Phương pháp nghiên cứu được lựa chon ở đây bao gém:- Tổng hợp phân tích cơ sở lý thuyết về khả năng nén chặt của đất xungquanh cọc trong quá trình thi công: sự thay đổi trạng thái ứng su
MOT SO KET QUÁ NGHIÊN CỨU VE ANH HUONG CUA
Khi xây dựng công trình trên nền đất có dia chat phức tap, giải pháp móng thường dùng là móng cọc Cọc thường được hạ bằng phương pháp đóng hay ép, việc hạ cọc như trên gây xáo trộn và thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất xung quanh và dưới mũi cọc được thé hiện như thí nghiệm ở hình 1.1 Ảnh hưởng của việc đóng, ép cọc chính là làm xáo trộn đất xung quanh cọc.
Khi cọc được dong, ép vao lớp đất nền bên dưới trong đất sét hoặc cát thì sẽ xảy ra những ứng xử khác nhau do sự khác biệt về đặc trưng cơ lý, đặc biệt là hệ số thắm.
1.1 Ảnh hướng của việc hạ cọc vào lớp đất dính Đặc điểm khác nhau quan trọng giữa hoạt động của cọc dưới tác dụng của tải trọng động và tải trọng tinh rõ rệt là yếu tố thời gian, do đó sự khác biệt lớn nhất trong ứng xử ứng suất - biến dạng của đất xung quanh cọc là trong điều kiện hoạt động động và hoạt động tĩnh của cọc Các ảnh hưởng này có thể mô tả kiểu cơ học như sau. thé tích của cọc Do đó, hoạt động đóng cọc có thể gây ra những thay đổi về bién dạng trong đất sét (hình 1.2)
Hình 1.2 Chuyển vị và nén ép của đất xung quanh do đóng cọc
Dat có thé bị day từ vị trí ban đầu BCDE sang ngang tới vị trí BC D°E?
(hình 1.2) hoặc từ FGHJ tới F°G°H'Jˆ Trong khi đóng cọc, đất sét bị mat một phan độ bền do đất bị xáo trộn nhưng lại xuất hiện một lượng tương đối nhỏ ma sát bên [9].
Cọc được đóng, ép vào trong đất sét bão hòa nước trong khoảng thời gian ngăn nên mặt đất có thé bị trôi lên do khối lượng đất bị dịch chuyển và nén ép một phân thể tích. Độ bền cắt lon > a) Đường trục của coc Bé mặt (bên) của coc iD
Hình 1.3 D6 bên cat trong dat sét bão hòa nước trước va sau khi đóng coc
Trên hình 1.3, cọc có bán kính oa được đóng sâu vào trong tang đất sét, sự thay đối của độ bền cắt dọc theo chiều dài cọc và khoảng cách theo phương ngang đến cọc được cho trên hình obcd, trong đó o là sốc tọa độ. Đường A biểu diễn độ bền cat trước khi đóng cọc và cũng là biểu diễn độ bên của đất sét khi đất còn nguyên dạng (độ bên ngăn hạn) Độ bên tại điểm b nào đó cách o một khoảng là đường be.
