểu đồ quan hệ tải trọng và độ lún theo thử tĩnh và mô phỏng cọc TP5 75

Hình 3.19 Mô hình mô phỏng sự làm việc của móng M5 76

Hình 3.20 Tổng chuyển vị của móng M5 (uz = 30,8 mm) 77

Hình 3.21 Ứng suất cắt tương đối của đất nền 77

Hình 3.22 Khả năng gánh tải của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng M5 78

Hình 3.23 Biểu đồ lực dọc phân bố theo độ sâu của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng M5 tại cấp tải 100% 79

Hình 3.24 Biểu đồ lực dọc phân bố theo độ sâu của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng M5 tại cấp tải 200% 79

Hình 3.25 Chuyển vị vùng nền dưới đáy đài móng M5 (cấp tải 100%) 80

Hình 3.26 Chuyển vị vùng nền dưới đáy đài móng M5 (cấp tải 200%) 80

Hình 3.27 Biểu đồ phân bố sức kháng bên huy động (fi) theo độ sâu của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng M5 tại cấp tải 100% 81

Hình 3.28 Biểu đồ phân bố sức kháng bên huy động (fi) theo độ sâu của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng M5 tại cấp tải 200% 82

Hình 3.29 Sức kháng bên huy động trung bình của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng M5 tại cấp tải 200% 83

Hình 3.30 Mô hình mô phỏng sự làm việc của móng MLT1 84

Hình 3.31 Tổng chuyển vị của móng MLT1 (uz = 54,5 mm) 84

Hình 3.32 Ứng suất cắt tương đối của đất nền 85

Hình 3.33 Khả năng gánh tải của cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 86

Hình 3.34 Biểu đồ lực dọc phân bố theo độ sâu của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 tại cấp tải 100% 87

Hình 3.35 Biểu đồ lực dọc phân bố theo độ sâu của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 tại cấp tải 200% 87

Hình 3.36 Chuyển vị vùng nền dưới đáy đài ở dãy cọc biên, móng MLT1 (cấp tải 100%) 88

Hình 3.37 Chuyển vị vùng nền dưới đáy đài các ở dãy cọc biên, móng MLT1 (cấp tải 200%) 89

Hình 3.38 Chuyển vị vùng nền dưới đáy đài ở dãy cọc giữa, móng MLT1 (cấp tải 100%) 89

Hình 3.39 Chuyển vị vùng nền dưới đáy đài ở dãy cọc giữa, móng MLT1 (cấp tải 200%) 90Hình 3.40 Biểu đồ phân bố sức kháng bên huy động (fi) theo độ sâu của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 tại cấp tải 100% 91Hình 3.41 Biểu đồ phân bố sức kháng bên huy động (fi) theo độ sâu của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 tại cấp tải 200% 91Hình 3.42 Sức kháng bên huy động trung bình của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 tại cấp tải 200% 92Hình 3.43 Khả năng gánh tải của cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 tại cấp tải 160% 93Hình 3.44 Sức kháng bên huy động trung bình của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 tại cấp tải 160% 93Hình 3.45 Tổng hợp hệ số nhóm cọc theo các phương pháp khác nhau 94

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tải trọng thực tế lên cọc nhà 9 tầng dạng 1-P-447 18

Bảng 2.1 Hệ số tỉ lệ k (phục lục A, [9]) 28

Bảng 2.2 Cường độ sức kháng trên thân cọc fi 31

Bảng 2.3 Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất cf 32

Bảng 2.4 Các hệ số    1, 2, 3, 4 33

Bảng 2.5 Cường độ sức kháng qb của đất dính dưới mũi cọc nhồi 34

Bảng 2.6 Giá trị các hệ số k, ZL và N’q cho cọc trong đất cát 37

Bảng 3.1 Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 1a 46

Bảng 3.2 Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 1b 47

Bảng 3.3 Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 2a 48

Bảng 3.4 Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 2b 48

Bảng 3.5 Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 2c 49

Bảng 3.6 Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 2d 50

Bảng 3.7 Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 3 50

Bảng 3.8 Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc thử tĩnh đường kính 800 mm 53

Bảng 3.9 Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc thử tĩnh đường kính 1000 mm 53

Bảng 3.10 Khả năng chịu tải cực hạn của cọc theo lý thuyết 54

Bảng 3.11 Khả năng chịu tải cọc theo thí nghiệm nén tĩnh hiện trường cọc TP3 55

Bảng 3.12 Khả năng chịu tải cọc theo thí nghiệm nén tĩnh hiện trường cọc TP5 56

Bảng 3.13 Tổng hợp hệ số nhóm cọc  theo các phương pháp 66

Bảng 3.14 Tổng hợp khả năng chịu tải của móng theo các phương pháp 67

Bảng 3.15 Tương quan giữa trị số N và ’ theo các tác giả (đối với đất rời) [15] 69

Bảng 3.16 Hệ số poisson dựa vào các kết quả nghiên cứu 70

Bảng 3.17 Hệ số Rinter 71

Bảng 3.18 Tổng hợp đặc trưng cơ lý các lớp đất 71

Bảng 3.19 Thông số của cọc và đài 72

Bảng 3.20 Khả năng gánh tải của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng M5 78

Bảng 3.21 Khả năng gánh tải của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng MLT1 85

