NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết lập mô hình tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi sử dụng phương pháp phần tửhữu hạn thông qua phần mềm Plaxis Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi dự
TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Phương án móng cọc là phương án được sử dụng khá phổ biến trong thiết kế các công trình nhà cao tầng Trong đó, phương án móng cọc khoan nhồi thường được lựa chọn cho các công trình cao tầng xây dựng trên các nền đất yếu Sức chịu tải của cọc bao gồm hai thành phần: ma sát xung quanh cọc và sức kháng của đất dưới mũi cọc.
Cả hai thành phần này đều chịu tác động trực tiếp của các chỉ tiêu cường độ đất nền như lực dính c, góc ma sátv.v và ảnh hưởng tới sức chịu tải của cọc Tuy nhiên, do tính không chắc chắn của các thông số địa chất đầu vào do các yếu tố: quá trình lấy mẫu không còn nguyên dạng, bị xáo trộn, tính chính xác của các thiết bị thí nghiệm, kỹ năng, trình độ của người thí nghiệm v.v, sẽ dẫn đến các thông số địa chất sẽ bị dao động, từ đó sức chịu tải của cọc cũng sẽ dao động Để loại trừ các yếu tố không chắc chắn về các thông số địa chất, tải trọng tác dụng lên công trình v.v, các tiêu chuẩn Viêt Nam hiện hành đã đưa vào các hệ số an toàn trong quá trình thiết kế Cụ thể hơn, trong bài toán thiết kế móng cọc, qui phạm xây dựng quy định sức chịu tải thiết kế phải kể đến các hệ số an toàn FSs=1.5÷2.0 đối với thành ma sát của cọc và FSp=2.0÷3.0 đối với thành phần sức kháng mũi của cọc Ngoài ra, các hệ số an toàn còn được thể hiện thông qua các hệ số vượt tải cho các tải trọng v.v Tuy nhiên, cơ sở khoa học cho những hệ số an toàn này chưa được nguyên cứu, phân tích thấu đáo và việc áp dụng trong thực tế vẫn chủ yếu phụ thuộc nhiều vào ý kiến chủ quan của người thiết kế Do đó, việc sử dụng các hệ số an toàn này trong thiết kế chưa thể đánh giá đúng ảnh hưởng của sự thay đổi ngẫu nhiên của các thông số đầu vào, từ đó có thể dẫn đến việc thiết kế dư, gây lãng phí hoặc đôi khi thiếu an toàn Sự xảy ra không đồng thời của sức chịu tải cực hạn của hai thành phần ma sát quanh thân cọc và sức kháng mũi cũng là một vấn đề đáng quan tâm Do vậy, cần có những nghiên cứu đánh giá sức chịu tải của cọc có xét đến độ tin cậy của các thông số đầu vào, sự làm việc chung của hai thành phần sức chịu tải cực hạn Do đó, mục tiêu đề ra của luận văn là đánh giá sức chịu tải
-10 - của cọc khoan nhồi có xét đến độ tin cậy của các thông số địa chất, từ đó đánh giá độ tin cậy của bài toán thiết kế móng cọc khoan nhồi.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Cho đến nay, đã có nhiều nghiên cứu dựa trên lý thuyết độ tin cậy được thực hiện nhằm dự đoán khả năng chịu tải của cọc khoan theo nhiều khía cạnh khác nhau Một số công trình tiêu biểu có thể kể đến như:
Zhang và cộng sự (2005) [1] đã sử dụng phương pháp phân tích độ tin cậy bậc nhất FORM để phân tích độ tin cậy sức chịu tải của cọc khoan nhồi xét đến tiêu chuẩn phá hoại, hệ số tải và kháng tải.
Zhao và cộng sự (2007) [2] đã sử dụng 46 kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) phân tích độ tin cậy sức chịu tải của cọc khoan nhồi và đưa ra kết luận chỉ số độ tin cậy sức chịu tải của cọc có đường kính lớn thì lớn hơn cọc có đường kính nhỏ.
Luo và Juang (2012) [3] đã phân tích độ tin cậy sức chịu tải cọc khoan nhồi với sự biến thiên không gian trong nền cát, các biến số tuân theo quy luật phân bố lognormal, sử dụng phương pháp phân tích độ tin cậy bậc nhất FORM để phân tích độ tin cậy sức chịu tải.
Ching và cộng sự (2009) [4] đã dùng kết quả kiểm tra khả năng chịu tải của 57 cọc khoan nhồi ở nhiều nơi thuộc Đài Loan để phân tích độ tin cậy khả năng chịu tải trọng thẳng đứng tới hạn của 57 cọc khoan nhồi.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, một số công trình về đánh giá độ tin cậy và tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy đã được nghiên cứu và phát triển Trong đó có thể kể đến như:
Võ Thị Mộng Tuyền (2012) [5] trong luận văn cao học đề cập đến bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy tấm Mindlin có gân gia cường.