Ngay sau khi đóng cọc, bộ bền cắt biểu thị bằng đường B Trước khi đóng cọc đất ở điểm a, thì sau khi đóng đã dịch chuyển đến điểm o, còn điểm gốc o đã dịch chuyển đến điểm f Bây giờ ma sát bên là oe, đó cũng là độ bên cắt bị giảm đi và cũng chỉ ra một phân nhỏ của độ bên ban đâu od. Đất ở điểm o đã dịch chuyển và do đó phần lớn áp lực giữa các hạt bị biến mat Tổng cộng áp lực chat tải trước bao gồm áp lực giữa các hat cộng với áp lực nước lỗ rỗng là không thay đổi Do đó, phan mat đi của áp lực giữa các hạt đã được chuyển thành áp lực nước lỗ rỗng dưới dạng áp lực thặng dư Như vậy có áp lực nước lễ rỗng thặng dư lớn trong đất cạnh cọc ngay sau khi đóng cọc Vì chỉ có lớp đất cách cọc rất gan mới bị xáo trộn nên áp lực lỗ rỗng tăng lên rất ít Hơn nữa, áp lực ngang bên cạnh cọc tăng do chuyền vị hướng ra ngoài của đất khi đóng cọc Áp lực dư này tạo ra lập tức gây ra thấm và bắt đầu quá trình cố kết Vì dòng chảy dòng chảy hướng lên trên Trong thời gian cố kết, các hạt đất chuyển dịch theo phương đường kính và hướng vào phía cọc vì nước chảy hướng ra Như vậy đất trong phạm vi gan mặt cọc có hệ số rỗng giảm, còn đất ở xa lại bị giãn nở ra một Ít.
Do đó, sau khi đóng cọc, đất tạo nên ma sát bên với tốc độ khá nhanh Điều này thể hiện ro ràng trong việc thí nghiệm nén lại (Taylor, 1948) Trên hình 1.3, oh biểu hiện ma sát bên khi nén lại, còn đường C biểu thị độ bền phụ thuộc khoảng cách tính từ cọc Nếu như đường C biểu diễn độ bền xảy ra sau một ngày hay sau khi đóng cọc, thì đường D có thể là độ bền một vài tuần sau khi đóng cọc Vì đất ở xa cọc hơi bị nở ra trong khi cô kết nên đường độ bên B và D có thé là dưới đường B một khoảng nhỏ trong vùng này Nếu cọc nhẫn thì sức kháng ma sát trên bề mặt có thé nhỏ hon so với độ bền cắt trong đất sét cách mặt cọc không xa Trong trường hợp nay, ma sát bên được biểu diễn bang các điểm h’ và j’ thay cho điểm h và điểm
Nếu thí nghiệm thử tải tiến hành trên cọc này sau khi đóng được một vài tuần thì ma sát bên được biểu diễn giản lược bằng oj Còn nếu sau khi đóng một vài tuân, cọc được kéo lên thì một khối lượng đất khá lớn có thể bám vào cọc và lên cùng với cọc Điều này giải thích độ bên tương đối: với điều kiện không đồng nhất, thì mặt phá hoại sẽ không đi qua od có chu vi nhỏ nhất, cũng không di qua mặt có độ bền nhỏ nhất, mà lại xảy ra cạnh bán kính có tích của độ bên và chu vi là nhỏ nhất, có thé là ở điểm k (Taylor 1948).
Trong quá trình đóng, ép cọc, lực chồng đầu cọc nói chung là lớn, vì nó bang với lực yêu cau để tao ra tất cả các xáo trộn đã mô tả ở trên Ngay ca dat có độ bền nguyên dang cao cũng bị day ra theo cách này Dat loại này không thé nén được vi đất bão hoà nước không có khả năng chịu nén khi gia tải nhanh (như khi đóng hoặc ép cọc) Không còn chỗ nào thuận lợi để cho đất loại này dồn đến cả Do đó cột đất phải chuyển động lên phía trên mặt để cọc có thể xuyên xuống lớp đất dưới mũi cọc Thực té là tat ca sức kháng trong nhiêu loại dat sét đêu là sức chong đâu cọc khi đóng cọc DeMello (1969) đã giả thiết rằng ngay sau khi đóng cọc, lượng đất bị xáo trộn đã giảm từ 100% tại mặt tiếp giáp với cọc - đất tới O ở khoảng cách cỡ 1,5 đến 2 lần đường kính cọc tính từ thân cọc Orrje và Broms (1967) đã chứng minh rằng, với cọc bê tông cốt thép hạ trong đất sét nhạy, chỉ sau 10 tháng thì độ bền không thoát nước hoàn toàn có thể trở lại giá trị ban đầu.