MỘT SỐ KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

c Sức chống cắt không thoát nước

E Module đàn hồi của vật liệu cọc

c d

N Khả năng chịu tải cho phép của cọc đơn

p Chu vi mỗi cọc ( )

R Khả năng chịu tải cực hạn của cọc đơn

S Khoảng cách giữa hai tim cọc

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Móng cọc là loại móng được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng dân dụng, cầu đường, thủy lợi Móng cọc là giải pháp nền móng có nhiều ưu điểm nổi bật về tính ổn định về khả năng chịu tải và độ lún, kinh tế về giá thành và đa dạng về phương pháp thi công

Sự làm việc ổn định của móng được quyết định chủ yếu chính là khả năng chịu tải của cọc Khi chịu tác dụng của tải trọng công trình, cọc phát huy khả năng chịu tải thông qua ma sát giữa thành cọc và đất và sức kháng mũi cọc Để chịu được tải trọng lớn hơn, móng cọc bao gồm nhiều cọc Trong tính toán kết cấu móng cọc theo mô hình đàn hồi tuyến tính, lực dọc trong cột truyền xuống đài cọc và phân bố lại trên các đầu cọc được xem tương đương nhau (bỏ qua moment và lực ngang tại chân cột) Nhưng trong thực tế, các cọc ở vị trí khác nhau trong một móng có thể gánh chịu tải trọng khác nhau do một số nguyên nhân

Mục tiêu của luận văn này là tính toán và mô phỏng ứng xử của móng cọc nhằm phân tích sự phân bố sức kháng của các cọc trong móng, khả năng mang tải của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng, từ kết quả mô phỏng phân tích nguyên nhân phát sinh hệ số nhóm cọc, từ đó đưa ra các kiến nghị nhằm áp dụng vào thực tiễn khi tính toán thiết kế móng cọc

Mục tiêu nghiên cứu

Phân tích sự phân bố lực dọc thân cọc theo độ sâu, khả năng huy động ma sát dọc theo thân cọc; khả năng mang tải của các cọc ở vị trí khác nhau trong móng; nguyên nhân phát sinh hệ số nhóm cọc

Phân tích sự ảnh hưởng của kích thước đài cọc lên sự phân bố ma sát trên thân cọc trong phạm vi đáy đài

Phương pháp nghiên cứu

Dùng phương pháp giải tích để tính sức chịu tải của cọc theo Tiêu chuẩn TCVN 10304:2014;

Phân tích đánh giá hệ số nhóm theo một số tác giả;

Dùng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) (phần mềm Plaxis 3D) để mô phỏng các móng cọc có kích thước khác nhau chịu tải trọng dọc trục, có đài tuyệt đối cứng Phục vụ phân tích sự phân bố khả năng gánh tải của các cọc ở các vị trí khác nhau trong móng;

Căn cứ vào kết quả giải tích tính sức chịu tải của cọc, hệ số nhóm cọc theo một số tác giả, sau đó tiến hành phân tích, so sách với phương pháp PTHH để đưa ra các kiến nghị phù hợp để có thể áp dụng vào thực tế tính toán thiết kế

Phạm vi nghiên cứu

Tính toán phân tích cho móng cọc của một công trình thực tế;

Nghiên cứu sử dụng móng cọc khoan nhồi có đài là tuyệt đối cứng, đài cọc chỉ chịu tải trọng dọc trục phân bố đều, khoảng cách giữa các cọc trong đài bằng 3d (d: đường kính cọc)

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: đề tài “Phân tích và đánh giá khả năng chịu tải của cọc có xét ảnh hưởng số lượng cọc trong nhóm” giúp cho người thiết kế có cái nhìn bao quát để đưa ra các cách bố trí cọc, chọn số lượng cọc trong đài cũng như kích thước đài cọc hợp lý hơn Giúp phân tích nguyên nhân khác biệt khả năng gánh tải của cọc ở các vị trí khác nhau trong móng so với khả năng gánh tải của cọc khi làm việc độc lập

Ý nghĩa thực tiễn: kết quả đạt được dùng để tính toán, thiết kế và bố trí cọc trong móng cho công trình thực tế hợp lý hơn

Khi phương án móng nông không còn thích hợp để gánh đỡ công trình hoặc do tải trọng quá lớn hoặc do lớp đất nền bên trên gần mặt đất là loại đất yếu, khả năng chịu tải kém Phương án móng sâu được xét đến để truyền tải trọng đến những lớp đất chịu lực tốt hơn thông qua các cọc, nhằm gia tăng khả năng chịu tải Móng cọc cho phép phát huy tối đa khả năng chịu lực của cọc, hạn chế độ lún cho công trình Móng cọc có nhiều ưu điểm so với các loại móng khác, như tận dụng được sự làm việc của đất nền, phát huy tối đa sức chịu tải của cọc, chịu được tải trọng lớn

Móng cọc là sự kết hợp của 3 yếu tố: cọc, đài cọc, đất Do đó ứng xử của móng cọc phụ thuộc vào sự tương tác giữa các phần tử móng và đất Katzenbach đã xác định được 4 loại tương tác như sau:

- Sự tương tác giữa cọc và đất - Sự tương tác giữa cọc và cọc - Sự tương tác giữa đất và đài cọc - Sự tương tác giữa cọc và đài cọc