Hồ Hữu Vịnh và cộng sự (2013) [6] đã nguyên cứu và phân tích độ tin cậy của kết cấu vỏ gia cường gân sử dụng mạng thần kinh nhân tạo kết hợp với phương pháp mô phỏng Monter Carlo.
Nguyễn Thời Trung và cộng sự (2014) [7] trong nghiên cứu “Phân tích độ tin cậy trong xây dựng: tổng quan, thách thức và triển vọng” đã trình bày tổng quan và tầm quan trọng của phân tích độ tin cậy kết cấu trong ngành xây dựng tại Việt Nam.
Nguyễn Minh Thọ và cộng sự (2014) [8] trong nghiên cứu “Đánh giá độ tin cậy bài toán thiết kế móng cọc chịu ảnh hưởng ma sát âm”.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của Luận văn là mô hình tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm thương mại Plaxis Từ đó đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi có xét đến yếu tố độ tin cậy của các thông số địa chất, cũng đánh giá độ tin cậy bài toán thiết kế móng cọc khoan nhồi.
Phạm vi nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận văn được thực hiện trong các phạm vi sau:
- Các thông số địa chất thay đổi bao gồm c,;
- Xem các vật liệu đồng nhất;
- Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi có xét đến yếu tố độ tin cậy của một công trình cụ thể.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sức chịu tải của cọc
2.1.1 Công thức chung xác định sức chịu tải của cọc
Theo phụ lục G.1 TCVN 10304:2014 [9], sức chịu tải cực hạn của cọc được tính theo công thức sau: c u b b i i
R , q A u f l (2.1) trong đó: q b : là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc;
A b : là diện tích tiết diện ngang mũi cọc; u: là chu vi tiết diện ngang cọc; f i : là cường độ sức kháng trung bình (ma sát đơn vị) của lớp đất thứ i trên thân cọc; l i : là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất thứ i.
2.1.2 Sức chịu tải của cọc theo các chỉ tiêu cường độ của đất nền
Theo phụ lục G.2.1 TCVN 10304:2014 [9], Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc được xác định theo công thức: b c p q b q ( cN , q , , N , ) A (2.2) trong đó:
N’ c , N’ q là các hệ số sức chịu tải của đất dưới mũi cọc; q’ ,p là áp lực hiệu quả lớp phủ tại cao trình mũi cọc (có trị số bằng ứng suất pháp hiệu quả theo phương đứng do đất gây ra tại cao trình mũi cọc).
Theo phụ lục G.2.2 TCVN 10304:2014 [10], Cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc f i có thể xác định như sau: i u i f c , (2.3) trong đó: c u,i : là cường độ sức kháng không thoát nước của lớp đất dính thứ i; α: là hệ số phụ thuộc vào đặc điểm lớp đất nằm trên lớp dính, loại cọc và phương pháp hạ cọc, cố kết của đất trong quá trình thi công và phương pháp xác định c u Khi không đầy đủ những thông tin này có thể tra α trên biểu đồ hình 2.1 (theo Phụ lục A của tiêu chuẩn AS 2159 -1978).
Hình 0.1 Biểu đồ xác định hệ số Đối với đất rời, cường độ sức kháng trung bình trên thân cọc trong lớp đất cát thứ i: i i v z i f k , , tg (2.4) trong đó: k i : là hệ số áp lực ngang của đất lên cọc, phụ thuộc vào loại cọc: cọc chuyển vị (đóng, ép) hay cọc thay thế (khoan nhồi hoặc barrette);
, v z , : là ứng suất pháp hiệu quả theo phương đứng trung bình trong lớp đất thứ i;
i : là góc ma sát giữa đất và cọc, thông thường đối với cọc bê tông i lấy bằng góc ma sát trong của đất i , đối với cọc thép i lấy bằng 2 i /3.
Theo công thức (2.4) thì càng xuống sâu, cường độ sức kháng trên thân cọc càng tăng Tuy nhiên nó chỉ tăng đến độ sâu giới hạn Z L nào đó bằng khoảng 15 lần đến 20 lần đường kính cọc, d, rồi thôi không tăng nữa Vì vậy cường độ sức kháng trên thân cọc trong đất rời có thể tính như sau:
Trên đoạn cọc có độ sâu nhỏ hơn Z L , f i k , v z ,
Trên đoạn cọc có độ sâu bằng và lớn hơn Z L , f i k , v zL ,
Bảng 2.1: Giá trị các hệ số k, Z L và N’ q cho cọc trong đất cát
Trạng thái đất Độ chặt tương đối
Cọc khoan nhồi và barrette
Cọc khoan nhồi và barrette
Xác định sức chịu tải giới hạn của cọc đơn từ kết quả thử nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục
trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục
Theo mục 4.5.3 TCVN 9393:2012[12] sức chịu tải giới hạn của cọc đơn được xác định bằng các phương pháp sau:
2.2.1 Theo phương pháp đồ thị
Sức chịu tải giới hạn được xác định dựa trên hình dạng đường cong quan hệ tải trọng chuyển vị S= f(P), lgS = f(lgP), trong nhiều trường hợp cần kết hợp với các đường cong khác như S= f(lgt), P= f(S/lgt)… Tùy thuộc vào đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn được xác định một trong hai trường hợp sau:
Trường hợp 1: Khi hình đường cong có điểm uốn rõ ràng: sức chịu tải giới hạn được xác định trực tiếp trên đường cong, là tải trọng ứng với điểm có đường cong bắt đầu thay đổi độ dốc đột ngột hoặc đường cong gần như song song với trục chuyển vị
Trường hợp 2: Khi đường cong thay đổi chậm, rất khó hoặc không thể xác định chính xác điểm uốn, sức chịu tải giới hạn được xác định theo các phương pháp đồ thị khác nhau
Tùy thuộc vào quy trình gia tải, loại cọc thí nghiệm và điều kiện đất nền, có thể áp dụng một trong các phương pháp đồ thị sau đây để xác định sức chịu tải giới hạn của cọc cụ thể như sau:
Phương pháp DeBeer, Phương pháp Chin, phương pháp 80% của Brinch Hansen là phương pháp thích hợp xác định sức chịu tải từ kết quả thí nghiệm theo quy trình gia tải tốc độ chậm.
