Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô phỏng và thực nghiệm xác định nứt dọc thân cọc trong quá trình hạ cọc bằng rô bốt

Loại cọc này đã được sử dụng rộngrãi trong các công trình xây dựng cho các kết cấu móng chịu tải đứng và ngang.Bên cạnh những ưu điểm, loại cọc này cũng đã xuất hiện một vài sự cố trongq

Từ viết tắt

PHC Prestressed High strength Concrete ƯST Ứng suất trước

BTCT Bê tông cốt thép

DƯL Dự ứng lực ĐĐ Ép đỉnh cọc đúng tâm ĐL Ép đỉnh cọc lệch tâm

OL Ép ôm cọc lệch tâm

OLN Ép ôm cọc lệch tâm tương tác với đất nền

PTHH Phần tử hữu hạn

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

GID Phần mềm hỗ trợ Atena

ATENA Phần mềm mô phỏng

CEB MODE 1990 Tiêu chuẩn eurocode 1990 M4 Bazant’s Miroplane material model for concrete

PHC D500A-10 Cọc ly tâm ƯST đường kính 500mm loại A dài 10mPHC D500A-5 Cọc ly tâm ƯST đường kính 500mm loại A dài 5m

Greek letter

σ zz Ứng suất của bê tông theo trục Z κ Hệ số tỷ lệ φ Đường kính cáp ƯST ε Biến dạng của bê tông ψ Hệ số từ biến ε c Biến dạng của bê tông ε c,lim Biến dạng giới hạn của bê tông ε c1 Biến dạng của bê tông γ Hệ số poison γ c Hệ số điều kiện làm việc đối với cọc độc lập α e Hệ số biến dạng

Biến dạng ban đầu của thép ƯST khi được căng trước

Latin lower case letters

b p Chiều rộng quy ước của cọc r Hệ số chùng ứng suất n Số lượng cáp ƯST

Latin upper case letters

D 0 Đường kính ngoài của cọc PHC

T Chiều dày thành cọc PHC

A 0 Diện tích mặt cắt ngang của bê tông

A c Diện tích ngang mặt cắt cọc

A p Tổng diện tích cáp ƯST

P Lực nén tác dụng lên cọc

K sh Độ cứng lò xo ngang thân cọc

R mc Độ cứng lò xo mũi cọc

I Momen quán tính tiết diện ngang cọc

Mechanical Properties

Giới thiệu

1.1 Cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước

Cọc ống ly tâm ứng suất trước (PHC) lần đầu tiên xuất hiện ở Nhật Bản từ những năm 1970 [4] và đến nay được sử dụng rộng rãi vì những ưu điểm mà nó mang lại như khả năng chống uốn đều các phương, khả năng kháng nứt, chiều dài cọc linh hoạt, áp dụng sản xuất trên dây chuyền công nghiệp nên kiểm soát được chất lượng cọc, vận chuyển linh hoạt và có thể sử dụng ở những công trình có địa chất phức tạp Cọc ống ly tâm ứng suất trước có tiết diện hình vành khăn hay hình trụ rỗng với chiều dài và chiều dày thành cọc thay đổi tùy theo từng loại cọc Cọc sử dụng bê tông có mác không nhỏ hơn M400 dành cho cọc ống ly tâm thường và không nhỏ hơn M600 dành cho dành cho cọc ống ly tâm ứng suất trước [5].

Hình3.8 minh hoạ cấu tạo điển hình của cọc ống ly tâm ứng suất trước trong đó

L là chiều dài cọc, d chiều dày thành cọc, a đầu cọc hoặc đầu mối nối, b mũi cọc hoặc đầu mối nối Các nhà sản xuất cọc hiện nay căn cứ vào địa chất, đặc điểm,quy mô từng công trình mà sản xuất các loại cọc khác nhau, để từ đó người sử dụng có thể chọn lựa tùy theo nhu cầu sử dụng của mình Theo đó cọc PHC được phân thành 3 nhóm A, B, C tương ứng với khả năng chịu lực theo vật liệu,

Hình 1.1: Bản vẽ cọc ống ứng suất trước

Hình 1.2: Cấu tạo cọc ống ứng suất trước

Bảng 1.3 liệt kê các đặc tính chi tiết sản phẩm cọc PHC của công ty Phan Vũ đang được sử dụng phổ biến trên thị trường.

Trên thế giới cọc PHC đã được sử dụng rộng rãi từ những nước phát triển như USA, Đức,Ý cho đến các nước Đông Nam Á như Thái Lan,Malaysia,Indonesia

Và ở Việt Nam cọc PHC thường được sử dụng trong những công trình nhà cao tầng Ở Việt Nam, việc sử dụng cọc bê tông ly tâm ứng lực trước trong các công trình xây dựng khá phổ biến chẳng hạn như Công trình 246 Nguyễn Cửu Vân Quận 1 TP.HCM , công trình Trạm xử lý nước thải KCN Cái Mép tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu

Cọc PHC không những được sử dụng phổ biến công trình dân dụng mà còn sử

Hình 1.3: Bảng phân loại cọc của công ty Phan Vũ

Hình 1.4: Công trình 246 Nguyễn Cửu Vân Quận 1 TP.HCM dụng cho công trình cảng biển cầu đường với những cọc có đường kính lớn như

D 1000, D 1200 Ngoài ra vì khả năng chịu tải trọng ngang tốt nên được dùng cho các công trình tường chắn đất, đê kè (Hình1.5), thủy lợi, công nghiệp .

Hiện nay nhiều nhà máy bê tông :Phan Vũ, Bê tông 6, Bê tông Thủ Đức đã sản xuất đại trà cọc bê tông ly tâm ứng suất trước, cung cấp nhiều loại cọc với kích thước chủng loại khác nhau với đường kính thay đổi từ φ 300 đến φ 1200, từ cọc loại A đến loại B loại C phù hợp với điều kiện địa chất của từng công trình.