Hình 1.1 Hiệu ứng tương tác giữa đất vá cấu trúc trong móng cọc của Katzenbach et al (1998) and Katzenbach et al (2000) [1]

qt: ứng suất tác dụng Qp: Tải truyền lên cọc qr: áp lực đất lên đáy móng (S-P) Tương tác giữa đất và cọc (S-R) Tương tác giữa đất và đài cọc (P-R) Tương tác giữa cọc và đài cọc (P-P) Tương tác giữa cọc và cọc

1.1.2 Cơ chế làm việc của móng cọc

Nghiên cứu tác động qua lại khi kể tới ảnh hưởng của đài cọc, nền đất dưới đáy đài và cọc cho thấy cơ cấu truyền tải trọng như sau:

- Sự làm việc của đài cọc: tải trọng từ công trình truyền xuống móng Đài cọc liên kết các đầu cọc thành một khối và phân phối tải trọng công trình xuống cho các cọc Sự phân phối này phụ thuộc vào việc bố trí các cọc và độ cứng kháng uốn (EJ) của đài Ở một mức độ nhất định nó có khả năng điều chỉnh độ lún không đều (lún lệch)

- Ảnh hưởng của nền đất dưới đáy đài: khi đài cọc chịu tác động của tải trọng một phần được truyền xuống cho các cọc chịu và một phần được phân phối cho nền

đất dưới đáy đài Tỷ lệ phân phối này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ cứng của nền đất, chuyển vị của đài, chuyển vị của cọc và việc bố trí các cọc

- Ảnh hưởng của cọc: cơ chế làm việc của cọc là nhờ được hạ vào các lớp đất tốt phía dưới nên khi chịu tác động của tải trọng đứng từ đài cọc nó sẽ truyền tải này xuống lớp đất tốt thông qua lực ma sát giữa cọc với đất và lực kháng mũi cọc làm cọc chịu kéo hoặc nén Trong quá trình làm việc cọc còn chịu thêm các tác động phức tạp khác như: hiệu ứng nhóm cọc, lực ma sát âm Do có độ cứng lớn nên cọc tiếp nhận phần lớn tải trọng từ đài xuống, chỉ có một phần nhỏ do nền tiếp nhận

Tóm lại, sự làm việc của đài cọc – cọc – nền đất là một hệ thống nhất làm việc đồng thời cùng nhau và tương tác lẫn nhau phức tạp Sự tương tác đó phụ thuộc vào độ cứng kháng uốn của đài cọc, tính chất của nền đất, độ cứng của cọc (khả năng chịu tải và bố trí cọc) Nhờ vào sự tương tác đó mà tải trọng được phân phối xuống nền đất gây ra chuyển vị của nền, chuyển vị này phân phối lại tải trọng cho kết cấu bên trên từ đó có tác dụng điều chỉnh chênh lún, giữ được ổn định không gian cho móng

1.1.3 Điều kiện lựa chọn móng cọc

Polous (2000) [2] đã chỉ ra điều kiện thuận lợi và không thuận lợi cho lớp đất bên dưới khi sử dụng cho móng cọc như sau:

Tình huống thuận lợi:

- Đất có cấu tạo bao gồm lớp sét tương đối cứng - Đất có cấu tạo bao gồm lớp cát tương đối dày Tình huống không thuận lợi:

- Đất có cấu tạo chứa các lớp sét mềm gần bề mặt - Đất có cấu tạo chứa các lớp cát không chặt gần bề mặt - Đất cấu tạo có tính chịu nén yếu ở độ sâu tương đối nông

- Đất cấu tạo có thể đã trải qua quá trình trương nở do các nguyên nhân bên ngoài

1.2 Các kết quả nghiên cứu ứng xử trong móng cọc

1.2.1 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng và tăng bền do lưu biến trong đất xung quanh cọc

Sự làm việc của cọc trong đất loại sét bão hòa nước, sự thay đổi áp lực nước trong lỗ rỗng và cốt đất có ý nghĩa quan trọng, sự phục hồi cấu trúc bị phá vỡ và tăng bền của đất dưới tác dụng của ứng suất hình thành do quá trình hạ cọc cũng thể hiện các ảnh hưởng Các hiện tượng này ảnh hưởng đáng kể lên khả năng chịu tải của cọc và thay đổi lực ma sát dọc thân cọc theo thời gian

Khi hạ cọc trong đất sét bão hòa nước, xảy ra sự dịch chuyển đất nền về các phương dưới tác dụng của ngoại lực lớn và tức thời Đất nền bị nén chặt trong khoảng thời gian ngắn Độ rỗng của đất giảm, tuy nhiên nước lỗ rỗng không kịp thấm ra để gây nén thể tích đất và các bọt khí, từ đó làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng, đặc biệt ở khu vực đất giữa các cọc Sau khi hạ cọc xảy ra hiện tượng chùng ứng suất tổng đến giá trị xác định, áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán đến áp lực thủy tĩnh và ứng suất trong cốt đất gia tăng đến giá trị không đổi

Khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư bằng không, tức là đất ở trạng thái tĩnh, lực ma sát dọc theo thân cọc đạt giá trị lớn nhất Trong quá trình xảy ra lưu biến, đồng thời xảy ra hiện tượng giảm bền do phá hoại cấu trúc và tăng bền do nén chặt, gia tăng ứng suất hữu hiệu