Phương pháp Davission, phương pháp Fuller và Hoy, phương pháp Butler và Hoy là phương pháp thích hợp xác định sức chịu tải từ kết quả thí nghiệm theo quy trình gia tải tốc độ nhanh.
Phương pháp 90% của Brinch Hansen là phương pháp thích hợp xác định sức chịu tải từ kết quả thí nghiệm gia tải tốc độ với tốc độ chuyển vị không đổi CRP.
2.2.2 Theo giới hạn chuyển vị quy ước
Trên đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị, sức chịu tải giới hạn Pgh là tải trọng quy ước ứng với chuyển vị giới hạn quy ước S gh theo bảng sau
Bảng 2.2 : Chuyển vị giới hạn quy ước Phương pháp đề nghị Điều kiện áp dụng Chuyển vị giới hạn Tiêu chuẩn Pháp DTU 13-2
BrinchHansen P gh ứng với 1/2 S gh ,
Thụy Điển S max ứng với 0,9P
De Beer Cọc khoan nhồi 2,5%D
Trung Quốc Cọc khoan nhồi chống (3% - 6%) D
Phương pháp đề nghị Điều kiện áp dụng Chuyển vị giới hạn
60 – 80mm Hoặc (2Pl/3EA)+20mm
2.2.3 Theo tình trạng thực tế thí nghiệm và cọc thí nghiệm
- Sức chịu tải giới hạn bằng sức chịu tải lớn nhất khi dừng thí nghiệm (trường hợp phải dừng thí nghiệm sớm hơn dự kiến do điều kiện gia tải hạn chế)
- Sức chịu tải giới hạn được lấy bằng cấp tải trọng trước cấp tải gây ra phá hoại vật liệu cọc.
Kiểm định tập mẫu dữ liệu tuân theo phân phối chuẩn
Với mọi phân phối chuẩn của biến ngẫu nhiên X ta luôn có
Phương trình (2.7) là phương trình đường thẳng trên hệ trục tọa độ (X, z) Từ đó để kiểm tra một tập dữ liệu có tuân theo phân phối chuẩn hay không thể hiện quan hệ (X, z) trên hệ trục tọa độ Descartes với trục hoành là giá trị biến X, trục trung là giá trị
1 ( ) z p Nếu tập dữ liệu có xu hướng là đường thẳng trên hệ trục tọa độ (X, z) ta có thể kết luận tập mẫu X tuân theo quy luật phân phối chuẩn với giá trị trung bình chính là giá trị của X tai z=0, độ lệch x chính là nghịch đảo của độ dốc của đường thẳng nêu trên.
Hình 0.2 Đồ thị đường thẳng phương trình (2.7) Để thể hiện tập mẫu lên hệ trục tọa độ (X, z) tiến hành theo các bước sau:
- Sắp xếp các giá trị của X theo giá trị từ lớn đến bé theo thứ tự từ 1 đến n
- Với mỗi x i ta tính giá trị p i =i/(n+1) ( theo Gumbel, 1954)
Lý thuyết độ tin cậy
2.4.1 Các bước của bài toán phân tích độ tin cậy
Nhiều dữ liệu tính toán đầu vào như các thông số địa chất c,, v.v sẽ dao động ngẫu nhiên quanh giá trị thiết kế tiền định với một phân bố thống kê nhất định Để đánh giá độ tin cậy của bài toán ta cần thực hiện các bước như sau:
- Xác định hàm trạng thái giới hạn.
- Lựa chọn biến ngẫu nhiên.
- Xác định các thông số cần thiết của biến ngẫu nhiên như: giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, hệ số thay đổi, hệ số tương quan và luật phân bố.
- Thực hiện phân tích đánh giá độ tin cậy cho kết cấu bằng các phương pháp được đề ra.