Hơn nữa sự tiêu tán áp lực nước 16 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 chi ra rang việc tăng kha năng chịu tải cực hạn của đất (va 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 | 4).
Tính theo %_ tải trọng lớn nhất a3 |
Hình 1.4 Độ tăng kha năng chịu tải theo thoi gian (theo 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 băng và thậm chí còn lớn hơn áp lực hiệu quả (Lambe và Horn
1965, Orrje và Broms 1967, Poulos và Devis 1979, DAppolonia và Lambe 1971).
Trong vùng lân cận của cọc, áp lực nước lỗ rỗng thang du phát sinh rat cao, trong một số trường hợp có thé xấp xi 1,5 đến 2 lần ứng suất thăng đứng hiệu quả tại đó và thậm chí có thể gấp 3 đến 4 lần ứng suất hiệu quả thăng đứng ở gần mũi cọc Tuy nhiên nó sẽ giảm nhanh theo khoảng cách kê từ cọc và nói chung sự tiêu khoảng cách hướng tâm S tính từ cọc được biểu diễn qua S/ro, trong đó ro là bán kính của cọc Ta thay các điểm trên hình này không tập trung là do có nhiều loại dat khác nhau và các loại đất có độ nhạy lớn nên áp lực nước lỗ rỗng biến đổi lớn
| Đường trung bình đôi i} Ae AN Z TA
15 - \ với đât sét biên nhạy —
\ ` ` ` ^“ fy? Z : a“ ô ` x Đường trung bỡnh đụi với cỏc loại dat
\a © SC sét có độ nhạy trung bình thap A 8 X4 `
Hình 1.5 Tém tat một số kết quả do áp lực lỗ rồng (theo Poulos va Davis
Những điểm ở xa có khoảng cách S/r„ bằng 4 đối với đất sét thường là bang 8 đối với đất sét nhạy thì áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh theo khoảng cách Trên hình 1.5, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thực tế có thể bỏ qua khi ở ngoài khoảng cách S/r,0.
Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng: Tốc độ phân tán của áp lực nước lỗ rỗng xung quanh cọc đã được để nghị bởi Soderberg (1962), với giả thiết sự phân tán áp lực nước 16 rỗng chỉ xuất hiện xung quanh coc, sự phân tán này chủ yếu theo phương ngang, có thê xuât hiện ở gân dau cọc và mũi cọc không đáng kê.
Phương trình liên quan đến quá trình cô kết:
Trong đó: C¡ - hệ số cỗ kết theo phương ngang u - áp lực nước 16 rỗng
VÀ |
Hình 1.18 Mô ta mức đất trôi của nhóm cọc khi ha cọc Đất trôi cũng bị ảnh hưởng bởi những yếu tổ hình hoc của việc bố trí cọc trong nhóm Trong hình 1.19, tỷ lệ đất trôi tương đối Q trên mặt đất phụ thuộc hai yêu to:
—Hinh dạng của nhóm cọc Y/X
Khoảng cách tương đối của cọc trong nhóm S/L.
Hình học bố trí nhóm cọc:Ÿ/X
Hình 1.19 Ảnh hưởng cua việc bố trí cọc trong nhóm đến sự phân bố đất trôi
— lrường hợp ẽ: Đối với nhúm cọc hẹp (Y/X= 0,20), dat chu yếu chuyển VỊ bên ngoài nhóm.
-Trường hợp 2: Đối với nhóm cọc vuông (Y/X= 0,90), với khoảng cách giữa cọc xấp xi S/L = 0,2 Dat trdi trong nhóm cọc sẽ tương đối lớn.
— Trường hợp 3: Đôi với nhóm cọc vuông, khi khoảng cách giữa các cọc là lớn, thê tích dat chuyên vi bên ngoài nhóm cọc sẽ nhỏ nêu so với thê tích dat bên trong.