Ngoài những ưu điểm mà cọc PHC mang lại tuy nhiên hiện nay trong quá trình

Hình 1.5: Cọc ly tâm dùng làm kè chắn sóng thi công ép cọc PHC đã xuất hiện một số sự cố : nứt dọc thân cọc, phá hoại đầu cọc mà chưa xác định được nguyên nhân (Hình 1.6)

Hình 1.6: Hiện tượng nứt cọc

1.2 Động lực phát triển và hướng nghiên cứu mới

Tại Việt Nam đang sử dụng tiêu chuẩn TCVN 7888:2008 [5] để tính toán kiểm tra cường độ theo vật liệu của cọc ly tâm nhưng việc khảo sát và phân tích các vết nứt xuất hiện trong quá trình hạ cọc không được nêu ra Tuy nhiên trong22TCN - 289-02 “Quy trình kỹ thuật thi công và nghiệm thu công trình bến cảng ” Điều 7.6.9 có nêu rõ hiện tượng nứt dọc thân cọc và cho rằng nguyên nhân là do tác động của áp lực thủy động trong lòng cọc khi hạ cọc trong nước hoặc đất yếu, cốt đai xoắn cấu tạo trong cọc không đủ khả năng chịu tác động của áp lực thủy động trong lòng cọc [6].

Trên thực tế khi thi công hiện tượng này còn xuất hiện ngay cả khi hạ cọc trong nền đất tốt và không có mực nước ngầm chứng tỏ áp lực thủy động được nhắc trong [6] chỉ là một yếu tố tác động đến, còn có những nhận định về biện pháp thi công, về chất lượng cọc, về ảnh hưởng của điều kiện đất nền Việc mô phỏng để xác định nguyên nhân gây nứt dọc thân cọc là cần thiết, các nội dung được khảo sát sau khi có kết quả được so sánh với các chỉ tiêu đánh giá và so sánh với kết quả thực nghiệm rồi rút ra kết luận.Các nội dung được khảo sát như sau:

1 Ép đỉnh cọc PHC500A-5 ép đúng tâm.

2 Ép đỉnh cọc PHC500A-5 ép lệch tâm.

3 Ép ôm cọc PHC500A-5 ép lệch tâm.

4 Ép ôm cọc PHC500A-10 ép lệch tâm xét đến cọc làm việc đồng thời với nền.

1.3 Mục tiêu và giới hạn đề tài

Mục tiêu khảo sát của đề tài là mô phỏng quá trình ép cọc bằng thiết bị rô bốt, thiết lập được quan hệ phát triển lực và biến dạng của vùng bị ngàm Từ đó phân tích lực ép giữa các thớ khác nhau của cọc và xác định nguyên nhân gây nứt. Đối tượng được khảo sát là cọc ƯST có chiều dài 5m liên kết ngàm tại chân cọc và cọc 10m liên kết với đất nền bằng mô hình Winkler Cọc được sử dụng là cọc của công ty Phan Vũ , kích thước hình học bao gồm đường kính 50cm, chiều dày thành 6,5cm, cọc loại A(Loại cọc thường xuất hiện vết nứt dọc) Không xét đến các yếu tố từ biến, tải trọng động trong mô phỏng, các loại mô hình đất nền khác nhau, không xét đến các mối nối cọc.

1.4 Cấu trúc của luận văn

Chương 1 Chương giới thiệu nêu ra những khái niệm và cấu tạo của cọc một cách tổng quát cũng như khả năng ứng dụng trong các ngành xây dựng, đối tượng ý nghĩa và giới hạn của đề tài cũng được nhắc trong chương này.

Chương 2 Chương tổng quan trình bày quá trình hạ cọc bằng rô bốt và những sự cố thường gặp trong quá trình hạ cọc trong đó đi sâu vào phân tích sự nứt dọc thân cọc và giải pháp khắc phục ở hiện trường.

Chương 3 Chương mô phỏng trình bày các trường hợp chịu nén của cọc, mô hình vật liệu, tải trọng điều kiện biện, hiệu chỉnh mô hình vật liệu bê tông và ứng dụng của phần mềm Atena vào các mô hình của cọc.

Chương 4 Chương kết quả trình bày các chỉ tiêu đánh giá đường cong lực - biến dạng , so sánh với kết quả thực nghiệm từ đó xác định yếu tố gây nứt dọc thân cọc.

Chương 5 Chương kết luận trình bày các kết luận cũng như hướng nghiên cứu phát triển đề tài sau này.

Tổng quan

2.1 Quy trình hạ cọc bằng máy ép rô bốt

Rô bốt tự hành thi công ép cọc là thiết bị được đưa vào Việt nam từ cuối thập niên 1990, ban đầu nó được ứng dụng thi công ép cọc cho các công trình ở khu đô thị Nam Sài Gòn Đến nay đã có hàng trăm dàn rô bốt ép cọc hiện diện ở khắp các vùng miền trên toàn Việt Nam Với khả năng di động tốt việc di chuyển đến vị trí mới khá nhanh và dễ dàng, lực ép rất lớn, thi công đạt năng suất và hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian Trên thị trường có nhiều loại thiết bị rô bốt ép cọc của các hãng Đức, Mỹ, Trung Quốc, ở Việt Nam sử dụng phổ biến máy ép cọc SUNWARD của Trung Quốc (Hình 2.2) với tải ép có thể trên 800 Tấn.