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

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

- Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu, tăng bền trong đất xung quanh cọc do ứng suất phát sinh trong quá trình hạ cọc, sự gia tăng khả năng chịu tải theo thời gian

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

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

Đầu tiên, các nghiên cứu trên mô hình móng cọc ở điều kiện trong phòng với đất phá hoại được thực hiện Sau đó, thí nghiệm ở hiện trường với đất ở trạng thái tự nhiên Hình 1.2 thể hiện các kết quả nghiên cứu sự thay đổi tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu dọc theo thân cọc trong đất xung quanh cọc đơn và cọc dưới móng Từ Hình 1.2a thấy rằng tổng ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng ở phần trên không đáng kể và tăng dần theo độ sâu Nghiên cứu cho thấy tổng ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng xung quanh móng cọc cao hơn đáng kể, đặc biệt ở khu vực giữa các cọc so với ở cọc đơn Càng xa cọc, ứng suất giảm dần Ở khoảng cách 6d từ cọc đơn, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư không xuất hiện, còn ở nhóm 9 cọc thì giá trị này đạt 30 – 35% áp lực trên bề mặt dọc theo thân cọc

Trên Hình 1.2b thể hiện kết quả thay đổi tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu theo thời gian ở nhóm 9 cọc Có thể thấy rằng tổng ứng suất bị chùng theo thời gian và đạt giá trị không đổi Áp lực nước lỗ rỗng tăng một ít ở giai đoạn đầu và sau đó tiêu tán hầu như đến áp lực thủy tĩnh

Hình 1.2 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng, tổng ứng suất, ứng suất hữu hiệu ở móng gồm 9 cọc sau 2 giờ sau khi đóng (a) và ở nhóm 9 cọc trong phạm vi giữa các cọc (b)

1, 2, 3 – áp lực lỗ rỗng ở biên “cọc – đất” ở cọc đơn, gần nhóm 9 cọc, giữa các cọc 1’, 2’, 3’ – tương tự cho tổng ứng suất

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

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

Để thực hiện nghiên cứu sự thay đổi áp lực lỗ rỗng do đóng cọc và theo thời gian, trong phạm vi mặt bằng thí nghiệm A, B, đóng cọc dài 5 – 9 m, tiết diện 30 x 30 và 35 x 35 cm; các cọc trong nhóm từ 4, 6, 9 cọc với khoảng cách cọc bằng 3 lần đường kính (3d) Trong móng cọc bao gồm cọc bê tông cốt thép có gắn senser đo

Sau khi đóng, việc đo đạc tiến hành cứ 15 phút/lần trong 4 giờ, 30 phút/lần sau 4 giờ, 1 giờ/lần từ 16 h đến hết ngày Trong 60 ngày thì 1 ngày/lần

Khi nghiên cứu áp lực lỗ rỗng ở cọc đơn đo và nhóm 4 cọc đo nhận được: sau khi đóng cọc xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và áp lực này thay đổi phụ thuộc độ sâu hạ cọc, số cọc trong nhóm Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở cọc đơn từ 0,9 kN/cm2ở độ sâu hạ cọc 1,2 m và tăng đến 19 kN/cm2 ở độ sâu hạ cọc 4 m

Áp lực nước lỗ rỗng đo trước khi đóng ở khu vực dự tính đóng 4 cọc là 0,045 MPa ở độ sâu 1,2 m và 0,08 MPa ở độ sâu 4 m Một ngày sau khi đóng cọc, áp lực nước lỗ rỗng ở độ sâu 1,2 m là 0,16 MPa, còn ở độ sâu 4 m đạt 0,34 MPa Khi hạ cọc, đất loại sét chuyển vị về các hướng dưới tác dụng của lực cưỡng bức lớn và tức thời Đất bị nén chặt trong khoảng thời gian ngắn Độ rỗng giảm, tuy nhiên nước lỗ rỗng không kịp thoát ra để gây nén thể tích đất và bọt khí nên do đó dẫn đến gây gia tăng áp lực lỗ rỗng, đặc biệt ở chỗ giữa các cọc

Áp lực lỗ rỗng ở tâm nhóm 4 cọc (Hình 1.3) gia tăng sau khi đóng gần 4 lần và hầu như tiêu tán hoàn toàn sau 45 ngày

Theo thời gian, xảy ra chùng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán và ứng suất hữu hiệu gia tăng (Hình 1.4) đến giá trị ổn định, lực ma sát hông dọc theo thân cọc đạt giá trị lớn nhất Đồng thời với tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng xảy ra hiện tượng lưu biến tăng bền của đất Cọc đóng trong đất loại sét bão hòa nước đạt giá trị lớn nhất khả năng chịu tải theo ma sát sau khi chấm dứt cố kết và tăng bền

Hình 1.3 Sự thay đổi áp lực lỗ rỗng ở tâm nhóm 4 cọc trước khi đóng (1) sau khi đóng (2) và sau 60 ngày (3)

Hình 1.4 Sự thay đổi tổng ứng suất (1), áp lực lỗ rỗng (2) và ứng suất hữu hiệu (3) ở biên móng từ nhóm 4 cọc

Ở khu vực D thực hiện nghiên cứu sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng dọc theo thân cọc và ở các khoảng cách khác nhau từ cọc trong quá trình hạ cọc dưới một dãy móng cọc (Hình 1.5a) Việc đo đạc ở các độ sâu hạ cọc 4, 8, 12 m

Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất dọc theo thân cọc trong quá trình hạ cọc ở một dãy móng cọc (a) và sau khi hạ cọc (b) ( h – độ sâu hạ cọc )

1 và 1’ – đường cong tổng áp lực lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu tức thời sau khi hạ cọc và sau 60 ngày

2 và 2’ – đường cong tổng áp lực lỗ rỗng sau khi hạ cọc và sau 60 ngày 3 và 3’ – đường cong ứng suất hữu hiệu sau khi hạ cọc và sau 60 ngày

Nghiên cứu cho thấy áp lực lỗ rỗng trong đất đạt giá trị lớn nhất ở thời điểm mũi cọc xuất hiện ở vị trí đặt đầu đo áp lực lỗ rỗng, sau khi đi qua độ sâu này thì áp lực nước lỗ rỗng giảm một ít Điều này được giải thích: ở mặt phẳng mũi cọc nêm nén chặt đất bị xáo trộn, nêm nén chặt gây sự nén chặt lớn nhất đất xung quanh thân cọc trên mũi cọc không gây áp lực bổ sung, còn sự dao động của cọc trong quá trình đóng đưa đến hình thành khoảng hở nhỏ giữa thân cọc và đất, do đó làm giảm áp lực Khi đóng cọc, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư xuất hiện ở khoảng cách đến 3 m từ móng cọc và dưới cọc ở độ sâu 2 – 3 m Trên Hình 1.5b thể hiện kết quả đo áp lực lỗ rỗng, tổng ứng suất và ứng suất hữu hiệu dọc theo thân cọc sau khi hạ cọc [3]

Hơn nữa, sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng quá mức, mức tăng độ bền của đất sau khi đóng cọc cũng xảy ra là do hóa lỏng tạm thời trong đất Soderberg (1962) cũng chỉ ra rằng việc tăng khả năng chịu tải cực hạn của đất (và do đó tăng độ bền cắt của đất) cũng tương tự với tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và chúng phụ thuộc vào thời gian (Hình 1.6) [4]

Hình 1.6 Độ tăng khả năng chịu tải theo thời gian (Soderberg, 1962)

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

Trong vùng lân cận của cọc, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phát sinh rất cao, trong một số trường hợp có thể xấp xỉ 1,5 đến 2 lần ứng suất thẳng đứng hiệu quả tại đó và thậm chí có thể gấp 3 đến 4 lần ứng suất hiệu quả thẳng đứng ở gần mũi cọc Tuy nhiên nó sẽ giảm nhanh theo khoảng cách kể từ cọc và nói chung sự tiêu tán cũng rất nhanh Trên Hình 1.7, áp lực nước lỗ rỗng u được biểu diễn qua u/vo' với

 là ứng suất thẳng đứng hiệu quả trước khi đóng cọc đơn, còn khoảng cách hướng tâm S tính từ cọc được biểu diễn qua S/ro trong đó ro là bán kính của cọc Ta thấy các điểm trên hình này không tập trung là do có nhiều loại đất khác nhau và các loại đất có độ nhạy lớn nên áp lực nước lỗ rỗng biến đổi lớn [5]

Hình 1.7 Tóm tắt một số kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng (Poulos và Davis 1979)

Những điểm ở xa có khoảng cách S/ro= 4 đối với đất sét thường và bằng 8 đối với đất sét nhạy thì áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách Trên Hình 1.7, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thực tế có thể bỏ qua khi ở ngoài khoảng cách S/ro= 30 [4]

Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng: tốc độ phát tán của áp lực nước lỗ rỗng xung quanh cọc đã được đề nghị bởi Soderberg (1962) với giả thiết sự phân tán áp lực nước lỗ rỗng chỉ xuất hiện xung quanh cọc, sự phân tán này chủ yếu theo phương ngang, có thể xuất hiện ở gần đầu cọc và mũi cọc không đáng kể

Phương trình liên quan đến quá trình cố kết:

Hình 1.8 Lý thuyết phân tán cho tốc độ cố kết đất gần cọc

Theo kết quả so sánh của Radugin (1969) giữa lý thuyết và thực nghiệm cho thấy R/ro 5; Ch 0,04 in /min2 (đất loại sét)

Hình 1.9 So sánh biểu đồ thực nghiệm với lý thuyết về sự tăng tốc độ dính chặt

Hình 1.9 thể hiện kết quả so sánh mức độ cố kết của lý thuyết với biểu đồ thời gian và thực nghiệm của Radugin Ở đây có sự khác nhau về hình dạng biểu đồ nhưng nói chung đều thống nhất rằng quá trình cố kết là nguyên nhân gây tốc độ tăng sức chịu tải của cọc

Các điểm thực tế trên Hình 1.9 cho thấy việc ước lượng thời gian nên thực hiện sau khi đóng cọc và trước khi thử tải mang lại Nếu ước lượng chắc chắn sức chịu tải cực hạn không thoát nước và ứng xử tải trọng – chuyển vị thì sẽ thu được áp lực nước lỗ rỗng