-Trường hợp 4: Dat tréi cho nhóm cọc hẹp với khoảng cách giữa các cọc là tương đối lớn thì gần giống như trường hợp như trường hợp 2.
Tuy nhiên, do việc đo đạc để xác định thể tích đất trồi trong và ngoài móng cọc khá phức tạp nên có rất ít báo cáo về độ chính xác của đất trồi liên quan đến van dé này Thực nghiệm chi ra rang: đất trồi trong phạm vi nhóm cọc thì thường lớn hơn dat trôi ở khoảng cách xa hon so với móng cọc.
1.4.3 Anh hưởng của chuyển dich đất nền đối với cọc lân cận Ảnh hưởng của việc hạ cọc đối với các cọc liền ké được nghiên cứu bởi Hagerty (1969) Trong quá trình ha cọc, phần đất trồi lên mặt đất sẽ tác dụng một lực hướng lên và kéo cọc liền kề đã có sẵn Từ hình 1.20 và 1.21, cọc không di chuyển cho đến khi lực tác dụng hướng lên vượt quá sức kháng chống kéo lên của cây cọc đã hạ trước đó
Hình 1.20 Anh huong trôi cọc lân cận khi hạ cọc (Hagerty, 1969)
GROUND HEAVE DUE T0DRIVING PILE 3
ZONE OF SOIL
CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI UNG SUAT BIEN DANG CUA DAT NEN XUNG QUANH COC TRONG VÀ SAU KHI THỊ CÔNG
2.1 Đặc điểm trạng thái ứng suất - biến dạng của đất do thi công cọc
Tương tác giữa cọc và khối đất xung quanh cọc bắt đầu từ khi thi công cọc và tiếp diễn cho đến khi cọc chịu tải trọng của công trinh hi đó, trong khối đất hình thành trạng thái ứng suất - biến dạng khác nhau tại các vi tri dưới mũi và xung quanh cọc Tính chất cơ lý của đất trong đó bao gồm độ bão hòa, độ bên, tính biến dạng đóng vai trò quan trọng và có ảnh hưởng lên quá trình hình thành và thay đôi trạng thái ứng suất - biến dạng của khối dat trong vùng ảnh hưởng tiếp xúc với cọc.
Sau khi thi công cọc (đóng hoặc ép), trong đất xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, áp lực này bị tiêu tán sẽ làm trạng thái ứng suất - biến dạng của đất trong vùng ảnh hưởng thay đối theo thời gian Trong đất bão hòa nước, quá trình thay đôi ứng suất trong đất sẽ diễn ra cùng với quá trình cô kết thắm và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng, giá trị ứng suất hữu hiệu tăng lên theo thời gian và đạt đến giá trị ôn định.
Hình 2.1 Biéu đô quan hệ áp lực nước lỗ rỗng xung quanh cọc trong đất xét theo thời gian (ngày đêm) sau khi đóng cọc.
Quá trình chùng ứng suất như trên sẽ có sự khác biệt đáng kế trong đất không bão hòa và đất bão hòa nước.
Dé định lượng trạng thái ứng suất - bién dạng của khối đất tương tác với cọc cần xét 2 giai đoạn cơ bản sau:
- Giai đoạn thi công cọc va cho coc “nghỶ”.
- Giai đoạn coc làm việc dưới tác dụng của tải trọng công trình.
Rõ ràng 2 giai đoạn này sẽ ảnh hưởng lẫn nhau và đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành khả năng chịu tải của cọc.