2.4.2 Xác định hàm trạng thái giới hạn
Mục đích phân tích độ tin cậy là nhằm xác định xác suất phá hủy của kết cấu ứng với sự thay đổi của yếu tố đầu vào.
Hàm trạng thái giới hạn là ngưỡng an toàn cho phép của kết cấu, được thiết lập dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế đã qui định trước hoặc do nhà thiết kế đặt ra như: ứng suất cho phép của vật liệu, chuyển vị cho phép của kết cấu, v.v được đại diện bởi 2 thành phần: g(x)=R(x) - Q(x) (2.9) trong đó: x: là véc-tơ chứa các biến ngẫu nhiên như: các thông số địa chất, tải trọng tác dụng, mô-đun đàn hồi của vật liệu, v.v là những đại lượng có thể thay đổi theo một qui luật phân bố nhất định và được đặc trưng bởi 2 thông số là giá trị trung bình và độ lệch chuẩn;
R(x): là biến vô hướng đại diện cho khả năng kháng cho phép của kết cấu như: ứng suất vốn cho phép, chuyển vị cho phép, v.v;
Q(x): là biến vô hướng đại diện cho ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của các biến ngẫu nhiên.
Trong nội dung nghiên cứu của luận văn này, hàm trạng thái giới hạn được chọn là Phản lực tác dụng lên cọc do nội lực gây ra phải nhỏ hơn sức chịu tải cực hạn của cọc.
2.4.3 Các thông số cần thiết của biến ngẫu nhiên:
Các thông số này bao gồm: giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, hệ số thay đổi, hệ số tương quan, quy luật phân bố v.v Để xác định các thông số này đòi hỏi ta phải có một bộ dữ liệu mẫu đủ lớn cho biến ngẫu nhiên và phải được thu thập trong một khoảng thời gian đủ dài để đảm bảo tính khách quan Cụ thể xác định các thông số này như sau:
Giỏ trị trung bỡnh (giỏ trị kỳ vọng) của biến ngẫu nhiờn x được kớ hiệu là à x hay E(x):
Phương sai của x được kí hiệu là Variance(x) hoặc x 2 Độ lệch chuẩn của x
Hệ số tương quan giữa các biến ngẫu nhiên xy
2.4.4 Hàm tuyến tính của các biến ngẫu nhiên
Y là hàm tuyến tính của các biến ngẫu nhiên X1, X2, , Xn
(2.15) với a i là các hằng số
Khi đó giá trị trung bình, độ lệch chuẩn của biến ngẫu nhiên Y
Nếu Xi độc lập CoV(Xi,Xj)=0 với mọi i≠j khi đó
Trở lại bài toán g=R-Q (hàm trạng thái giới hạn) giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của hàm g sẽ được tính theo các biểu thức sau: g R Q
Chỉ số độ tin cậy
Từ chỉ số độ β, xác suất phá hủy P f của kết cấu sẽ được xác định dễ dàng thông qua hàm tích lũy Gauss tiêu chuẩn như sau:
Mô hình đất
Mô hình Mohr-Coulomb (MC) là mô hình đất cơ bản và phổ biến nhất với ứng xử đàn hổi - dẻo lý tưởng của đất nền, áp dụng tiêu chuẩn phá hoại của Mohr-Coulomb. Không có quy luật tái bền hay hóa mềm yêu cầu đối với mô hình Mohr-Coulomb vì nó được giả dịnh là dẻo thuần túy Hàm ngưỡng dẻo, f , được giới thiệu như là một hàm ứng suất và biến dạng mà có thể được trình bày như là một mặt trong không gian ứng suất chính.
Khác với mô hình đàn dẻo lý tưởng MC, mặt ngưỡng dẻo của mô hình HS không cố định trong không gian ứng suất chính mà có thể mở rộng ra tùy thuộc vào độ biến dạng dẻo của đất Mô hình HS tích hợp cả 2 loại ứng xử tăng bền của nền, đó là tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén.
Mô hình Hardening-Soil là một mô hình nâng cao có thể được sử dụng để mô phỏng ứng xử ứng suất – biến dạng của cả đất mềm và đất cứng (Schanz, 1998) Đối với trường hợp thí nghiệm ba trục thoát nước, mô hình HS xấp xỉ đường cong ứng suất lệch và biến dạng dọc trục bằng cách sử dụng đường hyperbol Đường cong hyperbol như thế có thể mô phỏng sử dụng mô hình đàn hồi không tuyến tính Duncan and Chang được nhiều người biết đến (Duncan and Chang, 1970).
Tương tự như mô hình Mohr-Coulomb, giới hạn trạng thái ứng suất trong mô hình
HS được miêu tả theo thông số ứng suất có hiệu Tuy nhiên, độ cứng đất được miêu tả rất chính xác trong mô hình HS bằng cách sử dụng ba giá trị độ cứng đầu vào khác nhau – độ cứng gia tải ba trục, E 50 r ef , độ cứng dở/nén lại ba trục, E ur r ef , và độ cứng gia tải nén cố kết, E oed r ef Không giống như mô hình Mohr-Coulomb, mô hình HS cũng kể đến sự độc lập ứng suất của độ cứng đất, tức là độ giá trị độ cứng đàn hồi tăng với ứng suất buồng trong mô hình HS.