Cấu tạo cơ bản của một rô bốt ép cọc gồm có các phần sau:

• Khung cơ bản mang đối trọng

• Xi lanh tạo lực ép

• Má kẹp truyền lực là bộ phận trung gian truyền lực từ máy ép rô bốt đến cọc, Hình 2.1 minh hoạ một hệ má kẹp điển hình Bộ phận này có cấu tạo để ôm quanh hay một phần chu vi cọc tạo lực ma sát ép cọc xuống đất nền Quá trình ép được chia làm 4 bước như sau:

Hình 2.1: Má kẹp(Ngàm kẹp) của máy ép rô bốt

Hình 2.2: Máy ép cọc Rô bốt

Bước1: Di chuyển máy vào vị trí ép Đưa đoạn cọc thứ nhất vào vị trí ép, ép đoạn cọc thứ nhất đến cao độ +1 2 m đến +1 4 m so với mặt đất hiện trạng.

Bước 2: Cẩu đoạn cọc thứ hai vào giá ép, tỳ lên đoạn cọc 1 ép đến cao độ 0.1m so với mặt đất hiện trạng, tiến hành hàn nối cọc, ép ngập đoạn 1, tương tự ép đoạn 3, ép đoạn 4 đến cao độ 1 0 m đến 1 2 m

Hình 2.3: Bước 1- quá trình hạ cọc

Hình 2.4: Bước 2- quá trình hạ cọc

Bước 3: Cẩu đoạn cọc thứ 5, vào giá ép, căn chỉnh máy ép.Tiến hành ép đoạn thứ 5 đến đảm bảo điều kiện dừng ép thì dừng lại

Bước 4: Di chuyển máy đến tim cọc khác tiến hành ép tim cọc tiếp theo lặp lại bước 1 Trong quá trình ép lưu ý Độ thẳng đứng của cọc theo 2 phương , Chiều dài thiết kế của cọc, áp lực ép tại thời điểm kết thúc ép cọc: P min < P < P max ,quy cách tổ hợp các đoạn cọc.

Hình 2.5: Bước 3- quá trình hạ cọc

Hình 2.6: Bước 4- quá trình hạ cọc

2.2 Các sự cố trong quá trình hạ cọc

2.2.1 Cọc bị nứt, gãy khi cẩu chuyển

Hai tác giả Lâm Thanh Phong và Trần Khánh Hùng [2] đã quan sát quá trình thi công hạ cọc ở các dự án ở Đồng bằng sông Cửu Long và đã liệt kê một số sự cố liên quan đến quá trình cẩu lắp Trong trường hợp này yếu tố con người đóng vai trò chính Quá trình cẩu lắp không được chú ý cẩn thận dẫn đến cọc bị va chạm, hay một số đơn vị thi công cho công nhân dùng móc cẩu móc trực tiếp tại hai đầu cọc (Hình 2.7) để cẩu chuyển mà không tính toán kiểm tra vì nghĩ rằng cọc ống BTCT ƯST có độ cứng rất lớn, cọc không thể bị tổn hại.

Hình 2.7: Sự cố do cẩu lắp cọc không đúng vị trí

2.2.2 Cọc bị nghiêng lệch quá mức cho phép

Khi kiểm tra độ thẳng đứng của cọc các đơn vị thi công sử dụng máy trắc đạc, con dọi và thước cân bằng, sau từng đoạn cọc ép xuống đơn vị thi công sẽ kiểm tra lại phương thẳng đứng của cọc bằng các dụng cụ trên Tuy nhiên việc chủ quan không kiểm tra kỹ độ thẳng đứng của cọc sau từng phân đoạn cọc làm cho các đoạn cọc về sau càng nghiêng lệch so với phương thẳng đứng.

2.2.3 Kết cấu bên trên đầu cọc bị dịch chuyển ngang

Sau khi thi công xong kết cấu bên trên của nền cọc, khi công trình chịu lực ngang(chẳng hạn lực neo tàu, lực va tàu, ) thì kết cấu bên trên bị dịch chuyển trong mặt phẳng ngang lớn hơn nhiều so với tính toán trong hồ sơ thiết kế, trường hợp tải trọng ngang tác động tuần hoàn (chẳng hạn tác động của sóng) còn gây ra hiện tượng rung lắc kết cấu bên trên [2].

2.2.4 Cọc bị vỡ đầu cọc trong quá trình đóng cọc

Vỡ đầu cọc khi đóng là hiện tượng phổ biến không chỉ của cọc ly tâm ƯST mà còn của tất cả các loại cọc BTCT thông thường Tuy nhiên qua phân tích từ thực tế cấu tạo cọc và giải pháp thi công hạ cọc, mặc dù cường độ vật liệu của cọc PHC hơn so nhiều so với cọc BTCT thông thường nhiều nhưng trên thực tế chúng thường hay bị sự số ở đầu cọc do có số đặc điểm riêng như sau:

1 Cọc có tiết diện vành khăn với chiều dày nhỏ so với đường kính ngoài Tỉ số giữa đường kính và chiều dày thường giảm đi Đường kính ngoài càng lớn thì ma sát hông và sức kháng mũi càng lớn, dẫn đến sức chịu tải của cọc theo đất nền lớn Do vậy, muốn đóng được cọc phải dùng búa có năng lượng xung kích lớn Nhiều Đơn vị thi công thay vì trang bị búa có trọng lượng lớn, chiều cao rơi búa thấp để giảm động năng va đập lên đầu cọc, lại chọn cách tận dụng búa có trọng lượng nhỏ nhưng chiều cao rơi búa lớn (vẫn đảm bảo thỏa điều kiện về năng lượng xung kích), làm cho phần đầu cọc chịu thêm một ứng suất phát sinh do va đập, tổng ứng suất thường vượt quá ứng suất giới hạn của vật liệu cọc gây vỡ đầu cọc.