2.2 Trạng thái ứng suất - biến dạng ban đầu xung quanh cọc
Trong giai đoạn này vấn đề quan trọng là xác định được trạng thái ứng suất - biến dạng (các thành phan ứng suất và tương ứng là các giá trị bién dang) của dat xung quanh cọc sau khi thi công đóng hay ép cọc Trong trường hợp thi công cọc không có khoan dẫn, trong quá trình đóng (ép) cọc khối đất xung quanh sẽ bị phá hoại và dịch chuyển do sự chiếm chỗ của cọc Khối đất hình trụ đã ép ra xung quanh và hình thành một vành đai dẻo với đường kính xác định được từ biến dạng thé tích đất do nén ép Đường kính trong của vành dai này lớn hơn bán kính cọc một lượng la: ra - fe Ở đây: ra : Bán kính trong của cột đất sau khi đất đã bị dồn ép. r„ : Bán kính coc Đặt: r;ạ =k.r, k: Hệ số ảnh hưởng (k = 3 +6)
Hình 2.2 So đồ tính toán về sự hình thành trạng thái ứng suất - bién dang của đất xung quanh coc sau khi thi công.
Xét trạng thai cân băng giới hạn của lăng trụ bán kính r, dưới mũi cọc Điêu kiện can băng giới hạn có thê việt dưới dạng:
Xét trạng thai cân băng giới hạn của lăng trụ bán kính r, dưới mũi cọc Điêu kiện cân băng giới hạn có thê việt dưới dạng:
GƠ,=G Ở đây: o,- ung suất gây phá hoại tac dụng lên lăng trụ đất ứ,- ứng suất hụng giới hạn, phỏt triển theo sự nộn ộp lăng trụ đất về cỏc phía
Sự phát triển giá trịơ, là do phản lực dan hồi của đất xung quanh cọc nên dé xác định phản lực đàn hồi hay đàn hồi - dẻo của đất xung quanh cọc.
Phản lực đàn hồi xác định được từ việc phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng của lăng trụ đất có bán kính trong r, và bán kính ngoài r; = k rz
Hình 2.3 Sơ đô tính toán xác định trang thái ứng suất- bién dang của đất xung quanh cọc.
Lời giải bài toán này về chuyển vị của Lame có dạng: u(r) = A.r + B/r
Vì: u(r)= A.r+ B/r=ra—r, và giả thiết rang:
F„—F, =F, P> Pak 1—v +, (D› _B.)K 1—y k“-† E k*—-1 E Ứng suất do trong lượng ban thân đất tac dụng lên bán kính ngoài của lăng trụ đất, tức là: D› = 7.Z.ạ ở đây: é, - hệ số áp lực hông.
Ngoài ra, giá trị (r› - r.) có thể xác định từ cân bang thể tích đất trong lăng trụ với đường kính 2r, và 2r Xét biến dạng thé tích đất: r„—F,„ =4|2—#, (23) Ở đây: E,- biến dạng thé tích đất trong lăng trụ trước khi phá hoại.
Trong đa số các trường hợp, biến dạng thể tích đất khi thi công có giá trị không đáng kế nên có thé bỏ qua hi đó ta được:
Ung suất phản lực hình thành xung quanh coc do tăng bán kính trong của nửa lăng trụ từ r„ đến m Rõ ràng giá trị ứng suất này phụ thuôc giá trị module biến dạng và hệ số poisson cua dat, gia tri ung suất lên mặt đất va mức độ tác động của cọc lên khối đất xung quanh Nếu giả sử rang ảnh hưởng lan rộng đến phạm vi 6d, , tức là k
= 6, bo qua giá tri 1/k vì có gia tri rất bé ta có thé thu nhận được giá tri phản lực đàn hồi dưới dạng:
Gia sử rang giỏ trị lớn nhất o, trong điều kiện (2.1) bằng pằ và đặt (2.5) vào
(2.1) ta nhận được giá tri tới hạn o, dưới mũi coc, tức là: oe I+sin@ | 2c.cos@
PT sing l-sino (2.6) Ở đây: p xác định theo phương trình (2.5)
Từ phương trình (2.6) thấy rằng giá trị ứng suất tới hạn dưới mũi cọc hoặc nói cách khác khả năng chịu tải tới hạn Pụi dưới mũi cọc (theo tiêu chuẩn) phụ thuộc không chỉ vào độ bền của đất đá ( c) va độ sâu chôn cọc mà còn phụ thuộc đặc trưng biến dạng của đất xung quanh cọc Thật vậy, nếu xem r3 = 6r, , ta có giá tri Pu lớn hơn khoảng gấp 2 lần so với bảng tinh theo tiêu chuẩn cho xét với độ sệt:
Từ đó, việc xét phan lực đàn hồi của đất trong vùng xung quanh cọc cho phép nhận được khả năng chịu tải của cọc đóng (ép) lớn hơn Nếu không xét phản lực đàn hồi tức là xem E = 0, ta có giá tri Py, nhỏ hơn gân 7 lần so với việc xét phản lực đàn hồi do đất bị dồn nén ra xung quanh khi thi công cọc.