Wroth và các cộng sự (1979) đã phân tích sự thay đổi ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và sau đó đến quá trình cố kết xung quanh cọc Quá trình hạ cọc được mô phỏng như việc tạo ra lỗ hình trụ tròn bởi sự dịch chuyển của bán kính đất Sự thay đổi giá trị ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng thu được bằng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích trên cơ sở mô hình hóa cứng Ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu gần kề cọc sau khi hạ cọc có liên quan trực tiếp đến nguồn gốc độ bền không thoát nước của đất và không phụ thuộc vào hệ số quá cố kết [5]

1.2.2 Sự phân bố tải trọng giữa các cọc trong móng

Theo công trình nghiên cứu của A.A Bartolomei, trong một ngày, cọc dài 5 m, kích thước (30x30) cm đóng vào trong đất cho hai móng gồm 4 cọc, hai móng gồm 6 cọc, ba móng gồm 9 cọc và 4 cọc đơn Các cọc của móng liên kết nhau bằng đài móng bê tông cốt thép 3 cọc từ móng 9 cọc được thí nghiệm như cọc đơn Khả năng chịu tải (KNCT) của cọc khi đóng, tương ứng với thí nghiệm động, bằng 64 kN Sau 6 ngày đêm, KNCT của cọc đơn bằng 102 kN KNCT của móng 4 cọc sau 6 ngày đêm là 360 kN và phân bố đồng đều giữa các cọc tới 90 kN, ít hơn so với một cọc đơn

Hình 1.10a thể hiện biều đồ kết quả thí nghiệm móng gồm 9 cọc Từ đó, rõ ràng KNCT của nhóm cọc ở độ lún S = 4,5÷5 cm bằng 810 kN KNCT trung bình của cọc trong móng là 90 kN, nhỏ hơn so với KNCT của cọc đơn và xấp xỉ bằng KNCT của cọc trong móng 4 cọc Khi thí nghiệm móng gồm 9 cọc, nhận thấy rằng khi đặt tải 200 kN thì độ lún S = 0 và tất cả các cọc gánh chịu tải trọng như nhau Từ tải trọng P = 400 kN và độ lún S = 6 mm bắt đầu phân bố lại tải trọng: cọc góc gánh chịu tải trọng nhiều hơn 20% so với cọc ở tâm và ở biên Nếu xác lập tải trọng cọc góc gánh đỡ so với cọc trung bình trong móng thì cọc góc gánh đỡ 111%, đồng thời cọc biên và cọc giữa gánh đỡ 91%

Ở tải trọng P = 600 kN, độ lún S = 15 mm, các cọc góc bắt đầu gánh đỡ đến 70 kN; các cọc giữa ở dãy biên theo mức độ chịu tải xấp xỉ bằng với cọc góc Các cọc này gánh 67 kN và bằng KNCT trung bình của cọc trong móng Trong khi đó, cọc ở tâm chỉ gánh 50 kN, nhỏ hơn 30% so với cọc góc

Ở tải trọng P = 800 kN, tải trọng được xem bằng KNCT của móng, độ lún S = 32 mm, tải trọng giữa các cọc phân bố như sau: cọc góc 100 kN chịu 110% KNCT so với giá trị trung bình của mỗi cọc trong móng; cọc giữa ở dãy ngoài gánh 95 kN, cọc ở tâm gánh 60 kN chiếm 60% KNCT của cọc góc Cọc góc và cọc biên gánh chịu tải trọng gần xấp xỉ như nhau Cùng với sự gia tăng tải trọng lên móng và độ lún, khả năng gánh đỡ của cọc góc và cọc biên gần như nhau Đồng thời với sự gia tăng độ lún mức độ gánh đỡ của cọc giữa bị giảm Trên Hình 1.10b thể hiện KNCT trung bình của các cọc nhỏ hơn so với cọc đơn

Khi thí nghiệm cọc đóng dưới móng với khoảng cách 3d và được thí nghiệm như cọc đơn, nhận thấy rằng KNCT cọc đơn có được F = 120 kN chiếm 120% so với KNCT trung bình của cọc trong móng; cọc giữa ở dãy biên nhận 110 kN và bằng KNCT trung bình của cọc trong móng; cọc góc gánh 100 kN chiếm 91% KNCT trung bình của cọc trong móng Khi thí nghiệm cọc như cọc đơn xuất hiện sự nén chặt của đất nền do đóng cọc Do đó KNCT trung bình của cọc trong móng được thí nghiệm như cọc đơn lớn hơn KNCT của cọc đơn là do sự nén chặt của đất ở cọc đơn ít hơn so với cọc ở trong móng Khi thí nghiệm sau 6 ngày, KNCT của cọc đơn lớn hơn KNCT trung bình của cọc trong móng

Hình 1.10 Kết quả thí nghiệm KNCT nhóm 9 cọc (a) và cọc đơn (b) sau 6 ngày [3] 1- Cọc đơn; 2-Cọc giữa của móng; 3-Cọc giữa của móng được thí nghiệm như cọc đơn

Nhận xét KNCT của cọc trong móng có thể lưu ý rằng KNCT của cọc góc là lớn nhất và nhỏ nhất là cọc ở tâm (Hình 1.11a) Đồng thời, kết quả thí nghiệm cọc đóng trong móng như cọc đơn sau 6 ngày cho thấy KNCT lớn nhất là cọc ở tâm F = 120 kN và nhỏ nhất là ở cọc góc F = 100 kN (Hình 1.11b)