2 Mặt khác diện tích tiết diện ngang của cọc ly tâm giảm nhiều (do chiều dày thành nhỏ) cũng là một lý do làm cho ứng suất trong cọc tăng nhiều hơn so với loại cọc đặc Đầu cọc không có cấu tạo đặc biệt để chịu ứng suất phát sinh do va đập của búa, vòng thép tấm quanh miệng cọc có chiều cao (theo phương trục cọc) không lớn (khoảng 150 mm − 200 mm )so với phạm vi ảnh hưởng của lực xung kích nên hiệu quả không cao Mặt khác thiếu các chi tiết neo để liên kết vòng thép này vào phần BT cọc nên nhiều trường hợp vòng thép bị tách ra khỏi phần BT trong quá trình thi công cũng như khai thác.

Hiện tượng này gặp khá phổ biến sau khi đóng cọc đã đóng sâu vào nền, mức độ vỡ từ nhẹ vỡ một phần bê tông đầu cọc đến nặng toàn bộ đầu cọc vỡ nát,thậm chí bung cả vòng thép tấm đầu cọc [2] Hình 2.8 minh hoạ một sự cố vỡ đầu cọc được ghi nhận bởi hai tác giả Phong và Hùng [2].

Hình 2.8: Vỡ đầu cọc trong quá trình thi công[2]

Hình 2.9: Vỡ đầu cọc trong quá trình thi công ép bằng rô bốt [3]

Trong trường hợp dự án nhà ở thương mại Golden Island, quận 9, Tp HCM Kết cấu móng được thiết kế sử dụng cọc PHC loại A có đường kính 500mm, trong quá trình thi công ép cọc đã liên tục xảy ra các sự cố vỡ đầu cọc cho dù lực ép mới chỉ bằng 50% lực ép thiết kế Bùi Đức Vinh đã tiến hành các công tác kiểm định đánh giá để xác định nguyên nhân gây phá hoại đầu cọc Tác giả đã đề xuất mô hình thí nghiệm như ở Hình 2.10 Theo đó, lực ép và biến dạng ở hai phía thân cọc đối xứng qua trục sẽ được đo và ghi nhận trong suốt quá trình ép.

Kết quả thí nghiệm tại hiện trường với 03 cọc khác nhau đã chỉ ra rằng, nguyên nhân chính gây phá hủy đầu cọc trong quá trình nén là do sự chênh lệch lực ép

Hình 2.10: Mô hình thí nghiệm xác đinh nguyên nhân vỡ đầu cọc ở hai phía đầu cọc (Hình2.11) Một bên cọc bị kéo và bên còn lại bị nén, khi lực ép nhỏ cọc biến dạng kéo chưa đủ lớn thì cọc không bị phá hủy Trường hợp khi lực ép tiến gần với lực ép thiết kế thì cọc có thể bị phá hủy do phá hoại từ thớ bị kéo (Hình 2.13) cho thấy chênh lực lực ép đo được giữa hai phía từ 50% đến 200%.

Mô hình quá trình hạ cọc

3.1 Sức chịu tải tính toán của cọc PHC

Sức chịu tải của cọc theo vật liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng làm việc của cọc, cũng như điều kiện để chọn thiết bị thi công hạ cọc Sức chịu tải của cọc theo lý thuyết thường lớn hơn nhiều so với thực tế thi công Hiện nay các công ty sản xuất cọc PHC hay đính kèm bảng thông số kỹ thuật, trong đó có liệt kê sức chịu tải của từng loại cọc để khách hàng có thể chọn lựa theo nhu cầu sử dụng.

Dưới đây trình bày tóm tắt phương pháp tính toán sức chịu tải của cọc theo tiêu chuẩn JIS5353 [4, 19], từ đó làm cơ sở để đánh giá các kết quả khảo sát.

Các thông số đầu vào được liệt kê ở Bảng 3.1, đặc trưng hình học của tiết diện cọc được mô tả ở Hình 3.1.

Theo các thông số sản phẩm do nhà sản cọc Phan Vũ [19] đưa ra ở Bảng 1.3 thì sức chịu tải dài hạn của cọc theo khuyến cáo được lấy 190 (Tấn).

3.2 Các trường hợp mô phỏng cọc PHC Để thuận tiện cho việc gọi tên và kiểm soát các trường hợp mô phỏng, bảng liệt kê được lập như sau Bảng (3.4)

Bảng 3.1: Bảng thông số tính toán PHC

Thông số Ký hiệu Gía trị Đơn vị

Cường độ chịu nén của bê tông f u 800 kg/cm 2

Cường độ chịu nén sau khi căng cáp f cp 560 kg/cm 2

Cường độ chịu kéo f bt 70 kg/cm 2

Môđun đàn hồi của cọc E c 4.2E5 kg/cm 2

Môđun đàn hồi của cọc sau khi căng cáp E c 3 15 E 5 kg/cm 2 Độ co ngót c 15 E − 7

Giới hạn bền thép f pu 14500 kg/cm 2

Giới hạn chảy thép f py 13000 kg/cm 2

Môđun đàn hồi của cọc E p 20 E 5 kg/cm 2

Hệ số chùng ứng suất r 0 035 À

Hình 3.1: Đặc trưng hình học của mặt cắt cọc

3.2.1 Trường hợp ép đỉnh đúng tâm - ký hiệu ĐĐ

Trong thực tế trường hợp này thường gặp phải khi mũi cọc gần đạt đến độ sâu thiết kế, lực ép bắt đầu tăng dần do phản lực và ma sát của đất nền Khi đó, một đoạn cọc bằng thép (cọc lói, cọc dẫn) được đặt lên đầu cọc bê tông và thiết bị sẽ truyền lực ép thông qua cọc dẫn này Hình3.2 giải thích sơ đồ ép cọc trong thực tế.