Mô hình HS cho phép thay đổi biến dạng thể tích dẻo cũng như biến dạng cắt dẻo do ứng suất lệch So với mô hình Mohr-Coulomb, ứng xử dở tải của đất được kể đến tốt hơn trong mô hình Hardening-Soil.
Thiết lập của mô hình Hardening-Soil có thể được diễn giải sử dụng quan hệ hyperbol giữa biến dạng đứng, 1 , và ứng suất lệch, q , trong lúc chất tải ba trục sơ cấp (hình 2.3).
Hình 2.3 Quan hệ ứng suất - biến dạng hyperbolic
Thí nghiệm ba trục thoát nước chuẩn có hướng đến đường cong ứng suất – biến dạng ngưỡng có thể được mô tả bởi:
(2.22) trong đó q a là giá trị tiệm cận của cường độ cắt, và q f là ứng suất lệch cực hạn Thông số E 50 được cho bởi phương trình sau:
50 50 ef cos sin cos sin m r r
(2.23) trong đó E 50 r ef là module độ cứng tham chiếu liên quan đến áp lực buồng tham chiếu ef p r , c là lực dính của đất và là góc ma sát của đất Trong PLAXIS, sử dụng giá trị mặc định p r ef 100 Độ cứng của đất thực tế phụ thuộc vào ứng suất chính nhỏ nhất,
3, chính là áp lực buồng hữu hiệu trong thí nghiệm ba trục Lượng phụ thuộc được cho bởi hệ số mũ m , và giá trị này thay đổi từ 0.5 đến 1.0 theo nhiều nghiên cứu của các tác giả khác nhau.
Lộ trình ứng suất cho dở tải và nén lại sử dụng trong module độ cứng phụ thuộc ứng suất như sau:
' ef 3 ur ur ef cos sin cos sin m r r
(2.24) trong đó E ur r ef là module độ cứng dở tải/nén lại tham chiếu, tương ứng đến áp lực tham chiếu p r ef Trong hầu hết các trường hợp giá trị sử dụng mặc định trong Plaxis là ef ef ur r 3 50 r
Ngoài ra, độ cứng gia tải nén cố kết cũng được định nghĩa theo phương sau:
' ef 1 oed oed ef cos sin cos sin m r r
KẾT QUẢ SỐ
Giới thiệu
Tòa nhà trụ sở làm việc chi cục thuế quận Phú Nhuận được xây dựng trên khu đất tọa lạc tại hẻm 145 Nguyễn Văn Trỗi, quận Phú Nhuận, thành phố Hồ Chí Minh Tổng diện tích khu đất 1060 m 2
Quy mô công trình 8 tầng nổi, 3 tầng hầm Kết cấu móng sử dụng móng cọc khoan nhồi với đường kính cọc 1000mm và chiều dài cọc trong đất là 46m Sức chịu tải thiết kế P tk E0 ton.
Hình 3.1 Phối cảnh của công trình
Điều kiện địa chất
Địa tầng ở khu vực công trình trụ sở làm việc chi cục thuế quận Phú Nhuận nhìn chung bao gồm các lớp sau:
- Lớp 1: sét pha cát lẫn sỏi laterit, nâu đỏ xám trắng, trạng thái dẻo mềm, chỉ số SPT trung bình N=5
- Lớp 2: cát mịn - trung pha ít bụi xám trắng, xám vàng, trạng thái rời rạt đến chặt vừa, chỉ số SPT trung bình N
- Lớp 3+ lớp 4: sét xám trắng, nâu đỏ, nâu vàng, trạng thái nửa cứng đến cứng, chỉ số SPT trung bình N0
Mặt bằng và mặt cắt ngang địa chất của công trình như thể hiện ở hình 3.2 và 3.3.
Hình 3.2 Mặt bằng hố khoan địa chất công trình chi cục thuế quận Phú nhuận
Hình 3.3 Mặt cắt ngang địa chất công trình Chi cục thuế quận Phú Nhuận (HK1-HK2)
3.3 Phân tích ngược quá trình thí nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trụcbằng phần mềm Plaxis
Hình 3.4 Mặt bằng định vị cọc thử tĩnh cọc thử tĩnh P1-23
- Tiến hành phân tích ngược quá trình thí nghiệm hiện trường trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục cho cọc thử tĩnh P1-23.
- Sử dụng chức năng phân tích đối xứng trục (Axisymmetry) trong phần mềm Plaxis 2D để phân tích các cọc đơn tiết diện tròn.