Xét phan lực đàn hồi của đất mô phỏng gan giống với các hiện tượng vật lý tương tác của cọc với đất xung quanh khi đóng hoặc ép Tóm lại, xung quanh cọc hình thành một lăng trụ với bán kính ngoài r,=r,J2 ở trạng thái phá hoại dan hồi - dẻo, tiếp đó là một lăng trụ với bán kính ra ở trạng thái đàn hồi - dẻo Ngoài phạm vi bán kính r¡ dưới tác dụng của áp lực p> có thé hình thành vùng dẻo và phạm vi vùng này có thể xác định băng giá trị ứng suất đã biết trong khối lăng trụ đất bán kính r;
< a ở áp lực p> và pa tương ứng Trên cơ sở lời giải của Lame về ứng suât ta có :
Xem k6 va bỏ qua gia tri l/kạ cuối cùng ta được:
_ Pyằ Dk (Py = PP)", Or eat RRP)
_ Pr= ĐK „ (Pa = Ps) ORAL k?k?Œ?)
Rõ rang, tong các thành phan ứng suất chính:
- Trường hop bai toán ứng suất phang: ỉy,=Ơ,+Oạ+ƠG,=
XP; — Pak doy = const 2 k (2.10) - Trường hop bai toán biến dang phang:
Ca hai trường hợp o, =const và không phụ thuộc vào r.
Từ cỏc biểu thức đó dẫn ứ,, o,, ứ, rừ ràng trạng thỏi ứng suất - biến dạng trong khối lăng trụ đất phụ thuộc các quan hệ pz, fy và D3; 13°.
Dé kiểm tra kha năng hình thành trạng thái giới hạn dưới tác dung của p2 khi r >tằ sử dụng điều kiện bờn tổng quỏt trong trường hợp đối xứng trục, khi 7„ =0, tức là:
= SIN® Đặt các giá tri o, , o, từ (2.9) vào (2.12) có thể xác định được bán kính vùng đẻo:
_ ( P, — Da Ihe sine py.ty — p3ts + 2c.ctgol rẻ — rẻ ))I (2.13)
Va gia tri toi han ban dau po* tac dụng vào khối đất xung quanh cọc khi r = ra. ơ I—sinứ ccos p(y — r2) Ky
Nếu p¿* nhỏ hơn giá trị ứng suất phản lực đàn hồi của đất p; xác định theo lời giải đàn hồi thì các lời giải trên thích hợp dé xác định ơ; = P„ Thông thường, có thể ứ > r„, khi đú cú thộ nhận được giỏ trị tải trọng tới hạn khi ứ> r„ dưới dạng:
P =P; D C—~— 2 vận l—=simọo 55 1P 5 ? 5 É (2.17) Ở đõy: ứ >r„ - bỏn kớnh vựng dẻo xỏc định theo (2.13).
Dộ xỏc định cỏc thành phần ứng suõt trong vung dẻo: f,] —c.ctg@ r (2.19) Ở đây: m=tg2(45° -
Khi r= ứ>r, cú thộ nhận được giỏ trị ứng suất ở chu vi ngoài vựng dẻo, ta cú:
Khi p