Trong bài toán mô phỏng, lực được thay thế bằng các chuyển vị cưỡng bức đặt trên đầu cọc điều này sẽ thuận lợi hơn cho bài toán mô phỏng phi tuyến có xét đến phá hoại của kết cấu sau khi đã đạt được giá trị lực tới hạn [18].

Bảng 3.2: Bảng thông số mặt cắt cọc

Tên gọi Ký hiệu Đơn vị Số liệu Đường kính ngoài D 0 mm 500

Chiều dày thành cọc T mm 90

Bán kính đến cáp r p mm 210

Diện tích mặt cắt cọc A c m 2 0.115924 Đường kính-số cáp φ − n mm 7.1-14

Diện tích cáp ƯST T mm 2 39.5919

Bảng 3.3: Bảng giá trị tính toán cọc

Tên gọi Ký hiệu Gía trị Đơn vị

Lực kéo căng ban đầu của cáp ƯST f pi = 0 8 f py , f pi = 0 8 f pu 0 8 x 14500 = 10 150 Kg/cm 2 Ứng suất căng tính toán của thép f pt = (1 − k/ 2) f pi

1 + n ( A p /A 0 ) 9.603,31 Kg/cm 2 Ứng suất ban đầu trong bê tông σ cpt = A p σ pt

Tổn thất ứng suất liên quan đến hiện tượng co ngót và từ biến của bê tông Δ σ pw = nψσ pt + E p s

Tổn thất ứng suất liên quan đến hiện tượng chùng ứng suất Δ σ r = kσ pt

2 240.08 Kg/cm 2 Ứng suất hữu hiệu trong cáp ƯST σ pe = Δ σ pe A p

A 0 8.940,17 Kg/cm 2 Ứng suât hữu hiệu trong bê tông σ pe = Δ σ pe A p

Mô men quán tính của mặt cắt cọc I e = Π / 4( r 0 4 − r 4 i ) + n/ 2 A p r 2 p 258.097,39 cm 4

Mô men kháng uốn cọc Z e = I e /r 0 ( cm 3 ) 10.323,90 cm 3

Sức chịu tải ngắn hạn của cọc (Theo công thức Nhật Bản, [4]) R aL = 1 / 3( σ cu − σ ce ) A c 219 Tấn

Sức chịu tải dài hạn của cọc (Theo công thức Nhật Bản, [4]) R aS = 1 / 2( σ cu − σ ce ) A c 438,8 Tấn

Sức chịu tải của cọc theo ACI 543 P e = (0 33 f c − 0 27 f e ) A c 292,6 Tấn

Sức chịu tải dài hạn của cọc khi chưa kể hệ số an toàn 1/2 R 877,6 Tấn

Trong phần này giá trị chuyển vị trên đỉnh theo phương hướng xuống lần lượt là: -10mm, -20mm và -30mm Chúng được đặt tại các điểm nút trên tiết diện ngang được đánh số từ điểm 1 đến điểm 16 Hình 3.2 giải thích vị trí đặt chuyển vị cưỡng bức trên đầu cột.

Bảng 3.4: Bảng ghi chú các trường hợp mô phỏng và ký hiệu

Trường hợp Tên gọi Ký hiệu viết tắt Ghi chú

Trường hợp 1 Ép đỉnh đúng tâm ĐĐ Đỉnh đúng

Trường hợp 2 Ép đỉnh lệch tâm ĐL Đỉnh lệch

Trường hợp 3 Ép ôm lệch tâm OL Ôm lệch

Trường hợp 4 Ép ôm lệch tâm tương tác đất nền OLN Ôm lệch nền

(a) Trường hợp ép đỉnh đúng tâm (b) Ép đỉnh đúng tâm ngoài công trường

Hình 3.2: Trường hợp ép đỉnh - đúng tâm

(a) Trường hợp ép ôm cọc đúng tâm (b) Ép ôm đúng tâm ngoài công trường

Hình 3.3: Trường hợp ép ôm cọc ép đúng tâm

3.2.2 Trường hợp ép đỉnh lệch tâm - ký hiệu ĐL

Trong trường hợp lực ép từ các xi lanh không đều, hoặc các thanh dẫn trên máy bị mòn không đều nhau [3] thì lực phân bố trên tiết diện ngang của cọc sẽ không đều và gây ra lực nén lệch tâm.

Lực lệch tâm được thay bằng các chuyển vị cưỡng bức có giá trị không bằng nhau như thể hiện ở Hình 3.4, cọc được gắn chuyển vị tại vị trí ngàm kẹp với các giá trị chuyển vị bên trái -10mm,và bên phải -5mm, -2.5mm tại các điểm phân chia từ điểm 1 đến điểm 16.

Hình 3.4: Trường hợp ép đỉnh lệch tâm

3.2.3 Trường hợp ép ôm lệch tâm- ký hiệu OL

Trường hợp này xảy ra trong thực tế khi lớp đất nền bên dưới tương đối cứng, tổng phản lực ở mũi cọc và ma sát thành đủ lớn Thiết bị thi công tạo ra lực ép không đồng đều như ở trường hợp 3.2.1, 3.2.2.

Cọc được gắn chuyển vị tại vị trí ngàm kẹp với các giá trị chuyển vị được phân chia sao cho chuyển vị trái gấp 2.0 lần chuyển vị phải cho trường hợp 1 (TH1) và chuyển vị trái gấp 4.0 lần chuyển vị phải cho trường hợp 2(TH2).