- Kích thước biên mô hình được chọn như hình 3.5:
Hình 3.5 Kích thước biên mô hình
- Thông số cọc khoan nhồi dùng cho công trình chi cục thuế quận Phú Nhuận: + Đường kính 1000mm
+ Chiều dài cọc: 55.2m kể từ mặt đất tự nhiên
+ Vật liêu bê tông sử dụng B22.5 (M300)
Bảng 3.1 Bảng tổng hợp thông số mô hình
Thông số Tên Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Cọc Đơn vị
Model Model HS HS HS Linear elastic -
Material bahaviour Type Undrained drained Undrained Non-Porous -
Sức chống cắt C ref 30 1 32 - kN/m 2
Tương tác giữa cọc và đất R inter 0.65 0.65 0.65 1 -
Hình 3.6 Mô hình đối xứng trục cọc đơn trong Plaxis 2D
Hình 3.7 Mesh lưới mô hình đối xứng trục cọc đơn
- Quy trình thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D-Axisymmetry theo đề cương của Quy trình thí nghiệm thử tải tĩnh cọc như bảng bên dưới
Bảng 3.2 Bảng tổng hợp chu kỳ nén tĩnh cọc
Tải trọng thí nghiệm (tấn)
Thời gian giữ tải (phút)
Cấp tải nhập vào mô hình (kN/m2)
Thời gia lưu cấp tải trong mô hình ngày (ngày)
Hình 3.8 Mô phỏng chu kỳ 1 trong thí nghiệm nén tĩnh cọc
Hình 3.9 Mô phỏng chu kỳ 2 trong thí nghiệm nén tĩnh cọc
Kết quảmô phỏng thí nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục bằng Plaxis 2D - Axisymmetry:
Hình 3.10 Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu
Hình 3.11 Ứng suất hữu hiệu ban đầu
Hình 3.12 Kết quả chạy phase trong plaxis
Gia tải 25% - chu kỳ 1 Gia tải 50% - chu kỳ 1
Gia tải 75% - chu kỳ 1 Gia tải 100% - chu kỳ 1
Giảm tải 75% - chu kỳ 1 Giảm tải 50% - chu kỳ 1
Gia tải 125%- chu kỳ 2 Gia tải 150% - chu kỳ 2
Gia tải 175% - chu kỳ 2 Gia tải 200% - chu kỳ 2
Giảm tải 150%- chu kỳ 2 Giảm tải 100% - chu kỳ 2
Kết quảchuyển vịtheo từng chu kỳ được tổng hợp theo bảng sau:
Bảng 3.3 Bảng tổng hợp chuyển vị
Chu kỳ thí nghiệm TT % Tải trọng thí nghiệm
Tải trọng thí nghiệm (tấn)
Thời gian giữ tải (phút) Độ lún đầu cọc
TN (mm) Độ lún đầu cọc mô phỏng (mm)
Hình 3.14 So sánh giữa nén tĩnh và mô phỏng plaxis 2D Đường cong quan hệ tải trọng và độ lún từ kết quả mô phỏng có sai lệch nhất định so với kết quả thí nghiệm nén tĩnh hiện trường Tuy nhiên giá trị độ lún tại giá trị tải trọng lớn nhất ở mỗi chu kỳ gia tải, mô phỏng bằng plaxis 2D và kết quả thí nghiệm nén tĩnh hiện trường chênh nhau không nhiều (24% ở chu kỳ 1, và 1.4% ở chu kỳ 2).
Do vậy có thể xem bộ thông số mô hình ở bảng 3.1 là tương đối phù hợp so với sự làm việc thực tế của đất nền và học viên sử dụng bộ thông số đó làm giá trị tiền định để thay đổi giá trị c,trong bài toán đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi có xét đến yếu tố độ tin cậy.
Đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi có xét đến yếu tố độ tin cậy
Từ bộ thông số mô hình định chuẩn ở bảng 3.1 ta tiến hành thay đổi các thông số c, với giả định các biến c,là các biến ngẫu nhiên (radom variables) tuân theo quy luật phân phối chuẩn giao động xung quanh giá trị trung bình, với một độ lệch chuẩn.
Hệ số tỉ lệ thay đổi tương đối(tỷ số giữa độ lệch chuẩn với giá trị trung bình) được khảo sát với giá trị% Dựa trên quy luật phân phối chuẩn, ứng với biến
-38 - ngẫu nhiên có giá trị trung bìnhvà độ lệch chuẩn, 95% giá trị của biến này thực tế sẽ nằm trong khoảng từ (-1.96) đến (+1.96) Trên cơ sở đó, học viên tính ra mức độ dao động của các biến ngẫu nhiên c,tương ứng với xác suất 95%.