Hình 1.11 Kết quả thí nghiệm KNCT sau 6 ngày móng gồm 9 cọc (a) và cọc được thí nghiệm riêng rẽ (b) [3]

1- Cọc ở tâm; 2-Cọc giữa ở dãy biên; 3-Cọc góc; 4-Cọc trung bình của móng

Khi thí nghiệm móng thứ hai gồm 4 cọc sau 30 ngày KNCT F = 700 kN, tức là 340 kN nhiều hơn so với cọc nghỉ 6 ngày Tải trọng giữa các các cọc phân bố như nhau 175 kN KNCT cọc đơn thí nghiệm sau 30 ngày đóng cọc là 160 kN, tức là 8% ít hơn so với cọc trong móng 4 cọc Móng cọc gồm 9 cọc sau 45 ngày có độ lún S = 38 mm, KNCT F = 1800 kN KNCT trung bình cọc trong móng bằng 200 kN

Khi thí nghiệm móng 9 cọc sau 45 ngày, nhận thấy rằng ở tải trọng 400 kN, 600 kN độ lún có giá trị 2 mm và tất cả các cọc nhận giá trị như nhau Các đầu đo ở thân cọc cho thấy ở các cấp tải trọng này bề mặt thân cọc hầu như không làm việc ma sát Khi tăng tải trọng độ lún tăng theo và khi độ lún S = 4 mm bề mặt hông của các cọc khác nhau chịu tải khác nhau tùy vị trí cọc trong móng Cọc góc chiếm 116% so với KNCT trung bình của cọc trong móng, đồng thời cọc ở tâm nhận chỉ 79% Cọc giữa dãy ngoài nhận tải trọng cũng ít hơn so với 1 cọc Khi tải trọng tăng đến 1400 kN qui luật phân bố tải trọng giảm dần

Khi tải trọng P = 1800 kN, gần tới giới hạn mà cọc góc gánh là 230 kN, nhiều hơn 21% so với cọc giữa dãy biên và 50% nhiều hơn cọc ở tâm (Hình 1.12a) Điều này có thể giải thích là ở bề mặt bên của cọc góc lực ma sát lớn hơn nhiều so với các cọc còn lại

Hình 1.12b thể hiện sự phân bố tải trọng giữa các cọc của móng sau 6 ngày và sau 45 ngày KNCT lớn nhất ở các cọc góc khi thí nghiệm không chỉ sau 6 ngày mà còn sau 45 ngày, trong khi đó các cọc ở tâm trong cả 2 trường hợp gánh đỡ phần nhỏ nhất của tải trọng so với các cọc còn lại

Hình 1.12 Kết quả nghiên cứu KNCT (a) và sự phân bố tải trọng giữa các cọc trong móng gồm 9 cọc (b) [3]

1-Cọc ở tâm; 2-Cọc giữa dãy biên; 3-Cọc góc

Để làm rõ sự phân bố tải trọng giữa các cọc khi làm việc trong móng công trình, các vòng lực được lắp đặt ở đầu 16 cọc khi xây dựng công trình dạng 1-P-447

Bảng 1.1 Tải trọng thực tế lên cọc nhà 9 tầng dạng 1-P-447

Số thứ tự vòng

Tải trọng thực tế lên cọc là 400 kN nhưng tải trọng thực tế lên cọc đo được 320 kN nhỏ hơn đáng kể so với tải trọng thực tế Tải trọng thực tế không vượt quá tiêu chuẩn (không kề tải trọng xung quanh) Mức độ tin cậy của kết quả nhận được được kiểm tra như sau Hai vòng đo lực chịu tải trọng lâu dài 400 kN trong phòng thí nghiệm, 2 vòng đo lực với nhiệt kế chôn trong hố ở tầng hầm kế cận đài cọc Khi tháo lần lượt các vòng so sánh, các vòng lực được hiệu chỉnh lại ở nhiệt độ như ở tầng hầm Ngoài ra, khu vực thí nghiệm B một móng được thí nghiệm dưới tải trọng lâu dài, do đó, tải trọng trung bình lên cọc của móng này được xác định rõ ràng Sai số trung bình các kết quả đo kiểm tra là 11% Phần hiệu chỉnh này được xét tới trong xác định tải trọng thực tế lên cọc

272-1.2.3 Phân bố tải trọng giữa mũi và mặt hông cọc

Cũng theo nghiên cứu của A.A Bartolomei, cọc được hạ vào đất loại sét có độ sệt khác nhau và cát rời có độ chặt trung bình và tựa vào bằng mũi cọc ở loại đất này, làm việc như cọc treo Do độ lún tăng dần nhờ sự nén chặt đất cọc nhận tải trọng từ mặt hông và mũi

Hình 1.13a cho thấy tải trọng phân bố giữa mặt hông và mũi cọc đơn Từ tổng khả năng chịu tải FCB = 100 kN lên mặt hông 65 kN và mũi 35 kN, tức là mũi cọc gánh 35% KNCT cọc xác định sau 796 ngày hạ cọc Sau 45 ngày, sức chịu của mũi tăng lên 10% (Hình 1.13b)

Hình 1.13 Kết quả nghiên cứu sức kháng mũi và ma sát hông của cọc đơn sau 6 ngày (a) và 45 ngày (b) [3]