3.2.4 Trường hợp ép ôm lệch tâm tương tác đất nền - ký hiệu

Trong thực tế xây dựng cọc được hạ trong đất nền, giữa cọc và đất nền có sự tương tác với nhau, lực ép truyền xuống cọc hình thành các phản lực đất nền lên xung quanh thân cọc và mũi cọc, trong đề tài này để biểu diễn sự tương tác

Hình 3.5: Trường hợp ép ôm lệch tâm

Hình 3.6: Trường hợp ép ôm lệch tâm ảnh hưởng của đất nền giữa cọc và đất nền, các gối tựa lò xo ngang xung quanh cọc và lò xo đứng tại mũi cọc được thể hiện Hình 3.6

Cọc hình vành khăn có cấu tạo như bản vẽ dưới đây

Hình 3.7: Bản vẽ cọc PHC D500A a) Cọc dài 5m, b) Cọc dài 10m

Bảng 3.5: Bảng thông số mặt cắt cọc PHC D500A

Tên gọi Ký hiệu Đơn vị Số liệu Đường kính ngoài D 0 mm 500

Chiều dày thành cọc T mm 90

Bán kính đến cáp r p mm 210

Diện tích mặt cắt cọc A c m 2 0.115924 Đường kính-số cáp φ − n mm 7.1-14

Diện tích cáp ƯST T mm 2 39.5919

3.4 Mô hình phần tử hữu hạn Để việc chia lưới không bị phức tạp và gây ảnh hưởng trong các miền tiếp xúc một số chi tiết của cọc không được mô hình hóa Việc này giúp làm giảm thời gian dựng hình đối tượng cũng như giảm thời gian tính toán của máy tính Điều này không ảnh hưởng đến ứng xử tổng thể của mô hình 3D, khả năng chịu lực của cọc và không làm sai lệch kết quả phân tích, các chi tiết của cọc không được mô hình hóa bao gồm:

• Phần đệm thép đầu cọc

• Phần chi tiết nối cọc

Bê tông được mô tả bằng phần tử khối 3 chiều (3D Solid), thép dự ứng lực là các phần tử 1 chiều được nhúng vào trong phần tử Solid của bê tông,

Sau khi khai báo các thông số hình học của dầm, quá trình chia lưới (Mesh) được làm theo thứ tự Các phần tử thép sẽ được gán vào các điều kiện về liên kết, các phần tử thép là những phần tử liên tục không được chia lưới được nhúng trong phần tử solid, sau đó bê tông sẽ được chia lưới, việc chia lưới phải đủ mịn để kết quả chính xác và cũng không quá mịn để giảm thời gian tính toán của máy tính Trong Atena các phần tử Solid bao gồm Tetrahedra, Hexahedra, Prism, Pyramid.

Kết quả mô phỏng

Qua 3 mô hình ép đỉnh cọc đúng tâm được khảo sát (3 mô hình ép đỉnh đúng tâm có cùng điều kiện về vật liệu tải trọng và điều kiện biện, chỉ khác nhau ở chuyển vị cưởng bức ban đầu) kết quả đều cho ta thấy cọc hoàn toàn chịu nén, vật liệu cọc đạt đến giá trị lớn nhất, với mặt cắt chảy dẻo của cọc là đồng đều và đạt đến cường độ tương đương so với cường độ bê tông khối trụ 150 mm × 300 mm Biểu đồ lực - biến dạng tại 3 vị trí chân cọc, đỉnh cọc, và vị trí cục bộ (Hình 4.1, 4.3 4.4 cho ta thấy khi tải ép đúng tâm lên tới 880 tấn thì vật liệu bắt đầu phi tuyến chuyển sang trạng thái dẻo (Load step 136), biến dạng phương x,y,z cho thấy tại đỉnh cọc và vị trí cục bộ có giá trị biến dạng miền đàn hồi là như nhau, đến giai đoạn chảy dẻo vị trí đỉnh cọc không biến dạng nữa nhưng vị trí cục bộ vẫn tiếp tục biến dạng chứng tỏ tại vị trí cục bộ cọc sẽ bị phình ra theo dấu + của giá trị chuyển vị ngang x,y hay biến dạng nở hông.

Trong giai đoạn bê tông chỉ chịu nén và làm việc đàn hồi, ứng suất thép cho ta thấy thép đai chịu kéo, giá trị chịu kéo tăng dần, thép DUL chính có cường độ chịu nén giá trị nhỏ và tăng đột ngột khi bê tông bị phá hoại ứng suất( f py > 13000 kg/cm 2 ).

Gía trị của lực nén P0 Tấn tương đương với sức chịu tải tính toán của cọc trong bảng 3.3 khi không tính hệ số an toàn, việc mô phỏng với dữ liệu đầu vào là phù hợp và chính xác Trong thực tế việc thử tải nén đúng tâm đến cường độ phá hoại của vật liệu là khó khăn việc mô phỏng và tính toán theo lý thuyết giúp ta xác định được sức chịu tải tới hạn của cọc.

Hình 4.1: Lực và biến dạng phương Z trường hợp ĐĐ

Hình 4.2: Lực và biến dạng phương X trường hợp ĐĐ

Nhìn vào biến dạng nở hông theo phương X và Y ta thấy biến dạng của trường hợp nén đúng tâm là đồng đều theo 2 phương và bị phình ra

Hình 4.3: Lực và biến dạng phương Y trường hợp ĐĐ

Hình 4.4: Biến dạng phương X,Y,Z trường hợp ĐĐ(a), mặt cắt biến dạng (b)

4.1.2 Trường hợp ĐL Ứng suất tập trung trên đầu cọc phân bố không đều và cục bộ, có những vị trí bê tông vượt f c (Vùng màu xanh đậm) và những vùng chưa đạt cường độ f c của bê tông (Vùng màu đỏ) Cọc bị phá hoại tại đỉnh cọc, các chỉ tiêu đánh giá được thực hiện trong 4.2.1.