Bảng 3.4 Bảng tổng hợp giá trị dao động của c,
Tiến hành chạy bài toán xác định sức chịu tải cực hạn của cọc:
Mô hình của bài toán vẫn giống như mô hình mô phỏng thi nghiệm nén tĩnh, chỉ khác ở phần khai báo các phase Ở bài toán tính sức chịu tải cực hạn khi đất nền bị phá hoại ta tiến hành tạo các phase sau:
+ Phase 1: Thi công cọc sử dụng loading put: staged construction
+ Phase 2: Kích hoạt tải ban đầu dùng để gia tăng (trong phase này học viên để tải phân bố ban đầu 50 kN/m 2 ), sử dụng loading put: staged construction
+ Phase 3: Tải cực hạn của cọc R c,u , sử dụng loading put: Total multipliers và tại tab multipliers ta nhập 1000 vào mục-MloadA: tương ứng với giá trị tải tối đa
+ Tiến hành chạy mô hình, khi bài toán ở phase 3 bị fail ta sẽ tính được sức chịu tải cực hạn của cọc tại tab multipliers chọn reached value ta se nhận được giá trị sức chịu tải cực hạn của cọc -MloadAx50xdientichcoc Ngược lại nếu phase
3 không bị fail ta cần tăng giá trị lực tối đa lên cọc
Hình 3.15 Khai báo các phase để tính sức chịu tải cực hạn của cọc Ứng với mỗi giá trị của biến thay đổi học viên chỉ chạy mô hình với ba điểm, giá trị nhỏ nhất , lớn nhất, trung bình của biến đó Tổng cộng học viên đã chạy 243 mẫu cho bài toán đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi xét đến yếu tố không chắc chắn của các thông số địa chất c,.
Bảng 3.5 Bảng số hiệu mẫu
Lực dính c lớp 1 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 2 (kN/m 2 ) góc ma sát
Lực dính c lớp 3 (kN/m 2 ) góc ma sát
Sức chịu tải cực hạn của cọc tương ứng với thông số mẫu số 1:
Hình 3.16 Quá trình tính sức chịu tải cực hạn của cọc bằng mô phỏng plaxis 2D
Hình 3.17 Sức chịu tải cực hạn của cọc bằng mô phỏng plaxis 2D
Tải cực hạn tác dụng lên cọc436.65 kN/m2
Sức chịu tải cực hạn của cọc của mẫu 1: R c u , 436.65 50 4 1 2 17147 KN
Hình 3.18 Chuyển vị đứng, ứng suất hữu hiệu của cọc ứng với tải cực hạn mẫu 1
Hình 3.19 biểu đồ quan hệ P-S mẫu số 1
Các mẫu còn lại được tính tương tự (trình bày ở phần Phụ Lục) Kết quả tính toán sức chịu tải cực hạn của 243 mẫu được trình bày ở bảng 3.6.
Tiến hành kiểm định mẫu tuân theo quy luật phân phối chuẩn theo các bước:
- Sắp xếp các giá trị của R c,u theo giá trị từ lớn đến bé theo thứ tự từ 1 đến n
- Với mỗi R c,ui ta tính giá trị p i =i/(n+1) ( theo Gumbel, 1954)
Bảng 3.6 Giá trị sức chịu tải cực hạn và bảng thống kê R c,u
Giá trị Rc,u sắp xếp n i p i z i
- Tính các đại lượng đặc trưng cho mẫu
Quan hệ sức chịu tải cực hạn R c,u - z i thể hiện qua biểu đồ sau:
Hình 3.20 biểu đồ quan hệ R c,u -z i
Từ biểu đồ hình 3.20 học viên nhận thấy quan hệ Rc,u - zi gần như tuân theo quy luật tuyến tính và gần trùng với đường thẳng Do vậy ta có thể kết luận tập mẫu Rc,u tuân theo quy luật phân phối chuẩn với giá trị trung bình Rc,u 704 kN, độ lệch chuẩn Rc,u 80 kN
Từ đó học viên tính ra sức chịu tải của cọc dựa trên độ tin cậyđược tổng hợp theo bảng sau:
Bảng 3.7 Giá trị sức chịu tải cực hạn theo độ tin cậy
Bảng 3.8 Bảng phân cấp công trình theo mức độ quan trọng của công trình và giá trị hệ số độ tin cậytương ứng
Phân cấp công trình Giá trị nhỏ nhất của hệ số độ tin cậy
Mô tả Ví dụ các công trình
Giai đoạn tham chiếu 1 năm
Giai đoạn tham chiếu 50 năm
Có ảnh hưởng lớn về thiệt hại đến đời sống, xã hội hoặc ảnh hưởng đến môi trường ở mức độ rất lớn
Sân vận động, công trình công cộng - nơi tác động lớn khi bị phá hủy
Hậu quả ở mức trung bình về thiệt hại đến đờ sống, kinh tế, xã hội hoặc ảnh hưởng đến môi trường ở mức độ tương đối
Khu dân cư, văn phòng, công trình công cộng - nơi gây ra tác động vừa phải khi bị phá hủy
Hậu quả ở mức độ thấp về thiệt hại đến đời, kinh tế, xã hội hoặc có ảnh hưởng đến môi trường ở mức độ thấp hoặc không đáng kể
Các công trình nông nghiệp - nơi mà con người ít đi lại thường xuyên
Đánh giá bài toán thiết kế móng cọc theo trạng thái giới hạn I dựa trên độ tin cậy62 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Hình 3.21 Mặt bằng móng của công trìnhHọc viên tiến hành đánh giá độ tin cậy cho bài toán thiết kế móng cọc (đánh giá khả năng chịu tải của cọc) cho móng 4 cọc F4
Thông số đầu vào dùng cho tính toán móng F4
Thông số tải trọng tác dụng lên móng
N tt (kN) M tt x (kN.m) M tt y (kN.m) Q tt x (kN.m) Q tt y (kN.m)
Giá trị phản lực đầu cọc được tính theo công sau:
Giá trị phản lực đầu cọc lớn nhất: max 2 2
4 0.6 0.6 tt tt tt y i x i dai coc i i tt tt tt tt tt y x d x y d tt tt tt tt tt y x x y
Bài toán thiết kế đảm bảo khi PmaxRc,u
Hàm trạng thái giới hạn g(x)=R(x) - Q(x)=R c,u - P max
4 0.6 0.6 tt tt tt tt tt y x x y
Giả định các biến tải trọng là các biến ngẫu nhiên (radom variables) tuân theo quy luật phân phối chuẩn giao động xung quanh giá trị trung bình, với một độ lệch chuẩn.