1-Sức kháng mũi; 2-Ma sát thành; 3-KNCT cọc đơn

Thí nghiệm móng gồm 9 cọc sau 6 ngày cho thấy (Hình 1.14) ở các cọc khác nhau của móng tải trọng giữa mũi và mặt hông phân bố khác nhau Qui luật chung là mặt hông của một số cọc trong móng gánh phần tải trọng nhỏ hơn mũi Hình 1.15 thể hiện tải trọng gánh đỡ của mũi và mặt hông ở các cọc khác nhau trong móng cọc đơn sau khi đóng 6 ngày

Hình 1.14 Phân bố tải trọng sau 6 ngày giữa mũi và thành cọc góc (a); cọc giữa dãy biên (b) và cọc ở tâm (c) trong móng gồm 9 cọc [3]

1-Ma sát thành; 2-Sức kháng mũi; 3-KNCT của cọc

Hình 1.15 Kết quả nghiên cứu sức kháng mũi (a) và lực ma sát thành (b) cọc đơn và các cọc khác trong móng 9 cọc [3]

1-Cọc đơn; 2-Cọc ở tâm; 3-Cọc giữa dãy biên; 4-Cọc góc

Từ biểu đồ có thể thấy rằng mũi cọc đơn gánh đỡ tải trọng nhỏ nhất, đồng thời ma sát hông ở cọc đơn là lớn nhất Điều đó được giải thích như sau: ở cọc đơn quá trình nén chặt đất diễn ra rất nhanh do cố kết vì trong đất xung quanh cọc đơn hệ số rỗng thay đổi không đáng kể làm cho áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh hơn so với cọc trong móng, nơi hệ số rỗng giảm 6-8% làm chậm quá trình cố kết

Hình 1.16a thể hiện quan hệ độ lún do tải trọng của móng gồm 9 cọc với khoảng cách các cọc 3d sau 45 ngày và quan hệ S = f(p) riêng rẽ đối với mỗi cọc trong móng (Hình 1.16, b-d) với việc phân chia tổng tải trọng giữa ma sát hông và mũi cọc Từ biểu đồ có thể thấy rằng ở tất cả các cọc trừ cọc ở tâm, thành cọc gánh đỡ 35-50% tải trọng nhiều hơn mũi Ở cọc ở tâm, mũi cọc gánh 2 lần tải trọng lớn hơn thành cọc, mỗi cọc trong móng sau 6 ngày và 45 ngày có thể thấy rằng mũi cọc góc sau 45 ngày gánh 5 kN nhiều hơn so với 6 ngày, đồng thời thành cọc gánh tải trọng gấp 4 lần nhiều hơn so với 6 ngày Ở cọc giữa dãy biên, mũi cọc sau 45 ngày gánh đỡ nhiều hơn 36% tải trọng so với 6 ngày; sau 45 ngày thành cọc gánh đỡ từ 35 kN sau 6 ngày tăng lên 115 kN, tăng 220%; ở cọc ở tâm mũi cọc sau 45 ngày (Hình 1.16a) gánh tải trọng 70% nhiều hơn so với 6 ngày, còn thành cọc sau thời gian đó gánh tải nhiều hơn 3,5 lần so với 6 ngày

Hình 1.16 Kết quả nghiên cứu KNCT (a); sự phân bố tải trọng của thành và mũi cọc góc (b), tải trọng giữa mũi và thành cọc giữa dãy biên (c), tải trọng giữa thành

và mũi cọc ở tâm (d) của móng gồm 9 cọc (t=45 ngày) [3] 1-Sức kháng mũi; 2-Ma sát thành; 3-KNCT của cọc

Sự gia tăng KNCT của thành cọc góc và các cọc ở dãy biên xảy ra là do sự gia tăng ma sát đơn vị của thành cọc Ở cọc ở tâm, sự gia tăng KNCT mũi cọc xảy ra là do sự nén chặt đất dưới mũi cọc do đóng và hạ cọc

1.2.4 Ảnh hưởng của hệ số nhóm cọc

Để chịu được tải trọng lớn, móng cọc thường được cấu tạo bởi một nhóm cọc, tuy nhiên khi khoảng cách giữa các cọc không đủ lớn, sẽ hình thành trong vùng đất xung quanh các cọc hiện tượng chồng ứng suất cắt do ma sát bên và do sức chống mũi của các cọc gây ra (Hình 1.17) Độ lớn ứng suất trong vùng chồng ứng suất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Khoảng cách cọc, chiều dài cọc, hình dạng cọc, số lượng cọc, độ lớn của tải trọng tác dụng vào nhóm cọc và tính chất của nền đất xung quanh nhóm cọc… Hiện tượng chồng ứng suất làm suy giảm ma sát giữa cọc - đất và sức

chống mũi của cọc dẫn đến giảm khả năng chịu lực và gia tăng chuyển vị của nhóm cọc so với cọc đơn

Hình 1.17 Vùng phân bố ứng suất xung quanh cọc đơn và nhóm cọc [6]

Để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng nhóm, có thể gia tăng các khoảng cách cọc (S) 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) dẫn đến sự phân phối các lực tác dụng vào đầu cọc trong nhóm không đồng đều, do vậy trong thực tế ứng xử của nhóm cọc khi chịu tải hoàn toàn khác với ứng xử của cọc đơn