Nhìn vào Hình 4.6 và hình 4.8 ta thấy giá trị tải ép giảm còn khoảng 375 tấn giãm hơn nhiều so với trường hợp ĐĐ là 880 tấn, chứng tõ độ lệch tâm làm ãnh hưởng đáng kể đến sức chịu tải của cọc, biến dạng theo phương X là dương cho bên trái cọc và bên phải cọc, do đó theo phương X cọc bị phình ra, theo phương

(a) Ứng xử của bê tông -ĐL (b) Hình dạng phá hoại đầu cọc-ĐL

Hình 4.5: Ứng xử của bê tông và hình dạng phá hoại đầu cọc trường hợp ĐL

Hình 4.6: Lực và biến dạng phương X trường hợp ĐL

Y, phía trái cọc giá trị dương, phía bên phải cọc giá trị âm nên cọc bị phình ra bên trái và bên phải cọc bị ép vào.

Biến dạng phương Z (Hình 4.8) cho ta thấy phía trái cọc và phía phải cọc chịu ứng xử nén - kéo khác nhau , bên trái chịu nén và bên phải chịu kéo, biến dạng

Hình 4.7: Lực và biến dạng phương Y trường hợp ĐL

Hình 4.8: Lực và biến dạng phương Z trường hợp ĐL chịu kéo lớn nhất ε = −1 23%₀

Trường hợp ép đỉnh lệch tâm làm cho 2 phía đặt tải bị nén và kéo khác nhau,phía chịu nén vẫn biến dạng, khi chảy dẻo, phía chịu kéo biến dạng vượt qua giới hạn chịu kéo, cọc bị phá hoại phía chịu kéo và lan sang vùng nén, điều này sẽ được so sánh với thực nghiệm ở 4.2.1.

4.1.3 Trường hợp OL Ứng suất tập trung ở ngàm kẹp trở xuống đặc biệt là dưới ngàm kẹp, có những vùng ứng suất cục bộ giá trị rất lớn Cả 2 trường hợp (TH1 ,TH2) cọc bị phá hoại tại vị trí phía dướí kế ngàm kẹp, cọc có xu hướng bị uốn tại ngàm kẹp, tại vị trí này thép đạt ứng suất chảy dẻo

Hình 4.9: Vị trí tập trung ứng suất cục bộ -OL (a)bê tông (b)thép

Hình 4.12 cho ta thấy khi tổng lực ép đạt khoảng 412 tấn các vị trí chân cọc , đỉnh cọc, bên ngàm trái , bên ngàm phải đạt trạng thái dẻo không có khả năng chịu lực , lúc này lực vị trí mặt cắt cục bộ lực ép không tăng nữa nhưng biến dạng vẫn tiếp tục tăng đến trạng thái sụp đỗ (Hình 4.13).

Hình 4.10: Đường lực - biến dạng phương X trường hợp OL

Hình 4.11: Đường lực - biến dạng phương Y trường hợp OL Ứng suất và biến dạng tập trung ở vị trí trên dưới và xung quanh ngàm kẹp rất phức tạp, vùng chịu nén vùng chịu kéo, biến dạng phương X,Y,Z tại đỉnh cọc rất nhỏ, chỉ xét đến vùng chân cọc, ngàm trái, ngàm phải và vị trí cục bộ.

Nhìn vào biểu đồ biến dạng phương X (Hình 4.14) phương Y(Hình 4.15) tất cả các nhánh biến dạng mang giá trị + do đó tại các vị trí chân cọc , ngàm cọc bị phình ra, khi biến dạng ngàm trái và phần cục bộ đạt biến dạng giới hạn là ε = −2 5%₀ các vị trí chân cọc và ngàm phải chưa đạt biến dạng giới hạn,vị trí chân cọc và ngàm phải vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi, chứng tỏ biến dạng

Hình 4.12: Đường lực - biến dạng phương Z trường hợp OL nở hông tại ngàm phải rất nhỏ.

Biến dạng phương Z (Hình 4.16) cho ta thấy phía bên ngàm phải chịu kéo , phía ngàm trái chịu nén Đối với bê tông cường độ cao (HSC) loại đang được dùng cho cọc ống (Rn = 80-100 Mpa) biến dạng giới hạn theo phương song song với lực nén (thẳng đứng) là ε = −2 5%₀ , biến dạng theo phương ngang (nở hông) là ε = −1 2%₀

4.2 So sánh với số liệu thí nghiệm

4.2.1 So sánh trường hợp cọc bị vỡ đầu cọc

Căn cứ vào số liệu mô phỏng 4.1.2 và số liệu thực nghiệm theo thí nghiệm đo lực - biến dạng đầu cọc ống li tâm [3].

Kết quả thí nghiệm và mô phỏng được thể hiện hình 4.18, 4.19, 4.20 Hình 4.18 cho ta thấy hình dạng phá hoại giữa mô phỏng và thực nghiệm là giống nhau.Có sự chênh lệch giữa lực ép giữa vị trí bên trái - phải trong mô phỏng và trong quá trình đo đạc tại công trình 4.19

Hình 4.13: (a) Vị trí cục bộ bị phá hoại (b) mặt cắt dọc trục (c) Mặt cắt ngang vị trí cục bộ

Biểu đồ lực - biến dạng hình 4.20 cho thấy mô phỏng và thực nghiệm đều cho phía trái cọc chịu kéo, phía phải cọc chịu nén, biến dạng kéo lớn nhất cho trường hợp mô phỏng khoảng ε = 0 05% và cho trường hợp thực nghiệm ε = 0 052% cả hai giá trị này đều thể hiện cọc bị phá hoại do nhánh chịu kéo biến dạng vượt giá trị giới hạn, nhánh chịu nén có sự chênh lệch về giá trị biến dạng nén ε = 1 3%₀ cho mô phỏng và ε = 2 5%₀ cho thực nghiệm, có thể trong mô phỏng đã khai báo độ lệch tâm lớn hơn so với thực nghiệm, cọc bị phá hoại phía phải chịu kéo khi mà biến dạng nhánh kéo ε > 0 15%₀ theo tiêu chuẩn châu Âu-MC90 [21].