Hệ số tỉ lệ thay đổi tương đối(tỷ số giữa độ lệch chuẩn với giá trị trung bình) được khảo sát với giá trị0% Dựa trên quy luật phân phối chuẩn, ứng với biến ngẫu nhiên có giá trị trung bìnhvà độ lệch chuẩn, 95% giá trị của biến này thực tế sẽ nằm trong khoảng từ (-1.96) đến (+1.96) Trên cơ sở đó, học viên tính ra mức độ dao động của các biến ngẫu nhiên c,tương ứng với xác suất 95%.
Bảng 3.9 Bảng tổng hợp giá trị dao động của tải trọng
Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn của hàm g theo các công thức (2.16), (2.18)
4 0.6 0.6 tt tt tt tt tt M y Q x M x Q y
Chỉ số độ tin cậy
Từ kết quả độ tin cậy.23 quá lớn dẫn đến xác suất phá hủy cọc gần như bằng 0,phương án thiết kế hiện tại đang quá thiên về an toàn và lãng phí.
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Kết luận
Thông qua bài toán đánh giá sức chịu tải của cọc khoan nhồi có xét đến yếu tố độ tin cậy bằng cách thay đổi giá trị của các biến đầu vào như thông số địa chất, tải trọng giúp cho người thiết kế có cái nhìn trực quan hơn về độ an toàn của công trình Từ đó cân nhắc lựa chọn phương án thiết kế sao cho tối ưu và hiệu quả nhất Kết quả của luận văn cũng đưa ra cái nhìn khách quan hơn về các hệ số an toàn sử dụng trong thiết kế, mục đích đưa các hệ số an toàn vào trong tính toán thiết kế là để kể đến ảnh hưởng ngẫu nhiên của các số liệu đầu vào mà người thiết kế không kiểm soát được Tuy nhiên các hệ số an toàn này thường được quy định không rõ ràng và việc lựa chọn phụ thuộc vào kinh nghiệm, năng lực của người thiết kế, dẫn đến không có cơ sở để định lượng rõ ràng mức độ an toàn của công trình Điều này dẫn đến hiện tượng lãng phí quá mức hoặc đôi khi là thiếu là an toàn cho kết cấu.
Từ kết quả số, có thể thấy giá trị sức chịu tải cực hạn thường lớn hơn rất nhiều so với giá trị thiết kế Do vậy, để tránh lãng phí khi thiết kế móng cọc, người thiết kế cần quy định thử tải cọc đến giá trị phá hoại, từ đó đưa ra phương án thiết kế hợp lý, tối ưu nhất, tránh trường hợp lãng phí quá mức như trường hợp thiết kế kết cấu móng cho công trình sử dụng trong phần chương 3 của luận văn.
Việc thiết kế dựa trên độ tin cậy có phương pháp rõ ràng, cơ sở khoa học và nên áp dụng trong thực tế thiết kế.
Hướng nghiên cứu tương lai
Tiếp tục phát triển đề tài nghiên cứu theo hướng đánh giá sức chịu tải có xét đến yếu tố độ tin cậy của cọc một cách tổng thể có xét đến ảnh hưởng của các cọc trong cùng một móng Từ đó tiến hành đánh giá độ tin cậy cho bài toán thiết kế móng cọc theo trạng thái giới hạn II.
Phát triển bài toán thiết kế dựa trên độ tin cậy với các biến gần tuân theo các quy luật phân phối gần thực tế hơn như quy luật phân phối lognormal, extreme loại 1, extreme loại 2
Phát triển phương pháp thiết kế dựa trên độ tin cậy cho các bài toán liên quan đến sử dụng phần mềm, sử dụng các phương pháp xấp xỉ như ResponseSurface, Artificial Neuron Network