Hình 4.19 cho ta thấy tổng lực xuống chân cọc lớn nhất khi cọc bị phá hoại

Hình 4.14: Đường lực - biến dạng phuong X - OLN

Hình 4.15: Đường lực - biến dạng phương Y - OLN khoảng 375 tấn, tổng lực xuống chân cọc lớn hơn theo [3] là do cường độ f c của bê tông khai báo trong mô phỏng lớn hơn thực tế, có 2 thời điểm lực ngàm trái và phải bằng nhau, thời điểm ban đầu và cuối (khi cọc bị phá hoại), trong các bước gia tải còn lại đều có sự chênh lệch tải giữa 2 vị trí ngàm.

4.2.2 So sánh trường hợp cọc bị nứt dọc thân

Qúa trình thí nghiệm được thực hiện tại công trình Nhà Ở Cán Bộ Công NhânViên – Cục 12 – Tổng Cục II – Bộ Quốc Phòng, trong đó 3 cọc được thí nghiệm

Hình 4.16: Đường lực - biến dạng phương Z - OLN

Vùng ngàm phi chu kéo Vùng ngàm phi chu kéo

Vùng chu nén cc b Vùng ngàm trái chu nén

Kết luận

Qua các trường hợp khảo sát và so sánh với thưc nghiệm,ta thấy ứng với mỗi trường hợp hạ cọc khác nhau có vị trí phá hoại và kiểu phá hoại là khác nhau, kết quả còn cho ta thấy hiện tượng nứt dọc thân cọc thường xảy ra khi ép ôm kèm theo khi hạ cọc có độ lệch tâm ,các vị trí thường xuất hiện vết nứt là dưới ngàm kẹp trái và trên ngàm kẹp phải nơi tập trung ứng suất nén kéo tương ứng

1 Ép đỉnh cọc PHC500A-5 ép đúng tâm sức chịu tải của cọc là rất lớn (880 tấn) phân bố ứng suất đồng đều trên cọc, khi lực ép đạt lớn hơn 880 tấn cọc bị phá hoại tại vị trí gần chân cọc, biến dạng nở hông cho ta thấy cọc bị phình ra.

2 Ép đỉnh cọc PHC500A-5 ép lệch tâm cho sức chịu tải của cọc giảm dần (375 tấn),kết quả mô phòng và thực nghiệm xác định nguyên nhân chính gây phá hủy đầu cọc trong quá trình nén là do sự chênh lệch lực ép ở hai phía đầu cọc,khi lực ép tiến gần với lực ép thiết kế thì cọc bị phá hủy do phá hoại từ thớ bị kéo Đây chính là hiện tượng thường xuất hiện khi ép đỉnh hiện tượng vỡ đầu cọc.

3 Ép ôm cọc PHC500A-5 ép lệch tâm cho sức chịu tải của cọc (412 tấn) và Ép ôm cọc PHC500A-10 ép lệch tâm xét đến cọc làm việc đồng thời với nền (150 tấn ) các biểu đồ biến dạng cho thấy cọc bị phá hoại tại ví trí bên dưới ngàm kẹp trái, nơi tập trung ứng suất nén cục bộ, vùng bên trên ngàm kẹp phải tập trung ứng suất kéo, các vùng tập trung ứng suất này gây nứt dọc thân cọc khi cọc chịu nén đúng tâm sức chịu tải của cọc là rất lớn , càng lệch tâm sức chịu tải càng giảm Độ lệch tâm càng lớn sức chịu tải của cọc càng suy giảm, cọc bị phá hoại do ứng suất tập trung cục bộ, vị trí phá hoại phía dưới ngàm kẹp bên trái và phía ngàm kẹp bên phải tương ứng với các vết nứt dọc thân cọc.

Cọc chưa tận dụng được hết cường độ vật liệu như trường hợp ép đúng tâm.

Không giống trường hợp nén đúng tâm, thép dọc DƯL đạt giá trị chảy dẻo, trong trường hợp nén lệch tâm, thép đai ứng suất trước chỉ đạt giá trị chảy dẻo tại vị trí cục bộ,còn thép dọc vẫn còn phần dự trữ ứng suất rất nhiều Điều này chứng tỏ bê tông bị phá hoại nhanh trong khi thép dọc không tham gia chịu lực. Điều kiện thí nghiệm không cho phép thực hiện số lượng cọc đủ lớn, việc khảo sát hiện tượng chỉ thực hiện được trên một cọc Tuy nhiên qua mô phỏng và so sánh đối chiếu biện pháp thi công cọc là yếu tố gây ra sự nứt dọc thân cọc, cần phải có các biện pháp để giảm thiểu sự lệch tâm trong quá trình ép hạ cọc, ngay giai đoạn chọn lựa kiểm định máy ép rô bôt cho đến trong giai đoạn thi công để tận dụng hết cường độ vật liệu cọc tránh các sự cố trong quá trình hạ cọc.

5.2 Hướng phát triển của đề tài Để khảo sát tổng quát hiện tượng nứt dọc thân cọc trong quá trình hạ cọc các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

1 Mô phỏng cọc có mối nối cọc và đầu thép cọc để cọc làm việc phù hợp với điều kiện thực tế.

2 Xem xét hạ cọc trong các mô hình đất nền khác nhau nhưMouhr-Coulumbo, Drukger Prager Plasticity với nhiều loại đường kính cọc khác nhau, so sánh với các phần mềm khác nhau :Ansys, Abaqus

3 Xem xét hạ cọc theo thời gian, theo trình tự xây dựng để đánh giá đầy đủ ảnh hưởng từ giai đoạn chuẩn bị (cọc bị co ngắn đàn hồi) đến giai đoạn hạ cọc theo thời gian.